KR20130122434A - Apparatus and method of monitoring performance of sofc system - Google Patents

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KR20130122434A
KR20130122434A KR1020120045760A KR20120045760A KR20130122434A KR 20130122434 A KR20130122434 A KR 20130122434A KR 1020120045760 A KR1020120045760 A KR 1020120045760A KR 20120045760 A KR20120045760 A KR 20120045760A KR 20130122434 A KR20130122434 A KR 20130122434A
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Abstract

Apparatus and method for monitoring performance of a solid oxide fuel cell system is disclosed. The apparatus for monitoring performance of an SOFC system comprises: a controller for producing control signals controlling peripheral devices of a fuel cell according to a preset control pattern; a performance monitoring unit receiving operation data of the peripheral devices and comparing the received operation data with the control pattern; a display unit indicating the control pattern and operation data of the peripheral devices for monitoring; and an input/output interface unit transferring the control signals to the peripheral devices of the fuel cell, and the operation data of the peripheral devices to the performance monitoring unit. The present invention has an effect of monitoring and finally managing the peripheral device system for the SOFC by monitoring all events generated in the peripheral devices based on an H/W platform, by taking charge of the whole process of the system as necessary, and inputting or outputting signals corresponding to the driving state by transferring the control signals about the driving state to the grid system or the driver. [Reference numerals] (10) Controller;(20) Display unit;(30) Performance monitoring unit;(50) Input/output interface unit

Description

고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링하기 위한 장치 및 방법{Apparatus and method of monitoring performance of SOFC system} Apparatus and method of monitoring performance of SOFC system}

본 발명은 고체산화물 연료전지 시스템의 운전 제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 시스템의 정확한 성능 테스트가 가능하고, 고체산화물 연료전지(SOFC)용 계통연계 주변장치 시스템을 최종 관리하고 모니터링하는 운전제어 시스템 H/W 플랫폼 기술에 관한 것이다.The present invention relates to an operation control apparatus for a solid oxide fuel cell system, and more particularly, to accurately test a fuel cell system, and to finally manage and monitor a grid-connected peripheral system for a solid oxide fuel cell (SOFC). Driving control system H / W platform technology.

최근 경제 성장에 따라 개발 도상국 및 중진국의 전력 수요가 급증할 전망이며, OECD 국가는 기존 전력망의 노후화에 따른 설비교체가 필요한 상황이다. 그런데, 중앙 발전 건설시 송배전 시설에 대규모 투자가 필요하므로 발전설비의 분산화가 효율적 측면에서 필요하다. 이러한 관점에서, 중/소 용량 평관형 고체 산화물 연료전지는 가정이나 소규모 발전설비의 주전원으로 활용될 것으로 예상되어 송/배전설비 절감 및 고효율 발전으로 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다. 또한 향후 전력시스템은 전력공급자와 수요자간의 양방향 정보교환을 통해 수요자 즉, 가정의 선택적 전력사용을 가능하게 하는 스마트 그리드(Smart Grid)화가 되어갈 것으로 전망된다. 스마트 그리드 기술이 적용될 수 있는 소규모 발전 설비 중 하나로서 연료전지를 이용한 발전 기술이 널리 연구된다. With the recent economic growth, the demand for electricity in developing and developing countries is expected to surge, and OECD countries need to replace their facilities due to the aging of the existing grid. However, large-scale investment in transmission and distribution facilities is required for the construction of central power plants, so decentralization of power generation facilities is necessary. From this point of view, the medium and small capacity flat tube solid oxide fuel cell is expected to be used as a main power source for home or small-scale power generation facilities, and thus energy saving effect can be achieved by reducing transmission and distribution facilities and high efficiency power generation. In the future, the power system is expected to become a smart grid that enables the selective use of power by consumers, that is, households, through the bi-directional exchange of information between power suppliers and consumers. As one of small-scale power generation facilities to which smart grid technology can be applied, power generation technology using fuel cells is widely studied.

연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 메커니즘을 갖고 있다. 공해물질의 배출이 거의 없어 친환경 기술로 꼽히고 있으며 석유 이외에 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 자원고갈 문제와 차세대 그린 에너지로 주목 받고 있는 테마이다. The fuel cell has a mechanism for directly converting chemical energy generated by oxidation of fuel into electrical energy. It is regarded as an eco-friendly technology because there is almost no emission of pollutants, and because it can use various fuels in addition to petroleum, it is a theme that is attracting attention as a problem of resource depletion and next-generation green energy.

연료전지는 전지내에 사용되는 전해질 종류를 기준으로 고분자 전해질형(Proton Exchange Membrane FC, PEMFC), 직접 메탄올형(Direct-Methanol Fuel Cell, DMFC), 알칼리형(Alchalic Fuel Cell, AFC), 용융탄산염형(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체 산화물형(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)등으로 구분된다. 특히 고체 산화물형 연료전지는 선진국을 중심으로 가정용, 자동차용등으로 연구를 진행하고 있으나 아직 국내에서는 다른 연료전지에 비해 기술력이 낮은 편이고 관련 부품의 국산화가 시급한 실정이다. Fuel cells are polymer electrolyte type (Proton Exchange Membrane FC, PEMFC), direct methanol type (Direct-Methanol Fuel Cell, DMFC), alkaline type (ALFC), molten carbonate type based on the type of electrolyte used in the cell (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), and Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). In particular, solid oxide fuel cells are being researched in advanced countries for home use and automobile use. However, domestic technologies are still lower than other fuel cells, and localization of related parts is urgent.

고체산화물 연료전지는 500~1000℃의 고온에서 작동되고 화학적 에너지를 전기에너지로 직접 변환 시키므로 이론적으로 가장 높은 에너지 효율을 보유하고 있으며 다른 연료전지에 비해 효율이 높고 전기화학적 반응을 통해 생성되는 물질이 물이므로 공해가 적으며 시스템 내부에 움직이는 부분이 없으므로 소음이 발생하지 않는다. 고분자전해질 연료전지와는 달리 비싼 백금 촉매를 사용하지 않고도 반응을 가속화할 수 있으며 연료로써 사용할 수 있는 물질이 무수히 많으며 연료전지 시스템 내부에서 일어나는 전기화학반응은 발열반응이므로, 이때 생성하는 열을 유용한 용도로 활용하는 복합발전이 가능하다. Solid oxide fuel cells operate at a high temperature of 500-1000 ° C and convert chemical energy directly into electrical energy, so they have the highest energy efficiency in theory and are more efficient than other fuel cells and produce materials produced through electrochemical reactions. Since it is water, there is little pollution and there is no moving part inside the system, so there is no noise. Unlike the polymer electrolyte fuel cell, the reaction can be accelerated without the use of expensive platinum catalysts, and there are a lot of materials that can be used as fuels, and the electrochemical reactions occurring inside the fuel cell system are exothermic reactions. Combined power generation is possible.

도 1은 연료전지 시스템 운전 제어 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a fuel cell system operation control system.

도 1에 도시된 바와 같이, 고체 산화물형 연료전지 시스템의 구성은 재료, 화공, 기계, 전기, 전자, 제어 등 여러 분야의 시스템이 종합화된 시스템이며 크게 발전의 기본 단위인 세라믹 셀, 셀의 결합체인 스택(Stack), 스택이 구동할 수 있도록 해주는 기계적 주변장치(M-BOP, Mechanical Balance Of Plant), 및 전기적 주변장치(E-BOP, Electronic Balance Of Plant)등으로 구성되어 있다.As shown in FIG. 1, the structure of the solid oxide fuel cell system is a system in which various systems such as materials, chemicals, machinery, electricity, electronics, and control are integrated, and ceramic cells and cell combinations, which are the basic units of power generation. It is composed of In-Stack, Mechanical Balance Of Plant (M-BOP), and Electrical Peripheral Device (E-BOP, Electronic Balance Of Plant) to enable the stack to run.

연료 프로세서(Fuel Processor)는 연료 변환기라 하며 연료전지에 사용되는 수소를 만들어내는 부분이며, 스택(Stack)은 수소원료의 화학적 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시켜 직류 전류를 만들어 내는 부분이라 할 수 있다. 이때 반응이 직접적으로 일어나는 부분은 MEA(Membrane Electrode Assembly)이며 E-BOP는 연료전지에 필요한 연료를 공급하고 시스템이 원활하게 작동하기 위한 전기적 제어시스템 부분이다. 주로 스택에 연료 및 공기를 공급하고 물의 순환계를 유지하는 등 스택이 정상적인 운용을 할 수 있도록 하는 환경을 제공하는 역할을 하며 이를 위해서 부하에서 필요한 적정한 형태로 변형하여 부하에 공급하는 전력전자 시스템도 별도의 제어가 필요하게 된다. The fuel processor is called a fuel converter and is a part that generates hydrogen used in a fuel cell, and a stack is a part that directly converts chemical energy of a hydrogen raw material into electric energy to generate a direct current. . At this time, the reaction occurs directly in the MEA (Membrane Electrode Assembly) and the E-BOP is the electrical control system for supplying fuel for the fuel cell and for the system to operate smoothly. It mainly serves to provide an environment that allows the stack to operate normally, such as supplying fuel and air to the stack and maintaining a water circulation system. Control is required.

현재까지 연료전지의 개발은 주로 스택 개발이 가장 큰 이슈였으며 주변장치(BOP) 제어기의 영역은 단순히 스택이 최소한 동작이 될 수 있도록 보조해주는 역할로 구성되거나 개발되었다. 그 결과 외부 전력의 변화 요구에 대해 스택 시스템이 과연 적절한 제어가 되어 전력을 출력하는지가 문제가 되고 있다.To date, the development of fuel cells has been the main issue of stack development, and the area of peripheral device (BOP) controllers has been constructed or developed to simply assist the stack to be at least operational. As a result, it is a question of whether the stack system outputs power by properly controlling the external power change request.

그리고, 주변장치 제어기의 초기 개발시에는 제어 처리 알고리즘 개발을 하기 위한 대상이 없는 상태이므로 실제로 개발을 하기 위해 신호처리 모델을 검증하기 위한 테스트 베드 H/W가 필요하다.In the initial development of the peripheral controller, a test bed H / W is required to verify the signal processing model in order to actually develop the target since there is no object for developing a control processing algorithm.

따라서, 평관형 고체산화물 연료전지(SOFC)용 계통연계 E-BOP 시스템을 최종 관리하고 모니터링하는 운전제어 시스템 H/W 플랫폼의 개발이 절실하게 요구되고 있는 실정이다.Therefore, there is an urgent need to develop an operation control system H / W platform for finally managing and monitoring a grid-connected E-BOP system for a solid-state solid oxide fuel cell (SOFC).

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료전지 내의 주변장치 간의 제어 알고리즘 및 연료전지 출력의 최종 관리 및 제어정보를 처리하는 H/W 제어 플랫폼을 개발하고자 하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to develop a control algorithm for processing the control algorithm and the final management and control information of the fuel cell output between the peripheral devices in the fuel cell to develop a platform will be.

보다 상세하게는 E-BOP에서 발생하는 모든 제어신호를 입/출력하며 이벤트에 대한 제어 신호를 운전자 또는 M-BOP나 E-BOP 계통 시스템에 보내어 운전모드에 대응한 운전 상태를 제어할 수 있도록 기반을 마련하고 E-BOP 시스템 제어를 효율적으로 설계할 수 있도록 H/W 플랫폼을 마련하고자 하는 것이다.More specifically, all control signals generated from E-BOP are inputted and outputted, and control signals for events are sent to the driver or the M-BOP or E-BOP system to control the operation state corresponding to the operation mode. It is to establish a H / W platform so that the system can be designed and the E-BOP system control can be efficiently designed.

본 발명의 또 다른 목적은 제어에 대한 신호를 입/출력하여 운전 상태를 모니터링하며 발생되는 이벤트에 대해서 제어가 될 수 있도록 신호 인터페이스 플랫폼을 제공하는 것으로서, 연료전지의 핵심적인 요소인 전력변환 제어와 스택 제어 신호를 쉽게 내보낼 수 있도록 H/W 플랫폼을 개발하여 연료전지 제어 및 계측 시스템 시장을 타겟으로 제품화하고자 하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a signal interface platform for inputting / outputting a signal for control, monitoring a driving state, and controlling an event occurring. The company intends to develop the H / W platform to easily export the stack control signals and target the fuel cell control and measurement system market.

본 발명의 최종 목적은 제어 신호를 담당하는 메인 제어기 H/W를 개발하는 것으로 연료전지의 고효율 출력을 도모하기 위하여, 연료 프로세서 및 공기 관리 시스템(Air System)을 제어하는 것은 물론, 물관리(Water Management)와 열관리(Thermal Management) 작업을 효율적으로 수행하기 위해 운전중 이벤트에 대한 신호를 입/출력하며 제어 신호를 실시간으로 처리하는 H/W 플랫폼을 개발하는 것이다.The final object of the present invention is to develop a main controller H / W in charge of the control signal to control the fuel processor and the air system (Water System), as well as the water management It is to develop H / W platform that inputs / outputs signals during operation and processes control signals in real time for efficient management and thermal management.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 고체산화물로부터 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택 및 연료전지 스택에 연료 및 공기를 공급하고 생성된 전기 에너지를 구동 대상에 공급하는 연료전지 주변장치(Balance of Plant, BOP)를 포함하는 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링하기 위한 장치가 제공된다. 특히, 본 발명에 의한 고체산화물 연료전지 시스템의 성능 모니터링 장치는 기설정된 제어 패턴에 따라 연료전지 주변장치를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하기 위한 컨트롤러, 컨트롤러에 의하여 제어되는 연료전지 주변장치의 동작 데이터를 수신하고, 수신된 동작 데이터를 제어 패턴과 비교하여 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링하기 위한 성능 모니터링부, 제어 패턴 및 연료전지 주변장치의 동작 데이터를 모니터링 가능하도록 표시하기 위한 디스플레이부, 및 컨트롤러부터의 제어 신호를 연료전지 주변장치로 전송하고, 연료전지 주변장치의 동작 데이터를 성능 모니터링부로 전송하기 위한 입출력 인터페이스부를 포함한다. According to an aspect of the present invention for achieving the above object, a fuel cell for supplying fuel and air to the fuel cell stack and fuel cell stack for generating electrical energy from a solid oxide and supplying the generated electrical energy to the driving target A device is provided for monitoring the performance of a solid oxide fuel cell system including a Balance of Plant (BOP). In particular, the performance monitoring device of the solid oxide fuel cell system according to the present invention is a controller for generating a control signal for controlling the fuel cell peripheral device according to a predetermined control pattern, the operation data of the fuel cell peripheral device controlled by the controller A performance monitoring unit for monitoring the performance of the solid oxide fuel cell system by comparing the received operation data with a control pattern, a display unit for displaying the control pattern and operation data of the fuel cell peripheral device for monitoring; And an input / output interface unit for transmitting a control signal from the controller to the fuel cell peripheral device and for transmitting operation data of the fuel cell peripheral device to the performance monitoring unit.

여기서, 성능 모니터링부는, 연료전지 주변장치의 정상 동작과 관련된 사양 데이터를 저장하는 사양 데이터베이스, 연료전지 주변장치의 동작 데이터를 수집하고, 수집된 동작 데이터를 연료전지 주변장치의 동작을 시뮬레이션할 수 있도록 로그파일 형태로 저장하며, 저장된 로그파일을 이용하여 고체산화물 연료전지 시스템을 모델링하는 동작 시뮬레이션부, 사양 데이터베이스에 저장된 사양 데이터를 시뮬레이션부로부터 수신된 로그파일과 비교하여 고체산화물 연료전지 시스템의 동작에 오류가 발생되는지 검출하는 오류 검출부, 및 동작 시물레이션로부터의 로그파일을 분석하여 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 평가하기 위한 성능 평가부를 포함하는 것이 바람직하다. Here, the performance monitoring unit, the specification database for storing the specification data related to the normal operation of the fuel cell peripheral device, collecting the operation data of the fuel cell peripheral device, so that the collected operation data to simulate the operation of the fuel cell peripheral device An operation simulation unit for modeling a solid oxide fuel cell system using the stored log file and storing the log file in the form of a log file, and comparing the specification data stored in the specification database with a log file received from the simulation unit. It is preferable to include an error detection unit for detecting whether an error occurs, and a performance evaluation unit for analyzing the log file from the operation simulation to evaluate the performance of the solid oxide fuel cell system.

그리고, 성능 평가부는 연료전지의 전지 에너지를 산출하기 위한 전지 에너지 산출부, 연료전지에 공급되는 연료량을 계산하기 위한 연료량 계산부, 연료전지 주변장치의 열수지를 연산하기 위한 열수지 연산부, 및 고체산화물 연료전지 시스템에서 발생되는 열 에너지를 결정하기 위한 열 에너지 결정부를 포함하는 것이 바람직하다. The performance evaluation unit includes a battery energy calculation unit for calculating the cell energy of the fuel cell, a fuel amount calculation unit for calculating the amount of fuel supplied to the fuel cell, a heat balance calculation unit for calculating the thermal resin of the fuel cell peripheral device, and a solid oxide fuel It is preferable to include a heat energy determination unit for determining the heat energy generated in the battery system.

더 나아가, 동작 시물레이션부는 위너모드 시스템 식별 알고리즘을 이용하여 고체산화물 연료전지 시스템을 모델링하며, 위너모드 시스템 식별 알고리즘의 파라미터값은 Furthermore, the operation simulation unit models the solid oxide fuel cell system using the Winner mode system identification algorithm, and the parameter value of the Winner mode system identification algorithm is

Figure pat00001
Figure pat00001

인 것이 바람직하다. .

또한, 컨트롤러는 연료전지 주변장치의 동작을 제어하기 위한 정상 동작모드 및 연료전지 주변장치로 테스트 신호를 인가하고 그에 따른 응답신호를 분석하여 정상 동작 여부를 판단하는 점검 모드 중 하나의 동작 모드에 따라서 동작하는 것이 바람직하다. In addition, the controller according to the operation mode of one of the normal operation mode for controlling the operation of the fuel cell peripheral device and the check mode for applying the test signal to the fuel cell peripheral device and analyzing the response signal accordingly to determine the normal operation. It is desirable to operate.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 고체산화물로부터 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택 및 상기 연료전지 스택에 연료 및 공기를 공급하고 생성된 전기 에너지를 구동 대상에 공급하는 연료전지 주변장치(BOP)를 포함하는 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링하기 위한 방법이 제공된다. 본 발명에 의한 고체산화물 연료전지 시스템의 성능 모니터링 방법은 연료전지 주변장치의 동작을 제어하기 위한 정상 동작모드 및 연료전지 주변장치로 테스트 신호를 인가하고 그에 따른 응답신호를 분석하여 정상 동작 여부를 판단하는 점검 모드 중 하나의 동작 모드를 결정하는 동작 모드 결정 단계, 결정된 동작 모드에 따라 기설정된 제어 패턴을 결정하고 결정된 제어 패턴에 따라 연료전지 주변장치를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 연료전지 주변장치로 제공하는 단계, 제어 신호에 따라서 제어되는 연료전지 주변장치의 동작 데이터를 수신하는 단계, 제어 패턴 및 연료전지 주변장치의 동작 데이터을 모니터링 가능하도록 표시하는 단계, 및 연료전지 주변장치의 동작 데이터를 제어 패턴과 비교하여 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링하는 단계를 포함한다. According to another aspect of the present invention for achieving the above object, a fuel cell stack for generating electrical energy from a solid oxide and a fuel for supplying fuel and air to the fuel cell stack and supplying the generated electrical energy to the driving target A method is provided for monitoring the performance of a solid oxide fuel cell system including a cell peripheral (BOP). In the performance monitoring method of the solid oxide fuel cell system according to the present invention, the normal operation mode for controlling the operation of the fuel cell peripheral device and the test signal are applied to the fuel cell peripheral device, and the response signal is analyzed to determine whether the normal operation is performed. An operation mode determination step of determining an operation mode of one of the check modes, determining a predetermined control pattern according to the determined operation mode, and generating a control signal for controlling the fuel cell peripheral device according to the determined control pattern to generate a fuel cell peripheral device. Providing control information, receiving operation data of the fuel cell peripheral device controlled according to the control signal, displaying the control pattern and operation data of the fuel cell peripheral device so as to be monitored, and controlling the operation data of the fuel cell peripheral device. Performance of solid oxide fuel cell system compared to pattern Monitoring the capability.

여기서, 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링하는 단계는, 연료전지 주변장치의 정상 동작과 관련된 사양 데이터를 사양 데이터베이스로부터 수신하는 단계, 연료전지 주변장치의 동작 데이터를 수집하고, 수집된 동작 데이터를 연료전지 주변장치의 동작을 시뮬레이션할 수 있도록 로그파일 형태로 저장하는 단계, 저장된 로그파일을 이용하여 고체산화물 연료전지 시스템을 모델링하는 단계, 사양 데이터베이스에 저장된 사양 데이터를 로그파일과 비교하여 고체산화물 연료전지 시스템의 동작에 오류가 발생되는지 검출하는 단계, 및 로그파일을 분석하여 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 평가하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. The monitoring of the performance of the solid oxide fuel cell system may include receiving specification data related to the normal operation of the fuel cell peripheral device from the specification database, collecting operation data of the fuel cell peripheral device, and collecting the collected operation data. Storing the solid oxide fuel cell system using the stored log file, comparing the specification data stored in the specification database with the log file Preferably, the method includes detecting whether an error occurs in the operation of the battery system, and analyzing the log file to evaluate the performance of the solid oxide fuel cell system.

또한, 고체산화물 연료전지 시스템을 모델링하는 단계는, 위너모드 시스템 식별 알고리즘을 이용하여 고체산화물 연료전지 시스템을 모델링하며, 위너모드 시스템 식별 알고리즘의 파라미터값은 In addition, the modeling of the solid oxide fuel cell system may include: modeling the solid oxide fuel cell system by using a winner mode system identification algorithm, and a parameter value of the winner mode system identification algorithm is

Figure pat00002
Figure pat00002

인 것이 바람직하다. .

본 발명에 따르면, 개발 H/W 플랫폼을 기반하여 BOP에서 발생나는 모든 이벤트를 모니터링하며 E-BOP에 대한 제어가 필요한 경우 시스템의 전체 프로세스의 제어를 관장하며 운전 상태에 대한 제어 신호를 운전자 또는 BOP 계통 시스템에 보내어 운전 상태에 대응한 신호를 입/출력할 수 있다. 따라서, 고체산화물 연료전지(SOFC)용 계통연계 E-BOP System을 최종 관리하고 모니터링할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, it monitors all events occurring in BOP based on the developed H / W platform, manages the whole process of the system when the control on the E-BOP is necessary, and controls the operation signal for the driver or the BOP. It can be sent to the system to input / output signals corresponding to the operation status. Therefore, there is an effect that can finally manage and monitor the grid-connected E-BOP System for solid oxide fuel cells (SOFC).

또한, 본 발명에 의하면 BOP 제어기의 초기 개발시에 개발을 하기 위해 신호처리 모델을 검증하기 위한 테스트 베드 H/W가 제공되는 효과가 있다.In addition, according to the present invention there is an effect that a test bed H / W for verifying the signal processing model for development in the initial development of the BOP controller is provided.

도 1은 종래 기술에 의한 연료전지 시스템 운전 제어 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일면에 따른 고체산화물 연료전지 시스템의 성능 모니터링 장치를 개념적으로 나타내는 블럭도이다.
도 3은 도 2에 도시된 성능 모니터링 장치에 포함되는 성능 모니터링부의 세부 구조를 도시한 블럭도이다.
도 4는 도 3에 도시된 성능 모니터링부에 포함되는 성능 평가부의 세부 구조를 도시한 블럭도이다.
도 5는 본 발명에서 채택되는 위너모델에 의한 시스템 모델링에 의할 경우의 시뮬레이션 적중률을 나타낸 그래프이다.
도 6은 종래 기술에 따르는 선형모델에 의한 시스템 모델링에 의할 경우의 시뮬레이션 적중률을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 면에 따른 고체산화물 연료전지 시스템의 성능 모니터링 방법을 개념적으로 나타내는 흐름도이다.
1 is a block diagram showing the configuration of a fuel cell system operation control system according to the prior art.
2 is a block diagram conceptually illustrating an apparatus for monitoring performance of a solid oxide fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
3 is a block diagram illustrating a detailed structure of a performance monitoring unit included in the performance monitoring apparatus shown in FIG. 2.
4 is a block diagram illustrating a detailed structure of a performance evaluation unit included in the performance monitoring unit shown in FIG. 3.
5 is a graph showing the simulation hit ratio in the case of the system modeling by the Wiener model adopted in the present invention.
6 is a graph showing the simulation hit ratio in the case of the system modeling by a linear model according to the prior art.
7 is a flowchart conceptually illustrating a method for monitoring performance of a solid oxide fuel cell system according to another aspect of the present invention.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

이하의 설명에서 본 발명에 대한 이해를 명확히 하기 위하여, 본 발명의 특징에 대한 공지의 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.In the following description, in order to clarify the understanding of the present invention, description of well-known technology for the features of the present invention will be omitted. The following examples are detailed description to help understand the present invention, and it should be understood that the present invention is not intended to limit the scope of the present invention. Accordingly, equivalent inventions performing the same functions as the present invention are also within the scope of the present invention.

또한 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In addition, in adding reference numerals to the constituent elements of the drawings, it is to be noted that the same constituent elements are denoted by the same reference numerals even though they are shown in different drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

또한, 본 발명의 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 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, in describing the component of this invention, terms, such as 1st, 2nd, A, B, (a), (b), can be used. These terms are intended to distinguish the constituent elements from other constituent elements, and the terms do not limit the nature, order or order of the constituent elements. When a component is described as being "connected", "coupled", or "connected" to another component, the component may be directly connected to or connected to the other component, It should be understood that an element may be "connected," "coupled," or "connected."

도 2는 본 발명의 일면에 따른 고체산화물 연료전지 시스템의 성능 모니터링 장치를 개념적으로 나타내는 블럭도이다.2 is a block diagram conceptually illustrating an apparatus for monitoring performance of a solid oxide fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.

시스템 제어신호 요소 설계 및 통신 채널 및 I/O 설계를 위한 요소들을 살펴보면 다음 표 1과 같으며, 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 각 제어대상별 제어수단과 각 제어수단에 대한 제어신호의 설계가 이루어진다.The system control signal element design and communication channel and I / O design elements are as follows in Table 1. As can be seen from Table 1, the control means for each control object and the control signal for each control means Is done.

Figure pat00003
Figure pat00003

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 시스템의 성능 모니터링 장치는 컨트롤러(10), 디스플레이부(20), 성능 모니터링부(30) 및 입출력 인터페이스부(50)를 포함하여 구성된다. As shown in FIG. 2, the performance monitoring apparatus of the solid oxide fuel cell system according to the present invention includes a controller 10, a display unit 20, a performance monitoring unit 30, and an input / output interface unit 50. do.

컨트롤러(10)는 미리 설정된 프로그램에 따라 고체산화물 연료전지 시스템의 BOP를 제어하는 것으로서, 연료전지 시스템의 BOP의 동작을 제어하기 위한 정상 동작모드와 상기 BOP로 테스트 신호를 인가하고 그에 따른 응답신호를 분석하여 정상 동작 여부를 판단하는 점검 모드를 갖는다. The controller 10 controls the BOP of the solid oxide fuel cell system according to a preset program. The controller 10 applies a test signal to the normal operation mode for controlling the operation of the BOP of the fuel cell system and the BOP, and sends a response signal accordingly. It has a check mode that analyzes and judges normal operation.

컨트롤러(10)에서는 스택 셀 전압 모니터링 동작 및 온도 제어 모니터링 동작을 수행하고, 스택의 이상 유무를 판단하기 위한 셀 전압 모니터링 동작을 수행할 수 있다. 컨트롤러(10)는 연료전지 시스템에서 쓰고 많이 쓰이고 있는 CVM(Cell Voltage Monitoring) 방식으로 구현될 수 있다. 모든 셀을 감시하기 위해서는 스택의 셀 수 만큼 아날로그 입력 채널이 필요하게 되는데 많은 채널 수를 줄이기 위해 멀티플렉서 방식을 이용해서 회로를 구현할 수 있다.The controller 10 may perform a stack cell voltage monitoring operation and a temperature control monitoring operation, and may perform a cell voltage monitoring operation for determining whether a stack is abnormal. The controller 10 may be implemented by a CVM (Cell Voltage Monitoring) method that is frequently used in a fuel cell system. To monitor all cells, analog input channels are needed as many as the cells in the stack. To reduce the number of channels, a multiplexer can be used to implement the circuit.

또한, 컨트롤러(10)는 열전대를 이용하여 온도를 측정하도록 제어하고, 상황에 따른 측정값을 읽어서 모니터링 및 제어신호를 발생한다.In addition, the controller 10 controls to measure the temperature using a thermocouple, and reads the measurement value according to the situation to generate the monitoring and control signals.

디스플레이부(20)는 디버깅 및 운전제어 인자값을 표시하여 시스템의 상태를 모니터링할 수 있도록 허용하며, 시스템의 동작 환경에 관련된 설정 인자 및 변수를 입력할 수 있는 입력 메뉴를 표시할 수 있다. 디스플레이부(20)는 디버깅 동작에 이용될 수 있다. 이를 위하여, 초기 테스트 베드 단계에서 시스템의 고장 및 상황에 따른 운전제어 상태를 확인하기 위해서 디스플레이부(20)를 이용하여 개발 단계에서 신호를 검증 및 모니터할 수 있다. 또한, 디스플레이부(20)는 사용자의 정의에 따라 입력/출력값 전달 인터페이스를 표시함으로써 운전조건을 표시하도록 구현될 수 있다. The display unit 20 may monitor the state of the system by displaying debugging and operation control factor values, and may display an input menu for inputting setting parameters and variables related to the operating environment of the system. The display unit 20 may be used for a debugging operation. To this end, the display unit 20 can be used to verify and monitor the signal in the development stage by using the display unit 20 to check the operation control state according to the failure and the situation of the system in the initial test bed stage. In addition, the display unit 20 may be implemented to display an operating condition by displaying an input / output value transfer interface according to a user's definition.

성능 모니터링부(30)는 컨트롤러에 의하여 제어되는 연료전지 주변장치의 동작 데이터를 수신하고, 수신된 동작 데이터를 제어 패턴과 비교하여 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링한다. 또한, 성능 모니터링부(30)는 컨트롤러(10)가 적용될 실제 시스템 동적 특성을 모사할 수 있다. 성능 모니터링부(30)의 구체적인 동작에 대해서는 도 3을 이용하여 상세히 후술된다. 그러므로 명세서의 간략화를 위하여 중복된 설명이 생략된다. The performance monitoring unit 30 receives operation data of the fuel cell peripheral device controlled by the controller and monitors the performance of the solid oxide fuel cell system by comparing the received operation data with a control pattern. In addition, the performance monitoring unit 30 may simulate actual system dynamic characteristics to which the controller 10 is applied. A detailed operation of the performance monitoring unit 30 will be described later in detail with reference to FIG. 3. Therefore, duplicate descriptions are omitted for simplicity of the specification.

입출력 인터페이스부(50)는 BOP로 제어신호를 전송하기 위한 것으로서, 아날로그 입력부, 아날로그 출력부 및 디지털 입출력부를 포함한다. 아날로그 입력부는 각종 센서류(압력센서, 유량센서, 전류센서 등)의 데이터를 취득하기 위하여 설계될 수 있고, 외부 ADC가 추가될 수 있도록 구현되는 것이 바람직하다. 외부 ADC가 추가될 수 있다면, 입출력 인터페이스부(50)의 입력 채널수가 증가되고 입력 범위가 증가될 수 있다. The input / output interface unit 50 transmits a control signal to the BOP, and includes an analog input unit, an analog output unit, and a digital input / output unit. The analog input unit may be designed to acquire data of various sensors (pressure sensor, flow sensor, current sensor, etc.), and may be implemented to add an external ADC. If an external ADC can be added, the number of input channels of the input / output interface unit 50 can be increased and the input range can be increased.

아날로그 출력부는 각종 연료전지 시스템이 BOP를 제어하고 모니터링하기 위한 수단으로 설계될 수 있다. The analog output unit can be designed as a means for various fuel cell systems to control and monitor the BOP.

디지털 입출력부는 주로 밸브 및 스위치를 제어하기 위한 것으로서, 접점방식을 이용하여 신호의 on/off 신호를 전달하는 기능을 수행하며, 운전시 발생하는 노이즈를 저감시켜 고신뢰성 스위치 계폐에 대한 설계가 중요하다. The digital input / output unit is mainly for controlling valves and switches, and performs the function of transmitting the on / off signal of the signal by using a contact method, and it is important to design a high reliability switch by reducing the noise generated during operation. .

또한, 입출력 인터페이스부(50)는 통신모듈(미도시)을 포함할 수 있다. 통신모듈은 컨트롤러(10)가 생성한 운전 제어 신호를 BOP로 전송하거나 연료전지 시스템의 최종 조작부에 대한 전달 신호를 전달하는데 이용될 수 있다. 즉, 통신 모듈은 시스템의 운전 상태 및 데이터의 모니터링 등을 수행하기 위하여 RS-232/485/422와 같은 직렬통신으로 구현될 수 있다. In addition, the input / output interface unit 50 may include a communication module (not shown). The communication module may be used to transmit the operation control signal generated by the controller 10 to the BOP or to transmit a transmission signal to the final operation unit of the fuel cell system. That is, the communication module may be implemented by serial communication such as RS-232 / 485/422 in order to monitor the operation state and data of the system.

도 3은 도 2에 도시된 성능 모니터링 장치에 포함되는 성능 모니터링부의 세부 구조를 도시한 블럭도이다. 3 is a block diagram illustrating a detailed structure of a performance monitoring unit included in the performance monitoring apparatus shown in FIG. 2.

도 3에 도시된 바와 같이, 성능 모니터링부(30)는 세부적으로 동작 시뮬레이션부(31), 성능 평가부(33), 사양 데이터베이스(35) 및 오류 검출부(37)를 포함한다. As shown in FIG. 3, the performance monitoring unit 30 includes an operation simulation unit 31, a performance evaluation unit 33, a specification database 35, and an error detection unit 37 in detail.

사양 데이터베이스(35)는 연료전지 주변장치의 정상 동작과 관련된 사양 데이터를 저장한다. 그리고 동작 시뮬레이션부(31)는 연료전지 주변장치의 동작 데이터를 수집하고, 수집된 동작 데이터를 상기 연료전지 주변장치의 동작을 시뮬레이션할 수 있도록 로그파일 형태로 저장한다. 저장된 로그 파일은 동작 시뮬레이션부(31)에 의하여 분석되어 고체산화물 연료전지 시스템을 모델링하는데 이용된다. The specification database 35 stores specification data related to the normal operation of fuel cell peripherals. In addition, the operation simulation unit 31 collects operation data of the fuel cell peripheral device, and stores the collected operation data in a log file form so as to simulate the operation of the fuel cell peripheral device. The stored log file is analyzed by the operation simulation unit 31 and used to model the solid oxide fuel cell system.

고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링하기 위하여, 임의의 동작 상황에 따라 연료전지 주변장치를 운전할 경우, 동작 시뮬레이션부(31)는 가상의 BOP 데이터들을 생성하여 선택적으로 로딩하고 실제 BOP 운전 데이터를 모니터링 가능한 형태로 변환한다. In order to monitor the performance of the solid oxide fuel cell system, when operating the fuel cell peripheral device according to an arbitrary operating situation, the operation simulation unit 31 generates virtual BOP data, selectively loads them, and monitors actual BOP operation data. Convert it to the possible form.

그러면, 오류 검출부(37)는 사양 데이터베이스(35)에 저장된 사양 데이터를 동작 시뮬레이션부(31)로부터 수신된 로그파일과 비교하여 고체산화물 연료전지 시스템의 동작에 오류가 발생되는지 여부를 검출한다. 최종적으로, 로그파일은 성능 평가부(33)에 의하여 분석되어 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 평가하는데 이용된다. 그러면, 오류 검출부(37)는 기저장된 BOP 사양 데이터베이스에 기초하여 동작 시뮬레이션부(31)로부터 수신된 BOP 운전 데이터를 평가하고 평가결과 오류가 발생하는 경우 디버깅처리를 수행할 수 있다. Then, the error detection unit 37 compares the specification data stored in the specification database 35 with the log file received from the operation simulation unit 31 to detect whether an error occurs in the operation of the solid oxide fuel cell system. Finally, the log file is analyzed by the performance evaluator 33 and used to evaluate the performance of the solid oxide fuel cell system. Then, the error detection unit 37 may evaluate the BOP operation data received from the operation simulation unit 31 based on the pre-stored BOP specification database, and perform debugging processing when an error occurs as a result of the evaluation.

도 3에 도시된 구성요소들은 다중 접속되어 버스 형태로 연결될 수 있으며, 성능 평가부(33)에 프로그램 코드를 다운로딩 및 디버깅하기 위한 다운로드 툴(미도시)이 포함될 수 있음은 물론이다. The components illustrated in FIG. 3 may be multiplexed and connected in a bus form, and the performance evaluator 33 may include a download tool (not shown) for downloading and debugging program code.

도 4는 도 3에 도시된 성능 모니터링부에 포함되는 성능 평가부의 세부 구조를 도시한 블럭도이다. 4 is a block diagram illustrating a detailed structure of a performance evaluation unit included in the performance monitoring unit shown in FIG. 3.

도 4에 도시된 바와 같이, 성능 평가부(33)는 전지 에너지 산출부(41), 연료량 계산부(43), 열수지 연산부(45), 및 열 에너지 결정부(47)를 포함한다. As shown in FIG. 4, the performance evaluator 33 includes a battery energy calculator 41, a fuel amount calculator 43, a heat balance calculator 45, and a heat energy determiner 47.

연료전지의 성능평가를 위해서는 연료전지의 운전 범위를 정한 후 운전 조건을 표준화하여 검증하는 것이 중요하다. 연료전지의 성능평가의 부위별 계산 항목은 전지 에너지 산출, 연료량 산출, 개질기 열수지 산출 및 열에너지 산출 등이 있다.In order to evaluate the performance of a fuel cell, it is important to verify the operation conditions of the fuel cell and then standardize the operating conditions. The calculated items for each part of the fuel cell performance evaluation include cell energy calculation, fuel amount calculation, reformer heat balance calculation and heat energy calculation.

전지 에너지 산출부(41)는 연료전지에 의하여 발생되는 전지 에너지를 산출한다. 우선, 전기 부하 수요 패턴이 입력되면, 전지 에너지 산출부(41)는 효율을 고려하여 AC/DC 인버터의 입력 전력을 산출한다. 이때, 전기 부하 수요패턴을 결정하기 위하여 반복적인 검증을 통해 평균값이 산출된다. 그 다음, 전지 에너지 산출부(41)는 축전지와 온수탱크의 상태에 따른 연료전지의 출력 비율을 결정하고, 이를 이용하여 DC/DC 컨버터의 출력을 산출한다. The battery energy calculator 41 calculates battery energy generated by the fuel cell. First, when the electric load demand pattern is input, the battery energy calculator 41 calculates the input power of the AC / DC inverter in consideration of the efficiency. At this time, the average value is calculated through repeated verification to determine the electrical load demand pattern. Then, the battery energy calculation unit 41 determines the output ratio of the fuel cell according to the state of the storage battery and the hot water tank, and calculates the output of the DC / DC converter using this.

이와 같이, DC/DC 컨버터의 출력이 산출되면, 전지 에너지 산출부(41)는 축전지의 출력을 연산하고, 이에 기초하여 최종적으로 연료전지의 출력을 산출한다. In this way, when the output of the DC / DC converter is calculated, the battery energy calculating section 41 calculates the output of the storage battery, and finally calculates the output of the fuel cell based on this.

연료량 계산부(43)는 연료전지에 공급되는 연료량을 계산한다. 연료량을 계산하기 위하여, 연료량 계산부(43)는 연료전지의 출력에 따른 이론 수소량을 계산한다. 그렇다면, 필요한 수소량을 공급하기 위하여, 연료량 계산부(43)는 이용률에 따른 공급 수소량과 공기량을 계산하고, 최종적으로 개질기에 공급되는 가스 공급량을 계산한다. The fuel amount calculation unit 43 calculates the amount of fuel supplied to the fuel cell. In order to calculate the fuel amount, the fuel amount calculation unit 43 calculates the theoretical hydrogen amount according to the output of the fuel cell. If so, in order to supply the required amount of hydrogen, the fuel amount calculation unit 43 calculates the amount of hydrogen supplied and the amount of air according to the utilization rate, and finally calculates the amount of gas supplied to the reformer.

열수지 연산부(45)는 연료전지 주변장치의 열수지를 연산한다. 이를 위하여, 열수지 연산부(45)는 열교환기의 열교환량, 증발기에 공급될 필요 열량 및 공급 열량을 연산한다. 그리고, 열수지 연산부(45)는 연소기에서 필요한 열량 및 이를 위하여 연소기에 공급할 연료량을 계산한다. 최종적으로, 열수지 연산부(45)는 공급될 공기량을 계산하여 열수지를 연산한다. The heat balance calculator 45 calculates a heat balance of the fuel cell peripheral device. To this end, the heat balance calculation unit 45 calculates the heat exchange amount of the heat exchanger, the required heat amount to be supplied to the evaporator, and the supply heat amount. Then, the heat balance calculator 45 calculates the amount of heat required by the combustor and the amount of fuel to be supplied to the combustor. Finally, the heat balance calculator 45 calculates the amount of air to be supplied to calculate the heat balance.

열 에너지 결정부(47)는 고체산화물 연료전지 시스템에서 발생되는 열 에너지를 결정한다. 이를 위하여, 열 에너지 결정부(47)는 열부하 수요 패턴을 참조하여 연료전지에 발생한 열량을 계산한 후, 각 열교환기에서 회수한 열량을 계산한다. 또한, 열 에너지 결정부(47)는 회수한 열량과 공급한 열부하에 따른 온수탱크의 온도를 계산한후 계산값을 검침값과 비교할 수 있다. The thermal energy determiner 47 determines thermal energy generated in the solid oxide fuel cell system. To this end, the heat energy determination unit 47 calculates the heat generated in the fuel cell with reference to the heat load demand pattern, and then calculates the heat recovered in each heat exchanger. In addition, the heat energy determination unit 47 may calculate the temperature of the hot water tank according to the amount of heat recovered and the supplied heat load, and then compare the calculated value with the reading value.

도 5는 본 발명에서 채택되는 위너모델에 의한 시스템 모델링에 의할 경우의 시뮬레이션 적중률을 나타낸 그래프이고, 도 6은 종래 기술에 따르는 선형모델에 의한 시스템 모델링에 의할 경우의 시뮬레이션 적중률을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the simulation hit ratio when the system modeling by the Wiener model adopted in the present invention, Figure 6 is a graph showing the simulation hit ratio when the system modeling by the linear model according to the prior art. .

본 발명에 의한 성능 모니터링부(30)는 위너모드 시스템 식별 알고리즘을 이용하여 연료전지 시스템을 모델링하며, 위너모드 알고리즘에서 파라미터값은 다음 수학식 1과 같다.The performance monitoring unit 30 according to the present invention models the fuel cell system by using a winner mode system identification algorithm, and a parameter value in the winner mode algorithm is represented by Equation 1 below.

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시뮬레이션 결과, 본 발명의 위너모델의 적중률이 선형모델보다 84.03%에서 98.38%로 향상되어 시뮬레이션 적중율이 매우 높음을 알 수 있다.As a result of the simulation, the hit ratio of the Wiener model of the present invention is improved from 84.03% to 98.38% than the linear model, and it can be seen that the simulation hit ratio is very high.

본 명세서에서, 위너 모델(Wiener model)이란 일반적인 비선형 연산자들을 도입하지 않고도 특정 계의 비선형성을 다루는데 이용되는 대표적인 분석 모델이다. 위너 모델은 동적 선형 블록 및 이와 직렬 연결된 정적 비선형 요소들을 포함하며, 위너 모델을 이용하면 특정 계의 처리 과정에서 흔히 발생되는 여러 비선형성 문제점들을 적절히 모델링할 수 있다. In this specification, the Wiener model is a representative analytical model used to deal with nonlinearity of a particular system without introducing general nonlinear operators. The Wiener model includes a dynamic linear block and static nonlinear elements in series with it. The Wiener model can be used to properly model a number of nonlinear problems commonly encountered in a particular system.

위너 모델에 대해서는 “멀티미디어 무선 셀룰러 망에서 위너모델에 기초한 자원예측 방법의 성능개선”, 이진이, 정보처리학회논문지, The KIPS transactions. Part C. Part C, 2005년, pp.69-76 및 “Output feedback model predictive control for Wiener model with parameter dependent Lyapunov function”, Woojong Yoo, Daehyun Ji, Sangmoon Lee, and Sangchul Won, 제어로봇시스템학회 2005년도 ICCAS, 2005년, pp.685-689을 참조한다. For Wiener model "to improve the performance of resource forecasting method based on Wiener model in multimedia wireless cellular networks", binary, Journal of Information Processing Society, The KIPS transactions. Part C. Part C, 2005, pp.69-76 and “Output feedback model predictive control for Wiener model with parameter dependent Lyapunov function”, Woojong Yoo, Daehyun Ji, Sangmoon Lee, and Sangchul Won, 2005 See ICCAS , 2005, pp. 685-689.

도 7은 본 발명의 다른 면에 따른 고체산화물 연료전지 시스템의 성능 모니터링 방법을 개념적으로 나타내는 흐름도이다. 7 is a flowchart conceptually illustrating a method for monitoring performance of a solid oxide fuel cell system according to another aspect of the present invention.

고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링하기 위하여, 정상 동작모드 및 점검 모드 중 동작 모드를 결정한다(S70). 정상 동작모드에서는 연료전지 주변장치가 평소와 같이 동작되며, 동작이 되는 동안에 연료전지 주변장치의 상태가 모니터링된다. 점검 모드에서는 연료전지 주변장치로 테스트 신호가 인가되고, 그에 따른 응답신호가 분석된다. 분석 결과에 따라서 연료전지 주변장치가 정상적으로 동작하고 있는지 여부가 판단될 수 있다. In order to monitor the performance of the solid oxide fuel cell system, the operation mode of the normal operation mode and the check mode is determined (S70). In normal operation mode, the fuel cell peripheral is operated as usual, and the state of the fuel cell peripheral is monitored during operation. In the test mode, a test signal is applied to the fuel cell peripheral and the response signal is analyzed. According to the analysis result, it may be determined whether the fuel cell peripheral device is operating normally.

본 명세서에서 고체산화물 연료전지 시스템에 포함되며 성능 모니터링의 대상이 되는 주변 장치에 대해서 자세히 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the peripheral devices included in the solid oxide fuel cell system and subjected to performance monitoring will be described in detail.

주변장치(BOP)는 연료 및 공기 공급, 냉각, 배기를 위한 장치로서, 특히 고체산화물 연료전지 시스템에서는 열 및 물질 수지 개념이 중요하다. 성능 모니터링의 대상이 되는 공기공급 시스템(Air Process System)은 연료전지 스택에 수소와 반응을 할 공기(산소)를 공급하는 시스템이다. 공기공급 시스템에는 에어클리너, 공기공급기(Air Blower) 및 공기 압축기(Air compressor)등이 포함된다. Peripheral devices (BOPs) are devices for fuel and air supply, cooling, and exhaust, and the concept of heat and mass balance is particularly important in solid oxide fuel cell systems. The Air Process System, which is the target of performance monitoring, is a system that supplies air (oxygen) to react with hydrogen to the fuel cell stack. Air supply systems include air cleaners, air blowers and air compressors.

또한, 열 관리 시스템(Thermal Management System)은 전체 시스템에서 필요로 하는 물 균형을 유지하는데, 냉각을 위한 물 관리 시스템(Water Management System)이 포함될 수 있다. 물 관리 시스템에는 라디에이터, 물펌프, 이온제거기, 및 물탱크 등이 포함될 수 있다. In addition, the thermal management system (Thermal Management System) to maintain the water balance required for the entire system, may include a water management system (Water Management System) for cooling. Water management systems may include radiators, water pumps, deionizers, and water tanks.

그리고, 연료로서 수소를 공급하는 연료 공급 시스템(Fuel Process System)이 있는데, 연료 공급 시스템에는 수소 탱크, 압력 조절기, 및 수소재순환기 등이 포함될 수 있다. And, there is a fuel supply system (Fuel Process System) for supplying hydrogen as a fuel, the fuel supply system may include a hydrogen tank, a pressure regulator, and a hydrogen recycler.

동작 모드가 결정되면, 결정된 동작 모드에 따라 기설정된 제어 패턴이 결정되고, 이에 따라서 연료전지 주변장치에 대한 제어 신호가 생성된다(S72). 즉, 결정된 제어 패턴에 따라 연료전지 주변장치가 제어된다. When the operation mode is determined, a predetermined control pattern is determined according to the determined operation mode, and accordingly, a control signal for the fuel cell peripheral device is generated (S72). That is, the fuel cell peripheral device is controlled according to the determined control pattern.

이와 같이, 연료전지 주변장치가 제어되면, 동작 중인 연료전지 주변장치로부터 동작 데이터가 수집되고 수신된다(S73). 그러면, 제어 패턴 상기 연료전지 주변장치의 동작 데이터가 디스플레이되어 사용자가 직접 모니터링할 수 있도록 하는 것이 바람직하다(S74). As such, when the fuel cell peripheral device is controlled, operation data is collected and received from the operating fuel cell peripheral device (S73). Then, it is preferable that the control data of the fuel cell peripheral device is displayed so that the user can directly monitor (S74).

최종적으로, 수신된 동작 데이터를 제어 패턴과 비교함으로써 고체산화물 연료전지 시스템의 성능이 모니터링된다(S75). 이때, 성능 모니터링을 위하여 우선 연료전지 주변장치의 정상 동작과 관련된 사양 데이터를 사양 데이터베이스로부터 수신한다. 그리고, 연료전지 주변장치의 동작 데이터를 수집하고, 수집된 동작 데이터를 연료전지 주변장치의 동작을 시뮬레이션할 수 있도록 로그파일 형태로 저장할 수 있다. 동작 데이터가 저장되면, 저장된 로그파일은 고체산화물 연료전지 시스템을 모델링하는데 적용될 수 있다. 특히, 고체산화물 연료전지 시스템의 비선형성을 모델링하기 위해서는 위너 모델을 채택하는 것이 바람직하다는 것은 전술된 바와 같으며, 이때 수학식 1과 같은 파라미터값이 이용될 수 있다. Finally, the performance of the solid oxide fuel cell system is monitored by comparing the received operation data with the control pattern (S75). At this time, for performance monitoring, specification data related to the normal operation of the fuel cell peripheral device is first received from the specification database. In addition, the operation data of the fuel cell peripheral device may be collected, and the collected operation data may be stored in a log file form to simulate the operation of the fuel cell peripheral device. Once the operational data is stored, the stored log files can be applied to model the solid oxide fuel cell system. In particular, in order to model the nonlinearity of the solid oxide fuel cell system, it is preferable to adopt the Wiener model as described above, and a parameter value such as Equation 1 may be used.

이와 같이 동작 데이터 및 사양 데이터가 수신되면, 사양 데이터베이스에 저장된 사양 데이터를 로그파일과 비교하여 고체산화물 연료전지 시스템의 동작에 오류가 발생되는지 여부를 검출한다. 또한, 로그파일을 분석하면 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 평가할 수도 있다. When the operation data and the specification data are received as described above, the specification data stored in the specification database is compared with the log file to detect whether an error occurs in the operation of the solid oxide fuel cell system. In addition, analyzing the log file can evaluate the performance of the solid oxide fuel cell system.

만일, 시스템의 성능을 모니터링하는 동안에 시스템에 오류가 발생된 것으로 판단되면(S77), 사용자에게 즉시 오류 메시지를 출력한다(S78). If it is determined that an error has occurred in the system while monitoring the performance of the system (S77), an error message is immediately output to the user (S78).

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it is possible to make various modifications and variations without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the appended claims are intended to cover such modifications or changes as fall within the scope of the invention.

10 : 컨트롤러 20 : 디스플레이부
30 : 성능 모니터링부 31 : 동작 시뮬레이션부
33 : 성능 평가부 35 : 사양 데이터베이스
37 : 오류 검출부 41 : 전지 에너지 산출부
43 : 연료량 계산부 45 : 열수지 연산부
47 : 열에너지 결정부
10: controller 20: display unit
30: performance monitoring unit 31: motion simulation unit
33: performance evaluation unit 35: specification database
37: error detection unit 41: battery energy calculation unit
43: fuel amount calculation unit 45: heat balance calculation unit
47: heat energy determination unit

Claims (8)

고체산화물로부터 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택 및 상기 연료전지 스택에 연료 및 공기를 공급하고 생성된 전기 에너지를 구동 대상에 공급하는 연료전지 주변장치(Balance of Plant, BOP)를 포함하는 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링하기 위한 장치에 있어서,
기설정된 제어 패턴에 따라 상기 연료전지 주변장치를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하기 위한 컨트롤러;
상기 컨트롤러에 의하여 제어되는 상기 연료전지 주변장치의 동작 데이터를 수신하고, 수신된 동작 데이터를 상기 제어 패턴과 비교하여 상기 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링하기 위한 성능 모니터링부;
상기 제어 패턴 및 상기 연료전지 주변장치의 동작 데이터를 모니터링 가능하도록 표시하기 위한 디스플레이부; 및
상기 컨트롤러부터의 제어 신호를 상기 연료전지 주변장치로 전송하고, 상기 연료전지 주변장치의 동작 데이터를 상기 성능 모니터링부로 전송하기 위한 입출력 인터페이스부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링하기 위한 장치.
A solid oxide fuel including a fuel cell stack for generating electrical energy from a solid oxide and a fuel cell peripheral (Balance of Plant, BOP) for supplying fuel and air to the fuel cell stack and supplying the generated electrical energy to a driving target. An apparatus for monitoring the performance of a battery system,
A controller for generating a control signal for controlling the fuel cell peripheral device according to a preset control pattern;
A performance monitoring unit for receiving operation data of the fuel cell peripheral device controlled by the controller and monitoring the performance of the solid oxide fuel cell system by comparing the received operation data with the control pattern;
A display unit for displaying the control pattern and operation data of the fuel cell peripheral device so as to be monitored; And
And monitoring the performance of the solid oxide fuel cell system, comprising: an input / output interface unit for transmitting a control signal from the controller to the fuel cell peripheral device and transmitting operation data of the fuel cell peripheral device to the performance monitoring unit. Device for
제 1 항에 있어서,
상기 성능 모니터링부는,
상기 연료전지 주변장치의 정상 동작과 관련된 사양 데이터를 저장하는 사양 데이터베이스;
상기 연료전지 주변장치의 동작 데이터를 수집하고, 수집된 동작 데이터를 상기 연료전지 주변장치의 동작을 시뮬레이션할 수 있도록 로그파일 형태로 저장하며, 저장된 로그파일을 이용하여 상기 고체산화물 연료전지 시스템을 모델링하는 동작 시뮬레이션부;
상기 사양 데이터베이스에 저장된 사양 데이터를 상기 시뮬레이션부로부터 수신된 로그파일과 비교하여 상기 고체산화물 연료전지 시스템의 동작에 오류가 발생되는지 검출하는 오류 검출부; 및
상기 동작 시물레이션부로부터의 로그파일을 분석하여 상기 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 평가하기 위한 성능 평가부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링하기 위한 장치.
The method of claim 1,
The performance monitoring unit,
A specification database for storing specification data relating to normal operation of the fuel cell peripheral device;
Collecting operation data of the fuel cell peripheral device, storing the collected operation data in a log file form to simulate the operation of the fuel cell peripheral device, and modeling the solid oxide fuel cell system using the stored log file An operation simulation unit;
An error detection unit for detecting whether an error occurs in an operation of the solid oxide fuel cell system by comparing the specification data stored in the specification database with a log file received from the simulation unit; And
And a performance evaluation unit for analyzing the log file from the operation simulation unit to evaluate the performance of the solid oxide fuel cell system.
제 2 항에 있어서,
상기 성능 평가부는,
상기 연료전지의 전지 에너지를 산출하기 위한 전지 에너지 산출부;
상기 연료전지에 공급되는 연료량을 계산하기 위한 연료량 계산부;
상기 연료전지 주변장치의 열수지를 연산하기 위한 열수지 연산부; 및
상기 고체산화물 연료전지 시스템에서 발생되는 열 에너지를 결정하기 위한 열 에너지 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링하기 위한 장치.
3. The method of claim 2,
The performance evaluation unit may include:
A battery energy calculator for calculating battery energy of the fuel cell;
A fuel amount calculation unit for calculating a fuel amount supplied to the fuel cell;
A heat balance calculator configured to calculate a heat balance of the fuel cell peripheral device; And
Apparatus for monitoring the performance of the solid oxide fuel cell system comprising a heat energy determination unit for determining the heat energy generated in the solid oxide fuel cell system.
제 2 항에 있어서,
상기 동작 시물레이션부는 위너모드 시스템 식별 알고리즘을 이용하여 상기 고체산화물 연료전지 시스템을 모델링하며, 상기 위너모드 시스템 식별 알고리즘의 파라미터값은
Figure pat00005

인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링하기 위한 장치.
3. The method of claim 2,
The operation simulation unit models the solid oxide fuel cell system using a Winner mode system identification algorithm, and the parameter value of the Winner mode system identification algorithm is
Figure pat00005

Apparatus for monitoring the performance of a solid oxide fuel cell system, characterized in that.
제 1 항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 연료전지 주변장치의 동작을 제어하기 위한 정상 동작모드 및 상기 연료전지 주변장치로 테스트 신호를 인가하고 그에 따른 응답신호를 분석하여 정상 동작 여부를 판단하는 점검 모드 중 하나의 동작 모드에 따라서 동작하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링하기 위한 장치.
The method of claim 1,
The controller is in one of the normal operation mode for controlling the operation of the fuel cell peripheral device and one of the check mode for applying a test signal to the fuel cell peripheral device and analyzing the response signal according to the result. Therefore, the apparatus for monitoring the performance of the solid oxide fuel cell system, characterized in that it operates.
고체산화물로부터 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택 및 상기 연료전지 스택에 연료 및 공기를 공급하고 생성된 전기 에너지를 구동 대상에 공급하는 연료전지 주변장치(BOP)를 포함하는 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링하기 위한 방법에 있어서,
상기 연료전지 주변장치의 동작을 제어하기 위한 정상 동작모드 및 상기 연료전지 주변장치로 테스트 신호를 인가하고 그에 따른 응답신호를 분석하여 정상 동작 여부를 판단하는 점검 모드 중 하나의 동작 모드를 결정하는 동작 모드 결정 단계;
결정된 동작 모드에 따라 기설정된 제어 패턴을 결정하고 결정된 제어 패턴에 따라 상기 연료전지 주변장치를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 상기 연료전지 주변장치로 제공하는 단계;
상기 제어 신호에 따라서 제어되는 상기 연료전지 주변장치의 동작 데이터를 수신하는 단계;
상기 제어 패턴 및 상기 연료전지 주변장치의 동작 데이터을 모니터링 가능하도록 표시하는 단계; 및
상기 연료전지 주변장치의 동작 데이터를 상기 제어 패턴과 비교하여 상기 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링하기 위한 방법.
Performance of a solid oxide fuel cell system including a fuel cell stack that generates electrical energy from a solid oxide and a fuel cell peripheral (BOP) that supplies fuel and air to the fuel cell stack and supplies the generated electrical energy to a driving target. In the method for monitoring,
Determining one operation mode among a normal operation mode for controlling the operation of the fuel cell peripheral device and a check mode for applying a test signal to the fuel cell peripheral device and analyzing the response signal according to the result. Mode determination step;
Determining a predetermined control pattern according to the determined operation mode, and generating and providing a control signal for controlling the fuel cell peripheral device to the fuel cell peripheral device according to the determined control pattern;
Receiving operation data of the fuel cell peripheral device controlled according to the control signal;
Displaying the control pattern and operation data of the fuel cell peripheral device for monitoring; And
Monitoring the performance of the solid oxide fuel cell system by comparing operation data of the fuel cell peripheral with the control pattern.
제 6 항에 있어서,
고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링하는 단계는,
상기 연료전지 주변장치의 정상 동작과 관련된 사양 데이터를 사양 데이터베이스로부터 수신하는 단계;
상기 연료전지 주변장치의 동작 데이터를 수집하고, 수집된 동작 데이터를 상기 연료전지 주변장치의 동작을 시뮬레이션할 수 있도록 로그파일 형태로 저장하는 단계;
저장된 로그파일을 이용하여 상기 고체산화물 연료전지 시스템을 모델링하는 단계;
상기 사양 데이터베이스에 저장된 사양 데이터를 상기 로그파일과 비교하여 상기 고체산화물 연료전지 시스템의 동작에 오류가 발생되는지 검출하는 단계; 및
상기 로그파일을 분석하여 상기 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링하기 위한 방법.
The method according to claim 6,
Monitoring the performance of the solid oxide fuel cell system,
Receiving specification data relating to normal operation of the fuel cell peripheral from a specification database;
Collecting operation data of the fuel cell peripheral device and storing the collected operation data in the form of a log file to simulate the operation of the fuel cell peripheral device;
Modeling the solid oxide fuel cell system using a stored log file;
Comparing the specification data stored in the specification database with the log file and detecting whether an error occurs in an operation of the solid oxide fuel cell system; And
Analyzing the log file to evaluate the performance of the solid oxide fuel cell system.
제 7 항에 있어서,
상기 고체산화물 연료전지 시스템을 모델링하는 단계는,
위너모드 시스템 식별 알고리즘을 이용하여 상기 고체산화물 연료전지 시스템을 모델링하며, 상기 위너모드 시스템 식별 알고리즘의 파라미터값은
Figure pat00006

인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 시스템의 성능을 모니터링하기 위한 방법.
The method of claim 7, wherein
Modeling the solid oxide fuel cell system,
The solid oxide fuel cell system is modeled using a winner mode identification algorithm, and the parameter value of the winner mode identification algorithm is
Figure pat00006

A method for monitoring the performance of a solid oxide fuel cell system, characterized in that.
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