KR20130074617A - 연료전지 비상전원 공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 비상전원 공급장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 비상전원 공급장치의 비상발전모드(비상모드) 운전 시 부하 소모 전력 변동에 따라 연료전지 출력량을 유동적으로 변경 가능하도록 하는 기술이다.
본 발명에 따른 연료전지 비상전원 공급장치는 연료공급기, 연료전지스택, 전력변환기를 포함하는 연료전지 비상전원 공급장치에 있어서, 상기 전력변환기의 출력단에 연결되어, 비상발전모드 시에 상기 연료공급기의 제어신호에 의해 제어되어 연료전지 스택으로부터의 출력중 일부를 분기시켜 소비하는 부하일정화수단을 포함하되, 상기 연료공급기는, 부하소모전력의 변동에 따라 연료전지 출력유지값을 변동시키는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 비상전원 공급장치{Emergency power supply apparatus using fuel cell}

본 발명은 연료전지 비상전원 공급장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 비상전원 공급장치의 비상발전모드(비상모드) 운전 시 부하 소모 전력 변동에 따라 연료전지 출력량을 유동적으로 변경 가능하도록 하는 기술이다.

화석 연료가 고갈되어가고 지구 온난화가 현실적인 문제로 대두되면서 지속적이고 친환경적인 에너지공급원에 대한 필요성이 높아지고 있다. 지금까지 개발되고 있는 대표적인 신재생 에너지원으로는, 무한한 태양 에너지를 이용한 태양광 발전, 바람을 동력으로 이용하는 풍력 발전, 그리고 수소와 산소의 화학반응으로 전기와 열을 생산하는 연료전지 등이 있다. 연료전지를 이용한 발전은 환경에 친화적이면서 태양광 발전이나 풍력 발전과 비교해 환경조건에 구애받지 않고 지속적인 전력생산이 가능한 장점이 있다. 연료전지가 가지고 있는 이러한 장점은 계통에 문제가 발생하거나 상용전원을 통해 전력 공급이 어려운 경우 UPS(Uninterruptible Power Supply)나 디젤 비상발전기를 이용하여 중요한 부하에 전력을 공급하는 비상 전원 공급장치에도 활용할 수 있다는 것이다.

특히, 용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)를 이용한 대용량 발전시스템이 상용발전에 사용되고 있으며, 대부분이 계통에 연계되어 운전되고 있다.

도 1은 연료전지 발전시스템이 계통에 연계하여 운전되는 정상발전모드 경우와, 분리 운전되는 경우(비상발전 운전)의 출력 전력을 나타내는 그래프이다. 출력전력 도메인에서 실선은 부하변동 곡선을 나타내고, 점선은 연료공급기 내의 제어부(미도시)에서 보내온 연료전지 정출력 지령값(refrence)을 나타낸다.

도 1에서 보는 것과 같이 연료전지 발전 시스템은 계통에 연계하여 운전할 때(정상발전 운전)에는 출력이 일정하다. 하지만 계통과 분리되어 독립적으로 운전할 때에는(비상발전 운전) 부하의 소모전력의 변동이 발생함에 따라 부하의 소모전력 변동(보상전력)만큼 부하일정화수단이 보상하여야만 했다.

그런데, 종래에는 비상발전모드 운전 시 부하의 소모전력과 상관없이 연료전지 출력량을 일정하게 유지하도록 되어 있어, 연료전지 발전 시스템의 비상발전모드 시의 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 연료전지 비상공급 전원장치의 비상발전모드(독립운전모드) 운전 시 부하 소모 전력 변동에 따라 연료전지 출력량을 유동적으로 변경 가능하도록 하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 비상전원 공급장치는 연료공급기, 연료전지스택, 전력변환기를 포함하는 연료전지 비상전원 공급장치에 있어서, 상기 전력변환기의 출력단에 연결되어, 비상발전모드 시에 상기 연료공급기의 제어신호에 의해 제어되어 연료전지 스택으로부터의 출력중 일부를 분기시켜 소비하는 부하일정화수단을 포함하되, 상기 연료공급기는, 부하소모전력의 변동에 따라 연료전지 출력유지값을 변동시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연료공급기는 상기 비상발전모드 시에 부하소모전력의 변동을 확인하고, 상기 부하소모전력의 변동이 확인되면 상기 연료전지 출력유지값과 상기 부하소모전력의 편차를 산출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연료공급기는, 상기 부하소모전력이 미리 정한 제 1 설정값 미만이면 무시하고, 상기 부하소모전력이 미리 정한 제 2 설정값 이상이면 에러처리하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연료공급기는, 상기 연료전지 출력유지값과 부하소모전력의 편차를 산출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연료공급기는, 상기 연료전지 출력유지값과 부하소모전력의 편차가 미리 정한 기준값과 동일한지를 판단하여, 동일한 경우 상기 연료전지 출력유지값을 유지시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연료공급기는, 상기 연료전지 출력유지값과 부하소모전력의 편차가 미리 정한 기준값보다 큰 경우, 상기 연료전지 출력유지값을 감소시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연료공급기는, 상기 연료전지 출력유지값과 부하소모전력의 편차가 미리 정한 기준값보다 작은 경우, 상기 연료전지 출력유지값을 증가시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 연료전지 발전시스템이 가지고 있는 낮은 부하 추종 성능을 개선하여 비상전원 공급장치의 전력공급 신뢰성과 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 부하 소모 전력량에 대응하여 연료전지 출력량 변경이 가능하도록 함으로써 안정적으로 연료전지 출력량을 향상시켜 비상발전모드 운전시의 효율을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 연료 전지 발전시스템의 운전상황에 따른 연료 전지 출력 전력 그래프,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 비상전원 공급장치의 개념을 설명하기 위한 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 비상전원 공급장치의 제어방법을 설명하기 위한 순서도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 비상전원 공급장치의 비상발전모드 시의 효율 개선을 설명하기 위한 그래프이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 비상전원 공급장치의 개념을 설명하기 위한 구성도이다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 비상전원 공급장치는 연료공급기(MBOP;mechanical balance of plant; 10), 연료전지스택(20)(fuel cell stack), 전력변환기(EBOP;electrical balance of plant;30), 차단기(40), 부하일정화수단((Load leveler;60), 및 부하부(70)를 포함한다.

연료공급기(10)는 공기와 연료를 공급받아 공기로부터 산소를 생성하고 연료로부터 수소를 생성하여 연료전지스택(20)으로 공급한다. 또한, 연료공급기(10)는 제어부(11)를 구비하고, 제어부(11)는 연료전지 출력유지값을 결정하여 부하일정화수단(60)을 제어한다. 여기서, 연료전지 출력유지값은 연료전지 비상전원 공급장치가 출력하는 일정한 연료전지의 출력값을 의미한다. 제어부(11)는 비상발전모드 운전 시 부하부(70)의 부하소모전력이 미리 설정된 값 범위내에 속하는지를 판단하여 속하는 경우 연료전지 출력 유지값과 부하소모전력간의 편차를 산출한다. 제어부(11)는 산출한 편차가 미리 정한 기준값과 동일한지를 판단하여, 동일하면 연료전지 출력 유지값을 유지하고, 편차가 기준값보다 크면 연료전지 출력유지값을 증가시키며, 편차가 기준값보다 작으면 연료전지 출력유지값을 감소시킨다. 여기서, 기준값은 부하일정화수단(60)이 소비하는 소모전력에 대한 기준값으로, 전력사용패턴에 따라 미리 정해진다. 이때, 연료전지 출력유지값은 부하소모전력값과 부하일정화수단(60)의 소모전력값의 합이 된다.

연료전지스택(20)은 연료공급기(10)로부터 공급받은 산소화 수소의 전기화학적 반응을 통해 직류전기(DC)를 생성한다.

전력변환기(30)는 직류 전기(DC)를 변환하여 최종적으로 이용가능한 교류전기(AC)를 출력한다. 이때, 전력변환기(30)는 연료전지스택(20)에서 생산된 직류전원을 한전과 같은 계통전원에 연결하는 전력변환 시스템으로서, 계통전원(50)과 연계되어 운전하는 정상발전모드(연계운전모드), 비상 시 등 계통전원에 분리되어 독립적으로 전력을 공급하는 비상발전모드(독립운전모드)로 동작한다.

차단기(40)는 교류전원(AC)과 계통전원(50) 사이에 구비되어 계통에 공급되는 전원을 선택적으로 전환하게 된다.

부하일정화수단(60)은 제어부(11)로부터 전달받은 연료전지 출력유지값에 따라 부하일정화수단(60)의 전력변환기(30)로부터 분기되는 교류전류를 소비하여, 연료전지 출력유지값에 해당하는 연료전지 출력값이 출력되도록 한다.

부하부(70)는 전력을 소모하는 모든 장치들을 포함하며 특히 본 발명에서는 비상시에도 전력이 꼭 필요한 거리의 신호등, 전등 등의 비상부하(중요부하)를 의미한다.

이와같이, 본 발명은 연료공급기(10)의 제어부(11)에 의해 부하소모전력의 변동을 감지하고 부하소모전력의 변동에 따라 연료전지 출력유지값을 변동하여 제공하도록 한다.

이하, 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 비상공급 전원장치의 동작을 설명하기로 한다.

먼저, 연료전지 비상공급 전원장치가 비상발전모드(독립운전모드)로 운전을 시작하면, 연료공급기(10)의 제어부(11)는 부하일정화수단(60)으로 연료전지 출력 유지값을 전송한다(S101). 이때, 연료전지 출력 유지값은 연료전지 비상공급 전원장치가 출력해야되는 일정한 연료전지 출력값을 의미한다.

그 후, 제어부(11)는 부하소모전력이 제 1 설정값과 제 2 설정값 사이 범위인지를 판단하여(S102), 제 1 설정값 미만이면 무시하고 제 2 설정값 이상이면 에러처리한다(S103). 즉, 부하소모전력이 너무 작으면 무시하고 부하소모전력이 연료전지 출력유지값보다 크면 에러처리를 한다.

한편, 부하소모전력이 제 1 설정값과 제 2 설정값 사이이면, 제어부(11)는 연료전지 출력유지값과 부하소모전력의 편차를 산출하고(S104), 편차를 기준값과 비교한다(S105).

이에, 제어부(11)는 편차가 기준값과 동일하면 기존의 연료전지 출력유지값을 그대로 유지하고(S107), 편차가 기준값보다 작으면 연료전지 출력 유지값을 증가시키고(S106), 편차가 기준값보다 크면 연료전지 출력 유지값을 감소시킨다(S108).

그 후, 제어부(11)는 증가 또는 감소된 연료전지 출력유지값을 부하일정화수단(60)으로 전송하고, 부하일정화수단(60)은 변경된 연료전지 출력유지값에 따라 교류전류를 소비한다.

예를 들어, 비상발전모드에서 초기 연료전지 출력유지값이 60kW이고 부하일정화수단(60)의 소모전력에 대한 기준값이 50kW인 경우 부하부(70)의 부하소모전력이 10kW라고 가정하자. 이때, 연료전지 출력유지값은 부하소모전력값과 부하일정화수단(60)의 소모전력값의 합이 된다.

부하일정화수단(60)은 50kW를 소비하고 부하소모전력은 10kW이므로 출력유지값은 60kW가 된다.

그 후, 부하소모전력이 변동되어 20kW가 되면, 연료전지 출력유지값(60kW)과 부하소모전력(20kW)의 편차가 40kW가 된다.

이때, 제어부(11)는 편차(40kW)가 기준값(50kW)보다 작으므로, 연료전지 출력유지값을 10kW만큼 증가시켜 70kW로 결정하고, 이를 부하일정화수단(60)으로 전송한다.

이와같이, 본 발명에 따른 연료전지 비상전원 공급장치는 도 4와 같이 비상발전모드에서 부하소모전력의 변동에 따라 유동적으로 연료전지 출력유지값을 변동시켜 출력하도록 한다.

따라서, 기존의 미리 정해진 연료전지 출력유지값을 유지하기 위해 부하일정화수단(200)이 소모전력을 많이 소비하지 않고 미리 정한 소모전력(기준값) 만큼만을 소비하도록 함으로써 비상모드 운전시의 효율을 향상시킬 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 연료공급기 20 : 연료전지스택
30 : 전력변환기 40 : 차단기
50 : 계통전원 60 : 부하일정화수단
70 : 부하부

Claims (7)

1. 연료공급기, 연료전지스택, 전력변환기를 포함하는 연료전지 비상전원 공급장치에 있어서,
   상기 전력변환기의 출력단에 연결되어, 비상발전모드 시에 상기 연료공급기의 제어신호에 의해 제어되어 연료전지 스택으로부터의 출력중 일부를 분기시켜 소비하는 부하일정화수단을 포함하되,
   상기 연료공급기는,
   부하소모전력의 변동에 따라 연료전지 출력유지값을 변동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 비상전원 공급장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 연료공급기는
   상기 비상발전모드 시에 부하소모전력의 변동을 확인하고,
   상기 부하소모전력의 변동이 확인되면 상기 연료전지 출력유지값과 상기 부하소모전력의 편차를 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 비상전원 공급장치.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 연료공급기는,
   상기 부하소모전력이 미리 정한 제 1 설정값 미만이면 무시하고, 상기 부하소모전력이 미리 정한 제 2 설정값 이상이면 에러처리하는 것을 특징으로 하는 연료전지 비상전원 공급장치.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 연료공급기는,
   상기 연료전지 출력유지값과 부하소모전력의 편차를 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 비상전원 공급장치.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 연료공급기는,
   상기 연료전지 출력유지값과 부하소모전력의 편차가 미리 정한 기준값과 동일한지를 판단하여, 동일한 경우 상기 연료전지 출력유지값을 유지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 비상전원 공급장치.
6. 제 4항에 있어서,
   상기 연료공급기는,
   상기 연료전지 출력유지값과 부하소모전력의 편차가 미리 정한 기준값보다 큰 경우, 상기 연료전지 출력유지값을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 비상전원 공급장치.
7. 제 4항에 있어서,
   상기 연료공급기는,
   상기 연료전지 출력유지값과 부하소모전력의 편차가 미리 정한 기준값보다 작은 경우, 상기 연료전지 출력유지값을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 비상전원 공급장치.

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