KR20170100116A - 소형 이동형 고분자전해질연료전지의 셀전압 측정장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이동형 소형 연료전지 시스템의 스택내 단위 셀 각각의 출력되는 전압을 측정하는 방법에 관한 발명이다. 보다 상세하게는, 연료전지 CVM(Cell Voltage Monitoring)장치에 있어서 CVM 각 모듈간의 전압차에 의한 회로 파손 방지를 위해 스택과 CVM간에 전원 Isolation하는 방법 및 그의 제어방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 이동형 소형 연료전지 시스템의 스택 내 단위 셀 각각의 출력되는 전압을 측정하는 방법에 관한 발명이다. 보다 상세하게는, 연료전지 CVM(Cell Voltage Monitoring)장치에 있어서 CVM 각 모듈간의 전압차에 의한 회로 파손 방지를 위해 스택과 CVM간에 전원 Isolation하는 방법 및 그의 제어방법에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템으로서, 대개 연료전지 차량에 적용되고 있다.
연료전지 시스템은 연료전지 스택, 연료전지 스택으로 수소를 공급하는 수소 공급부, 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급부 및 연료전지 스택의 반응열과 물을 제거하고 연료전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열/물 관리 장치를 구비하고 있다.
연료전지 스택은 수십에서 수 백장의 단위 셀들이 연속적으로 배열된 전기 발생 집합체로 이루어지며, 단위 셀은 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 사이에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 배치하여 구성될 수 있다.
이러한 연료전지 스택은 연속적으로 적층된 단위 셀들의 최 외측(양측)에 설치되는 엔드 플레이트를 구비하며, 이들 엔드 플레이트는 체결수단을 통해 체결되며 단위 셀들을 가압한다.
그리고, 단위 셀들의 세퍼레이터에는 반응기체(수소와 공기)와 냉각수를 공급 및 배출하기 위한 매니폴드를 형성하고 있으며, 어느 한 쪽의 엔드 플레이트에는 매니폴드와 연결되는 반응기체 입구 및 출구를 형성하고 있다.
따라서, 엔드 플레이트의 반응기체 입구로 공급된 반응기체는 매니폴드를 따라 유동하며 단위 셀들로 공급되고, 단위 셀들에 공급되고 남은 반응기체는 다른 매니폴드를 따라 유동하며 엔드 플레이트의 반응기체 출구를 통해 배출될 수 있다. 이 과정에 연료전지 스택은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키게 된다.
그런데, 이와 같은 연료전지 스택의 성능은 그 연료전지 스택에서 발생하는 전류와 전압 측정으로 평가된다. 특히 각 단위셀의 전압 측정은 스택 운전시 각 단위 셀의 성능 및 특성을 나타내주는 중요한 자료가 된다. 따라서 연료전지스택이 최적의 상태로 안정적으로 운전되고 갑작스런 성능 감소에 따른 운전정지를 방지하기 위해 각 단위 셀의 전압을 측정하여 감시해야 한다.
이러한 이유는, 연료극과 공기극을 적층해 놓은 연료전지 스택에서 단위 셀간에 성능 편차가 있을 경우, 성능이 낮은 단위 셀은 매우 낮은 전압으로 인하여 손상을 입을 가능성이 커지는 문제점이 발생하기 때문이다. 결국 연료전지 스택에서 단위 셀의 이상 유무를 감지하고, 전압을 실시간으로 측정이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 연료전지 시스템의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 단위 셀의 전압을 실시간으로 측정하고 이상 유무를 감지하여 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 연료전지 스택의 단위 셀 전압을 측정하는데 있어서 연료전지 CVM(Cell Voltage Monitoring)장치를 구비하여 CVM 각 모듈간의 전압차에 의한 회로 파손 방지를 위해 스택과 CVM간에 전원 Isolation하는 방식을 통해 시스템을 안전하게 보호하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 단위 셀들이 적층되어 구성되는 연료전지 스택; 상기 단위 셀과 전기적으로 연결되어 상기 단위 셀의 전압 값을 측정하는 CVM 모듈부; 상기 측정된 전압 값을 통신을 이용하여 전달하는 통신수단; 그리고, 상기 통신수단으로부터 전압 값을 전달받고 상기 단위 셀의 이상 유무를 감지하여 연료전지 시스템의 운전을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성된다.
상기 측정 CVM 모듈부는, 상기 단위 셀과 전기적으로 연결되어 상기 단위 셀의 전압값을 측정하는 측정부와, 상기 측정된 전압 값을 디지털 값으로 변환하는 신호처리부와, 상기 신호처리부에서 변환된 디지털 값을 신호로 변환하여 송신하는 통신 송신부를 포함하여 구성된다.
상기 처리모듈은, 상기 통신 송신부에서 송신된 신호를 수신하여 상기 디지털 값으로 변환하는 통신수신부와, 상기 연료전지 시스템의 운전을 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다. 상기 연료전지 스택에 적층된 모든 단위 셀의 전압 값이 상기 통신 라인을 통해 송수신 된다. 상기 단위 셀의 전압 값을 표시하는 표시부;를 더 포함하고, 상기 제어부는 단위 셀의 전압 값을 표시한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 연료전지 스택에 적층된 단위 셀의 전압 값을 측정하는 단계; 상기 측정된 전압 값을 광통신 방식으로 전송하는 단계; 그리고, 상기 전송된 전압 값에 기초하여 상기 단위 셀의 이상 유무를 감지하고 연료전지 시스템의 운전을 제어하는 단계;를 포함하여 구성된다.
본 발명의 바람직한 효과에 따르면, 신재생에너지의 보급이 확산되고 있는 추세이므로 연료전지시스템의 보급도 확대될 것으로 보여 지며, 특히 소형 연료전지시스템은 I출력 밀도가 커서 소형화가 가능하며 응용 기술의 적용이 용이해 적은 이용 규모에도 상업화가 가능하다는 장점을 가진다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 소형연료전지시스템의 구성을 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 소형연료전지시스템의 실시예.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 스택용 셀 전압 측정방법의 흐름도.
도 1은 본 발명에 따른 소형연료전지시스템의 구성을 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 소형연료전지시스템의 실시예.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 스택용 셀 전압 측정방법의 흐름도.
이하 본 발명에 의한 연료전지 스택용 셀 전압 측정방법 및 장치의 바람직한 실시 예의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1는 본 발명에 따른 소형연료전지시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
공기와 가스를 공급받아서 수소가스로 개질하는 개질기(11)와, 한 쌍의 애노드와 캐소드를 구비한 복수개의 셀이 적층된 연료전지스택(10)과, 연료전지 스택전압을 측정하는 CVM모듈(31), 전체 연료전지시스템에 안정적인 전원 공급을 관장하는 상시구동 컨버터(21), 초기구동 컨버터(23), 초기 구동 컨버터의 입력전압으로 들어가는 이차전지 및 충전장치(22) 전체 연료전지시스템의 제어를 관장하며 온도 및 가스, 공기 등의 파라미터를 이용하여 연료전지 시스템을 제어하는 제어기(41)가 구비된다.
도 2에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치의 구성도가 도시되어 있다.
도 2를 보면 본 실시 예는 단위 셀의 전압 값을 측정하는 구성을 모듈 형태로 제공하고 있음을 알 수 있다. 이를 구체적으로 설명하기로 한다.
우선, 복수의 단위 셀들이 적층되어 구성되는 연료전지 스택(10)이 구비된다.
상기 연료전지 스택(10)에 구비된 각 단위 셀의 전압 값을 측정하기 위한 측정모듈(30)이 구비된다. 상기 측정모듈(30)에는 상기 단위 셀의 전압 값을 절연 증폭해주는 아날로그 절연 증폭부(31)와, 상기 전열 증폭부의 신호를 셀렉트하는 MUX(32), 셀렉트된 아날로그 전압 값을 디지털 값으로 변환하는 A-D 변환부(33)와, 상기 신호A-D 변환부(33)에서 변환된 디지털 값을 신호 처리하는 신호처리부(34)와, 상기 신호로 변환하여 송신하는 통신 송신부(35)가 구비된다.
상기 통신 송신부(35)에는 1개의 통신 라인이 연결된다. 상기 통신 라인은 상기 연료전지 스택(10)에 적층된 모든 단위 셀들의 전압 값을 전송할 수 있는 기능을 갖는다.
상기 통신 송신부(35)에서 송신된 신호를 디지털 값으로 변환하는 통신 수신부(41)가 구비된다. 그리고 상기 변환된 디지털 값에 기초하여 상기 단위 셀의 이상 유무를 감지하고 연료전지 시스템의 운전을 제어하는 제어부(42)가 구비된다. 또 상기 단위 셀의 전압 값을 표시하는 표시부(43)가 구비된다. 상기 표시부(43)는 스택의 단위 셀에 측정된 전압을 일괄 표시한다. 여기서 상기 통신 수신부(41), 제어부(42), 표시부(43)도 하나의 모듈 형태로 구성된다. 이를 제어모듈(40)로 칭하기로 한다. 상기 처리모듈(40)에는 상기 제어부(42)와 연계된 각종 주변회로(미도시)가 구비된다.
이어 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 실시 예의 연료전지 스택용 셀 전압 측정방법을 도 3을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 3에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 스택용 셀 전압 측정방법의 흐름도가 도시되어 있다.
연료전지로부터 전원을 공급받아 시스템이 운전되면(S100), 상기 단위 셀의 전압을 측정하기 시작한다(S101). 보통 단위 셀은 연료전지 시스템의 용량에 따라 연료전지 스택(10)에 최소한 50 ~ 60개의 단위 셀이 적층되며, 모든 단위 셀에 대한 전압을 측정한다. 이때 측정된 전압 값은 아날로그 값이다.
상기 측정된 전압 값은 아날로그 전열 증폭부(31)와 MUX(32)를 통해 A/D 변환부로 전달되며 신호처리부(34)를 통해 상기 전압 값은 디지털 값으로 변환된다(S103). 이때 상기 단위 셀에 대해 동시에 전압 값을 측정하고 디지털 값으로 변환할 수도 있고, 적층된 순서대로 전압 값을 측정하면서 디지털 값으로 변환할 수도 있다.
일단, 상기 측정된 단위 셀의 전압 값이 디지털 값으로 변환되면, 상기 변환된 전압 값은 통신 송신부(35)로 전달된다. 통신라인을 매개하여 제어모듈(40)의 통신 수신부(41)로 전달한다(S104). 그러면 상기 통신수신부(41)는 상기 신호를 디지털 값으로 변환하고(S105), 이를 다시 제어부(42)로 전달한다.
그러면 상기 제어부(42)는 단위 셀각각의 전압 값을 전달받는다.
일단 상기 제어부(42)는 전달받은 전압 값을 단위 셀의 임계전압과 비교한다. 상기 임계전압은 단위셀이 발전할 수 있는 최저 전압 값을 말한다. 상기 단위 셀의 전압 값이 임계전압 이하가 되면 해당단위 셀은 손상될 가능성이 있다. 이는 연료전지 스택(10)의 사양 및 각 단위 셀의 특성에 따라 상이하게 정해진다.
상기 제어부(42)는 상기 비교결과, 상기 임계전압보다 낮은 전압을 갖는 단위 셀이 있는지 검사한다(S106).
상기 검사 결과에 따라 현재 모든 단위 셀의 전압 값이 임계 전압 이상이면, 상기 제어부(42)는 연료전지시스템의 운전을 정상적으로 제어한다. 반면, 적어도 하나의 단위 셀의 전압 값이 임계전압보다 낮은 경우, 상기 제어부(42)는 연료전지 스택의 몇 번째 단위 셀에 이상 발생함을 알람하고, 동시에 연료전지시스템의 운전을 정지하도록 제어한다(S108). 따라서 단위 셀의 전압 값을 정확하게 측정할 수 있어 연료전지시스템의 운전을 효율적으로 제어하게 된다.
한편, 상기 제어부(42)는 상기 단위 셀의 전압 값을 모두 표시부(43)에 표시하지 않는다. 즉 임계전압이하인 단위 셀의 전압 값만을 표시부(43)에 표시하도록 한다. 또는 단위 셀의 일련 번호를 전압값과 함께 표시하도록 한다. 이는 제어부(42)의 부하를 감소시키는 이점이 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 실시 예는 단위 셀의 전압 값을 정확하게 측정할 수 있어 연료전지시스템의 운전을 보다 효율적으로 제어할 수 있다.
10 ; 연료전지스택
11 ; 개질기
21 ; 상시 구동 컨버터 22 ; 2차 전지 및 충전장치
23 ; 초기 구동 컨버터 30; CVM
40; 제어 모듈 51 ; LOAD
21 ; 상시 구동 컨버터 22 ; 2차 전지 및 충전장치
23 ; 초기 구동 컨버터 30; CVM
40; 제어 모듈 51 ; LOAD
Claims (2)
- 단위 셀들이 적층되어 구성되는 연료전지 스택;
상기 단위 셀과 전기적으로 연결되어 상기 단위 셀의 전압 값을 측정할 수 있는 CVM 장치;
상기 측정된 전압 값을 통신을 이용하여 전달하는 통신수단; 그리고,
상기 통신수단으로부터 전압 값을 전달받고 상기 단위 셀의 이상 유무를 감지하여 연료전지 시스템의 운전을
제어하는 제어부;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료전지 스택용 셀 전압 측정 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 CVM 장치에는 단위 셀 전압과 장치간의 전압을 절연하여 증폭시켜주는 아날로그 전연 증폭부를 포함함을 특징으로 하는 연료전지 스택용 셀 전압 측정 장치.
Priority Applications (1)
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| KR1020160022247A KR20170100116A (ko) | 2016-02-25 | 2016-02-25 | 소형 이동형 고분자전해질연료전지의 셀전압 측정장치 및 그 방법 |
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| KR (1) | KR20170100116A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20240015771A (ko) | 2022-07-27 | 2024-02-06 | 블루에프씨(주) | 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치 |
| KR20240015770A (ko) | 2022-07-27 | 2024-02-06 | 블루에프씨(주) | 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치 |
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2016
- 2016-02-25 KR KR1020160022247A patent/KR20170100116A/ko not_active Application Discontinuation
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| KR20240015770A (ko) | 2022-07-27 | 2024-02-06 | 블루에프씨(주) | 연료전지 스택용 셀 전압 측정장치 |
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