KR20190012881A - Inverter and fuel cell system using it - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전력변환장치(inverter) 및 이를 이용한 연료전지 시스템에 대한 것이다 The present invention relates to a power inverter and a fuel cell system using the same
연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료전지 시스템은 개질기, 스택, 전력변환장치 및 시스템 제어기등으로 구성된다. 여기서, 전기적 구조는 스택에서 전력변환장치를 통하여 전력계통으로 연결된다. A fuel cell is a power generation system that converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol, ethanol, and natural gas directly into electric energy. The fuel cell system includes a reformer, a stack, a power converter, and a system controller. Here, the electrical structure is connected to the power system through the power conversion device in the stack.
전력계통 전원이 변경(예를 들어, 차단 또는 순간정전)이 되면, 전력계통에서 전원이 인가되어 동작되는 전력변환장치의 제어기는 정지되는 문제점이 있다. 연료전지 시스템은 가동중에 정지가 되면, 재 가동을 위해 상당히 시간이 소모되는 문제점이 있다. When the power system power source is changed (for example, interrupting or momentary power failure), there is a problem that the controller of the power conversion apparatus, which is powered by the power system, is stopped. When the fuel cell system is stopped during operation, a considerable amount of time is consumed for restarting the fuel cell system.
본 발명은 전력계통 전원이 변경되어 차단되어도, 전원을 공급받아 가동하여 추후 전력계통 복구시 즉시 접속이 가능한 전력변환장치 및 연료시스템을 제공하고자 한다. The present invention is to provide a power conversion device and a fuel system that can be connected to a power system when a power system is restored, even when the power system power source is changed and shut down.
본 발명의 일 측면에 따르면, 연료전지 시스템의 스택에서 생성된 전력을 전력계통에 전달하는 전력변환장치에 있어서, 상기 스택과 제1 노드 사이에 연결되어, 상기 스택에서 발생한 전력을 지정된 DC전압으로 DC/DC 컨버전하는 DC/DC 컨버터; 상기 제1노드와 상기 전력계통 사이에 연결되어, 상기 제1 노드를 통해 입력된 전압을 DC/AC 인버젼하여 상기 전력계통으로 출력하는 DC/AC 인버터; 및 상기 DC/DC 컨버터 및 상기 DC/AC 인버터를 제어하는 제어부를 포함하되; 상기 전력계통 전원이 변동되어 상기 전력계통 차단시 상기 스택에서 발생한 전력 중 일부가 상기 제어부로 공급되어, 상기 전력계통 복구시 즉시 접속이 가능한 전력변환장치가 제공될 수 있다. According to an aspect of the present invention, there is provided a power conversion apparatus for transferring power generated in a stack of a fuel cell system to a power system, the power conversion apparatus being connected between the stack and a first node, A DC / DC converter for DC / DC conversion; A DC / AC inverter connected between the first node and the power system, the DC / AC inverter outputting a voltage input through the first node to the power system by DC / AC conversion; And a controller for controlling the DC / DC converter and the DC / AC inverter; A power conversion apparatus can be provided in which a part of the power generated in the stack when the power system power source is changed due to the variation of the power system power source is supplied to the control unit and is immediately accessible when the power system is restored.
또한, 상기 제1 노드에 연결되어 상기 제어부에 지정된 DC전압을 공급하는 비상전원 공급부를 더 포함할 수 있다.The controller may further include an emergency power supply connected to the first node to supply a DC voltage to the controller.
여기서, 상기 비상전원공급장치는 DC/DC SMPS(Switched-Mode Power Supply)일 수 있다. Here, the emergency power supply may be a DC / DC Switched-Mode Power Supply (SMPS).
또한, 상기 전력계통과 상기 제어부 사이에 연결되어, 상기 전력변환장치 시동시 시동전력을 상기 제어부로 공급하는 시동전원 공급부를 더 포함할 수 있다. The power conversion apparatus may further include a starting power supply unit connected between the power system and the control unit and supplying the starting power to the control unit when the power conversion apparatus is started.
여기서, 상기 시동전원 공급부는 AC/DC SMPS(Switched-Mode Power Supply)일 수 있다. Here, the starting power supply unit may be an AC / DC Switched-Mode Power Supply (SMPS).
또한, 상기 제1 노드와 상기 DC/AC 인버터 사이에 연결되어, 상기 제1 노드의 전압을 안정화하는 DC 링크 커패시터를 더 포함할 수 있다. The apparatus may further include a DC link capacitor connected between the first node and the DC / AC inverter to stabilize a voltage of the first node.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 연료전지 시스템에 있어서, 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기; 상기 수소가스와 산소를 전기 화학반응시켜 전력을 발생시키는 스택; 및 상기 스택에서 생성된 전력을 전력계통에 전달하는 전력변환장치를 포함하되, 상기 전력변환장치의 내부 구성을 제어하는 제어부는 상기 연료전지 시동시 상기 전력계통으로부터 전원을 공급받으나, 상기 연료전지 시스템 가동후에는 상기 스택에서 발생된 전력 중 일부를 공급받아, 상기 전력계통 전원이 변동되어 상기 전력계통이 차단되어도 동작하여, 상기 전력계통 복구시 즉시 접속이 가능하도록 상기 전력변환장치를 제어하는, 연료전지 시스템이 제공될 수 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system comprising: a reformer for reforming a fuel to generate hydrogen gas; A stack for generating electricity by electrochemically reacting the hydrogen gas and oxygen; And a power conversion device for transferring power generated in the stack to a power system, wherein a controller for controlling an internal configuration of the power conversion device receives power from the power system at the start of the fuel cell, And a control unit that controls the power conversion apparatus so that the power system is powered on when the power system is powered on and the power system is disconnected, A fuel cell system can be provided.
또한, 상기 전력변환장치는, 상기 스택과 제1 노드 사이에 연결되어, 상기 스택에서 발생한 전력을 지정된 DC전압으로 DC/DC 컨버전하는 DC/DC 컨버터; 상기 제1노드와 상기 전력계통사이에 연결되어, 상기 제1 노드를 통해 입력된 전압을 DC/AC 인버젼하여 상기 전력계통으로 출력하는 DC/AC 인버터; 및 상기 제1 노드에 연결되어 상기 제어부에 지정된 DC전압을 공급하는 비상전원 공급부를 포함할 수 있다. The power conversion apparatus further includes a DC / DC converter connected between the stack and the first node for DC / DC conversion of power generated in the stack to a specified DC voltage; A DC / AC inverter connected between the first node and the power system, the DC / AC inverter outputting a voltage input through the first node to the power system by DC / AC conversion; And an emergency power supply connected to the first node and supplying a DC voltage designated to the control unit.
본 실시예에 따르면, 전력계통 전원이 변경되어 차단되어도, 전원을 공급받아 가동하여 추후 전력계통 복구시 즉시 접속이 가능하다는 장점이 있다.According to the present embodiment, even if the power system power source is changed and shut down, there is an advantage that it can be connected to the power system when the power system is recovered in the future.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 예시한 블록도.1 is a block diagram illustrating a configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention;
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, numerals (e.g., first, second, etc.) used in the description of the present invention are merely an identifier for distinguishing one component from another.
또한, 명세서 전체에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.Also, throughout the specification, when an element is referred to as being "connected" or "connected" with another element, the element may be directly connected or directly connected to the other element, It should be understood that, unless an opposite description is present, it may be connected or connected via another element in the middle.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하나 이상의 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합으로 구현될 수 있음을 의미한다. Also, throughout the specification, when an element is referred to as "including" an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise. Also, the terms "a "," module ", and the like in the description mean a unit for processing at least one function or operation, which means that it can be implemented by one or more hardware or software or a combination of hardware and software .
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 예시한 블록도이다. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은 개질기(100), 스택(110), 전력변환장치(130) 및 시스템 제어기(120)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention may include a
본 실시예에 따른 개질기(100)는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시킬 수 있으며, 스택(110)은 수소가스와 산소를 전기 화학반응시켜 전력을 발생시키며, 전력변환장치(130)는 스택(110)에서 생성된 전력을 전력계통(150)에 전달하며, 시스템 제어기(120)는 연료시스템의 각 구성을 제어할 수 있다.The
전력계통(150)은 변전소, 송전선을 포함하는 전기적 연계(grid)이다. The
본 발명의 출원시, 상술한 개질기(100), 스택(110), 전력변환장치(130) 및 시스템 제어기(120)의 기본 구성 및 기본 기능은 공지되었으므로, 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다.Since the basic configuration and basic functions of the
본 실시예에 따른 전력변환장치(130)는 DC/DC 컨버터(131), DC링크 커패시터(132), DC/AC 인버터(133), 계통연계기(134), 비상전원 공급부(135) 및 제어부(136)를 포함할 수 있다. The
DC/DC 컨버터(131)는 스택(110)과 제1 노드(137)에 사이에 연결되어, 스택(110)에서 발생한 전력을 제1 노드(137)의 DC 전압으로 DC/DC 컨버전(conversion)할 수 있다. DC/DC 컨버터(131)의 동작은 스택(110)에서 발전하는 전력에 따라 변화할 수 있다. The DC /
DC/AC 인버터(133)는 제1 노드(137)와 전력계통(150)사이에 연결되어, 제1 노드(137)를 통해 입력된 전압을 DC/AC 인버젼(inversion)하여 전력계통(150)으로 출력할 수 있다. 보다 상세하게는, DC/AC 인버터(133)는 스택(110)으로부터 DC/DC 컨버터(131)를 거쳐 출력되는 DC 전압을 전력계통(150)에 공급하기 위한 AC 전압으로 변환한다. The DC /
DC링크 커패시터(132)는 제1 노드(137)와 DC/AC 인버터(133) 사이에 연결되어, 제1 노드의 전압을 DC 링크 전압 레벨로 안정화할 수 있다. 예를 들어 스택(110)에서 생산되는 전력의 급격한 변화 또는 전력계통(150)에서 발생하는 순시 전압 강하로 인하여 제1 노드(137)의 전압 레벨이 불안정해 질 수 있다. 그러나 제1 노드(137)의 전압은 DC/DC 컨버터(131) 및 DC/AC 인버터(134)의 안정적인 동작을 위하여 일정하게 유지되어야 하는데, DC링크 커패시터(132)가 이와 같은 역할을 한다. DC링크 커패시터(132)는 슈퍼 커패시터로 구현될 수 있으며, 2차 전지와 같은 에너지 저장 장치를 사용할 수도 있다.The
계통연계기(134)는 전력계통(150)과 DC/AC 인버터(133) 사이에 연결된다. 계통연계기(134)는 전력계통(150) 전원이 변동되는 경우(예를 들어, 정전과 같이 이상 상황이 발생하는 경우)에 제어부(136)의 제어하에 전력변환장치(130)와 전력계통(150)의 연계를 차단할 수 있다. 계통연계기(134)는 스위칭 소자로 구현될 수 있으며, 접합형 트랜지스터(BJT), 전계 효과트랜지스터(FET) 등 일 수 있다.The
본 실시예에 따른 제어부(136)는 전력변환장치(130)의 각 구성을 제어할 수 있다. The
일반적으로, 연료전지 시스템 시동(즉, 가동을 준비할때)시, 전력변환장치(130)의 제어부(136)는 전력계통(150)으로부터 전원을 공급받을 수 있다. 이에 대응되도록, 도 1에는 전력변환장치(130) 시동시 전력계통(150)으로부터 제어부(136)에 전원을 공급하는 시동전원 공급부(140)를 별도로 표시하였다. 도 1에는 시동전원 공급부(140)가 다른 구성과 별대로 구분하여 도시하였으나, 이는 일 실시예에 불과하며 전력변환장치(130) 또는 다른 구성에 포함될 수 있음은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 자명할 것이다. Generally, the
여기서, 시동전원 공급부(140)는 전원을 공급하는 다양한 형태일 수 있으며, 예를 들어 AC/DC SMPS(Switched-Mode Power Supply)일 수 있다. Here, the
제어부(136)는 전력계통(150) 전원 변동시(예를 들어, 정전과 같이 이상상황 발생시) 계통연계기(134)를 제어하여, 전력변환장치(130)와 전력계통(150)의 연결을 차단할 수 있다. The
이 때, 종래기술에 따르면 전력계통(150) 차단시 전력계통(150)으로부터 전원을 공급받아 가동되는 제어부(136)는 작동을 멈추게 되고, 이는 곧 전력변환장치(130), 스택(110) 등을 포함하는 연료전지 시스템이 중단을 초래한다. In this case, according to the related art, when the
연료전지 시스템은 특성상 가동이 중단되면, 다시 재가동하기 위하여 상당한 시간이 소요되는 문제점이 있다. The fuel cell system is problematic in that it takes a considerable time to reactivate the fuel cell system when the fuel cell system is shut down due to its characteristics.
본 발명의 실시예에 따르면, 전력계통(150) 차단시 스택에서 발생한 전력 중 일부가 제어부(136)로 공급되어, 계통 복구시 전력변환장치(130)가 즉시 계통에 접속이 가능하다는 장점이 있다. According to the embodiment of the present invention, some of the power generated in the stack when the
보다 상세하게는, 도 1에 예시된 바와 같이, 제1 노드(137)에 연결된 비상전원 공급부(135)가 구비될 수 있다. 비상전원 공급부(135)는 연료전지 시스템 가동 후 스택(110)에서 생성된 전력이 DC/DC 컨버터(131)에서 DC 전압으로 출력되면, DC 전압을 제어부(136)에 공급할 수 있다. 따라서, 전력계통(150) 차단시 전력계통(150)으로부터 제어부(136)에 전원이 공급되지 아니하여도, 제어부(136)는 비상전원 공급부(135)로부터 전원을 공급받아 동작함으로써, 추후 전력계통(150) 복구시 전력변환장치(130)가 계통에 즉시 연결되도록 전력변환장치(130)의 내부구성을 대기모드로 제어할 수 있다. 이는 곧, 전력계통(150) 차단시, 전력변환장치(130)에 전력을 공급하는 스택(110)도 또한, 가동 중단되지 아니하고, 추후 전력계통(150) 복구시 즉시 정상 가동을 할 수 있도록 대기모드로 제어할 수 있다는 장점이 있다. More specifically, as illustrated in FIG. 1, an
도 1에는 비상전원 공급부(135)가 제1 노드(137)에 연결된 것으로 도시하였으나, 이는 일 실시예에 불과하며 DC링크 커패시터(132)에 직접, 또는 후단 등 다양한 곳에 연결되어 전원을 공급받을 수 있음은 본 발명의 사상에 비추어 당업자에게 자명하다 할 것이다. Although the emergency
비상전원 공급부(135)는 전원을 공급하는 다양한 형태일 수 있으며, 예를 들어 DC/DC SMPS(Switched-Mode Power Supply)일 수 있다.
또한, 본 발명이 적용되는 환경에 따라 제어부(136)는 다양하게 구성될 수 있는 바, 비상전원 공급부(135)는 제1 노드(137)의 DC 전압을 필요시 승압 또는 감압하여 제어부(136)에 공급할 수 있는 형태로 구현될 수 있다. The emergency
이상에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the following claims And changes may be made without departing from the spirit and scope of the invention.
100: 개질기
110: 스택
120: 시스템 제어기
130: 전력변환장치
140: 시동전원 공급부
150: 전력계통100: reformer 110: stack
120: System controller 130: Power converter
140: Startup power supply unit 150: Power system
Claims (8)
상기 스택과 제1 노드 사이에 연결되어, 상기 스택에서 발생한 전력을 지정된 DC전압으로 DC/DC 컨버전하는 DC/DC 컨버터;
상기 제1노드와 상기 전력계통 사이에 연결되어, 상기 제1 노드를 통해 입력된 전압을 DC/AC 인버젼하여 상기 전력계통으로 출력하는 DC/AC 인버터; 및
상기 DC/DC 컨버터 및 상기 DC/AC 인버터를 제어하는 제어부를 포함하되;
상기 전력계통 전원이 변동되어 상기 전력계통 차단시 상기 스택에서 발생한 전력 중 일부가 상기 제어부로 공급되어, 상기 전력계통 복구시 즉시 접속이 가능한 전력변환장치.
1. A power conversion apparatus for transferring power generated in a stack of a fuel cell system to a power system,
A DC / DC converter coupled between the stack and a first node for DC / DC conversion of power generated in the stack to a specified DC voltage;
A DC / AC inverter connected between the first node and the power system, the DC / AC inverter outputting a voltage input through the first node to the power system by DC / AC conversion; And
A controller for controlling the DC / DC converter and the DC / AC inverter;
Wherein a part of the power generated in the stack when the power system power source is shut down is supplied to the control unit when the power system power source is shut down so that the power system can be immediately connected when the power system is restored.
상기 제1 노드에 연결되어 상기 제어부에 지정된 DC전압을 공급하는 비상전원 공급부를 더 포함하는, 전력변환장치.
The method according to claim 1,
And an emergency power supply connected to the first node for supplying a DC voltage designated to the control unit.
상기 비상전원공급장치는 DC/DC SMPS(Switched-Mode Power Supply)인, 전력변환장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the emergency power supply is a DC / DC Switched-Mode Power Supply (SMPS).
상기 전력계통과 상기 제어부 사이에 연결되어, 상기 전력변환장치 시동시 시동전력을 상기 제어부로 공급하는 시동전원 공급부를 더 포함하는, 전력변환장치.
3. The method of claim 2,
Further comprising a starting power supply connected between the power system and the control unit, for supplying starting power to the control unit when starting the power conversion apparatus.
상기 시동전원 공급부는 AC/DC SMPS(Switched-Mode Power Supply)인, 전력변환장치.
5. The method of claim 4,
Wherein the startup power supply is an AC / DC Switched-Mode Power Supply (SMPS).
상기 제1 노드와 상기 DC/AC 인버터 사이에 연결되어, 상기 제1 노드의 전압을 안정화하는 DC 링크 커패시터를 더 포함하는, 전력변환장치.
The method according to claim 1,
Further comprising a DC link capacitor coupled between the first node and the DC / AC inverter to stabilize the voltage at the first node.
연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기;
상기 수소가스와 산소를 전기 화학반응시켜 전력을 발생시키는 스택; 및
상기 스택에서 생성된 전력을 전력계통에 전달하는 전력변환장치를 포함하되,
상기 전력변환장치의 내부 구성을 제어하는 제어부는 상기 연료전지 시동시 상기 전력계통으로부터 전원을 공급받으나, 상기 연료전지 시스템 가동후에는 상기 스택에서 발생된 전력 중 일부를 공급받아, 상기 전력계통 전원이 변동되어 상기 전력계통이 차단되어도 동작하여, 상기 전력계통 복구시 즉시 접속이 가능하도록 상기 전력변환장치를 제어하는, 연료전지 시스템.
In a fuel cell system,
A reformer for reforming the fuel to generate hydrogen gas;
A stack for generating electricity by electrochemically reacting the hydrogen gas and oxygen; And
And a power conversion device for transferring power generated in the stack to a power system,
The control unit controls the internal configuration of the power conversion apparatus. The control unit receives power from the power system when the fuel cell starts, receives some of the power generated in the stack after the fuel cell system starts up, Is operated to shut down the power system, and controls the power conversion apparatus so that the power system can be immediately connected when the power system is restored.
상기 전력변환장치는,
상기 스택과 제1 노드 사이에 연결되어, 상기 스택에서 발생한 전력을 지정된 DC전압으로 DC/DC 컨버전하는 DC/DC 컨버터;
상기 제1노드와 상기 전력계통사이에 연결되어, 상기 제1 노드를 통해 입력된 전압을 DC/AC 인버젼하여 상기 전력계통으로 출력하는 DC/AC 인버터; 및
상기 제1 노드에 연결되어 상기 제어부에 지정된 DC전압을 공급하는 비상전원 공급부를 포함하는, 연료전지 시스템. 8. The method of claim 7,
The power conversion apparatus includes:
A DC / DC converter coupled between the stack and a first node for DC / DC conversion of power generated in the stack to a specified DC voltage;
A DC / AC inverter connected between the first node and the power system, the DC / AC inverter outputting a voltage input through the first node to the power system by DC / AC conversion; And
And an emergency power supply connected to the first node for supplying a DC voltage designated to the control unit.
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