KR102191146B1 - 직/병렬 dc-dc 컨버터 장치 및 연료전지 시스템 - Google Patents

직/병렬 dc-dc 컨버터 장치 및 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직/병렬 DC-DC 컨버터 장치 및 연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예는 장치에 있어서, 제1 연료전지 스택에 연결되는 제1 컨버터; 및 제2 연료전지 스택에 연결되는 제2 컨버터; 를 포함하고, 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터 각각은 적어도 하나의 인덕터, 적어도 하나의 커패시터, 적어도 하나의 다이오드, 및 적어도 하나의 트랜지스터를 포함하고, 상기 제1 연료전지 스택은 상기 제1 컨버터를 통하여 출력 단자에 연결되고, 상기 제2 연료전지 스택은 상기 제2 컨버터를 통하여 상기 출력 단자에 연결되는 장치를 제안한다.

Description

직/병렬 DC-DC 컨버터 장치 및 연료전지 시스템{SERIAL/PARALLEL DC-DC CONVERTER DEVICE AND FUEL CELL SYSTEM THEREOF}
본 발명은 직/병렬 DC-DC 컨버터 장치 및 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)란 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 장치이다. 따라서 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능하다. 연료전지는 미래 에너지인 수소 에너지 및 재생 에너지를 활용하는 핵심 기술로서 활발히 연구되고 있다. 그 중 SOFC(solid oxide fuel cell)은 수소와 탄화수소를 자유롭게 연료로 사용할 수 있고, 에너지 변환 효율이 높은 연료전지로서, 대기 오염을 억제할 수 있는 가장 유력한 미래 동력원의 하나이다.
한편, 도 1a 및 도 1b는 복수의 연료전지 부재(10)가 직렬로 연결되는 일 예를 도시한다. 여기서 상기 복수의 연료전지 부재(10) 각각은 연료전지 셀(cell)이거나 연료전지 스택(stack)일 수 있다. 이와 같이 복수의 연료전지 부재(10) 각각이 직렬로 연결되는 경우, 시간이 경과함에 따라 특정 연료전지 부재(20)에 대한 열화가 발생하거나 이상이 발생하는 경우 상기 복수의 연료전지 부재(10)를 포함하는 모듈 및/또는 시스템의 성능이 하향될 수 있다. 도 1b를 참조하면, 성능이 하향된 특정 연료전지 부재(20)가 나머지 복수의 연료전지 부재와 직렬 연결되어 있기 때문에 모듈 및/또는 시스템 전체의 성능 하향으로 연결된다는 문제가 있다.
이에 따라 본 발명은 개선된(enhanced) 직/병렬 DC-DC 컨버터 장치 및 연료전지 시스템을 제안하려고 한다.
본 발명의 일 실시예는 직/병렬 DC-DC 컨버터 장치 및 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 연료전지 스택, 연료전지 모듈, 및/또는 연료전지 시스템의 효율을 최대화하는 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예는 장치에 있어서, 제1 연료전지 스택에 연결되는 제1 컨버터; 및 제2 연료전지 스택에 연결되는 제2 컨버터; 를 포함하고, 상기 제1 컨버터 및 상기 제2 컨버터 각각은 적어도 하나의 인덕터, 적어도 하나의 커패시터, 적어도 하나의 다이오드, 및 적어도 하나의 트랜지스터를 포함하고, 상기 제1 연료전지 스택은 상기 제1 컨버터를 통하여 출력 단자에 연결되고, 상기 제2 연료전지 스택은 상기 제2 컨버터를 통하여 상기 출력 단자에 연결되는 장치를 제안한다.
상기 제1 연료전지 스택은 제1 연결 부재를 포함하고, 상기 제2 연료전지 스택은 제2 연결 부재를 포함하고, 상기 제1 연결 부재의 일 측면은 상기 제2 연결 부재의 일 측면에 상응하는 외형으로 형성될 수 있다.
입력단에 비해 더 낮은 전압을 출력하거나 높은 전압을 출력하는 벅-부스트(buck-boost) 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 트랜지스터는 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) 및 IGBT(insulated gate bipolar transistor) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예는 시스템에 있어서, 제1 연료전지 스택, 제2 연료전지 스택, 및 제3 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 장치; 제1 컨버터, 제2 컨버터, 및 제3 컨버터를 포함하는 컨버터 장치; 및 상기 연료전지 장치 및 상기 컨버터 장치를 제어하는 서버; 를 포함하고, 상기 제1 컨버터, 제2 컨버터, 및 제3 컨버터 각각은, 적어도 하나의 인덕터, 적어도 하나의 커패시터, 적어도 하나의 다이오드, 및 적어도 하나의 트랜지스터를 포함하고, 제1 연결 부재를 포함하고, 상기 제1 연료전지 스택, 제2 연료전지 스택, 및 제3 연료전지 스택 각각은 상기 제1 연결 부재에 착탈이 가능한 제2 연결 부재를 포함하는 시스템을 제안한다.
상기 제1 연료전지 스택, 제2 연료전지 스택, 및 제3 연료전지 스택 각각은 연료전지, ESS(energy save system), 및 태양광 전기 시스템에 설치될 수 있다.
상기 제1 연결 부재의 일 측면은 상기 제2 연결 부재의 일 측면에 상응하는 외형으로 형성될 수 있다.
상기 연료전지 시스템은 상기 배터리 모듈 또는 상기 컨버터 장치에 연결된 출력 단자; 를 더 포함하고, 상기 서버는 인공신경망을 운용하는 인공지능 모듈; 을 더 포함할 수 있다.
상기 인공지능 모듈은, 상기 제1 연료전지 스택에 대한 제1 상태 정보, 상기 제2 연료전지 스택에 대한 제2 상태 정보, 상기 제3 연료전지 스택에 대한 제3 상태 정보 및 상기 출력 단자에 대한 출력 정보를 학습 데이터로써 상기 인공신경망을 학습시키고, 상기 출력 정보 및 상기 학습된 인공신경망을 이용하여 상기 제1 연료전지 스택, 상기 제2 연료전지 스택 및 상기 제3 연료전지 스택을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 적어도 하나의 트랜지스터는 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) 및 IGBT(insulated gate bipolar transistor) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예는 시스템에 있어서, 제1 연료전지 스택, 제2 연료전지 스택, 및 제3 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 장치; 상기 제1 연료전지 스택과 직렬로 연결되는 제1 컨버터, 상기 제2 연료전지 스택과 직렬로 연결되는 제2 컨버터, 및 상기 제3 연료전지 스택과 직렬로 연결되는 제3 컨버터를 포함하는 컨버터 장치; 및 상기 연료전지 장치 및 상기 컨버터 장치를 제어하는 서버; 를 포함하고, 상기 제1 컨버터, 제2 컨버터, 및 제3 컨버터 각각은 적어도 하나의 인덕터, 적어도 하나의 커패시터, 적어도 하나의 다이오드, 및 적어도 하나의 트랜지스터를 포함하는 시스템을 제안한다.
본 발명의 일 실시예는 직/병렬 DC/DC 컨버터 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 연료전지 시스템의 복수의 연료전지스택 중 일부의 성능이 하향되어도, 연료전지 시스템 전체의 성능이 하향되는 것을 억제할 수 있다는 점에서 기술적인 효과가 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 특정한 바람직한 실시예들의 상기에서 설명한 바와 같은 또한 다른 측면들과, 특징들 및 이득들은 첨부 도면들과 함께 처리되는 하기의 설명으로부터 보다 명백하게 될 것이다.
도 1a 및 도 1b는 복수의 연료전지 부재가 직렬로 연결되는 일 예를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOFC(solid oxide fuel cell) 연료시스템의 동작 원리를 도시한다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구체적인 구성 예를 도시한다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 다른 구체적인 구성 예를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 I-V 특성 그래프를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 통합적 제어를 위한 구조를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 결합되는 시스템의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 관리 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 서버의 제어 모듈을 나타내는 블록도이다.
상기 도면들을 통해, 유사 참조 번호들은 동일한 혹은 유사한 엘리먼트들과, 특징들 및 구조들을 도시하기 위해 사용된다는 것에 유의해야만 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 일 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 일 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 일 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이때, 처리 흐름도 도면들의 각 블록과 흐름도 도면들의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실행 예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이 때, 본 일 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-Programmable Gate Array) 또는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명함에 있어서, 특정 시스템의 예를 주된 대상으로 할 것이지만, 본 명세서에서 청구하고자 하는 주요한 요지는 유사한 기술적 배경을 가지는 여타의 통신 시스템 및 서비스에도 본 명세서에 개시된 범위를 크게 벗어나지 아니하는 범위에서 적용 가능하며, 이는 당해 기술분야에서 숙련된 기술적 지식을 가진 자의 판단으로 가능할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한다.
도 2를 참조하면, 연료전지 시스템은 MBOP(mechanical balance of plant)(110), 스택 모듈(stack module)(120), EBOP(electronic balance of plant)(130)을 포함한다.
MBOP(110)는 연료전지 스택의 전기 생산에 필요한 재료들을 처리하여 제공한다. 예를 들어, MBOP(110)는 연료, 물, 공기를 처리하여 재공한다. 연료는 LNG(liquid natural gas)일 수 있다. 즉, MBOP(110)는 연료와 공기를 공급하는 기계 설비로서, 스택 모듈(120)에 수소, 산소 등을 공급하는 기계 장치들을 포함한다. 예를 들어, MBOP(110)는 탈황기(desulfurizer), 수처리 시스템(WTS: water treatment system), 블로워(blower), 필터, 개질기, 버너, 펌프, 밸브, 배관 중 적어도 하나를 구성요소로서 포함할 수 있다.
스택 모듈(120)은 MBOP(110)로부터 공급되는 처리된 재료들을 이용하여 전기를 생성한다. 스택 모듈(120)은 복수의 셀(cell)들을 포함한다. 다시 말해, 스택 모듈(120)은 셀들을 다수 적층(stack)한 전기 화학적 발전기이다. 스택 모듈(120)은 전극, 전해질 및 분리판으로 구성된 셀이 적층된 구조로 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생산하는 부분으로서, 연료전지 시스템의 가장 핵심적인 요소라고 할 수 있다. 셀은 어노드(anode), 캐소드(cathode), 전해질을 포함하는 구조물이다. 예를 들어, 스택 모듈(120)은 54장 또는 100장의 셀들을 쌓은 구조를 가질 수 있다. 스택 모듈(120)에 포함되는 셀의 동작 원리는 이하 도 3를 참고하여 설명된다. 스택 모듈(120)은 SOFC 스택 모듈이라 불릴 수 있다.
EBOP(130)는 연료전지 시스템에 대한 제어 및 전기적 신호를 관리한다. 즉, EBOP(130)는 연료전지 시스템에서 발생하는 전기에너지를 제어한다. EBOP(130)는 DC(direct current)를 AC(alternative current)로 변환하는 전력 변환 장치를 포함하는 전기 설비일 수 있다. EBOP(130)는 연료전지 스택에서 발생된 직류 형태의 전기에너지를 교류 형태로 변환하여 계통으로 발전된 에너지를 전송하고 연료전지 시스템에 대한 제어를 수행한다. EBOP(130)는 전류가 고정되는 전류형 또는 부하에 맞게 전압이 고정되는 전압형으로 동작할 수 있다.
물을 전기 분해하면 수소 및 산소가 발생한다. 연료전지 스택은 이 과정을 반대로 이용하는 것으로서, 수소 및 산소로부터 전기를 얻는 전기화학적 발전을 수행한다. 즉, 연료전지 스택은 수소 및 산소로부터 물, 전기, 열을 생산한다. 따라서, 전기 및 열이 동시에 발생하며, 그 구조에 따라 원하는 전압 및 전류가 얻어진다.
일반적으로 연료전지 스택의 기본 셀에서 전기를 발생시키기 위해, 애노드에 연료인 수소를 공급하고, 캐소드에 산소를 공급하면 전해질을 통해 이동한 이온과 결합하여 물이 생성되고 외부 도선을 통해 전자가 캐소드로 이동하게 된다. 이러한 과정 중, 전자의 외부 흐름이 전류를 형성하고, 이에 따라 전기가 발생된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOFC(solid oxide fuel cell) 연료전지시스템의 동작 원리를 도시한다.
도 3을 참조하면, 셀은 투과성 애노드(permeable anode)(201), 불투과성 전해질(impermeable electrolyte)(202), 투과성 캐소드(permeable cathode)(203)로 구성된다. 투과성 애노드(201)의 측으로 연료인 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)가 공급되면, 투과성 애노드(201)를 통해 불투과성 전해액(202) 쪽으로 수소(H2)가 제공되고, 산소 이온(O2 -)과 결합하여 부산물로서 물(H2O) 및 이산화탄소(CO2)가 생성된다. 투과성 캐소드(203)의 측으로 공기가 공급되면, 투과성 캐소드(203)를 통해 불투과성 전해질(202) 쪽으로 산소(O2)가 제공되고 도선을 통해 너어온 전자와 결합하여 산소 이온(O2 -)을 만들어 전해질을 통하여 애노드에 공급한다. 이에 따라, 애노드(201)에서 불투과성 전해질(202)을 통과한 산소 이온(O2 -)과 수소(H2)가 반응하여 물(H2O)이 생성되며, 이 과정에서 전자(e)가 발생한다.
도 2에 도시된 MBOP(110), 스택 모듈(120), EBOP(130)의 구체적인 구성은 다양한 일 실시예들에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, MBOP(110), 스택 모듈(120), EBOP(130)의 구체적인 구성은 이하 도 4a 또는 도 4b와 같을 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구체적인 구성 예를 도시한다. 도 4a를 참조하면, MBOP(110)는 탈황기, 수처리 시스템, 블로워와 같은 저온 기계 장치를 포함한다. 탈황기는 연료로 사용되는 LNG에 혼합된 황을 제거하는 장치이다. 스택 모듈(120)은 열 교환기(heat exchange), 버너(burner)와 같은 고온용 기계 장치와 스택을 포함한다. EBOP(130)는 제어기(controller), 온도계, 압력계, 플로우(flow), DC/DC 컨버터(converter), DC/AC 컨버터를 포함한다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 다른 구체적인 구성 예를 도시한다. 도 4b를 참조하면, MBOP(110)는 탈황기, 수처리 시스템, 블로워, 가습기, 예비 개질기, CO-폴리셔(co-polisher), 가스버너를 포함한다. 스택 모듈(120)은 내부 개질기, 셀들을 포함한다. EBOP(130)는 PCU(power control unit)를 포함한다.
연료전지 스택의 설계에 따라, 전극의 면적 및 구조가 달라진다. 따라서, 연료전지 스택마다 효율이 다르다. 연료전지 스택의 성능 비교를 위해, 전극 단위 면적당(cm2) 발생되는 전류의 양이 척도로서 사용하며, 이는 전류 밀도(A/cm2, mA/cm2)로 불리울 수 있다. 연료전지 스택 전류와 전압의 특성을 그래프로 나타낸 것을 전류-전압 곡선(I-V Curve) 또는 분극 곡선(Polarization Curve)이라하며, 일 예는 도 5와 같다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 I-V 특성 그래프를 도시하고, 전류 밀도(current density)에 따른 셀 전압(cell potential)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5에서, 활성화 손실(Activation Loss)(410)은 전극 표면에서 전하를 이송해 화학반응을 일으킬 때 발생하는 손실이다. 연료전지 스택 전극에서의 수소 산화 반응 및 공기극에서의 산소 환원 반응 시 전압 손실이 발생하는데, 이를 활성화 손실이라 한다. 도 5와 같이, 활성화 손실은 전류 밀도가 작을 때 두드러지게 나타난다.
옴 저항 손실(Ohmic Resistance Loss)(420)은 저항과 전하가 전해질을 통과하면서 나타나는 저항 성분의 손실이다. 연료전지 스택의 성능을 결정을 위해, 전극면적(cm2) 및 전체저항(Ω)의 곱으로 정의되는 전극의 ASR(Area Specific Resistance)이 사용될] 수 있다. 옴(ohm)의 법칙(V=I×R)에 따라, 전압(V)=전류 밀도(A/cm2)×ASR(cm2·Ω))만큼의 손실이 발생한다. 즉, 전류 밀도가 증가함에 따라, 일정한 기울기를 가지는 일차함수 형태로 셀 전압이 감소한다. 이를 옴 저항 손실이라 한다.
농도 손실(Concentration Loss)(430)은 전기화학반응에 의해 전극에서 반응 물질이 소모됨에 따라 초기 농도를 유지하는 능력이 부족하여 발생하는 손실이다. 전류 밀도를 점점 높여 운전하면, 어느 순간 전압이 급격히 떨어져 0V가 되는 전류 밀도 값에 도달하며, 이것은 연료 전극층에 대한 수소의 공급 속도가 한계에 도달한 상황으로 이해된다. 다시 말해, 연료인 수소의 공급 속도가 반응에 의한 수소의 소모 속도보다 느려서, 더 이상 수소 산화 반응이 진행되지 못하는 상태가 된다. 이러한 상태를 농도 손실이라하며, 다른 말로 매스 전달 손실(Mass transfer loss)이라 불리우기도 한다.
도 5와 같은 I-V 특성 그래프는 연료전지 스택의 사용에 따라 변화할 수 있다. 예를 들어, 사용 기간이 길어질수록, 도 5와 같은 그래프가 좌측으로 이동하는 경향이 관찰된다. 따라서, 출력되는 전압-전류의 관계를 확인할 수 있다면, 현재 연료전지 스택의 I-V 특성 그래프가 확인될 수 있다. 이에 착안하여, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 I-V 특성 그래프에 기반하여 연료전지 스택의 상태를 판단하고, 현재 상태에서 주어진 조건을 충족하기 위해 필요한 운전 조건을 결정한 후, 적응적으로 운전 모드를 제어할 수 있다.
이를 위해, EBOP(130)는 연료전지 스택의 상태를 진단하고, 스택의 상태에 기반하여 운전 모드를 제어하기 위한 제어기를 포함한다. 제어기는 연료전지 시스템의 성능, 상태를 모니터링하고, 연료전지 시스템의 구성요소들의 동작을 제어할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 운전 중 또는 정지 시 상태 감시 및 분석을 위해, 제어기는 셀 전압 및 전류 밀도 관계 그래프와 같은 특성을 파악하고, 이에 기반하여 상태를 판단할 수 있다. 즉, 제어기는 셀 전압에 따른 전류 밀도 측정 값을 수집 및 분석할 수 있다. 이를 위해, 제어기는 요구되는 연산을 위한 적어도 하나의 프로세서(processor) 또는 마이크로 프로세서를 포함하고, 발생하는 데이터를 적어도 임시적으로 저장하기 위한 메모리를 포함할 수 있다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 통합적 제어를 위한 구조를 도시한다.
도 6를 참고하면, 연료전지 시스템은 MBOP(110), 스택 모듈(120), EBOP(130)를 포함하며, 이들을 제어하기 위한 구성요소인 제어기(132)를 포함한다. 제어기(132)는 전술한 실시예들에서 설명된 제어기에 해당한다. 도 6에서 제어기(132)는 EBOP(130)과 분리되는 것으로 도시되었지만, EBOP(130)에 포함되는 임베디드(embedded) 형식으로 구현될 수도 있고, EBOP에서 진단한 임피던스 및 저항값을 넘겨 받아 운전 모드 결정만 분리하여 제어기(132)에 둘 수도 있다.
제어기(132)는 시퀀스 제어(예: heat-up, operation mode, cool-down 등을 제어), 피드백 제어(예: 유량 제어, 온도 제어, 압력 제어 등), EBOP 제어(예: 전력 제어, 스택 상태 정보(물질 전달 저항 등) 제어)를 담당하고, 운전 중 실시간 감시를 통해 운전 변수를 변경할 수 있고, 상태 제어 및 예측 진단을 수행할 수 있다.
제어기(132)는 외부 통신망(예: 이더넷)을 통해 상위 제어 시스템(510)에 연결될 수 있다. 상위 제어 시스템(510)은 복수의 연료전지 시스템들의 제어기들과 연결되며, 단위 모듈 별(6/24/120kW) 병렬 운전 및 단위 모듈 고장 시 부하 분담을 조정하는 통합적인 제어를 담당한다.
제어기(132) 및 상위 제어 시스템(510)의 상태 감시를 기반으로 전체 시스템의 안정성 및 신뢰성이 향상될 수 있다. 스택 모듈의 수명 및 발전 출력량 중 원하는 사항에 우선순위를 부여하는 운영도 가능하다. 단위 모듈의 교체 가능으로, 시스템의 운전 지속성도 확보된다. 예를 들어, 개별 독립 운전, 통합 병렬 운전, 부하 변동 운전 등의 다양한 방식들이 지원될 수 있다.
제어기(132)는 동작 중에 연료전지의 상태를 감시 및 분석하고, 분석 결과에 따라 운전 변수를 조절할 수 있다. 이를 통해, 제어기(132)는 트립(trip)을 방지하고, 신뢰성을 향상시킨다. 또한, 제어기(132)는 트립 또는 시스템 정지 시 신속한 원인 분석 및 조치를 수행할 수 있고, 이에 따라 가동율이 증대될 것이다. 예를 들어, 주 성분 분석은 운전 및 제어 변수를 이원화하여 상태 감시/진단하는 것을 포함할 수 있다.
추가적으로, AI(artificial intelligent)-RNN(recurrent neural network) 기반의 진단이 수행될 수 있고, 이에 따라 수명 종료 시점까지의 정상 상태 변경에 따른 기준치 재설정 및 트립 시 정밀 진단이 가능하다. RNN 기반의 진단은 실시간 데이터에 기반하여 수행될 수 있다. 지능형 제어기는 동작 중 정상 상태 판별 및 정지 시 정밀 진단을 위해 RNN을 이용할 수 있다. RNN은 외부의 다른 연료전지 시스템에서 얻어진 데이터 등으로 훈련 또는 학습될 수 있다.
전술한 바와 같은 기능들로 인해, 연료전지 시스템의 효율성이 크게 증대될 수 있다. 제어기(132)는 주어진 정책에 따라 연료전지의 운전 모드를 제어할 수 있다. 여기서, 운전 모드를 제어함은 운전에 관련된 변수들 또는 연료전지의 상태에 관련된 변수들을 조절하는 것을 의미한다. 예를 들어, 변수는 온도, 유량, 압력, 출력 등을 포함한다.
제어를 위한 정책은 수명 우선 또는 출력량 우선 또는 출력 우선 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템에서 요구하는 가동 기한이 아직 채워지지 아니한 경우, 수명 우선의 정책에 따라 운전 모드가 제어될 수 있다. 이후, 가동 기한이 경과하면, 남은 기간 동안 출력량 또는 출력 우선의 정책에 따라 운전 모드가 제어될 수 있다.
운전 중 상태 감시로서, 제어기(132)는 이상 설정 값 변경(정상 상태 바뀜), 이상에 따른 운전 변수 변경, 고장 예측 등의 동작을 수행할 수 있다. 정지 시 고장 정밀 진단으로서, 지능형 제어기는 고장 근본 원인 분석, 조치 방안 분석, 사례 검색 DB(database)화 등의 동작을 수행할 수 있다.
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그리고, 본 발명의 일 실시예는 직/병렬 DC/DC 컨버터 장치(device) 및 시스템(system)을 아래와 같이 제안한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 직/병렬 DC/DC 컨버터 장치(710)를 포함하는 시스템(700)을 나타내는 블록도이다.
상기 시스템(700)은 컨버터 장치(710) 및 연료전지 스택(720)을 포함할 수 있으며, 컨버터 장치(710)는 연료전지 스택(720)에 직접적으로 및/또는 간접적으로 연결될 수 있으며, 물리적으로 및/또는 전자적으로 연결될 수 있다. 이를 위해 컨버터 장치(710) 및/또는 연료전지 스택(720) 각각은 연결 부재, 고정 부재, 체결 부재, 하우징 등을 포함할 수 있다.
또한 컨버터 장치(710)는 적어도 하나의 직/병렬 DC/DC 컨버터를 포함할 수 있으며, 후술하는 제1 컨버터(840), 제2 컨버터(850), 및/또는 제3 컨버터(860)를 포함할 수 있다. 또한 연료전지 스택(720)은 복수의 연료전지 셀(cell), 분리기(separator), 플레이트(plate), 수소 전극(hydrogen electrode)(제1 촉매(catalyzer)), 전해질 파일(electrolyte file), 및/또는 공기 전극(air electrode)(제2 촉매) 등을 포함하거나, 후술하는 제1 연료전지 스택(810), 제2 연료전지 스택(820), 및/또는 제3 연료전지 스택(830)을 포함할 수 있다. 상기 연료전지 셀은 1차전지 및/또는 충전(charge)(및/또는 충방전(charge and discharge))이 가능한 2차전지를 포함하거나 관련될 수 있다. 여기서 1차전지(primary cell, primary battery)는 방전한 뒤 충전으로 본래의 상태로 되돌릴 수 없는 비가역적 화학반응을 하는 전지를 의미할 수 있으며(예; 망가니즈건전지, 알카라인전지 등), 2차 전지는(secondary battery, secondary cell battery, rechargeable battery) 충전 및 방전이 가능한 전지를 의미할 수 있다. 또한 2차 전지는 납산(lead acid), 니켈 카드뮴(NiCd), 니켈 수소(NiMH), 리튬 이온(Li-ion), 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 등을 포함할 수 있다.
또한, 연료전지 스택(720)은 전술한 연료전지 시스템에 포함되거나, MBOP(mechanical balance of plant)(110), 스택 모듈(stack module)(120), 및/또는 EBOP(electronic balance of plant)(130)에 포함될 수 있다. 또한 연료전지 스택(720)은 에너지 저장 시스템(ESS, energy storage system) 및/또는 태양광 연료전지 시스템에 포함되는 유닛이거나 부재일 수 있다. 여기서 에너지 저장 시스템(ESS)는 에너지(예; 전력) 출력 또는 충/방전을 할 수다.
추가적으로 컨버터 장치(710)는 공조장치(미도시) 및/또는 소화장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. 여기서 공조장치는 공기의 온도, 습도, 청정도 및 기류 분포를 대상 공간의 요구에 맞도록 동시에 처리하기 위해 사용하는 공조 조화 설비를 제어할 수 있으며, 온도 센서, 결로 센서, 습도 센서, 쿨러, 히터 등을 포함할 수 있다. 또한 공조장치에 의해 컨버터 장치(710) 및/또는 연료전지 스택(720) 등이 각각 최적 공조 상태로 제어될 수 있다. 또한, 소화장치는 불꽃 센서, 열 센서, 연기 센서, 소화장치(예를 들면, HCFC-123 가스, CO2 가스 등) 등을 포함할 수 있다. 또한 소화장치에 의해 컨버터 장치(710) 및/또는 연료전지 스택(720) 등이 각각 화재로부터 보호될 수 있다.
또한 컨버터 장치(710)는 온도 센서를 통하여 측정된 연료전지 스택(720)의 온도에 대한 정보 및/또는 컨버터 장치(710)의 온도에 대한 정보가 소정의 임계 온도보다 높아지거나, 기준 온도(reference temperature)보다 소정의 값 이상으로 온도 차이가 발생하는 경우에 이벤트를 발생시킬 수 있다. 여기서 이벤트는 알람 메시지를 생성하여 컨버터 장치에 구비된 스피커, 램프, 디스플레이 등을 통하여 상기 알람 메시지를 출력하는 제1 이벤트, 및/또는 컨버터 장치(710)의 벅-부스트(buck-boost) 기능을 제어하는 제2 이벤트를 포함할 수 있다.
또한 컨버터 장치(710)는 적어도 하나의 인덕터, 적어도 하나의 커패시터, 적어도 하나의 다이오드, 및/또는 적어도 하나의 트랜지스터를 포함할 수 있다.
여기서 인덕터는 에어코어 인덕터, 마그네틱코어 인덕터, 탭 인덕터 등을 포함할 수 있고, 커패시터는 IEC 스타일의 커패시터, 가변 커패시터, 트리머 커패시터 등을 포함할 수 있다. 또한, 다이오드는 제너 다이오드, 터널 다이오드, 쇼트키 다이오드, 발광 다이오드, 바리캡 다이오드, 쇼클리 다이오드, 실리콘 제어 정류기, 정전류 다이오드 등을 포함하고, 트랜지스터는 N채널 JFET, P채널 JFET, 모스펫, NPN BJT, PNP BJT, NPN 달링턴, PNP 달링턴 등을 포함할 수 있다.
또한 예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터 장치(700)는 저항(예; 레오스탯, 포텐셔미터, 서미스터 등), 스위치(예; SPST, SPDT, DPDP, 자기복귀형 스위치(IEEE Std 315) 등), 접지(예; 그라운드, 신호/저잡음 접지, 섀시 접지(IEC 스타일) 등), 소스(예; 단일 셀 배터리, 멀티 셀 배터리, 전압원, 종속 전압원, 전류원, 종속 전류원, AC 전압원 등), 안테나, 진공 튜브, 릴레이, 램프, 전류 제한기, 연산 증폭기, 전자 음향 기기, 페라이트 비드(IEEE Std 315) 등을 더 포함할 수도 있다. 다시 말해, 도 8의 도시된 회로는 컨버터 장치(700)의 일 예에 불과하다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 전술한 바와 같이, 컨버터 장치(710)는 제1 컨버터(840), 제2 컨버터(850), 및/또는 제3 컨버터(860)를 포함할 수 있으며, 연료전지 스택(720)은 제1 연료전지 스택(810), 제2 연료전지 스택(820), 및/또는 제3 연료전지 스택(830)을 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 제1 연료전지 스택(810), 제2 연료전지 스택(820), 및/또는 제3 연료전지 스택(830), 제1 컨버터(840), 제2 컨버터(850), 제3 컨버터(860), 및/또는 출력 단자(870)를 포함할 수 있다.
또한 도 8을 참조하면 제1 연료전지 스택(810), 제2 연료전지 스택(820), 및/또는 제3 연료전지 스택(830) 각각은 출력 단자(870)에 직접 연결되는 것이 아닌, 제1 컨버터(840), 제2 컨버터(850), 및/또는 제3 컨버터(860)를 통하여(및/또는 경유하여) 상기 출력 단자(870)에 연결될 수 있다.
종래에는 제1 연료전지 스택(810), 제2 연료전지 스택(820), 및/또는 제3 연료전지 스택(830) 각각이 상기 출력 단자(870)에 직접 연결되었기에, i) 상기 제1 연료전지 스택(810), 제2 연료전지 스택(820), 및/또는 제3 연료전지 스택(830)이 파손(및/또는 열화)되거나 ii) 제1 연료전지 스택(810), 제2 연료전지 스택(820), 및/또는 제3 연료전지 스택(830)에 포함되는 연료전지 셀(cell)이 파손(및/또는 열화)되는 경우에는 연료전지 시스템 전체의 성능이 하향되는 문제가 존재하였다.
하지만 본 발명의 경우 제1 연료전지 스택(810), 제2 연료전지 스택(820), 및/또는 제3 연료전지 스택(830) 각각이 제1 컨버터(840), 제2 컨버터(850), 및/또는 제3 컨버터(860)를 통하여(및/또는 경유하여) 상기 출력 단자(870)에 연결되기에, i) 상기 제1 연료전지 스택(810), 제2 연료전지 스택(820), 및/또는 제3 연료전지 스택(830)이 파손(및/또는 열화)되거나 ii) 제1 연료전지 스택(810), 제2 연료전지 스택(820), 및/또는 제3 연료전지 스택(830)에 포함되는 연료전지 셀(cell)이 파손(및/또는 열화)되는 경우에도 상기 연료전지 시스템 전체의 성능이 하향되는 것을 방지할 수 있다는 측면에서 기술적인 의미(및/또는 기술적인 효과)를 제공할 수 있다.
또한, 도 1b에서와 같이 복수의 연료 전지가 직렬로 연결되는 경우와는 달리, 도 8의 경우는 복수의 연료전지 스택(810, 820, 830) 각각은 복수의 컨버터 장치(840, 850, 860) 각각을 통하여 연결되기 때문에 성능이 하향된 하나의 연료전지 스택을 다른 연료전지 스택으로 교체하기 위해 상기 성능이 하향된 하나의 연료전지 스택을 컨버터 장치(840 또는 850 또는 860)에서 분리하여도 나머지 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템은 계속 구동(및/또는 동작)될 수 있다는 점에서, 본 발명은 관리적인 측면에서도 효율적이라고 볼 수 있다.
또한, 컨버터 장치(710), 및/또는 복수의 컨버터 장치(840, 850, 860) 각각은 buck-boost 효과에 따른 출력(즉, 입력단(input terminal 또는 input)보다 낮아진 출력 또는 높아진 출력)을 제공하는 buck-boost converter(또는 buck-boost transformer)로서의 역할을 수행할 수 있다. 일 예로, 컨버터 장치(710), 및/또는 복수의 컨버터 장치(840, 850, 860) 각각에 상응하는 회로 자체가 buck-boost 기능을 제공(또는 buck-boost 출력)할 수 있다. 다른 예로, 컨버터 장치(710), 및/또는 복수의 컨버터 장치(840, 850, 860) 각각의 전단 및/또는 후단에 buck-boost 기능을 제공(또는 buck-boost 출력)하는 회로 및/또는 모듈이 더 포함(및/또는 연결)될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 결합되는 시스템의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 9를 참조하면, 제1 연료전지 유닛(910)에는 제1 연결 부재(930)가 구비(및/또는 설치)되고, 제2 연료전지 유닛(920)에는 제2 연결 부재(940)가 구비(및/또는 설치)될 수 있다. 여기서 제1 연료전지 유닛(910)은 컨버터 장치(710), 제1 컨버터(840), 제2 컨버터(850), 및/또는 제3 컨버터(860) 중 적어도 어느 하나를 포함하거나, 상기 컨버터 장치(710), 제1 컨버터(840), 제2 컨버터(850), 및/또는 제3 컨버터(860) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 컨버터 모듈을 포함할 수도 있다. 또한 제2 연료전지 유닛(920)은 연료전지 스택(720), 제1 연료전지 스택(810), 제2 연료전지 스택(820), 및/또는 제3 연료전지 스택(830) 중 적어도 어느 하나를 포함하거나, 상기 연료전지 스택(720), 제1 연료전지 스택(810), 제2 연료전지 스택(820), 및/또는 제3 연료전지 스택(830) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 연료전지 모듈(및/또는 배터리 모듈)을 포함할 수도 있다.
도 9의 경우는, 제1 연결 부재(930)가 숫놈(또는 플러스 단자)이고 제2 연결 부재(940)가 암놈(또는 마이너스 단자)인 경우를 도시하고 있으나, 그 반대로 구현될 수도 있다.
또한 제1 연결 부재(930) 및 제2 연결 부재(940)가 연결되었을 때 외관상 분리된 부재임이 드러나지 않도록, 제1 연결 부재(930) 및 제2 연결 부재(940)는 동일한 넓이, 상응하는 외형, 동일한 색상을 갖도록 형성될 수 있다.
일 예로, 제1 연결 부재(930) 및 제2 연결 부재(940) 각각의 일 측면의 모양, 넓이, 색상 등은 동일 할 수 있다.
다른 예로, 제1 연결 부재(930) 및 제2 연결 부재(940) 각각은 자성을 띄는 마그네틱(자석) 부재를 포함하여 상기 제1 연결 부재(930) 및 제2 연결 부재(940)의 연결을 용이하게 하도록 유도할 수 있다. 여기서 마그네틱 부재는 페라이트 자석, 알니코 자석, 희토류계 자석, 플라스틱 자석, 고무자석, 네오디뮴 자석, 전자석(electromagnet) 등을 포함할 수 있다. 또한, 제1 연결 부재(930)에 구비된 제1 마그네틱 부재와 제2 연결 부재(940)에 구비된 제2 마그네틱 부재는, 자기력에 의해 부착이 용이할 수 있도록, 상응하는 외형으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 마그네틱 부재가, 상응하는 마그네틱 부재에 부착되는 것이 아닌, 제1 연료전지 유닛(910), 제1 연결 부재(930), 제2 연료전지 유닛(920), 및/또는 제2 연결 부재(940)에 부착되는 것을 방지하기 위해, 제1 연결 부재(930), 제2 연료전지 유닛(920), 및/또는 제2 연결 부재(940)의 하우징, 외형 등은 플라스틱, 알루미늄, 황동, 비철 금속 등의 비자성체(nonmagnetic material)로 형성될 수 있다.
또한, 제1 연결 부재(930) 및 제2 연결 부재(940)는 숫놈(또는 플러스 단자), 암놈(또는 마이너스 단자)의 형태가 아닌 배터리 관련 업계에서 통상적으로 사용되는 연결 단자 또는 연결 회로의 형태로 구현될 수 있다.
또한 도 9에서는 제1 연결 부재(930)와 제2 연결 부재(940)가 각각 소정의 두께를 갖으며 제1 연료전지 유닛(910)와 제2 연료전지 유닛(920)의 외측에 설치된 것으로 도시되어 있으나, 이는 일 예에 불과하며, 다른 예로, 제1 연결 부재(930)는 제1 연료전지 유닛(910)의 내측에 설치되고 제2 연결 부재(940)는 제2 연료전지 유닛(920)의 내측에 설치될 수 있다.
또한 도 9에서는 하나의 제1 연결 부재(930)와 하나의 제2 연결 부재(940)에 대해서만 도시하고 있으나, 다른 예로, 제1 연료전지 유닛(910)가 복수의 제1 연결 부재(930)를 포함하고, 제2 연료전지 유닛(920)가 복수의 제2 연결 부재(940)를 포함할 수도 있다. 이 경우, 복수의 제1 연결 부재(930)의 개수와 복수의 제2 연결 부재(940)는 동일할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 연료전지 유닛(920)은 빛 에너지를 전기로 바꾸는 광기전 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 전력을 생산, 저장, 출력하는 적어도 태양광 배터리 모듈, 태양 전지, 쏠라 패널(solar panel), PV(photovoltaic) 모듈 등을 포함할 수 있다.
또한, 제1 연료전지 유닛(910)는 도 9에 도시된 바와 같이 제2 연료전지 유닛(920)과 별개의 디바이스일 수 있으며, 이를 통해 EPC(engineering procurement construction)의 차별화 및/또는 효율화를 극대화할 수 있다. 또는, 배터리 모듈과 일체화(또는 일원화)된 형태로 생산될 수도 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 관리 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 10을 참조하면, 연료전지 관리 시스템(1000)은 사용자 단말(1010) 및/또는 서버(1020)를 포함할 수 있다. 또한 사용자 단말(1010)은 사용자(또는 관리자)가 사용하는 단말로써 제어 모듈(1011), 통신 모듈(1012), 입력 모듈(1013), 및 출력 모듈(1014)을 포함할 수 있으며, 서버(1020)는 제어 모듈(1021) 및 통신 모듈(1022)을 포함할 수 있다.
제어 모듈(1011, 1121)은 본 발명의 일 실시예에 따른 동작/단계/과정을 구현할 수 있도록 사용자 단말(1010), 서버(1020), 컨버터 장치(710), 연료전지 스택(720), 제1 연료전지 유닛(910), 및/또는 제2 연료전지 유닛(920) 등을 직/간접적으로 제어할 수 있다. 또한 제어 모듈(1011, 1121)은 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있으며, 상기 프로세서는 적어도 하나의 중앙 처리 유닛(CPU) 및/또는 적어도 하나의 그래픽 처리 디바이스(GPU)를 포함할 수 있다.
통신 모듈(1012, 1122)은 사용자 단말(1010), 서버(1020), 컨버터 장치(710), 연료전지 스택(720), 제1 연료전지 유닛(910), 및/또는 제2 연료전지 유닛(920) 등과 각종 데이터, 신호, 정보를 송수신할 수 있다. 또한 통신 모듈(1012, 1122)은 무선 통신 모듈(예: 셀룰러 통신 모듈, 근거리 무선 통신 모듈, 또는 GNSS(global navigation satellite system) 통신 모듈) 또는 유선 통신 모듈(예: LAN(local area network) 통신 모듈, 또는 전력선 통신 모듈)을 포함할 수 있다. 또한 통신 모듈(1012, 1122)은 제1 네트워크(예: 블루투스, WiFi direct 및/또는 IrDA(infrared data association) 같은 근거리 통신 네트워크) 또는 제2 네트워크(예: 셀룰러 네트워크, 인터넷, 및/또는 컴퓨터 네트워크(예: LAN 또는 WAN)와 같은 원거리 통신 네트워크)를 통하여 외부 전자 장치와 통신할 수 있다. 이런 여러 종류의 통신 모듈들은 하나의 구성 요소(예: 단일 칩)으로 통합되거나, 또는 서로 별도의 복수의 구성 요소들(예: 복수 칩들)로 구현될 수 있다.
사용자 단말(1010)은 스마트폰을 포함하는 이동 통신 단말기뿐만 아니라 데스크톱 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 워크스테이션, 팜톱(palmtop) 컴퓨터, 개인 휴대 정보 단말기(personal digital assistant: PDA), 웹 패드 등과 같이 메모리 수단을 구비하고 마이크로 프로세서를 탑재하여 연산 능력을 갖춘 디지털 기기, 입출력 인터페이스를 포함하는 소정의 디바이스 등일 수 있다.
입력 모듈(1013)은 사용자 단말(1010)의 구성요소(예: 제어 모듈(1011))에 사용될 명령 또는 데이터를 사용자 단말(1010)의 외부(예: 사용자, 관리자)로부터 수신할 수 있다. 또한, 상기 입력 모듈(1013)은, 예를 들면, 마이크, 마우스, 또는 키보드 등을 포함할 수 있다.
출력 모듈(1014)은 사용자 단말(1010)의 제어 모듈(1011), 및/또는 입력 모듈(1013)에 의해 생성되거나 획득된 신호(예; 음성 신호), 정보, 데이터, 이미지, 및/또는 각종 객체(object) 등을 표시하는 모듈로서, 예를 들면, 디스플레이, 스크린, 표시부(displaying unit), 스피커 및/또는 LED 램프 등을 포함할 수 있다.
또한, 사용자 단말(1010), 및/또는 서버(1020)는 저장부(storage)를 더 포함할 수 있으며, 서버(1020)의 동작을 위한 기본 프로그램, 응용 프로그램, 설정 정보 등의 데이터를 저장한다. 또한, 저장부는 플래시 메모리 타입(Flash Memory Type), 하드 디스크 타입(Hard Disk Type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(Multimedia Card Micro Type), 카드 타입의 메모리(예를 들면, SD 또는 XD 메모리 등), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크, 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory, ROM), PROM(Programmable Read-Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) 중 적어도 하나의 저장매체를 포함할 수 있다.
그리고, 서버(1020)의 제어 모듈(1021)은 제1 연료전지 스택(810), 제2 연료전지 스택(820), 및/또는 제3 연료전지 스택(830)을 제어하거나, 및/또는 제어를 위한 명령어를 생성할 수 있다. 예를 들면, 서버(1020)의 제어 모듈(1021)은 제1 연료전지 스택(810), 제2 연료전지 스택(820), 제3 연료전지 스택(830) 및/또는 출력 단자(870)에 대한 상태 정보를 획득할 수 있다. 여기서 상태 정보는 전류 값, 전압 값, 설치된 시간, 상기 설치된 시간으로부터 현재 시간 사이의 차이, 구동 시간 등을 나타내는 정보를 포함할 수 있다.
예를 들면, 서버(1020)의 제어 모듈(1021)은 제1 연료전지 스택(810)에 대한 제1 상태 정보, 제2 연료전지 스택(820)에 대한 제2 상태 정보, 제3 연료전지 스택(830)에 대한 제3 상태 정보를 획득할 수 있으며, 출력 단자(870)에 대한 출력 정보를 더 획득할 수 있다.
예를 들면, 서버(1020)의 제어 모듈(1021)은 제1 상태 정보 내지 제3 상태 정보 각각과 출력 정보 사이의 매핑 정보를 학습 데이터로서 입력되어 학습된 인공지능망을 생성할 수 있다. 이를 위해 서버(1020)(및/또는 제어 모듈(1021))는 인공지능 모듈(1100)를 더 포함할 수 있으며, 인공지능 모듈(1100)에서 수행되는 학습은 지도학습(supervised learning) 또는 비지도학습(unsupervised learning)에 의하여 수행될 수 있다. 또한, 인공지능 모듈(1100)는 서버(1020)의 데이터베이스에 저장된 빅데이터를 입력변수로 하여 인공지능을 학습시키는데, 구체적으로는 머신러닝의 한 분야인 딥러닝(Deep Learning) 기법을 이용하여 정확한 상관 관계가 도출될 수 있도록 학습을 수행한다.
특히, 상술한 상관 관계의 경우, 입력(input)은 제1 상태 정보 내지 제3 상태 정보, 및 출력 정보이고, 출력(output)은 제1 상태 정보 내지 제3 상태 정보, 및 출력 정보로 정의될 수 있다. 다시 말해 상기 인공지능 모듈(1100)는 제1 상태 정보 내지 제3 상태 정보에 대응되는 출력 정보의 추정 값을 출력할 수 있으며, 가장 높은 값을 갖는 출력 정보를 획득하기 위한 제1 상태 정보 내지 제3 상태 정보를 출력할 수 있다.
또한, 서버(1020)의 제어 모듈(1021)은 가장 높은 값을 갖는 출력 정보를 획득하기 위한 제1 상태 정보 내지 제3 상태 정보에 대응되는 상태가 되도록 제1 연료전지 스택(810), 제2 연료전지 스택(820), 및/또는 제3 연료전지 스택(830)을 제어할 수 있다. 예를 들면, 제3 상태 정보가 '전류값 0'을 나타내는 경우에 출력 정보가 나타내는 값이 가장 높은 경우에는 제3 연료전지 스택(830)에 연결된 스위치가 오픈(open)될 수 있으며, 사용자 또는 관리자가 제3 연료전지 스택(830)을 제3 컨버터(860)(또는 연료전지 시스템(800))로부터 분리시킬 수 있다. 이와 같은 과정을 통해 연료전지 시스템(800)은 최고 출력을 낼 수도 있다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예는 연료전지 스택(810), 제2 연료전지 스택(820), 및/또는 제3 연료전지 스택(830)을 포함하는 연료전지 시스템의 효율, 수명, 출력 등을 개선할 수 있다는 측면에서 기술적인 효과를 갖는다.
또한 결국 인공지능 모듈(1100)은 딥러닝을 통하여 상기 함수에서의 복수 개의 입력들의 가중치(weight)를 학습을 통하여 산출할 수 있다. 또한, 이러한 학습을 위하여 활용되는 인공지능망 모델로는 RNN(Recurrent Neural Network), DNN(Deep Neural Network) 및 DRNN(Dynamic Recurrent Neural Network) 등 다양한 모델들을 활용할 수 있을 것이다.
또한, 예를 들면, 제어 모듈(1021)은 제1 상태 정보가 나타내는 제1 연료전지 스택(810)의 제1 충전 상태, 제2 상태 정보가 나타내는 제2 연료전지 스택(820)의 제2 충전 상태, 제3 상태 정보가 나타내는 제3 연료전지 스택(830)의 제3 충전 상태, 및 출력 정보 중 적어도 어느 하나에 기반하여 상기 연료전지 스택(720), 제1 연료전지 스택(810), 제2 연료전지 스택(820), 및 제3 연료전지 스택(830) 중 적어도 어느 하나를 제어하거나, 컨버터 장치(710), 제1 컨버터(840), 제2 컨버터(850), 및 제3 컨버터(860) 중 적어도 어느 하나를 제어할 수 있다. 일 예로, 제어 모듈(1021)은 제1 충전 상태 내지 제3 충전 상태, 및 출력 정보 중 적어도 어느 하나가 소정의 기준에 만족되는지 여부에 기반하여 컨버터 장치(710), 제1 컨버터(840), 제2 컨버터(850), 및/또는 제3 컨버터(860) 내에 구비된 스위치 또는 상기 연료전지 스택(720), 제1 연료전지 스택(810), 제2 연료전지 스택(820), 및/또는 제3 연료전지 스택(830)과 상기 컨버터 장치(710), 제1 컨버터(840), 제2 컨버터(850), 및/또는 제3 컨버터(860) 사이에 설치된 스위치의 온/오프(on/off) 동작을 제어할 수 있다.
또한, 예를 들면, 제어 모듈(1021)은 제1 상태 정보가 나타내는 제1 연료전지 스택(810)의 제1 온도 상태, 제2 상태 정보가 나타내는 제2 연료전지 스택(820)의 제2 온도 상태, 제3 상태 정보가 나타내는 제3 연료전지 스택(830)의 제3 온도 상태, 및 출력 정보 중 적어도 어느 하나에 기반하여 상기 연료전지 스택(720), 제1 연료전지 스택(810), 제2 연료전지 스택(820), 및/또는 제3 연료전지 스택(830) 중 적어도 어느 하나를 제어하거나 상기 컨버터 장치(710), 제1 컨버터(840), 제2 컨버터(850), 및/또는 제3 컨버터(860)를 제어할 수 있다. 예를 들면, 제1 온도 상태 내지 제3 온도 상태 중 적어도 어느 하나가 소정의 임계 온도보다 높아지거나, 제1 온도 상태 내지 제3 온도 상태 중 적어도 어느 하나가 제1 온도 상태 내지 제3 온도 상태 각각이 나타내는 온도들의 평균 값보다 소정의 기준치 이상으로 차이가 발생하는 경우, 제어 모듈(1021)은 소정의 알람 메시지를 생성하여 통신 모듈(1022)을 통하여 사용자 단말(1010)에게 전송할 수 있다.
본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명의 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 또한 상기 각각의 실시예는 필요에 따라 서로 조합되어 운용할 수 있다. 예컨대, 본 발명의 모든 실시예는 일부분들이 서로 조합되어 컨버터 장치(710), 연료전지 스택(720), 사용자 단말(1010), 및/또는 서버(1020)에 의해 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 컨버터 장치(710), 연료전지 스택(720), 사용자 단말(1010), 및/또는 서버(1020)를 제어하는 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 다양한 실시예들은 특정 관점에서 컴퓨터 리드 가능 기록 매체(computer readable recording medium)에서 컴퓨터 리드 가능 코드(computer readable code)로서 구현될 수 있다. 컴퓨터 리드 가능 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의해 리드될 수 있는 데이터를 저장할 수 있는 임의의 데이터 저장 디바이스이다. 컴퓨터 리드 가능 기록 매체의 예들은 읽기 전용 메모리(read only memory: ROM)와, 랜덤-접속 메모리(random access memory: RAM)와, 컴팩트 디스크-리드 온니 메모리(compact disk-read only memory: CD-ROM)들과, 마그네틱 테이프(magnetic tape)들과, 플로피 디스크(floppy disk)들과, 광 데이터 저장 디바이스들, 및 캐리어 웨이브(carrier wave)들(인터넷을 통한 데이터 송신 등)을 포함할 수 있다. 컴퓨터 리드 가능 기록 매체는 또한 네트워크 연결된 컴퓨터 시스템들을 통해 분산될 수 있고, 따라서 컴퓨터 리드 가능 코드는 분산 방식으로 저장 및 실행된다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예들을 성취하기 위한 기능적 프로그램들, 코드, 및 코드 세그먼트(segment)들은 본 발명이 적용되는 분야에서 숙련된 프로그래머들에 의해 쉽게 해석될 수 있다.
또한 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 장치 및 방법은 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합의 형태로 실현 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다. 이러한 소프트웨어는 예를 들어, 삭제 가능 또는 재기록 가능 여부와 상관없이, ROM 등의 저장 장치와 같은 휘발성 또는 비휘발성 저장 장치, 또는 예를 들어, RAM, 메모리 칩, 장치 또는 집적 회로와 같은 메모리, 또는 예를 들어 콤팩트 디스크(compact disk: CD), DVD, 자기 디스크 또는 자기 테이프 등과 같은 광학 또는 자기적으로 기록 가능함과 동시에 기계(예를 들어, 컴퓨터)로 읽을 수 있는 저장 매체에 저장될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 방법은 제어부(제어 모듈) 및 메모리를 포함하는 컴퓨터 또는 휴대 단말에 의해 구현될 수 있고, 이러한 메모리는 본 발명의 실시예들을 구현하는 명령들을 포함하는 프로그램 또는 프로그램들을 저장하기에 적합한 기계로 읽을 수 있는 저장 매체의 한 예임을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명은 본 명세서의 청구항에 기재된 장치 또는 방법을 구현하기 위한 코드를 포함하는 프로그램 및 이러한 프로그램을 저장하는 기계(컴퓨터 등)로 읽을 수 있는 저장 매체를 포함한다. 또한, 이러한 프로그램은 유선 또는 무선 연결을 통해 전달되는 통신 신호와 같은 임의의 매체를 통해 전자적으로 이송될 수 있고, 본 발명은 이와 균등한 것을 적절하게 포함한다.
본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 일 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 또한 앞서 설명된 본 발명에 따른 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 연료전지 시스템에 있어서,
    제1 연료전지 스택, 제2 연료전지 스택 및 제3 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 장치;
    상기 제1 연료전지 스택에 직렬로 연결되는 제1 컨버터, 상기 제2 연료전지 스택에 직렬로 연결되는 제2 컨버터 및 상기 제3 연료전지 스택에 직렬로 연결되는 제3 컨버터를 포함하는 컨버터 장치;
    상기 컨버터 장치에 직렬로 연결되는 출력 단자; 및
    상기 연료전지 장치 및 상기 컨버터 장치를 제어하는 서버; 를 포함하고,
    상기 제1 컨버터, 제2 컨버터 및 제3 컨버터 각각은 적어도 하나의 인덕터, 적어도 하나의 커패시터, 적어도 하나의 다이오드 및 적어도 하나의 트랜지스터를 포함하고,
    상기 연료전지 장치의 일 측면에는 제1 연결 부재가 설치되고,
    상기 컨버터 장치의 일 측면에는 제2 연결 부재가 설치되며, 상기 제2 연결 부재의 외관은 상기 제1 연결 부재의 외관에 상응하도록 구성되고,
    상기 제1 연결 부재 및 상기 제2 연결 부재 각각의 하우징은 비자성체(nonmagnetic material)로 형성되고, 상기 제1 연결 부재 및 상기 제2 연결 부재 각각은 상기 제1 연결 부재 및 상기 제2 연결 부재가 결합될 때 마주보는 위치에 설치되는 마그네틱 부재(magnetic material)를 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 트랜지스터는 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) 및 IGBT(insulated gate bipolar transistor) 중 적어도 어느 하나를 포함하는,
    연료전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 연료전지 스택, 제2 연료전지 스택 및 제3 연료전지 스택 각각은 연료전지, ESS(energy save system) 및 태양광 전기 시스템 중 적어도 어느 하나를 위한 것인,
    연료전지 시스템.
  7. 삭제
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 서버는 i) 제어부와, ii) 인공신경망을 운용하는 인공지능 모듈을 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제1 연료전지 스택에 대한 제1 전지 충전 상태와 제1 온도 정보, 상기 제2 연료전지 스택에 대한 제2 전지 충전 상태와 제2 온도 정보, 상기 제3 연료전지 스택에 대한 제3 전지 충전 상태 정보와 제3 온도 정보 및 상기 출력 단자에 대한 출력 정보를 수집하고,
    상기 제1 온도 정보, 상기 제2 온도 정보 및 상기 제3 온도 정보의 평균 값을 산출하고,
    상기 산출되는 평균 값과 상기 제1 온도 정보, 상기 제2 온도 정보 또는 상기 제3 온도 정보 사이의 차이가 소정의 기준치 이상인 경우, 소정의 알람 메시지를 생성하여 사용자의 단말에게 전송하는 것을 특징으로 하고,
    상기 인공지능 모듈은,
    상기 제1 전지 충전 상태, 상기 제1 온도 정보, 상기 제2 전지 충전 상태, 상기 제2 온도 정보, 상기 제3 전지 충전 상태, 상기 제3 온도 정보 및 상기 출력 정보를 학습 데이터로써 설정하여 상기 인공신경망을 학습시키고,
    상기 학습된 인공신경망을 이용하여 상기 출력 정보가 가장 높은 값을 나타낼 때의 상기 제1 전지 충전 상태, 상기 제1 온도 정보, 상기 제2 전지 충전 상태, 상기 제2 온도 정보, 상기 제3 전지 충전 상태 및 상기 제3 온도 정보를 획득하고,
    상기 제어부는,
    상기 출력 정보가 가장 높은 값을 나타낼 때의 상기 제1 전지 충전 상태와 상기 출력 정보가 가장 높은 값을 나타낼 때의 상기 제1 온도 정보에 기반하여 상기 제1 연료전지 스택과 상기 제1 컨버터 사이의 제1 스위치의 on/off를 제어하고,
    상기 출력 정보가 가장 높은 값을 나타낼 때의 상기 제2 전지 충전 상태와 상기 출력 정보가 가장 높은 값을 나타낼 때의 상기 제2 온도 정보에 기반하여 상기 제2 연료전지 스택과 상기 제2 컨버터 사이의 제2 스위치의 on/off를 제어하고,
    상기 출력 정보가 가장 높은 값을 나타낼 때의 상기 제3 전지 충전 상태와 상기 출력 정보가 가장 높은 값을 나타낼 때의 상기 제3 온도 정보에 기반하여 상기 제3 연료전지 스택과 상기 제3 컨버터 사이의 제3 스위치의 on/off를 제어하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
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