KR20180071975A - 강화된 하이브리드 전력 시스템들을 위한 연료 전지 스택 - Google Patents

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Abstract

강화된 하이브리드 전력 시스템들을 위한 연료 전지 스택은, 접촉 단자들(4)을 갖는 제1 도전성 단부 플레이트(2) 및 제2 도전성 단부 플레이트(3); 직렬로 접속되며 도전성 단부 플레이트들(2, 3) 사이에 적층되는 복수의 연료 전지들(7); 적어도 하나의 접촉 단자(11, 11')를 갖는 적어도 하나의 도전성 중간 플레이트(6, 6')를 포함하며, 각각의 도전성 중간 플레이트(6, 6')는 인접한 연료 전지들(7) 사이에 적층되도록 구성된다. 접촉 단자들(11, 11')은 연료 전지 스택(1)으로부터 돌출하는 도전성 탭들(11)을 포함할 수 있다.
본 발명은 배터리(50), 연료 전지 스택(1), 및 하이브리드 전력 시스템(90)이 부하(60)에 급전하고 있을 때 연료 전지 스택(1)의 동작 전압을 선택하도록 구성된 제어 유닛(70)을 포함하는 하이브리드 전력 시스템에 관련된다. 동작 전압은 연료 전지 스택(1)의 접촉 단자들(4, 11, 11')에서의 전압들의 값들(V1, V2, V3)에 따라 도전성 중간 플레이트(6, 6') 및 도전성 단부 플레이트들(2, 3)의 접촉 단자들(4, 11, 11')로부터 얻어진다.

Description

강화된 하이브리드 전력 시스템들을 위한 연료 전지 스택{FUEL CELL STACK FOR ENHANCED HYBRID POWER SYSTEMS}
본 개시내용은 연료 전지들 및 하이브리드 전력 시스템들의 분야에 포함된다.
연료 전지 시스템들은 이들의 높은 에너지 밀도(Wh/㎤) 및 비에너지(specific energy)(Wh/㎏) 때문에 차량들에 사용된다. 그러나 이들의 제한된 비출력(specific power)(W/㎏) 때문에, 연료 전지 시스템들은 고출력 방전을 갖는 에너지원과 하이브리드 구성으로 흔히 결합된다. 하이브리드 전력 시스템의 가장 일반적인 구성은 배터리들과 연료 전지 스택의 조합으로 구성된다. 이러한 타입의 하이브리드 전력 시스템은 비교적 복잡한 전력 전자 회로들 및 배터리들과 연료 전지 스택의 전압들의 사전 정합을 필요로 한다.
2개의 전원들의 정합은 동적 거동의 관점에서 연료 전지와 비교되는 배터리의 상이한 성질로 인해 본질적으로는 절충안이다. 그 결과, 두 전원들 모두를 최대한 활용하는 것이 불가능하다. 모든 하이브리드화들은 각각의 전원의 일부 이익들이 희생되는 타협점으로 구성된다:
- 배터리들은 실제로 모든 각각의 전압에서 더 높은 전류들을 발생시킬 수 있으며; 반대로, 연료 전지가 최대 전류를 전달하고 있을 때, 전압은 거의 절반으로 감소한다.
- 배터리의 전압은 남은 용량에 따라 감소하지만; 연료 전지의 전압은 여러 가지 요인들에 의존한다.
- 배터리의 출력 임피던스는 연료 전지의 출력 임피던스보다 크기가 훨씬 더 낮으며; 이에 따라, 배터리가 이상적인 전압원과 더욱 유사하게 거동한다.
현재, 도 1 - 도 3에 도시된 바와 같이, 상이한 타입들의 접속 방식들이 연료 전지들과 배터리들을 하이브리드화하는 데 사용된다. 도 1은 간단한 부하 분담 디바이스를 가진 연료 전지 스택 및 배터리의 접속을 보여준다. 이러한 접속 방식에서, 하이브리드화는 배터리가 놓여 있는 전압에서 발생하여, 연료 전지들이 저 효율 범위에서 작동하게 한다. 이러한 종류의 하이브리드 전력 시스템은 여러 가지 단점들을 제시한다:
Figure pat00001
하이브리드화의 전압은 배터리의 현재 충전 상태에 의존할 뿐만 아니라, 이는 또한 부하 전력 수요에 따라서도 동적으로 변화한다(고전류 방전들에서, 배터리의 전압이 급속히 떨어지고 이후에 어떠한 전력도 요구되지 않으면 복구된다).
Figure pat00002
리튬 기반 배터리의 전압 범위는 셀당 대략 3 내지 4 볼트에 이르며, 전달되는 전압과 전류 간의 의존성은 상대적으로 낮다. 전류가 증가함에 따라 정적 방전을 위해 전압이 강하하기 때문에, 연료 전지는 상이하게 거동한다. 따라서 이러한 2개의 완전히 다른 에너지원들을 정합시키는 것은 결국 이들 중 하나에 스트레스를 주게 된다.
다른 접속 방식이 도 2에 도시된다. 이러한 타입의 접속은 배터리와 부하 분담 디바이스 사이에 배치된 DC/DC 스텝업 컨버터를 이용한다. 그러면 부하 분담 디바이스에서의 전압들이 스텝업 컨버터 출력 전압의 설정을 변경하는 외부 제어기에 의해 정합된다. 이 솔루션에는 상당한 단점들이 있다.
Figure pat00003
가변 스텝업 컨버터들의 효율은 출력 전압 설정들에 좌우되며 대개 90% 미만이다.
Figure pat00004
전력 애플리케이션들에 사용되는 스텝업 컨버터들은 많은 열을 발산하고 대형 히트 싱크들 그리고 종종 강제 환기를 필요로 한다. 강제 환기는 대개 여분의 무게, 여분의 공간 및 여분의 전력 소비를 의미한다.
도 3은 배터리들과 연료 전지들 사이의 전자 스위칭을 이용하는 또 다른 접속 방식을 예시한다. 이 솔루션은 보다 효율적이지만 주요 단점을 갖는데: 배터리와 연료 전지가 둘 다 동시에 부하에 전력을 전달하고 있는 범위를 실제로는 갖지 못하여, 이를 백업 전원 시스템으로서만 유용하게 한다. 이러한 토폴로지는 다른 단점들을 제시한다:
Figure pat00005
배터리가 전력을 전달하고 있는 동안, 연료 전지가 유휴 상태이다. 이처럼, 배터리가 더 많은 전류를 전달하여, 도 4에 도시된 바와 같이 방전율(C)을 높이고, 이에 따라 더 높은 비율로 그 용량을 단축시킨다. 이 도면은 사용되는 특정 방전율(C)(5C, 10C, 15C, 20C)에 따라 5000 mAh 배터리 셀에 대한 방전 곡선의 일례를 도시한다. 용량은 결국 방전율(C)에 좌우되는데; 예컨대, 배터리가 5C 비율(25A)로 방전한다면, 얻어진 최종 용량은 약 4820 Wh인 반면, 20C(100A)의 더 높은 방전율의 경우, 동일한 배터리에 대해 얻어진 용량은 약 4750 Wh이다.
Figure pat00006
연료 전지가 유휴 상태에 놓여 있을 때, 연료 전지의 온도가 낮아질 것이다. 이처럼, 저전력 모드를 온도 한계들 내에 유지하도록 구현할 필요가 있으며, 그렇지 않으면, 연료 전지가 효과를 나타내기 시작해야 하는 경우, 요청된 전력을 제공할 수 있도록 연료 전지가 자신의 내부 온도를 자신의 공칭점까지 상승시킴으로써 야기되는 지연이 있을 것이다.
따라서 최적화된 하이브리드 전력 시스템들을 달성하기 위해 연료 전지 스택이 배터리들과 결합하여 사용될 필요가 있다.
연료 전지들은 통상적으로 스택들을 형성하는 직렬화된 단일 셀들로 제시되는데, 이들은 각각의 단부에 도전성 플레이트(즉, 단부 플레이트들)를 갖고, 단일 셀들의 모든 전압들의 합인 전압을 제공한다. 본 개시내용은 중간 전압에서 연료 전지 스택을 탭핑(tap)하기 위한 하나 또는 그보다 많은 중간 도전성 플레이트들을 가진 연료 전지 스택에 관련되며, 이는 연료 전지 스택 자체의 물리적 조건 및 하이브리드 전력 시스템들에서 배터리들을 갖는 애플리케이션 모두에 대해 유리하게 한다. 특히, 하이브리드 전력 시스템들에 적용될 때, 연료 전지 스택은 더 많은 전력의 생산을 가능하게 하며, 동시에 연료 전지에 대해 더 적은 손상(그리고 결과적으로 더 긴 수명)이 있다. 본 개시내용에서 사용되는 "도전성"이라는 용어(예를 들어, "도전성 단부 플레이트," "도전성 중간 플레이트")은 "전기 도전성"을 의미한다.
강화된 하이브리드 전력 시스템들을 위한 연료 전지 스택은 접촉 단자들을 갖는 제1 도전성 단부 플레이트 및 제2 도전성 단부 플레이트, 직렬로 접속되며 도전성 단부 플레이트들 사이에 적층되도록 구성된 복수의 연료 전지들, 및 적어도 하나의 접촉 단자를 갖는 적어도 하나의 도전성 중간 플레이트를 포함한다. 각각의 도전성 중간 플레이트는 인접한 연료 전지들 사이에 적층되도록 구성된다. 연료 전지 스택은 또한 연료 전지 스택의 각각의 단부에 배치된 단부 플레이트들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 연료 전지 스택은 직렬로 접속된 복수의 연료 전지 서브-스택들을 포함할 수 있으며, 각각의 연료 전지 서브-스택은 적어도 하나의 연료 전지를 포함한다. 각각의 도전성 중간 플레이트는 한 쌍의 인접한 연료 전지 서브-스택들 사이에 적층되도록 구성된다. 일 실시예에 따르면, 연료 전지 서브-스택은 복수의 바이폴라 플레이트들 및 적어도 하나의 연료 전지를 포함할 수 있으며, 각각의 연료 전지는 한 쌍의 바이폴라 플레이트들 사이에 적층된다.
다른 실시예에 따르면, 연료 전지 스택은 복수의 바이폴라 플레이트들을 포함하며, 각각의 바이폴라 플레이트는 인접한 연료 전지들 사이에 배열된다. 각각의 도전성 중간 플레이트는 바이폴라 플레이트 및 연료 전지의 캐소드 또는 애노드와 접촉하여 적층되도록 구성된다.
또 다른 실시예에서, 연료 전지 스택은 복수의 바이폴라 플레이트들을 포함하고, 각각의 바이폴라 플레이트는 인접한 연료 전지들 사이에 배열되며, 각각의 도전성 중간 플레이트는 연료 전지의 캐소드 및 인접한 연료 전지의 애노드와 접촉하여 적층되도록 구성된다. 이 실시예에서, 도전성 중간 플레이트는, 바이폴라 플레이트로서 작용하며 동시에 상이한 전압 레벨들에 접근하는 것을 가능하게 하기 위한 접촉 단자를 제공하는 이중 기능을 갖는다.
각각의 접촉 단자는 연료 전지 스택으로부터 돌출하는 하나 또는 그보다 많은 도전성 탭(tab)들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 도전성 중간 플레이트는 바이폴라 플레이트 및 바이폴라 플레이트로부터 돌출하는 하나 또는 그보다 많은 도전성 탭들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따르면, (이전에 정의된 바와 같은) 연료 전지 스택 및 배터리를 포함하는 하이브리드 전력 시스템이 또한 제공된다. 시스템은 또한 하이브리드화를 관리하기 위한 제어 유닛을 포함한다. 제어 유닛은 하이브리드 전력 시스템이 부하에 급전하고 있을 때 연료 전지 스택의 동작 전압을 선택하도록 구성된다. 동작 전압은 도전성 중간 플레이트 및 도전성 단부 플레이트들의 접촉 단자들로부터 얻어진다. 예컨대, 일 실시예에서, 도전성 단부 플레이트들 중 하나는 접지에 접속될 수 있으며, 동작 전압은 도전성 중간 플레이트의 접촉 단자(또는 접지에 접속되지 않은 다른 도전성 단부 플레이트의 접촉 단자)와 접지 사이의 전기 장력(electric tension)으로서 정의될 수 있다. 대안으로, 동작 전압은 연료 전지 스택의 2개의 서로 다른 접촉 단자들(그 경우, 다수의 서로 다른 가능한 조합들이 존재함) 사이의 전기 장력으로서 정의될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어 유닛은 연료 전지 스택의 접촉 단자들에서의 전압들의 값들에 따라 연료 전지 스택의 동작 전압을 선택하도록 구성될 수 있다. 동작 전압을 선택할 때 배터리의 전압이 또한 고려될 수 있다.
하이브리드 전력 시스템은 부하를 연료 전지 스택의 도전성 중간 플레이트의 접촉 단자들 및 도전성 단부 플레이트들의 적어도 하나의 접촉 단자와 접속하는 복수의 스위치들을 더 포함할 수 있으며, 제어 유닛은 부하에 급전하는 데 사용되는 연료 전지 스택의 동작 전압을 선택하기 위해 스위치들을 동작시키도록 구성된다.
하이브리드 전력 시스템은 또한 부하를 배터리와 접속하는 배터리 스위치를 포함할 수 있으며, 제어 유닛은 배터리의 전압 및 연료 전지 스택의 동작 전압의 값들에 따라 배터리 스위치를 동작시키도록 구성된다.
본 발명의 다른 양상은 또한 본 개시내용에 따른 배터리 및 연료 전지 스택을 포함하는 하이브리드 전력 시스템을 제어하기 위한 방법에 관련된다. 이 방법은 하이브리드 전력 시스템이 부하에 급전하고 있을 때 연료 전지 스택의 동작 전압을 선택하는 단계를 포함하며, 동작 전압은 도전성 중간 플레이트 및 도전성 단부 플레이트들의 접촉 단자들로부터 얻어진다.
일 실시예에서, 연료 전지 스택의 동작 전압은 연료 전지 스택의 접촉 단자들에서의 전압들의 값들에 따라 선택된다. 배터리의 전압이 또한 고려될 수 있다.
이 방법은 부하에 급전하는 연료 전지 스택의 선택된 동작 전압이 안전한 하한보다 더 낮은지를 결정하는 단계, 및 그러한 경우, 부하에 급전하기 위해, 연료 전지 스택의 접촉 단자들로부터 얻어진 더 낮은 동작 전압을 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 안전한 하한은 부하에 급전하는 활성 연료 전지들의 수에 비례하는 값이다.
이 방법은 또한, 전체 연료 전지 스택의 전압이 배터리의 전압보다 더 낮은지를 결정하는 단계, 및 그러한 경우, 배터리에 의해 제공되는 에너지로 부하에 급전하도록 배터리 스위치(86)를 활성화하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 연료 전지 스택은 직렬로 접속된 복수의 연료 전지 서브-스택들, 및 연료 전지 서브-스택들의 각각의 쌍의 사이에 배치되며 각각의 서브-스택과 전기적으로 접촉하는 도전성 중간 플레이트로 구성된다. 연료 전지 스택은 단부 플레이트들 및/또는 중간 플레이트들의 접촉 단자들에 접근함으로써 전력을 제공한다.
하이브리드 전력 시스템은 하나 또는 그보다 많은 배터리들 및 연료 전지 스택으로 구성된다. 과중한 전기 부하로 인해 배터리들이 약해지면, 하이브리드 전력 시스템은 연료 전지 스택의 도전성 중간 플레이트로 접근을 스위칭한다. 중간 플레이트 전압으로의 스위칭은 중간 전압을 야기할 것이다. 이 시스템은 이제 연료 전지를 손상시키지 않으면서 더 많은 전력을 제공할 수 있다.
더욱이, 중간 플레이트 구성의 사용은 배터리 전압이 낮을 때 연료 전지 전력의 병합을 가능하게 한다. 이는 또한, 과열로 인해 배터리를 불리하게 하지 않으면서 연료 전지가 자신의 공칭 전력을 반드시 전달할 수 있게 한다. (예를 들어, 연료 전지 스택 자체가 전달할 수 있는 것보다 전력 수요가 많기 때문에) 배터리가 고갈되기 시작한 경우, 연료 전지 스택에 대한 접근이 중간 플레이트로 스위칭될 수 있어, 이는 손상들의 발생 없이 전력을 계속 전달하여, 연료 전지에 대한 더 긴 동작 수명을 야기할 것이다.
이러한 특정 구성을 사용하는 연료 전지 스택은 또한 간단하고 비용 효율적인 솔루션이다. 중간 플레이트들을 연료 전지 스택에 배치하는 비용은 연료 전지 스택 자체의 가격에 비해 사실상 무시할 만하다. 게다가, 어떤 플레이트를 사용할지를 선택하는 스위칭 로직은 DC/DC 스텝업 컨버터보다 더 간단하고, 더 작으며, 더 저렴하고, 더 효율적이다. 스텝업 컨버터가 필요로 할 추가 엘리먼트들, 이를테면 히트 싱크들 및 팬들이 또한 절약될 수 있다. 본 개시내용의 연료 전지 스택은 디버깅하기에 더 쉬운데, 이러한 의미에서, 그 단순성으로 인해 그리고 연료 전지들의 수명이 연장될 것이므로 유지보수 비용이 또한 감소될 것이다. 연료 전지가 그 최대 효율 범위에서 작동할 수 있게 하는 것은 페이로드 베이를 줄일 수 있는 조절 목적들(히트 싱크들, 팬들, 장착 브래킷들 등)에 필요한 공간을 피하거나 줄인다.
연료 전지 스택은 연료 전지들을 사용하는 임의의 디바이스 또는 차량: 연료 전지 동력 공수 차량(airborne vehicle)들, 연료 전지 동력 자동차들, 연료 전지 동력 보트들 또는 심지어 연료 전지 동력 고정 장비에 설치 및 적용될 수 있다.
논의된 특징들, 기능들 및 이점들은 다양한 실시예들에서는 독립적으로 달성될 수 있거나 또 다른 실시예들에서는 결합될 수 있는데, 이들의 추가 세부사항들은 다음 설명 및 도면들과 관련하여 확인될 수 있다.
본 발명의 더 나은 이해를 도우며 상기 발명의 한정적이지 않은 예로서 제시되는 상기 발명의 실시예와 명백히 관련되는 일련의 도면들이 아래에 매우 간략하게 설명된다.
도 1, 도 2 및 도 3은 종래 기술에 따른 하이브리드 전력 시스템들의 상이한 접속 방식들을 도시한다. 도 1은 일반적인 직접 하이브리드화 방법을, 도 2는 DC/DC 스텝업 컨버터를 이용한 하이브리드화를, 그리고 도 3은 전자 스위칭을 이용한 하이브리드화를 보여준다.
도 4는 상이한 방전율들에 대한 5000 mAh 25C 배터리 셀 방전 곡선을 도시한다.
도 5는 본 개시내용의 일 실시예에 따라 중간 플레이트를 갖는 연료 전지 스택의 구조를 보여준다.
도 6은 연료 전지 서브-스택을 형성하는 층들의 개략적인 표현을 도시한다.
도 7은 도 5의 연료 전지 스택의 층들의 개략적인 레이아웃을 도시한다.
도 8은 다수의 도전성 중간 플레이트들을 갖는 연료 전지 스택의 다른 실시예를 나타낸다.
도 9a는 8개의 LiPo 배터리들로 이루어진 팩에 대해 정합하는 45-셀 연료 전지 스택을 도시한다. 도 9b는 8-셀 배터리의 전압 범위들 및 45-셀 및 40-셀에 각각 대응하는 위치에 배치된 2개의 상이한 중간 플레이트들이 제공된 50-셀 연료 전지의 전압 범위들을 나타낸다.
도 10은 5000 mAh 배터리 셀에 대한 도 4의 셀 방전 곡선들, 및 중간 플레이트들을 사용하는 3개의 서로 다른 연료 전지 스택 구성들의 공칭 전압들을 도시한다.
도 11은 2-중간 플레이트 구성을 갖는 연료 전지 스택 및 배터리에 의해 형성된 하이브리드 전력 시스템, 및 하이브리드화를 관리하는 제어 시스템의 실시예를 나타낸다.
도 12는 도 11의 제어 시스템에 의해 실행되는 예시적인 스위칭 프로세스 제어의 기본 흐름도를 예시한다.
도 13은 다른 실시예에 따라, 여러 개의 도전성 중간 플레이트들을 갖는 연료 전지 스택의 구조를 도시한다.
도 14는 여러 개의 도전성 중간 플레이트들을 갖는 연료 전지 스택의 또 다른 실시예를 나타낸다.
본 개시내용은 하이브리드 전력 시스템에서 배터리들과 조합하여 사용될 때 매우 효율적인 연료 전지 스택에 관련된다. 도 5는 본 개시내용에 따른 연료 전지 스택(1)의 일 실시예를 예시한다.
연료 전지 스택(1)은 캐소드로서 작용하는 제1 도전성 단부 플레이트(2) 및 애노드로서 작용하는 제2 도전성 단부 플레이트(3)를 포함하며, 이들은 스택의 양 단부들에 배치된다. 각각의 단부 플레이트(2, 3)에는 적어도 하나의 접촉 단자가 제공된다. 접촉 단자는 예컨대, 단부 플레이트에 부착된 금속성 부분, 단부 플레이트 자체의 일체 부분 또는 단부 플레이트의 연장부일 수 있으며, 또는 도 5에 도시된 실시예에서와 같이, 각각의 도전성 단부 플레이트로부터 연장하는 하나 또는 그보다 많은 도전성 탭들(4) 또는 납땜 러그들로서 구현될 수 있다. 제1 단부 플레이트(2)와 제2 단부 플레이트(3)의 접촉 단자들 사이의 전압은 연료 전지 스택(1)에 의해 발생되는 최대 전압이다.
연료 전지 스택(1)은 단부 플레이트들(2, 3) 사이에 배치된 2개 또는 그보다 많은 연료 전지 서브-스택들(5)에 배열된 복수의 연료 전지들(7)을 또한 포함한다. 서브-스택들(5) 각각 내에서 연료 전지들은 서로 직렬로 전기적으로 접속된다. 연료 전지 서브-스택들(5)은 동일한 방향으로 배향되고 동일한 극성을 유지하면서 차례로 직렬로 접속된다. 각각의 연료 전지 서브-스택(5)은 적어도 하나의 연료 전지(7)를 포함한다. 도 5의 실시예에서, 연료 전지 스택(1)은 5개의 개별 연료 전지들(7) 및 2개의 단일 연료 전지들(7)로 각각 구성된 2개의 서브-스택들(5)을 포함한다.
적어도 하나의 도전성 중간 플레이트(6)는 한 쌍의 연료 전지 서브-스택들(5) 사이에 적층된다. 도 5의 실시예에서, 중간 플레이트(6)는 2개의 인접한 서브-스택들(5) 사이에 위치된다. 각각의 중간 플레이트(6)에는 또한 (도 5의 실시예에서는 각각의 도전성 중간 플레이트(6)로부터 연장하여 연료 전지 스택(1)으로부터 돌출하는 하나 또는 그보다 많은 도전성 탭들(11), 플랩들 또는 납땜 러그들로서 구현되는) 적어도 하나의 접촉 단자가 제공되며, 이를 통해 연료 전지 스택(1)의 최대 전압보다 더 낮은 중간 전압이 얻어질 수 있다.
연료 전지 스택(1)은 스택의 각각의 단부에 위치된 단부 플레이트(13, 14)를 더 포함할 수 있다. 단부 플레이트들(13, 14)은 플라스틱들 또는 심지어 금속성 재료들과 같은 다른 재료들을 사용하여 제조될 수 있지만, 이들은 대개 유리 섬유로 만들어진다. 이러한 단부 플레이트들(13, 14)은 일반적으로 하나의 단부 플레이트에서 다른 단부 플레이트로의 매우 긴 나사들 또는 나사산 로드(rod)를 사용하여 스택을 압축하는 데 사용되며, 이들은 모든 도관들(수소 및 산소)이 완벽하게 밀봉되게 인접한 연료 전지들 사이의 접촉을 개선하도록 조여질 수 있다.
일 실시예에서, 연료 전지 서브-스택(5)은 (도 5에 도시되지 않은) 바이폴라 플레이트들에 의해 분리된 하나 또는 그보다 많은 연료 전지들(7)을 포함한다. 도 6은 연료 전지 서브-스택(5)을 형성하는 서로 다른 층들을 개략적인 측면도로 도시한다. 이 실시예에서, 연료 전지 서브-스택(5)은 2개의 연료 전지들(7)을 포함한다. 각각의 연료 전지(7)는 블록도로 표현되며, 캐소드(8), 애노드(9) 및 전해질 층(10)으로 형성된다. 일 실시예에서, 각각의 연료 전지(7)는 한 쌍의 바이폴라 플레이트들(12, 12') 사이에 적층된다. 각각의 서브-스택(5)에서, 2개의 인접한 연료 전지들(7) 사이에 위치된 내측 바이폴라 플레이트들(12)은 도 6의 중앙 바이폴라 플레이트(12)에서 관찰되는 바와 같이, 하나의 연료 전지(7)의 양극 측 및 인접한 연료 전지(7)의 음극 측을 형성한다. 바이폴라 플레이트들의 사용은 서브-스택(5) 내의 연료 전지들(7) 전부가 서로 직렬로 전기적으로 상호 접속될 수 있게 한다. 연료 전지 서브-스택(5)은 또한 양 단부들에 위치된 외측 바이폴라 플레이트들(12')을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서는, 이러한 외측 바이폴라 플레이트들(12') 중 하나 또는 둘 다 없을 수 있다.
도 7은 도 5의 연료 전지 스택(1)의 개략적인 레이아웃을 나타낸다. 서브-스택(5) 내의 모든 연료 전지들(7)은 직렬로 접속된다. 서브-스택들 둘 다, 서브-스택(5)의 외측 연료 전지(7)의 애노드(9)를 다른 서브-스택(5)의 외측 연료 전지(7)의 캐소드(8)와 전기적으로 접속하는 각각의 외측 바이폴라 플레이트들(12')을 통해 동일한 배향으로 직렬로 또한 접속된다. 도전성 중간 플레이트(6)가 두 외측 바이폴라 플레이트들(12') 사이에 적층된다. 중간 플레이트(6)의 접촉 단자(11)에 접근함으로써, (도전성 단부 플레이트들(2, 3) 사이의 최대 전압(V max )보다 더 낮은) 중간 전압들이 얻어질 수 있다. 특히, 제1 단부 플레이트(2)와 중간 플레이트(6)의 접촉 단자들(4, 11) 사이의 전압(
Figure pat00007
) 및 중간 플레이트(6)와 제2 단부 플레이트(3)의 접촉 단자들(11, 4) 사이의 전압(
Figure pat00008
)이 얻어질 수 있다.
연료 전지 스택(1)의 다른 실시예에서는, 복수의 중간 플레이트들(6)이 적층되어 추가 중간 전압들에 대한 접근을 얻을 수 있다. 도 8은 (각각 3개, 1개 및 2개의 연료 전지들을 갖는) 3개의 서브-스택들(5) 및 인접한 서브-스택들(5)을 분리하는 2개의 중간 플레이트들(제1 중간 플레이트(6) 및 제2 중간 플레이트(6')를 갖는 연료 전지 스택(1)을 도시한다. 접촉 단자들(4, 11, 11')을 통해 서로 다른 중간 전압들(
Figure pat00009
,
Figure pat00010
,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
,
Figure pat00013
)에 접근할 수 있다.
접촉 단자들(11, 11')을 갖는 중간 플레이트들(6, 6')을 사용함으로써, 스택(1)의 연료 전지들은 또한 그 가장 효율적인 범위에서 작동하여, 주어진 양의 연료에 대해 보다 긴 내구성을 달성하도록 치수가 정해질 수 있다. 8개의 LiPo 배터리들의 팩과 상이한 연료 전지 스택들의 정합을 보여주는 도 9a 및 도 9b의 예들에서는, (전기 효율뿐만 아니라 연료 이용 효율도 고려하는) 가장 효율적인 전압은 0.7 V/cell이고, 그 범위에 대해서는, 전체 50-셀 스택을 사용하는 동안 전체 전압(35V)이 여전히 분담 영역 밖에 있으므로 배터리 자체가 고갈되지는 않는다.
도 9a는 8-셀 배터리 및 45-셀 연료 전지 스택의 작동 전압 범위, 그리고 하이브리드 시스템에서 중간 플레이트 없이 연료 전지에 전력이 어떻게 분담될지를 보여준다. 바(20)는 완전히 충전된 경우 4.2 V/cell의 전압(즉, 바(20)의 우측의 총 33.6 V의 전압)을 갖는 배터리의 범위를 보여준다. 배터리가 고갈됨에 따라, 셀당 제공되는 전압은 3 V/cell(즉, 바(20)의 좌측의 총 24 V의 전압)까지 감소된다. 바(22)는 연료 전지의 전압 범위에 대응한다. 부하가 없는 개방 회로에서, 단자들의 전압은 약 0.9 V/cell(40.5 V까지 증가)이다. 부하가 증가함에 따라, 전압은 0.6 V/cell(즉, 27 V)의 (손상 위험 이전의) 하한까지 강하한다. 꺾인 화살표(24)는 (두 전압들이 균등화된 경우) 완전히 충전된 배터리(33.6V)가 하이브리드 시스템을 통해 연료 전지 스택을 보완하기 시작하는 연료 전지 스택의 전압(0.75 V/cell)을 나타낸다. 화살표(26)는 연료 전지가 손상 위험 이전의 전압 하한(0.6 V/cell)에 있을 지점을 가리킨다. 그 지점에서 배터리가 더는 방전될 수 없는데, 이는 연료 전지를 그 전압 하한 아래로 떨어지게 할 것이기 때문이다. 그 지점에서는 배터리의 방전을 계속하도록 연료 전지 스택의 중간 플레이트로 스위칭하는 것이 편리할 것이다. 화살표(28)는 단순히, 연료 전지 스택이 정상적으로 작동하고 있는 중간 전압을 가리킨다(이 지점에서는 중간 플레이트로의 스위칭이 요구되지 않는다).
도 9b는 8-셀 리튬 배터리의 전압 범위들과 45-셀(바(32)) 및 40-셀(바(34))의 위치에 각각 배치된 2개의 서로 다른 중간 플레이트들을 갖는 50-셀 연료 전지(바(30))의 전압 범위를 도시한다. 연료 전지 스택에서 첫 번째 중간 플레이트가 선택되면, 연료 전지 스택은 45-셀 연료 전지 스택으로서 작동하는 반면, 두 번째 중간 플레이트가 선택된다면, 연료 전지 스택은 40-셀 연료 전지 스택으로서 작동한다. 도 9b는 먼저 45-셀에 대응하는 중간 플레이트로 그리고 이후에는 40-셀에 대응하는 중간 플레이트로 점진적으로 스위칭할 때, 연료 전지 스택이 배터리의 현재 전압에 어떻게 정확하고 점진적으로 적응할 수 있는지를 보여준다.
본 개시내용의 연료 전지 스택(1)은 또한 하이브리드 전력 시스템에 적용될 때, 전자 기기들을 단순화하는 배터리들에 대한 완벽한 정합을 가능하게 한다. 도 9b는 배터리가 30 V 미만일 때, 40-셀 스택에 배치된 단일 중간 플레이트 구성의 사용이 연료 전지 전력의 병합을 어떻게 하게 할지를 보여준다. 이는 또한, 연료 전지가 50개의 셀들로 구성될 때 배터리를 불리하게 하지 않으면서 연료 전지가 자신의 공칭 전력을 반드시 전달할 수 있게 할 것이다. 배터리가 30 V 한계에 도달할 때 (예를 들어, 연료 전지 자체가 전달할 수 있는 것보다 전력 수요가 많기 때문에) 배터리가 고갈되기 시작한 경우, 연료 전지가 중간 플레이트로 스위칭될 수 있어, 이는 손상들의 발생 없이 전력을 계속 전달할 것이다.
연료 전지 스택(1)은 또한 전체 배터리 범위에 대해 배터리와 하이브리드 전력을 분담할 수 있게 한다. 장기간 분담이 요구되는 경우, 배터리는 연료 전지로부터의 분담액을 여전히 유지하면서 완전히 고갈될 수 있다.
도 10은 5000mAh 배터리 셀의 상이한 방전율들(C)에 대한 도 4의 셀 방전 곡선을 도시한다. 이 도면은 또한, 0.6 V/cell에서 자신들의 공칭 부하를 받았을 때 3개의 서로 다른 연료 전지 스택들(40-셀, 45-셀 및 50-셀 연료 스택들)의 전압을 나타내는 3개의 점선들(40, 42, 44)을 포함한다. 이 전압 아래에서는, 연료 전지 스택이 스트레스를 받고 있다. 화살표들은 배터리들이 연료 전지 스택을 보완할 수 있으며 이에 따라 하이브리드 시스템이 적절히 작동할 수 있는 영역을 가리킨다. 배터리들이 방전되고 있을 때, 이들의 전압이 강하한다. 배터리 전압이 점선 아래로 떨어지면, 점선에 대응하는 연료 전지 스택은 강제로 0.6 V/cell의 공칭 전압 아래에서 작동하게 되므로 이러한 연료 전지 스택은 스트레스를 받게 될 것이다.
예를 들어, 위쪽 점선(40)의 경우, 5C의 방전율을 갖는 배터리 셀의 전압은 이들이 자신들의 총 5000 mAh 중 (이들의 용량의 절반 미만인) 2000 mAh만을 소비했을 때 지점(46)에 도달하게 될 것이다. 5C 배터리 셀의 전압이 위쪽 점선(40) 아래로 강하하면, 45-셀 구성에 대응하는 첫 번째 중간 플레이트를 사용하는 것이 바람직할 것이다. 그 지점에서부터, 5C 배터리 셀이 45-셀 연료 전지 스택에 효과적으로 접속될 것이다. 마찬가지로, 5C 배터리 셀의 전압이 (지점(48)의) 중간 점선(42) 아래로 강하하면, 40-셀 구성에 대응하는 두 번째 중간 플레이트를 사용하는 것이 바람직할 것이다.
따라서 도 10에서 각각의 점선 위의 영역들은 연료 전지 스택에 스트레스를 주지 않으면서 2개의 전원들의 하이브리드화가 이루어질 수 있는 배터리 전압의 영역들에 대응한다.
본 개시내용의 연료 전지 스택(1)에서, 중간 플레이트 전압으로의 스위칭은 중간 전압을 야기할 것이다. 결정된 도전성 중간 플레이트(6, 6')에 대한 스위칭 프로세스는 도 11의 예시적인 실시예에 도시된 바와 같이, 제어 유닛(70)에 의해 수행된다. 제어 유닛(70)은 2개의 중간 플레이트들(6, 6')을 구비한 연료 전지 스택(1)과 배터리(50) 사이의 하이브리드화를 관리한다. 배터리(50)는 하나 또는 그보다 많은 전기 화학 셀들을 포함하는 전기 에너지원으로서 이해되어야 한다(배터리(50)는 직렬 및/또는 병렬로 접속된 배터리들의 연관에 의해 형성될 수 있다). 배터리(50), 연료 전지 스택(1) 및 제어 유닛에 의해 형성된 하이브리드 전력 시스템(90)은 부하(60)에 급전한다.
연료 전지 스택(1)의 양극(즉, 제1 도전성 단부 플레이트(2))은 부하(60)에 직접 접속되지만, 제어 유닛(70)을 통해 개방 또는 폐쇄될 수 있는 제1 스위치(80)에 의해 제어된다. 연료 전지 스택(1)의 음극(즉, 제2 도전성 단부 플레이트(3))은 접지에 접속된다. 각각의 중간 플레이트(6, 6')는 또한, 결국 또한 제어 유닛(70)에 의해 작동되는 중간 플레이트 스위치(도 11의 예에서는, 제1 중간 플레이트 스위치(82) 및 제2 중간 플레이트 스위치(84))를 통해 로드(60)에 직접 접속된다.
따라서 연료 전지 스택(1)의 전력 출력은 적어도 2개의 제어 스위치들, 전체 연료 전지 스택을 선택하기 위한 제1 스위치(80), 및 하나 또는 그보다 많은 서브-스택들(5)에 의해 형성된 축소된 연료 전지 스택을 선택하기 위한 적어도 하나의 중간 플레이트 스위치(82, 84)를 갖는다. 다른 한편으로, 배터리(50)는 제어 유닛(70)에 의해 또한 작동되는 배터리 스위치(86)를 통해 부하(60)에 그리고 연료 전지 스택(1)의 출력에 접속된다.
제어 유닛(70)은 배터리의 전압(Vbatt), 전체 연료 전지 스택의 전압(V1) 및 서브스택들의 전압들(V2, V3)의 판독치들을 수신한다. 이러한 전압들의 값들에 따라, 제어 유닛(70)은 하나 또는 다른 스위치를 활성화하여 다음으로부터 부하(60)로의 전력 흐름을 가능하게 할 것이다:
- 제1 스위치(80)만을 활성화함으로써 전체 연료 전지 스택으로부터.
- 배터리 스위치(86)만을 활성화함으로써 배터리(50)로부터.
- 상기 중간 플레이트(6, 6')와 연관된 스위치를 활성화함으로써 중간 플레이트(6, 6')의 전압에 대응하는 축소된 연료 전지 스택으로부터. 이처럼, 제1 중간 플레이트 스위치(82)가 활성화되어 제1 중간 플레이트(6)의 전압을 선택할 것이다. 마찬가지로, 제2 중간 플레이트 스위치(84)가 활성화되어 제2 중간 플레이트(6')의 전압을 선택할 것이다.
- 연료 전지 스택의 스위치(제1 스위치(80) 또는 임의의 중간 플레이트 스위치(82, 84))와 함께 배터리 스위치(86)를 활성화함으로써 배터리(50) 및 연료 전지 스택(1)으로부터.
도 12는 도 11의 하이브리드 전력 시스템(90)에 대한 스위칭 프로세스 제어(100)의 일 실시예를 도시한다. 스위칭 프로세스 제어(100)는 제1 스위치(80)(스위치 1)의 활성화에서 시작하여, 전체 연료 전지 스택(1)에 의해 출력되는 전력만으로 부하(60)에 급전한다. 그 다음, 제어 유닛(70)은 전체 연료 전지 스택의 전압(V1)이 배터리의 전압(Vbatt)보다 더 낮은지를 체크한다(104). 그러한 경우, 제어 유닛(70)은 배터리 스위치(86)를 활성화하여(106), 배터리(50)에 의해 제공된 전력으로 연료 전지 스택(1)을 보완한다. 이에 반해, 전체 연료 전지 스택의 전압(V1)이 배터리의 전압(Vbatt)보다 더 높다면, 전체 연료 전지 스택은 부하(60)에만 계속해서 급전한다(제1 스위치(80)는 닫힌 상태를 유지하고(102), 배터리 스위치(86)는 열린 상태를 유지한다(108)).
배터리 스위치(86)를 활성화(106)한 후에, 제어 유닛(70)은 전체 연료 전지 스택의 전압(V1)이 안전한 하한보다 더 낮은지 여부를 체크한다(110). 일 실시예에서, 안전한 하한은 셀 제한 전압(예컨대, 0.6 V)과 전체 연료 전지 스택(1)의 셀들의 수(X)(도 9b 및 도 10의 예에서는 50개의 셀들)의 곱에 대응하여, 각각의 연료 전지의 전압이 0.6 V의 셀 제한 전압 아래로 강하하는지를 체크한다. 전압이 실제로 더 작다면, 단계(112)에서 제1 스위치(80)(스위치 1)를 열고 제1 중간 플레이트(6)에 접속되는 제1 중간 플레이트 스위치(82)(스위치 2)를 닫음으로써 연료 전지 스택의 유효 크기가 축소된다. 그러나 전체 연료 전지 스택(1)이 셀당 0.6 V의 임계치에 아직 도달하지 않았다면, 제어 유닛(70)은 단계(104)로 돌아가 배터리가 필요한지 여부를 체크하는데, 이는 배터리로부터의 추가 전력을 불필요하게 할 배터리 전압(Vbatt)에 대한 감소가 있었을 수 있기 때문이다.
하나의 단일 중간 플레이트(6)에 대한 기본 프로세스는 배터리 전압(Vbatt) 및 유효 연료 전지 스택의 전압에 따라, 제1 경우에는 배터리(50)가 요구되는지 여부를 그리고 이후 단계들에서는, 다른 중간 플레이트(6')로의 스위칭이 필요한지 여부를 반복적으로 체크하도록 진행하여, 단계(112)에서 끝난다. 유효 연료 전지 스택은 제2 단부 플레이트(3)와 활성 중간 플레이트(즉, 연관된 스위치가 활성화된 중간 플레이트) 사이에 적층된 연료 전지들에 의해 형성된다. 따라서 도 12의 예에서는, 단계(112)에서 제1 중간 플레이트 스위치(82)가 활성화된 후에, 제어 유닛(70)은 축소된 연료 전지 스택의 전압(제1 중간 플레이트에 대응하는 전압(V2))이 축소된 스택에 대한 안전한 하한(도 9b 및 도 10의 예에서는 45개의 셀들에 의해 형성된 축소된 연료 전지 스택의 셀들의 수(Y)와 0.6V의 셀 제한 전압의 곱)보다 더 낮은지를 체크한다(114). 그러한 경우에는, 단계(116)에서 제2 중간 플레이트(6')에 접속된 제2 중간 플레이트 스위치(86)(스위치(3))를 활성화하고 제1 중간 플레이트 스위치(82)를 개방함으로써 연료 전지 스택의 유효 크기가 다시 축소된다. 그러나 유효 연료 전지 스택이 셀당 0.6 V의 임계치에 아직 도달하지 않았다면, 제어 유닛(70)은 단계(110)로 돌아가 제1 중간 플레이트(6)(즉, 더 많은 셀들을 가진 유효 연료 전지 스택)로 되돌아가는 것이 가능한지 여부를 체크한다.
더 많은 중간 플레이트들이 있는 경우, 중간 플레이트를 부하(60)에 접속한 후에, 제어 유닛(70)은 활성 중간 플레이트에 대응하는 전압이 임계치(예를 들어, 셀당 0.6 V)보다 더 낮은지를 체크하고, 그러한 경우에는 다음 중간 플레이트를 부하(60)에 접속한다.
요약하면, 스위칭 프로세스 제어에서, 제어 유닛(70)은 우선 배터리(50)로 전체 연료 전지 스택(1)을 보완할 필요가 있는지를 체크하고, 보완할 필요가 있다면, 제어 유닛(70)은 축소된 연료 전지 스택의 전압이 셀당 0.6 볼트보다 더 커지도록 후속 중간 플레이트를 선택할 필요가 있는지를 계속해서 체크한다. 유효 연료 전지 스택의 셀 전압이 0.6 V/cell보다 더 높은 것으로 판명될 때마다, 알고리즘은 역방향으로 진행하여, 상부 스택(즉, 더 많은 셀들을 가진 유효 연료 전지 스택)으로 되돌아가는 것이 가능한지를, 그리고 심지어 배터리(50)를 분리(108)하는 것이 실행 가능한지도 체크한다.
도 13은 하나 또는 그보다 많은 접촉 단자들(11, 11')을 갖는 여러 개의 도전성 중간 플레이트들(6, 6')을 갖는 연료 전지 스택(1)의 다른 실시예를 도시한다. 도 7 및 도 8에 도시된 예들과는 달리, 이러한 특별한 경우에는 연료 전지 스택(1)이 도 6의 일련의 서브-셀 스택들(5)로 형성되지 않는다. 대신에, 연료 전지 스택(1)은 직렬로 접속된 복수의 개개의 연료 전지들(7), 및 연속하는 연료 전지들(7) 사이에 배열된 바이폴라 플레이트(12)를 포함한다.
도 13의 실시예에서, 도전성 중간 플레이트들(6, 6')은 인접한 연료 전지들(7) 사이에, 그리고 보다 구체적으로는 연료 전지(7)와 접촉하는 바이폴라 플레이트(12)와 인접한 연료 전지(7)의 캐소드(8) 사이에 배열된다. 마찬가지로, 도전성 중간 플레이트들(6, 6')은 연료 전지(7)와 접촉하는 바이폴라 플레이트(12)와 인접한 연료 전지(7)의 애노드(9) 사이에 배열될 수 있다.
도 14에 예시된 것과 같이, 다른 실시예에서는, 도전성 중간 플레이트(6,6')가 바이폴라 플레이트(12)를 대신할 수 있어, 도전성 중간 플레이트(6, 6')가 바이폴라 플레이트(12)의 기능을 제공하고, 또한 제어 유닛(70)이 연료 전지 스택(1)의 다른 전압을 선택할 수 있게 하는 접촉 단자(11, 11')를 제공한다. 이러한 특정 실시예에서, 도전성 중간 플레이트(6, 6')는 연료 전지(7)의 캐소드(8)와 그리고 인접한 연료 전지(7)의 애노드(9)와 접촉하여 적층된다. 대안으로, 도전성 중간 플레이트(6, 6')는 바이폴라 플레이트(12)로부터 연장하거나 돌출하는 적어도 하나의 접촉 단자(예를 들어, 하나 또는 그보다 많은 도전성 탭들(11), 플랩들 또는 납땜 러그들)를 통합하는 바이폴라 플레이트(12)에 의해 형성될 수 있어, (예컨대, 용접을 통해) 와이어 접속을 설정하는 것을 가능하게 할 수 있다.

Claims (16)

  1. 강화된 하이브리드 전력 시스템들을 위한 연료 전지 스택으로서,
    접촉 단자들(4)을 갖는 제1 도전성 단부 플레이트(2) 및 제2 도전성 단부 플레이트(3);
    직렬로 접속되며 상기 도전성 단부 플레이트들(2, 3) 사이에 적층되는 복수의 연료 전지들(7);
    적어도 하나의 접촉 단자(11, 11')를 갖는 적어도 하나의 도전성 중간 플레이트(6, 6')를 포함하며,
    각각의 도전성 중간 플레이트(6, 6')는 인접한 연료 전지들(7) 사이에 적층되도록 구성되는,
    강화된 하이브리드 전력 시스템들을 위한 연료 전지 스택.
  2. 제1 항에 있어서,
    직렬로 접속된 복수의 연료 전지 서브-스택들(5)을 포함하며,
    각각의 연료 전지 서브-스택(5)은 적어도 하나의 연료 전지(7)를 포함하고,
    각각의 도전성 중간 플레이트(6, 6')는 한 쌍의 인접한 연료 전지 서브-스택들(5) 사이에 적층되도록 구성되는,
    강화된 하이브리드 전력 시스템들을 위한 연료 전지 스택.
  3. 제2 항에 있어서,
    각각의 연료 전지 서브-스택(5)은 복수의 바이폴라 플레이트들(12, 12') 및 적어도 하나의 연료 전지(7)를 포함하며,
    각각의 연료 전지(7)는 한 쌍의 바이폴라 플레이트들(12, 12') 사이에 적층되는,
    강화된 하이브리드 전력 시스템들을 위한 연료 전지 스택.
  4. 제1 항에 있어서,
    복수의 바이폴라 플레이트들(12)을 더 포함하며,
    각각의 바이폴라 플레이트(12)는 인접한 연료 전지들(7) 사이에 배열되고,
    각각의 도전성 중간 플레이트(6, 6')는 바이폴라 플레이트(12) 및 연료 전지(7)의 캐소드(8) 또는 애노드(9)와 접촉하여 적층되도록 구성되는,
    강화된 하이브리드 전력 시스템들을 위한 연료 전지 스택.
  5. 제1 항에 있어서,
    복수의 바이폴라 플레이트들(12)을 더 포함하고,
    각각의 바이폴라 플레이트(12)는 인접한 연료 전지들(7) 사이에 배열되며,
    각각의 도전성 중간 플레이트(6, 6')는 연료 전지(7)의 캐소드(8) 및 인접한 연료 전지(7)의 애노드(9)와 접촉하여 적층되도록 구성되는,
    강화된 하이브리드 전력 시스템들을 위한 연료 전지 스택.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 접촉 단자(11, 11')는 상기 연료 전지 스택(1)으로부터 돌출하는 하나 또는 그보다 많은 도전성 탭(tab)들(11)을 포함하는,
    강화된 하이브리드 전력 시스템들을 위한 연료 전지 스택.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 도전성 중간 플레이트(6, 6')는 바이폴라 플레이트(12) 및 상기 바이폴라 플레이트(12)로부터 돌출하는 하나 또는 그보다 많은 도전성 탭들(11, 11')을 포함하는,
    강화된 하이브리드 전력 시스템들을 위한 연료 전지 스택.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택(1)의 각각의 단부에 배치된 단부 플레이트들(13, 14)을 더 포함하는,
    강화된 하이브리드 전력 시스템들을 위한 연료 전지 스택.
  9. 하이브리드 전력 시스템으로서,
    배터리(50), 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 스택(1), 및 상기 하이브리드 전력 시스템(90)이 부하(60)에 급전하고 있을 때 상기 연료 전지 스택(1)의 동작 전압을 선택하도록 구성된 제어 유닛(70)을 포함하며,
    상기 동작 전압은 상기 도전성 중간 플레이트(6, 6') 및 도전성 단부 플레이트들(2, 3)의 접촉 단자들(4, 11, 11')로부터 얻어지는,
    하이브리드 전력 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(70)은 상기 연료 전지 스택(1)의 상기 접촉 단자들(4, 11, 11')에서의 전압들의 값들(V1, V2, V3)에 따라 상기 연료 전지 스택(1)의 동작 전압을 선택하도록 구성되는,
    하이브리드 전력 시스템.
  11. 제9 항 또는 제10 항에 있어서,
    상기 부하(60)를 상기 연료 전지 스택(1)의 상기 도전성 중간 플레이트(6, 6')의 접촉 단자들(11, 11') 및 상기 도전성 단부 플레이트들(2, 3)의 적어도 하나의 접촉 단자(4)와 접속하는 복수의 스위치들(82, 84, 86)을 더 포함하며,
    상기 제어 유닛(70)은 상기 부하(60)에 급전하는 데 사용되는 상기 연료 전지 스택(1)의 동작 전압을 선택하기 위해 상기 스위치들(82, 84, 86)을 동작시키도록 구성되는,
    하이브리드 전력 시스템.
  12. 제9 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부하(60)를 상기 배터리(50)와 접속하는 배터리 스위치(86)를 더 포함하며,
    상기 제어 유닛(70)은 상기 배터리(50)의 전압(Vbatt) 및 상기 연료 전지 스택(1)의 동작 전압의 값들에 따라 상기 배터리 스위치(86)를 동작시키도록 구성되는,
    하이브리드 전력 시스템.
  13. 배터리(50) 및 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 스택(1)을 포함하는 하이브리드 전력 시스템을 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 하이브리드 전력 시스템(90)이 부하(60)에 급전하고 있을 때 상기 연료 전지 스택(1)의 동작 전압을 선택하는 단계를 포함하며,
    상기 동작 전압은 상기 도전성 중간 플레이트(6, 6') 및 도전성 단부 플레이트들(2, 3)의 접촉 단자들(4, 11, 11')로부터 얻어지는,
    하이브리드 전력 시스템을 제어하기 위한 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택(1)의 동작 전압은 상기 연료 전지 스택(1)의 상기 접촉 단자들(4, 11, 11')에서의 전압들의 값들(V1, V2, V3)에 따라 선택되는,
    하이브리드 전력 시스템을 제어하기 위한 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 부하(60)에 급전하는 상기 연료 전지 스택(1)의 선택된 동작 전압을 안전한 하한과 비교하는 단계(110, 114);
    현재 동작 전압이 상기 안전한 하한보다 낮다면, 상기 부하(60)에 급전하기 위해 상기 연료 전지 스택(1)의 상기 접촉 단자들(4, 11, 11')로부터 얻어진 더 낮은 동작 전압을 선택하는 단계(112, 116)를 포함하는,
    하이브리드 전력 시스템을 제어하기 위한 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    전체 연료 전지 스택의 전압(V1)을 상기 배터리의 전압(Vbatt)과 비교하는 단계(104);
    상기 전체 연료 전지 스택의 전압(V1)이 상기 배터리의 전압(Vbatt)보다 더 낮다면, 상기 배터리(50)에 의해 제공되는 에너지로 상기 부하(60)에 급전하도록 배터리 스위치(86)를 활성화하는 단계(106))를 포함하는,
    하이브리드 전력 시스템을 제어하기 위한 방법.
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