KR20110133118A

KR20110133118A - 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR20110133118A
Application number: KR1020100052674A
Authority: KR
Inventors: 현덕수; 장민호; 오세웅
Original assignee: 세방전지(주)
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2010-06-04
Publication date: 2011-12-12
Also published as: KR101201522B1

Abstract

본 발명은 상용 계통전원의 공급이 중단되는 경우 하이브리드 연결된 연료전지와 니켈수소(Ni-MH)의 이차전지로 비상 절체하여 예비전원을 공급하고 무순단으로 절체에 소요되는 시간을 없애며 연료전지의 성능 및 수명을 개선하는 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이고, 교류 전기를 공급하는 계통전원부, 제어신호에 의하여 연료를 소모하고 직류 전기를 발전하여 출력하는 연료전지부, 연료전지부의 직류 전기를 공급받아 충전하고 충전된 직류 전기는 방전으로 출력하는 이차전지부, 계통전원부의 교류 전기를 직류로 변환하고 연료전지부의 직류 전기 레벨을 높인 상태에서 전력을 증폭하며 이차전지부의 충전과 방전을 제어하고 직류를 교류로 변환하여 출력하는 변환부 및 계통전원부가 교류를 비정상적으로 공급하면 절체명령의 제어신호에 의하여 이차전지부의 직류를 초기에 출력하고 연료전지부를 동작시켜 발전된 직류가 순차적으로 출력되도록 연료전지부와 변환부를 제어하고 감시하는 전력제어부를 포함하는 구성을 특징으로 하여, 계통전원이 비정상적으로 공급되는 경우를 검출하여 정상레벨의 전압을 무순단으로 신속하게 출력하고, 예비전원을 공급하는 경우 불연속에 의한 지연시간이 발생하지 않고 연속적으로 예비전원을 공급하므로 정밀한 전자장비의 운용에 피해를 주지 않으며, 연료전지를 급속하게 운전하지 않고 정상적인 운전에 의하여 설정된 레벨의 전압이 발전되도록 하므로 비교적 가격이 비싼 연료전지 운용의 안전성이 확보되고 정상 수명을 유지하며, 효율적으로 운전하여 성능이 저하되지 않도록 하는 동시에 연료의 낭비를 줄이는 효과가 있다.

Description

연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템 및 그 제어방법{A system of hybrid UPS with fuel cells and methods thereof}

본 발명은 연료전지(fuel cells)를 이용한 무정전 전원 시스템(UPS)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상용 계통전원의 공급이 중단되는 경우 하이브리드 연결된 연료전지와 니켈수소(Ni-MH)의 이차전지로 비상 절체하여 예비전원을 공급하고 무순단으로 절체에 소요되는 시간을 없애며 연료전지의 성능 및 수명을 개선하는 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

상용전원은 상업적인 목적의 사업자에 의하여 전기를 대량 생산하고 일반가정, 공장, 산업시설 등에 공급하는 것으로, 안정된 전압과 전류의 품질로 공급하는 것이 일반적이며 계통전원이라고도 한다.

무정전 전원 공급 시스템(UPS: Uninterrupted Power Supply)은 무정전 전원 장치라고도 하며, 상용으로 공급되는 계통전원이 순간적인 불안정 상태로 공급되거나 공급되지 않는 정전의 경우에 배터리, 발전기 등의 예비전원 또는 비상전원(이하, ‘예비전원’이라 한다.)으로 절체하여 허용된 소정 시간 동안 전력을 안정적으로 공급하도록 하는 장치이다.

연료전지는 ‘전지’라는 말이 붙어 있으나 일반적인 전지와는 다른 것으로, 연료와 산화제를 전해질 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이고, 전해질이 남아있는 한 발전 가능한 것이 일반적이다.

전지(battery)는 외부와 에너지를 교환하지 않는 닫힌계에 화학적 에너지로 전기를 저장한 후에 출력하고, 연료전지(fuel cells)는 연료를 소모하여 생산된 전기를 출력한다.

또한, 전지의 전극은 화학적으로 반응하므로 충전과 방전 상태에 따라 바뀌지만 연료전지의 전극은 촉매작용을 하므로 상대적으로 안정하다.

연료전지(燃料電池, fuel cells)는 연료로부터 수소를 취득하고 산소와 화학적으로 반응하는 수소 연소반응에 의하여 전기 에너지를 연속 생산하는 방식으로 운전하므로 발전기로 구분하는 것이 일반적이다.

이때의 수소 연소반응은 ‘2H2 + O2 -> 2H2O + 1.23 V'와 같은 반응식으로 풀이되고, 연료전지의 셀(cell) 단위마다 1.23 V의 전기 에너지를 발전하여 출력함을 알 수 있다.

연료 전지는 사용된 연료를 수소가 많이 포함된 가스로 변환하는 연료 개질 장치, 연료 개질 장치로부터 공급되는 수소와 공기 중의 산소를 화학반응시켜 직류(DC) 전기를 생산하고 물과 열을 부산물로 생산하는 연료 전지 본체, 그리고 연료 전지에서 생산된 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 전력 변환 장치를 기본으로 구성하는 것이 일반적이다.

이러한 기본 구성 이외에 발전 플랜트의 활용 효율을 높이기 위해서는 연료의 화학적 반응에서 발생하는 반응열과 연료 개질 과정에서 발생된 폐열 등을 이용하는 장치가 부수적으로 필요하다.

연료전지에 사용되는 연료와 산화제는 여러 가지가 있으나 일례로, 수소 연료전지의 경우 수소를 연료로, 산소를 산화제로 사용하고, 그 외에 연료로 사용되는 것에는 천연 가스, 도시 가스, 석탄가스, 폐기물 가스, LNG, LPG(액화석유가스; propane gas), 알코올, 메탄올, 메탄, 나프타, 등유, 탄화수소 등이 있으며, 산화제로 사용되는 것에는 공기(대기), 염소, 이산화염소 등이 있을 수 있다.

연료전지는 연료 에너지의 이용 효율이 대단히 높아 전기화학적 반응으로 40 ~ 60 % 정도의 효율을 얻는 것이 일반적이며, 반응과정에서 부수적으로 발생되는 배출열을 재활용하면 80 % 이상의 고효율로 전기를 생산할 수 있어 기존의 화력발전소보다 발전용 연료를 절감하고 열병합 발전도 가능하다.

또한, 연료전지는 다양한 종류의 연료를 사용하므로 에너지 자원의 확보가 쉽고, 연료를 화학적으로 반응시키며 태우지 않기 때문에 지구 환경보호에도 기여할 수 있는 미래의 에너지 원(source)이다.

한편, 연료전지는 발전과정에서 석탄을 사용하는 화력발전과 대비하여 질소(N2)가 산화된 NO, NO2, N2O, N2O3, N204, N2O5 등에 의한 질소산화물(NOx), 황산화물 및 이산화탄소(CO2)의 배출량이 1/38 및 1/3 정도로 매우 적고, 소음 발생도 거의 없어 공해 배출 요인이 없는 차세대 청정 에너지원이다.

이러한 연료 전지의 종류는 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell), 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell), 고분자 전해질형 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 용융 탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물형 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell), 직접 메탈올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell) 등과 같이 다양하다.

고분자 전해질형 연료전지는 전해질로 프로톤 전도성 고분자 전해질막을 사용하고, 고출력을 위한 스택 구조를 가지며, 양극과 음극의 스택 내에서 반응을 원활히 진행시키기 위해 촉매를 구비하고, 촉매로는 탄소에 담지된 백금촉매 등을 사용한다.

한편, 연료전지는 백금 등의 귀금속을 사용하므로 비교적 가격이 비싼 것이 일반적이다.

연료전지는 연료와 공기를 이용하는 화학적 반응에 의하여 일정한 출력의 전기 에너지를 발생시키고, 화학적 반응은 주변환경에 의하여 신속하게 발생하지 않으므로 부하(load)의 변화에 따라 갑자기 출력을 증가시키기 어려운 특성이 있다.

즉, 연료전지는 출력 전력을 순간적으로 증가시키기 어렵기 때문에 부하에서 많은 전력인 고전력을 순간적으로 요구하는 경우 신속하게 대응할 수 없는 특성이 있다.

그리고 연료전지는 소형 모듈(module)화 및 대형 모듈화할 수 있으며, 발전설비의 건설 기간 단축, 설비 용량의 증감이 간편하고 입지선정이 매우 용이하다.

따라서 밀집된 공장지대, 도심 지역 또는 건물 내부 등에 연료전지를 이용한 발전시설의 설치가 가능하고 전기 에너지를 비교적 경제적으로 공급할 수 있으며, 다양한 연료를 사용할 수 있으므로 기존의 화력 발전소를 대체하는 동시에 분산 전원용 발전소, 열병합 발전소, 무공해 자동차용 전원, 무정전 전원 공급 시스템(UPS)의 백업용 전원 등에 적용될 수 있다.

연료 전지는 적용 분야에 따라 공장 등에서 전동기, 각종 기계, 계측기, 발열장치 및 조명기기 등을 동작시키기에 충분한 발전 용량의 상업용 연료 전지, 가정에서 냉장고, TV, 선풍기, 세탁기, 밥솥 등이 포함되는 가전제품과 조명 기기 등을 동작시키기에 충분한 발전용량의 가정용 연료전지, 전기 자동차의 에너지원으로 사용되는 자동차용 연료전지, 휴대용 단말기나 노트북 등에 사용되는 소형 연료전지 등 다양하다.

이러한 연료전지를 상용의 계통전원이 불안정하게 공급되거나 공급되지 않는 정전의 경우에 전원을 신속하게 절체하여 공급하는 무정전 전원 시스템(UPS)에도 적용할 수 있다.

도 1 은 종래 기술의 일 실시 예에 의한 연료전지 무정전 전원 시스템의 기능 구성도 이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면, 계통전원부(10), 부하부(20), 연료전지부(30), 전력변환부(40)를 포함하는 구성이다.

계통전원부(10)는 특정한 사업자에 의하여 전기 에너지를 상업적으로 생산하고 공급하는 상용전원으로 전기 에너지의 가격이 비교적 저렴하며 대용량을 연속 사용할 수 있는 장점이 있다.

부하부(20)는 전원을 소모하는 부하(load)이며 각종 가전기기, 공장의 전기 장비 등이 포함된다.

연료전지부(30)는 연료로부터 수소를 취득하고 산소와의 화학적 반응인 수소 연소 반응을 통하여 전기에너지를 셀 단위로 생산한다.

일반적인 셀 단위의 출력전압은 1.23 V 이므로 전압 레벨을 높이기 위하여 다수의 셀을 직렬로 연결하고, 전류 레벨을 높이기 위하여 다수의 셀을 병렬로 연결한다.

전력변환부(40)는 계통전원부(10)를 감시하여 부하(20)에 전원을 공급하는지 확인하고, 전원을 정상적으로 공급하는 경우는 연료전지부(30)를 오프(off) 상태 또는 대기(standby) 상태로 제어한다.

계통전원부(10)가 전원을 불안정하게 공급하거나 공급하지 않는 경우는 연료전지부(30)가 설정된 정상 전원을 발전하여 출력하도록 제어하여 부하에 공급한다.

그러나 연료전지부(30)는 수소 연소반응이라는 화학적 반응에 의하여 전기를 생산하고, 이러한 화학적 반응에는 소정의 시간이 소요되므로 오프 상태 또는 대기 상태로부터 설정된 정상 레벨의 전압을 신속하게 발전하여 출력하지 못하는 문제가 있다.

한편, 연료전지부가 설정된 소정 정상 레벨의 전원으로 발전하는데 까지 일정한 시간이 소요되므로 절체의 지연시간(delay time)이 발생하는 문제가 있다.

그리고 연료전지부를 급속하게 운전하는 경우, 안전성이 우려되는 심각한 문제가 있다.

또한, 연료전지부(30)가 급속하게 정상 레벨의 전원을 발전하여 출력하도록 제어하는 상태가 반복되면, 비교적 가격이 비싼 연료전지 각 셀의 수명이 단축되고 성능이 저하되는 심각한 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 연료전지부(30)를 항상 정상 가동 상태로 제어할 수 있으나, 이러한 경우는 연료의 낭비가 심하고 효율적이지 못하며 매우 경제적이지 못한 등의 문제가 있다.

따라서 연료전지를 이용하는 무정전 전원 시스템에서 절체 초기에 무순단으로 지연시간 없이 즉각적으로 정상전원을 공급하고, 연료전지의 수명을 연장하며 성능을 정상상태로 유지하는 기술을 개발할 필요가 있다.

본 발명은 종래 기술의 문제와 필요성을 해소하기 위한 것으로 예비전원의 공급을 위하여 절체하는 경우에 충방전이 가능한 니켈 수소 이차전지를 이용하여 정상 레벨의 전압을 무순단으로 신속하게 출력하는 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것이 그 목적이다.

그리고 본 발명은 예비전원 공급을 위하여 절체하는 순간에 전원 공급의 불연속에 의한 지연시간이 발생하지 않도록 하는 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것이 그 목적이다.

한편, 본 발명은 연료전지가 최대 출력을 발전하도록 급속하게 운전하여 안전성이 우려되고 수명이 단축되지 않도록 하는 하이브리드 무정전 전원 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것이 그 목적이다.

또한, 본 발명은 연료전지를 효율적으로 운용하여 성능이 저하되지 않도록 하고 연료의 낭비를 줄이는 하이브리드 무정전 전원 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것이 그 목적이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명은 상용의 교류 전기를 공급하는 계통전원부와, 해당 제어신호에 의하여 연료를 소모하고 소정 용량의 직류 전기를 발전하여 출력하는 연료전지부와, 연료전지부의 직류 전기를 해당 제어신호에 의하여 공급받아 충전하고 충전된 직류 전기는 방전으로 출력하는 이차전지부와, 계통전원부의 교류 전기를 직류로 변환하고, 제어신호에 의하여 연료전지부의 직류 전기 레벨을 높인 상태에서 전력을 증폭하며, 이차전지부의 충전과 방전을 제어하고, 직류를 교류로 변환하여 출력하는 변환부 및 계통전원부가 교류를 비정상적으로 공급하면 절체명령의 제어신호에 의하여 이차전지부의 직류를 초기에 출력하고 연료전지부를 동작시켜 발전된 직류가 순차적으로 출력되도록 연료전지부와 변환부를 제어하고 감시하는 전력제어부를 포함하여 이루어지는 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템을 제시한다.

바람직하게, 변환부가 출력하는 교류에 의하여 동작하는 부하부를 더 포함하여 이루어진다.

그리고 계통전원부는 220 볼트의 교류를 공급하고, 연료전지부는 28 내지 40 볼트 중에서 선택된 어느 하나의 전압에 의한 직류를 발전하며, 이차전지는 니켈 수소 축전지이고 직류 24 볼트를 충전 및 출력한다.

한편, 변환부는 계통전원부의 교류를 입력하고 직류로 변환하여 출력하는 교직변환부와, 연료전지부의 직류를 입력하고 높은 레벨의 직류로 상향 변환하는 직직컨버터와, 연료전지부의 직류를 제 1 경로를 통하여 이차전지부에 충전하고 이차전지부의 직류를 제 2 경로를 통하여 방전하는 충방전제어부와, 제 2 경로에 접속하고 역전압을 차단하며 손실 없이 전송하는 릴레이부와, 직직컨버터부와 릴레이부로부터 각각 인가되는 직류의 전력을 증폭하여 출력하는 부스터부 및 교직변환부와 부스터부로부터 각각 인가되는 직류를 교류로 변환하여 출력하는 직교인버터를 포함하여 이루어진다.

여기서 교직변환부, 직직컨버터, 충방전제어부, 직교인버터는 전력제어부의 감시와 제어에 의하여 구동된다.

또한, 전력제어부는 교직변환부와 직교인버터를 감시하고 계통전원이 비정상적으로 출력되면 충방전제어부를 제어하여 이차전지부의 직류를 제 2 경로로 방전하며 연료전지부를 제어하여 발전한 직류가 직직컨버터에서 상향 변환되어 출력되도록 제어한다.

그리고 전력제어부는, 이차전지부의 용량이 부하부에서 필요로 하는 전력용량보다 크거나 같으면 설정된 소정 시간 동안 이차전지부를 방전 상태로 유지하도록 제어하며, 이차전지부의 용량이 부하부에서 필요로 하는 전력용량보다 크거나 같으면 설정된 소정 시간 동안 이차전지부를 방전 상태로 유지하도록 제어한다.

여기서 전력제어부는, 부하부의 용량이 상기 피크용량을 초과하면 연료전지부를 발전상태로 제어하여 발전된 직류를 이차전지부의 직류와 함께 출력하고, 상기 피크용량을 초과하지 않으면 연료전지부를 발전상태로 제어하여 발전된 직류를 이차전지부의 직류에 우선하여 순차 출력되도록 제어하고 감시하고, 충방전제어부를 감시하여 이차전지부를 충전할 필요가 있으면 연료전지부를 발전상태로 제어하고 제 1 경로로 공급하여 이차전지부를 충전하도록 제어와 감시한다.

한편, 릴레이부는 충방전제어부로부터 출력된 전류가 제 2 경로를 통하여 부스터부의 일 방향으로 흐르도록 하는 다이오드 및 제 2 경로로 흐르는 전류에 의하여 전력손실이 없는 우회경로를 연결하는 릴레이부를 포함하여 이루어진다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명은 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템의 전력제어부에 의하여 이차전지부의 충전전압을 감시하고 해당 설정값보다 작으면 연료전지부를 발전상태로 제어하여 이차전지부를 충전하는 충전단계와, 이차전지부의 충전전압이 설정값보다 크면 교직변환부와 직교인버터를 감시하여 정상전압이 출력되면 충전단계로 궤환하는 감시단계와, 정상전압이 출력되지 않으면 부하부의 필요 전력용량을 확인하고 이차전지부의 충전용량과 비교하여 큰 경우에 이차전지부를 방전 상태로 제어하고 무순단에 의하여 1 차로 출력하는 방전단계 및 부하부의 필요 전력용량이 피크용량을 초과하면 발전상태로 제어된 연료전지부의 전력을 이차전지부의 전력과 함께 출력하며, 피크용량을 초과하지 않으면 발전상태로 제어된 연료전지부의 전력을 순차적으로 우선 출력하고 이차전지부의 출력 전력은 순차적으로 줄이는 발전단계를 포함하여 이루어지는 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템의 제어방법을 제시한다.

바람직하게, 방전단계에서 전력제어부에 의하여 부하부의 필요 전력용량이 이차전지부의 충전용량과 비교하여 같거나 작은 경우는 이차전지부를 설정된 시간 동안 방전 상태로 제어하는 이차전지 단계를 더 포함하여 이루어진다.

상기와 같은 구성의 본 발명은 연료전지와 니켈 수소 전지를 하이브리드로 연결하고 감시 및 제어하므로 계통전원이 비정상적으로 공급되는 경우를 검출하여 정상레벨의 예비전원을 무순단으로 신속하게 출력하는 산업적 이용효과가 있다.

그리고 상기와 같은 구성의 본 발명은 계통전원이 비정상적으로 공급되고 절체에 의하여 예비전원을 공급하는 경우 불연속에 의한 지연시간이 발생하지 않고 예비전원을 무순단으로 연속 공급하므로 정밀한 전자장비의 운용에 피해를 주지 않는 산업적 이용효과가 있다.

또한, 상기와 같은 구성의 본 발명은 연료전지를 급속하게 운전하지 않고 정상적인 순서와 단계로 이루어지는 안전운전에 의하여 설정된 소정 레벨의 전압을 안전하게 발전하도록 하므로 비교적 가격이 비싼 연료전지 운용의 안전성과 신뢰성이 확보되고 정상 수명을 유지하는 사용상 편리한 효과가 있다.

한편, 상기와 같은 구성의 본 발명은 연료전지를 효율적으로 운전하여 성능 또는 기능이 저하되지 않도록 하는 동시에 연료의 낭비를 줄이어 경제적으로 운용하는 사용상 편리한 효과가 있다.

도 1 은 종래 기술의 일 실시 예에 의한 연료전지 무정전 전원 시스템의 기능 구성도,
도 2 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템의 기능 구성도,
도 3 은 본 발명의 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템의 변환부에 대한 상세 기능 구성도,
도 4 는 본 발명의 일 실시 예로 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템의 제어방법에 의한 순서도,
도 5 는 본 발명의 일 실시 예로 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템에서 부하부가 요구하는 전력을 공급하는 상태의 설명도,
그리고
도 6 은 본 발명의 일 실시 예로 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템의 연료전지부가 발전된 전력을 출력하는 패턴 설명도 이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명과 도면 도시는 생략한다.

축전지는 충전(charging)된 전류를 방전(discharge)에 의하여 공급하고, 방전이 진행됨에 따라 내부전압의 전압강하(voltage drop)가 발생하며, 내부전압이 설정된 최저 전압이 될 때까지 방전하고, 허용된 최저 전압이 되기 전에 다시 충전하며 다시 방전에 의하여 전류를 공급하는 과정을 허용된 횟수 동안 반복하므로 반복 재사용이 가능한 배터리(battery)이다.

이러한 축전지를 이(2)차 전지(secondary battery)라 하고, 이하 본 발명의 설명에서는 이차전지라 하고 문맥에 따라 배터리라 하기로 한다.

이차전지에 사용되는 전해질 및 양극(+)과 음극(-)으로 사용되는 재료에 의하여 일례로 납(PbO2-Pb) 이차전지, 니켈수소(Ni-MH) 이차전지, 니켈카드늄(Ni-Cd) 이차전지, 리튬이온(LIB) 이차전지, 리튬폴리머(LPB) 이차전지, 리튬이온폴리머(LIPB) 이차전지, 니켈철(NiOOH-Fe) 이차전지, 니켈아연(NiOOH-Zn) 이차전지, 산화은-아연(AgO-Zn) 이차전지, 산화은-카드늄(AgO-Cd) 이차전지, 나트륨-황 이차전지, 나트륨-금속염화물(FeCl2-Na) 이차전지, 아연-염소(Br2-Zn) 이차전지, 아연-브롬(Be2-Zn) 이차전지, 알루미늄-공기(O2-Al) 이차전지, 니켈-수소(NiOOH-H2) 이차전지, 리튬 2차(고분자-Li) 배터리 등으로 호칭된다.

이차전지는 완전 방전하는 경우, 즉 과방전(over-discharge)하면 전기적으로 복구 불가능하게 파괴될 수 있으므로, 이차전지의 수명연장을 위하여 내부전압이 설정된 일정한 하한점에 도달하면 재충전을 시켜주거나 충전이 재개될 때까지 더 이상 방전되지 않도록 제어하여야 할 필요가 있다.

또한, 이차전지는 과충전(overcharge)하는 경우에도 수명에 나쁜 영향을 미친다.

연료전지(燃料電池, fuel cells)는 천연가스, 도시가스, 석탄가스, 폐기물 가스, LNG, LPG, 알코올, 메탄올, 메탄, 나프타, 등유, 탄화수소 등이 포함되는 연료(fuel) 중에서 선택된 어느 하나를 사용하여 수소를 취득하고 산소와 화학적으로 반응하는 ‘2H2 + O2 -> 2H2O + 1.23 V'의 반응식에 의한 수소 연소반응에 의하여 셀 단위로 1.23 V의 전기 에너지를 생산 또는 발전한다.

연료전지는 전지(battery)라는 단어를 사용하고 있으나 연료가 공급되는 동안에 연속적으로 전기를 생산하므로 발전기(generator)로 구분하는 것이 일반적이다.

무정전 전원 시스템(UPS)은 상용으로 공급되는 계통전원이 불안정하거나 비정상적으로 공급되는 경우를 감지하고, 안정적인 예비전원으로 절체하여 전원이 정상적으로 공급되도록 하는 것으로 온라인(on-line) 방식, 오프라인(off-line) 방식 및 라인 인터액티브(line interactive) 방식 등이 있다.

무정전 전원 시스템의 온라인 방식은, 계통전원의 교류를 전기장치 운용을 위하여 공급하는 동시에 이차전지(battery)의 충전을 위하여 함께 공급하고, 계통전원이 허용치 보다 낮은 비정상적인 레벨로 공급되는 경우 온라인 상태의 이차전지에 의한 예비전원을 무순단으로 절체하여 공급하는 방식이다.

온라인 방식은 안정적인 전원을 끊어짐 없는 무순단으로 공급하고 회로 구성에 의하여 양질의 예비전원을 공급하며 3KVA 이상의 대용량에 주로 사용하는 장점이 있으나, 회로구성에 많은 기술력을 필요로 하고 전력소모가 많아 효율이 떨어지는 문제가 있다.

오프라인 방식은 계통전원의 교류를 전기장치에만 공급하는 상태에서 계통전원이 비정상적으로 공급되는 경우 오프라인 상태의 이차전지에 의한 예비전원을 공급하는 방식으로 중소 용량에 주로 적용한다.

오프라인 방식은 전력소모가 적어 효율이 좋고 내구성이 우수하며 가격이 저렴하며 소형화가 가능한 장점이 있으나 절체시에 예비전원의 공급까지 순간적인 끊어짐이 발생하고 계통전원과의 동기를 일치시키기 매우 어려워 정밀이 요구되는 전기장치에 사용할 수 없는 문제가 있다.

라인 인터액티브 방식은 계통전원이 정상적인 경우에 출력전압을 일정하게 유지하도록 4 탭 자동전압조정 기능을 내장한 방식으로 온라인 방식과 오프라인 방식의 장단점을 보완한 기술이며 소용량에 주로 적용한다.

라인 인터액티브 방식의 무정전 전원 시스템은 전력소모가 적어 효율이 높고 회로구성이 간단한 장점이 있으나, 내구성이 떨어지고 입력전원에 대비하여 약 5% 정도 안정된 전압으로 충전하므로 과충전의 우려가 있으며 고장 발생 빈도가 높은 등의 문제가 있다.

도 2 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템의 기능 구성도 이고, 도 3 은 본 발명의 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템의 변환부에 대한 상세 기능 구성도 이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면, 계통전원부(100), 연료전지부(110), 이차전지부(120), 변환부(130), 전력제어부(140), 부하부(150)를 포함하는 구성이다.

본 발명의 도면에서 각 기능부는 해당 동작전원을 공급받으며, 동작전원의 공급은 일반적이고 본 발명의 구성 및 설명을 간단하게 하기 위하여 도면도시 및 구체적인 설명을 하지 않기로 한다.

일반적으로 무정전 전원 시스템은 배터리 또는 이차전지 중에서 선택된 어느 하나를 예비전원으로 사용하지만, 본 발명에서는 연료전지와 이차전지를 함께 동시 사용하므로 하이브리드 무정전 전원 시스템이라 부르기로 한다.

계통전원부(100)는 특정한 사업자에 의하여 전기를 상업용으로 대량 생산하고 안정된 레벨의 전압과 주파수에 의한 우수한 품질로 하루 24시간 동안 끊임없이 공급하는 교류전기이다.

본 발명에서의 계통전원부(100)는 일례로, 교류 220 볼트(V)를 공급하는 것으로 한다.

연료전지부(110)는 공급되는 연료로부터 셀 단위로 수소(H)를 취득하고 산소(O)와 ‘2H2 + O2 -> 2H2O + 1.23 V'에 의한 화학적 수소 연소반응 연산식에 의하여 1.23 볼트(V)의 전기 에너지를 생산 또는 발전한다.

연료전지부(110)는 연료가 공급되는 경우 각 셀에서 1.23 볼트의 직류를 연속 발전하므로 다수의 셀을 직렬 연결하여 전압을 높이고 병렬로 연결하여 전류를 높일 수 있다.

본 발명에서의 연료전지부(110)는 일례로, 28 내지 40 볼트 중에서 셀 단위가 다수 직렬 연결되어 선택된 어느 하나의 전압을 발전하여 출력하도록 구성하는 것이 바람직하다.

이차전지부(120)는 전류를 충전하여 소정 레벨의 직류 전기를 저장하고 방전에 의하여 저장된 직류 전기를 출력하는 충방전(rechargeable) 배터리(battery)이다.

이차전지부(120)를 구성하는 배터리는 사용되는 전해질, 음극 및 양극의 재질에 의하여 다양하게 분류할 수 있으며, 셀 단위로 1.2 볼트를 출력하는 것이 일반적이다.

본 발명에서의 이차전지부(120)는 일례로, 니켈 수소(Ni-MH) 축전지를 사용하고, 1.2 볼트의 셀을 다수를 직렬 연결하여 일례로, 24 볼트의 직류를 출력하도록 구성하는 것이 바람직하다.

변환부(130)는 해당 제어신호에 의하여 계통전원부(100)로부터 입력되는 교류 전기를 직류로 변환하고 다시 직류를 교류로 변환하여 출력한다.

그리고 연료전지부(110)로부터 입력된 직류의 전압 레벨을 높은 상태로 변환하고 전력을 증폭하며 교류로 변환하여 출력한다.

또한, 연료전지부(110)가 발전한 직류로 이차전지부(120)를 충전하고, 이차전지부(120)가 방전한 직류를 연속적인 무순단으로 출력하여 전력을 증폭하고 교류로 변환하여 최종적으로 출력한다.

첨부된 도 3 을 참조하면, 변환부(130)는 계통전원부(100)의 교류(AC)를 입력하고 직류(DC)로 변환하여 출력하는 교직변환부(AC to DC converter)(131)와, 연료전지부(110)의 직류(DC)를 입력하고 높은 전압 레벨의 직류(DC)로 상향변환(up-converting)하는 직직컨버터(DC to DC converter)(132)와, 연료전지부(110)의 직류를 제 1 경로(133)를 통하여 이차전지부(120)에 충전하고 이차전지부(120)가 방전하는 직류를 제 2 경로(134)를 통하여 출력하는 충방전제어부(135)와, 제 2 경로(134)에 접속하고 역전압을 차단하며 최소의 손실로 또는 손실 없이 전송(전달)하는 릴레이부(136)와, 직직컨버터부(132)와 릴레이부(136)로부터 각각 인가되는 직류의 전력(power)을 증폭(amplifier)하여 출력하는 부스터부(137)와, 교직변환부(131)와 부스터부(137)로부터 각각 인가되는 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하여 출력하는 직교인버터(DC to AC inverter)(138)를 포함하는 구성이다.

교직변환부(131), 직직컨버터(132), 충방전제어부(135), 직교인버터(138)는 전력제어부(140)의 감시와 해당 제어 신호에 의하여 구동된다.

전력제어부(140)는 계통전원부(100)가 허용할 수 있는 레벨 이하의 비정상적인 교류 전원을 공급하면 절체명령의 해당 제어신호를 연료전지부(110)와 변환부(130)에 각각 인가한다.

이때, 변환부(130)는 이차전지부(120)의 직류를 초기에 먼저 출력하여 무순단으로 공급하고, 연료전지부(110)를 무리 없는 정상적인 단계 및 순서에 의하여 동작시켜 발전된 직류 전기를 순차적으로 출력하도록 연료전지부(110)를 제어하고 변환부(130)를 통하여 감시한다.

한편, 변환부(130)는 연료전지부(110)와 이차전지부(120)가 각각 출력하는 직류(DC)를 교류(AC) 220 볼트로 변환하여 출력한다.

상세히 다시 설명하면 전력제어부(140)는 교직변환부(131)와 직교인버터(138)를 감시하여 계통전원부(100)가 220 볼트의 교류를 정상적이며 안정적인 레벨로 공급하는지를 확인한다.

계통전원부(100)가 220 볼트의 교류를 공급하면 교직변환부(131)에 의하여 220 볼트의 교류(AC)를 브리지 다이오드에 의하여 양파 정류하므로 약 1.4 배인 319 내지 320 볼트의 직류(DC)로 변환한다.

교직변환부(131)가 출력한 약 320 볼트의 직류(DC)는 직교인버터(138)에 인가되어 교류(AC)로 변환되어 출력된다.

계통전원부(100)가 공급하는 교류를 직류로 변환하고 다시 교류로 변환하여 출력하는 것은 계통전원부(100)가 공급하는 전원의 비정상적인 순간을 정확하게 검출하여 절체하므로 무순단 절체가 정확하게 이루어지도록 하기 위함이다.

즉, 본 발명은 전력제어부(140)가 교직변환부(131)와 직교인버터(138)를 동시에 감시하므로 어느 하나로부터 계통전원이 비정상적으로 공급되는 순간을 정확하고 신속하게 검출하여 비상용 전원으로 무순단 절체하고 공급하는 장점이 있다. 여기서 비상전원은 연료전지부(110)와 이차전지부(120)가 공급하는 전원이다.

한편, 전력제어부(140)는 충방전제어부(135)를 감시하여 이차전지부(120)의 전압을 검출하고 분석하여 충전할 필요가 있는지 여부를 확인한다.

전력제어부(140)에 의하여 계통전원부(100)가 정상적으로 전원을 공급하는 상태에서 이차전지부(120)를 충전할 필요가 있는 것으로 판단하면, 연료전지부(110)에 연료가 공급되도록 제어하므로 연료전지부(110)는 28 내지 40 볼트 중에서 셀 단위에 의하여 선택된 전압의 직류 전기를 발전한다.

연료전지부(110)가 발전한 직류는 제 1 경로(133)를 통하여 충방전제어부(135)에 공급되고 충방전제어부(135)는 이차전지부(120)가 과충전되지 않도록 최적의 상태로 충전한다.

이러한 충전과정에는 급속충전과 미세충전이 포함되는 것은 당연하고, 전력제어부(140)는 급속충전과 미세충전의 주기에 의하여 연료의 공급량을 조절하므로 연료전지부(110)가 발전하여 출력하는 직류의 전압 레벨을 조정할 수 있다.

또한, 전력제어부(140)는 충방전제어부(135)를 감시하여 이차전지부(120)가 만 충전된 것으로 검출하면 연료전지부(110)를 제어하여 발전을 중단하도록 하는 동시에 충방전제어부(135)를 제어하여 충전이 중단되도록 제어한다.

이와 같은 이차전지부(120)의 충전은 계통전원부(100)가 비정상적으로 동작하여 절체된 연료전지부(110)가 발전한 직류를 부하부(150)에 출력하는 경우에도, 잉여 전력을 이용하여 충전이 진행될 수 있는 것은 매우 당연하다.

전력제어부(140)는 교직변환부(131)와 직교인버터(138)를 감시하여 계통전원부(100)로부터 정상적인 전압의 전원이 출력되지 않는 것으로 판단하면, 부하부(150)에서 필요로 하는 전력용량을 분석하고 하이브리드로 연결된 이차전지부(120)의 충전용량과 비교한다.

전력제어부(140)에 의하여 부하부(150)에서 필요로 하는 전력의 용량이 이차전지부(120)에서 충전하고 출력할 수 있는 전력의 용량과 같거나 작은 경우는, 충방전제어부(135)를 제어하여 이차전지부(120)를 방전모드로 운영되도록 제어하고 감시한다.

충방전제어부(135)는 방전모드로 운영되는 경우, 이차전지부(120)로부터 24 볼트의 직류를 인가받고 직류를 직류로 변환(DC to DC converting)하여 일례로 약 310 볼트의 직류로 변환한다.

이러한 310 볼트의 직류는 제 2 경로(134)를 통하여 릴레이부(136)에 공급한다.

릴레이부(136)는 전류가 일 방향으로 흐르도록 역전압을 차단하는 다이오드(136A)와 일정한 레벨의 전류가 흐르는 경우에 전력손실 없는 경로를 제공하는 릴레이(136B)를 포함하는 구성이다.

다이오드(136A)는 낮은 레벨의 전류 또는 초기 전류가 흐르는 경우에 적합하고 역전압을 차단하지만, 내부 저항에 의하여 약 10 %의 전력손실이 발생한다. 한편, 릴레이(136B)는 일정한 레벨 이상의 전류가 흐르는 경우에만 온(on) 동작하여 경로(pass)를 설정하므로 전류를 손실 없이 흐르게 한다.

즉, 릴레이부(136)는 이차전지부(120)로부터 제 2 경로(134)를 통하여 초기에 인가되는 낮은 레벨의 전류는 약 10 %의 전력 손실이 있으나 다이오드(136A)를 통하여 부스터부(137)에 신속하게 전달하고, 시간이 지날수록 많은 양의 전류가 흐르게 되면 릴레이(136B)를 온(on) 상태로 동작시켜 손실 없이 전류를 부스터부(137)에 전달한다.

그러므로 본 발명은 전력제어부(140)로부터 인가되는 절체명령의 제어신호에 의하여 이차전지부(120)의 24 볼트 직류가 충방전제어부(135)에 의하여 약 310 볼트의 직류로 상향 변환되고 릴레이부(136)에 의하여 무순단으로 부스터부(137)에 공급된다.

따라서 절체된 예비전원은 직교인버터부(138)를 통하여 부하부(150)에 무순단으로 공급하는 장점이 있다.

부스터부(137)는 충방전제어부(135)로부터 인가된 약 310 볼트 직류의 전력(power)을 설정된 소정 레벨로 증폭하여 직교인버터(138)에 인가하고, 직교인버터(138)는 310 볼트의 직류(DC)를 220 볼트의 교류(AC)로 변환하여 부하부(150)에 무순단으로 신속하게 출력한다.

여기서 교직변환부(131)가 변환하여 출력하는 직류의 레벨은 320 볼트이고, 충방전제어부(135)가 변환하여 출력하는 직류의 레벨이 310 볼트인 것은, 계통전원부(100)가 정상적으로 동작하는 경우에 계통전원부(100)의 전원을 우선적으로 공급하기 위함이며 이하의 설명에서 동일하다.

한편, 전력제어부(140)에 의하여 부하부(150)에서 필요로 하는 전력용량을 분석하고, 이차전지부(120)에서 공급할 수 있는 전력용량보다 큰 것으로 판단되면, 1 차로 이차전지부(120)가 공급할 수 있는 최대의 전력을 무순단으로 부하부(150)에 공급한다.

이차전지부(120)가 부하부(150)에 무순단으로 전력을 공급하는 과정은 이미 설명되었으므로 반복 설명을 생략하기로 한다.

이때, 전력제어부(140)는 부하부(150)에서 필요로 하는 전력의 용량을 분석하여 설정된 소정의 피크 용량을 초과하는지 여부를 확인한다.

부하부(150)에서 필요로 하는 전력용량이 설정된 소정의 피크용량을 초과하는 경우 연료전지부(110)를 해당 운용 순서에 의하여 최적의 상태로 최대 용량의 직류를 발전하는 상태가 되도록 순차적으로 제어하고, 직직컨버터(132)와 충방전제어부(135)를 제어하여 연료전지부(110)가 발전한 직류와 이차전지부(120)가 충전한 전류를 동시에 출력하도록 제어 및 감시한다.

연료전지부(110)를 급속하게 제어하여 필요로 하는 전력용량을 발전하도록 할 수 있으나, 이러한 경우는 연료전지부(110)의 수명이 단축되고 반복 사용하는 경우에 그 성능이 점차 나빠지게 된다.

그러나 본 발명에서는 최적의 상태로 최대의 용량을 발전하도록 순차 제어하므로 연료전지부의 수명을 늘리고 성능을 최적의 상태로 유지하는 장점이 있다.

즉, 부하부(150)에서 필요로 하는 전력 용량을 모두 공급하기 위하여 연료전지부(110)가 최대의 직류를 발전하도록 제어하고 모자라는 전력의 용량 부분을 이차전지부(120)가 출력하도록 제어한다.

한편, 전력제어부(140)의 분석에 의하여 부하부(150)에서 필요로 하는 전력의 용량이 설정된 소정의 피크 용량을 초과하지 않는 것으로 판단되면, 연료전지부가 순서에 의하여 최적의 상태로 최대의 전기를 발전하는 상태로 제어한다.

그리고 직직컨버터(132)와 충방전제어부(135)를 제어하여 연료전지부(110)가 순차적으로 발전한 직류를 우선적으로 출력하고 부하부(150)가 필요로 하는 전력용량을 충분히 만족하는 상태에서 이차전지부(120)는 직류의 전력용량을 상대적이고 순차적으로 줄인 상태로 출력하도록 제어 및 감시한다.

여기서도 연료전지부(110)가 최적의 상태로 최대의 용량을 발전하도록 순차 제어하므로 연료전지부(110)의 수명을 늘리고 성능을 최적의 상태로 유지하도록 하는 장점이 있다.

이러한 구성의 본 발명은 계통전원부(100)가 정상적으로 동작전원을 공급하지 못하고 비정상적으로 동작전원을 공급하는 경우, 전력제어부(140)의 명령에 의한 제어신호에 의하여 이차전지부(120)의 전원을 릴레이부(136)가 무순단으로 공급하고, 연료전지부(110)를 최적 및 최상의 상태로 순차 제어하여 발전한 직류 전원을 부하부(150)에 공급한다.

따라서 연료전지부(110)는 급격하게 발전하지 않으므로 수명이 연장되고, 장기간 사용에 의하여 성능이 저하되지 않는 장점이 있다.

또한, 절체에 의하여 축전지 또는 이차전지부(120)에 의한 예비전원을 무순단으로 신속하게 부하부(150)에 출력하므로 정밀한 전자장치에 데이터 오류 등의 장애가 발생하지 않는 장점이 있다.

도 4 는 본 발명의 일 실시 예로 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템의 제어방법에 의한 순서도 이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면, 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템을 구성하는 전력제어부는 변환부를 감시하므로 이차전지의 충전전압이 최대 운용시간 및 최적 운용 상태를 확보하기 충분한 용량으로 설정한 전압 값인지의 여부를 확인한다(S200).

전력제어부에 의하여 이차전지부의 충전전압이 설정된 해당 전압값 이하인 것으로 확인되면 연료전지부를 제어하여 연료를 공급하므로 발전상태로 운용하고(S210), 변환부를 제어하여 연료전지부가 발전한 직류로 이차전지부를 충전(S220)하고 충전단계의 시작과정으로 궤환(feedback)한다.

한편, 전력제어부에 의하여 이차전지부의 충전전압이 해당 설정값 이상으로 충분하게 충전되어 있는 것으로 확인하는 경우, 변환부를 구성하는 교직변환부와 직교인버터를 감시하여 계통전원부가 교류를 안정적이며 정상적인 레벨로 출력하는지를 확인한다(S230).

전력제어부에 의하여 계통전원부가 정상적인 전원을 출력하지 않는 것으로 확인하면, 감시 상태의 변환부에 접속한 부하부의 필요한 전력용량을 확인하고 이차전지부의 출력 가능한 전력용량과 비교하여 이차전지부가 공급할 수 있는 전력용량과 같거나 작은지의 여부를 확인한다(S240).

전력제어부의 확인에 의하여 부하부에서 필요로 하는 전력용량이 이차전지부가 출력할 수 있는 용량과 같거나 작은 경우에는, 변환부를 제어하여 이차전지부를 방전 상태로 제어하고, 설정된 소정 시간 동안 무순단으로 방전하여 부하부에 공급(S290, S300)하고 감시단계로 궤환한다.

여기서 설정된 소정 시간 동안 이차전지부를 방전 상태로 제어하는 것은, 이차전지부가 완전 방전 상태가 되어 전기적 및 화학적으로 파괴되어 재사용이 불가능한 상태가 되지 않도록 보호하기 위한 것이다.

한편, 전력제어부의 확인에 의하여 이차전지부가 출력할 수 있는 용량이 부하부에서 필요로 하는 전력용량보다 작은 경우에는 변환부를 제어하여 이차전지부를 방전상태로 제어하므로 이차전지부의 전력을 1 차 무순단으로 출력하여 부하부에 공급한다(S250).

전력제어부는 변환부를 통하여 검출된 부하부에서의 필요한 전력용량이 설정된 소정의 피크 전력용량을 초과하는지의 여부를 분석한다(S260).

여기서 피크 전력용량은 연료전지부가 최대로 출력할 수 있는 전력용량의 값으로 결정하는 것이 바람직하다.

전력제어부에 의하여 부하부에서 필요로 하는 전력용량이 피크용량을 초과하는 것으로 확인하는 경우 연료전지부를 정상적인 운용 상태로 제어하여 직류 전기를 발전하게 하고, 무순단으로 1 차 출력된 이차전지부의 전력과 함께 동시 출력한다(S270).

즉, 절체된 초기에 이차전지부의 전력을 무순단으로 1 차 출력하고 연료전지부에 의하여 순차적으로 발전된 전력을 이차전지부의 전력과 함께 동시 출력하므로 부하부에서 필요로 하는 피크용량의 전력을 공급한다.

또한, 전력제어부에 의하여 부하부에서 필요로 하는 전력용량이 피크용량을 초과하지 않는 경우는 연료전지부를 정상적인 운용 상태로 제어하여 직류 전기를 발전하게 하고, 무순단으로 1 차 출력된 이차전지부의 전력에 우선하여 출력하도록 한다(S280).

즉, 초기에는 1 차로 이차전지부의 전력을 무순단으로 신속하게 공급하고 연료전지부에 의하여 순차적으로 발전된 전력을 이차전지부의 전력에 우선적으로 출력하므로 부하부에서 필요로 하는 전력을 순차적으로 연료전지부가 모두 공급하도록 한다.

도 5 는 본 발명의 일 실시 예로 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템에서 부하부가 요구하는 전력을 공급하는 상태의 설명도 이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면, 부하에서 필요로 하는 요구 전력 용량이 연료전지부가 출력할 수 있는 전력용량의 범위(C1), 연료전지부가 출력할 수 있는 전력용량 이상의 범위(C2) 및 연료전지부와 이차전지부가 출력할 수 있는 전력용량을 모두 합한 범위(C3)로 구분할 수 있다.

여기에서의 피크 용량은 연료전지와 이차전지가 출력할 수 있는 전력용량을 합한 값으로 설명한다.

첨부된 도면의 왼쪽에 도시된 것과 같이, 부하에서 요구하는 전력 용량이 연료전지부가 출력하는 전력용량의 범위 이내이면(C1), 이차전지부(Ni-MH)의 전력을 무순단으로 신속하게 먼저 출력하고, 연료가 공급되어 순차적으로 발전된 연료전지부의 직류를 출력하면서 이차전지부가 출력하는 전력을 순차적으로 줄이므로 이차전지를 보호한다.

이때, 연료전지부의 잉여 발전용량으로 이차전지부를 충전하는 것이 바람직하다.

첨부된 도면의 가운데 도시된 것은, 부하에서 요구하는 전력 용량이 연료전지부가 최대로 출력하는 전력용량의 범위를 초과하면(C2), 이차전지부(Ni-MH)의 전력을 무순단으로 신속하게 먼저 출력하고, 연료가 공급되어 순차적으로 발전된 연료전지부의 직류를 출력하면서 부하부에서 필요로 하는 전력용량이 될 때까지 이차전지부가 출력하는 전력을 순차적으로 줄인다.

즉, 이차전지부의 전력을 무순단으로 1 차 공급하고 연료전지부를 발전상태로 제어하여 부하부에서 필요로 하는 전력을 모두 공급하고 모자라는 부분만을 이차전지부가 공급하도록 한다.

첨부된 도면의 오른쪽에 도시된 것은, 부하부에서 필요로 하는 전력 용량이 연료전지부와 이차전지부가 출력할 수 있는 전력용량을 모두 합한 범위(C3)이면, 이차전지부(Ni-MH)의 전력을 무순단으로 신속하게 먼저 출력하고, 연료를 공급받아 발전하는 연료전지부의 직류를 함께 출력하여 부하부에서 필요로 하는 피크 전력용량을 공급한다.

도 6 은 본 발명의 일 실시 예로 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템의 연료전지부가 발전된 전력을 출력하는 패턴 설명도 이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면, 연료전지에 연료가 공급되어 정상적인 상태로 발전하여 전압이 순차적으로 상승하는 패턴(B1)과 최대 출력 전력이 유지되는 패턴이 도시되어 있다(B2).

여기서 연료전지는 공급된 연료로부터 수소(H)를 분리하고 산소(O)와 결합하는 수소 연소의 화학적 반응에 의하여 직류 전기를 생산 또는 발전하는 방식이므로, 순간적으로 필요로 하는 용량의 전기를 모두 발전하지 못하고, 화학반응에 소요되는 소정의 시간이 경과하면서 순차적(단계적)으로 발전용량이 증가하는 특성이 있다.

또한, 연료전지부가 대기(standby) 상태로 운용되는 경우에 발전되어 출력되는 전력의 패턴(휴지 출력 패턴)이 도시되어 있다(B3).

그리고 부하부가 전력을 필요로 하거나 또는 이차전지부를 충전할 필요가 있을 경우의 재출력 패턴(B4)이 도시되어 있다.

한편, 부하부가 필요로 하는 전력이 낮게 변경된 경우 또는 이차전지부를 충전하는 상태에서 만충전되어 미세충전으로 변경된 경우 등에 출력 레벨이 조정되는 부하출력 대응 패턴(B5)이 도시되어 있다.

본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 연료전지부와 이차전지부를 모두 구비한 하이브리드형 무정전 전원 시스템은 계통전원이 비정상적으로 공급되는 절체의 경우, 이차전지부의 전원을 무순단에 의하여 순간적인 끊임없이 연속상태로 공급하고, 연료전지부를 제어하여 발전된 전원을 안정적으로 공급하는 장점이 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

100 : 계통전원부 110 : 연료전지부
120 : 이차전지부 130 : 변환부
131 : 교직변환부 132 : 직직컨버터
133 : 제 1 경로 134 : 제 2 경로
135 : 충방전제어부 136 : 릴레이부
136A : 다이오드 136B : 릴레이
137 : 부스터부 138 : 직교인버터
140 : 전력제어부 150 : 부하부

Claims

상용의 교류 전기를 공급하는 계통전원부;
해당 제어신호에 의하여 연료를 소모하고 소정 용량의 직류 전기를 발전하여 출력하는 연료전지부;
상기 연료전지부의 직류 전기를 해당 제어신호에 의하여 공급받아 충전하고 충전된 직류 전기는 방전으로 출력하는 이차전지부;
상기 계통전원부의 교류 전기를 직류로 변환하고, 제어신호에 의하여 상기 연료전지부의 직류 전기 레벨을 높인 상태에서 전력을 증폭하며, 상기 이차전지부의 충전과 방전을 제어하고, 직류를 교류로 변환하여 출력하는 변환부; 및
상기 계통전원부가 교류를 비정상적으로 공급하면 절체명령의 제어신호에 의하여 상기 이차전지부의 직류를 초기에 출력하고 상기 연료전지부를 동작시켜 발전된 직류가 순차적으로 출력되도록 상기 연료전지부와 변환부를 제어하고 감시하는 전력제어부; 를 포함하여 이루어지는 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 변환부가 출력하는 교류에 의하여 동작하는 부하부; 를 더 포함하여 이루어지는 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 계통전원부는 220 볼트의 교류를 공급하고,
상기 연료전지부는 28 내지 40 볼트 중에서 선택된 어느 하나의 전압에 의한 직류를 발전하며,
상기 이차전지는 니켈 수소 축전지이고 직류 24 볼트를 충전 및 출력하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 변환부는,
상기 계통전원부의 교류를 입력하고 직류로 변환하여 출력하는 교직변환부;
상기 연료전지부의 직류를 입력하고 높은 레벨의 직류로 상향 변환하는 직직컨버터;
상기 연료전지부의 직류를 제 1 경로를 통하여 상기 이차전지부에 충전하고 상기 이차전지부의 직류를 제 2 경로를 통하여 방전하는 충방전제어부;
상기 제 2 경로에 접속하고 역전압을 차단하며 손실 없이 전송하는 릴레이부;
상기 직직컨버터부와 릴레이부로부터 각각 인가되는 직류의 전력을 증폭하여 출력하는 부스터부; 및
상기 교직변환부와 부스터부로부터 각각 인가되는 직류를 교류로 변환하여 출력하는 직교인버터; 를 포함하여 이루어지는 구성을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 교직변환부, 직직컨버터, 충방전제어부, 직교인버터는 전력제어부의 감시와 제어에 의하여 구동되는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 전력제어부는,
상기 교직변환부와 직교인버터를 감시하고 계통전원이 비정상적으로 출력되면 상기 충방전제어부를 제어하여 이차전지부의 직류를 제 2 경로로 방전하며 연료전지부를 제어하여 발전한 직류가 상기 직직컨버터에서 상향 변환되어 출력되도록 제어하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템.
제 6 항에 있어서, 상기 전력제어부는,
상기 이차전지부의 용량이 부하부에서 필요로 하는 전력용량보다 크거나 같으면 설정된 소정 시간 동안 이차전지부를 방전 상태로 유지하도록 제어하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템.
제 7 항에 있어서, 상기 전력제어부는,
상기 이차전지부의 용량이 부하부에서 필요로 하는 전력용량보다 작으면 이차전지부를 방전상태로 제어하여 1 차로 상기 부하부에 출력하고 상기 부하부의 필요 전력용량이 설정된 피크용량을 초과하는지 확인하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템.
제 8 항에 있어서, 상기 전력제어부는,
상기 부하부의 용량이 상기 피크용량을 초과하면 연료전지부를 발전상태로 제어하여 발전된 직류를 이차전지부의 직류와 함께 출력하고, 상기 피크용량을 초과하지 않으면 연료전지부를 발전상태로 제어하여 발전된 직류를 이차전지부의 직류에 우선하여 순차 출력되도록 제어하고 감시하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템.
제 6 항에 있어서, 상기 전력제어부는,
상기 충방전제어부를 감시하여 상기 이차전지부를 충전할 필요가 있으면 상기 연료전지부를 발전상태로 제어하고 제 1 경로로 공급하여 상기 이차전지부를 충전하도록 제어와 감시하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템.
제 4 항에 있어서, 상기 릴레이부는,
상기 충방전제어부로부터 출력된 전류가 상기 제 2 경로를 통하여 상기 부스터부의 일 방향으로 흐르도록 하는 다이오드; 및
상기 제 2 경로로 흐르는 전류에 의하여 전력손실이 없는 우회경로를 연결하는 릴레이부; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템.
연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템의 전력제어부에 의하여 이차전지부의 충전전압을 감시하고 해당 설정값보다 작으면 연료전지부를 발전상태로 제어하여 이차전지부를 충전하는 충전단계;
상기 이차전지부의 충전전압이 상기 설정값보다 크면 교직변환부와 직교인버터를 감시하여 정상전압이 출력되면 상기 충전단계로 궤환하는 감시단계;
상기 정상전압이 출력되지 않으면 부하부의 필요 전력용량을 확인하고 이차전지부의 충전용량과 비교하여 큰 경우에 이차전지부를 방전 상태로 제어하고 무순단에 의하여 1 차로 출력하는 방전단계; 및
상기 부하부의 필요 전력용량이 피크용량을 초과하면 발전상태로 제어된 연료전지부의 전력을 이차전지부의 전력과 함께 출력하며, 피크용량을 초과하지 않으면 발전상태로 제어된 연료전지부의 전력을 순차적으로 우선 출력하고 이차전지부의 출력 전력은 순차적으로 줄이는 발전단계; 를 포함하여 이루어지는 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템의 제어방법.
제 12 항에 있어서,
상기 방전단계에서 상기 전력제어부에 의하여 상기 부하부의 필요 전력용량이 상기 이차전지부의 충전용량과 비교하여 같거나 작은 경우는 이차전지부를 설정된 시간 동안 방전 상태로 제어하는 이차전지 단계; 를 더 포함하여 이루어지는 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템의 제어방법.