연료 전지 발전기 및 그 제어 방법{FUEL CELL POWER GENERATOR AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}

본 발명은 연료 전지 발전기에 관한 것으로, 특히 용융 탄산염(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 타입의 연료 전지 발전기에 관한 것이다.

연료 전지는 산화에 의해서 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전지로서, 화학 전지와 달리 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되고 반응 생성물이 계외로 제거된다. 연료 전지의 가장 대표적 형태는 수소-산소 연료 전지이고, 작동온도에 따라 고온형과 저온형(예컨대, 300℃이상은 고온형, 그 이하는 저온형)으로 구분한다.

연료 전지의 구체적인 원리를 살펴보면, 수소는 양극(Anode)을 통과하고 산소는 음극(Cathode)을 통과하면서, 수소는 전기 화학적으로 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전극에 전류를 발생시킨다. 전자가 전해질을 통과하면서 직류 전력이 발생하며 열도 부수적으로 생산된다. 직류 전류는 직류 전동기의 동력으로 사용되거나 인버터에 의해 교류 전류로 변환되어 사용된다. 연료 전지에서 발생된 열은 개질을 위한 증기를 발생시키거나 냉난방 열로 사용될 수 있으며, 사용되지 않을 경우에는 배기 열로 배출된다.

금속 촉매를 사용하지 않는 고온형의 MCFC를 제 2 세대 연료 전지로 구분하고, 보다 높은 효율로 발전을 하는 고분자 전해질 막 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)를 제 3 세대의 연료 전지로 구분한다.

이 가운데, 특히 MCFC는 대용량 출력이 가능하고, 수명도 다른 연료 전지들에 비해 길기 때문에 선박용 연료 전지로 사용하기 위한 연구가 다양하게 이루어지고 있다.

이와 같은 MCFC 타입의 연료 전지는 매우 고온에서 전기 화학적 반응이 일어나 전력이 생성되기 때문에, 초기 기동 시 전기 화학적 반응이 일어나기 위한 온도에 도달하기까지의 시간(램프 업 구간) 동안 정격 출력에 해당하는 전력을 생산하지 못하기 때문에, 이에 대한 대책이 요구된다고 할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 발전기 및 그 제어 방법은, MCFC 타입의 연료 전지 발전기의 초기 기동 시 램프 업 구간에서 발생하는 잉여 전력에 효과적으로 대응할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 연료와 산화제의 전기 화학적 반응에 의해 전력을 생산하는 연료 전지부와; 제 1 스위치를 통해 연료 전지부와 전기적으로 연결되며, 연료 전지부의 기동 시 발생하는 램프 업 구간에서 발생하는 잉여 전력을 저장하는 배터리와; 제 2 스위치를 통해 배터리와 전기적으로 연결되는 열 저항과; 배터리의 충전 전력이 미리 정해진 상한 기준을 초과하면 제 2 스위치를 온 시켜서 배터리의 충전 전력이 열 저항을 통해 소모되도록 제 2 스위치를 제어하는 제어부를 포함하는 연료 전지 발전기가 제공될 수 있다.

상술한 연료 전지 발전기에서, 상술한 연료 전지부가 용융 탄산염(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 타입일 수 있다.

상술한 연료 전지 발전기는, 제 3 스위치를 통해 배터리와 전기적으로 연결되는 부하와; 제 4 스위치를 통해 연료 전지부와 전기적으로 연결되어 부하에 전력을 공급하는 전력 공급부를 더 포함하고; 제어부는, 전력 공급부의 블랙아웃 발생 시 제 3 스위치를 온 시켜서 배터리의 충전 전력이 부하에 공급되도록 할 수 있다.

상술한 연료 전지 발전기에서, 상술한 제어부는, 배터리의 충전 전력이 미리 정해진 하한 기준 미만으로 감소하면 제 2 스위치를 오프 시켜서 열 저항을 통한 배터리의 충전 전력의 소모를 중지시킬 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 연료와 산화제의 전기 화학적 반응에 의해 전력을 생산하는 연료 전지부와, 제 1 스위치를 통해 연료 전지부와 전기적으로 연결되는 배터리와, 제 2 스위치를 통해 배터리와 전기적으로 연결되는 열 저항을 포함하는 연료 전지 발전기의 제어 방법에 있어서, 연료 전지부를 기동시키고; 연료 전지부의 기동 시 발생하는 램프 업 구간에서 발생하는 잉여 전력이 배터리에 저장되도록 제 1 스위치를 온 시키며; 배터리를 충전하는 동안 배터리의 충전 전력이 미리 정해진 상한 기준을 초과하면 제 2 스위치를 온 시켜서 배터리의 충전 전력이 열 저항을 통해 소모되도록 하는 연료 전지 발전기의 제어 방법이 제공될 수 있다.

상술한 연료 전지 발전기의 제어 방법에 있어서, 연료 전지부가 용융 탄산염(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 타입일 수 있다.

상술한 연료 전지 발전기의 제어 방법에 있어서, 제 3 스위치를 통해 배터리와 전기적으로 연결되는 부하와; 제 4 스위치를 통해 연료 전지부와 전기적으로 연결되어 부하에 전력을 공급하는 전력 공급부를 더 포함하고; 전력 공급부의 블랙아웃 발생 시 제 3 스위치를 온 시켜서 배터리의 충전 전력이 부하에 공급되도록 할 수 있다.

상술한 연료 전지 발전기의 제어 방법에 있어서, 배터리의 충전 전력이 미리 정해진 하한 기준 미만으로 감소하면 제 2 스위치를 오프 시켜서 열 저항을 통한 배터리의 충전 전력의 소모를 중지시킬 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 발전기 및 그 제어 방법은, MCFC 타입의 연료 전지 발전기의 초기 기동 시 램프 업 구간에서 발생하는 잉여 전력에 효과적으로 대응할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 전지 발전기를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 발전기의 기동 시의 출력 전력의 특성을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 발전기의 기동 시의 잉여 전력 처리 방법을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 발전기의 램프 업 구간 종료 후 전력 공급부의 블랙아웃 발생 시의 제어 방법을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 발전기의 램프 업 구간 종료 후 전력 공급부가 정상 상태일 때의 제어 방법을 나타낸 도면.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 전지 발전기를 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 전지 발전기는, 연료 전지부(102)와 배터리(104), 제어부(106), 복수의 스위치(152a)(152b)(152c)(152d)를 포함할 수 있다. 연료 전지부(102)는 산화에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하여 직류 전력 및 교류 전력을 생산한다. 연료 전지부(102)에서 생산되는 교류 전력은 스위치(152a)(제 4 스위치)를 통해 전력 공급부(108)에 전달되고, 전력 공급부(108)는 전달된 전력을 선박의 각 부하(110)로 공급한다. 전력 공급부(108)는 선박의 전력 공급 계통 전체를 의미할 수 있다. 여기서 부하(110)는 선박을 구성하는 여러 장치들 가운데 전력 공급부(108)를 통해 전력을 공급받아 동작하는 여러 장치들이다. 연료 전지부(102)에서 생산되는 직류 전력은 스위치(152b)(제 1 스위치)를 통해 배터리(104)에 전달되고, 배터리(104)는 연료 전지부(102)로부터 전달되는 직류 전력에 의해 충전된다. 배터리(104)의 충전 전력은 전력 공급부(108)에 이상이 발생하여 정상적인 전력 공급이 이루어지지 못할 때 스위치(152c)(제 3 스위치)를 통해 부하(110)에 공급되어 부하(110)에서 필요로 하는 필수적인 전력 공급이 이루어질 수 있도록 한다. 이 경우 배터리(110)의 전력이 직류 전력이므로, 만약 교류 전력을 필요로 하는 부하인 경우에는 배터리(110)의 직류 전력이 도시되지 않은 별도의 교류 변환기를 통해 교류로 변환되어 공급될 수 있다. 또 배터리(104)의 충전 전력은 스위치(152d)(제 2 스위치)를 통해 열 저항(112)에 공급되어 열 발산의 형태로 소비될 수 있다. 예를 들면 배터리(104)가 완전히 충전된 상태임에도 불구하고 연료 전지 스택(168)에서 계속해서 잉여 전력이 발생하는 경우 열 저항(112)을 통해 잉여 전력을 소비할 수 있다. 열 저항(112)은 연료 전지 스택(168)의 최대 발전 용량을 감당할 수 있는 저항 값을 갖는다. 제어부(106)는 전력 공급부(108)와 통신하여 전력 공급부(108)의 이상 유무(예를 들면 블랙아웃 등)를 판별하고, 배터리(104)의 충전 상태를 확인하며, 복수의 스위치(152a)(152b)(152c)(152d)를 온/오프 제어한다.

연료 전지부(102)는 수소 저장 탱크(162)와 연료 저장 탱크(164), 연료 개질기(166), 연료 전지 스택(168), 산소 저장 탱크(170), DC/DC 인버터(172), DC/AC 인버터(174)를 포함할 수 있다. 수소 저장 탱크(162)는 수소를 저장하기 위한 것이고, 연료 저장 탱크(164)는 액화 천연 가스(LNG)와 같은 연료를 저장하기 위한 것이며, 산소 저장 탱크(170)는 산소를 저장하기 위한 것이다. 도 1에 나타낸 연료 전지부(102)는 용융 탄산염(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 타입으로서, 기본적으로 수소와 산소를 반응시켜 전력을 생산하며, 이를 위해 수소 저장 탱크(162)로부터 수소를 공급받고 산소 저장 탱크(170)로부터 산소를 공급받아 전력을 생산한다. 또는 연료 저장 탱크(164)로부터 공급되는 연료(액화 천연 가스)를 연료 개질기(166)를 통해 개질(改質)하여 여기서 수소를 얻을 수도 있다. 연료 전지 스택(168)에서 발생한 전력은 DC/DC 인버터(172)를 통해 직류로 정류된 후 다시 DC/AC 인버터(174)를 통해 특정 상(相)의 교류 전력(예를 들면 3상 교류 전력 등)으로 변환되어 스위치(152a)를 통해 전력 공급부(108)에 전달된다. 또한 DC/DC 인버터(172)에서 만들어진 직류 전력은 스위치(152b)를 통해 배터리(104)로 전달되어 충전된다.

도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 발전기의 기동 시의 출력 전력의 특성을 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 발전기의 기동 시에는 출력 전력이 정격 출력에 도달하기까지 출력 전력이 점차 상승하는 램프 업(Ramp Up) 구간이 존재한다. 다양한 형태의 연료 전지 가운데 용융 탄산염 타입의 연료 전지는 고온형 연료 전지로서 약 600℃의 비교적 고온에 도달해야 정격 출력의 전력 생산이 이루어진다. 따라서 용융 탄산염 타입의 연료 전지 발전기가 정지한 상태에서 정격 출력의 전력 생산이 이루어지기 위해서는 용융 탄산염 타입의 연료 전지를 약 600℃까지 예열하는 과정을 거쳐야 한다. 도 2의 램프 업 구간은 용융 탄산염 타입의 연료 전지 발전기가 기동을 시작한 이후 정격 출력의 전력을 생산하기까지의 예열 시간에 해당한다. 용융 탄산염 타입의 연료 전지의 예열 온도 상승률은 약 20℃/h ? 30℃/h 정도로 알려져 있으며, 이 경우 600℃에 도달하기 위해서는 20-30시간 정도의 예열 과정이 필요할 수 있다.

이와 같은 램프 업 구간에서 생산되는 전력은 부하 측에서 요구하는 정격 출력에 미치지 못하기 때문에 일반적인 부하(110)에 공급할 수 없는데, 본 발명에서는 용융 탄산염 타입의 연료 전지 발전기의 램프 업 구간에서 발생하는 잉여 전력을 효율적으로 제거 및 활용하기 위한 장치 및 방법을 제안하고자 한다. 예를 들면, 열 저항(112)을 통해 열 발산의 형태로 소비하거나, 또는 전력 공급부(108)에 이상이 발생하여 정상적인 전력 공급이 이루어지지 못할 때 부하(110)에서 필요로 하는 필수적인 전력 공급이 이루어질 수 있도록 한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 발전기의 기동 시의 잉여 전력 처리 방법을 나타낸 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 연료 전지부(102)의 기동을 시작하면 연료 전지 스택(168)의 출력 전력에 램프 업이 시작된다(302). 연료 전지부(102)의 기동과 함께, 제어부(106)는 스위치(152b)를 온 시키고 나머지 스위치(152a)(152c)(152d)를 오프 시켜서 램프 업 구간에서의 연료 전지부(102)의 출력 전력에 의해 배터리(104)가 충전되도록 한다(304). 배터리(104)가 충전되는 동안, 제어부(106)는 배터리(104)의 충전량이 미리 설정된 상한 기준을 초과하는지를 확인한다(306). 미리 설정된 상한 기준은, 예를 들면 배터리(104)의 완충 시 대비 80-90% 정도로 할 수 있다. 만약 배터리(104)의 충전량이 미리 설정된 상한 기준을 초과하지 않으면(306의 '아니오') 배터리(104)의 충전량이 미리 설정된 상한 기준을 초과할 때까지 배터리(104)의 충전을 계속한다. 이와 달리 배터리(104)의 충전량이 미리 설정된 상한 기준을 초과하면(306의 '예'), 제어부(106)는 스위치(152d)를 온 시켜서 배터리(104)의 충전 전력이 열 저항(112)을 통해 소모되도록 한다(308). 배터리(104)의 충전 전력이 열 저항(112)을 통해 소모되는 동안, 제어부(106)는 배터리(104)의 충전량이 미리 설정된 하한 기준 미만으로 감소하는지를 확인한다(310). 미리 설정된 하한 기준은, 예를 들면 배터리(104)의 완충 시 대비 10-20% 정도로 할 수 있다. 만약, 배터리(104)의 충전 전력이 열 저항(112)을 통한 소모로 인해 미리 정해진 하한 기준 미만으로 감소하면(310의 '예'), 제어부(106)는 스위치(152d)를 오프 시켜서 열 저항(112)을 통한 배터리(104)의 충전 전력의 소모를 중지시킨다(312). 제어부(106)는 연료 전지부(102)에서의 램프 업 구간이 종료될 때까지 304에서 312까지의 일련의 과정을 반복하여 수행한다(314의 '아니오'). 만약 연료 전지부(102)에서의 램프 업 구간이 종료되면(314의 '예'), 제어부(106)는 스위치(152b)를 오프 시켜서 배터리(104)의 충전을 중단하고(316), 또 스위치(152a)를 온 시켜서 전력 공급부(108)를 통한 정상적인 전력 공급이 이루어지도록 한다(318). 304에서 312까지의 일련의 과정을 통해, 연료 전지부(102)의 기동 시 발생하는 잉여 전력을 부하(110)에 공급하는 대신 배터리(104)에 충전하되, 배터리(104)의 충전 전력이 미리 설정된 상한 기준과 하한 기준 사이에서 유지되도록 함으로써 배터리(104)의 과충전 또는 부족 충전을 방지한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 발전기의 램프 업 구간 종료 후 전력 공급부의 블랙아웃 발생 시의 제어 방법을 나타낸 도면이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 연료 전지부(102)의 램프 업 구간이 종료된 후 전력 공급부(108)를 통해 부하(110)에 정상적인 전력 공급이 이루어지고 있는 상태에서 전력 공급부(108)에서 문제가 발생하여 전력 공급부(108)의 블랙아웃이 발생할 수 있다(402). 전력 공급부(108)의 블랙아웃이 발생하면, 제어부(106)는 스위치(152a)를 오프 시켜서 전력 공급부(108)를 통해 이루어지는 부하(110)로의 전력 전달을 차단한다(404). 전력 공급부(108)의 블랙아웃으로 인해 전력 공급부(108)로 전력을 전달하더라도 부하(110)에 정상적인 전력 공급이 이루어지지 못하기 때문이다. 이어서 제어부(106)는, 스위치(152b)를 온 시켜서 연료 전지부(102)의 출력 전력에 의해 배터리(104)가 충전되도록 한다(406). 그런데 앞서 도 3의 설명에서 언급한 것처럼 배터리(104)는 연료 전지부(102)의 기동 시 램프 업 구간에서 발생하는 잉여 전력을 통해 이미 충전되어 있는 상태이므로, 제어부(106)는 스위치(152c)를 온 시켜서 배터리(104)의 충전 전력이 부하(110)로 공급되도록 한다(408). 이 때 배터리(104)의 충전 전력이 부하(110)에서 요구하는 전력 소비량의 전체를 커버하기 어렵기 때문에 전력 공급이 중단없이 늘 지속되어야 하는 필수 요소들에 대해서만 전력 공급을 수행하는 것이 바람직하다. 예를 들면 선박의 경우, 선박이 운항하는데 필요한 필수 요소라고 할 수 있는 동력 계통과 항법 장치 등이 있다. 배터리(104)에서 부하(110)로 전력 공급이 이루어지는 동안, 제어부(106)는 배터리(104)의 충전량이 미리 설정된 상한 기준을 초과하는지를 확인한다(410). 미리 설정된 상한 기준은, 예를 들면 배터리(104)의 완충 시 대비 80-90% 정도로 할 수 있다. 만약 배터리(104)의 충전량이 미리 설정된 상한 기준을 초과하지 않으면(410의 '아니오') 배터리(104)의 충전량이 미리 설정된 상한 기준을 초과할 때까지 배터리(104)의 충전을 계속한다. 이와 달리 배터리(104)의 충전량이 미리 설정된 상한 기준을 초과하면(410의 '예'), 제어부(106)는 스위치(152d)를 온 시켜서 배터리(104)의 충전 전력이 열 저항(112)을 통해 소모되도록 한다(412). 배터리(104)의 충전 전력이 열 저항(112)을 통해 소모되는 동안, 제어부(106)는 배터리(104)의 충전량이 미리 설정된 하한 기준 미만으로 감소하는지를 확인한다(414). 미리 설정된 하한 기준은, 예를 들면 배터리(104)의 완충 시 대비 10-20% 정도로 할 수 있다. 만약, 배터리(104)의 충전 전력이 열 저항(112)을 통한 소모로 인해 미리 정해진 하한 기준 미만으로 감소하면(414의 '예'), 제어부(106)는 스위치(152d)를 오프 시켜서 열 저항(112)을 통한 배터리(104)의 충전 전력의 소모를 중지시킨다(416). 제어부(106)는 전력 공급부(108)가 정상화될 때까지 410에서 416까지의 일련의 과정을 반복하여 수행한다(418의 '아니오'). 만약 전역 공급부(108)가 정상화되면(418의 '예'), 제어부(106)는 스위치(152b)를 오프 시켜서 배터리(104)의 충전을 중단하고(420), 또 스위치(152a)를 온 시켜서 전력 공급부(108)를 통한 정상적인 전력 공급이 이루어지도록 한다(422).

이상 설명한 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 발전기의 램프 업 구간 종료 후 전력 공급부의 블랙아웃 발생 시의 제어 방법은 일 실시예에 불과하며, 각 단계의 순서는 변경되거나, 생략될 수 있다. 예를 들어, 단계 406 이후에 전력 공급부가 정상화 되는 경우, 이후 단계는 생략되고 단계 418이 실시될 수 있다.

또한, 배터리 전력이 특정 기준 이상 또는 이하인지에 대한 판단과 그에 따른 전력 대상을 정함에 있어서는 본 발명이 적용되는 환경에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

또한, 전력 공급부가 정상화된 경우 제 2 및 제 3 스위치가 오프되거나, 특정 목적을 위하여 온을 유지할 수 있으며, 이에 대한 선택은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 자명하다 할 것이다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 발전기의 램프 업 구간 종료 후 전력 공급부가 정상 상태일 때의 제어 방법을 나타낸 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 연료 전지부(102)의 램프 업 구간이 종료된 후 전력 공급부(108)가 정상적으로 동작하면 전력 공급부(108)를 통해 부하(110)에 정상적인 전력 공급이 이루어질 수 있다(502). 따라서 제어부(106)는 스위치(152a)를 온 시켜서 연료 전지부(102)에서 생산되는 전력이 전력 공급부(504)를 통해 부하(110)에 정상적으로 공급되도록 한다(504). 또한, 제어부(506)는 스위치(152b)를 오프 시켜서 배터리(104)를 연료 전지부(102)로부터 전기적으로 분리시킨다(506). 만약 이 때 배터리(104)가 부족 충전 상태라면 배터리(104)를 충분히 충전한 다음에 비로소 스위치(152b)를 오프 시켜서 배터리(104)를 연료 전지부(102)로부터 전기적으로 분리시킬 수도 있다. 또한, 제어부(506)는 스위치(152c)(152d)를 모두 오프 시켜서 부하(110) 및 열 저항(112)을 배터리(104)로부터 전기적으로 분리시킨다(508). 만약 이 때 배터리(104)가 과충전 상태라면 배터리(104)의 충전 전력을 열 저항(112)을 통해 일부 소진시켜서 배터리(104)의 충전 전력이 미리 정해진 상한 기준을 초과하지 않도록 한 다음 비로소 스위치(152d)를 모두 오프 시켜서 열 저항(112)을 배터리(104)로부터 전기적으로 분리시킬 수도 있다.

102 : 연료 전지부 104 : 배터리
106 : 제어부 108 : 전력 공급부
110 : 부하 112 : 열 저항
152a : 스위치(제 4 스위치) 152b : 스위치(제 1 스위치)
152c : 스위치(제 3 스위치) 152d : 스위치(제 2 스위치)
162 : 수소 저장 탱크 164 : 연료 저장 탱크(LNG)
166 : 연료 개질기 168 : 연료 전지 스택(MCFC)
170 : 산소 저장 탱크 172 : DC/DC 인버터
174 : DC/AC 인버