KR101943151B1 - 전력 감소 천이 동안 연료 전지 전압의 양성 변화율에 대한 대응 - Google Patents

전력 감소 천이 동안 연료 전지 전압의 양성 변화율에 대한 대응 Download PDF

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Abstract

연료 전지 발전 장치의 전력 감소 천이 동안, 부스트 및 벅 실시예에서, 반응물의 소비에 의해 발생되는 과잉 전기 에너지가 제어기(185)에 응답하여, 하나 이상의 기간 동안, 전압 제한 디바이스 제어부(200)에 의해 i) 저항성 보조 부하에서 소산되는 에너지로서 또는 ii) 에너지 저장 시스템(201)(배터리)에 인가되는 에너지로서 추출된다. 제어기는 연료 전지들 중 하나 이상의 전압의 양성 시간 도함수가 미리 결정된 제한 값을 초과하는 것에 응답하여 전압 제한 디바이스 제어부를 동작시킨다.

Description

전력 감소 천이 동안 연료 전지 전압의 양성 변화율에 대한 대응{RESPONDING TO POSITIVE RATE OF CHANGE OF FUEL CELL VOLTAGE DURING POWER REDUCTION TRANSITIONS}
본 방식은 연료 전지 전압의 양성(positive) 변화율에 응답하여, 하나 또는 몇개의 단계에서, 전력 감소 천이 동안 연료 전지 스택(fuel cell stack)으로부터 추출된 전기 에너지를 소산시키거나 저장하는 것에 관한 것이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 연료 전지 발전 장치(power plant)에서의 전력 소모가 감소되거나 제거될 때, 연료 전지는 수소 연료를 전기로 변환하는 것을 감소시키거나 중단한다. 이러한 과잉 연료가 버려지는 경우, 이는 발전 장치의 과잉 온도(excess temperature)와 같은 동작 문제를 야기할 수 있다. 발전 장치 구성요소의 화학적 및 기계적 평형의 반응 시간이 본질적으로 전기 부하 변화보다 더 느린 크기이기 때문에, 이것은 모든 연료 전지 발전 장치에 전형적인 것이다. 하락 과도 현상(down-transient)(전기 부하 제거 또는 저하)이 일어날 때, 하락 과도 현상의 발생 이전과 동일한 속도로 반응물을 연료 전지(수소/공기)에 공급하기 위해 발전 장치의 연료 전지 평형이 계속되는 기간이 있다. 도 10 참조. 이것은, 부분적으로, 전지 전압을 모니터링하는 것과, 전지 전압이 손상을 일으키는 값에 도달할 때에만, 전력 소산 또는 저장과 같은 대응을 개시하는 것에 기인한다. 도 9 참조. 그 결과는 전형적으로는 사용되지 않은(소비되지 않은) 수소 기체의 형태의 과잉 에너지이다.
많은 시스템에서, 이 기체가 재활용되어 개질 시설(reformer)로 가거나, 다른 시스템에서, 주변 대기로 방출된다. 모든 경우에, 발전 장치의 연료 전지 평형은, 1) 개질 시설의 과열 또는 대기 중에서의 폭발 한계, 및 2) 연료 공급의 언더슈트(under-shoot)를 방지하기 위해 평형 제어에 어려움을 제기하는 급속한 하락 과도 현상에 대응하면서, 3) 알지 못하는 하락 과도 현상의 반복 발생 횟수, 과도 현상의 지속기간, 및 과도 현상의 크기를 처리하는 것이다.
그 결과는 계속된 동작이 많은 변수 및 어떤 미지의 것의 이러한 미묘한 평형에 의존하는 시스템이다.
즉, PEM(polymer electrolyte membrane) 연료 전지의 기동 및 정지 또는 기타 전력 감소 천이 동안 일어나는 비정질 탄소 촉매 지지체 및 금속 촉매의 부식이 연료 전지 성능의 영구적 쇠퇴를 가져온다는 것이 US 7,790,303에서 공지되었다. 부식이 캐소드 전위가 표준의 수소 전극의 전위보다 1 볼트를 훨씬 초과하는 양만큼 더 높을 수 있는 역전류 상황에 기인한다는 것이 또한 공지되었다. 이러한 전위는 탄소 계열 촉매 지지체를 부식시키고, 그 결과 전지 성능의 저하를 가져온다.
50,000 내지 100,000번의 기동/정지 사이클 및 가속/감속 사이클을 경험할 수 있는 자동차 응용 분야에서, 이것은 파국적인 성능 손실을 가져온다. 전력 감소 동안 과잉 전력을 소산시키거나 저장하기 위해 연료 전지 발전 장치에서 사용되는 VLD(voltage limiting device)는 전형적으로 전지 스택 전압이, 도 9에 도시된 바와 같이, 사전 정의된 과전압 한계를 넘어 상승하는 것을 검출하기 위해 연관된 제어를 갖는 반응 속도가 빠른 IGBT 또는 MOSFET 디바이스를 포함한다.
본 방식은 이러한 동일한 디바이스 및 제어를 이용하지만, 노이즈에 대한 연관된 필터를 갖는 연속적인 도함수를 사용하여 전지 스택 전압의 기울기를 검출하는 것과 같은 다른 차원을 제어에 부가한다. 전기 부하가 제거되거나 급격히 감소되는 것은 전지 스택 전압이 증가하는 속도의 급격한 상승에 의해 검출된다. 검출 시에, 캐소드 공기가 전환될 수 있고, 전력 소산을 제어하고 전지 스택 전압의 기울기를 제어하기 위해, VLD(소산 장치 또는 저장 장치)가 턴온될 수 있다. 이 결과, 전력이 점진적으로 방출된다. 전지 전압의 변화율에 응답하여 VLD를 이용하여 하락 과도 현상에 대응함으로써, 발전 장치의 화학적 및 기계적 구성요소의 평형의 반응 시간이 전기 부하의 변화로부터 분리된다. 따라서, 보다 강건한 연료 전지 시스템이 실현된다. 전력의 점진적인 방출의 신속한 개입은 발전 장치 구성요소의 보다 느린 화학적 및 기계적 평형이 변화에 대응하여 일제히 반응할 수 있게 한다. 이 특징은, 발전 장치의 평형의 반응 속도를 정합시키기 위해, 특정의 발전 장치 및 부하에 대해 조정될 수 있다.
본 명세서에서의 방식은, 원하는 경우, 일련의 스테이지에서의 VLD 대응이 일련의 전력 목표에 도달할 수 있게 한다.
본 방식은 정지 자체에 응답하여 전지 전압 제한 단계를 개시할 필요가 없게 할 수 있을 정도로 응답성이 좋다.
첨부 도면에 예시된 것과 같은 예시적인 실시예에 대한 이하의 상세한 설명을 고려하면, 다른 변형이 자명하게 될 것이다.
도 1은 전력 감소 천이 동안 연료 전지 스택의 에너지를 저장하거나 소산시키고 캐소드 공기도 전환시킬 수 있는 연료 전지 발전 장치의 개략 블록도이다.
도 2 및 도 3은, 각각, 본 명세서에서의 방식에 따른, 전력 저장 또는 전력 소산을 위한 종래 기술의 부스트 구성(boost configuration) 제어 및 벅 구성(buck configuration) 제어의 개략도이다.
도 4 및 도 5는, 부하 전력 대 시간의 그래프이다.
도 6은 다수의 부하 전력 목표를 갖는, 본 명세서에서의 방식의 기본 실시예를 수행하는 기능의 간략화된 흐름도이다.
도 6a는 도 6의 변형례의 간략화된 부분 흐름도이다.
도 7은 단일의 부하 전력 목표를 갖는, 본 명세서에서의 방식의 기본 실시예를 수행하는 기능의 유사한 예시를 나타낸 도면이다.
도 8 내지 도 14는 공통의 시간축에 대한, 전력 감소 천이에 관련된 이벤트 및 값을 나타낸 도면으로서, 도 8 내지 도 10은 종래 기술에 관련된 것이고, 도 11 내지 도 14는 본 방식의 응답에 관한 것이다.
도 1을 참조하면, 차량(150)은 각각이 MEA(membrane electrode assembly)(16)를 갖는 복수의 인접한 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택(151)을 포함하지만, 도 1에는 하나의 연료 전지(12)만이 도시되어 있다. 연료 전지 스택(151)의 양성 단자 및 음성 단자에서의 전기 출력은 한 쌍의 라인(155, 156)에 의해 스위치(158)를 통해 차량 추진 시스템(159)에 연결되어 있다. 출력은 또한 라인(160)을 통해 VLD 제어부(200)에 연결되어 있다.
물 순환 시스템의 저장소(164)는 통기구(165)를 가진다. 물 순환 시스템은 트림 밸브(trim valve)(166), 송수판(water transport plate)(84, 86, 88, 89) 내에 있는 것과 같은 물 통로(water passage), 시스템에서 순환하는 물을 냉각시키기 위해 선택적으로 동작가능한 라디에이터 및 팬(168, 169), 및 제어가능한 물 펌프(170)를 포함할 수 있다.
흡입구에 있는 주변 공기(173)가 송풍기(174)와 같은 펌프에 의해 캐소드(19)의 산화제 반응물 기체 유로(oxidant reactant gas flow field)에 제공되고 이어서 압력 조절 밸브(175)를 통해 배기관(176)으로 나간다. 특허 공개 2009/0098427에 기술된 바와 같이, 산화제 공기(oxidant air)는, 스택에서의 전력 발생을 감소시키면서, 나중에 빠른 응답을 위해, 송풍기(174)가 동작 속도를 유지할 수 있도록 공기를 배출시키기 위해, 라인(178) 상의 제어기로부터의 신호에 의해, 선택된 양만큼 개방될 수 있는 다이버터 밸브(diverter valve)(177)를 통과한다. 수소가 공급원(179)으로부터 유동 조절 밸브(180)를 통해 애노드(17)의 연료 반응물 기체 유로(fuel reactant gas flow field)에 공급되고 이어서 압력 조절 밸브(181)를 통해 배기관(182)으로 나간다. 연료 재활용 루프는 펌프(183)를 포함한다.
제어기(185)는 전류 검출기(186)에 의해 결정된 부하 전류는 물론, 라인(155, 156) 간의 전압에 응답하고; 이는 또한 라인(187) 상에 제공되는 스택의 온도를 가질 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제어기는, 차례로, 라인(190)을 통해 밸브(180)를 제어하는 것은 물론, 다른 밸브, 스위치(158, 160, 162) 및 펌프(170, 174)를 제어할 수 있다.
제어기(185)는 라인(193 내지 195) 상의 차량 추진 시스템(159)으로부터의 기동, 속도 및 요구 제어 신호 - 이는 연료 전지가 동작을 시작해야만 하는 때 및 차량 추진 시스템에 의해 요구되고 있는 전력의 양을 나타낼 것임 - 에 응답한다. 기동 신호가 차량 추진 시스템(159)으로부터 라인(193)을 거쳐 제어기(185)로 송신될 때마다, 제어기로부터의 신호는, 연료 반응물 기체를 애노드(17)의 유로에 제공하기 위해, 밸브(180, 181) 및 펌프(183)를 적절히 동작시킬 것이고, 주변 공기를 캐소드(19)의 유로에 제공하기 위해 밸브(175) 및 펌프(174)가 적절히 동작될 것이다.
충분한 양의 연료 및 공기가 균일하게 전지에 제공될 때, 개방 회로 전압이 라인(155, 156) 상에서 제어기(185)에 의해 검출될 것이다. 그 때, 제어기는, 연료 전지 스택(151)을 VLD 제어부(200)를 통해 보조 부하(198)에 또는 저장 제어(201)에 또는 둘 다에 연결시키기 위해, 스위치(199)를 닫거나 스위치(197)를 닫거나 둘 다를 닫을 수 있고, 또한 이와 동시에 또는 나중에 연료 전지 스택(151)을 차량 추진 시스템(159)에 연결시키기 위해 스위치(158)를 닫을 것이다.
정지 신호가 차량 추진 시스템(159)으로부터 수신될 때마다, 라인(212) 상의 신호는 차량을 연료 전지 발전 장치로부터 연결 해제시키기 위해 스위치(158)가 열릴 때 VLD 제어부(200)를 선택적으로 활성화시킬 것이다.
도 2 내지 도 5와 관련하여 이하에 기술되는 VLD 제어기(200)는, 저장 디바이스가 충분히 충전되지 않은 경우, 제어기(185)가 스위치(197)를 닫은 것에 응답하여, 연료 전지에 있는 또는 그를 통해 유동하는 잔여 반응물에 의해 발생되는 전력을 에너지 저장 시스템(201)으로 보낼 것이다. 또는, VLD 제어기(200)는, 제어기가 스위치(199)를 닫은 것에 응답하여, 잔여 전력을 저항성 보조 부하(198)로 보낼 것이고, 이 부하는 전력을 열로서 소산시킬 것이다. 또는, 어떤 상황에서는 양 스위치(197, 198)가 닫힐 수 있다.
대안으로서 또는 부가하여, 양방향 다이버터 밸브(177)가 펌프(174)로부터의 공기의 일부 또는 전부를 캐소드(19)의 산화제 반응물 기체 유로에 제공하거나 전혀 제공하지 않기 위해 라인(178) 상의 신호에 의해 조절된다. 차량이 저속이거나, 멈추거나, 내리막길을 갈 때와 같이, 부하 요구가 연료 전지가 개방 회로 전압에 가까운 지점까지 떨어질 때, 라인(178) 상의 제어기로부터의 신호는 공기의 일부 또는 전부를 주변 환경으로 즉각 전환시키기 위해 밸브(177)를 조절한다. 요구가 낮은 동안, 스택이 나중에 증가된 요구에 신속하게 반응할 수 있도록, 공기 펌프가 연료 전지에서 요구되는 유동을 초과하는 공기 유량으로 동작될 수 있다. 임의의 주어진 구현에서 요구되는 경우, 다이버터 밸브(177)가 적절히 비례하는 양의 공기를 주변 환경으로 전환시키도록, 제어기는 부하의 역함수로서 신호를 라인(178) 상에 제공할 수 있다.
공기가 버려질 때, 연료도 배기 밸브(181)를 통해 버려진다. 그러나 잔여 공기 및 연료는 계속하여 전력을 발생시키고, 버려지는 연료는 앞서 기술된 문제를 야기한다.
다이버터 밸브(177)를 이용하여 공기를 버림으로써, 펌프(174)는 계속 동작할 수 있고, 캐소드로 유동하는 공기의 양이 감소되고, 따라서 소량의 잔여 공기만이 캐소드 유로에 그리고 전극 구조물에 남아 있다. 일부 실시예에서, 저 부하 동안 펌프(174)의 속도가 감소될 수 있거나, 심지어 멈춰질 수 있다.
VLD 제어부(200)는, 제어기가 스위치(197, 199) 중 하나를 닫는 것에 의해 저장 장치 또는 보조 부하를 선택한 것에 따라, 과잉 전력을 저장하거나 소산시킬 것이다. VLD 제어부(200)는, 기동 및 정지, 또는 다른 전력 감소 천이(선택되는 경우) 동안, 연료 전지 스택에 저장된 에너지를 추출한다. 본 실시예에서의 에너지 저장 시스템(energy storage system, ESS)(201)은 차량 추진 시스템(159)에 의해 전력을 공급받는 전기 차량의 배터리이다. 다른 실시예들에서, ESS(201)는 어떤 다른 배터리일 수 있거나, 커패시터일 수 있거나, 어떤 다른 전기 저장 디바이스일 수 있다.
VLD 제어부(200)는 스택의 전압 출력이 에너지가 에너지 저장 시스템에 저장되거나 보조 부하(198)에서 소산되어야 하는 전압보다 낮을 때 유용한 부스트 구성인, 도 2에 도시된 형태를 취할 수 있다. 도 2에서, 인덕터(205)는 연료 전지 스택(151)의 전기 출력 단자들(155, 156) 사이에서 전자 스위치(206) - 도시된 바와 같은 IGBT(insulated gate bipolar transistor) 또는 임의의 다른 적합한 전자 스위치일 수 있음 - 와 직렬로 연결되어 있다.
라인(208) 상의 저장 제어의 출력은 다이오드(209)와 같은 한쪽 방향으로만 도통하는 디바이스를 통해 인덕터와 스위치(206)의 접합점으로부터 취해진다. 전지 스택의 출력 전압이 에너지가 ESS에 저장되어야 하는 전압 미만일 때 전지 스택(151)으로부터 에너지를 전송하기 위해, 스위치(206)가 먼저 제어기(185)(도 1)로부터의 라인(212) 상의 신호에 의해 게이트 온(gate on)되고, 따라서 전류가 인덕터(205)에 축적된다. 잠시 후에, 스위치(206)가 게이트 오프(gate off)되고, 인덕터에서의 전류가 다이오드(209) 및 출력 라인(208)을 통해 에너지 저장 시스템(201)(도 1)[배터리(213)일 수 있음] 내로 계속 흐를 것이다. 출력 라인(208)[및 연료 전지 스택의 다른 단자(155)]을 통한 전류가 ESS(201)에 저장된다. 에너지가 연료 전지 스택으로부터 전류의 형태로 빠져나갈 때, 연료 전지 스택의 전압이 감소될 것이다. 이 프로세스는 원하는 에너지가 연료 전지 스택으로부터 추출될 때까지 계속된다.
에너지 관계의 일례로서, 도 4는 연료 전지 스택으로부터 전송될 에너지의 양이 연료 전지 스택의 출력을 플롯팅하는 것 - 전송되는 에너지는 곡선의 면적으로 표현됨 - 에 의해 계산될 수 있다는 것을 나타내고 있다. 에너지의 양은 음성 전력 천이(negative power transition) 동안 연료 전지 스택에 의해 발생되는 전력을 시간에 대해 적분한 것으로 표현된다. 이 예에서, 에너지 E는 10 킬로주울이고, 전력은 3초 내에 소산된다.
이 실시예에서, 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 에너지가 균일하게 취출되지 않는다. 그 대신에, 전력의 전송이 빠르게 최대치에 도달하고, 이어서 시간에 따라 감소된다. 도 2 및 도 3과 관련하여 기술된 구성에서, 도 5에 예시된 바와 같이, 스위치(206)가 게이트 온 및 게이트 오프될 때, 에너지가 증분적으로 전송된다.
연료 전지 스택의 전압이 에너지가 보조 부하(198)에서 소산되거나 ESS(201)에 저장되어야 하는 전압보다 클 때, 도 3의 벅 구성이 사용된다. 스위치(206)는 연료 전지 스택의 한쪽 전기 단자(156)와 보조 부하(198) 사이에서 인덕터(205)와 직렬로 있다. 다이오드(209)는 연료 전지 스택의 다른쪽 전기 단자(155)로부터 인덕터(205)와 스위치(206) 사이의 접합부로 연결되어 있다. 스위치(206)가 라인(212) 상의 신호에 의해 게이트 온되어, 전류가 단자(156)로부터 인덕터(205)를 통해 출력 라인(208) 및 스위치(199)를 거쳐 보조 부하(198) 내로 흐르게 한다. 이어서, 스위치(206)가 게이트 오프되고, 이때 전류가 다이오드(209) 및 인덕터(205)를 통해 출력 라인(208) 및 스위치(199)를 거쳐 보조 부하(198)로 흐를 것이다. 스위치(206) 및 인덕터(205)를 통한 전류 흐름은 연료 전지 스택의 전압을 저하시킬 것이다. 앞서 도 4 및 도 5와 관련하여 기술된 바와 같이, 원하는 에너지가 연료 전지 스택으로부터 추출될 때까지 스위칭 프로세스가 반복된다.
도 2 및 도 3의 구성에서, 라인(212) 상의 신호에 의한 전자 스위치(206)의 스위칭에 대한 제어는 기동을 위한 및 정지 또는 다른 전력 감소 천이를 위한 사용을 가능하게 하고, 여기서 기동과 정지 및 다른 전력 감소 천이 간에 에너지 요구사항이 다를 수 있다. 구성요소(198, 205, 206, 209)의 크기는 기동/정지/전력 감소를 위해 요구되는 최대 전류를 전달하도록 결정될 것이다.
본 발명이 사용되는 시스템에 따라, 전압을 승압 또는 강압시킬 수 있는 절연 변압기의 사용을 비롯한 다른 구성, 특히 스위칭 구성이 이용될 수 있고, 변압된 전류는 이어서 커패시터 또는 배터리 또는 다른 적합한 저장 시스템에 저장하기 위해 정류된다. 이 실시예에서, 저장 시스템이 전기 시스템이지만, 기계 시스템을 비롯한 다른 저장 시스템이 이용될 수 있다.
도 2의 제어 구성이 또한 보조 부하(198)와 함께 사용될 수 있고, 도 3의 제어 구성이 또한 ESS(201)와 함께 사용될 수 있다.
종래의 방법은 연료 전지 전압이 임계치에 도달한 것에 응답하여, 전력 감소 및 연료 전지 전압 제어를 활성화시키는 것을 비롯하여, 전력 감소 천이에 반응한다(도 8 내지 도 10에서 전술함).
제어기(185) 내의 소프트웨어를 이용하여 본 방식을 수행하는 방법의 간략화된 예시가 도 6에 예시되어 있다. 동 도면에서, 진입 지점(230)을 통해 전지 전압 변화율(cell voltage rate) 서브루틴에 도달되고, 제1 단계(231)는 Vcell_n-1 = Vcell_n으로 설정하는 것에 의해 직전 전압을 갱신한다. 이어서, 단계(232)는 전지 전압의 현재 값 Vcell_n을 라인(156) 상의 전압 V_156 또는 전지 전압의 다른 표시와 같게 설정한다. 원하는 경우, 다른 실시예에서, 전지 전압이 일군의 전지의 평균 또는 단일의 전지로서 또는 다른 방식으로 설정될 수 있다. 본 명세서에서의 실시예가 각종의 전지 전압 선택에 대해 동작되도록 수정될 수 있다.
이어서, 테스트(233)는 VLD 가능화 플래그(enable VLD flag)(조금 후에 기술될 것임)가 설정되어 있는지 여부를 판정한다. 전지 스택 전압의 상향 천이 이전에, VLD 가능화 플래그가 설정되지 않았을 것이고, 따라서 부정적 결과로 인해, 연료 전지 전압의 시간 도함수가 미리 결정된 제한 변화율을 초과하는지를 판정하는, 본 방식의 핵심에 있는, 테스트(237)에 도달한다. 이것은, 테스트(237)에 도달하는 빈도수에 따라, 현재 전지 전압[단계(232)에서 설정됨]과 직전 전지 전압 Vcell_n-1[단계(231)에서 설정됨] 간의 차이가 미리 결정된 한계 이상인지를 판정하는 것에 의해 행해진다. 도 11 참조.
테스트(237)가 부정적인 경우, 복귀 지점(241)을 통해 다른 프로그래밍으로 되돌아간다. 이 루틴을 통한 이 과정(pass)에서 VLD가 가능화되지 않았을 것이다.
전지 전압 변화율 루틴을 통한 후속 과정에서, 테스트(237)의 긍정적 결과로 인해, VLD 가능화 플래그를 설정시키고 도 2 및 도 3을 게이팅하는 클럭을 가능화시키는 단계(239 및 240)에 도달할 것이다. 이 플래그는 라인(212) 상에의 클럭 펄스의 발생을 가능화시키는 것 또는 다이버터 밸브(177)(도 1)와 같은 다른 VLD 이펙추에이터(effectuator)를 동작시키는 것과 같은 도 2 및/또는 도 3의 실시예를 동작시키는 조건을 나타낸다.
이 시점 후에, BOP(Balance of Plant)는 연료 전지로의 반응물 유동을 감소시킬 것이고(도 12), 따라서 부하 전력이 감소된다(도 13). 테스트(243)가 부하 전력이 아직도 현재의 부하 전력 목표 - 전압 제한 프로세스를 중단시키기에 적절한 전력 레벨로 미리 결정되어 있음 - 미만이 아닌 것을 나타내는 경우, 복귀 지점(241)을 통해 다른 프로그래밍으로 되돌아간다. 물론, 다른 VLD 방법이 이용될 수 있다.
단계(233)에서 VLD 가능화 플래그가 설정되는 경우, 그 후의 제1 테스트(237)는 현재 연료 전지 부하 전력이 잠재적인 일련의 목표(이후에 논의됨) 중 현재의 미리 결정된 부하 전력 목표 미만인지를 판정한다.
테스트(243)가 긍정적인 경우, 이는 연료 전지에 심각한 고전압이 없는 하향 전력 천이의 처리의 작업이 완료되었거나(도 13의 지점 A) VLD 구간에 도달했다(도 13의 지점 B)는 것을 의미하고, 따라서 테스트(243)의 긍정적 결과는 VLD 가능화 플래그를 리셋시키고 클럭을 불능화시키기 위해 단계(244 및 245)에 도달할 것이다.
원하는 수의 부하 목표 및 VLD 구간을 제어하기 위해(도 11 내지 도 14), 테스트(251)는 목표 카운팅 수 G가 원하는 목표의 수를 나타내는 미리 결정된 한계 G LIMIT에 도달했는지를 판정한다. 아니오인 경우, 단계(253)에서, 수 G가 증분되고, 복귀 지점(241)을 통해 다른 프로그래밍으로 되돌아간다. 예인 경우, 차후의 전력 감소 이벤트에 대해 사용하기 위해, 단계(255)에서, G가 1 또는 임의의 편리한 수로 설정된다.
도 6과 관련하여 기술된 바와 같이, 본 방식의 프로세스를 중단 또는 종료시키기 위해 원하는 연료 전지 부하 전력 목표를 감지하는 대신에, VLD 가능화 플래그가 설정된 채로 있는 기간이 그 대신에 도 6a에 예시된 바와 같이 통상의 타이머에 의해 결정될 수 있다. 동 도면에서, 테스트(243a)는 타이머가 나타내는 현재 시간이 현재의 시간 구간 목표 TIME_G 이상인지를 판정한다. 아니오인 경우, 도 6에서와 같이 복귀 지점(241)을 통해 다른 프로그래밍에 도달된다. 그러나, 예인 경우, 테스트(243a)의 긍정적 결과로 인해, VLD 가능화 플래그를 리셋시키고 클럭을 불능화시키기 위해 단계(244, 245)에 도달한다. 이어서, 도 6의 실시예에서와 같이, 이 루틴이 테스트(251)를 통해 계속된다.
잘못된 응답을 제거하기 위해 제어기(185)에서 종래의 필터링(도시 생략)이 수행되어야만 한다. 연속적인 전압 제한 구간에서 제한 연료 전지 전압 변화율이 조절될 수 있다.
도 7은 전지 전압의 과도한 양성 변화율에 응답하여 VLD 동작을 개시하는 것과 관련하여, 본 방식의 간략화된 블록도(252)에 순전히 예시적인 유사한 버전의 전지 전압 제한 프로세스(185a)를 나타낸 것이다.
도 7에서, 미분기(254)는 라인(255) 상의 신호를 비교 회로(256)에 제공한다. 비교 회로에의 다른 입력은 라인(259) 상의 변화율 제한 신호이다. 라인(255) 상의 연료 전지 전압의 도함수가 라인(259) 상의 변화율 제한 신호 이하인 경우, 라인(258) 상에 아무 신호도 없을 것이다. 그러나 라인(255) 상의 전지 스택 전압의 도함수가 라인(259) 상의 변화율 제한 신호를 초과하는 경우, 래치(261)를 설정시키는 신호가 라인(258) 상에 나타날 것이다. 래치가 설정되면, 라인(263) 상의 신호는 AND 회로(267)를 통해 라인(264) 상의 클럭 신호를 게이팅하여, 라인(212) 상에 펄스를 제공할 것이다(도 11의 지점 B).
라인(265) 상의 전지 스택 부하 전력이 라인(267) 상의 미리 결정된 부하 전력 목표 미만으로 감소된 후, 비교 회로(268)는 래치(261)를 리셋시키는 신호를 라인(270) 상에 제공할 것이다. 이것은 전압 제한 동작을 종료시킨다.
도 6, 도 6a, 및 도 7의 실시예에서, 정지에 응답하여 VLD를 가능화시키는 것이 신속하게 일어날 것이다.
앞서 언급한 특허의 개시 내용은 참조 문헌으로서 본 명세서에 포함된다.
발명 요지를 벗어남이 없이, 개시된 실시예의 변경 및 변형이 이루어질 수 있기 때문에, 첨부된 청구범위가 요구하는 것 이외에 개시 내용을 제한하려는 의도는 없다.

Claims (24)

  1. 부하에 의해 요구되는 제1 전력 레벨로부터 상기 부하에 의해 요구되는 제2 전력 레벨 - 상기 제2 전력 레벨은 상기 제1 전력 레벨 미만임 - 로의 부하 전력 감소 천이에 의해 야기되는 연료 전지 발전 장치의 과잉 전력 발생에 대응하는 방법에 있어서,
    발전 장치에 있는 적어도 하나의 연료 전지의 전압의 양성 시간 도함수가 미리 결정된 제한 값을 초과하는 것에 응답하여, 발전 장치의 연료 전지의 전압 출력을 일정 기간 동안 적어도 하나의 연료 전지 전압 제한 디바이스에 연결시키는 단계를 특징으로 하고,
    상기 기간은 연료 전지 발전 장치의 전력 출력이 미리 결정된 전력 목표에 도달할 때까지 연장되고,
    상기 미리 결정된 전력 목표는 상기 제1 전력 레벨과 상기 제2 전력 레벨 사이에 있는 중간 전력 목표(interim power goal)인 것을 또한 특징으로 하는 방법.
  2. 연료 전지 발전 장치에 있는 적어도 하나의 연료 전지의 전압의 양성 시간 도함수가 미리 결정된 제한 값을 초과하는 것을 부하에 의해 요구되는 제1 전력 레벨로부터 상기 부하에 의해 요구되는 제2 전력 레벨 - 상기 제2 전력 레벨은 상기 제1 전력 레벨 미만임 - 로의 전력 감소 천이에 의해 야기되는 연료 전지 발전 장치의 과잉 전력 발생을 나타내는 것으로 감지하는 단계, 및 그에 응답하여, 일정 기간 동안 발전 장치의 연료 전지의 전압을 적어도 하나의 연료 전지 전압 제한 디바이스에 연결시키는 단계를 특징으로 하고,
    상기 기간은 연료 전지 발전 장치의 전력 출력이 미리 결정된 전력 목표에 도달할 때까지 연장되고,
    상기 미리 결정된 전력 목표는 상기 제1 전력 레벨과 상기 제2 전력 레벨 사이에 있는 중간 전력 목표(interim power goal)인 것을 또한 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료 전지 전압 제한 디바이스는 저항성 보조 부하 또는 에너지 저장 시스템 중 어느 하나, 또는 둘 다인 것을 또한 특징으로 하는 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 미리 결정된 전력 목표는 상기 제2 전력 레벨인 것을 또한 특징으로 하는 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 중간 전력 목표에 도달한 후에, 발전 장치에 있는 적어도 하나의 연료 전지의 전압의 부가의 양성 시간 도함수가 미리 결정된 제한 값을 초과하는 것에 응답하여, 발전 장치의 상기 연료 전지의 전압을 부가의 기간 동안 적어도 하나의 연료 전지 전압 제한 디바이스에 다시 연결시키는 단계를 또한 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 부가의 기간은 연료 전지 발전 장치의 전력 출력이 미리 결정된 개재 전력 목표(intervening power goal)에 도달할 때까지 연장되는 것을 또한 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 개재 전력 목표는 상기 제2 전력 레벨인 것을 또한 특징으로 하는 방법.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 기간은 발전 장치에 있는 적어도 하나의 연료 전지의 전압의 양성 시간 도함수가 미리 결정된 제한 값을 초과하는 것에 응답하여 사전 기동되는 타이머의 타임아웃까지 연장되는 것을 또한 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 타이머의 타임아웃 후에, 발전 장치에 있는 적어도 하나의 연료 전지의 전압의 부가의 양성 시간 도함수가 미리 결정된 제한 전압을 초과하는 것에 응답하여, 발전 장치의 상기 연료 전지의 전압을 부가의 기간 동안 적어도 하나의 연료 전지 전압 제한 디바이스에 다시 연결시키는 단계를 또한 특징으로 하는 방법.
  12. 연료 전지 발전 장치로서,
    연료 전지 스택;
    상기 연료 전지 스택과 상호연결된 제어기; 및
    상기 연료 전지 발전 장치와 연관된 저항성 보조 부하 - 상기 보조 부하는 그에 제공되는 전력 출력에 응답하여 대응하는 에너지를 소산시킴 -, 및 상기 연료 전지 발전 장치와 연관된 에너지 저장 시스템 - 상기 에너지 저장 시스템은 그에 제공되는 전력 출력에 응답하여 대응하는 에너지를 저장함 - 중 하나 또는 둘 다를 포함하는 전압 제한 디바이스를 포함하는, 연료 전지 발전 장치에 있어서,
    전압 제한 디바이스 제어부가, 상기 연료 전지 스택에 의해 발생된 에너지를 전력 출력의 형태로 추출하기 위해, 부하에 의해 요구되는 제1 전력 레벨로부터 상기 부하에 의해 요구되는 제2 전력 레벨 - 상기 제2 전력 레벨은 상기 제1 전력 레벨 미만임 - 로의 전력 감소 천이 동안 상기 제어기에 의해 동작가능하고, 상기 전력 출력은 일정 기간 동안 i) 열로서 소산시키기 위해 상기 보조 부하에, 또는 ii) 상기 에너지 저장 디바이스에, 또는 둘 다에 제공됨으로써, 상기 천이에 의해 야기된 상기 연료 전지 스택의 연료 전지에서의 최대 평균 전압을 제한하며,
    상기 제어기는 상기 스택에 있는 적어도 하나의 연료 전지의 전압의 양성 시간 도함수가 미리 결정된 제한 값을 초과하는 것에 응답하여 상기 전압 제한 디바이스 제어부를 동작시키고,
    상기 기간은 연료 전지 발전 장치의 전력 출력이 미리 결정된 전력 목표에 도달할 때까지 연장되고,
    상기 미리 결정된 전력 목표는 상기 제1 전력 레벨과 상기 제2 전력 레벨 사이에 있는 중간 전력 목표인 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전압 제한 디바이스 제어부는 상기 제어기로부터의 신호에 의해 게이트 온(gate on) 및 게이트 오프(gate off)되는 전자 스위치를 포함하는 것을 또한 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 에너지 저장 시스템은 전기 배터리를 포함하는 것을 또한 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 에너지 저장 시스템은 상기 연료 전지 발전 장치에 의해 전력을 공급받는 차량에 배치된 전기 배터리를 포함하는 것을 또한 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 에너지 저장 시스템은 커패시터를 포함하는 것을 또한 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
  17. 삭제
  18. 제12항에 있어서,
    상기 미리 결정된 전력 목표는 상기 제2 전력 레벨인 것을 또한 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
  19. 삭제
  20. 제12항에 있어서,
    상기 중간 전력 목표에 도달한 후에, 상기 스택에 있는 적어도 하나의 연료 전지의 전압의 양성 시간 도함수가 미리 결정된 제한 값을 초과하는 것에 응답하여, 연료 전지 발전 장치의 상기 연료 전지의 전기 출력을 부가의 기간 동안 적어도 하나의 연료 전지 전압 제한 디바이스에 다시 제공하는 것을 또한 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 부가의 기간은, 상기 스택에 있는 적어도 하나의 연료 전지의 전압의 양성 시간 도함수가 미리 결정된 제한 값을 초과하는 것에 응답하여, 연료 전지 발전 장치의 전력 출력이 미리 결정된 개재 전력 목표에 도달할 때까지 연장되는 것을 또한 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 미리 결정된 개재 전력 목표는 상기 제2 전력 레벨인 것을 또한 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
  23. 제12항에 있어서,
    상기 기간은 상기 스택에 있는 적어도 하나의 연료 전지의 전압의 양성 도함수가 미리 결정된 제한 값을 초과하는 것에 응답하여 사전 기동되는 타이머의 타임아웃까지 연장되는 것을 또한 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 타이머의 타임아웃 후에, 연료 전지 발전 장치에 있는 적어도 하나의 연료 전지의 전압의 부가의 양성 시간 도함수가 미리 결정된 제한 전압을 초과하는 것에 응답하여, 연료 전지 발전 장치의 상기 연료 전지의 전압을 다른 기간 동안 적어도 하나의 연료 전지 전압 제한 디바이스에 다시 연결시키는 것을 또한 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
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