KR102216849B1 - Control system for efficient operation of fuel cell - Google Patents

Control system for efficient operation of fuel cell Download PDF

Info

Publication number
KR102216849B1
KR102216849B1 KR1020200109855A KR20200109855A KR102216849B1 KR 102216849 B1 KR102216849 B1 KR 102216849B1 KR 1020200109855 A KR1020200109855 A KR 1020200109855A KR 20200109855 A KR20200109855 A KR 20200109855A KR 102216849 B1 KR102216849 B1 KR 102216849B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
state
controller
cell system
driving method
Prior art date
Application number
KR1020200109855A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102216849B9 (en
Inventor
최창호
김재식
Original Assignee
(주)프라즈마 사이언스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020190160604A external-priority patent/KR102152020B1/en
Application filed by (주)프라즈마 사이언스 filed Critical (주)프라즈마 사이언스
Priority to KR1020200109855A priority Critical patent/KR102216849B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102216849B1 publication Critical patent/KR102216849B1/en
Publication of KR102216849B9 publication Critical patent/KR102216849B9/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537Electric variables
    • H01M8/04544Voltage
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537Electric variables
    • H01M8/04544Voltage
    • H01M8/04559Voltage of fuel cell stacks
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537Electric variables
    • H01M8/04604Power, energy, capacity or load
    • H01M8/04611Power, energy, capacity or load of the individual fuel cell
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04664Failure or abnormal function
    • H01M8/04679Failure or abnormal function of fuel cell stacks
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04664Failure or abnormal function
    • H01M8/04686Failure or abnormal function of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701Temperature
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746Pressure; Flow
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04992Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

The present invention relates to a control system for efficiently operating a fuel cell. A controller according to an embodiment of the present invention, in order to diagnose the state of a stack module, checks a graph of cell voltage characteristic versus current density.

Description

연료 전지를 효율적으로 운용하는 제어 시스템{CONTROL SYSTEM FOR EFFICIENT OPERATION OF FUEL CELL}A control system that efficiently operates fuel cells {CONTROL SYSTEM FOR EFFICIENT OPERATION OF FUEL CELL}

본 발명은 연료 전지(fuel cell) 시스템에 대한 것으로, 연료 전지를 효율적으로 운용하는 제어 시스템에 관한 것이기도 하다.The present invention relates to a fuel cell system, and also relates to a control system for efficiently operating a fuel cell.

또한 본 발명은 운전 중 전류 차단에 기반한 스스로의 상태 진단에 기반한 자가 판단에 따라 운전 모드를 제어하는 기능을 가진 연료 전지 시스템에 관한 것이다.In addition, the present invention relates to a fuel cell system having a function of controlling a driving mode according to a self-determination based on self-determination based on current cut-off during operation.

연료전지(fuel cell)란 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 장치이다. 따라서 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능하다. 연료 전지는 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 연료 전지로서, 대기 오염을 억제할 수 있는 가장 유력한 미래 동력원의 하나이다.A fuel cell is a device that generates electrical energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen. Therefore, as long as fuel is continuously supplied, continuous power generation is possible. Fuel cells are being actively studied as core technologies that utilize hydrogen energy and renewable energy, which are future energy. Among them, SOFC (solid oxide fuel cell) is a fuel cell that can freely use hydrogen and hydrocarbons as fuels and has high energy conversion efficiency, and is one of the most promising future power sources capable of suppressing air pollution.

본 발명은 연료 전지(fuel cell)의 효과적인 운전을 가능케하는 시스템을 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a system that enables effective operation of a fuel cell.

본 발명은 운전 중 실시간으로 연료 전지의 상태를 자가 판단하여 운전 모드를 조절하는 시스템을 위한 것이다.The present invention provides a system for controlling a driving mode by self-determining a state of a fuel cell in real time during operation.

본 발명은 연료 전지의 수명을 보장하면서 효율을 최대화하는 시스템을 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a system that maximizes efficiency while ensuring the life of a fuel cell.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 연료 전지 시스템은, 연료와 공기를 공급하는 기계 설비인 MBOP(mechanical balance of plant), 셀들을 다수 적층(stack)한 전기 화학적 발전기인 스택 모듈, 연료 전지 시스템에서 발생하는 전기 에너지를 제어하는 EBOP(electronic balance of plant)를 포함하며, 상기 EBOP는, 상기 스택 모듈의 상태를 실시간으로 진단하고, 상기 MBOP, 상기 스택 모듈의 동작을 제어하는 제어기를 포함하며, 상기 제어기는, 상기 MBOP, 상기 스택 모듈, 상기 EBOP 중 적어도 하나로부터 수집된 정보에 기반하여 운전 또는 상태에 관련된 변수를 결정하고, 결정된 변수에 따라 운전 방식을 제어한다. 여기서, 상기 운전 방식은, 전류 차단 시 측정되는 전압 값에 기반하여 결정된다.According to an embodiment of the present invention, a fuel cell system includes a mechanical balance of plant (MBOP) that supplies fuel and air, a stack module that is an electrochemical generator in which a number of cells are stacked, and a fuel cell system. It includes an electronic balance of plant (EBOP) for controlling the generated electrical energy, the EBOP, diagnoses the state of the stack module in real time, and includes a controller for controlling the operation of the MBOP and the stack module, the The controller determines a variable related to an operation or a state based on information collected from at least one of the MBOP, the stack module, and the EBOP, and controls a driving method according to the determined variable. Here, the driving method is determined based on a voltage value measured when the current is cut off.

본 발명에 따른 연료 전지(fuel cell) 시스템은, 종래에 연구실에서만 가능하던 연료 전지 스택(stack)의 상태를 진단할 수 있게 하며, 나아가 연료 전지의 수명을 보장하면서, 효율을 증대시킬 수 있는 운전을 가능하게 한다.The fuel cell system according to the present invention makes it possible to diagnose the state of a fuel cell stack, which was previously only possible in a laboratory, and further, an operation capable of increasing efficiency while ensuring the life of the fuel cell. Makes it possible.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 SOFC(solid oxide fuel cell) 연료 전지의 동작 원리를 도시한다.
도 3a는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 시스템의 구체적인 구성 예를 도시한다.
도 3b는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 시스템의 다른 구체적인 구성 예를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 특성 그래프를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 연료 전지를 제어하는 방법을 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 연료 전지의 스택 상태를 결정하는 방법을 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 연료 전지의 운전 방식을 제어하는 방법을 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 시스템의 통합적 제어를 위한 구조를 도시한다.
1 shows a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
2 shows the operating principle of a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell according to an embodiment of the present invention.
3A shows a specific configuration example of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
3B shows another specific configuration example of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing characteristics of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
5 illustrates a method of controlling a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
6 illustrates a method of determining a stack state of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
7 illustrates a method of controlling an operation method of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
8 illustrates a structure for integrated control of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우, 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Further, in describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

이하 본 발명은 연료 전지 시스템에 대한 것으로, 운전 중 스스로의 상태 진단에 기반한 자가 판단에 따라 운전 모드를 제어하는 기능을 가진 연료 전지 시스템에 관한 것이다.Hereinafter, the present invention relates to a fuel cell system, and relates to a fuel cell system having a function of controlling an operation mode according to a self-determination based on self-determination based on self-diagnosis during operation.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한다. 1 shows a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 연료 전지 시스템은 MBOP(mechanical balance of plant)(110), 스택 모듈(stack module)(120), EBOP(electronic balance of plant)(130)을 포함한다.Referring to FIG. 1, the fuel cell system includes a mechanical balance of plant (MBOP) 110, a stack module 120, and an electronic balance of plant (EBOP) 130.

MBOP(110)는 연료 전지의 전기 생산에 필요한 재료들을 처리하여 제공한다. 예를 들어, MBOP(110)는 연료, 물, 공기를 처리하여 제공한다. 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.The MBOP 110 processes and provides materials required for electricity generation of a fuel cell. For example, the MBOP 110 processes and provides fuel, water, and air. The fuel may be liquid natural gas (LNG). That is, the MBOP 110 is a mechanical facility that supplies fuel and air, and includes mechanical devices that supply hydrogen and oxygen to the stack module 120. For example, the MBOP 110 may include at least one of a desulfurizer, a water treatment system (WTS), a blower, a filter, a reformer, a burner, a pump, a valve, and a pipe as a component. I can.

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, 연료 전지 시스템의 가장 핵심적인 요소라고 할 수 있다. 셀은 애노드(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 2를 참고하여 설명된다. 스택 모듈(120)은 SOFC 스택 모듈이라 불릴 수 있다.The stack module 120 generates electricity using the processed materials supplied from the MBOP 110. The stack module 120 includes a plurality of cells. In other words, the stack module 120 is an electrochemical generator in which a plurality of cells are stacked. The stack module 120 has a structure in which cells composed of an electrode, an electrolyte, and a separator are stacked and generates electricity through an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, and can be said to be the most essential element of a fuel cell system. A cell is a structure comprising an anode, a cathode, and an electrolyte. For example, the stack module 120 may have a structure in which 54 or 100 cells are stacked. The operating principle of the cells included in the stack module 120 will be described below with reference to FIG. 2. The stack module 120 may be referred to as an SOFC stack module.

EBOP(130)는 연료 전지 시스템에 대한 제어 및 전기적 신호를 관리한다. 즉, EBOP(130)는 연료 전지 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 연료 전지 스택에서 발생된 직류 형태의 전기에너지를 교류 형태로 변환하여 계통으로 발전된 에너지를 전송하고 연료 전지 시스템에 대한 제어를 수행한다. EBOP(130)는 전류가 고정되는 전류형 또는 부하에 맞게 전압이 고정되는 전압형으로 동작할 수 있다.The EBOP 130 manages control and electrical signals for the fuel cell system. That is, the EBOP 130 controls electric energy generated in the fuel cell system. The EBOP 130 may be an electrical installation including a power conversion device that converts a direct current (DC) into an alternative current (AC). The EBOP 130 converts electric energy in the form of direct current generated from the fuel cell stack into an alternating current form, transmits the energy generated to the system, and controls the fuel cell system. The EBOP 130 may operate in a current type in which a current is fixed or a voltage type in which a voltage is fixed according to a load.

물을 전기 분해하면 수소 및 산소가 발생한다. 연료 전지는 이 과정을 반대로 이용하는 것으로서, 수소 및 산소로부터 전기를 얻는 전기화학적 발전을 수행한다. 즉, 연료 전지는 수소 및 산소로부터 물, 전기, 열을 생산한다. 따라서, 전기 및 열이 동시에 발생하며, 그 구조에 따라 원하는 전압 및 전류가 얻어진다.Hydrogen and oxygen are produced when water is electrolyzed. The fuel cell reverses this process and performs electrochemical power generation by obtaining electricity from hydrogen and oxygen. In other words, fuel cells produce water, electricity, and heat from hydrogen and oxygen. Thus, electricity and heat are generated simultaneously, and a desired voltage and current are obtained according to the structure.

일반적으로 연료 전지의 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.In general, in order to generate electricity in the basic cell of a fuel cell, when hydrogen is supplied to the anode and oxygen is supplied to the cathode, water is generated by combining with ions that have moved through the electrolyte, and electrons are transferred to the cathode through an external conductor. Will move. During this process, an external flow of electrons forms a current, and accordingly, electricity is generated.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 동작 원리를 도시한다. 도 2는 고체 산화물 연료 셀(solid oxide fuel cell)의 구조의 예이다. 도 2를 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.2 shows the operating principle of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 2 is an example of a structure of a solid oxide fuel cell. Referring to FIG. 2, the cell is composed of a permeable anode 201, an impermeable electrolyte 202, and a permeable cathode 203. When hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO), which are fuels, are supplied to the side of the permeable anode 201, hydrogen (H 2 ) is provided toward the impermeable electrolyte 202 through the permeable anode 201, and oxygen ions (O 2- ) It is combined with water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ) are produced as by-products. When air is supplied to the side of the permeable cathode 203, oxygen (O 2 ) is provided toward the impermeable electrolyte 202 through the permeable cathode 203, and oxygen ions (O 2 - ) are combined with electrons carried through the conducting wire. Is made and supplied to the anode through an electrolyte. Accordingly, oxygen ions (O 2- ) and hydrogen (H 2 ) passing through the impermeable electrolyte 202 in the anode 201 react to generate water (H 2 O), and in this process, electrons (e) Occurs.

도 1에 도시된 MBOP(110), 스택 모듈(120), EBOP(130)의 구체적인 구성은 다양한 실시 예들에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, MBOP(110), 스택 모듈(120), EBOP(130)의 구체적인 구성은 이하 도 3a 또는 도 3b와 같을 수 있다.The detailed configuration of the MBOP 110, the stack module 120, and the EBOP 130 shown in FIG. 1 may vary according to various embodiments. For example, the detailed configuration of the MBOP 110, the stack module 120, and the EBOP 130 may be the same as those of FIG. 3A or 3B below.

도 3a는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 시스템의 구체적인 구성 예를 도시한다. 도 3a를 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.3A shows a specific configuration example of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3A, the MBOP 110 includes a desulfurizer, a water treatment system, and a low-temperature mechanical device such as a blower. The desulfurizer is a device that removes sulfur mixed in LNG used as fuel. The stack module 120 includes a stack and a high temperature mechanical device such as a heat exchanger and a burner. The EBOP 130 includes a controller, a thermometer, a pressure gauge, a flow, a DC/DC converter, and a DC/AC converter.

도 3b는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 시스템의 다른 구체적인 구성 예를 도시한다. 도 3b를 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.3B shows another specific configuration example of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3B, MBOP 110 includes a desulfurizer, a water treatment system, a blower, a humidifier, a pre-reformer, a CO-polisher, and a gas burner. The stack module 120 includes an internal reformer and cells. The EBOP 130 includes a power control unit (PCU).

연료 전지의 설계에 따라, 전극의 면적 및 구조가 달라진다. 따라서, 연료 전지마다 효율이 다르다. 연료 전지의 성능 비교를 위해, 전극 단위 면적당(cm2) 발생되는 전류의 양이 척도로서 사용하며, 이는 전류 밀도(A/cm2, mA/cm2)로 불리울 수 있다. 연료 전지 전류와 전압의 특성을 그래프로 나타낸것을 전류-전압 곡선(I-V Curve) 또는 분극 곡선(Polarization Curve)이라하며, 일 예는 도 4와 같다.Depending on the design of the fuel cell, the area and structure of the electrode varies. Therefore, the efficiency is different for each fuel cell. To compare the performance of the fuel cell, the amount of current generated per electrode unit area (cm 2 ) is used as a measure, which may be referred to as current density (A/cm 2 , mA/cm 2 ). A graph showing the characteristics of a fuel cell current and voltage is referred to as a current-voltage curve or a polarization curve, and an example is shown in FIG. 4.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 특성 그래프를 도시한다. 도 4는 전류 밀도(current density)에 따른 셀 전압(cell potential)의 변화를 나타내는 그래프이다. 4 is a graph showing characteristics of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 4 is a graph showing a change in cell potential according to a current density.

도 4에서, 활성화 손실(Activation Loss)(410)은 전극 표면에서 전하를 이송해 화학반응을 일으킬 때 발생하는 손실이다. 연료 전지 전극에서의 수소 산화 반응 및 공기극에서의 산소 환원 반응 시 전압 손실이 발생하는데, 이를 활성화 손실이라 한다. 도 4와 같이, 활성화 손실은 전류 밀도가 작을 때 두드러지게 나타난다.In FIG. 4, activation loss 410 is a loss that occurs when a chemical reaction occurs by transferring electric charge from the electrode surface. Voltage loss occurs during the hydrogen oxidation reaction at the fuel cell electrode and the oxygen reduction reaction at the air electrode, which is referred to as activation loss. As shown in Fig. 4, the activation loss is prominent when the current density is small.

옴 저항 손실(Ohmic Resistance Loss)(420)은 저항과 전하가 전해질을 통과하면서 나타나는 저항 성분의 손실이다. 연료 전지의 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=IХ에 따라, 전압(V)=전류 밀도(A/cm22Ω)만큼의 손실이 발생한다. 즉, 전류 밀도가 증가함에 따라, 일정한 기울기를 가지는 일차함수 형태로 셀 전압이 감소한다. 이를 옴 저항 손실이라 한다.Ohmic Resistance Loss (420) is the loss of resistance components that appear as resistance and charge pass through the electrolyte. In order to determine the performance of the fuel cell, an area specific resistance (ASR) of an electrode defined as a product of an electrode area (cm 2 ) and a total resistance (Ω) may be used. According to ohm's law (V=IХ, voltage (V) = current density (A/cm 2 ) Х 2 Ω) loss occurs. That is, as the current density increases, the cell voltage decreases in the form of a linear function having a constant slope. This is called ohmic resistance loss.

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.The concentration loss 430 is a loss that occurs due to a lack of ability to maintain an initial concentration as a reactant material is consumed in an electrode by an electrochemical reaction. When the current density is increased gradually, the voltage drops sharply at some point to reach a current density value of 0V, which is understood as a situation in which the supply rate of hydrogen to the fuel electrode layer has reached its limit. In other words, the supply rate of hydrogen as fuel is slower than the rate of consumption of hydrogen by the reaction, so that the hydrogen oxidation reaction cannot proceed any more. This state is called concentration loss, and in other words, it is also called mass transfer loss.

도 4와 같은 I-V 특성 그래프는 연료 전지의 사용에 따라 변화할 수 있다. 예를 들어, 사용 기간이 길어질 수록, 도 4와 같은 그래프가 좌측으로 이동하는 경향이 관찰된다. 따라서, 출력되는 전압-전류의 관계를 확인할 수 있다면, 현재 연료 전지의 특성 그래프가 확인될 수 있다. 이에 착안하여, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 특성 그래프에 기반하여 연료 전지의 상태를 판단하고, 현재 상태에서 주어진 조건을 충족하기 위해 필요한 운전 조건을 결정한 후, 적응적으로 운전 모드를 제어할 수 있다. The I-V characteristic graph as shown in FIG. 4 may change according to the use of the fuel cell. For example, as the period of use increases, the tendency of the graph as shown in FIG. 4 to move to the left is observed. Therefore, if the relationship between the output voltage and the current can be confirmed, a characteristic graph of the current fuel cell can be confirmed. With this in mind, the fuel cell system according to the present invention determines the state of the fuel cell based on the characteristic graph, determines the driving conditions necessary to meet the given conditions in the current state, and then adaptively controls the driving mode. have.

이를 위해, EBOP(130)는 연료 전지의 스택의 상태를 진단하고, 스택의 상태에 기반하여 운전 모드를 제어하기 위한 제어기를 포함한다. 제어기는 연료 전지 시스템의 성능, 상태를 모니터링하고, 연료 전지 시스템의 구성요소들의 동작을 제어할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 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. 이하 도 5 내지 도 8을 참고하여, EBOP(130)의 제어기의 동작들이 설명된다.To this end, the EBOP 130 includes a controller for diagnosing a state of a stack of fuel cells and controlling an operation mode based on the state of the stack. The controller may monitor the performance and condition of the fuel cell system, and control the operation of components of the fuel cell system. According to an embodiment of the present invention, in order to monitor and analyze a state during operation or when stopped, the controller may determine characteristics such as a cell voltage and current density relationship graph, and determine a state based thereon. That is, the controller can collect and analyze the current density measurement value according to the cell voltage. To this end, the controller may include at least one processor or microprocessor for a required operation, and may include a memory for at least temporarily storing generated data. Hereinafter, operations of the controller of the EBOP 130 will be described with reference to FIGS. 5 to 8.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 연료 전지를 제어하는 방법을 도시한다.5 illustrates a method of controlling a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 제어기는 스택 상태를 진단한다(S501). 예를 들어, 제어기는 연료 전지의 스택의 상태를 검사하기 위한 신호를 인가하고, 출력을 확인함으로써 스택 상태를 진단할 수 있다. 다른 예로, 제어기는 연료 전지 시스템을 검사를 위한 일정한 상태에 있도록 제어한 후, 출력의 변화를 확인함으로써 스택 상태를 진단할 수 있다. 이를 통해, 제어기는 스택의 특성 그래프(예: I-V 커브)를 파악하거나, 전기 저항, 반응 속도 저항, 물질 전달 저항을 파악할 수 있다.5, the controller diagnoses the stack state (S501). For example, the controller may diagnose the stack state by applying a signal for checking the state of the stack of the fuel cell and checking the output. As another example, the controller may diagnose the stack state by controlling the fuel cell system to be in a constant state for inspection and then checking a change in output. Through this, the controller can grasp the characteristic graph (eg, I-V curve) of the stack, or grasp electrical resistance, reaction rate resistance, and mass transfer resistance.

이어, 제어기는 스택 상태에 따라 운전 방식을 결정한다(S502). 스택의 상태를 분석함으로써, 제어기는 스택의 사용 기간, 운전 방식에 따른 앞으로의 성능 변화, 가용 기간 등을 추정할 수 있다. 추정된 사용 기간, 가용 기간 등의 다양한 정보에 기반하여, 제어기는 주어진 조건에 부합하는 운전 방식을 선택한다. 예를 들어, 주어진 조건은 연료 전지 시스템의 요구 수명, 연료 전지 시스템의 사용 환경, 연료 전지 시스템의 사용 이력 등을 포함할 수 있다. 운전 방식은 가동 기간 우선 또는 출력 우선의 방식으로 결정될 수 있다.Subsequently, the controller determines a driving method according to the stack state (S502). By analyzing the state of the stack, the controller can estimate the usage period of the stack, future performance changes according to the operation method, and the availability period. Based on various information such as the estimated period of use and the period of availability, the controller selects an operation method that meets the given conditions. For example, a given condition may include a life expectancy of the fuel cell system, an environment of use of the fuel cell system, a history of use of the fuel cell system, and the like. The operation method may be determined in a manner of prioritizing an operation period or an output priority.

이후, 제어기는 결정된 운전 방식을 적용한다(S503). 제어기는 결정된 운전 방식에 따라 연료 전지 시스템에 관련되는 적어도 하나의 제어 변수를 조정 및 적용할 수 있다. 예를 들어, 제어 변수는 온도, 유량, 압력, 출력 등을 포함할 수 있다. 제어 변수는 운전 방식에 따라 조절되는데, 운전 방식에서 정의하는 가동 기간, 효율 등과 제어 변수들 간 상관 관계는 미리 정해지고, DB(database)화 되어 저장될 수 있다. 또는, 가동 기간, 효율 등과 제어 변수들 간 상관 관계는 AI(artificial intelligent) 기술을 기반하여 정의되고, 학습될 수 있다.Thereafter, the controller applies the determined driving method (S503). The controller may adjust and apply at least one control variable related to the fuel cell system according to the determined operation mode. For example, the control variables may include temperature, flow rate, pressure, output, and the like. The control variable is adjusted according to the operation method, and the correlation between control variables such as operation period, efficiency, etc. defined in the operation method is determined in advance, and can be stored in a database (DB). Alternatively, correlations between control variables such as operation period, efficiency, and the like may be defined and learned based on artificial intelligent (AI) technology.

연료 전지의 스택 상태를 진단하는 방법 중의 하나로서, CI(current interruption) 방법이 이하 설명된다. CI 기법은 발전 정지, 즉, 전류 차단 시의 전압이 개회로(open circuit) 상태로 변화하는 패턴을 분석함으로써 셀의 주요 성능 특성을 측정하는 방법이다. CI 기법을 수행하기 위해, 최소 10㎲의 샘플링 데이터가 필요할 수 있다. CI 기법을 이용한 스택 상태 진단 방법은 이하 도 6과 같다.As one of the methods for diagnosing the state of the stack of the fuel cell, a current interruption (CI) method will be described below. The CI technique is a method of measuring key performance characteristics of a cell by analyzing the pattern in which the voltage changes to an open circuit state when power generation is stopped, that is, when the current is cut off. In order to perform the CI technique, at least 10 µs of sampling data may be required. A method for diagnosing a stack state using the CI technique is shown in FIG. 6 below.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 연료 전지의 스택 상태를 결정하는 방법을 도시한다. 후술되는 방법은 CI 기법에 관련된다.6 illustrates a method of determining a stack state of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. The method described later is related to the CI technique.

도 6을 참조하면, 제어기가 강제로 전류를 차단하거나, 고장 또는 선로 외란 등에 따른 자연 정지가 발생한다(S601). 이에 따라, 연료 전지의 운전이 정지된다. 강제 전류 차단은 연료 전지의 스택 상태의 진단이 필요하다고 판단되는 시점에 이루어지는데, 예를 들어, 시스템 관리자에 의한 명령에 의하거나, 또는 주기적으로 이루어지거나, 또는 일정 조건의 만족에 따라 자동적으로 이루어질 수 있다. 만일, 측정하고자 하는 비슷한 시점에 트립(trip)이 발생되면, 주기적 자동 정지를 생략한다. Referring to FIG. 6, the controller forcibly cuts off the current, or a natural stop occurs due to a failure or line disturbance (S601). Accordingly, the operation of the fuel cell is stopped. The forced current cutoff is performed at the time when it is determined that diagnosis of the fuel cell stack status is necessary, for example, by a command from the system administrator, or is performed periodically, or automatically according to the satisfaction of certain conditions. I can. If a trip occurs at a similar time point to be measured, the periodic automatic stop is omitted.

이어, 제어기는 임피던스를 계산한다(S602). 즉, 제어기는 전류가 차단된 상태에서 시간에 따른 전압의 변화를 확인하고, 이에 기반하여 임피던스를 계산할 수 있다. 예를 들어, 제어기는 트립(trip) 시 100 내지 1MHz 샘플 간격으로 전압 데이터를 측정 및 저장할 수 있다. 예를 들어, 강제로 전류를 차단하는 경우, 제어기는 100 내지 1MHz 샘플 간격으로 전류를 차단하고, 해당 전압을 확인한 후, 임피던스를 계산할 수 있다.Then, the controller calculates the impedance (S602). That is, the controller may check a change in voltage over time in a state in which the current is blocked, and calculate the impedance based on this. For example, the controller may measure and store voltage data at 100 to 1 MHz sample intervals during tripping. For example, in the case of forcibly blocking the current, the controller may block the current at 100 to 1 MHz sample intervals, check the corresponding voltage, and calculate the impedance.

이후, 제어기는 스택 상태를 결정한다(S603). 제어기는 계산된 임피던스에 기반하여 스택 상태를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어기는 스택의 전기 저항, 반응 속도 저항, 물질 전달 저항을 파악할 수 있다. 나아가, 제어기는 스택의 특성 그래프(예: I-V 커브)를 확인할 수 있다. 여기서, 스택 상태는 셀 별 또는 셀 그룹 별로 결정된다.Then, the controller determines the stack state (S603). The controller can determine the stack state based on the calculated impedance. For example, the controller can determine the electrical resistance, reaction rate resistance, and mass transfer resistance of the stack. Furthermore, the controller can check the characteristic graph of the stack (eg, I-V curve). Here, the stack state is determined for each cell or for each cell group.

도 6을 참고하여 설명한 바와 같이, CI 기법을 이용하여 스택 상태가 진단될 수 있다. CI 기법을 통해 전기 저항, 반응 속도 저항, 물질 전달 저항 등이 파악될 수 있다. 여기서, 물질 전달 저항은 OCV(open circuit voltage)에서 β를 차감함으로써 결정될 수 있으며, β는 전기 저항 및 반응 속도 저항의 합으로 정의될 수 있다.As described with reference to FIG. 6, a stack state may be diagnosed using a CI technique. Through the CI technique, electrical resistance, reaction rate resistance, mass transfer resistance, etc. can be determined. Here, the mass transfer resistance may be determined by subtracting β from the open circuit voltage (OCV), and β may be defined as the sum of electrical resistance and reaction rate resistance.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 연료 전지의 운전 방식을 제어하는 방법을 도시한다.7 illustrates a method of controlling an operation method of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 제어기는 보증 기간을 확인한다(S701). 보증 기간은 연료 전지의 특성 및 설계에 따라 제조 단계에서 정해지는 것으로, 제조 단계에서 메모리에 제작 일자, 보증 기간 등이 저장될 수 있다. Referring to FIG. 7, the controller checks the warranty period (S701). The warranty period is determined at the manufacturing stage according to the characteristics and design of the fuel cell, and the manufacturing date and the warranty period may be stored in the memory during the manufacturing stage.

이어, 제어기는 보증 기간이 경과하였는지 판단한다(S702). 즉, 제어기는 현재 날짜를 확인하고, 제작 일자 및 보증 기간을 참고하여, 현재 보증 기간이 경과하였는지 판단할 수 있다. Subsequently, the controller determines whether the warranty period has elapsed (S702). That is, the controller can check the current date and determine whether the current warranty period has elapsed by referring to the manufacturing date and the warranty period.

보증 기간이 경과하지 아니하였으면, 제어기는 보증 기간 동안 운전 가능하도록 운전 방식을 결정한다(S703). 제어기는 보증 기간 만료시까지 남은 시간을 확인하고, 현재 스택의 상태를 고려하여, 가동 기간 우선의 방식으로 운전 방식을 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어기는 효율을 일정 수준 이하로 낮추더라도, 보증 기간 동안 전기 생산이 지속적으로 가능하도록 운전 방식을 조절할 수 있다.If the warranty period has not elapsed, the controller determines a driving method to enable operation during the warranty period (S703). The controller may check the remaining time until expiration of the warranty period and determine the operation method in a manner prioritizing the operation period in consideration of the current state of the stack. For example, even if the efficiency is lowered to a certain level or less, the controller may adjust the operation method so that electricity is continuously produced during the warranty period.

보증 기간이 경과하지 하였으면, 제어기는 최대 출력으로 운전 가능하도록 운전 방식을 결정한다(S704). 연료 전지 시스템의 보증 기간이 경과하였으므로, 제어기는 출력을 최대화 하는 출력 우선 방식으로 운전 방식을 결정할 수 있다.If the warranty period has not elapsed, the controller determines an operation method to enable operation with the maximum output (S704). Since the warranty period of the fuel cell system has elapsed, the controller can determine the driving mode with an output priority method that maximizes output.

도 7의 실시 예는 보증 기간의 경과 여부에 따라 가동 기간 우선 또는 출력 우선이 분기하는 방안이다. 이때, 보증 기간이 경과하지 아니하여 가동 기간 우선으로 운전 방식이 결정되는 경우, 일정 수준의 효율이 낮아진다. 이때, 최대 효율 대비 낮아지는 효율의 정도는 보증 기간의 남은 기간에 따라 달라질 수 있다. 나아가, 낮아지는 효율의 정도는 현재까지의 연료 전지 시스템의 전기 소비 패턴에 기반하여 결정될 수 있다. 즉, 소비되는 양 이상의 효율로 전기를 생산할 필요는 없으므로, 제어기는 전기 소비의 양을 더 고려하여 필요한 효율의 정도를 결정할 수 있다.In the embodiment of FIG. 7, depending on whether the warranty period has elapsed, the operation period priority or the output priority branching. At this time, when the operation method is decided prior to the operation period because the warranty period has not elapsed, a certain level of efficiency is lowered. At this time, the degree of efficiency lowered compared to the maximum efficiency may vary depending on the remaining period of the warranty period. Furthermore, the degree of the lowered efficiency may be determined based on the electricity consumption pattern of the fuel cell system to date. That is, since it is not necessary to generate electricity with an efficiency greater than the amount consumed, the controller may determine the required level of efficiency by further considering the amount of electricity consumption.

전술한 실시 예들은 하나의 스택 모듈을 제어하는 상황을 고려하여 설명되었다. 하지만, 복수의 스택 모듈들에 대하여 전술한 바와 유사한 제어가 수행될 수 있다. 이하 도 8은 복수의 스택 모듈들을 제어할 수 있는 구조를 도시한다.The above-described embodiments have been described in consideration of the situation of controlling one stack module. However, similar control as described above may be performed on a plurality of stack modules. Hereinafter, FIG. 8 illustrates a structure capable of controlling a plurality of stack modules.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 시스템의 통합적 제어를 위한 구조를 도시한다. 8 illustrates a structure for integrated control of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참고하면, 연료 전지 시스템은 MBOP(110), 스택 모듈(120), EBOP(130)를 포함하며, 이들을 제어하기 위한 구성요소인 제어기(132)를 포함한다. 제어기(132)는 전술한 실시 예들에서 설명된 제어기에 해당한다. 도 8에서 제어기(132)는 EBOP(130)과 분리되는 것으로 도시되었지만, EBOP(130)에 포함되는 임베디드 형식으로 구현될 수도 있고, EBOP에서 진단한 임피던스 및 저항값을 넘겨 받아 운전 모드 결정만 분리하여 제어기(132)에 둘 수도 있다. Referring to FIG. 8, the fuel cell system includes an MBOP 110, a stack module 120, and an EBOP 130, and includes a controller 132, which is a component for controlling them. The controller 132 corresponds to the controller described in the above-described embodiments. In FIG. 8, the controller 132 is shown to be separated from the EBOP 130, but may be implemented in an embedded form included in the EBOP 130, and only the operation mode determination is separated by taking over the impedance and resistance values diagnosed by the EBOP. Thus, it may be placed in the controller 132.

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.The controller 132 is a sequence control (eg, heat-up, operation mode, cool-down control, etc.), feedback control (eg, flow control, temperature control, pressure control, etc.), EBOP control (eg, power control, stack It is in charge of status information (material transfer resistance, etc.) control), can change operating variables through real-time monitoring during operation, and can perform status control and predictive diagnosis.

제어기(132)는 외부 통신망(예: 이더넷)을 통해 상위 제어 시스템(810)에 연결될 수 있다. 상위 제어 시스템(810)은 복수의 연료 전지 시스템들의 제어기들과 연결되며, 단위 모듈 별(6/24/120kW) 병렬 운전 및 단위 모듈 고장 시 부하 분담을 조정하는 통합적인 제어를 담당한다.The controller 132 may be connected to the upper control system 810 through an external communication network (eg, Ethernet). The upper control system 810 is connected to controllers of a plurality of fuel cell systems, and is in charge of integrated control for parallel operation for each unit module (6/24/120kW) and for adjusting load sharing when a unit module fails.

제어기(132) 및 상위 제어 시스템(810)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.Stability and reliability of the entire system may be improved based on state monitoring of the controller 132 and the upper control system 810. It is also possible to prioritize the desired item among the lifespan and power generation output of the stack module. By replacing the unit module, the continuity of operation of the system is ensured. For example, various methods such as individual independent operation, integrated parallel operation, and load variable operation may be supported.

제어기(132)는 동작 중에 연료 전지의 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. The controller 132 monitors and analyzes the state of the fuel cell during operation, and may adjust operation parameters according to the analysis result. Through this, the controller 132 prevents a trip and improves reliability. In addition, the controller 132 may perform rapid cause analysis and action when a trip or a system is stopped, and accordingly, the operation rate will increase. For example, principal component analysis may include monitoring/diagnosing conditions by dualizing operation and control variables.

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 연료 전지 시스템에서 얻어진 데이터 등으로 훈련 또는 학습될 수 있다. In addition, AI (artificial intelligent)-RNN (recurrent neural network)-based diagnosis may be performed, and accordingly, a reference value reset according to a normal state change until the end of life and precise diagnosis during trip are possible. RNN-based diagnosis can be performed based on real-time data. The intelligent controller can use the RNN to determine the normal state during operation and for precise diagnosis when stopped. The RNN can be trained or learned with data obtained from other external fuel cell systems.

전술한 바와 같은 기능들로 인해, 연료 전지 시스템의 효율성이 크게 증대될 수 있다. 제어기(132)는 주어진 정책에 따라 연료 전지의 운전 모드를 제어할 수 있다. 여기서, 운전 모드를 제어함은 운전에 관련된 변수들 또는 연료 전지의 상태에 관련된 변수들을 조절하는 것을 의미한다. 예를 들어, 변수는 온도, 유량, 압력, 출력 등을 포함한다.Due to the functions as described above, the efficiency of the fuel cell system can be greatly increased. The controller 132 may control the operation mode of the fuel cell according to a given policy. Here, controlling the driving mode means adjusting variables related to driving or variables related to the state of the fuel cell. For example, variables include temperature, flow, pressure, power, etc.

제어를 위한 정책은 수명 우선 또는 출력량 우선 또는 출력 우선 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 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.The policy for control may include life priority, output quantity priority, or output priority. For example, if the operation period required by the fuel cell system has not yet been met, the driving mode may be controlled according to a life-priority policy. Thereafter, when the operation period elapses, the driving mode may be controlled according to the output amount or the output priority policy for the remaining period.

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. As a state monitoring during operation, the controller 132 may perform operations such as changing an abnormal setting value (changing a normal state), changing an operation variable according to an abnormality, and predicting a failure. As a precise diagnosis of faults when stopped, the intelligent controller can perform operations such as analyzing the root cause of a fault, analyzing a countermeasure, and converting a case search DB (database).

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Although specific embodiments have been described in the detailed description of the present invention, various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is limited to the described embodiments and should not be determined, and should be determined by the scope of the claims and equivalents as well as the scope of the claims to be described later.

Claims (1)

연료 전지를 효율적으로 운용하는 제어 시스템에 있어서,
연료와 공기를 공급하는 기계 설비인 MBOP(mechanical balance of plant);
셀들을 다수 적층(stack)한 전기 화학적 발전기인 스택 모듈;
연료 전지 시스템에서 발생하는 열에너지 및 전기에너지를 제어하는 EBOP(electronic balance of plant)를 포함하며,
상기 EBOP는, 상기 스택 모듈의 상태를 진단하고, 상기 MBOP, 상기 스택 모듈의 동작을 제어하는 제어기를 포함하며,
상기 제어기는, 일정 샘플 간격으로 발전을 정지시킴으로써 전류를 차단하고, 전류 차단 시 전압이 개회로(open circuit) 상태로 변화하는 패턴을 분석하는 CI(current interruption) 기법을 통해 상기 스택 모듈의 셀 또는 셀 그룹 별 상태를 판단하고, 상기 판단된 상태에 따라 운전 방식을 결정한 후, 결정된 운전 방식에 따라 상기 MBOP, 상기 스택 모듈, 상기 EBOP를 제어하며,
상기 스택 모듈의 상태는, 전기 저항, 반응 속도 저항, 물질 전달 저항을 포함하고,
상기 운전 방식은, 온도, 유량, 압력, 출력을 포함하는 제어 변수들에 대한 조절을 포함하고,
상기 운전 방식은, 상기 연료 전지 시스템의 요구 수명, 상기 연료 전지 시스템의 사용 환경, 상기 연료 전지 시스템의 사용 이력을 고려하여 결정되고,
상기 운전 방식은, 수명 유지를 우선하는 제1 운전 방식 또는 출력량을 우선하는 제2 운전 방식 중 하나에 속하며,
상기 제1 운전 방식은, 상기 연료 전지 시스템의 제조 시 결정된 보증 기간이 경과하지 아니한 경우에 선택되고,
상기 제2 운전 방식은, 상기 보증 기간이 경과한 경우에 선택되고,
상기 제1 운전 방식은, 제2 운전 방식에 비하여 낮은 효율을 제공하며,
상기 제1 운전 방식의 효율의 수준은, 잔여 보증 기간 동안 상기 연료 전지 시스템이 전기를 생산할 수 있도록, 과거의 전기 소비 패턴에 의해 결정되는 전기 소비량의 이하로 전기를 생산할 수 있도록 결정되는 것을 특징으로 하고,
상기 제어기는 상기 스택 모듈의 상태를 진단하기 위해, 전류 밀도 대비 셀 전압 특성 그래프를 확인하는 것을 특징으로 하는,
제어 시스템.
In a control system for efficiently operating a fuel cell,
MBOP (mechanical balance of plant), a mechanical facility that supplies fuel and air;
A stack module that is an electrochemical generator in which a plurality of cells are stacked;
It includes an electronic balance of plant (EBOP) that controls thermal energy and electrical energy generated in a fuel cell system,
The EBOP includes a controller for diagnosing the state of the stack module, and controlling the MBOP and the operation of the stack module,
The controller blocks the current by stopping power generation at regular sample intervals, and analyzes a pattern in which the voltage changes to an open circuit state when the current is cut off, through a current interruption (CI) technique, After determining a state for each cell group, determining a driving method according to the determined state, controlling the MBOP, the stack module, and the EBOP according to the determined driving method,
The state of the stack module includes electrical resistance, reaction rate resistance, and mass transfer resistance,
The operation method includes adjustment of control variables including temperature, flow rate, pressure, and output,
The operation method is determined in consideration of a required life of the fuel cell system, a use environment of the fuel cell system, and a usage history of the fuel cell system,
The driving method belongs to one of a first driving method that prioritizes life maintenance or a second driving method that prioritizes an output amount,
The first operation mode is selected when the warranty period determined at the time of manufacturing the fuel cell system has not elapsed,
The second driving method is selected when the warranty period has elapsed,
The first driving method provides lower efficiency compared to the second driving method,
The level of efficiency of the first operation mode is determined so that the fuel cell system can produce electricity during the remaining warranty period and can produce electricity at a level below the electricity consumption amount determined by a past electricity consumption pattern. and,
In order to diagnose the state of the stack module, the controller checks a graph of cell voltage characteristics versus current density,
Control system.
KR1020200109855A 2019-12-05 2020-08-31 Control system for efficient operation of fuel cell KR102216849B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200109855A KR102216849B1 (en) 2019-12-05 2020-08-31 Control system for efficient operation of fuel cell

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190160604A KR102152020B1 (en) 2019-12-05 2019-12-05 Fuel cell system capable of controlling operating mode according to self-diagnosis
KR1020200109855A KR102216849B1 (en) 2019-12-05 2020-08-31 Control system for efficient operation of fuel cell

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190160604A Division KR102152020B1 (en) 2019-12-05 2019-12-05 Fuel cell system capable of controlling operating mode according to self-diagnosis

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR102216849B1 true KR102216849B1 (en) 2021-02-18
KR102216849B9 KR102216849B9 (en) 2021-11-12

Family

ID=74688557

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200109855A KR102216849B1 (en) 2019-12-05 2020-08-31 Control system for efficient operation of fuel cell

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102216849B1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101282704B1 (en) * 2012-09-17 2013-07-05 한국에너지기술연구원 Apparatus for managing stationary fule cell system
KR20150019793A (en) * 2013-08-16 2015-02-25 현대자동차주식회사 Device and method for measuring ohmic resistance of fuel cell
KR20180033766A (en) * 2016-09-26 2018-04-04 주식회사 엘지화학 Intelligent fuel cell system

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101282704B1 (en) * 2012-09-17 2013-07-05 한국에너지기술연구원 Apparatus for managing stationary fule cell system
KR20150019793A (en) * 2013-08-16 2015-02-25 현대자동차주식회사 Device and method for measuring ohmic resistance of fuel cell
KR20180033766A (en) * 2016-09-26 2018-04-04 주식회사 엘지화학 Intelligent fuel cell system

Also Published As

Publication number Publication date
KR102216849B9 (en) 2021-11-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102216850B1 (en) Fuel cell management system based on artificial intelligence
CN107180983B (en) Fault diagnosis method and system for solid oxide fuel cell stack
EP1468462B1 (en) Method and apparatus for monitoring equivalent series resistance and for shunting a fuel cell
EP2436081B1 (en) Control system for a flow cell battery
KR102096268B1 (en) Fuel cell system and controlling method thereof
JP2006108124A (en) Technique for controlling efficiency of fuel cell system
CN109845011B (en) Fuel cell system and method for operating fuel cell system
US7222001B2 (en) System for monitoring and controlling fuel cell-based power generation units
KR102152020B1 (en) Fuel cell system capable of controlling operating mode according to self-diagnosis
US7981556B2 (en) Thermal management system for regenerative fuel cells and method thereof
DK1570538T3 (en) Method and Device for Monitoring Fuel Cell Tensions
CN103872359A (en) Method for running a fuel cell system with a failed stack health monitor
WO2013083872A1 (en) Method and arrangement for indicating solid oxide cell operating conditions
KR101315764B1 (en) Method for detecting fail of hydrogen supply system for fuel cell
KR102216851B1 (en) Fuel cell system capable of controlling mechanical balance of plant
KR20230128027A (en) Control systems and methods for controlling micro-grids
KR102216853B1 (en) Fuel cell system that sets the way the plant operates
KR102216852B1 (en) Artificial intelligence based battery system
KR102219866B1 (en) fuel cell system that performs self-diagnosis based on the output voltage
JP5168875B2 (en) Fuel cell power generator
KR102216849B1 (en) Control system for efficient operation of fuel cell
KR102219860B1 (en) Fuel cell system for operating self diagnosis mode
WO2013083873A1 (en) Method and arrangement for diagnosis of solid oxide cells operating conditions
KR102219863B1 (en) Fuel cell system using ethernet network
US6872480B2 (en) Method for operating a fuel cell battery

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
G170 Publication of correction