KR101418423B1 - 연료 전지 스택 과부하 감지 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 스택 과부하 감지 시스템을 제공한다. 본 발명에 따르면, 선박에서 사용되는 연료 전지 스택 과부하 감지 시스템에 있어서, 연료와 공기의 전기 화학적 반응으로 직류(DC) 전력을 생산하는 연료 전지 스택; 상기 연료 전지 스택에 연료와 공기를 공급하는 연료공급기(MBOP: Mechanical Balance of Plant); 상기 연료 전지 스택에 의하여 생산된 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하여 외부로 공급하는 전력변환기(EBOP: Electrical Balance of Plant); 및 상기 연료공급기로부터 상기 연료 전지 스택으로 공급되는 연료의 공급량과 상기 연료 전지 스택으로부터 배출되는 연료의 배출량으로부터 상기 연료 전지 스택의 과부하를 감지하는 비교기를 포함한다.

Description

연료 전지 스택 과부하 감지 시스템 및 그 방법{SYSTEM FOR DETECTING FUEL CELL STACK OVERLOAD AND THE METHOD}
본 발명은 연료전지 스택 과부하 감지 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 화석에너지 고갈의 문제를 해결할 수 있는 대체에너지로서 수소에너지가 각광 받고 있으며 수소에너지의 이용 매체인 연료전지에 대한 연구 및 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치로서 수소와 산소를 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 새로운 발전 기술이다.
이러한 연료전지는 일반적으로 연료공급기(MBOP), 스택모듈(Stack Module) 및 전력변환기(EBOP)로 구성된다. 연료공급기(MBOP)는 연료전지에 공기와 연료를 스택모듈에 공급하며, 스택모듈 내부에서는 공급된 공기 중의 산소와 연료로 공급된 수소 혹은 연료의 개질을 통하여 발생한 수소가 화학반응을 거쳐 전기, 물, 열을 발생시킨다. 발생된 전기는 전력변환기(EBOP)를 통하여 외부로 공급된다.
또한, 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 상온 ~ 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알카리형 연료전지, 150 ~ 200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600 ~ 700℃의 고온에서 작동되는 용융탄산염 연료전지, 1,000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화 연료전지로 분류된다.
한편, MCFC와 같은 고온용 연료전지는 600도 ~ 1000도에서 작동하고 사용 가능 연료의 범위가 넓고 고온에서 작동하므로 저온 연료 전지와 달리 상대적으로 가격이 저렴한 촉매를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 장점으로 현재 발전용 연료전지뿐만 아니라 선박용 연료전지로도 주목 받고 있다.
이와 같이 스택은 투입되는 연료(H2, CH4)와 산소를 반응시켜 전류를 생산한다. 그러나, 종래에는 연료 전지 스택에 과부하가 걸리는 경우 과부하를 검지하기 위한 시스템이 마련되어 있지 않으므로, 스택에 과부하게 걸리게 된다. 전력 수요가 커서 스택에 과부하가 걸리게 되면 연료와 산소가 반응해서 생산하는 전류보다 많은 전류를 뽑아가게 된다.
이 때, 스택의 출력 전류는 연료에서 나온 전류만으로 충당하지 못하고, 스택 내부의 촉매를 산화/환원시켜서 부족 전류를 생산하므로 스택에 손상을 주게 된다.
육상 계통 연계의 경우에는 그리드(grid)의 용량이 커서 과부하가 걸리기 전에 다른 소스로부터 전력을 가져오지만, 선박과 같은 독립된 계통의 경우에는 다른 소스가 없을 수 있으며, 따라서 먼저 스택 촉매의 산화/환원 반응이 일어나고, 촉매의 산화/환원 반응이 불가능할 경우 출력이 저하된다. 즉, 스택이 자신을 산화하여 무리하게 전력 요구량을 생산함으로써 고장을 유발하게 되는 문제점이 있었다.
전력변환기(인버터)에서는 기본 보호 기능으로 직류(DC) 전압이 저하되면 직류(DC) 소스의 과부하로 인식하고 작동을 중단하는 기능이 있지만, 스택에 요구되는 전류의 크기가 연료의 산화/환원 반응과 촉매의 산화/환원 반응으로 충분히 생산 가능할 경우 촉매의 산화/환원이 끝나고 나서야 고장을 인식하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 선박과 같은 독립된 계통에서 사용되는 연료 전지 스택에 과부하가 걸리는 것을 감지할 수 있도록 하여 전력변환기와 연동하여 스택에 과부하는 걸리는 것을 방지함과 스택의 손상을 미연에 방지할 수 있는 연료 전지 스택 과부하 감지 시스템 및 그 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 선박에서 사용되는 연료 전지 스택 과부하 감지 시스템에 있어서, 연료와 공기의 전기 화학적 반응으로 직류(DC) 전력을 생산하는 연료 전지 스택; 상기 연료 전지 스택에 연료와 공기를 공급하는 연료공급기(MBOP: Mechanical Balance of Plant); 상기 연료 전지 스택에 의하여 생산된 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하여 외부로 공급하는 전력변환기(EBOP: Electrical Balance of Plant); 및 상기 연료공급기로부터 상기 연료 전지 스택으로 공급되는 연료의 공급량과 상기 연료 전지 스택으로부터 배출되는 연료의 배출량으로부터 상기 연료 전지 스택의 과부하를 감지하는 비교기를 포함하는 연료 전지 스택 과부하 감지 시스템이 제공된다.
이 때, 상기 연료 전지 스택으로 공급되는 연료의 공급량을 측정하여 그 정보를 상기 비교기에 제공하는 공급량 측정부; 및 상기 연료 전지 스택으로부터 배출되는 연료의 배출량을 측정하여 그 정보를 상기 비교기에 제공하는 배출량 측정부를 더 포함하고, 상기 비교기는 상기 공급량과 상기 배출량을 비교하여, 상기 공급량과 상기 배출량의 차이가 미리 설정된 설정량을 초과하는 경우에 상기 연료 전지 스택의 과부하로 감지할 수 있다.
이 때, 상기 연료 전지 스택에 공급되는 연료는 수소(H2), 메탄(CH4)을 포함할 수 있다.
이 때, 상기 비교기에 의하여 비교되는 연료의 양은 수소량일 수 있다.
이 때, 상기 비교기와 상기 전력변환기의 사이에는 상기 비교기에 의하여 상기 연료 전지 스택의 과부하로 감지되면 이 과부하 감지 정보를 수신하여 상기 전력변환기로부터 공급되는 전력량을 감소시키도록 제어하기 위한 전력변환기 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 선박에서 사용되는 연료 전지 스택 과부하 감지 방법에 있어서, 연료 전지 스택에 연료와 공기를 공급하는 공급 단계; 상기 연료 전지 스택에서 연료와 공기의 전기 화학적 반응으로 직류(DC) 전력을 생산하는 전력 생산 단계; 상기 전력 생산 단계에서 생산된 상기 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하는 전력 변환 단계; 상기 연료 전지 스택에 공급되는 연료의 공급량과 상기 연료 전지 스택으로부터 배출되는 연료의 배출량을 산출하는 산출 단계; 및 상기 산출 단계에서 산출된 상기 연료의 공급량과 상기 연료의 배출량으로부터, 상기 연료 전지 스택의 과부하를 판단하는 과부하 판단 단계를 포함하는 연료 전지 스택 과부하 감지 방법이 제공된다.
이 때, 상기 산출 단계는 상기 연료 전지 스택에 공급되는 연료의 공급량을 측정하기 위한 공급량 측정 단계; 및 상기 연료 전지 스택으로부터 배출되는 연료의 배출량을 측정하기 위한 배출량 측정 단계를 포함하고, 상기 과부하 판단 단계는 상기 공급량과 상기 배출량을 비교하여, 상기 공급량과 상기 배출량의 차이가 미리 설정된 설정량을 초과하는 경우에 상기 연료 전지 스택의 과부하로 판단할 수 있다.
이 때, 상기 연료 전지 스택에 공급되는 연료는 수소(H2), 메탄(CH4)을 포함할 수 있다.
이 때, 상기 과부하 판단 단계에서 비교되는 연료의 양은 수소량일 수 있다.
이 때, 상기 과부하 판단 단계에서 상기 연료 전지 스택에 과부하가 걸린 것으로 판단되면, 계통에 공급되는 전력량을 감소시키도록 전력변환기를 제어하는 전력변환기 제어 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 선박과 같은 독립된 계통에서 사용되는 연료 전지 스택에 과부하가 걸리는 것을 감지할 수 있도록 하여 전력변환기와 연동하여 스택에 과부하는 걸리는 것을 방지함과 스택의 손상을 미연에 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택 과부하 감지 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 스택의 과부하 감지 방법의 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택 과부하 감지 시스템의 개략적인 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택 과부하 감지 시스템은, 연료전지 셀이 적층되어 연료(수소)와 공기(산소)의 전기 화학적 반응으로 직류(DC) 전력을 생산하는 연료 전지 스택(10); 연료 전지 스택(10)에 연료와 공기를 공급하는 연료공급기(MBOP: Mechanical Balance of Plant)(20); 연료 전지 스택(10)에 의하여 생산된 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하여 외부로 공급하는 전력변환기(EBOP: Electrical Balance of Plant)(30); 및 연료공급기(20)로부터 연료 전지 스택(10)으로 공급되는 연료의 공급량과 연료 전지 스택(10)으로부터 배출되는 연료의 배출량으로부터 상기 연료 전지 스택(10)의 과부하를 감지하는 비교기(40)를 포함할 수 있다.
연료 전지 스택(10)은 연료 전지 스택으로 공급되는 연료의 공급량을 측정하여 그 정보를 비교기(40)에 제공하는 공급량 측정부(11); 및 연료 전지 스택으로부터 배출되는 연료의 배출량을 측정하여 그 정보를 비교기(40)에 제공하는 배출량 측정부(13)를 포함할 수 있다.
또한, 비교기(40)는 공급량과 배출량을 비교하여, 공급량과 배출량의 차이가 미리 설정된 설정량을 초과하는 경우에 연료 전지 스택(10)의 과부하로 감지할 수 있다.
연료 전지 스택(10)에 공급되거나 배출되는 연료는 수소(H2), 메탄(CH4)을 포함할 수 있다.
또한, 비교기(40)에 의하여 비교되는 연료의 양은 연료 전지 스택(10)에 공급되는 수소량과 연료 전지 스택(10)으로부터 배출되는 수소량일 수 있다.
또한, 연료공급기(20)는 연료를 공급하기 위한 연료공급부(21); 공기를 공급하기 위한 공기공급부(미도시)를 포함할 수 있다.
연료공급기(20)는 초순수를 제조하기 위한 수처리기(23); 연료에서 황성분을 제거하기 위한 탈황기(미도시); 초순수를 스팀으로 형성함과 아울러 스팀을 연료와 혼합하기 위한 가습기(25); 황성분이 제거된 연료를 연료 전지 스택에서 요구되는 수소 연료로 전환하는 예비개질기(pre-reformer)(27)를 포함할 수 있다.
또한, 연료 전지 스택(10)의 배기가스 속에 포함된 수소 등의 미반응 연료를 산화시켜 제거하기 위한 촉매 연소기(50)를 포함할 수 있다.
비교기(40)와 전력변환기(30)의 사이에는 비교기(40)에 의하여 연료 전지 스택(10)의 과부하로 감지되면 이 과부하 감지 정보를 수신하여 전력변환기(30)로부터 공급되는 전력량을 감소시키도록 제어하기 위한 전력변환기 제어부(60)를 포함할 수 있다.
전력변환기 제어부(60)는 전력변환기(30)로부터 전력을 공급받는 주변 장비 중 중요도가 낮은 장비부터 전력 공급을 줄이도록 전력변환기(30)의 전력량 공급을 제어할 수 있다.
이하에서, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전시 스택 과부하 감지 시스템의 작동에 대해서 설명한다.
먼저, 연료 전지 스택(10)에 연료공급기(20)로부터 연료(수소)와 공기(산소)가 공급되고, 연료 전지 스택(10)에서 연료(수소)와 공기(산소)의 전기 화학적 반응으로 직류(DC) 전력을 생산한다.
그리고, 전력변환기(30)에서 연료 전지 스택(10)에 의하여 생산된 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하여 외부로 공급되고, 촉매 연소기(50)는 연료 전지 스택(10)의 배기가스 속에 포함된 수소 등의 미반응 연료를 산화시켜 제거한다.
이 때, 공급량 측정부(11)에서 연료 전지 스택(10)에 공급되는 연료의 공급량을 측정하고, 배출량 측정부(13)에서 연료 전지 스택(10)으로부터 배출되는 연료의 배출량을 측정한다.
그리고 비교기(40)에서 연료공급기(20)로부터 연료 전지 스택(10)으로 공급되는 연료의 공급량, 즉 공급량 측정부(11)에서 측정된 연료의 공급량과 연료 전지 스택(10)으로부터 배출되는 연료의 배출량, 즉 배출량 측정부(13)에서 측정된 연료의 배출량의 차이를 비교하여, 차이가 미리 설정된 설정량을 초과하는 경우 연료 전지 스택(10)의 과부하로 감지하게 된다.
비교기(40)에 의하여 연료 전지 스택(10)의 과부하로 감지되면, 전력변환기 제어부(60)에서 과부하 감지 정보를 수신하여 전력변환기(30)로부터 공급되는 전력량을 감소시키도록 제어한다.
이 때, 전력변환기 제어부(60)는 전력변환기(30)로부터 전력을 공급받는 주변 장비 중 중요도가 낮은 장비부터 전력 공급을 줄이도록 전력변환기(30)의 전력량 공급을 제어한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 스택의 과부하 감지 방법의 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택의 과부하 감지 방법은, 선박과 같은 독립된 계통에서 사용되는 연료 전지 스택에 과부하가 걸리는 것을 감지하기 것이다.
이러한 연료 전시 스택의 과부하 감지 방법은, 연료 전지 스택(10)에 연료와 공기를 공급하는 공급 단계(S10); 연료 전지 스택(10)에서 연료(수소)와 공기(산소)의 전기 화학적 반응으로 직류(DC) 전력을 생산하는 전력 생산 단계(S20); 전력 생산 단계(S20)에서 생산된 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하는 전력 변환 단계(S30); 연료 전지 스택(10)에 공급되는 연료의 공급량과 연료 전지 스택(10)으로부터 배출되는 연료의 배출량을 산출하는 산출 단계(S40); 및 산출 단계(S40)에서 산출된 연료의 공급량과 연료의 배출량으로부터 상기 연료 전지 스택(10)에 과부하를 판단하는 과부하 판단 단계(S50)를 포함할 수 있다.
산출 단계(S40)는 연료 전지 스택(10)에 공급되는 연료의 공급량을 측정하기 위한 공급량 측정 단계(S41); 및 연료 전지 스택(10)으로부터 배출되는 연료의 배출량을 측정하기 위한 배출량 측정 단계(S43)를 포함할 수 있다.
과부하 판단 단계(S50)는 상기 공급량과 상기 배출량을 비교하여, 상기 공급량과 상기 배출량의 차이가 미리 설정된 설정량을 초과하는 경우에 연료 전지 스택(10)의 과부하로 판단할 수 있다.
공급 단계(S10)에서 공급되는 연료는 수소(H2), 메탄(CH4)을 포함할 수 있다.
또한, 과부하 판단 단계(50)에서 비교되는 연료의 양은 연료 전지 스택에 공급되는 수소량과 연료 전지 스택(10)으로부터 배출되는 수소량일 수 있다.
또한, 과부하 판단 단계(S50)에서 연료 전지 스택(10)에 과부하가 걸린 것으로 판단되면, 계통에 공급되는 전력량을 감소시키도록 전력변환기를 제어하는 전력변환기 제어 단계(S60)를 포함할 수 있다.
전력변환기 제어 단계(S60)에서는 전력변환기(30)로부터 전력을 공급받는 주변 장비 중 중요도가 낮은 장비부터 전력 공급을 줄이도록 전력변환기(30)를 제어할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10: 연료 전지 스택 20: 연료공급기
30: 전력변환기 40: 비교기
50: 촉매 연소기 60: 전력변환기 제어부

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 선박에서 사용되는 연료 전지 스택 과부하 감지 시스템에 있어서,
    연료와 공기의 전기 화학적 반응으로 직류(DC) 전력을 생산하는 연료 전지 스택;
    상기 연료 전지 스택에 연료와 공기를 공급하는 연료공급기(MBOP: Mechanical Balance of Plant);
    상기 연료 전지 스택에 의하여 생산된 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하여 외부로 공급하는 전력변환기(EBOP: Electrical Balance of Plant); 및
    상기 연료공급기로부터 상기 연료 전지 스택으로 공급되는 연료의 공급량과 상기 연료 전지 스택으로부터 배출되는 연료의 배출량으로부터 상기 연료 전지 스택의 과부하를 감지하는 비교기를 포함하고,
    상기 연료 전지 스택으로 공급되는 연료의 공급량을 측정하여 그 정보를 상기 비교기에 제공하는 공급량 측정부; 및 상기 연료 전지 스택으로부터 배출되는 연료의 배출량을 측정하여 그 정보를 상기 비교기에 제공하는 배출량 측정부를 더 포함하고,
    상기 비교기는 상기 공급량과 상기 배출량을 비교하여, 상기 공급량과 상기 배출량의 차이가 미리 설정된 설정량을 초과하는 경우에 상기 연료 전지 스택의 과부하로 감지하는 연료 전지 스택 과부하 감지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택에 공급되는 연료는 수소(H2), 메탄(CH4)을 포함하는 연료 전지 스택 과부하 감지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 비교기에 의하여 비교되는 연료의 양은 수소량인 연료 전지 스택 과부하 감지 시스템.
  5. 선박에서 사용되는 연료 전지 스택 과부하 감지 시스템에 있어서,
    연료와 공기의 전기 화학적 반응으로 직류(DC) 전력을 생산하는 연료 전지 스택;
    상기 연료 전지 스택에 연료와 공기를 공급하는 연료공급기(MBOP: Mechanical Balance of Plant);
    상기 연료 전지 스택에 의하여 생산된 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하여 외부로 공급하는 전력변환기(EBOP: Electrical Balance of Plant); 및
    상기 연료공급기로부터 상기 연료 전지 스택으로 공급되는 연료의 공급량과 상기 연료 전지 스택으로부터 배출되는 연료의 배출량으로부터 상기 연료 전지 스택의 과부하를 감지하는 비교기를 포함하고,
    상기 비교기와 상기 전력변환기의 사이에는 상기 비교기에 의하여 상기 연료 전지 스택의 과부하로 감지되면 이 과부하 감지 정보를 수신하여 상기 전력변환기로부터 공급되는 전력량을 감소시키도록 제어하기 위한 전력변환기 제어부를 더 포함하는 연료 전지 스택 과부하 감지 시스템.
  6. 삭제
  7. 선박에서 사용되는 연료 전지 스택 과부하 감지 방법에 있어서,
    연료 전지 스택에 연료와 공기를 공급하는 공급 단계;
    상기 연료 전지 스택에서 연료와 공기의 전기 화학적 반응으로 직류(DC) 전력을 생산하는 전력 생산 단계;
    상기 전력 생산 단계에서 생산된 상기 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하는 전력 변환 단계;
    상기 연료 전지 스택에 공급되는 연료의 공급량과 상기 연료 전지 스택으로부터 배출되는 연료의 배출량을 산출하는 산출 단계; 및
    상기 산출 단계에서 산출된 상기 연료의 공급량과 상기 연료의 배출량으로부터, 상기 연료 전지 스택의 과부하를 판단하는 과부하 판단 단계를 포함하고,
    상기 산출 단계는 상기 연료 전지 스택에 공급되는 연료의 공급량을 측정하기 위한 공급량 측정 단계; 및 상기 연료 전지 스택으로부터 배출되는 연료의 배출량을 측정하기 위한 배출량 측정 단계를 포함하고,
    상기 과부하 판단 단계는 상기 공급량과 상기 배출량을 비교하여, 상기 공급량과 상기 배출량의 차이가 미리 설정된 설정량을 초과하는 경우에 상기 연료 전지 스택의 과부하로 판단하는 연료 전지 스택 과부하 감지 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택에 공급되는 연료는 수소(H2), 메탄(CH4)을 포함하는 연료 전지 스택 과부하 감지 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 과부하 판단 단계에서 비교되는 연료의 양은 수소량인 연료 전지 스택 과부하 감지 방법.
  10. 선박에서 사용되는 연료 전지 스택 과부하 감지 방법에 있어서,
    연료 전지 스택에 연료와 공기를 공급하는 공급 단계;
    상기 연료 전지 스택에서 연료와 공기의 전기 화학적 반응으로 직류(DC) 전력을 생산하는 전력 생산 단계;
    상기 전력 생산 단계에서 생산된 상기 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하는 전력 변환 단계;
    상기 연료 전지 스택에 공급되는 연료의 공급량과 상기 연료 전지 스택으로부터 배출되는 연료의 배출량을 산출하는 산출 단계; 및
    상기 산출 단계에서 산출된 상기 연료의 공급량과 상기 연료의 배출량으로부터, 상기 연료 전지 스택의 과부하를 판단하는 과부하 판단 단계를 포함하고,
    상기 과부하 판단 단계에서 상기 연료 전지 스택에 과부하가 걸린 것으로 판단되면, 계통에 공급되는 전력량을 감소시키도록 전력변환기를 제어하는 전력변환기 제어 단계를 더 포함하는 연료 전지 스택 과부하 감지 방법.
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