KR20220068935A - 하이브리드 전원시스템 - Google Patents

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KR20220068935A
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손병락
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재단법인대구경북과학기술원
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Abstract

본 발명은 연료전지에 수소를 공급하며, 그린수소를 생산할 수 있고, 2차전지의 충전 및 방전 효율을 향상시키기 위해 2차전지 재생기를 장착하여 2차전지의 성능을 최대한 유지시킬 수 있는 하이브리드 전원시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 이루기 위해 본 발명에 따른 하이브리드 전원시스템은 외부로부터 산소 및 수소를 공급받고 물을 생성하며, 전기를 생산하는 연료전지, 상기 연료전지에서 생성된 전기가 충전되는 2차전지, 상기 연료전지에 수소를 공급하는 수소생산 및 공급장치, 상기 연료전지가 생산한 전기를 변환하고, 외부 부하에 전기를 공급하는 전원관리시스템 및 상기 연료전지, 상기 2차전지, 상기 수소생산 및 공급장치 및 전원관리시스템을 모니터링하는 통합제어 및 모니터링부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

하이브리드 전원시스템{Hybrid power system}
본 발명은 전원시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 오프그리드 상황 또는 지역에서 사용하고 있는 기존의 화석연료 발전기를 대체할 수 있는 하이브리드 전원시스템에 관한 것이다.
전원시스템은 주변 전기 장치에 대한 전력을 공급하는 장치로서, 전기 회로의 전압이 끊어지거나 전압이 갑자기 상승 또는 하강하는 경우를 제한할 수도 있다.
도 1을 참고하면, 종래의 연료전지를 이용한 하이브리드 무정전 전원 시스템 및 그 제어방법은 교류 전기를 공급하는 계통전원부, 제어신호에 의하여 연료를 소모하고 직류 전기를 발전하여 출력하는 연료전지부, 연료전지부의 직류 전기를 공급받아 충전하고 충전된 직류 전기는 방전으로 출력하는 이차전지부, 계통전원부의 교류 전기를 직류로 변환하고 연료전지부의 직류 전기 레벨을 높인 상태에서 전력을 증폭하며 이차전지부의 충전과 방전을 제어하고, 직류를 교류로 변환하여 출력하는 변환부 및 계통전원부가 교류를 비정상적으로 공급하면 절체명령의 제어신호에 의하여 이차전지부의 직류를 초기에 출력하고 연료전지부를 동작시켜 발전된 직류가 순차적으로 출력되도록 연료전지부와 변환부를 제어하고 감시하는 전력제어부를 포함하는 구성을 특징한다.
그러나 종래에는 연료전지를 구체적으로 어떻게 활용하여 하이브리드 전원시스템이 작동하는지 알 수 없었고, 연료전지에 수소를 공급하기 위한 구성 또는 방법과 전체 시스템에 대한 모니터링 구성 또는 방법이 제시되지 않고, 사용자에게 시스템의 정보를 제공하는 구성 또는 방법이 제시되지 않았다.
대한민국 등록특허공보 제10-1201522호 (등록일자 2012.08.09.)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 연료전지에 수소를 공급하며, 그린수소를 생산할 수 있고, 2차전지의 충전 및 방전 효율을 향상시키기 위해 2차전지 재생기를 장착하여 2차전지의 성능을 최대한 유지시킬 수 있는 하이브리드 전원시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 연료전지시스템에 연료(수소)를 공급하기 위한 방법을 제시하며, 그린수소 생산 및 공급 방법을 제시함에 그 목적이 있다.
또한, 모듈형 연료전지 스택을 적용하여 사용자의 요구사항에 따라 전원시스템을 구성할 수 있는 하이브리드 전원시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 수소를 자급자족할 수 있는 수소생산공급장치를 적용하였고, 반응용기와 저장용기를 구분하여 수소생산공급장치의 안전성을 확보하였으며, 반응용기의 수소생산량에 안전하게 수소를 저장하기 위해 수소탱크를 1개 이상 설치하여 압력을 저압으로 유지시킬 수 있을 뿐만 아니라, 발생시킨 수소를 안전하게 저장하여 사용할 수 있는 방법을 제시함에 그 목적이 있다.
또한, 통합제어 및 모니터링 기술을 이용하여 연료전지시스템과 수소생산공급장치 등을 실시간 모니터링하여 통합제어가 가능하며, 시스템의 상태정보를 사용자에게 제공하여 전체 시스템의 상태를 확인할 수 있도록 한 하이브리드 전원시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
아울러, 사용자에게 시스템 운전정보를 무선통신을 이용하여 제공할 수 있으며, 이동통신망을 이용하여 클라우드 서버에 데이터를 전송 및 분석하여 사용자에게 다양한 정보를 제공할 수 있는 하이브리드 전원시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 전원시스템은 외부로부터 산소 및 수소를 공급받고 물을 생성하며, 전기를 생산하는 연료전지, 상기 연료전지에서 생성된 전기가 충전되는 2차전지, 상기 연료전지에 수소를 공급하는 수소생산 및 공급장치, 상기 연료전지가 생산한 전기를 변환하고, 외부 부하에 전기를 공급하는 전원관리시스템 및 상기 연료전지, 상기 2차전지, 상기 수소생산 및 공급장치 및 전원관리시스템을 모니터링하는 통합제어 및 모니터링부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 친환경 하이브리드 전원시스템은, 산소 및 수소를 공급받아 물과 전기를 생산하는 연료전지부; 상기 연료전지에서 생성된 전기를 통해 충전하거나, 충전된 전기를 상기 연료전지부와 하이브리드하여 부하에 공급하는 배터리부; 상기 연료전지부에 수소를 공급하는 수소생산공급장치; 및 상기 연료전지부, 상기 배터리 및 상기 수소생산공급장치를 모니터링하는 통합제어 모니터링장치를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 연료전지부는, 1개 이상의 연료전지 스택을 포함하는 모듈형 연료전지 스택이며, 상기 연료전지 스택 N개를 병렬 결합시켜 최대 용량을 가변시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료전지부는, 상기 연료전지 스택에 장착되는 센서를 포함하고, 상기 센서는, 상기 연료전지 스택의 온도, 전류 및 전압을 측정하는 센서로 구성되며, 상기 센서는, 센싱 정보를 상기 통합제어 모니터링장치에 전송하고, 상기 통합제어 모니터링 장치는, 연료전지 스택 운전 시 온도를 실시간으로 모니터링하고, 냉각장치와 연동하여 온도를 제어하고, 연료전지 스택에서 생산되는 전압 및 전류를 실시간으로 모니터링하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 통합제어 모니터링장치는, 상기 연료전지 스택의 전력을 입력받아 부하에서 필요한 전력을 출력하며, 상기 부하의 요구 전력이 연료전지 스택의 입력 전력보다 큰 경우 상기 배터리의 전력을 하이브리드하여 부하에 공급하고, 상기 부하의 요구 전력이 0 이거나, 연료전지 스택의 입력 전력보다 작은 경우 상기 연료전지 스택의 전력을 상기 배터리에 공급하여 배터리를 충전한다.
또한, 상기 수소생산공급장치는, 수소가 생성되는 반응용기; 및 상기 반응용기에서 생산된 수소를 저장하고, 상기 연료전지부로 수소를 공급하는 수소탱크를 포함하고, 상기 반응용기에는, 수소화합물과 촉매로 구성된 연료팩과 물을 수용 및 혼합하여 수소를 생산하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수소생산공급장치는, 상기 반응용기에서 생산된 수소의 수분을 제거하기 위한 수분필터; 및 개폐에 의해 상기 반응용기의 수소를 상기 수소탱크에 공급 또는 차단하는 차단밸브를 포함하고, 상기 차단밸브는, 상기 수소탱크에서 반응용기로 수소의 역류가 불가하도록 역류방지밸브를 포함한다.
또한, 상기 수소생산공급장치는, 상기 수소탱크에 저장된 고압의 수소를 저압으로 감압하여 상기 연료전지 스택에 공급하도록 구비되는 이젝터; 및 상기 연료전지 스택에서 사용 후 남은 수소를 재순환하여 활용하기 위해 상기 연료전지 스택에서 리턴되는 수소를 이젝터에 공급하는 리턴라인을 더 포함한다.
또한, 상기 수소생산공급장치는, 상기 수소생산공급장치에서 생산된 수소의 누출 여부을 실시간 감지하고, 안전 농도 이상이 감지될 경우 상기 통합제어 모니터링 장치에 수소누출 정보를 전송하는 수소센서를 더 포함한다.
또한, 상기 통합제어 모니터링장치를 통해 수집된 데이터는, 유무선통신포트를 이용해 제어기 및 정보표시장치에 표시되며, 단말기에 정보를 전송하여 사용자가 확인 가능하도록 구성되고, 상기 단말기에 전송된 정보는 이동통신망을 이용하여 클라우드 서버에 데이터를 전송하고, 필요 시 클라우드 서버에 저장된 데이터를 전송받는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단말기는, 상기 통합제어 모니터링장치와 무선통신 수단을 이용하여 데이터를 송수신하고, 상기 송수신 데이터는 상기 모듈형 연료전지 스택의 센서들로부터 감지된 제1 센싱데이터, 상기 수소생산공급장치의 센서들로부터 감지된 제2 센싱데이터 및 상기 배터리의 BMS로부터 전달되는 제3 센싱데이터를 포함한다.
또한, 상기 단말기의 어플리케이션은 상기 제1 내지 제3 센싱데이터를 이용하여 사용자에게 정보를 제공하며, 상기 제1 센싱데이터는, 연료전지 발전상태, 연료전지 전력공급, 연료전지 운전시간 정보이고, 상기 제2 센싱데이터는, 반응용기 생산상태, 수소탱크 저장상태, 연료팩 잔량 정보인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 서버는, 상기 단말기로부터 전송된 정보를 수신하여 하이브리드 전원시스템의 상태정보를 분석하여 사용자에게 상기 단말기를 통해 정보를 제공하고, 상기 서버는, 상기 제1 센싱데이터를 분석하여 사용자에게 연료전지시스템의 마일리지 정보와 유지보수(교환포함) 정보를 제공하고, 상기 제2 센싱데이터를 분석하여 반응용기 및 수소탱크의 안전성과 유지보수(교환) 정보를 상기 단말기를 통해 사용자에게 제공하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 서버는, 상기 연료팩 사용현황을 분석하여 사용자에게 연료팩 추가 구매정보를 제공한다.
상기와 같은 구성을 통해 본 발명에 따른 하이브리드 전원시스템은 오프그리드 상황 또는 지역에서 사용하고 있는 기존 화석연료(가솔린, 디젤) 발전기를 대체할 수 있고, 기존 화석연료 발전기 대비 배출되는 환경오염 물질이 현저히 적은 효과가 있다.
또한, 온라인으로 전체 구성 상태를 확인할 수 있고, 유지보수가 필요한 시점을 예측하여 유지보수 정보를 제공할 수 있고, 소모품 및 연료팩의 교환 주기 등을 예측하여 정보를 제공할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 친환경 하이브리드 전원시스템의 용량(500W 이하, 1kW 이하, 1.5kW 이하, 2kW 이상 등)에 따라 다양한 응용분야(레저용, 주택용, 독립전원, 소형선박, 소형 전기차, 전기 바이크, 건설현장, 비상전원 등)에 활용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 하이브리드 무정전 전원 시스템 구성 블록도
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 하이브리드 전원시스템 구성 블록도
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 하이브리드 전원시스템 구성 블록도
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 수소연료전지시스템 구성 블록도
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 수소생산공급장치 구성 블록도
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 통합제어 모니터링장치를 이용한 데이터 전송을 나타낸 블록도
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 단말기 및 서버의 구성을 나타낸 블록도
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
- 실시 예 1
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 전원시스템(100)은 연료전지(200), 2차전지(300), 수소생산 및 공급장치(400), 통합제어 및 모니터링부(600), 전원관리시스템(500)으로 구성된다. 더 자세하게는, 본 발명에 따른 하이브리드 전원시스템(100)은 외부로부터 산소 및 수소를 공급받고 물을 생성하며, 전기를 생산하는 연료전지(200), 상기 연료전지(200)에서 생성된 전기가 충전되는 2차전지(300), 상기 연료전지(200)에 수소를 공급하는 수소생산 및 공급장치(400), 상기 연료전지(200)가 생산한 전기를 변환하고, 외부 부하에 전기를 공급하는 전원관리시스템(500) 및 상기 연료전지(200), 상기 2차전지(300), 상기 수소생산 및 공급장치(400) 및 전원관리시스템(500)을 모니터링하는 통합제어 및 모니터링부(600)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
연료전지(200)는 흑연 또는 금속 분리판을 적용한 PEMFC 타입을 사용하고, 수소는 수소생산 및 공급장치를 통해 공급받고, 산소는 공기중의 산소를 공급받는다. 전체 시스템 용량(500W 이하, 1kW 이하, 1.5kW 이하, 2kW 이상)에 따라 연료전지(200) 용량을 결정한다.
수소생산 및 공급장치(400)는 수소화합물(NaBH4)과 촉매(Ru/C)를 최적의 비율로 혼합하고, 수용성 물질을 이용하여 환 형태의 연료팩으로 구성하고, 연료전지(200) 용량에 따라 연료팩의 용량을 조정하고, 연료팩의 용량에 따라 공급되는 물의 양을 조절한다.
수소생산 및 공급장치(400)가 생산한 (그린)수소는 연료전지(200)로 공급되고, 화학반응을 통해 생산한 전기는 PMS로 송전된다. 연료전지(200)에서 발생한 물은 수소생산 및 공급장치(400)로 순환시킨다.
2차전지(300)는 연료전지(200)가 발전한 전기를 충전 후 단독 사용뿐만 아니라 연료전지(200)와 하이브리드 시켜 전원을 공급할 수 있다. 또한 2차전지(300) 재생기를 이용하여 주기적으로 2차전지(300)의 상태를 측정하고 성능저하시 2차전지(300) 재생기를 구동시켜 성능을 향상시켜 최상의 2차전지(300) 상태를 유지한다.
PMS는 연료전지(200)가 생산한 전기를 컨버터/인버터를 통해 직류/교류로 변환시켜 부하에 공급한다. 무부하 상태에서는 2차전지(300)에 충전하고, 과부하를 필요할 경우 연료전지(200)와 2차전지(300)를 하이브리드 시켜 부하에 전원을 공급한다.
통합제어 및 모니터링부(600)는 연료전지(200), 2차전지(300), 수소생산 및 공급장치(400), PMS를 제어/모니터링한다. 연료전지(200)는 발전 전압/전류, 온도, 습도 등을 실시간 모니터링하고, 연료전지(200) 운전시간을 측정하여 연료전지(200) 스택 교환주기를 사용자에게 정보를 제공한다. 수소생산 및 공급장치(400)는 수소생산량을 모니터링하여 연료전지(200)에 수소공급이 적절하게 되지는 모니터링하며, 수소생산시간을 모니터링하여 수소발생가능시간을 사용자에게 제공하여 연료팩 교환주기를 제공한다. 2차전지(300)는 충방전 상태, 충방전 횟수, 2차전지(300) 성능 등을 실시간 모니터링하여 2차전지(300)의 상태를 사용자에게 제공한다.
사용자는 핸드폰 앱을 통해 전체 시스템의 상태를 모니터링 가능하며, 실시간, 시간별, 일별, 월별 등 주기별로 시스템의 상태를 모니터링할 수 있다. 연료전지(200)와 2차전지(300)의 상태를 모니터링하여 각 부품의 교환주기를 제공하여 시스템이 최적의 상태를 유지할 수 있도록 정보를 제공한다. 정보는 클라우드 상에 저장되므로, 인터넷이 가능한 언제/어디서든 정보를 확인할 수 있다. 사용자와 시스템은 블루투스 등 무선통신을 이용하여 상호 정보를 교환할 수 있으며, 사용자의 핸드폰의 네트워크를 이용하여 클라우드에 전원시스템이 정보를 저장할 수 있다.
- 실시 예 2
도 3에는, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 하이브리드 전원시스템(1000)의 구성 블록도가 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 제2 실시 예에 따른 하이브리드 전원시스템(1000)은, 수소연료전지시스템(1100)과, 수소생산공급장치(1200)와, 충전 및 방전이 가능한 배터리(1300)와, 제어기 및 정보표시장치로 구성된 제어부(1400)와, 모바일폰 어플리케이션과 같은 단말기(1500) 및 클라우드 서버(1600)를 포함한다.
수소연료전지시스템(1100)은, 수소와 산소가 반응하여 물이 되는 전체 반응 (2H2 + O2 → 2H2O)을 통해 전자는 산화전극(anode)에서 외부 도선을 통해 환원전극(cathode)으로 이동하면서 전기 에너지를 발생시키는 통상의 수소연료전지를 기반으로 하며, 모듈형 연료전지 스택(1110)과 통합제어 모니터링장치(1120)로 구성될 수 있다. 모듈형 연료전지 스택(1110)은 1개 이상의 연료전지 스택으로 구성되며, 최대 전력 출력에 따라 연료전지 스택을 N개 병렬로 결합시켜 최대 용량을 결정할 수 있다. 통합제어 모니터링장치(1120)는, 모듈형 연료전지 스택(1110)을 제어 및 모니터링하고, 추가적으로 수소생산공급장치(1200)의 제어 및 모니터링, 배터리(1300)의 충방전 제어 및 모니터링, 부하(1700)의 연동 전력 출력 제어 및 모니터링, 제어부(1400)의 제어 및 단말기(1500)로의 정보전송 등의 역할을 수행 한다.
수소생산공급장치(1200)는, 연료팩과 물을 이용하여 수소를 생산하는 반응용기(1210)와, 생산된 수소를 저장하고 모듈형 연료전지 스택(1110)으로 수소를 공급하는 수소탱크(1220)로 구성된다.
배터리(1300)는, 충전 및 방전이 가능한 하나 이상의 전기화학 셀로 구성된 2차 전지일 수 있고, 하이브리드 충방전 장치를 포함하며, 부하에 따라 충방전을 수행한다.
이하, 상기와 같은 기본 구성을 갖는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 하이브리드 전원시스템(1000)의 각각의 구성들의 세부구성 몇 구성간의 결합관계에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 4에는, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 수소연료전지시스템(1100)의 구성 블록도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 수소연료전지시스템(1100)은 모듈형 연료전지 스택(1110)과, 통합제어 모니터링 장치(1120)로 구성된다.
모듈형 연료전지 스택(1110)은 1개 이상의 연료전지 스택(1111)을 포함한다. 따라서 부하의 요구 조건에 따라 연료전지 스택(1111)의 개수(1~ n)를 증가시켜 최대 전력 출력을 제공할 수 있다. 일예로 50W급 연료전지지 스택을 사용하여 최대 출력 200W 연료전지시스템을 구성할 경우 연료전지 스택 4개 병렬로 구성하여 최대출력 200W를 구성할 수 있다. 또한 사용자의 필요 전력에 따라 각각의 연료전지를 운전시켜 50W부터 200W까지 탄력적으로 연료전지시스템을 운전할 수 있다. 위와 같은 구성을 통해 제한된 연료(수소)를 사용하여 최적의 운전효과를 달성할 수 있다.
연료전지 스택(1111)에는 다양한 센서(1115)를 장착하여 운전 상태를 모니터링할 수 있다. 센서(1115)는 온도센서, 전류 및 전압센서를 포함할 수 있다. 따라서 연료전지 스택(1111) 내부에 온도센서를 장착하여 연료전지 스택 운전 시 스택의 온도를 실시간 모니터링하고 냉각장치와 연동하여 온도를 제어할 수 있다. 또한, 연료전지 스택(1111) 내부에 전류 및 전압센서를 장착하여 연료전지 스택이 운전 시 생산되는 전압 및 전류를 실시간 모니터링할 수 있다.
통합제어 모니터링장치(1120)는 연료전지 스택(1111)에 장착된 센서(1115)를 통해 연료전지 스택(1111)의 상태 정보를 전달받아 모듈형 연료전지스택(1110)의 운전을 제어하도록 구성된다. 수집된 상기 상태 정보는 유무선 통신포트(1121)를 이용하여 제어기 및 정보표시장치(1400)에 실시간으로 정보를 제공할 수 있고, 제어기 및 정보표시장치(1400)를 이용하여 사용자가 수소연료전지시스템(1100)을 제어할 수 있게 구성된다. 또한, 통합제어 모니터링장치(1120)는 온/오프 스위치(1122)를 포함하며, 온/오프 스위치(1122)를 통해 사용자가 수소연료전지시스템(1100)의 시작 또는 종료를 스위치를 통해 제어할 수 있게 구성되고, 수소연료전지시스템(1100)이 동작중일 경우 제어기 및 정보표시장치(1400)를 이용하여 수소연료전지시스템(1100)을 간편하게 제어할 수 있도록 구성된다.
또한, 통합제어 모니터링장치(1120)는, 연료전지 스택(1111)의 전력을 입력받아 부하(1700)에서 필요한 전력을 출력하는 역할을 수행하며, 부하(1700)의 요구 전력이 연료전지 스택(1111)의 입력 전력보다 큰 경우 배터리(1300)와 하이브리드 시켜 전원을 부하(1700)에 공급할 수 있도록 구성된다. 또한 부하(1700)의 요구 전력이 0 이거나, 연료전지 스택(1111)의 입력 전력보다 작은 경우 연료전지 스택(1111)의 전력을 배터리(1300)에 공급하여 배터리(1300)를 충전시킨다. 이를 위해 통합제어 모니터링장치(1120)는, 배터리(1300)의 충방전 상태, 충방전 횟수 및 성능 등을 실시간 모니터링하고, 배터리(300)의 상태 정보를 사용자에게 제공한다.
도 5에는, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 수소생산공급장치(1200)의 구성 블록도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 수소생산공급장치(1200)는 반응용기(1210)와, 수소탱크(1220)로 구성된다.
반응용기(1210)는 수소화합물과 촉매로 구성된 연료팩(1211)과 물(1212)이 수용되고, 연료팩(1211)과 물(1212)을 이용하여 수소를 생산한다. 반응용기(1210)에 연료팩(1211)과 물(1212)을 적절한 비율로 공급하여 수소를 생산하며, 반응용기(1210)에서 생산된 수소는 수소탱크(1220)에 저장된다. 반응용기(1210)는 온도센서(1213), 압력센서(1214) 및 냉각장치(1215)를 포함한다. 반응용기(1210)는 온도센서(1213)를 통해 수소생산 시 발생하는 열을 모니터링하고, 고온발생 시 냉각장치(1215)를 제어하여 적절한 온도로 제어할 수 있다. 또한 반응용기(1210)는, 압력센서(1214)를 통해 반응용기(1210)의 압력을 모니터링하여 제어할 수 있다. 반응용기(1210)에서 생산된 수소는 수분필터(1230)를 이용하여 수분을 제거하고, 차단밸브(1240)의 개방을 통해 수소탱크(1210)로 공급된다. 차단밸브(1240)는 수소가 반응용기(1210)에서 수소탱크(1220)로 이동은 가능하나 수소탱크(1220)에서 반응용기(1210)로 역류가 불가하도록 역류방지밸브를 포함할 수 있다.
수소탱크(1220)는 반응용기(1210에서 생산한 수소를 저장하고 수소연료전지시스템(1100)의 연료전지 스택(1111)에 공급하는 역할을 한다. 수소탱크(1220)는 적절한 압력을 견딜 수 있는 재질로 구성될 수 있다. 수소탱크(1220)는 1개 이상의 탱크로 구성될 수 있으며, 반응용기(1210)의 수소발생량에 따라 탱크의 개수를 증가시켜 수소저장용량을 확보하고, 안전압력을 유지하도록 구성될 수 있다.
수소탱크(1220)는 수소탱크(1220)의 내부 온도를 체크하는 온도센서(1221)와, 내부 압력을 체크하는 압력센서(1222)를 포함하며, 온도센서(1221)와 압력센서(1222)를 이용하여 수소탱크(1220)의 상태를 실시간 모니터링하다 수 있다. 또한, 수소탱크(1220)는 냉각장치(1225)를 포함하여 수소탱크(1220) 내부가 고온일 경우 냉각장치(1225)를 이용하여 적절한 온도로 냉각시킬 수 있다. 또한, 압력센서(1222)를 통해 수소탱크(1220) 내부의 압력이 적정 압력에서 초과될 경우 차단밸브(1240)를 차단하여 수소탱크(1220)가 적절한 압력을 유지하도록 구성될 수 있다.
수소생산공급장치(1200)는 수소탱크(1220)의 수소를 연료전지 스택(1111)으로 공급하는 공급관 상에 수분필터(1251), 차단밸브(1252), 공급밸브(1253) 및 이젝터(1254)가 구비될 수 있다. 수분필터(1251)는 공급관을 유동하는 수소의 수분을 제거하는 기능을 수행하고, 차단밸브(1252)는 수소공급을 차단하여 적정압력을 제어하고, 공급밸브(1253)는 연료전지 스택(1111)으로 수소공급을 제어한다.
이젝터(1254)는 고압의 수소를 저압으로 감압하여 연료전지 스택(1111)으로 수소를 공급하는 역할을 수행 한다. 또한 연료전지 스택(1111)에서 사용 후 남은 수소를 재순환하여 활용하기 위해 잔여 수소를 이젝터(1254)로 인입시켜 수소재순환에 사용될 수 있다.
아울러 수소생산공급장치(1200)는, 수소센서(1260)를 포함하며, 수소센서(1260)는, 수소생산공급장치(1200)에서 생산된 수소의 누출 여부을 실시간 감지하고, 안전 농도 이상이 감지될 경우 통합제어 모니터링 장치(1120)에 수소누출 정보를 전송하여 통합제어 모니터링 장치(1120)를 통해 안전을 위한 제어를 수행하도록 구성된다.
수소생산공급장치(1200)에 구비된 다양한 센서들을 통해 생성된 다양한 데이터는 통합제어 모니터링 장치(1120)로 전송되며, 통합제어 모니터링 장치(1120)는 전송된 데이터를 분석하여 수소생산공급장치(1200)를 제어할 수 있다.
도 6에는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 통합제어 모니터링장치(1120)를 이용한 데이터 전송을 나타낸 블록도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 통합제어 모니터링장치(1120)는 유선통신을 통해 모듈형 연료전지 스택(1110)과, 수소생산공급장치(1200)와 배터리(1300)를 실시간으로 모니터링하고, 모니터링 결과에 따라 모듈형 연료전지 스택(1110)과, 수소생산공급장치(1200)와 배터리(1300)를 제어하도록 구성된다. 통합제어 모니터링장치(1120)를 통해 수집된 데이터는, 유무선통신포트를 이용해 제어기 및 정보표시장치(1400)에 표시되고, 단말기(1500)에 정보를 전송할 수 있다. 단말기(1500)에 전송된 정보는 이동통신망을 이용하여 클라우드 서버(1600)에 데이터를 전송하고, 필요 시 클라우드 서버(1600)에 저장된 데이터를 전송받을 수 있도록 구성된다.
도 7에는 단말기(1500) 및 서버(1600)의 구성을 나타낸 블록도가 도시되어 있다.
단말기(1500)는, 일예로 사용자의 모바일폰이 될 수 있으며, 모바일폰 내에서 사용자가 시스템의 정보를 확인하고 제어하기 위해 이용할 수 있는 어플리케이션이 포함될 수 있다. 단말기(1500)는 통합제어 모니터링장치(1120)와 블루투스와 같은 무선통신 수단을 이용하여 데이터를 송수신할 수 있으며, 송수신 데이터는 모듈형 연료전지 스택(1110)의 센서들로부터 감지된 제1 센싱데이터, 수소생산공급장치(1200)의 센서들로부터 감지된 제2 센싱데이터, 배터리(1300)의 BMS로부터 전달되는 제3 센싱데이터를 포함한다.
단말기(1500)의 어플리케이션은 상기 제1 내지 제3 센싱데이터를 이용하여 사용자에게 정보를 제공한다. 모듈형 연료전지 스택(1110)의 제1 센싱데이터는, 일예로, 연료전지 발전상태, 연료전지 전력공급, 연료전지 운전시간 등의 정보를 제공한다. 수소생산공급장치(1200)의 제2 센싱데이터는, 일예로, 반응용기 생산 상태, 수소탱크 저장상태, 연료팩 잔량 등의 정보를 제공한다.
서버(1600)는 단말기(1500)로부터 전송된 정보를 수신하여 친환경 하이브리드 전원시스템(1000)의 상태정보를 분석하여 사용자에게 단말기(1500)를 통해 정보를 제공한다. 보다 구체적으로 서버(1600)는, 모듈형 연료전지 스택(1110)의 제1 센싱데이터인 연료전지 발전상태, 연료전지 운전시간, 사용환경정보를 분석하여 단말기(1500)를 통해 사용자에게 연료전지시스템의 마일리지 정보와 유지보수(교환포함) 정보를 제공한다. 또한 서버(1600)는, 수소생산공급장치(1200)의 제2 센싱데이터인 반응용기 운전정보, 수소탱크 운전정보, 연료팩 잔량 등의 정보를 분석하여 반응용기 및 수소탱크의 안전성과 유지보수(교환) 정보를 단말기(1500)를 통해 사용자에게 제공하고, 연료팩 사용현황을 분석하여 사용자에게 연료팩 추가 구매 등의 정보를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 전원시스템은 연료전지에 수소를 공급하기 위한 방법을 제시하며, 그린수소 생산 및 공급 방법을 제시한다. 또한, 2차전지의 충방전 효율을 향상시키기 위해 배터리 재생기를 장착하여 최대한 배터리의 성능이 유지될 수 있도록 구성되고, 통합제어 및 모니터링부를 이용하여 수소생산 및 공급장치, 연료전지, 2차전지, 전원관리시스템 등을 통합모니터링하여 전체 시스템의 상태를 실시간 모니터링 및 제어가 가능하며, 상태정보를 사용자에게 제공하여 전체 시스템의 상태를 확인할 수 있다.
또한, 사용자와 전원시스템간에 무선통신을 이용하여 정보를 교환할 수 있으며, 클라우드 네트워크를 이용하여 인터넷이 가능한 곳에서는 언제/어디서든 전원시스템의 상태를 모니터링하다 수 있다.
또한, 오프그리드 상황/지역에서 사용하고 있는 기존 화석연료(가솔린, 디젤) 발전기를 친환경 하이브리드 전원시스템으로 대체가 가능하고, 기존 화석연료 발전기는 운전 시 환경오염 물질을 배출하지만, 친환경 하이브리드 전원시스템은 환경오염 물질을 전혀 배출하지 않는다. 또한, 기존 기술은 전원시스템에 상태를 오프라인으로 확인했지만, 본 발명에 따른 하이브리드 전원시스템은 온라인으로 전원시스템의 상태를 확인할 수 있으며, 더 나아가 전원시스템의 유지보수가 필요한 시점을 예측하여 정보를 제공할 수 있으며, 소모품 및 연료팩의 교환 주기 등을 예측하여 정보를 제공할 수 있다.
본 발명의 하이브리드 전원시스템은 용량(500W 이하, 1kW 이하, 1.5kW 이하, 2kW 이상 등)에 따라 다양한 응용분야(레저, 주택용, 독립전원, 소형선박, 소형 전기차, 전기 바이크, 건설현장 발전기, 비상전원 등)에 활용될 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 하이브리드 전원시스템
200 : 연료전지 300 : 2차전지
400 : 수소생산 및 공급장치 500 : 전원관리시스템
600 : 통합제어 및 모니터링부
1000 : 하이브리드 전원시스템
1100 : 수소연료전지시스템
1110 : 모듈형 연료전지 스택 1120 : 통합제어 모니터링장치
1200 : 수소생산공급장치
1210 : 반응용기 1220 : 수소탱크
1300 : 배터리
1400 : 제어기 및 정보표시장치
1500 : 단말기
1600 : 서버
1700 : 부하

Claims (14)

  1. 외부로부터 산소 및 수소를 공급받고 물을 생성하며, 전기를 생산하는 연료전지;
    상기 연료전지에서 생성된 전기가 충전되는 2차전지;
    상기 연료전지에 수소를 공급하는 수소생산 및 공급장치;
    상기 연료전지가 생산한 전기를 변환하고, 외부 부하에 전기를 공급하는 전원관리시스템; 및
    상기 연료전지, 상기 2차전지, 상기 수소생산 및 공급장치 및 전원관리시스템을 모니터링하는 통합제어 및 모니터링부;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전원시스템.
  2. 산소 및 수소를 공급받아 물과 전기를 생산하는 연료전지부;
    상기 연료전지에서 생성된 전기를 통해 충전하거나, 충전된 전기를 상기 연료전지부와 하이브리드하여 부하에 공급하는 배터리부;
    상기 연료전지부에 수소를 공급하는 수소생산공급장치; 및
    상기 연료전지부, 상기 배터리 및 상기 수소생산공급장치를 모니터링하는 통합제어 모니터링장치;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전원시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 연료전지부는,
    1개 이상의 연료전지 스택을 포함하는 모듈형 연료전지 스택이며, 상기 연료전지 스택 N개를 병렬 결합시켜 최대 용량을 가변시키는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 전원시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 연료전지부는,
    상기 연료전지 스택에 장착되는 센서를 포함하고,
    상기 센서는,
    상기 연료전지 스택의 온도, 전류 및 전압을 측정하는 센서로 구성되며, 상기 센서는, 센싱 정보를 상기 통합제어 모니터링장치에 전송하고,
    상기 통합제어 모니터링 장치는,
    연료전지 스택 운전 시 온도를 실시간으로 모니터링하고, 냉각장치와 연동하여 온도를 제어하고, 연료전지 스택에서 생산되는 전압 및 전류를 실시간으로 모니터링하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 전원시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 통합제어 모니터링장치는,
    상기 연료전지 스택의 전력을 입력받아 부하에서 필요한 전력을 출력하며,
    상기 부하의 요구 전력이 연료전지 스택의 입력 전력보다 큰 경우 상기 배터리의 전력을 하이브리드하여 부하에 공급하고,
    상기 부하의 요구 전력이 0 이거나, 연료전지 스택의 입력 전력보다 작은 경우 상기 연료전지 스택의 전력을 상기 배터리에 공급하여 배터리를 충전하는, 하이브리드 전원시스템.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 수소생산공급장치는,
    수소가 생성되는 반응용기; 및
    상기 반응용기에서 생산된 수소를 저장하고, 상기 연료전지부로 수소를 공급하는 수소탱크를 포함하고,
    상기 반응용기에는,
    수소화합물과 촉매로 구성된 연료팩과 물을 수용 및 혼합하여 수소를 생산하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 전원시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 수소생산공급장치는,
    상기 반응용기에서 생산된 수소의 수분을 제거하기 위한 수분필터; 및
    개폐에 의해 상기 반응용기의 수소를 상기 수소탱크에 공급 또는 차단하는 차단밸브를 포함하고,
    상기 차단밸브는,
    상기 수소탱크에서 반응용기로 수소의 역류가 불가하도록 역류방지밸브를 포함하는, 하이브리드 전원시스템.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 수소생산공급장치는,
    상기 수소탱크에 저장된 고압의 수소를 저압으로 감압하여 상기 연료전지 스택에 공급하도록 구비되는 이젝터; 및
    상기 연료전지 스택에서 사용 후 남은 수소를 재순환하여 활용하기 위해 상기 연료전지 스택에서 리턴되는 수소를 이젝터에 공급하는 리턴라인을 더 포함하는, 하이브리드 전원시스템.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 수소생산공급장치는,
    상기 수소생산공급장치에서 생산된 수소의 누출 여부을 실시간 감지하고, 안전 농도 이상이 감지될 경우 상기 통합제어 모니터링 장치에 수소누출 정보를 전송하는 수소센서를 더 포함하는, 하이브리드 전원시스템.
  10. 제 2항에 있어서,
    상기 통합제어 모니터링장치를 통해 수집된 데이터는, 유무선통신포트를 이용해 제어기 및 정보표시장치에 표시되며, 단말기에 정보를 전송하여 사용자가 확인 가능하도록 구성되고,
    상기 단말기에 전송된 정보는 이동통신망을 이용하여 클라우드 서버에 데이터를 전송하고, 필요 시 클라우드 서버에 저장된 데이터를 전송받는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 전원시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 단말기는,
    상기 통합제어 모니터링장치와 무선통신 수단을 이용하여 데이터를 송수신하고, 상기 송수신 데이터는 상기 모듈형 연료전지 스택의 센서들로부터 감지된 제1 센싱데이터, 상기 수소생산공급장치의 센서들로부터 감지된 제2 센싱데이터 및 상기 배터리의 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 전달되는 제3 센싱데이터를 포함하는, 하이브리드 전원시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 단말기의 어플리케이션은
    상기 제1 내지 제3 센싱데이터를 이용하여 사용자에게 정보를 제공하며,
    상기 제1 센싱데이터는, 연료전지 발전상태, 연료전지 전력공급, 연료전지 운전시간 정보이고, 상기 제2 센싱데이터는, 반응용기 생산상태, 수소탱크 저장상태, 연료팩 잔량 정보인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 전원시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 서버는,
    상기 단말기로부터 전송된 정보를 수신하여 하이브리드 전원시스템의 상태정보를 분석하여 사용자에게 상기 단말기를 통해 정보를 제공하고,
    상기 서버는, 상기 제1 센싱데이터를 분석하여 사용자에게 연료전지시스템의 마일리지 정보와 유지보수 및 교환 정보를 제공하고, 상기 제2 센싱데이터를 분석하여 반응용기 및 수소탱크의 안전성과 유지보수 및 교환 정보를 상기 단말기를 통해 사용자에게 제공하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 전원시스템.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 서버는, 상기 연료팩 사용현황을 분석하여 사용자에게 연료팩 추가 구매정보를 제공하는, 하이브리드 전원시스템.
KR1020210158604A 2020-11-19 2021-11-17 하이브리드 전원시스템 KR20220068935A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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