KR20190039544A - 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템 (1)에 있어서, 전기 부하 (2)에 종단되도록 구성된 제1 및 제2 전기 공급 단자 (101, 102)를 갖는 연료 전지 그룹 (10)을 형성하도록 연결된 복수의 연료 전지 모듈 (11-1n), 상기 연료 전지 모듈 (11-1n)에 연결되어 각 연료 전지 모듈 (11-1n)의 부하 전류를 측정하는 측정 장치 (21-2n), 상기 측정 장치 (21-2n)에 의해 측정된 각 연료 전지 모듈의 부하 전류에 의해 상기 연료 전지 모듈 (11-1n)의 각각의 동작 상태를 검출하는 제어기 (20)를 포함하고, 상기 제어기(20)는 상기 연료 전지 모듈 (11-1n)의 동작을 제어하기 위해 상기 연료 전지 모듈 (11-1n)에 연결된다. 상기 제어기 (20)는 모든 연료 전지 모듈 (11-1n)을 작동시킬 수 있는 전체 부하 동작 모드로, 상기 부하 (2)에 의해 요구되는 부하 전류 (IL)를 제공하고, 부하 전류 (11-1n)의 전부 또는 일부를 작동시킴으로써 부하의 부분 부하 작동 모드에서 부하 (2)에 의해 요구되는 부하 전류(IL)를 제공하도록 구성된다. 상기 제어기 (20)는 상기 연료 전지 모듈 (11-1n)의 작동 상태가 각각의 연료 전지 모듈의 부분 부하 범위 (42)에 있는지를 검출하도록 구성되며, 상기 부분 부하 범위는 0의 부하 전류보다 큰 하한 (421)과 전체 부하 전류보다 낮은 상한 (422)으로 정의된다. 상기 제어기 (20)는 연료 전지 그룹(10)의 모든 연료 전지 모듈(11-1n)을 작동시킬 수 있는 제1 부분 부하 작동 모드로, 부하(2)에 의해 요구되는 부하 전류(IL)를 제공하도록 구성되어, 연료 전지 그룹(10)의 모든 연료 전지 모듈(11-1n)이 개별의 연료 전지 모듈(11-1n)의 개별의 부분 부하 범위(42) 내에 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 작동 방법
본 발명은 복수의 연료 전지 모듈을 포함하는 연료 전지 시스템 및 그러한 연료 전지 시스템의 작동 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 수소와 산소로부터 전기 에너지를 생성한다.　산소는 일반적으로 공기의 형태로 공급되며, 수소는 저장소에서 공급되거나 메탄올 등으로부터 국부적으로 생성된다.　연료 전지는 전형적으로 하나 이상의 연료 전지 스택과, 수많은 주변 구성 요소들이 함께 그룹을 이루는 것으로, 예를 들어 새로운 작동 가스 및 냉각수를 공급하거나 사용된 작동 가스 및 냉각수를 배출 및/또는 재순환시키는 라인들, 센서들, 밸브들, 컨트롤러들, 스위치들, 히터들 등 이들 없이는 연료 전지의 작동이 불가능하게 되는 주변 구성 요소들이 이에 해당하여, 연료 전지 모듈을 구성한다. 이들 구성 요소 중 일부는 보호 커버, 하우징 또는 외장으로 제공되며 모든 구성 요소 또는 대부분의 구성 요소는 최대한 컴팩트하게 조립되어 하우징에 연료 전지와 함께 수용된다.
이러한 복수의 연료 전지 모듈들은 연료 전지 시스템에 연결된 전기 부하에 공급 전압 및 부하 전류를 공급하도록 병렬 또는 직렬로 전기적으로 연결되어, 연료 전지 시스템을 형성하도록 결합될 수 있다. 연료 전지 시스템에 복수의 연료 전지 모듈을 제공함으로써, 특정 전압 및/또는 전력 요구 또는 전기 부하의 요구에 비교적 간단하게 적응하게 만들 수 있다. 예를 들면, 복수의 연료 전지 모듈을 직렬로 접속함으로써, 보다 높은 동작 전압 및 보다 높은 전력 출력이 제공될 수 있다.
이와 관련하여, 연료 전지 시스템을 통해 부하를 작동시키는 목적은, 대개 연료 전지의 크게 변화하는 작동 조건을 피하는 것으로 이루어지므로, 화학 에너지의 캐리어 공급에 대한 복잡하고 빠른 반응 제어가 요구되지 않으며 연료 전지의 수명은 부하 변동에 의해 악영향을 받지 않는다.
본 발명의 목적은 복수의 연료 전지 모듈을 포함하는 연료 전지 시스템 및 상기 연료 전지 시스템을 긴 수명으로 작동시킬 수 있는 연료 전지 시스템을 작동시키는 방법을 제공하는 것이다.　
본 발명은 독립 청구항에 따라, 복수의 연료 전지 모듈을 포함하는 연료 전지 시스템 및 그러한 연료 전지 시스템을 작동시키는 방법에 관한 것이다.　또한 이점적인 실시 예들 및 추가의 실시예들은 종속항들에서 규정된다.
제1 양태에 따르면, 본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 전기 부하에 종단되도록 구성된 제1 및 제2 전기 공급 단자를 갖는 연료 전지 그룹을 형성하도록 연결된 복수의 연료 전지 모듈과, 연료 전지 모듈에 연결되어 각 연료 전지 모듈의 부하 전류를 측정하는 측정 장치와, 측정 장치에 의해 측정된 각 연료 전지 모듈의 부하 전류에 의해 상기 연료 전지 모듈의 각각의 동작 상태를 검출하는 제어기를 포함하며, 상기 제어기는 상기 연료 전지 모듈의 동작을 제어하기 위해 상기 연료 전지 모듈에 연결된다. 상기 제어기는 모든 연료 전지 모듈을 작동시킬 수 있는 전체 부하 동작 모드로, 부하에 의해 요구되는 부하 전류를 제공하고, 부하 전류의 전부 또는 일부를 작동시킬 수 있는 부하의 부분 부하 작동 모드로, 부하에 의해 요구되는 부하 전류를 제공하도록 구성된다. 또한, 상기 제어기는 상기 연료 전지 모듈의 작동 상태가 각각의 연료 전지 모듈의 부분 부하 범위에 있는지를 검출하도록 구성되며, 상기 부분 부하 범위는 0의 부하 전류보다 큰 하한과 전체 부하 전류보다 낮은 상한으로 정의된다. 또한, 상기 제어기는 연료 전지 그룹의 모든 연료 전지 모듈을 작동시킬 수 있는 제1 부분 부하 작동 모드로, 부하에 의해 요구되는 부하 전류를 제공하도록 구성되어, 연료 전지 그룹의 모든 연료 전지 모듈이 개별의 연료 전지 모듈의 개별의 부분 부하 범위 내에 있도록 제어할 수 있다.
본 발명은 부하의 전력 요구에 따라 부하 전류 또는 출력이 연료 전지 그룹의 개개의 연료 전지 모듈에 분배될 수 있어 수명을 최적화할 수 있는 효과를 제공한다. 따라서, 본 발명에 따른 전력 관리는 모든 연료 전지 모듈의 최대 전력 (정격 전력)이 동시에 제공되어야 하는 부하의 부분 부하 작동 모드 중에 주로 적용될 수 있다. 또한, 연료 전지 그룹의 모든 연료 전지 모듈은 마찬가지로 부하 요구에 따라 부분 부하 작동 모드로 작동되며, 부분 부하 범위 내에서는 바람직하게는 그 수명과 관련하여 유리하다. 이와 관련하여, 달성될 전력 관리 (제어기에서 구현됨)의 목적은 연료 전지 시스템 또는 연료 전지 그룹에 존재하는 모든 연료 전지 모듈을 동등하거나 거의 균일하게 마모되도록 하고, 각 모듈은 상기 모듈에 대해 유리한 부분 부하 범위에서 가능한 한 자주 수행되어야 한다.
본 발명자들의 발견에 따르면, 연료 전지는 연료 전지 모듈의 부품들의 마모가 비교적 적은 전기화학적 공정으로 인한 이러한 부분 부하의 범위에서 낮은 소모율(degradation)의 전기 전력을 생성하고, 이 범위는 또한 연료 전지의 "안정 범위"로 표현될 수 있다. 한편, 이러한 "안정 범위"를 벗어난 연료 전지는, 연료 전지가 비교적 길게 작동될 때, 더 높은 소모율을 가져 서비스 수명에 악영향을 미치는 작동 범위라는 점을 본 발명자들이 인지하였다. 본 발명에 따르면, 그러한 이점적인 부분 부하 범위 (보다 낮은 소모율을 갖는 "안정 범위")는 0의 부하 전류보다 높은 하한 및 전체 부하 전류보다 낮은 상한에 의해 정의된다. 　
따라서, 본 발명에 의해 전체적으로, 복수의 연료 전지 모듈을 포함하는 연료 전지 시스템 및 상기 연료 전지 시스템을 작동시키는 방법이 제공되며, 상기 연료 전지는 비교적 긴 서비스 수명으로 작동될 수 있다.
유사한 연료 전지 또는 연료 전지 모듈이 사용될 때, 연료 전지 그룹의 각각의 연료 전지 모듈에 대한 이점적인 부분 부하 범위는 연료 전지 그룹의 모든 연료 전지 모듈에 실질적으로 동일하게 정의될 수 있으며, 즉 연료 전지 그룹의 연료 전지 모듈의 개별 부분 부하 범위들은 실질적으로 동일한 하한 및 상한을 가진다. 그러나, 개별의 부분 부하 범위들은 또한 서로 다른 상한 및/또는 하한을 갖고 다르게 정의될 수 있는데, 예를 들어 연료 전지 그룹의 연료 전지 모듈에 "안정 범위"와는 다른 상이한 유형의 연료 전지가 사용되는 경우가 이에 해당된다. 또한, 서로 유사한 연료 전지 유형을 갖는 연료 전지 모듈의 일부에 대해, 제1 부분 부하 범위가 정의될 수 있고, 또 다른 서로 유사한 연료 전지 유형을 갖는 연료 전지 모듈의 다른 부분에 대해 제2 부분 부하 범위가 정의될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 각각의 연료 전지 모듈의 각각의 부분 부하 범위는 0의 부하 전류 밀도보다 높은 하위 부하 전류 밀도 및 전체 부하 전류 밀도보다 낮은 상위 부하 전류 밀도에 의해 정의된다.
일 실시 예에 따르면, 하위 부하 전류 밀도는 약 0.35A/㎠이고, 상위 부하 전류 밀도는 약 0.75A/㎠이다.
일 실시 예에 따르면, 제어기는 모든 연료 전지 모듈을 작동시킬 수 있는 제2 부분 부하 작동 모드로, 부하에 의해 요구되는 부하 전류를 제공하도록 구성되어, 모든 연료 전지 모듈이 개별의 연료 전지 모듈의 개별의 부분 부하 범위의 하한에서 작동 상태 내에 있도록 한다.
특히, 제어기는 연료 전지 그룹의 연료 전지 모듈 중 일부만을 작동시킬 수 있는, 제2 부분 부하 작동 모드보다 더 낮은 제3 부분 부하 작동 모드로, 부하에 의해 요구되는 부하 전류를 제공하도록 구성되어, 연료 전지 모듈의 작동 부분의 작동 상태가 개별의 연료 전지 모듈의 개별의 부분 부하 범위 내에 있도록 하고 연료 전지 모듈의 비작동 부분은 비활성화되도록 한다.
일 실시 예에 따르면, 제어기는 연료 전지 모듈 중 하나의 작동 상태가 상기 각 연료 전지 모듈의 부분 부하 범위 내에 있는지 여부를 검출하도록 구성되고, 연료 전지 모듈의 작동 상태가 각 연료 전지 모듈의 부분 부하 범위 밖에 있는 것을 검출한 경우, 연료 전지 그룹의 연료 전지 모듈 중 하나 이상을 제어기에 의해 비활성화시킨다.
이 실시 예에 따르면, 각 연료 전지 모듈의 연료 전지 유형에 대한 적어도 하나의 전력 대비 부하 전류의 상관 관계가 각각의 연료 전지 모듈의 작동 상태를 검출하기 위하여 상기 제어기 내에 저장된다. 상기 전력 대비 부하 전류의 상관 관계는 전력 대비 부하 전류의 특성의 형태로 상기 제어기에 저장된다.
다른 실시 예에 따르면, 제어기는 다양한 부하 범위에 걸쳐 하나 이상의 연료 전지 모듈의 작동 시간을 기록하고 이들 기록된 데이터를 처리하여, 연료 전지 모듈은 현재의 부하 요구에 따라, 부하의 부분 부하 작동 모드에서 작동 또는 비작동되도록 한다.
바람직하게, 제어기는 상기 연료 전지 모듈 중 하나가 작동 또는 비작동되는 것을 결정하도록 구성되어, 연료 전지 모듈의 작동 시간이 상이한 부하 범위에 걸쳐 균등화되도록 한다.
일 실시 예에 따라, 제어기는 각각의 연료 전지 모듈의 생성된 에너지량을 계산하도록 구성된다.　이와 관련하여, 제어기는 적어도 연료 전지 모듈의 일부에 대하여, 생성된 에너지의 각각의 양에 대하여 랭킹이 계산되도록 구성될 수 있다.
특히, 상기 제어기는 상기 연료 전지 모듈 중 하나의 작동 상태가 상기 각 연료 전지 모듈의 부분 부하 범위 내에 있는지 여부를 검출하도록 구성되고, 연료 전지 모듈의 작동 상태가 각 연료 전지 모듈의 부분 부하 범위 밖에 있는 것을 검출한 경우, 생성된 에너지량이 가장 많은 연료 전지 모듈 중 하나 이상을 제어기에 의해 비활성화시킨다.
다른 양태에 따르면, 본 발명은 전기 부하에 종단되도록 구성된 제1 및 제2 전기 공급 단자를 갖는 연료 전지 그룹을 형성하도록 연결된 복수의 연료 전지 모듈을 포함하는 연료 전지 시스템의 작동 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
- 각 연료 전지 모듈의 부하 전류를 측정하는 단계;
- 각 연료 전지 모듈의 측정된 부하 전류에 의해 연료 전지 모듈의 각각의 작동 상태를 검출하는 단계;
- 모든 연료 전지 모듈을 작동시킬 수 있는 전체 부하 작동 모드로, 부하에 의해 요구되는 부하 전류를 제공하고, 연료 전지 모듈의 전체 또는 일부를 작동시킬 수 있는 부분 부하 작동 모드로, 부하에 의해 요구되는 부하 전류를 제공하는 단계; 를 포함하며,
상기 연료 전지 모듈 중 하나의 작동 상태가 각 연료 전지 모듈의 각각의 부분 부하 범위 내에 있는지를 검출하는 단계를 더 포함하고, 상기 부분 부하 범위는 0의 부하 전류보다 높은 하한 및 전체 부하 전류보다 낮은 상한으로 정의되고,
부하의 제1 부분 부하 작동 모드로, 부하에 의해 요구되는 부하 전류가 연료 전지 그룹의 모든 연료 전지 모듈을 작동시키도록 제공되어, 연료 전지 그룹의 모든 연료 전지 모듈은 각각의 연료 전지 모듈의 개별의 부분 부하 범위 내에 있도록 한다.
본 명세서에 설명되는 제어기의 기능은 또한 각각의 방법 단계들과 같은 방법에서 유사한 방식으로 사용될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 모든 실시예 및 예시들은 이러한 작동 방법으로 유사하게 적용 가능하다.
본 명세서에 포함되어 있음.
도 1은 본 발명의 양태에 따른 연료 전지 시스템의 예시적인 실시 예를 도시한다.
이하에서, 본 발명은 이점적인 실시 예를 참조하여 그 실시 형태를 보다 상세히 설명할 것이다.
연료 전지 시스템 (1)은 복수의 연료 전지 모듈 (11, 12, ..., 1n)을 포함한다.　이들은 서로 연결되어 연료 전지 그룹 (10)을 형성한다.　연료 전지 그룹 (10)에서, 연료 전지 모듈은 병렬 또는 직렬, 또는 이들의 조합으로 연결될 수 있다. 연료 전지 그룹 (10)은 전기 부하 (2)에 접속되도록 구성된 제1 전기 공급 단자 (101) 및 제2 전기 공급 단자 (102)를 갖는다. 접속 상태에서, 부하 (2)에 전력을 공급하기 위한 공급 전압 (Uv)은 연료 전지 그룹 (10)의 공급 단자들 (101, 102)에 인가된다. 부하 (2)는 일반적으로 예를 들어 하나 이상의 전기 소비 장치, 전력 컨버터 및/또는 전기 부하 서킷의 다른 전기적 부품들을 포함할 수 있으며, 부하 전류를 사용하는 소비재로서의 연료 전지 그룹 (10)에 연결된 전기적 부품들을 나타낸다.
연료 전지 모듈 (11, 12, ..., 1n) 자체는 각각 2개의 전기 공급 단자를 가지며, 각각의 연료 전지 모듈의 작동 중에 부하 전류를 발생시키기 위해 전기 모듈 전압이 인가된다.연료 전지 그룹 (10)은 전기 부하 (2)에 부하 전류를 공급하기 위해 (도시된 바와 같이) 병렬 또는 직렬로 공지된 방식으로 연결될 수 있는 2개 이상의 연료 전지 모듈 (11-1n)을 가질 수 있다. 당업자에게 다양한 형태로 알려진 바와 같이, 부분적으로 평행하고 부분적으로 연속적인 상호 연결도 가능하다. 예를 들어, 연료 전지 모듈 (11)은 전기 공급 단자 (111, 112); 본 실시 예에서, 공급 단자 (111)는 부하 (2)에 연결된 연료 전지 그룹 (10)의 공급 단자 (101)를 구성하고, 공급 단자 (112)는 연료 전지 모듈 (12)의 전기 공급 단자에 연결된다. 따라서, 연료 전지 그룹 (10)의 다른 연료 전지 모듈은 선택된 배선 (직렬 또는 병렬)에 따라 다른 연료 전지 모듈의 개별 공급 단자에 연결되는 전기 공급 단자를 갖는다. 따라서, 연료 전지 모듈 (1n)은 본 실시 예에서는 공급 단자 (1n2)가 부하 (2)에 연결된 연료 전지 그룹 (10)의 다른 공급 단자 (102)를 구성하는 전기 공급 단자 (1n1, 1n2)를 갖는다. 연료 전지 모듈 (11-1n)의 직렬 접속에 의해, 연료 전지 모듈의 개별 전압의 배수인 부하 (2)에서 작동 전압 (Uv)이 생성 될 수 있다. 또한, 전체 부하 작동 모드에서, 연료 전지 그룹 (10)의 연료 전지 모듈 (11-1n)의 전력의 합에 대응하는 부하 (2)의 전원 공급이 가능하다.
연료 전지 시스템 (1)은 또한 연료 전지 그룹 (10) 용 제어기 (20)를 포함한다. 이 제어기는 한편으로는 각각의 연료 전지 모듈의 측정된 부하 전류에 기초하여 연료 전지 모듈 (11-1n)의 각각의 동작 상태를 검출하는 역할을 한다.　다른 한편, 제어기 (20)는 연료 전지 모듈 (11-1n)의 작동을 제어하기 위해 연료 전지 그룹 (10)의 연료 전지 모듈 (11-1n)에 연결된다. 이를 위해, 제어기 (20)는 전기 라인 (50)을 통해 연료 전지 모듈 (11-1n)에 전기적으로 연결되고, 연료 전지 시스템 (1)에서 작동하기 위해 제어기 (20)를 개별적으로 온 오프로 전환하거나, 모듈 출력 전압, 모듈 출력 전류 및/또는 전력 출력과 같은 전기적 파라미터들을 개별적으로 제어하거나 조절할 수 있다. 이러한 목적을 위하여 당업자는 제어기 (20)와 당해 기술 분야에서 공지된 연료 전지 모듈 (11-1n) 사이의 상호 작용에서 제어 또는 조절 메커니즘을 이용할 수 있다.　예를 들어, 각각의 모듈 출력 전류 및 그에 따른 작동 범위를 제어하기 위한 제어기 (20)는 대응하는 개별의 방식으로 라인 (50)을 통해 화학 에너지 캐리어 (미도시)의 공급을 제어한다.
또한, 연료 전지 그룹 (10)의 연료 전지 모듈 (11-1n)에 접속되어 각 연료 전지 모듈 (11-1n)의 부하 전류를 측정하도록 구성된 측정 장치가 제공된다. 본 예시적인 실시 예에서, 각각의 측정 모듈 (21-2n)은 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현될 수 있는 컨트롤러 (20)에 제공되거나, 또는 이들과 조합되어 개별의 연료 전지 모듈의 부하 전류를 측정하고, 본 실시예에서는 또한 관련된 작동 시간을 측정한다. 이러한 방식으로, 각 연료 전지 모듈 (11-1n)의 생성된 에너지량을 계산할 수 있는 파라미터 (예를 들어, Ah의 소정 동작 시간에 걸친 부하 전류)가 계산될 수 있다. 본 예시적인 실시 예에서, 측정 모듈 (21-2n)은 제어기 (20)의 마이크로 프로세서가 각각 필요한 파라미터를 계산하는 하나 이상의 계산 모듈의 형태인 제어기 (20)의 일부이다. 라인 (50)을 통해, 물리적으로 측정된 대응 측정 신호가 부하 전류 및 동작 전압과 같은 측정 모듈 (21-2n)에 이용 가능하게 된다. 측정 모듈 (21)은 연료 전지 모듈 (11), 연료 전지 모듈 (12)에 대한 측정 모듈 (22) 등에대한 원하는 파라미터를 측정하거나 계산한다. 측정 모듈 (21-2n)은 라인(50) 또는 다른 연결을 통하여 적절한 전력, 전압 및/또는 전력 측정 장치들(미도시)과 결합되거나 또는 이들을 포함할 수 있으며, 및/또는 대응하는 물리적 파라미터들을 측정하고 처리하기 위하여 이들에 연결되거나 실행되는 대응 시간 측정 장치를 포함할 수 있다.
제어기 (20)에는 연료 전지 그룹 (10)의 각 연료 전지 모듈 (11-1n)의 연료 전지 유형에 따라, 전력에 대한 부하 상관 관계 (30)가 저장되어 있다. 모든 연료 전지 모듈 (11-1n)이 동일한 유형의 연료 전지를 갖는 경우, 모든 연료 전지 모듈에 대하여 하나의 전력에 대한 부하 전류 상관 관계 (30) 만 저장하면 충분하다. 그러나, 상이한 유형의 연료 전지가 연료 전지 그룹 (10)에 사용되는 경우, 각각의 연료 전지 유형에 대한 각각의 전력 - 부하 전류 상관 관계 (30)를 저장하는 것이 유리하다.
예를 들어, 전력 - 부하 전류 상관 관계는 도면에 예시된 바와 같이 전력에 대한 부하 전류 특성 (30)의 형태로 저장된다. 본 실시 예에서, 전력 - 부하 전류 특성 (30)은 부하 전류 밀도(ID)에 따라 각 연료 전지 모듈의 상대적 전력 출력 (Pr) (연료 전지 모듈 의 정격 전력에 대해 0 %와 10 % 사이)을 나타낸다 (연료 전지의 전기 화학 반응 영역에 대한 부하 전류, A/cm² 단위로 측정).
전력 - 부하 전류 특성 (30)에 기초하여, 각각의 연료 전지 모듈 (11-1n)의 동작 상태가 검출될 수 있다. 본 발명에 따르면, 각각의 연료 전지 모듈은 복수의 동작 범위, 예를 들어 하부의 부하 범위 (41), 중간부의 부하 범위 (42) 및 상부의 부하 범위 (43)를 갖는다. 특히, 각각의 중간부의 부하 범위 (42)는 0의 부하 전류보다 높은 하한 (421) 및 전체 부하 전류보다 낮은 상한 (422)에 의해 정의된다. 전력 - 부하 전류 특성 (30)의 본 실시 예에서, 각각의 부분 부하 범위 (42)는 0의 부하 전류 밀도보다 높은, 하위 부하 전류 밀도 (421) 및 전체 부하 전류 밀도보다 낮은, 상위 부하 전류 밀도 (422)에 의해 정의된다.
부분 부하 범위 (42)는 모듈의 각 연료 전지가 이 부분 부하 범위에서 낮은 소모율의 전력을 생성하도록 정의된다. 전술한 바와 같이, 이 범위 (42)는 연료 전지의 "안정 범위(comfort range)"로 지칭될 수도 있다.　다른 작동 범위 (41 및 43)는 더 높은 분해 속도를 가져 이들 작동 범위 (41, 43)에서 연료 전지를 더 오래 작동시킬 수 있으나, 연료 전지의 수명에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
유리한 부분 부하 범위 (42)를 정의하기 위해, 낮은 부하 전류 밀도 (421)는 약 0.35A/cm2이고, 높은 부하 전류 밀도 (422)는 약 0.75A/cm2이다.이 범위 내에서 부하 전류 밀도를 갖는 연료 전지 모듈의 작동은 비교적 낮은 소모율을 초래하므로, 가능한 한 이 범위에서 연료 전지를 작동시키는 것이 바람직하다.본 실시 예에서 부하는 0.35A/㎠의 부하 전류 밀도보다 낮은 범위 (주로 셀 전압이 지나치게 높고 액체 수분이 응축됨에 기인함) 및 0.75A / ㎠ 이상의 부하 전류 밀도보다 높은 범위 (특히 국부적인 온도 피크 및 대거 이송 문제)는 잠재적으로 해로운 작동 모드로 정의된다.
본 발명에 따라, 제어기 (20)는 전체 부하 작동 모드에서 부하(2)에 의해 요구되는 부하 전류(IL)가 연료 전지 그룹(10)의 모든 연료 전지 모듈(11-1n)의 동작에 제공되도록 연료 전지 시스템(1)을 제어한다. 한편, 부분 부하 작동 모드에서 부하(2)에 의해 요구되는 부하 전류(IL)는 요구되는 부하 전류의 크기에 따라, 연료 전지 그룹(10)의 연료 전지 모듈(11-1n)의 전체 또는 일부만의 작동에 제공된다. 부하 (2)의 부하 요구 (즉, 요구된 부하 전류)의 하나 이상의 파라미터 특성은 라인 (60)을 통해 제어기 (20)에 전송된다.
또한, 제어기 (20)는 연료 전지 모듈 (11-1n)의 작동 상태가 각 연료 전지 모듈의 부분 부하 범위 (42) ("안정 범위")에 있는지 여부를 검출한다.　제1 부분 부하 작동 모드에서의 요구 부하가 정격 부하(40-60%의 부하 비율)보다 작은 경우, 제어기(20)는 연료 전지 그룹(10)의 모든 연료 전지 모듈(11-1n)이 동작하도록 로드(2)에 의해 요구된 부하 전류(IL)를 제어하여, 연료 전지 그룹(10)의 모든 연료 전지 모듈(11-1n)이 개별의 부분 부하 범위(42)(안정범위) 내에 있도록 연료 전지 모듈(11-1n)(예: 화학 에너지 캐리어의 공급)을 제어한다.
한편, 만약 요구된 부하 전류(IL)가 부하의 제2 부분 부하 작동 모드(30-40%의 부하 비율)보다 낮게 검출되면, 부하 전류(IL)는 연료 전지 그룹(10)의 모든 연료 전지 모듈(11-1n)이 동작되도록 제공될 것이며, 연료 전지 그룹(10)의 모든 연료 전지 모듈(11-1n)은 부분 부하 범위(42)의 하한(421)에서 동작 상태에 있게 된다. 따라서, 연료 전지 그룹 (10)의 모든 연료 전지 모듈은 부분 부하가 더 낮은 경우에도 여전히 각각의 "안정 범위" 내에서 작동된다.
요구된 부하 전류 (IL)가 제2 부분 부하 동작 모드보다 더 낮은 제3 부분 부하 작동 모드 (예를 들어, 정격 부하의 30% 이하)로 검출되는 경우에만, 제어기 (20)는 연료 전지 모듈(11-1n)의 작동 부분의 작동 상태가 부분 부하 범위(42) 안으로 들어오게 하고 연료 전지 모듈(11-1n) 중 비작동 부분은 비활성화되도록 연료 전지 모듈을 제어한다. 따라서, 가능한 한 많은 연료 전지 모듈이 부분 부하 범위 (42) 내에서 작동하게 함으로써 이들 연료 전지 모듈에 유리하다.
또한, 제어기 (20)는 다양한 부하 범위 (41, 42, 43)에 걸쳐 하나 이상의 연료 전지 모듈 (11-1n)의 동작 시간을 기록하고 이들 기록된 데이터를 처리하여, 연료 전지 모듈 (11-1n)은 현재의 부하 요구에 따라, 부하 (2)의 부분 부하 운전 모드에서 운전 또는 비 운전된다.
예를 들어, 연료 전지 모듈 (11-1n)은 연료 전지 모듈의 동작 시간이 다양한 부하 범위 (41, 42, 43)를 통해 균등하게 되도록 동작된다. 따라서 모든 연료 전지 모듈에 걸쳐 보다 균일한 소모율 또는 수명을 달성할 수 있다.
또한, 제어기 (20)는 적어도 일부의 연료 전지 모듈 (11-1n)에 대해 생성된 각각의 에너지량에 대한 랭킹을 계산하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 모듈 (11-1n) 중 하나의 작동 상태가 각각의 연료 전지 모듈의 부분 부하 범위 (42) 외부에 있는 경우, 생성된 에너지 중 가장 많은 양을 갖는 연료 전지 모듈(11-11n)이 제어기(20)에 의해 비활성화된다. 따라서, 연료 전지 모듈의 작동 시간 및 수명을 더 균일하게 또는 조정할 수 있다.
따라서, 부하 전류를 요구 전력에 따라 개별적인 연료 전지 모듈에 분배할 수 있어 수명을 최적화할 수 있다. 따라서, 제어기의 전력 관리는 연료 전지 시스템의 부분 부하 작동 모드에서 주로 영향을 미친다.　기본 개념은 시스템에 설치된 모든 연료 전지 모듈을 최대 허용 연속 부하 (일반적으로 정격 출력이라고 함)로 작동시키는 것이다. 그러나 소비자의 부하가 낮아지면, 기존 방식으로 한번에 오직 하나의 연료 전지 모듈 만을 차단 (또는 완전 비활성화)할 수 있고, 나머지는 가능한 한 정격 부하로 남길 수 있다. 그러나, 본 발명자는 이것이 정격 부하에서 영구적으로 작동되는 연료 전지 모듈의 경우, 수명을 저하시키는 비교적 높은 열화 속도가 우세해지는 단점이 있다는 것을 인식하였다. 반면 본 발명에 따르면, 모든 연료 전지 모듈은 부하 요구에 따라 유리한 부분범위 내에서 작동된다. 이러한 전력 관리 시스템의 목적은 시스템에 존재하는 모든 연료 전지 모듈이 동등한 마모 또는 거의 동일한 열화를 겪도록 함으로써, 각 모듈을 가능한 한 이점적인 부분 부하 범위 (안정 범위) 내에서 동작되도록 하기 위한 것이다. 이 범위는 특히 약 0.35A/㎠의 낮은 부하 전류 밀도와 약 0.75A / ㎠의 높은 부하 전류 밀도 사이에서 확인되었다.
깊은 부분 부하 범위로 요구되는 부하의 경우, 제어기의 전력 관리는 연료 전지 시스템의 모든 연료 전지 모듈을 "안정 범위"의 하한을 향하여 바람직하게는 동등하게 제어한다. 부하의 전력 요구가 여전히 부하 전류보다 작은 경우, 제어기는 개별의 모듈들을 완전히 차단하기 시작하고 나머지 연료 전지 모듈들이 "안정 범위" 내로 다시 진입하도록 전력을 인가하여 부하 요구를 커버할 수 있다. 바람직하게는, 제어기의 전력 관리는 상이한 부하 범위에 걸쳐 각 모듈의 동작 시간을 기록한 작동 시간 카운터를 포함하고, 이 데이터에 기초하여 어느 모듈이 모든 모듈의 동작 시간을 동일화하기 위하여 차단(shut down)시켜야 하는지를 자동적으로 결정한다.
상술한 바와 같이, 다음의 계산 및 제어 작업은 제어기(20)를 통해 이점적으로 구현되며: 전체 시스템의 전력 요구량의 처리 (예를 들어 소프트웨어에 의해서); 연료 전지 시스템에 포함된 모든 연료 전지 모듈에 기초하여 필요한 부하 전류의 계산 (예를 들어 소프트웨어에 의해서); 개별의 연료 전지 모듈을 위한 부분 부하 범위(안정 범위) 진입을 위한 체킹 (예를 들어 소프트웨어에 의해서); 범위 외에 있는 경우, 가장 많은 양의 에너지를 생성하는 모듈을 차단 (예를 들어 소프트웨어에 의해서). 제어기는 대응 메모리, 인터페이스 및 다른 하드웨어 구성 요소에 의해 언급된 기능을 구현할 수 있는 하나 이상의 마이크로 프로세서를 포함한다. 그러나, 이러한 기능들은 제어기(20)의 일부로만 실행될 수도 있고, 기능들이 마이크로 프로세서 및 메모리와 같은 복수의 요소로 나뉘어진 분배 제어 시스템을 이용할 수도 있다.

Claims (17)

  1. 연료 전지 시스템 (1)에 있어서,
    - 전기 부하 (2)에 종단되도록 구성된 제1 및 제2 전기 공급 단자 (101, 102)를 갖는 연료 전지 그룹 (10)을 형성하도록 연결된 복수의 연료 전지 모듈 (11-1n),
    - 상기 연료 전지 모듈 (11-1n)에 연결되어 각 연료 전지 모듈 (11-1n)의 부하 전류를 측정하는 측정 장치 (21-2n),
    - 상기 측정 장치 (21-2n)에 의해 측정된 각 연료 전지 모듈의 부하 전류에 의해 상기 연료 전지 모듈 (11-1n)의 각각의 동작 상태를 검출하는 제어기 (20)로서, 상기 제어기(20)는 상기 연료 전지 모듈 (11-1n)의 동작을 제어하기 위해 상기 연료 전지 모듈 (11-1n)에 연결되고,
    상기 제어기 (20)는 모든 연료 전지 모듈 (11-1n)을 작동시킬 수 있는 전체 부하 동작 모드로, 상기 부하 (2)에 의해 요구되는 부하 전류 (IL)를 제공하고, 부하 전류 (11-1n)의 전부 또는 일부를 작동시킴으로써 부하의 부분 부하 작동 모드에서 부하 (2)에 의해 요구되는 부하 전류(IL)를 제공하도록 구성되며,
    상기 제어기 (20)는 상기 연료 전지 모듈 (11-1n)의 작동 상태가 각각의 연료 전지 모듈의 부분 부하 범위 (42)에 있는지를 검출하도록 구성되며, 상기 부분 부하 범위는 0의 부하 전류보다 큰 하한 (421)과 전체 부하 전류보다 낮은 상한 (422)으로 정의되고,
    상기 제어기 (20)는 연료 전지 그룹(10)의 모든 연료 전지 모듈(11-1n)을 작동시킬 수 있는 제1 부분 부하 작동 모드로, 부하(2)에 의해 요구되는 부하 전류(IL)를 제공하도록 구성되어, 연료 전지 그룹(10)의 모든 연료 전지 모듈(11-1n)이 개별의 연료 전지 모듈(11-1n)의 개별의 부분 부하 범위(42) 내에 있도록 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 연료 전지 모듈 (11-1n)의 각각의 부분 부하 범위 (42)는 0의 부하 전류 밀도보다 높은 하위 부하 전류 밀도 (421) 및 전체 부하 전류 밀도보다 낮은 하위 부하 전류 밀도 (422)에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 하위 부하 전류 밀도 (421)는 약 0.35A/cm2이고, 상기 상위 부하 전류 밀도 (422)는 약 0.75A/cm2 인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기 (20)는 연료 전지 그룹(10)의 모든 연료 전지 모듈(11-1n)을 작동시킬 수 있는 제2 부분 부하 작동 모드로, 부하(2)에 의해 요구되는 부하 전류(IL)를 제공하도록 구성되어, 연료 전지 그룹(10)의 모든 연료 전지 모듈(11-1n)이 개별의 연료 전지 모듈(11-1n)의 개별의 부분 부하 범위(42)의 하한(421)에서 동작 상태 내에 있도록 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어기 (20)는 연료 전지 그룹(10)의 연료 전지 모듈(11-1n) 중 일부만을 작동시킬 수 있는, 제2 부분 부하 작동 모드보다 더 낮은 제3 부분 부하 작동 모드로, 부하(2)에 의해 요구되는 부하 전류(IL)를 제공하도록 구성되어, 연료 전지 모듈(11-1n)의 작동 부분의 작동 상태가 개별의 연료 전지 모듈의 개별의 부분 부하 범위(42) 내에 있도록 하고 연료 전지 모듈(11-1n)의 비작동 부분은 비활성화되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기(20)는 상기 연료 전지 그룹(10)의 상기 연료 전지 모듈들(11-1n) 중 하나의 작동 상태가 상기 각 연료 전지 모듈의 상기 부분 부하 범위 내에 있는지 여부를 검출하도록 구성되고, 상기 연료 전지 모듈(11-1n)의 작동 상태가 상기 각 연료 전지 모듈의 부분 부하 범위 (42) 밖에 있는 것을 검출한 경우, 상기 상기 연료 전지 그룹(10)의 하나 이상의 연료 전지 모듈 (11-1n)이 상기 제어기(20)에 의해 비활성화되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 연료 전지 모듈 (11-1n)의 연료 전지 유형에 대한 적어도 하나의 전력 대비 부하 전류의 상관 관계 (30)가 각각의 연료 전지 모듈(11-1n)의 작동 상태를 검출하기 위하여 상기 제어기 (20) 내에 저장되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전력 대비 부하 전류의 상관 관계는 전력 대비 부하 전류의 특성 (30)의 형태로 상기 제어기 (20)에 저장되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기 (20)는 상이한 부하 범위 (41, 42, 43)에 걸쳐 하나 이상의 연료 전지 모듈 (11-1n)의 작동 시간을 기록하고 기록된 데이터를 처리하여, 현재의 부하 요구에서, 연료 전지 모듈 (11~1n)을 부하 (2)의 부분 부하 작동 모드로 작동 또는 비작동시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어기 (20)는 상기 연료 전지 모듈(11-1n) 중 하나가 작동 또는 비작동되는 것을 결정하도록 구성되어, 상기 연료 전지 그룹(10)의 연료 전지 모듈(11-1n)의 작동 시간이 상이한 부하 범위(41, 42, 43)에 걸쳐 균등화되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기(20)는 상기 각 연료 전지 모듈(11-1n)의 생성되는 에너지량을 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어기 (20)는 적어도 상기 연료 전지 모듈 (11-1n)의 일부를 위하여 생성되는 각각의 에너지량에 대한 랭킹을 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어기(20)는 상기 연료 전지 모듈(11-1n) 중 하나의 작동 상태가 상기 각 연료 전지 모듈의 부분 부하 범위 내에 있는지 여부를 검출하도록 구성되고, 연료 전지 모듈 (11-1n)의 작동 상태가 각 연료 전지 모듈의 부분 부하 범위 (42) 밖에 있는 것을 검출한 경우, 생성된 에너지량이 가장 많은 연료 전지 모듈 (11-1n) 중 하나 이상을 제어기 (20)에 의해 비활성화시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  14. 전기 부하(2)에 종단되도록 구성된 제1 및 제2 전기 공급 단자 (101, 102)를 갖는 연료 전지 그룹 (10)을 형성하도록 연결된 복수의 연료 전지 모듈 (11-1n)을 포함하는 연료 전지 시스템 (1)의 작동 방법으로서,
    상기 방법은:
    - 각 연료 전지 모듈 (11-1n)의 부하 전류를 측정하는 단계;
    - 각 연료 전지 모듈의 측정된 부하 전류에 의해 연료 전지 모듈 (11-1n)의 각각의 작동 상태를 검출하는 단계;
    - 모든 연료 전지 모듈(11-1n)을 작동시킬 수 있는 전체 부하 작동 모드로, 부하(2)에 의해 요구되는 부하 전류(IL)를 제공하고, 연료 전지 모듈(11-1n)의 전체 또는 일부를 작동시킬 수 있는 부분 부하 작동 모드로, 부하(2)에 의해 요구되는 부하 전류(IL)를 제공하는 단계; 를 포함하며,
    상기 연료 전지 모듈 (11-1n) 중 하나의 작동 상태가 각 연료 전지 모듈의 각각의 부분 부하 범위(42) 내에 있는지를 검출하는 단계를 더 포함하고, 상기 부분 부하 범위(42)는 0의 부하 전류보다 높은 하한(421) 및 전체 부하 전류보다 낮은 상한(422)으로 정의되고,
    부하의 제1 부분 부하 작동 모드로, 부하 (2)에 의해 요구되는 부하 전류 (IL)가 연료 전지 그룹 (10)의 모든 연료 전지 모듈 (11-1n)을 작동시키도록 제공되어, 연료 전지 그룹 (10)의 모든 연료 전지 모듈 (11-1n)은 각각의 연료 전지 모듈의 개별의 부분 부하 범위 (42) 내에 있도록 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 작동 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    부하의 제2 부분 부하 작동 모드로, 부하 (2)에 의해 요구되는 부하 전류 (IL)가 모든 연료 전지 모듈 (11-1n)을 작동하도록 제공되어, 연료 전지 그룹(10)의 모든 연료 전지 모듈 (11-1n)이 각 연료 전지 모듈의 개별의 부분 부하 범위 (42)의 하한 (421)에서 작동 상태에 있도록 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 작동 방법.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 제2 부분 부하 운전 모드보다 더 낮은 제3 부분 부하 운전 모드로, 상기 부하 (2)에 요구되는 부하 전류 (IL)가 연료 전지 그룹(10)의 상기 연료 전지 모듈 (11-1n) 중 일부만을 작동하도록 제공되어, 상기 연료 전지 모듈(11-1n)의 작동 부분의 작동 상태가 각 연료 전지 모듈의 각각의 부분 부하 범위 (42) 내에 있도록 하고, 상기 연료 전지 모듈 (11-1n)의 비작동 부분은 비활성화되도록 하는 연료 전지 시스템의 작동 방법.
  17. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 그룹 (10)의 상기 연료 전지 모듈 (11-1n) 중 하나의 작동 상태가 상기 각 연료 전지 모듈의 부분 부하 범위 (42)에 있는지를 검출하고, 상기 연료 전지 모듈 (11-1n) 중 하나의 작동 상태가 상기 연료 전지 모듈의 부분 부하 범위 (42) 밖에 있는 것을 검출한 경우, 연료 전지 그룹(10)의 상기 연료 전지 모듈 (11-1n) 중 하나 이상을 비활성화시키도록 하는 연료 전지 시스템의 작동 방법.
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