KR20080055634A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR20080055634A
KR20080055634A KR1020070121264A KR20070121264A KR20080055634A KR 20080055634 A KR20080055634 A KR 20080055634A KR 1020070121264 A KR1020070121264 A KR 1020070121264A KR 20070121264 A KR20070121264 A KR 20070121264A KR 20080055634 A KR20080055634 A KR 20080055634A
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Abstract

과제
연료전지를 이용한 가정용 연료전지 시스템에 관한 것으로, 부하의 변동에 대한 추종성에 우수하고, 또한 콘덴서의 열화를 방지함과 함께 상용전원으로 역조류하는 것을 확실하게 방지하고, 나아가서는 연료전지의 가동률을 향상시킬 수 있다.
해결 수단
연료전지와, 연료전지로부터 공급되는 전지전력을 부하에 응한 전력으로 변환하여 출력하는 파워 컨디셔너와, 파워 컨디셔너의 부하의 소비 전력이 연료전지의 출력전력 이하가 되는 경부하시에 연료전지의 잉여 출력전력이 충전됨과 함께, 파워 컨디셔너의 부하의 소비 전력이 연료전지의 출력전력 이상이 되는 중부하시에 연료전지의 부족 출력전력분이 방전되는 콘덴서와, 콘덴서의 전압을 검출하는 전압 검출 수단과, 경부하시와 중부하시의 어느 상태인지를 판별하고, 전압 검출 수단에서 검출된 콘덴서의 전압으로부터 경부하시에 발생하는 잉여전력이 콘덴서의 빈 용량을 초과하지 않는 범위에서 연료전지의 출력전력을 산출하고, 그 값을 초과하지 않도록 연료전지의 출력전력을 제한하는 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
Figure P1020070121264
연료전지

Description

연료전지 시스템{A FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료전지를 이용한 가정용 연료전지 시스템에 관한 것이다. 연료전지는, 수소와 산소를 직접 연소시키는 것은 아니라, 전해질로 사이가 벌어진 연료극(燃料極)과 공기극(空氣極)으로 제각기 전기화학반응시키고, 전자를 외부 회로에 취출함으로써 전기를 발생시킬 수 있도록 한 것이다.
연료전지 시스템으로서는, 상용전원에의 역조류(逆潮流) 방지를 위해 연료전지 출력을 부하 전력(부하가 소비하는 전력)에 일치시키는 것이 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 이 연료전지 시스템에서는, 연료전지의 전력을 공급하는 연료전지 전원과, 전지전력을 부하에 응한 전력으로 변환하여 부하측에 출력하는 전력 변환 수단과, 연료전지 전원과 전력 변환 수단을 제어하는 제어 수단을 구비한 것이 있다. 연료전지 전원은, 도시가스를 수소 리치한 연료가스로 개질(改質)하는 개질기(改質器)와, 공급된 연료가스를 이용하여 발전하는 연료전지를 구비한다. 전력 변환 수단은, 예를 들면 전지전력을 승압하는 DC/DC 컨버터와, 이 DC/DC 컨버터 출력을 교류로 변환하는 인버터를 구비한 파워 컨디셔너에 의해 구성되어 있다. 제어 수단은, 부하의 경중에 응하여 연료전지 전원과 전력 변환 수단을 제어하도록 되어 있다.
이 연료전지 시스템에서는, 전지전력이 규정치를 초과하여 상용전원으로 역조류하는 것은 인정되지 않는 것에 더하여, 전지전력은 부하의 급변에 추종하기 어렵다. 그 때문에, 부하가 경부하가 된 경우, 그것에 추종할 수 없어서 잉여전력이 발생한다. 이 잉여전력이 상용전원으로 역조류하지 않도록, 히터로 그 잉여전력을 열변환하여 소비하거나, 역조류를 방지하기 위해 상용전원측으로부터 순조류(順潮流)를 행하는 기술이 제안되어 있다.
그러나, 이 연료전지 시스템에서는, 부하의 급변에 대한 낮은 추종성 등에 의해 전력 이용률이 낮고, 그 시스템의 실시 보급률은 낮다. 그래서, 본 출원인은, 연료전지 시스템의 보급 향상을 도모하기 위해 열심히 연구를 행한 결과, 종래와 같은 잉여전력의 처리와는 전혀 달리, 콘덴서에 잉여전력을 충전시키고, 또한, 전지전력이 부족한 때는, 콘덴서의 축적전력을 방전시켜서 그 부족전력을 조달할 수 있는 충방전 장치를 조립하여, 전력 이용률을 높인 연료전지 시스템을 신규로 제안한 것이다.
이 신규 개발에 관한 연료전지 시스템은, 콘덴서의 전력 변화에 대한 높은 응답 내지는 추종성과, 근래에 개발된 전기이중층(電氣二重層) 콘덴서 등의 납축전지 수준의 대용량의 콘덴서를 이용한 것이다. 또한, 전기이중층 콘덴서를 이용한 에너지 축적 장치로서는, 예를 들면, 특허 문헌 2가 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특개2001-068125호 공보
특허 문헌 2 : 일본 특개2003-199332호 공보
콘덴서를 이용한 충방전 장치를 조립하여 이루어지는 연료전지 시스템에서는, 콘덴서 내압(耐壓)전압(콘덴서 전압의 상한치) 이상으로 충전하거나, 또는 콘덴서 방전심도(深度)(콘덴서 전압의 하한치) 이하로 방전해 버리면 방전 장치에 데미지를 주어 콘덴서가 열화된다는 문제가 생긴다.
따라서, 본 발명의 연료전지 시스템은, 충전시에 콘덴서에 빈 용량을 갖게 함으로써 콘덴서 내압전압을 초과하지 않도록 하고, 또한 방전시에는 콘덴서 방전심도 이하의 전압으로 콘덴서를 방전시키지 않도록 제어함으로써, 콘덴서의 열화를 방지함과 함께 상용전원으로 역조류하는 것을 확실하게 방지하고, 나아가서는 연료전지의 가동률을 향상하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 연료전지 시스템은, 연료전지와, 상기 연료전지로부터 공급되는 전지전력을 부하에 응한 전력으로 변환하여 출력하는 파워 컨디셔너와, 상기 파워 컨디셔너의 부하의 소비 전력이 연료전지의 출력전력 이하가 되는 경부하시에 연료전지의 잉여 출력전력이 충전됨과 함께, 상기 파워 컨디셔너의 부하의 소비 전력이 연료전지의 출력전력 이상이 되는 중부하시에 연료전지의 부족 출력전력분이 방전되는 콘덴서와, 상기 콘덴서의 전압을 검출하는 전압 검출 수단과, 상기 경부하시와 중부하시의 어느 상태인지를 판별하고, 상기 전압 검출 수단에서 검출된 콘덴서의 전압으로부터 상기 경부하시에 발생하는 잉여전력이 상기 콘덴서의 빈 용량을 초과하지 않는 범위에서 상기 연료전지의 출력전력을 산출하고, 그 값을 초과하지 않도록 상기 연료전지의 출력전력을 제한하는 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지의 출력전력(PB)과 상기 콘덴서의 전압(VC)의 관계는,
[수식 2]
Figure 112007085088763-PAT00001
T : 연료전지의 부하 응답
C : 콘덴서의 용량
VCmax : 콘덴서 전압의 상한치
를 충족시킨다.
보다 바람직하게는, 상기 제어 수단이, 상기 중부하시에, 상기 전압 검출 수단에서 검출된 콘덴서의 방전전압이 그 방전심도 이하가 되지 않도록 상기 파워 컨디셔너의 출력을 제한하는 기능을 또한 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 연료전지 시스템에 의하면, 콘덴서에 잉여전력을 충전시키고, 또한, 전지전력이 부족할 때는, 콘덴서의 축적전력을 방전시켜서 그 부족전력을 조달할 수 있고, 부하의 변동에 대한 추종성에 우수함과 함께, 히터를 사용하는 일없이 확실하게 자립(自立) 운전이 가능해지고 전력 이용률이 향상하고, 계통이 없는 벽지에서의 이용이나 정전시의 비상용 전원에 대응할 수 있다.
또한, 경부하시에, 콘덴서의 전압 상승에 따라 연료전지의 출력전력을 제한 하고, 콘덴서에 충전의 빈 용량을 갖게 함으로써, 잉여전력을 확실하게 콘덴서에 충전할 수 있고, 연료전지의 가동률이 향상하고, 상용전원으로 역조류하는 것을 확실하게 방지할 수 있다.
또한, 경부하시에, 콘덴서의 전압 상승에 따라 연료전지의 출력전력을 제한하고, 콘덴서의 충전전압이 그 내압을 초과하지 않도록 제한함으로써, 콘덴서의 열화를 방지할 수 있고, 콘덴서 전압을 이용 가능한 범위 내로 확실하게 제어할 수 있기 때문에, 신뢰성에 우수하고, 게다가 연료전지의 출력전력(PB)과 콘덴서의 전압(VC)의 관계를 상기한 바와 같이 함으로써, 출력 가능한 최대의 연료전지 출력으로 연료전지를 발전(發電)할 수 있기 때문에, 연료전지의 발전 이용률이 향상한다.
또한, 중부하시에, 콘덴서의 전압 강하에 따라 파워 컨디셔너의 출력을 제한하고, 콘덴서의 방전전압이 그 방전심도 이하가 되지 않도록 제한함으로써, 콘덴서의 열화를 방지할 수 있다.
본 발명의 보다 바람직한 연료전지 시스템은, 상기 제어 수단이, 상기 전압 검출 수단에서 검출된 콘덴서의 전압 강하에 따라 상기 연료전지의 출력전력을 높이고, 콘덴서의 전압 상승에 따라 상기 파워 컨디셔너의 출력을 높이는 기능을 또한 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 연료전지 시스템에 의하면, 콘덴서의 전압 강하에 따라 연료전지의 출력전력을 높임으로써, 콘덴서에 빈 용량이 있을 때는 적극적으로 연료전지를 발전하여 콘덴서에 전력을 축적하고, 역으로, 콘덴서의 전압 상승에 따라 파워 컨디셔너의 출력을 높임으로써, 콘덴서에 전력이 충분히 축적된 상태에서는 적극적으로 부 하에 방전한다. 이와 같이, 콘덴서에 빈 용량이 있을 때에 적극적으로 축적한 전력을 부하에 적극적으로 방전하여 이용함으로써, 연료전지의 발전률을 높일 수 있고, 파워 컨디셔너의 정격(定格) 출력보다도 정격이 작은 연료전지를 이용할 수 있도록 된다.
본 발명에 의하면, 부하의 변동에 대한 추종성에 우수하고, 또한 콘덴서의 열화를 방지함과 함께 상용전원으로 역조류하는 것을 확실하게 방지하고, 나아가서는 연료전지의 가동률을 향상시킨 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 실시의 형태에 관한 연료전지 시스템을 설명한다. 또한, 충방전 장치와 파워 컨디셔너(내장되는 DC/DC 컨버터와 인버터 포함한다)의 전력 변환은 실제로는 손실이 발생하지만, 설명을 간단하게 하기 위해 손실을 무시하고, 충방전 장치의 입출력전력은 동등하고(PIO=PC), 파워 컨디셔너의 입출력전력도 동등한(PO=PS) 것으로 하여 설명한다.
도 1에, 연료전지 시스템(10)의 개략 구성을 도시한다. 11은 연료전지 장치, 12는 파워 컨디셔너, 13은 충방전 장치, 14는 전기이중층 콘덴서, 15는 컨트롤러, 16은 부하, 17은 상용전원(계통)이다.
연료전지 장치(11)는, 연료전지의 직류 출력(전지전력)을 공급하는 것이고, 예를 들면, 가스 배관으로부터 도시가스 등의 가스의 공급을 받아서 수소 리치한 개질가스로 개질하는 개질기와, 개질가스중의 일산화탄소를 저감하여 연료가스로 하는 일산화탄소 선택 산화부와, 연료가스와 공기의 공급을 받아서 전기화학반응에 의해 발전하는 연료전지와, 이들을 제어하여 연료전지의 발전에 의한 직류 출력(전지전력)을 공급하는 전지 제어 수단(18)을 구비한 구성으로 되어 있다. 이 가스는 탄화 수소계 연료라면 좋고 도시가스로 한정되지 않고 프로판 가스나 그 밖이라도 좋다. 이와 같은 가스로 함에 의해 연료전지 시스템을 일반 가정에 설치하여 이용하는데 적합한 것으로 할 수 있다. 전지 제어 수단(18)은 마이크로 컴퓨터에 의해 구성할 수 있다. 마이크로 컴퓨터는, 컨트롤러(15)에 내장되는 마이크로 컴퓨터와 통신할 수 있도록 되어 있다. 전지 제어 수단(18)은 컨트롤러(15)로부터 연료전지의 출력전력 지령치(PBT)를 수신하고, 개질기를 제어함으로써 목표 전력이 출력할 수 있는 상태에 서서히 근접한다. 이때, 전지 제어 수단(18)은, 현재 출력 가능한 전력을 연료전지의 출력 가능 전력(PBN)으로서 컨트롤러(15)에 출력한다. 또한, 연료전지 장치(11)에 마이크로 컴퓨터를 내장시키지 않고, 컨트롤러(15)의 마이크로 컴퓨터로 연료전지 장치(11)를 제어할 수 있도록 하여도 좋다. 연료전지 장치(11)는, 예를 들면 일본 특개2005-310435호, 일본 특개2005-302489호, 일본 특개2002-238164호 공보 등에 상세가 있고, 본 명세서에서는 이 연료전지 장치(11)의 설명은 상기한 것으로 한정시킨다.
파워 컨디셔너(12)는, 연료전지 장치(11)로부터 공급되는 전지전력을 부하(16)에 응한 전력으로 변환하여 출력하는 것이다. 이 파워 컨디셔너로서, 예를 들면, 연료전지 장치(11)로부터 직류전력이 출력되어 오는 경우, 이 직류전력을 예를 들면 140V로 승압하는 DC/DC 컨버터(19)와, 이 DC/DC 컨버터 출력을 상용전 원(17)과 동위상의 AC 100V의 교류전력으로 변환하여 부하(16)에 전력을 공급하는 인버터(20)를 구비한 구성으로 되어 있다. 인버터(20)의 변환 동작은 컨트롤러(15)에서 제어되지만, 파워 컨디셔너(12) 내에 마련한 제어 수단 (마이크로 컴퓨터)에서 제어하는 구성으로 하여도 좋다. 이 파워 컨디셔너(12)의 제어는, 상용전원(17)에 전력이 공급되지 않도록, 즉 MC1로 역조류를 검출하여 역조류가 상용전원(17)에 흐르지 않도록 인버터(20)로부터의 출력전력이 부하 전력 또는 그 이하가 되도록 제어된다. 또한, 파워 컨디셔너(12)와 컨트롤러(15)를 각각의 블록 구성으로 하였지만, 파워 컨디셔너(12)를, 컨트롤러(15)를 포함한 블록 구성으로 하여 파워 컨디셔너(12)라고 칭할 수도 있다.
충방전 장치(13)는, 연료전지 장치(11)로부터의 전지전력이 남는 때는, 전기이중층 콘덴서(14)에 그 잉여전력을 충전하고, 부족할 때는 그 부족전력의 전부 또는 일부를 조달하기 위해 전기이중층 콘덴서(14)의 충전전력을 파워 컨디셔너(12)에 방전하는 것이고, 충전 수단(DC/DC 컨버터)(21)과, 방전 수단(DC/DC 컨버터)(22)과, 충방전 제어 수단(23)을 구비한 구성으로 되어 있다(도 2 참조).
충전 수단(21)은, 연료전지 장치(11)로부터의 전지전력을 강압하여 전기이중층 콘덴서(14)에 충전시키는 강압 동작을 행하고, 방전 수단(22)은, 전기이중층 콘덴서(14)의 충전전압을 방전시킴과 함께 그 방전전압을 승압하는 승압 동작을 행하도록 되어 있다. 충전 수단(21), 방전 수단(22)은, 예를 들면, 스위치 소자, 초크 코일, 평활 콘덴서 등에 의해 구성할 수 있다.
충방전 제어 수단(23)은, 마이크로 컴퓨터에 의해 구성되고, 충전 수단(21), 방전 수단(22)의 동작을 제어(어느 정도의 강압, 승압, 강압 정지, 승압 정지, 등의 제어)한다. 충방전 제어 수단(23)은, 예를 들면, 강압 제어 IC나 승압 제어 IC, 스위치 소자 구동부 및 이들을 제어하는 마이크로 컴퓨터 등으로 구성하고, 아날로그 또는 디지털 신호로 이들 IC 등을 제어할 수 있도록 하여도 좋다. 충방전 제어 수단(23)은, 컨트롤러(15)의 마이크로 컴퓨터와 통신하여 충방전을 제어할 수 있도록 되어 있다. 또한, 충방전 장치(13)에 마이크로 컴퓨터를 내장시키지 않고, 컨트롤러(15)의 마이크로 컴퓨터로 충방전 장치(13)를 제어하도록 하여도 좋다.
콘덴서는, 축전용의 콘덴서라면 좋고, 충방전 시간이 짧고, 대용량의 콘덴서, 예를 들면 전기이중층 콘덴서(14)가 바람직하다(도 3(a) 참조). 전기이중층 콘덴서(14)는, 콘덴서 방전심도(콘덴서 전압의 하한치)(VCmin) 이상, 콘덴서 내압전압(콘덴서 전압의 상한치)(VCmax) 이하의 범위에서 이용 가능하게 되어 있다(도 3(b) 참조).
컨트롤러(15)는, 마이크로 컴퓨터에 의해 구성되고, 시스템 운전중은 전기이중층 콘덴서(14)가 잉여전력의 충전 동작과 부족전력의 전부 또는 일부의 조달을 위한 방전 동작의 어느것에도 대응(충방전 대응)이 가능한 충전전압으로 항상 충전되어 있도록 콘덴서 전압을 제어하는 구성으로 되어 있다. 컨트롤러(15)는, 도시를 생략하지만, 메모리, CPU 등으로 이루어지는 마이크로 컴퓨터에 의해 구성되고, 전지전력의 각 값에 따라 전기이중층 콘덴서(14)의 충방전 가능한 전압 범위의 테이블을 메모리 등에 기억하고 있다. 이 테이블에는, 중부하로 변동하여 전지전력이 부족하고 전기이중층 콘덴서(14)가 그 부족전력을 조달하기 위해 방전하는데 필요 한 콘덴서 전압의 하한치(VCmin)와, 경부하로 변동하여 전지전력이 남아서 전기이중층 콘덴서(14)가 그 잉여전력을 충전하는데 필요한 콘덴서 전압의 상한치(VCmax)가 설정되어 있다.
컨트롤러(15)에 의한 충방전 장치(13)의 제어에 관해 설명한다. 컨트롤러(15)는 충방전 장치(13)의 충방전 제어 수단(23)에 대해, 연료전지의 출력전력(PB)이 연료전지의 출력 가능 전력(PBN)과 동등하게 되도록 제어 지령을 출력한다. 구체적으로는, 전압 검출 수단(MV3)과 전류 검출 수단(MC3)에서 검출한 전압과 전류로부터 연료전지의 출력전력(PB)을 연산하고, 출력전력(PB)이 출력 가능 전력(PBN)과 동등하게 되도록, 전류 검출 수단(MC2)에서 검출하는 전기이중층 콘덴서(14)의 충방전 전류를 제어한다.
컨트롤러(15)에 의한 연료전지 장치(11)의 출력 제어에 관해 설명한다.
i) 전기이중층 콘덴서(14)의 전압이 높고 빈 용량이 적을 때는 연료전지 장치(11)의 출력을 제한한다. 구체적으로는, 컨트롤러(15)는 전압 검출 수단(MV2)에서 검출하는 전기이중층 콘덴서(14)의 전압 상승에 따라, 연료전지 장치(11)의 전지 제어 수단(18)에 대해 행하는 연료전지의 출력전력 지령치(PBT)를 억제(감소)한다.
이때, 연료전지의 출력(PB)은 억제되기 때문에, 부하(16)가 무겁고 연료전지의 출력전력(PB)보다 파워 컨디셔너의 출력전력(PS)의 쪽이 클 때는, 충방전 전력(PIO)의 방전 전류가 증가하게 되고 콘덴서의 방전(전압 강하)은 촉진된다. 역으로 부하(16)가 가볍고 출력전력(PB)보다 출력전력(PS)의 쪽이 작을 때는, 연료전지 의 출력은 억제되어 있기 때문에 충방전 전력(PIO)의 충전 전류도 억제된다. 이와 같이, 전기이중층 콘덴서(14)의 전압 상승을 억제 또는 하강을 촉진하여 빈 용량을 확보할 수 있다.
ⅱ) 전기이중층 콘덴서(14)의 전압이 낮고 충분히 빈 용량이 있을 때는 연료전지 장치(11)의 출력을 높이도록 제어한다. 구체적으로는, 컨트롤러(15)는 전압 검출 수단(MV2)에서 검출하는 전기이중층 콘덴서(14)의 전압 강하에 따라, 연료전지 장치(11)의 전지 제어 수단(18)에 대해 행하는 연료전지의 출력전력 지령치(PBT)를 증가한다. 이때, 연료전지의 출력(PB)은 증가하기 때문에 잉여전력이 증가하고, 그 결과, 충방전 전력(PIO)의 충전 전류가 증가하고 빈 용량에 전력이 축적된다. 또한, 중부하로 되어도 연료전지의 출력이 증가하고 있기 때문에 연료전지로부터 공급할 수 있는 전력이 증가하고, 콘덴서로부터의 방전 전류를 감소시킬 수 있다.
상기 i)을 실시함으로써 잉여전력을 충전하는 빈 용량을 확보할 수 있기 때문에, 내압을 초과하는 전기이중층 콘덴서(14)에의 무리한 충전이나, 연료전지의 출력 가능 전력(PBN)을 벗어난 연료전지 장치(11)의 무리한 전력 저하를 초래하는 일 없이, 역조류의 발생을 방지할 수 있고, 시스템의 신뢰성 향상과 에너지의 손실 방지를 도모할 수 있다.
상기 ⅱ)를 실시함으로써 전기이중층 콘덴서(14)에 빈 용량이 있는 동안은 연료전지의 출력전력(PB)을 높여서, 연료전지 장치(11)의 가동률을 높일 수 있고, 작은 정격의 연료전지 장치(11)를 사용할 수 있다.
컨트롤러(15)에 의한 파워 컨디셔너(12)의 출력 제어에 관해 설명한다.
ⅲ) 컨트롤러(15)는 전압 검출 수단(MV2)에서 검출하는 전기이중층 콘덴서(14)의 전압 저하를 검출하고, 전기이중층 콘덴서(14)의 전압 저하에 따라 파워 컨디셔너의 출력전력(PS)을 제한함으로써, 파워 컨디셔너(12)에 공급하는 입력 전력(PO)을 저감하고, 전기이중층 콘덴서(14)로부터의 방전 전력을 억제하고, 전기이중층 콘덴서(14)의 전압 저하를 억제한다. 구체적으로는, 전압 검출 수단(MV2)에서 검출하는 전기이중층 콘덴서(14)의 전압이 하한치(VCmin)가 되면, 컨트롤러(15)는 파워 컨디셔너의 출력전력 지령치(PST)를 연료전지의 출력 가능 전력(PBN)으로 제한하도록 설정하고, 파워 컨디셔너(12)의 출력을 제어한다. 즉, 파워 컨디셔너의 출력 가능한 전력은 연료전지의 출력 가능한 전력 이하로 제한되도록 파워 컨디셔너(12)의 출력을 제어한다.
ⅳ) 컨트롤러(15)는 전압 검출 수단(MV2)에서 검출하는 전기이중층 콘덴서(14)의 전압 상승에 따라 파워 컨디셔너의 출력전력(PS)을 증가함으로써, 파워 컨디셔너(12)에 공급되는 입력 전력(PO)을 증가시키고, 전기이중층 콘덴서(14)의 전압 상승으로 축적되어 있는 전력을 재이용한다. 구체적으로는, 전압 검출 수단(MV2)에서 검출하는 전기이중층 콘덴서(14)의 전압이 하한치(VCmin)보다 클 때, 컨트롤러(15)는 파워 컨디셔너의 출력전력 지령치(PST)에 파워 컨디셔너의 정격 전력을 설정하고, 파워 컨디셔너(12)의 출력을 제어한다.
ⅴ) 상기 ⅲ) ⅳ)의 어느 경우도, 전류 검출 수단(MC1)에서 계통 전류를 검출하고, 계통으로 역조류가 발생하지 않도록 파워 컨디셔너의 출력전력 지령 치(PST)를 제한하여, 파워 컨디셔너(12)의 출력을 제어한다. 즉, ⅲ) 또는 ⅳ)와, ⅴ)의 어느 작은 쪽의 출력이 되도록 제어한다.
상기 ⅲ) ⅴ)를 실시함으로써, 파워 컨디셔너의 출력전력(PS)<=연료전지의 출력전력(PB)이 되고, 파워 컨디셔너(12)의 출력은 전부 연료전지 장치(11)로부터 조달되게 되기 때문에, 전기이중층 콘덴서(14)로부터 전력을 공급할 필요나, 연료전지 장치(11)로부터 무리하게 전력을 공급할 필요가 없어지고, 시스템의 신뢰성을 확보할 수 있다.
상기 ⅳ) ⅴ)를 실시함으로써 역조류가 일어나지 않는 범위에서, 파워 컨디셔너의 출력전력(PS)을 높일 수 있고, 전기이중층 콘덴서(14)에 축적한 전력을 신속하게 재이용하여 연료전지 장치(11)의 발전 사용률이 향상할 수 있다.
여기서, 도 4를 이용하여, 연료전지 장치(11)의 잉여전력과, 전기이중층 콘덴서(14)의 빈 용량과의 관계에 관해 설명한다.
도 4(a)는, 종축이 연료전지의 출력전력(PB)(W), 횡축이 시간(s)을 나타내고 있고, 도면중의 실선은 연료전지의 출력전력(PB1)이 제로가 될 때까지를 나타내고 있다. 또한, 실선의 기울기(-T[W/s])는 연료전지의 부하 응답이 된다.
하기한 식(1)은, 연료전지의 출력전력이 PB1일 때, 연료전지의 출력전력을 제로로 조여질 때의 전력량을 나타내고 있고, 이것은 경부하 변동시의 잉여전력에 상당한다(도면중의 S1의 면적에 상당).
잉여전력=(1/2)×(PB12)/T[Ws] …… (1)
도 4(b)에서, 콘덴서 전압이 VC1일 때, VCmax까지 충전할 수 있는 전력량(빈 용량, 도면중의 S2 부분)을 하기한 식(2)에 나타낸다.
콘덴서의 빈 용량
=(1/2)×C×(VCmax2-VC12)[Ws] …… (2)
C는 콘덴서의 용량으로 단위는 [F]
도 4(a)에 도시한 잉여전력을, 도 4(b)에 도시한 콘덴서의 빈 용량 부분에 충전하게 되지만, 콘덴서 전압의 상한치(VCmax)를 초과할 수 없기 때문에, 빈 용량은 잉여전력보다 크게 할 필요가 있다. 즉, 식(2)>식(1)의 관계식으로부터, 하기한 식(3)을 얻을 수 있다.
[수식 3]
Figure 112007085088763-PAT00002
따라서, 콘덴서 전압이 VC1일 때, 연료전지의 출력 전압은 PB1보다도 작게 하여야 한다(또한, PB1과 VC1의 관계는 식(3)을 충족시키는 것으로 한다). 이때 콘덴서 전압에 응하여, 연료전지 장치(11)에 대해 출력전력 지령치(PBT)를 지령하지만, 연료전지의 반응은 느리기 때문에, 그것을 간과한 지령치를 설정하게 된다. 콘덴서 전압이 VC1일 때에 하기한 식(4)
[수식 4]
Figure 112007085088763-PAT00003
를 지령하도록 하여서는 시간에 댈 수 없기 때문에, 하기한 식(5)
[수식 5]
Figure 112007085088763-PAT00004
보다도 낮은 지령치를 내도록 한다.
다음에, 도 5의 타임 차트를 이용하여 연료전지 시스템의 동작에 관해 설명한다. 도 5(a)는 종축이 전기이중층 콘덴서(14)의 전압, 횡축이 시간을 나타내고 있다. 도 5(b)는 종축이 전력, 횡축이 시간이고, 도면중에는 부하 전력(PL)(실선), 연료전지의 출력전력(PB)(파선), 파워 컨디셔너의 출력전력(PS)(태선)이 도시되어 있다. 도 5(c)는 종축이 전력, 횡축이 시간이고, 도면중에는 전기이중층 콘덴서의 충방전 전력(PC)(파선), 계통 전력(PAC)(실선)이 도시되어 있다. 또한, 본 예에서는, 파워 컨디셔너의 정격 출력>연료전지의 정격 출력의 시스템으로서 설명한다.
(t0-t1)
부하 전력(PL)이 연료전지의 출력전력(PB)보다 큰 상태로 되어 있다. 본 예에서는, 전압 검출 수단(MV2)에서 검출된 콘덴서 전압(VC)은 하한치(VCmin)로 되어 있기 때문에, 파워 컨디셔너의 출력전력 지령치(PST)는 파워 컨디셔너(12)의 정격 출력이 아니라, 연료전지의 출력 가능 전력(PBN)으로 저감되고, 파워 컨디셔너의 출력전력(PS)을 제어한다. 충방전 장치(13)는 연료전지의 출력전력(PB)이 출력 가능 전력(PBN)이 되도록 제어하고 있고, 또한, 파워 컨디셔너의 출력전력(PS)은 출력 가능 전력(PBN)이 되도록 제어되기 때문에, 전기이중층 콘덴서(14)로부터의 방 전 전력은 발생하지 않고, 전기이중층 콘덴서(14)의 전압 저하는 저지된다.
(t1-t2)
부하 변동에 의해 t1에서 부하 전력(PL)이 연료전지의 출력전력(PB)보다도 가벼워지면, 전류 검출 수단(MC1)에서 계통의 역조류 전력을 검출한다. 계통측으로 역조류 전력이 흐르지 않도록, 파워 컨디셔너의 출력전력(PS)을 제한하도록 인버터를 제어하고, 파워 컨디셔너의 출력전력(PS)은 부하 전력(PL)과 동등하게 된다. 이때 (PB-PL)가 잉여전력이 된다.
콘덴서 전압(VC)은 충분히 낮고 빈 용량이 충분히 있기 때문에, 연료전지 장치(11)에는 연료전지의 정격 출력치가 출력전력 지령치(PBT)로서 지시되고, 연료전지의 출력 가능 전력(PBN)은 정격 출력인 채로 되어 있다. 충방전 장치(13)는, 연료전지의 출력전력(PB)이 출력 가능 전력(PBN)이 되도록 제어하기 때문에, 연료전지가 정격 출력이 되도록 전기이중층 콘덴서(14)를 충방전 제어한다. 따라서, (PB-PL)(=(PB-PS))가 잉여전력으로 되고, 이 전력을 전기이중층 콘덴서(14)에 충전하도록 제어하게 된다. 그 결과, 전기이중층 콘덴서(14)의 전압은 상승하고, 전기이중층 콘덴서(14)의 빈 용량은 서서히 감소한다.
또한, 전기이중층 콘덴서(14)의 빈 용량이 충분히 있고, 또한, 부하(16)가 가벼운 이 기간에서는, 연료전지의 출력전력(PB)이 최대가 되도록 정격 출력으로 제어되기 때문에, 연료전지의 가동률을 높여서 신속하게 전기이중층 콘덴서(14)를 충전하고, 부하(16)가 중부하로 변동한 때에 부족한 전력의 공급에 대비할 수 있다.
(t2-t3)
전기이중층 콘덴서(14)의 전압이 상승하고, 전기이중층 콘덴서(14)의 빈 용량이 감소하면, 연료전지의 출력전력(PB)을 전기이중층 콘덴서(14)의 전압 상승에 따라 제한한다. 이로써, 경부하 변동시에 발생하는 잉여전력을 억제하고, 전기이중층 콘덴서(14)의 빈 용량을 초과하는 일 없이 잉여전력을 충전할 수 있다.
전기이중층 콘덴서(14)의 전압 상승에 따라 연료전지의 출력전력(PB)을 제한하기 때문에, 전기이중층 콘덴서(14)에 충전되는 전력(PC)(=PB-PS)은 감소하고, 전기이중층 콘덴서(14)의 전압 상승이 상한치(VCmax)를 초과하지 않도록 억제된다. 이 억제 방법으로서는, 전기이중층 콘덴서(14)의 전압으로부터, 부하(16)가 가벼워진 때에 발생할 것인 연료전지의 잉여전력이 그 빈 용량으로 조달되는 연료전지의 출력전력을 산출하고, 그 출력을 초과하지 않도록 연료전지의 출력을 제어한다. 연료전지 장치(11)에의 출력 제어는, 전지 제어 수단(18)에 연료전지의 출력전력 지령치(PBT)를 지령함에 의해 행하고, 전지 제어 수단(18)은 그 지령치에 따라 출력을 제어한다.
또한, 파워 컨디셔너의 출력전력(PS)은, 전류 검출 수단(MC1)에서 검출하는 계통의 전류가 역조류를 발생하지 않도록 계속해서 제한되고, PL=PS로 밸런스된다.
(t3-t4)
t3에서 연료전지의 출력전력(PB)은 콘덴서 전압(VC)에 응한 값으로 되고, 연료전지의 출력전력(PB)과 부하 전력(PL)이 평형을 이루고, 전기이중층 콘덴서(14)에의 충전이 없어지고 콘덴서 전압(VC)은 일정하게 된다.
(t4-t5-t6)
부하(16)가 더욱 가벼워지면, 기간(t2-t3-t4)과 같은 움직임을 한다. 전기이중층 콘덴서(14)의 상한치(VCmax)를 초과하지 않도록 연료전지의 출력전력(PB)은 더욱 제한된다. 또한, 파워 컨디셔너의 출력전력(PS)은 전류 검출 수단(MC1)에서 검출하는 계통 전류로 역조류가 발생하지 않도록 PL=PS로 제어된다.
(t6-t8)
부하 변동에 의해 t6에서 부하(16)가 무겁게 되면, 연료전지의 출력전력(PB)은 곧바로는 추종할 수 없기 때문에 부족전력이 발생한다(도 b의 PS-PB). 이때 전기이중층 콘덴서(14)에는, 미리 경부하시에 연료전지가 출력한 전력이 축적되어 있고, 콘덴서 전압(VC)은 하한치(VCmin) 이상으로 되어 있기 때문에 파워 컨디셔너의 출력전력(PS)은 파워 컨디셔너(12)의 정격 출력전력이 되고, 파워 컨디셔너(12)는 곧 규격 전력이 출력하도록 제어된다. 이 경우, 파워 컨디셔너의 출력전력(PS)은 연료전지의 출력전력(PB)으로 모두를 조달할 수 없고, (PS-PB)가 부족하지만, 이만큼은 전기이중층 콘덴서(14)에 미리 축적된 전력으로 조달되고(도 c), 그 결과 콘덴서 전압(VC)은 서서히 감소한다(도 a). 콘덴서 전압(VC)의 저하에 수반하여 빈 용량이 증가하기 때문에, 그것에 걸맞도록(부하가 경부하로 변동해도 잉여전력이 흡수할 수 있는 레벨로) 연료전지의 출력전력(PB)이 증가하도록 연료전지를 제어한다(도 b의 PB). 연료전지 장치(11)의 출력 제어는, 연료전지의 출력전력 지령치(PBT)를 전지 제어 수단(18)에 지령하여 행한다.
또한, 본 예에서는, 파워 컨디셔너의 출력전력(PS)보다도 부하 전력(PL)이 크기 때문에, 계통으로부터 그 차분(差分)의 전력(PL-PS)이 공급된다.
(t8-t9)
t8에서 연료전지의 출력전력(PB)은 연료전지의 정격 출력이 되고 일정하게 된다. 여기서, 파워 컨디셔너의 출력전력(PS)으로 연료전지의 정격을 초과하는 부분(PS-연료전지 정격)은, 미리 경부하시에 축적하여 둔 전기이중층 콘덴서(14)로부터 공급하도록 충방전 장치(13)가 방전 제어한다.
(t9-)
t9에서 콘덴서 전압(VC)이 하한치(VCmin)로 되고, 파워 컨디셔너의 출력전력 지령치(PST)가 연료전지의 출력 가능 전력(PBN)으로 제한되고, 전기이중층 콘덴서(14)로부터 전력 공급은 없어지고, 콘덴서 전압(VC)은 하한치(VCmin)로 제한된다.
이와 같이, 부하가 가벼운 때에 콘덴서에 전력을 축적하고, 부하가 무거운 때에 축적한 전력을 이용할 수 있기 때문에, 파워 컨디셔너의 정격 출력보다도 연료전지의 정격 출력을 작게 하는 것이 가능해지고, 고가인 연료전지의 비용을 억제할 수 있다. 또한, 연료전지 출력의 평준화를 이룰 수 있기 때문에, 연료전지의 발전 이용률을 높일 수 있다.
또한, 상기 구성에서는, 파워 컨디셔너의 정격 출력>연료전지의 정격 출력의 시스템으로 하였지만, 이것으로 한하는 것이 아니고, 파워 컨디셔너의 정격 출력<=연료전지의 정격 출력의 시스템으로 하여도 좋다.
또한, 도 6에, 본 발명의 다른 실시의 형태에 관한 연료전지 시스템(10)의 개략 블록도를 도시한다. 도 1에 도시한 연료전지 시스템(10)과의 차이는, 충방전 장치(13)의 입출력전력(PIO)의 접속처를, 파워 컨디셔너(12)의 DC/DC 컨버터(19)와 인버터(20) 사이로 한 점뿐이고, 그 밖의 구성 및 동작은 도 1의 예와 마찬가지이다.
또한, 도 7에, 본 발명의 다른 실시의 형태에 관한 충방전 장치(13)의 개략 블록도를 도시한다. 도 2에 도시한 충방전 장치(13)는, 강압과 승압을 다른 컨버터에서 행하는 구성으로 한 것에 대해, 도 7의 충방전 장치(13)는, 하나의 충방전 수단(쌍방향 컨버터)으로 강압과 승압의 쌍방향 동작을 가능하게 한 것이고, 구조의 간략화를 도모할 수 있다.
또한, 도 8에, 본 발명의 또다른 실시의 형태에 관한 충방전 장치(13)의 개략 블록도를 도시한다. 도 8의 충방전 장치(13)는, 연료전지측에 접속되는 충전 수단(DC/DC 컨버터)(21)의 라인과, 계통측에 접속되는 방전 수단(DC/DC 컨버터)(22)의 라인을 개별의 라인으로 한 것이다.
본 발명은, 연료전지를 이용한 가정용의 연료전지 시스템으로서 유용(有用)하다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태에 관한 연료전지 시스템의 개략 블록도
도 2는 본 발명의 실시의 형태에 관한 충방전 장치의 개략 블록도
도 3은 본 발명의 실시의 형태에 관한 전기이중층 콘덴서의 설명도
도 4는 본 발명의 실시의 형태에 관한 연료전지 장치의 잉여전력과 전기이중층 콘덴서의 빈 용량과의 관계에 관한 설명도
도 5는 본 발명의 실시의 형태에 관한 연료전지 시스템의 동작을 도시하는 타임 차트
도 6은 본 발명의 다른 실시의 형태에 관한 연료전지 시스템의 개략 블록도
도 7은 본 발명의 다른 실시의 형태에 관한 충방전 장치의 개략 블록도
도 8은 본 발명의 다른 실시의 형태에 관한 충방전 장치의 개략 블록도
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
10 : 연료전지 시스템
11 : 연료전지 장치
12 : 파워 컨디셔너
13 : 충방전 장치
14 : 전기이중층 콘덴서
15 : 컨트롤러
16 : 부하
17 : 상용전원

Claims (6)

  1. 연료전지와,
    상기 연료전지로부터 공급되는 전지전력을 부하에 응한 전력으로 변환하여 출력하는 파워 컨디셔너와,
    상기 파워 컨디셔너의 부하의 소비 전력이 연료전지의 출력전력 이하가 되는 경부하시에 연료전지의 잉여 출력전력이 충전됨과 함께, 상기 파워 컨디셔너의 부하의 소비 전력이 연료전지의 출력전력 이상이 되는 중부하시에 연료전지의 부족 출력전력분이 방전되는 콘덴서와,
    상기 콘덴서의 전압을 검출하는 전압 검출 수단과,
    상기 경부하시와 중부하시의 어느 상태인지를 판별하고, 상기 전압 검출 수단에서 검출된 콘덴서의 전압으로부터 상기 경부하시에 발생하는 잉여전력이 상기 콘덴서의 빈 용량을 초과하지 않는 범위에서 상기 연료전지의 출력전력을 산출하고, 그 값을 초과하지 않도록 상기 연료전지의 출력전력을 제한하는 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지의 출력전력(PB)과 상기 콘덴서의 전압(VC)의 관계가,
    [수식 1]
    Figure 112007085088763-PAT00005
    T : 연료전지의 부하 응답
    C : 콘덴서의 용량
    VCmax : 콘덴서 전압의 상한치
    를 충족시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 수단이, 상기 중부하시에, 상기 전압 검출 수단에서 검출된 콘덴서의 방전전압이 그 방전심도 이하가 되지 않도록 상기 파워 컨디셔너의 출력을 제한하는 기능을 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제어 수단이, 상기 전압 검출 수단에서 검출된 콘덴서의 전압 강하에 따라 상기 연료전지의 출력전력을 높이고, 콘덴서의 전압 상승에 따라 상기 파워 컨디셔너의 출력을 높이는 기능을 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 콘덴서가 전기이중층 콘덴서인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제어 수단이, 연료전지의 출력전력에 대응하여 상기 전기이중층 콘덴서의 충방전 가능한 전압 범위의 테이블을 기억하는 메모리를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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