KR20130088986A - 전지를 이용한 전원 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료를 소모하여 전력을 생산하는 전원 시스템; 및 그리드와 상기 전원 시스템 사이에 연결되어, 상기 전원 시스템에서 생산된 전력을 충,방전하는 배터리 시스템;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치를 개시한다.

Description

전지를 이용한 전원 장치{POWER APPARATUS USING CELL}
본 발명은 전원 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 그리드(Grid)에 연결되어 전력 공급을 수행하는 전원 장치에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목을 받고 있다.
연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.
연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly:MEA)로서, 이는 전해질막과, 전해질막 양면에 적층되고 전해질막과 대향되는 표면에 촉매층이 코팅된 연료극(음극) 및 공기극(양극)으로 구성된다. 연료극에서는 표면에 코팅된 촉매층에서 연료의 산화 반응이 일어나 수소 이온 및 전자가 발생하고, 수소 이온은 전해질 막을 통해 공기극으로 이동한다. 그리고 공기극에서는 표면에 코팅된 촉매층에서 산소(산화제)와 전해질막을 통해 전달된 수소 이온과 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하면서 전류가 발생된다.
연료전지를 적용한 전원 시스템에 관한 특허문헌으로는 예컨대, 일본공개특허공보 제2011-192419호, 한국공개특허공보 제2009-10727호, 한국공개특허공보 제2011-18222호가 있다.
일본공개특허공보 제2011-192419호는 가정용의 연료전지 시스템의 진단을 행함에 있어, 연료전지에서 꺼낸 전류를 잉여 전력히터에서 소비하도록 하고 연료전지의 출력전압의 변화를 측정하는 것에 의해 연료전지의 임피던스를 산출하는 연료전지 진단방법을 개시하고 있다.
대한민국 공개특허공보 제2009-10727호는 연료전지 전원관리 시스템(FMS; fuel cell power management system)에 관한 것으로서, 연료전지에 대한 측정치가 정해진 사양과 다를 때에 보조배터리를 통해 DC/DC 컨버터를 구동하고, 냉각팬이나 펌프를 구동하여 연료전지를 최상의 상태로 유지하는 구성을 개시하고 있다.
한국공개특허공보 제2011-18222호는 연료전지 스택 내부의 온도 편차를 최소화하여 내부의 수분응축을 방지하여 운전의 안정성을 향상시키는 연료전지 스택 및 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 셀들 사이에 흡입유로 및 배출유로를 마련하고, 공기의 유입 및 배출을 위한 송풍부를 구비한 연료전지 스택을 개시하고 있다.
한편, 종래의 연료전지 전원 시스템을 가정용 전원에 적용하는 경우에는 부하추종을 위해 전지의 출력을 최대치로 고정하여 사용하는데, 이로 인해 시스템의 크기와 용량이 과도하게 커지는 문제가 있다.
또한, 가정용 연료전지 전원 시스템은 천연가스(NG)를 연료로 사용하기 때문에 정전시에는 가스공급이 차단되어 무정전 전원장치(UPS)의 기능을 제공할 수 없는 취약점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 소비자의 전력 사용 패턴에 부합하는 전력 공급을 수행할 수 있으며, 정전시에도 전원공급을 수행할 수 있는 구조를 가진 전원 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 옥외에 설치 가능한 구조를 가진 전원 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 연료를 소모하여 전력을 생산하는 전원 시스템; 및 그리드와 상기 전원 시스템 사이에 연결되어, 상기 전원 시스템에서 생산된 전력을 충,방전하는 배터리 시스템;을 포함하는 전원 장치를 제공한다.
상기 배터리 시스템은 복수개의 리튬 이차전지로 이루어진 배터리팩과, 상기 배터리팩의 관리를 위한 BMS를 구비할 수 있다.
상기 전원 시스템은 연료전지 시스템인 것이 바람직하다.
상기 그리드는 가정용 그리드이며, 상기 전원 시스템으로는 가정용 가스를 연료로 사용하는 연료전지 시스템이 채용되는 것이 바람직하다.
바람직하게, 본 발명은 사용자의 전력 소비 패턴에 따라 상기 배터리 시스템의 충,방전을 제어하는 전력제어부를 구비할 수 있다.
상기 전력제어부는 정해진 평균 기저 부하에 비해 전력 소비가 적은 경우 상기 배터리 시스템을 충전 제어하고, 상기 전력 소비가 많은 경우에는 방전 제어를 수행하는 것이 바람직하다.
상기 전원 시스템은 정전력 운전을 수행하는 것이 바람직하다.
상기 전원 시스템에서 발생하는 폐열의 적어도 일부는 상기 배터리 시스템에 공급되는 것이 바람직하다.
상기 전원 시스템은, 상기 폐열을 상기 연료전지 시스템으로 유입시키도록 상기 연료전지 시스템과 대향 또는 연통하는 폐열배출기구를 구비할 수 있다.
또한, 상기 전원 시스템은, 시스템 내부의 열을 대기중으로 배출함으로써 온도 조절 기능을 제공하는 온도조절기구를 구비할 수 있다.
상기 배터리 시스템은, 외부 공기를 상기 배터리 시스템 내부로 유입시키는 온도 보상용 공기흡입기구를 구비할 수 있다.
또한, 상기 배터리 시스템은, 상기 배터리 시스템 내부의 폐열을 외부로 배출하는 방열기구를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 전원 장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 소비자의 전력 사용 패턴을 고려하여 연료전지 시스템의 전력을 가정에 공급할 수 있다.
둘째, 정전 발생시에는 배터리 시스템을 통해 가정에 비상 전원을 공급함으로써 무정전 전원장치의 기능을 수행할 수 있다.
셋째, 부하 추종을 위하여 연료전지를 최대 출력치로 운전할 필요가 없으므로, 전지의 크기와 용량을 줄이는 것이 가능하고 부하 추종시 발생하는 오작동을 방지할 수 있다.
넷째, 연료전지 시스템을 정전력으로 운전함에 따라 전원 장치를 이루는 각종 액츄에이터(Actuator)의 내구성이 향상될 수 있다.
다섯째, 연료전지에서 발생하는 폐열을 배터리 시스템에 공급함에 따라 배터리 시스템의 옥외 설치가 가능하다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전원 장치의 외부 구성도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전원 장치의 블록 다이어그램,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전원 장치에 의해 수행되는 충,방전 제어를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전원 장치의 외부 구성도이며, 도 2는 기능적 구성을 나타낸 블록 다이어그램이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전원 장치는 전원 시스템으로 채용된 연료전지 시스템(100)과, 상기 연료전지 시스템(100)과 가정용 그리드(Grid)(200) 사이에 연결된 배터리 시스템(110)을 포함한다.
연료전지 시스템(100)은 예컨대, 천연가스(NG)로부터 제공되는 수소 연료를 소모하여 전력을 생산하는 발전 시스템이다. 연료전지 시스템(100)은 전기화학반응이 일어나는 단위전지들이 다수 적층된 연료전지 스택을 구비한다. 각각의 단위전지는 막-전극 접합체(MEA)로서, 이는 전해질막과, 전해질막 양면에 적층되고 전해질막과 대향되는 표면에 촉매층이 코팅된 연료극(음극) 및 공기극(양극)으로 구성된다.
연료전지 시스템(100)은 사용자의 전력 소비 패턴을 고려하여 정해지는 평균 기저 부하에 대응하는 일정한 전력을 생산하도록 정전력 모드로 운전된다.
연료전지 시스템(100)에서는 발열반응이 진행되므로 냉각이 필요하다. 이를 위해 연료전지 시스템(100)에는 외부 공기를 내부로 흡입하기 위한 공기흡입기구(103)와, 시스템 내부에서 발생하는 폐열의 적어도 일부를 외부로 배출하기 위한 폐열배출기구(101)와, 시스템 내부의 온도 제어를 위한 온도조절기구(102)를 구비한다.
바람직하게, 공기흡입기구(103), 폐열배출기구(101) 및 온도조절기구(102)는 송풍팬에 의해 구현될 수 있으나, 본 발명이 이러한 예에 한정되지 않음은 물론이다.
폐열배출기구(101)는 연료전지 시스템(100)에서 발생하는 폐열의 일부 또는 전부를 배터리 시스템(110)으로 유입시킨다.
온도조절기구(102)는 연료전지 시스템(100) 주변의 온도가 상대적으로 높은 계절(예컨대, 여름)이나 시간대(예컨대, 낮)에 구동되어 시스템 내부의 열을 대기중으로 배출함으로써 연료전지 시스템(100)의 내부 온도를 조절한다.
배터리 시스템(110)은 연료전지 시스템(100)과 그리드(200) 사이에 연결된다. 배터리 시스템(110)은 연료전지 시스템(100)에서 생산된 전력을 충전하거나, 전력제어부(150)의 제어에 따라 그리드(200)로 전력을 방전한다. 배터리 시스템(110)은 복수개의 리튬 이차전지로 이루어진 배터리팩과, 상기 배터리팩의 관리를 위한 BMS(Battery Management System)를 구비한다.
배터리 시스템(110)은 연료전지 시스템(100)에서 배출되는 폐열이 내부로 유입되도록 그 일부가 연료전지 시스템(100)의 폐열배출기구(101)와 대향하거나 연통된다.
배터리 시스템(110)은 연료전지 시스템(100)의 폐열배출기구(101)로부터 공급되는 폐열에 의해 연료전지 스택의 온도를 적정하게 유지하도록 구성된다. 이에 따라, 배터리 시스템(110)은 저온 환경의 옥외에 설치되더라도 성능 저하가 발생하지 않는다.
연료전지 시스템(100)으로부터 공급된 폐열에 의해 배터리 시스템(110)의 온도가 지나치게 상승하는 것으로 방지하기 위해, 배터리 시스템(110)에는 외부 공기를 시스템 내부로 유입시키는 온도 보상용 공기흡입기구(111)와, 시스템 내부의 폐열을 외부로 배출하는 방열기구(112)가 마련되는 것이 바람직하다. 공기흡입기구(111)와 방열기구(112)는 송풍팬에 의해 구현될 수 있으나, 본 발명이 이러한 예에 한정되지 않음은 물론이다.
전력제어부(150)는 사용자의 전력 소비 패턴에 따라 배터리 시스템(110)의 충,방전을 제어하는 기능을 수행한다. 전력제어부(150)는, 도 3에 도시된 바와 같이 미리 정해진 평균 기저 부하(점선 참조)에 비해 전력 소비가 적은 경우 배터리 시스템(110)을 충전 제어하고, 전력 소비가 많은 경우에는 그리드(200)로의 방전 제어를 수행한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 사용자의 전력 사용 패턴을 고려하여, 연료전지 시스템(100)에서 생산된 전력을 충,방전함으로써 가정용으로 적합한 전원을 제공한다.
본 발명에 있어 연료전지 시스템(100)은 가정에서 소비하는 평균 기저 부하에 대응하는 정전력을 생산하도록 운전된다. 배터리 시스템(110)은 전력 소비 패턴을 고려한 전력 제어에 따라, 연료전지 시스템(100)에서 생산된 전력을 충, 방전하고, 연료전지 시스템(100)에서 발생하는 폐열에 의해 동작온도가 적정하게 유지된다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 연료전지 시스템 101: 폐열배출기구
102: 온도조절기구 103,111: 공기흡입기구
110: 배터리 시스템 112: 방열기구
150: 전력제어부 200: 그리드

Claims (12)

  1. 전원 장치에 있어서,
    연료를 소모하여 전력을 생산하는 전원 시스템; 및
    그리드와 상기 전원 시스템 사이에 연결되어, 상기 전원 시스템에서 생산된 전력을 충,방전하는 배터리 시스템;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 시스템은 복수개의 리튬 이차전지로 이루어진 배터리팩과, 상기 배터리팩의 관리를 위한 BMS를 구비한 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전원 시스템은 연료전지 시스템인 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 그리드는 가정용 그리드이며,
    상기 전원 시스템은 가정용 가스를 연료로 사용하는 연료전지 시스템인 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    사용자의 전력 소비 패턴에 따라 상기 배터리 시스템의 충,방전을 제어하는 전력제어부;를 구비한 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전력제어부는 정해진 평균 기저 부하에 비해 전력 소비가 적은 경우 상기 배터리 시스템을 충전 제어하고, 상기 전력 소비가 많은 경우에는 방전 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전원 시스템은 정전력 운전을 수행하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 전원 시스템에서 발생하는 폐열의 적어도 일부를 상기 배터리 시스템에 공급하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전원 시스템은,
    상기 폐열을 상기 연료전지 시스템으로 유입시키도록 상기 연료전지 시스템과 대향 또는 연통하는 폐열배출기구를 구비한 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전원 시스템은,
    상기 전원 시스템 내부의 온도를 조절하는 온도조절기구를 구비한 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 배터리 시스템은,
    외부 공기를 상기 배터리 시스템 내부로 유입시키는 온도 보상용 공기흡입기구를 구비한 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 배터리 시스템은,
    상기 배터리 시스템 내부의 폐열을 외부로 배출하는 방열기구를 구비한 것을 특징으로 하는 전원 장치.
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