KR102054049B1 - 셀 전압 회복 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 내 셀들의 성능을 주기적으로 모니터링하고, 성능이 이상진단 셀을 스택에서 전기적으로 분리시켜 회로 단선(open circuit) 및 단락(short circuit)을 주기적으로 반복함으로써 셀 전압을 회복시키는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 단전지(single cell) 레벨에서 연료전지를 제어하여 전체 연료전지 스택의 성능과 수명을 증대시킬 수 있다.

Description

셀 전압 회복 장치 및 그 방법{CELL VOLTAGE RECOVERING APPARATUS FOR FUEL CELL AND THE METHOD THEREOF}
본 발명은 셀 전압 회복 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 내 셀들의 성능을 주기적으로 모니터링하고, 이상진단 셀을 스택에서 전기적으로 분리시켜 회로 단선(open circuit) 및 단락(short circuit)을 주기적으로 반복함으로써 셀 전압을 회복시키는 기술에 관한 것이다.
연료전지는 무공해 전력 공급장치로서 차세대 청정 에너지 발전 시스템 중의 하나로 각광받고 있다. 연료전지를 이용한 발전 시스템은 대형 건물의 자가발전기, 전기자동차 전원, 이동 전원(portable power supply) 등으로 이용될 수 있고, 천연 가스, 도시 가스, 나프타, 메탄올, 폐기물 가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있는 장점이 있다.
연료전지는 동일한 원리로 작동되나, 사용되는 전해질(electrolyte)에 따라 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자 전해질 연료전지(PEFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리 연료전지(AFC) 등으로 구분된다. 즉, 동일한 원리에 의해서 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 또한, 연료전지는 운전 온도에 따라 크게 저온형, 중저온형, 고온형으로 구분할 수 있다.
일반적으로 저온형 연료전지는 상온에서 작동하는 고분자 전해질 연료전지, 직접 메탄올 연료전지, 직접 에탄올 연료전지가 있고 중저온형 연료전지는 알칼리 연료전지가 있다. 고온형 연료전지는 용융 탄산염 연료전지, 고체 산화물 연료전지가 있다. 그 가운데 고분자 전해질 연료전지와 직접 메탄올 연료전지, 직접 에탄올 연료전지가 휴대용 연료전지로 사용할 수 있는 대표적인 연료전지이다. 이 세 연료전지는 폴리머 전해질을 사용하고 백금 촉매를 일반적으로 사용한다.
현재 모바일 기기 시장의 확대와 함께 그에 상응하는 고출력화 소형화가 가능한 전원 시스템 개발이 절실히 요구되고 있다. 그러나 기존의 배터리 기술 등은 사용시간의 한계가 있는 치명적인 단점을 지니고 있다. 그러나 연료전지는 배터리 기술에 비해서 상대적으로 높은 에너지 밀도를 지니고 있으므로 장기간 작동에 매우 적합한 전원 시스템이 될 수 있다. 그 대표적인 예가 노트북과 핸드폰일 수 있다.
특히, 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell; DMFC)는 수소 이온을 전도하는 고분자막을 전해질로 사용하며 연료로써 메탄올을 애노드에 직접 사용하는 연료전지이다. DMFC는 연료 개질기를 사용하지 않고 100℃ 미만의 작동온도에서 운전되므로 휴대용이나 소형 연료전지 구조에 적합하다는 장점이 있다. 또한, 직접 에탄올형 연료전지(Direct Ethanol Fuel Cell; DEFC)는 알코올(에탄올) 주입만으로 전력이 생산되는 연료전지이다.
다만, 이러한 직접 메탄올형 연료전지 및 직접 에탄올형 연료전지의 경우, 연료의 크로스오버(cross­over) 현상으로 시간이 지나면 셀 열화현상(cell degradation)이 악화되어 성능이 저하된다는 한계가 존재하였다. 이에, 셀 열화현상으로 성능이 저하되는 셀을 주기적으로 개방전압(Open Circuit Voltage; OCV) 상태로 제어하여 셀 전압(cell voltage)을 원래 상태로 회복시켜주는 기술이 요구된다.
한국등록특허 제10­0993110호(2010.11.02. 등록), "배터리 셀의 충전량 밸런싱 장치 및 방법" 한국등록특허 제10­1490716호(2015.02.02. 등록), "배터리 관리 장치 및 방법"
본 발명의 목적은 연료전지 셀들의 성능을 주기적으로 모니터링하고, 성능이 떨어지는 이상진단 셀을 스택에서 전기적으로 분리시켜 회로 단락(short circuit)을 반복하여 셀 전압을 회복함으로써, 단전지(single cell) 레벨에서 연료전지를 제어하여 전체 연료전지 스택의 성능과 수명을 증대시킬 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 목적은 릴레이 스위치를 이용한 스위치 제어 방식을 이용하여 스택의 균일한 출력을 제공함으로써, 연료전지의 전체 내구성을 향상시킬 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 목적은 이상진단(abnormal) 셀을 단선(open circuit) 상태에서 주기적으로 단락(short)시킴으로써, 셀 전압의 회복을 가속화시킬 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 회복 장치는 연료전지 내 복수의 셀에 연결된 릴레이 스위치를 이용하여 상기 복수의 셀에 대한 셀 전압을 측정 및 저장하고, 상기 측정된 셀 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하여 상기 복수의 셀을 모니터링하는 셀 전압 모니터링부 및 상기 모니터링 결과를 기반으로, 상기 복수의 셀 중 이상진단 셀에 대한 릴레이 제어를 통해 단선(open circuit)하고, 주기적으로 단락(short circuit)하여 셀 전압을 회복하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 연료전지 스택 구조에서, 상기 복수의 셀들을 그룹핑하여 기 설정된 개수의 셀들을 포함하는 복수의 그룹을 형성할 수 있다.
상기 셀 전압 모니터링부는 상기 복수의 셀 또는 상기 복수의 그룹 중 임의의 셀 또는 임의의 그룹에 연결된 상기 릴레이 스위치의 음극(Anode) 및 양극(Cathode) 릴레이를 동시에 온(On)한 후, 센싱 라인(Sensing Line)의 음극 및 양극에 연결된 축전기에서 획득되는 셀 전압을 측정할 수 있다.
상기 셀 전압 모니터링부는 상기 임의의 셀 또는 상기 임의의 그룹에 대한 상기 셀 전압의 측정 후, 상기 축전기에 저장된 전하를 외부 스위치에 따른 저항을 통해 상기 센싱 라인의 음극으로 방전시킬 수 있다.
상기 셀 전압 모니터링부는 상기 임의의 셀 또는 상기 임의의 그룹에 대해 상기 측정된 셀 전압을 저장하며, 상기 측정된 셀 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하여 모니터링할 수 있다.
상기 제어부는 상기 모니터링 결과를 기반으로, 상기 연료전지 내 K번째 셀이 상기 이상진단 셀인 경우, 상기 릴레이 스위치를 이용하여 K­1번째 셀의 음극과 K+1번째 셀의 음극을 파워 라인(Power Line)의 음극(Anode)에 연결하여 상기 K번째 셀에 대한 전류를 바이패스(bypass)하거나, K­1번째 셀의 양극과 K+1번째 셀의 양극을 파워 라인(Power Line)의 양극(Cathode)에 연결하여 상기 K번째 셀에 대한 전류를 바이패스(bypass)하는 상기 릴레이 제어를 수행함으로써, 상기 K번째 셀에 전류가 흐르지 않는 개방전압(Open Circuit Voltage; OCV)하여 상기 K번째 셀의 셀 전압을 회복시킬 수 있다.
상기 제어부는 상기 K번째 셀에 연결된 상기 릴레이 스위치를 통해 상기 K번째 셀의 음극 또는 양극 릴레이를 온(on)한 후, 상기 파워 라인의 음극 또는 양극에 연결하여 상기 K번째 셀을 단락시킬 수 있다.
상기 제어부는 상기 K번째 셀의 음극 또는 양극 릴레이를 주기적인 신호로 온(On)/오프(Off)하여 상기 K번째 셀에 대한 단선(open circuit)과 단락(short circuit)을 주기적으로 반복함으로써, 상기 이상진단 셀인 상기 K번째 셀에 대한 셀 전압을 회복시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 셀 전압 회복 장치는 연료전지 내 복수의 셀에 연결된 릴레이 스위치를 이용하여 상기 복수의 셀에 대한 셀 전압을 측정 및 저장하는 셀 전압 측정부, 상기 측정된 셀 전압과, 기 설정된 기준 전압을 비교하여 상기 복수의 셀을 모니터링하는 모니터링부 및 상기 모니터링 결과를 기반으로, 상기 복수의 셀 중 이상진단 셀에 대한 릴레이 제어를 통해 단선(open circuit)하고, 주기적으로 단락(short circuit)하여 셀 전압을 회복하는 릴레이 스위치 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 셀 전압 회복 장치는 상기 복수의 셀들을 그룹핑하여 기 설정된 개수의 셀들을 포함하는 복수의 그룹을 형성하는 셀 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 회복 방법은 연료전지 내 복수의 셀에 연결된 릴레이 스위치를 이용하여 상기 복수의 셀에 대한 셀 전압을 측정 및 저장하는 단계, 상기 측정된 셀 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하여 상기 복수의 셀을 모니터링하는 단계, 상기 모니터링 결과를 기반으로, 상기 복수의 셀 중 이상진단 셀에 대한 릴레이 제어를 통해 단선(open circuit)하는 단계 및 상기 이상진단 셀에 대한 상기 릴레이 제어를 통해 주기적으로 단락(short circuit)하여 셀 전압을 회복하는 단계를 포함한다.
상기 셀 전압을 측정 및 저장하는 단계는 연료전지 스택 구조에서, 주기적으로 상기 복수의 셀 각각에 대한 상기 셀 전압을 측정하며, 상기 측정된 셀 전압을 저장할 수 있다.
상기 셀 전압을 측정 및 저장하는 단계는 상기 복수의 셀들을 그룹핑하여 기 설정된 개수의 셀들을 포함하는 복수의 그룹들 각각에 대한 상기 셀 전압을 측정하여 저장할 수 있다.
상기 셀 전압을 측정 및 저장하는 단계는 상기 복수의 셀 또는 상기 복수의 그룹 중 임의의 셀 또는 임의의 그룹에 연결된 상기 릴레이 스위치의 음극(Anode) 및 양극(Cathode) 릴레이를 동시에 온(On)한 후, 센싱 라인(Sensing Line)의 음극 및 양극에 연결된 축전기에서 획득되는 셀 전압을 측정할 수 있다.
상기 셀 전압을 측정 및 저장하는 단계는 상기 임의의 셀 또는 상기 임의의 그룹에 대한 상기 셀 전압의 측정 후, 상기 축전기에 저장된 전하를 외부 스위치에 따른 저항을 통해 상기 센싱 라인의 음극으로 방전시킬 수 있다.
상기 모니터링하는 단계는 상기 측정된 셀 전압이 상기 기 설정된 기준 전압 이하인 경우, 상기 이상진단 셀로 판단할 수 있다.
상기 이상진단 셀에 대한 릴레이 제어를 통해 단선하는 단계는 상기 모니터링 결과를 기반으로, 상기 연료전지 내 K번째 셀이 상기 이상진단 셀인 경우, 상기 릴레이 스위치를 이용하여 K­1번째 셀의 음극과 K+1번째 셀의 음극을 파워 라인(Power Line)의 음극(Anode)에 연결하여 상기 K번째 셀에 대한 전류를 바이패스(bypass)하거나, K­1번째 셀의 양극과 K+1번째 셀의 양극을 파워 라인(Power Line)의 양극(Cathode)에 연결하여 상기 K번째 셀에 대한 전류를 바이패스(bypass)하는 상기 릴레이 제어를 수행함으로써, 상기 K번째 셀에 전류가 흐르지 않는 개방전압(Open Circuit Voltage; OCV)하여 상기 K번째 셀의 셀 전압을 회복할 수 있다.
상기 주기적으로 단락하여 셀 전압을 회복하는 단계는 상기 K번째 셀에 연결된 상기 릴레이 스위치를 통해 상기 K번째 셀의 음극 또는 양극 릴레이를 온(on)한 후, 상기 파워 라인의 음극 또는 양극에 연결하여 상기 K번째 셀을 단락시킬 수 있다.
상기 주기적으로 단락하여 셀 전압을 회복하는 단계는 상기 K번째 셀의 음극 또는 양극 릴레이를 주기적인 신호로 온(On)/오프(Off)하여 상기 K번째 셀에 대한 단선(open circuit)과 단락(short circuit)을 주기적으로 반복함으로써, 상기 이상진단 셀인 상기 K번째 셀에 대한 셀 전압을 회복할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 셀들의 성능을 주기적으로 모니터링하고, 성능이 떨어지는 이상진단 셀을 스택에서 전기적으로 분리시켜 회로 단락(short circuit)을 반복하여 셀 전압을 회복함으로써, 단전지(single cell) 레벨에서 연료전지를 제어하여 전체 연료전지 스택의 성능과 수명을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 릴레이 스위치를 이용한 스위치 제어 방식을 이용하여 스택의 균일한 출력을 제공함으로써, 연료전지의 전체 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 이상진단(abnormal) 셀을 단선(open circuit) 상태에서 주기적으로 단락(short)시킴으로써, 셀 전압의 회복을 가속화시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 셀 전압을 회복시키기 위해 셀을 주기적으로 단락(short circuit)시켜 촉매에 오염된 불순물(CO 등)을 제거함으로써, 보다 효율적인 셀 전압 회복이 가능할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 회복 장치의 개략적인 구성을 도시한 것이고, 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 셀 전압 회복 장치의 개략적인 구성을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 모니터링 방법을 설명하기 위한 회로 구성도를 도시한 것이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이상진단 셀의 셀 전압을 회복시키는 방법을 설명하기 위한 회로 구성도를 도시한 것이다.
도 7a 및 도 7b는 시간에 따른 셀 전압에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 회로단락에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.
도 9a 및 도 9b는 단선(open circuit)에서 셀 전압 회복에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.
도 10a 및 도 10b는 단선(open circuit) 및 단락(short circuit)에서 셀 전압 회복에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 회복 방법의 흐름도를 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 시청자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 회복 장치의 개략적인 구성을 도시한 것이고, 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 셀 전압 회복 장치의 개략적인 구성을 도시한 것이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 셀 전압 회복 장치는 연료전지 내 셀들의 성능을 주기적으로 모니터링하고, 이상진단 셀을 스택에서 전기적으로 분리시켜 회로 단선(open circuit) 및 단락(short circuit)을 주기적으로 반복함으로써 셀 전압을 회복시킨다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 셀 전압 회복 장치(100)는 셀 집합을 포함하는 연료전지부(130), 연료전지부(130) 내의 각 셀의 양 단자를 스위칭하는 적어도 하나 이상을 포함하는 릴레이 스위치(140), 및 릴레이 스위치(140)의 양 단자에 연결되어 외부에 위치하는 파워 라인(Power Line, 150) 및 센싱 라인(Sensing Line)을 포함한다. 또한, 셀 전압 회복 장치(100)는 복수의 셀 중 이상진단 셀에 대한 고장 진단 결과와 고장 원인을 저장하여 보존하는 메모리와 배터리(Battery)를 더 포함할 수 있다.
이 때, 릴레이 스위치(140)는 SSR(Solid State Relay)이 바람직하다. 상기 SSR은 무접점 방식으로 단선(open circuit) 및 단락(short circuit) 제어로 신뢰성을 높일 수 있으며, 단락 회로는 SSR 스위치로 제어, 0.1Hz 내지 100Hz 주파수 영역에서 고 전류를 제어할 수 있다.
도 1a을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 회복 장치(100)는 셀 전압 모니터링부(110) 및 제어부(120)를 포함한다.
셀 전압 모니터링부(110)는 연료전지부(130) 내 복수의 셀에 연결된 릴레이 스위치(140)를 이용하여 복수의 셀에 대한 셀 전압을 측정 및 저장하고, 측정된 셀 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하여 복수의 셀을 모니터링한다.
이하에서는, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 모니터링부(110)의 세부 구성에 대해 보다 상세히 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 모니터링 방법을 설명하기 위한 회로 구성도를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 셀 전압 모니터링부(210)는 연료전지부(230) 내 임의의 셀(231)에 대한 셀 전압을 주기적으로 모니터링할 수 있다. 예를 들면, 연료전지부(230)는 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell; DMFC) 및 직접 에탄올형 연료전지(Direct Ethanol Fuel Cell; DEFC) 등의 복수의 셀을 포함할 수 있으며, 상기 복수의 셀 각각은 음극(또는 산화전극, Anode), 전해질막(Membrane) 및 양극(또는 환원전극, Cathode)의 스택 구조일 수 있다. 이 때, 음극은 연료전지에서 수소 연료가 공급되며, 양극은 공기가 공급된다.
도 1a 및 도 2에 도시된 릴레이 스위치(140, 240)는 음극 릴레이 및 양극 릴레이를 형성하는 복수의 쌍을 포함하며, 복수의 쌍은 상기 복수의 셀에 각각 연결되어 외부 출력 라인인 파워 라인(150) 및 센싱 라인(160, 260)에 각각 연결될 수 있다.
이에 따라서, 셀 전압 모니터링부(210)는 연료전지부(230) 내 임의의 셀(231)에 연결된 릴레이 스위치(240)의 음극(Anode) 및 양극(Cathode) 릴레이를 동시에 온(On)한 후, 센싱 라인(260)의 음극(­) 및 양극(+)에 연결된 축전기(Capacitor)에서 획득되는 셀 전압(V_k)을 측정하며, 측정된 셀 전압(V_k)과 기 설정된 기준 전압(Vth)을 비교하여 복수의 셀 중 이상진단 셀을 모니터링할 수 있다. 예를 들면, 셀 전압 모니터링부(210)는 수 십초 내지 수 분의 주기적인 셀 전압 모니터링을 통해 복수의 셀 중 특정 셀에 대해 측정된 전압(V_k)과 기 설정된 기준 전압(Vth: threshold voltage)을 비교하고, 비교를 통해 측정된 전압이 0.6V 또는 셀 전압 평균에서 10% 이하일 경우, 상기 특정 셀을 이상 동작인 이상진단 셀로 판단할 수 있다. 다만, 이상진단 셀을 판단하는 판단 기준은 전술한 바에 한정되지 않으며, 다양한 실시예에 따라 변동 가능하다.
셀 전압 모니터링부(210)를 통한 연료전지부(230) 내 임의의 셀(231)에 대한 셀 전압 측정 후, 축전기(Capacitor)에 저장된 전하는 외부 스위치(스위치_B)를 온(On)하여 저항(Rm)을 통해 센싱 라인(260)의 음극(­)으로 방전될 수 있다. 이후, 셀 전압 모니터링부(210)는 임의의 셀(231) 외에 연료전지부(230)의 다른 셀에 대한 셀 전압을 측정할 수 있다.
실시예에 따라서, 셀 전압 모니터링부(210)는 연료전지부(230) 내 임의의 단일 셀에 대한 모니터링을 수행할 뿐만 아니라, 복수의 셀로 그룹핑된 그룹에 대한 모니터링을 수행할 수도 있다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 회복 장치(200)의 제어부(220)는 연료전지부(230) 내 연료전지 스택 구조에서, 복수의 셀들을 그룹핑하여 기 설정된 개수의 셀들을 포함하는 복수의 그룹을 형성할 수 있다. 이 때, 그룹 각각은 단일의 셀과 동일하게 릴레이 스위치(240)의 음극 및 양극 릴레이에 연결되어 외부 출력 라인인 파워 라인(150) 및 센싱 라인(260)에 각각 연결될 수 있다. 릴레이 스위치(240)는 연료전지부(230) 내 복수의 셀들을 스위칭하거나, 복수의 그룹들을 스위칭할 수 있다.
이 때, 그룹핑되는 복수의 셀의 개수 및 형태는 한정되지 아니하며, 그룹별로 연결되는 릴레이 스위치(240)의 개수, 음극 및 양극 릴레이의 쌍 개수 및 연결 형태 또한 한정되지 않는다.
다시 도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 회복 장치(100)의 제어부(120)는 모니터링 결과를 기반으로, 복수의 셀 중 이상진단 셀에 대한 릴레이 제어를 통해 단선(open circuit)하고, 주기적으로 단락(short circuit)하여 셀 전압을 회복한다.
셀 전압 모니터링부(110)에 따른 모니터링 결과로부터 이상진단(abnormal) 셀이 판단되는 경우, 제어부(120)는 배터리를 통해 이상진단 셀에 연료를 공급한 상태에서, 스택 외부의 파워 라인(150) 우회 회로를 통해 이상진단 셀을 단선(Open circuit)한 후, 주기적으로 단락(short)시켜 이상진단 셀에 대한 셀 전압을 기존 셀 전압으로 회복시킬 수 있다. 이 때, 단락 회로의 주기 및 지속 시간은 10m sec 내지 10 sec 일 수 있다.
예를 들면, 셀 전압 모니터링부(110)에 의해 연료전지부(130) 내 K번째 셀이 이상진단 셀로 판단되는 경우, 제어부(120)는 이상진단 셀(K번째 셀)에 연결된 릴레이 스위치(140)를 이용하여 K­1번째 셀의 음극과 K+1번째 셀의 음극을 파워 라인(150)의 음극(Anode)에 연결하여 K번째 셀에 대한 전류를 바이패스(bypass)하거나, K­1번째 셀의 양극과 K+1번째 셀의 양극을 파워 라인(150)의 양극(Cathode)에 연결하여 K번째 셀에 대한 전류를 바이패스(bypass)하는 릴레이 제어를 수행함으로써, K번째 셀에 전류가 흐르지 않는 개방전압(Open Circuit Voltage; OCV)하여 K번째 셀의 셀 전압을 회복시킬 수 있다. 이후, 제어부(120)는 K번째 셀에 연결된 릴레이 스위치(140)를 통해 K번째 셀의 음극 또는 양극 릴레이를 온(On)한 후, 파워 라인(150)의 음극 또는 양극에 연결하여 K번째 셀을 단락(short)시킬 수 있다.
이에 따라서, 제어부(120)는 K번째 셀의 음극 또는 양극 릴레이를 주기적인 신호로 온(On)/오프(Off)하여 K번째 셀에 대한 단선(open circuit)과 단락(short circuit)을 주기적으로 반복함으로써, 이상진단 셀인 K번째 셀에 대한 셀 전압을 회복시키고, 단전지(single cell) 레벨로서 연료전지를 제어하여 전체 연료전지부(130) 스택의 성능과 수명을 증대시킬 수 있다.
도 1b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 셀 전압 회복 장치(100)는 셀 전압 측정부(111), 모니터링부(112) 및 릴레이 스위치 제어부(122)를 포함한다.
셀 전압 측정부(111)는 연료전지부(130) 내 복수의 셀에 연결된 릴레이 스위치(140)를 이용하여 복수의 셀에 대한 셀 전압을 측정 및 저장하고, 모니터링부(112)는 측정된 셀 전압과, 기 설정된 기준 전압을 비교하여 복수의 셀을 모니터링한다.
예를 들면, 셀 전압 측정부(111)는 연료전지부(130) 내 임의의 셀에 연결된 릴레이 스위치(140)의 음극(Anode) 및 양극(Cathode) 릴레이를 동시에 온(On)한 후, 센싱 라인(160)의 음극 및 양극에 연결된 축전기에서 획득되는 셀 전압을 측정할 수 있으며, 모니터링부(112)는 측정된 셀 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하여 복수의 셀 중 이상진단 셀을 모니터링할 수 있다. 이 때, 모니터링부(112)는 수 십초 내지 수 분의 주기적인 셀 전압 모니터링을 통해 복수의 셀 중 특정 셀에 대해 측정된 전압(V_k)과 기 설정된 기준 전압(Vth: threshold voltage)을 비교하고, 비교를 통해 측정된 전압이 0.6V 또는 셀 전압 평균에서 10% 이하일 경우, 상기 특정 셀을 이상 동작인 이상진단 셀로 판단할 수 있다. 다만, 이상진단 셀을 판단하는 판단 기준은 전술한 바에 한정되지 않으며, 다양한 실시예에 따라 변동 가능하다.
도 1b에서의 릴레이 스위치 제어부(122)는 모니터링 결과를 기반으로, 복수의 셀 중 이상진단 셀에 대한 릴레이 제어를 통해 단선(open circuit)하고, 주기적으로 단락(short circuit)하여 셀 전압을 회복한다.
모니터링부(112)에 따른 모니터링 결과로부터 이상진단(abnormal) 셀이 판단되는 경우, 릴레이 스위치 제어부(122)는 배터리를 통해 이상진단 셀에 연료를 공급한 상태에서, 스택 외부의 파워 라인(150) 우회 회로를 통해 이상진단 셀을 단선(Open circuit)한 후, 주기적으로 단락(short)시켜 이상진단 셀에 대한 셀 전압을 기존 셀 전압으로 회복시킬 수 있다. 이 때, 단락 회로의 주기 및 지속 시간은 10m sec 내지 10 sec 일 수 있다.
예를 들면, 모니터링부(112)에 의해 연료전지부(130) 내 K번째 셀이 이상진단 셀로 판단되는 경우, 릴레이 스위치 제어부(122)는 이상진단 셀(K번째 셀)에 연결된 릴레이 스위치(140)를 이용하여 K­1번째 셀의 음극과 K+1번째 셀의 음극을 파워 라인(150)의 음극(Anode)에 연결하여 K번째 셀에 대한 전류를 바이패스(bypass)하거나, K­1번째 셀의 양극과 K+1번째 셀의 양극을 파워 라인(150)의 양극(Cathode)에 연결하여 K번째 셀에 대한 전류를 바이패스(bypass)하는 릴레이 제어를 수행함으로써, K번째 셀에 전류가 흐르지 않는 개방전압(Open Circuit Voltage; OCV)하여 K번째 셀의 셀 전압을 회복시킬 수 있다. 이후, 릴레이 스위치 제어부(122)는 K번째 셀에 연결된 릴레이 스위치(140)를 통해 K번째 셀의 음극 또는 양극 릴레이를 온(On)한 후, 파워 라인(150)의 음극 또는 양극에 연결하여 K번째 셀을 단락(short)시킬 수 있다.
이에 따라서, 릴레이 스위치 제어부(122)는 K번째 셀의 음극 또는 양극 릴레이를 주기적인 신호로 온(On)/오프(Off)하여 K번째 셀에 대한 단선(open circuit)과 단락(short circuit)을 주기적으로 반복함으로써, 이상진단 셀인 K번째 셀에 대한 셀 전압을 회복시킴으로써, 단전지(single cell) 레벨로서 연료전지를 제어하여 전체 연료전지부(130) 스택의 성능과 수명을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 셀 전압 회복 장치(100)는 셀 제어부(121)를 더 포함할 수 있다. 셀 제어부(121)는 복수의 셀들을 그룹핑하여 기 설정된 개수의 셀들을 포함하는 복수의 그룹을 형성할 수 있다. 예를 들면, 셀 제어부(121)는 연료전지부(130) 내 연료전지 스택 구조에서, 복수의 셀들을 그룹핑하여 기 설정된 개수의 셀들을 포함하는 복수의 그룹을 형성할 수 있으며, 그룹 각각은 단일의 셀과 동일하게 릴레이 스위치(140)의 음극 및 양극 릴레이에 연결되어 외부 출력 라인인 파워 라인(150) 및 센싱 라인(160)에 각각 연결될 수 있다. 릴레이 스위치(140)는 연료전지부(130) 내 복수의 셀들을 스위칭하거나, 복수의 그룹들을 스위칭할 수 있다.
이 때, 그룹핑되는 복수의 셀의 개수 및 형태는 한정되지 아니하며, 그룹별로 연결되는 릴레이 스위치(140)의 개수, 음극 및 양극 릴레이의 쌍 개수 및 연결 형태 또한 한정되지 않는다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이상진단 셀의 셀 전압을 회복시키는 방법을 설명하기 위한 회로 구성도를 도시한 것이다.
보다 구체적으로, 도 3은 모든 셀 정상 동작 시, 회로 구성도의 예를 도시한 것이고, 도 4 및 도 5는 이상진단 셀을 바이패스(bypass)하는 예를 도시한 것이며, 도 6은 이상진단 셀에 대한 단락회로 동작의 예를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 일반적인 회로 구성도를 나타낸다. 연료전지부(330) 내 복수의 셀(331, 332, 333, …, 33N)이 정상 동작하는 경우, 릴레이 스위치(340) 내 각 스위치(341, 342, 343, …, 34N)는 파워 라인(350)의 양극(+) 및 음극(­)과 단절된 오프(OFF) 상태이며, 연료전지부(330) 내 복수의 셀(331, 332, 333, …, 33N)은 직렬 연결된 동작 상태이다. 여기서, 릴레이 스위치(340)는 SSR(Solid State Relay)이 바람직하다. 상기 SSR은 무접점 방식으로 단선(open circuit) 및 단락(short circuit) 제어로 신뢰성을 높일 수 있으며, 단락 회로는 SSR 스위치로 제어, 0.1Hz 내지 100Hz 주파수 영역에서 고 전류를 제어할 수 있다.
도 4 내지 도 6에서는 연료전지부(330) 내 복수의 셀(331, 332, 333, …, 33N) 중 3번째 셀(333)이 이상진단 셀인 경우로 가정하여 설명한다.
일 실시 예로, 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 회복 장치(300)는 복수의 셀(331, 332, 333, …, 33N) 각각에 대한 셀 전압을 모니터링하며, 복수의 셀(331, 332, 333, …, 33N) 중 3번째 셀(333)의 셀 전압 값이 기 설정된 기준 전압(Vth)보다 작은, 이상 동작을 판단할 수 있다.
즉, 3번째 셀(333) 만이 이상 동작을 나타내고 나머지 셀들은 정상 동작함으로 인해 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 회복 장치(300)는 릴레이 스위치(340)를 통한 릴레이 온(Relay On) 동작으로 2번째 셀(332)에 대한 음극 릴레이(342­)와 4번째 셀(334)에 대한 음극 릴레이(344­)를 파워 라인(350)의 음극(­)에 연결시켜 3번째 셀(333)에 대한 전류를 바이패스(bypass)할 수 있다.
이 때, 나머지 스위치들(341+, 341­, 342+, 343+, 343­, 344+, …, 34N+, 34N­)은 파워 라인(350)과 단절된 오프(OFF) 상태로 유지하여 연료전지부(330) 내 복수의 셀(331, 332, 333, …, 33N)은 직렬 연결된 상태를 유지한다.
다른 예로, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 회복 장치(300)는 3번째 셀(333)이 이상진단 셀인 경우, 2번째 셀(332)에 대한 양극 릴레이(342+)와 4번째 셀(334)에 대한 양극 릴레이(344+)를 파워 라인(350)의 양극(+)에 연결시켜 3번째 셀(333)에 대한 전류를 바이패스(bypass)할 수도 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 회복 장치(300)는 K번째 셀이 이상 동작을 나타내는 이상진단 셀인 경우, K­1번째 셀의 음극과 K+1번째 셀의 음극, 또는 K­1번째 셀의 양극과 K+1번째 셀의 양극을 릴레이 제어로 파워 라인(350)에 연결함으로써, K번째 셀은 전류가 흐르지 않는 개방전압(Open Circuit Voltage; OCV) 상태가 되어 원래 전압을 회복하게 된다.
나아가 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 회복 장치(300)는 3번째 셀(333)을 바이패스한 상태에서 3번째 셀(333)에 대한 음극 릴레이(343­)를 온(on)하여 파워 라인(350)의 음극(­)에 연결함으로써, 3번째 셀(333)을 단락(short)된 상태로 제어할 수 있다. 이 때, 셀 전압 회복 장치(300)는 3번째 셀(333)에 대한 음극 릴레이(343­)를 주기적인 신호로 온(On)/오프(Off)시켜 주기적인 회로 단락을 제어할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 회복 장치(300)는 K번째 셀에 대한 단락 동작 시, K번째 셀을 바이패스하고, K번째 셀에 대한 음극 또는 양극 릴레이를 파워 라인(350)의 음극(­) 또는 양극(+)에 연결함으로써, K번째 셀을 단락(short circuit) 상태와 단락 후의 바이패스 상태로 제공해줌으로 인해 K번째 셀에 대한 기존의 전압 OCV를 빠르게 회복시킬 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 회복 장치(300)는 단락 동작 시, 파워라인(350)의 음극(­)으로 바이패스(bypass)된 경우 K번째 셀에 대한 음극 릴레이를 온(on)/오프(off)시키고, 반대로 파워라인(350)의 양극(+)으로 바이패스(bypass)된 경우 K번째 셀에 대한 양극 릴레이를 온(on)/오프(off)시킬 수 있다.
실시예에 따라서, 도 3 내지 도 6에 도시되는 파워 라인(350)의 쌍은 더 추가될 수 있으며, 연료전지부(330) 내 복수의 셀(331, 332, 333, …, 33N) 중 적어도 하나 이상의 셀이 이상진단 셀로 판단되는 경우, 복수의 파워 라인(350) 쌍을 이용하여 적어도 하나 이상의 셀에 대한 셀 전압을 회복시킬 수도 있다.
도 7a 및 도 7b는 시간에 따른 셀 전압에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.
도 7a에서의 실험 결과 그래프는 직접 에탄올형 연료전지(Direct Ethanol Fuel Cell; DEFC)에서 시간에 따른 연료전지의 셀 전압 값(V)에 대한 결과를 나타낸다. 도 7a를 참조하면, 시간이 지날수록 셀 전압 값이 하락(drop)하는 것을 확인할 수 있다.
반면, 도 7b를 참조하면, 연료전지의 셀 중 이상진단 셀에 대해 전류가 흐르지 않는 개방전압(Open Circuit Voltage; OCV) 상태로 제어(710)한 결과, 셀 전압 값이 다시 회복되는 것을 확인할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 회로단락에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.
보다 구체적으로, 도 8a는 시간에 따른 셀 전압의 효과에 대한 실험 결과 그래프를 도시한 것이고, 도 8b는 주기적인 회로 단락에 따른 실험 결과 그래프를 도시한 것이다.
도 8a를 참조하면, 시간에 따른 셀 전압에 대한 실험 결과로부터 회로 단락(short circuit) 시, 더 빠른 셀 회복이 가능한 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 8b를 통해 일반적인 셀 회복 구간(Normal)과 회로 단락(Short circuit) 사용 후 셀 회복 구간을 살펴보면, 회로 단락 사용 후 더 큰 셀 전압의 회복 효과가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 회복 장치를 이용하여 연료전지의 셀 전압을 회복할 때, 셀을 주기적으로 회로 단락(short circuit)시켜 더 큰 회복 효과를 제공할 수 있으며, 촉매에 피독된 불순물(CO 등)을 회로 단락 시 발생되는 줄(Joule) 열로 기체 방출(outgasing)하여 제거함으로써, 보다 효율적인 셀 회복이 가능할 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 단선(open circuit)에서 셀 전압 회복에 대한 실험 결과를 도시한 것이고, 도 10a 및 도 10b는 단선(open circuit) 및 단락(short circuit)에서 셀 전압 회복에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.
보다 구체적으로, 도 9a, 도 9b, 도 10a 및 도 10b에서의 실험 결과 그래프는 직접 에탄올형 연료전지(Direct Ethanol Fuel Cell; DEFC)에서 Open circuit(Normal)에서 셀 전압 회복과, Open circuit 및 Short circuit에서 셀 전압 회복을 비교 실험하여 획득된 결과 그래프를 도시한 것이다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 시간에 따른 연료전지의 파워(Power(a.u.)) 및 전압 값(Voltage(V))을 비교한 결과, 셀 전압 회복의 횟수가 증가할수록 연료전지의 단위 셀 성능의 최대 파워값(Power_max)이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 단선(open circuit) 및 단락(short circuit) 동작 시, 연료전지의 단위 셀 성능의 최대 파워값(Power_max)이 감소 없이 증가하는 경향을 나타냄으로써, 도 9a 및 도 9b에 도시된 결과보다 직접 에탄올형 연료전지(Direct Ethanol Fuel Cell; DEFC)의 성능감소를 최소화시키는 것을 확인할 수 있다. 이 때, 단락(short circuit)은 셀 전압 회복 과정에서 1초 주기로 5회 단락을 실시하였다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 회복 방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 11에 도시된 방법은 도 1a에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 회복 장치에 의해 수행될 수 있다.
도 11을 참조하면, 단계 1110에서 연료전지 내 복수의 셀에 연결된 릴레이 스위치를 이용하여 복수의 셀에 대한 셀 전압을 측정 및 저장한다. 단계 1110에 앞서, 단계 1150에서 연료전지 스택 온(On) 및 모든 릴레이 스위치 오프(Off) 상태를 수행할 수 있다.
단계 1110은 연료전지 스택 구조에서 주기적으로 복수의 셀 각각에 대한 셀 전압(V_k)을 측정하여 저장할 수 있으며, 복수의 셀 외에 복수의 셀들을 그룹핑하여 기 설정된 개수의 셀들을 포함하는 복수의 그룹들 각각에 대한 셀 전압을 측정하여 저장하는 단계일 수 있다. 이 때, 그룹핑되는 복수의 셀의 개수 및 형태는 한정되지 아니하며, 그룹별로 연결되는 릴레이 스위치의 개수, 음극 및 양극 릴레이의 쌍 개수 및 연결 형태 또한 한정되지 않는다.
예를 들면, 단계 1110은 복수의 셀 또는 복수의 그룹 중 임의의 셀 또는 임의의 그룹에 연결된 릴레이 스위치의 음극(Anode) 및 양극(Cathode) 릴레이를 동시에 온(On)한 후, 센싱 라인(Sensing Line)의 음극 및 양극에 연결된 축전기에서 획득되는 셀 전압을 측정할 수 있다. 이후, 축전기에 저장된 전하는 외부 스위치에 따른 저항을 통해 센싱 라인의 음극으로 방전될 수 있다.
단계 1120에서 측정된 셀 전압(V_k)과 기 설정된 기준 전압(Vth)을 비교하여 복수의 셀을 모니터링한다.
예를 들면, 단계 1120은 수 십초 내지 수 분의 주기적인 셀 전압 모니터링을 통해 복수의 셀 중 특정 셀에 대해 측정된 전압(V_k)과 기 설정된 기준 전압(Vth: threshold voltage)을 비교하고, 측정된 셀 전압이 기 설정된 기준 전압 미만인 경우, 이상진단 셀로 판단하는 단계일 수 있다. 실시예에 따라서, 측정된 셀 전압이 기 설정된 기준 전압 이상인 경우, K번째 셀은 정상 셀인 것으로 판단하고, 단계 1121을 통해 셀 넘버를 카운팅하여 K+1에 대한 셀 전압을 측정하는 단계 1110을 재 수행할 수 있다.
단계 1130에서 모니터링 결과를 기반으로, 복수의 셀 중 이상진단 셀에 대한 릴레이 제어를 통해 단선(open circuit)한다.
예를 들면, 단계 1120을 통한 모니터링 결과를 기반으로, 연료전지 내 K번째 셀이 이상진단 셀인 경우, 릴레이 스위치를 이용하여 K­1번째 셀의 음극과 K+1번째 셀의 음극을 파워 라인(Power Line)의 음극(Anode)에 연결하여 K번째 셀에 대한 전류를 바이패스(bypass)하거나, K­1번째 셀의 양극과 K+1번째 셀의 양극을 파워 라인(Power Line)의 양극(Cathode)에 연결하여 상기 K번째 셀에 대한 전류를 바이패스(bypass)하는 릴레이 제어를 수행함으로써, K번째 셀에 전류가 흐르지 않는 개방전압(Open Circuit Voltage; OCV)하여 K번째 셀의 셀 전압을 회복시키는 단계일 수 있다.
이후, 단계 1140에서 이상진단 셀에 대한 릴레이 제어를 통해 주기적으로 단락(short circuit)하여 셀 전압을 회복한다.
예를 들면, 단계 1140은 K번째 셀에 연결된 상기 릴레이 스위치를 통해 K번째 셀의 음극 또는 양극 릴레이를 온(on)한 후, 파워 라인의 음극 또는 양극에 연결하여 K번째 셀을 단락시키는 단계일 수 있다. 나아가, 단계 1140은 K번째 셀의 음극 또는 양극 릴레이를 주기적인 신호로 온(On)/오프(Off)하여 K번째 셀에 대한 단선(open circuit)과 단락(short circuit)을 주기적으로 반복함으로써, 이상진단 셀인 K번째 셀에 대한 셀 전압을 회복시키는 단계일 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 어플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD­ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기­광 매체(magneto­optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (19)

  1. 연료전지 내 복수의 셀에 연결된 릴레이 스위치를 이용하여 상기 복수의 셀에 대한 셀 전압을 측정 및 저장하고, 상기 측정된 셀 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하여 상기 복수의 셀을 모니터링하는 셀 전압 모니터링부; 및
    상기 모니터링 결과를 기반으로, 상기 복수의 셀 중 이상진단 셀에 대한 릴레이 제어를 통해 단선(open circuit)하고, 주기적으로 단락(short circuit)하여 셀 전압을 회복하는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는
    연료전지 스택 구조에서, 상기 복수의 셀들을 그룹핑하여 기 설정된 개수의 셀들을 포함하는 복수의 그룹을 형성하며,
    상기 셀 전압 모니터링부는
    상기 복수의 셀 또는 상기 복수의 그룹 중 임의의 셀 또는 임의의 그룹에 연결된 상기 릴레이 스위치의 음극(Anode) 및 양극(Cathode) 릴레이를 동시에 온(On)한 후, 센싱 라인(Sensing Line)의 음극 및 양극에 연결된 축전기에서 획득되는 셀 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는, 셀 전압 회복 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 셀 전압 모니터링부는
    상기 임의의 셀 또는 상기 임의의 그룹에 대한 상기 셀 전압의 측정 후, 상기 축전지에 저장된 전하를 외부 스위치에 따른 저항을 통해 상기 센싱 라인의 음극으로 방전시키는 것을 특징으로 하는 셀 전압 회복 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 셀 전압 모니터링부는
    상기 임의의 셀 또는 상기 임의의 그룹에 대해 상기 측정된 셀 전압을 저장하며, 상기 측정된 셀 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하여 모니터링하는 셀 전압 회복 장치.
  6. 연료전지 내 복수의 셀에 연결된 릴레이 스위치를 이용하여 상기 복수의 셀에 대한 셀 전압을 측정 및 저장하고, 상기 측정된 셀 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하여 상기 복수의 셀을 모니터링하는 셀 전압 모니터링부; 및
    상기 모니터링 결과를 기반으로, 상기 복수의 셀 중 이상진단 셀에 대한 릴레이 제어를 통해 단선(open circuit)하고, 주기적으로 단락(short circuit)하여 셀 전압을 회복하는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는
    상기 모니터링 결과를 기반으로, 상기 연료전지 내 K번째 셀이 상기 이상진단 셀인 경우, 상기 릴레이 스위치를 이용하여 K­1번째 셀의 음극과 K+1번째 셀의 음극을 파워 라인(Power Line)의 음극(Anode)에 연결하여 상기 K번째 셀에 대한 전류를 바이패스(bypass)하거나, K­1번째 셀의 양극과 K+1번째 셀의 양극을 파워 라인(Power Line)의 양극(Cathode)에 연결하여 상기 K번째 셀에 대한 전류를 바이패스(bypass)하는 상기 릴레이 제어를 수행함으로써, 상기 K번째 셀에 전류가 흐르지 않는 개방전압(Open Circuit Voltage; OCV)하여 상기 K번째 셀의 셀 전압을 회복하는 셀 전압 회복 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 K번째 셀에 연결된 상기 릴레이 스위치를 통해 상기 K번째 셀의 음극 또는 양극 릴레이를 온(on)한 후, 상기 파워 라인의 음극 또는 양극에 연결하여 상기 K번째 셀을 단락시키는 셀 전압 회복 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 K번째 셀의 음극 또는 양극 릴레이를 주기적인 신호로 온(On)/오프(Off)하여 상기 K번째 셀에 대한 단선(open circuit)과 단락(short circuit)을 주기적으로 반복함으로써, 상기 이상진단 셀인 상기 K번째 셀에 대한 셀 전압을 회복하는 셀 전압 회복 장치.
  9. 연료전지 내 복수의 셀에 연결된 릴레이 스위치를 이용하여 상기 복수의 셀에 대한 셀 전압을 측정 및 저장하는 셀 전압 측정부;
    상기 측정된 셀 전압과, 기 설정된 기준 전압을 비교하여 상기 복수의 셀을 모니터링하는 모니터링부;
    상기 모니터링 결과를 기반으로, 상기 복수의 셀 중 이상진단 셀에 대한 릴레이 제어를 통해 단선(open circuit)하고, 주기적으로 단락(short circuit)하여 셀 전압을 회복하는 릴레이 스위치 제어부; 및
    상기 복수의 셀들을 그룹핑하여 기 설정된 개수의 셀들을 포함하는 복수의 그룹을 형성하는 셀 제어부
    를 포함하는 셀 전압 회복 장치.
  10. 삭제
  11. 셀 전압 회복 장치의 동작 방법에 있어서,
    연료전지 내 복수의 셀에 연결된 릴레이 스위치를 이용하여 상기 복수의 셀에 대한 셀 전압을 측정 및 저장하는 단계;
    상기 측정된 셀 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하여 상기 복수의 셀을 모니터링하는 단계;
    상기 모니터링 결과를 기반으로, 상기 복수의 셀 중 이상진단 셀에 대한 릴레이 제어를 통해 단선(open circuit)하는 단계; 및
    상기 이상진단 셀에 대한 상기 릴레이 제어를 통해 주기적으로 단락(short circuit)하여 셀 전압을 회복하는 단계를 포함하되,
    상기 셀 전압을 측정 및 저장하는 단계는
    연료전지 스택 구조에서, 주기적으로 상기 복수의 셀 각각에 대한 상기 셀 전압을 측정하며, 상기 측정된 셀 전압을 저장하는 것을 특징으로 하는, 셀 전압 회복 방법.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 셀 전압을 측정 및 저장하는 단계는
    상기 복수의 셀들을 그룹핑하여 기 설정된 개수의 셀들을 포함하는 복수의 그룹들 각각에 대한 상기 셀 전압을 측정하여 저장하는 것을 특징으로 하는 셀 전압 회복 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 셀 전압을 측정 및 저장하는 단계는
    상기 복수의 셀 또는 상기 복수의 그룹 중 임의의 셀 또는 임의의 그룹에 연결된 상기 릴레이 스위치의 음극(Anode) 및 양극(Cathode) 릴레이를 동시에 온(On)한 후, 센싱 라인(Sensing Line)의 음극 및 양극에 연결된 축전기에서 획득되는 셀 전압을 측정하는 셀 전압 회복 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 셀 전압을 측정 및 저장하는 단계는
    상기 임의의 셀 또는 상기 임의의 그룹에 대한 상기 셀 전압의 측정 후, 상기 축전지에 저장된 전하를 외부 스위치에 따른 저항을 통해 상기 센싱 라인의 음극으로 방전시키는 것을 특징으로 하는 셀 전압 회복 방법.
  16. 셀 전압 회복 장치의 동작 방법에 있어서,
    연료전지 내 복수의 셀에 연결된 릴레이 스위치를 이용하여 상기 복수의 셀에 대한 셀 전압을 측정 및 저장하는 단계;
    상기 측정된 셀 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하여 상기 복수의 셀을 모니터링하는 단계;
    상기 모니터링 결과를 기반으로, 상기 복수의 셀 중 이상진단 셀에 대한 릴레이 제어를 통해 단선(open circuit)하는 단계; 및
    상기 이상진단 셀에 대한 상기 릴레이 제어를 통해 주기적으로 단락(short circuit)하여 셀 전압을 회복하는 단계를 포함하되,
    상기 모니터링하는 단계는
    상기 측정된 셀 전압이 상기 기 설정된 기준 전압 이하인 경우, 상기 이상진단 셀로 판단하는 셀 전압 회복 방법.
  17. 셀 전압 회복 장치의 동작 방법에 있어서,
    연료전지 내 복수의 셀에 연결된 릴레이 스위치를 이용하여 상기 복수의 셀에 대한 셀 전압을 측정 및 저장하는 단계;
    상기 측정된 셀 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하여 상기 복수의 셀을 모니터링하는 단계;
    상기 모니터링 결과를 기반으로, 상기 복수의 셀 중 이상진단 셀에 대한 릴레이 제어를 통해 단선(open circuit)하는 단계; 및
    상기 이상진단 셀에 대한 상기 릴레이 제어를 통해 주기적으로 단락(short circuit)하여 셀 전압을 회복하는 단계를 포함하되,
    상기 이상진단 셀에 대한 릴레이 제어를 통해 단선하는 단계는
    상기 모니터링 결과를 기반으로, 상기 연료전지 내 K번째 셀이 상기 이상진단 셀인 경우, 상기 릴레이 스위치를 이용하여 K­1번째 셀의 음극과 K+1번째 셀의 음극을 파워 라인(Power Line)의 음극(Anode)에 연결하여 상기 K번째 셀에 대한 전류를 바이패스(bypass)하거나, K­1번째 셀의 양극과 K+1번째 셀의 양극을 파워 라인(Power Line)의 양극(Cathode)에 연결하여 상기 K번째 셀에 대한 전류를 바이패스(bypass)하는 상기 릴레이 제어를 수행함으로써, 상기 K번째 셀에 전류가 흐르지 않는 개방전압(Open Circuit Voltage; OCV)하여 상기 K번째 셀의 셀 전압을 회복하는 셀 전압 회복 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 주기적으로 단락하여 셀 전압을 회복하는 단계는
    상기 K번째 셀에 연결된 상기 릴레이 스위치를 통해 상기 K번째 셀의 음극 또는 양극 릴레이를 온(on)한 후, 상기 파워 라인의 음극 또는 양극에 연결하여 상기 K번째 셀을 단락시키는 셀 전압 회복 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 주기적으로 단락하여 셀 전압을 회복하는 단계는
    상기 K번째 셀의 음극 또는 양극 릴레이를 주기적인 신호로 온(On)/오프(Off)하여 상기 K번째 셀에 대한 단선(open circuit)과 단락(short circuit)을 주기적으로 반복함으로써, 상기 이상진단 셀인 상기 K번째 셀에 대한 셀 전압을 회복하는 셀 전압 회복 방법.
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