KR101463437B1 - 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 연료 전지 시스템의 안정성 확보 및 피해를 최소화할 수 있는 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 본 명세서의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치는, 직류 전원을 발생하는 연료 전지와, 상기 연료 전지와 전력 계통 사이에 연결된 주변장치를 포함하는 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 전지에 연결되고, 상기 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 교류 전원을 상기 전력 계통에 인가하는 전력 변환부와; 상기 전력 계통에 이상이 발생할 때 상기 전력 계통과 상기 전력 변환부와의 연결을 차단하고, 상기 연료 전지에서 발생한 전력중 상기 연료 전지 시스템의 운전에 요구되는 전력을 제외한 잉여 전력을 상기 주변장치에 인가하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

연료 전지 시스템의 전원 제어 장치 및 그 방법{POWER CONTROLLING APPARATUS OF FUEL CELL SYSTEM AND METHOD THEREOF}
본 명세서는 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 수소와 산소를 이용하여 물과 전기를 생성하게 된다. 연료전지의 작동 원리는 애노드(Anode)에서 수소가 이온화되면서 전자를 발생하고, 그 발생한 전자는 중간의 전해질을 거쳐 캐소드(Cathode)로 이동하게 된다. 상기 전자가 이동하는 과정에서 전기 에너지가 발생한다. 수소와 공기가 반응해 물이 생성되는 이 반응은 발열 반응으로 전기에너지 외에도 열과 물을 얻을 수 있다.
반면, 연료전지의 연료로 쓰이는 수소는 그 자체로 얻기는 어렵기 때문에 수소화합물을 개질하여 이용한다. 즉, 연료전지의 연료로서 탄소와 수소의 화합물인 화석연료가 사용된다. 종래 기술에 따른 연료전지는 한국 특허 출원번호 10-2006-0117082에도 개시되어 있다.
본 명세서는 연료 전지 시스템의 안정성 확보 및 피해를 최소화할 수 있는 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치는, 직류 전원을 발생하는 연료 전지와, 상기 연료 전지와 전력 계통 사이에 연결된 주변장치를 포함하는 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 연료 전지에 연결되고, 상기 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 교류 전원을 상기 전력 계통에 인가하는 전력 변환부와; 상기 전력 계통에 이상이 발생할 때 상기 전력 계통과 상기 전력 변환부와의 연결을 차단하고, 상기 연료 전지에서 발생한 전력중 상기 연료 전지 시스템의 운전에 요구되는 전력을 제외한 잉여 전력을 상기 주변장치에 인가하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 상기 전력 계통에 이상이 발생할 때 상기 잉여 전력을 상기 주변장치에 포함된 히터에 인가하며, 상기 히터는 상기 연료 전지의 애노드 라인에 연결된 제1 히터 및/또는 상기 연료 전지의 캐소드 라인에 연결된 제2 히터를 포함할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 상기 전력 계통에 이상이 발생할 때 상기 잉여 전력의 출력값이 상기 제1 히터의 최대 소비 전력 이하이면, 상기 잉여 전력을 상기 제1 히터에 인가할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 상기 잉여 전력을 상기 제1 히터에 인가할 때 상기 연료 전지의 애노드측 온도가 미리 설정된 온도를 유지하도록, 연료 공급부에서 상기 연료 전지의 애노드에 인가되는 스팀량을 증가시킬 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 상기 전력 계통에 이상이 발생할 때 상기 잉여 전력의 출력값이 상기 제1 히터의 최대 소비 전력을 초과하면, 상기 잉여 전력을 상기 제1 히터 및 상기 제2 히터에 인가할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 상기 잉여 전력을 상기 제1 및 제2 히터에 인가할 때 상기 연료 전지의 캐소드측 온도가 상기 미리 설정된 온도를 유지하도록, 공기 공급부에서 상기 연료 전지의 캐소드측에 인가되는 공기 유량을 증가시킬 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전원 제어 방법은, 직류 전원을 발생하는 연료 전지와, 상기 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 교류 전원을 전력 계통에 인가하는 전력 변환부와, 상기 전력 변환부에 연결된 주변장치를 포함하는 연료 전지 시스템의 전원 제어 방법에 있어서, 상기 전력 계통에 이상이 발생할 때 상기 전력 계통과 상기 전력 변환부와의 연결을 차단하는 단계와; 상기 연료 전지에서 발생한 전력중 상기 연료 전지 시스템의 운전에 요구되는 전력을 제외한 잉여 전력을 상기 주변장치에 포함된 히터에 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치 및 그 방법은, 전력 계통에 이상이 발생할 때 연료 전지 시스템에서 발생한 전력을 주변 장치(BOP:Balance of Plant)를 통해 소비시킴으로써 연료 전지 시스템의 안정성 확보 및 피해를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치 및 그 방법은, 전력 계통에 이상이 발생할 때 연료 전지 시스템에서 발생한 전력을 주변 장치(BOP)에 포함된 히터를 통해 소비시킬 때, 그 히터로 인해 상승하는 온도를 제어함으로써 연료 전지 시스템(연료 전지 스택을 포함)을 보호하고 안정적으로 운영할 수 있는 효과도 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지 시스템의 전원 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
이하에서는, 전력 계통에 이상이 발생할 때 연료 전지 시스템의 안정성 확보 및 피해를 최소화할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치 및 그 방법을 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치(100)는, 연료(예를 들면, 산소 및 연료 가스(예를 들면, 천연가스, 수소, 탄화수소화합물 등))를 반응시켜 직류 전원(DC)을 발생하는 연료 전지(102)와, 상기 연료 전지(102)에 연결된 주변장치(BOP:Balance of Plant)를 포함하는 연료 전지 시스템에 있어서,
상기 연료 전지(102)에 연결되고, 상기 직류 전원을 교류 전원(AC)으로 변환하고, 그 변환된 교류 전원을 상기 전력 계통에 인가하는 전력 변환부(PCS: Power Conditioning System)(103)와;
상기 전력 계통에 이상이 발생할 때 상기 전력 계통과 상기 전력 변환부(103)와의 연결을 차단하고, 상기 연료 전지(102)에서 발생한 전력(또는 상기 연료 전지(102)에서 발생한 전력 중에서 상기 연료 전지 시스템의 운전에 요구되는 전력을 제외한 잉여 전력)을 상기 주변 장치(BOP:Balance of Plant)에 인가하는 제어부(104)를 포함한다. 상기 제어부(104)는 상기 전력 변환부(103) 내에 구성되거나 상기 전력 변환부(103)에 연결될 수도 있다.
상기 연료 전지(102)는 용융탄산염 연료전지 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC), 직접에탄올 연료전지(Direct Ethanol Fuel Cell, DEFC), 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC) 중에서 어느 하나이거나 이들의 조합일 수 있다.
상기 전력 변환부(103)는 상기 연료 전지(102)에서 출력되는 직류 전원을 상기 전력 계통에서 사용할 수 있는 교류 전원으로 변환하는 DC-AC 인버터(도시되지 않음)를 포함한다.
상기 주변장치(BOP: Balance of Plant)는, 상기 연료 전지 시스템을 운전(구동)하는데 필요한 주변장치로서, 히터, 공기 공급부(Air blower), 연료 공급부, 각종 밸브 및 센서 등을 포함할 수 있다. 상기 주변장치(BOP: Balance of Plant)는 상기 전력 변환부(103)의 출력단에 연결된다.
상기 제어부(104)는, 상기 전력 계통에 이상이 발생할 때 상기 전력 계통과 상기 전력 변환부(103) 사이에 연결된 스위치(SW1)를 개방함으로써, 상기 전력 계통과 상기 전력 변환부(103)와의 연결을 차단하고, 상기 연료 전지(102)에서 발생한 직류 전원중 상기 연료 전지 시스템의 운전에 요구되는 직류 전원을 제외한 잉여 직류 전원을 상기 주변장치(BOP: Balance of Plant)에 인가함으로써 상기 잉여 직류 전원을 소비시킨다. 예를 들면, 상기 전력 계통에 이상이 생길 경우, 상기 전력 변환부(103)는 전력 계통과 차단이 되어 연료 전지 시스템의 독립 전력 계통이 형성이 된다. 이러한 경우 연료 전지 시스템에서 발전하는 모든 전력은 연료 전지 시스템이 소비를 해야만 연료 전지 시스템이 안정적인 운전을 할 수가 있다.
따라서, 상기 제어부(104)는 상기 연료 전지(102)의 출력 전력을 상기 연료 전지 시스템의 주변장치(BOP: Balance of Plant)(예를 들면, 히터)에 인가함으로써 상기 연료 전지(102)의 출력 전력을 소비하게 된다. 이러한 전력 소비로 인해, 연료 전지 시스템은, 정지 혹은 부하 변동에 따른 시간 소모를 줄이고, 상기 전력 계통이 정상 상태로 돌아올 때까지 정격 운전 상태를 유지할 수 있다.
반면, 상기 제어부(104)는 상기 전력 계통에 이상이 생길 경우, 상기 전력 변환부(103)를 통해 출력되는 전력을 상기 연료 전지 시스템의 주변장치(BOP: Balance of Plant)에 포함된 히터(예를 들면, 연료 전지의 애노드 라인에 연결된 히터 및/또는 연료 전지의 캐소드 라인에 연결된 히터)에 인가하면 그 히터에 의해 애노드극으로 공급되는 가스 및/또는 캐소드 극으로 공급되는 가스의 온도가 상승하여 상기 연료 전지 시스템의 온도가 상승하므로, 상기 연료 전지 시스템의 온도를 일정한 온도(설정 온도 또는 기준 온도)를 유지시킨다. 즉, 상기 제어부(104)는 연료 공급부(도2의 180)에서 애노드극으로 인가되는 스팀량을 증가시키거나, 또는 이와 함께 공기 공급부에서 연료 전지(102)의 캐소드 전단에 인가되는 공기 유량을 증가시킴으로써 상기 연료 전지 시스템의 온도를 상기 일정한 온도(설정 온도 또는 기준 온도)로 유지한다.
상기 제어부(104)는 상기 전력 계통에 이상이 생길 경우, 상기 전력 변환부(103)를 통해 출력되는 전력(연료 전지의 출력 전력)을 상기 연료 전지 시스템의 주변장치(BOP: Balance of Plant)인 히터뿐만 아니라 전력을 소모하는 다양한 장치들(주변 장치에 포함된 전력 소비 장치들)에 인가함으로써 상기 전력 변환부(103)를 통해 출력되는 전력(연료 전지의 출력 전력)을 소비할 수도 있다.
이하에서는, 상기 전력 계통에 이상이 생길 경우, 상기 전력 변환부(103)를 통해 출력되는 전력(연료 전지의 출력 전력)을 상기 연료 전지 시스템의 주변장치(BOP: Balance of Plant)인 히터에 인가함으로써 상기 전력 변환부(103)를 통해 출력되는 전력(연료 전지의 출력 전력)을 소비할 수 있는 방법을 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다. 즉, 상기 전력 계통에 이상이 생길 경우, 상기 전력 변환부(103)를 통해 출력되는 전력(연료 전지의 출력 전력)을 상기 연료 전지 시스템의 주변장치에 포함된 히터에 인가함으로써 연료 전지 시스템의 온도가 상승하는데, 이때 연료 전지 시스템의 온도를 제어함으로써 연료 전지 시스템(연료 전지 스택을 포함)을 보호하고 안정적으로 운영할 수 있는 장치 및 방법을 설명한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치를 나타낸 도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치(100)는, 연료(예를 들면, 산소 및 연료 가스(예를 들면, 천연가스, 수소, 탄화수소화합물 등))를 반응시켜 직류 전원(DC)을 발생하는 연료 전지(102)와, 상기 연료 전지(102)와 전력 계통 사이에 연결된 주변장치(BOP:Balance of Plant)를 포함하는 연료 전지 시스템에 있어서,
상기 연료 전지(102)에 연결되고, 상기 직류 전원을 교류 전원(AC)으로 변환하고, 그 변환된 교류 전원을 상기 전력 계통에 인가하는 전력 변환부(PCS: Power Conditioning System)(103)와;
상기 전력 계통에 이상이 발생할 때 상기 전력 계통과 상기 전력 변환부(103)와의 연결을 차단하고, 상기 연료 전지(102)에서 발생한 전력 중 상기 연료 전지 시스템의 운전에 요구되는 전력을 제외한 잉여 전력을 상기 주변 장치(BOP:Balance of Plant)에 포함된 히터(예를 들면, 연료 전지의 애노드 히터(170), 또는 연료 전지의 애노드 히터(170) 및 연료 전지의 캐소드 히터(160))에 인가하는 제어부(104)를 포함한며, 상기 제어부(104)는 상기 히터에 인가된 전력에 의해 상승하는 상기 연료 전지 시스템의 온도를 제어하기 위해 상기 공기 공급부(130)의 공기 유량 및/또는 연료 공급부(180)의 스팀량을 제어한다.
상기 제어부(104)는, 상기 전력 계통과 상기 전력 변환부(103)와의 연결을 차단했을 때의 상기 연료 전지(102)에서 발생한 전력(또는 잉여 전력)이 상기 애노드 히터(170)의 최대 출력값(최대 소비 전력) 이하이면, 상기 연료 전지(102)에서 발생한 전력(또는 잉여 전력)을 상기 애노드 히터(170)에 출력한다. 반면, 상기 제어부(104)는, 상기 전력 계통과 상기 전력 변환부(103)와의 연결을 차단했을 때의 상기 연료 전지(102)에서 발생한 전력(또는 잉여 전력)이 상기 애노드 히터(170)의 최대 출력값(최대 소비 전력)을 초과하면, 상기 연료 전지(102)에서 발생한 전력(또는 잉여 전력)을 상기 애노드 히터(170) 및 캐소드 히터(160)에 출력한다. 여기서, 상기 전력 계통과 상기 전력 변환부(103)와의 연결을 차단했을 때의 상기 연료 전지(102)에서 발생한 전력(또는 잉여 전력)의 최대값은 상기 애노드 히터(170) 및 캐소드 히터(160)의 최대 출력값(최대 소비 전력)의 합을 넘지 않도록 설계될 수 있다.
상기 연료 전지 시스템은, 연료 전지 애노드(Anode)에 연결된 믹서(Mixer)(110)와; 상기 믹서(110)와 연료 전지 캐소드(Cathode) 사이에 연결된 촉매 연소기(120)와; 상기 촉매 연소기의 전단 및 후단의 온도를 검출하는 온도 검출부(150)와; 상기 공급된 공기의 유량을 상기 믹서 및 상기 촉매 연소기에 분배하는 공기 유량 분배기(140)를 포함한다.
상기 제어부(104)는, 상기 검출된 온도를 근거로, 상기 믹서(110) 및 상기 촉매 연소기(120)에 인가될 공기 유량을 증가 또는 감소시키기 위한 상기 제어 신호를 발생하고, 그 발생한 제어 신호를 상기 공기 유량 분배기(140)에 출력한다.
상기 온도 검출부(150)는, 상기 촉매 연소기(120)의 전단(입구)의 온도를 검출하는 제1 온도 검출기(T1)와; 상기 촉매 연소기(120)의 후단(출구)의 온도를 검출하는 제2 온도 검출기(T2), 상기 연료 전지의 캐소드 측의 온도를 검출하는 제3 온도 검출기(T3), 상기 연료 전지의 애노드 측의 온도를 검출하는 제4 온도 검출기(도시 되지 않음)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 공기 공급부(130)에서 출력되는 메인 공기 유량을 검출하고, 그 메인 공기 유량에 대응하는 값을 상기 제어부(104)에 출력하는 제1 공기 유량계(Flow Transmitter, FT)(FT1)와; 상기 믹서(110)에 인가되는 제1 공기 유량을 검출하고, 그 제1 공기 유량에 대응하는 값을 상기 제어부(104)에 출력하는 제2 공기 유량계(Flow Transmitter, FT)(FT2)를 포함할 수 있다. 상기 공기 유량 자체를 제어하는 방법은 한국 특허 출원 번호 10-2012-0014987에도 개시되어 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지 시스템의 전원 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
먼저, 상기 제어부(104)는 상기 전력 계통에 이상이 발생했는지를 판단한다(S11).
상기 제어부(104)는 상기 전력 계통에 이상이 발생할 때 상기 전력 계통과 상기 전력 변환부(103)와의 연결을 차단한다(S12). 상기 제어부(104)는 상기 전력 계통의 과전압 혹은 저전압 상태, 과전류 혹은 저전류 상태 외에도 선로의 단락, 선로 점검, 전력 품질 저하, 선로의 혼촉, 유도뢰, 직격뢰 등의 원인에 의해 상기 전력 계통에 이상이 발생할 때 상기 전력 계통과 상기 전력 변환부(103)와의 연결을 차단할 수 있다. 예를 들면, 상기 제어부(104)는 상기 전력 계통에 이상이 발생할 때 상기 전력 계통과 상기 전력 변환부(103) 사이에 연결된 스위치(SW1)를 턴-오프(Turn-Off)함으로써 상기 전력 계통에 공급되는 전력을 차단한다.
상기 제어부(104)는 상기 전력 계통과 상기 전력 변환부(103)와의 연결을 차단한 후 상기 연료 전지의 출력 전력을 제1 히터(애노드 히터(170)), 또는 제1 히터(애노드 히터(170)) 및 제2 히터(캐소드 히터(160))에 인가한다(S13). 여기서, 상기 캐소드 히터(160)의 최대 소비 전력은 상기 애노드 히터(170)의 최대 소비 전력보다 크게 설계될 수 있다. 예를 들면, 상기 제어부(104)는 상기 전력 계통과 상기 전력 변환부(103)와의 연결을 차단한 후 상기 연료 전지의 출력 전력값을 검출하고, 그 출력 전력값이 상기 애노드 히터(170)의 최대 소비 전력 이하이면 상기 연료 전지의 출력 전력을 상기 애노드 히터(170)에 인가한다.
반면, 상기 제어부(104)는 상기 전력 계통과 상기 전력 변환부(103)와의 연결을 차단한 후의 상기 연료 전지의 출력 전력값이 상기 애노드 히터(170)의 최대 소비 전력을 초과하면 상기 연료 전지의 출력 전력을 상기 애노드 히터(170) 및 상기 캐소드 히터(160)에 인가한다.
상기 제어부(104)는 상기 연료 전지(102)에서 발생한 전력 중 상기 연료 전지 시스템의 운전에 요구되는 전력을 제외한 잉여 전력을 상기 애노드 히터, 또는 애노드 히터 및 캐소드 히터에 인가함으로써 상기 잉여 전력을 상기 히터(애노드 히터, 또는 애노드 히터 및 캐소드 히터)를 통해 소비시킬 수도 있다.
상기 제어부(104)는 상기 히터(애노드 히터, 또는 애노드 히터 및 캐소드 히터)에 의해 상승하는 연료 전지 시스템 온도를 제어한다(S14).
예를 들면, 상기 제어부(104)는, 애노드 히터(170)에 의해 상승하는 연료 전지 애노드측 온도를 검출하고, 상기 검출된 연료 전지 애노드측 온도가 미리 설정된 온도(설정 온도)를 초과하면, 상기 연료 공급부(180)를 통해 출력되는 스팀량(Steam)을 증가시킴으로써 상기 검출된 연료 전지 애노드측 온도를 상기 미리 설정된 온도(설정 온도)로 유지할 수 있다. 즉, 상기 제어부(104)는, S(스팀)/C(연료로 쓰이는 탄화수소화합물에 포함된 카본) 비율(Ratio)을 높임으로써 스팀량을 증가시켜 상기 검출된 연료 전지 애노드측 온도를 상기 미리 설정된 온도(설정 온도)로 유지할 수 있다. 여기서, 상기 연료 공급부(180)는 물을 공급하기 위한 워터 펌프(Water Pump)를 포함한다.
상기 제어부(104)는, 캐소드 히터(160)에 의해 상승하는 연료 전지 캐소드측 온도를 검출하고, 상기 검출된 연료 전지 캐소드측 온도가 미리 설정된 온도(설정 온도)를 초과하면, 상기 공기 공급부(130)를 통해 출력되는 공기의 유량을 증가시킴으로써 상기 검출된 연료 전지 캐소드측 온도를 상기 미리 설정된 온도(설정 온도)로 유지할 수 있다. 즉, 상기 제어부(104)는, 상기 공기 공급부(130)에서 연료 전지 캐소드측에 인가되는 공기 유량(제1 공기 유량 및 제2 공기 유량)을 증가시킨다. 상기 공기 공급부(130)는 상기 제1 공기 유량 및 제2 공기 유량을 증가시키기 위해 다수의 공기 공급부를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치 및 그 방법은, 전력 계통에 이상이 발생할 때 연료 전지 시스템에서 발생한 전력을 주변 장치(BOP)를 통해 소비시킴으로써 연료 전지 시스템의 안정성 확보 및 피해를 최소화할 수 있다. 예를 들면, 전력 계통에 이상이 발생할 때 연료 전지 시스템과 전력 계통과의 연결을 차단하면 연료 전지 스택(Stack)이 많은 양의 미반응된 연료를 배출되게 되어 온도가 급격히 상승하고, 그 온도 상승에 의해 연료 전지 스택 및 연료 전지 시스템에 피해(Damage)를 주게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치 및 그 방법은, 전력 계통에 이상이 발생할 때 연료 전지 시스템에서 발생한 전력을 주변 장치(예를 들면, 히터)를 통해 소비시킴으로써 연료 전지 시스템의 안정성 확보 및 피해를 최소화할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치 및 그 방법은, 전력 계통에 이상이 발생할 때 연료 전지 시스템에서 발생한 전력을 주변 장치(BOP)에 포함된 히터를 통해 소비시킬 때, 그 히터로 인해 상승하는 온도를 제어함으로써 연료 전지 시스템(연료 전지 스택을 포함)을 보호하고 안정적으로 운영할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
102: 연료 전지 103: 전력 변환부
104: 제어부

Claims (10)

  1. 직류 전원을 발생하는 연료 전지와, 상기 연료 전지와 전력 계통 사이에 연결된 주변장치를 포함하는 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치에 있어서,
    상기 연료 전지에 연결되고, 상기 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 교류 전원을 상기 전력 계통에 인가하는 전력 변환부와;
    상기 전력 계통에 이상이 발생할 때 상기 전력 계통과 상기 전력 변환부와의 연결을 차단하고, 상기 연료 전지에서 발생한 전력 중 상기 연료 전지 시스템의 운전에 요구되는 전력을 제외한 잉여 전력을 상기 주변장치에 인가하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 잉여 전력을 상기 연료 전지의 애노드 라인에 연결된 제1 히터에 인가할 때 상기 연료 전지의 애노드측 온도가 미리 설정된 온도를 유지하도록, 연료 공급부에서 상기 연료 전지의 애노드에 인가되는 스팀량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 전력 계통에 이상이 발생할 때 상기 잉여 전력을 상기 주변장치에 포함된 히터에 인가하며, 상기 히터는 상기 제1 히터 및 상기 연료 전지의 캐소드 라인에 연결된 제2 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 전력 계통에 이상이 발생할 때 상기 잉여 전력의 출력값이 상기 제1 히터의 최대 소비 전력 이하이면, 상기 잉여 전력을 상기 제1 히터에 인가하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치.
  4. 삭제
  5. 제 2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 전력 계통에 이상이 발생할 때 상기 잉여 전력의 출력값이 상기 제1 히터의 최대 소비 전력을 초과하면, 상기 잉여 전력을 상기 제1 히터 및 상기 제2 히터에 인가하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 잉여 전력을 상기 제1 및 제2 히터에 인가할 때 상기 연료 전지의 캐소드측 온도가 상기 미리 설정된 온도를 유지하도록, 공기 공급부에서 상기 연료 전지의 캐소드측에 인가되는 공기 유량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 전원 제어 장치.
  7. 직류 전원을 발생하는 연료 전지와, 상기 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 상기 변환된 교류 전원을 전력 계통에 인가하는 전력 변환부와, 상기 전력 변환부에 연결된 주변장치를 포함하는 연료 전지 시스템의 전원 제어 방법에 있어서,
    상기 전력 계통에 이상이 발생할 때 상기 전력 계통과 상기 전력 변환부와의 연결을 차단하는 단계와;
    상기 연료 전지에서 발생한 전력중 상기 연료 전지 시스템의 운전에 요구되는 전력을 제외한 잉여 전력을 상기 주변장치에 포함된 히터에 인가하는 단계와;
    상기 연료 전지의 애노드 라인에 연결된 제1 히터에 상기 잉여 전력이 인가되면, 상기 연료 전지의 애노드측 온도가 미리 설정된 온도로 유지되도록, 연료 공급부에서 상기 연료 전지의 애노드에 인가되는 스팀량을 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 전원 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 잉여 전력을 상기 히터에 인가하는 단계는,
    상기 전력 계통에 이상이 발생할 때 상기 제1 히터 및 상기 연료 전지의 캐소드 라인에 연결된 제2 히터에 상기 잉여 전력을 인가하는 단계인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 전원 제어 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 연료 전지의 캐소드 라인에 연결된 제2 히터에 상기 잉여 전력이 인가되면, 상기 연료 전지의 캐소드측 온도가 상기 미리 설정된 온도로 유지되도록, 공기 공급부에서 상기 연료 전지의 캐소드측에 인가되는 공기 유량을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 전원 제어 방법.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20090057307A (ko) * 2006-10-10 2009-06-04 도요타 지도샤（주） 공기조절제어시스템
KR20110097020A (ko) * 2010-02-24 2011-08-31 지에스칼텍스 주식회사 연료 전지 시스템 보호 장치 및 보호 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004311218A (ja) * 2003-04-07 2004-11-04 Toyota Industries Corp 燃料電池システムの暖機装置
KR20090057307A (ko) * 2006-10-10 2009-06-04 도요타 지도샤（주） 공기조절제어시스템
KR20110097020A (ko) * 2010-02-24 2011-08-31 지에스칼텍스 주식회사 연료 전지 시스템 보호 장치 및 보호 방법

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