KR102211829B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템(100)은 제 1 연료 전지 스택(102)과, 제 1 연료 전지 스택(102)과 직렬 관계인 제 2 연료 전지 스택(104)과, 제 1 연료 전지 스택(102)과 병렬 관계인 제 1 정류기(106)를 포함한다. 상기 연료 전지 시스템(100)은 상기 제 1 연료 전지 스택(102)의 수화 레벨을 증가시키는 재수화 구간을 제공하도록 상기 연료 전지 시스템(100)에 대한 전류 수요에 독립적으로 제 1 연료 전지 스택(102)을 통한 기류를 변조시키도록 구성되는 컨트롤러(110)를 또한 포함한다.

Description

연료 전지 시스템{A FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것이고, 특히, 연료 전지의 애노드 측에 수소가 공급되고 연료 전지의 캐소드 측에 산소가 공급되어 연료 전지의 캐소드 측에서 물이 부산물로 생성되어 캐소드 측으로부터 제거되는, 양성자-교환 막 타입의 연료 전지에 관한 것이다.
이러한 연료 전지는 막-전극 조립체(MEA)를 함께 포함하는, 2개의 다공질 전극 사이에 삽입되는 양성자 교환막(PEM)을 포함한다. MEA 자체는 통상적으로, (i) MEA의 캐소드면에 인접한 제 1 면을 가진 (캐소드 가스 확산층과 같은) 캐소드 확산 구조와, (ii) MEA의 애노드 면에 인접한 제 1 면을 가진 (애노드 가스 확산층과 같은) 애노드 확산 구조 사이에 삽입된다. 애노드 확산 구조의 제 2 면은 집전을 위해, 그리고 애노드 확산 구조의 제 2 면에 수소를 분배하기 위해, 애노드 유체 유로판과 접촉한다. 캐소드 확산 구조의 제 2 면은 집전을 위해, 그리고 산소를 캐소드 확산 구조의 제 2 면에 수소를 분배하기 위해, 그리고, MEA로부터 과량의 물을 배출하기 위해, 캐소드 유체 유로판과 접촉한다. 애노드 및 캐소드 유체 유로판은 통상적으로 각각, 반응 가스(예를 들어, 수소 및 산소)의 전달을 위해, 그리고 배출 가스(예를 들어, 사용되지 않은 산소 및 수증기)의 제거를 위해, 각자의 확산 구조에 인접한 표면 내 유체 유동 채널을 가진 강체형 전기 전도 물질을 포함한다.　
이러한 연료 전지 작동의 중요한 고려사항은 MEA 내 물의 관리다. PEM 연료 전지의 작동 중, 수소와 산소 간의 반응으로부터 산물 물이 MEA의 촉매 사이트에 형성된다. 이러한 물은 산소가 MEA의 캐소드 면에 전달됨과 동시에 MEA로부터 캐소드 확산 구조를 통해 배출되어야 한다. 그러나, 전지의 내부 전기 저항이 허용가능 한도 내에서 유지됨을 보장하기 위해, MEA가 적절히 수화됨을 유지하는 것이 또한 중요하다. MEA 가습 제어 실패는 열점 및 전지 고장 가능성, 및/또는 전기적 전지 성능 저하를 야기한다.　
수소와 산소간 연료 전지의 전기화학적 반응 중 핵심적 기능은 PEM을 통한 양성자 이동 프로세스다. 양성자 교환 프로세스는 고상 PEM이 충분히 수화될 때만 발생될 것이다. 물이 충분하지 않을 경우, 막의 물 드래그 특성이 양성자 이동 프로세스를 제한하여, 전지의 내부 저항을 증가시킨다. PEM 과포화시, 과량의 물이 MEA의 전극부를 넘쳐서 3상 반응 인터페이스에 대한 가스 액세스를 제한할 가능성이 있다. 이러한 두 상황 모두 연료 전지의 전체 성능에 부정적 영향을 미친다.　
물이 연료 전지 반응의 일부분으로 캐소드에서 생성되지만, 전체 MEA에 걸쳐 물 균형을 유지하는 것이 본질적이다. 건식 에어가 전지 내로 유입될 경우, 유입구 주위의 영역이 다른 곳보다 더 건조하도록 막에 걸쳐 불균형 물 분포를 생성하는 경향이 있다. 궁극적으로 이는 막에 기계적 응력을 가할 수 있고, 고르지 않은 전류 분포를 이끌 수 있으며, 이 모두는 조기 파괴를 야기할 수 있다. 이에 맞서기 위해, 연료 전지의 능동부에 전달하기 전에 기류를 미리 습윤화시키는 것이 알려져있다. 이는 시스템 복잡도에 추가되고, 종종 일부 연료 전지 응용예에 실용적이지 않을 수 있다.
오픈 캐소드 연료 전지에서, 캐소드 유체 유로판은 주변 공기에 오픈되어 있고, 이는 스택 냉각 및 산소 공급의 이중 기능을 제공하는, 팬과 같은, 저압 에어 소스에 의해 흔히 도움받는다. 이는 가압 캐소드 및 가습 서브-시스템을 이용하는 연료 전지 스택과 통상적으로 연관될 큰 기생 손실(즉, 연료 전지 지원 시스템의 전력 드레인)을 피하도록 매우 간단한 연료 전지 시스템을 설계할 수 있게 한다. 그러나, 기류의 이중 용도(산소 전달 및 공기 냉각)는 기류 요건에 충돌을 야기할 수 있다. 캐소드 전극에서의 매우 높은 화학양론적 기류가 냉각에 요구되고, 주변 조건 및 스택 온도에 따라, 이는 낮은 막 물 함량으로 나타날 수 있고(결과적으로 성능이 저하됨), 극단적인 경우에, 시간에 따라 연료 전지 스택으로부터 계속적인 알짜 물 손실로 나타날 수 있으며, 이는 궁극적으로 스택 기능을 중단시킬 것이다. 이는 한 세트 레벨의 스택 전력 출력(전류 밀도)의 경우에, 연료 전지 폴리머 막의 물 함량과 기류에 의한 물 제거 속도 간에 균형이 실현될 것이기 때문이다. 저전류, 고기류, 및 따뜻한 스택은 막 물 함량을 감소시키는 경향을 나타낼 것이고, 역으로 고전류, 저기류 및 찬 스택은 막 물 함량을 증가시킬 것이다.
WO 2007/099360호는 연료 전지의 수화 레벨 증가를 위한 재수화 구간 중, 연료 전지 조립체 외부의 독립적 전류 요청에 추가하여, 또는 그 대신에, 연료 전지 스택으로부터 도출되는 전류를 주기적으로 그리고 일시적으로 증가시키기 위해 스택 전력 컨트롤러를 갖춘 전기화학적 연료 전지 조립체를 개시한다.
발명의 제 1 형태에 따르면, 연료 전지 시스템이 제공되며, 상기 시스템은,　
제 1 연료 전지 스택과,　
상기 제 1 연료 전지 스택과 직렬 관계인 제 2 연료 전지 스택과,　
상기 제 1 연료 전지 스택과 병렬 관계인 제 1 정류기와,　
상기 제 1 연료 전지 스택의 수화 레벨을 증가시키는 재수화 구간을 제공하도록 상기 연료 전지 시스템에 대한 전류 수요에 독립적으로 제 1 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조시키도록 구성되는 컨트롤러를 포함한다.　
이러한 연료 전지 시스템은 제 1 정류기가 제 1 연료 전지 스택을 위한 우회 경로를 제공함에 따라, 재수화 구간 중 연료 전지 시스템으로부터 연료 전지 스택을 분리시킬 것을 요구하지 않을 수 있다. 연료 전지 시스템은 제 1 연료 전지 스택에 좀더 양호하고 일관된 조건을 부여할 수 있고, 이는 궁극적으로 그 성능 및 수명을 개선시킬 수 있다. 또한, 제 1 연료 전지 스택의 신뢰도가 증가할 수 있고 고장 횟수가 감소할 수 있다.
컨트롤러는 주기적인 원칙으로 상기 제 1 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조시키도록 구성될 수 있다. 컨트롤러는 상기 제 1 연료 전지 스택을 통한 기류의 양을 능동값(active value)으로부터 주기적으로 감소시키도록, 그리고, 기결정된 시간 주기 후, 상기 제 1 연료 전지 스택을 통한 기류의 양을 상기 능동값으로 다시 증가시키도록, 구성될 수 있다. 컨트롤러는 상기 제 1 연료 전지 스택을 통한 기류의 양을 0까지 주기적으로 감소시키도록, 그리고, 기결정된 시간 주기 후, 상기 제 1 연료 전지 스택을 통한 기류의 양을 0으로부터 다시 증가시키도록, 구성될 수 있다.　
컨트롤러는 상기 연료 전지 시스템의 측정된 파라미터에 응답하여 상기 제 1 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조시키도록 구성될 수 있다.　
제 1 정류기는 능동 다이오드일 수 있다. 이러한 능동 다이오드는 재수화 구간 제공의 효율을 개선시킬 수 있다.　
제 1 정류기의 제 1 단자는 제 1 연료 전지 스택의 제 1 단자에 연결될 수 있다. 제 1 정류기의 제 2 단자는 제 1 연료 전지 스택의 제 2 단자에 연결될 수 있다.　
연료 전지 시스템은 제 2 연료 전지 스택과 병렬로 제 2 정류기를 더 포함할 수 있다. 컨트롤러는 제 2 연료 전지 스택의 수화 레벨을 증가시키는 재수화 구간을 제공하도록 상기 연료 전지 시스템에 대한 전류 수요에 독립적으로 제 2 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조시키도록 구성될 수 있다.　
컨트롤러는 상기 제 1 및 제 2 연료 전지 스택의 재수화 구간이 겹쳐지지 않도록, 상기 제 1 및 제 2 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조시키도록 구성될 수 있다. 컨트롤러는 상기 제 1 및 제 2 연료 전지 스택을 통한 기류를 교대로 변조시키도록 구성될 수 있다.　
　
제 2 정류기의 제 1 단자는 제 2 연료 전지 스택의 제 1 단자에 연결될 수 있다. 제 2 정류기의 제 2 단자는 제 2 연료 전지 스택의 제 2 단자에 연결될 수 있다.　
컨트롤러는 상기 제 1 및/또는 제 2 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조시키기 위해, 팬에 의해 발생되는 기류의 양을 변조하도록 구성될 수 있다.　
컨트롤러는 상기 제 1 및/또는 제 2 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조시키기 위해, 하나 이상의 가변 폐색 부재의 위치를 변조하도록 구성될 수 있다.　
연료 전지 조립체는 상기 제 1 연료 전지 스택과 직렬 관계인 차단 증폭기를 더 포함할 수 있다. 마찬가지로, 차단 증폭기가 제 2 연료 전지 스택과 직렬로 또한 제공될 수 있다.　
발명의 다른 형태에 따르면, 연료 전지 시스템의 작동 방법이 제공되며, 상기 연료 전지 시스템은,　
제 1 연료 전지 스택과,　
상기 제 1 연료 전지 스택과 직렬 관계인 제 2 연료 전지 스택과,　
상기 제 1 연료 전지 스택과 병렬 관계인 제 1 정류기를 포함하되,　
상기 방법은,
상기 제 1 연료 전지 스택의 수화 레벨을 증가시키는 재수화 구간을 제공하도록 상기 연료 전지 시스템에 대한 전류 수요에 독립적으로 상기 제 1 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조하는 단계를 포함한다.　
제 1 정류기는 능동 다이오드일 수 있다. 상기 방법은,　
순방향 바이어스될 때 저저항을 제공하고, 역방향 바이어스될 때 고저항을 제공하도록 상기 능동 다이오드를 작동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.　
연료 전지 시스템과 연관된 컨트롤러에 로딩하도록 구성되는 컴퓨터 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램이 제공될 수 있고, 상기 연료 전지 시스템은,　
제 1 연료 전지 스택과,　
상기 제 1 연료 전지 스택과 직렬 관계인 제 2 연료 전지 스택과,　
상기 제 1 연료 전지 스택과 병렬 관계인 제 1 정류기를 포함하되,　
상기 컴퓨터 프로그램 코드는,　
상기 제 1 연료 전지 스택의 수화 레벨을 증가시키는 재수화 구간을 제공하도록 상기 연료 전지 시스템에 대한 전류 수요에 독립적으로 상기 제 1 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조하도록 구성된다.　
제 1 연료 전지 스택의 수화 레벨을 증가시키는 재수화 구간을 제공하기 위해, 연관된 연료 전지 시스템에 대한 전류 수요에 독립적으로 상기 제 1 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조하도록 컨트롤러에 로딩하도록 구성되는 컴퓨터 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램이 제공될 수 있다.
상기 컴퓨터 프로그램은, 능동 다이오드가 순방향 바이어스될 때 저저항을 제공하고, 상기 능동 다이오드가 역방향 바이어스될 때 고저항을 제공하도록 상기 제 1 연료 전지 스택과 병렬로 능동 다이오드를 작동시키기 위해 컨트롤러에 로딩하도록 구성되는 컴퓨터 프로그램 코드를 더 포함할 수 있다.　
컴퓨터 프로그램이 제공될 수 있고, 상기 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터 상에서 구동될 때, 상기 컴퓨터로 하여금,　
다음 기준들 중 하나 이상이 충족될 때 연료 전지 시스템 내 연료 전지 스택의 재수화 작동을 개시하게 한다:
a) 연료 전지 스택 코어 온도가 최소 코어 온도 임계치보다 큼,
b) 연료 전지 스택 코어 온도가 최대 코어 온도 임계치보다 작음,
c) 주변 공기 온도가 최대 주변 공기 온도 임계치보다 낮음,
d) 상기 연료 전지 시스템으로부터 나오는 전류가 최소 전류 임계치보다 큼,　
e) 상기 연료 전지 시스템으로부터 나오는 전류가 최대 전류 임계치보다 작음, 그리고,　
f) 팬 펄싱이 금지되었음을 표시하기 위한 부하 디바이스로부터의 신호, 또는, 부하 디바이스와 연관된 응용예가 수신되지 않음.
상기 컴퓨터 프로그램은, 상기 컴퓨터로 하여금 또한,　
기준 a) 내지 f) 중 하나 이상이 충족되었는지 여부를 주기적으로 확인하여, 상기 기준 a) 내지 f) 중 하나 이상의 충족된 경우에만 재수화 작동을 수행하게 할 수 있다.　
상기 컴퓨터 프로그램은, 컴퓨터로 하여금, 상기 연료 전지 시스템에 대한 전류 수요에 독립적으로, 상기 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조시킴으로써 상기 연료 전지 시스템 내 연료 전지 스택의 재수화 작동을 개시하게 할 수 있다.　
컴퓨터 프로그램이 제공될 수 있고, 상기 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터 상에서 구동될 때, 상기 컴퓨터로 하여금,　
다음 기준들 중 하나 이상이 충족될 때 연료 전지 시스템 내 연료 전지 스택의 재수화 작동을 중지시킬 수 있다:
i. 스택 전압이 재수화 작동 중 제 1 임계 시간 주기 내에 전압 강하 임계양만큼 떨어지지 않음,
ii. 코어 온도가 재수화 작동 중 최대 코어 온도 임계치보다 큼,
iii. 연료 전지 스택으로부터 외부 부하로 공급되는 전류가 재수화 작동 중 최소 전류 임계치 아래로 떨어짐,
iv. 연료 전지 스택으로부터 외부 부하로 공급되는 전류가 재수화 작동 중 최대 전류 임계치보다 큼, 그리고,
v. 전력의 즉각적 공급이 요구됨을 표시하기 위해 부하 디바이스로부터의 신호 또는 부하 디바이스와 연관된 응용예가 수신됨.
상기 컴퓨터 프로그램은, 상기 컴퓨터로 하여금 또한,　
상기 기준 i) 내지 v) 중 하나 이상이 충족되었는지 여부를 주기적으로 확인하여, 상기 기준 i) 내지 v) 중 하나 이상이 충족된 경우에 재수화 작동을 중지시킬 수 있다.　
상기 컴퓨터 프로그램은, 컴퓨터로 하여금, 상기 연료 전지 시스템에 대한 전류 수요에 독립적으로, 상기 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조시킴으로써 상기 연료 전지 시스템 내 연료 전지 스택의 재수화 작동을 중지시킬 수 있다.　
컴퓨터 프로그램이 제공될 수 있고, 상기 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터 상에서 구동될 때, 상기 컴퓨터로 하여금, 여기서 개시되는 컨트롤러, 연료 전지 시스템, 또는 디바이스를 포함하는 임의의 장치를 구성하게 할 수 있고, 또는 여기서 개시되는 임의의 방법을 수행하게 할 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 비제한적인 예로서, 디지털 신호 프로세서, 마이크로컨트롤러, 및 읽기 전용 메모리(ROM), 소거가능 프로그래머블 읽기 전용 메모리(EPROM), 또는 전기적 소거가능 프로그래머블 읽기 전용 메모리(EEPROM)에서의 구현예를 포함하는, 임의의 적절한 하드웨어로 간주될 수 있다. 소프트웨어는 조립체 프로그램일 수 있다.
컴퓨터 프로그램은 디스크 또는 메모리 디바이스와 같은 물리적인 컴퓨터 판독가능 매체일 수 있는 컴퓨터 판독가능 매체 상에 제공될 수 있고, 또는, 과도 신호로 구체화될 수 있다. 이러한 과도 신호는 인터넷 다운로드를 포함한, 네트워크 다운로드일 수 있다.
본 발명의 실시예는 예를 들어서 첨부 도면을 참조하여 이제 설명될 것이다:　
도 1은 제 1 연료 전지 스택 및 제 2 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템을 도시한다.　
도 2a는 제 1 연료 전지 스택의 재수화 구간 중 도 1의 연료 전지 시스템을 도시한다.　
도 2b는 제 2 연료 전지 스택의 재수화 구간 중 도 1의 연료 전지 시스템을 도시한다.
도 3은 제 2 연료 전지 스택의 재수화 구간 중 도 1의 시스템의 다양한 전류 및 전압 파형의 플롯을 도시한다.　
도 4는 재수화 구간을 제공하기 위한 연료 전지 시스템의 시뮬레이션 모델을 도시한다.　
도 5는 도 4의 모델의 시뮬레이션 결과를 도시한다.　
도 6은 재수화 구간의 제공을 시험하는데 사용되는 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한다.　
도 7은 도 6의 연료 전지 시스템의 시험으로부터 결과에 대한 오실로스코프 플롯을 도시한다.　
도 8은 이상적인 다이오드를 통한 재수화 구간의 결과를 도시한다.　
도 9는 도 6의 도해에 도시되는 것과 유사한 시스템의 오실로스코프 플롯을 도시한다.　
도 10은 연료 전지의 표준 분극 곡선을 도시한다.　
도 11은 재수화 구간의 분극 곡선을 도시한다.　
여기서 개시되는 예는 제 1 연료 전지 스택의 수화 레벨을 증가시키는 재수화 구간 제공을 위해, 제 2 연료 전지 스택과 직렬 관계인 제 1 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조하기 위한 컨트롤러를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 시스템은 기류가 충분히 감소될 때 제 1 연료 전지 스택을 자동적으로 우회하기 위해 제 1 연료 전지 스택과 병렬로 정류기를 또한 포함하며, 따라서, 외부 부하로부터 제 1 연료 전지 스택을 차단할 필요가 없어지고, 연료 전지 시스템으로부터의 전력 출력을 유지시킬 수 있다.　
연료 전지 스택으로의 기류는 높은 스택 및 시스템 효율을 위해 막 물 함량 및 물 제거 속도의 평형을 일시적으로 붕괴시키도록 주기적으로 변조될 수 있다(연료 전지 스택의 기존 작동 조건에 의해 결정됨). 그 과정은, 낮은 물 함량과의 평형이 점진적으로 재-구축되면서, 짧은 시간 주기 동안 연료 전지 캐소드에서 과량의 물을 생성하고, 후속하여 고성능으로 스택을 작동시키는 과정을 수반한다. 프로세스는 요구되는 바와 같이 소정의 구간 주파수에서 반복될 수 있다.　
과량의 물이 생산되는 이러한 짧은 시간 주기는 본 명세서에서 "재수화 구간" 또는 "팬 펄스"로 불리며, 이러한 표현은 연료 전지 외부의 전기적 부하와, 온도와 같은 환경적 작동 조건에 기초하여, 만연될 레벨보다 높이 수화 레벨을 의도적으로 증가시키도록 연료 전지 조립체가 작동 환경을 능동적으로 제어하는 시간 주기를 표현하고자 하는 것이다. 이러한 재수화 구간은 연료 전지 스택의 성능 및/또는 수명을 개선시킬 수 있다.　
도 1은 제 1 연료 전지 스택(102) 및 제 2 연료 전지 스택(104)을 서로 직렬로 포함하는 연료 전지 시스템(100)을 도시한다. 외부 부하(112)는 연료 전지 스택(102, 104)의 직렬 배열의 양단에 연결된다.　
컨트롤러(110)는 도 1에서, 제 1 및 제 2 연료 전지 스택(102, 104)을 제어할 수 있는 것으로 도식적으로 도시된다. 본 예에서, 컨트롤러는 연료 전지 스택(102, 104)의 수화 레벨을 증가시키는 재수화 구간을 제공하도록 연료 전지 시스템(100)에 대한 전류 요청에 독립적으로, 제 1 및 제 2 연료 전지 스택(102, 104)을 통한 기류를 변조시키도록 구성된다. 이러한 맥락에서 '독립적'이란 표현은, 연료 전지 시스템(100)의 외부 전기 부하(112)의 즉각적 또는 과도적 변화로부터의 독립성을 표시하고자 하는 것이다.
이러한 변조는 팬 펄싱(fan pulsing) 또는 캐소드 스로틀링(cathode throttling)으로 또한 불릴 수 있고, 연료 전지 스택(102, 104)의 수화 레벨 증가에 추가하여, 스택(102, 104) 내 연료 전지의 캐소드 측을 또한 청소할 수 있다.　
연료 전지 시스템은 제 1 연료 전지 스택(102)과 병렬로 연결되는 제 1 정류기(106)와, 제 2 연료 전지 스택(104)과 병렬로 연결되는 제 2 정류기(108)를 포함한다. 즉, 제 1 정류기(106)의 제 1 단자는 제 1 연료 전지 스택(102)의 제 1 단자에 연결되고, 제 1 정류기(106)의 제 2 단자는 제 1 연료 전지 스택(102)의 제 2 단자에 연결된다. 또한, 제 2 정류기(1080)의 제 1 단자는 제 2 연료 전지 스택(104)의 제 1 단자에 연결되고, 제 2 정류기(108)의 제 2 단자는 제 2 연료 전지 스택(106)의 제 2 단자에 연결된다. 아래 설명되는 바와 같이, 제 1 및 제 2 정류기(106, 108)는 연관된 연료 전지 스택(102, 104)의 수화 구간 중 우회 경로를 제공한다.　
도 1에는 선택적인 제 3 및 제 4 정류기(114, 116)가 또한 도시된다. 제 3 및 제 4 정류기(114, 116)는 차단 정류기/다이오드의 예다. 제 3 정류기(114)는 제 1 연료 전지 스택(102)과 직렬 관계이고, 제 4 정류기(116)는 제 2 연료 전지 스택(104)과 직렬 관계다. 제 1 정류기(106)는 제 1 연료 전지 스택(102) 및 제 3 정류기(114)의 직렬 연결과 병렬 관계다. 제 2 정류기(108)는 제 2 연료 전지 스택(104) 및 제 4 정류기(116)의 직렬 연결과 병렬 관계다. 제 3 및 제 4 정류기(114, 116)는 연관된 연료 전지 스택(102, 104)이 출력 전압을 발생시키고 있을 때 각각이 순방향 바이어스되어 전도 상태이도록, 그리고, 연관된 연료 전지 스택(102, 104)이 출력 전압을 발생시키고 있지 않을 때 역방향 바이어스되도록, 서로 동일한 바이어스로 직렬 연결된다. 이러한 방식으로, 연료 전지 스택(102, 104)은 작동하지 않을 때 역방향 전류로부터 보호된다.　
제 3 및 제 4 정류기(114, 116)는 연료 전지 스택(102, 104)의 캐소드 측 상에 선택적으로 제공될 수 있고, 재수화 구간 중 연료 전지 스택(102, 104)에 가스 공급이 없을 때 역방향 전류 흐름 및 전기분해를 방지할 수 있다.
도 2a는 제 1 연료 전지 스택(202')의 재수화 구간 중 도 1의 연료 전지 시스템을 도시한다. 이러한 재수화 구간 중 제 2 연료 전지 스택(204')은 정상적으로 작동할 수 있다. 재수화 구간은 예를 들어, 기류를 제로로 감소시킴으로써, 제 1 연료 전지 스택(202')을 통한 기류를 변조시키는 컨트롤러(도 2a에 도시되지 않음)에 의해 제공된다. 따라서, 제 1 연료 전지 스택(202')에 의해 생성되는 전압은 0으로 떨어지고, 전류는 제 1 연료 전지 스택(202') 대신에 제 1 정류기(206')을 통해 흘러, 제 1 연료 전지 스택(202')을 우회한다. 이에 반해, 제 2 정류기(208')는 연관된 제 2 연료 전지 스택(204')이 출력 전압을 발생하고 있음에 따라 역방향으로 바이어스된다. 상당양의 전류를 전도하지 않고 있는 구성요소는 도 2a에서 파선으로 도시된다.　
도 2b는제 2 연료 전지 스택(204")의 재수화 구간 중 도 1의 연료 전지 시스템을 도시한다. 재수화 구간은 도 2a와 관련하여 앞서 논의한 바와 동일한 방식으로 제 2 연료 전지 스택(204")을 통한 기류를 변조시키는 컨트롤러(도 2b에 도시되지 않음)에 의해 제공된다.　
도 3은 도 2b에 도시되는 바의 제 2 연료 전지 스택의 재수화 구간 중 도 1의 시스템의 다양한 전류 및 전압 파형의 플롯을 도시한다. 재수화 구간은 시간 t1에서 시작된다.　
플롯(302)은 제 2 연료 전지 스택으로의 기류를 도시한다. 기류는 도 1의 컨트롤러에 의해 변조된다. 기류(302)는 초기값으로부터 시작되며, 이는 재수화 구간들 사이의 "능동값"(active value)으로 불릴 수 있다. 능동값은 자동적으로 설정될 수 있고, 전기 부하의 요건에 따라 조정될 수 있다.
시간 t1에서, 제 2 연료 전지 스택으로의 기류(302)는 능동값으로부터 0으로 감소한다. 본 예에서, 기류(302)의 스텝 변화가 적용되지만, 다른 예에서 기류(302)의 더 점진적인 감소가 사용될 수 있다. 시간 t1에서 기류(302)의 변화는 기류가 어떻게 변조될 수 있는지의 한 예로서 "팬 도움"으로부터 "팬 도움없음"으로 작동 변화에 기인할 수 있다.　
기류는 루버(louvers)와 같은, 하나 이상의 가변 폐색 부재의 위치를 변조함으로써 변조될 수 있고, 따라서, 폐색 부재를 선택적으로 열고 닫아서, 공기를 연료 전지 스택을 통해 흐르게 할 수 있다. 대안으로서 또는 추가적으로, 기류는 연료 전지 스택을 통한 에어의 분출 또는 흡입을 위한 팬의 작동을 제어함으로써 변조될 수 있다. 이러한 예에서, 연료 전지 스택은 팬이 연료 전지 스택을 통해 공기를 흡입 또는 분출하는데 사용될 때 "팬 도움" 작동 모드로 작동한다고 말하여지고, 팬이 존재하지만 사용되지 않을 때(예를 들어 파워-다운 상태) "팬 도움없음" 작동 모드로 작동한다고 말하여진다. 이러한 "팬 도움없음" 작동 모드는 재수화 구간 제공을 위해 기류가 (팬을 스위치 오프시킴으로써) 어떻게 변조될 수 있는 지의 예다.　
도 3에 도시되지 않지만, 기류(302)는 재수화 구간의 종료 후 능동값으로 복귀할 것임을 이해할 수 있을 것이다.　
제 2 연료 전지 스택으로의 기류(302)의 제거에 이어, 제 2 연료 전지 스택의 출력 전압은 플롯(306)에 도시되는 바와 같이, 점진적으로 감소하여 시간 t2에서 0에 도달한다. 이 시간 동안, 제 1 연료 전지 스택의 전압은 플롯(304)에 도시되는 바와 같이 시간 t1과 t2 사이에서 일정하게 유지되고, 제 2 연료 전지 스택으로의 기류 변화에 영향받지 않는다.　
제 2 연료 전지 스택을 통한 전류는 플롯(308)에 도시되는 바와 같이, t2까지 일정하게 높게 유지된다. t2에서, 제 2 연료 전지 스택의 출력 전압(306)이 0에 도달할 때, 제 2 연료 전지 스택을 통한 전류(308)가 감소하기 시작한다. t3에서, 제 2 연료 전지 스택을 통한 전류(308)는 그 최소값에 도달하고, 그 후, 재수화 구간의 지속시간 동안 해당 최소값에 일정하게 머무른다. 본 예에서, 제 2 연료 전지 스택을 통한 전류의 최소값은, 연료 전지 스택이 팬 도움없는 작동 모드인, 팬 펄스 중에 전지를 둘러싸는 정적 공기로부터 하위 레벨의 수소 및 산소를 전기로 여전히 변환할 수 있기 때문에 0이 아니다.　
플롯(310)은 제 2 연료 전지 스택과 병렬인 제 2 정류기를 통한 우회 전류를 도시한다. 시간 t2와 t3 사이에서, 우회 전류(310)는 0으로부터 증가하여 시간 t3에서 최대값에 달한다. 우회 전류 증가는 제 2 연료 전지 스택을 통한 전류(308)의 감소에 반비례하여 두 전류(308, 310)의 합이 일정하게 된다. 이는, 부하를 통과하는 전류가 재수화 구간 이전 그리고 동안에 일정한 값임을 보여주는 플롯(314)으로부터 알 수 있다.
그러나 부하에서의 전압은 플롯(312)으로 나타나는 바와 같이 재수화 구간 중 감소한다. 제 2 연료 전지 스택의 출력 전압 감소(플롯(306)으로 나타남)는 부하(312)에서의 전압을 대응하여 감소시킨다. 본 예에서, 제 1 및 제 2 연료 전지 스택은 동일 개수의 연료 전지를 갖고, 완전히 작동할 때 동일 출력 전압을 발생시킨다. 따라서, 부하(312) 양단의 전압은 재수화 구간 중 50%만큼 감소한다.
도 3은 단일 연료 전지 스택(제 2 연료 전지 스택)의 재수화 구간을 도시한다. 동일한 컨트롤러를 이용하여, 동일 연료 전지 시스템 내 다른 연료 전지 스택의 재수화 구간을 유사하게 제공할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러는 연료 전지 시스템 내 제 1 및 제 2 연료 전지 스택을 통한 기류를 교대로 변조하도록 구성된다. 일부 예에서, 제 1 및 제 2 연료 전지 스택의 재수화 구간이 겹쳐지지 않도록 제 1 및 제 2 연료 전지 스택을 통한 기류가 변조되는 것이 유리할 수 있다. 이러한 방식으로, 연료 전지 시스템의 부하에 공급되는 전류는 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다.
도 4는 재수화 구간을 제공하기 위한 연료 전지 시스템의 시뮬레이션 모델을 도시한다. 도 5는 도 4의 모델에 대한 시뮬레이션 결과를 보여준다.　
도 4의 모델은 제 1 연료 전지 스택을 나타내는 제 1 전압원(402)과, 제 2 연료 전지 스택을 나타내는 제 2 전압원(404)을 포함한다. 이 모델은 제 1 정류기(406), 제 2 정류기(408), 및 부하(412)를 또한 포함하며, 이는 도 1의 대응 구성요소들과 유사하다. 가변 저항기(426)가 제 2 전압원(404)과 직렬로 도시된다. 가변 저항기(426)의 저항은 제 2 연료 전지 스택으로의 기류의 양을 모델링하는데 사용된다.
구성요소의 값은 수명 종료(EOL) 분극 곡선으로부터 취하거나 투영된다. 60.48V가 0A에서 분극 곡선의 오옴 영역의 교차점(intercept point)에 기초한 스택 전위다. 연료 전지 스택 저항은 선형 오옴 영역에 기초하여 0.4275 오옴으로 모델링된다. 가변 저항기(426)의 저항은 팬 도움없는 작동 모드를 모델링하기 위해 7.6365 오옴으로 설정되고, 이는 직렬 저항에 대해 7.5A를 제시한다.　
다음의 센서들이 도 4에 또한 도시된다:
● 제 2 정류기(408)를 통한 우회 전류를 측정하기 위한 제 1 전류계(420);
● 제 2 전압원/연료 전지 스택(404)을 통한 전류를 측정하기 위한 제 2 전류계(422); 그리고
● 제 2 전압원/연료 전지 스택(404) 양단의 전압을 측정하기 위한 전압계(424).　
이러한 센서들 각각에 의해 취득되는 판독치가 도 5에 도시된다. 제 2 정류기를 통한 우회 전류가 선(520)으로 도시된다. 제 2 전압원/연료 전지 스택을 통한 전류가 선(522)으로 도시된다. 제 2 전압원/연료 전지 스택 양단의 전압이 선(524)으로 도시된다.
도 5는 수평 시간축 상에서 1초에 시작되고 3초에 종료되는 재수화 구간을 도시한다.　
시뮬레이션 결과는 팬 도움 작동 모드로 초기 여기된 제 2 연료 전지 스택을 도시한다. 1초 후, 직렬 저항은 도 4에 도시되는 가변 저항기의 저항을 증가시킴으로써 선형으로 증가한다. 이러한 저항 증가는 팬 도움없는 작동 모드로 전이하도록 연료 전지 스택으로의 기류 감소를 나타낸다.
직렬 저항 증가는 제 2 연료 전지 스택 양단의 전압을 선(524)으로 표시되는 바와 같이, 1초와 1.2초 사이에서 0으로 떨어지게 한다. 그 후, 제 2 연료 전지 스택을 통한 전류는 선(522)으로 나타나는 바와 같이, 1.2초에서 32A로부터 2초에서 7.5A를 향해 감소한다. 이와 동시에, 우회 다이오드를 통한 전류는 선(520)으로 도시되는 바와 같이, 0A로부터 24.5A까지 증가한다. 따라서, 부하 전류가 일정하게 유지된다. 본 예에서, 제 2 연료 전지 스택이 극도로 낮은 저항 경로(0.000001오옴)를 이용하여 우회됨에도 불구하고, 여전히 부하에 (연료 전지의 캐소드에서 공기의 가용성에 따라) 7.5A로 기여한다.
회로가 재수화 구간/팬 펄스로부터 어떻게 복원되는 지를 보여주기 위해, 가변 저항기의 저항이 2초 후 팬 도움 작동 모드를 모델링하는 값으로 다시 감소한다. 제 2 연료 전지 스택(522)을 통한 전류가 점진적으로 32A까지 다시 증가하고, 이에 대응하여 우회 전류가 2.8초에서 다시 0까지 점진적으로 감소한다. 제 2 연료 전지 스택(524) 양단의 전압은 그 후 사전-재수화 구간 레벨로 다시 복귀한다.
적절한 시간 구간 후, 가령, 2분 내지 5분 사이 후, 다음 재수화 작동이 개시된다(도 4에 도시되지 않음). 전지 전압의 유용한 평균 증가를 제공하기 위해 효과적인 임의의 적절한 시간 구간이 사용될 수 있다. 온도 및 습도와 같은 주변 조건에 따라, 그리고 연료 전지가 일정한 고정 부하 또는 가변 부하 하에서 작동되는지 여부에 따라, 시간 구간은 예를 들어 1분 정도로 짧을 수도 있고, 2시간만큼 길 수도 있다.
연료 전지 스택으로의 기류는 연료 전지 시스템의 측정된 파라미터(예를 들어, 스택의 "건강" 또는 상태를 나타내는 파라미터)에 응답하여 재수화 구간을 제공하도록 변조될 수 있다. 이러한 파라미터는 스택 전압 및 스택 전류를 포함할 수 있고, 이는 분극 정보를 제시하고 따라서 스택의 "건강"을 제시할 것이다. 한 예에서, 재수화 구간은 측정 파라미터들 중 하나 이상이 임계값에 도달할 경우 개시될 수 있다.　
대안으로서, 또는 추가적으로, 재수화 작동은 고정된 주기적 원칙으로 자동적으로 구현될 수 있다. 추가적인 제어 시스템을 이용하여, 재수화 작동이 전혀 이루어지지 않는 정상 모드와, 주기적이고 일시적인 재수화 작동이 수행되는 재수화 모드 사이에서 연료 전지 시스템(100)을 스위칭할 수 있다. 재수화 작동의 주기성은 평균 온도, 습도, 전압 프로파일, 전류 프로파일, 및 전력 수요, 등과 같은 소정의 측정가능한 스택 작동 파라미터에 따라 제어될 수 있다. 재수화 구간의 듀티 사이클은 평균 온도, 습도, 전압 프로파일, 전류 프로파일, 및 전력 수요, 등과 같은 소정의 측정가능한 스택 작동 파라미터에 따라 제어될 수 있다.
일부 구현예에서, 컨트롤러는 측정가능한 스택 작동 파라미터에 기초하여 재수화 작동의 시작 여부를 주기적으로 결정할 수 있다. 예를 들어, 매 10분마다, 컨트롤러는 하나 이상의 측정가능한 스택 작동 파라미터를 프로세싱할 수 있고, 그 후, 하나 이상의 측정가능한 작동 파라미터가 하나 이상의 기준을 충족시킬 경우에만 재수화 작동을 개시할 수 있다. 마찬가지로, 재수화 작동 중, 컨트롤러는 하나 이상의 측정가능한 스택 작동 파라미터에 따라 재수화 작동을 취소 또는 중지할 수 있다. 이러한 취소는, 예를 들어, 그렇지 않을 경우 적용될 재수화 작동의 지정된 지속시간보다 짧은, 재수화 작동의 예정된 종료 이전일 수 있다는 점을 고려할 때, 너무 이른 것일 수 있다.　
재수화 작동/팬 펄스는 다음의 기준들 중 하나 이상이 충족될 경우에만 개시될 수 있다; 즉, 다음 기준들 중 하나 이상이 충족되지 않을 경우 불허되거나 연기될 수 있다. 대안으로서, 재수화 작동/팬 펄스는 다음의 기준들 중 하나 이상이 충족될 때 자동적으로 개시될 수 있다.　
a) 연료 전지 스택 코어 온도는 캐소드 상의 물 균형이 주변 공기로 기화에 의해 관리됨을 보장할 만큼 충분히 높다고 간주되는 온도와 같이, 최소 코어 온도 임계치보다 크다. 한 예에서, 최소 코어 온도 임계치는 약 30℃, 35℃ 또는 40℃의 절대값, 또는, 스택 코어의 목표 가동 온도 아래의 15℃, 20℃, 또는 25℃의 상대값일 수 있다. 스택 코어의 목표 가동 온도는 약 55℃일 수 있다.
연료 전지 스택 코어 온도는 연료 전지 스택 내에서 측정되는 금속 성분의 온도로 규정될 수 있다. 흡입 공기 온도의 변화에 의해 야기되는 코어 온도의 변화를 설명하기 위해, 코어 온도는 연료 전지 스택 내 다양한 지점에서 측정될 수 있다. 이는 시스템 타입에 따라, 연료 전지 스택 당 2, 3, 또는 4개의 위치일 수 있다. 2개의 스택을 가진 시스템에서, 이는 코어 온도가 예를 들어, 4, 6, 또는 8개의 위치에서 측정될 수 있음을 의미한다. 복수의 온도값을 가질 경우, 분리된 각각의 연료 전지 스택에 대해 또는 복수의 연료 전지 스택들의 조합에 대해 최소값, 최대값, 및 평균 코어 온도를 결정할 기회가 제공될 수 있다.　
본 예에서, 측정되는 모든 코어 온도(복수의 연료 전지 스택 각각에 대하여, 2개 이상의 존재할 경우)는 최소 코어 온도 임계치와 비교될 수 있다.　
앞서 표시한 바와 같이, 팬 펄스 이용은 시스템 성능 및 효율에 대해 적어도 2개의 주된 장점 - 첫번째로, 캐소드 상의 물 생성을 통해(전지 임피던스를 낮춤으로써 성능 개선 가능), 두번째로, 캐소드 세척에 의해(비-백금 요소의 환원) - 을 제공할 수 있다. 따라서, 스택 내 만족스런 물 레벨이 존재할 경우에도, 촉매 세척을 위해, 따라서, 가용한 반응 사이트를 증가 또는 최대화시키기 위해, 효율 및 성능을 유지하기 위해 팬 펄스가 중요할 수 있다. 이는 캐소드 플루딩(cathode flooding)을 야기할 수 있는 팬 펄스로 인해 스택에 과량의 물이 발생될 수 있는 문제점을 일으킬 수 있다. 따라서, 최소 코어 온도 임계치의 이용은 팬 펄스 작동을 개선시킬 수 있다.　
b) 연료 전지 스택 코어 온도는 스택 코어 온도가 팬 펄스에 이어 다시 정상 작동 온도로 냉각될 수 있음을 보장하기에 충분히 낮다고 간주되는 온도처럼, 최대 코어 온도 임계치보다 낮다. 한 예에서, 최대 코어 온도 임계치는 약 55℃, 60℃ 또는 65℃의 절대값, 또는, 스택 코어의 목표 가동 온도보다 높은 2℃, 5℃, 또는 10℃의 상대값일 수 있다.
본 예에서, 측정되는 모든 코어 온도(복수의 연료 전지 스택 각각에 대하여, 2개 이상의 존재할 경우)는 최대 코어 온도 임계치와 비교될 수 있다.　
캐소드로의 산소 공급을 제한하기 위해 팬을 중단시키는(따라서 스택 전압을 감소시키는) 프로세스는 스택으로의 냉각 공기를 감소시킨다. 그 결과, 팬 스풀-다운 시간의 지속시간 동안, 반응 공기가 중단되고 반응이 멈출 때까지 반응 공기 전달이 계속되고 스택 코어 온도가 상승한다. 따라서, 최대 코어 온도 임계치의 이용은 팬 펄스 작동을 개선시킬 수 있다.　
c) (연료 전지 시스템 인근의) 주변 공기 온도는 스택 코어 온도가 팬 펄스에 이어 다시 정상 작동 온도로 냉각될 수 있음을 보장할 만큼 충분히 낮다고 간주되는 온도와 같은, 최대 주변 공기 임계치보다 낮다. 한 예에서, 최대 주변 온도 임계치는 약 35℃, 40℃ 또는 45℃의 절대값일 수 있다.
B) 아래에서 앞서 논의한 것과 동일한 이유로, 지정된 최대 주변 공기 온도의 이용은 팬 펄스 작동을 개선시킬 수 있다.　
d) 연료 전지 시스템으로부터 나온 전류는 유체적 제한을 통해 전지 전압을 감소시키도록 캐소드로부터 산소를 소모시키기에 충분하다고 간주되는 전류 레벨과 같은, 최소 전류 임계치보다 크다. 한 예에서, 최소 전류 임계치는 약 0.046A/cm2, 0.051Acm2, 또는 0.054A/cm2 　일 수 있다. 이러한 전류 임계치는 연료 전지 활성 영역의 cm2　당 전류다.
스택 주위의 임의의 공기 운동이 캐소드 면의 공기를 변화시키기 때문에, 연료 전지 시스템으로부터 나오는 (또는 나오려고 시도되는) 전류는 캐소드 면에 존재하게 되는 임의의 새로운 산소를 소모시키기에 충분하다는 점에서 유리할 수 있다.　
e) 연료 전지 시스템으로부터 나오는 전류는 최대 전류 임계치보다 작다. 최대 전류 임계치는 주변 온도에 기초할 수 있고, 스택이 팬 펄스로부터 나올 때 공기 냉각에 의해 제거되어야 하는 열거부를 제한할 수 있다. 컨트롤러는 주변 온도의 측정값에 따라 최대 전류 임계치의 레벨을 자동적으로 설정할 수 있다.
한 예에서, 최대 전류 임계치는 조사표 및 주변 온도 측정값을 이용하여 결정될 수 있다. 넓게 말하자면, 최대 전류 임계치는 주변 온도에 반비례한다 - 즉, 주변 온도가 증가함에 따라, 최대 전류 임계치가 감소한다.
일례의 조사표가 다음 정보를 지닐 수 있다:　　
Figure 112015106362233-pct00001
f) 팬 펄싱이 금지되었음을 표시하기 위한 부하 디바이스로부터의 신호, 또는, 부하 디바이스와 연관된 응용예가 수신되지 않는다.
앞서 논의한 바와 같이, 팬 펄싱 프로세스는 출력 전압을 일시적으로 감소시키고, 따라서, 연료 전지 시스템의 알짜 전력 출력을 감소시킨다. 이러한 이유로, 팬 펄스 트리거링은 간헐적으로 수행될 수 있고, 및/또는, 부하-드로잉 애플리케이션(load-drawing application)에 의해, 일부 예에서 소프트웨어 통신에 의해, 금지될 수 있다. 일부 구현예에서, 팬 펄싱이 금지되지 않을 때, 그 후 재수화 작동 트리거링은, 주기적으로, 예를 들어, 10 분 작동마다, 수행될 수 있다.
일부 예에서, 재수화 작동/팬 펄스는 다음의 기준들 중 하나 이상이 충족될 때 재수화 작동/팬 펄스를 통해 포기 또는 부분적으로 중단될 수 있다. 일부 경우에, 재수화 작동/팬 펄스는 연료 전지 스택에 냉각 및 반응 공기를 공급하는 팬을 턴-온시킴으로써 포기될 수 있다.　
i. 스택 전압이 팬 펄스 중 제 1 임계 시간 주기 내의 전압 강하 임계량에 의해 중단되지 않은 경우. 전압 강하 임계량은 예를 들어, 0V, 0.5V, 2V일 수 있다. 제 1 임계 시간 주기는 재수화 작동 개시 후 10초, 15초, 또는 20초일 수 있고, 이는 팬 펄싱되는 연료 전지 스택과 연관된 팬에 대한 중지 명령의 발급에 해당할 수 있다(스풀 다운 시간). 예를 들어 루버가 닫히고 팬이 정지됨에도 불구하고, 스택 전압이 산소의 과다 공급으로 인해 떨어지는데 실패할 경우, 이는 램 공기 효과(ram air effect)로 인한 것일 수 있다.
램 공기 효과는, 연료 전지 시스템이 원동 애플리케이션에 위치하고 애플리케이션의 순방향 운동이 시스템의 흡기부에서 공기 압력을 증가시키는 경우에 존재할 수 있다. 램 공기 효과는 시스템의 기생 부하를 감소시킬 수 있기 때문에 일반적으로 유용할 수 있고, 따라서, 냉각/반응 팬에 의한 수고를 덜 수 있다. 그러나, 이는 예를 들어, 팬 펄싱 중, 연료 전지 스택에 공기의 의도하지 않게 전달하는 것과 같이, 설계에 대한 도전을 또한 야기할 수 있다. 이는 램 공기가 유입 루버의 밀봉을 극복하는 유입구에서의 압력을 일으킬 때 나타날 수 있다. 이와 같은 기류 감소는 연료 전지의 반응을 일으킬 수 있으나(열 발생) 충분한 냉각 기류를 제공하지 못한다.　
ii. 연료 전지 스택 코어 온도가 팬 펄스 중 최대 코어 온도 임계치보다 클 경우. 최대 코어 온도 임계치는 스택 코어의 목표 가동 온도보다 높은 5℃, 10℃ 또는 15℃의 상대값일 수 있다. 스택 전압이 떨어지지만 스택 코어 온도가 너무 뜨거워질 경우, 이는 제한된 반응 사이트에만 산소가 공급되고 출력 전압을 상승시키기엔 공급받는 사이트가 불충분하도록, 충분한 기류를 제공하는 램 에어 효과에 또한 기인할 수 있다.
본 예에서, 팬 펄싱되는 특정 연료 전지 스택에서만 측정되는 모든 코어 온도는 최대 코어 온도 임계치와 비교될 수 있다.　
iii. 연료 전지 스택으로부터 외부 부하로 공급되는 전류가 팬 펄스 중 최소 전류 임계치 아래로 떨어질 경우. 최소 전류 임계치는 0.036A/cm2, 0.051A/cm2　또는 0.059A/cm2 　일 수 있다. 시스템으로부터 나오는 전류가 임계치 아래로 떨어져서 스택을 방전시키고 방전 상태로 유지될 경우, 스택의 방전은 성공적이지 않을 수 있다.
iv. 연료 전지 스택으로부터 외부 부하로 공급되는 전류가 팬 펄스 중 최소 전류 임계치보다 클 경우. 앞서와 같이, 최대 전류 임계치는 주변 온도에 기초할 수 있고, 스택이 팬 펄스로부터 나올 때 공기 냉각에 의해 제거되어야 하는 열거부를 제한할 수 있다. 한 예에서, 최대 전류 임계치는 약 x, y, 또는 z일 수 있다.　
v. 전력의 즉각적 공급이 요구됨을 표시하기 위해 부하 디바이스로부터의 신호 또는 부하 디바이스와 연관된 응용예가 수신된다.　
기준 a) 내지 f) 또는 i) 내지 iv) 하에 앞서 언급한 임계치들 중 하나 이상의 값은 전달되는 총 에너지 대비 수명을 통한 최적 효율과 같이, 연료 전지 스택의 서로 다른 수명 목표를 실현할 수 있는 트리거링 영역을 제공하도록 설정될 수 있다. 사용되는 특정 임계값들은 구체적 애플리케이션에 따라, 또는 연료 전지 시스템의 의도된 용도에 따라, 좌우될 수 있다.　
도 6은 여기서 개시되는 바와 같이 재수화 구간의 제공을 시험하는데 사용된 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한다. 도 7은 관련 시험 결과를 도시한다. 72개의 전지 스택을 지닌 연료 전지 모듈이 제 1 및 제 2 연료 전지 스택(602, 604)용으로 사용되었다.
우회 기능 제공을 위해 제 2 연료 전지 스택(604) 양단에 병렬로 능동 다이오드(608)가 구성되었다. 이러한 능동 다이오드(608)는 이상적 다이오드로도 불릴 수 있다. 능동 다이오드(608)는 설명을 쉽게 하기 위해 도 6에서 종래의 다이오드로 도시된다. 그러나, 능동 다이오드는 정류기로 기능하기 위해 구동되는, 전계 효과 트랜지스터(FET), 선택적으로, MOSFET과 같은, 능동 제어 스위치에 의해 구체화될 수 있다.　
일정 부하로 설정된 부하 유닛(612)을 이용하여, 제 2 연료 전지 스택은 팬 펄스 작동 모드로 배치되었고, 이 동안 제 2 연료 전지 스택(604)을 통한 기류가 변조되어, 재수화 구간 시작을 위해 기류가 주기적으로 감소하였고 그 후 재수화 구간 종료를 위해 기류가 증가하였다. 도 6의 좌측부의 그림은 재수화 구간들 간의 전류 흐름 경로를 나타낸다. 도 6의 우측부의 그림은 제 2 연료 전지 스택(604)의 전위가 0V로 감소하였을 때 재수화 구간 중 전류 흐름 경로를 도시한다. 이 지점에서, 능동 다이오드(608)는 "하드 온"(hard on)으로 구동되고, 이는 능동 다이오드 양단에서 25mV만이 강하하도록 FET의 제어를 수반할 수 있다.　
시험은 도 8에 도시되는 바와 같이 두 전류 경로를 통한 전류를 나타내기 위해 0A와 30A 사이의 부하 전류(우회 전류와 스택 전류의 합)에 대해 반복되었다.
도 7은 도 6의 연료 전지 시스템에 대한 오실로스코프 플롯을 도시한다. 특히, 다음 값들이 도시되며, 이 모두는 도 6에서 식별된 바 있다: 제 2 스택 전위(720)(Vst2); 우회 전류(722)(Ibypass); 제 2 스택 전류(724) (Ist2); 및 부하 전류(726)(Iload).
본 예에서, 팬은 스풀-다운(spool down)되고, 루버를 이용하여 재수화 구간 동안 제 2 연료 전지 스택의 캐소드 양단의 기류를 중단시킬 수 있으나, 다른 예에서는 이러한 메커니즘들 중 하나만이 사용될 수 있다. 스택 전위(720)가 0볼트로 감소하면, 전류가 스택을 통해서가 아니라 바이패스를 통해서 전도를 시작한다. 스택은 재수화 구간 중 약 10/11A로 기여를 계속하고, 이는 스택의 조건 및/또는 스택 주변의 공기 양에 기인할 수 있다. 그러나, 스택 전압이 음의 값이 되지 않기 때문에, 이는 여전히 안전 구역에서 작동하고 스택은 여전히 성공적인 여건에 놓인다.　
도 8은, 스택이 팬 도움없는 상태에서 이러한 전류 레벨에 기여함을, 그리고, 우회 회로가 부하로부터 나머지 전류를 리디렉션시킴을, 확인한다. 도 8의 수평축은 0A로부터 30A까지 부하 전류를 도시한다(부하 전류는 우회 전류와 스택 전류의 합이다). 수직축은 개별적인 스택 및 우회 전류의 레벨을 나타낸다. 도 8의 스택 전류의 0이 아닌 값으로부터 알 수 있듯이, 스택은 스택 공기로부터 팬 펄스 중 출력에 (하위) 전류를 제공할 수 있다. 도 8의 우회 전류의 값 증가는, 나머지 시스템 전류가 팬 펄스화되어 분극 곡선의 안전 영역 내에 머무르도록 하단 스택 주위로 어떻게 성공적으로 전환되는 지를 보여준다.
도 9는 도 6의 도해에 도시되는 것과 유사한, 그러나, 능동 다이오드 대신에 기존 실리콘 다이오드(또는 FET의 동체 다이오드)를 이용하는, 시스템의 오실로스코프 플롯을 도시한다. 이러한 구성요소를 이용하여 연료 전지 스택을 우회하면, 스택이 분극 곡선의 알려지지 않은 영역 내로 들어가면서 종료되어 전지를 손상시키는 영향을 가질 수 있다는 것을 알 수 있다. 당 분야에 알려진 바와 같이, 연료 전지의 분극 곡선은 전류의 함수로 전지 전압을 특성화시킨다.　
도 7에서와 동일한 방식으로, 도 9는 다음의 값을 보여준다: 제 2 스택 전위(920)(Vst2); 우회 전류(922)(Ibypass); 제 2 스택 전류(924) (Ist2); 및 부하 전류(926)(Iload).
본 예에서, 연료 전지 스택과 병렬인 다이오드는 스택 양단에 음전위를 생성하고(실리콘 다이오드의 경우 ~-0.6V로 클램핑되고, 전류 증가에 따라 1V 이상까지 상승함), 좀 더 스택을 향한 전류의 균형을 증가시킨다. 음전위에도 불구하고, 스택은 스택 상의 전하가 (애노드에서의 수소 가용성으로 인해) 전류의 역방향 흐름을 의미하지 않기 때문에 이 시점에서 전기분해되지 않는다. 일부 응용예에서, 스택의 캐소드 상의 차단 다이오드는 가스 공급이 없을 때 전류 역류 및 전기분해를 방지할 수 있다.
도 7과 도 9 간의 비교를 통해 살펴보면, (스위치 또는 이상적 다이오드 대신에) 기존 다이오드를 이용할 경우 재수화 구간 중 스택을 통해 더 많은 전류가 흐르게 되며, 이는 스택을 통한 전류 강제가 스택 양단의 전위를 음성으로 만들고 스택을 분극 차트 상의 감소 영역으로 배치하기 때문에 불리하며, 이는 장기적 건강 측면에서도 해롭다. 또한, 도 9는 우회 다이오드가 전도 개시에 걸리는 시간이 두번째보다 더 길어서, 능동 다이오드에 대해 요구되는 것보다 더 긴 팬 펄스로 나타난다. 짧은 팬 펄스는 스택을 더 길게 정상 작동 모드에서 기능하게 하여, 전체 시스템의 효율을 개선시킨다. 따라서, 일부 응용예에서, 능동 다이오드 또는 스위치 사용이 특히 유리할 수 있다.　
직렬 관계의 복수의 연료 전지 스택 중 하나에 대한 우회 전류로 이상적 다이오드를 이용하는 여기서 개시되는 예는 스택을 독립적으로 팬 펄싱되게 한다. 이상적 다이오드로 능동 제어 MOSFET을 이용하면, 팬 펄싱이 나타날 때 스택 주위로 전류를 전환시켜서, 팬 펄싱 중 다운타임이 없고 에너지가 소모되지 않는다. 펄싱된 스택은 0V로 유지될 수 있으나, 나머지 충전된 스택으로부터의 전류는 여기에 영향이 없다. 이는 펄싱된 에너지가 내부 부하와 같은 인위적 부하에 소모되는 것을 또한 방지하고, 연료 전지 시스템의 부피큰 전력 저항기의 요건을 완화시킬 수 있다.　
부차적 이점은 (신뢰성을 위해, 또는, 최적화된 구동 사이클 용도로) 스택이 시스템으로부터 쉽게 분리될 수 있다는 점이고, 이 시간 동안 시스템은 전력을 감소 레벨에도 불구하고 부하에 계속 제공할 수 있다.
여기서 개시되는 예는 공냉식 및 기화 냉각 연료 전지 스택에 특히 적합할 수 있다.
본 문서에서 개시되는 시스템은 팬 펄싱시, 연료 전지 시스템으로부터 연료 전지 스택을 분리시킬 것을 요구하지 않고, 재수화 구간은 종래 기술의 경우보다 짧다. 또한, 전지 주위의 산소 제어의 중요성이, 종래 기술에 비교할 때, 감소할 수 있다. 연료 전지 스택은 시스템 부하에 연속적으로 연결될 수 있고, 공기 밀봉 불량은 부피큰 전력 저항기를 이용하는 팬 펄싱 방법의 경우처럼 연료 전지 스택을 손상시키지 않을 수 있다. 전력 저항기가 사용되고 기류가 여전히 높을 경우, 스택 에너지는 퓨즈를 날려버리고 팬 펄싱 기능을 제거할 수 있다. 또한, 전력 저항기가 종국에 손상될 수 있는데, 이는 여기서 개시되는 시스템들 중 하나 이상의 관심사가 아닐 수 있다. 더욱이, 정류기가 요건 우회 기능을 자동적으로 제공함에 따라, 우회 구성요소의 어떤 외부적 제어도 요구되지 않는다. 예를 들어, 능동 다이오드의 능동 감지 회로는 정확한 시간에 턴-온 및 오프 기능을 한다.　
연료 전지 스택은 여기서 개시되는 시스템을 이용하여 좀더 양호하게 그리고 좀 더 일관된 조건을 가질 수 있고, 이는 궁극적으로 그 성능 및 수명을 개선시킬 수 있다. 또한, 스택의 신뢰도가 증가할 수 있고 고장 횟수가 감소할 수 있다. 이는 재수화 구간 중 손상될 수 있는, 재수화 구간 지원에 사용되는 선행 기술의 시스템으로부터 추가 구성요소의 제거에 적어도 부분적으로 기인할 수 있다. 또한, 이러한 추가 구성요소들은 작동 중 가열될 수 있고, 이는 스택 성능을 저하시킬 수 있다.　
여기서 2개 이상의 연료 전지 스택에 대한 임의의 참조는 단일 쌍의 단부판 간에 하우징되는 개별적으로 어드레싱가능한 두 세트 이상의 연료 전지에 동등하게 적용될 수 있다. 이러한 세트의 연료 전지들은 자체 단부판 간에 각각 하우징되는 복수의 연료 전지 스택에 대해 동등할 수 있다.
결합 또는 연결되는 것으로 여기서 설명되는 임의의 구성요소들은 직접적으로 또는 간접적으로 결합 또는 연결될 수 있다. 즉, 요구되는 기능을 여전히 실현하면서도, 결합 또는 연결된다고 얘기되는 2개의 구성요소 사이에 하나 이상의 구성요소가 위치할 수 있다.

Claims (26)

  1. 외부 부하에 전류를 공급하기 위한 연료 전지 시스템으로서,　
    제 1 연료 전지 스택 - 상기 연료 전지 시스템은 상기 제 1 연료 전지 스택에 기류를 제공하여 상기 제 1 연료 전지 스택으로부터 물을 제거하도록 구성됨 -;
    상기 제 1 연료 전지 스택과 직렬 관계인 제 2 연료 전지 스택;　
    상기 제 1 연료 전지 스택과 병렬 관계인 제 1 정류기; 및　
    상기 제 1 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조시키도록 구성되는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 기류의 변조는 상기 제 1 연료 전지 스택으로부터 물의 제거 속도를 감소시키기 위해 기류를 감소시킴으로써 상기 제 1 연료 전지 스택에 재수화 구간을 제공하도록 상기 연료 전지 시스템에 대한 전류 수요에 독립적으로 기류를 감소시키는 것을 포함하고, 상기 제 1 정류기는 재수화 구간 동안 상기 제 1 연료 전지 스택 주위에 우회 경로를 제공하는, 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 주기적인 원칙으로 상기 제 1 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조시키도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제 1 연료 전지 스택을 통한 기류의 양을 능동값(active value)으로부터 주기적으로 감소시키도록, 그리고, 기결정된 시간 주기 후, 상기 제 1 연료 전지 스택을 통한 기류의 양을 상기 능동값으로 다시 증가시키도록, 구성되는, 연료 전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제 1 연료 전지 스택을 통한 기류의 양을 0까지 주기적으로 감소시키도록, 그리고, 기결정된 시간 주기 후, 상기 제 1 연료 전지 스택을 통한 기류의 양을 상기 능동값으로 다시 증가시키도록, 구성되는, 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 연료 전지 시스템의 측정된 파라미터에 응답하여 상기 제 1 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조시키도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 정류기가 능동 다이오드인, 연료 전지 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 정류기의 제 1 단자는 상기 제 1 연료 전지 스택의 제 1 단자에 연결되고, 상기 제 1 정류기의 제 2 단자는 상기 제 1 연료 전지 스택의 제 2 단자에 연결되는, 연료 전지 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은 상기 제 2 연료 전지 스택과 병렬로 제 2 정류기를 더 포함하며, 상기 컨트롤러는 상기 제 2 연료 전지 스택의 수화 레벨을 증가시키는 재수화 구간을 제공하도록 상기 연료 전지 시스템에 대한 전류 수요에 독립적으로 상기 제 2 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조시키도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제 1 및 제 2 연료 전지 스택의 재수화 구간이 겹쳐지지 않도록, 상기 제 1 및 제 2 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조시키도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제 1 및 제 2 연료 전지 스택을 통한 기류를 교대로 변조시키도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 정류기의 제 1 단자는 상기 제 2 연료 전지 스택의 제 1 단자에 연결되고, 상기 제 2 정류기의 제 2 단자는 상기 제 2 연료 전지 스택의 제 2 단자에 연결되는, 연료 전지 시스템.　
  12. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제 1 및/또는 제 2 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조시키기 위해, 팬에 의해 발생되는 기류의 양을 변조하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제 1 및/또는 제 2 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조시키기 위해, 하나 이상의 가변 폐색 부재의 위치를 변조하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  14. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 연료 전지 스택과 직렬 관계인 차단 증폭기를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  15. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 연료 전지 스택을 통해 기류가 감소되면 전류가 상기 제 1 정류기를 통해 상기 외부 부하에 흐르게 되는, 연료 전지 시스템.
  16. 연료 전지 시스템 작동 방법으로서,
    상기 연료 전지 시스템은 외부 부하에 전류를 공급하기 위한 것이고, 상기 연료 전지 시스템은,　
    제 1 연료 전지 스택;　
    상기 제 1 연료 전지 스택과 직렬 관계인 제 2 연료 전지 스택; 및　
    상기 제 1 연료 전지 스택과 병렬 관계인 제 1 정류기를 포함하고,　
    상기 방법은,　
    상기 제 1 연료 전지 스택에 기류를 제공하여 상기 제 1 연료 전지 스택으로부터 물을 제거하는 단계; 및
    상기 제 1 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조하는 단계를 포함하고,
    상기 기류를 변조하는 단계는 상기 제 1 연료 전지 스택으로부터 물의 제거 속도를 감소시키기 위해 기류를 감소시킴으로써 재수화 구간을 제공하도록 상기 연료 전지 시스템에 대한 전류 수요에 독립적으로 기류를 감소시키는 단계를 포함하고, 상기 제 1 정류기는 재수화 구간 동안 상기 제 1 연료 전지 스택 주위에 우회 경로를 제공하는, 연료 전지 시스템 작동 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 제 1 정류기는 능동 다이오드이고, 상기 방법은,　
    순방향 바이어스될 때 저저항을 제공하고, 역방향 바이어스될 때 고저항을 제공하도록 상기 능동 다이오드를 작동시키는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 시스템 작동 방법.
  18. 연료 전지 시스템과 연관된 컨트롤러에 로딩하도록 구성되는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독가능 기록 매체로서,
    상기 연료 전지 시스템은 외부 부하에 전류를 공급하기 위한 것이고, 상기 연료 전지 시스템은
    제 1 연료 전지 스택;　
    상기 제 1 연료 전지 스택과 직렬 관계인 제 2 연료 전지 스택; 및　
    상기 제 1 연료 전지 스택과 병렬 관계인 제 1 정류기를 포함하고,　
    상기 프로그램은 컨트롤러로 하여금 상기 제 1 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조하도록 하고,
    상기 기류를 변조하는 것은 상기 제 1 연료 전지 스택으로부터 물의 제거 속도를 감소시키기 위해 기류를 감소시킴으로써 상기 제 1 연료 전지 스택에 재수화 구간을 제공하도록 상기 연료 전지 시스템에 대한 전류 수요에 독립적으로 기류를 감소시키는 것을 포함하고, 상기 제 1 정류기는 재수화 동안 상기 제 1 연료 전지 스택 주위에 우회 경로를 제공하는, 컴퓨터 판독가능 기록 매체.
  19. 컴퓨터로 하여금 제 16 항 또는 제 17 항의 방법을 수행하도록 하는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독가능 기록 매체.　
  20. 컨트롤러에 로딩하도록 구성되는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독가능 기록 매체로서,
    상기 프로그램은 상기 컨트롤러로 하여금 제 1 연료 전지 스택을 통한 기류를 변조하도록 하고,
    상기 기류를 변조하는 것은 상기 제 1 연료 전지 스택으로부터 물의 제거 속도를 감소시도록 기류를 감소시킴으로써 상기 제 1 연료 전지 스택에 재수화 구간을 제공하기 위해 연관된 연료 전지 시스템에 대한 전류 수요에 독립적으로 기류를 감소시키는 것을 포함하고, 상기 제 1 연료 전지 스택과 병렬 관계인 정류기가 재수화 동안 상기 제 1 연료 전지 스택 주위에 우회 경로를 제공하는, 컴퓨터 판독가능 기록 매체.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 정류기는 능동 다이오드이고,
    상기 프로그램은 상기 컨트롤러로 하여금 상기 능동 다이오드가 순방향 바이어스될 때 저저항을 제공하고, 상기 능동 다이오드가 역방향 바이어스될 때 고저항을 제공하도록 상기 제 1 연료 전지 스택과 병렬 관계인 능동 다이오드를 작동시키도록 하는, 컴퓨터 판독가능 기록 매체.
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