KR100673756B1 - Method for controlling operation of fuel cell hybrid system - Google Patents

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Abstract

A method for controlling an operation of a fuel cell hybrid system is provided to prevent the fuel cell hybrid system from being unexpectedly shut down and to protect the battery by preventing a battery from being discharged below a critical capacity. A method for controlling an operation of a fuel cell hybrid system includes the steps of: sensing a discharge current of a battery(S10); extracting a limit voltage of the battery corresponding to the sensed discharge current(S14); sensing a voltage of the battery(S16); and comparing output power of the fuel cell hybrid system with required power of a load to control charge and discharge of the battery when the sensed voltage of the battery is lower than the limit voltage(S18). In the comparing step, the fuel cell hybrid system is stopped when the sensed voltage of the battery is lower than the limit voltage and the output of the fuel cell system is lower than the required power of the load, and an alarming signal for the stopping is outputted. In the comparing step, the battery is charged when the sensed voltage is lower than the limit voltage and the output power exceeds the required power of the load.

Description

연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법{Method for controlling operation of fuel cell hybrid system}{Method for controlling operation of fuel cell hybrid system}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법을 나타내는 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating an operation control method of a fuel cell hybrid system according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 2는 도 1의 운전제어 방법에 이용되는 배터리의 방전율에 따른 전류(용량)-전압 곡선을 나타내는 그래프이다.FIG. 2 is a graph illustrating a current (capacity) -voltage curve according to a discharge rate of a battery used in the driving control method of FIG. 1.

도 3은 도 1의 운전제어 방법에 이용되는 배터리의 사이클 횟수에 따른 전류(용량)-전압 곡선을 나타내는 그래프이다.3 is a graph illustrating a current (capacity) -voltage curve according to the number of cycles of a battery used in the driving control method of FIG. 1.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 장치를 나타내는 블록도이다.4 is a block diagram illustrating an operation control apparatus of a fuel cell hybrid system according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 5는 도 4의 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 장치에 결합되는 전력분배 장치의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다.FIG. 5 is a diagram schematically illustrating an example of a power distribution device coupled to an operation control device of the fuel cell hybrid system of FIG. 4.

도 6은 도 4의 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 장치의 연료전지 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.FIG. 6 is a view schematically illustrating a fuel cell device of an operation control apparatus of the fuel cell hybrid system of FIG. 4.

본 발명은 연료전지 하이브리드 시스템에 관한 것으로, 특히 배터리가 한계 용량 이하로 방전되는 것을 방지하여 시스템의 예기치못한 셧다운을 방지하고 배터리를 보호할 수 있는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법 및 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell hybrid system, and more particularly, to a method and apparatus for controlling operation of a fuel cell hybrid system capable of preventing a battery from being discharged below a threshold capacity, preventing an unexpected shutdown of the system and protecting the battery. .

연료전지(fuel cell)는 연료가 가지고 있는 에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환하는 장치이다. 예를 들면, 연료전지는 수소와 산소로부터 물이 생성되는 반응, 즉 수소의 연소 반응을 이용해 전기 에너지를 발생시킨다. 이를 반응식으로 나타내면 아래와 같다.A fuel cell is a device that converts energy contained in a fuel into electrical energy directly by chemical reaction. For example, fuel cells generate electrical energy using a reaction in which water is generated from hydrogen and oxygen, that is, a combustion reaction of hydrogen. This is represented by the following reaction scheme.

2H2 + O2 -> 2H2O + 1.23V2H 2 + O 2- > 2H 2 O + 1.23 V

연료전지로는 인산형, 용융탄산염형, 고체 산화물형, 고분자 전해질형, 알칼리형이 있다. 그 중에 고분자 전해질형 연료전지는 전해질로 프로톤 전도성 고분자 전해질막을 사용하는 연료전지를 말한다. 고분자 전해질형 연료전지는 통상 고출력을 위한 스택 구조를 가지며, 스택 내의 양극과 음극의 반응을 원활히 진행시키기 위해 촉매를 구비한다. 촉매로는 탄소에 담지된 백금촉매 등이 사용된다. 전술한 연료전지는 화석연료를 연소하는 발전시스템에 비해 질소화합물이나 황산화물의 배출이 매우 적은 차세대 청정 에너지원으로서 주목받고 있다.Fuel cells include phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, polymer electrolyte type and alkali type. Among them, the polymer electrolyte fuel cell refers to a fuel cell using a proton conductive polymer electrolyte membrane as an electrolyte. A polymer electrolyte fuel cell generally has a stack structure for high power, and includes a catalyst for smoothly reacting the positive electrode and the negative electrode in the stack. As the catalyst, a platinum catalyst supported on carbon is used. The fuel cell is drawing attention as a next-generation clean energy source with a very low emission of nitrogen compounds and sulfur oxides compared to a power generation system for burning fossil fuels.

한편, 연료전지 시스템은 충분한 연료와 공기를 이용하여 거의 일정한 출력의 전기 에너지를 발생시키므로 부하의 변화에 따라 갑자기 출력을 증가시키기 어렵다. 따라서, 부하에서 순간 고전력이 요구되는 경우, 연료전지 시스템에서는 출력 전력을 증가시키기 어렵기 때문에 신속하게 부하 변동에 대응할 수 없다.On the other hand, the fuel cell system generates electric power of almost constant output by using sufficient fuel and air, and thus it is difficult to suddenly increase the output according to the change of the load. Therefore, when instantaneous high power is required at the load, it is difficult to increase the output power in the fuel cell system and thus it is not possible to respond to the load change quickly.

전술한 문제를 해소하기 위하여 종래의 연료전지 시스템에서는 배터리가 결합된 연료전지 하이브리드 시스템을 이용하여 부하의 순간 고전력 요구시 배터리의 출력을 부하에 공급하여 부하의 순간 고전력 요구에 대응하고 있다.In order to solve the above problem, the conventional fuel cell system uses a fuel cell hybrid system in which a battery is coupled to supply the output of the battery to the load in response to the instantaneous high power demand of the load.

배터리는 완만한 충방전 특성 곡선 구간과 용량이 급격히 떨어지는 전압 구간을 갖는다. 용량이 급격히 떨어지는 전압 이하에서 배터리가 전력을 소비하게 되면 노트북이나 핸드폰 등의 부하는 그 즉시 셧다운(shutdown)되고, 배터리도 치명적인 손상을 입는다. 따라서, 배터리는 용량이 급격히 떨어지는 전압 이하에서 사용되지 않도록 적절히 제어되어야 한다.The battery has a smooth charging / discharging characteristic curve section and a voltage section whose capacity drops rapidly. If the battery consumes power below a sharp drop in capacity, the load on the laptop or mobile phone immediately shuts down, and the battery can be fatally damaged. Thus, the battery must be properly controlled so that its capacity is not used below a voltage that drops sharply.

본 발명의 목적은 배터리의 용량이 급격히 감소하기 시작하는 한계 전압 이하에서 배터리가 방전되는 것을 방지하여 시스템의 예기치 못한 셧다운을 예방하고 배터리 및 연료전지 장치를 보호할 수 있는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to control the operation of a fuel cell hybrid system capable of preventing the battery from being discharged below a threshold voltage at which the capacity of the battery begins to rapidly decrease, thereby preventing an unexpected shutdown of the system and protecting the battery and the fuel cell device. A method and apparatus are provided.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 측면에 의하면, 연료전지 장치 및 배터리 중 적어도 하나의 전력을 부하에 공급하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법에 있어서, (a) 운전제어 장치에서 배터리의 방전 전류를 감지하는 단계; (b) 검출된 방전 전류에 상응하는 배터리의 한계 전압을 추출하는 단계; (c) 배터리의 전압을 감지하는 단계; 및 (d) 감지된 배터리 전압이 상기 한계 전압 이하일 때, 상기 연료전지 장치의 출력 전력과 상기 부하의 요구 전력을 비교하여 상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계를 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법이 제공된다.In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, in the operation control method of a fuel cell hybrid system for supplying at least one of the fuel cell device and the battery to the load, (a) in the operation control device Detecting a discharge current of the battery; (b) extracting a limit voltage of the battery corresponding to the detected discharge current; (c) sensing the voltage of the battery; And (d) controlling the charging and discharging of the battery by comparing the output power of the fuel cell device with the required power of the load when the sensed battery voltage is less than or equal to the threshold voltage. A method is provided.

바람직하게, 상기 (d)단계는 감지된 배터리 전압이 한계 전압 이하이고, 연료전지 장치의 출력이 부하의 요구 전력 이하일 때, 연료전지 하이브리드 시스템을 운전 중지시키는 단계를 포함한다. 이 경우, 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법은 운전 중지에 대한 경보 신호를 출력하는 단계를 추가적으로 포함한다.Preferably, step (d) includes stopping the fuel cell hybrid system when the sensed battery voltage is below the threshold voltage and the output of the fuel cell device is below the required power of the load. In this case, the driving control method of the fuel cell hybrid system further includes outputting an alarm signal for stopping operation.

또한, 상기 (d)단계는 감지된 배터리 전압이 한계 전압 이하이고, 연료전지 장치의 출력 전력이 부하의 요구 전력을 초과할 때, 배터리를 충전하는 단계를 포함한다.In addition, the step (d) includes the step of charging the battery when the detected battery voltage is less than the threshold voltage, the output power of the fuel cell device exceeds the required power of the load.

또한, 상기 (d)단계는 배터리 전압이 한계 전압 이하이고, 연료전지 장치의 출력이 부하의 요구 전력 이하일 때, 연료전지 장치에서 부하를 분리시키는 단계, 및 연료전지 장치의 출력 전력으로 배터리를 충전하는 단계를 포함한다. 이 경우, 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법은 연료전지 장치에서 부하를 분리시키는 것에 대한 경보 신호를 출력하는 단계를 추가적으로 포함한다.Also, in the step (d), when the battery voltage is less than the threshold voltage and the output of the fuel cell device is less than the required power of the load, separating the load from the fuel cell device, and charging the battery with the output power of the fuel cell device. It includes a step. In this case, the operation control method of the fuel cell hybrid system further includes outputting an alarm signal for disconnecting the load from the fuel cell device.

또한, 상기 (a)단계는 배터리의 방전시에만 방전 전류를 측정하는 단계이다.In addition, step (a) is a step of measuring the discharge current only when the battery is discharged.

또한, 상기 (b)단계는, (b1) 방전 전류로부터 배터리의 방전율을 산출하는 단계; 및 (b2) 방전율에 상응하는 한계 전압을 기저장된 테이블에서 추출하는 단계를 포함한다.In addition, the step (b), (b1) calculating the discharge rate of the battery from the discharge current; And (b2) extracting a threshold voltage corresponding to the discharge rate from a previously stored table.

또한, 상기 (b1)단계는 배터리의 사이클 열화에 의한 방전율 저하를 보상하는 단계를 추가적으로 포함한다.In addition, the step (b1) further comprises the step of compensating for the discharge rate decrease by the cycle degradation of the battery.

본 발명의 제2 측면에 의하면, 연료를 연소시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 장치와, 재충전가능한 배터리, 및 연료전지 장치와 배터리 중 적어도 하나의 출력 전력을 부하에 공급하는 전력분배 장치에 결합되는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 장치에 있어서, 배터리의 방전 전류를 검출하는 전류검출부; 배터리의 전압을 검출하는 전압검출부; 방전 전류로부터 방전율을 산출하며, 산출된 방전율에 상응하는 배터리의 한계 전압을 기저장된 테이블에서 추출하고, 배터리 전압과 한계 전압을 비교하는 연산처리부; 및 연산처리부의 출력 신호에 응답하여 소정의 제어 신호 또는 경보 신호를 발생시키는 통신처리부를 구비하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 장치가 제공된다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a fuel cell device that burns fuel to generate electrical energy, a rechargeable battery, and a power distribution device for supplying output power of at least one of the fuel cell device and the battery to a load. An operation control apparatus for a fuel cell hybrid system, comprising: a current detector for detecting a discharge current of a battery; A voltage detector detecting a voltage of the battery; Calculating a discharge rate from the discharge current, extracting a limit voltage of the battery corresponding to the calculated discharge rate from a pre-stored table, and comparing the battery voltage with the limit voltage; And a communication processor for generating a predetermined control signal or an alarm signal in response to an output signal of the arithmetic processing unit.

바람직하게, 연산처리부의 출력 신호는 배터리 전압이 한계 전압 이하이고 연료전지 장치의 출력 전력이 부하의 요구 전력을 초과할 때, 배터리를 충전시키기 위한 신호이다.Preferably, the output signal of the computing unit is a signal for charging the battery when the battery voltage is below the threshold voltage and the output power of the fuel cell apparatus exceeds the required power of the load.

또한, 연산처리부의 출력 신호는 감지된 배터리 전압이 한계 전압 이하이고, 연료전지 장치의 출력이 부하의 요구 전력 이하일 때, 연료전지 장치에서 부하를 분리시키고 연료전지 장치의 출력 전력으로 배터리를 충전시키기 위한 신호이다.The output signal of the arithmetic processing unit may be configured to disconnect the load from the fuel cell device and charge the battery with the output power of the fuel cell device when the sensed battery voltage is less than the threshold voltage and the output of the fuel cell device is less than or equal to the required power of the load. It is a signal for.

또한, 연산처리부의 출력 신호는 감지된 배터리 전압이 한계 전압 이하이고, 연료전지 장치의 출력이 부하의 요구 전력 이하일 때, 연료전지 하이브리드 시스템을 운전 중지시키기 위한 신호이다.In addition, the output signal of the arithmetic processing unit is a signal for stopping the fuel cell hybrid system when the sensed battery voltage is below the threshold voltage and the output of the fuel cell device is below the required power of the load.

또한, 경보 신호는 부하 분리 또는 운전 중지에 대한 경보 신호이다.The alarm signal is also an alarm signal for load disconnection or shutdown.

또한, 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 장치는 연산처리부에 결합되며, 방전율에 상응하는 한계 전압을 테이블에 저장하는 저장부를 추가적으로 포함한다.In addition, the operation control apparatus of the fuel cell hybrid system is coupled to the operation processing unit, and further includes a storage unit for storing the limit voltage corresponding to the discharge rate in the table.

또한, 연산처리부는 배터리의 사이클 열화에 의한 방전율 저하를 보상하며, 저장부는 배터리의 충방전 사이클 횟수를 저장한다.In addition, the operation processing unit compensates for the discharge rate decrease due to the cycle deterioration of the battery, the storage unit stores the number of charge and discharge cycles of the battery.

또한, 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 장치는 전류검출부 및 전압검출부의 신호를 변환하며, 변환된 신호를 연산처리부에 전달하는 아날로그-디지털 변환부를 추가적으로 포함한다.In addition, the operation control apparatus of the fuel cell hybrid system further includes an analog-to-digital converter for converting signals of the current detector and the voltage detector, and for transferring the converted signal to the calculation processor.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings for those skilled in the art to easily implement the present invention.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법을 나타내는 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating an operation control method of a fuel cell hybrid system according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법은 부하의 고전력 요구시 시스템의 예기치못한 셧다운을 방지하기 위하여 운전제어 장치에서 배터리의 방전율에 따라 배터리의 한계 전압을 변경 설정하며, 설정된 한계 전압으로 배터리의 용량이 급격히 저하되는 전압 이하에서 배터리가 방전되는 것을 방지하도록 배터리의 방전을 제어한다.Referring to FIG. 1, in the operation control method of a fuel cell hybrid system, a limit voltage of a battery is changed and set according to a discharge rate of a battery in an operation control device to prevent an unexpected shutdown of the system when a high power demand of a load is required. As a result, the discharge of the battery is controlled to prevent the battery from being discharged below a voltage at which the capacity of the battery is sharply lowered.

구체적으로, 먼저 연료전지 하이브리드 시스템에 운전 개시 신호가 입력되면(S10), 전류검출부에 의해 배터리의 방전 전류를 감지한다(S12). 예를 들면, 배터리의 방전시 방전 전류는 전류계를 통해 검출되고, 아날로그-디지털 변환기에 의해 디지털 신호로 변환되며, 변환된 신호는 연산처리부에 의해 감지된다.Specifically, first, when the operation start signal is input to the fuel cell hybrid system (S10), the discharge current of the battery is sensed by the current detector (S12). For example, when the battery is discharged, the discharge current is detected through an ammeter, converted into a digital signal by an analog-to-digital converter, and the converted signal is sensed by an operation processor.

다음, 감지된 방전 전류에 상응하는 배터리의 한계 전압을 추출한다(S14). 본 단계는 단위 시간당 방전 전류를 계산하여 방전율을 구하고, 운전제어 장치 내의 저장부에 기저장된 테이블에서 방전율에 대응하는 배터리의 한계 전압을 추출하도록 구현되거나, 다른 한편으로 기저장된 테이블에서 배터리의 충방전 사이클 횟수 및 배터리의 방전 전류에 상응하는 배터리의 한계 전압을 추출하도록 구현될 수 있다. 방전율에 상응하는 한계 전압은 소정의 함수로 구현될 수 있다.Next, the threshold voltage of the battery corresponding to the sensed discharge current is extracted (S14). This step is implemented to calculate the discharge rate by calculating the discharge current per unit time, and to extract the limit voltage of the battery corresponding to the discharge rate from the table pre-stored in the storage unit in the operation control device, or on the other hand the charge and discharge of the battery in the pre-stored table It can be implemented to extract the limit voltage of the battery corresponding to the number of cycles and the discharge current of the battery. The limit voltage corresponding to the discharge rate can be implemented as a function.

다음, 배터리의 한계 전압이 준비된 상태에서 전압검출부에 의해 배터리의 전압을 감지한다(S16). 예를 들면, 배터리 전압은 전압계를 통해 검출되고, 아날로그-디지털 변환기에 의해 디지털 신호로 변환되며, 변환된 신호는 연산처리부에 의해 감지된다.Next, in a state in which the limit voltage of the battery is prepared, the voltage of the battery is detected by the voltage detector (S16). For example, the battery voltage is detected through a voltmeter, converted into a digital signal by an analog-to-digital converter, and the converted signal is sensed by the computing processor.

다음, 감지된 배터리 전압이 한계 전압 이하인가를 판단한다(S18).Next, it is determined whether the detected battery voltage is lower than or equal to the threshold voltage (S18).

상기 판단 결과가 예이면, 현재의 스택 출력 전력이 부하의 요구 전력을 초과하는가를 판단한다(S20). 상기 판단 결과가 아니오이면, 다시 배터리 전압을 감지하고, 감지된 배터리 전압이 한계 전압 이하인가를 주기적으로 판단한다.If the determination result is YES, it is determined whether the current stack output power exceeds the required power of the load (S20). If the determination result is no, the battery voltage is again sensed, and it is periodically determined whether the detected battery voltage is below the threshold voltage.

상기 판단 결과, 스택 출력 전력이 부하의 요구 전력을 초과하면, 연료전지 장치의 출력 전력을 부하에 공급하면서 배터리를 충전시킨다(S22).As a result of the determination, when the stack output power exceeds the required power of the load, the battery is charged while supplying the output power of the fuel cell device to the load (S22).

한편, 스택 출력 전력이 부하의 요구 전력 이하이면, 경보 신호를 출력한다(S24). 여기서, 경보 신호는 이후의 설정 동작에 따라 연료전지 장치로부터의 부하 분리를 알리는 신호이거나 시스템의 운전 중지를 알리는 신호 중 어느 하나가 된다.On the other hand, if the stack output power is less than or equal to the required power of the load, an alarm signal is output (S24). Here, the alarm signal may be either a signal for notifying load disconnection from the fuel cell device or a signal for notifying operation of the system according to a subsequent setting operation.

다음, 연료전지 장치로부터 부하를 분리시킨다. 또는 연료전지 하이브리드 시스템을 운전 중지시킨다(S26). 본 단계는 배터리의 용량이 부족한 상태에서 부하의 고전력 요구에 대응하기 어렵기 때문에 배터리를 우선적으로 충전시키거나 시스템을 종료한 후에 별도로 배터리를 충전시키기 위한 단계이다. 본 단계에서 연료전지 장치의 출력 전력이 소정값 이상이면 부하를 분리시킨 후에 배터리를 충전하고, 연료전지 장치의 출력 전력이 소정값 미만이면 시스템을 운전 중지시킨 후에 별도로 배터리를 충전시킬 수 있다. 전술한 구성에 의하면, 배터리의 용량 부족시 부하의 고전력 요구에 적절히 대응하지 못하여 배터리나 시스템이 손상되는 것을 방지할 수 있다.Next, the load is separated from the fuel cell device. Alternatively, the fuel cell hybrid system is stopped (S26). This step is for charging the battery first or after shutting down the system because it is difficult to meet the high power demand of the load in the state of low battery capacity. In this step, if the output power of the fuel cell device is greater than or equal to a predetermined value, the battery may be charged after disconnecting the load. If the output power of the fuel cell device is less than the predetermined value, the battery may be separately charged after stopping the system. According to the above-described configuration, it is possible to prevent damage to the battery or the system by failing to adequately meet the high power demand of the load when the capacity of the battery is insufficient.

도 2는 도 1의 운전제어 방법에 채용된 배터리의 방전율에 따른 전류(용량)- 전압 곡선을 나타내는 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing a current (capacity) -voltage curve according to a discharge rate of a battery employed in the driving control method of FIG. 1.

실험을 위해, 먼저 배터리를 25℃의 온도 분위기에서 0.5C-4.2V로 3시간 동안 충전시켜 준비하였다. 그리고, 동일한 온도 분위기에서 배터리를 각각 방전율 0.2C, 0.5C, 1.0C, 1.5C 및 2.0C로 방전시켰다. 여기서, 1.0C는 배터리의 용량을 1시간에 방전할 수 있다는 것을 나타내고, 0.2C는 배터리의 용량을 5시간 동안 방전할 수 있다는 것을 나타낸다.For the experiment, the battery was first prepared by charging for 3 hours at 0.5C-4.2V in a temperature atmosphere of 25 ℃. And in the same temperature atmosphere, the battery was discharged by discharge rate 0.2C, 0.5C, 1.0C, 1.5C, and 2.0C, respectively. Here, 1.0C indicates that the battery capacity can be discharged in one hour, and 0.2C indicates that the battery capacity can be discharged in five hours.

도 2에서 알 수 있듯이, 방전되는 배터리의 전압은 방전율이 0.2C, 0.5C, 1.0C, 1.5C 및 2.0C일 때, 각각 약 3.60V, 약 3.50V, 약 3.40V, 약 3.30V 및 약 3.20V에서부터 용량이 급격히 떨어진다. 용량이 급격히 떨어지는 전압 이하에서도 전력을 소비하게 되면, 노트북이나 핸드폰 등의 부하는 그 즉시 셧다운되며 배터리에는 치명적인 악영향이 미친다. 예를 들면, 시스템에 배터리의 컷오프(cut off) 전압(이하 한계 전압이라 한다)을 3.6V로 정하면, 방전율이 0.2C일 때에는 이상적으로 동작하지만, 방전율이 2.0C일 때에는 용량이 남아 있는데도 불구하고 시스템의 예기치못한 셧다운을 방지하기 위해 시스템을 멈추어야 한다. 반대로, 한계 전압을 3.25V로 정하면, 방전율이 2.0C일 때에는 이상적이지만 그것보다 낮은 방전율에 대해서는 시스템을 셧다운시켜 배터리와 시스템에 치명적인 악영향을 미친다.As can be seen in Figure 2, the voltage of the discharged battery is about 3.60V, about 3.50V, about 3.40V, about 3.30V and about when the discharge rate is 0.2C, 0.5C, 1.0C, 1.5C and 2.0C, respectively The capacity drops sharply from 3.20V. When power is consumed even under a sharp drop in capacity, the load on the laptop or cell phone is shut down immediately, and the battery has a fatal adverse effect. For example, if the system's cut-off voltage (hereinafter referred to as the limit voltage) of the battery is set at 3.6 V, it will work ideally when the discharge rate is 0.2C, but the capacity remains when the discharge rate is 2.0C. The system must be stopped to prevent unexpected shutdown of the system. Conversely, setting the threshold voltage to 3.25V is ideal when the discharge rate is 2.0C, but shuts down the system for discharge rates below that, which has a catastrophic effect on the battery and the system.

따라서, 본 발명에서는 배터리의 한계 전압을 부하의 변동에 따라 유동적으로 변경 설정함으로써 배터리 및 시스템을 안정적이면서 효과적으로 운전제어할 뿐 아니라 배터리를 안정적으로 최대한 활용할 수 있다.Therefore, in the present invention, by changing the threshold voltage of the battery in accordance with the change of the load, it is possible not only to control the battery and system stably and effectively, but also to utilize the battery stably.

도 3은 도 1의 운전제어 방법에 채용된 배터리의 사이클 횟수에 따른 전류(용량)-전압 곡선을 나타내는 그래프이다.3 is a graph illustrating a current (capacity) -voltage curve according to the number of cycles of a battery employed in the driving control method of FIG. 1.

실험을 위해, 먼저 배터리를 25℃의 분위기에서 0.5C-4.2V로 3시간 동안 충전시켜 준비하였다. 그리고, 동일한 온도 분위기에서 배터리를 0.5C-4.2V로 각각 0, 50, 100, 500회 방전시켰다.For the experiment, the battery was first prepared by charging for 3 hours at 0.5C-4.2V in an atmosphere of 25 ℃. And the batteries were discharged 0, 50, 100, 500 times at 0.5C-4.2V in the same temperature atmosphere.

도 3에서 알 수 있듯이, 각 방전 회수, 0, 50, 100, 500회에 따른 배터리의 전압은 각각 약 3.35V, 약 3.25V, 약 3.20V 및 약 3.10V에서부터 용량이 급격히 떨어진다.As can be seen in Figure 3, the voltage of the battery according to the number of discharges, 0, 50, 100, 500 times, the capacity sharply drops from about 3.35V, about 3.25V, about 3.20V and about 3.10V, respectively.

따라서, 본 실시예에 따른 운전제어 방법에서는 배터리의 사이클 횟수에 상응하는 한계 전압의 보상값, 또는 보상값이 적용된 또 다른 한계 전압을 추가로 저정부에 저장하고, 개수된 사이클 횟수에 따라 배터리의 방전율이 증가되는 것을 보상하여 더욱 정밀하게 배터리의 한계 전압을 역동적으로 제어한다.Accordingly, in the operation control method according to the present embodiment, the compensation value of the limit voltage corresponding to the number of cycles of the battery, or another limit voltage to which the compensation value is applied is additionally stored in the storage unit, and the battery is stored according to the number of cycles. It compensates for the increased discharge rate and dynamically controls the limit voltage of the battery with greater precision.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 장치를 나타내는 블록도이다. 이하의 설명에서 어느 요소가 다른 요소에 결합된다고 할 때는 직접 결합되는 것과 또 다른 요소를 사이에 두고 결합되는 것을 포함한다.4 is a block diagram illustrating an operation control apparatus of a fuel cell hybrid system according to an exemplary embodiment of the present invention. In the following description, when an element is coupled to another element, the element is directly coupled to another element and is coupled to another element.

도 4를 참조하면, 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 장치(100)(이하 운전제어 장치라고 한다)는 전압검출부(110), 전류검출부(120), 세 개의 아날로그-디지털 변환기(132, 134, 136)(이하 A/D 컨버터라고 한다), 연산처리부(140), 통신 처리부(150) 및 저장부(160)를 구비한다. 또한, 운전제어 장치(100)는 배터리(200), 연료전지 장치(300), 전력분배 장치(400) 및 전기기기(500)에 결합된다.Referring to FIG. 4, the operation control apparatus 100 (hereinafter referred to as operation control apparatus) of the fuel cell hybrid system includes a voltage detector 110, a current detector 120, and three analog-to-digital converters 132, 134, and 136. (Hereinafter referred to as A / D converter), arithmetic processing unit 140, communication processing unit 150 and storage unit 160. In addition, the operation control device 100 is coupled to the battery 200, the fuel cell device 300, the power distribution device 400 and the electric device 500.

구체적으로, 전압검출부(110)는 배터리(200)의 전압을 검출한다. 전압검출부(110)는 배터리(200) 전체의 전압을 검출하거나 배터리(200) 내의 복수의 전지셀에 대하여 각각의 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 전압검출부(110)는 검출된 신호를 제1 A/D 컨버터(132)를 통해 연산처리부(140)에 제공한다. 전압검출부(110)는 통상의 전압계로 구현될 수 있다.In detail, the voltage detector 110 detects a voltage of the battery 200. The voltage detector 110 may be configured to detect a voltage of the entire battery 200 or measure respective voltages of a plurality of battery cells in the battery 200. The voltage detector 110 provides the detected signal to the calculation processor 140 through the first A / D converter 132. The voltage detector 110 may be implemented with a conventional voltmeter.

전류검출부(120)는 배터리(200)의 애노드 전극(음극)에 직렬로 접속되며, 배터리(200)에서 방전되는 전류를 검출한다. 전류검출부(120)는 검출된 신호를 제2 A/D 컨버터(134)를 통해 연산처리부(140)에 제공한다. 전류검출부(120)는 통상의 전류계로 구현될 수 있다.The current detector 120 is connected in series to an anode electrode (cathode) of the battery 200 and detects a current discharged from the battery 200. The current detector 120 provides the detected signal to the operation processor 140 through the second A / D converter 134. The current detector 120 may be implemented with a conventional ammeter.

연산처리부(140)는 전압검출부(110)와 전류검출부(120)로부터 입력되는 신호를 감지하고, 감지된 신호를 소정의 처리 루틴에 따라 처리한다. 여기서, 감지된 신호는 배터리의 방전 전류와 배터리 전압을 포함한다.The operation processor 140 detects a signal input from the voltage detector 110 and the current detector 120, and processes the detected signal according to a predetermined processing routine. Here, the detected signal includes a discharge current and a battery voltage of the battery.

상세히 설명하면, 연산처리부(140)는 감지된 방전 전류에 상응하는 한계 전압을 저장부(160)에 저장된 테이블로부터 추출한다. 다른 한편으로, 연산처리부(140)는 배터리(200)의 사이클 횟수와 감지된 방전 전류에 상응하는 한계 전압을 저장부(160)에 저장된 테이블로부터 추출한다. 또한, 연산처리부(140)는 전력분배장치(400)의 연료전지 장치(300)측 입력단과 전기기기(500)측 출력단에 인가되는 전류 및 전압을 제3 A/D 컨버터(136)를 통해 감지한다. 이것은 연료전지 장치(300) 의 출력 전력과 부하로서의 전기기기(500)의 요구 전력을 감지하기 위한 것이다. 전술한 경우, 전력분배장치(400)의 입력단과 출력단의 전력은 소정의 전류/전압 감지수단에 의해 검출될 수 있으며, 전류/전압 감지수단은 전력분배장치(400)에 내장되거나 별도로 구성될 수 있다.In detail, the operation processor 140 extracts a threshold voltage corresponding to the sensed discharge current from the table stored in the storage 160. On the other hand, the calculation unit 140 extracts a limit voltage corresponding to the number of cycles of the battery 200 and the detected discharge current from the table stored in the storage unit 160. In addition, the operation processor 140 detects the current and voltage applied to the input terminal of the fuel cell device 300 and the output terminal of the electric device 500 by the third A / D converter 136 of the power distribution device 400. do. This is for detecting the output power of the fuel cell device 300 and the required power of the electric device 500 as a load. In the above-described case, the power of the input terminal and the output terminal of the power distribution apparatus 400 may be detected by a predetermined current / voltage sensing means, and the current / voltage sensing means may be built in the power distribution apparatus 400 or may be configured separately. have.

또한, 연산처리부(140)는 한계 전압과 배터리 전압을 비교하고, 연료전지 장치(300)의 출력 전력과 전기기기(500)의 요구 전력을 비교한 후, 그 비교 결과에 따라 소정의 출력 신호를 발생시킨다. 발생된 출력 신호는 통신처리부(150)에 전달된다. 연산처리부(140)는 디지털 신호처리 장치(digital signal processing device)로 구현될 수 있으며, 이 경우 전술한 3개의 A/D 컨버터 중 하나 이상을 생략할 수 있다.In addition, the operation processor 140 compares the threshold voltage and the battery voltage, compares the output power of the fuel cell device 300 with the required power of the electric device 500, and then outputs a predetermined output signal according to the comparison result. Generate. The generated output signal is transmitted to the communication processor 150. The operation processor 140 may be implemented as a digital signal processing device, and in this case, one or more of the three A / D converters may be omitted.

전술한 출력 신호는 배터리 전압이 한계 전압 이하이고 연료전지 장치의 출력 전력이 부하의 요구 전력을 초과할 때, 배터리를 충전시키기 위한 신호이다. 혹은, 전술한 출력 신호는 감지된 배터리 전압이 한계 전압 이하이고, 연료전지 장치의 출력이 부하의 요구 전력 이하일 때, 연료전지 장치에서 부하를 분리시키고 연료전지 장치의 출력 전력으로 배터리를 충전시키기 위한 신호이다. 혹은, 전술한 출력 신호는 감지된 배터리 전압이 한계 전압 이하이고, 연료전지 장치의 출력이 부하의 요구 전력 이하일 때, 연료전지 하이브리드 시스템을 운전 중지시키기 위한 신호이다.The above-described output signal is a signal for charging the battery when the battery voltage is below the threshold voltage and the output power of the fuel cell apparatus exceeds the required power of the load. Alternatively, the above-described output signal may be used to disconnect the load from the fuel cell device and charge the battery with the output power of the fuel cell device when the detected battery voltage is less than the threshold voltage and the output of the fuel cell device is less than or equal to the required power of the load. It is a signal. Alternatively, the above-described output signal is a signal for stopping the fuel cell hybrid system when the sensed battery voltage is below the threshold voltage and the output of the fuel cell device is below the required power of the load.

통신처리부(150)는 연산처리부(140)의 출력 신호에 응답하여 제어 신호를 발생시키고, 발생된 제어 신호를 전력분배장치(400) 및/또는 전기기기(500)에 전달한 다. 또한, 통신처리부(150)는 연산처리부(140)의 출력 신호에 응답하여 경보 신호를 발생시킨다. 발생된 경보 신호는 운전제어 장치(100)에 결합된 영상 장치나 음향 장치에 전달되거나 전기기기(500)에 전달되어 전기기기(500)의 화면이나 스피커를 통해 출력된다. 통신처리부(150)는 유선 또는 무선 인터페이스를 포함한 유선 또는 무선 통신회로로 구현될 수 있다.The communication processor 150 generates a control signal in response to the output signal of the operation processor 140, and transmits the generated control signal to the power distribution device 400 and / or the electric device 500. In addition, the communication processor 150 generates an alarm signal in response to the output signal of the operation processor 140. The generated alarm signal is transmitted to an imaging device or an audio device coupled to the driving control device 100 or transmitted to the electric device 500 and output through a screen or a speaker of the electric device 500. The communication processor 150 may be implemented as a wired or wireless communication circuit including a wired or wireless interface.

저장부(160)는 배터리(200)의 방전 전류와 방전 전류에 대응하는 배터리의 한계 전압을 저장한 테이블을 구비할 수 있다. 또한, 저장부(160)는 배터리(200)의 충방전 횟수 즉 사이클 횟수를 저장할 수 있다. 저장부(160)는 연산처리부(140)에 결합되며, 램(RAM), 롬(ROM), 플래시 메모리, 하드 디스크 등의 임의의 저장장치로 구현될 수 있다. 또한, 저장부(160)는 앤드(AND), 오어(OR), 낸드(NAND), 노어(NOR) 게이트 등에 의해 구현된 논리 회로로 구현될 수 있다.The storage unit 160 may include a table storing the discharge current of the battery 200 and the limit voltage of the battery corresponding to the discharge current. In addition, the storage 160 may store the number of charge / discharge cycles, that is, the cycle number of the battery 200. The storage unit 160 is coupled to the operation processor 140 and may be implemented as any storage device such as a RAM, a ROM, a flash memory, a hard disk, or the like. In addition, the storage 160 may be implemented as a logic circuit implemented by AND, OR, NAND, NOR gate, or the like.

배터리(200)는 연료전지 장치(300)나 외부 상용 전원에 의해 재충전할 수 있는 이차전지를 포함한다. 상술한 배터리(200)는 적어도 하나의 리튬이온 이차전지로 구현될 수 있다.The battery 200 includes a rechargeable battery that can be recharged by the fuel cell device 300 or an external commercial power source. The battery 200 may be implemented with at least one lithium ion secondary battery.

배터리(200)가 직렬 접속된 복수개의 리튬이온 이차전지로 이루어지는 경우, 배터리(200)의 충전시, 각각의 이차전지가 충전 전류에 서로 다르게 반응할 수 있으므로, 배터리(200)에는 각 이차전지의 충전 전압을 독립적으로 검출할 수 있는 전압검출부(110)가 결합될 수 있다. 이 경우, 배터리(200) 내의 특정 이차전지의 불량을 감지할 수 있으므로 배터리(200)의 상태를 더욱 정확하게 파악할 수 있다는 이점이 있다.When the battery 200 is composed of a plurality of lithium ion secondary batteries connected in series, each of the secondary batteries may react differently to the charging current when the battery 200 is charged. The voltage detector 110 capable of independently detecting the charging voltage may be combined. In this case, since the failure of a specific secondary battery in the battery 200 can be detected, there is an advantage that the state of the battery 200 can be more accurately identified.

전기기기(500)는 배터리(200) 또는 연료전지 장치(300)의 전기 에너지를 사용하는 전기적 부하를 말한다. 전기기기(500)는 노트북, 핸드폰, 가정용 전기기기 와 같이 전기를 사용하는 모든 기기를 포함한다. 또한, 전기기기(500)는 운전제어 시스템(100)의 통신처리부(150)와 결합되며, 통신처리부(150)의 제어 신호 또는 경보 신호를 받고, 그 신호에 응답하여 화면이나 스피커에 경고 신호를 출력할 수 있는 기기를 포함한다.The electric device 500 refers to an electrical load using electric energy of the battery 200 or the fuel cell device 300. The electric device 500 includes all devices that use electricity, such as a laptop, a mobile phone, and a home electric appliance. In addition, the electrical device 500 is coupled to the communication processing unit 150 of the operation control system 100, receives a control signal or an alarm signal of the communication processing unit 150, and in response to the signal to the warning signal to the screen or speaker It includes a device capable of outputting.

도 5는 도 4의 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 장치에 결합되는 전력분배 장치의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다.FIG. 5 is a diagram schematically illustrating an example of a power distribution device coupled to an operation control device of the fuel cell hybrid system of FIG. 4.

도 5를 참조하면, 전력분배 장치(400)는 스위칭부(410, 420), 전류/전압 검출부(432, 434, 436, 438) 및 전력변환부(440)를 구비한다.Referring to FIG. 5, the power distribution device 400 includes switching units 410 and 420, current / voltage detectors 432, 434, 436 and 438, and a power converter 440.

스위칭부(410, 420)는 연산처리부에 의해 제어되며, 배터리와 연료전지 장치 중 적어도 어느 하나의 전력을 전기기기에 공급하도록 결합된다. 스위칭부(410, 420)는 반도체 스위치, 예컨대, 트랜지스터나 사이리스터로 구현될 수 있다.The switching units 410 and 420 are controlled by the operation processor and are coupled to supply electric power to at least one of a battery and a fuel cell device. The switching units 410 and 420 may be implemented as semiconductor switches, for example, transistors or thyristors.

전류/전압 검출부(432, 434, 436, 438)는 기존의 전압계 및 전류계로 구현된다. 전류/전압 검출부는 연료전지 장치의 출력 전력을 검출하고, 부하로서의 전기기기의 요구 전력을 검출하며, 검출된 신호를 A/D 컨버터를 통해 연산처리부에 전달한다.The current / voltage detectors 432, 434, 436, and 438 are implemented with conventional voltmeters and ammeters. The current / voltage detector detects the output power of the fuel cell device, detects the required power of the electric device as a load, and transfers the detected signal to the calculation processing unit through the A / D converter.

전력변환부(440)는 연료전지 장치의 출력 전력을 전기기기에서 사용하기 적합한 레벨 및/또는 방식으로 변환한다. 전력변환부(440)는 연료전지 장치의 직류를 다른 레벨의 직류로 변환하는 DC/DC 컨버터 또는 연료전지 장치의 직류를 교류로 변환하는 DC/AC 컨버터로 구현될 수 있다.The power converter 440 converts the output power of the fuel cell device to a level and / or a manner suitable for use in an electric device. The power converter 440 may be implemented as a DC / DC converter for converting the direct current of the fuel cell device to a different level of direct current or a DC / AC converter for converting the direct current of the fuel cell device to AC.

도 6은 도 4의 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 장치의 연료전지 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.FIG. 6 is a view schematically illustrating a fuel cell device of an operation control apparatus of the fuel cell hybrid system of FIG. 4.

도 6을 참조하면, 연료전지 장치(300)는 전기발생부(310), 연료탱크(320), 연료펌프(330), 연료개질장치(340) 및 산화제공급장치(350)를 구비한다.Referring to FIG. 6, the fuel cell apparatus 300 includes an electricity generator 310, a fuel tank 320, a fuel pump 330, a fuel reformer 340, and an oxidant supply device 350.

연료탱크(320)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등의 탄화수소 계열의 연료를 저장한다. 연료펌프(330)는 연료탱크(320)에 저장된 연료를 전기발생부(310)의 애노드에 공급한다. 연료개질장치(340)는 연료를 개질하여 전기발생부(310)에 수소가 풍부한 개질 가스를 공급한다. 연료개질장치(340)는 전기발생부(310)가 직접 메탄올형 연료전지 방식인 경우에 생략될 수 있다. 산화제공급장치(350)는 전기발생부(310)의 캐소드에 공기 또는 산소 등의 산화제를 공급하며, 공기 펌프나 송풍장치로 구현될 수 있다.The fuel tank 320 stores hydrocarbon-based fuels such as methanol, ethanol, and natural gas. The fuel pump 330 supplies fuel stored in the fuel tank 320 to the anode of the electricity generator 310. The fuel reformer 340 reforms the fuel to supply reformed gas rich in hydrogen to the electricity generator 310. The fuel reformer 340 may be omitted when the electricity generating unit 310 is a direct methanol fuel cell method. The oxidant supply device 350 supplies an oxidant such as air or oxygen to the cathode of the electricity generator 310 and may be implemented as an air pump or a blower.

전술한 전기발생부(310)를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 전기발생부(310)는 복수의 단위 전지가 적층된 연료전지 스택으로 구현될 수 있다. 전기발생부(310)는 전해질막(311)과, 이 전해질막(311)의 양면에 접합되는 애노드 전극(313) 및 캐소드 전극(315)으로 이루어진 막-전극 어셈블리를 구비한다. 복수개의 막-전극 어셈블리는 애노드 전극(313)과 캐소드 전극(315)에 연료 및 산화제를 독립적으로 공급하는 세퍼레이터(seperator)(317, 319) 또는 바이폴라 플레이트를 게 재하고 적층된다.Referring to the above-described electricity generating unit 310 in more detail as follows. The electricity generating unit 310 may be implemented as a fuel cell stack in which a plurality of unit cells are stacked. The electricity generation unit 310 includes an electrolyte membrane 311 and a membrane-electrode assembly including an anode electrode 313 and a cathode electrode 315 bonded to both surfaces of the electrolyte membrane 311. The plurality of membrane-electrode assemblies are stacked with separators 317 and 319 or bipolar plates that independently supply fuel and oxidant to the anode electrode 313 and the cathode electrode 315.

전해질막(311)은 애노드 전극(313)에서 발생된 수소이온을 캐소드 전극(315)에 전달하는 이온교환의 기능과 함께 기상 또는 액상의 연료의 투과를 방지하는 장벽 기능을 구비한다. 전해질막(311)은 고분자막으로서 약 50~200㎛ 정도의 두께를 갖는다.The electrolyte membrane 311 has a function of ion exchange to transfer hydrogen ions generated from the anode electrode 313 to the cathode electrode 315 and has a barrier function to prevent permeation of fuel in the gas phase or liquid phase. The electrolyte membrane 311 is a polymer membrane and has a thickness of about 50 to 200 μm.

전술한 전해질막(311)은 높은 양이온전도성, 전자전도에 대한 높은 저항성, 가스투과에 대한 높은 장벽성, 높은 화학적 안정성, 기계적 강도, 크기 안정성, 내열성 등의 특성을 적절히 갖춘 재료로부터 선택되는 것이 바람직하다.The above-described electrolyte membrane 311 is preferably selected from materials having appropriate properties such as high cationic conductivity, high resistance to electron conductivity, high barrier resistance to gas permeation, high chemical stability, mechanical strength, size stability, heat resistance, and the like. Do.

예를 들면, 전해질막(311)으로는 불소계 전해질막의 일종인 퍼플루오로술폰산계의 이온교환막이나 탄화수소계 전해질막 또는 풀러렌(fullerene) 전해질막이 사용된다. 예컨대, 전해질막(232)으로는 PTEE 직포나 PTEE 다공막 등을 퍼플루오르 카본술폰산(PFSA) 고분자막 속에 매입시킨 것이나, PTEE 섬유를 PFSA 고분자막에 첨가하여 막을 형성한 것이나, 폴리테트라플루오로에틸렌(테플론) 다공체에 PFSA를 충전한 고어(Gore)막이나, 백금 미립자를 고분산 담지한 백금-고분자 전해질막이 사용될 수 있다.For example, a perfluorosulfonic acid ion exchange membrane, a hydrocarbon electrolyte membrane, or a fullerene electrolyte membrane is used as the electrolyte membrane 311. For example, as the electrolyte membrane 232, a PTEE woven fabric or a PTEE porous membrane is embedded in a perfluorocarbon sulfonic acid (PFSA) polymer membrane, or a membrane is formed by adding PTEE fibers to a PFSA polymer membrane, or polytetrafluoroethylene (Teflon). ) A Gore membrane filled with PFSA in the porous body or a platinum-polymer electrolyte membrane having high dispersion of platinum fine particles can be used.

애노드 전극(313)은 연료로부터 수소이온(proton)을 얻어내는 기능을 한다. 애노드 전극(313)은 연료를 산화 반응시켜 수소 이온과 전자 등으로 변환시키는 촉매층(catalyst layer)과, 세퍼레이터(317, 319)를 통해 공급되는 연료를 비교적 균일하게 촉매층에 전달하는 확산층(diffusion layer)을 구비한다. 전술한 애노드 전극(313)의 확산층은 카본 레이어(carbon layer)와 백킹 레이어(backing layer)로 구현되고, 카본 레이어는 마이크로포러스 레이어(microporous layer)가 도포된 층으로, 백킹 레이어는 카본 천(carbon cloth)으로 구현될 수 있다. 그리고 전술한 카본 레이어는 연료의 균일한 분배, 촉매층에 대한 우수한 전자전도, 촉매층 내의 소정량의 물 유지 등의 기능을 하며, 전술한 백킹 레이어는 충분한 양의 연료를 공급하면서 이산화탄소의 배출을 용이하게 하는 적절한 크기의 세공(pore)을 구비한다.The anode electrode 313 functions to obtain hydrogen ions from the fuel. The anode electrode 313 is a catalyst layer that oxidizes fuel to convert hydrogen ions and electrons, and a diffusion layer that delivers fuel supplied through the separators 317 and 319 to the catalyst layer relatively uniformly. It is provided. The diffusion layer of the anode electrode 313 is implemented by a carbon layer and a backing layer, the carbon layer is a layer coated with a microporous layer, and the backing layer is carbon cloth. cloth). In addition, the above-described carbon layer functions to uniformly distribute the fuel, excellent electron conduction to the catalyst layer, and maintain a predetermined amount of water in the catalyst layer, and the above-described backing layer easily discharges carbon dioxide while supplying a sufficient amount of fuel. Is provided with pores of the appropriate size.

캐소드 전극(315)은 수소이온(proton)을 산소와 반응시켜 열과 물을 얻어내는 기능을 한다. 캐소드 전극(315)은 전해질막(311)을 통해 이동해 온 수소이온과 외부 전선을 통해 이동해 온 전자를 산화제, 예컨대, 공기 중의 산소와 반응시키는 촉매층과, 공기 중의 산소를 비교적 균일하게 촉매층에 공급하고 부산물로서 생성되는 물을 효과적으로 배출하기 위한 확산층을 구비한다. 캐소드 전극(315)의 확산층은 애노드 전극(313)의 확산층과 실질적으로 동일하게 제작된다.The cathode electrode 315 functions to react hydrogen ions (proton) with oxygen to obtain heat and water. The cathode electrode 315 supplies a catalyst layer for reacting hydrogen ions moved through the electrolyte membrane 311 and electrons moved through an external electric wire with an oxidant, for example, oxygen in the air, and oxygen in the air to the catalyst layer relatively uniformly. And a diffusion layer for effectively discharging the water produced as a by-product. The diffusion layer of the cathode electrode 315 is fabricated substantially the same as the diffusion layer of the anode electrode 313.

한편, 전해질막(311)과 접하는 강산성 분위기에서 연료의 산화에 사용할 수 있는 전극촉매로는 화학적인 안정성 측면에서 백금족 금속이 유력하고 촉매활성이라는 관점에서 백금(Pt)이 바람직하다. 따라서, 캐소드 전극(315)의 전극촉매로는 카본 담지된 백금 촉매나, 비담지된 백금 블랙 촉매가 사용하기 적합하다.On the other hand, as an electrode catalyst that can be used for the oxidation of fuel in a strongly acidic atmosphere in contact with the electrolyte membrane 311, platinum (Pt) is preferable from the viewpoint of the chemical stability and the viewpoint that the platinum group metal is strong and catalytically active. Therefore, as the electrode catalyst of the cathode electrode 315, a carbon supported platinum catalyst or an unsupported platinum black catalyst is suitable for use.

하지만, 애노드 전극(313)에 사용되는 백금은 피독이 심하여 실용적이지 못하다. 다시 말해서 백금의 피독은 연료전지의 반응 과정에서 생성되는 일산화탄소(CO)나 HCO(또는 COH)가 백금 표면에 강흡착하여 활성점을 차단하고, 그것에 의해 촉매활성이 저하되기 때문이다. 한편, 백금에 주석(Sn), 루테늄(Ru), 레늄(Re), 몰 리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir) 등의 금속원소를 첨가하면, 메탄올산화의 비활성이 향상되는 것이 알려져 있다. 따라서, 애노드 전극(313)의 전극촉매로는 상기 금속원소 중 가장 활성에 유리한 백금-루테늄(Pt-Ru)계의 2성분 촉매를 사용하는 것이 바람직하다. 예컨대, 애노드 전극(313)의 전극촉매로는 카본 담지된 백금-루테늄 촉매나 비담지된 백금-루테늄 블랙 촉매가 사용된다. 다른 한편으로, 애노드 전극(313)의 전극촉매로는 백금-루테늄 촉매의 활성을 향상시키기 위해 백금-루테늄에 텅스턴(W)이나 몰리브덴(Mo)을 첨가한 촉매를 사용할 수 있다.However, platinum used for the anode electrode 313 is severely poisoned and is not practical. In other words, the poisoning of platinum is because carbon monoxide (CO) or HCO (or COH) generated during the reaction of the fuel cell is strongly adsorbed on the surface of the platinum to block the active site, thereby degrading the catalytic activity. On the other hand, when metal elements such as tin (Sn), ruthenium (Ru), rhenium (Re), molybdenum (Mo), osmium (Os) and iridium (Ir) are added to platinum, the inertness of methanol oxidation is improved. It is known. Therefore, it is preferable to use a platinum-ruthenium (Pt-Ru) -based two-component catalyst as the electrode catalyst of the anode electrode 313 which is most advantageous among the metal elements. For example, a carbon-supported platinum-ruthenium catalyst or an unsupported platinum-ruthenium black catalyst is used as the electrode catalyst of the anode electrode 313. On the other hand, as the electrode catalyst of the anode electrode 313, a catalyst in which tungsten (W) or molybdenum (Mo) is added to platinum-ruthenium may be used to improve the activity of the platinum-ruthenium catalyst.

한편, 연료전지 장치의 출력 전압에 대한 프로파일과 배터리의 방전 전압에 대한 프로파일이 달라 두 장치를 서로 조합하는 것이 어렵다. 또한, 연료전지 장치와 배터리의 출력 전압을 조합하기 위해서는 추가적으로 고가의 제어 장치가 필요하며, 그러한 고가의 제어 장치를 탑재한 시스템은 구성이 복잡하다. 따라서, 전술한 실시예에서는 연료전지 장치와 배터리의 출력 전압을 조합하는 예는 생략하고 부하의 고전력 요구시 배터리만으로 부하를 담당하는 구성을 바람직한 실시예로 설명하였다.On the other hand, it is difficult to combine the two devices with each other because the profile of the output voltage of the fuel cell device and the profile of the discharge voltage of the battery are different. In addition, in order to combine the output voltage of the fuel cell device and the battery, an additional expensive control device is required, and a system equipped with such an expensive control device is complicated in construction. Therefore, in the above-described embodiment, a combination of the output voltages of the fuel cell device and the battery is omitted, and a configuration in which the load is performed by the battery only when the high power of the load is required is described as a preferred embodiment.

또 한편, 상술한 실시예에서 명확하게 언급하지 않았지만, 배터리의 방전 전류 및 전압을 감지하는 단계는 방전 전류 및 전압 중 어느 하나를 먼저 감지하거나 두개를 동시에 감지하는 것을 포함한다. 그리고 상술한 실시예의 전류/전압 검출부는 배터리의 방전 전류 및 전압을 직접 또는 간접적으로 감지할 수 있다면 어떠한 위치에서 설치가능하다.On the other hand, although not explicitly mentioned in the above-described embodiment, the step of detecting the discharge current and the voltage of the battery includes detecting either one of the discharge current and the voltage first or both at the same time. The current / voltage detector of the above-described embodiment can be installed at any position as long as it can directly or indirectly detect the discharge current and voltage of the battery.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.

본 발명에 의하면, 연료전지 하이브리드 시스템에서 배터리가 한계 용량 이하로 방전되는 것을 용이하게 방지함으로써 시스템의 예기치못한 셧다운을 예방하고 배터리를 보호할 수 있다.According to the present invention, it is possible to easily prevent the battery from discharging below the limit capacity in the fuel cell hybrid system, thereby preventing unexpected shutdown of the system and protecting the battery.

Claims (17)

연료전지 장치 및 배터리 중 적어도 하나의 전력을 부하에 공급하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법에 있어서,In the operation control method of a fuel cell hybrid system for supplying power to at least one of the fuel cell device and the battery, (a) 배터리의 방전 전류를 감지하는 단계;(a) detecting a discharge current of the battery; (b) 상기 감지된 방전 전류에 상응하는 상기 배터리의 한계 전압을 추출하는 단계;(b) extracting a threshold voltage of the battery corresponding to the sensed discharge current; (c) 상기 배터리의 전압을 감지하는 단계; 및(c) sensing the voltage of the battery; And (d) 상기 감지된 배터리 전압이 상기 한계 전압 이하일 때, 상기 연료전지 장치의 출력 전력과 상기 부하의 요구 전력을 비교하여 상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계를 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법.and controlling the charging and discharging of the battery by comparing the output power of the fuel cell device with the required power of the load when the sensed battery voltage is less than or equal to the threshold voltage. Way. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 (d)단계는, 상기 감지된 배터리 전압이 상기 한계 전압 이하이고, 상기 연료전지 장치의 출력이 상기 부하의 요구 전력 이하일 때, 상기 연료전지 하이브리드 시스템을 운전 중지시키는 단계를 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법.The fuel cell hybrid may include stopping the fuel cell hybrid system when the sensed battery voltage is less than the threshold voltage and the output of the fuel cell device is less than or equal to the required power of the load. Operation control method of system. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 운전 중지에 대한 경보 신호를 출력하는 단계를 추가적으로 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법.And outputting an alarm signal for stopping operation of the fuel cell hybrid system. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 (d)단계는 상기 감지된 배터리 전압이 상기 한계 전압 이하이고, 상기 연료전지 장치의 출력 전력이 상기 부하의 요구 전력을 초과할 때, 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법.The step (d) of the fuel cell hybrid system comprising the step of charging the battery when the sensed battery voltage is less than the threshold voltage, the output power of the fuel cell device exceeds the required power of the load Operation control method. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 (d)단계는 상기 감지된 배터리 전압이 상기 한계 전압 이하이고, 상기 연료전지 장치의 출력이 상기 부하의 요구 전력 이하일 때, 상기 연료전지 장치에서 상기 부하를 분리시키는 단계, 및 상기 연료전지 장치의 출력 전력으로 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법.In the step (d), when the sensed battery voltage is less than the threshold voltage and the output of the fuel cell device is less than or equal to the required power of the load, separating the load from the fuel cell device, and the fuel cell device And charging the battery with an output power of the fuel cell hybrid system. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 연료전지 장치에서 상기 부하를 분리시키는 것에 대한 경보 신호를 출력하는 단계를 추가적으로 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법.And outputting an alarm signal for disconnecting the load from the fuel cell device. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 (a)단계는 상기 배터리의 방전시에만 상기 방전 전류를 측정하는 단계인 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법.Wherein (a) is a step of measuring the discharge current only when the battery discharge operation control method of a fuel cell hybrid system. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 7, 상기 (b)단계는,In step (b), (b1) 상기 방전 전류로부터 상기 배터리의 방전율을 산출하는 단계; 및calculating a discharge rate of the battery from the discharge current; And (b2) 상기 방전율에 상응하는 상기 한계 전압을 기저장된 테이블에서 추출하는 단계를 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법.(b2) extracting the threshold voltage corresponding to the discharge rate from a pre-stored table. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 (b1)단계는 상기 배터리의 사이클 열화에 의한 방전율 저하를 보상하는 단계를 추가적으로 포함하는 연료전지 하이브리드 시스템의 운전제어 방법.The step (b1) further comprises the step of compensating for the discharge rate decrease by the cycle deterioration of the battery. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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