KR20120037837A - 연료 전지 시스템 및 그것의 운전 방법 - Google Patents

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허진석
조혜정
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Abstract

연료 전지와 배터리 중 적어도 하나의 출력 전력을 부하에 공급하기 위한 연료 전지 시스템은 연료 전지의 출력 상태의 변화에 따라 연료 전지 시스템의 여러 동작 모드들 중 어느 하나를 선택하고, 이와 같이 선택된 동작 모드에 따라 부하 측으로의 연료 전지와 배터리 각각의 출력 전력의 공급을 제어한다.

Description

연료 전지 시스템 및 그것의 운전 방법 {Fuel cell system and method for operating the same}
연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 운전 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. 그런데, 연료 전지는 일반적으로 임피던스(impedance)가 커서 부하의 변화에 대한 응답 속도가 낮다는 특성을 갖고 있다. 이를 보완하기 위하여, 현재 개발되고 있는 연료 전지 시스템은 충전이 가능한 2차 전지 등을 연료 전지 시스템 내에 설치하고 있다.
연료 전지의 실제 출력 상태를 고려하여 연료 전지 시스템을 운전함으로써 연료 전지 시스템의 안정성 및 배터리의 내구성의 향상을 동시에 확보할 수 있는 연료 전지 시스템과 이 연료 전지 시스템의 운전 방법을 제공하는데 있다. 또한, 이 운전 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공하는데 있다. 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따라, 연료 전지와 배터리 중 적어도 하나의 출력 전력을 부하에 공급하기 위한 연료 전지 시스템은 상기 부하와 상기 배터리 중 적어도 하나에 전력을 공급하기 위한 연료 전지를 구동하는 BOP(Balance Of Plants) 및 상기 연료 전지의 출력 상태의 변화에 따라 상기 BOP의 동작을 제어함으로써 상기 부하 측으로의 상기 연료 전지와 상기 배터리 각각의 출력 전력의 공급을 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 연료 전지와 배터리 중 적어도 하나의 출력 전력을 부하에 공급하기 위한 연료 전지 시스템의 운전 방법은 상기 연료 전지의 출력 상태의 변화에 기초하여 상기 연료 전지 시스템의 여러 동작 모드들 중 어느 하나를 선택하는 단계; 및 상기 선택된 동작 모드에 따라 상기 부하 측으로의 상기 연료 전지와 상기 배터리 각각의 출력 전력의 공급을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라, 상기된 운전 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체가 제공된다.
연료 전지의 출력 상태의 변화에 따라 연료 전지 시스템을 운전함으로써 연료 전지의 출력 상태에 무관하게 연료 전지에 연료, 공기 등이 공급되거나, 연료 전지의 전력 생산이 중단되어 배터리의 충방전이 빈번하게 이루어지는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 리튬 배터리(lithium battery)의 충전 특성을 도시한 도면이다.
도 2-3은 연료 전지의 정전류 운전을 하는 연료 전지 시스템에서의 리튬 배터리의 충전 특성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법의 흐름도이다.
도 6은 도 5에 도시된 51 단계에 해당하는 시동 모드의 상세 흐름도이다.
도 7은 도 5에 도시된 53 단계에 해당하는 정상 모드의 상세 흐름도이다.
도 8은 도 5에 도시된 57 단계에 해당하는 배터리 모드의 상세 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 10은 도 4에 도시된 연료 전지 시스템에서의 연료 전지(41), 배터리(42), 부하(40)의 입출력 상태의 일례를 나타내는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 실시예들은 연료 전지 시스템 및 그것의 운전 방법에 관한 것으로서 이하의 실시예들의 특징을 보다 명확하게 설명하기 위하여 연료 전지를 구성하는 스택(stack), BOP(Balance Of Plants) 등, 이하의 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려져 있는 사항들에 관해서는 자세한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 연료 전지로부터 출력되는 전류 및 전압은 보다 엄밀하게는 연료 전지의 스택으로부터 출력되는 전류 및 전압을 의미하나, 이하에서는 간단하게 연료 전지로부터 출력되는 전류 및 전압으로 기재하기로 한다.
도 1은 리튬 배터리(lithium battery)의 충전 특성을 도시한 도면이다. 도 1에서 실선은 충전 전류를 나타내고, 점선은 충전 전압을 나타낸다. 리튬 배터리는 음극에 리튬을 사용한 2차 배터리를 가리키는 용어로서 이것의 예로는 리튬 이온 배터리(lithium ion battery), 리튬 폴리머 배터리(lithium polymer battery) 등을 들 수 있다. 이것은 높은 에너지 밀도를 갖고 있기 때문에 연료 전지의 보조 전원, 휴대폰의 전원 등으로 널리 사용되고 있다.
도 1을 참조하면, 리튬 배터리의 충전 과정은 선충전 단계(precharge phase), 전류 통제 단계(current regulation phase), 및 전압 통제 단계(voltage regulation phase)로 분류된다. 선충전 단계에서는 선형 충전(linear charge) 방식이 사용되고, 전류 통제 단계 및 전압 통제 단계에서는 PWM(Pulse Width Modulation) 충전 방식이라는 고속 충전 방식이 사용된다. 일반적으로, 리튬 배터리의 충전 한계 전압은 4.2V이다. 리튬 배터리에 공급되는 충전 전원(charging power source)의 전압이 이 한계 값을 초과하면, 배터리 성능이 열화되게 된다. 따라서, 리튬 배터리의 충전 시에 이와 같은 충전 한계 전압이 고려되어야 한다.
선충전 단계에서는 리튬 배터리를 충전에 적응시키기 위하여 리튬 배터리에 공급되는 충전 전원의 전류 값과 전압 값을 Ishort 및 Vshort로 설정한다. 이 경우, 리튬 배터리의 전압 값은 Vshort까지 서서히 상승하게 된다. 전류 통제 단계에서는 리튬 배터리에 공급되는 충전 전원의 전류 값을 일정하게 유지시킨 상태에서 충전 전원의 전압 값을 충전 한계 전압 4.2V까지 상승시킨다. 여기에서의 일정 전류 값이 과도하게 높은 경우에도 리튬 배터리는 열화될 수 있기 때문에 리튬 배터리의 성능, 예를 들면 방전율(discharging rate) 등을 고려하여 한계 전류 값을 설정한다. 전압 통제 단계에서는 리튬 배터리에 공급되는 충전 전원의 전압 값을 충전 한계 전압 4.2V로 일정하게 유지시킨 상태에서 리튬 배터리의 충전 용량이 증가함에 따라 충전 전원의 전류 값을 서서히 감소시킨다.
도 2-3은 연료 전지의 정전류 운전을 하는 연료 전지 시스템에서의 리튬 배터리의 충전 특성을 도시한 도면이다. 일반적으로, 연료 전지 시스템은 연료 전지로부터 정전류(constant current)가 출력되도록 하기 위한 정전류 운전을 하거나, 정전압(constant voltage)이 출력되도록 하기 위한 정전압 운전을 한다. 연료 전지를 정전류 운전하는 경우에는 연료 전지로부터 출력되는 전압은 변동하게 되고, 연료 전지를 정전압 운전하는 경우에는 연료 전지로부터 출력되는 전류가 변동하게 된다. 특히, 도 2-3에 적용되는 연료 전지 시스템은 연료 전지가 부하의 주 전원으로서의 역할을 하고, 리튬 배터리는 연료 전지를 시동하거나 부하에 대한 보조 전원으로서 역할을 하는 구조를 갖는다. 이하에서는 도 2-3을 참조하면서 연료 전지의 정전류 운전을 하는 연료 전지 시스템의 문제점을 살펴보기로 한다.
도 1에 도시된 전류 통제 단계까지의 충전 용량은 일반적으로 리튬 배터리의 최대 충전 용량의 80%이다. 도 2는 리튬 배터리의 충전 용량이 80% 미만인 경우이다. 이 경우, 리튬 배터리의 충전은 도 1에 도시된 전류 통제 단계에서 이루어지기 때문에 리튬 배터리에 공급되는 충전 전원의 전류 값이 일정하게 유지되면서 충전 전원의 전압 값이 4.2 V까지 상승하게 된다. 도 2를 참조하면, 부하의 소비 전력의 변동에 따라 부하에 공급되는 전류가 일정하다가 감소된다. 부하에 공급되는 전류가 일정하면, 연료 전지 및 리튬 배터리로부터 동시에 부하 측으로 정전류가 공급된다. 부하에 공급되는 전류가 감소되면, 연료 전지 시스템이 정전류 운전을 하고 있기 때문에 연료 전지로부터 부하 측으로 정전류 Itarget이 공급되나, 리튬 배터리로부터 부하에 공급되는 전류는 감소하게 된다. 특히, 연료 전지로부터 출력되는 정전류 Itarget 미만으로 부하에 공급되는 전류가 감소되면, 연료 전지의 잉여 전력은 리튬 배터리의 충전에 사용된다.
도 3은 리튬 배터리의 충전 용량이 80% 이상인 경우이다. 이 경우, 리튬 배터리의 충전은 도 1에 도시된 전압 통제 단계에서 이루어지기 때문에 리튬 배터리에 공급되는 충전 전원의 전압 값이 4.2V로 유지되면서 충전 전원의 전류 값이 서서히 감소하게 된다. 도 3을 참조하면, 부하의 소비 전력의 변동에 따라 부하에 공급되는 전류가 일정하다가 감소된다. 부하에 공급되는 전류가 일정하면, 연료 전지 및 리튬 배터리로부터 동시에 부하 측으로 정전류가 공급된다. 부하에 공급되는 전류가 감소되면, 연료 전지 시스템이 정전류 운전을 하고 있기 때문에 연료 전지로부터 부하 측으로 정전류 Itarget이 공급되나, 리튬 배터리로부터 부하에 공급되는 전류는 감소하게 된다. 한편, 연료 전지로부터 출력되는 정전류 Itarget 미만으로 부하에 공급되는 전류가 감소되는 경우에 리튬 배터리의 충전이 이루어지지 않는다. 리튬 배터리의 충전 용량이 80% 이상인 경우에는 충전 전압 값이 4.2V의 고전압으로 일정하게 유지되어야 하는데 연료 전지 시스템이 정전류 운전을 하고 있어 연료 전지로부터 일정한 전압 값을 인출할 수 없기 때문이다. 만약, 리튬 배터리의 충전을 위해서 연료 전지를 정전압 운전을 한다면, 연료 전지 시스템은 원래의 정전류 운전 기능을 잃게 되고, 연료 전지의 고전압 운전이 되어 연료 전지의 내구성에 문제가 발생할 수 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 배터리의 잔존 용량(State of charge, SOC) 등을 이용하여 연료 전지 시스템을 운전하는 방식이 제안되었으나, 배터리의 잔존 용량이 정확하게 측정되지 않을 수도 있고, 배터리의 충방전이 빈번하게 일어나게 되어 배터리의 사용 수명이 급격하게 줄어들게 된다. 또한, 연료 전지의 현재 상태를 고려하지 않음으로 인하여 연료 전지의 연료 과다 공급 및 물 부족 현상이 발생할 수 있고, 이에 따라 연료 전지의 고온화 및 불안정 상태가 발생할 수 있다. 이하에서는 연료 전지의 출력 상태를 고려하여 연료 전지 시스템을 운전함으로써 연료 전지 시스템의 안정성을 확보하면서 배터리의 내구성을 높일 수 있는 실시예들을 제안한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다. 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지(41), 배터리(42), FC 측정부(43), DC/DC 컨버터(44), BOP(45), 및 제어부(46)로 구성된다. 특히, 도 4에 도시된 연료 전지 시스템은 연료 전지(41)의 출력 변화에 따라 연료 전지(41)와 배터리(42) 중 적어도 하나의 출력 전력을 부하(40)에 공급하는 하이브리드(hybrid) 구조를 갖는다.
연료 전지(41)는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 전기 화학적 반응 (electrochemical reaction)을 이용하여 직접 전기 에너지로 변환함으로써 DC(Direct Current) 전력을 생산하는 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, 도 4에 도시된 연료 전지 시스템에서, 연료 전지(41)는 이와 같이 생산된 전력을 부하(40)와 배터리(42) 중 적어도 하나에 공급한다.
배터리(42)는 연료 전지(10)의 시동을 위한 전원(power source)으로서의 역할을 하거나, 연료 전지(41)와 함께 부하(40)에 대한 전원으로서의 역할을 한다. 본 발명의 실시예들에 사용되는 배터리(42)는 일반적으로 리튬 배터리가 될 수 있으나, 충전이 가능한 대용량 커패시터(capacitor) 등도 될 수 있다. 또한, 배터리(42)는 도 4에 도시된 연료 전지 시스템 내부에 장착될 수도 있고, 연료 전지 시스템의 외부에 장착될 수도 있다. 이와 같이, 배터리가 장착된 연료 전지 시스템은 독립적으로 전력 생산이 가능하기 때문에 휴대용 연료 전지 시스템으로 사용될 수 있다. 휴대용 연료 전지 시스템의 연료 전지로는 다른 종류의 연료 전지에 비해 그 크기가 작은 DMFC가 주로 사용된다.
FC 측정부(43)는 연료 전지(41)의 출력 상태를 측정한다. 예를 들어, FC 측정부(43)는 연료 전지(41)의 출력 전류의 값을 측정함으로써 연료 전지(41)의 출력 상태를 측정할 수도 있다. 아니면, FC 측정부(43)는 연료 전지(41)의 출력 전압의 값을 측정함으로써 연료 전지(41)의 출력 상태를 측정할 수도 있다. 본 명세서에서는 연료 전지(41)의 출력 전류의 값을 이용하여 연료 전지(41)의 출력 상태를 측정하는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다. 한편, 본 명세서에서 기술되는 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기된 요소(factor) 이외에 다른 요소를 이용하여 연료 전지(41)의 출력 상태를 측정할 수도 있고, 다른 요소를 이용하기 위하여 본 명세서에서 기술된 실시예를 용이하게 변형 설계할 수 있음을 이해할 수 있다.
DC/DC 컨버터(44)는 연료 전지(41)의 출력 전압을 제어부(46)의 제어에 따른 전압으로 변경한다. DC/DC 컨버터(44)의 출력 전력 중 부하(40)에 공급되고 남은 잉여 전력은 배터리(42)의 충전용으로 사용된다. DC/DC 컨버터(44)는 제어부(46)의 제어에 따라 연료 전지(41)로부터 정전류(constant current)가 출력되도록 연료 전지(41)의 출력 전압을 변경할 수 있다. 이것은 연료 전지 시스템이 연료 전지(41)로부터 정전류가 출력되도록 정전류 운전을 하는 경우이다. 이 경우, DC/DC 컨버터(44)는 연료 전지(41)의 상태나 부하(40)의 변동에 따라 연료 전지(41)로부터 출력되는 전력의 변동이 있는 경우에도 연료 전지(41)의 출력 전압을 변경함으로써 연료 전지(41)의 출력 전류를 일정하게 유지할 수 있다. 이와 같이, DC/DC 컨버터(44)는 부하(40)가 변동되는 상태에서도 연료 전지(41)의 정전류 운전을 할 수 있기 때문에 연료 전지(41)로의 연료 공급이 일정하게 유지될 수 있고, 결국 연료 전지(41)의 수명이 연장될 수 있다.
아니면, DC/DC 컨버터(44)는 제어부(46)의 제어에 따라 부하(4) 측으로 정전압(constant voltage)이 입력되도록 연료 전지(41)의 출력 전압을 변경할 수 있다. 이것은 연료 전지 시스템이 연료 전지(41)로부터 정전압이 출력되도록 정전압 운전을 하는 경우이다. 이 경우, DC/DC 컨버터(44)는 연료 전지(41)의 상태나 부하(40)의 변동에 따라 연료 전지(41)로부터 출력되는 전력의 변동이 있는 경우에도 연료 전지(41)의 출력 전압을 상승시키거나 하강시킴으로써 연료 전지(41)의 출력 전압을 일정하게 유지할 수 있다. 이와 같이, DC/DC 컨버터(44)는 부하(40)에 입력되는 전압을 일정 수준 이상으로 유지할 수 있기 때문에 부하(40)의 입력 전압이 안정화될 수 있다.
BOP(45)는 제어부(46)의 제어에 따라 연료 전지(41)를 구동한다. 보다 상세하게 설명하면, BOP(45)는 제어부(46)의 제어에 따라 연료 전지(41)를 구동하기 위한 주변 기기들로서, 연료 전지(41)에 연료, 예를 들어 수소 농도가 높은 개질 가스(reformed gas), 메탄올(CH3OH) 등을 공급하는 펌프(pump), 이 연료를 산화시키기 위한 산화제, 예를 들어 공기, 산소 등을 공급하는 펌프, 냉각수(coolant)를 공급하는 펌프 등으로 구성된다. 도 4에 도시된 연료 전지 시스템은 연료 전지(41)가 DMFC인 경우로서 BOP(45)를 통해 연료 전지(41)로 연료와 공기가 공급된다. 이와 같은 DMFC 시스템에서 연료 전지(41)의 전력 생산에 요구되는 적절한 농도의 메탄올 수용액의 생성에 필요한 물(H2O)은 외부에서 공급되지 않고, 연료 전지 시스템의 내부에서 연료 전지(41)에서 발생한 물을 회수함으로써 충당된다. BOP(45)는 연료 전지(41)에서 발생한 물을 회수하여 순환시키기 위한 펌프, 연료 전지(41)의 발생 열을 회수하기 위한 열 교환기(heat exchanger) 등을 추가적으로 구비할 수 있다.
BOP(45)는 일반적으로 연료 전지(41)로부터 제공된 전력, 즉 DC/DC 컨버터(44)로부터 출력된 전력을 이용하여 구동되나, 연료 전지(41)의 전력 생산이 되지 않거나 충분하지 않은 상태라면 배터리(42)로부터 출력된 전력을 이용하여 구동될 수 있다. 이와 같이, BOP(45)는 제어부(46)의 제어에 따라 연료 전지(41)에 연료, 공기 등을 공급함으로써 연료 전지(41)를 구동한다. 이것에 의해 연료 전지(41)의 전력 생산이 가능하게 된다. 한편, BOP(45)를 구성하는 펌프 등을 운전(drive)하기 위해서는 펌프 등에 적합한 제어 신호를 생성하는 기능이 요구된다. 예를 들어, 펌프 동작의 온/오프(on/off) 비를 나타내는 듀티 사이클(duty cycle), 펌프의 속도를 나타내는 제어 신호 등을 생성하는 기능이 요구된다. 이와 같은 BOP(45)의 운전 기능(driving function)을 담당하는 구성 요소가 도 4 상에 별도로 도시될 수도 있으나, 도면의 간략화를 위해 제어부(46)가 BOP(45)의 운전 기능을 담당하는 것으로 한다.
제어부(46)는 FC 측정부(43)에 의해 측정된 연료 전지(41)의 출력 상태의 변화에 따라 BOP(45)의 동작을 제어한다. 예를 들어, 제어부(46)는 FC 측정부(43)에 의해 측정된 연료 전지(41)의 현재 출력 전류의 값과 목표 전류(target current)의 값의 오차(error)를 계산하고, 이와 같이 계산된 오차의 크기에 기초하여 BOP(45)의 동작을 제어할 수 있다. 이것은 부하(40)의 변동, 배터리(42)의 충전의 진행 정도 등에 의한 연료 전지(41)의 출력 상태의 변화에 따라 연료 전지(41)의 전력과 배터리(42)의 전력을 적절하게 부하(40) 측에 분배하기 위한 것이다.
연료 전지(41) 내의 전기 화학적 반응을 위한 최적 온도에서 연료 전지(41)에 충분한 연료 및 공기가 공급되면, 연료 전지(41)는 최대의 출력을 낼 수 있는 상태가 된다. 이와 같은 상태에서, 연료 전지(41)가 최대 출력을 낼 때에 연료 전지(41)로부터 측정될 수 있는 전류의 최고값이 목표 전류의 예가 될 수 있다. 목표 전류는 연료 전지(41)의 열화 정도(deterioration degree) 등에 따라 달라질 수 있다. 연료 전지(41)의 열화는 연료 전지(41)의 노후, 사용 환경 등 여러 가지 원인에 기인하여 발생하게 된다. 특히, 도 4에 도시된 연료 전지 시스템에서 목표 전류는 연료 전지(41)로부터 최대의 전력이 인출되어 부하(40), 배터리(42), 및 BOP(45) 모두에 공급될 때에 연료 전지(41)로부터 측정될 수 있는 전류의 최고값을 의미한다.
한편, 연료 전지(41)의 출력 상태의 지표로서 연료 전지(41)의 현재 출력 전류 값을 이용하는 예와 다른 예로서, 제어부(46)는 연료 전지(41)의 현재 출력 전압의 값과 목표 전압 값의 오차에 따라 BOP(45)의 동작을 제어할 수 있다. 아니면, 제어부(46)는 연료 전지(41)의 현재 출력 전류 값의 변화와 연료 전지(41)의 현재 출력 전압 값의 변화를 함께 고려하여 BOP(45)의 동작을 제어할 수도 있다. 본 명세서에서 기술되는 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 연료 전지(41)의 현재 출력 전류 값의 변화와 연료 전지(41)의 현재 출력 전압 값의 변화 외에 다른 파라미터들이 연료 전지(41)의 출력 상태를 나타내는데 사용될 수 있음을 이해할 수 있다. 나아가, 제어부(46)는 연료 전지(41)의 출력 상태와 함께 배터리(42)의 출력 상태도 고려하여 BOP(45)의 동작을 제어할 수도 있다.
보다 상세하게 설명하면, 제어부(46)는 연료 전지(41)의 현재 출력 전류의 값과 목표 전류의 값의 오차가 일정 시간 동안 임계값 이하이면, 연료 전지(41)의 출력 전류의 값과 목표 전류의 값의 오차의 크기에 기초하여 BOP(45)의 동작량을 제어함으로써 부하(40)의 소비 전력, 배터리(42)의 충전 전력, 및 BOP(45)의 소비 전력에 대응하여 연료 전지(41)에서의 전력 생산이 이루어지도록 한다. 예를 들어, 목표 전류의 값이 1.8 A이고, 임계값이 0.3 A이고, 일정 시간이 1분이라고 한다면, 제어부(46)는 연료 전지(41)의 출력 전류의 값과 목표 전류 1.8 A의 오차가 1분 동안 임계값 0.3 A 이하이면, 즉 연료 전지(41)의 출력 전류의 값이 1분 동안 1.5 A 이상이면, 연료 전지(41)의 출력 전류의 값과 목표 전류의 값의 오차의 크기에 기초하여 BOP(45)의 동작량을 제어한다.
한편, 연료 전지(41)의 출력 전류의 값과 목표 전류의 값의 오차가 크다는 것은 연료 전지(41)로부터 보다 적은 전력이 출력되고 있음을 의미한다. 이 경우, 연료 전지(41)로 보다 적은 연료, 공기 등이 공급되어야 한다. 반대로, 연료 전지(41)의 출력 전류의 값과 목표 전류의 값의 오차가 작다는 것은 연료 전지(41)로부터 보다 많은 전력이 출력되고 있음을 의미한다. 이 경우, 연료 전지(41)로 보다 많은 연료, 공기 등이 공급되어야 한다. 따라서, 제어부(46)는 연료 전지(41)의 현재 출력 전류의 값과 목표 전류의 값의 오차의 크기에 반비례하여 BOP(45)의 연료 펌프, 공기 펌프 등의 펌핑 량을 조정함으로써 연료 전지(41)의 현재 출력 전류의 값과 목표 전류의 값의 오차의 크기에 반비례하여 연료 전지(41)로의 연료, 공기 등의 공급량이 조정되도록 한다. 이것에 의해, 부하(40)의 소비 전력, 배터리(42)의 충전 전력, 및 BOP(45)의 소비 전력에 대응하여 연료 전지(41)에서의 전력 생산이 이루어지게 된다.
연료 전지(41)의 현재 출력 전류의 값이 목표 전류의 값에 근접해 있다는 것은 연료 전지(41)로부터 인출 가능한 최대 전력에 가까운 많은 양의 전력이 연료 전지(41)로부터 출력되어, 부하(40), 배터리(42), 및 BOP(45)에 공급되고 있음을 의미한다. 즉, 연료 전지(41)의 현재 출력 전류의 값이 목표 전류의 값에 근접해 있다는 것은 연료 전지(41)의 출력 전력이 부하(40)의 소비 전력을 충족시킴과 동시에 배터리(42)의 충전에도 사용되고 있음을 의미한다.
다만, 부하(40)의 소비 전력이 급격하게 증가한 경우에 연료 전지(41)의 전력과 배터리(42)의 전력이 동시에 부하(40) 측에 공급될 수도 있다. 이 경우, 배터리(42)의 충전은 일시적으로 이루어지지 않는다. 도 4에 도시된 바와 같이, DC/DC 컨버터(44)의 출력 라인과 배터리(42)의 출력 라인이 부하(40)에 연결되어 있기 때문에 DC/DC 컨버터(44)의 출력 전압, 배터리(42)의 출력 전압, 부하(40)의 입력 전압간의 차이에 따라 부하(40)의 변동에 따른 연료 전지(41)와 배터리(42)의 출력 여부가 결정되게 된다.
만약, 연료 전지(41)의 현재 출력 전류의 값과 목표 전류의 값의 오차가 임계값 이하인 상태에서 배터리(42)가 완충(full charge)된다면, 배터리(42) 측으로 더 이상의 전력이 공급될 수 없게 된다. 이와 같이, 배터리(42)가 완충된 상태가 되면, 연료 전지(41)의 출력 전력은 부하(40) 및 BOP(45)에만 공급되기 때문에 부하(40)가 급격하게 변동하지 않는 한 연료 전지(41)의 출력 전력량은 감소하게 된다. 상기된 임계값은 배터리(42)가 완충된 시점에서의 연료 전지(41)의 현재 출력 전류의 값과 목표 전류의 값의 차이를 의미한다. 이와 같은 임계값은 도 4에 도시된 연료 전지 시스템에 특정 부하(40)를 연결한 상태에서 배터리(42)가 완충된 시점에서의 연료 전지(41)의 출력 전류의 값을 측정함으로써 결정될 수 있다.
도 4에 도시된 연료 전지 시스템에서는 이것의 효율을 높이기 위해서 배터리(42)가 완충되면 연료 전지(41)의 전력 생산을 중지시키고, 배터리(42)의 전력만이 부하(40) 측으로 공급되도록 한다. 여기에서, 연료 전지 시스템의 효율이란 보다 적은 연료를 사용하여 연료 전지 시스템의 동일한 출력을 얻어낼 수 있음을 의미한다. 상기된 바와 같이, 배터리(42)의 완충이 이루어지도록 임계값이 설정되고, 배터리(42)의 완충 이후에 배터리(42)의 전력만이 부하(40) 측으로 공급되도록 한다면, 항상 배터리(42)의 완충 이후에 방전이 이루어지게 되어 연료 전지(41)의 빈번한 시동(start-up) 및 중지(stop)의 횟수를 줄일 수 있고, 배터리(42)의 빈번한 충방전 횟수를 줄일 수 있다. 연료 전지(41)의 빈번한 시동 및 중지는 연료 전지(41) 내의 온도 등의 상태를 최적으로 끌어올릴 수 있는 시간과 연료 전지(41) 내의 물을 회수할 수 있는 시간의 확보에 장애가 될 수 있다. 도 4에 도시된 연료 전지 시스템은 연료 전지(41)의 빈번한 시동 및 중지의 횟수를 줄임으로써 이러한 장애를 제거할 수 있다. 또한, 배터리(42)의 충전량 부족에 따른 연료 전지 시스템의 시동의 불안정성도 제거할 수 있다.
한편, 특정 부하(40)의 예로서 연료 전지 시스템에 연결된 부하(40)의 정격 전력(rated power)의 100%, 90%, 80% 중 어느 하나가 될 수 있다. 이 세 가지 예들 중, 특정 부하(40)를 연료 전지 시스템에 연결된 부하(40)의 정격 전력(rated power)의 100%로 한 상태에서 측정된 연료 전지(41)의 출력 전류의 값이 가장 크고, 임계값은 가장 작게 된다. 따라서, 부하(40)에서 정격 전력 이상의 과다 전력을 소비하지 않는 한, 배터리(42)가 완충되는 즉시 방전이 이루어지게 된다. 결국, 다른 예들에 비해 배터리(42)의 충방전 회수가 많게 된다. 배터리(42)가 방전되면, 연료 전지(41)는 중지되기 때문에 배터리(42)의 충방전 회수에 비례하여 연료 전지(41)의 시동 및 중지 회수도 많게 된다. 연료 전지(41)를 시동할 때에 연료 전지 시스템의 출력과는 무관하게 연료 전지(41)의 시동을 위한 연료가 소모되기 때문에 연료 전지(41)의 시동 및 중지 회수가 많을수록 연료 전지 시스템의 효율은 떨어지게 된다.
반대로, 특정 부하(40)를 연료 전지 시스템에 연결된 부하(40)의 정격 전력(rated power)의 80%로 한 상태에서 측정된 연료 전지(41)의 출력 전류의 값이 가장 작고, 임계값은 가장 크게 된다. 따라서, 부하(40)에서 정격 전력의 80% 미만의 전력을 소비하는 경우에 배터리(42)의 방전이 이루어지게 된다. 즉, 부하(40)에서 정격 전력의 80% 이상의 전력을 소비한다면 배터리(42)의 방전이 이루어지지 않게 된다. 연료 전지 시스템의 사용 환경이 계속해서 정격 전력의 80% 이상의 전력이 소비되는 환경이라면, 배터리(42)가 완충된 경우에도 방전은 이루어지지 않게 되므로 연료 전지 시스템의 효율은 떨어지게 된다. 따라서, 연료 전지(41)의 시동 및 중지 회수도 줄이면서 배터리(42)의 충전 전력을 충분히 활용하기 위해서는 특정 부하(40)를 연료 전지 시스템에 연결된 부하(40)의 정격 전력(rated power)의 90%로 하는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 다만, 이와 같은 특정 부하(40)는 하나의 예시일 뿐, 연료 전지 시스템의 사용 환경, 부하(40)의 구동 상태 등을 고려하여 연료 전지 시스템의 효율을 높이기 위한 최적의 값으로 결정되어야 한다.
제어부(46)는 연료 전지(41)의 출력 전류의 값과 목표 전류의 값의 오차가 일정 시간 동안 임계값보다 크면, 연료 전지(41)의 전력 생산을 중지시키기 위하여 BOP(45)의 동작을 정지시킨다. 이와 같이, 제어부(46)는 BOP(45)의 동작을 정지시킴으로써 배터리(42)의 전력만이 부하(40) 측으로 공급되도록 한다. 예를 들어, 목표 전류의 값이 1.8 A이고, 임계값이 0.3 A이고, 일정 시간이 1분이라고 한다면, 제어부(46)는 연료 전지(41)의 현재 출력 전류의 값과 목표 전류 1.8 A의 오차가 1분 동안 임계값 0.3 A보다 크면, 즉 연료 전지(41)의 현재 출력 전류의 값이 1분 동안 1.5 A 미만이면, BOP(45)의 동작을 정지시킨다. 상기된 일정 시간은 부하(40)의 소비 전력이 순간적으로 감소하여 일시적으로 연료 전지(41)의 출력 전류의 값과 목표 전류의 값의 오차가 임계값보다 크게 되는 경우를 배터리(42)가 완충된 경우로 잘못 판단되는 것을 방지할 수 있는 역할을 한다. 따라서, 일정 시간은 부하(40)의 소비 전력의 변동 정도를 고려하여 충분히 긴 구간으로 설정되어야 한다. 다만, 일정 시간을 부하(40)의 소비 전력의 변동 정도에 비해 너무 길게 설정하면, 배터리(42)의 방전 회수가 불필요하게 줄어들게 되어 연료 전지 시스템의 효율이 떨어질 수 있다.
BOP(45)의 동작이 정지되면, 연료 전지(41)로부터의 출력 전력이 없기 때문에 배터리(42)의 충전이 이루어지지 않고, 배터리(42)의 방전만이 진행된다. 배터리(42)가 완전히 방전되면, 부하(40) 측으로의 전력 공급이 끊기게 된다. 따라서, 제어부(44)는 배터리(42)의 방전 진행에 따른 배터리(42)의 전체 방전 전력량(total discharged power quantity)이 기준 전력 소비량(reference power consumption quantity) 이상이면, 연료 전지(41)에서의 전력 생산을 다시 시작하기 위하여, 연료 전지(41)를 시동한다. 또한, BOP(45)의 동작이 정지되면, 연료 전지(41)로부터의 출력 전력이 없기 때문에 부하(40) 외에도 연료 전지 시스템 내부에서 소비되는 전력도 배터리(42)의 충전 전력으로부터 충당된다. 예를 들어, 연료 전지(41)를 시동할 때에 연료 전지(41)로부터의 출력 전력이 없기 때문에 BOP(45)에서 소비되는 전력은 배터리(42)의 충전 전력으로부터 충당된다. 또한, 연료 전지(41)의 성능 및 내구성 유지를 위해 정기적으로 에어 디플리션(air depletion)을 수행하는 경우에도 연료 전지(41)로부터의 출력 전력이 없기 때문에 BOP(45)에서 소비되는 전력은 배터리(42)의 충전 전력으로부터 충당된다. 따라서, 기준 전력 소비량은 연료 전지(41)의 시동 단계에서 BOP(45)에서 소비되는 전력과 연료 전지(41)의 전력만으로 부하(40) 및 BOP(45)의 소비 전력을 모두 충족시킬 수 있을 때까지의 배터리(42)의 총 방전 전력량을 고려하여 결정되어야 한다.
한편, 도 4에 도시된 연료 전지 시스템에 연결되는 부하(40)에 해당하는 디바이스(device)가 변경되는 경우, 예를 들어 휴대폰(mobile phone)에서 노트북 컴퓨터(notebook computer)로 변경되는 경우에 부하(40)의 소비 전력이 다르게 되기 때문에 임계값도 다르게 된다. 한편, 연료 전지 시스템에 다양한 종류의 부하(40)가 수시로 변경되어 결합되는 경우라면, 배터리(42) 측에 전류 검출기(미 도시)를 장착하고, 이것에 의해 배터리(42)로 입력되는 전류가 존재하는가를 검출하는 방식도 고려할 수 있다. 이 방식에 따르면, 제어부(46)는 배터리(42)의 전류 검출기에 의해 배터리(42) 측으로 입력되는 전류가 일정 시간 이상 검출되지 않으면, BOP(45)의 동작을 정지시킨다. 배터리(42) 측으로 입력되는 전류가 일정 시간 이상 검출되지 않는다는 것은 배터리(42)가 완충되었음을 의미한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법의 흐름도이다. 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법은 도 4에 도시된 제어부(46)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 도 4에 도시된 연료 전지 시스템에 관하여 이상에서 기술된 내용은 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법에도 적용된다. 특히, 도 6에 도시된 실시예는 연료 전지(41)의 출력 변화에 따라 연료 전지(41)의 전력과 배터리(42)의 전력을 적절하게 부하(40) 측에 분배하기 위한 제어부(46)의 동작에 관한 것이다.
51 단계에서 제어부(46)는 연료 전지 시스템의 여러 운전 모드들 중 연료 전지(41)를 시동하기 위한 시동 모드(start-up mode)에 따라 BOP(45)의 동작을 제어한다. 즉, 제어부(46)는 시동 모드에 따라 연료 전지(41)를 시동하기 위하여 연료 전지(41)에 연료, 공기 등의 공급량이 서서히 증가하도록 BOP(45)의 연료 펌프, 공기 펌프 등의 동작을 제어한다. 이에 따라, 연료 전지(41)의 현재 출력 전류의 값도 서서히 증가하게 된다.
52 단계에서 제어부(46)는 FC 측정부(43)에 의해 측정된 연료 전지(41)의 현재 출력 전류 값이 목표 전류 값의 50%에 해당하는 안정 상태(stable state)에 도달하면, 연료 전지 시스템의 여러 동작 모드들 중 부하(40)의 소비 전력, 배터리(42)의 충전 전력, 및 BOP(45)의 소비 전력에 대응하여 연료 전지(41)에서의 전력 생산이 이루어지는 정상 모드(normal mode)를 선택하고, 53 단계로 진행한다. 그렇지 않으면, 제어부(46)는 51 단계로 돌아간다. 여기에서, 연료 전지(41)의 안정 상태란 부하(40)의 소비 전력의 변동 등에도 유연하게 대응할 수 있을 정도로 연료 전지(41) 내의 촉매 온도 등과 같은 전기 화학적 반응 환경이 안정화된 상태를 의미한다. 따라서, 상기된 목표 전류 값의 50%는 하나의 예시일 뿐, 연료 전지(41)의 상태에 따라 변경될 수 있다.
53 단계에서 제어부(46)는 연료 전지 시스템의 동작 모드를 시동 모드로부터 정상 모드로 전환하고, 정상 모드에 따라 BOP(45)의 동작을 제어한다. 즉, 제어부(46)는 정상 모드에 따라 부하(40)의 소비 전력, 배터리(42)의 충전 전력, 및 BOP(45)의 소비 전력에 대응하여 연료 전지(41)에서의 전력 생산이 이루어지도록 하기 위하여, 연료 전지(41)의 출력 전류의 값과 목표 전류의 값의 오차의 크기에 기초하여 BOP(45)의 동작량을 제어한다.
DC/DC 컨버터(44)로부터 출력된 전력은 DC/DC 컨버터(44)의 출력 전압과 배터리(42)의 출력 전압간의 전위차에 따라 부하(40) 및 배터리(42) 모두에 공급될 수도 있고, 부하(40)에만 공급될 수도 있다. DC/DC 컨버터(44)로부터 배터리(42)로 출력된 전력은 배터리(42)의 충전에 사용된다. 한편, 부하(40)의 소비 전력이 급격하게 증가한 경우에 연료 전지(41)의 전력과 배터리(42)의 전력이 동시에 부하(40) 측에 공급될 수도 있다. 이와 같은 배터리(42)의 방전에 따라 배터리(42)의 출력 전압이 낮아지거나, 부하(40)의 변동에 따라 부하(40)의 소모 전력이 감소되면, DC/DC 컨버터(44)의 출력 전압이 배터리(42)의 출력 전압보다 높아지게 된다. 이 경우, DC/DC 컨버터(44)의 출력 전류는 배터리(42)로 흘러 들어가게 되어 배터리(42)의 충전이 이루어지게 된다. 배터리(42)의 충전에 사용된 전력은 연료 전지(41)의 발생 전력 중 부하(40) 및 BOP(45)에 공급되고 남은 잉여 전력이다.
54 단계에서 제어부(46)는 연료 전지(41)의 현재 출력 전류의 값과 목표 전류의 값의 오차가 일정 시간 동안 임계값 이하이면, 53 단계로 돌아간다. 그렇지 않으면, 제어부(46)는 연료 전지 시스템의 여러 동작 모드들 중 배터리(42)의 출력 전력만을 부하(40)에 공급하기 위한 배터리 모드(battery mode)를 선택하고, 56 단계로 진행한다. 예를 들어, 목표 전류의 값이 1.8 A이고, 임계값이 0.3 A이고, 일정 시간이 1분이라고 한다면, 제어부(46)는 연료 전지(41)의 출력 전류의 값과 목표 전류 1.8 A의 오차가 1분 동안 임계값 0.3 A 이하이면, 즉 연료 전지(41)의 출력 전류의 값이 1분 동안 1.5 A 이상이면, 55 단계로 진행하고. 그렇지 않으면, 즉 연료 전지(41)의 현재 출력 전류의 값이 1분 동안 1.5 A 미만이면, 제어부(46)는 배터리 모드를 선택하고, 56 단계로 진행한다.
55 단계에서 제어부(46)는 연료 전지 시스템의 연료 전지(41), BOP(45) 등의 동작을 점검하고, 그 결과 연료 전지(41), BOP(45) 등의 동작이 정상인 것으로 확인되면 53 단계로 돌아간다. 정상이 아닌 것으로 확인되면, 제어부(46)는 연료 전지 시스템의 운전을 종료시킨다.
56 단계에서 제어부(46)는 사용자에 의해 연료 전지 시스템의 운전 종료 명령이 입력되었는가를 확인하고, 그 결과 연료 전지 시스템의 운전 종료 명령이 입력되었으면 연료 전지 시스템의 운전을 종료시킨다. 그렇지 않으면, 제어부(46)는 57 단계로 진행한다.
57 단계에서 제어부(46)는 연료 전지 시스템의 동작 모드를 정상 모드로부터 배터리 모드로 전환하고, 배터리 모드에 따라 BOP(45)의 동작을 정지시킨다. 즉, 제어부(46)는 배터리 모드에 따라 배터리(42)의 출력 전력만을 부하(40)에 공급하기 위하여 BOP(45)의 동작을 정지시킨다. 도 4에서 BOP(45)의 동작이 정지되면, 연료 전지(41)로의 연료, 공기 등의 공급이 중단되게 되고, 그 결과 DC/DC 컨버터(44)로부터 출력되는 전력이 없어지게 된다. 따라서, 도 4에서 BOP(45)의 동작이 정지되면, 부하(40)에 연결된 배터리(42)의 출력 전력만이 부하(40) 측으로 공급되게 된다.
58 단계에서 제어부(46)는 57 단계의 배터리 모드에서의 배터리(42)의 방전 진행에 따른 배터리(42)의 전체 방전 전력량 또는 이것에 대응하는 값이 기준 전력 소비량 이상이면, 연료 전지 시스템의 여러 동작 모드들 중 연료 전지(10)를 시동하기 위한 시동 모드(start-up mode)를 선택하고, 51 단계로 진행한다. 그렇지 않으면, 제어부(46)는 57 단계로 돌아간다. 상술한 바와 같이, 배터리(42)의 잔존 용량은 정확하게 측정하기가 어렵고, 별도의 측정 장치가 추가되어야 하기 때문에 배터리(42)의 전체 방전 전력량 대신에 배터리(42)의 전체 방전 전력량에 대응하는 배터리 모드에서의 부하(40)의 전력 소비량이 사용될 수 있다. 배터리 모드에서는 연료 전지(41)로부터의 전력 출력이 없기 때문에 부하(40)의 전력 소비량은 배터리(42)의 전체 방전 전력량에 비례한다. 배터리(42)의 전체 방전 전력량에 대응하는 값은 상기된 부하(40)의 전력 소비량 이외의 다른 값이 될 수도 있다. 예를 들어, 배터리 모드에서의 BOP(45)의 전력 소비량이 될 수도 있다.
한편, 상기된 일정 간격이 짧을수록 배터리 모드로부터 시동 모드로의 전환 시점이 보다 정밀하게 검출될 수 있으나, 제어부(46)의 계산량은 증가하게 된다. 연료 전지 시스템의 배터리로 주로 이용되는 리튬 배터리의 경우에 어떤 한계 이상으로 방전되면, 배터리의 성능이 급격하게 떨어진다. 기준 전력 소비량은 이와 같은 배터리의 성능 열화를 방지하기 위한 것으로서 배터리의 특성을 고려하여 결정된다. 예를 들어, 배터리(42)의 용량이 1000 mAh이면, 배터리의 과방전이 일어나지 않도록 이후의 시동 단계 등에서의 배터리의 추가 방전을 고려하여 500 mAh를 기준 전력 소비량으로 설정한다.
배터리(42)의 용량이 작은 경우에도 기준 전력 소비량을 적절하게 설정함으로써 사용 가능하기 때문에 도 4에 도시된 연료 전지 시스템에 저용량 배터리를 적용할 수 있으며, 이에 따라 연료 전지 시스템의 가격을 낮출 수 있다. 나아가, 저용량 배터리의 경우에 배터리의 중량 및 사이즈가 작기 때문에 연료 전지 시스템의 중량 및 사이즈를 줄일 수 있다. 또한, 기준 전력 소비량을 조정함으로써 배터리(42)의 충방전 범위를 자유롭게 조정할 수 있기 때문에, 배터리(42)의 성능에 맞게 배터리(42)의 충방전 범위를 설정할 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 51 단계에 해당하는 시동 모드의 상세 흐름도이다. 도 6을 참조하면, 도 5에 도시된 51 단계에 해당하는 시동 모드는 다음과 같은 단계들로 구성된다.
61 단계에서 제어부(46)는 연료 전지 시스템의 목표 전류 값을 설정한다. 예를 들어, 제어부(46)는 사용자로부터 목표 전류 값을 입력받고, 그 입력 값으로 목표 전류 값을 설정할 수 있다. 아니면, 제어부(46)는 연료 전지(41)의 열화 정도를 진단하고, 그 진단 결과에 따라 목표 전류 값을 설정할 수 있다. 도 5에 도시된 57 단계의 배터리 모드로부터 시동 모드로 전환되어 시동 모드가 시작된 경우 등 이미 연료 전지(41)의 현재 상태에 맞는 목표 전류 값이 이미 설정되어 있는 경우라면, 제어부(46)는 61 단계를 스킵(skip)하고, 시동 모드를 다음의 62 단계부터 시작할 수도 있다.
62 단계에서 제어부(46)는 연료 전지(41)를 시동하기 위하여 BOP(45)의 연료 펌프, 공기 펌프 등의 동작을 시작함으로써 연료 전지(41)에 연료, 공기 등의 공급을 시작하고, 연료 전지(41)의 워밍업(warming-up)을 위한 연료, 공기 등의 공급량을 참조하여 BOP(45)의 연료 펌프, 공기 펌프 등의 펌핑 동작을 제어한다. 63 단계에서 제어부(46)는 BOP(45)의 연료 펌프, 공기 펌프 등의 펌핑 동작을 제어함으로써 연료 전지(41)의 현재 출력 전류의 값을 목표 전류 값의 50%까지 증가시킨다. 즉, 제어부(46)는 BOP(45)의 연료 펌프, 공기 펌프 등의 펌핑 량을 서서히 증가시킴으로써 연료 전지(41)의 현재 출력 전류의 값을 목표 전류 값의 50%까지 증가시킨다.
BOP(45)의 연료 펌프, 공기 펌프 등의 펌핑 동작을 제어하기 위한 방식의 예들은 다음과 같다. 예를 들어, 제어부(46)는 연료 펌프, 공기 펌프 등의 펌핑 속도를 일정하게 유지하면서 펌핑의 온/오프 비를 조정함으로써 연료 펌프, 공기 펌프 등에 의한 연료, 공기 등의 펌핑 량을 조정(adjust)할 수 있다. 아니면, 제어부(46)는 연료 펌프, 공기 펌프 등의 펌핑의 온(on)을 계속 유지하면서 펌핑 속도를 조정함으로써 연료 펌프, 공기 펌프 등에 의한 연료, 공기 등의 펌핑 량을 조정할 수 있다.
64 단계에서 제어부(46)는 FC 측정부(43)에 의해 측정된 연료 전지(41)의 현재 출력 전류 값이 목표 전류 값의 50%에 해당하는 안정 상태에 도달하면, 시동 모드를 종료한다. 64 단계는 도 5에 도시된 52 단계에 해당한다.
도 7은 도 5에 도시된 53 단계에 해당하는 정상 모드의 상세 흐름도이다. 도 7을 참조하면, 도 5에 도시된 53 단계에 해당하는 정상 모드는 다음과 같은 단계들로 구성된다.
71 단계에서 제어부(46)는 FC 측정부(43)에 의해 측정된 연료 전지(41)의 현재 출력 전류 값에 대응하는 BOP(45)의 연료 펌프, 공기 펌프 등의 펌핑 량, 예를 들어 펌핑의 온/오프 비 또는 펌핑 속도를 계산한다. 72 단계에서 제어부(46)는 일정 간격 단위, 예를 들어 1초 단위로 연료 전지(41)의 현재 출력 전류 값과 목표 전류 값의 오차를 계산한다. 73 단계에서 제어부(46)는 71 단계에서 계산된 오차의 변화에 따라 BOP(45)의 연료 펌프, 공기 펌프 등의 펌핑 량을 조정한다. 즉, 제어부(46)는 연료 전지(41)의 현재 출력 전류 값과 목표 전류 값의 오차가 증가하면 연료 전지(41)로부터 점차 더 적은 전력의 출력이 요구되는 상태로 판단하여 BOP(45)의 연료 펌프, 공기 펌프 등의 펌핑 량을 감소시킨다. 반대로, 제어부(46)는 연료 전지(41)의 현재 출력 전류 값과 목표 전류 값의 오차가 감소하면 연료 전지(41)로부터 점차 더 많은 전력의 출력이 요구되는 상태로 판단하여 BOP(45)의 연료 펌프, 공기 펌프 등의 펌핑 량을 증가시킨다.
74 단계에서 제어부(46)는 연료 전지(41)의 현재 출력 전류의 값과 목표 전류의 값의 오차가 일정 시간 동안 임계값 이하이면, 72 단계로 돌아간다. 그렇지 않으면, 제어부(46)는 정상 모드를 종료한다. 74 단계는 도 5에 도시된 54 단계에 해당한다. 도 5에서는 74 단계에서 72 단계로 바로 돌아가지 않고, 연료 전지 시스템의 동작을 점검하기 위한 55 단계를 수행한 후에 72 단계로 돌아간다. 55 단계는 연료 전지 시스템의 동작을 규칙적으로 점검하기 위한 부수적인 단계로서 74 단계 이후에 반드시 수행되어야 하는 것은 아니기 때문에 도 7에 도시된 실시예에서는 생략되었다. 55 단계는 도 5의 단계들 중 연료 전지(41)가 동작 중인 다른 단계들 사이에 삽입될 수도 있다.
도 8은 도 5에 도시된 57 단계에 해당하는 배터리 모드의 상세 흐름도이다. 도 8을 참조하면, 도 5에 도시된 57 단계에 해당하는 배터리 모드는 다음과 같은 단계들로 구성된다.
81 단계에서 제어부(46)는 배터리 모드에 따라 BOP(45)의 동작을 정지시킴으로써 배터리(42)의 출력 전력만을 부하(40)에 공급한다. 82 단계에서 제어부(46)는 일정 간격 단위, 예를 들어 1분 단위로 배터리 모드에서의 배터리(42)의 방전 진행에 따른 배터리(42)의 출력 전력 또는 이것에 대응하는 값을 적분(integrate)함으로써 그 적분 시점까지의 배터리(42)의 전체 방전 전력량 또는 이것에 대응하는 값을 계산한다. 예를 들어, 배터리(42)의 출력 전력 대신에 부하(40)의 소비 전력을 적분함으로써 그 적분 시점까지의 부하(40)의 소비 전력량을 계산할 수 있다.
83 단계에서 제어부(47)는 82 단계에서 계산된 배터리(42)의 전체 방전 전력량 또는 이것에 대응하는 값이 기준 전력 소비량 이상이면, 배터리 모드를 종료한다. 그렇지 않으면, 제어부(47)는 82 단계로 돌아간다. 83 단계는 도 5에 도시된 58 단계에 해당한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다. 도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지(91), 배터리(92), FC 측정부(93), 제 1 DC/DC 컨버터(94), 제 2 DC/DC 컨버터(95), BOP(96), 및 제어부(97)로 구성된다. 특히, 도 6에 도시된 연료 전지 시스템은 도 4에 도시된 연료 전지 시스템의 하나의 변형 예로서 도 4의 DC/DC 컨버터(44)와 부하(40) 사이에 부하(40)에 입력되는 전압을 안정시키기 위한 DC/DC 컨버터가 추가되었다. 도 4의 기존의 DC/DC 컨버터(44)는 제 1 DC/DC 컨버터(94)에 해당하고, 새로이 추가된 DC/DC 컨버터는 제 2 DC/DC 컨버터(95)에 해당한다.
도 9에 도시된 연료 전지 시스템도 도 4에 도시된 연료 전지 시스템과 마찬가지로 연료 전지(41)의 출력 변화에 따라 연료 전지(41)와 배터리(42) 중 적어도 하나의 출력 전력을 부하(40)에 공급하는 하이브리드(hybrid) 구조를 갖는다. 즉, 도 6에 도시된 연료 전지(91), 배터리(92), FC 측정부(93), 제 1 DC/DC 컨버터(94), BOP(96), 및 제어부(97)는 도 4에 도시된 연료 전지(41), 배터리(42), FC 측정부(43), DC/DC 컨버터(44), BOP(45), 및 제어부(46)와 동일한 기능을 수행한다. 따라서, 이하에서는 새로이 추가된 제 2 DC/DC 컨버터(95)의 동작만을 설명하기로 한다. 이하 생략된 내용이라 하더라도 도 4에 도시된 연료 전지 시스템에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 6에 도시된 연료 전지 시스템에도 적용된다.
제 2 DC/DC 컨버터(95)는 연료 전지(91)와 배터리(92) 중 적어도 하나의 출력 전압을 부하(90)에서 요구하는 소정의 전압으로 변경한다. 도 6에 도시된 연료 전지 시스템에서, 제 1 DC/DC 컨버터(94)는 제어부(97)의 제어에 따라 연료 전지(91)로부터 정전류가 출력되도록 연료 전지(91)의 출력 전압을 변경한다. 즉, 제 1 DC/DC 컨버터(94)는 연료 전지(91)의 정전류 운전을 수행한다. 상술한 바와 같이, 연료 전지(91)의 정전류 운전을 하는 경우, 연료 전지(91)의 출력 전압, 즉 제 1 DC/DC 컨버터(94)의 출력 전압은 변동하게 된다. 제 2 DC/DC 컨버터(95)는 이와 같은 변동되는 제 1 DC/DC 컨버터(94)의 출력 전압을 일정하게 유지하는 역할을 한다.
도 9에 도시된 연료 전지 시스템은 도 4에 도시된 연료 전지 시스템의 하나의 변형 예를 보여주기 위한 것에 불과하다. 이상에서 설명된 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 도 4, 9에 도시된 구성들 외에 이상에서 설명된 기술적 사상의 범주 내에서 여러 가지 변형 예들을 용이하게 설계할 수 있음을 이해할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 구성들에 두 개 이상의 컨버터들이 추가될 수도 있다. 또한, 배터리의 출력 상태를 측정하거나 부하의 입력 상태를 측정하고, 이와 같이 측정된 정보를 이용하여 컨버터, BOP를 온/오프시킴으로써 연료 전지 시스템 내의 전력 소비를 절감하기 위한 요소들이 추가될 수도 있다.
도 10은 도 4에 도시된 연료 전지 시스템에서의 연료 전지(41), 배터리(42), 부하(40)의 입출력 상태의 일례를 나타내는 도면이다. 특히, 도 10에는 목표 전류의 값이 1.8 A이고, 임계값이 0.3 A인 연료 전지 시스템에서 부하(40)의 정격 전력이 25 W인 경우에, 부하(40)의 소비 전력을 정격 전력의 100 %, 75 %, 50 %, 25 %로 변경하면서 측정된 연료 전지(41), 배터리(42), 부하(40)의 입출력 상태가 도시되어 있다. 도 10에서 점선은 연료 전지(41)의 출력 전력을 나타내고, 이중 쇄선은 배터리(42)의 잔존 용량을 나타내고, 일점 쇄선은 부하(40)의 소비 전력을 나타내고, 실선은 연료 전지(41)의 출력 전류를 나타낸다. 도 10의 그래프 중간 중간에 실선과 점선이 수직으로 내려온 부분들은 일시적으로 에어 디플리션이 수행되어 연료 전지(41)의 전력 생산이 간헐적으로 중단된 상태임을 나타낸다.
먼저, 부하(40)의 소비 전력을 정격 전력의 100 %로 설정한 경우를 살펴보기로 한다. 연료 전지(41)의 시동이 완료되어 연료 전지(41)의 출력이 안정화되면, 연료 전지(41)의 출력 전류는 목표 전류 1.8 A로 유지되면서, 연료 전지(41)의 출력 전력은 부하(40) 및 배터리(42) 모두에 공급되게 된다. 도 10을 참조하면, 배터리(42)는 거의 완충된 상태로 연료 전지 시스템의 동작은 시작된다. 배터리(42)의 충전 전력은 연료 전지(41)의 시동을 위한 BOP(45)의 구동에 사용되면서 배터리(42)의 잔존 용량이 떨어지다가, 배터리(42)의 충전이 진행되면서 배터리(42)의 잔존 용량이 상승된다.
배터리(42)로의 전력 공급에 의해 배터리(42)의 충전이 진행됨에 따라 정전류 충전에서 정전압 충전으로 전환되어 배터리(42) 측에서 수용 가능한 전력이 점차 감소하게 된다. 이에 따라, 연료 전지(41)의 출력 전류도 서서히 감소하게 되고, 결국 배터리(42)가 완충되면 연료 전지(41)의 출력 전력은 부하(40)로만 공급되게 된다. 이때, 연료 전지(41)의 출력 전류는 임계값 1.5 A 미만으로 떨어지게 되어, 연료 전지(41)의 전력 생산은 중지되고, 배터리(42)의 출력 전력만이 부하(40) 측으로 공급되게 된다. 도 10을 참조하면, 배터리(42)의 충전 진행에 따라 배터리(42)의 잔존 용량이 100 %에 수렴하는 구간에서, 연료 전지(41)의 출력 전력과 출력 전류가 서서히 감소된다. 그 후, 배터리 모드로 전환되면서 배터리(42)의 방전 진행에 따라 배터리(42)의 잔존 용량이 급격하게 떨어지게 된다.
다음으로, 부하(40)의 소비 전력을 정격 전력의 100%에서 갑자기 75%로 줄였을 경우를 살펴보기로 한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 배터리 모드로 전환하면서 부하(40)의 소비 전력을 감소시켰기 때문에 배터리(42)의 출력 전력만이 부하(40) 측으로 공급되게 된다. 배터리(42)의 방전 진행에 따라 배터리(42)의 방전이 기준 이상 진행된 경우에 부하(40)의 전력 공급 및 배터리(42)의 충전을 위해 다시 연료 전지(41)를 시동한다. 도 10을 참조하면, 배터리(42)의 잔존 용량이 급격하게 떨어지다가 어느 순간 다시 상승하게 된다.
부하(40)의 소비 전력을 정격 전력의 50 % 또는 25 %로 변경한 경우에도 상기된 바와 유사하게 연료 전지(41)의 출력 상태에 따라 배터리(42)의 충전 및 방전이 교대로 반복됨을 알 수 있다. 도 10을 참조하면, 배터리(43)의 잔존 용량이 상승과 하강을 반복한다. 특히, 부하(40)의 소비 전력이 정격인 경우에 배터리(42)의 충전 및 방전이 가장 긴 구간에 걸쳐 일어남을 알 수 있다. 이와 같이, 부하(40)의 소비 전력이 정격인 경우에 연료 전지(41)의 시동 및 중단 횟수가 최대한 줄어들게 되어 연료 전지 시스템의 연비 및 연료 전지(41)의 내구성이 매우 높아지게 된다.
또한, 배터리 모드에서 시동 모드로의 전환은 배터리(42)로부터 출력된 전력을 적분한 값, 즉 배터리(42)의 전체 방전 전력량 또는 이것에 대응하는 값에 따라 이루어지기 때문에 부하(40)의 소비 전력에 관계없이 배터리(42)의 원래 용량을 충분히 사용할 수 있다. 이것에 의해, 배터리(42)의 잦은 충방전을 방지할 수 있게 되어 배터리(42)의 사용 수명을 연장시킬 수 있다. 도 10을 참조하면, 부하(40)의 소비 전력을 변경하는 경우에도 배터리 모드에서 시동 모드로의 전환되는 시점은 항상 배터리(43)의 잔존 용량이 약 50 %가 되는 시점, 즉 부하(40)의 소비 전력량이 기준 소지 전력량 이상이 되는 시점이 된다.
상기된 바와 같이 실시예들에 따르면, 연료 전지(41)의 출력 상태의 변화에 따라 연료 전지 시스템을 운전함으로써 연료 전지(41)로 연료, 물 등이 과다하게 공급되거나 부족하게 되는 현상을 방지할 수 있게 되어 연료 전지 시스템의 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 연료 전지(41)의 출력 상태의 변화에 따라 배터리(42)의 충방전이 이루어지게 되어 연료 전지(41)의 현재 상태에 무관하게 배터리(42)가 빈번하게 충방전되는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라 배터리(42)의 내구성이 향상되게 된다.
한편, 상기된 바와 같이, 제어부(46)에 의해 실행되는 연료 전지 시스템의 운전 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 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.
41 ... 연료 전지
42 ... 배터리
43 ... FC 측정부
44 ... DC/DC 컨버터
45 ... BOP
46 ... 제어부
40 ... 부하

Claims (15)

  1. 연료 전지와 배터리 중 적어도 하나의 출력 전력을 부하에 공급하기 위한 연료 전지 시스템에 있어서,
    상기 부하와 상기 배터리 중 적어도 하나에 전력을 공급하기 위한 연료 전지를 구동하는 BOP(Balance Of Plants); 및
    상기 연료 전지의 출력 상태의 변화에 따라 상기 BOP의 동작을 제어함으로써 상기 부하 측으로의 상기 연료 전지와 상기 배터리 각각의 출력 전력의 공급을 제어하는 제어부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 출력 상태의 변화는 상기 연료 전지의 현재 출력 전류 값의 변화를 포함하는 연료 전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 연료 전지의 현재 출력 전류의 값과 소정의 목표 전류 값의 오차의 크기에 기초하여 상기 BOP의 동작을 제어하는 연료 전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 오차가 임계값 이하이면, 상기 오차의 크기에 기초하여 상기 BOP의 동작량을 제어하는 연료 전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 오차가 임계값 이하이면, 상기 오차의 크기에 반비례하여 상기 BOP의 연료 펌프의 펌핑 량을 조정함으로써 상기 오차의 크기에 반비례하여 상기 연료 전지로의 연료의 공급량을 조정하는 연료 전지 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 오차가 임계값보다 크면, 상기 BOP의 동작을 정지시킴으로써 상기 배터리의 출력 전력만을 상기 부하에 공급하는 연료 전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리의 방전 진행에 따른 배터리의 전체 방전 전력량 또는 상기 전체 방전 전력량에 대응하는 값이 기준 전력 소비량 이상이면, 상기 연료 전지를 시동하는 연료 전지 시스템.
  8. 연료 전지와 배터리 중 적어도 하나의 출력 전력을 부하에 공급하기 위한 연료 전지 시스템의 운전 방법에 있어서,
    상기 연료 전지의 출력 상태의 변화에 기초하여 상기 연료 전지 시스템의 여러 동작 모드들 중 어느 하나를 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 동작 모드에 따라 상기 부하 측으로의 상기 연료 전지와 상기 배터리 각각의 출력 전력의 공급을 제어하는 단계를 포함하는 운전 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 연료 전지의 출력 상태의 변화는 상기 연료 전지의 현재 출력 전류 값의 변화를 포함하는 운전 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 선택하는 단계는 상기 연료 전지의 현재 출력 전류의 값과 소정의 목표 전류 값의 오차의 크기에 기초하여 상기 연료 전지 시스템의 여러 동작 모드들 중 어느 하나를 선택하는 운전 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 선택하는 단계는 상기 오차가 임계값 이하이면, 상기 연료 전지에서의 전력 생산이 이루어지는 정상 모드를 선택하고,
    상기 제어하는 단계는 상기 정상 모드에 따라 상기 오차의 크기에 기초하여 상기 BOP의 동작량을 제어하는 운전 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 정상 모드에 따라 제어하는 단계는
    상기 오차를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 오차의 변화에 따라 상기 BOP의 연료 펌프의 펌핑 량을 조정하는 단계를 포함하는 운전 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 선택하는 단계는 상기 오차가 임계값보다 크면, 상기 배터리의 출력 전력만을 상기 부하에 공급하기 위한 배터리 모드를 선택하고,
    상기 제어하는 단계는 상기 배터리 모드에 따라 상기 BOP의 동작을 정지시키는 운전 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 배터리 모드에서의 배터리의 방전 진행에 따른 배터리의 전체 방전 전력량 또는 상기 전체 방전 전력량에 대응하는 값이 기준 전력 소비량 이상이면, 상기 연료 전지를 시동하기 위한 시동 모드를 선택하는 단계를 더 포함하는 운전 방법.
  15. 제 8 항 내지 제 14 중에 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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