[논문]연료전지 발전시스템에서의 전력전자기술

최세완

문제 정의

본 논문에서는 연료전지 발전 시스템에서의 전력변환기술에 관하여 전력변환기의 여러가지 토폴로지, 요소기술 및 응용에 대하여 언급하였다.
연료전지의 응용분야는 휴대폰이나 노트북등의 소형 전원에서부터 대용량의 분산전원에 이르기까지 다양하게 분포되어있는데 본 논문에서는 이들 중 대표적인 응용분야에 대하여 소개한다.
Department of Energy)와 국제전기 전자공학회 (IEEE)에서 연료전지용 전력변환기의 저가격화 및 고효율화를 통한 가정용 연료전지시스템의 상용화를 촉진하기 위한 하나의 실 행방안으로 “Future Energy Challenge Competition”을 개최하게 되었다⑵. 표 1은 이 대회에서 제시한 설계기준으로서 효율 90% 이상, 양산가 US助0/KW 이하의 10KW급 연료전지용 전력변환기를 개발하는 것을 목표로 하고 있으며 입 . 출력의 전기적인 품질이외에도 가격, 무게, 부피, 보호기능 및 소음 등의 설계기준을 제시하고 있다.

제안 방법

셋째, 연료전지로부터의 에너지 공급이 일시적으로 중단되 더 라도 배터 리등으로부터 전원을 공급하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 넷째, 연료전지의 용량을 부하용량보다 적게 선정하여 배터리등으로 피크전력을 공급하고 잉여의 에너지를 저장하는 방식으로 에너지를 경제적으로 사용하는 것과 동시에 전체 시스템의 설치비용을. 절감할수 있다.
이러한 다이오드로는 고속회복 다이오드를 사용하는데 전압정격이 클수록 역방향 회복시간이 길어져 스위칭 손실이 증가하게 되므로 이 두 가지 방식의 가격 및 효율을 비교 . 분석하여 적합한 방식을 선택하도록 한다.
중간 탭 형의 경우 다이오드의 수가 브리지형 보다 작으나 전압정격이 두배로 크다. 이러한 다이오드로는 고속회복 다이오드를 사용하는데 전압정격이 클수록 역방향 회복시간이 길어져 스위칭 손실이 증가하게 되므로 이 두 가지 방식의 가격 및 효율을 비교 . 분석하여 적합한 방식을 선택하도록 한다.
또한 방열판을 너무 크게 하면 가격 및 부피가 상승되므로 이의 최적의 설계가 매우 중요하다고 하겠다. 이를 위하여 소자의 전력손실을 예측하여 열적 등가회로(Thermal Equivalent Circuit)로부터 방열판의 재료, 형상, 부피 등을 선정하며 이와동시에 팬의 크기, 수량, 장착위치를 고려하여 가격대비 방열성능을 최적화한다.

이론/모형

이 방식 중 Flyback 방식과 Forward 방식은 고주파 변압기의 코어를 한쪽의 극성으로만 사용하므로 코아의 이용률이 50%로 낮아 부피 상승의 요인이 된다. 따라서 , 고주파 DC-DC 컨버터의 1차측은 그림 6에서와 같이 Full-bridge 방식 , Half-bridge 방식 및 Push- Pull 방식의 세 가지 방식을 사용한다. 동일용량의 부하에 대하여 Full-bridge 방식은 소자의 수가 많고, Half-bridge 방식은 전류정격이 크며, Push-pull 방식은 전압정격이 큰 단점이 있으므로 주어진 연료전지의 전압범위나 용량을 고려하여 최적의 방식을 선택하도록 한다.

성능/효과

절감할수 있다. 다섯째, 계통연계형 연료전지시스템의 경우라도 초기기동 시 제어기에 전원공급을 위해 보조전원이 필요하다.
조정이 어렵다. 둘째, 연료전지는 에너지의 발생 장치로서 에너지 저장능력이 없다. 셋째, 연료전지로부터의 에너지 공급이 일시적으로 중단되 더 라도 배터 리등으로부터 전원을 공급하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
둘째, 연료전지는 에너지의 발생 장치로서 에너지 저장능력이 없다. 셋째, 연료전지로부터의 에너지 공급이 일시적으로 중단되 더 라도 배터 리등으로부터 전원을 공급하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 넷째, 연료전지의 용량을 부하용량보다 적게 선정하여 배터리등으로 피크전력을 공급하고 잉여의 에너지를 저장하는 방식으로 에너지를 경제적으로 사용하는 것과 동시에 전체 시스템의 설치비용을.
첫째, 연료전지 스택을 구성하는 단위 셀의 전압은 무 부하시 약 L15VDC 정도이고 전류가 증가하면 약 0.7VDC 정도까지 낮아진다(그림 2 참조). 따라서 스택 제조시 이 셀을 직렬로 연결하는데 셀의 수가 많아 전압이 높을수록 스택 가격이 높아진다.
첫째, 연료전지는 수십〜수백 Watt/분의 매우 늦은 응답속도를 가지므로 부하 증가시 배터리나 수퍼커패시터와 같은 별도의 에너지 저장장치로부터 필요한 전류를 공급하지 않으면 출력전압의 조정이 어렵다. 둘째, 연료전지는 에너지의 발생 장치로서 에너지 저장능력이 없다.

후속연구

DC-DC 컨버터의 토폴로지가 확정되면 그에 따른 PWM 방식, Phase-shift 등 소프트 스위칭기술, 소신호 모델링에 의한 제어기 설계, 전압제어 방식, Current mode 또는 Hysteresis-band 등 전류제어 방식, 저가의 제어기 구현, Interleaving 등 성 능향상을 위 한 제어 방식 , Soft-start 방식, 병렬운전 등 최적의 제어방식에 대한 연구가 필요하다.

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