KR20160137394A - 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20160137394A
KR20160137394A KR1020160061250A KR20160061250A KR20160137394A KR 20160137394 A KR20160137394 A KR 20160137394A KR 1020160061250 A KR1020160061250 A KR 1020160061250A KR 20160061250 A KR20160061250 A KR 20160061250A KR 20160137394 A KR20160137394 A KR 20160137394A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
signal
cell stack
control
fuel
Prior art date
Application number
KR1020160061250A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102368857B1 (ko
Inventor
야오 첸
홍강 왕
이잉넹 조우
바오밍 후앙
랄프 테이크맨
Original Assignee
제네럴 일렉트릭 컴퍼니
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 제네럴 일렉트릭 컴퍼니 filed Critical 제네럴 일렉트릭 컴퍼니
Publication of KR20160137394A publication Critical patent/KR20160137394A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102368857B1 publication Critical patent/KR102368857B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04305—Modeling, demonstration models of fuel cells, e.g. for training purposes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04604—Power, energy, capacity or load
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04604—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/04619—Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04664—Failure or abnormal function
    • H01M8/04679—Failure or abnormal function of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04761—Pressure; Flow of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04865—Voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04895—Current
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04895—Current
    • H01M8/0491—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y02E60/525—

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Fuzzy Systems (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

개시된 연료 전지 시스템은 출력을 제공하기 위해 부하에 결합된 연료 전지 스택과, 연료와 산소를 상기 연료 전지 스택에 제공하기 위해 상기 연료 전지 스택에 결합된 가스 전달 시스템과, 제어 시스템을 포함한다. 상기 제어 시스템은 상기 부하로부터의 명령을 기초로 원하는 제어 명령 신호를 발생시키는 포워드 제어부와, 상기 연료 전지 시스템으로부터의 적어도 하나의 측정 신호를 기초로 상기 연료 전지 스택의 동작 제약의 위배를 피하도록 제어 보정 신호를 발생시키는 보정 제어부를 포함한다. 상기 제어 시스템은 상기 원하는 제어 명령 신호와 상기 제어 보정 신호를 기초로 제어 신호를 발생시키고, 상기 연료 전지 스택이 안전한 동작 한계 내에서 동작되는 것을 보장하도록 상기 발생된 제어 신호를 기초로 상기 가스 전달 시스템을 제어한다. 연료 전지 시스템을 제어하는 방법도 개시된다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND CONTROLLING METHOD THEREOF}
본 개시 내용은 개괄적으로 연료 전지의 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료 전지 시스템 및 그 연료 전지 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 수소 등의 연료와 외기에 함유된 산소 등의 산화제 간의 전기 화학 반응을 이용하는 전기 화학 디바이스이다. 연료 전지는 저오염, 고효율 및 고출력 밀도에 유익하다. 따라서, 연료 전지의 활용의 개발을 위해 많은 개발 및 연구가 연료 전지 분야에 집중적으로 행해지고 있다. 다양한 연료 전지가 활용 가능한데, 그 중에서도 단위 질량 및 부피에 대해 낮은 작동 온도, 고속 활성화 및 높은 출력 밀도의 장점에 기인하여 양자 교환막 연료 전지(PEMFC)가 가장 유망한 연료 전지이다.
그러나, 연료 전지는 연장된 기간을 도과하여 동작시 시간에 따라 열화가 진행됨이 알려져 있다. 연료 전지의 열화는 전기 접촉 불량, 전해판 균열, 코팅 불량, 재료 결함, 누설, 내부 저항 증가, 막 내 플러딩(flooding) 또는 건조 등을 포함한다. 연료 전지의 수명에 영향을 미치는 요인은 공간 배치 설계(geometrical design), 재료 설계, 공정 흐름 설계 및 동작 제어 설계를 포함할 수 있다. 동작 제어에 의해 연료 전지의 열화를 감소시키고 연료 전지의 수명을 연장시키는 방법은 여전히 도전 과제이다.
본 발명의 하나의 양태의 여러 실시 형태에서 연료 전지 시스템이 제공된다. 연료 전지 시스템은 출력을 제공하기 위해 부하(load)에 결합된 연료 전지 스택과, 연료와 산소를 연료 전지 스택에 제공하기 위해 연료 전지 스택에 결합된 가스 전달 시스템과, 제어 시스템을 포함한다. 제어 시스템은 부하로부터의 명령을 기초로, 원하는 제어 명령 신호를 발생시키는 포워드 제어부(forward controller)와, 연료 전지 시스템으로부터의 적어도 하나의 측정 신호를 기초로, 연료 전지 스택의 동작 제약의 위배를 피하기 위해 제어 보정 신호를 발생시키는 보정 제어부를 포함한다. 제어 시스템은 상기 원하는 제어 명령 신호와 상기 제어 보정 신호를 기초로 제어 신호를 발생시키고, 연료 전지 스택이 안전한 동작 한계 내에서 동작되는 것을 보장하도록 상기 발생된 제어 신호를 기초로 상기 가스 전달 시스템을 제어한다.
본 발명의 다른 양태의 여러 실시 형태에서, 연료 전지 시스템 제어 방법이 제공된다. 방법은 출력을 제공하기 위해 부하(load)에 결합된 연료 전지 스택과 연료와 산소를 연료 전지 스택에 제공하기 위해 연료 전지 스택에 결합된 가스 전달 시스템을 포함하는 연료 전지 시스템 내의 부하로부터의 명령을 기초로, 원하는 제어 명령 신호를 발생시키는 단계; 연료 전지 시스템으로부터의 적어도 하나의 측정 신호를 기초로 연료 전지 스택의 동작 제약의 위배를 피하기 위해 제어 보정 신호를 발생시키는 단계; 상기 원하는 제어 명령 신호와 상기 제어 보정 신호를 기초로 제어 신호를 발생시키는 단계; 및 연료 전지 스택이 안전한 동작 한계 내에서 동작되는 것을 보장하도록 상기 발생된 제어 신호를 기초로 상기 가스 전달 시스템을 제어하는 단계를 포함한다.
전술한 바를 포함하여 본 발명의 다른 특징들, 양태들 및 장점들은 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분들을 유사한 부호로 나타내고 있는 첨부 도면을 참조로 다음의 상세한 설명을 파악할 때 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템의 개략적인 블록도.
도 2는 도 1의 제어 시스템의 개략적인 블록도.
도 3은 도 2의 포워드 제어부의 개략적인 블록도.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템의 제어 방법의 흐름도.
도 5는 도 4의 방법에 따라 계획된 전류 신호를 발생시키는 여러 단계를 예시하는 흐름도.
본 개시 내용의 여러 실시예를 첨부 도면을 참고로 아래에 설명한다. 다음의 설명에서는, 개시 내용을 불필요한 상세로 모호하게 하는 것을 피하기 위해 공지된 기능 또는 구성은 상세하게 설명하지 않는다.
달리 정의되지 않으면, 여기 사용되는 기술적 및 과학적 용어는 본 개시 내용이 속하는 당업계의 통상적인 기술자이라면 공통적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 가진다. 여기 사용되는 "제1", "제2" 등의 용어는 임의의 순서, 수량 또는 중요성을 나타내기보다는 하나의 요소를 다른 것과 구분하는 데 사용된다. 또한, 단수형 표현은 수량의 제한을 나타내기보다는 언급된 항목 중 적어도 하나의 존재를 나타내는 것이다. "또는"이란 표현은 포괄적임을 의미하여 열거된 항목의 어느 하나 또는 모두를 의미한다. "포함하다"와 "갖는다"의 표현과 그 파생어들은 여기에서 추가적인 항목은 물론 이후에 열거되는 항목들 및 그 등가물을 포함하는 것을 의미한다. 또한, "기초로 한다"의 표현은 "어떤 것을 적어도 부분적으로 기초로 한다"는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템의 개략적인 블록도이다. 도 1에 예시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연료 전지 시스템(100)은 출력을 제공하기 위해 부하(load)(2)에 결합된 연료 전지 스택(1)과, 연료와 산소를 연료 전지 스택(1)에 제공하기 위해 연료 전지 스택(1)에 결합된 가스 전달 시스템(3)과, 가스 전달 시스템(3)을 제어하는 제어 시스템(4)을 포함한다. 제어 시스템(4)은 포워드 제어부(41)와 보정 제어부(42)를 포함한다. 포워드 제어부(41)는 부하(2)로부터의 명령(CL)을 기초로, 원하는 제어 명령 신호(S1)를 발생시키도록 구성된다. 보정 제어부(42)는 연료 전지 시스템(100)으로부터의 적어도 하나의 측정 신호(SM)를 기초로 제어 보정 신호(S2)를 발생시키도록 구성된다. 제어 보정 신호(S2)는 연료 전지 스택(1)의 동작 제약의 위배를 피하도록 구성된다. 제어 시스템(4)은 상기 원하는 제어 명령 신호(S1)와 상기 제어 보정 신호(S2)를 기초로 제어 신호(S3)를 발생시키고, 본 발명의 연료 전지 스택(1)이 안전한 동작 한계 내에서 동작되는 것을 보장하도록 상기 발생된 제어 신호(S3)를 기초로 가스 전달 시스템(3)을 제어하도록 구성된다.
본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지 스택(1)의 상이한 동작 제약을 일정한 방식으로 효율적으로 대처할 수 있고 연료 전지 스택(1)의 수명에 영향을 미치는 일부 중요한 변수를 안전한 한계 내로 유지시킴으로써 본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지 스택(1)이 연료 전지 시스템(100)의 정상 동작을 만족하는 조건 내의 안전 동작 한계로 작동되는 것을 효과적으로 보장할 수 있다. 본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지 스택(1)의 수명을 연장할 수 있고 단순화된 설계와 낮은 비용을 가진다.
연료 전지 스택(1)은 함께 적층된 일련의 연료 전지를 포함한다. 통상 수소인 연료와 통상 산소인 공기가 연료 전지 스택(1) 내에서 반응한다. 연료 전지 스택(1)은 수소와 산소를 물로 변환시켜 전기와 열을 생성한다. 본 발명의 연료 전지 스택(1)은 고체 산화물 연료 전지(SOFC), 용융 탄산염 연료 전지(MCFC) 등의 고온 연료 전지와 양자 교환막 연료 전지(PEMFC), 직접 메탄올 연료 전지(DMFC) 등의 저온 연료 전지 모두에 적용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 연료 전지 시스템이 고체 산화물 연료 전지형 시스템인 경우, 연료 전지 스택은 일련의 고체 산화물 연료 전지를 포함한다. 고체 산화물 연료 전지 각각은 애노드(anode), 캐소드(cathode), 애노드와 캐소드 사이의 고체 전해질 및 배선을 포함한다. 고체 전해질은 가장 흔하게는 산소 음이온을 충분히 높은 온도(통상 500 ℃보다 높은 온도)로 전도하는 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ)로 지칭되는 세라믹 물질이다.
연료 전지 스택(1)의 동작 제약은 연료 전지 스택(1)과 연관된 사용자 특정 동작 제약이다. 연료 전지 스택(1)의 동작 제약은 다음의 제약 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: 연료 전지 스택(1)의 하나의 연료 전지의 전압, 연료 전지 스택(1)의 저항, 연료 전지 스택(1)의 애노드 가스 압력과 캐소드 가스 압력 간의 압력차, 연료 전지 스택(1)의 최대 온도차, 실제 소비된 산소에 대한 연료 전지 스택(1)의 캐소드에 공급된 산소의 비율인 산소 초과 비율, 실제 소비된 연료에 대한 연료 전지 스택(1)의 애노드에 공급된 연료의 비율인 연료 초과 비율, 연료 전지 시스템(100)이 위치된 주위 압력과 연료 전지 스택(1)의 애노드 유입 가스 압력 간의 압력차, 상기 주위 압력과 연료 전지 스택(1)의 캐소드 유입 가스 압력 간의 압력차, 애노드와 캐소드 간의 횡단 누설(cross leakage), 애노드와 연료 전지 시스템(100)이 위치된 주변 환경 간의 횡단 누설, 및 캐소드와 상기 주변 환경 간의 횡단 누설. 그러나, 본 발명의 연료 전지 스택(1)의 동작 제약은 전술한 제약에 한정돼서는 안 되며, 여기 언급되지 않은 다른 제약들을 포함할 수 있다.
예를 들면, 일부 실시예에서, 연료 전지 스택(1)의 하나의 연료 전지의 전압은 약 0.55~1.0 V의 범위에 있을 수 있다. 연료 전지 스택(1)의 애노드 가스 압력과 캐소드 가스 압력 간의 압력차는 약 -40 KPa~40 KPa의 범위에 있을 수 있다. 연료 전지 스택(1)의 최대 온도차는 약 -40 KPa~40 KPa의 범위에 있을 수 있다. 산소 초과 비율은 2~6의 범위에 있을 수 있다. 연료 초과 비율은 1.5~6의 범위에 있을 수 있다. 주위 압력과 연료 전지 스택(1)의 애노드 유입 가스 압력 간의 압력차는 약 0 KPa~40 KPa의 범위에 있을 수 있다. 주위 압력과 연료 전지 스택(1)의 캐소드 유입 가스 압력 간의 압력차는 0 KPa~40 KPa의 범위에 있을 수 있다. 그러나, 연료 전지 스택(1)의 동작 제약의 개수와 특정 값은 연료 전지 스택(1)의 실제 동작 조건에 따라 사용자에 의해 미리 대응되게 조정될 수 있음을 알아야 한다.
상기 적어도 하나의 특정 신호(SM)는 다음의 신호들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: 연료 전지 스택(1)에 있어서의 애노드 유입 가스 압력, 애노드 유출 가스 압력, 캐소드 유입 가스 압력, 캐소드 유출 가스 압력, 애노드 유입 유량, 애노드 유출 유량, 캐소드 유입 유량, 캐소드 유출 유량, 연료 전지 스택(1)의 하나 이상의 온도 측정치, 연료 전지 스택(1)의 하나의 연료 전지의 전압, 연료 전지 스택(1)의 전류, 연료 전지 시스템(100)이 위치된 주위 온도, 주위 압력 및 주위 습도. 그러나, 본 발명의 상기 적어도 하나의 측정 신호(SM)는 전술한 신호에 한정돼서는 안 되며, 여기 언급되지 않은 다른 신호들을 포함할 수 있다.
도 1을 계속 참조하면, 본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 배출물의 방출을 위해 연료 전지 스택(1)에 결합된 배출물 방출 시스템(5)을 더 포함한다. 반응 물질과 비반응 가스가 배출물 방출 시스템(5)을 통해 배출물로서 방출된다. 배출물 방출 시스템(5)은 연료 배출물을 방출하는 애노드 방출 모듈(51)과 공기 배출물을 방출하는 캐소드 방출 모듈(52)을 포함한다.
도 1을 참조로, 일 실시예에서, 제어 시스템(4)은 합산기(summator)(43)를 더 포함한다. 합산기(43)는 원하는 제어 명령 신호(S1)와 제어 보정 신호(S2)를 합산하여 제어 신호(S3)를 생성하도록 구성된다. 그러나, 합산기(43)는 단지 본 발명의 일례로서 예시된 것으로, 실제로 본 발명의 제어 시스템(4)은 합산기(43)를 포함하는 것으로 한정돼서는 안 된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 제어 시스템(4)은 실렉터(selector)를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 실렉터는 원하는 제어 명령 신호(S1)와 제어 보정 신호(S2) 중 최고치를 선택하도록 구성될 수 있다. 선택된 최고치는 제어 신호(S3)로서 간주된다. 대안적으로, 실렉터는 원하는 제어 명령 신호(S1)와 제어 보정 신호(S2) 중 최소치를 선택하도록 구성될 수도 있다. 선택된 최소치는 제어 신호(S3)로서 간주된다.
가스 전달 시스템(3)은 연료 흐름 조절기(31)와 공기 흐름 조절기(32)를 포함한다. 연료 흐름 조절기(31)는 연료 전지 스택(1)으로 공급되는 연료 유량을 조절하도록 구성된다. 공기 흐름 조절기(32)는 연료 전지 스택(1)으로 공급되는 공기 유량을 조절하도록 구성된다.
도 2는 본 발명의 제어 시스템(4)의 개략적인 블록도를 예시한다. 도 2에 예시된 바와 같이, 일 실시에에서, 원하는 제어 명령 신호(S1)는 원하는 연료 유량 명령 신호(S11)와 원하는 공기 유량 명령 신호(S12)를 포함하며, 이에 대응하여, 제어 보정 신호(S2)는 연료 유량 보정 신호(S21)와 공기 유량 보정 신호(S22)를 포함한다. 보정 제어부(42)는 연료 유량 보정 신호(S21)를 발생시켜 발생된 연료 유량 신호(S21)를 원하는 연료 유량 명령 신호(S11)에 합산하여 연료 유량 신호(S31)를 획득하며, 보정 제어부(42)는 공기 유량 보정 신호(S22)를 발생시켜 발생된 공기 유량 보정 신호(S22)를 원하는 공기 유량 명령 신호(S12)에 합산하여 공기 유량 신호(S32)를 획득한다. 따라서, 제어 신호(S3)는 연료 유량 신호(S31)와 공기 유량 신호(S32)를 포함한다.
본 실시예에서, 도 2를 참조로, 합산기(43)는 제1 합산기(431)와 제2 합산기(432)를 포함한다. 제1 합산기(431)는 원하는 연료 유량 명령 신호(S11)와 연료 유량 보정 신호(S21)를 합산하여 연료 유량 신호(S31)를 발생시킨다. 제2 합산기(432)는 원하는 공기 유량 명령 신호(S12)와 공기 유량 보정 신호(S22)를 합산하여 공기 유량 신호(S32)를 발생시킨다.
일 실시예에서, 부하(2)로부터의 명령(CL)은 출력 명령(CL)을 포함한다.
도 3은 본 발명의 포워드 제어부(41)의 개략적인 블록도를 예시한다. 도 3에 예시된 바와 같이, 포워드 제어부(41)는 스케줄러(411)와 컨버터(412)를 포함한다. 일 실시예에서, 스케줄러(411)는 출력 명령(CL)을 기초로 예정된(scheduled) 전류 신호(SIS)를 발생시킨다. 다른 실시예에서, 스케줄러(411)는 출력 명령(CL)과 추가로 연료 연지 스택(1)으로부터의 전류 측정치(S1)를 기초로 예정된 전류 신호(SIS)를 발생시킨다. 예로서, 스케줄러(411)는 전류 계산 모듈(4111), 보상 모듈(4112) 및 제3 합산기(4113)를 포함할 수 있다. 전류 계산 모듈(4111)은 출력 명령(CL)을 만족시키도록 출력 명령(CL)을 기초로 기준 전류 신호(SIB)를 계산한다. 보상 모듈(4112)은 전류 측정치(S1)를 기초로 보상 전류 신호(SIC)를 발생시킨다. 제3 합산기(4113)는 기준 전류 신호(SIB)와 보상 전류 신호(SIC)를 합산하여 예정된 전류 신호(SIS)를 발생시킨다. 컨버터(412)는 화학양론 비율(stoichiometry ratio)을 곱하는 것에 의해 예정된 전류 신호(SIS)를 원하는 제어 명령 신호(S1)로 변환시킨다. 일 실시예에서, 원하는 제어 명령 신호(S1)는 원하는 연료 유량 명령 신호(S11)와 원하는 공기 유량 명령 신호(S12)를 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 보정 제어부(42)는 연료 전지 스택(1)의 동작 제약에 대처하기 위해 모델 예측 제어를 이용한다. 보정 제어부(42)는 적어도 하나의 측정 신호(SM)를 기초로, 원하는 제어 명령 신호(S1)가 연료 전지 스택(1)의 동작 제약을 위배할지 여부를 예측하도록 구성된다. 원하는 제어 명령 신호(S1)가 연료 전지 스택(1)의 동작 제약을 위배하는 것으로 예측되면, 본 발명의 보정 제어부(42)는 제어 보정 신호(S2)를 발생시키고 발생된 제어 보정 신호(S2)를 원하는 제어 명령 신호(S1)에 합산한다. 일 실시예에서, 제어 보정 신호(S2)는 연료 유량 보정 신호(S21)와 공기 유량 보정 신호(S22)를 포함한다. 연료 유량 보정 신호(S21)는 발생된 후, 원하는 연료 유량 명령 신호(S11)에 합산되고, 공기 유량 보정 신호(S22)는 발생된 후, 원하는 공기 유량 명령 신호(S12)에 합산된다.
본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 적어도 다음과 같은 유익한 기술적 효과를 포함할 수 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 추가적인 하드웨어, 공정 흐름 또는 물질 변경이 필요치 않으므로 연료 전지 수명을 연장시키는 데 있어 저비용의 해법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 다중의 상호 작용적인 제약을 하나의 테두리 내에서 처리할 수 있는 포괄적인 연료 전지 수명 제어 해법을 제공할 수 있고, 더 많은 제약을 만족시키도록 더 적은 수의 조작 변수(예, 연료 유량과 공기 유량의 오직 2가지 변수)를 처리할 수 있는 강력한 제약 처리 능력을 가질 수 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 저온 연료 전지로부터 고온 연료 전지까지의 범위에 이르는 보다 넓은 응용 분야를 가질 수 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 조작이 용이하다. 본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 2개의 개별 제어 모듈, 즉 분명한 물리적 의미로써 개별적으로 조절 후 장애 대처 절차를 밟을 수 있는 포워드 제어부(41)와 보정 제어부(42)를 포함한다. 따라서, 깊은 제어 지식이 없는 조작자도 본 발명의 연료 전지 시스템(100)을 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 제어 방법의 흐름도를 나타낸다. 도 1~3과 함께 도 4에 예시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 제어 방법은 다음의 단계들을 포함한다.
B1 블록에서, 상기 연료 전지 시스템(100) 내의 부하(2)로부터의 명령(CL)을 기초로, 원하는 제어 명령 신호(S1)가 발생된다. 본 실시예에서, 부하(2)로부터의 명령(CL)을 기초로, 원하는 연료 유량 명령 신호(S11)와 원하는 공기 유량 명령 신호(S12)가 발생된다. 따라서, 원하는 제어 명령 신호(S1)는 원하는 연료 유량 명령 신호(S11)와 원하는 공기 유량 명령 신호(S12)를 포함한다. 일 실시예에서, 부하(2)로부터의 명령(CL)은 출력 명령(CL)를 포함할 수 있다.
부하(2)로부터의 명령(CL)이 출력 명령(CL)인 경우, B1 단계는 다음의 단계들을 더 포함한다.
B11 블록에서, 예정된 전류 신호(SIS)가 발생된다. 일 실시예에서, 예정된 전류 신호(SIS)는 출력 명령(CL)을 기초로 발생된다. 다른 실시예에서, 예정된 전류 신호(SIS)는 출력 명령(CL)과 추가로 연료 전지 스택(1)으로부터의 전류 측정치를 기초로 발생된다.
도 5는 도 4의 방법에 따라 출력 명령(CL)과 연료 전지 스택(1)으로부터의 전류 측정치 양자 모두를 기초로 예정된 전류 신호(SIS)를 발생시키는 단계들을 예시한 흐름도이다. 도 5에 예시된 바와 같이, B11 단계는 다음의 단계들을 더 포함한다.
B111 블록에서, 출력 명령(CL)을 만족시키도록 출력 명령(CL)을 기초로 기준 전류 신호(SIB)가 계산된다.
B112 블록에서, 전류 측정치(S1)를 기초로 보상 전류 신호(SIC)가 발생된다.
B113 블록에서, 기준 전류 신호(SIB)와 보상 전류 신호(SIC)가 합산(가산)되어 예정된 전류 신호(SIS)가 발생된다.
이제 도 4를 참조하면, B12 블록에서, 예정된 전류 신호(SIS)는 화학양론 비율을 곱하는 것에 의해 원하는 제어 명령 신호(S1)로 변환된다. 본 실시예에서, 예정된 전류 신호(SIS)는 원하는 연료 유량 명령 신호(S11)와 원하는 공기 유량 명령 신호(S12)로 변환된다.
B2 블록에서, 연료 전지 스택(1)의 동작 제약은 사용자에 의해 미리 특정된다. 연료 전지 스택(1)의 동작 제약은 연료 전지 스택(1)의 수명과 연관된다. 예를 들면, 연료 전지 스택(1)의 동작 제약은 한정되는 것은 아니지만 다음의 제약 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: 연료 전지 스택(1)의 하나의 연료 전지의 전압, 연료 전지 스택(1)의 저항, 연료 전지 스택(1)의 애노드 가스 압력과 캐소드 가스 압력 간의 압력차, 연료 전지 스택(1)의 최대 온도차, 실제 소비된 산소에 대한 연료 전지 스택(1)의 캐소드에 공급된 산소의 비율인 산소 초과 비율, 실제 소비된 연료에 대한 연료 전지 스택(1)의 애노드에 공급된 연료의 비율인 연료 초과 비율, 연료 전지 시스템(100)이 위치된 주위 압력과 연료 전지 스택(1)의 애노드 유입 가스 압력 간의 압력차, 상기 주위 압력과 연료 전지 스택(1)의 캐소드 유입 가스 압력 간의 압력차, 애노드와 캐소드 간의 횡단 누설(cross leakage), 애노드와 연료 전지 시스템(100)이 위치된 주변 환경 간의 횡단 누설, 및 캐소드와 상기 주변 환경 간의 횡단 누설.
B3 블록에서, 예측 모델이 예비 확정된다. 예측 모델은 연료 전지 스택(1)의 거동을 설명하도록 구성된다.
B4 블록에서, 적어도 하나의 측정 신호(SM)를 기초로 예측 모델로부터 원하는 제어 명령 신호(S1)가 연료 전지 스택(1)의 동작 제약을 위배할지 여부가 예측된다. 본 실시예에서, 적어도 하나의 측정 신호(SM)를 기초로 예측 모델로부터 원하는 연료 유량 명령 신호(S11)와 원하는 공기 유량 명령 신호(S12) 중 어느 하나 또는 양자 모두가 연료 전지 스택(1)의 동작 제약을 위배할지 여부가 예측된다. 적어도 하나의 측정 신호(SM)는 예컨대, 한정되는 것은 아니지만 다음의 신호 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: 연료 전지 스택(1)에 있어서의 애노드 유입 가스 압력, 애노드 유출 가스 압력, 캐소드 유입 가스 압력, 캐소드 유출 가스 압력, 애노드 유입 유량, 애노드 유출 유량, 캐소드 유입 유량, 캐소드 유출 유량, 연료 전지 스택(1)의 하나 이상의 온도 측정치, 연료 전지 스택(1)의 하나의 연료 전지의 전압, 연료 전지 스택(1)의 전류, 연료 전지 시스템(100)이 위치된 주위 온도, 주위 압력 및 주위 습도. 예측된 결과가 "긍정"이면, 단계는 B5 블록으로 이동한다.
B5 블록에서, 원하는 제어 명령 신호(S1)가 연료 전지 스택(1)의 동작 제약을 위배할 것으로 예측되는 경우, 제어 보정 신호(S2)가 발생되어 원하는 제어 명령 신호(S1)에 합산된다. 본 실시예에서, 제어 보정 신호(S2)는 연료 유량 보정 신호(S21)와 공기 유량 보정 신호(S22)를 포함한다.
예를 들면, 원하는 제어 명령 신호(S1)의 원하는 연료 유량 명령 신호(S11)가 연료 전지 스택(1)의 동작 제약을 위배할 것으로 예측되는 경우, 연료 유량 보정 신호(S21)가 발생되어 원하는 연료 유량 명령 신호(S11)에 합산된다. 원하는 제어 명령 신호(S1)의 원하는 공기 유량 명령 신호(S12)가 연료 전지 스택(1)의 동작 제약을 위배할 것으로 예측되는 경우, 공기 유량 보정 신호(S22)가 발생되어 원하는 공기 유량 명령 신호(S12)에 합산된다. 원하는 제어 명령 신호(S1)의 원하는 연료 유량 명령 신호(S11)와 원하는 공기 유량 명령 신호(S12) 모두가 연료 전지 스택(1)의 동작 제약을 위배할 것으로 예측되는 경우, 연료 유량 보정 신호(S21)와 공기 유량 보정 신호(S22)가 개별 발생되어 원하는 연료 유량 명령 신호(S11)와 원하는 공기 유량 명령 신호(S12)에 합산된다.
B6 블록에서, 원하는 제어 명령 신호(S1)와 제어 보정 신호(S2)를 기초로 제어 신호(S3)가 발생된다. 본 실시예에서, 제어 신호(S3)는 연료 유량 신호(S31)와 공기 유량 신호(S32)를 포함한다. 구체적으로, 연료 유량 신호(S31)는 원하는 연료 유량 명령 신호(S11)와 연료 유량 보정 신호(S21)를 기초로 발생되며, 공기 유량 신호(S32)는 원하는 공기 유량 명령 신호(S12)와 공기 유량 보정 신호(S22)를 기초로 발생된다.
일 실시예에서, 제어 신호(S3)는 원하는 제어 명령 신호(S1)와 제어 보정 신호(S2)를 합산하는 것에 의해 발생된다. 구체적으로, 제어 신호(S3)의 연료 유량 신호(S31)는 원하는 연료 유량 명령 신호(S11)와 연료 유량 보정 신호(S21)를 합산하는 것에 의해 발생되며, 제어 신호(S3)의 공기 유량 신호(S32)는 원하는 공기 유량 명령 신호(S12)와 공기 유량 보정 신호(S22)를 합산하는 것에 의해 발생된다.
B7 블록에서, 가스 전달 시스템(3)은 연료 전지 스택(1)이 안전한 동작 한계 내에서 동작되는 것을 보장하도록 발생된 제어 신호(S3)를 기초로 제어된다. 발생된 제어 신호(S3)는 연료 유량 신호(S31)와 공기 유량 신호(S32)를 포함하므로, 연료 유량 신호(S31)와 공기 유량 신호(S32)는 각각 가스 전달 시스템(3)의 연료 흐름 조절기(31)와 공기 흐름 조절기(32)(도 1 참조)를 제어하도록 구성된다. 연료 흐름 조절기(31)는 연료 유량 신호(S31)에 따라 연료 전지 스택(1)으로 공급되는 연료 유량을 조절하며, 공기 흐름 조절기(32)는 공기 유량 신호(S32)에 따라 연료 전지 스택(1)으로 공급되는 공기 유량을 조절할 것이다.
본 발명의 연료 전지 시스템(100)의 제어 방법은 연료 전지 스택(1)의 상이한 동작 제약을 일정한 방식으로 효율적으로 대처할 수 있고 연료 전지 스택(1)의 수명에 영향을 미치는 일부 중요한 변수를 안전한 한계 내로 유지시킴으로써 본 발명의 제어 방법은 연료 전지 스택(1)이 연료 전지 시스템(100)의 정상 동작을 만족하는 조건 내의 안전 동작 한계로 작동되는 것을 효과적으로 보장할 수 있다. 본 발명의 제어 방법은 연료 전지 스택(1)의 수명을 연장할 수 있고 연료 전지 시스템(100)의 설계를 단순화할 수 있으며, 연료 전지 시스템(100)의 비용을 절감할 수 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템(100)의 제어 방법은 전술한 연료 전지 시스템(100)에 설명된 것과 유사한 유익한 기술적 효과를 가진다.
본 개시 내용은 통상적인 실시예들로 예시되고 기술되었지만, 본 개시 내용은 본 개시 내용의 취지를 벗어나지 않고 다양한 변형 및 치환이 이루어질 수 있으므로 예시된 세부적인 내용에 한정되는 것으로 의도된 것이 아니다. 이로써, 당업자들은 정기 실험만을 이용하여 여기 개시된 개시 내용의 추가의 변형 및 균등물을 안출할 수 있으며, 모든 이러한 변형 및 균등물은 다음의 청구범위에 의해 정의되는 본 개시 내용의 취지 및 범위 내에 속하는 것으로 믿어진다.

Claims (20)

  1. 연료 전지 시스템으로서,
    출력을 제공하기 위해 부하에 결합된 연료 전지 스택;
    연료와 산소를 상기 연료 전지 스택에 제공하기 위해 상기 연료 전지 스택에 결합된 가스 전달 시스템; 및
    제어 시스템
    을 포함하며, 상기 제어 시스템은:
    상기 부하로부터의 명령을 기초로, 원하는 제어 명령 신호를 발생시키는 포워드 제어부(forward contoller)와;
    상기 연료 전지 시스템으로부터의 적어도 하나의 측정 신호를 기초로, 상기 연료 전지 스택의 동작 제약의 위배를 피하도록 제어 보정 신호를 발생시키는 보정 제어부를 포함하며,
    상기 제어 시스템은 상기 원하는 제어 명령 신호와 상기 제어 보정 신호를 기초로 제어 신호를 발생시키고, 상기 연료 전지 스택이 안전한 동작 한계 내에서 동작되는 것을 보장하도록 상기 발생된 제어 신호를 기초로 상기 가스 전달 시스템을 제어하는 것인 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어 시스템은
    상기 제어 신호를 발생시키도록 상기 원하는 제어 명령 신호와 상기 제어 보정 신호를 합산하는 합산기를 더 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 원하는 제어 명령 신호는 원하는 연료 유량 명령 신호와 원하는 공기 유량 명령 신호를 포함하고, 상기 제어 보정 신호는 연료 유량 보정 신호와 공기 유량 보정 신호를 포함하고, 상기 제어 신호는 연료 유량 신호와 공기 유량 신호를 포함하고, 상기 합산기는
    상기 연료 유량 신호를 발생시키도록 상기 원하는 연료 유량 명령 신호와 상기 연료 유량 보정 신호를 합산하는 제1 합산기; 및
    상기 공기 유량 신호를 발생시키도록 상기 원하는 공기 유량 명령 신호와 상기 공기 유량 보정 신호를 합산하는 제2 합산기
    를 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 부하로부터의 상기 명령은 출력 명령을 포함하고, 상기 포워드 제어부는
    상기 출력 명령을 기초로 예정된 전류 신호를 발생시키는 스케줄러; 및
    화학양론 비율을 곱하는 것에 의해 상기 예정된 전류 신호를 상기 원하는 제어 명령 신호로 변환하는 컨버터
    를 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 스케줄러에 의해 발생된 상기 예정된 전류 신호는 추가로 상기 출력 명령과 상기 연료 전지 스택으로부터의 전류 측정치를 기초로 한 것인 연료 전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 스케줄러는
    상기 출력 명령을 만족시키도록 기준 전류 신호를 계산하는 전류 계산 모듈;
    상기 전류 측정치를 기초로 보상 전류 신호를 발생시키는 보상 모듈; 및
    상기 예정된 전류 신호를 발생시키도록 상기 기준 전류 신호와 상기 보상 전류 신호를 합산하는 제3 합산기
    를 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 보정 제어부는 상기 연료 전지 스택의 동작 제약에 대처하도록 모델 예측 제어를 이용하는 것인 연료 전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 보정 제어부는 상기 적어도 하나의 측정 신호를 기초로 상기 원하는 제어 명령 신호가 상기 연료 전지 스택의 동작 제약을 위배할 지 여부를 예측하고, 상기 원하는 제어 명령 신호가 상기 연료 전지 스택의 동작 제약을 위배할 것으로 예측되는 경우, 상기 제어 보정 신호를 발생시키고 발생된 제어 보정 신호를 상기 원하는 제어 명령 신호에 합산하는 것인 연료 전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지 스택의 상기 동작 제약은 상기 연료 전지 스택의 수명과 연관된 사용자 특정 동작 제약인 것인 연료 전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 연료 전지 스택의 상기 동작 제약은, 상기 연료 전지 스택의 하나의 연료 전지의 전압, 상기 연료 전지 스택의 저항, 상기 연료 전지 스택의 애노드 가스 압력과 캐소드 가스 압력 간의 압력차, 상기 연료 전지 스택의 최대 온도차, 실제 소비된 산소에 대한 상기 연료 전지 스택의 캐소드로 공급된 산소의 비율인 산소 초과 비율, 실제 소비된 연료에 대한 상기 연료 전지 스택의 애노드로 공급된 연료의 비율인 연료 초과 비율, 상기 연료 전지 시스템이 위치된 주위 압력과 상기 연료 전지 스택의 애노드 유입 가스 압력 간의 압력차, 상기 주위 압력과 상기 연료 전지 스택의 캐소드 유입 가스 압력 간의 압력차, 상기 애노드와 상기 캐소드 간의 횡단 누설, 상기 애노드와 상기 연료 전지 시스템이 위치된 주변 환경 간의 횡단 누설, 및 상기 캐소드와 상기 주변 환경 간의 횡단 누설을 포함하는 제약 중 적어도 하나를 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 측정 신호는, 상기 연료 전지 스택에 있어서의 애노드 유입 가스 압력, 애노드 유출 가스 압력, 캐소드 유입 가스 압력, 캐소드 유출 가스 압력, 애노드 유입 유량, 애노드 유출 유량, 캐소드 유입 유량, 캐소드 유출 유량과, 상기 연료 전지 스택의 하나 이상의 온도 측정치와, 상기 연료 전지 스택의 하나의 연료 전지의 전압과, 상기 연료 전지 스택의 전류와, 상기 연료 전지 시스템이 위치된 주위 온도, 주위 압력 및 주위 습도 중 적어도 하나의 신호를 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은 고체 산화물 연료 전지형 시스템이고, 상기 연료 전지 스택은 각각 애노드, 캐소드, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 고체 전해질, 및 상호 접속부를 포함하는 일련의 고체 산화물 연료 전지를 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  13. 연료 전지 시스템의 제어 방법으로서,
    출력을 제공하기 위해 부하에 결합된 연료 전지 스택과 연료와 산소를 상기 연료 전지 스택에 제공하기 위해 상기 연료 전지 스택에 결합된 가스 전달 시스템을 포함하는 연료 전지 시스템 내의 부하로부터의 명령을 기초로 원하는 제어 명령 신호를 발생시키는 단계;
    상기 연료 전지 시스템으로부터의 적어도 하나의 측정 신호를 기초로 상기 연료 전지 스택의 동작 제약의 위배를 피하도록 제어 보정 신호를 발생시키는 단계;
    상기 원하는 제어 명령 신호와 상기 제어 보정 신호를 기초로 제어 신호를 발생시키는 단계; 및
    상기 연료 전지 스택이 안전한 동작 한계 내에서 동작되는 것을 보장하도록 상기 발생된 제어 신호를 기초로 상기 가스 전달 시스템을 제어하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제어 신호 발생 단계는
    상기 제어 신호를 발생시키도록 상기 원하는 제어 명령 신호와 상기 제어 보정 신호를 합산하는 단계를 포함하는 것인 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 부하로부터의 명령은 출력 명령을 포함하고, 상기 원하는 제어 명령 신호를 발생시키는 단계는
    상기 출력 명령을 기초로 예정된 전류 신호를 발생시키는 단계; 및
    화학양론 비율을 곱하는 것에 의해 상기 예정된 전류 신호를 상기 원하는 제어 명령 신호로 변환시키는 단계
    를 포함하는 것인 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 예정된 전류 신호를 발생시키 단계는
    추가로 상기 출력 신호와 상기 연료 전지 스택으로부터의 전류 측정치를 기초로 상기 예정된 전류 신호를 발생시키는 단계를 포함하는 것인 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 예정된 전류 신호를 발생시키는 단계는
    상기 출력 명령을 만족시키도록 기준 전류 신호를 계산하는 단계;
    상기 전류 측정치를 기초로 보상 전류 신호를 발생시키는 단계; 및
    상기 예정된 전류 신호를 발생시키도록 상기 기준 전류 신호와 상기 보상 전류 신호를 합산하는 단계
    를 포함하는 것인 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 제어 보정 신호를 발생시키는 단계는
    상기 연료 전지 스택의 상기 동작 제약을 예비 특정하는 단계;
    상기 연료 전지 스택의 거동을 기술하는 예측 모델을 예비 확정하는 단계;
    상기 적어도 하나의 측정 신호를 기초로, 상기 예측 모델로부터 상기 원하는 제어 명령 신호가 상기 연료 전지 스택의 상기 동작 제약을 위배할지 여부를 예측하는 단계; 및
    상기 원하는 제어 명령 신호가 상기 연료 전지 스택의 상기 동작 제약을 위배할 것으로 예측되는 경우, 상기 제어 보정 신호를 발생시키고 발생된 제어 보정 신호를 상기 원하는 제어 명령 신호에 합산하는 단계
    를 포함하는 것인 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  19. 제13항에 있어서, 상기 연료 전지 스택의 상기 동작 제약은, 상기 연료 전지 스택의 하나의 연료 전지의 전압, 상기 연료 전지 스택의 저항, 상기 연료 전지 스택의 애노드 가스 압력과 캐소드 가스 압력 간의 압력차, 상기 연료 전지 스택의 최대 온도차, 실제 소비된 산소에 대한 상기 연료 전지 스택의 캐소드로 공급된 산소의 비율인 산소 초과 비율, 실제 소비된 연료에 대한 상기 연료 전지 스택의 애노드로 공급된 연료의 비율인 연료 초과 비율, 상기 연료 전지 시스템이 위치된 주위 압력과 상기 연료 전지 스택의 애노드 유입 가스 압력 간의 압력차, 상기 주위 압력과 상기 연료 전지 스택의 캐소드 유입 가스 압력 간의 압력차, 상기 애노드와 상기 캐소드 간의 횡단 누설, 상기 애노드와 상기 연료 전지 시스템이 위치된 주변 환경 간의 횡단 누설, 및 상기 캐소드와 상기 주변 환경 간의 횡단 누설을 포함하는 제약 중 적어도 하나를 포함하는 것인 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  20. 제13항에 있어서, 상기 적어도 하나의 측정 신호는, 상기 연료 전지 스택에 있어서의 애노드 유입 가스 압력, 애노드 유출 가스 압력, 캐소드 유입 가스 압력, 캐소드 유출 가스 압력, 애노드 유입 유량, 애노드 유출 유량, 캐소드 유입 유량, 캐소드 유출 유량과, 상기 연료 전지 스택의 하나 이상의 온도 측정치와, 상기 연료 전지 스택의 하나의 연료 전지의 전압과, 상기 연료 전지 스택의 전류와, 상기 연료 전지 시스템이 위치된 주위 온도, 주위 압력 및 주위 습도 중 적어도 하나의 신호를 포함하는 것인 연료 전지 시스템의 제어 방법.
KR1020160061250A 2015-05-20 2016-05-19 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법 KR102368857B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510258296.1 2015-05-20
CN201510258296.1A CN106299401B (zh) 2015-05-20 2015-05-20 燃料电池系统及其控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160137394A true KR20160137394A (ko) 2016-11-30
KR102368857B1 KR102368857B1 (ko) 2022-03-02

Family

ID=55969063

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160061250A KR102368857B1 (ko) 2015-05-20 2016-05-19 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10290884B2 (ko)
EP (1) EP3096384B1 (ko)
JP (1) JP6883387B2 (ko)
KR (1) KR102368857B1 (ko)
CN (1) CN106299401B (ko)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6780593B2 (ja) * 2017-07-07 2020-11-04 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
CN107991881B (zh) * 2017-12-20 2021-01-05 东南大学 一种基于多模型预测控制的固体氧化物燃料电池非线性抑制方法
US10547070B2 (en) * 2018-03-09 2020-01-28 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. STL actuation-path planning
CN109524693B (zh) * 2018-11-13 2021-04-09 吉林大学 燃料电池空气供给系统模型预测控制方法
CN111969229B (zh) * 2019-01-07 2021-08-31 中氢新能技术有限公司 一种甲醇燃料电池的排气阀角度的控制系统
CN110010931A (zh) * 2019-03-25 2019-07-12 嘉兴德燃动力系统有限公司 一种燃料电池发动机供氢子系统的控制策略方法及系统
CN111244507B (zh) * 2020-01-10 2020-09-18 郑州宇通客车股份有限公司 一种车载氢系统的控制方法、装置及车载氢系统
CN111258365B (zh) * 2020-03-04 2021-11-16 北京亿华通科技股份有限公司 一种燃料电池系统的功率控制方法
CN111948562B (zh) * 2020-08-24 2023-06-16 南京机电职业技术学院 一种燃料电池全生命周期监控与评估系统
CN112290065B (zh) * 2020-09-25 2021-09-03 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七一二研究所） 一种基于有机液体供氢的密闭空间用燃料电池发电系统
CN112615030B (zh) * 2020-12-10 2022-04-01 全球能源互联网研究院有限公司 一种固定式发电用燃料电池机组控制系统及控制方法
CN114551944B (zh) * 2022-01-07 2023-10-10 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 质子交换膜燃料电池内部含水量的快速控制方法及系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101362054B1 (ko) * 2012-09-19 2014-02-13 현대자동차 주식회사 연료 전지의 전류 제어 방법

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020024525A (ko) 2000-09-25 2002-03-30 요트 루나우 연료 셀 배터리를 동작시키는 방법
TW558852B (en) 2002-07-12 2003-10-21 Asia Pacific Fuel Cell Tech Control apparatus and method of fuel cell set
JP4155027B2 (ja) * 2002-12-25 2008-09-24 日産自動車株式会社 燃料電池システム
CN100349317C (zh) 2003-04-08 2007-11-14 亚太燃料电池科技股份有限公司 燃料电池组的控制装置及方法
JP4882198B2 (ja) 2003-09-25 2012-02-22 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2006072747A (ja) * 2004-09-02 2006-03-16 Fujitsu Ten Ltd モデル予測制御装置
JP2007012549A (ja) * 2005-07-04 2007-01-18 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
US7599760B2 (en) 2006-04-17 2009-10-06 Bloom Energy Corporation Online configurable control system for fuel cells
JP4479787B2 (ja) * 2007-11-08 2010-06-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4882972B2 (ja) * 2007-11-16 2012-02-22 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US20090253007A1 (en) 2008-04-04 2009-10-08 Mergler Christopher M Method and apparatus for anode oxidation prevention and cooling of a solid-oxide fuel cell stack
JP2010067485A (ja) 2008-09-11 2010-03-25 Panasonic Corp 燃料電池に供給する燃料の流量を制御する方法と燃料供給装置、それを用いた燃料電池システム
US8652697B2 (en) 2009-02-25 2014-02-18 Bloom Energy Corporation Controlling a fuel cell system based on fuel cell impedance characteristic
JP4622005B2 (ja) 2009-03-31 2011-02-02 Ｔｏｔｏ株式会社 固体電解質型燃料電池
JP4697564B2 (ja) 2009-03-31 2011-06-08 Ｔｏｔｏ株式会社 固体電解質型燃料電池
JP4474688B1 (ja) 2009-03-31 2010-06-09 Ｔｏｔｏ株式会社 固体電解質型燃料電池
JP5212224B2 (ja) 2009-03-31 2013-06-19 トヨタ自動車株式会社 粒径分布モデル作成方法、当該粒径分布モデル作成方法を用いた燃料電池触媒の劣化予測方法、及び当該燃料電池触媒の劣化予測方法を用いた燃料電池の制御方法
US8409762B2 (en) * 2010-05-06 2013-04-02 GM Global Technology Operations LLC Adaptive method to control fuel delivery injector with modeling uncertainties in a fuel cell system
JP4998609B2 (ja) 2010-05-25 2012-08-15 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよびその制御方法
JP2011249171A (ja) 2010-05-27 2011-12-08 Toyota Motor Corp 燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、および、燃料電池スタックの劣化判定方法
CN103140977B (zh) 2010-09-29 2015-08-05 Toto株式会社 固体氧化物型燃料电池
CA2958530C (en) * 2014-08-20 2017-07-18 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and control method for fuel cell system

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101362054B1 (ko) * 2012-09-19 2014-02-13 현대자동차 주식회사 연료 전지의 전류 제어 방법

Also Published As

Publication number Publication date
US10290884B2 (en) 2019-05-14
CN106299401B (zh) 2019-07-16
CN106299401A (zh) 2017-01-04
US20160344048A1 (en) 2016-11-24
EP3096384B1 (en) 2019-07-03
JP6883387B2 (ja) 2021-06-09
JP2016219413A (ja) 2016-12-22
EP3096384A1 (en) 2016-11-23
KR102368857B1 (ko) 2022-03-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20160137394A (ko) 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법
Ou et al. Performance increase for an open-cathode PEM fuel cell with humidity and temperature control
Na et al. Feedback-linearization-based nonlinear control for PEM fuel cells
JP6861577B2 (ja) 燃料電池システムおよびその動作方法
Marignetti et al. Assessment of fuel cell performance under different air stoichiometries and fuel composition
US7222001B2 (en) System for monitoring and controlling fuel cell-based power generation units
Wang et al. Real-time power optimization for an air-coolant proton exchange membrane fuel cell based on active temperature control
CN112001092A (zh) 一种面向不同功率输出的pemfc操作条件寻优方法
CA2786654A1 (en) Management of the operation of a system for producing electric power from hydrogen and hydrogen from electric power
CN103299467B (zh) 用于控制燃料电池系统中的燃料供给的方法和装置
US20020105302A1 (en) Technique and apparatus to control the charging of a battery using a fuel cell
CN103247812B (zh) 用于处于怠速-停止模式的燃料电池系统的反应物控制方法
JP2009070788A (ja) 燃料供給制御方法及びその方法を利用した燃料電池装置
US20080152962A1 (en) Controlling oxidant flow to a reactor of a fuel cell system
JP6946308B2 (ja) 燃料電池コントローラ、燃料電池システム、および動作方法
Ali et al. A survey of the relevance of control systems for PEM fuel cells
He et al. Analysis of proton exchange membrane fuel cell reactant gas dynamic response and distribution quality
US20080152969A1 (en) Detecting and controlling a fuel-rich condition of a reactor in a fuel cell system
KR101817392B1 (ko) 연료재순환형 고체산화물 연료전지시스템
US20080152968A1 (en) Controlling oxidant flows in a fuel cell system
Choudhury et al. Control strategy for PEM fuel cell power plant
Fu et al. Global self-optimizing control of a solid oxide fuel cell
Pianko-Oprych et al. Numerical analysis of a serial connection of two staged SOFC stacks in a CHP system fed by methane using Aspen TECH
Khoeiniha et al. Optimal control design for proton exchange membrane fuel cell via genetic algorithm
Milewski et al. Off-design operation of a proton conducting solid oxide fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
A302 Request for accelerated examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant