KR20150027538A

KR20150027538A - 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치 및 제어 방법

Info

Publication number: KR20150027538A
Application number: KR20130106026A
Authority: KR
Inventors: 강병희; 양진식
Original assignee: 에스케이이노베이션 주식회사
Priority date: 2013-09-04
Filing date: 2013-09-04
Publication date: 2015-03-12
Also published as: CN104425832B; KR102127293B1; EP2846387A1; EP2846387B1; JP2015050183A; CN104425832A; US20150064587A1; JP6375134B2

Abstract

본 발명에 의한 연료전지 시스템의 제어 장치는, 복수의 연료전지 스택들 중 정상 스택들의 출력을 부하에 공급하는 메인 전력 조절부; 상기 복수의 연료전지 스택들 중 하나 이상의 열화된 스택들의 출력을 부하에 공급하는 서브 전력 조절부; 상기 각각의 연료전지 스택의 출력의 연결 대상을 변경하는 스위칭부; 및 상기 각각의 연료전지 스택의 상태를 감지하여 상기 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함하여, 열화 스택의 성능저하가 정상 스택으로 전파되는 것을 최소화함으로써 전체 연료 전지 시스템의 수명 단축과 내구성 저하를 최소화할 수 있고, 성능이 저하되어 열화된 연료 전지 스택을 별도로 제어하여 서브(Sub) 전력 조절부를 통해 서브 부하에 출력을 제공함으로써 연료전지 시스템을 효율적으로 사용할 수 있으며, 동작불가능한 스택들을 연료 전지 시스템으로부터 분리시킴으로써 전체 연료 전지 시스템의 수명 단축과 내구성 저하를 최소화할 수 있다.

Description

서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치 및 제어 방법{Apparatus and method of controlling fuel cell system using sub-power conditioning system}

본 발명은 연료전지 시스템의 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것으로, 특히 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.

연료전지 스택은 원하는 전기 출력을 얻기 위하여 수십 내지 수백장의 단위 연료전지가 적층되어 연결된 구조를 의미한다. 현재 연료전지 시스템의 대용량화를 위해서는 상기한 연료전지 스택들을 복수 개 연결하여야 한다. 이때 복수 개의 스택들을 서로 직렬, 병렬 또는 직병렬 조합으로 연결하여 사용하게 되는데, 서로 연결된 스택들 중 적어도 하나의 스택에 문제가 발생하여 성능이 저하되면 정상 스택에 전류 부하가 쏠림으로써 정상 스택의 수명과 내구성에 치명적인 영향을 미치게 되는 문제점이 있었다.

도 1은 열화 스택의 성능저하가 정상 스택에 전파되는 것을 설명하기 위한 도면이다. 만약에 20A(암페어)에서 50V(볼트)의 작동 전압을 갖는 정상 스택과 20A에서 40V의 작동 전압을 갖는 열화된 스택이 병렬로 연결된 상태에서 40A의 부하를 걸어줄 경우, 상대적으로 스태미너가 좋은 정상 스택으로 전류가 쏠리는 현상이 발생한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 정상 스택은 40A/2=20A보다 많은 부하인 22A, 45V의 영역에서 동작하여 발열량이 증가함으로써 수명이 단축되고, 열화 스택은 그만큼 적은 부하인 18A, 45V의 영역에서 동작하게 된다. 즉, 스택들을 병렬로 연결하는 경우, 스택들의 전압은 같게 되고, 스택들의 전류-전압 곡선에 따라 전류 편중이 발생하게 된다. 따라서, 스택들을 병렬로 연결하여 사용하는 경우, 열화 스택이 발생하면 정상 스택에 전류 부하가 편중되어 정상 스택의 수명과 내구성에 치명적인 영향을 미치게 된다.

하기의 선행기술문헌에 기재된 특허문헌은, 연료전지 시스템이 불량 상태가 되거나 고장난 경우 스위치를 이용하여 전원 모선에서 해당 연료전지 시스템을 연결해제하고 이중 연료전지 시스템을 전원 모선에 연결하여 부하에 안정적인 전력을 공급하는 조절가능한 연료전지 시스템의 어레이를 가지는 전원 설비를 개시하고 있다. 하지만, 하기의 특허문헌은, 불량이 나거나 고장난 연료전지 시스템을 연결해제하고 이중 연료전지 시스템을 연결하는 것만을 개시하고 있을 뿐, 성능이 저하되어 열화된 연료전지 스택들을 별도로 제어하여 서브 부하의 전력공급원으로 사용하는 것을 개시하고 있지 않다.

따라서, 열화가 발생한 연료전지 스택들을 메인 전력 조절부로부터 분리하여 일부 스택의 성능저하가 다른 정상 스택으로 전파되는 것을 최소화함으로써 전체 연료전지 시스템의 수명 단축과 내구성 저하를 최소화하고, 성능이 저하되어 열화된 연료전지 스택들을 별도로 제어하여 서브(Sub) 전력 조절부(PCS: Power Conditioning System)를 통해 서브 부하에 출력을 제공함으로써 연료전지 시스템을 효율적으로 사용하는 연료전지 시스템의 제어 장치 및 방법이 요구된다.

일본특허출원공표번호 특표2005-526363.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 열화가 발생된 연료전지 스택들을 메인 전력 조절부로부터 분리하여 일부 스택의 성능저하가 다른 정상 스택으로 전파되는 것을 최소화함으로써 전체 연료 전지 시스템의 수명 단축과 내구성 저하를 최소화하고, 성능이 저하되어 열화된 연료전지 스택들을 별도로 제어하여 서브(Sub) 전력 조절부(PCS: Power Conditioning System)를 통해 서브 부하에 출력을 제공함으로써 연료전지 시스템을 효율적으로 사용할 수 있는 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 열화가 발생된 연료전지 스택들을 메인 전력 조절부로부터 분리하여 일부 스택의 성능저하가 다른 정상 스택으로 전파되는 것을 최소화함으로써 전체 연료 전지 시스템의 수명 단축과 내구성 저하를 최소화하고, 성능이 저하되어 열화된 연료전지 스택들을 별도로 제어하여 서브(Sub) 전력 조절부(PCS: Power Conditioning System)를 통해 서브 부하에 출력을 제공함으로써 연료전지 시스템을 효율적으로 사용할 수 있는 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치는,

복수의 연료전지 스택들 중 정상 스택들의 출력을 부하에 공급하는 메인 전력 조절부;

상기 복수의 연료전지 스택들 중 하나 이상의 열화된 스택들의 출력을 부하에 공급하는 서브 전력 조절부;

상기 각각의 연료전지 스택의 출력의 연결 대상을 변경하는 스위칭부; 및

상기 각각의 연료전지 스택의 상태를 감지하여 상기 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치는, 상기 복수의 연료전지 스택들의 상태를 감지하여 상기 복수의 연료전지 스택들의 상태 정보를 상기 제어부에 전달하는 스택 상태 감지부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치에 있어서, 상기 제어부는,

상기 전달된 연료전지 스택들의 상태 정보로부터 적어도 하나의 열화 스택이 감지된 경우, 상기 적어도 하나의 열화 스택의 출력을 상기 메인 전력 조절부로부터 분리하여 상기 서브 전력 조절부에 연결할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치에 있어서, 상기 제어부는,

상기 전달된 연료전지 스택들의 상태 정보로부터 적어도 하나의 동작불가능한 스택이 감지된 경우, 상기 적어도 하나의 동작불가능한 스택의 출력을 상기 메인 전력 조절부로부터 분리할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치에 있어서, 상기 메인 전력 조절부에 출력을 제공하는 정상 스택들은 상기 적어도 하나의 열화 스택을 제외하고 직렬, 병렬 또는 직병렬로 재구성되어 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치에 있어서, 상기 적어도 하나의 열화 스택은 직렬로 재구성되어 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치에 있어서, 상기 스위칭부는,

상기 각각의 스택의 양전압의 공급 대상을 스위칭하기 위한 양전압 스위칭부;

상기 각각의 스택의 음전압의 공급 대상을 스위칭하기 위한 음전압 스위칭부; 및

상기 열화 스택들을 직렬로 연결하여 상기 서브 전력 조절부에 상기 열화 스택들의 출력을 제공하기 위한 열화 스택 연결 스위칭부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치에 있어서,

n을 2 이상의 정수라 할 때, 상기 복수의 스택들은 n개의 스택들을 포함하고, 상기 분류기들은 n개의 분류기들을 포함하며, 제1 내지 제n 분류기의 일단은 각각 제1 내지 제n 스택의 양극에 연결되고,

상기 양전압 스위칭부는 제1 내지 제n 양전압 스위치를 포함하며, 상기 음전압 스위칭부는 제1 내지 제n 음전압 스위치를 포함하고, 상기 열화 스택 연결 스위칭부는 제1 내지 제n 열화 스택 연결 스위치를 포함하며,

상기 제1 내지 제n 양전압 스위치는 각각 공통 단자 및 제1 내지 제3 단자를 포함하고, 상기 제1 내지 제n 음전압 스위치는 각각 공통 단자 및 제1 내지 제3 단자를 포함하며, 상기 제1 내지 제(n-1) 열화 스택 연결 스위치는 공통 단자 및 제1 내지 제3 단자를 포함하고, 상기 제n 열화 스택 연결 스위치는 공통 단자, 제1 단자 및 제2 단자를 포함하며,

상기 제1 내지 제n 양전압 스위치, 상기 제1 내지 제n 음전압 스위치 및 상기 제1 내지 제(n-1) 열화 스택 연결 스위치는 상기 제어부의 제어 신호에 따라 공통 단자를 제1 단자 내지 제3 단자 중 하나의 단자에 연결하고, 상기 제n 열화 스택 연결 스위치는 상기 제어부의 제어 신호에 따라 공통 단자를 제1 단자 또는 제2 단자에 연결할 수 있다.

상기 제1 내지 제n 양전압 스위치의 공통 단자는 각각 제1 내지 제n 분류기의 타단에 연결되고, 상기 제1 내지 제n 양전압 스위치의 제1 단자는 상기 메인 전력 조절부의 양전압 입력 단자에 연결되며, 상기 제1 내지 제n 양전압 스위치의 제2 단자는 개방되어 있고,

상기 제1 내지 제n 음전압 스위치의 공통 단자는 각각 제1 내지 제n 스택의 음극에 연결되고, 상기 제1 내지 제n 음전압 스위치의 제1 단자는 상기 메인 전력 조절부의 음전압 입력 단자에 연결되며, 상기 제1 내지 제n 음전압 스위치의 제2 단자는 개방되어 있고,

상기 제1 내지 제(n-1) 열화 스택 연결 스위치의 공통 단자는 각각 제2 내지 제n 양전압 스위치의 제3 단자에 연결되고, 상기 제1 내지 제n 열화 스택 연결 스위치의 제1 단자는 각각 제1 내지 제n 음전압 스위치의 제3 단자에 연결되며, 상기 제2 내지 제n 열화 스택 연결 스위치의 제2 단자는 각각 상기 제1 내지 제(n-1) 열화 스택 연결 스위치의 공통 단자에 연결되고, 상기 제1 내지 제(n-1) 열화 스택 연결 스위치의 제3 단자 및 상기 제n 열화 스택 연결 스위치의 공통 단자는 상기 서브 전력 조절부의 음전압 입력 단자에 연결되며, 상기 제1 열화 스택 연결 스위치의 제2 단자와 상기 제1 양전압 스위치의 제3 단자는 상기 서브 전력 조절부의 양전압 입력 단자에 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치에 있어서, 상기 복수의 연료전지 스택들은 (n1×1), (n1×n2) 또는 (n1×n2×n3)의 어레이로 배열되고, 상기에서 n1, n2 및 n3은 2 이상의 정수일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치에 있어서, 상기 스택 어레이의 스택들은 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결될 수 있다.

상기 복수의 연료전지 스택들은 소정 수의 연료전지 스택들이 연료전지 스택 모듈로 구성되는 복수의 연료전지 스택 모듈로 구성되고,

상기 제어부는,

상기 연료전지 스택 모듈들의 상태를 감지하여 적어도 하나의 열화 스택 모듈이 존재하는 경우, 상기 적어도 하나의 열화 스택 모듈을 상기 메인 전력 조절부로부터 분리할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 적어도 하나의 열화 스택 모듈의 출력을 상기 서브 전력 조절부로 연결할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의한 연료전지 시스템의 제어 방법은,

제어부가 연료전지 스택들의 상태 정보로부터 적어도 하나의 열화 스택 또는 동작불가능한 스택이 존재하는지를 판단하는 단계; 및

적어도 하나의 열화 스택 또는 동작불가능한 스택이 존재하는 것으로 판단하는 경우, 스위칭부를 제어하여 상기 적어도 하나의 열화 스택 또는 동작불가능한 스택의 출력을 메인 전력 조절부로부터 분리하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예에 의한 연료전지 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 제어부는, 상기 스위칭부를 제어하여 상기 적어도 하나의 열화 스택의 출력을 서브 전력 조절부에 연결할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 메인 전력 조절부에 출력을 제공하는 정상 스택들은 상기 적어도 하나의 열화 스택을 제외하고 직렬, 병렬 또는 직병렬로 재구성되어 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 서브 전력 조절부에 출력을 제공하는 열화된 스택들은 직렬로 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 스위칭부는,

또한, 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 복수의 연료전지 스택들은 소정 수의 연료전지 스택들이 연료전지 스택 모듈로 구성되는 복수의 연료전지 스택 모듈로 구성되고,

상기 제어부는,

또한, 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 제어부는,

상기 적어도 하나의 열화 스택 모듈의 출력을 상기 서브 전력 조절부로 연결할 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 의하면, 열화가 발생된 연료전지 스택들을 메인 전력 조절부로부터 분리하여 일부 스택의 성능저하가 다른 정상 스택으로 전파되는 것을 최소화함으로써 전체 연료전지 시스템의 수명 단축과 내구성 저하를 최소화할 수 있고, 성능이 저하되어 열화된 연료전지 스택을 별도로 제어하여 서브(Sub) 전력 조절부(PCS)를 통해 서브 부하에 출력을 제공함으로써 연료전지 시스템을 효율적으로 사용할 수 있다. 또한, 동작불가능한 스택들을 연료전지 시스템으로부터 분리시킴으로써 전체 연료전지 시스템의 수명 단축과 내구성 저하를 최소화할 수 있다.

도 1은 열화 스택의 성능저하가 정상 스택에 전파되는 것을 설명하기 위한 도면.
도 2는 정상 발전 상태에 있는 본 발명의 일 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치를 도시한 블록도.
도 3은 열화 스택 발생시 발전 상태에 있는 본 발명의 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치를 도시한 블록도.
도 4는 열화 스택 및 동작불가능한 스택 발생시 발전 상태에 있는 본 발명의 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치를 도시한 블록도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 방법을 도시한 흐름도.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.

본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.

또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.

이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 정상 발전 상태에 있는 본 발명의 일 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치를 도시한 블록도이고, 도 3은 열화 스택 발생시 발전 상태에 있는 본 발명의 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치를 도시한 블록도이며, 도 4는 열화 스택 및 동작불가능한 스택 발생시 발전 상태에 있는 본 발명의 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치를 도시한 블록도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.

하기에, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치 및 제어 방법에 대해 설명하기로 한다.

도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치는, 제1 내지 제6 연료전지 스택(STK1 내지 STK6) 중 정상 스택들의 출력을 메인 부하에 공급하는 메인 전력 조절부(200), 상기 제1 내지 제6 연료전지 스택(STK1 내지 STK6) 중 하나 이상의 열화된 스택들의 출력을 서브 부하에 공급하는 서브 전력 조절부(202), 상기 제1 내지 제6 연료전지 스택(STK1 내지 STK6) 각각의 출력의 연결 대상을 변경하는 스위칭부(206, 208, 210), 상기 제1 내지 제6 연료전지 스택(STK1 내지 STK6)의 상태를 감지하여 상기 스위칭부(206, 208, 210)를 제어하는 제어부(204) 및 상기 제1 내지 제6 연료전지 스택(STK1 내지 STK6)의 상태를 감지하여 스택들의 상태 정보를 상기 제어부(204)에 전달하는 스택 상태 감지부로서 상기 제1 내지 제6 연료전지 스택(STK1 내지 STK6)에 흐르는 전류를 감지하는 제1 내지 제6 분류기(R1 내지 R6)를 포함한다.

상기 스위칭부(206, 208, 210)는, 상기 제1 내지 제6 연료전지 스택(STK1 내지 STK6)의 양전압(positive voltage)의 공급 대상을 스위칭하기 위한 양전압 스위칭부(206), 상기 제1 내지 제6 연료전지 스택(STK1 내지 STK6)의 음전압(negative voltage)의 공급 대상을 스위칭하기 위한 음전압 스위칭부(208) 및 열화 스택들을 직렬로 연결하여 상기 서브 전력 조절부(202)에 열화 스택들의 출력을 제공하기 위한 열화 스택 연결 스위칭부(210)를 포함한다.

상기 제1 내지 제6 분류기(R1 내지 R6)의 각각의 일단은 제1 내지 제6 스택(STK1 내지 STK6)의 각각의 양극에 연결되어 있다.

상기 양전압 스위칭부(206)는 제1 내지 제6 양전압 스위치(PSW1 내지 PSW6)를 포함하고, 상기 음전압 스위칭부(208)는 제1 내지 제6 음전압 스위치(NSW1 내지 NSW6)를 포함하며, 상기 열화 스택 연결 스위칭부(210)는 제1 내지 제6 열화 스택 연결 스위치(DSW1 내지 DSW6)를 포함한다.

상기 제1 내지 제6 양전압 스위치(PSW1 내지 PSW6)는 각각 공통 단자(P1_0 내지 P6_0), 제1 단자(P1_1 내지 P6_1), 제2 단자(P1_2 내지 P6_2) 및 제3 단자(P1_3 내지 P6_3)를 포함한다.

상기 제1 내지 제6 음전압 스위치(NSW1 내지 NSW6)는 각각 공통 단자(N1_0 내지 N6_0), 제1 단자(N1_1 내지 N6_1), 제2 단자(N1_2 내지 N6_2) 및 제3 단자(N1_3 내지 N6_3)를 포함한다.

상기 제1 내지 제5 열화 스택 연결 스위치(DSW1 내지 DSW5)는 각각 공통 단자(D1_0 내지 D5_0), 제1 단자(D1_1 내지 D5_1), 제2 단자(D1_2 내지 D5_2) 및 제3 단자(D1_3 내지 D5_3)를 포함하고, 상기 제6 열화 스택 연결 스위치(DSW6)는 공통 단자(D6_0), 제1 단자(D6_1) 및 제2 단자(D6_2)를 포함한다.

상기 제1 내지 제6 양전압 스위치(PSW1 내지 PSW6), 상기 제1 내지 제6 음전압 스위치(NSW1 내지 NSW6) 및 상기 제1 내지 제5 열화 스택 연결 스위치(DSW1 내지 DSW5)는 제어 신호에 따라 공통단자를 제1 단자 내지 제3 단자 중 하나의 단자에 전기적으로 연결하는 SPTT(Single Pole Triple Throw) 스위치이고, 상기 제6 열화 스택 연결 스위치(DSW6)는 공통 단자를 제1 단자 또는 제2 단자에 전기적으로 연결하는 SPDT(Single Pole Double Throw) 스위치이다. 하지만, 본 발명의 제1 내지 제6 양전압 스위치(PSW1 내지 PSW6), 제1 내지 제6 음전압 스위치(NSW1 내지 NSW6) 및 제1 내지 제6 열화 스택 연결 스위치(DSW1 내지 DSW6)는 이에 한정되지 않고, 동일한 기능을 수행하는 다른 구성요소들을 포함할 수 있다.

상기 제1 내지 제6 양전압 스위치(PSW1 내지 PSW6), 상기 제1 내지 제6 음전압 스위치(NSW1 내지 NSW6) 및 상기 제1 내지 제5 열화 스택 연결 스위치(DSW1 내지 DSW5)는 각각 상기 제어부(204)의 제어 신호(PC1 내지 PC6, NC1 내지 NC6, DC1 내지 DC5)에 따라 각각의 공통 단자를 제1 단자 내지 제3 단자 중 하나의 단자에 연결하고, 상기 제6 열화 스택 연결 스위치(DSW6)는 상기 제어부(204)의 제어 신호(DC6)에 따라 공통 단자(D6_0)를 제1 단자(D6_1) 또는 제2 단자(D6_2)에 연결한다.

상기 제1 내지 제6 양전압 스위치(PSW1 내지 PSW6)의 공통 단자(P1_0 내지 P6_0)는 각각 제1 내지 제6 분류기(R1 내지 R6)의 타단에 연결되고, 상기 제1 내지 제6 양전압 스위치(PSW1 내지 PSW6)의 제1 단자(P1_1 내지 P6_1)는 상기 메인 전력 조절부(200)의 양전압 입력 단자(MPI)에 연결되며, 상기 제1 내지 제6 양전압 스위치(PSW1 내지 PSW6)의 제2 단자(P1_2 내지 P6_2)는 개방되어 있다.

상기 제1 내지 제6 음전압 스위치(NSW1 내지 NSW6)의 공통 단자(N1_0 내지 N6_0)는 각각 제1 내지 제6 스택(STK1 내지 STK6)의 음극에 연결되고, 상기 제1 내지 제6 음전압 스위치(NSW1 내지 NSW6)의 제1 단자(N1_1 내지 N6_1)는 상기 메인 전력 조절부(200)의 음전압 입력 단자(MMI)에 연결되며, 상기 제1 내지 제6 음전압 스위치(NSW1 내지 NSW6)의 제2 단자(N1_2 내지 N6_2)는 개방되어 있다.

상기 제1 내지 제5 열화 스택 연결 스위치(DSW1 내지 DSW5)의 공통 단자(D1_0 내지 D5_0)는 각각 제2 내지 제6 양전압 스위치(PSW1 내지 PSW6)의 제3 단자(P1_3 내지 P6_3)에 연결되고, 상기 제1 내지 제6 열화 스택 연결 스위치(DSW1 내지 DSW6)의 제1 단자(D1_1 내지 D6_1)는 각각 제1 내지 제6 음전압 스위치(NSW1 내지 NSW6)의 제3 단자(N1_3 내지 N6_3)에 연결된다.

상기 제2 내지 제6 열화 스택 연결 스위치(DSW2 내지 DSW6)의 제2 단자(D2_2 내지 D6_2)는 각각 상기 제1 내지 제5 열화 스택 연결 스위치(DSW1 내지 DSW5)의 공통 단자(D1_0 내지 D5_0)에 연결되고, 상기 제1 내지 제5 열화 스택 연결 스위치(DSW1 내지 DSW5)의 제3 단자(D1_3 내지 D5_3) 및 상기 제6 열화 스택 연결 스위치(DSW6)의 공통 단자(D6_0)는 상기 서브 전력 조절부(202)의 음전압 입력 단자(SMI)에 연결되며, 상기 제1 열화 스택 연결 스위치(DSW1)의 제2 단자(D1_2)와 제1 양전압 스위치(PSW1)의 제3 단자(P1_3)는 상기 서브 전력 조절부(202)의 양전압 입력 단자(SPI)에 연결되어 있다.

상기에서 연결은 전기적인 연결을 의미하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 또한, 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치는 제1 내지 제6 스택(STK1 내지 STK6)의 6개의 스택들을 제어하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 n을 2 이상의 정수라 할 때, 제1 내지 제n 스택(STK1 내지 STKn)의 n개의 스택들을 제어할 수 있다(미도시). 이 경우, 도 2에 도시된 스위칭부(206, 208, 210)의 구성은 제1 내지 제n 스택(STK1 내지 STKn)의 출력의 연결 대상을 변경하도록 더 확장될 수 있다.

즉, 상기 양전압 스위칭부(206)는 제1 내지 제n 양전압 스위치(PSW1 내지 PSWn)를 포함하고, 상기 음전압 스위칭부(208)는 제1 내지 제n 음전압 스위치(NSW1 내지 NSWn)를 포함하며, 상기 열화 스택 연결 스위칭부(210)는 제1 내지 제n 열화 스택 연결 스위치(DSW1 내지 DSWn)를 포함하여, 제1 내지 제n 스택(STK1 내지 STKn)의 출력의 연결 대상을 변경하도록 구성될 수 있다.

또한, 제1 내지 제n 양전압 스위치(PSW1 내지 PSWn), 제1 내지 제n 음전압 스위치(NSW1 내지 NSWn) 및 제1 내지 제6 열화 스택 연결 스위치(DSW1 내지 DSW6)는 각각 상기 제어부(204)의 제어 신호(PC1 내지 PCn, NC1 내지 NCn, DC1 내지 DCn)에 따라 제어될 수 있다.

또한, 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치는, n1, n2 및 n3을 2 이상의 정수라 할 때, (n1×1), (n1×n2) 또는 (n1×n2×n3)의 어레이로 배열되어 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결되어 있는 복수의 연료전지 스택들 각각을 제어할 수 있다(미도시). 이 경우, 도 2에 도시된 스위칭부(206, 208, 210)의 구성은 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결되어 있는 (n1×1)개의 스택들, (n1×n2)개의 스택들 또는 (n1×n2×n3)개의 스택들의 출력의 연결 대상을 변경하도록 더 확장될 수 있다.

또한, 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치는, 제1 내지 제6 스택(STK1 내지 STK6)과 제1 내지 제6 음전압 스위치(NSW1 내지 NSW6) 사이에 각각 직렬로 연결된 제1b 내지 제6b 스택(STK1b 내지 STK6b)(미도시)을 더 포함할 수 있다.

또한, 도 2에서는 제어부(204) 및 스위칭부(206, 208, 210)에 의해 복수의 연료전지 스택들 각각의 연결이 제어되지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 소정 수의 연료전지 스택들을 연료전지 스택 모듈로 구성하여 복수의 연료전지 스택을 복수의 연료전지 스택 모듈로 구성하여 제어부(204) 및 스위칭부(206, 208, 210)에 의해 복수의 연료전지 스택 모듈 각각의 연결이 제어될 수 있다. 제어부(204)는 상기와 같이 구성된 복수의 연료전지 스택 모듈의 상태를 감지하여 적어도 하나의 열화 스택 모듈이 존재하는 경우, 적어도 하나의 열화 스택 모듈을 상기 메인 전력 조절부(200)로부터 분리하여 상기 서브 전력 조절부(202)에 연결할 수 있다. 즉, 제어부(204)는 복수의 연료전지 스택들을 모듈별로 구성하여 모듈 간의 연결을 제어할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 장치의 동작을 하기에 설명하기로 한다.

정상 스택만 있는 경우의 동작

도 2에서 제어부(204)는 제1 내지 제6 분류기(R1 내지 R6)를 통해 획득되는 제1 스택 내지 제6 스택(STK1 내지 STK6)에 흐르는 전류에 기반하여 성능이 저하되는 열화 스택이 존재하는지를 판단한다.

도 2에서는 모든 스택들이 정상적으로 동작하고 있기 때문에, 제어부(204)는 스위칭부(206, 208, 210)에 제어 신호(PC1 내지 PC6, NC1 내지 NC6, DC1 내지 DC6)를 출력하여, 제1 스택 내지 제6 스택(STK1 내지 STK6)의 출력을 병렬로 연결하여 메인 전력 조절부(200)에 제1 스택 내지 제6 스택(STK1 내지 STK6)의 출력을 공급한다.

열화 스택이 존재하는 경우의 동작

도 3은 열화 스택이 존재하는 경우의 동작을 도시한 것으로, 제어부(204)는 제1 내지 제6 분류기(R1 내지 R6)를 통해 획득되는 제1 스택 내지 제6 스택(STK1 내지 STK6)에 흐르는 전류에 기반하여 성능이 저하되는 적어도 하나의 열화 스택이 존재하는지를 판단한다. 도 3에서 제어부(204)는 제1 스택(STK1) 및 제5 스택(STK5)을 통해 흐르는 전류의 크기가 정상 상태의 전류의 크기보다 작거나 스택 간 전류의 편차가 발생했기 때문에, 제1 스택(STK1) 및 제5 스택(STK5)을 열화 스택으로 판단한다.

제어부(204)는 제1 양전압 스위치(PSW1) 및 제1 음전압 스위치(NSW1)를 제어하여 열화 스택인 제1 스택(STK1)을 메인 전력 조절부(200)로부터 분리하고, 제5 양전압 스위치(PSW5) 및 제5 음전압 스위치(NSW5)를 제어하여 열화 스택인 제5 스택(STK5)을 메인 전력 조절부(200)로부터 분리함으로써, 열화 스택인 제1 스택(STK1) 및 제5 스택(STK5)의 성능 저하가 정상 스택들인 제2 내지 제4 스택(STK2 내지 STK4) 및 제6 스택(STK6)으로 전파되는 것을 방지한다.

상기 동작을 상세히 설명하면, 제어부(204)는 적합한 제어 신호(PC1)를 제1 양전압 스위치(PSW1)에 인가하여 제1 양전압 스위치(PSW1)의 공통단자(P1_0)를 제3 단자(P1_3)에 전기적으로 연결한다. 또한, 제어부(204)는 적합한 제어 신호(NC1)를 제1 음전압 스위치(NSW1)에 인가하여 제1 음전압 스위치(NSW1)의 공통단자(N1_0)를 제3 단자(N1_3)에 전기적으로 연결한다.

또한, 제어부(204)는 적합한 제어 신호(PC5)를 제5 양전압 스위치(PSW5)에 인가하여 제5 양전압 스위치(PSW5)의 공통단자(P5_0)를 제3 단자(P5_3)에 전기적으로 연결한다. 또한, 제어부(204)는 적합한 제어 신호(NC5)를 제5 음전압 스위치(NSW5)에 인가하여 제5 음전압 스위치(NSW5)의 공통단자(N5_0)를 제3 단자(N5_3)에 전기적으로 연결한다.

이에 따라 열화된 스택인 제1 스택(STK1) 및 제5 스택(STK5)은 메인 전력 조절부(200)의 양전압 입력단자(MPI)로부터 분리되기 때문에, 열화 스택인 제1 스택(STK1) 및 제5 스택(STK5)의 성능저하가 정상 스택들인 제2 내지 제4 스택(STK2 내지 STK4) 및 제6 스택(STK6)으로 전파되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 제어부(204)는 제1 내지 제6 열화 스택 연결 스위치(DSW1 내지 DSW6)를 제어하여 열화된 제1 스택(STK1) 및 제5 스택(STK5)을 직렬로 연결하고, 직렬로 연결된 열화된 제1 스택(STK1) 및 제5 스택(STK5)을 서브 전력 조절부(202)에 연결하여, 열화된 제1 스택(STK1) 및 제5 스택(STK5)의 출력을 서브 전력 조절부(202)에 제공한다.

상기 동작을 상세히 설명하면, 제어부(204)는 적합한 제어 신호(DC1 및 DC5)를 제1 및 제5 열화 스택 연결 스위치(DSW1 및 DSW5)에 인가하여 제1 및 제5 열화 스택 연결 스위치(DSW1 및 DSW5) 각각의 공통단자(D1_0 및 D5_0)를 제1 단자(D1_1 및 D5_1)에 전기적으로 연결한다. 또한, 제어부(204)는 적합한 제어 신호(DC2 내지 DC4)를 제2 내지 제4 열화 스택 연결 스위치(DSW2 내지 DSW4)에 인가하여 제2 내지 제4 열화 스택 연결 스위치(DSW2 내지 DSW4) 각각의 공통단자(D2_0 내지 D4_0)를 제2 단자(D2_2 내지 D4_2)에 전기적으로 연결한다. 또한, 제어부(204)는 적합한 제어 신호(DC6)를 제6 열화 스택 연결 스위치(DSW6)에 인가하여 제6 열화 스택 연결 스위치(DSW6)의 공통단자(D6_0)를 제2 단자(D6_2)에 전기적으로 연결한다.

따라서, 열화된 스택인 제1 스택(STK1) 및 제5 스택(STK5)은 서브 전력 조절부(202)와 직렬로 연결된다.

상기와 같이 스택들의 출력의 연결 대상을 변경하면, 메인 전력 조절부(200)는 병렬로 연결된 정상 스택들인 제2 내지 제4 스택(STK2 내지 STK4) 및 제6 스택(STK6)으로부터 정상적으로 전력을 제공받을 수 있고, 서브 전력 조절부(202)는 직렬로 연결된 열화된 제1 스택(STK1) 및 제5 스택(STK5)으로부터 전력을 제공받을 수 있다.

또한, 병렬로 연결된 정상 스택들인 제2 내지 제4 스택(STK2 내지 STK4) 및 제6 스택(STK6)의 출력은 메인 전력부(200)를 통해 메인 부하(214)를 동작시키는데 사용된다.

또한, 직렬로 연결된 열화된 제1 스택(STK1) 및 제5 스택(STK5)의 출력은 전압을 감안하여 서브 전력 조절부(202)를 통해 서브 부하(212)와 같이 부분 부하를 동작시키는데 사용된다. 열화된 제1 스택(STK1) 및 제5 스택(STK5)은 직렬로 연결되어 일정한 부하 전류로 동작하고 서로 간에 성능 저하로 인한 영향은 받지 않으므로, 열화의 속도를 최대한 늦출 수 있다.

열화 스택 및 동작불가능한 스택이 존재하는 경우의 동작

도 4는 열화 스택 및 동작불가능한 스택이 존재하는 경우의 동작을 도시한 것으로, 제어부(204)는 제1 내지 제6 분류기(R1 내지 R6)를 통해 획득되는 제1 스택 내지 제6 스택(STK1 내지 STK6)에 흐르는 전류에 기반하여 성능이 저하되는 적어도 하나의 열화 스택 또는 동작불가능한 스택이 존재하는지를 판단한다. 도 4에서 제어부(204)는 제1 스택(STK1) 및 제4 스택(STK4)을 통해 흐르는 전류의 크기가 정상 상태의 전류의 크기보다 작거나 스택 간 전류의 편차가 발생했기 때문에, 제1 스택(STK1) 및 제4 스택(STK4)을 열화 스택으로 판단한다. 또한, 제5 스택(STK5)을 통해 흐르는 전류의 크기가 소정 크기 미만이기 때문에 제5 스택(STK5)을 동작불가능한 스택으로 판단한다.

제어부(204)는 제1 양전압 스위치(PSW1) 및 제1 음전압 스위치(NSW1)를 제어하여 열화 스택인 제1 스택(STK1)을 메인 전력 조절부(200)로부터 분리하고, 제4 양전압 스위치(PSW4) 및 제4 음전압 스위치(NSW4)를 제어하여 열화 스택인 제4 스택(STK4)을 메인 전력 조절부(200)로부터 분리함으로써, 열화 스택인 제1 스택(STK1) 및 제4 스택(STK4)의 성능 저하가 정상 스택들인 제2 스택(STK2), 제3 스택(STK3) 및 제6 스택(STK6)으로 전파되는 것을 방지한다. 또한, 제어부(204)는 제5 양전압 스위치(PSW5) 및 제5 음전압 스위치(NSW5)를 제어하여 동작불가능한 스택인 제5 스택(STK5)을 메인 전력 조절부(200)로부터 분리한다.

또한, 제어부(204)는 적합한 제어 신호(PC4)를 제4 양전압 스위치(PSW4)에 인가하여 제4 양전압 스위치(PSW4)의 공통단자(P4_0)를 제3 단자(P4_3)에 전기적으로 연결한다. 또한, 제어부(204)는 적합한 제어 신호(NC4)를 제4 음전압 스위치(NSW4)에 인가하여 제4 음전압 스위치(NSW4)의 공통단자(N4_0)를 제3 단자(N4_3)에 전기적으로 연결한다.

이에 따라 열화된 스택인 제1 스택(STK1) 및 제4 스택(STK4)은 메인 전력 조절부(200)로부터 분리되기 때문에, 열화 스택인 제1 스택(STK1) 및 제4 스택(STK4)의 성능저하가 정상 스택들인 제2, 제3 및 제6 스택(STK2, STK3 및 STK6)으로 전파되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 제어부(204)는 적합한 제어 신호(PC5)를 제5 양전압 스위치(PSW5)에 인가하여 제5 양전압 스위치(PSW5)의 공통단자(P5_0)를 제2 단자(P5_2)에 전기적으로 연결한다. 또한, 제어부(204)는 적합한 제어 신호(NC5)를 제5 음전압 스위치(NSW5)에 인가하여 제5 음전압 스위치(NSW5)의 공통단자(N5_0)를 제2 단자(N5_2)에 전기적으로 연결한다. 제5 양전압 스위치(PSW5)의 제2 단자(P5_2)와 제5 음전압 스위치(NSW5)의 제2 단자(N5_2)는 어떤 다른 구성요소와도 연결되지 않고 개방되어 있기 때문에, 동작불가능한 스택인 제5 스택(STK5)은 메인 전력 조절부(200)로부터 분리될 뿐만 아니라 서브 전력 조절부(202)로부터도 분리된다. 따라서, 동작불가능한 스택인 제5 스택(STK5)이 전체 연료전지 시스템에 영향을 끼치는 것을 방지하여, 전체 연료전지 시스템의 수명 단축과 내구성 저하를 최소화할 수 있다.

한편, 제어부(204)는 제1 내지 제6 열화 스택 연결 스위치(DSW1 내지 DSW6)를 제어하여 열화된 제1 스택(STK1) 및 제4 스택(STK4)을 직렬로 연결하고, 직렬로 연결된 열화된 제1 스택(STK1) 및 제4 스택(STK4)을 서브 전력 조절부(202)에 연결하여, 열화된 제1 스택(STK1) 및 제4 스택(STK4)의 출력을 서브 전력 조절부(202)에 제공한다.

상기 동작을 상세히 설명하면, 제어부(204)는 적합한 제어 신호(DC1 및 DC4)를 각각 제1 및 제4 열화 스택 연결 스위치(DSW1 및 DSW4)에 인가하여 제1 및 제4 열화 스택 연결 스위치(DSW1 및 DSW4) 각각의 공통단자(D1_0 및 D4_0)를 제1 단자(D1_1 및 D4_1)에 전기적으로 연결한다.

또한, 제어부(204)는 적합한 제어 신호(DC2, DC3 및 DC5)를 각각 제2, 제3 및 제5 열화 스택 연결 스위치(DSW2, DSW3, DSW5)에 인가하여 제2, 제3 및 제5 열화 스택 연결 스위치(DSW2, DSW3, DSW5) 각각의 공통단자(D2_0, D3_0, D5_0)를 제2 단자(D2_2, D3_2, D5_2)에 전기적으로 연결한다.

또한, 제어부(204)는 적합한 제어 신호(DC6)를 제6 열화 스택 연결 스위치(DSW6)에 인가하여 제6 열화 스택 연결 스위치(DSW6)의 공통단자(D6_0)를 제2 단자(D6_2)에 전기적으로 연결한다.

따라서, 열화된 스택인 제1 스택(STK1) 및 제4 스택(STK4)은 서브 전력 조절부(202)와 직렬로 연결된다.

상기와 같이 스택들의 출력의 연결 대상을 변경하면, 메인 전력 조절부(200)는 병렬로 연결된 정상 스택들인 제2 스택(STK2), 제3 스택(STK3) 및 제6 스택(STK6)으로부터 정상적으로 전력을 제공받을 수 있고, 서브 전력 조절부(202)는 직렬로 연결된 열화된 제1 스택(STK1) 및 제4 스택(STK4)으로부터 전력을 제공받을 수 있다.

또한, 병렬로 연결된 정상 스택들인 제2 스택(STK2), 제3 스택(STK3) 및 제6 스택(STK6)의 출력은 메인 전력 조절부(200)를 통해 메인 부하(214)를 동작시키는데 사용된다.

또한, 직렬로 연결된 열화된 제1 스택(STK1) 및 제4 스택(STK4)의 출력은 전압을 감안하여 서브 전력 조절부(202)를 통해 서브 부하(212)와 같이 부분 부하를 동작시키는데 사용된다. 열화된 제1 스택(STK1) 및 제4 스택(STK4)은 직렬로 연결되어 일정한 부하 전류로 동작하고 서로 간에 성능 저하로 인한 영향은 받지 않으므로, 열화의 속도를 최대한 늦출 수 있다.

서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 방법

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 서브 전력 조절부를 이용한 연료전지 시스템의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 단계 S500에서 제어부(204)는 제1 스택 내지 제6 스택(STK1 내지 STK6)의 상태를 감지하여, 즉 제1 스택 내지 제6 스택(STK1 내지 STK6)의 상태 정보로부터 적어도 하나의 열화 스택 또는 동작불가능한 스택이 존재하는지를 판단한다.

단계 S500에서 적어도 하나의 열화 스택이 존재하는 것으로 판단하는 경우, 단계 S502에서 제어부(204)는 스위칭부(206, 208, 210)를 제어하여 적어도 하나의 열화 스택을 메인 전력 조절부(200)로부터 분리하고, 적어도 하나의 열화 스택을 서브 전력 조절부(202)에 직렬로 연결한다.

단계 S500에서 적어도 하나의 동작불가능한 스택이 존재하는 것으로 판단하는 경우, 단계 S504에서 제어부(204)는 스위칭부(206, 208, 210)를 제어하여 적어도 하나의 동작불가능한 스택을 메인 전력 조절부(200) 및 서브 전력 조절부(202)로부터 분리하여 고립시킨다.

따라서, 적어도 하나의 열화 스택 및 동작불가능한 스택이 정상 스택들에 영향을 미치는 것을 방지할 수 있어서 연료전지 시스템의 수명 단축 및 내구성 저하를 최소화할 수 있다. 또한, 열화 스택들을 직렬로 연결하여 서브 전력 조절부에 출력을 제공하기 때문에 연료전지 시스템을 효율적으로 사용할 수 있다.

본 명세서에서 논의된 방법들은, 적용예에 따라서 다양한 수단을 이용하여 구현될 수도 있다. 예를 들어, 이러한 방법들은 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 임의의 조합의 형태로 구현될 수도 있다. 하드웨어를 수반하는 구현예에서, 제어회로 또는 제어부는 하나 이상의 주문형 집적 회로들(ASICs), 디지털 신호 프로세서들(DSPs), 필드 프로그램가능 게이트 어레이들(FPGAs), 프로세서들, 제어기들, 마이크로-제어기들, 마이크로프로세서들, 전자 장치들, 본 명세서에서 논의된 기능들을 실행하도록 설계된 다른 전자 유닛들 또는 이들의 조합으로 구현될 수도 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

200 : 메인 전력 조절부
202: 서브 전력 조절부
204 : 제어부
206 : 양전압 스위칭부
208 : 음전압 스위칭부
210 : 열화 스택 연결 스위칭부
212 : 메인 부하
214 : 서브 부하
PSW1, ..., PSW6 : 제1 내지 제6 양전압 스위치
NSW1, ..., NSW6 : 제1 내지 제6 음전압 스위치
DSW1, ..., DSW6 : 제1 내지 제6 열화 스택 연결 스위치
STK1, ..., STK6 : 제1 내지 제6 스택
R1, ..., R6 : 제1 내지 제6 분류기

Claims

복수의 연료전지 스택들 중 정상 스택들의 출력을 부하에 공급하는 메인 전력 조절부;
상기 복수의 연료전지 스택들 중 하나 이상의 열화된 스택들의 출력을 부하에 공급하는 서브 전력 조절부;
상기 각각의 연료전지 스택의 출력의 연결 대상을 변경하는 스위칭부; 및
상기 각각의 연료전지 스택의 상태를 감지하여 상기 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함하는 연료전지 시스템의 제어 장치.
청구항 1항에 있어서,
상기 복수의 연료전지 스택들의 상태를 감지하여 상기 복수의 연료전지 스택들의 상태 정보를 상기 제어부에 전달하는 스택 상태 감지부를 더 포함하는 연료전지 시스템의 제어 장치.
청구항 2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 전달된 연료전지 스택들의 상태 정보로부터 적어도 하나의 열화 스택이 감지된 경우, 상기 적어도 하나의 열화 스택의 출력을 상기 메인 전력 조절부로부터 분리하여 상기 서브 전력 조절부에 연결하는 연료전지 시스템의 제어 장치.
청구항 2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 전달된 연료전지 스택들의 상태 정보로부터 적어도 하나의 동작불가능한 스택이 감지된 경우, 상기 적어도 하나의 동작불가능한 스택의 출력을 상기 메인 전력 조절부로부터 분리하는 연료전지 시스템의 제어 장치.
청구항 3항에 있어서,
상기 메인 전력 조절부에 출력을 제공하는 정상 스택들은 상기 적어도 하나의 열화 스택을 제외하고 직렬, 병렬 또는 직병렬로 재구성되어 연결되는 연료전지 시스템의 제어 장치.
청구항 3항 내지 청구항 5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 열화 스택은 직렬로 재구성되어 연결되는 연료전지 시스템의 제어 장치.
청구항 1항에 있어서,
상기 스위칭부는,
상기 각각의 스택의 양전압의 공급 대상을 스위칭하기 위한 양전압 스위칭부;
상기 각각의 스택의 음전압의 공급 대상을 스위칭하기 위한 음전압 스위칭부; 및
상기 열화 스택들을 직렬로 연결하여 상기 서브 전력 조절부에 상기 열화 스택들의 출력을 제공하기 위한 열화 스택 연결 스위칭부를 포함하는 연료전지 시스템의 제어 장치.
청구항 7항에 있어서,
n을 2 이상의 정수라 할 때, 상기 복수의 스택들은 n개의 스택들을 포함하고, 상기 분류기들은 n개의 분류기들을 포함하며, 제1 내지 제n 분류기의 일단은 각각 제1 내지 제n 스택의 양극에 연결되고,
상기 양전압 스위칭부는 제1 내지 제n 양전압 스위치를 포함하며, 상기 음전압 스위칭부는 제1 내지 제n 음전압 스위치를 포함하고, 상기 열화 스택 연결 스위칭부는 제1 내지 제n 열화 스택 연결 스위치를 포함하며,
상기 제1 내지 제n 양전압 스위치는 각각 공통 단자 및 제1 내지 제3 단자를 포함하고, 상기 제1 내지 제n 음전압 스위치는 각각 공통 단자 및 제1 내지 제3 단자를 포함하며, 상기 제1 내지 제(n-1) 열화 스택 연결 스위치는 공통 단자 및 제1 내지 제3 단자를 포함하고, 상기 제n 열화 스택 연결 스위치는 공통 단자, 제1 단자 및 제2 단자를 포함하며,
상기 제1 내지 제n 양전압 스위치, 상기 제1 내지 제n 음전압 스위치 및 상기 제1 내지 제(n-1) 열화 스택 연결 스위치는 상기 제어부의 제어 신호에 따라 공통 단자를 제1 단자 내지 제3 단자 중 하나의 단자에 연결하고, 상기 제n 열화 스택 연결 스위치는 상기 제어부의 제어 신호에 따라 공통 단자를 제1 단자 또는 제2 단자에 연결하는 연료전지 시스템의 제어 장치.
청구항 8항에 있어서,
상기 제1 내지 제n 양전압 스위치의 공통 단자는 각각 제1 내지 제n 분류기의 타단에 연결되고, 상기 제1 내지 제n 양전압 스위치의 제1 단자는 상기 메인 전력 조절부의 양전압 입력 단자에 연결되며, 상기 제1 내지 제n 양전압 스위치의 제2 단자는 개방되어 있고,
상기 제1 내지 제n 음전압 스위치의 공통 단자는 각각 제1 내지 제n 스택의 음극에 연결되고, 상기 제1 내지 제n 음전압 스위치의 제1 단자는 상기 메인 전력 조절부의 음전압 입력 단자에 연결되며, 상기 제1 내지 제n 음전압 스위치의 제2 단자는 개방되어 있고,
상기 제1 내지 제(n-1) 열화 스택 연결 스위치의 공통 단자는 각각 제2 내지 제n 양전압 스위치의 제3 단자에 연결되고, 상기 제1 내지 제n 열화 스택 연결 스위치의 제1 단자는 각각 제1 내지 제n 음전압 스위치의 제3 단자에 연결되며, 상기 제2 내지 제n 열화 스택 연결 스위치의 제2 단자는 각각 상기 제1 내지 제(n-1) 열화 스택 연결 스위치의 공통 단자에 연결되고, 상기 제1 내지 제(n-1) 열화 스택 연결 스위치의 제3 단자 및 상기 제n 열화 스택 연결 스위치의 공통 단자는 상기 서브 전력 조절부의 음전압 입력 단자에 연결되며, 상기 제1 열화 스택 연결 스위치의 제2 단자와 상기 제1 양전압 스위치의 제3 단자는 상기 서브 전력 조절부의 양전압 입력 단자에 연결되는 연료전지 시스템의 제어 장치.
청구항 1항 또는 청구항 2항에 있어서,
상기 복수의 연료전지 스택들은 (n1×1), (n1×n2) 또는 (n1×n2×n3)의 어레이로 배열되고, 상기에서 n1, n2 및 n3은 2 이상의 정수인 연료전지 시스템의 제어 장치.
청구항 10항에 있어서,
상기 스택 어레이의 스택들은 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결되는 연료전지 시스템의 제어 장치.
청구항 1항에 있어서,
상기 복수의 연료전지 스택들은 소정 수의 연료전지 스택들이 연료전지 스택 모듈로 구성되는 복수의 연료전지 스택 모듈로 구성되고,
상기 제어부는,
상기 연료전지 스택 모듈들의 상태를 감지하여 적어도 하나의 열화 스택 모듈이 존재하는 경우, 상기 적어도 하나의 열화 스택 모듈을 상기 메인 전력 조절부로부터 분리하는 연료전지 시스템의 제어 장치.
청구항 12항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 적어도 하나의 열화 스택 모듈의 출력을 상기 서브 전력 조절부로 연결하는 연료전지 시스템의 제어 장치.
연료전지 시스템의 제어 방법에 있어서,
제어부가 연료전지 스택들의 상태 정보로부터 적어도 하나의 열화 스택 또는 동작불가능한 스택이 존재하는지를 판단하는 단계; 및
적어도 하나의 열화 스택 또는 동작불가능한 스택이 존재하는 것으로 판단하는 경우, 스위칭부를 제어하여 상기 적어도 하나의 열화 스택 또는 동작불가능한 스택의 출력을 메인 전력 조절부로부터 분리하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 제어 방법.
청구항 14항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 스위칭부를 제어하여 상기 적어도 하나의 열화 스택의 출력을 서브 전력 조절부에 연결하는 연료전지 시스템의 제어 방법.
청구항 14항에 있어서,
상기 메인 전력 조절부에 출력을 제공하는 정상 스택들은 상기 적어도 하나의 열화 스택을 제외하고 직렬, 병렬 또는 직병렬로 재구성되어 연결되는 연료전지 시스템의 제어 방법.
청구항 15항에 있어서,
상기 서브 전력 조절부에 출력을 제공하는 열화된 스택들은 직렬로 연결되는 연료전지 시스템의 제어 방법.
청구항 17항에 있어서,
상기 스위칭부는,
상기 각각의 스택의 양전압의 공급 대상을 스위칭하기 위한 양전압 스위칭부;
상기 각각의 스택의 음전압의 공급 대상을 스위칭하기 위한 음전압 스위칭부; 및
상기 열화 스택들을 직렬로 연결하여 상기 서브 전력 조절부에 상기 열화 스택들의 출력을 제공하기 위한 열화 스택 연결 스위칭부를 포함하는 연료전지 시스템의 제어 방법.
청구항 14항에 있어서,
상기 복수의 연료전지 스택들은 소정 수의 연료전지 스택들이 연료전지 스택 모듈로 구성되는 복수의 연료전지 스택 모듈로 구성되고,
상기 제어부는,
상기 연료전지 스택 모듈들의 상태를 감지하여 적어도 하나의 열화 스택 모듈이 존재하는 경우, 상기 적어도 하나의 열화 스택 모듈을 상기 메인 전력 조절부로부터 분리하는 연료전지 시스템의 제어 방법.
청구항 19항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 적어도 하나의 열화 스택 모듈의 출력을 상기 서브 전력 조절부로 연결하는 연료전지 시스템의 제어 방법.