KR20210001177A - 자가 판단에 따라 운전 모드를 제어하는 연료 전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스스로의 상태 진단에 기반한 자가 판단에 따라 운전 모드를 제어하는 기능을 가진 연료 전지(fuel cell) 시스템에 관한 것으로, 연료 전지 시스템은, MBOP(mechanical balance of plant), 스택 모듈, EBOP(electronic balance of plant), 및 상기 MBOP, 상기 스택 모듈, 상기 EBOP의 상태를 감시하고, 상기 MBOP, 상기 스택 모듈, 상기 EBOP의 동작을 제어하는 제어기를 포함한다. 상기 제어기는, 상기 MBOP, 상기 스택 모듈, 상기 EBOP 중 적어도 하나로부터 수집된 정보에 기반하여 운전 또는 상태에 관련된 변수를 결정하고, 결정된 변수에 따라 상기 MBOP, 상기 스택 모듈, 상기 EBOP를 제어한다.

Description

자가 판단에 따라 운전 모드를 제어하는 연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM CAPABLE OF CONTROLLING OPERATING MODE ACCORDING TO SELF-DECISION}

본 발명은 연료 전지(fuel cell) 시스템에 대한 것으로, 스스로의 상태 진단에 기반한 자가 판단에 따라 운전 모드를 제어하는 기능을 가진 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

연료전지(fuel cell)란 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 장치이다. 이 화학 반응은 촉매층 내에서 촉매에 의하여 이루어지며 일반적으로 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능하다. 연료 전지는 미래 에너지인 수소 에너지 및 재생 에너지를 활용하는 핵심 기술로서 활발히 연구되고 있다. 그 중 SOFC(solid oxide fuel cell)은 수소와 탄화수소를 자유롭게 연료로 사용할 수 있고, 에너지 변환 효율이 높은 연료 전지로서, 대기 오염을 억제할 수 있는 가장 유력한 미래 동력원의 하나이다.

본 발명은 연료 전지(fuel cell)의 효과적인 운전을 가능케하는 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 연료 전지의 상태를 자가 판단하여 운전 모드를 조절하는 시스템을 위한 것이다.

본 발명은 연료 전지의 수명을 보장하면서 효율을 최대화하는 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 연료 전지(fuel cell) 시스템은, MBOP(mechanical balance of plant), 스택 모듈, EBOP(electronic balance of plant), 및 상기 MBOP, 상기 스택 모듈, 상기 EBOP의 상태를 감시하고, 상기 MBOP, 상기 스택 모듈, 상기 EBOP의 동작을 제어하는 제어기를 포함한다. 상기 제어기는, 상기 MBOP, 상기 스택 모듈, 상기 EBOP 중 적어도 하나로부터 수집된 정보에 기반하여 운전 또는 상태에 관련된 변수를 결정하고, 결정된 변수에 따라 상기 MBOP, 상기 스택 모듈, 상기 EBOP를 제어한다.

본 발명에 따른 연료 전지(fuel cell) 시스템은 연료 전지의 수명을 보장하면서, 효율을 증대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 동작 원리를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 특성 그래프를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 시스템의 제어를 위한 구조를 도시한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우, 그 상세한 설명은 생략한다.

이하 본 발명은 연료 전지 시스템에 대한 것으로, 스스로의 상태 진단에 기반한 자가 판단에 따라 운전 모드를 제어하는 기능을 가진 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 동작 원리를 도시한다.

물을 전기분해하면 수소 및 산소가 발생한다. 연료 전지는 이 과정을 반대로 이용하는 것으로서, 수소 및 산호로부터 전기를 얻는 전기화학적 발전을 수행한다. 즉, 연료 전지는 수소 및 산호로부터 물, 전기, 열을 생산한다. 따라서, 전기 및 열이 동시에 발생하며, 그 구조에 따라 원하는 전압 및 전류가 얻어진다.

일반적으로 연료 전지의 기본 셀에서 전기를 발생시키기 위해, 연료인 수소를 공급하면, 수소는 연료극의 촉매층에서 수소 이온 및 전자로 산화된다. 그리고, 공기극에서 공급된 산소 및 전해질을 통해 이동한 수소 이온과 외부 도선을 통해 이동한 전자가 결합함으로써, 물을 생성하는 산소 환원 반응이 일어난다. 이러한 과정 중, 전자의 외부 흐름이 전류를 형성하고, 이에 따라 전기가 발생된다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 도시한다.

MBOP(mechanical balance of plant)는 연료와 공기를 공급하는 기계 설비이다. MBOP는 연료전지 스택에 수소, 산소를 공급하는 기계 장치로 열교환기, 가습기, 개질기 등을 포함할 수 있다.

핫-박스(HOT-BOX)는 셀(Cell)을 다수 적층(stack)한 전기 화학적 발전기이다. 핫-박스는 연료 전지 스택이라 불리기도 하며, 전극, 전해질 및 분리판으로 구성된 셀이 적층된 구조로 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생산하는 부분으로서, 연료 전지 시스템의 가장 핵심적인 요소라고 할 수 있다.

EBOP(electronic balance of plant)는 DC(direct current)를 AC(alternative current)로 변환하는 전력 변환 장치를 포함하는 전기 설비이다. EBOP는 연료 전지 스택에서 발생된 직류 형태의 전기에너지를 교류 형태로 변환하여 계통으로 발전된 에너지를 전송하고 연료 전지 시스템 제어를 수행한다.

MBOP, 핫-박스, EBOP들을 제어하는 지능형 제어기가 더 포함될 수 있으며, 지능형 제어기는 최적의 운전 모드를 결정 및 제어할 수 있다. 예를 들어, 지능형 제어기는 AI 기반으로 제어를 수행할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 특성 그래프를 도시한다.

활성화분극(Activation Loss)은 전극 표면에서 전하를 이송해 화학반응을 일으킬 때 발생하는 손실이다. Ohmic 분극(Ohmic Resistance Loss)은 전극의 저항과 전하가 전해질을 통과하면서 나타나는 저항성분의 손실이다. 농도 분극(Concentration Polarization Loss)은 전기화학반응에 의해 전극에서 반응 물질이 소모됨에 따라 초기 농도를 유지하는 능력이 부족하여 발생하는 손실이다. 도 4와 같은 특성 그래프는 연료 전지의 사용에 따라 변화한다. 예를 들어, 사용 기간이 길어질 수록, 도 4와 같은 그래프가 좌측으로 이동하는 경향이 있다.

전압-전류의 관계를 확인할 수 있다면, 현재 연료 전지의 특성 그래프가 확인될 수 있다. 이에 착안하여, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 특성 그래프에 기반하여 연료 전지의 상태를 판단하고, 현재 상태에서 주어진 조건을 충족하기 위해 필요한 운전 조건을 결정한 후, 적응적으로 운전 모드를 제어할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 시스템의 제어를 위한 구조를 도시한다.

도 4를 참고하면, 연료 전지 시스템은 MBOP, 핫-박스(또는 모듈 또는 스택 모듈), EBOP을 포함하며, 이들을 제어하기 위한 구성요소인 지능형 제어기(예: 임베디드 제어기, 상위 제어 시스템)을 더 포함한다. 지능형 제어기는 로컬(local) 시스템에 임베디드된 형태이거나, 통신망(예: 이더넷)을 통해 외부에서 제어하는 형태이거나, 또는 양자의 조합일 수 있다.

지능형 제어기는 단위 모듈(예: 6/24/120kW) 별 병렬 운전 및 단위 모듈 고장 시 부하 분담을 조정한다. 또한, 지능형 제어기는 시퀀스 제어(예: heat-up, operation mode, cool-down 등을 제어), 피드백 제어(예: 유량 제어, 온도 제어, 압력 제어 등), EBOP 제어(예: 전력 제어, 스택 상태 정보(물질 전달 저항 등) 제어)를 담당하고, 운전 중 실시간 감시를 통해 운전 변수를 변경할 수 있고, 상태 제어 및 예측 진단을 수행할 수 있다.

지능형 제어기의 상태 감시를 기반으로 시스템의 안정성 및 신뢰성이 향상될 수 있다. 스택 모듈의 수명 및 발전 출력량 중 원하는 사항에 우선순위를 부여하는 운영도 가능하다. 단위 모듈의 교체 가능으로, 시스템의 운전 지속성도 확보된다. 예를 들어, 개별 독립 운전, 통합 병렬 운전, 부하 변동 운전 등의 다양한 방식들이 지원될 수 있다.

지능형 제어기는 동작 중에 연료 전지의 상태를 감시 및 분석하고, 분석 결과에 따라 운전 변수를 조절할 수 있다. 이를 통해, 지능형 제어기는 트립(trip)을 방지하고, 신뢰성을 향상시킨다. 또한, 지능형 제어기는 트립 또는 시스템 정지 시 신속한 원인 분석 및 조치를 수행할 수 있고, 이에 따라 가동율이 증대될 것이다. 예를 들어, 주 성분 분석은 운전 및 제어 변수를 이원화하여 상태 감시/진단하는 것을 포함할 수 있다.

추가적으로, AI(artificial intelligent)-RNN(recurrent neural network) 기반의 진단이 수행될 수 있고, 이에 따라 수명 종료 시점까지의 정상 상태 변경에 따른 기준치 재설정 및 트립 시 정밀 진단이 가능하다. RNN 기반의 진단은 실시간 데이터에 기반하여 수행될 수 있다. 지능형 제어기는 동작 중 정상 상태 판별 및 정지 시 정밀 진단을 위해 RNN을 이용할 수 있다. RNN은 외부의 다른 연료 전지 시스템에서 얻어진 데이터 등으로 훈련 또는 학습될 수 있다.

지능형 제어기의 전술한 바와 같은 기능들로 인해, 연료 전지 시스템의 효율성이 크게 증대될 수 있다. 지능형 제어기는 주어진 정책에 따라 연료 전지의 운전 모드를 제어할 수 있다. 여기서, 운전 모드를 제어함은 운전에 관련된 변수들 또는 연료 전지의 상태에 관련된 변수들을 조절하는 것을 의미한다. 예를 들어, 변수는 온도, 유량, 압력 등을 포함한다.

제어를 위한 정책은 수명 우선 또는 출력량 우선 또는 효율 우선 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 시스템에서 요구하는 가동 기한이 아직 채워지지 아니한 경우, 수명 우선의 정책에 따라 운전 모드가 제어될 수 있다. 이후, 가동 기한이 경과하면, 남은 기간 동안 출력량 또는 효율 우선의 정책에 따라 운전 모드가 제어될 수 있다.

운전 중 상태 감시로서, 지능형 제어기는 이상 설정 값 변경(정상 상태 바뀜), 이상에 따른 운전 변수 변경, 고장 예측 등의 동작을 수행할 수 있다. 정지 시 고장 정밀 진단으로서, 지능형 제어기는 고장 근본 원인 분석, 조치 방안 분석, 사례 검색 DB(database)화 등의 동작을 수행할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따라, 운전 중 또는 정지 시 상태 감시 및 분석을 위해, 지능형 제어기는 도 3과 같은 셀 전압 및 전류 밀도 관계 그래프와 같은 특성을 파악하고, 이에 기반하여 상태를 판단할 수 있다. 이를 위해, 지능형 제어기는 셀 전압에 따른 전류 밀도 측정 값을 수집 및 분석할 수 있다.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (1)

1. 연료 전지 시스템에 있어서,
   MBOP(mechanical balance of plant);
   스택 모듈;
   EBOP(electronic balance of plant); 및
   상기 MBOP, 상기 스택 모듈, 상기 EBOP의 상태를 감시하고, 상기 MBOP, 상기 스택 모듈, 상기 EBOP의 동작을 제어하는 제어기를 포함하며,
   상기 제어기는, 상기 MBOP, 상기 스택 모듈, 상기 EBOP 중 적어도 하나로부터 수집된 정보에 기반하여 운전 또는 상태에 관련된 변수를 결정하고, 결정된 변수에 따라 상기 MBOP, 상기 스택 모듈, 상기 EBOP를 제어하는 연료 전지 시스템.
   

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