JP6375134B2 - サブ電力調節部を用いた燃料電池システムの制御装置および制御方法 - Google Patents
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Description
図1に示すように、正常スタックは40A/2=20Aより高い負荷である22A、45Vの領域で動作して発熱量が増加することにより寿命が短縮され、劣化スタックはその分だけ低い負荷である18A、45Vの領域で動作する。すなわち、スタックを並列に接続する場合、スタックの電圧は同一になり、スタックの電流−電圧曲線に応じて電流偏りが発生する。よって、スタックを並列に接続して使用する場合、劣化スタックが発生すると、正常スタックに電流負荷が偏って正常スタックの寿命及び耐久性に致命的な影響を及ぼす。
本発明の実施例に係るサブ電力調節部を用いた燃料電池システムの制御装置において、前記制御部は、前記伝達された燃料電池スタックの状態情報から少なくとも一つの劣化スタックが感知された場合、前記少なくとも一つの劣化スタックの出力を前記メイン電力調節部から分離して前記サブ電力調節部に接続することができる。
また、本発明の実施例に係るサブ電力調節部を用いた燃料電池システムの制御装置において、前記メイン電力調節部に出力を提供する正常スタックは、前記少なくとも一つの劣化スタックを除いて直列、並列、または直並列に再構成されて接続できる。
また、本発明の実施例に係るサブ電力調節部を用いた燃料電池システムの制御装置において、前記スイッチング部は、前記それぞれのスタックの正電圧の供給対象をスイッチングするための正電圧スイッチング部と、前記それぞれのスタックの負電圧の供給対象をスイッチングするための負電圧スイッチング部と、前記劣化スタックを直列に接続して前記サブ電力調節部に前記劣化スタックの出力を提供するための劣化スタック接続スイッチング部とを含むことができる。
また、本発明の実施例に係るサブ電力調節部を用いた燃料電池システムの制御装置において、 前記複数の燃料電池スタックは、複数の燃料電池スタックモジュールから構成され、前記複数の燃料電池スタックモジュールのそれぞれは所定数の燃料電池スタックを含み、
前記制御部は、前記燃料電池スタックモジュールの状態を感知して少なくとも一つの劣化スタックモジュールが存在する場合、前記少なくとも一つの劣化スタックモジュールを前記メイン電力調節部から分離することができる。
本発明の実施例に係る燃料電池システムの制御方法において、前記制御部は、前記スイッチング部を制御して前記少なくとも一つの劣化スタックの出力をサブ電力調節部に接続することができる。
また、本発明の実施例に係る燃料電池システムの制御方法において、前記サブ電力調節部に出力を提供する劣化スタックは直列に接続できる。
また、本発明の実施例に係る燃料電池システムの制御方法において、前記複数の燃料電池スタックは、複数の燃料電池スタックモジュールから構成され、前記複数の燃料電池スタックモジュールのそれぞれは所定数の燃料電池スタックを含み、前記制御部は、前記燃料電池スタックモジュールの状態を感知して少なくとも一つの劣化スタックモジュールが存在する場合、前記少なくとも一つの劣化スタックモジュールを前記メイン電力調節部から分離することができる。
また、本発明の実施態様に係る燃料電池システムの制御方法において、前記制御部は、前記少なくとも一つの劣化スタックモジュールの出力を前記サブ電力調節部に接続することができる。
これに先立ち、本明細書および請求の範囲に使用された用語または単語は、通常的かつ辞典的な意味で解釈されてはならず、発明者が自分の発明を最善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基づき、本発明の技術的思想に符合する意味と概念で解釈されなければならない。
図2は正常発電状態にある本発明の一実施例に係るサブ電力調節部を用いた燃料電池システムの制御装置を示すブロック図、図3は劣化スタック発生の際に発電状態にある本発明の実施例に係るサブ電力調節部を用いた燃料電池システムの制御装置を示すブロック図、図4は劣化スタックおよび動作不可能なスタック発生の際に発電状態にある本発明の実施例に係るサブ電力調節部を用いた燃料電池システムの制御装置を示すブロック図、図5は本発明の一実施例に係るサブ電力調節部を用いた燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
図2に示した本発明の一実施態様に係るサブ電力調節部を用いた燃料電池システムの制御装置は、第1〜第6燃料電池スタックSTK1〜STK6のうち正常スタックの出力をメイン負荷に供給するメイン電力調節部200と、前記第1〜第6燃料電池スタックSTK1〜STK6のうち一つ以上の劣化スタックの出力をサブ負荷に供給するサブ電力調節部202と、前記第1〜第6燃料電池スタックSTK1〜STK6それぞれの出力の接続対象を変更するスイッチング部206、208、210と、前記第1〜第6燃料電池スタックSTK1〜STK6の状態を感知して前記スイッチング部206、208、210を制御する制御部204と、前記第1〜第6燃料電池スタックSTK1〜STK6の状態を感知してスタックの状態情報を前記制御部204に伝達するスタック状態感知部であって、前記第1〜第6燃料電池スタックSTK1〜STK6に流れる電流を感知する第1〜第6分流器R1〜R6とを含んでなる。
前記第1〜第6分流器R1〜R6のそれぞれの一端は、第1〜第6スタックSTK1〜STK6のそれぞれの正極に接続されている。
前記第1〜第6正電圧スイッチPSW1〜PSW6はそれぞれ共通端子P1_0〜P6_0、第1端子P1_1〜P6_1、第2端子P1_2〜P6_2および第3端子P1_3〜P6_3を含む。
前記第1〜第6負電圧スイッチNSW1〜NSW6はそれぞれ共通端子N1_0〜N6_0、第1端子N1_1〜N6_1、第2端子N1_2〜N6_2および第3端子N1_3〜N6_3を含む。
前記第1〜第5劣化スタック接続スイッチDSW1〜DSW5はそれぞれ共通端子D1_0〜D5_0、第1端子D1_1〜D5_1、第2端子D1_2〜D5_2および第3端子D1_3〜D5_3を含み、前記第6劣化スタック接続スイッチDSW6は共通端子D6_0、第1端子D6_1および第2端子D6_2を含む。
前記第1〜第6正電圧スイッチPSW1〜PSW6の共通端子P1_0〜P6_0はそれぞれ第1〜第6分流器R1〜R6の他端に接続され、前記第1〜第6正電圧スイッチPSW1〜PSW6の第1端子P1_1〜P6_1は前記メイン電力調節部200の正電圧入力端子MPIに接続され、前記第1〜第6正電圧スイッチPSW1〜PSW6の第2端子P1_2〜P6_2は開放されている。
前記第2〜第6劣化スタック接続スイッチDSW2〜DSW6の第2端子D2_2〜D6_2はそれぞれ前記第1〜第5劣化スタック接続スイッチDSW1〜DSW5の共通端子D1_0〜D5_0に接続され、前記第1〜第5劣化スタック接続スイッチDSW1〜DSW5の第3端子D1_3〜D5_3および前記第6劣化スタック接続スイッチDSW6の共通端子D6_0は前記サブ電力調節部202の負電圧入力端子SMIに接続され、前記第1劣化スタック接続スイッチDSW1の第2端子D1_2と第1正電圧スイッチPSW1の第3端子P1_3は前記サブ電力調節部202の正電圧入力端子SPIに接続されている。
また、第1〜第n正電圧スイッチPSW1〜PSWn、第1〜第n負電圧スイッチNSW1〜NSWnおよび第1〜第n劣化スタック接続スイッチDSW1〜DSWnはそれぞれ前記制御部204の制御信号PC1〜PCn、NC1〜NCn、DC1〜DCnに基づいて制御できる。
図2において、制御部204は、第1〜第6分流器R1〜R6を介して得られる第1スタック〜第6スタックSTK1〜STK6に流れる電流に基づいて、性能が低下する劣化スタックが存在するか否かを判断する。
図2では全てのスタックが正常的に動作しているため、制御部204は、スイッチング部206、208、210に制御信号PC1〜PC6、NC1〜NC6、DC1〜DC6を出力し、第1スタック〜第6スタックSTK1〜STK6の出力を並列に接続してメイン電力調節部200に第1スタック〜第6スタックSTK1〜STK6の出力を供給する。
図3は劣化スタックが存在する場合の動作を示すもので、制御部204は、第1〜第6分流器R1〜R6を介して得られる第1スタック〜第6スタックSTK1〜STK6に流れる電流に基づいて、性能が低下する少なくとも一つの劣化スタックが存在するか否かを判断する。図3において、制御部204は、第1スタックSTK1および第5スタックSTK5を介して流れる電流の大きさが正常状態の電流の大きさより小さいか或いはスタック間の電流バラツキが発生したため、第1スタックSTK1および第5スタックSTK5を劣化スタックとして判断する。
制御部204は、第1正電圧スイッチPSW1および第1負電圧スイッチNSW1を制御して、劣化スタックである第1スタックSTK1をメイン電力調節部200から分離し、第5正電圧スイッチPSW5および第5負電圧スイッチNSW5を制御して、劣化スタックである第5スタックSTK5をメイン電力調節部200から分離することにより、劣化スタックたる第1スタックSTK1および第5スタックSTK5の性能低下が正常スタックたる第2〜第4スタックSTK2〜STK4および第6スタックSTK6に伝播されることを防止する。
また、制御部204は、適切な制御信号PC5を第5正電圧スイッチPSW5に印加して第5正電圧スイッチPSW5の共通端子P5_0を第3端子P5_3に電気的に接続する。また、制御部204は、適切な制御信号NC5を第5負電圧スイッチNSW5に印加して第5負電圧スイッチNSW5の共通端子N5_0を第3端子N5_3に電気的に接続する。
前述のようにスタックの出力の接続対象を変更すると、メイン電力調節部200は、配列に接続された正常スタックたる第2〜第4スタックSTK2〜STK4および第6スタックSTK6から正常的に電力の提供を受けることができ、サブ電力調節部202は、直列に接続された劣化スタックたる第1スタックSTK1および第5スタックSTK5から電力の提供を受けることができる。
また、直列に接続された劣化スタックたる第1スタックSTK1および第5スタックSTK5の出力は、電圧を考慮してサブ電力調節部202を介してサブ負荷214のように部分負荷を動作させることに用いられる。劣化した第1スタックSTK1および第5スタックSTK5は、直列に接続されて一定の負荷電流で動作し、互いに性能低下による影響は受けないので、劣化の速度を最大限遅らせることができる。
図4は劣化スタックおよび動作不可能なスタックが存在する場合の動作を示すもので、制御部204は、第1〜第6分流器R1〜R6を介して得られる第1スタック〜第6スタックSTK1〜STK6に流れる電流に基づいて、性能が低下する少なくとも一つの劣化スタックまたは動作不可能なスタックが存在するか否かを判断する。図4において、制御部204は、第1スタックSTK1および第4スタックSTK4を介して流れる電流の大きさが正常状態の電流の大きさより小さいか或いはスタック間の電流バラツキが発生したため、第1スタックSTK1および第4スタックSTK4を劣化スタックとして判断する。また、第5スタックSTK5を介して流れる電流の大きさが所定の大きさ未満であるため、第5スタックSTK5を動作不可能なスタックとして判断する。
これにより、劣化スタックたる第1スタックSTK1および第4スタックSTK4は、メイン電力調節部200から分離されるため、劣化スタックたる第1スタックSTK1および第4スタックSTK4の性能低下が正常スタックたる第2、第3および第6スタックSTK2、STK3およびSTK6へ伝播されることを防止することができる。
前記動作を詳細に説明すると、制御部204は、適切な制御信号DC1およびDC4をそれぞれ第1および第4劣化スタック接続スイッチDSW1およびDSW4に印加して第1および第4劣化スタック接続スイッチDSW1およびDSW4それぞれの共通端子D1_0およびD4_0を第1端子D1_1およびD4_1に電気的に接続する。
また、制御部204は、適切な制御信号DC6を第6劣化スタック接続スイッチDSW6に印加して第6劣化スタック接続スイッチDSW6の共通端子D6_0を第2端子D6_2に電気的に接続する。
上述のようにスタックの出力の接続対象を変更すると、メイン電力調節部200は、並列に接続された正常スタックたる第2スタックSTK2、第3スタックSTK3および第6スタックSTK6から正常的に電力の提供を受けることができ、サブ電力調節部202は、直列に接続された劣化スタックたる第1スタックSTK1および第4スタックSTK4から電力の提供を受けることができる。
また、並列に接続された正常スタックたる第2スタックSTK2、第3スタックSTK3および第6スタックSTK6の出力は、メイン電力調節部200を介してメイン負荷212を動作させることに用いられる。
図5は本発明の一実施例に係るサブ電力調節部を用いた燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
図5を参照すると、段階S500で、制御部204は、第1スタック〜第6スタックSTK1〜STK6の状態を感知し、すなわち、第1スタック〜第6スタックSTK1〜STK6の状態情報から、少なくとも一つの劣化スタックまたは動作不可能なスタックが存在するか否かを判断する。
段階S500で少なくとも一つの劣化スタックが存在すると判断する場合、段階S502で、制御部204はスイッチング部206、208、210を制御して少なくとも一つの劣化スタックをメイン電力調節部200から分離し、少なくとも一つの劣化スタックをサブ電力調節部202に直列に接続する。
段階S500で少なくとも一つの動作不可能なスタックが存在すると判断する場合、段階S504で、制御部204は、スイッチング部206、208、210を制御して少なくとも一つの動作不可能なスタックをメイン電力調節部200およびサブ電力調節部202から分離して孤立させる。
本発明の単純な変形又は変更はいずれも本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は添付された特許請求の範囲によって明確になるであろう。
202 サブ電力調節部
204 制御部
206 正電圧スイッチング部
208 負電圧スイッチング部
210 劣化スタック接続スイッチング部
212 メイン負荷
214 サブ負荷
PSW1〜PSW6 第1〜第6正電圧スイッチ
NSW1〜NSW6 第1〜第6負電圧スイッチ
DSW1〜DSW6 第1〜第6劣化スタック接続スイッチ
STK1〜STK6 第1〜第6スタック
R1〜R6 第1〜第6分流器
Claims (14)
- 並列に接続された複数の燃料電池スタックと、
前記複数の燃料電池スタックのうち正常スタックの出力をメイン負荷に供給するメイン電力調節部と、
前記複数の燃料電池スタックのうち一つ以上の劣化スタックの出力をサブ負荷に供給するサブ電力調節部と、
前記それぞれの燃料電池スタックの出力の接続対象を変更するスイッチング部と、
前記複数の燃料電池スタックの状態を感知するスタック状態感知部と、
前記スタック状態感知部から伝達された燃料電池スタックの状態に基づいて、少なくとも一つの劣化スタックが感知された場合、前記少なくとも一つの劣化スタックの出力を前記メイン電力調節部から分離し且つ前記サブ電力調節部に接続するように前記スイッチング部を制御するが、前記劣化スタックが複数の場合には、当該複数の劣化スタックを互いに直列に再接続して前記サブ電力調節部に接続するように前記スイッチング部を制御する制御部とを含んでなることを特徴とする、燃料電池システムの制御装置。 - 前記制御部は、前記伝達された燃料電池スタックの状態情報から少なくとも一つの動作不可能なスタックが感知された場合、前記少なくとも一つの動作不可能なスタックの出力を前記メイン電力調節部から分離することを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池システムの制御装置。
- 前記メイン電力調節部に出力を提供する正常スタックは前記少なくとも一つの劣化スタックを除いて直列、並列または直並列に再構成されて接続されることを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池システムの制御装置。
- 前記スイッチング部は、前記それぞれのスタックの正電圧の供給対象をスイッチングするための正電圧スイッチング部と、前記それぞれのスタックの負電圧の供給対象をスイッチングするための負電圧スイッチング部と、前記劣化スタックが複数の場合には、当該複数の劣化スタックを直列に接続して前記サブ電力調節部に前記劣化スタックの出力を提供するための劣化スタック接続スイッチング部とを含むことを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池システムの制御装置。
- nを2以上の整数とするとき、前記複数のスタックはn個のスタックを含み、前記スタック状態感知部はn個の分流器を含み、第1〜第n分流器の一端はそれぞれ第1〜第nスタックの正極に接続され、
前記正電圧スイッチング部は第1〜第n正電圧スイッチを含み、前記負電圧スイッチング部は第1〜第n負電圧スイッチを含み、前記劣化スタック接続スイッチング部は第1〜第n劣化スタック接続スイッチを含み、
前記第1〜第n正電圧スイッチはそれぞれ共通端子および第1〜第3端子を含み、前記第1〜第n負電圧スイッチはそれぞれ共通端子および第1〜第3端子を含み、前記第1〜第(n−1)劣化スタック接続スイッチは共通端子および第1〜第3端子を含み、前記第n劣化スタック接続スイッチは共通端子、第1端子および第2端子を含み、
前記第1〜第n正電圧スイッチ、前記第1〜第n負電圧スイッチおよび前記第1〜第(n−1)劣化スタック接続スイッチは前記制御部の制御信号に基づいて共通端子を第1端子〜第3端子のいずれか一つに接続し、前記第n劣化スタック接続スイッチは前記制御部の制御信号に基づいて共通端子を第1端子または第2端子に接続することを特徴とする、請求項4に記載の燃料電池システムの制御装置。 - 前記第1〜第n正電圧スイッチの共通端子はそれぞれ第1〜第n分流器の他端に接続され、前記第1〜第n正電圧スイッチの第1端子は前記メイン電力調節部の正電圧入力端子に接続され、前記第1〜第n正電圧スイッチの第2端子は開放されており、
前記第1〜第n負電圧スイッチの共通端子はそれぞれ第1〜第nスタックの負極に接続され、前記第1〜第n負電圧スイッチの第1端子は前記メイン電力調節部の負電圧入力端子に接続され、前記第1〜第n負電圧スイッチの第2端子は開放されており、
前記第1〜第(n−1)劣化スタック接続スイッチの共通端子はそれぞれ第2〜第n正電圧スイッチの第3端子に接続され、前記第1〜第n劣化スタック接続スイッチの第1端子はそれぞれ第1〜第n負電圧スイッチの第3端子に接続され、前記第2〜第n劣化スタック接続スイッチの第2端子はそれぞれ前記第1〜第(n−1)劣化スタック接続スイッチの共通端子に接続され、前記第1〜第(n−1)劣化スタック接続スイッチの第3端子および前記第n劣化スタック接続スイッチの共通端子は前記サブ電力調節部の負電圧入力端子に接続され、前記第1劣化スタック接続スイッチの第2端子と前記第1正電圧スイッチの第3端子は前記サブ電力調節部の正電圧入力端子に接続されることを特徴とする、請求項5に記載の燃料電池システムの制御装置。 - 前記複数の燃料電池スタックは(n1×1)、(n1×n2)または(n1×n2×n3)のアレイで配列され、前記n1、n2およびn3は2以上の整数である、請求項1に記載の燃料電池システムの制御装置。
- 前記スタックアレイのスタックは直列、並列、または直並列に接続されることを特徴とする、請求項7に記載の燃料電池システムの制御装置。
- 前記複数の燃料電池スタックは、複数の燃料電池スタックモジュールから構成され、前記複数の燃料電池スタックモジュールのそれぞれは所定数の燃料電池スタックを含み、
前記制御部は、前記燃料電池スタックモジュールの状態を感知して少なくとも一つの劣化スタックモジュールが存在する場合、前記少なくとも一つの劣化スタックモジュールを前記メイン電力調節部から分離することを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池システムの制御装置。 - 前記制御部は、前記少なくとも一つの劣化スタックモジュールの出力を前記サブ電力調節部に接続することを特徴とする、請求項9に記載の燃料電池システムの制御装置。
- 燃料電池システムの制御方法において、
制御部が、並列に接続された燃料電池スタックの状態情報から、少なくとも一つの劣化スタックまたは動作不可能なスタックが存在するか否かを判断する段階と、
前記制御部が、少なくとも一つの劣化スタックまたは動作不可能なスタックが存在すると判断する場合、スイッチング部を制御して前記少なくとも一つの劣化スタックまたは動作不可能なスタックの出力をメイン電力調節部から分離する段階と、
前記制御部が、前記少なくとも一つの劣化スタックの出力をサブ電力調節部に接続するように前記スイッチング部を制御するが、前記劣化スタックが複数の場合には、当該複数の劣化スタックを互いに直列に接続して前記サブ電力調節部に接続するように前記スイッチング部を制御する段階とを含んでなることを特徴とする、燃料電池システムの制御方法。 - 前記メイン電力調節部に出力を提供する正常スタックは、前記少なくとも一つの劣化スタックを除いて直列、並列または直並列に再構成されて接続されることを特徴とする、請求項11に記載の燃料電池システムの制御方法。
- 前記スイッチング部は、
前記それぞれのスタックの正電圧の供給対象をスイッチングするための正電圧スイッチング部と、
前記それぞれのスタックの負電圧の供給対象をスイッチングするための負電圧スイッチング部と、
前記劣化スタックが複数の場合には、当該複数の劣化スタックを直列に接続して前記サブ電力調節部に前記劣化スタックの出力を提供するための劣化スタック接続スイッチング部とを含むことを特徴とする、請求項11に記載の燃料電池システムの制御方法。 - 前記複数の燃料電池スタックは、複数の燃料電池スタックモジュールから構成され、前記複数の燃料電池スタックモジュールのそれぞれは所定数の燃料電池スタックを含み、
前記制御部は、前記燃料電池スタックモジュールの状態を感知して少なくとも一つの劣化スタックモジュールが存在する場合、前記少なくとも一つの劣化スタックモジュールを前記メイン電力調節部から分離し、
前記少なくとも一つの劣化スタックモジュールの出力を前記サブ電力調節部に接続するが、前記劣化スタックモジュールが複数の場合には、当該複数の劣化スタックモジュールを互いに直列に接続して前記サブ電力調節部に接続するように前記スイッチング部を制御することを特徴とする、請求項11に記載の燃料電池システムの制御方法。
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