1. 서 론

가정에서 사용하는 에너지는 전체 국가 사용 에너지의 약 20% 정도를 차지하기 때문에 가정에서 사용되는 전기의 효율적 사용이 국가 에너지 절약 및 공해요인 저감에 아주 중요하다. 따라서 분산형 연료전지 중에서 현재 가장 주목을 받는 것이 가정용 연료전지(RPG : Residential Power Generator)로 10년 후에는 외부 도움 없이 집 안에서 난방과 냉방을 해결하고, 전기를 사용할 수 있을 정도로 전망하고 있다.

일본 전기공업회 보고에 따르면 가정용 연료전지는 약 20～40% 정도 에너지 절약 효과, 28～40% 정도 CO2 삭감 효과 그리고 63～90% 정도의 NOX 줄이는 효과가 있는 것으로 발표되었다. 또한 정부는 그린 홈 100만호 프로젝트와 연계하여 연료전지 10만호 보급 사업을 실시하겠다는 계획을 발표하였다. 국내, 주택용 연료전지 시장 중 주택용(1kW급) 연료전지 대상 호수는 1100만호, 상업용(5∼10kW급) 연료전지 대상 호수는 540만호로 전체 전력 시장중 92.8%의 높은 비율을 차지하고 있으며 건물용 연료전지시장은 정부의 지원 아래 200만대 규모의 시장형성이 예상된다⁽¹⁾.

보통 전기에너지 생산은 항상 열 생산을 수반하나 난방을 위한 열의 운반은 아주 어려워 전기를 생산하는 자리에서 열을 같이 사용할 수 있는 열병합 발전은 에너지의 효율적 이용에서 가장 이상적인 형태가 된다. 기존 발전방식의 경우 대규모 발전에서 전기를 발생시키고, 가정에서 보유하는 보일러로 온수를 받는 방식을 사용하는데 반하여, 연료전지 시스템은 가정에서 직접 전기와 열을 생산하기 때문에 열을 사용할 수 있는 장점이 있다. 따라서 가정은 열과 전기를 동시에 생산 소비할 수 있는 가장 좋은 장소로, 공급되는 도시가스를 이용하여 배기가스가 작고 소음이 없는 현지 설치형 소형 연료전지 발전시스템을 이용, 열과 전기를 생산하여 사용한다면 가장 이상적인 가정용 에너지 시스템이 될 수 있다.

가정용 연료전지 시스템은 기상조건에 따라 발전량이 변동하는 태양광 및 풍력 발전설비와는 달리 연료 주입에 따라 지속적인 발전이 가능하기 때문에 안정적인 전원공급이 가능한 시스템이다. 또한 개질기 및 전력변환장치를 통하여 화학에너지에서 직접 전기에너지를 얻을 수 있고 개질과정에서 발생하는 열을 이용하여 고온의 물을 얻을 수 있어 전력과 가정 내 보일러 계통과의 연계를 통해 난방 및 온수를 사용할 수 있다⁽²⁾.

또한 가정용 연료전지 외에도 소규모 연료전지 발전시스템은 전원계통과 떨어져 있어 전기가 공급되지 못하고 있는 낙도 전원으로 또한 호텔, 병원, 음식점 등에서도 광범위하게 적용될 수 있다. 따라서 본 논문에서는 가정용 코제너레이션 시스템에 적합한 연료전지 시뮬레이터, DC/DC 승압형 컨버터 및 인버터 장치를 설계 및 제작을 통하여 분산전력 제어를 위한 가정용 연료전지 시스템에 대한 동작 특성을 확인하고자 한다.

2. 가정용 연료전지 시스템의 전력변환회로

연료전지시스템은 그림 1과 같이 수소와 산소의 반응 작용에 의해 직접 전기를 발생하는 스택 이외에 메탄올, 천연가스 등 각종 연료로부터 수소를 만들어 내는 개질기와 스택에서 발전된 직류전압을 안정된 교류전압으로 변환시켜주는 전력 변환기 등으로 구성된다. 이러한 연료전지시스템을 구성하기 위해 전력변환 회로들의 주요 내용들을 다음과 같이 정리할 수 있으며 최근 들어 선진국에서는 연료전지 시스템의 상용화를 촉진하기 위해 연료전지 스택과 전력변환기의 저가격⋅고효율화에 관한 연구를 활발하게 하고 있다⁽³⁾.

연료전지는 저전압, 대전류의 특성이 있고 연료전지 발전시스템에는 연료전지로부터 생성된 전력을 상용전원에 안정하게 공급하기 위해 승압용 컨버터 및 인버터 전력 변환기가 필요하다.

연료전지를 구동하기 위해서는 연료전지 스택 외에도 탈황기, 개질기 등 기타 부수적인 장치들이 필요하고, 이를 운전하기 위한 제어 기법들이 적용되고 있다.

연료전지는 출력전류 맥동이 있으므로 입력 필터가 필요하며 전력 변환기로부터 연료전지의 손상을 방지하기 위하여 연료전지의 출력단에 보조 다이오드가 사용된다.

연료전지에서 나오는 전기는 직류이기 때문에 가정에서 사용하기 위하여 이러한 직류 전압을 교류전압으로 변환시키는 인버터 장치가 필요하다. 보통 연료전지 전지전압이 30∼70V 정도로 이를 인버터 작동 전압인 380V 정도로 승압하기 위하여 컨버터를 사용한다.

컨버터 주회로 스위칭 소자로 FET(Field Effect Transistor)를 사용하여 변환 손실을 줄이고, 승압방식은 회로 구성이 단순한 초퍼방식을 사용한다. 승압형 초퍼로 풀 브리지 토폴로지를 사용하는데, 이는 하드 스위칭이 가능하고 코아 이용률이 높아 대전력까지 적용이 용이하다.

그림 2는 가정용 연료전지 코제너레이션 시스템으로 연료전지에서 나오는 출력은 직류이기에 가정에서 사용하기 위하여 전력 변환기를 통하여 교류로 변환시키는 인버터가 필요하다. 또한 연료전지의 출력전압을 컨버터를 이용하여 인버터 동작전압인 380V로 승압을 하고 계통에 연계되는 경우 인버터 내에 계통연계 보호기능을 내장하고 있다. 1∼3kW 정도 소용량 인버터의 경우 보통 90% 이상의 효율을 갖도록 제작되고 있으며 가정용 연료전지용 인버터는 전력을 사용하기 바로 전에 배치되기 때문에 효율 향상이 아주 중요하다.

3. 가정용 연료전지 시스템 구성 및 실험결과

연료전지는 반응물의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 발전장치이며, 수소 등의 활성을 갖는 물질(LNG, LPG, 메탄올)과 산소를 각각 공기극(산소), 연료극(수소)에 연속적으로 공급함으로써 전기를 얻게 된다. 이러한 연료전지를 이용한 연료전지 발전시스템 구성은 그림 3과 같이 연료전지 특성을 갖는 Buck 컨버터, 연료전지의 낮은 전압을 승압시키기 위한 DC- DC 컨버터, 교류전압으로 변환시키기 위한 인버터의 세 부분으로 나눌 수 있다.

따라서 본 논문에서는 연료전지입력, 개질기, 공기 및 전지 본체를 전력전자회로를 이용하여 연료전지 특성을 갖는 시뮬레이터를 설계하고 적절한 직류출력이 승압형 컨버터, 인버터를 통해 가정용 전기로 출력될 수 있도록 설계하였다. 연료전지에서 발전된 전압은 저압의 직류 39∼72V이므로 승압용 컨버터를 이용하여 직류 400V까지 승압하며, 이 직류 전압을 단상 220V 교류로 변환하여 가전기기에 적용할 수 있기에 연료전지 발전시스템은 연료전지 시뮬레이터, 승압용 컨버터 및 인버터로 구성하였다⁽⁴⁾. 그림 4는 본 논문에서 설계 및 제작한 연료전지 발전시스템의 전체 구성도로 각각의 시스템은 가장 보편화되고 쉽게 적용이 가능한 벅 컨버터, 풀 브리지 컨버터 및 단상 풀 브리지 인버터를 적용하였다.

마이크로프로세서에 의한 시뮬레이터 구현^(5,6)

출력전압과 출력전류를 검출하여 전압의 변동범위에 따라 정전압 제어모드와 정전력 제어모드로 동작하도록 연료전지 시뮬레이터를 구현 및 제어하기 위해 그림 5와 같이 구성하였다. 검출된 전압이 연료전지 특성곡선상의 Ohmic 영역의 최대전압 이상의 경우에는 정전압 모드로 동작하여 일정전압이 출력되도록 제어되고, Ohmic 영역 전 범위(최소전압～최대전압) 사이의 전압인 경우에는 정전력 모드로 동작하도록 시뮬레이터를 제어하게 된다. 또한 정전력 모드에서는 연료전지의 특성곡선을 1차 함수형태로 간이화한 출력특성을 가지도록 제어한다.

벅(Buck) 컨버터 실험결과

그림 6은 1.9[kW] 출력 시에 벅(Buck) 컨버터 게이트 파형으로 설계는 스위칭 주파수를 15[kHz]로 하였으나 실험에서는 스위칭 시 발생하는 스위칭 소음 및 링잉현상을 줄이기 위해 스위칭 주파수를 17[kHz]로 하였다. 시비율은 19.32[%]를 나타내고 있다.

그림 7은 벅(Buck) 컨버터의 인덕터에 흐르는 전류로 약 24[A] 리플값을 가지며 전류 파형의 저점에서 발생하는 스파이크의 형태는 주 스위치가 턴 온 하고 다이오드가 턴 오프할 때 발생하고 있다. 이러한 현상은 전류가 다이오드의 역 저지 시간 동안 캐소드에서 애노드로 역으로 흐르면서 인덕터의 기생 커패시터와 주 스위치의 기생 커패시터 성분 등과의 공진현상으로 발생한 파형이다.

벅(Buck) 컨버터의 환류 다이오드 양단에 걸리는 전압 파형을 그림 8에서 보여주고 있으며 주 스위치가 턴 온 되었을 때 환류 다이오드가 턴 오프 되면서 다이오드 양단에 입력 전압이 걸리고 있음을 알 수 있다. 이때에도 인덕터 전류의 스파이크가 생긴 것과 같은 이유로 인해 다이오드가 턴 오프 할 때 순간적으로 다이오드 양단 전압이 입력 전압보다 높게 걸리는 것을 볼 수 있다.

그림 9와 10은 각각 벅(Buck) 컨버터 출력전압 및 출력전류의 파형으로 스위칭으로 인해 발생한 링잉 및 스파이크 등이 출력전압에 나타나고 있으며 전류도 같은 현상을 볼 수 있으며 설계된 값은 출력전압 60[V], 출력전류 36[A]이다.

풀 브리지(Full bridge) 컨버터 실험결과

그림 11은 풀 브리지(Full bridge) 컨버터의 1.9[kW] 출력 시의 게이트 신호 파형으로 각 게이트 파형은 시비율은 30[%]이며 파형간의 데드 타임은 11.72[㎲]를 나타내고 있다.

그림 12는 고주파변압기의 1차 측 권선에 흐르는 전류를 측정한 파형이며, 전류의 최대값은 110[A]이다. 0[A] 부근에서 발생한 링잉 및 스파이크는 주 스위치가 턴 오프 할 때 $dv/dt$ 로 인해 발생한 현상이다. 또한, 임의의 부근에서 발생한 전류의 스파이크는 벅(Buck) 컨버터에서 스위칭시 발생한 스파이크가 L-C필터에서 충분히 제거되지 않고 풀 브리지(Full bridge) 컨버터로 넘어온 것이다.

트랜스포머 1차 측 권선에 걸리는 전압에 대한 결과를 그림 13을 통해서 확인할 수 있으며 주 스위치의 턴 오프 시 스파이크 및 링잉현상은 턴 오프 시의 $di/dt$ 및 누설 인덕턴스와 스위치의 기생성분의 영향으로 발생되고 있음을 알 수 있다. 이러한 현상은 스위치에 많은 스트레스를 주며, 스위칭 손실의 증대로 인한 전체 시스템의 효율 감소 및 스위치 온도의 증가 등의 현상으로 이어진다. 따라서 이를 해결하기 위해 RCD 스너버 회로를 IGBT 소자의 컬렉터와 이미터에 접속하여 그림 14와 같이 스파이크나 링잉현상이 많이 완화된 고주파변압기를 통해 2차측 정류 다이오드에 걸리는 전압 결과를 얻을 수 있다.

그림 15는 인덕터에 흐르는 전류 파형으로, 주기는 스위칭 주파수의 2배인 34[kHz]이며 간헐적으로 발생한 임의의 스파이크는 벅(Buck) 컨버터에서 스위칭으로 인해 발생한 전류의 스파이크가 여과 없이 풀 브리지(Full bridge) 컨버터 2차측 까지 영향을 주는 것으로 분석된다.

풀 브리지(Full bridge) 인버터 실험파형

1.9[kW] 저항부하시의 게이트 파형에 대해 그림 16에서 보이고 있으며 사용된 IGBT의 펄스 드라이버 보드의 암 단락 보호기능은 각 스위치의 펄스 간격이 2.3[㎲]이내가 되도록 설계하였다. 따라서 이를 피하기 위해 최소의 데드 타임은 2.3[㎲]이상으로 스위치간의 데드 타임은 2.7[㎲]로 정하였고 스위칭 주파수는 4.44[kHz]로 하였다.

그림 17은 풀 브리지 인버터(Full bridge)의 리액터 필터 전단 출력 전압 파형으로 부하 1.9[kW]에서 스위칭 시 스파이크나 링잉현상을 고려하여 스위치 양단에 RC 스너버를 적용하여 완화 하였다. 또한 주변의 인덕턴스 및 커패시턴스의 기생 성분들이 낮은 스위칭 주파수로 인해 주변에 영향을 미치지 못하는 영향도 주요원인으로 분석할 수 있다.

그림 18, 19는 리액터 및 커패시터 필터를 거쳐 같은 정현화 된 전압, 전류로 변환된 결과로 풀 브리지 인버터의 출력 전압 과 출력전류의 파형을 보여주고 있다. 따라서 연료전지를 입력으로 하여 분산전력 제어를 위한 가정용 연료전지 시스템으로서 동작하고 있음을 알 수 있다. 또한 그림 20은 풀 브리지 인버터 출력전류의 고조파를 분석한 파형으로 저항 부하인 경우 기본파와 3차 고조파 성분을 띄고 있기에 계통연계에 필요한 고조파가 저감된 정현파 전류가 출력되고 있음을 알 수 있다.

4. 결 론

연료전지는 고효율, 무공해, 다연료 및 열병합 발전이 가능한 미래의 새로운 에너지원으로 천연가스와 같은 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 전력을 생산하는 시스템으로써, 에너지 전환효율이 우수하고 탄소 배출이 거의 없는 친환경 발전 시스템이라 할 수 있다. 이러한 점에서 연료전지 시스템은 미래의 에너지환경 분야의 핵심기술로써, 미래의 발전원으로 사용될 주된 기술 중의 하나로 인식되고 있다.

따라서 본 논문에서는 분산전력 제어를 위한 가정용 연료전지 시스템을 구성하기 위해 연료전지용 시뮬레이터, 낮은 전압을 승압하는 DC-DC 컨버터, 가정용에 적합한 교류전원으로 변환하는 인버터를 설계하고 제작하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

연료전지와 유사한 특성을 얻기 위해 마이크로프로세서와 벅 컨버터를 사용하여 1~3kW급, 직류 39∼72V의 출력을 갖는 연료전지 시뮬레이터를 구현하므로 써 가정용 연료전지시스템의 동작특성을 확인할 수 있다.

인버터에 직류 380V 전압을 공급하기 위해 연료전지의 전압 39V를 최고 10배까지 승압할 수 있는 고주파 변압기 및 DC-DC 풀 브리지 컨버터 설계기술을 적용하므로 써 가정용 연료전지시스템에 적용되는 전력변환장치에 응용할 수 있을 것으로 보인다.

본 논문을 통하여 연구된 가정용 연료전지 시스템을 통하여 향후 가정에 공급되는 도시가스를 이용하여 열과 전기를 생산할 수 있는 이상적인 가정용 에너지 시스템이 될 수 있다.