JP6293574B2 - 燃料電池発熱量の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池装置に係り、より詳しくは複数の燃料電池スタックを含む燃料電池発熱量制御装置及び燃料電池発熱量制御方法に関する。

燃料から電気及び熱を生産する燃料電池は多くの燃料電池スタックを連結してより大きな容量を持つ。互いに機械的に連結され、燃料、空気、及び熱化学反応に必要な付加物などを受ける燃料電池スタックまたは前記燃料電池スタックを複数含んでいるスタックモジュールは、所望の電気出力を得るように数十〜数百枚の単位燃料電池が積層されて連結される。

しかし、スタックまたはスタックモジュールのそれぞれが互いに異なる劣化速度の偏差を持つ場合、前記スタックまたはスタックモジュールは、運転時間が経つにつれてスタックまたはスタックモジュールの性能偏差が発生し、同時に一部スタックの非正常的な劣化加速化によって低性能を示す場合にもスタックの間に性能偏差が発生する。または、生産されたスタックまたはスタックモジュール間の性能が均一ではなくて運転初期から偏差が存在した場合もある。

なお、前記のような性能偏差が発生するときには発熱量もスタックまたはスタックモジュールの間に異なって、スタック温度の偏差も発生することになる。また、前述したスタックまたはスタックモジュールの構成は、通常後述するように、発熱量が大きいスタックよりは発熱量が小さなスタックの温度がもっと減少する傾向を持つ。これは究極にスタックまたはスタックモジュールの性能の更なる変化をもたらす。このような現象が持続して繰り返され、ある時点を経過すれば、一部のスタックまたはスタックモジュールは運転可能スタック温度あるいはスタック電圧などの運転制限条件を外れてシャットダウン（ｓｈｕｔｄｏｗｎ）現象が起こることになる。
このような現象を図１及び図２に基づいて説明する。

図１ａは燃料電池スタックを互いに並列で連結する場合、スタック間の劣化波及影響を説明する図、図１ｂは燃料電池スタックを並列で連結する場合、スタック間の劣化波及影響を説明するスタック電圧及びスタック電流のグラフである。この例はスタックの劣化に関係なく同一電力を生産する運転モードを示している。
図１ａ及び図１ｂに示したように、燃料電池スタックが電気的に並列で連結されている燃料電池システム（［１］の正常性能）において、１個のスタックが衝撃または外部環境によって一時劣化すれば（［２］の状態、２−１個劣化）、劣化したスタックは一定時間が経った後、状態２から状態３に変わり、状態３’に運転点が移動した正常スタックは劣化スタックより相対的に多い発熱量を持つようになる。

前記正常スタックが前記劣化スタックより多い発熱量を有する理由は、初期に測定された正常スタックまたは劣化スタックの開放回路電圧（ＯＣＶ、Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）またはネルンスト電圧（Ｎｅｒｎｓｔ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）と現在測定されたスタックの電圧の差である電圧損失（△Ｖ）が同一であるが、正常スタックの運転電流がもっと大きいからである。図１ｂに示したように、ＯＣＶは７９Ｖと表記されている。
具体的に、図１ｂを参照すれば、正常スタック及び劣化スタックのそれぞれは現在状態３’及び３にあるので（［３］の１次波及）、電圧損失（△Ｖ）は同一であるが、このときに正常スタックの運転電流が劣化スタックの運転電流より大きいため（発熱量値＝電圧損失×現在運転電流）、正常スタックの発熱量が劣化スタックの発熱量に比べて大きいことが分かる。

すなわち、現在状態３’及び３で正常スタック及び劣化スタックがある場合、正常スタック発熱量は電圧損失（７９−６３＝１６Ｖ）×２４Ａであり、劣化スタック発熱量は１６Ｖ×１７Ａであるので、正常スタック発熱量が劣化スタック発熱量よりもっと大きくなる。この場合、正常スタック発熱量に比べて劣化スタックの相対的に少ない発熱量によって劣化スタックの温度は状態２（７５０℃）よりちょっと下がることになる（状態３は７３０℃）。

その後、スタックまたはスタックモジュールを含んでいる燃料装置は、過熱した正常スタック発熱量の温度を低めるため、冷却流体をより多く必要とすることになり、冷却流体によって正常スタックと機械的に連結された劣化スタックの温度はもっと下がることになり、劣化スタックの温度がもっと下がることによって抵抗が増加して劣化スタックの電圧が落ち、究極に正常スタック側への電流偏り現象が発生するが、初期電力とほぼ同一の電力を得るまで電流偏り現象が発生する。これにより、正常スタックと劣化スタックの運転電流の差はもっと大きくなる（図１ａ及び１ｂにおいて、状態３’、３から状態４’、４に移動、［４］の２次波及）。ここで、図１ａに示したように、前記初期電力は６５Ｖ×４０Ａ（２０Ａ＋２０Ａ）であり、前記新しい電力は６０Ｖ×４３Ａ（１５Ａ＋２８Ａ）となる。
時間が経つにつれて、このような現象が持続すれば、劣化スタックの温度はさらに下がるとか、運転電圧が最小基準値以下に減少し、スタック、スタックモジュール、これらを含む燃料電池装置は完全にシャットダウン現象を引き起こす。

図２ａは燃料電池スタックを互いに直列で連結する場合、スタック間の劣化波及影響を説明する図、図２ｂは燃料電池スタックを直列で連結する場合、スタック間の劣化波及影響を説明するスタック電圧及びスタック電流のグラフである。この例においては、スタックの劣化に関係なく同一の電力を生産する運転モードを示している。
図２ａ及び図２ｂに示したように、スタックが直列で連結された場合（［１］の正常性能）、１個のスタックが衝撃または外部環境によって一時劣化したとする（［２］の状態、２−１個劣化）。この際、一時劣化した劣化スタックは直列で連結されているので、それぞれのスタックの電流は同一であり、電圧はそれぞれのスタックの抵抗によって決定される。

図２ａの［２］の状態及び図２ｂを参照すれば、正常スタック及び劣化スタックの運転電流は互いに同一であるが、電圧損失（△Ｖ）は正常スタックより劣化スタックの方が大きいため、劣化スタックの発熱量が正常スタックの発熱量より大きいことが分かる。大きくなった劣化スタックの発熱量によって劣化スタックの温度が上昇し、過熱した劣化スタックの温度を低めるため、冷却流体をより多く必要とし、冷却流体によって劣化スタックと機械的に連結された正常スタックの温度がもっと下がって抵抗が増加するので、正常スタックの性能曲線は下降することになる（［３］の１次波及）。したがって、同一電力を得るために運転電流をもっと増加させるようになり、これに伴う発熱増加量の冷却のために冷却流体をさらに投入すれば、正常スタックの温度はもっと低下し、正常スタックの性能曲線も下降することになる（状態３’から状態４’に運転点移動）。
時間が経つにつれて、このような現象が持続すれば、正常スタックの温度はもっと下がるとか、運転電圧が最小基準値以下に低下して、スタック、スタックモジュールやこれらを含む燃料装置は完全にシャットダウン現象を引き起こす。
これを解決するために、シャットダウン現象が発生するに先立ち、非正常的なスタックまたはスタックモジュールの発熱量を制御し、ひいては使用者が特定の目的のために、任意にスタックまたはスタックモジュールの発熱量を制御する燃料電池発熱量制御装置及び燃料電池発熱量制御方法が切実に必要である。

本発明は前述した従来技術の問題点を解決するためになされたもので、本発明が解決しようとする課題は、複数のスタックまたはスタックモジュールを電気的に連結しながらも複数のスタックまたはスタックモジュール間の発熱量偏差を最小化することにより、劣化促進防止、急速な性能低下、またはシャットダウンを防止して、安定的にかつ効率よくスタックまたはスタックモジュールを運転することができるとともに、使用者が必要によってスタックまたはスタックモジュールの発熱量を制御して、使用者の便宜によるスタックまたはスタックモジュールを得ることができる、燃料電池発熱量制御装置及び燃料電池発熱量制御方法を提供することにある。

前記課題を解決するための本発明の実施例による燃料電池発熱量制御装置は、互いに機械的に連結されて燃料及び空気を受ける複数の燃料電池スタックを含む燃料電池発熱量制御装置であって、前記複数の燃料電池スタックのそれぞれの状態を感知する複数のスタック状態感知部；及び前記複数のスタック状態感知部によって感知されたスタックの状態に基づき、発熱量値が所定の発熱量臨界値範囲を外れた少なくとも１個の発熱量調整対象スタックを感知すれば、感知された少なくとも１個の発熱量調整対象スタックを含む少なくとも１個の発熱量調整対象スタック部を形成し、前記発熱量調整対象スタック部を少なくとも２個の発熱量調整部の中で該発熱量調整部に連結する制御部；を含む。

本発明の実施例による燃料電池発熱量制御装置において、前記制御部は前記発熱量調整部を制御することにより、前記発熱量調整対象スタック部が連結された発熱量調整部は前記発熱量調整対象スタック部の発熱量値を前記所定の発熱量臨界値範囲内にあるように調整することができる。

本発明の実施例による燃料電池発熱量制御装置において、前記燃料電池発熱量制御装置は、前記複数の燃料電池スタックの中で少なくとも一部を互いに連結し、前記連結された燃料電池スタックを少なくとも２個の発熱量調整部の中で少なくとも１個に連結するスイッチング部をさらに含み、前記スイッチング部は、燃料電池スタック用スイッチング部の開閉動作によって、前記少なくとも１個の発熱量調整対象スタックが前記少なくとも１個の発熱量調整対象スタック部を形成する燃料電池スタック用スイッチング部、及び前記少なくとも１個の発熱量調整対象スタック部を前記少なくとも２個の発熱量調整部の中で該発熱量調整部に連結する発熱量調整部用スイッチング部を含むことができる。

本発明の実施例による燃料電池発熱量制御装置において、前記制御部は、前記感知されたスタックの状態に基づき、前記発熱量値が所定の発熱量臨界値範囲より高い発熱量調整対象スタックを感知すれば、感知された少なくとも１個の発熱量調整対象スタックを含む少なくとも１個の発熱量調整対象スタック部を形成し、前記発熱量調整対象スタック部を前記少なくとも２個の発熱量調整部の中で第１発熱量調整部に連結し、前記連結された第１発熱量調整部を前記制御部の第１制御信号で制御することにより、前記第１発熱量調整部は前記第１制御信号によって前記発熱量調整対象スタック部の発熱量値を前記所定の発熱量臨界値範囲内にあるように低める第１調整を行うとか、または、前記制御部は、前記感知されたスタックの状態に基づき、前記発熱量値が所定の発熱量臨界値範囲より低い発熱量調整対象スタックを感知すれば、感知された少なくとも１個の発熱量調整対象スタックを含む少なくとも１個の発熱量調整対象スタック部を形成し、前記発熱量調整対象スタック部を前記少なくとも２個の発熱量調整部の中で第２発熱量調整部に連結し、前記連結された第２発熱量調整部を前記制御部の第２制御信号で制御することにより、前記第２発熱量調整部は前記第２制御信号によって前記発熱量調整対象スタック部の発熱量値を前記所定の発熱量臨界値範囲内にあるように高める第２調整を行うことができる。

本発明の実施例による燃料電池発熱量制御装置において、前記制御部は、前記第１及び第２発熱量調整部が第１調整及び第２調整を同時に行うように制御することができる。
本発明の実施例による燃料電池発熱量制御装置において、前記制御部は、前記第１及び第２発熱量調整部が第１調整または第２調整を互いに異なる順に行うように制御することができる。
本発明の実施例による燃料電池発熱量制御装置において、前記発熱量調整部は前記発熱量調整対象スタックの電流を調整することができる。

本発明の実施例による燃料電池発熱量制御装置において、前記発熱量調整対象スタックの発熱量値は、初期に測定された前記発熱量調整対象スタックの開放回路電圧（ＯＣＶ、Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）またはネルンスト電圧（Ｎｅｒｎｓｔ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）と現在測定されたスタックの電圧の差である電圧損失（△Ｖ）及び現在測定された運転電流（Ｉ）を用いて、次のような式：発熱量値＝Ｉ×△Ｖを満たすとか、または、前記複数のスタック状態感知部によって感知された前記発熱量調整対象スタックの温度で測定されて算出されることができる。
本発明の実施例による燃料電池発熱量制御装置において、前記スタック状態感知部は、前記複数の燃料電池スタックの電流、電圧または温度の中で少なくとも１個を感知し、前記感知された電流、電圧または温度の中で少なくとも１個を前記制御部に伝達し、前記制御部は、前記感知された電流、電圧または温度の中で少なくとも１個に基づき、前記発熱量調整対象スタックを感知することができる。

前記課題を解決するための本発明の一実施例による燃料電池発熱量制御装置は、互いに機械的に連結されて燃料及び空気を受ける少なくとも１個の燃料電池スタックを含む燃料電池スタックモジュールを複数含む燃料電池発熱量制御装置であって、前記複数の燃料電池スタックモジュールのそれぞれの状態を感知する複数のスタックモジュール状態感知部；及び前記複数のスタックモジュール状態感知部によって感知されたスタックモジュールの状態に基づき、発熱量値が所定の発熱量臨界値範囲を外れた少なくとも１個の発熱量調整対象スタックモジュールを感知すれば、感知された少なくとも１個の発熱量調整対象スタックモジュールを含む少なくとも１個の発熱量調整対象スタックモジュール部を形成し、前記発熱量調整対象スタックモジュール部を少なくとも２個の発熱量調整部の中で該発熱量調整部に連結する制御部；を含む。

本発明の一実施例による燃料電池発熱量制御装置において、前記制御部は、前記発熱量調整部を制御することにより、前記発熱量調整対象スタックモジュール部が連結された発熱量調整部が前記発熱量調整対象スタックモジュール部の発熱量値を前記所定の発熱量臨界値範囲内にあるように調整することができる。

本発明の一実施例による燃料電池発熱量制御装置は、前記燃料電池発熱量制御装置は、前記複数の燃料電池スタックモジュールの中で少なくとも一部を互いに連結し、前記連結された燃料電池スタックモジュールを少なくとも２個の発熱量調整部の中で該発熱量調整部に連結するスイッチングモジュール部をさらに含み、前記スイッチングモジュール部は、
燃料電池スタックモジュール用スイッチング部の開閉動作によって、前記少なくとも１個の発熱量調整対象スタックモジュールが前記少なくとも１個の発熱量調整対象スタックモジュール部を形成する燃料電池スタックモジュール用スイッチング部、及び前記少なくとも１個の発熱量調整対象スタックモジュール部を前記少なくとも２個の発熱量調整部の中で該発熱量調整部に連結する発熱量調整部用スイッチングモジュール部を含むことができる。

本発明の一実施例による燃料電池発熱量制御装置において、前記スタックモジュール状態感知部は、前記スタックモジュールの電流、電圧または温度の中で少なくとも１個を感知し、前記感知された電流、電圧または温度の中で少なくとも１個を前記制御部に伝達し、前記制御部は、前記感知された電流、電圧または温度の中で少なくとも１個に基づき、前記発熱量調整対象スタックモジュールを感知することができる。
本発明の特徴及び利点は添付図面に基づく以降の詳細な説明からもっと明らかになるであろう。

本発明の説明に先立ち、本明細書及び請求範囲に使用された用語や単語は通常的で辞書的な意味に解釈されてはいけなく、発明者が自分の発明を最良の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に従って本発明の技術的思想に合う意味及び概念に解釈されなければならない。

本発明によれば、複数のスタックまたはスタックモジュールを電気的に連結しながらも複数のスタックまたはスタックモジュール間の発熱量偏差を最小化することにより、劣化促進防止、急速な性能低下、またはシャットダウンを防止し、安定的にかつ効率よくスタックまたはスタックモジュールを運転することができる。
さらに、本発明によれば、使用者が必要によってスタックまたはスタックモジュールの発熱量を制御して、使用者の便宜によるスタックまたはスタックモジュールを得ることができる。

燃料電池スタックを互いに並列で連結する場合、スタック間の劣化波及影響を説明する図である。 燃料電池スタックを並列で連結する場合、スタック間の劣化波及影響を説明するスタック電圧及びスタック電流のグラフである。 燃料電池スタックを互いに直列で連結する場合、スタック間の劣化波及影響を説明する図である。 燃料電池スタックを直列で連結する場合、スタック間の劣化波及影響を説明するスタック電圧及びスタック電流のグラフである。 本発明の実施例によって、正常スタックにおいて１個の劣化スタックが発生する場合、燃料電池発熱量制御装置の動作を示すブロック図である。 本発明の実施例によって、正常スタックにおいて１個の劣化スタックが発生する場合、燃料電池発熱量制御装置の動作を示すブロック図である。 本発明の実施例によって、正常スタックにおいて１個の劣化スタックが発生する場合、燃料電池発熱量制御装置の動作を示すブロック図である。 本発明のさらに他の実施例によって、正常スタックにおいて２個の劣化スタックが発生する場合、燃料電池発熱量制御装置の動作を示すブロック図である。 本発明のさらに他の実施例によって、正常スタックにおいて２個の劣化スタックが発生する場合、燃料電池発熱量制御装置の動作を示すブロック図である。 本発明のさらに他の実施例によって、正常スタックにおいて２個の劣化スタックが発生する場合、燃料電池発熱量制御装置の動作を示すブロック図である。 本発明の実施例によって、図３及び図４において劣化スタックまたは劣化スタックモジュールが発生した場合、燃料電池発熱量制御装置の動作によってスタックまたはスタックモジュールの発熱量が制御されることを示すグラフである。 本発明の実施例によって、制御部が燃料電池発熱量を制御する方法を示すフローチャートである。

本発明の目的、特定の利点及び新規の特徴は添付図面に基づく以下の詳細な説明及び好適な実施例からより明らかになるであろう。
本明細書において、各図の構成要素に参照符号を付け加えるに当たり、同一構成要素にはたとえ他の図に示されていてもできるだけ同一符号を付けることにする。
また、“第１”、“第２”などの用語は１個の構成要素を他の構成要素と区別するために使われるもので、構成要素が前記用語によって制限されるものではない。

以下、本発明の説明において、本発明の要旨を不必要にあいまいにすることができる関連の公知技術についての詳細な説明は省略する。

以下、添付図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
図３は本発明の実施例によって、正常スタックにおいて１個の劣化スタックが発生する場合、燃料電池発熱量制御装置の動作を示すブロック図、図４は本発明の実施例によって、正常スタックにおいて２個の劣化スタックが発生する場合、燃料電池発熱量制御装置の動作を示すブロック図である。
燃料電池発熱量制御装置の動作の説明に先立ち、図３及び図４に基づいてそれぞれの構成及び機能を詳細に説明すれば次のようである。

燃料電池発熱量制御装置の構成及び機能
図３及び図４を参照すれば、燃料電池発熱量制御装置は、複数の燃料電池スタック２１０、２２０、２３０、２４０のそれぞれの状態を感知する複数のスタック状態感知部３１０、３２０、３３０、３４０、及び前記複数の燃料電池スタック２１０、２２０、２３０、２４０の中で少なくとも一部を互いに電気的に、例えば直列、並列、または直並列で連結し、前記連結された燃料電池スタック部を少なくとも２個の発熱量調整部５１０、５２０の中で１個に連結するスイッチング部１００、４００を含む。ここで、前記燃料電池発熱量制御装置に含まれた複数の燃料電池スタック２１０、２２０、２３０、２４０は互いに機械的に連結されて燃料及び空気を受ける。前記発熱量調整部は、例えば電力調整システム（ＰＣＳ：Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）であることができる。
これから“電気的に連結する、または電気的に連結される”とは特別な言及がない限り、特定の構成が直列、並列、または直並列で連結されることができることを意味する。

前記スイッチング部１００、４００は、複数の燃料電池スタックの中で少なくとも一部、例えば燃料電池スタック用スイッチング部１００の開閉動作によって少なくとも１個の発熱量調整対象スタックから少なくとも１個の発熱量調整対象スタック部を形成する燃料電池スタック用スイッチング部１００と、前記燃料電池スタック用スイッチング部によって形成された少なくとも１個の発熱量調整対象スタック部を少なくとも２個の発熱量調整部の中で該発熱量調整部に連結する発熱量調整部用スイッチング部４００とをさらに含む。
例えば、燃料電池スタック用スイッチング部１００及び発熱量調整部用スイッチング部４００はスイッチング端子が２個または３個あるスイッチング素子を含むことができるが、これに限定されなく、同一の機能を果たすとか、使用者の設計によって適切に構成されたスイッチング素子を含むことができるのは言うまでもない（例えば、ダイオード、ＦＥＴ、またはトランジスタなど、またはこれらの組合せ）。

また、前記燃料電池発熱量制御装置は、スイッチング部１００、４００の開閉動作を制御し、スタック状態感知部３１０、３２０、３３０、３４０の感知信号を受信し、そして少なくとも２個の発熱量調整部５１０、５２０の発熱量を制御することができる制御部６００をさらに含む。ここで、前記スタック状態感知部３１０、３２０、３３０、３４０は複数の燃料電池スタック２１０、２２０、２３０、２４０にそれぞれ連結されているので、燃料電池スタックの変化が発生した場合、つまり燃料電池スタックの発熱量値が所定の発熱量臨界値範囲を外れた場合、前記変化した燃料電池スタックの電流、電圧または温度の中で少なくとも１個を感知し、感知された電流、電圧または温度の中で少なくとも１個を感知信号で制御部６００に伝送する。
例えば、スタック状態感知部３１０、３２０、３３０、３４０は、スタックの燃料または空気の出口における温度測定点、またはスタックの中央部の温度測定点などのようにスタックの温度を測定することができる１個以上の温度測定点となることができる。このように測定された温度値によってそれぞれのスタックの発熱程度または発熱量が定義される。
また、例えば、スタック状態感知部３１０、３２０、３３０、３４０は、流れる電流を感知する分流器またはホール（ｈａｌｌ）センサーを含むこともできる。

前記所定の発熱量臨界値範囲とは事前に入力される入力値からなり、前記入力値は制御部に含まれたメモリ（図示せず）に保存される。前記事前に入力される入力値は使用者が目的とする特定値、例えば発熱量の測定統計値、発熱量の測定実験値、発熱量の測定予想値などを意味するが、これに限定されなく、使用者が定義した全ての値を意味する。よって、前記所定の発熱量臨界値範囲は制御部のメモリに保存された入力値による。本発明において、所定の発熱量臨界値範囲が制御部に含まれたメモリに保存されているとしたが、これに限定されなく、制御部の外部に設置されたメモリに保存されることができるのは言うまでもない。

前記制御部６００は、スタック状態感知部３１０、３２０、３３０、３４０の感知信号によって少なくとも１個の発熱量調整対象スタックの存在有無を判別し、少なくとも１個の発熱量調整対象スタックが感知されれば、感知された少なくとも１個の発熱量調整対象スタックを、前記燃料電池スタック用スイッチング部１００の開閉動作を制御して、少なくとも１個の発熱量調整対象スタック部で形成する。すなわち、制御部６００は、燃料電池スタック用スイッチング部１００の動作を制御することにより、発熱量調整対象スタック部をそれぞれ形成することができる。また、前記制御部６００は、発熱量調整部用スイッチング部４００によって、少なくとも１個の発熱量調整対象スタック部のそれぞれを少なくとも２個の発熱量調整部の中で 該発熱量調整部に連結する。

前記少なくとも２個の発熱量調整部５１０、５２０のそれぞれは前記制御部６００の制御信号によって発熱量を調整し、例えば電流または電圧、あるいは電流及び電圧の両方を調整して発熱量を調整することができる。
言い換えれば、制御部６００は、前記発熱量調整部用スイッチング部４００によって発熱量調整対象スタック部が連結された少なくとも２個の発熱量調整部が前記発熱量調整対象スタックの発熱量値を調整して、所定の発熱量臨界値範囲内にあるように前記発熱量調整部を制御する。すなわち、制御部６００の制御信号は前記発熱量調整部を制御することにより、前記発熱量調整部（発熱量調整対象スタック部が連結される）は発熱量調整対象スタック部の発熱量値が所定の発熱量臨界値範囲内にあるように調整する。
例えば、前記制御部６００は、スタック状態感知部によって感知されたスタックの状態に基づき、つまりスタック状態感知部の感知信号によって、発熱量値が所定の発熱量臨界値範囲より高い発熱量調整対象スタックを感知すれば、スイッチング部１００、４００の動作を制御することにより、前記感知された少なくとも１個の発熱量調整対象スタックを含む少なくとも１個の発熱量調整対象スタック部を形成し、前記発熱量調整対象スタック部を前記少なくとも２個の発熱量調整部の中で第１発熱量調整部に連結し、前記連結された第１発熱量調整部を前記制御部の第１制御信号で制御することにより、前記第１発熱量調整部は前記第１制御信号によって前記発熱量調整対象スタック部の発熱量値を前記所定の発熱量臨界値範囲内にあるように低めることができる第１調整を行うことができる。

また、前記制御部６００は、スタック状態感知部によって感知されたスタックの状態に基づき、つまりスタック状態感知部の感知信号によって、発熱量値が所定の発熱量臨界値範囲より低い発熱量調整対象スタックを感知すれば、前記スイッチング部１００、４００の動作を制御することにより、感知された少なくとも１個の発熱量調整対象スタックを含む少なくとも１個の発熱量調整対象スタック部を形成し、前記発熱量調整対象スタック部を前記少なくとも２個の発熱量調整部の中で第２発熱量調整部に連結し、前記連結された第２発熱量調整部を前記制御部の第２制御信号で制御することにより、前記第２発熱量調整部は前記第２制御信号によって前記発熱量調整対象スタック部の発熱量値を前記所定の発熱量臨界値範囲内にあるように高めることができる第２調整を行うことができる。
また、前記制御部６００は、前記第１及び第２発熱量調整部が第１調整及び第２調整を同時に行うように制御するとか、前記第１及び第２発熱量調整部が第１調整を実行した後に前記第２調整を行うとか、あるいは前記第２調整を実行した後に前記第１調整を行うように制御することができる。

以下、燃料電池発熱量制御装置がどのように発熱量を制御することができるかについて例を挙げて詳細に説明する。

燃料電池発熱量制御装置の発熱量制御方法
図３ａ〜図３ｃを参照して説明する。図３ａに示したように、前記燃料電池発熱量制御装置は、前述したように、一般に複数の燃料電池スタックを持つ。この際、前記複数の燃料電池スタック２１０、２２０、２３０、２４０は４個で構成されて並列となっており、正常の燃料電池スタックであると仮定する。複数の燃料電池スタックが正常であるので、スイッチング部１００、４００によって電気的に連結された複数の燃料電池スタックはただ２個の発熱量調整部の中で１個にだけ連結されれば複数の燃料電池スタックの本来の機能を発揮することができる。すなわち、複数の燃料電池スタックは正常に電力を出力することができる。この場合を以下では状態１または１’という。
４個の正常燃料電池スタックまたは正常燃料電池スタックを持つ燃料電池発熱量制御装置が外部または内部の環境変化によって、例えば衝撃が加わったとか、燃料電池スタックを構成している組成物に異常があって１個の燃料電池スタックが劣化した場合、つまり図３ｂに示したように、劣化した燃料電池スタックまたは劣化燃料電池スタック２４０が作られる場合を考慮して見よう。この場合を以下では状態２または２’という。

このような場合、制御部６００は、正常燃料電池スタック２１０、２２０、２３０の発熱量が劣化燃料電池スタック２４０の発熱量より大きいため（複数の燃料電池スタックが並列で連結され、劣化燃料電池スタック２４０が複数の燃料電池スタックの中で発生したら、発熱量は正常燃料電池スタックが劣化燃料電池スタックより大きい。前述したシャットダウン現象参照）、正常燃料電池スタックの発熱量を低め、劣化燃料電池スタック２４０の発熱量を高めることで、所望の発熱量値を成す。ここで、所定の（または所望の）発熱量臨界値範囲を基準として、所定の発熱量臨界値範囲に収斂する場合を同時に示すために、つまり下記に矢印で表示したように、劣化燃料電池スタックの発熱量及び正常燃料電池スタックの発熱量のそれぞれが所定の発熱量臨界値範囲に収斂することを見せるために、所定の発熱量臨界値範囲は正常燃料電池スタックの発熱量より低く、劣化燃料電池スタックの発熱量よりは高いと仮定した。

劣化燃料電池スタックの発熱量→所定の発熱量臨界値範囲←正常燃料電池スタックの発熱量
図３ｃに示したように、まず、制御部６００は、正常燃料電池スタックに対して、スイッチング部１００、４００の開閉動作を制御することにより、前記正常燃料電池スタック２１０、２２０、２３０を含む少なくとも１個の正常燃料電池スタック部２５０を形成し、前記正常燃料電池スタック部２５０を前記少なくとも２個の発熱量調整部５１０、５２０の中で第１発熱量調整部５１０に連結し、前記連結された第１発熱量調整部５１０を制御部６００の第１制御信号で制御することにより、前記第１発熱量調整部５１０は前記第１制御信号によって前記正常燃料電池スタック部２５０の発熱量値を所定の発熱量臨界値範囲内にあるように低めることができる第１調整を行うことができる。
また、制御部６００は、劣化燃料電池スタックに対して、スイッチング部１００、４００の開閉動作を制御することにより、前記劣化燃料電池スタック２４０を含む少なくとも１個の劣化燃料電池スタック部２６０を形成し、前記劣化燃料電池スタック部２６０を前記少なくとも２個の発熱量調整部５１０、５２０の中で第２発熱量調整部５２０に連結し、前記連結された第２発熱量調整部５２０を制御部６００の第２制御信号で制御することにより、前記第１発熱量調整部５２０は前記第２制御信号によって前記劣化燃料電池スタック部２６０の発熱量値を所定の発熱量臨界値範囲内にあるように高めることができる第２調整を行うことができる。

前述したように、前記制御部６００は、前記第１及び第２発熱量調整部５１０、５２０が第１調整及び第２調整を同時に行うように制御するとか、前記第１及び第２発熱量調整部５１０、５２０が第１調整を実行した後に前記第２調整を行うとか、あるいは前記第２調整を実行した後に前記第１調整を行うように制御することができる。この場合を以下では状態３または３’という。
前記制御部６００は、前記第１及び第２発熱量調整部５１０、５２０が第１調整及び第２調整を行うように制御して、複数の燃料電池スタックの発熱量の差を最少化することができる。

図４は本発明の実施例によって、正常燃料電池スタックにおいて２個の劣化燃料電池スタックが発生する場合、燃料電池発熱量制御装置の動作を示すブロック図で、ただ劣化燃料電池スタックが１個から２個に増加し、正常燃料電池スタックが３個から２個に減少したという違いを除き、図３の実施例と同様である。よって、正常燃料電池スタック２１０、２３０の数は２個となり、劣化燃料電池スタック２２０、２４０の数も２個となる。
したがって、図４ｃに示したように、制御部は２個の正常燃料電池スタック２１０、２３０を正常燃料電池スタック部２５０で形成し、２個の劣化燃料電池スタック２２０、２４０を劣化燃料電池スタック部２６０で形成する。残りの燃料電池発熱量の制御動作は図３の実施例と同様であるので、その詳細な説明は省略する。

図３及び図４に示したように、本発明の実施例による燃料電池発熱量制御装置は４個の燃料電池スタック、及び２個の発熱量調整部を制御するが、本発明はこれに限定されなく、ｎを２以上の整数であるとするとき、第１〜第ｎ燃料電池スタックのｎ個のスタックとｎ個の発熱量調整部の電気的な連結を制御するだけでなく、ｎ個の発熱量調整部の発熱量調整を制御することができる（図示せず）。
また、図３及び図４においては、制御部６００及びスイッチング部１００、４００によって複数の燃料電池スタックのそれぞれの連結が制御されるが、本発明はこれに限定されなく、少なくとも１個の燃料電池スタックを少なくとも１個の燃料電池スタックモジュールに構成し、制御部６００及びスイッチング部１００、４００によって少なくとも１個の燃料電池スタックモジュールの電気的構成連結を変更することができる。

すなわち、少なくとも１個の燃料電池スタックを含む燃料電池スタックモジュールを複数含む燃料電池発熱量制御装置において、制御部６００は、複数のスタックモジュール状態感知部（図示せず）によって感知されたスタックモジュールの状態に基づき、発熱量値が所定の発熱量臨界値範囲を外れた少なくとも１個の発熱量調整対象スタックモジュールを感知すれば、スイッチングモジュール部（図示せず）の動作を制御することにより、感知された少なくとも１個の発熱量調整対象スタックモジュールを含む少なくとも１個の発熱量調整対象スタックモジュール部（図示せず）のそれぞれを形成し、前記発熱量調整対象スタックモジュール部のそれぞれを前記少なくとも２個の発熱量調整部の中で該発熱量調整部に連結することができ、そして前記発熱量調整部を制御することにより、前記発熱量調整対象スタックモジュール部が連結された発熱量調整部は前記発熱量調整対象スタックモジュール部の発熱量値を前記所定の発熱量臨界値範囲内にあるように調整することができる。

この際、前記スイッチングモジュール部は燃料電池スタックモジュール用スイッチングモジュール部、及び発熱量調整部用スイッチングモジュール部を含み、前記燃料電池スタックモジュール用スイッチングモジュール部は、前記燃料電池スタックモジュール用スイッチングモジュール部の開閉動作によって前記少なくとも１個の発熱量調整対象スタックモジュールが前記少なくとも１個の発熱量調整対象スタックモジュール部を形成するようにし、そして前記発熱量調整部用スイッチングモジュール部は、前記少なくとも１個の発熱量調整対象スタックモジュール部を前記少なくとも２個の発熱量調整部の中で該発熱量調整部に連結することができる。
前記スタックモジュール状態感知部及びスイッチングモジュール部の構成を成している素子は前述したスタック状態感知部及びスイッチング部と類似ないし同一であるので、これについての詳細な説明は省略する。

図５は本発明の実施例によって、図３及び図４において、正常燃料電池スタックまたは正常燃料電池スタックモジュールが発生し、劣化燃料電池スタックまたは劣化燃料電池スタックモジュールが発生した場合、燃料電池発熱量制御装置の動作を行うことによって、スタックまたはスタックモジュールの発熱量が制御されることを示すグラフである。

図５を参照して、図３及び図４の状態変化、つまり前述した状態１または１’から状態３または３’までの変化を表１に示すと次のようである。

図５及び表１において、状態２または２’を参照して見ると、発熱量調整対象スタック（モジュール）となる正常燃料電池スタック（モジュール）及び劣化燃料電池スタック（モジュール）の発熱量値は、初期に測定された前記発熱量調整対象スタックの開放回路電圧（ＯＣＶ、Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）またはネルンスト電圧（Ｎｅｒｎｓｔ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）と現在測定されたスタックの電圧の差である電圧損失（△Ｖ）及び現在測定された運転電流（Ｉ）を用い、次の式（１）を満たし、

発熱量値［Ｗ］＝Ｉ×△Ｖ （１）

前記式（１）に状態２または２’の電流値（Ｉ）及び電圧損失値（△Ｖ）を代入し、正常燃料電池スタック（モジュール）の発熱量値［Ｗ］は３６８Ｗ、劣化燃料電池スタック（モジュール）の発熱量値［Ｗ］は２７２Ｗであり、発熱量の差は９６Ｗであってシャットダウンが発生する可能性が高くなるが、制御部６００が第１及び第２発熱量調整部５１０、５２０を制御して発熱量を調整すれば、表１の状態３または３’に表示されたように、その発熱量の差は０Ｗとなって（発熱量差なし）、最小化される。

前述した例示は制御部６００がスタック状態感知部を用い、正常燃料電池スタック（モジュール）及び劣化燃料電池スタック（モジュール）の電流及び電圧によって発熱量値を計算して発熱量を最少化するものであるが、これに限定されなく、前述したように、前記スタック状態感知部が正常燃料電池スタック（モジュール）及び劣化燃料電池スタック（モジュール）の温度を測定することができる温度測定点となる場合にも、制御部６００はこのように測定された温度値によって発熱量値を算出または計算して発熱量を最少化することができるのは言うまでもない。

したがって、本発明の燃料電池発熱量制御装置は、複数の燃料電池スタックまたは燃料電池スタックモジュールを電気的に連結しながらも複数の燃料電池スタックまたは燃料電池スタックモジュール間の発熱量偏差を最小化することにより、劣化促進防止、急速な性能低下、またはシャットダウンを防止して安定的にかつ効率よくスタックまたはスタックモジュールを運転することができる。

図３〜図５の正常燃料電池スタック及び劣化燃料電池スタックを例として、燃料電池発熱量制御装置が正常燃料電池スタックと劣化燃料電池スタック間の発熱量偏差を最小化することを説明したが、これは説明のためのものであるだけ、これに限定されない。例えば、使用者が所望の特定値を前記制御部のメモリに入力し、前記入力された値を所定の発熱量臨界値範囲に定義することにより、前記燃料電池発熱量制御装置の発熱量制御は使用者の目的に合うように、例えば発熱量差を最小化しないで、意図的に増加させるとか減少させることもできる。

制御部の発熱量制御方法
図６は本発明の実施例によって制御部が燃料電池発熱量を制御する方法を示すフローチャートである。
図６を参照すれば、段階Ｓ６００で、制御部６００は複数のスタック状態感知部の感知を制御することにより、複数の燃料電池スタック２１０、２２０、２３０、２４０の状態を感知する。段階Ｓ６１０で、制御部６００は感知された複数の燃料電池スタックの状態に基づき、発熱量値が所定の発熱量臨界値範囲を外れた少なくとも１個の発熱量調整対象スタック、例えば正常燃料電池スタック（図３の２１０、２２０、２３０、図４の２１０、２３０）または劣化燃料電池スタック（図３の２４０、図４の２２０、２４０）が存在するかどうかを判別する。ここで、前記発熱量調整対象スタックとは、正常燃料電池スタックであるとか劣化燃料電池スタックであるとかにかかわらず、発熱量の制御を必要とする全てのスタックを意味する。

その後、段階Ｓ６２０で、制御部６００が少なくとも１個の発熱量調整対象スタックが存在することを判別する場合、前記制御部６００はスイッチング部１００、４００の動作を制御することにより、前記少なくとも１個の発熱量調整対象スタックを含む少なくとも１個の発熱量調整対象スタック部、例えば正常燃料電池スタック部（図３ｃ及び図４ｃの２５０）または劣化燃料電池スタック部（図３ｃ及び図４ｃの２６０）の中で少なくとも１個の燃料電池スタック部を形成し、前記発熱量調整対象スタック部を前記少なくとも２個の発熱量調整部５１０、５２０の中で該発熱量調整部に連結する。
段階Ｓ６１０で、制御部６００が少なくとも１個の発熱量調整対象スタックが存在しないことを判別する場合、燃料電池発熱量の制御方法は終了する。
段階Ｓ６３０で、前記制御部６００は、前記発熱量調整部が前記発熱量調整対象スタックの発熱量値を調整して前記所定の発熱量臨界値範囲内にあるように、前記発熱量調整部５１０、５２０を制御し、燃料電池発熱量の制御方法は終了する。

本明細書で説明した方法は、適用例によって多様な手段を用いて具現されることもできる。例えば、このような方法は、ハードウェア、ファームウエア、ソフトウェアまたはこれらの任意の組合せの形態に具現されることもできる。ハードウェアを伴う具現例において、制御回路または制御部は一つ以上の注文型集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラム可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プロセッサ、制御器、マイクロ−制御器、マイクロプロセッサー、電子装置、本明細書で説明した機能を果たすように設計された他の電子ユニットまたはこれらの組合せで具現されることもできる。
以上、本発明を具体的な実施例に基づいて詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するもので、本発明はこれに限定されなく、本発明の技術的思想内で当該技術分野の通常の知識を持った者によってその変形や改良が可能であるのは明らかであろう。

本発明の単純な変形ないし変更はいずれも本発明の領域に属するもので、本発明の具体的な保護範囲は添付の特許請求範囲によって明らかになるであろう。

本発明は、複数の燃料電池スタックを含む燃料電池発熱量制御装置に適用可能である。

１００ 燃料電池スタック用スイッチング部
２１０、２２０、２３０、２４０ 燃料電池スタック
３１０、３２０、３３０、３４０ スタック状態感知部
４００ 発熱量調整部用スイッチング部
５１０、５２０ 発熱量調整部
６００ 制御部

Claims (13)

1. 互いに機械的に連結されて燃料及び空気を受ける複数の燃料電池スタックを含む燃料電池発熱量制御装置において、
   前記複数の燃料電池スタックのそれぞれの状態を感知する複数のスタック状態感知部；及び
   前記複数のスタック状態感知部によって感知されたスタックの状態に基づき、発熱量値が所定の発熱量臨界値範囲を外れた少なくとも１個の発熱量調整対象スタックを感知すれば、感知された少なくとも１個の発熱量調整対象スタックを含む１個の発熱量調整対象スタック部を形成し、前記発熱量調整対象スタック部を少なくとも２個の発熱量調整部の中で該発熱量調整部に連結する制御部；を含むことを特徴とする、燃料電池発熱量制御装置。
2. 前記制御部は前記発熱量調整部を制御することにより、前記発熱量調整対象スタック部が連結された発熱量調整部は前記発熱量調整対象スタック部の発熱量値を前記所定の発熱量臨界値範囲内にあるように調整することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池発熱量制御装置。
3. 前記燃料電池発熱量制御装置は、前記複数の燃料電池スタックの中で少なくとも一部を互いに連結し、前記連結された燃料電池スタックを少なくとも２個の発熱量調整部の中で少なくとも１個に連結するスイッチング部をさらに含み、
   前記スイッチング部は、
   燃料電池スタック用スイッチング部の開閉動作によって、前記少なくとも１個の発熱量調整対象スタックが前記少なくとも１個の発熱量調整対象スタック部を形成する燃料電池スタック用スイッチング部、及び
   前記少なくとも１個の発熱量調整対象スタック部を前記少なくとも２個の発熱量調整部の中で該発熱量調整部に連結する発熱量調整部用スイッチング部を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池発熱量制御装置。
4. 前記制御部は、前記感知されたスタックの状態に基づき、前記発熱量値が所定の発熱量臨界値範囲より高い発熱量調整対象スタックを感知すれば、感知された少なくとも１個の発熱量調整対象スタックを含む少なくとも１個の発熱量調整対象スタック部を形成し、前記発熱量調整対象スタック部を前記少なくとも２個の発熱量調整部の中で第１発熱量調整部に連結し、前記連結された第１発熱量調整部を前記制御部の第１制御信号で制御することにより、前記第１発熱量調整部は前記第１制御信号によって前記発熱量調整対象スタック部の発熱量値を前記所定の発熱量臨界値範囲内にあるように低める第１調整を行うとか、または
   前記制御部は、前記感知されたスタックの状態に基づき、前記発熱量値が所定の発熱量臨界値範囲より低い発熱量調整対象スタックを感知すれば、感知された少なくとも１個の発熱量調整対象スタックを含む少なくとも１個の発熱量調整対象スタック部を形成し、前記発熱量調整対象スタック部を前記少なくとも２個の発熱量調整部の中で第２発熱量調整部に連結し、前記連結された第２発熱量調整部を前記制御部の第２制御信号で制御することにより、前記第２発熱量調整部は前記第２制御信号によって前記発熱量調整対象スタック部の発熱量値を前記所定の発熱量臨界値範囲内にあるように高める第２調整を行うことを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池発熱量制御装置。
5. 前記制御部は、前記第１及び第２発熱量調整部が第１調整及び第２調整を同時に行うように制御することを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池発熱量制御装置。
6. 前記制御部は、前記第１及び第２発熱量調整部が第１調整または第２調整を互いに異なる順に行うように制御することを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池発熱量制御装置。
7. 前記発熱量調整部は前記発熱量調整対象スタックの電流を調整することを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池発熱量制御装置。
8. 前記発熱量調整対象スタックの発熱量値は、
   初期に測定された前記発熱量調整対象スタックの開放回路電圧（ＯＣＶ、Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）またはネルンスト電圧（Ｎｅｒｎｓｔ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）と現在測定されたスタックの電圧の差である電圧損失（△Ｖ）及び現在測定された運転電流（Ｉ）を用いて、次のような式：発熱量値＝Ｉ×△Ｖを満たすとか、または
   前記複数のスタック状態感知部によって感知された前記発熱量調整対象スタックの温度で測定されて算出されることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池発熱量制御装置。
9. 前記スタック状態感知部は、前記複数の燃料電池スタックの電流、電圧または温度の中で少なくとも１個を感知し、前記感知された電流、電圧または温度の中で少なくとも１個を前記制御部に伝達し、
   前記制御部は、前記感知された電流、電圧または温度の中で少なくとも１個に基づき、前記発熱量調整対象スタックを感知することを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池発熱量制御装置。
10. 互いに機械的に連結されて燃料及び空気を受ける少なくとも１個の燃料電池スタックを含む燃料電池スタックモジュールを複数含む燃料電池発熱量制御装置において、
    前記複数の燃料電池スタックモジュールのそれぞれの状態を感知する複数のスタックモジュール状態感知部；及び
    前記複数のスタックモジュール状態感知部によって感知されたスタックモジュールの状態に基づき、発熱量値が所定の発熱量臨界値範囲を外れた少なくとも１個の発熱量調整対象スタックモジュールを感知すれば、感知された少なくとも１個の発熱量調整対象スタックモジュールを含む少なくとも１個の発熱量調整対象スタックモジュール部を形成し、前記発熱量調整対象スタックモジュール部を少なくとも２個の発熱量調整部の中で該発熱量調整部に連結する制御部；を含むことを特徴とする、燃料電池発熱量制御装置。
11. 前記制御部は、前記発熱量調整部を制御することにより、前記発熱量調整対象スタックモジュール部が連結された発熱量調整部が前記発熱量調整対象スタックモジュール部の発熱量値を前記所定の発熱量臨界値範囲内にあるように調整することを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池発熱量制御装置。
12. 前記燃料電池発熱量制御装置は、前記複数の燃料電池スタックモジュールの中で少なくとも一部を互いに連結し、前記連結された燃料電池スタックモジュールを少なくとも２個の発熱量調整部の中で該発熱量調整部に連結するスイッチングモジュール部をさらに含み、
    前記スイッチングモジュール部は、
    燃料電池スタックモジュール用スイッチング部の開閉動作によって、前記少なくとも１個の発熱量調整対象スタックモジュールが前記少なくとも１個の発熱量調整対象スタックモジュール部を形成する燃料電池スタックモジュール用スイッチング部、及び
    前記少なくとも１個の発熱量調整対象スタックモジュール部を前記少なくとも２個の発熱量調整部の中で該発熱量調整部に連結する発熱量調整部用スイッチングモジュール部を含むことを特徴とする、請求項１０または１１に記載の燃料電池発熱量制御装置。
13. 前記スタックモジュール状態感知部は、前記スタックモジュールの電流、電圧または温度の中で少なくとも１個を感知し、前記感知された電流、電圧または温度の中で少なくとも１個を前記制御部に伝達し、
    前記制御部は、前記感知された電流、電圧または温度の中で少なくとも１個に基づき、前記発熱量調整対象スタックモジュールを感知することを特徴とする、請求項１０または１１に記載の燃料電池発熱量制御装置。

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