KR101433693B1 - 연료 전지 시스템을 시동시키기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템을 시동시키기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 간략히 설명하면, 시동 프로세스 동안 연료와 산화제 사이의 전기화학적 반응을 시작시키기 위한 일 실시예는 정상적인 동작 조건 동안 공칭 전압을 출력하도록 동작가능하고 시동 프로세스 동안 감소된 시동 전압을 출력하도록 동작가능한 연료 전지 스택을 포함하고, 연료 전지 스택의 동작을 지원하고, 공칭 전압에서 연료 전지 스택에 의해 소싱받을 때 공칭 출력에서 동작가능하고, 감소된 시동 전압에서 연료 전지 스택에 의해 소싱받을 때 감소된 출력에서 동작가능한 적어도 하나의 BOP 디바이스를 포함하다. BOP 디바이스들은 제어 시스템, 연료 또는 공기 공급 시스템들, 냉각 시스템과 같은, 연료 전지 시스템의 동작에 기여하는 부하들이다.

Description

연료 전지 시스템을 시동시키기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD OF STARTING A FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 일반적으로 전력 시스템들에 관한 것이며, 특히 연료 전지 스택 시동 시스템(fuel cell stack start-up system)들에 관한 것이다.
전기화학적 연료 전지들은 반응물들, 즉, 연료 및 산화제 유체 스트림(fuel and oxidant fluid stream)들을 변환하여, 전력 및 반응 생성물(reaction product)들을 생성한다. 전기화학적 연료 전지들은 일반적으로 2개의 전극들, 즉, 캐소드(cathode)와 애노드(anode) 사이에 배치된 전해질을 이용한다. 전해질과 전극들 사이의 경계면들에 배치된 전극촉매(electrocatalyst)는 전형적으로 전극들에서 희망하는 전기화학적 반응들을 유도한다. 전극촉매의 위치는 일반적으로 전기화학적으로 활성 영역을 규정한다.
하나의 유형의 전기화학적 연료 전지는 양성자 교환 막(proton exchange membrane; PEM) 연료 전지이다. PEM 연료 전지들은 일반적으로 2개의 전극들 사이에 배치된 고체 폴리머 전해질 또는 이온-교환 막을 포함하는 막 전극 어셈블리(membrane electrode assembly; MEA)를 이용한다. 각각의 전극은 전형적으로 막에 구조적인 지지체를 제공하고 유체 확산 층의 역할을 하는 탄소 섬유지(carbon fiber paper) 또는 탄소 천(carbon cloth)과 같은, 다공성의 전기 전도성 기판을 포함한다. 막은 이온 전도적이고, 전형적으로 양성자 전도적이며, 반응물 스트림들을 서로 격리시키기 위한 배리어(barrier) 및 2개의 전극들 사이의 전기적 절연체의 역할을 한다. 전형적인 상업적 PEM은 상업 명칭 NAFION® 하에서 E.I du Pont de Nemours and Company에 의해 판매된 술폰화된 과불화탄소 막(sulfonated perfluorocarbon membrane)이다. 전극촉매는 전형적으로 귀금속 조성(예를 들면, 백금 메탈 블랙(platinum metal black) 또는 이의 합금)이며, 적합한 지지체 상에 제공될 수 있다(예를 들면, 탄소 블랙 지지체 상에 지지된 미세한 백금 입자들).
연료 전지에서, MEA는 전형적으로 연료 스트림에 실질적으로 침투불가능한 2개의 분리판(separator plate)들 사이에 개재된다. 판들은 전형적으로 전류 컬렉터(current collector)들의 역할을 하고, MEA에 대한 지지체를 제공한다. 게다가, 판들은 내부에 연료 채널(fuel channel)들이 형성될 수 있고, 각각의 다공성 전극들에 연료 스트림들에 대한 액세스를 제공하고 연료 전지의 동작 동안 형성된 반응 생성물들의 제거를 제공하는 유로판(flow field plate)들의 역할을 한다.
연료 전지 스택에서, 어셈블리(assembly)의 전체 출력 전력을 증가시키기 위해 복수의 연료 전지들이 전형적으로 직렬로 서로 연결된다. 이와 같은 배열에서, 주어진 분리판의 일 측은 하나의 전지에 대한 애노드 유로판의 역할을 할 수 있고, 분리판의 타 측은 인접한 전지에 대한 캐소드 유로판의 역할을 할 수 있다. 이 배열에서, 판들은 바이폴라 판들이라고 칭해질 수 있다. 전형적으로, 복수의 입구 포트(inlet port)들, 공급 매니폴드(supply manifold)들, 배기 매니폴드(exhaust manifold)들 및 출구 포트(outlet port)들이 연료를 유로판들의 연료 채널들로 지향시키기 위해 이용된다. 공급 및 배기 매니폴드들은 유로판들에 형성된 정렬된 개구(opening)들을 통하여 확장되는 내부 매니폴드들일 수 있거나, 유로판들의 에지(edge)들에 부착된 외부 또는 에지 매니폴드들을 포함할 수 있다.
연료와 교환가능하게 칭해지는 광범위한 반응물들이 PEM 연료 전지들에서 이용될 수 있다. 예를 들면, 연료는 실질적으로 순 수소 가스, 가스 수소를 함유하는 개질 스트림(gaseous hydrogen-containing reformate stream), 또는 직접적인 메탄올 연료 전지에서의 메탄올일 수 있다. 반응물은 예를 들면, 실질적으로 순 산소 또는 공기와 같은 희석된 산소 스트림일 수 있다.
PEM 연료 전지의 정상적인 동작 동안, 연료의 수소가 애노드 측 상에서 전기화학적으로 환원되어, 양성자들, 전자들, 및 아마도 이용된 연료에 따라 다른 종들의 생성을 야기한다. 양성자들은 자신들이 생성되는 반응 장소들로부터 막을 통하여 전도되어, 캐소드 측 상의 산화제의 산소와 전기화학적으로 반응한다. 전자들은 외부 회로를 통해 이동하여 이용가능한 전력을 제공하고 나서, 캐소드 측 상의 산소 및 양성자들과 반응하여 물을 생성한다.
시동 프로세스에 영향을 주는 하나의 중요한 팩터(factor)는 시동 프로세스가 개시될 때의 연료 전지들의 초기 온도이다. 연료 전지들이 상대적으로 콜드(cold)일 때, 전기화학적 반응 프로세스가 매우 비효율적이다. 시동 프로세스를 촉진시키기 위해 시동 동안 연료 전지들에 열을 제공하기 위한 조치들을 취하는 것이 공지되어 있다. 예를 들면, 연료 전지들에 열을 제공하기 위해 보조 히터 디바이스(auxiliary heater device)가 이용될 수 있다. 상대적으로 높은 전력 손실들을 통하여 연료 전지들 내에서 열을 내부적으로 생성하기 위해 연료 전지들을 감소된 전압에서 동작시키는 것이 또한 공지되어 있다.
종래의 연료 전지 스택들, 및 이들의 연관된 개별적인 연료 전지들은 정상적인 동작 조건들 동안, 상대적으로 높은 최소 스택, 전지, 및/또는 각각의 연료 전지 전압에서 동작한다. 예를 들면, 일부 자동차 애플리케이션들에서, 연료 전지 스택은 300 암페어에서 250 볼트(V)의 공칭 출력 전압을 제공한다. 연료 전지 스택의 개별적인 직렬로 연결된 연료 전지들은 정상적인 동작 조건들 동안 연료 전지 당 대략 0.5 볼트의 공칭 전압을 출력한다.
그러나, 콜드 시동 프로세스(cold start-up process), 특히, 영하의 시동 동안, 분극 곡선(polarization curve)들은 정상적인 동작 동안 연료 전지들로부터 제공된 분극 곡선들보다 상당히 더 낮다. 예를 들면, 연료 전지 스택은 콜드 온도들에서는 250 볼트의 동작 스택 전압에서 100 암페어의 출력 전류를 제공할 수 있고, 정상적인 동작 온도들에서는 250 볼트에서 200 암페어의 출력 전류를 제공할 수 있다.
연료 전지 스택의 시동 프로세스가 진행됨에 따라, 스택 및 개별적인 연료 전지 분극 곡선들은 상술된 시동 분극 곡선들로부터 정상적인 동작 분극 곡선들로 상승한다. 따라서, 정상적인 동작 조건들 동안 충분한 전압 및 전류가 연료 전지 스택으로부터 이용가능하기 이전에, 시동 프로세스 동안 시간 기간이 필요하다.
그러나, 연료 전지 시스템의 동작을 지원하는 다양한 BOP(balance of plant) 디바이스들은 항상 시동 동안 연료 전지 스택에 의해 제공된 감소된 전압들에서의 동작을 위해 설계되지는 않는다. BOP 디바이스의 일례는 정상적인 동작 조건들 동안 공칭 전압 범위에서 소싱(sourcing)받거나 전력공급 받을 때 연료 전지들에 공칭 레이트(nominal rate)의 공기흐름(airflow)을 제공하는 산화제 공급 디바이스, 예를 들면, 블로우어(blower), 팬(fan) 또는 공기 압축기이다. 또 다른 예는 공칭 전압 범위에서 소싱받을 때 공칭 레이트에서 연료 전지 스택을 통해 냉각제를 순환시키는 냉각제 펌프(coolant pump)이다. 부가적인 예는 공칭 전압 범위에서 소싱받을 때 공칭 레이트에서 연료 전지들로 연료 스트림을 재순환시키는 애노드 재순환 펌프이다. 상술된 BOP 디바이스들은 연료 전지 동작에 대해 필수적이다. 따라서, 충분한 전압 및 전류가 연료 전지 스택으로부터 이용가능하기 이전의 시동 프로세스 동안, 이들 BOP 디바이스들은 배터리(battery), 울트라커패시터(ultracapacitor), 및/또는 상대적으로 작은 연소 엔진(combustion engine)과 같은 보조 전원으로부터 소싱받는다. 그러나, 이와 같은 보조 전원들은 특히 콜드일 때 자신들의 출력 전류 및/또는 에너지 용량이 제한됨으로써, BOP 디바이스들의 수를 제한하고/제한하거나 BOP 디바이스들이 소싱받을 수 있는 시간을 제한할 수 있다.
더욱이, 충분한 전압 및 전류가 연료 전지 스택으로부터 이용가능하기 이전의 시동 프로세스 동안, 다른 시스템 부하들이 또한 보조 전원으로부터의 전력을 필요로 할 수 있다. 그렇지 않은 경우에, 다른 시스템 부하들은 연료 전지 스택이 이러한 시스템 부하들에 소싱하기 위해 충분한 전압 및 전류를 제공할 수 있을 때까지 오프(off)로 유지되어야 한다. 예를 들면, 일부 자동차 애플리케이션들에서, 전기 객실 히터가 객실을 가열하기 위해 이용된다. 시동 조건들 동안, 객실 히터는 보조 전원으로부터 다르게 소싱받지 않는다면, 동작될 수 없다. 객실 히터에 의해 인출된 높은 전류 때문에, 제한된 용량의 보조 전원으로부터 객실 히터에 소싱하는 것이 실용적이지 않을 수 있다. 따라서, 콜드 연료 전지 스택의 시동 프로세스에 대한 기간을 감소시키는 것이 바람직할 것이다.
이 분야에서 진보들이 존재하였을지라도, 연료 전지 스택 시동 프로세스의 효율을 증가시키는 것에 대한 요구가 당업계에서 남아 있다. 본 발명은 이러한 요구들을 처리하고, 부가적인 관련된 장점들을 제공한다.
본 발명의 목적은 연료 전지 스택 시동 프로세스의 효율을 증가시키기 위한 연료 전지 스택 시동 시스템을 제공하는 것이다.
연료 전지 시스템을 시동시키기 위한 시스템 및 방법이 개시되어 있다. 간략히 설명하면, 하나의 양태에서, 일 실시예는 정상적인 동작 조건 동안 공칭 전압을 출력하도록 동작가능하고 시동 프로세스 동안 감소된 시동 전압을 출력하도록 동작가능한 연료 전지 스택, 및 연료 전지 스택의 동작을 지원하는 적어도 하나의 BOP 디바이스를 포함하는, 시동 프로세스 동안 연료와 산화제 사이의 전기화학적 반응을 시작시키기 위한 시스템으로서 요약될 수 있다. BOP 디바이스는 공칭 전압에서 연료 전지 스택에 의해 소싱받을 때 공칭 출력에서 동작가능하고, 감소된 시동 전압에서 연료 전지 스택에 의해 소싱받을 때 감소된 출력에서 동작가능하다.
또 다른 양태에서, 일 실시예는 시동 프로세스 동안 연료 전지 스택 내로 연료를 주입하는 단계; 시동 프로세스 동안 연료 전지 스택으로부터 감소된 시동 전압에서의 전력을 수신하는 단계로서, 상기 감소된 시동 전압은 연료 전지 스택의 공칭 전압보다 더 작은, 상기 감소된 시동 전압에서의 전력 수신 단계; 감소된 시동 전압에서의 전력을 적어도 하나의 BOP 디바이스에 소싱하는 단계; 및 감소된 시동 전압에서의 소싱에 응답하여 적어도 하나의 BOP 디바이스를 감소된 출력에서 동작시키는 단계를 포함하는, 연료 전지 시스템을 시동시키기 위한 방법으로서 요약될 수 있다.
또 다른 양태에서, 일 실시예는 제 1 분극 곡선에 의해 특징지워지는 전기화학적 반응을 시작시키기 위해 초기에 연료 전지 스택 내로 연료를 주입하는 단계, 및 연료 전지 스택 내에서 열을 생성하기 위해 제 1 분극 곡선 상의 감소된 전압에서 제 1 BOP 디바이스에 소싱하는 단계를 포함하는, 연료 전지 스택을 시작시키기 위한 방법으로서 요약될 수 있다.
도면들에서, 유사한 요소들 또는 동작들에는 동일한 참조 번호들이 병기된다. 도면들에서의 요소들의 크기들 및 상대적인 위치들은 반드시 크기대로 도시되어 있지는 않다. 예를 들면, 다양한 요소들 및 각도들의 형상들이 크기대로 도시되어 있지 않고, 이러한 요소들 중 일부가 도면 가독성(drawing legibility)을 개선시키기 위해 임의적으로 확대 및 포지셔닝(positioning)된다. 또한, 도시된 바와 같은 요소들의 특정 형상들은 특정 요소들의 실제 형상에 관한 임의의 정보를 전달하고자 하는 것이 아니며, 도면들에서 단지 인식의 용이함을 위해 선택되었다.
도 1은 전력 시스템의 일 예시적인 실시예의 개략도.
도 2는 전력 시스템의 정상적인 동작 동안의 연료 전지 스택의 동작 포인트들을 도시한 분극 곡선의 그래프.
도 3은 선택된 BOP 디바이스가 감소된 시동 분극 곡선에서 소싱받는 연료 전지 스택의 시동 프로세스의 초기 단계들 동안의 동작 포인트들을 도시한 분극 곡선의 그래프.
도 4는 시동 승압 변환기(start-up boost converter) 및 선택적인 바이패스 회로(bypass circuit)를 이용하는 연료 전지 시스템의 일 대안적인 실시예의 개략도.
도 5 및 도 6은 연료 전지 시스템을 시동시키기 위한 프로세스의 실시예들을 도시한 흐름도들.
다음의 설명에서, 다양한 실시예들의 철저한 이해를 제공하기 위해 특정한 구체적인 세부사항들이 설명된다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 세부사항들 없이 실행될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 다른 경우들에서, 연료 전지들, 연료 전지 시스템들, 제어기들, 제어 시스템들, BOP, 전력 변환기들, 제어기들 및/또는 게이트 드라이브(gate drive)들과 연관된 널리-공지된 구조들은 실시예들의 설명들을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해 상세히 도시 및 설명되지 않았다.
상황이 다르게 필요로 하지 않는다면, 다음의 명세서 및 청구항들 전체에 걸쳐, 단어 "포함하다(comprise)" 및 "포함하다(comprises)"와 "포함하는(comprising)"과 같은, 이의 변형들은 개방적인 의미로서, 즉, "~를 포함하지만, 이에 제한되지 않는 것(including, but not limited to)"으로서 해석되어야 한다.
"하나의 실시예(one embodiment)" 또는 "일 실시예(an embodiment)"에 대한 본 명세서 전체에 걸친 언급은 상기 실시예와 관련하여 설명된 특정한 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸친 다양한 장소들에서의 구들 "하나의 실시예에서" 또는 "일 실시예에서"는 반드시 모두 동일한 실시예와 관련되는 것은 아니다. 더욱이, 특정한 특징들, 구조들, 또는 특성들은 하나 이상의 실시예들에서 임의의 적합한 방식으로 결합될 수 있다.
본 명세서 및 첨부된 청구항들에서 이용된 바와 같이, 단수 형태들("a", "an", 및 "the")은 콘텐트(content)가 명백하게 달리 나타내지 않는다면, 복수의 지시대상들을 포함한다. 용어 "또는(or)"는 콘텐트가 명백하게 달리 나타내지 않는다면, 일반적으로 "및/또는(and/or)"을 포함하는 의미로서 이용된다는 점이 또한 주의되어야 한다.
본원에 제공된 제목들은 단지 편의를 위한 것이며, 청구된 발명의 범위 또는 의미로 해석하지 않는다.
전력 시스템 개요
도 1은 전력 시스템(100)의 일 예시적인 실시예의 개략도이다. 전력 시스템(100)은 연료 전지 스택(102) 및 제어기(104)를 포함한다. 연료 전지 스택(102)은 2개의 전극들을 포함하는 적어도 하나의 막 전극 어셈블리(MEA)(106), 이온 교환 막(112)에 의해 분리된 애노드(108) 및 캐소드(110)를 포함한다.
막 전극 어셈블리(106)는 한 쌍의 유로판들(114a, 114b) 사이에 있다. 도시된 실시예에서, 유로판(114a)은 연료를 애노드(108)로 전달하기 위해 자신(114a)의 평면 표면 상 또는 평면 표면에 형성된 하나 이상의 연료 채널들(도시되지 않음)을 포함한다. 유로판(114b)은 산화제(예를 들면, 공기)를 캐소드(110)로 전달하기 위해 자신(114b)의 평면 표면 상 또는 평면 표면에 형성된 하나 이상의 산화제 채널들(도시되지 않음)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 산화제를 전달하는 산화제 채널들은 또한 배기 공기 및 반응수(product water)를 캐소드(110)로부터 떨어져 전달한다.
전력 시스템(100)은 애노드(108) 내로 연료의 공급을 도입하기 위한 연료 입구(116) 및 애노드(108)로부터 배기 연료 스트림을 배출하기 위한 연료 출구(118)를 포함한다. 배기 연료 스트림은 주로 물, 비반응 성분들, 불순물들, 및 어떤 양들의 잔여 연료를 포함한다. 공급 및 배기 연료 스트림들은 편의상 집합적으로 반응물 스트림 또는 연료 스트림이라고 칭해질 수 있다. 편의상, 연료 입구(116) 및/또는 연료 출구(118)는 또한 각각 반응물 입구 및 반응물 출구라고 칭해질 수 있다.
일부 실시예들에서, 전력 시스템(100)은 연료 출구(118)로부터 다시 연료 입구(116)로 배기 연료 스트림을 재순환시키도록 설계된 연료 재순환 시스템(120)을 가질 수 있다. 연료 재순환 펌프(122)는 희망하는 흐름 레이트에서 배기 연료 스트림을 연료 전지 스택(102)으로 재순환시킨다. 선택적으로, 재순환 밸브(recirculation valve)(124)가 연료 재순환 시스템(120)을 통한 흐름을 제어하기 위해 포함될 수 있다. 소비 또는 비반응 연료가 퍼지 밸브(purge valve)(126)를 일시적으로 개방함으로써 연료 출구(118)를 통해 배출될 수 있다.
하나의 실시예에서, 각각의 막 전극 어셈블리(106)는 애노드(108)와 캐소드(110) 사이에 약 0.6 볼트(v)의 공칭 전위차를 생성하도록 설계된다. 따라서, 복수의 개별적인 막 전극 어셈블리들(106) 및 그들의 연관된 유로판들(114a, 114b)은 연료 전지 스택(102)에서 전기적으로 직렬로 동작하여, 희망하는 전압에서 전류를 생성할 수 있다. 편의상, 개별적인 막 전극 어셈블리(106) 및 이의 연관된 유로판들(114a, 114b)은 연료 전지라고 칭해질 수 있다.
연료 소스 시스템(128)은 자신(128)에 의해 애노드(108)에 연료(예를 들면, 수소)를 제공한다. 예를 들면, 연료 소스 시스템(128)은 연료 스트림 내로의 연료의 전달을 제어하기 위한 연료 조절 시스템(도시되지 않음) 및 하나 이상의 연료 탱크들(도시되지 않음)과 같은 연료의 소스를 포함할 수 있다. 연료 소스 시스템(128)은 주 가스 밸브(130)에 결합될 수 있다. 밸브(130)는 연료 스트림으로의 연료 도입의 흐름을 제어하기 위한 제어기(104)에 의해 제어된다. 하나의 실시예에서, 제어기(104)는 연료가 연료 스트림으로 추가되는 레이트를 감소시키기 위해 주 가스 밸브(130)를 쓰로틀링(throttling)하도록 동작가능하다.
퍼지 밸브(126)는 연료 전지 스택(102)의 연료 스트림 출구 포트(118)에서 제공되며, 전형적으로 연료 전지 스택(102)이 동작하고 있을 때 폐쇄된 위치에서 동작한다. 배기된 연료는 전기화학적 반응의 희망하는 레이트를 유지하기 위해 단지 필요에 따라 연료 전지 스택(102)으로부터 퍼징(purging)된다. 또한, 질소(및 다른 불순물들)이 연료 스트림을 오염시키기 시작할 수 있다. 이러한 불순물들의 존재 및 연료의 고갈이 연료 전지 스택(102)의 성능을 저하시키게 될 때, 제어기(104)는 배기된 연료, 불순물들 및 연료 스트림에서 수집될 수 있는 다른 비반응 성분들을 배출하도록 하기 위해 개방되도록 퍼지 밸브(126)에 신호를 전송한다. 퍼지는 유용한 연료의 손실들이 연료 전지 스택(102)의 효율을 낮추기 때문에, 유용한 연료의 손실을 제한하기 위해 짧은 시간 기간으로 적절하게 제한된다.
전력 시스템(100)은 산화제 소스 시스템(132)에 의하여 막 전극 어셈블리들(106)의 캐소드(110)에 산소가 풍부한 공기와 같은, 산화제를 제공한다. 산화제 소스 시스템(132)에 대한 산소 또는 공기의 소스는 산소 탱크 또는 주변 대기의 형태를 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 블로우어, 팬 또는 공기 압축기와 같은 활성 산화제 공급 디바이스(134)가 희망하는 흐름 레이트에서 산화제 입구(138)를 통해 연료 전지 스택(102)에 공기의 흐름을 제공한다. 선택적으로, 공기 공급 밸브(136)가 또한 포함될 수 있다. 공기흐름은 캐소드(110)를 통과하여, 산화제 출구(140)를 빠져나간다.
제어기(104)는 전력 시스템(100) 주변을 모니터링(monitoring)하기 위한 복수의 센서(sensor)들(142)에 결합된다. 동작 동안, 제어기(104)는 주변 공기 온도, 연료 압력, 연료 농도, 연료 전지 스택 전류, 공기 질량 흐름(air mass flow), 및 연료 전지 스택(102) 양단의 전압과 같지만, 이에 제한되지 않는 다양한 센서 측정치들을 수신한다. 제어기(104)는 전력 시스템(100)의 동작을 제어하기 위해 상술된 밸브들 및/또는 이하에 더 상세히 설명된 BOP 디바이스들과 같은, 다양한 디바이스들에 제어 신호들을 제공한다.
이와 같은 실시예들은 선택적인 제트 펌프 시스템(jet pump system)(144)을 추가로 포함한다. 제트 펌프 시스템(144)은 상대적으로 더 높은 압력 및/또는 속력에서 연료를 애노드(108) 내로 강제로 배출한다. 하나의 유형의 제트 펌프 시스템(144)은 상이한 압력들 및/또는 속력들에서 연료를 각각 배출하는 2개의 노즐(nozzle)들을 이용한다.
전력 시스템(100)은 연료 전지 스택(102)에 열 전달 유체(thermal transport fluid)(예를 들면, 냉각제)를 제공하도록 동작가능한 열 관리 시스템(146)을 추가로 포함한다. 정상적인 동작 동안, 열 전달 유체는 열 관리 펌프(148)에 의해 연료 전지 스택(102)을 통해 순환되어, 전기화학적 반응에 의해 생성된 과도한 열을 제거하게 된다. 일부 실시예들은 선택적인 열 관리 시스템 히터(150)를 추가로 포함할 수 있다. 열 관리 시스템 히터(150)는 시동 프로세스 동안 열 전달 유체를 가열하도록 동작가능하다. 가열된 열 전달 유체를 순환시키는 것은 막 전극 어셈블리들(106)의 온도를 상승시킴으로써 시동 프로세스를 용이하게 한다.
전력이 연료 전지 스택(102)으로부터 직류(DC) 버스(156)를 통하여 하나 이상의 시스템 부하들(152) 및/또는 보조 전원(154)으로 출력된다. 연료 전지 스택(102)은 연료 전지 스택 전압에서 자신(102)으로부터 출력된 전력을 DC 버스(156)의 전압으로 변환하도록 동작가능한 직류 대 직류(DC/DC) 변환기(158)를 통하여 DC 버스(156)에 결합된다. DC/DC 변환기(158)는 더 낮은 입력 전압 임계값으로 동작하도록 설계될 수 있다. 보조 전원(154)은 하나 이상의 배터리들 및/또는 울트라커패시터들(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 시스템 부하들(152)이 DC 버스(152)로부터 소싱받을 때, 이와 같은 부하들은 DC 디바이스들인 것으로 이해된다.
전형적으로, 전력 시스템(100)은 교류(AC) 부하들을 포함하거나 교류 부하들에 소싱할 것이다. 따라서, 이와 같은 실시예들은 DC 버스(156)를 AC 버스(162)에 결합시키는 교류 대 직류(AC/DC) 변환기(160)를 이용한다. 그 다음, AC 부하들이 AC 버스(162)로부터 소싱받을 수 있다. 시스템 부하들(152)이 AC 버스(162)로부터 소싱받을 때, 이와 같은 부하들은 AC 디바이스들인 것으로 이해된다.
연료 전지 스택(102) 및 제어기(104)를 포함하는 전력 시스템(100)의 상술된 일 실시예는 일반적으로 일 예시적인 실시예를 설명한다. 전력 시스템(100)의 다른 실시예들은 간결화를 위해 본원에 상세히 설명되지 않은 다른 구성요소들 및/또는 시스템들을 포함할 수 있다. 이와 같은 대안적인 전력 시스템들(100)은 너무 많아서 본원에서 편리하게 설명할 수 없고, 간결화를 위해 생략된다. 그러나, 임의의 대안적인 전력 시스템들(100)이 본 명세서의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
연료 전지 BOP 디바이스들
일반적으로 BOP 디바이스들은 연료 전지 시스템(예를 들면, 제어 시스템, 연료 또는 공기 공급 시스템, 냉각제 시스템)의 정상적인 동작에 기여하는 부하들이다. 전력 시스템(100)의 실시예들은 공칭 전압들 및 감소된 시동 전압들 양쪽 모두에서 동작가능한 선택된 BOP 디바이스들의 동작을 제어한다. 선택된 BOP 디바이스들을 감소된 시동 전압들에서 동작시키는 것은 시동 프로세스 동안 더 많은 전류가 연료 전지 스택(102)으로부터 인출되도록 한다. 연료 전지 스택(102)을 감소된 시동 전압에서 동작시키는 것은 연료 전지 스택(102) 내에서 더 많은 열의 생성을 야기하여, 연료 전지 시동을 상당히 가속화하고 정상적인 동작 온도 및 성능에 도달하도록 한다. 온도들을 증가시키는 것은 연료 전지 스택(102) 내의 전기화학적 반응의 레이트를 증가시킨다. 복수의 선택된 BOP 디바이스들이 감소된 시동 전압을 유지하도록 순차적으로 동작될 수 있다. 이 시동 프로세스가 이하에 더 상세히 설명된다.
일부 유형들의 BOP 디바이스들은 공칭 전압들 및 감소된 시동 전압들 양쪽 모두에서 동작가능한 모터(motor)들을 이용한다. 감소된 시동 전압들에서 동작가능한 모터의 일례는 가변 속도 모터이다. 가변 속도 모터들은 감소된 시동 전압에서 소싱받을 때, 감소된 속도에서 동작하고, 결과적으로, 감소된 토크 출력(torque output)에서 동작한다. 이와 같은 모터들은 DC 전력이 소싱되는 DC 모터들을 포함할 수 있거나, AC 전력이 소싱되는 AC 모터들을 포함할 수 있다. 감소된 시동 전압에서 소싱받을 때 감소된 속력 및/또는 토크에서 동작가능한 모터를 이용하는 예시적인 BOP 디바이스들이 이하에 더 상세히 설명된다.
상술된 바와 같이, 산화제 공급 디바이스(134)(예를 들면, 블로우어, 팬 또는 공기 압축기의 동작은 산소가 풍부한 공기를 캐소드(110)에 공급한다. 산화제 공급 디바이스(134)가 모터(164)에 의해 구동되어, 공기의 흐름이 산화제 입구(138)로, 캐소드(110)를 통하여, 및 산화제 출구(140) 밖으로 전송된다.
정상적인 동작 동안, 모터(164)가 자신의 공칭 정격 전압에서 소싱받을 때, 산화제 공급 디바이스(134)는 모터(164)가 자신의 공칭 속도 및/또는 자신의 공칭 토크 출력에서 동작하고 있기 때문에, 연료 전지 스택(102) 내에서 발생하는 전기화학적 반응 프로세스를 충분히 지원하도록 하기 위해 충분한 양의 공기를 공급한다. 그러나, 시동 프로세스 동안, 연료 전지 스택(102)에 의해 필요한 공기의 양이 정상적인 동작 조건들 동안 필요한 공기의 양보다 상당히 더 적다. 즉, 시동 프로세스 동안 전기화학적 반응 프로세스에 의해 소비된 산소의 양이 상대적으로 작기 때문에, (상대적으로 더 낮은 양의 공기 흐름에 대응하는) 더 적은 공기가 필요하다.
실시예들은 연료 전지 스택(102)의 시동 프로세스 동안 감소된 시동 전압을 모터(164)에 소싱한다. 감소된 시동 전압에서 모터(164)에 소싱하는 것은 모터(164)가 감소된 속도 및/또는 감소된 토크 출력에서 동작하고 있기 때문에, 캐소드(110)를 통한 감소된 양의 공기흐름을 야기한다. 그러나, 이 감소된 양의 공기흐름은 연료 전지 시스템(102) 내에서 전기화학적 반응 프로세스를 시작시키기 위해 충분하다.
상술된 바와 같이, 연료 재순환 시스템(120) 및 펌프(122)의 동작은 애노드(108)를 통해 연료 스트림을 재순환시킨다. 펌프(122)가 모터(166)에 의해 구동되어, 연료 스트림이 연료 입구(116)로, 애노드(108)를 통해, 및 연료 출구(118) 밖으로 전송된다.
정상적인 동작 동안, 모터(166)가 자신의 공칭 정격 전압에서 소싱받을 때, 펌프(122)는 모터(166)가 자신의 공칭 속도 및/또는 자신의 공칭 토크 출력에서 동작하고 있기 때문에, 연료 전지 스택(102) 내에서 발생하는 전기화학적 반응 프로세스를 충분히 지원하기 위해 충분한 양의 연료를 공급한다. 그러나, 시동 프로세스 동안, 연료 전지 스택(102)에 의해 필요한 연료의 양이 정상적인 동작 조건들 동안 필요한 연료의 양보다 상당히 더 적다. 즉, 시동 프로세스 동안 전기화학적 반응 프로세스에 의해 소비된 연료의 양이 상대적으로 작기 때문에, (상대적으로 더 느린 연료 스트림에 대응하는) 더 적은 연료가 필요하다.
실시예들은 연료 전지 스택(102)의 시동 프로세스 동안 감소된 시동 전압을 모터(166)에 소싱한다. 감소된 시동 전압에서 모터(166)에 소싱하는 것은 모터(166)가 감소된 속도 및/또는 감소된 토크 출력에서 동작하고 있기 때문에, 애노드(108)를 통한 상대적으로 더 느린 연료 스트림을 야기한다. 그러나, 이 상대적으로 더 느린 연료 스트림은 연료 전지 시스템(102) 내에서 전기화학적 반응 프로세스를 시작시키기 위해 충분하다.
정상적인 동작 동안, 연료 전지들(106) 내에서 상당한 과도한 열이 생성된다. 상술된 바와 같이, 열 전달 유체가 과도한 열을 제거하기 위해 열 관리 시스템(146)에 의해 연료 전지 스택(102)을 통하여 순환된다. 모터(168)는 열 관리 시스템 펌프(148)를 동작시킨다. 모터의 공칭 전압에서 모터(168)에 소싱하는 것은 모터(168)가 자신의 공칭 속도 및/또는 자신의 공칭 토크 출력에서 동작하고 있기 때문에, 연료 전지 스택(102)을 통한 지정된 양의 열 전달 유체 흐름을 야기한다.
그러나, 선택된 실시예들에서의 시동 프로세스 동안, 연료 전지 스택(102)의 온도가 전형적으로 상대적으로 낮기 때문에, 연료 전지 스택(102)에 의해 그 만큼의 열 전달 유체 흐름이 필요하지 않다. 열 관리 시스템 히터(150)를 구비한 실시예들은 열 관리 시스템(146)의 열 전달 유체를 가열하기 위해 열 관리 시스템 히터(150)에 소싱할 수 있다. 열 관리 시스템 히터(150)는 연료 전지 스택(102)에 의해 제공된 감소된 시동 전압에서 소싱받을 수 있다. 대안적으로, 열 관리 시스템 히터(150)는 보조 전원(154)으로부터 소싱받을 수 있다. 그 다음, 가열된 열 전달 유체가 온도를 증가시키기 위해 연료 전지 스택(102)을 통해 순환될 수 있다.
이와 같은 실시예들은 연료 전지 스택(102)의 시동 프로세스 동안 감소된 시동 전압을 모터(168)에 소싱한다. 감소된 시동 전압에서 모터(168)에 소싱하는 것은 모터(168)가 감소된 속도 및/또는 감소된 토크 출력에서 동작하고 있기 때문에, 연료 전지 스택(102)을 통한 감소된 양의 가열된 열 전달 유체 흐름을 야기한다. 그러나, 이 감소된 양의 열 전달 유체 흐름은 시동 프로세스 동안 연료 전지 시스템(102) 내에서 온도를 상승시킨다.
상술된 모터들(164, 166 및/또는 168)은 DC 버스(156)로부터 소싱받는 DC 모터들일 수 있다. 다른 실시예들에서, 모터들(164, 166 및/또는 168)은 AC 버스(162)로부터 소싱받는 AC 모터들일 수 있다.
연료 전지 시스템 시동 프로세스 개요
초기에, 연료 전지 스택(102)은 전기화학적 반응 프로세스를 지원하기 위한 애노드(108)의 연료 및 캐소드(110)의 공기가 존재하지 않기 때문에, 전력을 활성적으로 생성하고 있지 않다. 따라서, 연료가 연료 소스(128)로부터 공급되고 공기가 산화제 소스로부터 공급될 때 시동 프로세스가 시작된다.
전기화학적 반응 프로세스를 시작시키기 위해 상대적으로 적은 양의 연료가 초기에 애노드(108) 내로 주입된다. 연료는 오프닝 밸브(130) 및 동작 펌프(122)에 의해 주입된다. 펌프(122)는 초기에 보조 전원(154)에 의해 소싱받는다. 연료 재순환 및 열 전달 유체 재순환이 또한 감소된 시동 전압에서, 및 보조 전원 상에서 시작된다. 도 2는 전력 시스템(100)의 정상적인 동작 동안의 연료 전지 스택(102)(도 1)의 동작 포인트들을 도시한 분극 곡선(202)의 그래프(200)이다. 분극 곡선(202)은 연료 전지 스택(102)의 다양한 전압들에 대한 가상 동작 포인트들(수직 축) 및 연료 전지 스택(102)으로부터의 대응하는 출력 전류들(수평 축)을 도시한다. 특히, 분극 곡선(202)은 300 암페어가 250 볼트의 공칭 전압에서 제공되는 동작 포인트(204)를 도시하며, 이는 75 킬로와트(kW)의 전력에 대응한다. 예를 들면, 75 kW의 전력이 전력 시스템(100)의 정상적인 동작 동안 공칭 전압에서 연료 전지 스택(102)으로부터 BOP 디바이스들 및 다른 시스템 부하들(152)에 공급될 수 있다. 그러나, 연료 전지 스택(102)은 자신이 분극 곡선(202)에 도달하기 이전에 시간 기간을 필요로 한다. 즉, 연료 전지가 콜드이면, 특히, 시동 프로세스의 초기 단계들 동안 영하일 때, 연료 전지 스택(102)이 초기에 도시된 75 kW의 전력을 제공할 수 있는 실제적인 방식이 존재하지 않는다는 점이 인식된다.
일 예시적인 감소된 시동 전압이 또한 도 2에 도시되어 있다. 시동 프로세스 동안, 전력 시스템(100)은 적어도 하나의 선택된 BOP 디바이스에 시동 전압에서의 및/또는 시동 전압 범위(206) 내에서의 전류를 제공하도록 제한된다. 편의상, 시동 전압이 도 2에서 100 V로서 도시되어 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 연료 전지 스택(102)의 시동 전압 범위(206)는 (500의 전지 카운트 및 0.2 V 내지 0.3 V의 전지 전압에 대응하는) 100 V로부터 150 V까지이다.
도 3은 콜드 스택에 의한 시동 프로세스의 초기 단계들 동안의 동작 포인트들을 도시한 분극 곡선(302)의 그래프(300)이다. 예시적인 분극 곡선(302)은 250 V의 정상적인 시동 전압에서의 40 암페어가 10 kW의 총 전력에 대해 연료 전지 스택(102)으로부터 이용가능한 가상 동작 포인트(304)를 도시한다. 이용가능한 전력은 참조 번호(306)에 의해 표시된다. 콜드 분극 곡선(302) 상의 동작 포인트(305)는 12 kW의 총 전력에 대해 100 V의 감소된 시동 전압에서 120 암페어의 더 높은 이용가능한 전류를 설명한다. 2개의 경우들에서의 전력량(각각 참조 번호들 304 및 305)은 다소 상이하지만, 분극 곡선 형상 및 실제 동작 전압에 따라 동일할 수도 있다. 이 10 또는 12 kW의 전력은 BOP 부하들을 동작시킬 수 있거나, 불충분한 이용가능한 BOP 부하들 또는 시스템 부하들이 존재하는 경우에 보조 부하를 충전할 수 있다. 연료 전지 전력이 BOP 부하들에 대해 불충분한 경우에, 추가적인 전력이 보조 부하들로부터 나올 수 있다. 연료 전지로부터 인출되는 전력량은 시스템과 BOP 부하들 및 보조 부하들로의, 및 이들로부터의 전력을 제어함으로써 전압을 바람직한 범위로 유지하도록 조정될 수 있다. 270 V의 정상적인 동작 전압에 반대되는 바와 같이, 100 V의 도시된 감소된 시동 전압에서 연료 전지 스택(102)의 동작을 유지함으로써, 연료 전지 스택(102) 내에서 과도한 열이 생성되고 있다는 점이 인식된다. 참조 번호(304)에 의해 표시된 동작 포인트에서, 대략적으로 14 kW의 과도한 열이 생성되고 있는 반면, 참조 번호(305)에 의해 표시되는 포인트에서, 대략적으로 60 kW의 과도한 열이 생성되고 있고, 이는 연료 전지들을 대략적으로 4배 더 빨리 가열시킨다. 분극 곡선(302)은 공칭 온도 분극 곡선(202)에 더 빨리 접근하여, 전력 시스템으로 하여금 더 짧은 시간에 전체 전력 능력을 성취할 수 있도록 할 것이다. 분극 곡선이 외부로 이동함에 따라 더 많은 전력이 이용가능해진다.
다양한 실시예들은 분극 곡선이 시동 프로세스 동안 외부로 지속적으로 이동함에 따라 선택적인 방식으로 추가적인 BOP 디바이스들에 순차적으로 소싱할 수 있다. 시동 전압 범위(206) 내에서 연료 전지 스택(102)의 전압을 유지함으로써, 어떤 양의 과도한 열이 시동 프로세스를 지원하기 위해 연료 전지 스택(102) 내에서 지속적으로 생성된다. 편의상, 도 2 및 도 3은 추가적인 전력이 이용가능해짐에 따라 BOP 디바이스들이 시동 전압에서 연료 전지 스택(102)으로부터 선택적인 방식으로 순차적으로 소싱받는 시동 프로세스의 가상 단계들을 개념적으로 도시한다. 즉, 실시예들은 시동 프로세스가 진행됨에 따라 감소된 시동 전압에서 복수의 BOP 디바이스들에 순차적으로 소싱하는 증분적 프로세스(incremental process)를 이용한다. 연료 전지가 BOP 부하들, 시스템 부하, 및 보조 전원의 충전에 의해 이용될 수 있는 것보다 더 많은 전력을 감소된 시동 전압에서 제공할 경우에, 전력 평형을 유지하기 위해 전압이 상승할 것이고 전류가 하강할 것이다.
요약하면, 도 2 및 도 3에 도시된 시동 프로세스는 시동 프로세스 동안 연료 전지 스택의 전압을 시동 전압 범위(206) 내에서 유지하는 것이 연료 전지 스택(102)의 온도를 더 빠르게 증가시킨다는 것을 설명한다. 연료 전지 스택(102)의 증가하는 온도는 분극 곡선을 외부로 더 빨리 이동시켜서, 연료 전지 스택이 시동 전압에서 동작되고 있는 동안 추가적인 전력이 연료 전지 스택으로부터 이용가능하도록 한다.
BOP 디바이스 동작 개요
도 1로 되돌아가면, 시동 프로세스 동안 BOP 디바이스들에 순차적으로 전력을 공급하는 전력 시스템(100)의 실시예들의 콘텍스트(context)에서, 가상 시동 프로세스가 설명된다. 초기에, 연료가 애노드(108) 내로 주입되어야 하고, 공기가 캐소드 내로 주입되어야 한다. 상술된 바와 같이, 제어기(104), 밸브(130), 및 펌프(122)는 보조 전원(188)으로부터 소싱받는다. 따라서, 초기에 추가된 연료 및 공기가 전기화학적 반응 프로세스를 시작시키고, 연료 전지 스택(102)이 따뜻해지기 시작한다.
시동 프로세스의 어떤 초기 단계에서, 연료 전지 스택(102)의 증가하는 전압이 상술된 시동 전압(도 2 및 도 3)에 도달한다. 하나의 실시예에서, 시동 전압은 시동 전압 범위(206)로서 상술된 100 V 내지 150 V의 범위 내의 전압에 대응한다. 연료 전지 스택(102)에서 400 내지 500개의 개별적인 연료 전지들을 이용하는 일 실시예에서, 각각의 연료 전지는 대략적으로 0.2 V 내지 0.4V의 감소된 시동 전압에서 동작된다.
하나의 예시적인 실시예에서, 충분한 전력이 이용가능할 때, 제 1 선택된 BOP 디바이스가 연료 전지 스택(102)으로부터 소싱받은 전력으로 동작하기 시작한다. 이 예에서, 모터(164)가 제 1 선택된 BOP 디바이스이다. 상술된 바와 같이, 모터(164)가 감소된 시동 전압 범위(206)에서 소싱받을 때 산화제 공급 디바이스(134)가 감소된 레이트의 공기흐름을 연료 전지들(106)에 제공한다. 감소된 레이트의 공기흐름은 적어도 전력 시스템(100)의 시동 동안 연료에 의한 전기화학적 반응 프로세스를 개시 및 유지하는데 충분하다.
전기화학적 반응의 레이트가 증가함에 따라서, 연료 전지 스택(102)으로부터 인출될 수 있는 전력량이 증가한다. 시동 프로세스의 이후의 단계에서, 하나 이상의 추가적인 BOP 디바이스들이 감소된 시동 전압에서 연료 전지 스택(102)으로부터 소싱받을 수 있다.
예를 들면, 연료 재순환 시스템(120)이 연료 스트림의 순환을 시작하기 위해 제어기(104)에 의해 시작될 수 있다. 초기에, 연료 재순환 시스템(120)은 애노드(108)에서 충분한 연료가 존재하기 때문에 필요하지 않을 수 있다. 그러나, 어떤 포인트에서, 연료의 순환 흐름으로 애노드를 리프레쉬(reflesh)하는 것이 바람직해진다. 따라서, 연료 재순환 시스템(120)이 애노드(108)에 연료 스트림을 재순환시킨다. 모터(166)가 감소된 시동 전압에서 소싱받을 때 연료 스트림이 감소된 레이트에서 재순환된다. 시동 프로세스의 이 포인트에서, 감소된 레이트의 연료 스트림 재순환이 전기화학적 반응 프로세스를 유지하기 위해 적절한 양의 연료를 제공하는데 충분하다.
시동 프로세스가 지속됨에 따라, 감소된 시동 전압에서 연료 전지 스택(102)을 동작시킴으로써 생성된 과도한 열이 상술된 분극 곡선을 외부로 이동시키기 때문에, 전기화학적 반응의 레이트가 더 증가한다. 즉, 감소된 시동 전압에서 연료 전지 스택(102)으로부터 인출될 수 있는 전력량이 더 증가한다. 어떤 포인트에서, 또 다른 BOP 디바이스가 감소된 시동 전압에서 연료 전지 스택(102)으로부터 선택적으로 소싱받을 수 있다.
예를 들면, 열 관리 시스템(146)은 열 전달 유체들의 순환을 시작하기 위해 제어기(104)에 의해 시작될 수 있다. 초기에, 연료 전지 스택(102)이 콜드이기 때문에, 열 관리 시스템(146)이 필요하지 않을 수 있다. 그러나, 어떤 포인트에서, 열 전달 유체를 가열시키기 위해 열 관리 시스템 히터(150)를 동작시키는 것이 바람직해질 수 있다. 따라서, 제어기(104)는 열 관리 시스템 히터(150)를 턴 온(turn on)시키고, 이를 감소된 시동 전압에서 동작시킬 수 있다(대안적으로, 열 관리 시스템 히터(150)는 보조 전원(154)으로부터 소싱받을 수 있다.). 따라서, 열관리 시스템(146)은 감소된 레이트에서 가열된 열 전달 유체를 연료 전지 스택(102)으로 순환시킨다.
시동 프로세스가 지속됨에 따라, 다른 디바이스들이 감소된 시동 전압에서 전력 시스템(100)으로부터 소싱받을 수 있다. 예를 들면, 일부 자동차 애플리케이션들에서, 전기 객실 히터(도시되지 않음)가 객실을 가열하기 위해 이용될 수 있다. 시동 프로세스 동안, 객실 히터는 객실을 가열하는 것을 시작하기 위해 감소된 시동 전압에서 동작될 수 있다. 객실 히터가 감소된 시동 전압에서 소싱받을 때 감소된 출력에서 동작하고 있을지라도, 어떤 레벨의 가열이 바람직할 수 있다. 그러므로, 시동 전압은 시스템의 다양한 부하들 각각으로의 전력 흐름을 조절함으로써 시스템의 제한된 부하 덤프(load dump) 내에서 제어될 수 있다.
상술된 바와 같이, 감소된 시동 전압은 100 V 내지 150 V의 예시적인 감소된 시동 전압 범위(206) 내에 있다. 다른 실시예들(연료 전지 스택(102)에서 다른 유형들의 연료 및/또는 상이한 수들의 연료 전지들을 이용할 수 있는)에서, 감소된 시동 전압 및/또는 감소된 시동 전압 범위(206)가 상술된 것과 상이할 수 있다. 전력 시스템(100)의 실시예들에서의 모든 이와 같은 변화들은 본 명세서의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
상술된 시동 프로세스 동안, 연료 전지 스택(102)의 출력 전압은 시동 전압 범위(206)(도 2) 내에서 유지된다. 하나의 실시예에서, 제어기(104)는 DC/DC 변환기(158)를 제어하여, 전압이 시동 전압에서 및/또는 시동 전압 범위(206) 내에서 유지되도록 한다. DC/DC 변환기(158)의 내부 구성요소들이 시동 전압으로부터 공칭 동작 전압까지의 범위인 광범위한 DC 입력 전압들에 걸쳐 동작가능해야 한다는 점이 인식된다.
연료 전지 스택(102)으로부터의 전류 흐름이 상술된 BOP 디바이스들에 선택적으로 소싱함으로써 제어될 수 있다. 또한, 모터들(164, 166, 및/또는 168)과 같은 가변 속도 디바이스들이 연료 전지 스택(102)으로부터 희망하는 전류량을 인출하도록 제어가능하게 동작될 수 있다.
연료 전지 스택(102)의 더 빠른 시동을 용이하게 하는 것 이외에, 전력 시스템(100)에 의해 실현된 또 다른 장점은 배터리 또는 울트라-커패시터와 같은 보조 전원(154)으로부터 인출된 전력이 감소되거나 심지어 최소화될 수 있다는 것이다. 이러한 상황들 하에서, 보조 전원(154)을 재충전하기 위해 전력이 연료 전지 스택(102)으로부터 제공될 수 있다.
대안적인 실시예들
도 4는 DC/DC 승압 변환기(802) 및 바이패스 회로(804)를 이용하는 전력 시스템(100a)의 일 대안적인 실시예이다. 승압 변환기(802)는 연료 전지 스택(102)으로부터 수신된 감소된 시동 전압을 공칭 DC 전압으로 스텝 업(step up)(승압)하는 DC/DC 변환기 시스템이다. 따라서, 시동 프로세스 동안, 상술된 BOP 디바이스들은 자신들의 공칭 동작 전압들에서 승압 변환기(802)로부터 소싱받는다. 일단 연료 전지 스택(102)이 자신의 공칭 전압에서 동작하고 있다면, 감소된 시동 전압의 승압이 종료되고, BOP 디바이스들은 연료 전지 스택(102)으로부터 직접적으로 공칭 동작 전압에서 소싱받는다.
바이패스 회로(804)는 스위칭 회로(806)를 포함한다. 편의상, 스위칭 회로(806)는 간소화된 일반적인 스위치로서 도시되어 있다. 제어기(104)에 의해 제 1 상태로 동작될 때, 바이패스 회로(804)는 DC/DC 변환기(158)의 출력을 DC/DC 승압 변환기(802)에 결합시킨다. 제어기(104)에 의해 제 2 상태로 동작될 때, 바이패스 회로(804)는 DC/DC 변환기(158)의 출력을 DC 버스(156)에 결합시킨다.
임의의 적절한 스위칭 회로(806)(예를 들면, FET들 및 IGBT들과 같은 전력 트랜지스터들, 중계기들, 등)이 바이패스 회로(804)를 위해 이용될 수 있다. 전력 시스템(100a)의 다양한 실시예들에서 이용될 수 있는 스위칭 회로(806)의 유형들은 너무 많아서, 본원에서 편리하게 설명할 수 없고, 따라서, 이와 같은 설명은 간결화를 위해 생략된다. 바이패스 회로들(804)의 모든 이와 같은 유형들은 본 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
도 5 및 도 6은 연료 전지 스택(102)(도 1)에서 전기기계적 생성 프로세스의 시동을 구현하기 위한 프로세스의 실시예들을 도시한 흐름도들이다. 일 대안적인 실시예는 상태 기계로서 구성된 하드웨어(hardware)로 도 5 및 도 6의 흐름도들의 논리를 구현한다. 이 점에서, 각각의 블록은 지정된 논리적 기능(들)을 구현하기 위한 하나 이상의 실행가능한 명령들을 포함하는 모듈(module), 세그먼트(segment) 또는 코드의 부분을 나타낼 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 블록들에 기록된 기능들은 도 5 및 도 6에 기록된 순서를 벗어나서 발생할 수 있거나, 추가적인 기능들을 포함할 수 있다는 점이 또한 주의되어야 한다. 예를 들면, 이하에 더 명백해질 바와 같이, 포함된 기능성에 따라, 도 5 및 도 6에서 연속적으로 도시된 2개의 블록들은 실제로 실질적으로 동시에 실행될 수 있거나, 블록들이 종종 반대 순서로 실행될 수 있거나, 블록들 중 일부가 모든 인스턴스(instance)들에서 실행될 수 없다. 모든 이와 같은 수정들 및 변경들이 본원에서 본 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
연료 전지 스택(102)을 시작시키기 위한 프로세스(900)의 하나의 예시적인 실시예가 도 5에 도시되어 있다. 프로세스(900)는 블록(902)에서 시작된다. 블록(904)에서, 연료 및 산화제가 시동 프로세스 동안 연료 전지 스택(102) 내로 주입된다. 블록(906)에서, 전력이 시동 프로세스 동안 연료 전지 스택(102)으로부터 감소된 시동 전압에서 수신되고, 상기 감소된 시동 전압은 연료 전지 스택(102)의 공칭 전압보다 더 작다. 블록(908)에서, 적어도 하나의 BOP 디바이스는 감소된 시동 전압에서의 전력을 소싱받는다. 블록(910)에서, 적어도 하나의 BOP 디바이스가 감소된 시동 전압에서의 소싱에 응답하여 감소된 출력에서 동작한다. 프로세스는 블록(912)에서 종료된다.
연료 전지 스택을 시작시키기 위한 프로세스(1000)의 일 예시적인 실시예가 도 6에 도시되어 있다. 프로세스(1000)는 블록(1002)에서 시작된다. 블록(1004)에서, 연료 및 산화제가 제 1 분극 곡선에 의해 특징지워진 전기화학적 반응을 시작시키기 위해 초기에 연료 전지 스택(102) 내로 주입된다. 블록(1006)에서, 제 1 BOP 디바이스가 연료 전지 스택(102) 내에서 열을 생성하기 위해 제 1 분극 곡선 상의 감소된 전압에서 소싱받는다. 프로세스는 블록(1008)에서 종료된다.
요약서에서 설명되는 것을 포함하는 설명된 실시예들의 상기의 설명은 모든 것을 규명하거나 본 발명을 개시된 정확한 형태들로 제한하고자 하는 것이 아니다. 특정 실시예들 및 예들이 설명적인 목적들을 위해 본원에 설명되었을지라도, 당업자들에 의해 인식될 바와 같이, 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 등가의 수정들이 행해질 수 있다. 본원에 제공된 교시들(teachings)은 반드시 일반적으로 상술된 예시적인 실시예들이 아니라, 다른 전력 시스템들에 적용될 수 있다. 예를 들면, 전력 시스템(100)은 특정 애플리케이션에 적합할 수 있는 바와 같이, 추가적인 1차 DC/DC 전력 변환기들 또는 상이한 토폴로지(topology)들을 갖는 1차 DC/DC 전력 변환기들을 포함할 수 있다.
상기의 상세한 설명은 블록도들, 개략도들, 및 예들의 이용을 통하여 디바이스들 및/또는 프로세스들의 다양한 실시예들을 설명하였다. 이와 같은 블록도들, 개략도들, 및 예들이 하나 이상의 기능들 및/또는 동작들을 포함하는 한, 이와 같은 블록도들, 흐름도들, 또는 예들 내의 각각의 기능 및/또는 동작이 광범위한 하드웨어, 소프트웨어(software), 펌웨어(firmware), 또는 이의 가상적인 임의의 조합에 의하여 개별적으로 및/또는 집합적으로 구현될 수 있다는 점이 당업자들에 의해 이해될 것이다. 하나의 실시예에서, 본 주제는 랜덤 액세스 메모리(random access memory; RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 전기적으로 소거가능한 판독 전용 메모리(EEPROM), 또는 동작을 제어하기 위한 명령들을 저장하는 다른 메모리 디바이스들과 같은, 임의의 연관된 메모리와 함께, 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit; ASIC)들 및/또는 드라이브 보드 또는 회로(drive board or circuit)를 통하여 구현될 수 있다. 그러나, 당업자들은 본원에 개시된 실시예들이 전체적으로 또는 부분적으로, 하나 이상의 컴퓨터들 상에서 구동하는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램들(예를 들면, 하나 이상의 컴퓨터 시스템들 상에서 구동하는 하나 이상의 프로그램들), 하나 이상의 제어기들(예를 들면, 마이크로제어기들) 상에서 구동하는 하나 이상의 프로그램들, 하나 이상의 프로세서들(예를 들면, 마이크로프로세서들) 상에서 구동하는 하나 이상의 프로그램들, 펌웨어, 또는 이의 가상적인 임의의 조합으로서, 표준 집적 회로들에서 동등하게 구현될 수 있다는 점 및 회로를 설계하고/설계하거나 소프트웨어 및/또는 펌웨어에 대한 코드를 기록하는 것이 본 발명에 비추어서 당업자의 기술 내에서 행해질 것이라는 점을 인식할 것이다.
게다가, 당업자들은 본원에 교시된 제어 메커니즘(control mechanism)들이 다양한 형태들의 프로그램 제품으로서 분배될 수 있다는 점 및 설명적인 실시예가 분배를 실제로 실행하기 위해 이용된 신호 포함 매체들의 특정 유형과 관계없이 동등하게 적용된다는 점을 인식할 것이다. 신호 포함 매체들의 예들은: 플로피 디스크(floppy disk)들, 하드 디스크 드라이브(hard disk drive)들, CD ROM들, 디지털 테이프(digital tape), 및 컴퓨터 메모리와 같은 기록가능한 유형의 매체들; 및 TDM 또는 IP 기반 통신 링크들(예를 들면, 패킷 링크들)을 이용하는 디지털 및 아날로그 통신 링크들과 같은 송신 유형 매체들을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
상술된 다양한 실시예들은 부가적인 실시예들을 제공하기 위해 결합될 수 있다. 본 명세서에서 참조된 상기 미국 특허들, 특허 출원들 및 공개들 모두는 전체적으로 참조로서 본원에 통합되어 있다. 다양한 특허들, 출원들 및 공개들의 시스템들, 회로들 및 개념들을 이용하여 부가적인 실시예들을 제공하기 위해 필요하다면, 양태들이 수정될 수 있다.
상술된 설명에 비추어서 실시예들에 대해 이러한 변화들 및 다른 변화들이 행해질 수 있다. 일반적으로, 다음의 청구항들에서, 이용된 용어들은 청구항들을 명세서 및 청구항들에서 개시된 특정 실시예들로 제한하는 것으로 해석되어서는 안되지만, 이와 같은 청구항들이 자격을 부여하는 등가물들의 전체 범위와 함께 모든 가능한 실시예들을 포함하도록 해석되어야 한다. 따라서, 청구항들은 명세서에 의해 제한되지 않는다.
100: 전력 시스템 102: 연료 전지 스택
104: 제어기 106: 막 전극 어셈블리
108: 애노드 110: 캐소드
112: 이온 교환 막 114a, 114b: 유로판
120: 연료 재순환 시스템 122: 연료 재순환 펌프
124: 재순환 밸브 126: 퍼지 밸브
128: 연료 소스 시스템 130: 주 가스 밸브
132: 산화제 소스 시스템
134: 활성 산화제 공급 디바이스 144: 제트 펌프 시스템
146: 열 관리 시스템 148: 열 관리 펌프
150: 열 관리 시스템 히터 154: 보조 전원
156: 직류 버스 158: DC/DC 변환기
160: AC/DC 변환기 162: AC 버스
164, 166, 168: 모터 802: DC/DC 승압 변환기
804: 바이패스 회로 806: 스위칭 회로

Claims (20)

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  7. 연료 전지 스택에서 전기화학적 반응을 시작시키기 위한 방법에 있어서:
    시동 프로세스(start-up process) 동안 상기 연료 전지 스택 내로 연료를 주입하는 단계;
    상기 시동 프로세스 동안 상기 연료 전지 스택으로부터 감소된 시동 전압에서의 전력을 수신하는 단계로서, 상기 감소된 시동 전압은 상기 연료 전지 스택의 공칭 전압(nominal voltage)보다 낮은, 상기 전력 수신 단계;
    상기 감소된 시동 전압에서의 상기 전력으로 산화제 공급 디바이스 형태의 적어도 하나의 BOP(balance of plant) 디바이스를 소싱(sourcing)하는 단계; 및
    상기 연료 전지 스택의 캐소드로 감소된 레이트(rate)의 공기 흐름을 공급하기 위해, 상기 감소된 시동 전압에서의 소싱에 응답하여 상기 적어도 하나의 BOP 디바이스를 감소된 출력에서 동작시키는 단계를 포함하는, 연료 전지 스택에서 전기화학적 반응을 시작시키기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택 내에 열을 생성하기 위해 상기 시동 프로세스 동안 상기 감소된 시동 전압을 유지하는 단계를 더 포함하고,
    상기 생성된 열은 상기 연료 전지 스택의 온도를 증가시키는, 연료 전지 스택에서 전기화학적 반응을 시작시키기 위한 방법.
  9. 삭제
  10. 제 7 항에 있어서,
    감소된 레이트의 흐름으로 상기 연료 전지 스택을 통해 상기 연료를 재순환시키기 위해, 상기 감소된 시동 전압에서 연료 재순환 펌프 모터를 소싱하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 스택에서 전기화학적 반응을 시작시키기 위한 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 시동 프로세스 동안 유체를 가열하기 위해 열 관리 시스템 히터를 소싱하는 단계; 및
    상기 연료 전지 스택의 온도를 증가시키기 위해 감소된 레이트의 흐름으로 상기 연료 전지 스택을 통해 가열될 때, 상기 유체를 순환시키기 위해 상기 감소된 시동 전압에서 열 관리 시스템 모터를 소싱하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 스택에서 전기화학적 반응을 시작시키기 위한 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    적어도 하나의 BOP 디바이스를 소싱하는 단계는:
    상기 감소된 시동 전압에서 가변 속도 모터를 소싱하여, 상기 가변 속도 모터가 감소된 속도에서 동작하도록 하는 단계를 포함하는, 연료 전지 스택에서 전기화학적 반응을 시작시키기 위한 방법.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 BOP 디바이스를 소싱하는 단계는:
    상기 감소된 시동 전압에서 가변 속도 모터를 소싱하여, 상기 가변 속도 모터가 감소된 토크에서 동작하도록 하는 단계를 포함하는, 연료 전지 스택에서 전기화학적 반응을 시작시키기 위한 방법.
  14. 제 7 항에 있어서.
    상기 시동 프로세스 동안 상기 연료 전지 스택의 전압을 상기 감소된 시동 전압에서 유지하는 단계; 및
    상기 시동 프로세스의 종료 이후에 상기 연료 전지 스택의 전압을 상기 공칭 전압으로 증가시키는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 스택에서 전기화학적 반응을 시작시키기 위한 방법.
  15. 제 7 항에 있어서,
    전압 승압 변환기로 상기 감소된 시동 전압을 적어도 상기 공칭 전압으로 승압시키는 단계; 및
    상기 공칭 전압으로 상기 전압 승압 변환기로부터 상기 BOP 디바이스를 소싱하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 스택에서 전기화학적 반응을 시작시키기 위한 방법.
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