KR102233600B1 - 연료 전지 전력 시스템에서의 공기 흐름을 제어하는 방법 - Google Patents

연료 전지 전력 시스템에서의 공기 흐름을 제어하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시의 한 양태는 연료 전지 전력 시스템에 관련한다. 상기 시스템은 전력을 발생하도록 구성된 하나 이상의 연료 전지들 및 상기 하나 이상의 연료 전지들에 압축된 공기를 공급하도록 구성된 압축기를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 하나 이상의 센서들을 포함할 수 있다. 상기 센서들은 상기 하나 이상의 연료 전지들을 가로지르는 공기 흐름의 적어도 하나의 측정된 파라미터를 나타내는 신호를 발생하도록 구성된다. 상기 시스템은 또한 상기 하나 이상의 연료 전지들, 상기 압축기 및 상기 센서들과 통신하는 제어기를 포함할 수 있다. 상기 제어기는 상기 적어도 하나의 산출된 파라미터에 기초하여 원하는 압력 강하를 결정하고, 상기 원하는 압력 강하에 기초하여 상기 압축기에 대한 제어 명령을 결정하고, 피드백 이득 파라미터 및 피드포워드 이득 파라미터에 기초하여 상기 제어 명령을 조절하도록 구성될 수 있다.

Description

연료 전지 전력 시스템에서의 공기 흐름을 제어하는 방법{A METHOD FOR CONTROLLING AIR FLOW IN A FUEL CELL POWER SYSTEM}
본 출원은, 본 명세서에 참조로 포함된, 2013년 6월 28일자로 출원된 미국 가 출원 번호 61/840,862의 이득을 청구한다.
본 개시는 연료 전지 전력 시스템에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, 본 명세서에 기술된 연료 전지 전력 시스템은 상기 연료 전지 전력 시스템의 하나 이상의 연료 전지들로의 공기 흐름을 제어하도록 구성된 제어기를 포함한다.
연료 전지 전력 시스템은 깨끗하고 효율적이며, 고정적인 및 자동차 응용들 양쪽 모두에 대해 환경을 고려한 전원으로서 제안되었다. 연료 전지 전력 시스템은 전력을 발생하기 위한 하나 이상의 연료 전지들을 갖는 연료 스택(fuel stack)을 포함할 수 있다. 특히, 각각의 연료 전지는 애노드부(anode compartment) 내의 애노드, 캐소드부(cathode compartment) 내의 캐소드, 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에서 전하를 이동할 수 있도록 하는 전해질을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 연료의 흐름이 상기 애노드에 공급되고, 가스(예를 들면, 공기)를 포함하는 산소의 흐름이 상기 캐소드로 공급된다. 연료는 자유 양성자들 및 전자들을 발생하도록 상기 애노드에서 촉매작용으로 단절될 수 있다. 상기 양성자들은 상기 전해질을 통과하여 상기 캐소드로 가고, 상기 캐소드에서 산소 및 전자들과 반응하여 물을 생성한다. 상기 전자들은 전기 부하 회로를 통해 상기 애노드로부터 상기 캐소드로 이동되어, 전기를 생성할 수 있게 된다.
연료 전지 스택은 통상 공기 압축기에 의해 제공된 충전 공기로부터 캐소드에 사용될 산소를 받아들인다. 통상의 연료 전지 전력 시스템에서, 제어기는 전기 출력을 변화하기 위해 연료 전지 스택을 통한 공기 흐름 속도(air flow rate)를 제어하기 위해 제공될 수 있다. 전기 출력의 조절이 요구되는 경우, 상기 제어기는 상기 연료 전지 스택을 통해 가로지르는 공기 흐름 속도를 변경하기 위해 상기 공기 압축기에 명령 신호를 보내도록 구성될 수 있다. 상기 제어기는 또한 상기 연료 전지 스택에 걸친 압력 강하를 측정함으로써 상기 공기 흐름 속도를 측정하고, 상기 전료 전지 스택에 걸친 원하는 압력 강하와 상기 측정된 압력 강하 사이의 차를 결정할 수 있다. 이어서, 상기 제어기는 상기 공기 압축기의 속도를 조절함으로써 상기 측정된 공기 흐름 속도와 상기 원하는 공기 흐름 속도 사이의 어떠한 차도 최소화하도록 구성될 수 있다.
일부 환경들에 있어서, 상기 제어기는 전기 수요의 변동들에 응답하여 상기 공기 압축기의 속도를 빠르게 조절하도록 요구될 수 있다. 이러한 동적인 응답은, 상기 연료 전기 스택에 걸친 실제 압력 강하를 측정하는 압력 센서들로부터의 신호에서 원치않는 노이즈를 발생시킬 수 있으며, 이는 이후 상기 공기 압축기의 모터에 대한 명령 신호에 반영될 수도 있다. 그러한 신호들은 바람직하지 않은 소리를 발생하는 상기 공기 압축기의 과도한 레빙(revving)을 야기할 수 있다. 더욱이, 그러한 신호들은 압축기 수명의 단축을 야기할 수 있다.
상기한 상황들을 고려하여, 본 개시는 연료 전지 전력 시스템의 하나 이상의 연료 전지들에 대한 공기 흐름을 제어하도록 구성된 제어기를 갖는 연료 전지 전력 시스템을 제공한다. 상기 제어기는 공기 압축기의 전체적인 노이즈를 감소하면서 빠른 동적 응답을 제공하도록 상기 압축기에 대한 명령 신호를 조절하도록 구성될 수 있다.
본 개시의 한 양태는 연료 전지 전력 시스템에 관련한다. 상기 연료 전지 전력 시스템은 전력을 발생하도록 구성된 하나 이상의 연료 전지들 및 상기 하나 이상의 연료 전지들에 압축된 공기를 공급하도록 구성된 압축기를 포함할 수 있다. 상기 연료 전지 전력 시스템은 또한 상기 하나 이상의 연료 전지들과 연관된 하나 이상의 센서들을 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 센서들은 상기 하나 이상의 연료 전지들을 가로지르는 공기 흐름의 적어도 하나의 측정된 파라미터를 나타내는 신호를 발생하도록 구성될 수 있다. 상기 연료 전지 전력 시스템은 또한 상기 하나 이상의 연료 전지들, 상기 압축기 및 상기 하나 이상의 센서들과 통신하는 제어기를 포함할 수 있다. 상기 제어기는 적어도 하나의 산출된 파라미터에 기초하여 상기 하나 이상의 연료 전지들에 걸친 원하는 압력 강하를 결정하고, 상기 원하는 압력 강하에 기초하여 상기 압축기에 대한 제어 명령을 결정하고, 피드백 이득 파라미터 및 피드포워드 이득 파라미터에 기초하여 상기 제어 명령을 조절하도록 구성될 수 있다.
본 개시의 다른 양태는 연료 전지 전력 시스템의 하나 이상의 연료 전지들에서의 공기 흐름을 제어하기 위한 방법에 관련한다. 상기 방법은 압축기로부터의 가압된 공기 스트림을 상기 하나 이상의 연료 전지들에 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은, 적어도 하나의 산출된 파라미터에 기초하여 상기 하나 이상의 연료 전지들에 걸친 원하는 압력 강하를 결정하는 단계, 상기 원하는 압력 강하에 기초하여 압축기에 대한 제어 명령을 결정하는 단계, 및 피드백 이득 파라미터 및 피드포워드 이득 파라미터에 기초하여 상기 제어 명령을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 추가적인 목적들 및 이점들은 다음의 상세한 설명에서 부분적으로 설명될 것이며, 이러한 부분은 상세한 설명으로부터 명확하거나 본 개시의 실행에 의해 학습될 수 있을 것이다. 본 개시의 상기 목적들 및 이점들은 첨부된 청구범위에서 특히 기술된 요소들 및 조합들에 의해 실현되어 얻어질 수 있을 것이다.
전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 단지 예시적이며 설명적인 것일 뿐이고, 청구된 바와 같은 시스템들 및 방법들을 제한하고자 하는 것이 아니라는 것을 이해해야한다.
이러한 상세한 설명의 일부를 구성하고 이에 포함되는 첨부된 도면들은 개시된 실시예들을 도시하며, 상세한 설명과 더불어 본 개시의 원리를 설명하는데 제공된다. 가능한 어디에서든, 동일한 참조 번호들은 도면들 전체에 걸쳐 동일 또는 유사한 부분들을 참조하도록 사용될 것이다.
도 1은 예시적인 개시된 실시예에 따라 연료 전지 전력 시스템을 도시하는 블록도.
도 2는 예시적인 개시된 실시예에 따라 연료 전지 전력 시스템에서 연료 전지 스택으로의 공기 흐름을 제어하는 방법을 나타내는 흐름도.
도 3은 전기 부하에 의한 수요에서의 스텝형 변화에 응답하여 원하는 압력 강하와 측정된 압력 강하를 비교하는 그래프.
도 4는 전기 부하에 의한 수요에서의 스텝형 변화에 응답하여 공기 압축기의 모터의 듀티 사이클을 도시하는 그래프.
이제 첨부된 도면들에 도시된 예들을 참조하여 본 개시의 예시적인 실시예들에 대해 상세히 설명될 것이다. 가능한 어디에서든, 동일한 참조 번호들은 도면들 전체에 걸쳐 동일 또는 유사한 부분들을 참조하도록 사용될 것이다.
도 1은 예시적인 연료 전지 전력 시스템(10) 및 관련 구성요소들을 도시한다. 예시적인 연료 전지 전력 시스템(10)은 자동차용, 휴대용 및 산업용 응용들을 위한 전력을 발생하도록 구성될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 연료 전지 전력 시스템(10)의 구성요소들은 연료 전지 스택(12), 공기 압축기(24), 및 연료 공급기(26)를 포함한다.
연료 전지 스택(12)은 하나 이상의 연료 전지들을 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 연료 전지들은 종래 기술에서 통상적으로 공지된 방식으로 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 연결될 수 있다. 연료 전지 스택(12)의 구성적 표현이 도 1에 도시되며, 연료 전지 스택(12)의 애노드측은 참조 번호 22로 지정되고, 연료 전지 스택(12)의 캐소드측은 참조 번호 20으로 지정된다. 상기 연료 전지 스택(12)은 애노드 인렛(19), 애노드 아웃렛(21), 캐소드 인렛(34), 및 캐소드 아웃렛(42)을 더 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 애노드 인렛(19)은 연료 공급기(26)와 유체 연통(in fluid communication)되고, 캐소드 인렛(34)은 압축기(24)와 유체 연통된다. 압축기(24)는 종래 기술에서 공지된 어떠한 압축기도 될 수 있다. 압축기(24)는 충전된 공기를 라인(32)을 통해 연료 전지 스택(12)의 캐소드 인렛(34)에 제공하도록 구성될 수 있다. 상기 공기는 대체로 필터(도시되지 않음)를 통해 대기로부터 압축기(24)로 유입될 수 있다. 원하는 양의 충전된 공기를 캐소드측(20)에 제공하기에 충분한 속도로 압축기(24)를 구동하도록 압축기(24)는 모터(28)와 전기적으로 또는 기계적으로 결합될 수 있다.
상기한 바와 같이, 전력을 생성하기 위해 연료 전지 스택(12)에 화학 반응이 일어날 수 있다. 특히 애노드측(22)에 공급된 연료는 자유 양성자들 및 전자들을 발생하도록 애노드측(22)에서 촉매작용으로 단절될 수 있다. 상기 양성자들은 전해질(도시되지 않음)을 통해 캐소드측(20)으로 보내져, 캐소드들에서 산소 및 전자들과 반응하여 물을 발생시킬 수 있다. 상기 전자들은 전기 부하(14)로 전류를 출력하도록 상기 애노드들로부터 캐소드들로 유입될 수 있다. 애노드 아웃렛(21)을 통하여 연료 전지 스택(12)으로부터 초과 연료가 제거될 수 있으며, 캐소드 아웃렛(42)을 통하여 연료 전지 스택(12)으로부터 초과 공기가 제거될 수 있다.
연료 전지 전력 시스템(10)은 압축기(24)의 속도를 조절함으로써 연료 전지 스택(12)을 통한 공기 흐름을 제어하도록 함께 구성된 구성요소들을 포함할 수 있다. 특히, 연료 전지 전력 시스템(10)은 하나 이상의 센서들과, 상기 연료 전지 스택(12), 상기 하나 이상의 센서들, 압축기(24)를 구동하는 모터(28)와 통신하는 제어기(18)를 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 센서들의 각각은 연료 전지 전력 시스템(10)과 연관된 적어도 하나의 동작 측면(operational aspect)을 검출 및/또는 측정하도록 구성될 수 있다. 상기 연료 전지 스택(12) 및 상기 하나 이상의 센서들로부터의 입력들에 기초하여, 제어기(18)는 압축기(24)의 속도를 가변시킴으로써 상기 연료 전지 스택을 통한 공기 흐름을 조절할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 하나 이상의 센서들은 캐소드 인렛(34)에 인접하게 위치된 캐소드 인렛 공기 압력 센서(36) 및 캐소드 아웃렛(42)에 인접하게 위치된 캐소드 아웃렛 공기 압력 센서(44)를 포함한다. 캐소드 인렛 압력 센서(36) 및 캐소드 아웃렛 압력 센서(44)는 연료 전지 스택(12)에서 캐소드 인렛(34)에서의 공기압 및 캐소드 아웃렛(42)에서의 공기압을 각각 측정하도록 구성된 압력 트랜스듀서들이 될 수 있다. 다른 센서들이 연료 전지 스택(12)을 통한 공기 흐름을 직접 또는 간접적으로 측정하는데 사용될 수 있다는 것을 이해해야 할 것이다. 캐소드 인렛 압력 센서(36)는 라인(40)을 통해 제어기(18)와 통신하며, 캐소드 아웃렛 압력 센서(44)는 라인(48)을 통해 제어기(18)와 통신한다. 이들 센서들의 각각은 추가의 프로세스를 위해 라인들(40 및 48)을 통해 제어기(18)로 보내지는 신호들을 발생할 수 있다.
제어기(18)는 예를 들면, 연료 전지 전력 시스템(10)의 많은 기능들을 제어할 수 있는 하나 이상의 범용 마이크로프로세서들을 사용할 수 있다. 제어기(18)는 메모리, 2차 저장 장치, 프로세서(예를 들면, CPU), 또는 연료 전지 전력 시스템(10)의 개시된 기능들을 실행하도록 프로그램들을 실행하기 위한 어떠한 다른 구성요소들도 포함할 수 있다. 전원 공급 회로, 신호 컨디셔닝 회로, 데이터 습득 회로, 신호 출력 회로, 신호 증폭 회로, 및 종래 기술의 공지된 다른 유형의 회로들과 같은 다양한 다른 회로들이 제어기(18)와 연관될 수 있다.
제어기(18)는 압축기(24)의 속도를 시작하게 하고, 모니터링하고, 조절하도록 구성될 수 있다. 특히, 제어기(18)는 센서들(36, 44)로부터의 입력들을 수신하도록 구성될 수 있다. 또한, 제어기(18)는 전기 부하(14)를 통하여 연료 전지 스택(12)과 통신하게 될 수 있다. 제어기(18)는 전기 부하(14)에 의한 전력 수요를 나타내는 신호를 라인(16)을 통해 수신하도록 구성될 수 있다. 전기 부하(14)에 의한 상기 수요의 변동들에 응답하여 제어기(18)는 압축기(24)의 속도를 조절하도록 압축기(24)의 모터(28)에 명령 신호를 보내도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 제어기(18)는 압축기(24)의 속도에 기초하여 상기 연료 전지 스택을 통한 공기 흐름을 조절할 수 있다.
도 2는 본 개시와 일치하여 공기 흐름을 제어하기 위한 예시적인 방법(50)을 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 방법의 제 1 단계는, 원하는 양의 충전 공기를 연료 전지 스택(12)의 캐소드측(20)에 제공하기에 충분한 속도로 압축기(24)를 설정하도록 제어 명령을 모터(28)에 보내는 단계(단계 52)를 포함한다.
연료 전지 스택(12)이 전력을 발생함에 따라, 제어기(18)는 전기 부하로부터의 신호를 연속적으로 수신할 수 있다(단계 54). 전기 부하로부터의 신호는 전기 부하(14)에 의해 소모된 전력을 나타낼 수 있다. 제어기(18)는 이후, 전기 부하(14)에 의해 소모된 전력에 기초하여 전류 드레인 값을 산출할 수 있다(단계 55). 상기 전류 드레인 값은 메모리에 저장된 하나 이상의 등식들을 사용하여 산출될 수 있으며, 및/또는 예를 들면, 메모리에 저장된 하나 이상의 룩업 테이블들로 연료 전지 스택 전압 및 연료 전지 스택(12)의 구성을 참조함으로써 결정될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 전류 드레인 값은 예를 들면 전류 센서에 의해 직접 측정될 수 있는 것이 고려된다. 이어서, 제어기(18)는 원하는 전력 출력을 발생하기 위해 연료 전지 스택(12)에 걸친 원하는 압력 강하를 결정할 수 있다(단계 56). 상기 원하는 압력 강하는 연료 전지 스택(12)을 가로지르는 원하는 공기 흐름 속도에 대응할 수도 있다. 상기 원하는 전력 출력은 전기 부하(14)에 의한 전력 수요에 대응할 수도 있다. 단계(55)에서와 같이, 상기 원하는 압력 강하의 결정은 메모리에 저장된 하나 이상의 등식들 및/또는 메모리에 저장된 하나 이상의 룩업 테이블들을 사용하여 이루어질 수 있다.
제어기(18)는 또한 인렛 공기 압력 센서(36) 및 아웃렛 공기 압력 센서(44)에 기초하여 각각 캐소드 인렛(34)에서의 실제 공기 압력 및 캐소드 아웃렛(42)에서의 실제 공기 압력을 나타내는 신호들을 수신할 수 있다. 이후, 제어기(18)는 또한 상기 수신된 입력에 기초하여 상기 연료 전지 스택(12)에 걸친 측정된 압력 강하를 결정할 수 있다(단계 58). 상기 측정된 압력 강하는 연료 전지 스택(12)을 가로지르는 실제 공기 흐름 속도에 대응할 수 있다. 제어기(18)는 상기 측정된 압력 강하를 상기 원하는 압력 강하와 비교하여 상기 원하는 압력 강하 값과 실제 압력 강하 값 사이에 에러가 있는지를 결정(단계 60)할 수 있으며, 그에 따라 연료 전지 스택(12)을 가로지르는 공기 흐름에서의 변경들을 결정할 수 있다. 상기 에러는 예를 들면 전기 부하(14)에 의한 전기 수요에서의 변경을 반영할 수 있다.
개시된 실시예에 있어서, 제어기(18)는 PID(Proportional Integral Derivative)형의 제어기이며, 제어 명령 신호를 통해 모터(28)의 변위(displacement)가 변화되는 양을 조절하도록 상이한 이득 파라미터들을 활용한다. 일반적으로, PID 제어기는 비례(proportional), 적분(integrative) 또는 미분(derivative) 작용들로부터 계산될 수 있는 피드백 이득 파라미터를 결정한다(단계 62). 하지만, 제어기(18)는 모터(28)의 변위가 변화되는 양을 조절하기 위해 상이한 이득 파라미터들을 활용하도록 구성된 어떠한 다른 공지된 제어기가 될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들면, 특정 실시예들에 있어서, 제어기(18)는 피드백 제어기 또는 피드백 제어 루프에 적합한 어떠한 다른 공지된 제어기가 될 수 있다. 추가의 및/또는 대안적인 실시예들에서, 제어기(18)는 피드포워드 제어기 또는 피드포워드 제어 루프에 적합한 어떠한 다른 공지된 제어기를 포함할 수 있다.
개시된 응용에서, 상기 피드백 이득 파라미터는 일반적으로 원하는 압력 강하 값과 실제 압력 강하 값 사이에 측정된 에러의 양에 기초하여 실행되어야하는 변경량에 대응한다. 상기 피드백 이득 파라미터의 결정은 메모리에 저장된 하나 이상의 등식들을 사용하여 이루어질 수 있다. 제어기(18)는 상기 피드백 이득 파라미터에 기초하여 요구된 공기-흐름 속도를 반영하는 신호를 발생할 수 있다.
제어기(18)는 또한 피드포워드 이득 파라미터를 결정할 수 있다(단계 64). 본 개시된 응용에서, 상기 피드포워드 이득 파라미터는 상기 원하는 압력 강하를 달성하기 위해 요구된 (예를 들면, 듀티(duty)인) 압축기(24)의 최대 속도의 백분율에 대응할 수 있다. 상기 피드포워드 이득 파라미터는 상기 원하는 압력 강하의 크기에 기초하여 결정될 수도 있다. 제어기(18)는 상기 피드포워드 이득 파라미터에 기초하여 상기 요구된 공기 흐름을 반영하는 신호를 발생하도록 구성될 수 있다.
제어기(18)는 이후 상기 피드백 이득 파라미터에 기초한 신호와 상기 피드포워드 이득 파라미터에 기초한 신호를 합할 수 있다. 다른 결합 동작들이 물론 사용될 수도 있다. 상기 제어 명령은 상기 결합된 신호를 반영하도록 조절될 수 있다(단계 66). 상기 모터(28)의 변위는 상기 조절된 제어 명령 신호에 기초하여 변화될 수 있으며, 차례로 상기 압축기(24)의 속도가 조절될 수 있다(단계 68). 압축기(24)에 효과적으로 공급된 신호는 상기 피드백 이득 파라미터에 기초한 신호와 상기 피드포워드 이득 파라미터에 기초한 신호의 결합이므로, 압축기(24)는 예를 들면 종래 기술의 시스템들의 과도한 와인딩(winding) 특성없이 안정하게 유지될 것이다. 도 3 및 도 4는 이러한 원리를 반영한다.
도 3은 전기 부하(14)에 의한 수요에서의 스텝형 변화에 응답하여 원하는 압력 강하(70)를 도시하는 그래프이다. 라인(72)은 상기 피드백 이득 파라미터에만 기초하여 조절된 측정된 압력 강하를 반영하고, 라인(74)은 상기 피드백 이득 파라미터와 상기 피드포워드 이득 파라미터의 결합에 기초하여 조절된 측정된 압력 강하를 반영한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 피드백 이득 파라미터와 상기 피드포워드 이득 파라미터의 결합에 기초한 상기 공기 흐름 속도의 조절들은, 단지 상기 피드백 이득 파라미터에만 기초하여 조절된 측정된 압력 강하와 비교하여, 상기 측정된 압력 강하 신호에서 적은 노이즈를 반영한다.
도 4는 상기 피드백 이득 파라미터에만 기초한 압축기(24)의 모터(28)에 대한 명령 신호 및 상기 피드백 이득 파라미터와 상기 피드포워드 이득 파라미터의 결합에 기초한 모터(28)에 대한 신호를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 피드백과 상기 피드포워드 이득 파라미터들에 기초한 신호의 결합은 예를 들면 예를 들면 상기 피드백 이득 파라미터에만 기초한 모터(28)에 대한 신호에 존재하는 과도한 와인딩들이 없이 안정적이다.
본 발명의 다른 실시예들은 본 명세서를 고려하고 여기에 개시된 본 발명의 실행을 통해 당업자들에게 명백할 것이다. 상세한 설명 및 예들은 단지 예시적인 것으로 고려되도록 의도되었으며, 본 발명의 진정한 범위 및 정신은 다음의 청구범위에 의해 나타내진다.

Claims (20)

  1. 연료 전지 전력 시스템에 있어서:
    전력을 발생하도록 구성된 하나 이상의 연료 전지들;
    상기 하나 이상의 연료 전지들에 압축된 공기를 공급하도록 구성된 압축기;
    상기 하나 이상의 연료 전지들과 연관된 하나 이상의 센서들로서,
    (i) 상기 하나 이상의 연료 전지들의 캐소드 입력에서의 압축된 공기의 압력을 측정하고, (ii) 상기 하나 이상의 연료 전지들의 캐소드 출력에서의 압축된 공기의 압력을 측정하고, (iii) 상기 하나 이상의 연료 전지들의 캐소드 입력과 상기 하나 이상의 연료 전지들의 캐소드 출력에서의 압력 사이의 차에 기초하여 상기 하나 이상의 연료 전지들을 가로질러 흐르는 공기의 측정된 압력 강하를 결정하고, (iv) 상기 하나 이상의 연료 전지들을 가로지르는 공기 흐름의 적어도 하나의 측정된 파라미터를 나타내는 신호를 발생하도록 구성된, 상기 하나 이상의 센서들; 및
    상기 하나 이상의 연료 전지들, 상기 압축기 및 상기 하나 이상의 센서들과 통신하는 제어기를 포함하며,
    상기 제어기는:
    적어도 하나의 산출된 파라미터에 기초하여 상기 하나 이상의 연료 전지들에 걸친 원하는 압력 강하를 결정하고,
    상기 원하는 압력 강하에 기초하여 상기 압축기에 대한 제어 명령을 결정하고,
    피드백 이득 파라미터 및 피드포워드 이득 파라미터에 기초하여 상기 제어 명령을 조절하도록 구성되는, 연료 전지 전력 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서:
    상기 제어기는 또한 상기 원하는 압력 강하에 기초하여 상기 피드포워드 이득 파라미터를 결정하도록 구성되는, 연료 전지 전력 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서:
    상기 피드포워드 이득 파라미터는 상기 원하는 압력 강하의 크기에 기초하여 산출되는, 연료 전지 전력 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서:
    상기 제어기는 또한 상기 측정된 압력 강하와 상기 원하는 압력 강하 사이의 차에 기초하여 상기 피드백 이득 파라미터를 결정하도록 구성되는, 연료 전지 전력 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서:
    상기 하나 이상의 센서들은 압력 트랜스듀서들인, 연료 전지 전력 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서:
    상기 적어도 하나의 산출된 파라미터는 전기 부하로 출력된 전류의 근사치가 되는 값인, 연료 전지 전력 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서:
    상기 압축기는 상기 제어 명령에 응답하여 조절가능한 가변 속도를 갖는, 연료 전지 전력 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서:
    상기 제어 명령은 상기 압축기의 모터로 보내지는, 연료 전지 전력 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서:
    상기 하나 이상의 연료 전지들의 각각은 애노드 및 캐소드를 포함하고, 상기 압축기는 상기 하나 이상의 연료 전지들의 각각의 캐소드에 압축된 공기를 제공하도록 구성되고, 상기 하나 이상의 연료 전지들의 각각의 애노드에는 수소 가스가 제공되며, 상기 캐소드들의 압축 공기 및 상기 애노드들의 수소 가스는 전력 출력을 생성하도록 반응하는, 연료 전지 전력 시스템.
  12. 연료 전지 전력 시스템의 하나 이상의 연료 전지들에서 공기 흐름을 제어하기 위한 방법에 있어서:
    압축기로부터의 가압된 공기 스트림을 상기 하나 이상의 연료 전지들에 공급하는 단계;
    하나 이상의 센서로 상기 하나 이상의 연료 전지들의 캐소드 입력에서의 압축된 공기의 압력을 측정하는 단계;
    하나 이상의 센서로 상기 하나 이상의 연료 전지들의 캐소드 출력에서의 압축된 공기의 압력을 측정하는 단계;
    상기 하나 이상의 연료 전지들의 캐소드 입력과 상기 하나 이상의 연료 전지들의 캐소드 출력에서의 압력 사이의 차에 기초하여 상기 하나 이상의 연료 전지들을 가로질러 흐르는 공기의 측정된 압력 강하를 결정하는 단계;
    적어도 하나의 산출된 파라미터에 기초하여 상기 하나 이상의 연료 전지들에 걸친 원하는 압력 강하를 결정하는 단계;
    상기 원하는 압력 강하에 기초하여 압축기에 대한 제어 명령을 결정하는 단계; 및
    피드백 이득 파라미터 및 피드포워드 이득 파라미터에 기초하여 상기 제어 명령을 조절하는 단계를 포함하는, 연료 전지들에서의 공기 흐름 제어 방법.
  13. 삭제
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 측정된 압력 강하와 상기 원하는 압력 강하 사이의 차에 기초하여 상기 피드백 이득 파라미터를 결정하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지들에서의 공기 흐름 제어 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 원하는 압력 강하에 기초하여 상기 피드포워드 이득 파라미터를 결정하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지들에서의 공기 흐름 제어 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 피드포워드 이득 파라미터는 상기 원하는 압력 강하의 크기에 기초하여 산출되는, 연료 전지들에서의 공기 흐름 제어 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어 명령에 응답하여 상기 압축기의 속도를 조절하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지들에서의 공기 흐름 제어 방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 연료 전지 전력 시스템은 전기 부하를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 파라미터는 상기 전기 부하로 출력된 전류의 근사치가 되는 값인, 연료 전지들에서의 공기 흐름 제어 방법.
  19. 삭제
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 캐소드를 가로지르는 공기 흐름을 측정하는 단계, 및 상기 측정된 공기 흐름에 기초하여 상기 피드백 이득 파라미터를 결정하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지들에서의 공기 흐름 제어 방법.
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9080938B2 (en) * 2012-07-27 2015-07-14 GM Global Technology Operations LLC Extremum seeking algorithm in a variable time interval to detect anode pressure sensor stuck failure in a fuel cell system
KR102626690B1 (ko) 2016-09-30 2024-01-17 엘지디스플레이 주식회사 표시장치, 그의 제조방법, 및 그를 포함한 헤드 장착형 디스플레이
KR101988088B1 (ko) 2016-10-31 2019-06-12 현대자동차주식회사 모터 구동 제어 방법, 시스템 및 이를 적용한 연료전지 시스템의 압축기 구동 제어 방법
EP3704755A1 (en) * 2017-11-03 2020-09-09 Nuvera Fuel Cells, LLC Fuel cell module arrangement with leak recovery and methods of use
CN110414157B (zh) * 2019-07-31 2022-09-09 四川嘉垭汽车科技有限公司 质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法
CN110816314B (zh) * 2019-10-31 2021-05-14 武汉格罗夫氢能汽车有限公司 一种进入燃料电池氢气流量的判断方法
CN111244507B (zh) * 2020-01-10 2020-09-18 郑州宇通客车股份有限公司 一种车载氢系统的控制方法、装置及车载氢系统
CN114583213B (zh) * 2022-03-21 2024-01-23 苏州溯驭技术有限公司 一种基于燃料电池空气路压强和流量的解耦控制方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6282659A (ja) * 1985-10-04 1987-04-16 Toshiba Corp 燃料電池発電プラントガス圧力流量制御装置
JPH03108268A (ja) * 1989-09-21 1991-05-08 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池の反応ガス供給制御装置
US5771476A (en) * 1995-12-29 1998-06-23 Dbb Fuel Cell Engines Gmbh Power control system for a fuel cell powered vehicle
JP3879631B2 (ja) * 2002-08-29 2007-02-14 日産自動車株式会社 燃料電池システム
US6936362B2 (en) * 2003-04-14 2005-08-30 General Motors Corporation Variable pressure drop stack
US7601451B2 (en) * 2004-05-11 2009-10-13 Gm Global Technologies Operations, Inc. Variable active area for fuel cell
US20050260463A1 (en) * 2004-05-21 2005-11-24 Chapman Ivan D Fluid flow pulsing for increased stability in PEM fuel cell
JP2007220538A (ja) * 2006-02-17 2007-08-30 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
US7887958B2 (en) 2006-05-15 2011-02-15 Idatech, Llc Hydrogen-producing fuel cell systems with load-responsive feedstock delivery systems
JP5114904B2 (ja) * 2006-09-21 2013-01-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US7914935B2 (en) * 2006-09-29 2011-03-29 GM Global Technology Operations LLC Method for managing fuel cell power increases using air flow feedback delay
JP5105223B2 (ja) 2006-12-27 2012-12-26 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2009048796A (ja) * 2007-08-14 2009-03-05 Toyota Motor Corp 燃料電池、燃料電池システム
JP4882972B2 (ja) * 2007-11-16 2012-02-22 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US8603686B2 (en) * 2008-10-31 2013-12-10 GM Global Technology Operations LLC Method for remedial action in the event of the failure of the compressor bypass valve in a fuel cell system
CN102520613A (zh) * 2011-12-30 2012-06-27 西南交通大学 基于最优过氧比的质子交换膜燃料电池系统二自由度控制方法

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US20180309144A1 (en) 2018-10-25

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