JP6470912B2 - 燃料電池システム制御装置及び制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池システムに係り、より詳しくは多数の燃料電池を含む燃料電池システム制御装置及び制御方法に関するものである。
数十キロワット（ＫＷ）ないし数メガワット（ＭＷ）の中大型発電用固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）システムは多くの小容量燃料電池スタックを連結して大容量を持たせる。燃料電池スタックとは、所望の電気出力を得るために、数十ないし数百枚の単位燃料電池が積層して連結した構造を意味する。
燃料電池スタック連結の際、電気的に直列連結のみを構成する場合、一つのスタックでも問題が発生してシャットダウン（ｓｈｕｔｄｏｗｎ）すれば、電気的な連結が切られて全ての燃料電池システムがシャットダウンする欠点を持っている。それで、一般に、スタック間に電気的に直列及び並列連結を混合して燃料電池システムを構成する。
しかし、スタックを並列で連結する場合、連結されている多くのスタックの中で一部のスタックで劣化が発生すれば、その影響が他の正常スタックに伝播して、全ての燃料電池システムの耐久性低下を加速化するのみならず、容量も減少して寿命が短縮される。
図１ａは燃料電池スタックを並列で連結する場合、スタック間の劣化伝播影響を説明する図、図１ｂは燃料電池スタックを並列で連結する場合、スタック間の劣化伝播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。
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において、一つのスタックが劣化すれば（［２］一つ劣化）、劣化したスタックの内部抵抗が増加し、正常スタックへの電流偏り現象が発生する。すなわち、並列で連結されたスタックの中でより早く劣化したスタックは内部抵抗の増加によって電流が少なく流れ、他の正常スタックには正常運転時の電流より高い電流が流れるようになる。すなわち、正常スタックに電流が偏って電流不均衡をもたらすようになる。劣化スタックに流れる電流は減るが、正常スタックに電流が偏って劣化が伝播する（［３］１次伝播）。
また、劣化したスタックは発熱反応が減少し温度が低下して抵抗がもっと高くなり、また正常スタックへの電流偏り現象がもっとひどくなって正常スタックへの劣化伝播影響がより大きくなるため、劣化スタックと正常スタックにおいて共に劣化が加速化する（［４］２次伝播）。
図１ｃは、燃料電池システムにおいて、スタックの劣化加速の際、劣化したスタックの劣化が他の正常スタックに伝播されることを示す図、図１ｄは、燃料電池システムにおいて、スタックの劣化加速の際、劣化スタックを含む燃料電池システムと正常な燃料電池システムの寿命を比較したグラフである。
図１ｃ及び図１ｄを参照すれば、燃料電池システム内に連結された多くのスタックの中で一部スタックに劣化が発生して劣化が加速化する場合、劣化したスタックの劣化が他の正常スタックにも伝播して全ての燃料電池システムの耐久性及び容量が減少して寿命が短縮される。
劣化したスタックが他の正常スタックに影響を与えないようにする最も易しい方法は、燃料電池システム内の全スタックの電流及び電圧などを独立的に制御することである。しかし、全スタックの電流及び電圧などを独立的に制御するためには、システムの構成が複雑となるだけでなく、費用増加も避けることができなくなる。特に、中大型発電用ＳＯＦＣシステムは多数のスタックから構成されるため、それぞれのスタックに電力調節システム（ＰＣＳ：Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を一つずつ構成することはとても商用化し難い問題点がある。
下記の先行技術文献に開示された特許文献１は、バイパス回路を備えた燃料電池システム及びその駆動方法に関するものである。特許文献１の図２を参照すれば、特許文献１の発明は、バイパス回路３００及びスイッチング回路２５０〜２５４）を含み、不良スタックが発生する場合、スイッチング回路を使って不良スタックをバイパスさせることで、不良スタックが他の正常スタックに影響を与えないようにする。
しかし、特許文献１の発明は不良スタックをバイパスさせることのみを開示しているだけ、劣化スタックを再配列して使うことを全然開示していない。
したがって、多数の電力調節システム（ＰＣＳ）を使わず、安価の電気スイッチを用い、動作中に早くて易しくスタックを直列、並列または直並列で連結してスタック間の性能低下による伝播を防止することにより、全ての燃料電池システムの耐久性を向上させ、容量低下を防止し、寿命短縮を最小化し、劣化したスタックを再配列して使うことにより、燃料電池スタックを効率よく使うことができる燃料電池システムの制御装置及び制御方法が要求される。
韓国公開特許第１０−２０１２−００１７５９６号公報
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、多数の電力調節システム（ＰＣＳ）を使わず、安価の電気スイッチを用い、動作中に早くて易しくスタックを直列、並列または直並列で連結してスタック間の性能低下による伝播を防止することにより、全ての燃料電池システムの耐久性を向上させ、容量低下を防止し、寿命短縮を最小化し、劣化したスタックと正常スタックを再配列して使うことにより、燃料電池スタックを効率よく使うことができる燃料電池システム制御装置を提供することである。
本発明が解決しようとする他の課題は、多数の電力調節システム（ＰＣＳ）を使わず、安価の電気スイッチを用い、動作中に早くて易しくスタックを直列、並列または直並列で連結してスタック間の性能低下による伝播を防止することにより、全ての燃料電池システムの耐久性を向上させ、容量低下を防止し、寿命短縮を最小化し、劣化したスタックと正常スタックを再配列して使うことにより、燃料電池スタックを効率よく使うことができる燃料電池システムの制御方法を提供することである。
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システム制御装置は、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；前記複数の燃料電池スタックの中で少なくとも一部を直列または並列で連結するスイッチング部；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いて少なくとも一つの劣化スタックを感知し、前記スイッチング部の動作を制御して、感知された少なくとも一つの劣化スタックを含む少なくとも一つの劣化スタック部を形成する制御部を含む。
本発明の実施例による燃料電池システム制御装置において、前記制御部は、前記スイッチング部の動作を制御して、前記少なくとも一つの劣化スタック部を他の劣化スタック部または少なくとも一つの正常スタックと直列、並列または直並列で連結することができる。
本発明の実施例による燃料電池システム制御装置において、前記制御部は、前記スイッチング部の動作を制御して、前記感知された少なくとも一つの劣化スタックを含む少なくとも一つの劣化スタック部のそれぞれを他の劣化スタック部または少なくとも一つの正常スタックと直列で連結することができる。
本発明の実施例による燃料電池システム制御装置において、前記少なくとも一つの劣化スタック部のそれぞれは、少なくとも一つの劣化スタック及びｍ個以上の正常スタックを含み、前記ｍは０以上の整数であることができる。
本発明の実施例による燃料電池システム制御装置において、前記複数の燃料電池スタックは（２以上の整数（行）×１（列））、（２以上の整数（行）×２以上の整数（列））、または（２以上の整数（行）×２以上の整数（列）×２以上の整数（層））のアレイに配列されることができる。
本発明の実施例による燃料電池システム制御装置において、前記制御部は、前記スイッチング部の動作を制御し、前記アレイのスタックを直列、並列または直並列で連結して、前記スタックの出力を電力調節システム（ＰＣＳ）に供給することができる。
本発明の実施例による燃料電池システム制御装置において、前記制御部は、前記第１〜第ｎスタック状態感知部によって感知されたスタック状態に基づいて少なくとも一つの動作不可能なスタックが感知される場合、前記スイッチング部の動作を制御して、前記少なくとも一つの動作不可能なスタックを電気的に前記燃料電池システムから分離することができる。
本発明の実施例による燃料電池システム制御装置において、前記スタック状態感知部は、前記スタックの電流または電圧を感知して前記制御部に伝達し、前記制御部は、前記スタック状態感知部で感知された電流または電圧に基づいて劣化スタックを感知することができる。
本発明の実施例による燃料電池システム制御装置において、前記スイッチング部は、前記制御部の制御信号によって前記スタックの負極を選択的に前記電力調節システムの負電圧入力端子に連結するための負極連結スイッチング部；前記制御部の制御信号によって前記スタックの中で隣り合うスタックの負極を互いに連結するとか、隣り合うスタックを直列で連結するための直並列連結スイッチング部；前記制御部の制御信号によって前記スタックの中で隣り合うスタックの正極を互いに連結するための並列連結スイッチング部；及び前記制御部の制御信号によって前記スタックの正極を選択的に前記電力調節システムの正電圧入力端子に連結するための正極連結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システム制御装置において、ｎを２以上の整数であるとするとき、前記複数のスタックは第１〜第ｎスタックを含み、前記スタック状態感知部は第１〜第ｎスタック状態感知部を含み、前記第１〜第ｎスタック状態感知部の一端はそれぞれ前記第１〜第ｎスタックの正極に連結され、前記負極連結スイッチング部は第１〜第ｎ負極連結スイッチを含み、前記直並列連結スイッチング部は第１〜第（ｎ−１）直並列連結スイッチを含み、前記並列連結スイッチング部は第１〜第（ｎ−１）並列連結スイッチを含み、前記正極連結スイッチング部は第１〜第ｎ正極連結スイッチを含み、前記第１〜第（ｎ−１）直並列連結スイッチは、それぞれ共通端子及び第１〜第３端子を含み、前記第１〜第ｎ負極連結スイッチ、前記第１〜第（ｎ−１）並列連結スイッチ及び前記第１〜第ｎ正極連結スイッチはそれぞれ一端及び他端を含み、前記制御部の制御信号によって一端が他端に電気的に連結されるとか連結解除され、前記第１〜第（ｎ−１）直並列連結スイッチはそれぞれ前記制御部の制御信号によって、共通端子を第１端子〜第３端子の中で一つの端子に連結することができる。
本発明の実施例による燃料電池システム制御装置において、前記第１〜第ｎ負極連結スイッチの一端はそれぞれ前記電力調節システムの負電圧入力端子に連結され、前記第１〜第ｎ負極連結スイッチの他端はそれぞれ前記第１〜第ｎスタックの負極に連結され、前記第１〜第（ｎ−１）直並列連結スイッチの共通端子はそれぞれ前記第１〜第（ｎ−１）スタックの負極に連結され、前記第１〜第（ｎ−１）直並列連結スイッチの第１端子はそれぞれ前記第２〜第ｎスタック状態感知部の他端に連結され、前記第１〜第（ｎ−１）直並列連結スイッチの第２端子はそれぞれ前記第２〜第ｎスタックの負極に連結され、前記第１〜第（ｎ−１）直並列連結スイッチの第３端子は開放されており、前記第１〜第（ｎ−１）並列連結スイッチの一端はそれぞれ前記第１〜第（ｎ−１）スタック状態感知部の他端に連結され、前記第１〜第（ｎ−１）並列連結スイッチの他端はそれぞれ前記第２〜第ｎスタック状態感知部の他端に連結され、前記第１〜第ｎ正極連結スイッチの一端はそれぞれ前記第１〜第ｎスタック状態感知部の他端に連結され、前記第１〜第ｎ正極連結スイッチの他端はそれぞれ前記電力調節システムの正電圧入力端子に連結されることができる。
本発明の一実施例による燃料電池システム制御装置は、所定数の燃料電池スタックからなる燃料電池スタックモジュールを複数含む燃料電池システムの制御装置において、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；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直列または並列で連結するスイッチング部；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いて少なくとも一つの劣化スタックモジュールを感知し、前記スイッチング部の動作を制御して、感知された少なくとも一つの劣化スタックモジュールを含む少なくとも一つの劣化スタックモジュール部を形成する制御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システム制御装置において、前記制御部は、前記スイッチング部の動作を制御して、前記少なくとも一つの劣化スタックモジュール部を他の劣化スタックモジュール部または少なくとも一つの正常スタックモジュールと直列、並列または直並列で連結することができる。
本発明の一実施例による燃料電池システム制御装置において、前記制御部は、前記スイッチング部の動作を制御して、前記感知された少なくとも一つの劣化スタックモジュールを含む少なくとも一つの劣化スタックモジュール部のそれぞれを他の劣化スタックモジュール部または少なくとも一つの正常スタックモジュールと直列で連結することができる。
本発明の一実施例による燃料電池システム制御装置において、前記少なくとも一つの劣化スタックモジュール部のそれぞれは、少なくとも一つの劣化スタックモジュール部及びｍ個以上の正常スタックモジュールを含み、前記ｍは０以上の整数であることができる。
本発明の一実施例による燃料電池システム制御方法は、複数の燃料電池スタックが直列または並列で電気的に連結された燃料電池システムの制御方法において、制御部が前記燃料電池スタックの状態を感知して少なくとも一つの劣化スタックが存在するかどうかを判断する段階；及び前記制御部が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、スイッチング動作を制御して、前記少なくとも一つの劣化スタックを含む少なくとも一つの劣化スタック部を形成する段階を含む。
本発明の一実施例による燃料電池システム制御方法は、前記制御部が前記スイッチング部の動作を制御して、前記少なくとも一つの劣化スタック部を他の劣化スタック部または少なくとも一つの正常スタックと直列、並列または直並列で連結する段階をさらに含むことができる。
本発明の一実施例による燃料電池システム制御方法において、前記制御部は前記スイッチング部の動作を制御して、前記少なくとも一つの劣化スタック部のそれぞれを他の劣化スタック部または少なくとも一つの正常スタックと直列で連結することができる。
本発明の一実施例による燃料電池システム制御方法において、前記少なくとも一つの劣化スタック部のそれぞれは、少なくとも一つの劣化スタック及びｍ個以上の正常スタックを含み、前記ｍは０以上の整数であることができる。
本発明の一実施例による燃料電池システム制御方法において、前記複数の燃料電池スタックは（２以上の整数（行）×１（列））、（２以上の整数（行）×２以上の整数（列））、または（２以上の整数（行）×２以上の整数（列）×２以上の整数（層））のアレイに配列されることができる。
本発明の一実施例による燃料電池システム制御方法において、前記制御部は、前記スイッチング部の動作を制御して前記アレイのスタックを直列、並列または直並列で連結し、前記スタックの出力を電力調節システム（ＰＣＳ）に供給することができる。
本発明の一実施例による燃料電池システム制御方法において、前記制御部は、前記燃料電池スタックの状態を感知して少なくとも一つの動作不可能なスタックが存在するかどうかを判断し、少なくとも一つの動作不可能なスタックが存在する場合、前記スイッチング部の動作を制御して前記少なくとも一つの動作不可能なスタックを電気的に前記燃料電池システムから分離することができる。
本発明の一実施例による燃料電池システム制御方法において、スタック状態感知部は、前記スタックの電流または電圧を感知して前記制御部に伝達し、前記制御部は、前記スタック状態感知部で感知された電流または電圧に基づいて劣化スタック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より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、多数の電力調節システム（ＰＣＳ）を使わず、安価の電気スイッチを用い、動作中に早くて易しくスタックを直列、並列または直並列で連結してスタック間の性能低下による伝播を防止することにより、全ての燃料電池システムの耐久性を向上させ、容量低下を防止し、寿命短縮を最小化し、劣化したスタックと正常スタックを再配列して使うことにより、燃料電池スタックを効率よく使うことができる。
燃料電池スタックを並列で連結する場合、スタック間の劣化伝播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、スタック間の劣化伝播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。 燃料電池システムにおいてスタック劣化加速の際、劣化が他の正常スタックに伝播されることを示す図である。 燃料電池システムにおいてスタック劣化加速の際、正常システムと寿命を比較したグラフである。 正常スタックのみ場合、本発明の第１実施例による燃料電池システム制御装置の動作ブロック図である。 図２ａの燃料電池システムの燃料電池スタックの電気的構成を示すブロック図である。 劣化スタックが存在する場合、本発明の第２実施例による燃料電池システム制御装置の第１動作ブロック図である。 図３ａの燃料電池システムの燃料電池スタックの電気的構成を示すブロック図である。 劣化スタックが存在する場合、本発明の第３実施例による燃料電池システム制御装置の第２動作ブロック図である。 図４ａの燃料電池システムの燃料電池スタックの電気的構成を示すブロック図である。 動作不可能なスタックが存在する場合、本発明の第４実施例による燃料電池システム制御装置の第３動作ブロック図である。 図５ａの燃料電池システムの燃料電池スタックの電気的構成を示すブロック図である。 本発明の実施例による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。
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”などの用語は一つ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２ａは正常スタックのみがある場合、本発明の第１実施例による燃料電池システム制御装置の動作ブロック図、図２ｂは図２ａの燃料電池システムの燃料電池スタックの電気的構成を示すブロック図である。
図２ａに示した本発明の第１実施例による燃料電池システム制御装置は、第１〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４のそれぞれの状態を感知する第１〜第４スタック状態感知部Ｓ１〜Ｓ４、前記第１〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の中で少なくとも一部を直列または並列で連結するスイッチング部２００、２０２、２０４、２０６及び前記第１〜第４スタック状態感知部Ｓ１〜Ｓ４によって感知された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を感知し、前記スイッチング部２００、２０２、２０４、２０６の動作を制御し、感知された少なくとも一つの劣化スタックを含む劣化スタック部（図３ｂに図示）を形成して少なくとも一つの正常スタックと直列で連結する制御部２１２を含む。
前記劣化スタック部は、少なくとも一つの劣化スタック及びｍ個以上の正常スタックを含み、前記ｍは０以上の整数である。
前記劣化スタック部は感知された少なくとも一つの劣化スタックを０個以上の所定数の正常スタックと直列または並列で連結した構成を意味する。すなわち、劣化スタック部は一つ以上の劣化スタックのみを含むとか、一つ以上の劣化スタック及び一つ以上の正常スタックを含むことができる。
本発明においては、劣化スタックが存在する場合、制御部２１２が感知された少なくとも一つの劣化スタックを０個以上の正常スタックと直列または並列で連結して少なくとも一つの劣化スタック部を形成し、形成された少なくとも一つの劣化スタック部を他の劣化スタック部または他の正常スタックと直列、並列または直並列で連結する。
劣化スタック部を正常スタックと直列で連結すれば、正常スタックへの電流偏りが発生しないので、劣化スタックによって他の正常スタックに劣化が伝播されることを防止することができる。また、劣化スタックを０個以上の正常スタックと直列または並列で連結して劣化スタック部を形成すれば、劣化スタックと並列で連結された所定数の正常スタックは電流偏りによって劣化が進むが、残りの正常スタックは劣化スタックの影響を受けないので、劣化スタックによる燃料電池システムの性能低下は小さい。
また、本発明は、劣化スタックを燃料電池システムから電気的に分離するものではなく、劣化スタックを０個以上の正常スタックと直列または並列で連結して劣化スタック部を形成し、劣化スタックと正常スタックを再配列して使うので、劣化スタックが動作不可能な状態となるまで劣化スタックを使うことが可能である。よって、全ての燃料電池システムの耐久性を向上させることができ、寿命短縮を防止することができ、燃料電池システムを効率よく使うことができる。
図２ａは正常スタックのみ存在する場合の本発明の第１実施例による燃料電池システム制御装置の動作ブロックで、劣化スタックが存在しないので劣化スタック部も存在しない。
前述した劣化スタック部についての説明は図３ａ及び図５ｂを参照して後に説明する。
前記制御部２１２は、前記スイッチング部２００、２０２、２０４、２０６の動作を制御し、直列、並列または直並列で連結されたスタックの出力を電力調節システム２０８（ＰＣＳ：Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）に供給する。電力調節システム２０８は、入力される直流電力を交流に変換し、電力を調節して負荷２１０に出力する。
前記第１〜第４スタック状態感知部Ｓ１〜Ｓ４は、第１〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の電流または電圧を感知して状態感知信号ＣＳ１〜ＣＳ４を出力し、前記制御部２１２は、前記状態感知信号ＣＳ１〜ＣＳ４に基づいて劣化スタックを感知する。
前記第１〜第４スタック状態感知部Ｓ１〜Ｓ４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ができ、前記制御部２１２は、前記第１〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の電流または電圧に基づいて劣化スタックを感知することができる。
前記スイッチング部２００、２０２、２０４、２０６は、前記制御部２１２の制御信号（ＮＣ１〜ＮＣ４）によって前記第１〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の負極を選択的に前記電力調節システム２０８の負電圧入力端子ＮＩに連結するための負極連結スイッチング部２００、前記制御部２１２の制御信号（ＳＰＣ１、ＳＰＣ２、ＳＰＣ３）によって前記第１〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の中で隣り合うスタックの負極を互いに連結するとか、隣り合うスタックを直列で連結するための直並列連結スイッチング部２０２、前記制御部２１２の制御信号（ＩＰＣ１、ＩＰＣ２、ＩＰＣ３）によって前記第１〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の中で隣り合うスタックの正極を互いに連結するための並列連結スイッチング部２０４、及び前記制御部２１２の制御信号（ＰＣ１〜ＰＣ４）によって前記第１〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の正極を選択的に前記電力調節システム２０８の正電圧入力端子ＰＩに連結するための正極連結スイッチング部２０６を含む。
前記第１〜第４スタック状態感知部Ｓ１〜Ｓ４の一端はそれぞれ前記第１〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の正極に連結され、前記負極連結スイッチング部２００は第１〜第４負極連結スイッチＮＰＳＷ１〜ＮＰＳＷ４を含み、前記直並列連結スイッチング部２０２は第１〜第３直並列連結スイッチＳＰＳＷ１、ＳＰＳＷ２、ＳＰＳＷ３を含み、前記並列連結スイッチング部２０４は第１〜第３並列連結スイッチＩＰＳＷ１、ＩＰＳＷ２、ＩＰＳＷ３を含み、前記正極連結スイッチング部２０６は第１〜第４正極連結スイッチＰＰＳＷ１〜ＰＰＳＷ４を含む。
前記第１〜第３直並列連結スイッチＳＰＳＷ１、ＳＰＳＷ２、ＳＰＳＷ３は、それぞれ共通端子Ｎ１＿０、Ｎ２＿０、Ｎ３＿０、第１端子Ｎ１＿１、Ｎ２＿１、Ｎ３＿１、第２端子Ｎ１＿２、Ｎ２＿２、Ｎ３＿２及び第３端子Ｎ１＿３、Ｎ２＿３、Ｎ３＿３を含む。
前記第１〜第４負極連結スイッチＮＰＳＷ１〜ＮＰＳＷ４、前記第１〜第３並列連結スイッチＩＰＳＷ１〜ＩＰＳＷ３及び第１〜第４正極連結スイッチＰＰＳＷ１〜ＰＰＳＷ４は、前記制御部２１２の制御信号（ＮＣ１〜ＮＣ４、ＩＰＣ１、ＩＰＣ２、ＩＰＣ３、ＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３）によって一端が他端に電気的に連結されるとか連結解除される。
前記第１〜第３直並列連結スイッチＳＰＳＷ１、ＳＰＳＷ２、ＳＰＳＷ３は、前記制御部２１２の制御信号（ＳＰＣ１、ＳＰＣ２、ＳＰＣ３）によって、共通端子Ｎ１＿０、Ｎ２＿０、Ｎ３＿０を第１端子Ｎ１＿１、Ｎ２＿１、Ｎ３＿１、第２端子Ｎ１＿２、Ｎ２＿２、Ｎ３＿２及び第３端子Ｎ１＿３、Ｎ２＿３、Ｎ３＿３の中で一つの端子に連結する。
前記第１〜第４負極連結スイッチＮＰＳＷ１〜ＮＰＳＷ４の一端は前記電力調節システム２０８の負電圧入力端子ＮＩに連結され、前記第１〜第４負極連結スイッチＮＰＳＷ１〜ＮＰＳＷ４の他端はそれぞれ前記第１〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の負極に連結される。
前記第１〜第３直並列連結スイッチＳＰＳＷ１、ＳＰＳＷ２、ＳＰＳＷ３の共通端子Ｎ１＿０、Ｎ２＿０、Ｎ３＿０はそれぞれ前記第１〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の負極に連結され、前記第１〜第３直並列連結スイッチＳＰＳＷ１、ＳＰＳＷ２、ＳＰＳＷ３の第１端子Ｎ１＿１、Ｎ２＿１、Ｎ３＿１はそれぞれ前記第２〜第４スタック状態感知部Ｓ２〜Ｓ４の他端に連結され、前記第１〜第３直並列連結スイッチＳＰＳＷ１、ＳＰＳＷ２、ＳＰＳＷ３の第２端子Ｎ１＿２、Ｎ２＿２、Ｎ３＿２はそれぞれ前記第２〜第４スタックＳＴＫ２〜ＳＴＫ４の負極に連結され、前記第１〜第３直並列連結スイッチＳＰＳＷ１、ＳＰＳＷ２、ＳＰＳＷ３の第３端子Ｎ１＿３、Ｎ２＿３、Ｎ３＿３は開放されている。前記で端子が開放されているとは端子が何の所にも連結されていないことを意味する。
前記第１〜第３並列連結スイッチＩＰＳＷ１、ＩＰＳＷ２、ＩＰＳＷ３の一端はそれぞれ前記第１〜第３スタック状態感知部Ｓ１〜Ｓ３の他端に連結され、前記第１〜第３並列連結スイッチＩＰＳＷ１、ＩＰＳＷ２、ＩＰＳＷ３の他端はそれぞれ前記第２〜第４スタック状態感知部Ｓ２〜Ｓ４の他端に連結される。
前記第１〜第４正極連結スイッチＰＰＳＷ１〜ＰＰＳＷ４の一端はそれぞれ前記第１〜第４スタック状態感知部Ｓ１〜Ｓ４の他端に連結され、前記第１〜第４正極連結スイッチＰＰＳＷ１〜ＰＰＳＷ４の他端は前記電力調節システム２０８の正電圧入力端子ＰＩに連結される。
本実施例において、前記燃料電池は固体酸化物燃料電池を含むことができるが、本発明はこれに限定されない。
前記第１〜第３直並列連結スイッチＳＰＳＷ１、ＳＰＳＷ２、ＳＰＳＷ３は制御信号（ＳＰＣ１、ＳＰＣ２、ＳＰＣ３）によって共通端子を第１端子〜第３端子の中で一つの端子に電気的に連結するＳＰＴＴ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｏｌｅ Ｔｒｉｐｌｅ Ｔｈｒｏｗ）スイッチであることができ、前記第１〜第４負極連結スイッチＮＰＳＷ１〜ＮＰＳＷ４、前記第１〜第３並列連結スイッチＩＰＳＷ１、ＩＰＳＷ２、ＩＰＳＷ３及び前記第１〜第４正極連結スイッチＰＰＳＷ１〜ＰＰＳＷ４は一端を他端に電気的に連結するＳＰＤＴ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｏｌｅ Ｄｏｕｂｌｅ Ｔｈｒｏｗ）スイッチであることができる。しかし、前記スイッチはこれに限定されなく、同一機能を果たす他の構成要素を含むことができる。
図２ａに示した本発明の第１実施例による燃料電池システム制御装置は第１〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の４個のスタックの電気的な連結を制御するが、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スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫｎのｎ個のスタックの電気的な連結を制御することができる（図示せず）。この場合、図２ａに示したスイッチング部２００、２０２、２０４、２０６の構成は第１〜第ｎスタックＳＴＫ１〜ＳＴＫｎの電気的構成連結を変更するようにさらに拡張できる。
また、図２ａに示した本発明の第１実施例による燃料電池システム制御装置は、（２以上の整数（行）×１（列））個のスタック、（２以上の整数（行）×２以上の整数（列））個のスタックまたは（２以上の整数（行）×２以上の整数（列）×２以上の整数（層））個のスタックを備えるスタックアレイのスタックを含むことができ、直列、並列または直並列で連結されているスタックアレイのスタックの電気的構成連結を変更することができる（図示せず）。この場合、図２ａに示したスイッチング部２００、２０２、２０４、２０６の構成は直列、並列または直並列で連結されている（２以上の整数（行）×１（列））個のスタック、（２以上の整数（行）×２以上の整数（列））個のスタックまたは（２以上の整数（行）×２以上の整数（列）×２以上の整数（層））個のスタックの電気的構成連結を変更するようにさらに拡張できる。
また、図２ａにおいては、制御部２１２及びスイッチング部２００、２０２、２０４、２０６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、所定数の燃料電池スタックから燃料電池スタックモジュールを構成し、複数の燃料電池スタックから複数の燃料電池スタックモジュールを構成して、制御部２１２及びスイッチング部２００、２０２、２０４、２０６によって複数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、所定数の燃料電池スタックからなる燃料電池スタックモジュールを複数含む燃料電池システムにおいて、制御部２１２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いて少なくとも一つの劣化スタックモジュールを感知し、スイッチング部（図示せず）の動作を制御し、感知された少なくとも一つの劣化スタックモジュールを含む劣化スタックモジュール部（図示せず）を形成し、他の劣化スタックモジュール部または少なくとも一つの正常スタックモジュールと直列、並列または直並列で連結することができる。
このように構成された本発明の第１実施例による燃料電池システム制御装置の動作を以下に説明する。
第１実施例：正常スタックのみある場合の動作
図２ａは劣化スタックが存在しないで正常スタックのみある場合、本発明の第１実施例による燃料電池システム制御装置の動作ブロック図、図２ｂは図２ａの燃料電池システムの燃料電池スタックの電気的構成を示すブロック図である。
図２ａにおいて、制御部２１２は、第１〜第４スタック状態感知部Ｓ１〜Ｓ４によって獲得される第１スタック〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の状態を示す状態感知信号ＣＳ１〜ＣＳ４に基づいて性能が低下する劣化スタックが存在するかどうかを判断する。
前記状態感知信号ＣＳ１〜ＣＳ４は第１スタック〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の電圧または電流を含む信号であることができるが、本発明はこれに限定されない。
図２ａにおいては、劣化スタックが存在しなく、全てのスタックが正常に動作しているので、制御部２１２はスイッチング部２００、２０２、２０４、２０６に適切な制御信号（ＮＣ１〜ＮＣ４、ＳＰＣ１、ＳＰＣ２、ＳＰＣ３、ＩＰＣ１、ＩＰＣ２、ＩＰＣ３、ＰＣ１〜ＰＣ４）を出力して第１〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４を並列で連結し、電力調節システム２０８に第１〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の電力を供給する。
図２ｂは前記のように劣化スタックが存在しないで正常スタックのみ存在し、第１〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４が並列で連結される場合、スタックの電気的構成を示すブロック図で、並列で連結された第１〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の電力が電力調節システム２０８に供給されることを示す。
第２実施例：劣化スタックが存在する場合の第１動作
図３ａは劣化スタックが存在する場合、本発明の第２実施例による燃料電池システム制御装置の第１動作ブロック図、図３ｂは図３ａの燃料電池システムの燃料電池スタックの電気的構成を示すブロック図である。
図３ａにおいて、制御部２１２は第１〜第４スタック状態感知部Ｓ１〜Ｓ４によって獲得される第１〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の状態を示す状態感知信号ＣＳ１〜ＣＳ４に基づいて性能が低下する劣化スタックが存在するかどうかを判断する。
前記状態感知信号ＣＳ１〜ＣＳ４は第１〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の電圧または電流を含む信号であることができるが、本発明はこれに限定されない。
図３ａにおいては、第２スタックＳＴＫ２で劣化が発生したと仮定する。
したがって、劣化したスタックの第２スタックＳＴＫ２の電圧または電流は正常スタックの第１スタックＳＴＫ１、第３スタックＳＴＫ３及び第４スタックＳＴＫ４の電圧または電流とは異なる。
一般に、スタックが劣化すれば、スタックの性能が低下してスタックの電圧及び電流が正常状態の電圧及び電流より低くなる。よって、制御部２１２は、第１〜第４スタック状態感知部Ｓ１〜Ｓ４から出力される状態感知信号ＣＳ１〜ＣＳ４に含まれている電圧または電流を正常状態の電圧または電流と比較してスタックが劣化したかを判断する。
図３ａにおいては、第２スタックＳＴＫ２で劣化が発生したので、制御部２１２は状態感知信号（ＣＳ２）に含まれている電流または電圧が正常状態の電圧または電流より低いことを感知し、第２スタックＳＴＫ２で劣化が発生したと判断し、第２スタックＳＴＫ２を劣化スタックと判断する。
制御部２１２は、劣化スタックが発生する場合、図３ｂのようにスタックが連結されるようにスイッチング部２００、２０２、２０４、２０６の動作を制御する。
図３ａ及び図３ｂに示したように、制御部２１２は、スイッチング部２００、２０２、２０４、２０６の動作を制御し、劣化スタックの第２スタックＳＴＫ２を正常スタックの第１スタックＳＴＫ１と並列で連結して劣化スタック部３００を形成する。
また、制御部２１２は、図３ｂに示したように、正常スタックの第３スタックＳＴＫ３と第４スタックＳＴＫ４を並列で連結して正常スタック部３０２を形成した後、正常スタック部３０２を劣化スタック部３００と直列で連結する。
劣化スタック部３００を参照すれば、正常スタックの第１スタックＳＴＫ１は劣化スタックの第２スタックＳＴＫ２と並列で連結されているので、第１スタックＳＴＫ１で電流偏り現象が発生して第１スタックＳＴＫ１も劣化が進むことができる。しかし、正常スタック部３０２を構成する残りの正常スタックの第３スタックＳＴＫ３及び第４スタックＳＴＫ４は劣化スタックの第２スタックＳＴＫ２と直列で連結されるので、劣化した第２スタックＳＴＫ２の性能低下が正常スタックの第３スタックＳＴＫ３及び第４スタックＳＴＫ４に伝播されることを防止することができる。
前記のように劣化スタック部３００を正常スタック部３０２内の正常スタックＳＴＫ３、ＳＴＫ４と直列で連結すれば、正常スタックＳＴＫ３、ＳＴＫ４への電流偏りが発生しないので、劣化スタックＳＴＫ２によって他の正常スタックＳＴＫ３、ＳＴＫ４まで劣化が伝播されることを防止することができる。また、劣化スタックＳＴＫ２を正常スタックＳＴＫ１と並列で連結して劣化スタック部３００を形成すれば、劣化スタックＳＴＫ２と並列で連結された正常スタックＳＴＫ１は電流偏りによって劣化が多少進むが、残りの正常スタックＳＴＫ３、ＳＴＫ４は劣化スタックＳＴＫ２の影響を受けないので、劣化スタックＳＴＫ２による燃料電池システムの性能低下は小さい。
また、劣化スタックＳＴＫ２の場合、出力電圧及び電流が正常状態より低いとしても充分に使用可能であるので、図３ａ及び図３ｂに示したように、スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４を連結して劣化スタックＳＴＫ２の性能低下が他の正常スタックに伝播されることを防止すれば、劣化スタックＳＴＫ２を廃棄しなくても、前記のように劣化スタックを再配列して使うことができる。よって、全ての燃料電池システムの性能を低下させないで劣化スタックを使うことができ、全ての燃料電池システムの耐久性を向上させて寿命短縮を最小化することができる。
図３ａをまた参照して、制御部２１２がスイッチング部２００、２０２、２０４、２０６の動作を制御してスタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４を図３ｂのように連結する動作について詳細に説明する。
図３ａにおいて、第２スタックＳＴＫ２で劣化が発生したので、制御部２１２は状態感知信号（ＣＳ２）に含まれている電流または電圧が正常状態の電圧または電流より低いことを感知し、第２スタックＳＴＫ２で劣化が発生したと判断し、第２スタックＳＴＫ２を劣化スタックと判断する。
制御部２１２は、適切な制御信号（ＮＣ１、ＮＣ２及びＮＣ４）をそれぞれ第１、第２及び第４負極連結スイッチＮＰＳＷ１、ＮＰＳＷ２及びＮＰＳＷ４に印加して第１、第２及び第４負極連結スイッチＮＰＳＷ１、ＮＰＳＷ２及びＮＰＳＷ４をオフ状態となるようにする。すなわち、第１、第２及び第４負極連結スイッチＮＰＳＷ１、ＮＰＳＷ２及びＮＰＳＷ４の一端が他端と連結されないようにする。また、制御部２１２は適切な制御信号（ＮＣ３）を第３負極連結スイッチＮＰＳＷ３に印加して第３負極連結スイッチＮＰＳＷ３をオン状態となるようにする。すなわち、第３負極連結スイッチＮＰＳＷ３の一端が他端と連結されるようにする。
また、制御部２１２は、適切な制御信号（ＳＰＣ１）を第１直並列連結スイッチＳＰＳＷ１に印加して共通端子Ｎ１＿０が第２端子Ｎ１＿２に連結されるようにし、適切な制御信号（ＳＰＣ２）を第２直並列連結スイッチＳＰＳＷ２に印加して共通端子Ｎ２＿０が第１端子Ｎ２＿１に連結されるようにし、適切な制御信号（ＳＰＣ３）を第３直並列連結スイッチＳＰＳＷ３に印加して共通端子Ｎ３＿０が第２端子Ｎ３＿２に連結されるようにする。
また、制御部２１２は、適切な制御信号（ＩＰＣ１）を第１並列連結スイッチＩＰＳＷ１に印加してオフ状態となるようにし、適切な制御信号（ＩＰＣ２）を第２並列連結スイッチＩＰＳＷ２に印加してオフ状態となるようにし、適切な制御信号（ＩＰＣ３）を第３並列連結スイッチＩＰＳＷ３に印加してオン状態となるようにする。
また、制御部２１２は、適切な制御信号（ＰＣ１）を第１正極連結スイッチＰＰＳＷ１に印加してオン状態となるようにし、適切な制御信号（ＰＣ２）を第２正極連結スイッチＰＰＳＷ２に印加してオン状態となるようにし、適切な制御信号（ＰＣ３）を第３正極連結スイッチＰＰＳＷ３に印加してオフ状態となるようにし、適切な制御信号（ＰＣ４）を第４正極連結スイッチＰＰＳＷ４に印加してオフ状態となるようにする。
本発明において、スイッチのオン状態はスイッチの一端が他端と電気的に連結されることを意味し、スイッチのオフ状態はスイッチの一端が他端と電気的に連結解除、つまり断絶されることを意味する。
前記のように、制御部２１２がそれぞれのスイッチＮＰＳＷ１〜ＮＰＳＷ４、ＳＰＳＷ１、ＳＰＳＷ２、ＳＰＳＷ３、ＩＰＳＷ１、ＩＰＳＷ２、ＩＰＳＷ３、ＰＰＳＷ１〜ＰＰＳＷ４の動作を制御すれば、スタックの電気的構成が図３ｂのように形成される。
すなわち、制御部２１２は、スイッチＮＰＳＷ１〜ＮＰＳＷ４、ＳＰＳＷ１、ＳＰＳＷ２、ＳＰＳＷ３、ＩＰＳＷ１、ＩＰＳＷ２、ＩＰＳＷ３、ＰＰＳＷ１〜ＰＰＳＷ４の動作を制御し、劣化スタックの第２スタックＳＴＫ２を正常スタックの第１スタックＳＴＫ１と並列で連結して劣化スタック部３００を形成し、正常スタックの第３スタックＳＴＫ３と第４スタックＳＴＫ４を並列で連結して正常スタック部３０２を形成した後、劣化スタック部３００を正常スタック部３０２と直列で連結する。
正常スタック部３０２を構成する残りの正常スタックの第３スタックＳＴＫ３及び第４スタックＳＴＫ４は劣化スタックの第２スタックＳＴＫ２と直列で連結されるので、劣化した第２スタックＳＴＫ２の性能低下が正常スタックの第３スタックＳＴＫ３及び第４スタックＳＴＫ４に伝播されることを防止することができる。
また、劣化スタックＳＴＫ２の性能低下が他の正常スタックに伝播されることを防止することにより、劣化スタックＳＴＫ２を廃棄しなくても、劣化スタックを再配列して使うことができる。よって、全ての燃料電池システムの性能を低下させないで劣化スタックを使うことができ、全ての燃料電池システムの耐久性を向上させて寿命短縮を最小化することができる。
第３実施例：劣化スタックが存在する場合の第２動作
図４ａは劣化スタックが存在する場合、本発明の第３実施例による燃料電池システム制御装置の第２動作ブロック図、図４ｂは図４ａの燃料電池システムの燃料電池スタックの電気的構成を示すブロック図である。
図４ａにおいて、制御部２１２は第１〜第４スタック状態感知部Ｓ１〜Ｓ４によって獲得される第１スタック〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の状態を示す状態感知信号ＣＳ１〜ＣＳ４に基づいて性能が低下する劣化スタックが存在するかどうかを判断する。
前記状態感知信号ＣＳ１〜ＣＳ４は第１スタック〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の電圧または電流を含む信号であることができるが、本発明はこれに限定されない。
図４ａにおいては、第２スタックＳＴＫ２で劣化が発生したと仮定する。
したがって、劣化したスタックの第２スタックＳＴＫ２の電圧または電流は正常スタックの第１スタックＳＴＫ１、第３スタックＳＴＫ３及び第４スタックＳＴＫ４の電圧または電流と異なるであろう。
一般に、スタックが劣化すれば、スタックの性能が低下してスタックの電圧及び電流が正常状態の電圧及び電流より低くなる。よって、制御部２１２は第１〜第４スタック状態感知部Ｓ１〜Ｓ４から出力される状態感知信号ＣＳ１〜ＣＳ４に含まれている電圧または電流を正常状態の電圧または電流と比較してスタックが劣化したかを判断する。
図４ａにおいては、第２スタックＳＴＫ２で劣化が発生したので、制御部２１２は状態感知信号（ＣＳ２）に含まれている電流または電圧が正常状態の電圧または電流より低いことを感知し、第２スタックＳＴＫ２で劣化が発生したと判断し、第２スタックＳＴＫ２を劣化スタックと判断する。
制御部２１２は、劣化スタックが発生する場合、図４ｂのように、スタックが連結されるようにスイッチング部２００、２０２、２０４、２０６の動作を制御する。
図４ａ及び図４ｂに示したように、制御部２１２は、スイッチング部２００、２０２、２０４、２０６の動作を制御して劣化スタックの第２スタックＳＴＫ２を正常スタックの第１スタックＳＴＫ１、第３スタックＳＴＫ３及び第４スタックＳＴＫ４と直列で連結する。図４ａ及び図４ｂにおいて、劣化スタック部４００は第２スタックＳＴＫ２である。すなわち、図４ｂにおいて、劣化スタック部４００は正常スタックを一つでも含まなく、劣化したスタックの第２スタックＳＴＫ２のみを含む。
正常スタックの第１スタックＳＴＫ１、第３スタックＳＴＫ３及び第４スタックＳＴＫ４は劣化スタックの第２スタックＳＴＫ２と直列で連結されるから、劣化した第２スタックＳＴＫ２の性能低下が正常スタックの第１スタックＳＴＫ１、第３スタックＳＴＫ３及び第４スタックＳＴＫ４に伝播されることを防止することができる。
前記のように、劣化スタック部４００を正常スタックＳＴＫ１、ＳＴＫ３、ＳＴＫ４と直列で連結すれば、正常スタックＳＴＫ１、ＳＴＫ３、ＳＴＫ４への電流偏りが発生しないので、劣化スタックＳＴＫ２によって他の正常スタックＳＴＫ１、ＳＴＫ３、ＳＴＫ４に劣化が伝播されることを防止することができる。
また、劣化スタックＳＴＫ２の場合、出力電圧及び電流が正常状態より低いとしても充分に使用可能であるので、劣化スタックＳＴＫ２の性能低下が他の正常スタックに伝播されることを防止すれば、劣化スタックＳＴＫ２を廃棄しなくても、前記のように劣化スタックを再配列して使うことができる。よって、全ての燃料電池システムの性能を低下させないで劣化スタックを使うことができ、全ての燃料電池システムの耐久性を向上させて寿命短縮を最小化することができる。
図４ａをまた参照して、制御部２１２がスイッチング部２００、２０２、２０４、２０６の動作を制御してスタックを図４ｂのように連結する動作について詳細に説明する。
図４ａにおいて、第２スタックＳＴＫ２で劣化が発生したので、制御部２１２は状態感知信号（ＣＳ２）に含まれている電流または電圧が正常状態の電圧または電流より低いことを感知し、第２スタックＳＴＫ２で劣化が発生したと判断し、第２スタックＳＴＫ２を劣化スタックと判断する。
制御部２１２は、適切な制御信号（ＮＣ１、ＮＣ２、ＮＣ３）をそれぞれの第１〜第３負極連結スイッチＮＰＳＷ１〜ＮＰＳＷ３に印加して第１〜第３負極連結スイッチＮＰＳＷ１〜ＮＰＳＷ３をオフ状態となるようにする。すなわち、第１〜第３負極連結スイッチＮＰＳＷ１〜ＮＰＳＷ３の一端が他端と連結されないようにする。また、制御部２１２は適切な制御信号（ＮＣ４）を第４負極連結スイッチＮＰＳＷ４に印加して第４負極連結スイッチＮＰＳＷ４をオン状態となるようにする。すなわち、第４負極連結スイッチＮＰＳＷ４の一端が他端と連結されるようにする。
また、制御部２１２は、適切な制御信号（ＳＰＣ１）を第１直並列連結スイッチＳＰＳＷ１に印加して共通端子Ｎ１＿０が第１端子Ｎ１＿１に連結されるようにし、適切な制御信号（ＳＰＣ２）を第２直並列連結スイッチＳＰＳＷ２に印加して共通端子Ｎ２＿０が第１端子Ｎ２＿１に連結されるようにし、適切な制御信号（ＳＰＣ３）を第３直並列連結スイッチＳＰＳＷ３に印加して共通端子Ｎ３＿０が第１端子Ｎ３＿１に連結されるようにする。
また、制御部２１２は、適切な制御信号（ＩＰＣ１）を第１並列連結スイッチＩＰＳＷ１に印加してオフ状態となるようにし、適切な制御信号（ＩＰＣ２）を第２並列連結スイッチＩＰＳＷ２に印加してオフ状態となるようにし、適切な制御信号（ＩＰＣ３）を第３並列連結スイッチＩＰＳＷ３に印加してオフ状態となるようにする。
また、制御部２１２は、適切な制御信号（ＰＣ１）を第１正極連結スイッチＰＰＳＷ１に印加してオン状態となるようにし、適切な制御信号（ＰＣ２）を第２正極連結スイッチＰＰＳＷ２に印加してオフ状態となるようにし、適切な制御信号（ＰＣ３）を第３正極連結スイッチＰＰＳＷ３に印加してオフ状態となるようにし、適切な制御信号（ＰＣ４）を第４正極連結スイッチＰＰＳＷ４に印加してオフ状態となるようにする。
本発明において、スイッチのオン状態はスイッチの一端が他端と電気的に連結されることを意味し、スイッチのオフ状態はスイッチの一端が他端と電気的に連結解除、つまり断絶されることを意味する。
前記のように、制御部２１２がそれぞれのスイッチＮＰＳＷ１〜ＮＰＳＷ４、ＳＰＳＷ１、ＳＰＳＷ２、ＳＰＳＷ３、ＩＰＳＷ１、ＩＰＳＷ２、ＩＰＳＷ３、ＰＰＳＷ１〜ＰＰＳＷ４の動作を制御すれば、スタックの電気的構成が図４ｂのように形成される。
すなわち、制御部２１２は、スイッチＮＰＳＷ１〜ＮＰＳＷ４、ＳＰＳＷ１、ＳＰＳＷ２、ＳＰＳＷ３、ＩＰＳＷ１、ＩＰＳＷ２、ＩＰＳＷ３、ＰＰＳＷ１〜ＰＰＳＷ４の動作を制御して劣化スタックの第２スタックＳＴＫ２を正常スタックの第１スタックＳＴＫ１、第３スタックＳＴＫ３及び第４スタックＳＴＫ４と直列で連結する。
正常スタックの第１スタックＳＴＫ１、第３スタックＳＴＫ３及び第４スタックＳＴＫ４は劣化スタックの第２スタックＳＴＫ２と直列で連結されるので、劣化した第２スタックＳＴＫ２の性能低下が正常スタックの第１スタックＳＴＫ１、第３スタックＳＴＫ３及び第４スタックＳＴＫ４に伝播されることを防止することができる。
また、劣化スタックＳＴＫ２の性能低下が他の正常スタックに伝播されることを防止することにより、劣化スタックＳＴＫ２を廃棄しなくても、劣化スタックを再配列して使うことができる。よって、全ての燃料電池システムの性能を低下させないで劣化スタックを使うことができ、全ての燃料電池システムの耐久性を向上させて寿命短縮を最小化することができる。
表１は第１〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の４個のスタックにおいて正常スタックのみある第１実施例、劣化スタックが存在するとき、本発明によって電気的構成を変更する第２実施例及び第３実施例、及び劣化スタックが存在するが本発明を適用しない場合のそれぞれのスタックの状態及び出力電力を比較した表である。
前記表１に示したように、何らの措置も取らない燃料電池システムの全容量は本発明の第２実施例及び第３実施例で燃料電池システムの制御装置を使う場合より大きいように見えるが、何らの措置も取らない場合、第２スタックＳＴＫ２の劣化が他の正常スタックに伝播されて全てのスタックが劣化するので、時間が経つにつれてより速い速度で全容量の低下が現れるであろう。
これとは異なり、本発明の第２実施例及び第３実施例においては、劣化したスタックの第２スタックＳＴＫ２の劣化が劣化したスタックと並列で連結されたスタック以外の他の正常スタックに伝播されることを防止し、時間が経つことによる燃料電池システムの容量低下が小さい。よって、本発明によれば、燃料電池システムの耐久性を向上させることができ、寿命短縮を防止することができ、劣化したスタックを再配列して使うことによって燃料電池スタックを効率よく使うことができる。
第４実施例：動作不可能なスタックが存在する場合の動作
図５ａは動作不可能なスタックが存在する場合、本発明の第４実施例による燃料電池システム制御装置の第３動作ブロック図、図５ｂは図５ａの燃料電池システムの燃料電池スタックの電気的構成を示すブロック図である。
図５ａにおいて、制御部２１２は第１〜第４スタック状態感知部Ｓ１〜Ｓ４によって獲得される第１スタック〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の状態を示す状態感知信号ＣＳ１〜ＣＳ４に基づいて動作不可能なスタックが存在するかどうかを判断する。
前記状態感知信号ＣＳ１〜ＣＳ４は第１スタック〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の電圧または電流を含む信号であることができるが、本発明はこれに限定されない。
図５ａにおいては、第２スタックＳＴＫ２が動作不可能な状態にあると仮定する。よって、動作不可能なスタックの第２スタックＳＴＫ２の電圧または電流は正常スタックの第１スタックＳＴＫ１、第３スタックＳＴＫ３及び第４スタックＳＴＫ４の電圧または電流と全く異なるであろう。
一般に、スタックが動作不可能であれば、スタックの性能が非常に低下してスタックの電圧及び電流が正常状態の電圧及び電流よりずっと低くなる。よって、制御部２１２は第１〜第４スタック状態感知部Ｓ１〜Ｓ４から出力される状態感知信号ＣＳ１〜ＣＳ４に含まれている電圧または電流を正常状態の電圧または電流と比較してスタックが動作不可能であるかを判断する。
図５ａにおいては、第２スタックＳＴＫ２が動作不可能な状態にあるので、制御部２１２は、状態感知信号（ＣＳ２）に含まれている電流または電圧が正常状態の電圧または電流より低いことを感知して第２スタックＳＴＫ２が動作不可能であると判断し、第２スタックＳＴＫ２を動作不可能なスタックと判断する。
制御部２１２は、動作不可能なスタックが発生する場合、図５ｂのように、スタックが連結されるようにスイッチング部２００、２０２、２０４、２０６の動作を制御する。
図５ａ及び図５ｂに示したように、制御部２１２は、スイッチング部２００、２０２、２０４、２０６の動作を制御し、動作不可能なスタックの第２スタックＳＴＫ２を正常スタックの第１スタックＳＴＫ１、第３スタックＳＴＫ３及び第４スタックＳＴＫ４から電気的に分離し、動作不可能なスタックの第２スタックＳＴＫ２を燃料電池システムから電気的に孤立させる。
正常スタックの第１スタックＳＴＫ１、第３スタックＳＴＫ３及び第４スタックＳＴＫ４は動作不可能なスタックの第２スタックＳＴＫ２から電気的に分離されるので、動作不可能なスタックの第２スタックＳＴＫ２の性能低下が正常スタックの第１スタックＳＴＫ１、第３スタックＳＴＫ３及び第４スタックＳＴＫ４に伝播されることを防止することができる。
図５ａをまた参照し、制御部２１２がスイッチング部２００、２０２、２０４、２０６の動作を制御してスタックを図５ｂのように連結する動作について詳細に説明する。
図５ａにおいて、第２スタックＳＴＫ２が動作不可能であるので、制御部２１２は状態感知信号（ＣＳ２）に含まれている電流または電圧が正常状態の電圧または電流より低いことを感知し、第２スタックＳＴＫ２が動作不可能であると判断して第２スタックＳＴＫ２を動作不可能なスタックと判断する。
制御部２１２は、適切な制御信号（ＮＣ１、ＮＣ３、ＮＣ４）をそれぞれ第１、第３及び第４負極連結スイッチＮＰＳＷ１、ＮＰＳＷ３及びＮＰＳＷ４に印加して第１、第３及び第４負極連結スイッチＮＰＳＷ１、ＮＰＳＷ３及びＮＰＳＷ４をオン状態となるようにする。すなわち、第１、第３及び第４負極連結スイッチＮＰＳＷ１、ＮＰＳＷ３及びＮＰＳＷ４の一端が他端と連結されるようにする。また、制御部２１２は、適切な制御信号（ＮＣ２）を第２負極連結スイッチＮＰＳＷ２に印加して第２負極連結スイッチＮＰＳＷ２をオフ状態となるようにする。すなわち、第４負極連結スイッチＮＰＳＷ４の一端が他端と連結されないようにする。
また、制御部２１２は、適切な制御信号（ＳＰＣ１）を第１直並列連結スイッチＳＰＳＷ１に印加して共通端子Ｎ１＿０が第３端子Ｎ１＿３に連結されるようにし、適切な制御信号（ＳＰＣ２）を第２直並列連結スイッチＳＰＳＷ２に印加して共通端子Ｎ２＿０が第３端子Ｎ２＿３に連結されるようにし、適切な制御信号（ＳＰＣ３）を第３直並列連結スイッチＳＰＳＷ３に印加して共通端子Ｎ３＿０が第３端子Ｎ３＿３に連結されるようにする。
また、制御部２１２は、適切な制御信号（ＩＰＣ１）を第１並列連結スイッチＩＰＳＷ１に印加してオフ状態となるようにし、適切な制御信号（ＩＰＣ２）を第２並列連結スイッチＩＰＳＷ２に印加してオフ状態となるようにし、適切な制御信号（ＩＰＣ３）を第３並列連結スイッチＩＰＳＷ３に印加してオフ状態となるようにする。
また、制御部２１２は、適切な制御信号（ＰＣ１）を第１正極連結スイッチＰＰＳＷ１に印加してオン状態となるようにし、適切な制御信号（ＰＣ２）を第２正極連結スイッチＰＰＳＷ２に印加してオフ状態となるようにし、適切な制御信号（ＰＣ３）を第３正極連結スイッチＰＰＳＷ３に印加してオン状態となるようにし、適切な制御信号（ＰＣ４）を第４正極連結スイッチＰＰＳＷ４に印加してオン状態となるようにする。
本発明において、スイッチのオン状態はスイッチの一端が他端と電気的に連結されることを意味し、スイッチのオフ状態はスイッチの一端が他端と電気的に連結解除、つまり断絶されることを意味する。
前記のように、制御部２１２がそれぞれのスイッチＮＰＳＷ１〜ＮＰＳＷ４、ＳＰＳＷ１、ＳＰＳＷ２、ＳＰＳＷ３、ＩＰＳＷ１、ＩＰＳＷ２、ＩＰＳＷ３、ＰＰＳＷ１〜ＰＰＳＷ４の動作を制御すれば、スタックの電気的構成が図５ｂのように形成される。
すなわち、制御部２１２は、スイッチＮＰＳＷ１〜ＮＰＳＷ４、ＳＰＳＷ１、ＳＰＳＷ２、ＳＰＳＷ３、ＩＰＳＷ１、ＩＰＳＷ２、ＩＰＳＷ３、ＰＰＳＷ１〜ＰＰＳＷ４の動作を制御し、動作不可能なスタックの第２スタックＳＴＫ２を正常スタックの第１スタックＳＴＫ１、第３スタックＳＴＫ３及び第４スタックＳＴＫ４から電気的に分離させる。
したがって、動作不可能なスタックの第２スタックＳＴＫ２の性能低下が他の正常スタックに伝播されることを防止することができるので、全ての燃料電池システムの耐久性を向上させて寿命短縮を最小化することができる。
燃料電池システムの制御方法
図６は本発明の実施例による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６を参照すれば、段階Ｓ６００で、制御部２１２は第１スタック〜第４スタックＳＴＫ１〜ＳＴＫ４の電圧または電流に基づいて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どうかを判断する。
段階Ｓ６００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Ｓ６０２で、制御部２１２はスイッチング部２００、２０２、２０４、２０６の動作を制御して、感知された少なくとも一つの劣化スタックを含む少なくとも一つの劣化スタック部を形成し、形成された少なくとも一つの劣化スタック部を他の劣化スタック部または少なくとも一つの正常スタックと直列、並列または直並列で連結する。
前記段階Ｓ６００で動作不可能なスタックが存在すると判断する場合、段階Ｓ６０４で、制御部２１２はスイッチング部２００、２０２、２０４、２０６の動作を制御して動作不可能なスタックを電気的に燃料電池システムから分離して孤立させる。
したがって、劣化スタック及び動作不可能なスタックが正常スタックに影響を及ぼすことを最小化するとか防止することができるので、燃料電池システムの耐久性を向上させて寿命短縮を最小化することができる。また、劣化スタックを再配列して使うことができるので、燃料電池システムを効率よく使うことができる。
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、多数の電力調節システム（ＰＣＳ）を使わず、安価の電気スイッチを用い、動作中に早くて易しくスタックを直列、並列または直並列で連結してスタック間の性能低下による伝播を防止することにより、全ての燃料電池システムの耐久性を向上させ、容量低下を防止し、寿命短縮を最小化し、劣化したスタックと正常スタックを再配列して使うことにより、燃料電池スタックを効率よく使うことができる燃料電池システム制御装置に適用可能である。
２００ 負極連結スイッチング部
２０２ 直並列連結スイッチング部
２０４ 並列連結スイッチング部
２０６ 正極連結スイッチング部
２０８ 電力調節システム
２１０ 負荷
２１２ 制御部
ＳＴＫ１、．．．、ＳＴＫ４ 第１〜第４スタック
Ｓ１、．．．、Ｓ４ 第１〜第４スタック状態感知部
ＮＰＳＷ１、．．．、ＮＰＳＷ４ 第１〜第４負極連結スイッチ
ＳＰＳＷ１、ＳＰＳＷ２、ＳＰＳＷ３ 第１〜第３直並列連結スイッチ
ＩＰＳＷ１、ＩＰＳＷ２、ＩＰＳＷ３ 第１〜第３並列連結スイッチ
ＰＰＳＷ１、．．．、ＰＰＳＷ４ 第１〜第４正極連結スイッチ

Claims (13)

  1. 少なくとも一つの並列連結を含むように連結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それぞれの状態を感知する複数のスタック状態感知部；
    前記複数の燃料電池スタックの中で少なくとも一部を直列または並列で連結するスイッチング部；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いて少なくとも一つの劣化スタックを感知し、前記劣化スタックが残りの正常スタックと並列から直列で連結されるように前記スイッチング部の動作を制御する制御部を含むことを特徴とする、燃料電池システム制御装置。
  2. 前記複数の燃料電池スタックは（２以上の整数（行）×１（列））、（２以上の整数（行）×２以上の整数（列））、または（２以上の整数（行）×２以上の整数（列）×２以上の整数（層））のアレイに配列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制御装置。
  3. 前記制御部は、前記スイッチング部の動作を制御し、前記アレイのスタックを直列、並列または直並列で連結して、前記スタックの出力を電力調節システム（ＰＣＳ）に供給することを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム制御装置。
  4. 前記制御部は、前記第１〜第ｎスタック状態感知部によって感知されたスタック状態に基づいて少なくとも一つの動作不可能なスタックが感知される場合、前記スイッチング部の動作を制御して、前記少なくとも一つの動作不可能なスタックを電気的に前記燃料電池システムから分離することを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池システム制御装置。
  5. 前記スタック状態感知部は、前記スタックの電流または電圧を感知して前記制御部に伝達し、
    前記制御部は、前記スタック状態感知部で感知された電流または電圧に基づいて劣化スタックを感知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制御装置。
  6. 前記スイッチング部は、
    前記制御部の制御信号によって前記スタックの負極を選択的に前記電力調節システムの負電圧入力端子に連結するための負極連結スイッチング部；
    前記制御部の制御信号によって前記スタックの中で隣り合うスタックの負極を互いに連結するとか、隣り合うスタックを直列で連結するための直並列連結スイッチング部；
    前記制御部の制御信号によって前記スタックの中で隣り合うスタックの正極を互いに連結するための並列連結スイッチング部；及び
    前記制御部の制御信号によって前記スタックの正極を選択的に前記電力調節システムの正電圧入力端子に連結するための正極連結スイッチング部を含むことを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池システム制御装置。
  7. ｎを２以上の整数であるとするとき、前記複数のスタックは第１〜第ｎスタックを含み、前記スタック状態感知部は第１〜第ｎスタック状態感知部を含み、前記第１〜第ｎスタック状態感知部の一端はそれぞれ前記第１〜第ｎスタックの正極に連結され、
    前記負極連結スイッチング部は第１〜第ｎ負極連結スイッチを含み、前記直並列連結スイッチング部は第１〜第（ｎ−１）直並列連結スイッチを含み、前記並列連結スイッチング部は第１〜第（ｎ−１）並列連結スイッチを含み、前記正極連結スイッチング部は第１〜第ｎ正極連結スイッチを含み、
    前記第１〜第（ｎ−１）直並列連結スイッチは、それぞれ共通端子及び第１〜第３端子を含み、
    前記第１〜第ｎ負極連結スイッチ、前記第１〜第（ｎ−１）並列連結スイッチ及び前記第１〜第ｎ正極連結スイッチはそれぞれ一端及び他端を含み、前記制御部の制御信号によって一端が他端に電気的に連結されるとか連結解除され、
    前記第１〜第（ｎ−１）直並列連結スイッチはそれぞれ前記制御部の制御信号によって、共通端子を第１端子〜第３端子の中で一つの端子に連結することを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム制御装置。
  8. 前記第１〜第ｎ負極連結スイッチの一端はそれぞれ前記電力調節システムの負電圧入力端子に連結され、前記第１〜第ｎ負極連結スイッチの他端はそれぞれ前記第１〜第ｎスタックの負極に連結され、
    前記第１〜第（ｎ−１）直並列連結スイッチの共通端子はそれぞれ前記第１〜第（ｎ−１）スタックの負極に連結され、前記第１〜第（ｎ−１）直並列連結スイッチの第１端子はそれぞれ前記第２〜第ｎスタック状態感知部の他端に連結され、前記第１〜第（ｎ−１）直並列連結スイッチの第２端子はそれぞれ前記第２〜第ｎスタックの負極に連結され、前記第１〜第（ｎ−１）直並列連結スイッチの第３端子は開放されており、
    前記第１〜第（ｎ−１）並列連結スイッチの一端はそれぞれ前記第１〜第（ｎ−１）スタック状態感知部の他端に連結され、前記第１〜第（ｎ−１）並列連結スイッチの他端はそれぞれ前記第２〜第ｎスタック状態感知部の他端に連結され、
    前記第１〜第ｎ正極連結スイッチの一端はそれぞれ前記第１〜第ｎスタック状態感知部の他端に連結され、前記第１〜第ｎ正極連結スイッチの他端はそれぞれ前記電力調節システムの正電圧入力端子に連結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制御装置。
  9. 複数の燃料電池スタックが並列で電気的に連結された燃料電池システムの制御方法において、
    制御部が前記燃料電池スタックの状態を感知して少なくとも一つの劣化スタックが存在するかどうかを判断する段階；及び
    前記制御部が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、前記複数の燃料電池スタックのうちの少なくとも一部を直列または並列で連結するスイッチング部が前記劣化スタックと残りの正常スタックの連結を並列から直列に変更するように前記スイッチング部の動作を制御する段階を含むことを特徴とする、燃料電池システムの制御方法。
  10. 前記複数の燃料電池スタックは（２以上の整数（行）×１（列））、（２以上の整数（行）×２以上の整数（列））、または（２以上の整数（行）×２以上の整数（列）×２以上の整数（層））のアレイに配列され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方法。
  11. 前記制御部は、前記スイッチング部の動作を制御して前記アレイのスタックを直列、並列または直並列で連結し、前記スタックの出力を電力調節システム（ＰＣＳ）に供給することを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池システムの制御方法。
  12. 前記制御部は、前記燃料電池スタックの状態を感知して少なくとも一つの動作不可能なスタックが存在するかどうかを判断し、少なくとも一つの動作不可能なスタックが存在する場合、前記スイッチング部の動作を制御して前記少なくとも一つの動作不可能なスタックを電気的に前記燃料電池システムから分離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。
  13. スタック状態感知部は、前記スタックの電流または電圧を感知して前記制御部に伝達し、
    前記制御部は、前記スタック状態感知部で感知された電流または電圧に基づいて劣化スタックを感知することを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池システムの制御方法。
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