(57)【要約】  本発明は、燃料電池システムにおいてシステムコントローラとインバーターは従属関係の役割を果す構成を、システムコントローラとインバーター内のコンバータコントローラに各種のパラメータを互いに共有させてインバーターを燃料電池システムに能動的に対処できるように構成し、その入力制御方法を開示した燃料電池システム及びインバーターと燃料電池の入力制御方法に関するものであって、システムコントローラとインバーター内のコンバータコントローラを従属関係の役割ではなく、システムコントローラのオンオフ情報と各種のパラメータを共有させてインバーター又はコンバータの動作可能状態を能動的に駆動できるようにした燃料電池システムをその特徴とする。【選択図】図５
2016520246.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システム２０であって、前記燃料電池システムは、
空気とガスを供給されて水素ガスに改質する改質器１１と、
一対のアノードとカソードを備えた複数個のセルが積層された燃料電池スタック１２と、
直流を交流に変換するインバーター１３と、
前記燃料電池システムの全体の制御を管掌して温度及びガス、空気などのパラメータを用いて前記燃料電池システムを制御するシステムコントローラ２４と、
前記インバーター１３で変換された交流を外部に出力するための系統１５と、
前記インバーター１３で変換された交流を直接供給受けて消費する負荷１６と、
前記システムコントローラ２４に連結されてユーザからの設定を入力されるためのインターフェースであるマンマシンインタフェース１７と、
前記燃料電池スタック１２から伝達された入力電圧のレベルを検出する入力電圧検出手段２３４と、
入力電流のレベルを検出する入力電流検出手段２３５と、
を含み、
前記インバーター内にはコンバータコントローラが備えられ、
前記燃料電池システムを制御するシステムコントローラと前記インバーターを制御するコンバータコントローラは、それぞれに従属する構成要素を制御し、
前記システムコントローラと前記コンバータコントローラは互いに連結され、
前記システムコントローラと前記コンバータコントローラはオンオフ、温度、ガス、空気を始めとする各種のパラメータ情報を互いに共有させ、
前記システムコントローラは前記インバーターの状態に基づいて制御を遂行し、
前記コンバータコントローラは前記燃料電池システムの状態に基づいて制御を遂行することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
空気とガスを供給されて水素ガスに改質する改質器１１と、
一対のアノードとカソードを備えた複数個のセルが積層された燃料電池スタック１２と、
直流を交流に変換するインバーター１３と、
燃料電池システムの全体の制御を管掌して温度及びガス、空気などのパラメータを用いて前記燃料電池システム２０を制御するシステムコントローラ２４と、
前記インバーター１３で変換された交流を外部に出力するための系統１５と、
前記インバーター１３で変換された交流を直接供給受けて消費する負荷 １６と、
前記システムコントローラ２４に連結されてユーザからの設定を入力されるためのインターフェースであるマンマシンインタフェース１７と、
前記燃料電池スタック１２から伝達された入力電圧のレベルを検出する入力電圧検出手段２３４と、
入力電流のレベルを検出する入力電流検出手段２３５と、を用いるインバーターと燃料電池の入力制御方法において、
前記インバーターのオン/オフ、温度、時間パラメータなどに基づいて前記システムコントローラが前記インバーターに制御命令を伝達する第１のステップＳ１と、
前記インバーターがターンオンするか否を判断する第２のステップＳ２と、
前記インバーターがターンオンされた状態であれば、温度が最小温度から最大温度の間の温度範囲であるか否を判断する第３のステップＳ３と、
前記インバーターがターンオンし最小温度と最大温度との間の温度であれば、インバーターが正常動作する第４のステップＳ４と、
電圧が正常範囲であるか否を判断する第５のステップＳ５と、
電流が正常範囲であるか否を判断する第６のステップＳ６と、
電圧と電流が正常であれば前記インバーターが正常に動作する第７のステップＳ７と、
空気、ガス、温度を始めとする各種のパラメータが正常範囲であるか否を判断する第８のステップＳ８と、
を含むインバーターと燃料電池の入力制御方法。
【請求項３】
前記第２のステップＳ２で前記インバーターがターンオフ状態であれば温度が正常範囲であるか否を判断する第９のステップＳ９を実行し、
前記第５のステップＳ５で電圧が正常範囲ではなければ電圧エラーを画面にディスプレイする第１０のステップＳ１０を実行し、
前記第６のステップＳ６で電流が正常範囲ではなければ電流エラーを画面にディスプレイする第１１のステップＳ１１を実行し、
前記第８のステップＳ８でパラメータが正常範囲ではなければパラメータエラーを画面にディスプレイする第１２のステップＳ１２を実行することをさらに含む、請求項２に記載のインバーターと燃料電池の入力制御方法。
【請求項４】
前記第９のステップＳ９で温度が正常範囲ではなければインバーターを停止させる第１３のステップＳ１３を実行し、
前記第９のステップＳ９で温度が正常範囲であるか前記第３のステップＳ３で温度が正常範囲ではなければインバーターを待機状態とする第１４のステップＳ１４を実行することをさらに含む、請求項３に記載のインバーターと燃料電池の入力制御方法。
【請求項５】
前記第９のステップＳ９で温度が正常範囲ではないか前記第１４のステップＳ１４を経た後にはインバーターの状態をチェックする第１５のステップＳ１５を実行し、
前記第１５のステップＳ１５の後には、毎時間ごとに前記インバーターの状態をチェックする第１６のステップＳ１６を実行して前記第２のステップＳ２に分岐することをさらに含む、請求項４に記載のインバーターと燃料電池の入力制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びインバーターと燃料電池の入力制御方法に関し、より詳細には、燃料電池システムにおいてシステムコントローラとインバーターは従属関係の役割を果たす構成を、システムコントローラとインバーター内のコンバータコントローラに各種のパラメータを互いに共有させてインバーターを燃料電池システムに能動的に対処できるように構成し、その入力制御方法を開示した燃料電池システム及びインバーターと燃料電池の入力制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
韓国公開特許第１０−２０１０−００３６０２２号の「燃料電池の電力制御方法及びその燃料電池システム」によると、「３台以上の燃料電池、つまり、第１〜第３の燃料電池３０，４０，５０が備えられる。前記第１〜第３の燃料電池３０，４０，５０からそれぞれ供給された直流電源を電力系統に供給するために交流電源に変換する電力変換器６０が備えられる。前記電力変換器６０は、前記第１〜第３の燃料電池の出力電圧をセンシングする役割を果す。前記センシングの結果、前記第１〜第３の燃料電池３０，４０，５０の出力電圧が正常電圧、最低電圧、限界電圧に属するか、を判断することになる。前記第１〜第３の燃料電池３０，４０，５０がいずれも正常電圧に属すれば、前記第１〜第３の燃料電池３０，４０，５０の出力電力をそれぞれ均等に制御して電力系統の負荷要求電力として提供する。しかし、前記第１〜第３の燃料電池３０，４０，５０のうち、少なくとも一つの燃料電池の出力電圧が最低電圧にセンシングされれば、前記第１〜第３の燃料電池３０，４０，５０の出力はあらかじめプログラムされた一定の出力電力で出力される。なお、前記第１〜第３の燃料電池３０，４０，５０のうち、少なくとも一つの燃料電池の出力電圧が限界電圧にセンシングされれば、前記限界電圧を出力する燃料電池から電力が出力されないように制御する。場合によっては、前記最低電圧、又は、限界電圧を出力する燃料電池の出力電力はそのまま保持し、残りの燃料電池が負荷要求電力を補って出力されるように制御する。このような本発明によると、複数の燃料電池の出力電圧の状態に応じて負荷要求電力を安定するように供給できるので、燃料電池の損傷を防止し、全体システム運転の効率が向上する利点がある。」と開示してある。
【０００３】
図１に示すように、従来技術の一例を挙げれば、燃料電池システム１０は、改質器１１、燃料電池スタック１２、インバーター１３、システムコントローラ１４、系統１５、負荷（ロード、ｌｏａｄ）１６、マンマシンインタフェース(ＭＭＩ：Ｍａｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ)１７からなる。
図２に示されているように、インバーター１３は、ＤＣ/ＤＣコンバータ１３１、ＤＣ/ＡＣコンバータ１３２、コンバータコントローラ１３３で構成される。
【０００４】
図３および図４に示されているように、コンバータコントローラ１３３は、システムコントローラ１４のオンオフによって動作するか否かが実行され、システムコントローラ１４によるターンオン命令後に動作し、電圧範囲(ＣとＤとの間)と電流範囲(ＡとＢとの間)だけで動作し、システムコントローラ１４は、各種のパラメータ中の一つである温度が基準温度Ｆより落ちると、無条件にインバーターをオフすることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】韓国公開特許第１０−２０１０−００３６０２２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の燃料電池システムは、燃料電池内においてシステムコントローラとインバーターは従属関係の役割を果し、システムコントローラではインバーターにオンオフ(ｏｎ/ｏｆｆ)だけを伝達、指令する構造であり、インバーターの状態は把握せず、システムコントローラで燃料電池システムの状態だけを考慮して、各種のパラメータ中の一つである温度が基準温度Ｆより落ちると、無条件にインバーターの状態を考慮せず、オフ(ＯＦＦ)指令を出す構造となっており、燃料電池スタックが再稼動時に時間が多くかかり、温度条件と電圧、電流条件に相反しても強制的にオフ(ＯＦＦ)する不合理な制御が行なわれる。
【０００７】
また、インバーター内のコンバータコントローラは、システムコントローラのオンオフによって動作するか否かに実行され、インバーター動作は、システムコントローラからオン命令後に動作が進行し、コンバータコントローラは電圧範囲と電流範囲との間だけで駆動される問題点があった。
本発明は、上記の問題点を解消するためのものであって、燃料電池システムにおいてシステムコントローラとインバーターは従属関係の役割を果すことになっているのを、システムコントローラとインバーター内のコンバータコントローラに各種のパラメータを互いに共有させてインバーターを燃料電池システムに能動的に対処できるようにした燃料電池システム及びインバーターと燃料電池の入力制御方法を提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するための本発明は、システムコントローラとインバーター内のコンバータコントローラを従属関係の役割ではなく、システムコントローラのオンオフ情報と各種のパラメータを共有させてインバーター、又は、コンバータの動作可能状態を能動的に駆動できるようにした燃料電池システムをその特徴とする。
【０００９】
このシステムは、空気とガスの供給を受けて水素ガスに改質する改質器１１と、一対のアノードとカソードを備えた複数個のセルが積層された燃料電池スタック１２と、直流を交流に変換するインバーター１３と、燃料電池システム全体の制御を管掌して温度及びガス、空気などのパラメータを用いて燃料電池システム２０を制御するシステムコントローラ２４と、前記インバーター１３で変換された交流を外部に出力するための系統１５と、前記インバーター１３で変換された交流を直接供給を受けて消費する負荷（ロード、ｌｏａｄ)１６と、前記システムコントローラ２４に連結されてユーザからの設定を入力受けるためのインターフェースであるマンマシンインタフェース（ＭＭＩ：Ｍａｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ)１７と、を含む燃料電池システムにおいて、前記インバーター内には、コンバータコントローラが備えられ、前記燃料電池システムを制御するシステムコントローラと前記インバーターを制御するコンバータコントローラは、それぞれに従属する構成要素を制御し、前記システムコントローラと前記コンバータコントローラは互いに連結され、前記システムコントローラと前記コンバータコントローラは、オンオフ、温度、ガス、空気を始めとする各種のパラメータ情報を互いに共有させ、前記システムコントローラは前記インバーターの状態に基づいて制御を遂行し、前記コンバータコントローラは燃料電池システムの状態に基づいて制御を遂行するものである。
【００１０】
本発明の他の特徴は、インバーターのオン/オフ、温度、時間パラメータなどに基づいてシステムコントローラがインバーターに制御命令を伝達する第１のステップＳ１と、インバーターがターンオンするか否を判断する第２のステップＳ２と、インバーターがターンオンされた状態であれば、温度が最小温度から最大温度の間の温度範囲であるか否を判断する第３のステップＳ３と、インバーターがターンオンして最小温度と最大温度との間の温度であれば、インバーターが正常動作する第４のステップＳ４と、電圧が正常範囲であるか否を判断する第５のステップＳ５と、電流が正常範囲であるか否を判断する第６のステップＳ６と、電圧と電流が正常であれば、インバーターが正常に動作する第７のステップＳ７と、空気、ガス、温度を始めとする各種のパラメータが正常範囲であるか否を判断する第８のステップＳ８と、を含むものである。
【００１１】
実施例において、前記第２のステップＳ２でインバーターがターンオフ状態であれば、温度が正常範囲であるか否を判断する第９のステップＳ９を実行し、前記第５のステップＳ５で電圧が正常範囲ではなければ、電圧エラーを画面にディスプレイする第１０のステップＳ１０を実行し、前記第６のステップＳ６で電流が正常範囲ではなければ、電流エラーを画面にディスプレイする第１１のステップＳ１１を実行し、前記第８のステップＳ８でパラメータが正常範囲ではなければ、パラメータエラーを画面にディスプレイする第１２のステップＳ１２を実行することをさらに含むものである。
【００１２】
実施例において、前記第９のステップＳ９で温度が正常範囲ではなければ、インバーターを停止させる第１３のステップＳ１３を実行し、前記第９のステップＳ９で温度が正常範囲であるか、前記第３のステップＳ３で温度が正常範囲ではなければ、インバーターを待機状態とする第１４のステップＳ１４を実行することをさらに含むものである。
実施例において、前記第９のステップＳ９で温度が正常範囲ではないか、前記第１４のステップＳ１４を経た後には、インバーターの状態をチェックする第１５のステップＳ１５を実行し、前記第１５のステップＳ１５の後には、毎時間ごとに前記インバーターの状態をチェックする第１６のステップＳ１６を実行し、前記第２のステップＳ２に分岐することをさらに含むものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の望ましい効果によれば、燃料電池システムにおいてシステムコントローラとインバーターは従属関係の役割を果す構成を、システムコントローラとインバーター内のコンバータコントローラに各種のパラメータを互いに共有させてインバーターを燃料電池システムに能動的に対処できるように構成し、その入力制御方法を開示した燃料電池システム及びインバーターと燃料電池の入力制御方法を提供することにより、システム統合的な構成を通じてシステム効率を増大させることができる長所がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】従来のインバーターの構成を示すブロック図である。
【図３】従来のコンバータコントローラの動作範囲を説明するためのグラフである。
【図４】従来のシステムコントローラの動作範囲を説明するためのグラフである。
【図５】本発明の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図６】本発明のインバーターと燃料電池の入力制御方法を説明するためのフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳細に説明する。
本発明の燃料電池システムの構成は図５に示す。
図５は、本発明の燃料電池システムが建物や家庭で適用可能であるように着眼して示すブロック図である。
【００１６】
即ち、空気とガスを供給受けて水素ガスに改質する改質器１１と、一対のアノードとカソードを備えた複数個のセルが積層された燃料電池スタック１２と、直流を交流に変換するインバーター１３と、燃料電池システム全体の制御を管掌して温度及びガス、空気などのパラメータを用いて燃料電池システム２０を制御するシステムコントローラ２４と、が備えられる。
【００１７】
前記インバーター１３で変換された交流を外部に出力するための系統１５と、前記インバーター１３で変換された交流を直接供給を受けて消費する負荷（ロード、ｌｏａｄ)１６と、前記システムコントローラ２４に連結されてユーザからの設定を入力受けるためのインターフェースであるマンマシンインタフェース（ＭＭＩ：Ｍａｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ)１７と、が備えられる。
前記燃料電池スタック１２から伝達された入力電圧のレベルを検出する入力電圧検出手段２３４と、入力電流のレベルを検出する入力電流検出手段２３５がそれぞれ備えられる。
【００１８】
インバーター１３内のコンバータコントローラ２３３は燃料電池スタック１２の入力電圧及び入力電流などのパラメータを用いてインバーター１３を制御する。ここに従属している部分を能動的に駆動できるようにシステムコントローラ２４の情報(ガス、空気、温度などの各種のパラメータ)をインバーター１３内のコンバータコントローラ２３３と共有しつつインバーター１３内のコンバータコントローラ２３３は、これに基づいて判断してインバーター１３を待機させる(Ｓｔａｎｄ ｂｙ)モードに入るか、インバーター１３を動作するか、インバーター１３が動作しないように迅速に動作して、燃料電池システムに対応するように構成される。
【００１９】
このような構成に基づいて図６を参照して、インバーターと燃料電池の入力制御方法をより詳細に述べる。
図示されているように、インバーターのオン/オフ、温度、時間パラメータなどに基づいてシステムコントローラがインバーターに制御命令を伝達する第１のステップＳ１が進行する。
インバーターがターンオンするか否を判断する第２のステップＳ２と、インバーターがターンオンされた状態であれば、温度が最小温度から最大温度の間の温度範囲であるか否を判断する第３のステップＳ３が遂行される。
【００２０】
インバーターがターンオンして最小温度と最大温度との間の温度であれば、インバーターが正常動作する第４のステップＳ４が進行する。
電圧が正常範囲であるか否を判断する第５のステップＳ５と、電流が正常範囲であるか否を判断する第６のステップＳ６が順次に遂行される。
電圧及び電流が正常であれば、インバーターが正常に動作する第７のステップＳ７が進行し、空気、ガス、温度を始めとする各種のパラメータが正常範囲であるか否を判断する第８のステップＳ８が進行する。
【００２１】
前記第２のステップＳ２でインバーターがターンオフ状態であれば、温度が正常範囲であるか否を判断する第９のステップＳ９が進行し、前記第５のステップＳ５で電圧が正常範囲でなければ、電圧エラーを画面にディスプレイする第１０のステップＳ１０が遂行される。
前記第６のステップＳ６で電流が正常範囲ではなければ、電流エラーを画面にディスプレイする第１１のステップＳ１１が進行し、前記第８のステップＳ８でパラメータが正常範囲はなければ、パラメータエラーを画面にディスプレイする第１２のステップＳ１２が遂行される。
【００２２】
前記第９のステップＳ９で温度が正常範囲ではなければ、インバーターを停止させる第１３のステップＳ１３を進行し、前記第９のステップＳ９で温度が正常範囲であるか、前記第３のステップＳ３で温度が正常範囲はなければ、インバーターを待機状態とする第１４のステップＳ１４が進行する。
前記第９のステップＳ９で温度が正常範囲ではないか、前記第１４のステップＳ１４を経た後には、インバーターの状態をチェックする第１５のステップＳ１５が進行し、前記第１５のステップＳ１５の後には、毎時間ごとに前記インバーターの状態をチェックする第１６のステップＳ１６を遂行して、前記第２のステップＳ２に分岐する。
【符号の説明】
【００２３】
１１  改質器
１２  燃料電池スタック
１５  系統  
１６  負荷（ロード）
１７  ＭＭＩ
２０  燃料電池システム
２４  システムコントローラ 
２３１  ＤＣ/ＤＣコンバータ
２３２  ＤＣ/ＡＣコンバータ
２３３  コンバータコントローラ
２３４  入力電圧検出手段 
２３５  入力電流検出手段
【図１】
2016520246.tif 000003
【図２】
2016520246.tif 000004
【図３】
2016520246.tif 000005
【図４】
2016520246.tif 000006
【図５】
2016520246.tif 000007
【図６】
2016520246.tif 000008
【国際調査報告】
2016520246.tif 000009
2016520246.tif 000010
2016520246.tif 000011
2016520246.tif 000012