KR102308046B1 - 계통 비정상 상황에서 독립부하운전이 가능한 연료전지 시스템 - Google Patents

계통 비정상 상황에서 독립부하운전이 가능한 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 연료전지 유닛, 인버터부, BOP의 구동 전력을 공급하는 BOP 전력공급부, 배터리부, 계통의 상태를 감시하는 계통 감시부, 절체부 등을 포함하여 이루어질 수 있다. 절체부는 계통의 상태에 따라, 계통, 배터리부, 연료전지 중 어느 하나를 통해 BOP 구동 전력이 공급되도록 처리한다. 특히, 계통이 비정상 상태로 전환되면, 즉시 배터리부가 BOP 구동 전력을 전달하도록 절체하여 연료전지 유닛의 운전이 중단되지 않도록 하고, 연료전지 시스템의 출력 전력은 정격 전력보다 낮추어 운전된다. 이에 따라, 비정상 상황에서 연료전지에 주는 충격을 방지하여 스택을 보호할 수 있다. 또한, 복전되었을 때 재시작과 승온에 소요되는 시간을 줄여 신속한 전력 인출이 가능하므로, 가동율을 높일 수 있고, 연료전지 시스템의 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

계통 비정상 상황에서 독립부하운전이 가능한 연료전지 시스템{ Fuel Cell System with Function of Independent Load Operation at Abnormal Grid Situation }
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정전 등 계통에 비정상적 상황이 발생하였을 때도, 연료전지 시스템의 운전이 중단되지 않고 지속될 수 있도록 하여, 스택을 보호하고, 연료전지 시스템의 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
연료전지(fuel cell)는 수소, 메탄올, 에탄올과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산화제의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
고체 산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)는 3세대 연료전지라고 불리며, 셀을 구성하는 기본 요소인 전해질과 전극이 모두 세라믹(니켈과 지르코니아 등)으로 구성되어 있고, 작동 온도(500~1000℃)가 높아 발전효율이 높으며, 배기가스의 열을 이용할 수 있는 장점이 있다.
수소뿐만 아니라 일산화탄소, 메탄, 가솔린, 디젤 등 다양한 연료의 사용이 가능하며, 비 귀금속계의 전극을 이용하므로, 고체 산화물 연료전지를 이용한 발전 시스템이 기존의 발전소와 지역난방 시스템을 대체할 수 있을 것으로 전망된다.
한편, 이러한 연료전지 시스템은 전력 계통과 연계하여 동작할 수 있는데, 연료전지가 계통에 의해 공급되는 전력에 의존하여 동작할 때, 정전 등 비정상 상황이 발생하면, 연료전지의 동작이 갑자기 중단될 수 있다.
연료전지의 운전이 중단되면 다양한 문제점이 나타날 수 있으므로, 계통에 비정상 상황이 발생하였을 때, 연료전지 음극의 재산화와 전해질 파손 등을 방지하여 안정성과 신뢰성을 향상시킬 필요가 있다.
특히, 고체 산화물 연료전지 시스템은 고온에서 작동하기 때문에 시스템 수준의 장시간 신뢰성 확보가 시스템 상용화에 매우 중요하다.
고체 산화물 연료전지 시스템의 신뢰성에 영향을 미치는 가장 큰 요소는 고체 산화물 연료전지의 스택 특성이다. 고체 산화물 연료전지 스택의 취약성은 시스템 온/오프(ON/OFF)로 인해 발생하는 스택 구성 물질 간의 열팽창 계수 차이와, 기밀을 유지하는 밀봉재의 물리 화학적 특성 변화로 인해 발생한다. 그 외에도 개질기와 열교환기 등의 특성이 신뢰성에 영향을 미칠 수 있다.
종래 비상 정지 및 비정상 상황에서 스택의 Inlet/Outlet 밸브를 닫아 연료극 재산화를 방지하는 방법을 사용하기도 하지만, 스택에 주는 열 충격과 재산화를 원천적으로 방지하기는 어렵다.
그러므로 고체 산화물 연료전지의 고질적인 문제점인 비상 정지 및 비상 상황에 적절히 대응할 수 있는 방안의 개발이 요구되고 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 정전 등의 비정상 상황에서 계통(Grid)이 차단되거나 유틸리티(도시가스, 물 등)가 차단되어도 운전을 지속하여 스택과 시스템을 보호할 수 있고, 복전되었을 때는 신속하게 정상 운전 상태로 회복할 수 있는, 신뢰성 높은 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 계통 비정상 상황에서 독립부하운전이 가능한 연료전지 시스템은, BOP와 연료전지를 구비하여 직류 전기를 생성하는 연료전지 유닛; 상기 연료전지 유닛에서 생성된 직류 전기를 교류 전기로 변환하여 계통으로 주입하는 인버터부; 상기 BOP의 구동에 필요한 BOP 구동 전력을 공급하는 BOP 전력공급부; 충전 가능한 배터리부; 상기 배터리부를 충전하는 배터리 관리부; 상기 계통의 상태를 감시하는 계통 감시부; 및 상기 계통 감시부의 감시 결과에 따라, 상기 배터리부에 충전된 전기, 상기 계통을 통해 공급되는 전기, 및 상기 연료전지 유닛을 통해 생성된 전기 중 하나를 선택적으로 상기 BOP 전력공급부에 전달하는 절체부를 포함하여 이루어진다.
상기 절체부는 상기 계통이 정상 상태에서 비정상 상태로 전환되면, 상기 배터리부에 충전된 전기가 상기 BOP 전력공급부로 전달되도록 절체할 수 있다.
상기 계통이 비정상 상태인 동안에 상기 인버터부의 출력 전력은 상기 BOP의 구동에 필요한 정도로 낮추어 운전될 수 있다. 또한, 상기 절체부는 상기 인버터부의 출력 전력이 정격 전력보다 낮게 운전되기 시작한 후, 상기 연료전지 유닛을 통해 생성된 전기가 상기 BOP 전력공급부로 전달되도록 다시 절체할 수 있다.
상기 절체부는 상기 계통이 비정상 상태에서 정상 상태로 전환되면, 기설정된 시간 경과 후, 상기 계통을 통해 공급되는 전기가 상기 BOP 전력공급부로 전달되도록 절체할 수 있다. 그리고, 상기 연료전지 유닛이 정격 전력을 생성하게 되었을 때, 상기 연료전지 유닛을 통해 생성된 전기가 상기 BOP 전력공급부로 전달되도록 절체할 수 있다.
또한, 상기 절체부는 비상 상황이 발생함에 따라, 상기 배터리부에 충전된 전기가 상기 BOP 전력공급부로 전달되도록 절체할 수 있다.
상기 비상 상황은, 상기 계통이 비정상인 상태에서 상기 연료전지 유닛을 통해 생성된 전기가 상기 BOP 전력공급부로 전달되기 시작한 후 일정 시간이 경과하였을 때, 비상 상황임을 알리는 신호가 입력되었을 때 등일 수 있다.
상기 BOP는 상기 배터리부에 충전된 전기가 상기 BOP 전력공급부로 전달되도록 절체된 후 일정 시간이 경과하였을 때, 또는 상기 배터리부에 충전된 용량이 기준값 이하로 감소했을 때는, 상기 연료전지 유닛의 연료극에 수소 가스를 채우고 애노드의 밸브를 막도록 구성될 수 있다.
본 발명의 연료전지 시스템은 정전 등 계통의 비정상 상황이 발생하였을 때, 배터리(UPS 모드)를 이용하여 연료전지의 운전이 중단없이 지속될 수 있고, 독립부하운전 전환을 통해 비정상 상황에 안정적으로 대처할 수 있다.
연료전지 시스템의 정지를 막아 연료전지에 주는 충격을 방지하고 스택을 보호함으로써 내구성을 높여 기대 수명 저하를 막을 수 있다.
계통이 정상적으로 회복되면, 재시작과 승온에 소요되는 시간이 불필요하여 신속한 전력 인출이 가능하므로, 불필요한 연료 소모를 막고, 가동율을 높일 수 있다. 또한, 독립부하운전이 이루어지는 동안 ESS(Energy Storage System)나 다른 계통과 연계하여 독립발전원으로 사용될 수도 있다.
계통과 유틸리티의 비정상 상황이 회복될 수 없을 때는 연료극의 입력/출력(Input/Output)을 정상적으로 닫아 수소 분위기를 유지함으로써, 스택의 산화 반응을 방지하고, 충격을 최소화 할 수 있다.
이와 같이, 고온에서 작동하는 고체 산화물 연료전지(SOFC) 시스템의 안정성과 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 일 실시예,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어 과정에 관한 일 실시예,
도 3은 계통이 비정상 상태일 때의 동작 과정을 요약하여 나타낸 예,
도 4는 복전이 이루어지는 경우의 운전 상태에 따른 전력량 그래프의 예,
도 5는 복전이 이루어지지 않거나 유틸리티 공급이 이루어지지 않는 경우의 운전 상태에 따른 전력량 그래프의 예,
도 6은 독립부하운전 후 복전될 때의 전류/전압/전력에 관한 그래프의 예,
도 7은 독립부하운전 후 복전되지 않을 때의 전류/전압/전력에 관한 그래프의 예이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1을 참조하자면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)은 BOP(Balance OF Plants, 111)와 연료전지(113)를 구비하는 연료전지 유닛(110), 연료전지 유닛(110)에서 생성된 직류 전기를 교류 전기로 변환하여 계통(30)에 주입하는 인버터부(120), BOP(111)의 구동을 위한 BOP 구동 전력을 공급하는 BOP 전력공급부(130), 충전 가능한 배터리부(143), 배터리부(143)를 충전하는 배터리 관리부(141), 계통(30)의 상태를 감시하는 계통 감시부(150), 및 계통 감시부(150)의 감시 결과에 따라 BOP 전력공급부(130)의 입력 전원을 선택적으로 연결하는 절체부(160)를 포함하여 이루어진다.
연료전지(fuel cells, 113)는 하나 이상의 스택(stack)을 포함하여 이루어진다. 연료전지(113)는 연료로부터 수소를 취득하고, 산소와 화학적으로 반응하는 수소 연소 반응을 통해 전기 에너지를 연속하여 생산하는 방식으로 운전되므로, 일반적으로 발전기로 구분된다.
연료전지(113)는 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 구체적인 예로서, 고체 산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)를 이용할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
연료전지(113)는 적용 분야에 따라 공장에서 사용되는 상업용 연료전지, 가정에서 사용되는 가정용 연료전지, 건물용 연료전지, 전기 자동차의 에너지원으로 사용되는 자동차용 연료전지, 휴대용 단말기나 노트북 등에 사용되는 소형 연료전지 등 그 용도에 따라 적합한 발전용량을 가지도록 구성될 수 있다.
연료전지 유닛(110)의 BOP(Balance of Plant, 111)는 열 관리 시스템(열교환기), 물 관리 시스템(예: 펌프, 콘덴서, 가습기), 공기 공급 장치(예: 송풍기, 압축기, 필터), 유체 제어기, 연료 탱크, 연료 펌프, 밸브 등 스택(stack)의 동작을 주변에서 보조하는 주변장치로서, 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있다.
인버터부(120)는 연료전지 유닛(110)을 통해 생성된 직류 전기를 교류 전기로 변환하여 계통(30)으로 주입한다. 인버터부(120)는 연료전지(113)에서 생성된 레벨의 직류 전압을 필요한 레벨로 승압한 후, 교류 전압으로 변환할 수 있다.
BOP(111)는 직류 전기를 이용하여 동작하거나, 교류 전기를 이용하여 동작할 수 있으며, 직류 전기를 이용하여 동작하는 것과 교류 전기를 이용하여 동작하는 것이 모두 구비될 수도 있다.
그러므로, BOP 전력공급부(130)는 절체부(160)를 통해 연결되는 전기를 BOP(111)의 구동에 필요한 형태로 변환하여 공급할 수 있다. 예를 들어, BOP 전력공급부(130)는 직류 전기 및 교류 전기 중 하나 이상을 입력받고, 직류 전기 및 교류 전기 중 하나 이상으로 변환하여 BOP(111)로 공급하도록 구성될 수 있다.
배터리부(143)는 충전 가능한 전지로 구성되며, 배터리 관리부(141)는 기본적으로 배터리부(143)를 충전하는 역할을 수행한다. 배터리 관리부(141)는 계통(30)으로부터 공급되는 전기, 연료전지 유닛(110)을 통해 공급되는 전기 등 여러 전력원을 이용하여 배터리부(143)를 충전할 수 있다.
배터리 관리부(141)는 단순한 충전 기능 외에도 배터리부(143)의 잔여 용량에 따라 배터리부(143)의 충전 여부를 결정하는 등 다양한 배터리 관리 기능을 수행할 수 있다.
계통 감시부(150)는 계통(30)의 상태를 감시한다. 예를 들어, 계통 감시부(150)는 계통 전압을 감시하여 계통(30)이 정상 상태인지 아니면 비정상 상태인지를 파악하도록 구성될 수 있으나. 이에 한정되는 것은 아니다.
절체부(160)는 계통 감시부(150)의 계통 감시 결과에 따라, 배터리부(143)에 충전된 전기, 계통(30)을 통해 공급되는 전기, 및 연료전지 유닛(110)을 통해 생성된 전기 중 하나를 선택적으로 BOP 전력공급부(130)에 연결한다.
그러면, BOP 전력공급부(130)는 연결된 전기를 이용하여 BOP(111)의 구동에 필요한 전력을 생성하고, BOP(111)로 공급한다.
특히, 절체부(160)는 기본적으로 계통 감시부(150)의 계통 감시 결과, 계통이 비정상 상태로 전환되면, 배터리부(143)에 충전된 전기가 BOP 전력공급부(130)로 전달되도록 절체한다.
이것은 연료전지 유닛(110)의 운전이 정지되는 것을 막아 스택을 보호함으로써, 연료전지(113)의 충격을 방지하여 기대 수명 저하를 막고, 복전이 이루어질 때 신속하게 정격 출력 운전을 시작할 수 있도록 하기 위한 것이다.
BOP 전력공급부(130)가 배터리부(143)에 충전된 전기, 계통(30)을 통해 공급되는 전기, 및 연료전지 유닛(110)을 통해 생성된 전기 중 어느 것을 입력받도록 할 것인지는 연료전지 시스템(100)의 전체적인 상황에 따라 연료전지 유닛(110)을 안정적으로 운전하기 위해 다양하게 결정될 수 있다.
하나의 예를 들자면, 계통(30)이 비정상 상태에서 정상 상태로 복전되었을 때, 절체부(160)는 계통(30)을 통해 공급되는 전기가 BOP 전력공급부(130)로 전달되도록 처리할 수 있다.
이때, 계통(30)을 통해 공급되는 전기가 BOP 전력공급부(130)로 전달되도록 처리하는 것은, 더욱 안정적인 운전을 위하여, 계통(30)이 비정상 상태에서 정상 상태로 복전된 후 일정 시간이 경과 하였을 때 이루어지도록 구성될 수 있다.
다른 예로서, 계통(30)이 정상 상태에서 비정상 상태로 변동된 상황일 때, 절체부(160)는 배터리부(143)에 충전된 전기가 BOP 전력공급부(130)로 전달되도록 처리할 수 있다. 이것은 계통(30)이 차단되더라도 즉시 BOP(111)에 구동 전력을 공급함으로써, 연료전지 유닛(110)의 운전이 정지되지 않게 하기 위한 것이다.
또 다른 예로서, 정전 상태가 지속되는 경우, 화재 등의 비상 상황이 발생한 경우, 연료전지 유닛(110)에서 생성된 전기를 BOP 전력공급부(130)에 전달할 수 없는 경우 등 비상 상황에서는 부드러운 정지(Soft Stop)를 위하여, 배터리부(143)에 충전된 전기가 BOP 전력공급부(130)로 전달되도록 절체할 수 있다.
계통(30)이 비정상 상태일 때, 인버터부(120)의 출력 전력은 정격 전력보다 낮게 운전될 수 있다. 구체적인 예로서, 인버터부(120)의 정격 출력 전력이 3KW라면, 1KW 정도의 출력 전력(BOP에서 요구되는 소비전력)으로 운전될 수 있다.
이와 같이, 계통(30)이 비정상 상태이고, 인버터부(120)의 출력 전력이 정격 전력보다 낮게 운전되는 모드를, '독립부하운전' 모드라고 칭하기로 한다.
정격 전력보다 낮게 운전되는 이유는 계통이 비정상 상태일 경우 외부로 출력이 내보내지는 것을 방지하기 위한 것이며, ESS(Energy Storage System) 등 독립계통으로 연계할 수 있는 외부 계통(Grid)이 있는 경우에는 절체하여 정격 전력상태를 유지할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)의 제어 과정에 관한 일 실시예를 보인 것이다.
계통(30)에 정전이 발생하면(232, 221), 전력이 차단되고(222), 계통 전류는 소멸된다(223). 계통 감시부(150)는 계통(30)의 상태를 항상 감시하여 이러한 비정상 상태의 발생을 감지한다.
계통(30)이 비정상 상태임이 감지되면, 절체부(160)는 즉시 BOP 전력공급부(130)가 배터리부(143)로부터 전기를 전달받도록 절체한다(224).
인버터부(120)는 독립부하운전 모드에서 동작하기 시작하며(225), 절체부(160)는 연료전지 유닛(110)을 통해 생성된 전기가 BOP 전력공급부(130)로 전달되도록 다시 절체한다(226).
여기서, 연료전지 유닛(110)을 통해 생성된 전력은 연료전지(113)에서 생성된 직류 전기일 수도 있고, 인버터부(120)에서 출력되는 교류 전기일 수도 있다.
연료전지 시스템(100)은 계통(30)이 정상 상태로 복전될 때까지 독립부하운전 모드에서 동작하고(231, 226), 연료전지 유닛(110)을 통해 생성된 전기가 BOP 전력공급부(130)로 전달된다.
계통 감시부(150)는 계통(30)의 상태를 감시하고 있으며, 계통(30)이 복전되었음이 감지되면(231), 절체부(160)는 기설정된 시간 동안 대기한 후(210), 계통(30)을 통해 공급되는 전기가 BOP 전력공급부(130)로 전달되도록 절체한다(211).
여기서 대기 시간은 적절하게 설정될 수 있는 것으로서, 디폴트 값(예: 5분)으로 설정되어 있을 수도 있고, 사용자에 의해 설정될 수도 있다.
배터리 관리부(141)는 배터리부(143)를 충전하고, 연료전지 유닛(110)은 정격 전력까지 전력을 생성하게 된다(212, 213).
이제 절체부(160)는 연료전지 유닛(110)을 통해 생성된 전기가 BOP 전력공급부(130)로 전달되도록 절체한다(214).
연료전지 유닛(110)과 인버터부(120)을 통해 생성되는 정격 전력은 계통(30)이 정상 상태를 유지하는 동안 계통(30)으로 주입될 수 있다(215, 232).
도 2에서 점선으로 표시된 부분(250)은 비상 상황이 발생했을 때의 제어 과정을 보인 것으로서, 비상 상황(emergency)이란 계통(30)의 상태와 직접적인 관계가 없더라도, 연료전지 시스템(100)의 운전 정지를 고려해야 할 급박한 상황을 의미한다. 이러한 비상 상황에서는 가능한 연료전지 시스템(100)의 부드러운 정지(Soft Stop)가 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
비상 상황에 특별한 제한은 없다. 구체적인 예를 들자면, 계통(30)이 비정상인 상태에서 연료전지 유닛(110)을 통해 생성된 전기가 BOP 전력공급부(130)로 전달되기 시작한 후 일정 시간이 경과 하였을 때, 화재 등으로 인해 비상 상황임을 알리는 신호가 입력되었을 때 등을 들 수 있다.
이러한 비상 상황이 발생하면, 절체부(160)는 배터리부(143)에 충전된 전기가 BOP 전력공급부(130)로 전달되도록 절체한다(251).
그리고, 비상 상황이 해소되면, 다시 계통(30)의 상태에 따라 적절한 운전 제어가 이루어지게 된다(253, 260).
그러나 비상 상황이 해소되지 않으면, 연료전지 시스템(100)은 정지된다.
이러한 상황과 관련하여, BOP(111)는 배터리부(143)에 충전된 전기가 BOP 전력공급부(130)로 전달되도록 절체된 후 일정 시간이 경과 하였을 때, 또는 배터리부(143)에 충전된 용량이 기준값 이하로 감소했을 때는, 연료전지 유닛(110)의 연료극에 수소 가스를 채우고, 애노드의 밸브를 막도록 구성될 수 있다.
도 3은 계통이 비정상 상태일 때의 동작 과정을 요약하여 나타낸 예이다.
계통(30)에 정전 등 비정상 상황이 발생한 경우(311), 연료전지 유닛(110)이 생성하는 전력을 이용하여 독립부하운전이 가능하면(312), 연료전지 유닛(110)이 생성하는 전력을 이용하여 독립부하운전을 진행한다(313).
독립부하운전을 진행하다가 계통(30)이 정상 상태로 복전되면(314), 정격운전 상태로 복귀한다(315).
그러나, 연료전지 유닛(110)이 생성하는 전력을 이용하여 독립부하운전이 가능하지 않을 때는(312), 배터리부(143)에 충전되어 있는 전력을 이용하여 독립부하운전을 진행한다(316).
만일 계통(30)의 비정상 상태가 지속되어 배터리부(143)에 충전되어 있는 용량이 기준값 이하로 소모되면(317), 연료전지(113)의 스택을 보호하기 위하여, 연료전지(113)의 연료극에 수소 가스를 채우고 애노드의 전단 및 후단 밸브를 닫아 셧다운(shut down) 시킨다(318).
도 4는 복전이 이루어지는 경우의 운전 상태에 따른 전력량 그래프의 예로서, 연료전지 유닛(110)을 통해 생성되는 전력은 시동운전 구간(t1) 동안 연료전지 유닛의 정격 전력까지 상승하고, 계통(30)이 정상적으로 유지되는 구간(t2)에서는 정격운전이 이루어져 연료전지 유닛의 정격 전력이 생성된다.
어느 시점에서 계통(30)에 정전 등 비정상 상황이 발생하면, 계통(30)이 복전될 때까지의 구간(t3) 동안 독립부하운전 모드에서의 운전이 이루어져 연료전지 유닛의 BOP 소비전력(자가소비전력)만이 생성된다.
다시 계통(30)이 복전되어 정상 상태로 되면, 신속하게 또는 원하는 시점에 정격운전 상태로 복귀하여, 연료전지 유닛의 정격 전력이 생성된다(t4), 그리고, 연료전지 시스템(100)이 정지되면, 생성되는 전력은 감소한다(t5).
도 5는 복전이 이루어지지 않거나 유틸리티 공급이 이루어지지 않는 경우의 운전 상태에 따른 전력량 그래프의 예로서, 계통(30)에 정전 등 비정상 상황이 발생하면, 일정한 구간(t3)에 걸쳐 독립부하운전 모드에서의 운전이 이루어져, 연료전지 유닛의 BOP가 소비하는 전력(자가소비전력)만이 생성된다.
그리고, 독립부하운전 모드에서의 운전도 더 유지될 수 없게 됨에 따라, 스택의 전력 인출을 멈추고 일정 시간 동안 배터리 모드(UPS mode)의 운전이 진행되며(t4), 배터리 모드로 유지할 수 없는 경우에는 t4 구간의 후반에 연료전지의 스택을 보호하기 위하여, 연료전지의 연료극에 수소 가스를 채우고 애노드의 전단 및 후단 밸브를 닫아 셧다운(shut down) 시키게 된다.
도 6은 독립부하운전 후 복전될 때의 직류 전류/전압/전력에 관한 그래프의 예로서, 계통(30)에 비정상 상황이 발생하여 독립부하운전 모드에서의 운전이 이루어지는 구간 동안, 직류 전압은 상승하고, 직류 전류는 감소하여, 직류 전력이 감소함을 보여준다.
계통(30)이 정상적으로 복전되면서 직류 전류, 직류 전압 및 직류 전력은 다시 정격운전 상태로 복귀한다.
도 7은 독립부하운전 후 복전되지 않을 때의 직류 전류/전압/전력에 관한 그래프의 예로서, 계통(30)에 비정상 상황이 발생하여 직류 전압은 상승하고, 직류 전류는 감소한 상태가 이어지다가, 복전이 이루어지지 않아 운전이 종료됨으로써 직류 전류와 전력은 소멸한다.
독립부하운전 모드에서, 연료전지 유닛(110)은 절체 순간에 배터리부(143)에 충전된 전력을 사용하여 필요한 자가소비전력 만큼 BOP 전력공급부(130)로 공급하고, 절체 후에는 자가소비전력 만큼 낮추어 운전된다.
배터리부(143)에 충전된 전력이 공급됨에 따라, 직류 전류/전압/전력이 급하게 변동하지 않고 유지됨을 보여 준다.
그리고, 배터리부(143)에 충전된 전력까지 모두 소모됨에 따라 더 이상 BOP 구동전력이 공급될 수 없어 셧다운(shut down) 상태가 된다.
상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 기술적 특징이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.
30: 계통
100: 연료전지 시스템
110: 연료전지 유닛
111: BOP
113: 연료전지
120: 인버터부
130: BOP 전력공급부
141: 배터리 관리부
143: 배터리부
150: 계통 감시부
160: 절체부

Claims (8)

  1. BOP와 연료전지를 구비하여 직류 전기를 생성하는 연료전지 유닛;
    상기 연료전지 유닛에서 생성된 직류 전기를 교류 전기로 변환하여 계통으로 주입하는 인버터부;
    상기 BOP의 구동에 필요한 BOP 구동 전력을 공급하는 BOP 전력공급부;
    충전 가능한 배터리부;
    상기 배터리부를 충전하는 배터리 관리부;
    상기 계통의 상태를 감시하는 계통 감시부; 및
    상기 계통 감시부의 감시 결과에 따라, 상기 배터리부에 충전된 전기, 상기 계통을 통해 공급되는 전기, 및 상기 연료전지 유닛을 통해 생성된 전기 중 하나를 선택적으로 상기 BOP 전력공급부에 전달하는 절체부를 포함하고,
    상기 절체부는 비상 상황이 발생함에 따라, 상기 배터리부에 충전된 전기가 상기 BOP 전력공급부로 전달되도록 절체하며,
    상기 비상 상황은, 상기 계통이 비정상인 상태에서 상기 연료전지 유닛을 통해 생성된 전기가 상기 BOP 전력공급부로 전달되기 시작한 후 일정 시간이 경과하였을 때, 및 비상 상황임을 알리는 신호가 입력되었을 때 중 하나 이상을 포함하고,
    상기 BOP는 상기 배터리부에 충전된 전기가 상기 BOP 전력공급부로 전달되도록 절체된 후 일정 시간이 경과 하였을 때, 또는 상기 배터리부에 충전된 용량이 기준값 이하로 감소했을 때는, 상기 연료전지 유닛의 연료극에 수소 가스를 채우고 애노드의 밸브를 막도록 구성되는, 계통 비정상 상황에서 독립부하운전이 가능한 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절체부는 상기 계통이 정상 상태에서 비정상 상태로 전환되면, 상기 배터리부에 충전된 전기가 상기 BOP 전력공급부로 전달되도록 절체하는, 계통 비정상 상황에서 독립부하운전이 가능한 연료전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 인버터부의 출력 전력은 상기 BOP의 구동에 필요한 정도로 낮추어 운전되는 것을 특징으로 하는, 계통 비정상 상황에서 독립부하운전이 가능한 연료전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 절체부는 상기 인버터부의 출력 전력이 정격 전력보다 낮게 운전되기 시작한 후, 상기 연료전지 유닛을 통해 생성된 전기가 상기 BOP 전력공급부로 전달되도록 절체하는, 계통 비정상 상황에서 독립부하운전이 가능한 연료전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 절체부는 상기 계통이 비정상 상태에서 정상 상태로 전환되면, 기설정된 시간 경과 후, 상기 계통을 통해 공급되는 전기가 상기 BOP 전력공급부로 전달되도록 절체하고,
    상기 연료전지 유닛이 정격 전력을 생성하게 되었을 때, 상기 연료전지 유닛을 통해 생성된 전기가 상기 BOP 전력공급부로 전달되도록 절체하는, 계통 비정상 상황에서 독립부하운전이 가능한 연료전지 시스템.
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