KR20160120267A - 빠른 스타팅 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

전기 전원 시스템은 연료 전지 모듈 및 배터리를 가진다. 연료 전지는 다이오드를 통하여 배터리 시스템에 선택적으로 연결될 수 있다. 시스템은 바람직하게 또한 전류 센서 및 연료 전지로부터 다이오드를 통하여 흐르는 전류를 감지한 후 다이오드 주변의 바이패스 회로의 콘택터를 폐쇄하도록 적응되는 제어기를 가진다. 시스템은 또한 다이오드 주변의 다른 바이패스 회로의 저항기 및 콘택터를 가질 수 있다. 스타트-업 방법에서, 제 1 콘택터는 다이오드를 통하여 배터리와 병렬로 연료 전지를 연결하도록 폐쇄되고 연료 전지에 대한 하나 또는 그 초과의 반응물 펌프들은 턴 온된다. 전류 센서는 다이오드를 통한 전류 흐름을 표시하는 신호를 위하여 모니터링될 수 있다. 전류가 표시된 후, 바이패스 회로는 다이오드 주변에 제공된다.

Description

빠른 스타팅 연료 전지{FAST STARTING FUEL CELL}
본 출원은 인용에 의해 본원에 통합된, 2013년 10월 2일 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/885,787을 우선권 주장한다.
[0001] 본 명세서는 연료 전지를 가지는 전기 전력 시스템들에 관한 것이다.
[0002] PEM 연료 전지 모듈은 연료 전지 스택(stack)을 포함한다. 연료 전지 스택은 전극들 사이에서 양성자들을 전도하는, 대안적으로 양자 교환 막들이라 불리는 다수의 폴리머 전해질 막들을 포함한다. PEM 연료 전지는 산소, 예컨대 공기를 포함하는 제 1 반응물, 및 수소, 예컨대 필수적으로 순수 수소 또는 메탄을 포함하는 제 2 반응물에 의해 전력을 인가받는다. 다른 타입들의 연료 전지 모듈들이 또한 알려져 있다.
[0003] 연료 전지 모듈은 하이브리드 전기 전원 시스템을 제공하기 위하여 배터리와 결합될 수 있다. 예컨대, 하이브리드 전력 시스템들은 그리드 고장의 경우에 백업 전원을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 다른 예에서, 하이브리드 전력 시스템은 차량에 전력을 인가하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 경우들, 및 다른 경우들에서, 짧은 시간 기간 내에 연료 전지를 스타팅(start)할 수 있는 것이 바람직할 것이다. 백업 전원의 경우에, 배터리는 특히, 연료 전지가 스타팅될 때까지 예상된 부하들을 운반하기에 충분한 스토리지(storage)를 제공하는 것이 요구된다.
[0004] 현재 이용 가능한 연료 전지 모듈들은 통상적으로 약 20-60 초 내에 스타팅한다. 스타트 시간은, 스타트 커맨드의 시간으로부터, 모듈이 부하에 전력을 전달하거나 자신의 정격 전력 출력의 특정 퍼센티지, 예컨대 80% 또는 100%에 도달할 때까지 측정된다.
[0005] 연료 전지는 극화 곡선에 따라 전압을 생성한다. 극화 곡선은 연료 전지 전류 또는 연료 전지 전류 밀도의 함수로서 연료 전지 전압을 설명한다. 일반적으로, 연료 전지에 의해 공급된 전류가 제로로부터 증가함에 따라, 연료 전지 전압은 처음에 활성화 구역을 통하여 빠르게 강하하고, 그 다음 오움 구역을 통하여 거의 선형으로 강하하고, 그 다음 질량 수송 구역을 통하여 더 빠르게 강하한다. 배터리는 통상적으로 상이한 극화 곡선을 가지며 따라서 동시에, 예컨대 연료 전지가 스타팅하거나 연결 해제될 때, 배터리 및 연료 전지는 호환 불가능 극화 곡선들을 가질 수 있다. 일부 경우들에서, 배터리 및 연료 전지는 이들의 극화 곡선들의 차이들을 관리하는 것을 돕기 위하여 DC 투 DC 전압 컨버터를 통해 연결된다.
[0006] 다음 도입부는 임의의 청구된 발명을 제한하거나 정의하지 않고 따르는 상세한 설명을 독자에게 소개하도록 의도된다.
[0007] 전기 전원에서, 더 빠른 스타팅 연료 전지는 더 작은 배터리가 사용되게 할 수 있다. 선택적으로, 스타트-업(start-up) 시퀀스가 성공적으로 감소되면, 연료 전지를 스타팅하기 위하여 사용된 배터리 이외의 어떠한 배터리도 요구되지 않을 수 있다. 차량의 경우에, 연료 전지 및 배터리는 통상적으로 최대 가속 또는 최대 피크(peak) 전력을 제공하기 위하여 함께 작동한다. 이 경우에, 빠른 스타팅 연료 전지는, 차량이 지연 없이 동작되게 하고, 차량이 교통 신호등들에서 정지될 때, 연료 전지가 공전하기보다 셧 다운(shut down)되게 할 수 있다. 예컨대 상기 주어진 이유들 때문에, 연료 전지를 더 빠르게, 예컨대 5초 또는 그 미만 또는 2초 또는 그 미만에서 스타팅할 수 있는 것이 바람직하다. 또한 전압 컨버터 없이 선택적으로 사용될 수 있는 연료 전지 스타팅 방법 및 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
[0008] 본 명세서는 연료 전지 모듈 및 배터리를 가지는 전기 전원 시스템을 설명한다. 연료 전지 모듈 및 배터리는 적어도 부분적으로 오버랩핑하는 전압 범위들에서 동작한다. 연료 전지 모듈은 다이오드를 통하여 배터리에 선택적으로 연결될 수 있다. 적어도 스타트-업 절차 동안, 연료 전지에 대한 하나 또는 그 초과의 반응물 펌프들은 선택적으로 배터리에 의해 구동된다. 시스템은 바람직하게 또한 전류 센서 및 제어기를 가진다. 제어기는 연료 전지로부터 다이오드를 통하여 흐르는 전류를 감지한 후 다이오드 주변의 바이패스 회로의 콘택터(contactor)를 폐쇄하도록 적응된다. 시스템은 바람직하게 또한 다이오드와 직렬로 콘택터를 가진다. 시스템은 또한 방전 회로의 저항기 및 콘택터를 가질 수 있다.
[0009] 본 명세서는 또한 연료 전지 모듈, 예컨대 상기 설명된 바와 같은 전기 전력 시스템의 연료 전지 모듈에 대한 스타트-업 방법을 설명한다. 상기 방법에서, 제 1 콘택터는 다이오드를 통하여 배터리와 병렬로 연료 전지를 연결하도록 폐쇄되고 연료 전지에 대한 하나 또는 그 초과의 반응물 펌프들은 턴 온된다. 전류 센서는 다이오드를 통한 전류 흐름을 표시하는 신호를 위하여 모니터링된다. 전류가 표시된 후, 바이패스 회로는 다이오드 주변에 연결된다.
[0010] 선택적으로, 연료 전지 모듈을 스타팅하기 전에 하나 또는 그 초과의 연료 전지 모듈 상태가 체크되거나 사전-시작 절차들이 수행될 수 있다. 일부 경우들에서, 연료 전지 모듈은 연료 전지 모듈을 스타팅하기 전에 방전된다. 셧 다운 절차는 또한 본원에 설명된다.
[0011] 도 1은 연료 전지 모듈의 다양한 컴포넌트들의 개략도이다.
[0012] 도 2는 도 1에서와 같은 연료 전지 모듈을 가진 전기 전원 시스템의 다양한 컴포넌트들의 개략도이다.
[0013] 도 1은 연료 전지 모듈(10)을 도시한다. 연료 전지 모듈(10)은 복수의 PEM 셀들을 포함하는 연료 전지 스택(12)을 가진다. 스택(12) 내의 흐름 범위 판(flow field plate)들은 냉각재 경로, 연료 측 경로(또한 수소 또는 애노드 측 경로라 불림) 및 공기 측 경로(또한 산소 또는 캐소드 측 경로라 불림)를 정의한다. 플랜트(plant) 엘리먼트들의 다양한 밸런스는 이들 경로들을 통한 재료들의 흐름을 관리하기 위하여 사용된다. 플랜트 엘리먼트들의 밸런스의 일부 예들은 도 1에 도시된 바와 같이 하기 설명될 것이지만 플랜트 엘리먼트들 또는 구성들의 다른 밸런스는 또한 사용될 수 있다.
[0014] 수소, 또는 수소를 포함하는 연료는 연료 소스(14)로부터 방출되고, 수소 입구(16)에서 스택(12)에 진입하고 수소 출구(18)로부터 스택(12)을 떠난다. 수소 출구(18)로부터 방출된 반응되지 않은 수소는 재순화 루프(21)를 통하여 수소 입구(16)로 다시 이동한다. 재순환 루프(21) 내 흐름은 수소 재순환 펌프(20)에 의해 구동된다. 가끔, 수소, 다른 불순물들 및 물은 퍼지(purge) 밸브(22)를 개방함으로써 스택의 연료 측으로부터 제거된다. 퍼지 밸브(22)는 솔레노이드 밸브 또는 기계적, 전기적 또는 컴퓨터화된 제어기에 의해 동작될 수 있는 다른 타입의 밸브일 수 있다.
[0015] 공기(또는 산소 또는 산소 강화 공기 또는 산소 결핍 공기)는 공기 입구(24)를 통하여 스택(12) 내로 흐른다. 공기 및 수증기는 공기 출구(26)를 통하여 스택(12)을 떠난다. 공기의 흐름은 공기 펌프(28)에 의해 구동된다. 공기 펌프(28)는 일정한 속도로 동작할 수 있거나 가변 주파수 구동 또는 다른 속도 제어 가능 모터에 의해 구동될 수 있다. 공기 펌프(28)는 공기 입구(24) 또는 공기 출구(26)에 연결될 수 있다.
[0016] 물 또는 물의 혼합물 및 알코올 또는 다른 부동제 같은 냉각재는 냉각재 입구(30)를 통하여 스택(12)에 진입하고 냉각재 출구(32)로부터 스택(12)을 떠난다. 냉각재 출구(32)로부터, 냉각재는 냉각재 입구(30)로 리턴하기 전에 라디에이터(radiator)(34) 또는 다른 열 교환기를 통하여 지나간다. 냉각재는 선택적으로 펌프(35)에 의해 구동되는 이 루프를 통하여 일반적으로 일정한 유량으로 이동한다. 냉각재 온도 센서(38)는 냉각재 또는 스택(12) 온도를 표시하는 신호를 냉각재 시스템 제어기(40)에 전송한다. 냉각재 온도 센서(38)는 스택(12) 또는 냉각재 루프의 외부 부분의 어디에나 위치될 수 있다. 냉각재 시스템 제어기(40)는 온도를 온도 설정 포인트에 가깝게 또는 대략 특정 범위 내에 유지하기 위하여 요구된 바와 같이 라디에이터 팬(36)의 속도를 조절한다. 대안적으로, 냉각재 시스템 제어기(40)는 냉각재 펌프(35)의 속도를 조절하거나, 공기의 흐름을 제어하는 방해판(baffle)을 라디에이터(34) 쪽으로 이동하거나, 열 교환기를 통하여 다른 유체의 흐름을 변경하거나 그렇지 않으면 냉각재 또는 스택(12)의 온도를 조절할 수 있다.
[0017] 모듈(10)은 또한 마스터 제어기(42)를 가진다. 마스터 제어기(42)는 수소 재순환 펌프(20), 퍼지 밸브(22), 공기 펌프(28) 및 플랜트 엘리먼트들의 다른 밸런스를, 직접적으로 또는 데이터를 이들 엘리먼트들과 연관된 제어기들에 전송함으로써 동작시킨다. 마스터 제어기(42)는 또한 온도 설정 포인트를 냉각재 시스템 제어기(40)에 공급한다. 마스터 제어기(42)는 범용 컴퓨터 또는 프로그램 가능 논리 제어기, 통신 포트들, 및 데이터 스토리지 같은 컴퓨터를 포함한다. 선택적으로, 마스터 제어기(42) 및 냉각재 시스템 제어기(40)는 단일 제어기로 결합될 수 있다.
[0018] 선택적으로, 재순환 펌프(20)와 연관된 신호는, 마스터 제어기(42)에 전송되고 셀이 플러딩(flood)된 경우인지를 결정하기 위하여 고려된다. U.S. 가 출원 번호 61/642,846는 인용에 의해 포함된다. 일 예에서, 재순환 펌프(20)는 일반적으로 일정한 전압 또는 속도에서 동작하는 재생 펌프 또는 원심 펌프이다. 셀 스택의 연료 측의 습도가 증가할 때, 또는 셀이 액체 수(liquid water)를 포함할 때, 더 많은 에너지는 수소 재순환 루프에서 동일한 체적 유량을 달성하기 위하여 요구된다. 재순환 펌프(20)에 의해 끌어당겨진 전류를 표시하는 신호는 마스터 제어기(42)에 전송된다. 마스터 제어기(42)는 퍼지 밸브(22)를 가장 빠르게 개방함으로써 연료 전지 스택(12)의 수소 측 상에서의 플러딩을 교정할 수 있다.
[0019] 선택적으로, 공기 출구(26)와 공기 입구(24) 사이에 제어 가능한 바이패스 라인이 있을 수 있다. 만약 있다면, 바이패스 라인에서 공기 흐름은 연료 전지 스택(12)을 통하여 흐르는 공기 내 산소의 상대적 함량을 제어하도록 변경될 수 있다. 이것은, 원한다면 연료 전지 모듈(10)의 극화 곡선이 수정되게 한다. 마스터 제어기(42)는 공기 출구(26)와 공기 입구(24) 사이의 바이패스 라인, 및/또는 공기 출구(26) 및 공기 입구(24) 중 하나 또는 그 초과의 하나 또는 그 초과의 밸브들에 연결될 수 있다. 이들 밸브들 중 하나 또는 그 초과를 조정하는 것은, 총 가스 유량(이 경우 산소 결핍된 공기)이 일반적으로 변화되지 않고 있을지라도, 연료 전지 스택(12)의 공기 측에서 산소의 부분 압력(또는 산소 농도)을 변경한다. 연료 스택(12)의 전압은 스택을 통한 총 가스 흐름으로 보다는 산소의 부분 압력으로 더 가변한다. 더 높은 산소 부분 압력은 주어진 전류 출력에서 더 높은 전압을 생성하는 반면 더 낮은 산소 부분 압력은 주어진 전류 출력에서 더 낮은 전압을 생성한다. U.S. 가 출원 번호 61/827,318는 인용에 의해 포함된다.
[0020] 도 2는 전기 전원 시스템(50)을 도시한다. 시스템(50)은 연료 전지 모듈(10) 및 배터리(52)를 가진다. 선택적으로, 배터리(52)는 상이한 타입의 전기 스토리지 디바이스, 예컨대 캐패시터로 대체될 수 있다. 전기 전원 시스템(50)은 전기 전력을 부하(54)에 제공하기 위하여 사용된다. 부하(54)는 예컨대, 차량 또는 다른 머신의 모터일 수 있다. 다른 예에서, 부하(54)는 백업 전력을 요구할 수 있는 빌딩 또는 다른 구조, 또는 셀룰러 전화 타워 또는 컴퓨터 서버 같은 전자 장비일 수 있다. 정류기(53)는 선택적으로, 시스템(50)이 또한 전기 그리드에 연결되는 경우들에서 제공된다. 부하는 정류기(53)를 통하여 시스템(50)에 부착될 수 있다. 부하(54)는 또한 전기 전원 시스템(50)에 연결되는 버스(56) 및 접지(58)에 선택적으로 연결될 수 있다. 다양한 시간들에서, 예컨대 차량이 가속하도록 요구받을 때 또는 전기 그리드가 고장날 때, 부하(54)는 전기 전원 시스템(50)으로부터 전력을 끌어 당긴다.
[0021] 연료 전지 및 배터리는 적어도 부분적으로 오버랩핑하는 전압 범위들에서 동작할 수 있다. 예컨대, 배터리(52)는 공칭 48 볼트 전위를 가질 수 있다. 그러나, 배터리(52)는 실제로 자신의 충전 상태 및 전류 출력에 따라 약 40-60 볼트 범위의 전압을 가질 수 있다. 연료 전지 모듈(10)은 또한 공칭 48 볼트 출력을 가질 수 있다. 그러나, 연료 전지 스택(12)은 실제로 연료 전지 모듈(10)의 반응물들의 흐름 및 전류 출력에 따라 약 0 내지 100 볼트 범위의 전압을 가질 수 있다.
[0022] 전기 전원 시스템(50)은 또한 전류 센서(60), 또는 전류가 존재하는지를 표시할 수 있는 다른 센서, 및 선택적으로 연료 전지 모듈(10)과 버스(56) 사이에 3개의 병렬 회로들을 가진다. 바람직하게, 연료 전지 스택(12)과 버스(56) 사이에 전압 컨버터가 없다. 선택적으로, 전압 컨버터는 사용될 수 있다. 제 1 회로는 방전 저항기(62) 및 방전 콘택터(66)를 가진다. 제 2 회로는 다이오드(64) 및 제 1, 또는 스타트-업 콘택터(68)를 가진다. 제 3 회로는 바이패스 콘택터(70)를 가진다. 콘택터들(66, 68 및 70)은 통상적으로 마스터 제어기(42)에 의해 개방되거나 폐쇄될 수 있는 릴레이 스위치들이다. 캐패시터들(66, 68 및 70)이 큰 전압 차이들 사이에서 연결들을 만들거나 연결해제 하게 요구받지 않도록 또는 요구된 콘택터들의 사이즈를 감소시키고 콘택터의 수명을 증가시키기 위하여 큰 전류들을 운반하는 동안 콘택터들(66, 68 및 70)의 동작을 관리하는 것이 바람직하다.
[0023] 도 1을 다시 참조하여, 마스터 제어기(42)는 또한 연료(14)의 소스를 연료 전지 스택(12)에 연결하거나 격리하기 위하여 사용될 수 있는 연료 밸브(44)에 연결된다. 연료(14)의 소스는 예컨대 압축된 수소 또는 메탄 컨테이너일 수 있다. 연료 전지 모듈(10)은 또한 연료 전지 스택(12) 내 잔류 산소를 소비하고 셧 다운 시 질소로 연료 전지 스택(12)을 블랭키팅(blanket)하기 위하여 사용될 더 작은 양의 연료를 저장할 셧-다운 저장소(46)를 가질 수 있다. 도 2를 참조하여, 작은 셧 다운 저항기(72)는 선택적으로 셧 다운 시 질소 블랭키팅을 가능하게 하도록 연료 전지 스택(12) 양단에 연결될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 셧 다운 저항기(72)는 선택적으로 셧 다운 콘택터(73)를 가진다. 질소 블랭키팅의 하나의 형태는 인용에 의해 포함된 2008년 9월 16일에 특허 허여되고 발명의 명칭이 Passive Electrode Blanketing in a Fuel Cell인 미국 특허 번호 7,425,379 B2에 설명된다. 미국 가 출원 번호 61/619,073은 인용에 의해 포함된다. 단일 마스터 제어기(42)가 도 1 및 도 2에 도시되지만, 마스터 제어기(42)의 기능들은 대안적으로 다수의 제어기들에 걸쳐 분할될 수 있다.
[0024] 마스터 제어기(42)는, 전력이 특히 연료 전지 모듈(10)로부터 또는 일반적으로 전기 전원 시스템(50)으로부터 요구될 때 스타트 커맨드를 수신한다. 스타트 커맨드는 인간, 기계 또는 전자 오퍼레이터에 의해 다양한 방식들로 생성될 수 있다. 예컨대, 스타트 커맨드는 부하(54)와 연관된 제어기에 의해 생성될 수 있다. 대안적으로, 스타트 커맨드는 조건, 예컨대 버스(56) 내 저전압을 검출하는 센서에 의해 생성될 수 있다. 스타트 커맨드를 수신할 때, 마스터 제어기(42)는 스타팅 시퀀스를 개시한다.
[0025] 하나의 옵션에서, 스타팅 시퀀스는 연료 밸브(44)를 개방하고, 공기 펌프(28)를 턴 온하고, 바람직하게 수소 퍼지 밸브(22)를 개방하고, 수소 퍼지 펌프(20)를 턴 온하고 그리고 스타트-업 콘택터(68)를 폐쇄함으로써 시작한다. 이들 단계들은 바람직하게 가능한 한 상당히 빠르게 발생한다. 선택적으로, 압축된 공기 또는 다른 산소 함유 가스의 양은, 공기 펌프(28)가 자신의 최고 동작 속도에 도달할 시간을 요구하기 때문에 스타트 업 시간을 감소시키기 위해 공기 입구(24)에 연결될 수 있다. 공기 펌프(28) 및 수소 재순환 펌프(20)는 바람직하게 필수적으로 자신의 전체 전력으로, 예컨대 자신의 전력의 80% 또는 그 초과로 동작되어, 전압은 가능한 한 빠르게 연료 전지 스택(12)에 만들어질 것이다. 공기 펌프(28) 및 수소 재순환 펌프(20) 둘 다는 바람직하게, 연료 전지 스택(12)이 상당한 전압을 갖기 전 및 처음에 연료 전지 스택(12)으로부터 전류를 요구함이 없이 상기 펌프들이 전력을 끌어당기는 것이 가능하게 하도록 버스(56)로부터 전력을 인가받거나, 또는 배터리(52)로부터 직접 전력을 인가받는다.
[0026] 방전 콘택터(66) 및 바이패스 콘택터(70)는, 전류가 연료 전지 모듈(10)로부터 다이오드(64)를 통하여 버스(56)로만 흐를 수 있도록 개방된 채로 있게 된다. 그러나, 다이오드(64)는, 연료 전지 스택(12)의 전압이 임계 값, 예컨대 0.7 V만큼 배터리(52) 또는 버스(56)의 전압을 초과할 때까지 임의의 전류가 흐르는 것을 방지한다. 전류 센서(60)가 선택된 임계치, 예컨대 10A를 초과하는 전류를 검출할 때, 바이패스 콘택터(70)는 폐쇄된다. 그 다음, 스타트-업 캐패시터(68)는 바람직하게 개방된다. 이런 방식으로, 스타트-업 콘택터(68)도 바이패스 콘택터(70)도 콘택터(68, 70)를 통해 흐르는 전력의 빠른 변화들을 유발할 연결을 만들거나 연결 해제하도록 요구받지 않는다. 전류 센서(60)를 사용하는 것에 대한 대안으로서, 바이패스 콘택터(70)는, 전류가 연료 전지 스택(12)으로부터 흐르는 것을 다른 형태의 기구가 표시할 때 폐쇄될 수 있다. 예컨대, 전류 흐름은 다이오드(64) 양단 전압 강하 또는 연료 전지 스택(12)과 버스(56) 사이의 차동 전압에 의해 결정될 수 있다. 비록 전력이 폐쇄된 바이패스 콘택터(70)에 의해 다이오드(64)를 통하여 흐르지 않을 것이지만, 스타트-업 콘택터(68)를 개방하는 것은, 바이패스 콘택터(70)가 고장나는 경우 또는 바이패스 콘택터(70)가 셧 다운 시 의도적으로 개방될 때 연료 전지 스택(12) 전압이 스파이킹(spike)하는 경우 다이오드(64)에 대한 손상에 대해 보호한다. 스타트-업 콘택터(68)를 개방하는 것은 또한, 셧 다운 커맨드 후 개방된 바이패스 연결기(70)가 연료 전지 스택(12)으로부터 버스(56)로 전력의 흐름을 정말로 정지할 확실성을 제공한다.
[0027] 연료 전지 모듈(10)은, 바이패스 콘택터(70)가 폐쇄되거나 전류가 다이오드(64)를 거쳐 흐르기 시작하자마자 시작되도록 고려될 수 있다. 그러나, 연료 전지 모듈(10)은 이 포인트 후 자신의 전력 출력을 계속 증가시킬 수 있다. 대안적으로, 연료 전지 모듈(10)은, 자신의 정격 전력의 특정 퍼센티지, 예컨대 80% 또는 100%에 도달할 때 시작되도록 고려될 수 있다. 연료 전지 모듈(10)은 바람직하게 5초 또는 그 미만, 3초 또는 그 미만 또는 심지어 2초 또는 그 미만에서 시작된다. 스타팅되면, 마스터 제어기(42)는 정상 동작 모드로 스위칭한다. 정상 동작 모드에서, 공기 펌프(28) 및 수소 재순환 펌프(20)는 필수적으로 최고 속도에서 동작하지 않는다. 대신, 마스터 제어기(42)는 플랜트 엘리먼트들의 다른 밸런스 중에서 공기 펌프(28) 및 수소 재순환 펌프(20)를 조절하는 것을 포함할 수 있는 안전하고 효과적인 동작을 유지하면서 요구된 바와 같이 전력을 제공하도록 연료 전지 모듈을 동작시킨다.
[0028] 연료 전지 스택(12)의 몇몇 설계들에 의해, 스타팅되기 전에 연료 전지 모듈이 오랜 시간 동안, 예컨대 12 시간 동안 오프되었다면, 하나 또는 그 초과의 셀들이 부분적으로 물로 플로딩되는 것이 가능하다. 연료 전지 모듈(10)이 이런 조건에서 시작되면, 플로딩된 셀은 손상될 수 있다. 그런 손상을 방지하는 것을 돕기 위하여, 마스터 제어기(42)는, 상기 설명된 스타팅 시퀀스를 개시하기 전에 연료 전지 모듈(10)이 플로딩된 셀을 가질 것 같은지를 결정할 수 있다. 이런 결정은, 연료 전지 모듈(10)이 계속 턴 오프될 때, 또는 연료 전지 모듈(10)의 온도 같은 다른 파라미터에 의해 예컨대 스타팅된 타이머에 기초될 수 있다. 연료 전지 모듈(10)이 선택된 시간보다 더 많은 시간 동안 오프되었거나, 특정 온도 아래이면, 잘못된 세정 및/또는 체킹 시퀀스가 동작된다. 그렇지 않으면, 스타팅 시퀀스가 즉각 시작될 수 있다.
[0029] 잘못된 세정 또는 체킹 시퀀스가 요구되면, 플로딩된 셀들이 없거나 임의의 플로딩된 셀들이 제거될 수 있다는 것이 결정될 수 있기 전에, 연료 전지 스택이 예컨대 자신의 개방 셀 전압으로 충전될 수 있는 것이 가능하다. 그러나, 플로딩된 셀은, 연료 전지 스택(12)이 전류를 전달하지 않으면 손상되지 않을 것이다. 따라서, 스타트-업 콘택터(68)가 폐쇄된 채로 있거나 심지어 생략될 수 있지만, 잘못된 세정 또는 체킹 시퀀스 동안 스타트-업 콘택터(68)를 개방되게 있도록 하는 것은 바람직하다. 플로딩된 셀들이 없거나, 플로딩된 셀들이 제거되었다는 것이 결정되었다면, 방전 콘택터(66)는 방전 저항기(62)를 통하여 연료 전지 스택(12)을 방전하도록 폐쇄된다. 선택적으로, 플로드 세정은 연료 전지 스택(12)을 방전하는 동안 완전히 또는 부분적으로 발생할 수 있다. 연료 전지 스택(12) 전압이 버스(56)의 전압과 다이오드(64)의 임계 전압의 합 미만이거나, 스타트-업 캐패시터(68)의 폐쇄 시간에서 그 전압에 도달하도록 예측될 수 있자마자, 스타트-업 캐패시터(68)는 폐쇄하도록 명령을 받을 수 있고 상기 설명된 스타팅 시퀀스가 시작된다.
[0030] 연료 전지 스택(12)은 또한 매우 짧은 셧다운 후 버스(56)의 전압보다 높은 전압을 가질 수 있다. 연료 전지 스택(12)이 높은 전압을 가지는 이런 또는 임의의 다른 경우에서, 콘택터(68 또는 70)의 메이크(make) 제한들을 초과하는 것을 회피하기 위하여 스타팅 시퀀스를 개시하기 전에 방전 저항기(62)를 통하여 연료 전지 스택(12)을 방전하는 것이 바람직하다. 방전 캐패시터(66)는 스타트-업 콘택터(68) 또는 바이패스 콘택터(70)가 폐쇄된 후 개방된다.
[0031] 선택적으로, 연료 전지 스택(12)이 처음에 충전되면, 스타팅 시퀀스는, 연료 전지 스택(12)의 전압이 버스(56)의 전압에 관련하여 바이패스 콘택터(70)의 메이크 허용 오차 내로 강하할 때 스타트-업 콘택터(68) 대신 바이패스 콘택터(70)를 폐쇄함으로써 시작될 수 있다. 그러나, 연료 전지 스택(12)의 전압이 바람직하게 시간에 따라 빠르게 떨어지고, 바이패스 콘택터(70)가 폐쇄하는데 몇 시간이 걸리기 때문에, 큰 메이크 허용 오차를 가지는 바이패스 콘택터(70)를 요구하는 것을 회피하도록 충분한 정확도로 바이패스 콘택터(70)의 폐쇄를 타이밍(time)하는 것은 어려울 수 있다. 따라서, 상기 설명된 바와 같이 스타트-업 콘택터(68)를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 스타트-업 콘택터(68)를 사용할 때, 바이패스 콘택터(70)는 단지 약 1 볼트일 수 있는 다이오드(64)를 통한 전압 강하와 동일한 전압 차이를 통하여 연결을 만드는 것이 요구된다.
[0032] 선택적으로, 방전 저항기(62)는 대안적으로 버스(56)보다 오히려 접지(58)에 연결될 수 있지만, 방전 저항기(62)의 저항은 방전 콘택터(66) 또는 연료 전지 스택(12)의 동일한 전류 제한을 충족하도록 더 높을 필요가 있을 것이고 전력 정격은 훨씬 더 높을 필요가 있을 것이다.
[0033] 잘못된 세정 및/또는 체킹 시퀀스에서, 만약 있다면, 공기 펌프(28)는 실질적으로 최고 속도에서 동작한다. 이것은 동시에 연료 전지 스택(12)의 공기 측으로부터 물을 제거하면서 연료 셀 스택(12)에 산소를 제공한다. 연료 밸브(44)는 또한 개방되고 수소 재순환 펌프(20)는 턴 온된다. 마스터 제어기(42)는 고장들에 대해 스택을 체크한다. 예컨대, 마스터 제어기(42)는, 전체적으로, 또는 셀들의 개별 셀들 또는 그룹들로서 연료 전지 스택(12)이 그들의 완전 개방 셀 전압에 도달할 수 있는지를 체크할 수 있다. 대안적으로, 또는 부가적으로, 마스터 제어기(12)는, 수소 재순환 펌프(20)의 전력 소비 또는 속도가 연료 전지 스택(12) 내의 과도한 습도 또는 수분을 표시하는지를 체크할 수 있다. 수소 재순환 펌프(20)는, 연료 전지 스택(12)이 개방된 셀 전압에 도달하기 전에 판독을 제공할 수 있기 때문에 바람직한 고장 표시기이다. 이것은, 고장이 결정되고 또한 연료 전지 스택(12)을 방전하기 위하여 요구된 시간을 감소시키기 전에 시간을 절약한다. 어떠한 고장도 검출되지 않으면, 연료 전지 스택(12)은, 버스(56)의 전압을 초과하는 전압을 가지며 먼저 상기 설명된 스타트-업 시퀀스가 계속되는 경우 방전된다. 고장이 검출되면, 플로딩이 연료 전지 스택(12)의 수소 측으로부터 제거될 때까지, 수소 퍼지 밸브(22)는 개방되거나, 다른 복구 방법들이 발생한다.
[0034] 연료 전지 모듈(10)을 셧 다운하기 위하여, 연료 밸브(44)는 폐쇄되고 공기 펌프(28)는 턴 오프된다. 선택적으로, 연료 밸브(44)를 폐쇄하는 것은, 셧 다운이 매우 짧지 않을 것을 시간이 확인하게 하도록 공기 펌프(28)를 셧 오프 한 후 지연될 수 있다. 수소 퍼지 밸브(22)는 개방된다. 저장소(46)로부터 공급된 수소 및 잔류 반응물들은 연료 전지 스택에서 질소 블랭키팅을 유발하여 연료 전지 스택에서 소비된다. 연료 전지 모듈(10)이 전력을 버스(56)에 더 이상 제공하지 않는 것을 전류 센서(60)가 표시할 때, 바이패스 콘택터(70)는 개방된다. 연료 전지 스택(12)은 수소 블랭키팅이 계속되는 동안 저항기(72)를 통하여 계속 방전한다. 선택적으로, 공기 펌프(28)는 질소 블랭키팅을 위하여 요구된 시간 및 수소를 감소시키기 위하여 수소 퍼지 밸브(22)를 개방하기 전에, 밸브에 의해 연료 전지 스택(12)으로부터 기계적으로 또는 전기적으로 정지되거나, 격리될 수 있다. 대안적으로, 공기 펌프(28)는 연료 밸브(44)를 폐쇄하기 전 몇 초 동안 및 연료 전지 스택(12)으로부터 습도를 제거하고 이에 의해 다음 스타트 업 시 전지가 플로딩되는 기회를 감소시키기 위하여 수소 퍼지 밸브(22)를 개방하기 전 또는 동시에 필수적으로 전체 전력에서 동작될 수 있다. 추가 옵션으로서, 연료 전지 스택(12)은 또한, 다음 스타트 업 더 빠르게 준비되도록 하기 위하여 바이패스 콘택터(70)를 개방한 후 연료 전지 스택(12)에 전압 스파이크가 있는 경우 저항기(62)를 통하여 버스(56)의 전압 아래로 방전될 수 있다.
[0035] 셧 다운 절차의 하나의 특정 예에서, 공기 펌프(28)는 셧 오프되고 연료 밸브(44)는 개방된 채로 있는다. 연료 전지 스택(12) 내 반응물들은 소비되고 연료 전지 스택(12)에 의해 전달되는 전류가 감소한다. 연료 전지 스택(12)이 선택된 전류, 예컨대 10 A보다 낮게 전달 중인 것을 전류 센서(60)가 표시할 때, 바이패스 콘택터(70)는 개방되고, 이 시점에서 연료 밸브(44)는 폐쇄된다. 그 다음, 선택적으로, 공기 펌프(28)는 연료 전지 스택(12)으로부터 물을 제거하기 위하여 짧게 동작된다. 공기 펌프(28)가 동작되든 동작되지 않든, 연료 전지 스택(12) 전압은, 바이패스 콘택터(70)가 개방될 때 회로 전압을 개방하기 위하여 상승할 것 같다. 연료 전지 스택(12)은, 질소 블랭키팅이 계속되는 동안, 저항기(72), 저항기(62), 또는 둘 다가 동시에 또는 순차적으로, 버스(56) 전압 또는 그 미만으로, 바람직하게 필수적으로 무전압이 이게 방전된다. 공기 펌프(28)가 연료 전지 스택(12)으로부터 물을 제거하기 위하여 동작되면, 공기 펌프(28)가 연료 전지 스택(12)으로부터 물을 제거하기 위하여 동작된 후, 밸브(44)는 더 오랜 시간 기간 동안 개방으로 있거나 저장소(46)의 사이즈는 질소 블랭키팅을 가능하게 하기 위하여 증가된다.
[0036] 선택적으로, 저항기(72)는 연료 전지 스택(12) 내 잔류 반응물들을 소비하기 위하여, 적어도 가능하다면 단지 가능한 길게 연결된 채로 있을 수 있다. 그 다음, 연료 전지 스택(12)은 오프인 동안 언급된 부분적으로 충전된 채로 있을 수 있고 버스(56)로부터 연결되거나 분리될 수 있다. 선택적으로, 연료 전지 스택(12)은 항상 또는 적어도 연료 전지 모듈(10)이 오프인 시간 기간 동안 버스(56)에 연결된 채로 있을 수 있다. 이것은, 연료 전지 스택(12) 내의 잔류 전압이 시간에 걸쳐 연료 전지 스택의 품질을 저하할 수 있거나 위태롭게 할 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 그러나 연료 전지 스택(12)이 연결된 채로 있다면, 플로딩된 셀을 손상시키는 것을 회피하기 위하여 전력을 전달하지 않는 동안 스타트-업 시 플로딩된 셀들이 체크되어야 한다. 이 경우에, 플로딩된 셀 체크는, 공기 펌프(28)를 턴 온 하기 전에 그리고 연료 밸브(44)를 개방하기 전에 수소 재순환 펌프(20)의 전력 소비 또는 일정한 전력 속도를 모니터링함으로써 행해진다. 연료 밸브(44) 및 수소 퍼지 밸브(22)는, 플로딩된 셀이 검출되면 물을 제거하기 위하여 요구된 바와 같이 개방된다. 수소 측에 어떠한 플로딩도 검출되지 않으면, 공기 펌프(28)는 연료 전지 스택(12)의 공기 측 상의 임의의 플로딩을 제거하고 연료 전지 스택(12)이 전력을 생성하는 것을 스타팅하기 위하여 완전히 턴 온된다.
[0037] 하나의 스타트 업 절차는 첫째 플로딩된 셀들 또는 다른 고장들에 대해 어떠한 부하 체크도 요구되지 않는지, 및 연료 전지 스택(12) 전압이 버스(56) 전압을 초과하는지를 결정하는 것을 포함한다. 고장 체크가 요구되면, 고장 체크가 수행된다. 고장이 검출되면, 고장은 연료 전지 스택(12)으로부터 과도한 물을 제거하기 위하여 주로 공기 펌프(28)를 동작시키고 수소 퍼지 밸브(22)를 개방함으로써 교정된다. 어떠한 고장도 검출되지 않거나, 고장이 검출되고 그 다음 제거되면, 또는 그렇지 않고 연료 전지 스택(12)이 버스(56) 전압을 초과하면, 연료 전지 스택(12)은 방전된다. 어떠한 부하 체크도 요구되지 않고 연료 전지 스택(12) 전압이 버스(56) 전압을 초과하지 않으면, 또는 연료 전지 스택이 방전되었다면, 스타트-업 시퀀스는 스타트-업 캐패시터(68)를 폐쇄함으로써 시작된다. 연료 전지 스택이 특정 전류를 제공하는 중일 때, 바이패스 캐패시터(70)는 폐쇄되고 스타트-업 콘택터(68)는 개방된다.

Claims (22)

  1. 전기 전원 시스템으로서,
    a) 연료 전지 모듈;
    b) 배터리 같은, 전기 전력, 바람직하게 저장된 전기 전력의 소스(source);
    c) 다이오드; 및
    d) 연료 전지 모듈을 다이오드 주변의 또는 상기 다이오드를 통하여 상기 배터리 또는 전기 전력의 다른 소스에 선택적으로 연결하도록 구성된 전기 회로
    를 포함하는,
    전기 전원 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 전력의 소스에 선택적으로 연결 가능한 상기 연료 전지에 대한 하나 또는 그 초과의 반응물 펌프들을 더 포함하는,
    전기 전원 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 다이오드를 통하여 흐르는 전류를 결정하도록 적응된 하나 또는 그 초과의 센서들을 더 포함하는,
    전기 전원 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 센서들에 연결되고 상기 다이오드를 통하여 흐르는 전류가 임계치에 도달할 때 상기 연료 전지 모듈을 상기 다이오드 어느 하나의 주변에 있는 상기 배터리 또는 전기 전력의 다른 소스에 연결하도록 적응된 제어기를 더 포함하는,
    전기 전원 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 회로는 상기 다이오드 주변의 바이패스(by-pass) 회로를 포함하고, 상기 바이패스 회로는 콘택터(contactor) 또는 다른 스위치를 가지는,
    전기 전원 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 전기 회로는 상기 다이오드 주변의 바이패스 회로를 포함하고, 상기 바이패스 회로는 콘택터 또는 다른 스위치를 가지며, 그리고 상기 제어기는 상기 콘택터 또는 스위치에 연결되는,
    전기 전원 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다이오드와 직렬로 콘택터 또는 다른 스위치를 더 포함하는,
    전기 전원 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다이오드 주변의 방전 회로에 저항기, 및 바람직하게 콘택터 또는 다른 스위치를 가지는,
    전기 전원 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 모듈 및 전기 전력의 소스는 적어도 부분적으로 오버랩핑하는 전압 범위들에서 동작하는,
    전기 전원 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 모듈 및 전기 전력의 소스는 부하 및 선택적으로 전력 그리드에 병렬로 연결되는,
    전기 전원 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 모듈은 전압 컨버터 없이 상기 전기 전력의 소스에 연결되는,
    전기 전원 시스템.
  12. 연료 전지 모듈에 대한 스타트-업(start-up) 방법으로서,
    a) 상기 연료 전지를 다이오드를 통하여 배터리 또는 전기 전력의 다른 소스와 병렬로 연결하고 선택적으로 상기 배터리로부터 하나 또는 그 초과의 반응물 펌프들에 전력을 인가하는 단계; 및
    b) 상기 다이오드를 통한 전류가 존재한 후, 상기 다이오드를 바이패싱하는 단계
    를 포함하는,
    연료 전지 모듈에 대한 스타트-업 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    단계 a)와 단계 b) 사이에서 상기 다이오드를 통하여 흐르는 전류에 대해 체킹(checking)하는 단계를 더 포함하는,
    연료 전지 모듈에 대한 스타트-업 방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 연료 전지를 상기 다이오드를 통하여 상기 배터리 또는 전기 전력의 다른 소스와 병렬로 연결하도록 제 1 콘택터 또는 다른 스위치를 폐쇄하는 단계;
    상기 연료 전지에 대한 하나 또는 그 초과의 반응물 펌프들을 턴 온하는 단계;
    상기 다이오드를 통한 전류 흐름을 표시하는 신호에 대해 전류 센서를 모니터링하는 단계;
    전류가 표시된 후, 상기 다이오드를 바이패싱하는 단계
    를 포함하는,
    연료 전지 모듈에 대한 스타트-업 방법.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 스타트-업 절차 동안, 상기 연료 전지에 대한 하나 또는 그 초과의 반응물 펌프들은 상기 배터리 또는 전기 전력의 다른 소스에 의해 선택적으로 구동되는,
    연료 전지 모듈에 대한 스타트-업 방법.
  16. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지는 5초 또는 그 미만 또는 2초 또는 그 미만에서 스타팅되는,
    연료 전지 모듈에 대한 스타트-업 방법.
  17. 제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 모듈을 스타팅하기 전에 하나 또는 그 초과의 연료 전지 모듈 상태 체크들 또는 사전-스타트 절차들을 수행하는 단계를 더 포함하는,
    연료 전지 모듈에 대한 스타트-업 방법.
  18. 제 12 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 모듈을 스타팅하기 전에 상기 연료 전지 모듈을 방전하는 단계를 더 포함하는,
    연료 전지 모듈에 대한 스타트-업 방법.
  19. 제 12 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    셧 다운(shut down) 절차를 더 포함하는,
    연료 전지 모듈에 대한 스타트-업 방법.
  20. 제 12 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 및 전기 전력의 다른 소스는 부하 및 선택적으로 전력 그리드에 연결 가능한,
    연료 전지 모듈에 대한 스타트-업 방법.
  21. 전기 전원 시스템으로서,
    a) 연료 전지 모듈;
    b) 배터리;
    c) 상기 연료 전지 모듈과 상기 배터리 사이의 다이오드;
    d) 상기 배터리에 연결된 상기 연료 전지에 대한 하나 또는 그 초과의 반응물 펌프들;
    e) 상기 다이오드를 통한 전류 흐름을 결정하도록 적응된 하나 또는 그 초과의 센서들;
    f) 상기 다이오드 주변의 바이패스 회로 ― 상기 바이패스 회로는 콘택터를 가짐 ―; 및
    g) 상기 다이오드를 통하여 흐르는 전류가 임계치에 도달할 때 상기 바이패스 회로의 콘택터를 폐쇄하도록 적응된 제어기
    를 포함하는,
    전기 전원 시스템.
  22. 연료 전지 모듈에 대한 스타트-업 방법으로서,
    a) 상기 연료 전지를 다이오드를 통하여 배터리와 병렬로 연결하고 상기 배터리로부터 하나 또는 그 초과의 반응물 펌프들에 전력을 인가하는 단계;
    b) 상기 다이오드를 통하여 흐르는 전류에 대하여 체킹하는 단계; 및
    c) 전류가 표시된 후, 상기 다이오드 주변의 바이패스 회로를 연결하는 단계
    를 포함하는,
    연료 전지 모듈에 대한 스타트-업 방법.
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