KR20070037266A - 연료전지의 전력변환장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지의 전력변환장치에 관한 것으로, 별도의 승압 및 강압장치 없이도,연료전지로부터 생산되는 직류전압을 인버터에서 승압 및 강압하여 교류전압으로 변환함으로써, 연료전지의 전력변환 효율을 극대화할 수 있도록 한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 연료극과 공기극을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택을 구비하는 연료전지에 있어서, 상기 연료전지의 전원 라인과 실제 상용 전원 라인의 임피던스를 정합하는 임피던스 정합수단과; 소정 스위칭 제어신호에 의해, 상기 임피던스 정합수단을 통해 입력되는 직류전압을 승압 또는 강압 처리된 교류전압으로 변환하는 변환수단과; 상기 변환수단에서 출력되는 교류전압을 필터링하여 사인파형의 교류전압을 출력하는 필터와; 상기 필터에서 출력되는 교류전압의 레벨을 검출하는 전압 검출수단과; 상기 검출된 교류전압의 레벨을, 기설정된 교류전압을 레벨과 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 상기 변환수단의 스위칭을 제어하는 제어수단을 포함하여 구성한다.

Description

연료전지의 전력변환장치{POWER CONVERSION APPARATUS FOR FUEL CELL}
도 1은 종래 연료전지 시스템의 일례를 보인 계통도,
도 2는 본 발명 연료전지의 전력변환장치에 대한 구성을 보인 개략도.
도 3은 본 발명 연료전지의 전력변환방법에 대한 동작흐름도.
도 4는 도 2에 있어서, 인버터의 스위칭 파형도.
도 5는 도 2에 있어서, 인버터의 출력 전압 파형도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
100 : 임피던스 네트워크 200 : 인버터
300 : 필터 400 : 전압검출수단
500 : 저장수단 600 : 제어수단
본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 특히 별도의 승압 및 강압장치 없이도,연료전지로부터 생산되는 직류전압을 인버터에서 승압 및 강압하여 교류전압으로 변환함으로써, 연료전지의 전력변환 효율을 극대화할 수 있는 연료전지의 전력변환장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(FUEL CELL SYSTEM)는 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 이러한 연료전지는 통상 고분자 전해질 막을 중심으로 양쪽에 각각 양극(ANODE)과 음극(CATHODE)을 설치하고, 양극(산화전극 또는 연료극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 음극(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나면서 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지를 발생되도록 하는 전지계로서 일종의 발전장치라고 할 수 있다.
도 1은 LNG, LPG, CH3OH 등의 탄화수소계(CH계열) 연료(도면은 LNG)를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H2)만을 정제하여 연료로 사용하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)방식의 연료전지를 보인 계통도이다.
이에 도시한 바와 같이 종래의 연료전지는, LNG에서 수소를 정제하는 개질부(10)와, 개질부(10)에 연료극을 연결하여 정제된 수소를 후술할 연료극에 공급하는 연료공급부(20)와, 대기중의 공기를 후술할 공기극에 공급하는 공기공급부(30)와, 수소를 공급받는 연료극(41)과 공기를 공급받는 공기극(42)을 구비하여 수소와 공기의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 생산하는 스택부(40)와, 스택부(40)의 출력측에 연결하여 전기를 부하에 공급하는 전기출력부(50)와, 개질부(10)와 스택부(40)에 물을 공급하여 그 개질부(10)와 스택부(40)를 냉각하는 열교환부(60)와, 각 부에 전기적으로 연결하여 제어하는 제어부(미도시)로 구성하고 있다.
전기출력부(50)는 스택부에서 생성되는 DC를 스위칭시켜 AC로 만들고 이 AC를 정류하여 다시 DC로 만드는 DC-DC 컨버터(51)와, DC를 AC로 변환하여 AC전원용 전기제품에 공급하는 인버터(Inverter)(52)로 이루어져 있다.
도면중 미설명 부호인 21은 연료공급라인, 22는 연료공급펌프, 31은 공기공급라인, 32는 공기공급펌프, 61은 저탕조, 62는 물순환라인, 63은 방열기, 64는 물순환펌프이다.
상기와 같은 종래 연료전지는 다음과 같이 동작한다.
즉, 개질기(10)에서 탄화수소계열의 연료를 개질하여 수소를 정제하고 이 수소를 스택부(40)의 연료극(41)으로 공급하는 한편 공기를 스택부(40)의 공기극(42)으로 공급함으로써 연료극(41)에서는 산화반응이, 공기극(42)에서는 환원반응이 일어나게 한다. 이 과정에서 생성되는 전자가 연료극(41)에서 공기극(42)으로 이동하면서 전기를 발생시키고, 그 전기는 전기출력부(50)의 DC-DC 컨버터(51)에서 DC를 스위칭시켜 AC로 만들고 이 AC를 코일,트랜스,커패시턴스 등으로 승압 또는 강압시킨 다음 다시 정류시켜 DC로 만든 후 인버터(52)에서 DC를 AC로 변환하여 각종 AC전원용 부하에 공급한다.
이때, 상기 연료전지에서 출력되는 전압을 상용전압으로 변환하는 경우에, 상기 DC-DC 컨버터에서 승압 또는 강압한 후, 다시 승압 또는 강압된 전압을 교류로 변환하는 두단계를 거치게 되므로 전력변환 효율이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 상기 전력변환을 위한 반도체 소자의 부품 수가 증가되어 구현비용이 증가되는 문제점이 있다.
본 발명은 연료전지와 전력장치 사이에 임피던스 정합 수단을 구비하여 임피던스를 정합하고, 상기 연료전지로부터 출력되는 직류전압을, 인버터에서 승압 및 강압하여 교류전압으로 변환하도록 한 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 장치는,연료극과 공기극을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택을 구비하는 연료전지에 있어서,
상기 연료전지의 전원 라인과 실제 상용 전원 라인의 임피던스를 정합하는 임피던스 정합수단과;
소정 스위칭 제어신호에 의해, 상기 임피던스 정합수단을 통해 입력되는 직류전압을 승압 또는 강압 처리된 교류전압으로 변환하는 변환수단과;
상기 변환수단에서 출력되는 교류전압을 필터링하여 사인파형의 교류전압을 출력하는 필터와;
상기 필터에서 출력되는 교류전압의 레벨을 검출하는 전압 검출수단과;
상기 검출된 교류전압의 레벨을, 기설정된 교류전압을 레벨과 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 상기 변환수단의 스위칭을 제어하는 제어수단을 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명 연료전지의 전력장치에 대한 일실시예의 구성을 보인 회로도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명은 임피던스 정합수단(100), 인버터(200),필터(300), 전압검출수단(400),저장수단(500),제어수단(600)을 포함하여 구성한다.
상기 임피던스 정합수단(100)은, 상기 연료전지의 전원 라인과 실제 상용 전원 라인의 임피던스를 정합한다.
상기 임피던스 정합수단(100)은,연료전지의 출력단과 전단이 접속되는 제1 코일(L1)과, 상기 연료전지의 출력단과 전단이 접속되는 제1 커패시터(C1)와, 상기 제1 코일(L1)의 후단과 전단이 접속되고 후단이 상기 제1 커패시터(C1)의 후단에 접속되는 제2 코일(L2)과, 상기 제1 코일(L1)의 후단과 상기 제2 코일(L2)의 전단 사이에 접속되는 제2 커패시터(C2)로 구성한다.
상기 인버터(200)는, 제어수단(600)의 스위칭제어신호에 의해, 상기 임피던스 정합수단(100)을 통해 입력되는 직류전압을 승압 또는 강압 처리된 교류전압으로 변환하여 출력한다.
상기 인버터(200)는 제1 피엔피 트랜지스터(P1)의 에미터와 콜렉터가 접속된 제2 피엔피 트랜지스터(P2)와, 상기 제1 피엔피 트랜지스터(P1)의 콜렉터와 콜렉터가 접속된 제3 피엔피 트랜지스터(P3)와, 상기 제3 피엔피 트랜지스터(P3)의 에미터와 콜렉터가 접속되고, 상기 제2 피엔피 트랜지스터(P2)와 에미터가 공통 접속된 제4 피엔피 트랜지스터(P4), 상기 제1,제2 피엔피 트랜지스터(P1)(P2)의 접속점에서 전압(VAN)과 상기 제3,제4 피엔피 트랜지스터(P3,P4)의 접속점에서 발생하는 전압(VBN)의 차이를 출력신호로 출력한다.
즉, 상기 제1,제2 피엔피 트랜지스터(P1)(P2)의 접속점에서, 도5의 (a)와 같은 전압(VAN)을 출력하고, 상기 제3,제4 피엔피 트랜지스터(P3,P4)의 접속점에서 도5의 (b)와 같은 전압(VBN)을 출력하며, 최종적으로 상기 인버터(200)는 도 5의 (c)와 같은 전압(VO)을 출력한다.
상기 제1~제4 피엔피 트랜지스터(P1~P4)는 각기, 역전류를 차단하기 위하여 역방향으로 다이오드가 병렬 접속된다.
상기 필터(300)는, 일종의 AC필터로서, 상기 인버터(200)에서 출력되는 교류전압을 필터링하여 사인파형의 교류전압을 생성한다.
상기 필터(300)는, 상기 인버터(200)의 강압동작시, 기충전된 전압을 방전하는 커패시터(C3)를 포함하여 구성한다.
상기 전압 검출수단(400)은 상기 필터(300)에서 출력되는 교류전압의 레벨을 검출한다. 상기 저장수단(500)은 다수의 교류전압의 레벨에 대응되는 RMS값이 기저장된다.
상기 제어수단(600)은, 상기 검출된 교류전압의 레벨을, 기설정된 교류전압을 레벨과 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 상기 인버터(200)의 변환 모드를 제어하고, 아울러 상기 변환 모드에 따라 상기 인버터(200)의 스위칭을 제어한다.
즉, 상기 제어수단(600)은 연료전지에서 출력되는 직류전압과 사용자가 기설 정한 상용 교류전압을 비교하여, 그 비교결과 상기 직류전압이 기설정한 교류전압보다 크면 상기 직류전압을 강압시키고, 상기 직류전압이 기설정한 교류 전압 보다 크면 상기 직류전압을 승압시킨다.
상기 제어수단(600)은, 강압 모드시, 상기 전압검출수단(400)에서 검출된 교류전압의 레벨을 RMS로 환산하고, 그 환산된 RMS값이 기설정된 교류전압에 대응되는 RMS값보다 크면, 제1,제2 피엔피 트랜지스터(P1,P2) 및 제3,제4 피엔피 트랜지스터(P3,P4)를 동시에 오프시키는 대드 타임을 증가시키고, 환산된 RMS값이 기설정된 교류전압에 대응되는 RMS값보다 작으면, 제1,제2 피엔피 트랜지스터(P1,P2) 및 제3,제4 피엔피 트랜지스터(P3,P4)를 동시에 오프시키는 대드 타임을 감소시킨다.
또한, 상기 제어수단(600)은 승압 모드시, 상기 전압검출수단(400)에서 검출된 교류전압의 레벨을 RMS로 환산하고, 그 환산된 RMS값이 기설정된 교류전압에 대응되는 RMS값보다 크면, 제1,제2 피엔피 트랜지스터(P1,P2) 및 제3,제4 피엔피 트랜지스터(P3,P4)를 동시에 온시키는 오버랩 타임을 증가시키고, 환산된 RMS값이 기설정된 교류전압에 대응되는 RMS값보다 작으면, 제1,제2 피엔피 트랜지스터(P1,P2) 및 제3,제4 피엔피 트랜지스터(P3,P4)를 동시에 온시키는 오버랩 타임을 감소시킨다.
여기서, 본 발명의 실시 예에 대한 동작 및 작용효과를 도 3의 동작 순서도를 참조하여 설명하기로 한다.
먼저, 사용자는 소정 입력수단을 통해, 부하에서 사용할 상용 교류 전원의 레벨을 기설정한다(SP1).
이러한 상태에서, 상기 제어수단(600)은 연료전지에서 출력되는 직류전압의 레벨과 상기 사용자에 의해 설정된 교류전압의 레벨을 비교하고(SP2), 그 비교결과에 근거하여 상기 인버터의 스위칭 모드를 제어한다.
즉, 상기 제어수단(600)은 상기 직류전압이 기설정한 교류전압보다 크면 상기 직류전압을 강압시키고, 상기 직류전압이 기설정한 교류 전압 보다 크면 상기 직류전압을 승압시킨다.
여기서, 상기 인버터의 승압 동작 및 강압 동작을 도4 및 도5를 참조하여 설명한다.
우선, 상기 제어수단(600)은, 강압 모드시, 도4의 (a),(b)와 같이 인버터(200)의 스위칭 소자, 즉 피엔피 트랜지스터(P1~P4)를 일정시간 동안 동시에 오프시키는 대드 타임을 갖도록 스위칭 제어하고, 이에 따라 상기 인버터(200)는 입력되는 직류전압을 일정 레벨 강압하여 출력한다(SP3).
그 다음, 필터(300)는 상기 인버터(200)에서 출력되는 강압 전압을 사인파형을 갖는 교류전압으로 필터링하여 해당 부하에 공급한다(SP4).
이때, 전압검출수단(400)은 상기 교류전압을 검출하여 상기 제어수단(600)에 인가한다(SP5).
이에 따라 상기 제어수단(600)은 상기 전압검출수단(400)에서 검출된 교류전압의 레벨을 RMS로 환산하고, 그 환산된 RMS값이 기설정된 교류전압에 대응되는 RMS값보다 크면(SP6), 제1,제2 피엔피 트랜지스터(P1,P2) 및 제3,제4 피엔피 트랜지스터(P3,P4)를 동시에 오프시키는 대드 타임을 증가시키고(SP8), 환산된 RMS값이 기설정된 교류전압에 대응되는 RMS값보다 작으면(SP6), 제1,제2 피엔피 트랜지스터(P1,P2) 및 제3,제4 피엔피 트랜지스터(P3,P4)를 동시에 오프시키는 대드 타임을 감소시킨다(SP7).
한편, 상기 제어수단(600)은, 승압 모드시, 도4의 (c),(d)와 같이 인버터(200)의 스위칭 소자, 즉 피엔피 트랜지스터(P1~P4)를 일정시간 동안 동시에 온시키는 오버랩 타임을 갖도록 스위칭 제어하고, 이에 따라 상기 인버터(200)는 입력되는 직류전압을 일정 레벨 승압하여 출력한다(SP9).
그 다음, 필터(300)는 상기 인버터(200)에서 출력되는 승압 전압을 사인파형을 갖는 교류전압으로 필터링하여 해당 부하에 공급한다(SP10).
이때, 전압검출수단(400)은 상기 교류전압을 검출하여 상기 제어수단(600)에 인가한다(SP11).
이에 따라, 상기 제어수단(600)은 상기 전압검출수단(400)에서 검출된 교류전압의 레벨을 RMS로 환산하고, 그 환산된 RMS값이 기설정된 교류전압에 대응되는 RMS값보다 크면(SP12), 제1,제2 피엔피 트랜지스터(P1,P2) 및 제3,제4 피엔피 트랜지스터(P3,P4)를 동시에 온시키는 오버랩 타임을 증가시키고(SP14), 환산된 RMS값이 기설정된 교류전압에 대응되는 RMS값보다 작으면(SP12), 제1,제2 피엔피 트랜지스터(P1,P2) 및 제3,제4 피엔피 트랜지스터(P3,P4)를 동시에 온시키는 오버랩 타임을 감소시킨다(SP13).
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은, 별도의 승압 및 강압장치 없이도,연료전지로부터 생산되는 직류전압을 인버터에서 승압 및 강압하여 교류전압으로 변환함으로써, 연료전지의 전력변환 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 연료극과 공기극을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택을 구비하는 연료전지에 있어서,
    상기 연료전지의 전원 라인과 실제 상용 전원 라인의 임피던스를 정합하는 임피던스 정합수단과;
    소정 스위칭에 의해 스위칭 되어, 상기 임피던스 정합수단을 통해 입력되는 직류전압을 승압 또는 강압 처리된 교류전압으로 변환하는 변환수단과;
    상기 변환수단에서 출력되는 교류전압을 필터링하여 사인파형의 교류전압을 출력하는 필터와;
    상기 필터에서 출력되는 교류전압의 레벨을 검출하는 전압 검출수단과;
    상기 검출된 교류전압의 레벨을, 기설정된 교류전압을 레벨과 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 상기 변환수단의 스위칭을 제어하는 제어수단을 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력변환장치.
  2. 제1 항에 있어서, 임피던스 정합수단은,
    연료전지의 출력단과 전단이 접속되는 제1 코일과;
    상기 연료전지의 출력단과 전단이 접속되는 제1 커패시터와;
    상기 제1 코일의 후단과 전단이 접속되고, 후단이 상기 제1 커패시터의 후단에 접속되는 제2 코일과;
    상기 제1 코일의 후단과 상기 제2 코일의 전단 사이에 접속되는 제2 커패시터로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력변환장치.
  3. 제1 항에 있어서, 변환수단은,
    제1 피엔피 트랜지스터의 에미터와 콜렉터가 접속된 제2 피엔피 트랜지스터와;
    상기 제1 피엔피 트랜지스터의 콜렉터와 콜렉터가 접속된 제3 피엔피 트랜지스터와;
    상기 제3 피엔피 트랜지스터의 에미터와 콜렉터가 접속되고, 상기 제2 피엔피 트랜지스터와 에미터가 공통 접속된 제4 피엔피 트랜지스터와;
    상기 제1,제2 피엔피 트랜지스터의 접속점에서 전압과 상기 제3,제4 피엔피 트랜지스터의 접속점에서 출력되는 전압과의 차이를 출력신호로 출력하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력변환장치.
  4. 제3 항에 있어서, 제1~제4 피엔피 트랜지스터는,
    각기, 역방향으로 다이오드가 병렬 접속되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력변환장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    다수의 교류전압의 레벨에 대응되는 RMS값이 기저장되는 저장수단을 더 포함 하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력변환장치.
  6. 제1 항에 있어서, 제어수단은,
    연료전지에서 출력되는 직류전압과 사용자가 기설정한 교류전압을 비교하여, 그 비교결과 상기 직류전압이 기설정한 교류전압보다 크면 상기 직류전압을 강압시키고,
    상기 직류전압이 기설정한 교류 전압 보다 크면 상기 직류전압을 승압시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력변환장치.
  7. 제1 항에 있어서, 제어수단은,
    강압 모드시, 상기 전압검출수단에서 검출된 교류전압의 레벨을 RMS로 환산하고, 그 환산된 RMS값이 기설정된 교류전압에 대응되는 RMS값보다 크면,
    제1,제2 피엔피 트랜지스터 및 제3,제4 피엔피 트랜지스터를 동시에 오프시키는 대드 타임을 증가시키고,
    환산된 RMS값이 기설정된 교류전압에 대응되는 RMS값보다 작으면,
    제1,제2 피엔피 트랜지스터 및 제3,제4 피엔피 트랜지스터를 동시에 오프시키는 대드타임을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 변환장치.
  8. 제1 항에 있어서, 제어수단은,
    승압 모드시, 상기 전압검출수단에서 검출된 교류전압의 레벨을 RMS로 환산 하고, 그 환산된 RMS값이 기설정된 교류전압에 대응되는 RMS값보다 크면,
    제1,제2 피엔피 트랜지스터 및 제3,제4 피엔피 트랜지스터를 동시에 온시키는 오버랩 타임을 증가시키고,
    환산된 RMS값이 기설정된 교류전압에 대응되는 RMS값보다 작으면,
    제1,제2 피엔피 트랜지스터 및 제3,제4 피엔피 트랜지스터를 동시에 온시키는 오버랩 타임을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력 변환장치.
  9. 제1 항에 있어서, 필터는,
    상기 변환수단의 강압 동작시, 기 충전된 전압을 방전하는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전력변환장치.
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