KR101394870B1 - Method for controlling generating power of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지의 정출력 운전시 연료전지의 셀 전압 강하율을 개선하기 위한 연료전지의 출력 제어 방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE
알려진 바와 같이, 연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치로서, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다. As is known, a fuel cell is a kind of power generation device that converts electrochemical reaction of chemical energy generated by oxidation of fuel into electric energy, and supplies electric power for industrial use, household use, and vehicle driving as well as small electric / And can be applied particularly to the power supply of a portable apparatus.
이러한 연료전지의 예로는, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)가 있다.An example of such a fuel cell is a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), which has been most studied as a power source for driving a vehicle.
종래에는 이러한 연료전지의 운전시, 인버터에서 각각의 연료전지에 고정부하를 걸어줌에 의해 변동 없는 직선상의 일정 파형을 갖는 직류출력을 발생시켜 인버터로 송출함으로써 원하는 출력을 유지하도록 하였다.Conventionally, in the operation of such a fuel cell, a DC load having a constant waveform on a straight line without fluctuation is generated by applying a fixed load to each fuel cell in the inverter, and the DC output is sent to the inverter to maintain a desired output.
도 1을 참조하여 예를 들면, 100kW의 교류 출력을 원하는 경우, 인버터(1,2)의 전단(입력단)에 연결된 2개의 연료전지모듈(3,4)에서 각각 50kW의 일정 파형을 갖는 직류출력을 발생시켜 인버터(1,2)로 송출하게 함으로써 상기 인버터(1,2)의 후단(출력단)에 연결된 부하 측에 100kW의 교류 출력을 공급할 수 있도록 하였다.Referring to FIG. 1, for example, when an alternating current output of 100 kW is desired, the two
그러나, 이와 같은 종래 연료전지의 정출력 운전시에는 다양한 변수로 인해 급격한 셀 전압 강하가 발생하는 문제점이 있다.
However, there is a problem that a sudden cell voltage drop occurs due to various variables during the constant output operation of such a conventional fuel cell.
본 발명은 상기와 같은 점을 개선하기 위해 고안한 것으로서, 한 쌍의 연료전지를 구성하는 각각의 연료전지에 변동부하를 걸어줌에 의해 상보적인 사인파형의 직류출력을 발생시켜 부하 측에 공급되는 인버터 출력의 합을 일정하게 유지함으로써 연료전지의 셀 전압 강하율을 개선하는 연료전지의 출력 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention has been devised to overcome the above-described problems, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell system that generates DC output of a complementary sinusoidal waveform by applying a variable load to each fuel cell constituting a pair of fuel cells, And an output control method of a fuel cell that improves the cell voltage drop ratio of the fuel cell by keeping the sum of the inverter outputs constant.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 적어도 한 쌍의 연료전지를 구비한 연료전지 발전부에서, 상기 한 쌍의 연료전지를 구성하는 제1연료전지와 제2연료전지에 각각 사인파형의 패턴을 갖는 변동부하를 인가하여 상기 각 연료전지의 출력을 사인파형의 직류로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 출력 제어 방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a fuel cell power generation unit including at least a pair of fuel cells, wherein a first fuel cell and a second fuel cell constituting the pair of fuel cells each have a sinusoidal pattern And the output of each of the fuel cells is controlled to be a direct current of a sinusoidal waveform.
바람직하게, 본 발명에 따른 연료전지의 출력 제어 방법은, 상기 제1연료전지에 인가하는 제1변동부하와 제2연료전지에 인가하는 제2변동부하 간에 소정의 위상차를 형성하며, 상기 제1변동부하와 제2변동부하는 서로 동일한 주기를 가지는 사인파형의 패턴을 가지는 것으로, 상기 제2변동부하의 위상각은 θ± 180°이고 상기 θ는 제1변동부하의 위상각임을 특징으로 한다.
Preferably, the output control method of the fuel cell according to the present invention further comprises the steps of: forming a predetermined phase difference between a first variable load applied to the first fuel cell and a second variable load applied to the second fuel cell; The variable load and the second variable load have a pattern of a sinusoidal waveform having the same period, the phase angle of the second variable load is θ ± 180 ° and the phase angle of the first variable load.
본 발명에 따른 연료전지의 출력 제어 방법에 의하면, 한 쌍을 이루는 각각의 연료전지가 서로 위상차를 갖는 상보적인 사인파형의 직류를 출력하게 함으로써 한 쌍의 연료전지로부터 부하 측에 공급되는 출력전력의 합을 일정하게 유지하여 연료전지의 셀 전압 강하율이 완화되는 효과를 얻을 수 있으며, 더불어 연료전지의 내구성 증대 효과를 기대할 수 있다.
According to the method for controlling the output of the fuel cell according to the present invention, each of the pair of fuel cells outputs a direct current of a complementary sinusoidal waveform having a phase difference from each other, The cell voltage drop ratio of the fuel cell can be alleviated by keeping the sum constant, and the durability of the fuel cell can be expected to be increased.
도 1은 종래 연료전지의 출력 제어를 위한 구성을 개략적으로 나타낸 도면
도 2는 본 발명에 따른 연료전지의 출력 제어를 위한 구성을 개략적으로 나타낸 도면
도 3은 본 발명에 따라 출력 제어된 연료전지의 출력전력을 나타낸 그래프
도 4는 본 발명에 따른 연료전지의 출력 제어 방법의 효과를 예증하기 위한 시험 결과를 나타낸 그래프1 is a view schematically showing a configuration for controlling the output of a conventional fuel cell
2 is a schematic view showing a configuration for controlling the output of the fuel cell according to the present invention;
3 is a graph showing output power of a fuel cell controlled in accordance with the present invention
4 is a graph showing test results for illustrating the effect of the output control method of the fuel cell according to the present invention
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 연료전지의 출력 제어 방법에 관한 것으로, 특히 한 쌍의 연료전지에 각각 변동부하를 걸어주어 서로 위상차를 갖는 상보적인 사인파형의 직류출력을 발생시켜 각각의 연료전지에 연결된 인버터에서 송출되는 교류출력의 합이 일정한 값을 유지하도록 함으로써 연료전지의 셀 전압 강하를 개선하는데 특징이 있다.The present invention relates to a method of controlling the output of a fuel cell. More particularly, the present invention relates to a method of controlling the output of a fuel cell, in which a variable load is applied to each of a pair of fuel cells to generate a DC output of a complementary sinusoidal waveform having a phase difference from each other, And the cell voltage drop of the fuel cell is improved by allowing the sum of the AC outputs to be maintained at a constant value.
도 2에는 연료전지 발전부와 이 연료전지 발전부의 출력 제어를 위한 인버터가 도시되어 있다.2 shows a fuel cell power generation unit and an inverter for controlling the output of the fuel cell power generation unit.
도 2에 보이듯이, 상기 연료전지 발전부는 두 개의 연료전지(11,12)가 짝을 이루어 구비되며, 적어도 한 쌍의 연료전지로 구성된다.As shown in FIG. 2, the fuel cell power generation unit includes two
예를 들면, 상기 연료전지 발전부는 2개의 연료전지 또는 짝수 개의 연료전지를 구비하여 구성된다.For example, the fuel cell power generation section is configured with two fuel cells or an even number of fuel cells.
이때 한 쌍을 이루는 각각의 연료전지(11,12)는 서로 병렬로 연결될 수 있으며, 복수의 연료전지 셀로 이루어진 연료전지모듈이거나 또는 복수의 연료전지모듈로 이루어진 연료전지스택일 수 있다.At this time, the pair of
도 2에 보이듯이, 상기 연료전지 발전부의 후단(또는 출력단)에는 연료전지(11,12) 각각에 연결되는 제1인버터(13)와 제2인버터(14)가 구성되어 있다.As shown in FIG. 2, a
상기 제1인버터(13) 및 제2인버터(14)는 각각 연료전지 발전부의 제1연료전지(11)와 제2연료전지(12)의 출력을 송출받아 제어하기 위한 일종의 제어기로서, 각 연료전지(11,12)의 부하를 제어하여 출력을 제어함과 더불어 각 연료전지(11,12)에서 송출되어 입력되는 직류출력에 대해 출력 레벨을 조절하는 등 다양한 제어를 수행한다.The
상기 연료전지 발전부의 운전시, 제1연료전지(11)는 제1인버터(13)에 의해 인가되는 부하에 따라 제1직류출력을 발생시켜 제1인버터(13)로 송출하고, 제2연료전지(12)는 제2인버터(14)에 의해 인가되는 부하에 따라 제2직류출력을 발생시켜 제2인버터(14)로 송출한다.In operation of the fuel cell power generation unit, the
연료전지는 고정부하 대비 변동부하의 운전조건에서 셀 전압 강하율이 상대적으로 작게 발생하므로, 상기 각 연료전지(11,12)에 사인파형의 변동부하를 걸어주되 서로 위상차를 갖는 상보적인 사인파 부하를 걸어준다.Since the cell voltage drop rate of the fuel cell is relatively small under the operating conditions of the variable load versus the fixed load, a sinusoidal load having a sinusoidal waveform is applied to each of the
다시 말해, 제1인버터(13)는 제1연료전지(11)에 사인파형의 변동부하를 걸어주고 제2인버터(14)는 제2연료전지(12)에 사인파형의 변동부하를 걸어주되, 제1연료전지(11)에 걸어주는 제1변동부하와 제2연료전지(12)에 걸어주는 제2변동부하 간에 위상차를 발생시킨다.In other words, the
즉, 제1인버터(13)와 제2인버터(14)는 각각 제1연료전지(11)와 제2연료전지(12)에 인가하는 부하의 위상각을 제어하여 제1변동부하와 제2변동부하 간에 소정의 위상차를 발생시킨다.That is, the
주지된 바와 같이, 위상차는 동일 주파수를 갖는 신호 간에 위상각의 차를 나타낸 것으로, 예를 들면 제1신호의 위상각이 φ1이고 제2신호의 위상각이 φ2라고 할 때 제1신호와 제2신호 간에 위상차 φ = φ1 -φ2 가 되며, 상기 φ 값에 따라 두 사인파 신호 간에 파형 간격이 발생하게 된다.As is well known, the phase difference represents the difference in phase angle between signals having the same frequency. For example, when the phase angle of the first signal is? 1 and the phase angle of the second signal is? 2, The phase difference? =? 1 -? 2 between the signals, and a waveform interval occurs between the two sine wave signals according to the? Value.
이에 제1인버터(13)와 제2인버터(14)는 각각 제1연료전지(11)와 제2연료전지(12)에 걸어주는 변동부하의 위상각을 조정하여 제1직류출력과 제2직류출력 간에 위상차를 발생시킬 수 있다.The
예를 들면, 제1인버터(13)는 제1변동부하의 위상각을 'θ'로 조정하고, 제2인버터(14)는 제2변동부하의 위상각을 θ± 180°로 조정하여, 상기 제1변동부하와 제2변동부하 간에 소정의 위상차를 발생시킬 수 있다.For example, the
또는, 예를 들면, 제2변동부하의 위상각을 'θ'로 조정하고, 제1변동부하의 위상각을 θ± 180°로 조정하여, 상기 제1변동부하와 제2변동부하 간에 소정의 위상차를 형성할 수도 있다.Alternatively, for example, the phase angle of the second fluctuation load may be adjusted to " [theta] ", and the phase angle of the first fluctuation load may be adjusted to be within the range of [ A phase difference may be formed.
이렇게 제1변동부하와 제2변동부하 간에 소정의 위상차를 발생시킴으로써 한 쌍의 연료전지(11,12)에서 출력되는 제1직류출력과 제2직류출력 간에 원하는 위상차를 발생시킬 수 있게 된다.By generating a predetermined phase difference between the first variable load and the second variable load, a desired phase difference can be generated between the first DC output and the second DC output output from the pair of
즉, 상기 제1연료전지(11)에서 출력되는 제1직류출력과 제2연료전지(12)에서 출력되는 제2직류출력은 서로 180°의 위상차를 갖고 각각 제1인버터(13) 및 제2인버터(14)로 송출되게 된다.That is, the first direct current output from the
각 연료전지(11,12)의 부하를 제어하여 사인파형의 직류출력을 생성할 때, 연료전지(11,12)의 셀이 가급적 고전위에 노출되어 열화되는 일이 없도록 하기 위해 사인파 부하의 최소 출력(최소값)을 설정한 뒤 상기 최소 출력을 기준으로 최대 출력(최대값)을 설정하여, 상기 최소 출력과 최대 출력의 합이 원하는 출력을 나타낼 수 있도록 사인파형의 패턴을 도출 형성한다.In order to prevent the cells of the
예를 들면, 제1인버터(13)는 제1연료전지(11)의 부하를 제어할 때 제1직류출력의 최소 출력과 최대 출력의 합이 원하는 출력이 되도록 제1변동부하의 사인파형 패턴을 제어하고, 제2인버터(14)는 제2연료전지(12)의 부하를 제어할 때 제2직류출력의 최소 출력과 최대 출력의 합이 원하는 출력이 되도록 제2변동부하의 사인파형 패턴을 제어한다.For example, when the load of the
이렇게 각 연료전지(11,12)의 부하 패턴을 제어하여 생성한 제1직류출력과 제2직류출력은 서로 동일한 주기(혹은 동일 주파수)를 갖는 사인파형(혹은 정현파형)의 직류출력으로서, 각기 일정한 위상각을 갖는다.The first DC output and the second DC output generated by controlling the load pattern of each of the
상기 제1직류출력과 제2직류출력은 각각 제1인버터(13) 및 제2인버터(14)로 송출된 뒤, 출력 레벨 조절 및 직류-교류 변환 과정을 거쳐 소정 레벨의 교류로 변환되어 부하 측으로 출력된다.The first DC output and the second DC output are sent to the
다시 말해, 제1인버터(13)는 제1직류출력의 레벨을 조정하여 소정 레벨로 형성한 뒤 소정 레벨의 제1직류출력을 변환하여 제1교류출력을 생성하고, 제2인버터(14)는 제2직류출력의 레벨을 조정하여 소정 레벨로 형성한 뒤 소정 레벨의 제2직류출력을 변환하여 제2교류출력을 생성한다.In other words, the
이때 상기 제1인버터에서 출력되는 제1교류출력과 제2인버터에서 출력되는 제2교류출력은 동일한 주기를 갖는 사인파 출력으로서 서로 180°의 위상차를 갖고 부하 측으로 송출되게 된다.At this time, the first AC output outputted from the first inverter and the second AC output outputted from the second inverter have a phase difference of 180 ° from each other as a sinusoidal output having the same period, and are output to the load side.
부하 측으로 공급되는 출력은 상기 제1인버터(13)에서 출력되는 제1교류출력과 상기 제2인버터(14)에서 출력되는 제2교류출력의 합으로 이루어지므로, 동일한 주기를 갖는 상기 제1교류출력과 제2교류출력 간에 180°의 위상차가 발생하게 되고, 도 3에 나타낸 바와 같이, 연료전지 발전부의 부하 측에는 일정한 출력이 지속적으로 공급되게 된다.Since the output supplied to the load side is the sum of the first AC output from the
이와 같이 본 발명에서는 연료전지(11,12)의 출력단에 연결된 각 인버터(13,14)의 출력을 합산한 총 출력이 원하는 일정 출력을 형성하면 되기 때문에 종래와 같이 연료전지(11,12) 각각의 직류출력을 일정하게 유지할 필요가 없으며, 이에 따라 연료전지의 셀 전압 강하율을 개선할 수 있게 된다.As described above, in the present invention, since the total output obtained by summing the outputs of the
본 발명의 효과를 예증하기 위하여 다음과 같은 시험을 실시하였으나, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.In order to illustrate the effects of the present invention, the following tests were conducted, but the present invention is not limited thereto.
35셀로 이루어진 2개의 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC) 스택을 시험 대상으로 하고, 상기 2개의 연료전지스택의 출력단에 스택 출력 제어를 위한 인버터를 각각 연결하고 각 인버터의 출력을 합산한 총 출력이 일정하게 되도록 하고, 소형 연료전지 시스템과 동일한 회로를 구성한 소형 브레드보드(breadboard)를 시험 장비로 이용하여 아래와 같은 운전 조건으로 상기 스택을 운전하였다.(PEMFC) stack composed of 35 cells is connected to an output of the two fuel cell stacks, and a total output obtained by summing the outputs of the inverters is connected to a constant And the stack was operated under the following operating conditions using a small breadboard having the same circuit as the small fuel cell system as the test equipment.
이때 상기 각 인버터는 각 연료전지스택에 사인파형의 패턴을 갖는 변동부하를 인가하되, 두 연료전지스택에 인가되는 변동부하 간에 180도의 위상차를 두었다.At this time, each of the inverters applies a varying load having a sinusoidal pattern to each fuel cell stack, and has a phase difference of 180 degrees between the fluctuating loads applied to the two fuel cell stacks.
운전 조건 : Operating conditions:
- 스택 운전온도 58℃- Stack operation temperature 58 ℃
- 공기 양론비 2.2- air ratio 2.2
- 막가습기를 적용한 공기 가습 방식- Air humidification system with membrane humidifier
- 수소 재순환 방식의 수소공급계 운전 방식- Hydrogen recirculation type hydrogen supply system operation method
- 누적 운전시간 : 1000hr
- Cumulative operation time: 1000hr
상기 시험 결과, 전류밀도 0.6A/㎠에서 스택의 열화율이 0.83%로 나타났으며, 도 4에 보이듯이 전류밀도 0.6A/㎠에서 스택의 셀 전압 강하율이 3.17 ㎶/hr로 발생하였다.As a result of the test, the degradation rate of the stack was 0.83% at a current density of 0.6 A /
이에, 종래의 출력 제어 방식을 적용한 연료전지의 정출력 운전시에는 평균적으로 약 44 ㎶/hr의 셀 전압 강하율이 발생하는 것에 비해, 본 발명에 따른 출력 제어 방식을 적용한 연료전지의 정출력 운전시 셀 전압 강하율이 크게 감소한 것을 확인할 수 있었다.
Therefore, while the cell voltage drop ratio of about 44 ㎶ / hr is generated on the average during the constant output operation of the fuel cell to which the conventional output control method is applied, It was confirmed that the cell voltage drop rate was greatly reduced.
11 : 제1연료전지
12 : 제2연료전지
13 : 제1인버터
14 : 제2인버터11: First fuel cell
12: Second fuel cell
13: First inverter
14: Second inverter
Claims (3)
In a fuel cell power generation unit having at least a pair of fuel cells, a variable load having a sinusoidal waveform pattern is applied to each of the first fuel cell and the second fuel cell constituting the pair of fuel cells, Is controlled to be a direct current of a sinusoidal waveform.
상기 제1연료전지에 인가하는 제1변동부하와 제2연료전지에 인가하는 제2변동부하 간에 소정의 위상차를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 출력 제어 방법.
The method according to claim 1,
Wherein a predetermined phase difference is formed between a first variable load applied to the first fuel cell and a second variable load applied to the second fuel cell.
상기 제1변동부하와 제2변동부하는 서로 동일한 주기를 가지는 사인파형의 패턴을 가지며, 상기 제2변동부하의 위상각은 θ± 180°이고 상기 θ는 제1변동부하의 위상각임을 특징으로 하는 연료전지의 출력 제어 방법.
The method of claim 2,
Wherein the first variable load and the second variable load have a pattern of a sinusoidal waveform having the same period, the phase angle of the second variable load is &thetas; ± 180 DEG and the phase angle of the first variable load And the output of the fuel cell.
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