KR20100108761A - 연료 전지 시스템 및 복수 개의 연료 전지들의 작동을 제어하는 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템 및 복수 개의 연료 전지들의 작동을 제어하는 방법 Download PDF

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Abstract

연료 전지 시스템 및 복수 개의 연료 전지들의 작동을 제어하는 방법에 관한 것으로, 연료 전지 시스템은 부하에서 소비되는 전력과 복수 개의 연료 전지들 각각의 성능에 기초하여 이 연료 전지들 각각의 작동을 제어함으로써 연료 전지들의 전력 변환 효율을 극대화하면서도, 연료 전지들의 심각한 성능 저하를 방지할 수 있다.

Description

연료 전지 시스템 및 복수 개의 연료 전지들의 작동을 제어하는 방법{Fuel cell system and method for controlling operations of multiple fuel cells}
본 발명의 적어도 하나의 실시예는 연료 전지 시스템 및 복수 개의 연료 전지들의 작동을 제어하는 방법에 관한 것이다.
연료 전지(fuel cell)는 수소 등과 같이 지구상에 풍부하게 존재하는 물질로부터 전기 에너지를 발생시키는 친환경적 대체 에너지 기술로서 태양 전지(solar cell) 등과 함께 각광을 받고 있다. 일반적으로, 연료 전지는 단위 전력을 발생시키는 다수의 셀(cell)들이 결합된 스택(stack) 형태로 되어 있다. 대용량의 전력을 발생시키는 연료 전지는 연료 전지를 구성하는 셀들의 수를 증가시키거나, 셀들 각각의 면적을 증가시키는 방식으로 제조되는 것이 일반적이다. 그런데, 이와 같이 연료 전지의 규모가 거대화되는 경우에 연료 전지를 작동하기 위한 BOP(Balance Of Plant)의 연료 공급 능력도 크게 증가되어야 하며, 이에 따라 BOP의 소비 전력도 크게 증가한다. 특히, 연료 전지를 구성하는 셀들의 수가 매우 많은 경우에 몇 개의 셀들의 성능이 열화되면, 연료 전지의 스택 전체를 교체하여야 한다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 복수 개의 연료 전지들을 채용한 연료 전지 시스템에 대 한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 복수 개의 연료 전지들의 전력 변환 효율을 극대화하면서도, 연료 전지들의 심각한 성능 저하를 방지할 수 있는 연료 전지 시스템 및 연료 전지의 작동 제어 방법을 제공하는데 있다. 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다. 이것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자들이라면 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 복수 개의 연료 전지들, 부하에서 소비되는 전력과 상기 연료 전지들 각각의 성능에 기초하여 상기 연료 전지들 각각의 작동을 제어하는 제어부, 및 상기 연료 전지들의 전체 또는 일부의 전력을 상기 제어부의 제어에 따른 전력으로 변경하는 컨버터를 포함한다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 일 실시예에 따라, 복수 개의 연료 전지들의 작동을 제어하는 방법은 부하에서 소비되는 전력과 상기 연료 전지들 중 일부 연료 전지로부터 출력 가능한 전력을 비교하는 단계, 상기 비교 결과에 기초하여 상기 연료 전지들의 전체 또는 일부의 작동을 지시하는 여러 가지 모드들 중 어느 하나를 선택하는 단계, 및 상기 선택된 작동 모드에 따라 상기 연료 전지들 각각의 작동을 제어하는 단계를 포함한다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예는 상기된 연료 전지 작동 제어 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공한다.
상기된 바에 따르면, 부하에서 소비되는 전력과 연료 전지들 각각의 성능에 기초하여 연료 전지들 각각의 작동을 제어함으로써 연료 전지들의 전력 변환 효율을 극대화할 수 있으며, 연료 전지들의 심각한 성능 저하(degradation)를 방지할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 제 1 연료 전지(11), 제 1 BOP(Balance Of Plant)(12), 제 1 측정부(13), 제 2 연료 전지(21), 제 2 BOP(22), 제 2 측정부(), 컨버터(3), 제어부(4), 및 제 3 측정부(5)로 구성된다. 본 명세서에서는 본 실시예를 간략하게 하기 위하여 두 개의 연료 전지들을 구비하는 연료 전지 시스템을 설명하였으나, 본 실시예는 두 개 이상의 복수 개의 연료 전지들을 구비하는 연료 전지 시스템에도 적용될 수 있다.
제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 전기 화학적 반응 (electrochemical reaction)을 이용하여 직접 전기 에 너지로 변환함으로써 DC(Direct Current) 전력을 생성하는 발전 장치이다. 이와 같은 연료 전지의 예로는 고체 산화물 연료 전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 메탄올 연료 전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell) 등을 들 수 있다.
특히, 연료 전지는 단위 전력을 발생시키는 다수의 셀(cell)들이 결합된 스택(stack) 형태로 되어 있다. 이러한 셀들은 보다 높은 전압을 얻기 위하여 직렬로 연결되어 있거나, 보다 높은 전류를 얻기 위하여 병렬로 연결되어 있다. 따라서, 연료 전지로부터 출력되는 전류 및 전압은 보다 엄밀하게는 연료 전지의 스택으로부터 출력되는 전류 및 전압을 의미한다. 다만, 이하에서는 연료 전지의 스택으로부터 출력되는 전류 및 전압을 간단하게 연료 전지로부터 출력되는 전류 및 전압으로 기재하기로 한다. 또한, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기된 연료 전지 대신에 DC 전력을 생성하는 유사한 형태의 전지가 적용될 수 있음을 이해할 수 있다.
제 1 BOP(12)는 제 1 연료 전지(11)를 작동시키기 위한 주변 기기들로서, 제 1 연료 전지(11)에 연료를 공급하는 펌프, 이 연료를 산화시키기 위한 산화제, 예를 들면 공기 또는 산소 등을 공급하는 펌프 등이 여기에 해당한다. 마찬가지로, 제 2 BOP(22)는 제 2 연료 전지(21)를 작동시키기 위한 주변 기기들이다. 도 1에 도시된 연료 전지 시스템의 시동 시점에서, 제 1 BOP(12)와 제 2 BOP(22)는 연료 전지 시스템 내부의 별도의 배터리, 대용량 커패시터 등(미 도시)으로부터 공급된 전력, 또는 연료 전지 시스템 외부로부터 공급된 전력을 이용하여 구동된다. 제 1 BOP(12)와 제 2 BOP(22)는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)를 구동하여 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)로부터 일정한 DC 전력이 출력되면, 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)로부터 공급된 전력을 이용하여 구동된다.
제 1 측정부(13)는 제 1 연료 전지(11)의 현재 전압과 전류를 측정한다. 제 2 측정부(23)는 제 2 연료 전지(21)의 현재 전압과 전류를 측정한다. 제 3 측정부(5)는 부하(10)의 현재 전압과 전류를 측정한다.
제어부(4)는 제 1 측정부(13), 제 2 측정부(23), 및 제 3 측정부(5) 각각에 의해 측정된 전압 및 전류 값으로부터 부하(10)에서 소비되는 전력과 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 성능을 검출하고, 이와 같이 검출된 결과에 기초하여 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 작동을 제어한다.
컨버터(3)는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 전체 또는 일부의 전력을 제어부(4)의 제어에 따른 전력으로 변경한다. 부하(10)에서 소비되는 전력과 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 성능에 따라 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 전체 전력이 부하(10)로 공급될 수 있고, 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 일부 전력 부하(10)로 공급될 수도 있다. 특히, 컨버터(3)는 제어부(4)의 제어에 따라 부하(10)의 허용 전압 범위 내의 전압을 갖는 전력을 출력한다.
도 2는 도 1에 도시된 컨버터(3)의 내부 구성도이다. 컨버터(3)는 변압기(transformer)(31), 제 1 스위치(32), 제 2 스위치(33), 제 1 다이오드(diode)(34), 제 2 다이오드(35), 제 3 다이오드(36), 인덕터(inductor)(37), 및 커패시터(capacitor)(38)로 구성된다. 제 1 스위치(32)와 제 2 스위치(33)는 스위칭 트랜지스터(switching transistor)로 구현될 수 있으며, 스위칭 트랜지스터의 게이트(gate) 각각에 온 또는 오프에 해당하는 제어 신호를 입력함으로써 제 1 스위치(32)와 제 2 스위치(33)의 온-오프가 제어될 수 있다.
도 2에 도시된 컨버터(3)는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 중 어느 하나의 전압을 제어부(4)의 제어에 따른 전압으로 변경하는 일종의 DC-DC 컨버터이다. DC-DC 컨버터는 변압기가 없는 것과 있는 것으로 구분되는데, 변압기가 없는 것의 예로는 벅(buck) 컨버터, 부스트(boost) 컨버터, 벅/부스트(buck/boost) 컨버터 등을 들 수 있고, 변압기가 있는 것의 예로는 플라이백(flyback) 컨버터, 포워드(forward) 컨버터, 푸시/풀(push/pull) 컨버터 등을 들 수 있다.
도 2에 도시된 형태로 배치된 변압기(31)의 상측 일차 권선(primary winding)과 이차 권선(secondary winding), 제 1 다이오드(34), 제 3 다이오드(36), 인덕터(37), 및 커패시터(37)는 하나의 포워드 컨버터에 해당한다. 또한, 도 2에 도시된 형태로 배치된 변압기(31)의 하측 일차 권선과 이차 권선, 제 2 다이오드(35), 제 3 다이오드(36), 인덕터(37), 및 커패시터(37)는 다른 하나의 포워드 컨버터에 해당한다. 포워드 컨버터는 DC-DC 컨버터의 입력과 출력 사이에 전기적 절연(galvanic isolation)이 동반되는 전압 변경을 위하여 벅 컨버터에 변압기가 결합된 형태의 DC-DC 컨버터이다. 이와 같이, 본 실시예에서는 변압기의 복수 개의 일차 권선들 각각에 복수 개의 연료 전지들을 각각을 연결하고, 변압기의 복수 개의 이차 권선들에 하나의 DC/DC 컨버터를 공통으로 연결함으로써 복수 개의 연료 전지들 각각에 대해 개별적으로 DC-DC 컨버터를 채용할 필요가 없게 되었다. 즉, 매우 간단한 회로에 의해 복수 개의 연료 전지들을 관리할 수 있는 연료 전지 시스템이 가능하게 되었다.
컨버터(3) 내에서의 제 1 연료 전지(11)의 전압 변경 과정을 살펴보기 위하여, 제 1 스위치(32)가 온(on) 되었다고 한다면, 제 1 연료 전지(11)로부터 출력된 전류는 변압기(31)의 상측 일차 권선에 흐르게 되고, 전자기 유도에 의해 변압기(31)의 상측 이차 권선에는 변압기(31)의 상측 일차 권선과 이차 권선의 권수 비(turns ratio)에 해당하는 전류가 흐르게 된다. 이 전류는 제 1 다이오드(34)를 통하여 인덕터(37), 커패시터(37), 및 부하(10)에 흐르게 된다. 이와 같이, 제 1 연료 전지(11)에 저장된 에너지는 인덕터, 커패시터(37), 및 부하(10)에 전달되게 된다. 제 2 다이오드(35)는 변압기(31)의 상측 이차 권선에 흐르는 전류에 대해 역 바이어스(reverse bias) 되어 있기 때문에 전류가 통과될 수 없다.
이어서, 제 1 스위치(32)가 오프(off) 되었다고 한다면, 변압기(31)의 상측 일차 권선과 이차 권선에 흐르는 전류는 사라지게 되며, 인덕터(37)는 이전의 전류의 흐름을 유지하려고 하기 때문에 제 1 스위치(32)의 온 상태에서 인덕터(37)로부터의 전류는 제 2 다이오드(35)를 통하여 인덕터(37), 커패시터(37), 및 부하(10)에 흐르게 된다. 제 1 다이오드(34)는 제 2 다이오드(35) 내에서 흐르는 전류에 대해 역 바이어스 되어 있기 때문에 전류가 통과될 수 없다. 이와 같이, 제 1 스위치(32)의 온 상태에서 인덕터(37) 및 커패시터(37)에 저장된 에너지는 커패시터(37)의 양단에 연결된 부하(10)에 전달되어 점차적으로 소멸(dissipate)되게 된 다. 이때, 커패시터(37)는 이전의 전압을 유지하려고 하기 때문에 커패시터(37)의 양단의 전압, 즉 부하(10)의 전압은 서서히 감소하게 된다. 만약, 부하(10)의 전압이 조금 감소된 후에 제 1 스위치(32)가 온 된다면, 즉 제 1 스위치(32)의 스위칭 주기(switching frequency)가 충분히 짧다면, 부하(10)의 전압은 거의 리플(ripple) 없이 일정하게 된다.
상기된 바와 같은 과정에 따라, 제 1 연료 전지(11)에 연결된 이상적인 포워드 컨버터의 입력 전압 대 출력 전압의 비는 다음 수학식 1과 같다.
Figure 112009019038295-PAT00001
수학식 1에서, V1은 컨버터(3)로의 제 1 연료 전지(11)의 입력 전압, 즉 변압기(31)의 상측 일차 권선에 입력되는 전압을 의미하고, Vo는 DC-DC 컨버터의 출력 전압, 즉 커패시터()의 양단에 걸리는 전압을 의미한다. D1은 제 1 스위치(32)가 온-오프(on-off) 되는 전체 기간에 대한 온 되는 기간의 비율(fraction)을 의미하며 일반적으로 듀티 비(duty ratio)로 호칭된다. N1은 변압기(31)의 상측 일차 권선의 권수(number of turns)를 의미하고, N3은 변압기(31)의 상측 이차 권선의 권수를 의미한다.
마찬가지로, 제 2 연료 전지(21)에 연결된 이상적인 포워드 컨버터의 입력 전압 대 출력 전압의 비는 다음 수학식 2와 같다.
Figure 112009019038295-PAT00002
수학식 2에서, V2는 컨버터(3)로의 제 2 연료 전지(21)의 입력 전압, 즉 변압기(31)의 하측 일차 권선에 입력되는 전압을 의미하고, Vo는 DC-DC 컨버터의 출력 전압, 즉 커패시터()의 양단에 걸리는 전압을 의미한다. D2는 제 2 스위치(33)가 온-오프 되는 전체 기간에 대한 온 되는 기간의 비율을 의미한다. N2는 변압기(31)의 하측 일차 권선의 권수를 의미하고, N4는 변압기(31)의 하측 이차 권선의 권수를 의미한다. 포워드 컨버터는 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 주지된 사항이므로 보다 자세한 설명은 생략하기로 한다. 특히, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 도 1에 도시된 컨버터(3)가 도 2에 도시된 포워드 컨버터 외에 플라이백 컨버터 등 다른 종류의 컨버터를 사용하여 구현될 수도 있음을 이해할 수 있다.
특히, 본 실시예에서는 부하(10)에서 소비되는 전력과 제 1 연료 전지(11) 및 제 2 연료 전지(21) 각각의 성능에 따라 제 1 연료 전지(11) 및 제 2 연료 전지(21) 각각으로부터 가장 적절하게 전력을 끌어낼 수 있도록 하기 위하여, 도 2에 도시된 컨버터(3)에서의 DC-DC 변환의 세 가지 타입을 제공한다. 제어부(4)는 이 세 가지 설정 타입(configuration type)들 중 어느 하나에 따라 컨버터(3)에서의 DC-DC 변환이 이루어지도록 한다.
도 3a는 도 2에 도시된 컨버터(3)의 설정 타입들 중 제 1 설정 타입을 도시 한 도면이다. 제 1 설정 타입에 따른 컨버터(3)에서의 DC-DC 변환이 이루어지도록 하기 위하여, 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)와 컨버터(3)의 연결을 개폐하는 제 1 스위치(32)의 온-오프를 일정 주기로 반복시키는 펄스 열(pulse train)을 컨버터(3)로 출력하고, 제 2 연료 전지(21)와 컨버터(3)의 연결을 개폐하는 제 2 스위치(33)의 온-오프를 일정 주기로 반복시키는 펄스 열을 컨버터(3)로 출력한다. 제 1 스위치(32)는 제어부(4)로부터 입력받은 펄스 열에 따라 일정 주기마다 온-오프를 반복하고, 제 2 스위치(33)는 제어부(4)로부터 입력받은 펄스 열에 따라 일정 주기마다 온-오프를 반복한다.
제 1 연료 전지(11)의 출력 전압과 제 2 연료 전지(21)의 출력 전압이 서로 중첩되어 컨버터(3)로 입력되는 것을 방지하기 위하여, 제 1 스위치(32)로 출력되는 펄스 열과 제 2 스위치(32)로 출력되는 펄스 열은 50% 이하의 서로 동일한 듀티 비를 갖고, 서로 180도의 위상차를 갖는다. 제 1 스위치(32)로 출력되는 펄스 열과 제 2 스위치(32)로 출력되는 펄스 열의 펄스 폭(pulse width)은 부하(10)에서 소비되는 전력과 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 성능에 따라 조정된다. 예를 들어, 부하(10)에서 소비되는 전력이 큰 경우에 제 1 스위치(32)로 출력되는 펄스 열과 제 2 스위치(32)로 출력되는 펄스 열의 펄스 폭을 넓게 한다. 이하에서 설명될 다른 설정 타입의 경우에도 마찬가지이다.
도 3b는 도 2에 도시된 컨버터(3)의 설정 타입들 중 제 2 설정 타입을 도시한 도면이다. 제 2 설정 타입에 따른 컨버터(3)에서의 DC-DC 변환이 이루어지도록 하기 위하여, 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)와 컨버터(3)의 연결을 개폐하는 제 1 스위치(32)의 온-오프를 일정 주기로 반복시키는 펄스 열을 출력하고, 제 2 연료 전지(21)와 컨버터(3)의 연결을 개폐하는 제 2 스위치(33)의 오프를 유지시키는 평탄선(flat line) 신호를 출력한다. 제 1 스위치(32)는 제어부(4)로부터 입력받은 펄스 열에 따라 일정 주기마다 온-오프를 반복하고, 제 2 스위치(33)는 제어부(4)로부터 입력받은 평탄선 신호에 따라 오프를 유지한다.
도 3c는 도 2에 도시된 컨버터(3)의 설정 타입들 중 제 3 설정 타입을 도시한 도면이다. 제 3 설정 타입에 따른 컨버터(3)에서의 DC-DC 변환이 이루어지도록 하기 위하여, 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)와 컨버터(3)의 연결을 개폐하는 제 1 스위치(32)의 오프를 유지시키는 평탄선 신호를 출력하고, 제 2 연료 전지(21)와 컨버터(3)의 연결을 개폐하는 제 2 스위치(33)의 온-오프를 일정 주기로 반복시키는 펄스 열을 출력한다. 제 1 스위치(32)는 제어부(4)로부터 입력받은 평탄선 신호에 따라 오프를 유지하고, 제 2 스위치(33)는 제어부(4)로부터 입력받은 펄스 열에 따라 온-오프를 일정 주기마다 반복한다.
특히, 본 실시예에서는 이와 같은 컨버터(3)의 세 가지 설정 타입들에 기초하여 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 전체 또는 일부의 작동을 지시하는 여러 가지 모드(mode)들을 제공한다. 제어부(4)는 부하(10)에서 소비되는 전력과 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 성능에 기초하여 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 전체 또는 일부의 작동을 지시하는 여러 가지 모드들 중 어느 하나를 선택하고, 이와 같이 선택된 작동 모드에 따라 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 각각의 작동을 제어한다.
제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 작동 모드에는 풀 모드(full mode), 하프 모드(half mode), 교대 모드(alternative mode)가 있다. 풀 모드는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 전체 작동을 지시하는 모드이다. 하프 모드는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 중 어느 하나만의 작동을 지시하는 모드이다. 교대 모드는 상기된 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 작동 모드들 중 적어도 두 가지 이상의 작동 모드들을 교대로 수행할 것을 지시하는 모드이다. 특히, 제어부(4)는 상기된 바와 같은 여러 가지 작동 모드들 중 어떤 작동 모드가 선택되었는지에 따라 제 1 연료 전지(11)에 연결된 제 1 BOP(12)와 제 2 연료 전지(21)에 연결된 제 2 BOP(22)를 작동시키거나 작동시키지 않음으로써 BOP들에서 소비되는 전력을 감소시킬 수 있다.
제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 전체 작동을 지시하는 풀 모드가 선택되면, 제 1 설정 타입에 따른 제어 신호들을 컨버터(3)로 출력한다. 이 경우, 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 전체 작동을 위해 제 1 연료 전지(11)에 연결된 제 1 BOP(12)를 작동시킴과 동시에 제 2 연료 전지(21)에 연결된 제 2 BOP(22)를 작동시킨다. 특히, 풀 모드는 부하(10)에서 소비되는 전력이 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 중 어느 하나로부터 출력 가능한 전력보다 큰 경우에 선택된다. 이와 같이, 풀 모드에서는 제 1 연료 전지(11)의 전력과 제 2 연료 전지(21)의 전력 모두가 부하(10)로 전달되기 때문에 연료 전지 시스템은 부하(10)에 대해 최대의 전력을 제공할 수 있다.
제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)만의 작동을 지시하는 제 1 하프 모드가 선 택되면, 제 2 설정 타입에 따른 제어 신호들을 컨버터(3)로 출력한다. 이 경우, 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)만의 작동을 위해 제 1 연료 전지(11)에 연결된 제 1 BOP(12)을 작동시키고, 제 2 연료 전지(21)에 연결된 제 2 BOP(22)를 작동시키지 않는다. 제어부(4)는 제 2 연료 전지(21)만의 작동을 지시하는 제 2 하프 모드가 선택되면, 제 3 설정 타입에 따른 제어 신호들을 컨버터(3)로 출력한다. 이 경우, 제어부(4)는 제 2 연료 전지(21)만의 작동을 위해 제 1 연료 전지(11)에 연결된 제 1 BOP(12)을 작동시키지 않고, 제 2 연료 전지(21)에 연결된 제 2 BOP(22)를 작동시킨다. 특히, 하프 모드는 부하(10)에서 소비되는 전력이 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 중 어느 하나로부터 출력 가능한 전력보다 크지 않은 경우에 선택된다. 이와 같이, 하프 모드에서는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 중 어느 하나가 작동하지 않기 때문에 연료 전지의 수명을 연장시킬 수 있고, BOP에서 소비되는 전력을 감소시킬 수 있다.
제어부(4)는 상기된 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 작동 모드들 중 적어도 두 가지 이상의 작동 모드들을 교대로 수행할 것을 지시하는 교대 모드가 선택되면, 컨버터(3)의 설정 타입들 중 적어도 두 가지 이상의 설정 타입들에 따른 제어 신호들을 교대로 컨버터(3)로 출력한다. 교대 모드에는 제 1 교대 모드, 제 1 교대 모드,
제어부(4)는 풀 모드와 제 1 하프 모드를 교대로 수행할 것을 지시하는 제 1 교대 모드가 선택되면, 제 1 설정 타입에 따른 제어 신호와 제 2 설정 타입에 따른 제어 신호를 교대로 컨버터(3)로 출력한다. 특히, 제 1 교대 모드는 제 1 연료 전 지(11)의 성능이 제 2 연료 전지(21)의 성능보다 뛰어나 경우에 선택된다. 제어부(4)는 풀 모드와 제 2 하프 모드를 교대로 수행할 것을 지시하는 제 2 교대 모드가 선택되면, 제 1 설정 타입에 따른 제어 신호와 제 3 설정 타입에 따른 제어 신호를 교대로 컨버터(3)로 출력한다. 특히, 제 2 교대 모드는 제 2 연료 전지(21)의 성능이 제 1 연료 전지(11)의 성능보다 뛰어난 경우에 선택된다.
제어부(4)는 제 1 하프 모드와 제 2 하프 모드를 교대로 수행할 것을 지시하는 제 3 교대 모드가 선택되면, 제 2 설정 타입에 따른 제어 신호와 제 3 설정 타입에 따른 제어 신호를 교대로 컨버터(3)로 출력한다. 특히, 제 3 교대 모드에서는 제 1 연료 전지(11)의 성능과 제 2 연료 전지(21)의 성능에 따라 제 1 연료 전지(11)에 연결된 제 1 스위치(32)의 듀티 비와 제 2 연료 전지(21)에 연결된 제 2 스위치(33)의 듀티 비가 조정될 수 있다. 다른 연료 전지의 듀티 비에 비해 어떤 연료 전지의 듀티 비가 높을수록 그 연료 전지로부터 끌어내는 전력의 양이 많아지게 된다.
제어부(4)는 풀 모드, 제 1 하프 모드, 및 제 2 하프 모드를 교대로 수행할 것을 지시하는 제 4 교대 모드가 선택되면, 제 1 설정 타입에 따른 제어 신호, 제 2 설정 타입에 따른 제어 신호, 및 제 3 설정 타입에 따른 제어 신호를 교대로 컨버터(3)로 출력한다. 교대 모드에서는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 작동 비율에 차이가 있을 뿐, 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)는 항상 작동 가능 상태에 있어야 하기 때문에 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)에 연결된 제 1 BOP(12)를 작동시킴과 동시에 제 2 연료 전지(21)에 연결된 제 2 BOP(22)를 작동 시킨다. 이와 같이, 교대 모드에서 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)는 항상 작동 가능 상태에 있으면서 서로 다른 비율로 작동되기 때문에 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 성능 차이를 극복함과 동시에 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)로부터 최대의 전력을 끌어낼 수 있다.
도 4-5는 본 발명의 일 실시예에 따라, 복수 개의 연료 전지들의 작동을 제어하는 방법의 흐름도이다. 특히, 도 4에 도시된 실시예는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 성능이 양호한 경우에 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 작동을 제어하는 방법에 관한 것으로, 도 1에 도시된 제어부(4)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 도 1에 도시된 제어부(4)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 본 실시예에도 적용된다.
41 단계에서 제어부(4)는 제 3 측정부(5)에 의해 측정된 부하(10)의 현재 전압과 전류로부터 부하(10)에서 현재 소비되는 전력을 검출한다. 부하(10)에서 소비되는 전력은 제 1 측정부(13)에 의해 측정된 부하(10) 양단의 현재 전압과 부하(10)에 흐르는 현재 전류의 곱이다.
42 단계에서 제어부(4)는 일정 기간 동안 일정 회수로 검출된 전력들의 평균을 계산한다. 여기에서, 상기된 기간이 길 수록, 회수가 많을 수록 제어부(4)에 의해 계산된 전력의 신뢰도는 높아지나, 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 작동 모드의 변환 간격과 도 1에 도시된 연료 전지 시스템의 하드웨어 성능 등을 고려하여 기간과 회수는 적절하게 결정된다.
43 단계에서 제어부(4)는 42 단계에서 계산된 평균 전력과 제 1 연료 전 지(11)와 제 2 연료 전지(21) 중 어느 하나로부터 출력 가능한 전력을 비교한다. 여기에서, 하나의 연료 전지로부터 출력 가능한 전력은 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)가 작동되기 이전의 시점에서는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 최대 출력 전력이 될 것이고, 제 1 연료 전지(11) 또는 제 2 연료 전지(21)가 작동되는 도중의 시점에서는 제 2 측정부()에 의해 측정된 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 전력 중 보다 큰 전력이 될 것이다. 43 단계에서의 비교 결과, 42 단계에서 계산된 평균 전력이 하나의 연료 전지로부터 출력 가능한 전력보다 크면 44 단계로 진행하고, 그렇지 않으면 46 단계로 진행한다.
44 단계에서 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)에 연결된 제 1 BOP(12)를 작동시킴과 동시에 제 2 연료 전지(21)에 연결된 제 2 BOP(22)를 작동시킨다. 이에 따라, 제 1 연료 전지(11) 및 제 2 연료 전지(21)에 연료, 공기 등이 공급되게 된다.
45 단계에서 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 전체 또는 일부의 작동을 지시하는 여러 가지 모드들 중 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 전체 작동을 지시하는 풀 모드를 선택하고, 이 풀 모드에 따라 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 작동을 제어한다.
46 단계에서 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)의 성능과 제 2 연료 전지(21)의 성능을 비교한다. 예를 들어, 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)의 동작 시간(working time)과 제 2 연료 전지(21)의 동작 시간을 비교함으로써 제 1 연료 전지(11)의 성능과 제 2 연료 전지(21)의 성능을 비교할 수 있다. 일반적으로, 연료 전지는 연료 전지의 동작 시간이 길어질수록 연료 전지의 성능이 열화되는 특성을 갖기 때문에 연료 전지의 동작 시간이 연료 전지의 성능을 지시하는 지표로서 사용될 수 있다. 46 단계에서의 비교 결과, 제 1 연료 전지(11)의 성능이 제 2 연료 전지(21)의 성능보다 뛰어나면 47 단계로 진행하고, 그렇지 않으면 49 단계로 진행한다.
47 단계에서 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)에 연결된 제 1 BOP(12)을 작동시키고, 제 2 연료 전지(21)에 연결된 제 2 BOP(22)를 작동시키지 않는다. 이에 따라, 제 1 연료 전지(11)에만 연료, 공기 등이 공급되게 된다.
48 단계에서 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 전체 또는 일부의 작동을 지시하는 여러 가지 모드들 중 제 1 연료 전지(11)만의 작동을 지시하는 제 1 하프 모드를 선택하고, 제 1 하프 모드에 따라 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 작동을 제어한다.
49 단계에서 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)에 연결된 제 1 BOP(12)을 작동시키지 않고, 제 2 연료 전지(21)에 연결된 제 2 BOP(22)를 작동시킨다. 이에 따라, 제 2 연료 전지(21)에만 연료, 공기 등이 공급되게 된다.
410 단계에서 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 전체 또는 일부의 작동을 지시하는 여러 가지 모드들 중 제 2 연료 전지(21)만을 작동시키는 제 2 하프 모드로 설정하고, 제 1 하프 모드에 따라 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 작동을 제어한다.
411 단계에서 제어부(4)는 제 1 측정부(13)에 의해 측정된 제 1 연료 전지(11)의 현재 전압과 전류 및 제 2 측정부(23)에 의해 측정된 제 2 연료 전지(21) 각각의 현재 전압 및 전류로부터 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각으로부터 현재 출력되는 전력을 검출한다. 제 1 연료 전지(11)로부터 현재 출력되는 전력은 제 1 측정부(13)에 의해 측정된 제 1 연료 전지(11) 양단의 현재 전압과 제 1 연료 전지(11)에 흐르는 현재 전류의 곱이다. 마찬가지로, 제 2 연료 전지(21)로부터 현재 출력되는 전력은 제 2 측정부(23)에 의해 측정된 제 2 연료 전지(21) 양단의 현재 전압과 제 2 연료 전지(21)에 흐르는 현재 전류의 곱이다.
412 단계에서 제어부(4)는 411 단계에서 검출된 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 전력과 기준 전력을 비교한다. 그 비교 결과, 46 단계에서 검출된 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 전력이 기준 전력보다 크면 413 단계로 진행하고, 그렇지 않으면 414 단계로 진행한다. 46 단계에서 검출된 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 전력이 기준 전력보다 큰 경우에는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 성능이 양호한 경우에 해당하고, 그렇지 않은 경우는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 성능이 불량한 경우에 해당한다. 여기에서, 기준 전력은 도 1에 도시된 연료 전지 시스템의 설계자에 의해 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 작동 시작 시점에서의 전력, 부하(10)의 소비 전력 등을 고려하여 적절하게 설정될 수 있다.
413 단계에서 제어부(4)는 사용자의 명령 등 미리 정해진 소정 조건에 따라 연료 전지 시스템의 동작을 정지시킬지 여부를 결정한다. 만약, 사용자의 명령이 연료 전지 시스템의 동작 정지를 나타내면 414 단계로 진행하고, 연료 전지 시스템의 계속적 가동을 나타내면 41 단계로 돌아간다.
414 단계에서 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 작동을 중단시키고, 제 1 연료 전지(11)에 연결된 제 1 BOP(12)와 제 2 연료 전지(21)에 연결된 제 2 BOP(22)의 작동을 중단시킨다.
414 단계에서 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 성능이 양호한 상태에서 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 작동을 제어하는 방법을 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 성능이 불량한 상태에서 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 작동을 제어하는 방법으로 전환한다. 이 경우는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 성능이 불량한 경우에 해당하기 때문이다. 이후, 도 5에 도시된 51 단계로 진행한다.
도 5에 도시된 실시예는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 성능이 열화된 경우에 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 작동을 제어하는 방법에 관한 것으로, 도 1에 도시된 제어부(4)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 도 1에 도시된 제어부(4)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 본 실시예에도 적용된다.
51 단계에서 제어부(4)는 제 3 측정부(5)에 의해 측정된 부하(10)의 현재 전압과 전류로부터 부하(10)에서 현재 소비되는 전력을 검출한다.
52 단계에서 제어부(4)는 일정 기간 동안 일정 회수로 검출된 전력들의 평균을 계산한다.
53 단계에서 제어부(4)는 52 단계에서 계산된 평균 전력과 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 중 하나의 연료 전지로부터 출력 가능한 전력을 비교 한다. 53 단계에서의 비교 결과, 52 단계에서 계산된 평균 전력이 하나의 연료 전지로부터 출력 가능한 전력보다 크면 54 단계로 진행하고, 그렇지 않으면 58 단계로 진행한다.
54 단계에서 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)에 연결된 제 1 BOP(12)를 작동시킴과 동시에 제 2 연료 전지(21)에 연결된 제 2 BOP(22)를 작동시킨다. 이에 따라, 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)에 연료, 공기 등이 공급되게 된다.
55 단계에서 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)의 성능과 제 2 연료 전지(21)의 성능을 비교한다. 55 단계에서의 비교 결과, 제 1 연료 전지(11)의 성능이 제 2 연료 전지(21)의 성능보다 뛰어나면 56 단계로 진행하고, 그렇지 않으면 57 단계로 진행한다.
56 단계에서 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 전체 또는 일부의 작동을 지시하는 여러 가지 모드들 중 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지의 동시 작동과 제 1 연료 전지(11)만의 작동을 교대로 수행할 것을 지시하는 제 1 교대 모드를 선택하고, 이 제 1 교대 모드에 따라 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 작동을 제어한다. 아니면, 56 단계에서 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 전체 또는 일부의 작동을 지시하는 여러 가지 모드들 중 제 1 연료 전지(11)만의 작동과 제 2 연료 전지(21)만의 작동을 교대로 수행할 것을 지시하는 제 3 교대 모드 또는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지의 동시 작동, 제 1 연료 전지(11)만의 작동, 제 2 연료 전지(21)만의 작동을 교대로 수행할 것을 지시하는 제 4 교대 모드를 선택하고, 이 제 3 교대 모드 또는 제 4 교대 모드에 따라 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 작동을 제어한다. 다만, 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)에 연결된 제 1 스위치(32)의 듀티 비가 제 2 연료 전지(21)에 연결된 제 2 스위치(33)의 듀티 비보다 크도록 제 1 스위치(32) 및 제 2 스위치(33)를 제어한다. 제 1 연료 전지(11)의 성능이 제 2 연료 전지(21)의 성능보다 뛰어나기 때문이다.
57 단계에서 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 전체 또는 일부의 작동을 지시하는 여러 가지 모드들 중 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지의 동시 작동과 제 2 연료 전지(21)만의 작동을 교대로 수행할 것을 지시하는 제 2 교대 모드를 선택하고, 이 제 2 교대 모드에 따라 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 작동을 제어한다. 아니면, 57 단계에서 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 전체 또는 일부의 작동을 지시하는 여러 가지 모드들 중 제 1 연료 전지(11)만의 작동과 제 2 연료 전지(21)만의 작동을 교대로 수행할 것을 지시하는 제 3 교대 모드 또는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지의 동시 작동, 제 1 연료 전지(11)만의 작동, 제 2 연료 전지(21)만의 작동을 교대로 수행할 것을 지시하는 제 4 교대 모드를 선택하고, 이 제 3 교대 모드 또는 제 4 교대 모드에 따라 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 작동을 제어한다. 다만, 제어부(4)는 제 2 연료 전지(21)에 연결된 제 2 스위치(33)의 듀티 비가 제 1 연료 전지(11)에 연결된 제 1 스위치(32)의 듀티 비보다 크도록 제 1 스위치(32) 및 제 2 스위치(33)를 제어한다. 제 2 연료 전지(21)의 성능이 제 1 연료 전지(11)의 성능보다 뛰어나기 때문이다.
58 단계에서 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)의 성능과 제 2 연료 전지(21)의 성능을 비교한다. 58 단계에서의 비교 결과, 제 1 연료 전지(11)의 성능이 제 2 연료 전지(21)의 성능보다 뛰어나면 59 단계로 진행하고, 그렇지 않으면 511 단계로 진행한다.
59 단계에서 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)에 연결된 제 1 BOP(12)을 작동시키고, 제 2 연료 전지(21)에 연결된 제 2 BOP(22)를 작동시키지 않는다. 이에 따라, 제 1 연료 전지(11)에만 연료, 공기 등이 공급되게 된다.
510 단계에서 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 여러 가지 작동 모드들 중 제 1 연료 전지(11)만을 작동시키는 제 1 하프 모드를 선택하고, 이 제 1 하프 모드에 따라 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 작동을 제어한다.
511 단계에서 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)에 연결된 제 1 BOP(12)을 작동시키지 않고, 제 2 연료 전지(21)에 연결된 제 2 BOP(22)를 작동시킨다. 이에 따라, 제 2 연료 전지(21)에만 연료, 공기 등이 공급되게 된다.
512 단계에서 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 여러 가지 작동 모드들 중 제 2 연료 전지(21)만을 작동시키는 제 2 하프 모드를 선택하고, 이 제 2 하프 모드에 따라 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 작동을 제어한다.
513 단계에서 제어부(4)는 제 1 측정부(13)에 의해 측정된 제 1 연료 전지(11)의 현재 전압 및 전류와 제 2 측정부()에 의해 측정된 제 2 연료 전지(21)의 현재 전압 및 전류로부터 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각으로부터 현재 출력되는 전력을 검출한다.
514 단계에서 제어부(4)는 513 단계에서 검출된 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 전력과 기준 전력을 비교한다. 그 비교 결과, 514 단계에서 검출된 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 전력이 기준 전력보다 크면 515 단계로 진행하고, 그렇지 않으면 516 단계로 진행한다. 514 단계에서 검출된 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 전력이 기준 전력보다 큰 경우에는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 성능이 불량하나 도 5에 도시된 전력 관리 방법이 수행될 수 있는 경우에 해당하고, 그렇지 않은 경우는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각이 더 이상의 작동이 불가능한 경우에 해당한다. 여기에서, 기준 전력은 도 1에 도시된 연료 전지 시스템의 설계자에 의해 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 작동 시점부터 일정 시간 이후의 전력, 부하(10)의 소비 전력 등을 고려하여 적절하게 설정될 수 있다. 특히, 514 단계에서의 기준 전력은 412 단계에서의 기준 전력보다 낮게 설정될 수 있다.
515 단계에서 제어부(4)는 사용자의 명령 등 미리 정해진 소정 조건에 따라 연료 전지 시스템의 동작을 정지시킬지 여부를 결정한다. 만약, 사용자의 명령이 연료 전지 시스템의 동작 정지를 나타내면 516 단계로 진행하고, 연료 전지 시스템의 계속적 가동을 나타내면 51 단계로 돌아간다.
516 단계에서 제어부(4)는 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 작동을 중단시키고, 제 1 연료 전지(11)에 연결된 제 1 BOP(12)와 제 2 연료 전지(21) 에 연결된 제 2 BOP(22)의 작동을 중단시킨다.
상기된 바와 같은 실시예들에 따르면, 부하(10)에서 소비되는 전력과 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 성능에 기초하여 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 작동을 제어함으로써 부하(10)에서 소비되는 전력에 따라 제 1 연료 전지(11)의 전력과 제 2 연료 전지(21)의 전력이 동시에 부하로 전달되도록 할 수도 있고, 제 1 연료 전지(11)의 전력 또는 제 2 연료 전지(21)의 전력만이 부하로 전달되도록 할 수 있다. 이에 따라, 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 전력 변환 효율이 극대화될 수 있다. 또한, 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 성능에 따라 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 작동 시간을 조절함으로써 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21) 각각의 성능에 따른 부하를 분배할 수 있고, 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 심각한 성능 저하를 방지할 수 있다. 결국, 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)의 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 제 1 연료 전지(11)와 제 2 연료 전지(21)에 대해 어떤 작동 모드가 선택되었는지에 따라 제 1 연료 전지(11)에 연결된 제 1 BOP(12)와 제 1 연료 전지(11)에 연결된 제 2 BOP(22)를 작동시키거나 작동시키지 않음으로써 BOP들에서 소비되는 전력을 감소시킬 수 있다. 또한, 변압기의 복수 개의 일차 권선들 각각에 복수 개의 연료 전지들을 각각을 연결하고, 변압기의 복수 개의 이차 권선들에 하나의 DC/DC 컨버터를 공통으로 연결함으로써 복수 개의 연료 전지들 각각에 대해 개별적으로 DC-DC 컨버터를 채용할 필요가 없게 되었다.
한편, 도 4-5에 도시된 방법들을 수행하는 제어부(4)는 다수의 논리 게이트들의 어레이로 구현될 수도 있고, 범용적인 마이크로프로세서와 이 마이크로 프로세서에서 실행될 수 있는 프로그램이 저장된 기록 매체의 조합으로 구현될 수도 있다. 후자의 경우에 도 4-5에 도시된 방법들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 이와 같은 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체 등을 들 수 있다.
이제까지 본 발명에 대한 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 컨버터(3)의 내부 구성도이다.
도 3a-c는 도 2에 도시된 컨버터(3)의 설정 타입들 각각을 도시한 도면이다.
도 4-5는 본 발명의 일 실시예에 따라, 복수 개의 연료 전지들의 작동을 제어하는 방법의 흐름도이다.

Claims (19)

  1. 복수 개의 연료 전지들;
    부하에서 소비되는 전력과 상기 연료 전지들 각각의 성능에 기초하여 상기 연료 전지들 각각의 작동을 제어하는 제어부; 및
    상기 연료 전지들의 전체 또는 일부의 전력을 상기 제어부의 제어에 따른 전력으로 변경하는 컨버터를 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 부하에서 소비되는 전력과 상기 연료 전지들 각각의 성능에 기초하여 상기 연료 전지들의 전체 또는 일부의 작동을 지시하는 여러 가지 모드들 중 어느 하나를 선택하고, 상기 선택된 작동 모드에 따라 상기 연료 전지들 각각의 작동을 제어하는 연료 전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 연료 전지들의 전체 작동을 지시하는 풀 모드(full mode)가 선택되면, 상기 연료 전지들 중 어느 하나와 상기 컨버터의 연결을 개폐하는 제 1 스위치의 온-오프를 일정 주기로 반복시키는 펄스 열을 출력하고, 상기 연료 전지들 중 다른 하나와 상기 컨버터의 연결을 개폐하는 제 2 스위치의 온-오프를 일정 주기로 반복시키는 펄스 열을 출력하는 연료 전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치로 출력되는 펄스 열과 상기 제 2 스위치로 출력되는 펄스 열은 서로 동일한 듀티 비를 갖고, 서로 180도의 위상차를 갖는 연료 전지 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 연료 전지들의 일부 작동을 지시하는 하프 모드(half mode)가 선택되면, 상기 연료 전지들 중 어느 하나와 상기 컨버터의 연결을 개폐하는 제 1 스위치의 온-오프를 일정 주기로 반복시키는 펄스 열을 출력하고, 상기 연료 전지들 중 다른 하나와 상기 컨버터의 연결을 개폐하는 제 2 스위치의 오프를 유지시키는 평탄선 신호를 출력하는 연료 전지 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 연료 전지들의 작동 모드들 중 적어도 두 가지 이상의 작동 모드들을 교대로 수행할 것을 지시하는 교대 모드(alternative mode)가 선택되면, 상기 연료 전지들의 전체 작동을 지시하는 제어 신호와 상기 연료 전지들의 일부 작동을 지시하는 제어 신호를 교대로 출력하는 연료 전지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨버터는 변압기와 DC/DC 컨버터를 포함하고,
    상기 변압기의 복수 개의 일차 권선들 중 어느 하나는 상기 연료 전지들 중 어느 하나에 연결되고, 상기 일차 권선들 중 다른 하나는 상기 연료 전지들 중 다른 하나에 연결되고, 상기 변압기의 복수 개의 이차 권선들은 상기 DC/DC 컨버터에 공통으로 연결되는 연료 전지 시스템.
  8. 복수 개의 연료 전지들의 작동을 제어하는 방법에 있어서,
    부하에서 소비되는 전력과 상기 연료 전지들 중 일부 연료 전지로부터 출력 가능한 전력을 비교하는 단계;
    상기 비교 결과에 기초하여 상기 연료 전지들의 전체 또는 일부의 작동을 지시하는 여러 가지 모드들 중 어느 하나를 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 작동 모드에 따라 상기 연료 전지들 각각의 작동을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 선택하는 단계는 상기 부하에서 소비되는 전력이 상기 일부 연료 전지로부터 출력 가능한 전력보다 크면, 상기 연료 전지들의 전체 작동을 지시하는 풀 모드(full mode)를 선택하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 풀 모드가 선택되면, 상기 연료 전지들 각각에 연결된 모든 BOP(Balance Of Plant)들을 작동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 선택하는 단계는 상기 부하에서 소비되는 전력이 상기 일부 연료 전지로부터 출력 가능한 전력보다 크지 않으면, 상기 연료 전지들 각각의 성능을 비교하는 단계; 및
    상기 연료 전지들 각각의 성능 비교 결과에 기초하여 상기 연료 전지들 중 보다 성능이 뛰어난 연료 전지만의 작동을 지시하는 하프 모드(half mode)를 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 하프 모드가 선택되면, 상기 연료 전지들 중 보다 성능이 뛰어난 연료 전지에 연결된 BOP를 작동시키고, 나머지 BOP를 작동시키지 않는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 부하에서 소비되는 전력이 상기 일부 연료 전지로부터 출력 가능한 전력보다 크면, 상기 연료 전지들 각각의 성능을 비교하는 단계; 및
    상기 연료 전지들 각각의 성능 비교 결과에 기초하여 상기 연료 전지들의 전체 작동과 상기 연료 전지들 중 보다 성능이 뛰어난 연료 전지만의 작동을 교대로 수행할 것을 지시하는 교대 모드(alternative mode)를 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 교대 모드가 선택되면, 상기 연료 전지들 각각에 연결된 모든 BOP들을 작동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 부하에서 소비되는 전력이 상기 일부 연료 전지로부터 출력 가능한 전력보다 크면, 상기 연료 전지들 각각의 성능을 비교하는 단계; 및
    상기 연료 전지들 각각의 성능 비교 결과에 기초하여 상기 연료 전지들 중 보다 성능이 뛰어난 연료 전지만의 작동과 상기 연료 전지들 중 보다 성능이 불량한 연료 전지만의 작동의 작동을 교대로 수행할 것을 지시하는 교대 모드를 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 교대 모드가 선택되면, 상기 연료 전지들 각각에 연결된 모든 BOP들을 작동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 제 8 항에 있어서,
    상기 부하에서 소비되는 전력이 상기 일부 연료 전지로부터 출력 가능한 전력보다 크면, 상기 연료 전지들 각각의 성능을 비교하는 단계; 및
    상기 연료 전지들 각각의 성능 비교 결과에 기초하여 상기 연료 전지들의 전체 작동, 상기 연료 전지들 중 보다 성능이 뛰어난 연료 전지만의 작동, 및 상기 연료 전지들 중 보다 성능이 불량한 연료 전지만의 작동의 작동을 교대로 수행할 것을 지시하는 교대 모드를 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 교대 모드가 선택되면, 상기 연료 전지들 각각에 연결된 모든 BOP들을 작동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  19. 제 8 항 내지 제 18 항 중에 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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