KR20150028398A - 연료전지 시스템 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 연료전지 시스템 제어 장치는, 복수의 연료전지 스택들 각각의 상태를 감지하는 복수의 스택 상태 감지부; 상기 복수의 연료전지 스택들 중 적어도 일부를 직렬 또는 병렬로 연결하는 스위칭부; 및 상기 복수의 스택 상태 감지부에 의해 감지된 스택들의 상태에 기반하여 적어도 하나의 열화 스택을 감지하고, 상기 스위칭부의 동작을 제어하여, 감지된 적어도 하나의 열화 스택을 포함하는 적어도 하나의 열화 스택부를 형성하는 제어부를 포함하여, 다수의 전력 조절 시스템(PCS)을 사용하지 않고 값싼 전기 스위치를 이용해 동작 중 빠르고 쉽게 스택들을 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결할 수 있도록 하여 스택 간 성능저하로 인한 파급을 방지함으로써 전체 연료전지 시스템의 내구성을 향상시키고, 용량 저하를 방지하며 수명 단축을 최소화하고, 열화된 스택들과 정상 스택들을 재배열하여 사용함으로써 연료전지 스택들을 효율적으로 사용할 수 있다.

Description

연료전지 시스템 제어 장치 및 제어 방법{Apparatus and method for controlling fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 특히 다수의 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
수십 킬로와트(KW)에서 수 메가와트(MW)의 중대형 발전용 고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) 시스템은 소용량의 여러 연료전지 스택을 연결하여 큰 용량을 갖도록 한다. 연료전지 스택은 원하는 전기 출력을 얻기 위하여 수십 내지 수백장의 단위 연료전지가 적층되어 연결된 구조를 의미한다.
연료전지 스택 연결시 전기적으로 직렬 연결만 할 경우 하나의 스택이라도 문제가 발생하여 셧다운(shut down)되면, 전기적인 연결이 끊겨 전체 연료전지 시스템이 셧다운되는 단점을 갖고 있다. 그래서 일반적으로 스택들 간에 전기적으로 직렬과 병렬 연결을 혼합하여 연료전지 시스템을 구성한다.
하지만, 스택들을 병렬로 연결하는 경우, 연결되어 있는 여러 스택 중 일부 스택에 열화가 발생하면, 그 영향이 다른 정상 스택들로 파급되어, 전체 연료전지 시스템의 내구성 저하를 가속화할 뿐 아니라 용량도 저하되어 수명이 단축된다.
도 1a는 연료전지 스택들을 병렬로 연결하는 경우 스택 간의 열화 파급 영향을 설명하기 위한 도면이고, 도 1b는 연료전지 스택들을 병렬로 연결하는 경우 스택 간의 열화 파급 영향을 설명하기 위한 스택 전압과 스택 전류의 그래프이다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 연료전지 스택들이 전기적으로 병렬로 연결되어 있는 연료전지 시스템에서 하나의 스택이 열화되면([2] 1개 열화), 열화된 스택의 내부 저항이 증가하여 정상 스택에 전류 쏠림 현상이 발생한다. 즉, 병렬 연결된 스택들 중 더 빨리 열화된 스택은 내부 저항 증가로 인해 전류가 적게 흐르고 다른 정상 스택에는 정상 운전시의 전류보다 높은 전류가 흐르게 된다. 즉, 정상 스택으로 전류가 쏠려 전류 불균형을 초래하게 된다. 열화 스택으로 흐르는 전류는 줄어드나, 정상 스택으로 전류가 쏠려 열화가 파급된다([3] 1차 파급).
또한, 열화된 스택은 발열 반응이 작아지면서 온도가 낮아지게 되어 저항이 더욱 커지게 되고 다시 정상 스택으로의 전류 쏠림 현상이 더 심해지면서 정상 스택에 대한 열화 파급 영향이 더 커지게 되기 때문에, 열화 스택과 정상 스택 모두 열화가 가속화된다([4] 2차 파급).
도 1c는 연료전지 시스템에서 스택의 열화 가속시 열화된 스택의 열화가 다른 정상 스택들로 파급되는 것을 도시한 도면이고, 도 1d는 연료전지 시스템에서 스택의 열화 가속시 열화 스택을 포함하는 연료전지 시스템과 정상적인 연료전지 시스템과의 수명을 비교한 그래프이다.
도 1c 및 도 1d를 참조하면, 연료전지 시스템 내에 연결된 여러 스택들 중 일부 스택에 열화가 발생하여 열화가 가속화될 경우 열화된 스택의 열화가 다른 정상적인 스택들에도 파급되어 전체 연료전지 시스템의 내구성 및 용량이 저하되고 수명이 단축된다.
열화된 스택이 다른 정상 스택들에 영향을 주지 않게 하는 가장 쉬운 방법은 연료전지 시스템 내의 모든 스택의 전류 및 전압 등을 독립적으로 제어하는 것이다. 그러나 모든 스택의 전류 및 전압 등을 독립적으로 제어하기 위해서는 시스템의 구성이 복잡해질 뿐 아니라, 비용 증가도 막을 수 없게 된다. 특히 중대형 발전용 SOFC 시스템은 다수의 스택으로 구성되기 때문에 각 스택에 전력 조절 시스템(PCS: Power Conditoning System)을 하나씩 구성하는 것은 상용화시키기 매우 어려운 문제점이 있다.
하기의 선행기술문헌에 기재된 특허문헌1은, 바이패스 회로를 구비한 연료전지 시스템 및 그 구동방법에 관한 것이다. 특허문헌1의 도 2를 참조하면, 특허문헌1의 발명은 바이패스 회로(300) 및 스위칭 회로(250-254)를 포함하여 불량 스택이 발생하는 경우 스위칭 회로를 사용하여 불량 스택을 바이패스시킴으로써 불량 스택이 다른 정상적인 스택에 영향을 주지 않도록 한다.
하지만, 특허문헌1의 발명은 불량 스택을 바이패스시키는 것만을 개시하고 있을 뿐, 열화 스택을 재배열하여 사용하는 것을 전혀 개시하고 있지 않다.
따라서, 다수의 전력 조절 시스템(PCS)을 사용하지 않고 값싼 전기 스위치를 이용해 동작 중 빠르고 쉽게 스택들을 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결하여 스택 간 성능저하로 인한 파급을 방지함으로써 전체 연료전지 시스템의 내구성을 향상시키고, 용량 저하를 방지하며 수명 단축을 최소화하고, 열화된 스택들을 재배열하여 사용함으로써 연료전지 스택들을 효율적으로 사용할 수 있는 연료전지 시스템의 제어 장치 및 제어 방법이 요구된다.
대한민국공개특허공보 공개번호 10-2012-0017596.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 다수의 전력 조절 시스템(PCS)을 사용하지 않고 값싼 전기 스위치를 이용해 동작 중 빠르고 쉽게 스택들을 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결하여 스택 간 성능저하로 인한 파급을 방지함으로써 전체 연료전지 시스템의 내구성을 향상시키고, 용량 저하를 방지하며 수명 단축을 최소화하고, 열화된 스택들과 정상 스택들을 재배열하여 사용함으로써 연료전지 스택들을 효율적으로 사용할 수 있는 연료전지 시스템 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 다수의 전력 조절 시스템(PCS)을 사용하지 않고 값싼 전기 스위치를 이용해 동작 중 빠르고 쉽게 스택들을 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결하여 스택 간 성능저하로 인한 파급을 방지함으로써 전체 연료전지 시스템의 내구성을 향상시키고, 용량 저하를 방지하며 수명 단축을 최소화하고, 열화된 스택들과 정상 스택들을 재배열하여 사용함으로써 연료전지 스택들을 효율적으로 사용할 수 있는 연료전지 시스템 제어 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치는,
복수의 연료전지 스택들 각각의 상태를 감지하는 복수의 스택 상태 감지부;
상기 복수의 연료전지 스택들 중 적어도 일부를 직렬 또는 병렬로 연결하는 스위칭부; 및
상기 복수의 스택 상태 감지부에 의해 감지된 스택들의 상태에 기반하여 적어도 하나의 열화 스택을 감지하고, 상기 스위칭부의 동작을 제어하여, 감지된 적어도 하나의 열화 스택을 포함하는 적어도 하나의 열화 스택부를 형성하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 스위칭부의 동작을 제어하여, 상기 적어도 하나의 열화 스택부를 다른 열화 스택부 또는 적어도 하나의 정상 스택과 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 스위칭부의 동작을 제어하여, 상기 감지된 적어도 하나의 열화 스택을 포함하는 적어도 하나의 열화 스택부 각각을 다른 열화 스택부 또는 적어도 하나의 정상 스택과 직렬로 연결할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치에 있어서, 상기 적어도 하나의 열화 스택부 각각은, 적어도 하나의 열화 스택 및 m개 이상의 정상 스택들을 포함하며, 상기 m은 0 이상의 정수일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 연료전지 시스템 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.
본 발명의 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 스위칭부의 동작을 제어하여 상기 어레이의 스택들을 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결하여, 상기 스택들의 출력을 전력 조절 시스템(PCS)에 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1 내지 제n 스택 상태 감지부에 의해 감지된 스택 상태에 기반하여 적어도 하나의 동작불가능한 스택이 감지되는 경우, 상기 스위칭부의 동작을 제어하여 상기 적어도 하나의 동작불가능한 스택을 전기적으로 상기 연료전지 시스템으로부터 분리할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치에 있어서, 상기 스택 상태 감지부는 상기 스택의 전류 또는 전압을 감지하여 상기 제어부로 전달하고, 상기 제어부는 상기 스택 상태 감지부에서 감지된 전류 또는 전압에 기반하여 열화 스택을 감지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치에 있어서, 상기 스위칭부는,
상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 스택들의 음극들을 선택적으로 상기 전력 조절 시스템의 음전압 입력단자에 연결하기 위한 음극 연결 스위칭부;
상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 스택들 중 이웃하는 스택들의 음극을 서로 연결하거나, 이웃하는 스택들을 직렬로 연결하기 위한 직병렬 연결 스위칭부;
상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 스택들 중 이웃하는 스택들의 양극을 서로 연결하기 위한 병렬 연결 스위칭부; 및
상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 스택들의 양극들을 선택적으로 상기 전력 조절 시스템의 양전압 입력단자에 연결하기 위한 양극 연결 스위칭부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치에 있어서, n을 2이상의 정수라 할 때, 상기 복수의 스택들은 제1 내지 제n 스택을 포함하고, 상기 스택 상태 감지부들은 제1 내지 제n 스택 상태 감지부를 포함하며, 상기 제1 내지 제n 스택 상태 감지부의 일단은 각각 상기 제1 내지 제n 스택의 양극에 연결되고,
상기 음극 연결 스위칭부는 제1 내지 제n 음극 연결 스위치를 포함하며, 상기 직병렬 연결 스위칭부는 제1 내지 제(n-1) 직병렬 연결 스위치를 포함하고, 상기 병렬 연결 스위칭부는 제1 내지 제(n-1) 병렬 연결 스위치를 포함하며, 상기 양극 연결 스위칭부는 제1 내지 제n 양극 연결 스위치를 포함하고,
상기 제1 내지 제(n-1) 직병렬 연결 스위치는, 각각 공통 단자 및 제1 내지 제3 단자를 포함하며,
상기 제1 내지 제n 음극 연결 스위치, 상기 제1 내지 제(n-1) 병렬 연결 스위치 및 상기 제1 내지 제n 양극 연결 스위치는 각각 일단 및 타단을 포함하고, 상기 제어부의 제어 신호에 따라 일단이 타단에 전기적으로 연결되거나 연결해제되며,
상기 제1 내지 제(n-1) 직병렬 연결 스위치는 각각 상기 제어부의 제어 신호에 따라, 공통 단자를 제1 단자 내지 제3 단자 중 하나의 단자에 연결할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치에 있어서, 상기 제1 내지 제n 음극 연결 스위치의 일단은 각각 상기 전력 조절 시스템의 음전압 입력단자에 연결되고, 상기 제1 내지 제n 음극 연결 스위치의 타단은 각각 상기 제1 내지 제n 스택의 음극에 연결되며,
상기 제1 내지 제(n-1) 직병렬 연결 스위치의 공통 단자는 각각 상기 제1 내지 제(n-1) 스택의 음극에 연결되고, 상기 제1 내지 제(n-1) 직병렬 연결 스위치의 제1 단자는 각각 상기 제2 내지 제n 스택 상태 감지부의 타단에 연결되며, 상기 제1 내지 제(n-1) 직병렬 연결 스위치의 제2 단자는 각각 상기 제2 내지 제n 스택의 음극에 연결되고, 상기 제1 내지 제(n-1) 직병렬 연결 스위치의 제3 단자는 개방되어 있으며,
상기 제1 내지 제(n-1) 병렬 연결 스위치의 일단은 각각 상기 제1 내지 제(n-1) 스택 상태 감지부의 타단에 연결되고, 상기 제1 내지 제(n-1) 병렬 연결 스위치의 타단은 각각 상기 제2 내지 제n 스택 상태 감지부의 타단에 연결되며,
상기 제1 내지 제n 양극 연결 스위치의 일단은 각각 상기 제1 내지 제n 스택 상태 감지부의 타단에 연결되고, 상기 제1 내지 제n 양극 연결 스위치의 타단은 각각 상기 전력 조절 시스템의 양전압 입력단자에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치는,
소정 수의 연료전지 스택들을 포함하는 연료전지 스택 모듈을 복수 개 포함하는 연료전지 시스템의 제어 장치에 있어서,
복수의 연료전지 스택 모듈들 각각의 상태를 감지하는 복수의 스택 모듈 상태 감지부;
상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 적어도 일부를 직렬 또는 병렬로 연결하는 스위칭부; 및
상기 복수의 스택 모듈 상태 감지부에 의해 감지된 스택 모듈들의 상태에 기반하여 적어도 하나의 열화 스택 모듈을 감지하고, 상기 스위칭부의 동작을 제어하여, 감지된 적어도 하나의 열화 스택 모듈을 포함하는 적어도 하나의 열화 스택 모듈부를 형성하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 스위칭부의 동작을 제어하여, 상기 적어도 하나의 열화 스택 모듈부를 다른 열화 스택 모듈부 또는 적어도 하나의 정상 스택 모듈과 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 스위칭부의 동작을 제어하여, 상기 감지된 적어도 하나의 열화 스택 모듈을 포함하는 적어도 하나의 열화 스택 모듈부 각각을 다른 열화 스택 모듈부 또는 적어도 하나의 정상 스택 모듈과 직렬로 연결할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치에 있어서, 상기 적어도 하나의 열화 스택 모듈부 각각은, 적어도 하나의 열화 스택 모듈부 및 m개 이상의 정상 스택 모듈들을 포함하며, 상기 m은 0 이상의 정수일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 방법은,
복수의 연료전지 스택이 직렬 또는 병렬로 전기적으로 연결된 연료전지 시스템의 제어 방법에 있어서,
제어부가 상기 연료전지 스택들의 상태를 감지하여 적어도 하나의 열화 스택이 존재하는지를 판단하는 단계; 및
상기 제어부가 적어도 하나의 열화 스택이 존재하는 것으로 판단하는 경우, 스위칭부의 동작을 제어하여, 상기 적어도 하나의 열화 스택을 포함하는 적어도 하나의 열화 스택부를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 방법은, 상기 제어부가 상기 스위칭부의 동작을 제어하여, 상기 적어도 하나의 열화 스택부를 다른 열화 스택부 또는 적어도 하나의 정상 스택과 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 방법에 있어서, 상기 제어부는 상기 스위칭부의 동작을 제어하여, 상기 적어도 하나의 열화 스택부 각각을 다른 열화 스택부 또는 적어도 하나의 정상 스택과 직렬로 연결할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 방법에 있어서, 상기 적어도 하나의 열화 스택부 각각은, 적어도 하나의 열화 스택 및 m개 이상의 정상 스택들을 포함하며, 상기 m은 0 이상의 정수일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 방법에 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 일 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 방법에 있어서, 상기 제어부는, 상기 스위칭부의 동작을 제어하여 상기 어레이의 스택들을 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결하여, 상기 스택들의 출력을 전력 조절 시스템(PCS)에 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 방법에 있어서, 상기 제어부는 상기 연료전지 스택들의 상태를 감지하여 적어도 하나의 동작불가능한 스택이 존재하는지를 판단하여, 적어도 하나의 동작불가능한 스택이 존재하는 경우, 상기 스위칭부의 동작을 제어하여 상기 적어도 하나의 동작불가능한 스택을 전기적으로 상기 연료전지 시스템으로부터 분리할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 방법에 있어서, 상기 스택 상태 감지부는 상기 스택의 전류 또는 전압을 감지하여 상기 제어부로 전달하고, 상기 제어부는 상기 스택 상태 감지부에서 감지된 전류 또는 전압에 기반하여 열화 스택을 감지할 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, 다수의 전력 조절 시스템(PCS)을 사용하지 않고 값싼 전기 스위치를 이용해 동작 중 빠르고 쉽게 스택들을 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결하여 스택 간 성능저하로 인한 파급을 방지함으로써 전체 연료전지 시스템의 내구성을 향상시키고, 용량 저하를 방지하며 수명 단축을 최소화하고, 열화된 스택들과 정상 스택들을 재배열하여 사용함으로써 연료전지 스택들을 효율적으로 사용할 수 있다.
도 1a는 연료전지 스택들을 병렬로 연결하는 경우 스택 간의 열화 파급 영향을 설명하기 위한 도면.
도 1b는 연료전지 스택들을 병렬로 연결하는 경우 스택 간의 열화 파급 영향을 설명하기 위한 스택 전압과 스택 전류의 그래프.
도 1c는 연료전지 시스템에서 스택 열화 가속시 열화가 다른 정상 스택들로 파급되는 것을 도시한 도면.
도 1d는 연료전지 시스템에서 스택 열화 가속시 정상 시스템과의 수명을 비교한 그래프.
도 2a는 정상 스택들만 있는 경우 본 발명의 제1 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치의 동작 블록도.
도 2b는 도 2a의 연료전지 시스템의 연료전지 스택들의 전기적인 구성을 도시한 블록도.
도 3a는 열화 스택이 존재하는 경우 본 발명의 제2 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치의 제1 동작 블록도.
도 3b는 도 3a의 연료전지 시스템의 연료전지 스택들의 전기적인 구성을 도시한 블록도.
도 4a는 열화 스택이 존재하는 경우 본 발명의 제3 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치의 제2 동작 블록도.
도 4b는 도 4a의 연료전지 시스템의 연료전지 스택들의 전기적인 구성을 도시한 블록도.
도 5a는 동작불가능한 스택이 존재하는 경우 본 발명의 제4 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치의 제3 동작 블록도.
도 5b는 도 5a의 연료전지 시스템의 연료전지 스택들의 전기적인 구성을 도시한 블록도.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 시스템 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 2a는 정상 스택들만 있는 경우 본 발명의 제1 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치의 동작 블록도이고, 도 2b는 도 2a의 연료전지 시스템의 연료전지 스택들의 전기적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2a에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치는, 제1 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4) 각각의 상태를 감지하는 제1 내지 제4 스택 상태 감지부(S1 내지 S4), 상기 제1 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4) 중 적어도 일부를 직렬 또는 병렬로 연결하는 스위칭부(200, 202, 204, 206) 및 상기 제1 내지 제4 스택 상태 감지부(S1 내지 S4)에 의해 감지된 스택들의 상태에 기반하여 적어도 하나의 열화 스택을 감지하고, 상기 스위칭부(200, 202, 204, 206)의 동작을 제어하여, 감지된 적어도 하나의 열화 스택을 포함하는 열화 스택부(도 3b에 도시)를 형성하여 적어도 하나의 정상 스택들과 직렬로 연결하는 제어부(212)를 포함한다.
상기 열화 스택부는, 적어도 하나의 열화 스택 및 m개 이상의 정상 스택들을 포함하며, 상기 m은 0 이상의 정수이다.
상기 열화 스택부는 감지된 적어도 하나의 열화 스택을 0개 이상의 소정 수의 정상 스택들과 직렬 또는 병렬로 연결한 구성을 의미한다. 즉, 열화 스택부는 하나 이상의 열화 스택만을 포함하거나, 하나 이상의 열화 스택 및 하나 이상의 정상 스택들을 포함할 수 있다.
본 발명에서는 열화 스택이 존재하는 경우, 제어부(212)가 감지된 적어도 하나의 열화 스택을 0개 이상의 정상 스택들과 직렬 또는 병렬로 연결하여 적어도 하나의 열화 스택부를 형성하고, 형성된 적어도 하나의 열화 스택부를 다른 열화 스택부 또는 다른 정상 스택들과 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결한다.
열화 스택부를 정상 스택들과 직렬로 연결하면 정상 스택들로의 전류 쏠림이 발생하지 않기 때문에, 열화 스택으로 인하여 다른 정상 스택들로 열화가 파급되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 열화 스택을 0개 이상의 정상 스택들과 직렬 또는 병렬로 연결하여 열화 스택부를 형성하면, 열화 스택과 병렬로 연결된 소정 수의 정상 스택들은 전류 쏠림으로 인하여 열화가 진행되지만, 나머지 정상 스택들은 열화 스택의 영향을 받지 않으므로, 열화 스택으로 인한 연료전지 시스템의 성능 저하는 미미하다.
또한, 본 발명은 열화 스택을 연료전지 시스템으로부터 전기적으로 분리하는 것이 아니라, 열화 스택을 0개 이상의 정상 스택들과 직렬 또는 병렬로 연결하여 열화 스택부를 형성하여 열화 스택들과 정상 스택들을 재배열하여 사용하기 때문에, 열화 스택이 동작불가능한 상태가 될 때까지 열화 스택을 사용하는 것이 가능하다. 따라서, 전체 연료전지 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있고 수명 단축을 방지할 수 있으며, 연료전지 시스템을 효율적으로 사용할 수 있다.
도 2a는 정상 스택들만 존재하는 경우의 본 발명의 제1 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치의 동작 블록도로서, 열화 스택이 존재하지 않기 때문에 열화 스택부도 존재하지 않는다.
상기한 열화 스택부에 대한 설명은 도 3a 내지 도 5b를 참조하여 나중에 설명하기로 한다.
상기 제어부(212)는, 상기 스위칭부(200, 202, 204, 206)의 동작을 제어하여 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결된 스택들의 출력을 전력 조절 시스템(208)(PCS: Power Conditioning System)에 공급한다. 전력 조절 시스템(208)은 입력되는 직류 전력을 교류로 변환하고 전력을 조절하여 부하(210)에 출력한다.
상기 제1 내지 제4 스택 상태 감지부(S1 내지 S4)는 제1 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)의 전류 또는 전압을 감지하여 상태 감지 신호(CS1 내지 CS4)를 출력하고, 상기 제어부(212)는 상기 상태 감지 신호(CS1 내지 CS4)에 기반하여 열화 스택을 감지한다.
상기 제1 내지 제4 스택 상태 감지부(S1 내지 S4)는 흐르는 전류를 감지하는 분류기 또는 홀(hall) 센서를 포함할 수 있고, 상기 제어부(212)는 상기 제1 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)의 전류 또는 전압에 기반하여 열화 스택을 감지할 수 있다.
상기 스위칭부(200, 202, 204, 206)는, 상기 제어부(212)의 제어 신호(NC1 내지 NC4)에 따라 상기 제1 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)의 음극들을 선택적으로 상기 전력 조절 시스템(208)의 음전압 입력단자(NI)에 연결하기 위한 음극 연결 스위칭부(200), 상기 제어부(212)의 제어 신호(SPC1, SPC2, SPC3)에 따라 상기 제1 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4) 중 이웃하는 스택들의 음극을 서로 연결하거나, 이웃하는 스택들을 직렬로 연결하기 위한 직병렬 연결 스위칭부(202), 상기 제어부(212)의 제어 신호(IPC1, IPC2, IPC3)에 따라 상기 제1 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4) 중 이웃하는 스택들의 양극을 서로 연결하기 위한 병렬 연결 스위칭부(204) 및 상기 제어부(212)의 제어 신호(PC1 내지 PC4)에 따라 상기 제1 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)의 양극들을 선택적으로 상기 전력 조절 시스템(208)의 양전압 입력단자(PI)에 연결하기 위한 양극 연결 스위칭부(206)를 포함한다.
상기 제1 내지 제4 스택 상태 감지부(S1 내지 S4)의 일단은 각각 상기 제1 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)의 양극에 연결되고, 상기 음극 연결 스위칭부(200)는 제1 내지 제4 음극 연결 스위치(NPSW1 내지 NPSW4)를 포함하며, 상기 직병렬 연결 스위칭부(202)는 제1 내지 제3 직병렬 연결 스위치(SPSW1, SPSW2, SPSW3)를 포함하고, 상기 병렬 연결 스위칭부(204)는 제1 내지 제3 병렬 연결 스위치(IPSW1, IPSW2, IPSW3)를 포함하며, 상기 양극 연결 스위칭부(206)는 제1 내지 제4 양극 연결 스위치(PPSW1 내지 PPSW4)를 포함한다.
상기 제1 내지 제3 직병렬 연결 스위치(SPSW1, SPSW2, SPSW3)는, 각각 공통 단자(N1_0, N2_0, N3_0), 제1 단자(N1_1, N2_1, N3_1), 제2 단자(N1_2, N2_2, N3_2) 및 제3 단자(N1_3, N2_3, N3_3)를 포함한다.
상기 제1 내지 제4 음극 연결 스위치(NPSW1 내지 NPSW4), 상기 제1 내지 제3 병렬 연결 스위치(IPSW1 내지 IPSW3) 및 제1 내지 제4 양극 연결 스위치(PPSW1 내지 PPSW4)는 상기 제어부(212)의 제어 신호(NC1 내지 NC4, IPC1, IPC2, IPC3, PC1, PC2, PC3)에 따라 일단이 타단에 전기적으로 연결되거나 연결해제된다.
상기 제1 내지 제3 직병렬 연결 스위치(SPSW1, SPSW2, SPSW3)는 상기 제어부(212)의 제어 신호(SPC1, SPC2, SPC3)에 따라, 공통 단자(N1_0, N2_0, N3_0)를 제1 단자(N1_1, N2_1, N3_1), 제2 단자(N1_2, N2_2, N3_2) 및 제3 단자(N1_3, N2_3, N3_3) 중 하나의 단자에 연결한다.
상기 제1 내지 제4 음극 연결 스위치(NPSW1 내지 NPSW4)의 일단은 상기 전력 조절 시스템(208)의 음전압 입력단자(NI)에 연결되고, 상기 제1 내지 제4 음극 연결 스위치(NPSW1 내지 NPSW4)의 타단은 각각 상기 제1 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)의 음극에 연결된다.
상기 제1 내지 제3 직병렬 연결 스위치(SPSW1, SPSW2, SPSW3)의 공통 단자(N1_0, N2_0, N3_0)는 각각 상기 제1 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)의 음극에 연결되고, 상기 제1 내지 제3 직병렬 연결 스위치(SPSW1, SPSW2, SPSW3)의 제1 단자(N1_1, N2_1, N3_1)는 각각 상기 제2 내지 제4 스택 상태 감지부(S2 내지 S4)의 타단에 연결되며, 상기 제1 내지 제3 직병렬 연결 스위치(SPSW1, SPSW2, SPSW3)의 제2 단자(N1_2, N2_2, N3_2)는 각각 상기 제2 내지 제4 스택(STK2 내지 STK4)의 음극에 연결되고, 상기 제1 내지 제3 직병렬 연결 스위치(SPSW1, SPSW2, SPSW3)의 제3 단자(N1_3, N2_3, N3_3)는 개방되어 있다. 상기에서 단자가 개방되어 있다는 것은 단자가 아무 곳에도 연결되어 있지 않다는 것을 의미한다.
상기 제1 내지 제3 병렬 연결 스위치(IPSW1, IPSW2, IPSW3)의 일단은 각각 상기 제1 내지 제3 스택 상태 감지부(S1 내지 S3)의 타단에 연결되고, 상기 제1 내지 제3 병렬 연결 스위치(IPSW1, IPSW2, IPSW3)의 타단은 각각 상기 제2 내지 제4 스택 상태 감지부(S2 내지 S4)의 타단에 연결된다.
상기 제1 내지 제4 양극 연결 스위치(PPSW1 내지 PPSW4)의 일단은 각각 상기 제1 내지 제4 스택 상태 감지부(S1 내지 S4)의 타단에 연결되고, 상기 제1 내지 제4 양극 연결 스위치(PPSW1 내지 PPSW4)의 타단은 상기 전력 조절 시스템(208)의 양전압 입력단자(PI)에 연결된다.
본 실시예에서 상기 연료전지는 고체산화물 연료전지를 포함할 수 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
상기 제1 내지 제3 직병렬 연결 스위치(SPSW1, SPSW2, SPSW3)는 제어 신호(SPC1, SPC2, SPC3)에 따라 공통단자를 제1 단자 내지 제3 단자 중 하나의 단자에 전기적으로 연결하는 SPTT(Single Pole Triple Throw) 스위치일 수 있고, 상기 제1 내지 제4 음극 연결 스위치(NPSW1 내지 NPSW4), 상기 제1 내지 제3 병렬 연결 스위치(IPSW1, IPSW2, IPSW3) 및 상기 제1 내지 제4 양극 연결 스위치(PPSW1 내지 PPSW4)는 일단을 타단에 전기적으로 연결하는 SPDT(Single Pole Double Throw) 스위치일 수 있다. 하지만, 상기 스위치들은 이에 한정되지 않고, 동일한 기능을 수행하는 다른 구성요소들을 포함할 수 있다.
도 2a에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치는 제1 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)의 4개의 스택들의 전기적인 연결을 제어하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 n을 2 이상의 정수라 할 때, 제1 내지 제n 스택(STK1 내지 STKn)의 n개의 스택들의 전기적인 연결을 제어할 수 있다(미도시). 이 경우, 도 2a에 도시된 스위칭부(200, 202, 204, 206)의 구성은 제1 내지 제n 스택(STK1 내지 STKn)의 전기적인 구성 연결을 변경하도록 더 확장될 수 있다.
또한, 도 2a에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치는, n1, n2 및 n3를 2 이상의 정수라 할 때, (n1×1)개의 스택들, (n1×n2)개의 스택들 또는 (n1×n2×n3)개의 스택들을 구비하는 스택 어레이의 스택들을 포함할 수 있고, 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결되어 있는 스택 어레이의 스택들의 전기적인 구성 연결을 변경할 수 있다(미도시). 이 경우, 도 2a에 도시된 스위칭부(200, 202, 204, 206)의 구성은 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결되어 있는 (n1×1)개의 스택들, (n1×n2)개의 스택들 또는 (n1×n2×n3)개의 스택들의 전기적인 구성 연결을 변경하도록 더 확장될 수 있다.
또한, 도 2a에서는 제어부(212) 및 스위칭부(200, 202, 204, 206)에 의해 복수의 연료전지 스택들 각각의 연결이 제어되지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 소정 수의 연료전지 스택들을 연료전지 스택 모듈로 구성하고 복수의 연료전지 스택을 복수의 연료전지 스택 모듈로 구성하여 제어부(212) 및 스위칭부(200, 202, 204, 206)에 의해 복수의 연료전지 스택 모듈의 전기적인 구성 연결이 변경되도록 할 수 있다.
즉, 소정 수의 연료전지 스택들을 포함하는 연료전지 스택 모듈을 복수 개 포함하는 연료전지 시스템에서, 제어부(212)는 복수의 스택 모듈 상태 감지부(미도시)에 의해 감지된 스택 모듈들의 상태에 기반하여 적어도 하나의 열화 스택 모듈을 감지하고, 스위칭부(미도시)의 동작을 제어하여, 감지된 적어도 하나의 열화 스택 모듈을 포함하는 열화 스택 모듈부(미도시)를 형성하여 다른 열화 스택 모듈부 또는 적어도 하나의 정상 스택 모듈과 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치의 동작을 하기에 설명하기로 한다.
제1 실시예 : 정상 스택만 있는 경우의 동작
도 2a는 열화 스택이 존재하지 않고 정상 스택들만 있는 경우 본 발명의 제1 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치의 동작 블록도이고, 도 2b는 도 2a의 연료전지 시스템의 연료전지 스택들의 전기적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2a에서 제어부(212)는 제1 내지 제4 스택 상태 감지부(S1 내지 S4)를 통해 획득되는 제1 스택 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)의 상태를 나타내는 상태 감지 신호(CS1 내지 CS4)에 기반하여 성능이 저하되는 열화 스택이 존재하는지를 판단한다.
상기 상태 감지 신호(CS1 내지 CS4)는 제1 스택 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)의 전압 또는 전류를 포함하는 신호일 수 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
도 2a에서는 열화 스택이 존재하지 않고 모든 스택들이 정상적으로 동작하고 있기 때문에, 제어부(212)는 스위칭부(200, 202, 204, 206)에 적합한 제어 신호(NC1 내지 NC4, SPC1, SPC2, SPC3, IPC1, IPC2, IPC3, PC1 내지 PC4)를 출력하여 제1 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)을 병렬로 연결하여 전력 조절 시스템(208)에 제1 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)의 전력을 공급한다.
도 2b는 상기와 같이 열화 스택이 존재하지 않고 정상 스택들만 존재하여, 제1 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)이 병렬로 연결되는 경우 스택들의 전기적인 구성을 도시한 블록도로서, 병렬로 연결된 제1 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)의 전력이 전력 조절 시스템(208)에 공급되는 것을 나타낸다.
제2 실시예 : 열화 스택이 존재하는 경우의 제1 동작
도 3a는 열화 스택이 존재하는 경우 본 발명의 제2 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치의 제1 동작 블록도이고, 도 3b는 도 3a의 연료전지 시스템의 연료전지 스택들의 전기적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 3a에서 제어부(212)는 제1 내지 제4 스택 상태 감지부(S1 내지 S4)를 통해 획득되는 제1 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)의 상태를 나타내는 상태 감지 신호(CS1 내지 CS4)에 기반하여 성능이 저하되는 열화 스택들이 존재하는지를 판단한다.
상기 상태 감지 신호(CS1 내지 CS4)는 제1 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)의 전압 또는 전류를 포함하는 신호일 수 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
도 3a에서는 제2 스택(STK2)에 열화가 발생했다고 가정한다.
따라서, 열화된 스택인 제2 스택(STK2)의 전압 또는 전류는 정상 스택인 제1 스택(STK1), 제3 스택(STK3) 및 제4 스택(STK4)의 전압 또는 전류와 상이할 것이다.
일반적으로 스택이 열화되면 스택의 성능이 저하되어 스택의 전압 및 전류가 정상 상태의 전압 및 전류보다 낮아지게 된다. 따라서, 제어부(212)는 제1 내지 제4 스택 상태 감지부(S1 내지 S4)에서 출력되는 상태 감지 신호(CS1 내지 CS4)에 포함되어 있는 전압 또는 전류를 정상 상태의 전압 또는 전류와 비교하여 스택이 열화되었는지를 판단한다.
도 3a에서는 제2 스택(STK2)에 열화가 발생했으므로, 제어부(212)는 상태 감지 신호(CS2)에 포함되어 있는 전류 또는 전압이 정상 상태의 전압 또는 전류보다 낮다는 것을 감지하여, 제2 스택(STK2)에서 열화가 발생하였다고 판단하여, 제2 스택(STK2)을 열화 스택으로 판단한다.
제어부(212)는 열화 스택이 발생하는 경우, 도 3b와 같이 스택들이 연결되도록 스위칭부(200, 202, 204, 206)의 동작을 제어한다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 제어부(212)는 스위칭부(200, 202, 204, 206)의 동작을 제어하여 열화 스택인 제2 스택(STK2)을 정상 스택인 제1 스택(STK1)과 병렬로 연결하여 열화 스택부(300)를 형성한다.
또한, 제어부(212)는 도 3b에 도시된 바와 같이, 정상 스택들인 제3 스택(STK3)과 제4 스택(STK4)을 병렬로 연결하여 정상 스택부(302)를 형성한 후, 정상 스택부(302)를 열화 스택부(300)와 직렬로 연결한다.
열화 스택부(300)를 참조하면, 정상 스택인 제1 스택(STK1)은 열화 스택인 제2 스택(STK2)과 병렬로 연결되어 있기 때문에, 제1 스택(STK1)에 전류 쏠림 현상이 발생하여 제1 스택(STK1)도 열화가 진행될 수 있다. 하지만, 정상 스택부(302)를 구성하는 나머지 정상 스택들인 제3 스택(STK3) 및 제4 스택(STK4)은 열화 스택인 제2 스택(STK2)과 직렬로 연결되기 때문에, 열화된 제2 스택(STK2)의 성능 저하가 정상 스택인 제3 스택(STK3) 및 제4 스택(STK4)에 파급되는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같이 열화 스택부(300)를 정상 스택부(302) 내의 정상 스택들(STK3, STK4)과 직렬로 연결하면 정상 스택들(STK3, STK4)로의 전류 쏠림이 발생하지 않기 때문에, 열화 스택(STK2)으로 인하여 다른 정상 스택들(STK3, STK4)까지 열화가 파급되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 열화 스택(STK2)을 정상 스택(STK1)과 병렬로 연결하여 열화 스택부(300)를 형성하면, 열화 스택(STK2)과 병렬로 연결된 정상 스택(STK1)은 전류 쏠림으로 인하여 열화가 어느 정도 진행되지만, 나머지 정상 스택들(STK3, STK4)은 열화 스택(STK2)의 영향을 받지 않으므로, 열화 스택(STK2)으로 인한 연료전지 시스템의 성능 저하는 미미하다.
또한, 열화 스택(STK2)의 경우 출력 전압 및 전류가 정상 상태보다 낮더라도 충분히 사용가능하기 때문에, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 스택들(STK1 내지 STK4)을 연결하여 열화 스택(STK2)의 성능 저하가 다른 정상 스택들에 파급되는 것을 방지하면, 열화 스택(STK2)을 폐기하지 않고도, 상기와 같이 열화 스택을 재배열하여 사용할 수 있다. 따라서, 전체 연료전지 시스템의 성능을 저하시키지 않고 열화 스택을 사용할 수 있으며, 전체 연료전지 시스템의 내구성을 향상시키고 수명 단축을 최소화할 수 있다.
도 3a를 다시 참조하여, 제어부(212)가 스위칭부(200, 202, 204, 206)의 동작을 제어하여 스택들(STK1 내지 STK4)을 도 3b와 같이 연결하는 동작에 대해 자세히 설명하기로 한다.
도 3a에서 제2 스택(STK2)에 열화가 발생했으므로, 제어부(212)는 상태 감지 신호(CS2)에 포함되어 있는 전류 또는 전압이 정상 상태의 전압 또는 전류보다 낮다는 것을 감지하여, 제2 스택(STK2)에서 열화가 발생하였다고 판단하고, 제2 스택(STK2)을 열화 스택으로 판단한다.
제어부(212)는, 적합한 제어 신호(NC1, NC2 및 NC4)를 각각 제1, 제2 및 제4 음극 연결 스위치(NPSW1, NPSW2 및 NPSW4)에 인가하여 제1, 제2 및 제4 음극 연결 스위치(NPSW1, NPSW2 및 NPSW4)를 오프 상태가 되도록 한다. 즉, 제1, 제2 및 제4 음극 연결 스위치(NPSW1, NPSW2 및 NPSW4)의 일단이 타단과 연결되지 않도록 한다. 또한, 제어부(212)는 적합한 제어 신호(NC3)를 제3 음극 연결 스위치(NPSW3)에 인가하여 제3 음극 연결 스위치(NPSW3)를 온 상태가 되도록 한다. 즉, 제3 음극 연결 스위치(NPSW3)의 일단이 타단과 연결되도록 한다.
또한, 제어부(212)는 적합한 제어 신호(SPC1)를 제1 직병렬 연결 스위치(SPSW1)에 인가하여 공통 단자(N1_0)가 제2 단자(N1_2)에 연결되도록 하고, 적합한 제어 신호(SPC2)를 제2 직병렬 연결 스위치(SPSW2)에 인가하여 공통 단자(N2_0)가 제1 단자(N2_1)에 연결되도록 하며, 적합한 제어 신호(SPC3)를 제3 직병렬 연결 스위치(SPSW3)에 인가하여 공통 단자(N3_0)가 제2 단자(N3_2)에 연결되도록 한다.
또한, 제어부(212)는 적합한 제어 신호(IPC1)를 제1 병렬 연결 스위치(IPSW1)에 인가하여 오프 상태가 되도록 하고, 적합한 제어 신호(IPC2)를 제2 병렬 연결 스위치(IPSW2)에 인가하여 오프 상태가 되도록 하며, 적합한 제어 신호(IPC3)를 제3 병렬 연결 스위치(IPSW3)에 인가하여 온 상태가 되도록 한다.
또한, 제어부(212)는 적합한 제어 신호(PC1)를 제1 양극 연결 스위치(PPSW1)에 인가하여 온 상태가 되도록 하고, 적합한 제어 신호(PC2)를 제2 양극 연결 스위치(PPSW2)에 인가하여 온 상태가 되도록 하며, 적합한 제어 신호(PC3)를 제3 양극 연결 스위치(PPSW3)에 인가하여 오프 상태가 되도록 하고, 적합한 제어 신호(PC4)를 제4 양극 연결 스위치(PPSW4)에 인가하여 오프 상태가 되도록 한다.
본 발명에서 스위치의 온 상태는 스위치의 일단이 타단과 전기적으로 연결되는 것을 의미하며, 스위치의 오프 상태는 스위치의 일단이 타단과 전기적으로 연결해제, 즉 단절되는 것을 의미한다.
상기와 같이 제어부(212)가 각 스위치(NPSW1 내지 NPSW4, SPSW1, SPSW2, SPSW3, IPSW1, IPSW2, IPSW3, PPSW1 내지 PPSW4)의 동작을 제어하면, 스택들의 전기적인 구성이 도 3b와 같이 형성된다.
즉, 제어부(212)는 스위치들(NPSW1 내지 NPSW4, SPSW1, SPSW2, SPSW3, IPSW1, IPSW2, IPSW3, PPSW1 내지 PPSW4)의 동작을 제어하여 열화 스택인 제2 스택(STK2)을 정상 스택인 제1 스택(STK1)과 병렬로 연결하여 열화 스택부(300)를 형성하고, 정상 스택들인 제3 스택(STK3)과 제4 스택(STK4)을 병렬로 연결하여 정상 스택부(302)를 형성한 후, 열화 스택부(300)를 정상 스택부(302)와 직렬로 연결한다.
정상 스택부(302)를 구성하는 나머지 정상 스택들인 제3 스택(STK3) 및 제4 스택(STK4)은 열화 스택인 제2 스택(STK2)과 직렬로 연결되기 때문에, 열화된 제2 스택(STK2)의 성능 저하가 정상 스택인 제3 스택(STK3) 및 제4 스택(STK4)으로 파급되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 열화 스택(STK2)의 성능 저하가 다른 정상 스택들에게 파급되는 것을 방지함으로써, 열화 스택(STK2)을 폐기하지 않고도, 열화 스택을 재배열하여 사용할 수 있다. 따라서, 전체 연료전지 시스템의 성능을 저하시키지 않고 열화 스택을 사용할 수 있으며, 전체 연료전지 시스템의 내구성을 향상시키고 수명 단축을 최소화할 수 있다.
제3 실시예 : 열화 스택이 존재하는 경우의 제2 동작
도 4a는 열화 스택이 존재하는 경우 본 발명의 제3 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치의 제2 동작 블록도이고, 도 4b는 도 4a의 연료전지 시스템의 연료전지 스택들의 전기적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 4a에서 제어부(212)는 제1 내지 제4 스택 상태 감지부(S1 내지 S4)를 통해 획득되는 제1 스택 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)의 상태를 나타내는 상태 감지 신호(CS1 내지 CS4)에 기반하여 성능이 저하되는 열화 스택이 존재하는지를 판단한다.
상기 상태 감지 신호(CS1 내지 CS4)는 제1 스택 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)의 전압 또는 전류를 포함하는 신호일 수 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
도 4a에서는 제2 스택(STK2)에 열화가 발생했다고 가정한다.
따라서, 열화된 스택인 제2 스택(STK2)의 전압 또는 전류는 정상 스택인 제1 스택(STK1), 제3 스택(STK3) 및 제4 스택(STK4)의 전압 또는 전류와 상이할 것이다.
일반적으로 스택이 열화되면 스택의 성능이 저하되어 스택의 전압 및 전류가 정상 상태의 전압 및 전류보다 낮아지게 된다. 따라서, 제어부(212)는 제1 내지 제4 스택 상태 감지부(S1 내지 S4)에서 출력되는 상태 감지 신호(CS1 내지 CS4)에 포함되어 있는 전압 또는 전류를 정상 상태의 전압 또는 전류와 비교하여 스택이 열화되었는지를 판단한다.
도 4a에서는 제2 스택(STK2)에 열화가 발생했으므로, 제어부(212)는 상태 감지 신호(CS2)에 포함되어 있는 전류 또는 전압이 정상 상태의 전압 또는 전류보다 낮다는 것을 감지하여, 제2 스택(STK2)에서 열화가 발생하였다고 판단하여, 제2 스택(STK2)을 열화 스택으로 판단한다.
제어부(212)는 열화 스택이 발생하는 경우, 도 4b와 같이 스택들이 연결되도록 스위칭부(200, 202, 204, 206)의 동작을 제어한다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 제어부(212)는 스위칭부(200, 202, 204, 206)의 동작을 제어하여 열화 스택인 제2 스택(STK2)을 정상 스택인 제1 스택(STK1), 제3 스택(STK3) 및 제4 스택(STK4)과 직렬로 연결한다. 도 4a 및 도 4b에서 열화 스택부(400)는 제2 스택(STK2)이다. 즉, 도 4b에서 열화 스택부(400)는 정상 스택을 하나도 포함하지 않고, 열화된 스택인 제2 스택(STK2)만을 포함한다.
정상 스택들인 제1 스택(STK1), 제3 스택(STK3) 및 제4 스택(STK4)은 열화 스택인 제2 스택(STK2)과 직렬로 연결되기 때문에, 열화된 제2 스택(STK2)의 성능 저하가 정상 스택인 제1 스택(STK1), 제3 스택(STK3) 및 제4 스택(STK4)에 파급되는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같이 열화 스택부(400)를 정상 스택들(STK1, STK3, STK4)과 직렬로 연결하면 정상 스택들(STK1, STK3, STK4)로의 전류 쏠림이 발생하지 않기 때문에, 열화 스택(STK2)으로 인하여 다른 정상 스택들(STK1, STK3, STK4)로 열화가 파급되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 열화 스택(STK2)의 경우 출력 전압 및 전류가 정상 상태보다 낮더라도 충분히 사용가능하기 때문에, 열화 스택(STK2)의 성능 저하가 다른 정상 스택들에게 파급되는 것을 방지하면, 열화 스택(STK2)을 폐기하지 않고도, 상기와 같이 열화 스택을 재배열하여, 사용할 수 있다. 따라서, 전체 연료전지 시스템의 성능을 저하시키지 않고 열화 스택을 사용할 수 있으며, 전체 연료전지 시스템의 내구성을 향상시키고 수명 단축을 최소화할 수 있다.
도 4a를 다시 참조하여, 제어부(212)가 스위칭부(200, 202, 204, 206)의 동작을 제어하여 스택들을 도 4b와 같이 연결하는 동작에 대해 자세히 설명하기로 한다.
도 4a에서 제2 스택(STK2)에 열화가 발생했으므로, 제어부(212)는 상태 감지 신호(CS2)에 포함되어 있는 전류 또는 전압이 정상 상태의 전압 또는 전류보다 낮다는 것을 감지하여, 제2 스택(STK2)에서 열화가 발생하였다고 판단하여, 제2 스택(STK2)을 열화 스택으로 판단한다.
제어부(212)는, 적합한 제어 신호(NC1, NC2, NC3)를 각각 제1 내지 제3 음극 연결 스위치(NPSW1 내지 NPSW3)에 인가하여 제1 내지 제3 음극 연결 스위치(NPSW1 내지 NPSW3)를 오프 상태가 되도록 한다. 즉, 제1 내지 제3 음극 연결 스위치(NPSW1 내지 NPSW3)의 일단이 타단과 연결되지 않도록 한다. 또한, 제어부(212)는 적합한 제어 신호(NC4)를 제4 음극 연결 스위치(NPSW4)에 인가하여 제4 음극 연결 스위치(NPSW4)를 온 상태가 되도록 한다. 즉, 제4 음극 연결 스위치(NPSW4)의 일단이 타단과 연결되도록 한다.
또한, 제어부(212)는 적합한 제어 신호(SPC1)를 제1 직병렬 연결 스위치(SPSW1)에 인가하여 공통 단자(N1_0)가 제1 단자(N1_1)에 연결되도록 하고, 적합한 제어 신호(SPC2)를 제2 직병렬 연결 스위치(SPSW2)에 인가하여 공통 단자(N2_0)가 제1 단자(N2_1)에 연결되도록 하며, 적합한 제어 신호(SPC3)를 제3 직병렬 연결 스위치(SPSW3)에 인가하여 공통 단자(N3_0)가 제1 단자(N3_1)에 연결되도록 한다.
또한, 제어부(212)는 적합한 제어 신호(IPC1)를 제1 병렬 연결 스위치(IPSW1)에 인가하여 오프 상태가 되도록 하고, 적합한 제어 신호(IPC2)를 제2 병렬 연결 스위치(IPSW2)에 인가하여 오프 상태가 되도록 하며, 적합한 제어 신호(IPC3)를 제3 병렬 연결 스위치(IPSW3)에 인가하여 오프 상태가 되도록 한다.
또한, 제어부(212)는 적합한 제어 신호(PC1)를 제1 양극 연결 스위치(PPSW1)에 인가하여 온 상태가 되도록 하고, 적합한 제어 신호(PC2)를 제2 양극 연결 스위치(PPSW2)에 인가하여 오프 상태가 되도록 하며, 적합한 제어 신호(PC3)를 제3 양극 연결 스위치(PPSW3)에 인가하여 오프 상태가 되도록 하고, 적합한 제어 신호(PC4)를 제4 양극 연결 스위치(PPSW4)에 인가하여 오프 상태가 되도록 한다.
본 발명에서 스위치의 온 상태는 스위치의 일단이 타단과 전기적으로 연결되는 것을 의미하며, 스위치의 오프 상태는 스위치의 일단이 타단과 전기적으로 연결해제, 즉 단절되는 것을 의미한다.
상기와 같이 제어부(212)가 각 스위치(NPSW1 내지 NPSW4, SPSW1, SPSW2, SPSW3, IPSW1, IPSW2, IPSW3, PPSW1 내지 PPSW4)의 동작을 제어하면, 스택들의 전기적인 구성이 도 4b와 같이 형성된다.
즉, 제어부(212)는 스위치들(NPSW1 내지 NPSW4, SPSW1, SPSW2, SPSW3, IPSW1, IPSW2, IPSW3, PPSW1 내지 PPSW4)의 동작을 제어하여 열화 스택인 제2 스택(STK2)을 정상 스택인 제1 스택(STK1), 제3 스택(STK3) 및 제4 스택(STK4)과 직렬로 연결한다.
정상 스택인 제1 스택(STK1), 제3 스택(STK3) 및 제4 스택(STK4)은 열화 스택인 제2 스택(STK2)과 직렬로 연결되기 때문에, 열화된 제2 스택(STK2)의 성능 저하가 정상 스택인 제1 스택(STK1), 제3 스택(STK3) 및 제4 스택(STK4)으로 파급되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 열화 스택(STK2)의 성능 저하가 다른 정상 스택들에게 파급되는 것을 방지함으로써, 열화 스택(STK2)을 폐기하지 않고도, 열화 스택을 재배열하여 사용할 수 있다. 따라서, 전체 연료전지 시스템의 성능을 저하시키지 않고 열화 스택을 사용할 수 있으며, 전체 연료전지 시스템의 내구성을 향상시키고 수명 단축을 최소화할 수 있다.
표 1은 제1 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)의 4개의 스택에 대해 정상 스택만 있는 제1 실시예, 열화 스택이 존재할 때 본 발명에 따라 전기적인 구성을 변경하는 제2 실시예와 제3 실시예 및 열화 스택이 존재하지만 본 발명을 적용하지 않는 경우의 각각의 스택의 상태 및 출력 전력을 비교한 표이다.
제1 실시예
(운전 초기, 4개의 정상 스택을 병렬 연결)		 제2 스택에서
열화 발생		 아무런 조치도
취하지 않음		 제2 실시예
[도 3a 및 도 3b]
(열화 스택부와 정상 스택부를 직렬로 연결)		 제3 실시예
[도 4a 및 도 4b]
(열화 스택을 정상 스택들과 직렬 연결)
전체
용량:
전압/전류
전력		 50V/100A
5,000W		 48V/104A
4,992W		 98V/50A
4,900W		 196V/25A
4,900W
제1 스택 50V/25A 50V/25A 48V/27A 48V/27A 50V/25A
제2 스택 50V/25A 46V/25A 48V/23A 48V/23A 46V/25A
제3 스택 50V/25A 50V/25A 48V/27A 50V/25A 50V/25A
제4 스택 50V/25A 50V/25A 48V/27A 50V/25A 50V/25A
결과 모든 스택들이 열화됨 제2 스택과 병렬로 연결된 제1 스택은 약간 열화되지만,
정상 스택인 제3 스택 및 제4 스택은 열화되지 않음		 다른 정상 스택들은 열화되지 않음
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 아무런 조치도 취하지 않은 연료전지 시스템의 전체 용량은 본 발명의 제2 실시예 및 제3 실시예에 연료전지 시스템의 제어 장치를 사용하는 경우보다 많은 것처럼 보이지만, 아무런 조치도 취하지 않는 경우 제2 스택(STK2)의 열화가 다른 정상 스택들로 파급되어 모든 스택들이 열화되므로, 시간이 경과함에 따라 더 빠른 속도로 전체 용량의 저하가 나타날 것이다.
이에 반하여, 본 발명의 제2 실시예 및 제3 실시예에서는 열화된 스택인 제2 스택(STK2)의 열화가 열화된 스택과 병렬로 연결된 스택 이외의 다른 정상 스택들로 파급되는 것을 방지하여, 시간이 경과함에 따른 연료전지 시스템의 용량 저하가 미미하다. 따라서, 본 발명에 의하면, 연료전지 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있고 수명 단축을 방지할 수 있으며, 열화된 스택을 재배열하여 사용함으로써 연료전지 스택들을 효율적으로 사용할 수 있다.
제4 실시예 : 동작불가능한 스택이 존재하는 경우의 동작
도 5a는 동작불가능한 스택이 존재하는 경우 본 발명의 제4 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 장치의 제3 동작 블록도이고, 도 5b는 도 5a의 연료전지 시스템의 연료전지 스택들의 전기적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 5a에서 제어부(212)는 제1 내지 제4 스택 상태 감지부(S1 내지 S4)를 통해 획득되는 제1 스택 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)의 상태를 나타내는 상태 감지 신호(CS1 내지 CS4)에 기반하여 동작불가능한 스택이 존재하는지를 판단한다.
상기 상태 감지 신호(CS1 내지 CS4)는 제1 스택 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)의 전압 또는 전류를 포함하는 신호일 수 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
도 5a에서는 제2 스택(STK2)이 동작불가능한 상태에 있다고 가정한다. 따라서, 동작불가능한 스택인 제2 스택(STK2)의 전압 또는 전류는 정상 스택인 제1 스택(STK1), 제3 스택(STK3) 및 제4 스택(STK4)의 전압 또는 전류와 상이할 것이다.
일반적으로 스택이 동작불가능하면 스택의 성능이 매우 저하되어 스택의 전압 및 전류가 정상 상태의 전압 및 전류보다 훨씬 더 낮아지게 된다. 따라서, 제어부(212)는 제1 내지 제4 스택 상태 감지부(S1 내지 S4)에서 출력되는 상태 감지 신호(CS1 내지 CS4)에 포함되어 있는 전압 또는 전류를 정상 상태의 전압 또는 전류와 비교하여 스택이 동작불가능한지를 판단한다.
도 5a에서는 제2 스택(STK2)이 동작불가능한 상태에 있으므로, 제어부(212)는 상태 감지 신호(CS2)에 포함되어 있는 전류 또는 전압이 정상 상태의 전압 또는 전류보다 낮다는 것을 감지하여, 제2 스택(STK2)이 동작불가능하다고 판단하여, 제2 스택(STK2)을 동작불가능한 스택으로 판단한다.
제어부(212)는 동작불가능한 스택이 발생하는 경우, 도 5b와 같이 스택들이 연결되도록 스위칭부(200, 202, 204, 206)의 동작을 제어한다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 제어부(212)는 스위칭부(200, 202, 204, 206)의 동작을 제어하여 동작불가능한 스택인 제2 스택(STK2)을 정상 스택인 제1 스택(STK1), 제3 스택(STK3) 및 제4 스택(STK4)으로부터 전기적으로 분리시켜, 동작불가능한 스택인 제2 스택(STK2)을 연료전지 시스템으로부터 전기적으로 고립시킨다.
정상 스택들인 제1 스택(STK1), 제3 스택(STK3) 및 제4 스택(STK4)은 동작불가능한 스택인 제2 스택(STK2)으로부터 전기적으로 분리되기 때문에, 동작불가능한 스택인 제2 스택(STK2)의 성능 저하가 정상 스택인 제1 스택(STK1), 제3 스택(STK3) 및 제4 스택(STK4)으로 파급되는 것을 방지할 수 있다.
도 5a를 다시 참조하여, 제어부(212)가 스위칭부(200, 202, 204, 206)의 동작을 제어하여 스택들을 도 5b와 같이 연결하는 동작에 대해 자세히 설명하기로 한다.
도 5a에서 제2 스택(STK2)이 동작불가능하므로, 제어부(212)는 상태 감지 신호(CS2)에 포함되어 있는 전류 또는 전압이 정상 상태의 전압 또는 전류보다 낮다는 것을 감지하여, 제2 스택(STK2)이 동작불가능하다고 판단하여, 제2 스택(STK2)을 동작불가능한 스택으로 판단한다.
제어부(212)는, 적합한 제어 신호(NC1, NC3, NC4)를 각각 제1, 제3 및 제4 음극 연결 스위치(NPSW1, NPSW3 및 NPSW4)에 인가하여 제1, 제3 및 제4 음극 연결 스위치(NPSW1, NPSW3 및 NPSW4)를 온 상태가 되도록 한다. 즉, 제1, 제3 및 제4 음극 연결 스위치(NPSW1, NPSW3 및 NPSW4)의 일단이 타단과 연결되도록 한다. 또한, 제어부(212)는 적합한 제어 신호(NC2)를 제2 음극 연결 스위치(NPSW2)에 인가하여 제2 음극 연결 스위치(NPSW2)를 오프 상태가 되도록 한다. 즉, 제4 음극 연결 스위치(NPSW4)의 일단이 타단과 연결되지 않도록 한다.
또한, 제어부(212)는 적합한 제어 신호(SPC1)를 제1 직병렬 연결 스위치(SPSW1)에 인가하여 공통 단자(N1_0)가 제3 단자(N1_3)에 연결되도록 하고, 적합한 제어 신호(SPC2)를 제2 직병렬 연결 스위치(SPSW2)에 인가하여 공통 단자(N2_0)가 제3 단자(N2_3)에 연결되도록 하며, 적합한 제어 신호(SPC3)를 제3 직병렬 연결 스위치(SPSW3)에 인가하여 공통 단자(N3_0)가 제3 단자(N3_3)에 연결되도록 한다.
또한, 제어부(212)는 적합한 제어 신호(IPC1)를 제1 병렬 연결 스위치(IPSW1)에 인가하여 오프 상태가 되도록 하고, 적합한 제어 신호(IPC2)를 제2 병렬 연결 스위치(IPSW2)에 인가하여 오프 상태가 되도록 하며, 적합한 제어 신호(IPC3)를 제3 병렬 연결 스위치(IPSW3)에 인가하여 오프 상태가 되도록 한다.
또한, 제어부(212)는 적합한 제어 신호(PC1)를 제1 양극 연결 스위치(PPSW1)에 인가하여 온 상태가 되도록 하고, 적합한 제어 신호(PC2)를 제2 양극 연결 스위치(PPSW2)에 인가하여 오프 상태가 되도록 하며, 적합한 제어 신호(PC3)를 제3 양극 연결 스위치(PPSW3)에 인가하여 온 상태가 되도록 하고, 적합한 제어 신호(PC4)를 제4 양극 연결 스위치(PPSW4)에 인가하여 온 상태가 되도록 한다.
본 발명에서 스위치의 온 상태는 스위치의 일단이 타단과 전기적으로 연결되는 것을 의미하며, 스위치의 오프 상태는 스위치의 일단이 타단과 전기적으로 연결해제, 즉 단절되는 것을 의미한다.
상기와 같이 제어부(212)가 각 스위치(NPSW1 내지 NPSW4, SPSW1, SPSW2, SPSW3, IPSW1, IPSW2, IPSW3, PPSW1 내지 PPSW4)의 동작을 제어하면, 스택들의 전기적인 구성이 도 5b와 같이 형성된다.
즉, 제어부(212)는 스위치들(NPSW1 내지 NPSW4, SPSW1, SPSW2, SPSW3, IPSW1, IPSW2, IPSW3, PPSW1 내지 PPSW4)의 동작을 제어하여 동작불가능한 스택인 제2 스택(STK2)을 정상 스택인 제1 스택(STK1), 제3 스택(STK3) 및 제4 스택(STK4)으로부터 전기적으로 분리시킨다.
따라서, 동작불가능한 스택인 제2 스택(STK2)의 성능 저하가 다른 정상 스택들로 파급되는 것을 방지할 수 있으므로, 전체 연료전지 시스템의 내구성을 향상시키고 수명 단축을 최소화할 수 있다.
연료전지 시스템 제어 방법
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 시스템 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 단계 S600에서 제어부(212)는 제1 스택 내지 제4 스택(STK1 내지 STK4)의 전압 또는 전류에 기반하여 열화 스택 또는 동작불가능한 스택이 존재하는지를 판단한다.
단계 S600에서 적어도 하나의 열화 스택이 존재하는 것으로 판단하는 경우, 단계 S602에서 제어부(212)는 스위칭부(200, 202, 204, 206)의 동작을 제어하여 감지된 적어도 하나의 열화 스택을 포함하는 적어도 하나의 열화 스택부를 형성하고, 형성된 적어도 하나의 열화 스택부를 다른 열화 스택부 또는 적어도 하나의 정상 스택과 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결한다.
상기 단계 S600에서 동작불가능한 스택이 존재하는 것으로 판단하는 경우, 단계 S604에서 제어부(212)는 스위칭부(200, 202, 204, 206)의 동작을 제어하여 동작불가능한 스택을 전기적으로 연료전지 시스템으로부터 분리하여 고립시킨다.
따라서, 열화 스택들 및 동작불가능한 스택들이 정상 스택들에 영향을 미치는 것을 최소화하거나 방지할 수 있어서 연료전지 시스템의 내구성을 향상시키고 수명 단축을 최소화할 수 있다. 또한, 열화 스택들을 재배열하여 사용할 수 있으므로 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 : 음극 연결 스위칭부
202 : 직병렬 연결 스위칭부
204 : 병렬 연결 스위칭부
206 : 양극 연결 스위칭부
208 : 전력 조절 시스템
210 : 부하
212 : 제어부
STK1, ..., STK4 : 제1 내지 제4 스택
S1, ..., S4 : 제1 내지 제4 스택 상태 감지부
NPSW1, ..., NPSW4 : 제1 내지 제4 음극 연결 스위치
SPSW1, SPSW2, SPSW3 : 제1 내지 제3 직병렬 연결 스위치
IPSW1, IPSW2, IPSW3 : 제1 내지 제3 병렬 연결 스위치
PPSW1, ..., PPSW4 : 제1 내지 제4 양극 연결 스위치

Claims (23)

  1. 복수의 연료전지 스택들 각각의 상태를 감지하는 복수의 스택 상태 감지부;
    상기 복수의 연료전지 스택들 중 적어도 일부를 직렬 또는 병렬로 연결하는 스위칭부; 및
    상기 복수의 스택 상태 감지부에 의해 감지된 스택들의 상태에 기반하여 적어도 하나의 열화 스택을 감지하고, 상기 스위칭부의 동작을 제어하여, 감지된 적어도 하나의 열화 스택을 포함하는 적어도 하나의 열화 스택부를 형성하는 제어부를 포함하는 연료전지 시스템 제어 장치.
  2. 청구항 1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 스위칭부의 동작을 제어하여, 상기 적어도 하나의 열화 스택부를 다른 열화 스택부 또는 적어도 하나의 정상 스택과 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결하는 연료전지 시스템 제어 장치.
  3. 청구항 1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 스위칭부의 동작을 제어하여, 상기 감지된 적어도 하나의 열화 스택을 포함하는 적어도 하나의 열화 스택부 각각을 다른 열화 스택부 또는 적어도 하나의 정상 스택과 직렬로 연결하는 연료전지 시스템 제어 장치.
  4. 청구항 1항 내지 청구항 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열화 스택부 각각은,
    적어도 하나의 열화 스택 및 m개 이상의 정상 스택들을 포함하며, 상기 m은 0 이상의 정수인 연료전지 시스템 제어 장치.
  5. 청구항 4항에 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 시스템 제어 장치.
  6. 청구항 5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 스위칭부의 동작을 제어하여 상기 어레이의 스택들을 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결하여, 상기 스택들의 출력을 전력 조절 시스템(PCS)에 공급하는 연료전지 시스템 제어 장치.
  7. 청구항 6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 내지 제n 스택 상태 감지부에 의해 감지된 스택 상태에 기반하여 적어도 하나의 동작불가능한 스택이 감지되는 경우, 상기 스위칭부의 동작을 제어하여 상기 적어도 하나의 동작불가능한 스택을 전기적으로 상기 연료전지 시스템으로부터 분리하는 연료전지 시스템 제어 장치.
  8. 청구항 7항에 있어서,
    상기 스택 상태 감지부는 상기 스택의 전류 또는 전압을 감지하여 상기 제어부로 전달하고,
    상기 제어부는 상기 스택 상태 감지부에서 감지된 전류 또는 전압에 기반하여 열화 스택을 감지하는 연료전지 시스템 제어 장치.
  9. 청구항 8항에 있어서,
    상기 스위칭부는,
    상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 스택들의 음극들을 선택적으로 상기 전력 조절 시스템의 음전압 입력단자에 연결하기 위한 음극 연결 스위칭부;
    상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 스택들 중 이웃하는 스택들의 음극을 서로 연결하거나, 이웃하는 스택들을 직렬로 연결하기 위한 직병렬 연결 스위칭부;
    상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 스택들 중 이웃하는 스택들의 양극을 서로 연결하기 위한 병렬 연결 스위칭부; 및
    상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 스택들의 양극들을 선택적으로 상기 전력 조절 시스템의 양전압 입력단자에 연결하기 위한 양극 연결 스위칭부를 포함하는 연료전지 시스템 제어 장치.
  10. 청구항 9항에 있어서,
    n을 2이상의 정수라 할 때, 상기 복수의 스택들은 제1 내지 제n 스택을 포함하고, 상기 스택 상태 감지부들은 제1 내지 제n 스택 상태 감지부를 포함하며, 상기 제1 내지 제n 스택 상태 감지부의 일단은 각각 상기 제1 내지 제n 스택의 양극에 연결되고,
    상기 음극 연결 스위칭부는 제1 내지 제n 음극 연결 스위치를 포함하며, 상기 직병렬 연결 스위칭부는 제1 내지 제(n-1) 직병렬 연결 스위치를 포함하고, 상기 병렬 연결 스위칭부는 제1 내지 제(n-1) 병렬 연결 스위치를 포함하며, 상기 양극 연결 스위칭부는 제1 내지 제n 양극 연결 스위치를 포함하고,
    상기 제1 내지 제(n-1) 직병렬 연결 스위치는, 각각 공통 단자 및 제1 내지 제3 단자를 포함하며,
    상기 제1 내지 제n 음극 연결 스위치, 상기 제1 내지 제(n-1) 병렬 연결 스위치 및 상기 제1 내지 제n 양극 연결 스위치는 각각 일단 및 타단을 포함하고, 상기 제어부의 제어 신호에 따라 일단이 타단에 전기적으로 연결되거나 연결해제되며,
    상기 제1 내지 제(n-1) 직병렬 연결 스위치는 각각 상기 제어부의 제어 신호에 따라, 공통 단자를 제1 단자 내지 제3 단자 중 하나의 단자에 연결하는 연료전지 시스템 제어 장치.
  11. 청구항 10항에 있어서,
    상기 제1 내지 제n 음극 연결 스위치의 일단은 각각 상기 전력 조절 시스템의 음전압 입력단자에 연결되고, 상기 제1 내지 제n 음극 연결 스위치의 타단은 각각 상기 제1 내지 제n 스택의 음극에 연결되며,
    상기 제1 내지 제(n-1) 직병렬 연결 스위치의 공통 단자는 각각 상기 제1 내지 제(n-1) 스택의 음극에 연결되고, 상기 제1 내지 제(n-1) 직병렬 연결 스위치의 제1 단자는 각각 상기 제2 내지 제n 스택 상태 감지부의 타단에 연결되며, 상기 제1 내지 제(n-1) 직병렬 연결 스위치의 제2 단자는 각각 상기 제2 내지 제n 스택의 음극에 연결되고, 상기 제1 내지 제(n-1) 직병렬 연결 스위치의 제3 단자는 개방되어 있으며,
    상기 제1 내지 제(n-1) 병렬 연결 스위치의 일단은 각각 상기 제1 내지 제(n-1) 스택 상태 감지부의 타단에 연결되고, 상기 제1 내지 제(n-1) 병렬 연결 스위치의 타단은 각각 상기 제2 내지 제n 스택 상태 감지부의 타단에 연결되며,
    상기 제1 내지 제n 양극 연결 스위치의 일단은 각각 상기 제1 내지 제n 스택 상태 감지부의 타단에 연결되고, 상기 제1 내지 제n 양극 연결 스위치의 타단은 각각 상기 전력 조절 시스템의 양전압 입력단자에 연결되는 연료전지 시스템 제어 장치.
  12. 소정 수의 연료전지 스택들을 포함하는 연료전지 스택 모듈을 복수 개 포함하는 연료전지 시스템의 제어 장치에 있어서,
    복수의 연료전지 스택 모듈들 각각의 상태를 감지하는 복수의 스택 모듈 상태 감지부;
    상기 복수의 연료전지 스택 모듈들 중 적어도 일부를 직렬 또는 병렬로 연결하는 스위칭부; 및
    상기 복수의 스택 모듈 상태 감지부에 의해 감지된 스택 모듈들의 상태에 기반하여 적어도 하나의 열화 스택 모듈을 감지하고, 상기 스위칭부의 동작을 제어하여, 감지된 적어도 하나의 열화 스택 모듈을 포함하는 적어도 하나의 열화 스택 모듈부를 형성하는 제어부를 포함하는 연료전지 시스템 제어 장치.
  13. 청구항 12항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 스위칭부의 동작을 제어하여, 상기 적어도 하나의 열화 스택 모듈부를 다른 열화 스택 모듈부 또는 적어도 하나의 정상 스택 모듈과 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결하는 연료전지 시스템 제어 장치.
  14. 청구항 12항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 스위칭부의 동작을 제어하여, 상기 감지된 적어도 하나의 열화 스택 모듈을 포함하는 적어도 하나의 열화 스택 모듈부 각각을 다른 열화 스택 모듈부 또는 적어도 하나의 정상 스택 모듈과 직렬로 연결하는 연료전지 시스템 제어 장치.
  15. 청구항 12항 내지 청구항 14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열화 스택 모듈부 각각은,
    적어도 하나의 열화 스택 모듈부 및 m개 이상의 정상 스택 모듈들을 포함하며, 상기 m은 0 이상의 정수인 연료전지 시스템 제어 장치.
  16. 복수의 연료전지 스택이 직렬 또는 병렬로 전기적으로 연결된 연료전지 시스템의 제어 방법에 있어서,
    제어부가 상기 연료전지 스택들의 상태를 감지하여 적어도 하나의 열화 스택이 존재하는지를 판단하는 단계; 및
    상기 제어부가 적어도 하나의 열화 스택이 존재하는 것으로 판단하는 경우, 스위칭부의 동작을 제어하여, 상기 적어도 하나의 열화 스택을 포함하는 적어도 하나의 열화 스택부를 형성하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템 제어 방법.
  17. 청구항 16항에 있어서,
    상기 제어부가 상기 스위칭부의 동작을 제어하여, 상기 적어도 하나의 열화 스택부를 다른 열화 스택부 또는 적어도 하나의 정상 스택과 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결하는 단계를 더 포함하는 연료전지 시스템 제어 방법.
  18. 청구항 16항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 스위칭부의 동작을 제어하여, 상기 적어도 하나의 열화 스택부 각각을 다른 열화 스택부 또는 적어도 하나의 정상 스택과 직렬로 연결하는 연료전지 시스템 제어 방법.
  19. 청구항 16항 내지 청구항 18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열화 스택부 각각은,
    적어도 하나의 열화 스택 및 m개 이상의 정상 스택들을 포함하며, 상기 m은 0 이상의 정수인 연료전지 시스템 제어 방법.
  20. 청구항 19항에 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 시스템 제어 방법.
  21. 청구항 20항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 스위칭부의 동작을 제어하여 상기 어레이의 스택들을 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결하여, 상기 스택들의 출력을 전력 조절 시스템(PCS)에 공급하는 연료전지 시스템 제어 방법.
  22. 청구항 21항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 연료전지 스택들의 상태를 감지하여 적어도 하나의 동작불가능한 스택이 존재하는지를 판단하여, 적어도 하나의 동작불가능한 스택이 존재하는 경우, 상기 스위칭부의 동작을 제어하여 상기 적어도 하나의 동작불가능한 스택을 전기적으로 상기 연료전지 시스템으로부터 분리하는 연료전지 시스템 제어 방법.
  23. 청구항 22항에 있어서,
    상기 스택 상태 감지부는 상기 스택의 전류 또는 전압을 감지하여 상기 제어부로 전달하고,
    상기 제어부는 상기 스택 상태 감지부에서 감지된 전류 또는 전압에 기반하여 열화 스택을 감지하는 연료전지 시스템 제어 방법.
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