KR20230167391A - 연료 전지 전력 시스템 - Google Patents

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KR20230167391A
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이안 더블유. 케이예
루 첸
프랭클린 폴 바르치나스
존 라이언 머피
조나단 아베나
알란 디. 윌슨
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어드벤트 테크놀로지스, 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 각각 연료 전지의 다중 서브-스택을 갖는 다중 스트링을 포함하는 연료 전지 전력 시스템에 관한 것이다. 각각의 서브-스택은 다른 서브-스택과 전기적으로 절연되며 각각의 서브-스택은 인쇄회로기판의 DC 제어 모듈에 의해 독립적으로 제어될 수 있다. 서브-스택의 DC 제어 모듈은 서브-스택이 약해지거나 고장나는 경우 서브-스택의 출력 전력을 조절하거나 중단할 수 있다. 시스템의 다른 서브-스택이 계속 작동하는 동안에, 서브-스택이 중단될 수 있다. 중단된 서브-스택을 보상하기 위해 다른 서브-스택의 출력 전력을 늘릴 수 있다.

Description

연료 전지 전력 시스템
본 특허출원은 2021년 4월 2일에 출원된 미국 가특허출원번호 63/170,065호 및 2021년 6월 25일에 출원된 미국 가특허출원번호 63/214,959호를 기초로 우선권을 주장한다. 전술한 각각의 출원은 본 명세서에서 참조문헌으로 통합된다.
본 발명은 일반적으로 연료 전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 다양한 시스템에 신뢰성 있게 전력을 공급하기 위한 연료 전지 전력 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 운송, 재료 취급, 고정식 및 휴대용 전력 응용 분야를 포함한 광범위한 응용 분야에서 사용될 수 있다. 일반적으로, 연료 전지는 원하는 전압과 전력을 제공하기 위해 직렬로 연결된다. 예를 들어, Toyota Mirai 연료 전지 승용차 세단에는 330개의 연료 전지가 있다. Novistar 세미트럭에는 General Motors에서 제조한 Hydrotec 연료 전지 모듈 2개가 있으며, 각각의 Hydrotec 연료 전지 모듈에는 304개의 연료 전지가 있다. 연료 전지는 긴 작동 수명을 가질 것으로 예상된다. 연료 전지로 전력이 공급되는 클래스 8 장거리 트랙터-트레일러의 목표 작동 수명은 30,000시간인 반면, 고정형 연료 전지 시스템의 작동 수명은 약 60,000 내지 80,000시간이다. 작동 수명 목표를 달성하기 위하여, 연료 전지의 내구성을 향상시키는 연료 전지 기술의 발전이 이루어져야 한다. 또한, 연료 전지 시스템은 매우 안정적으로 설계되어야 한다. 따라서, 원하는 전력을 제공할 수 있는 연료 전지 전력 시스템을 내구성 있게 제공할 수 있는 것이 바람직할 것이다.
일 실시예에 따르면, 연료 전지 전력 시스템이 제공된다. 연료 전지 전력 시스템은 적어도 하나의 연료 전지 스트링, 복수의 DC 제어 모듈, 및 마스터 시스템 컨트롤러를 포함한다. 적어도 하나의 연료 전지 스트링은 서로 전기적으로 절연된 복수의 연료 전지 서브-스택을 포함한다. 각각의 서브-스택은 복수의 연료 전지를 포함한다. DC 제어 모듈은 서브-스택을 제어하도록 구성되며 DC 제어 모듈의 출력은 직렬로 연결된다. 상이한 DC 제어 모듈이 각각의 서브-스택을 제어하도록 구성되며, 각각의 DC 제어 모듈은 다른 서브-스택과 독립적으로 상응하는 서브-스택의 출력 전력의 크기를 제어할 수 있다. 마스터 시스템 컨트롤러는 복수의 DC 제어 모듈과 통신하며, 마스터 시스템 컨트롤러는 DC 제어 모듈로부터 데이터를 수신하고 DC 제어 모듈에 명령을 전송한다.
또 다른 실시예에 따르면, 복수의 연료 전지 서브-스택을 포함하는 연료 전지 전력 시스템을 제어하는 방법이 제공된다. 각각의 서브-스택으로부터의 전압 출력 및 전류 출력과 하나 이상의 서브-스택의 온도가 모니터링된다. 서브-스택의 출력 전력은, 서브-스택의 주어진 전류에 대한 전압이 서브-스택의 정격 성능의 약 70%보다 크고 서브-스택의 정격 성능의 약 90% 미만이며 다른 서브-스택은 정격 성능의 약 90% 이상을 출력하는 경우에 감소된다. 서브-스택의 출력은, 서브-스택의 주어진 전류에 대한 전압이 서브-스택의 정격 성능의 약 70% 미만이고 다른 서브-스택은 서브 스택의 정격 성능의 약 90% 이상을 출력하는 경우에 중단된다.
또 다른 실시예에 따르면, 연료 전지 전력 시스템이 제공된다. 연료 전지 전력 시스템은 적어도 하나의 연료 전지 스트링, 서브-스택을 제어하도록 구성된 복수의 DC 제어 모듈, 및 복수의 DC 제어 모듈과 통신하는 마스터 시스템 컨트롤러를 포함한다. 적어도 하나의 연료 전지 스트링은 복수의 연료 전지 서브-스택을 포함하며, 이 서브-스택들은 서로 전기적으로 절연된다. 각각의 서브-스택은 복수의 연료 전지를 포함한다. DC 제어 모듈의 출력은 직렬로 연결되며 상이한 DC 제어 모듈이 각각의 서브-스택을 제어하도록 구성된다. 각각의 DC 제어 모듈은 상응하는 서브-스택의 성능이 서브-스택 정격 성능의 약 90% 미만이고 다른 서브-스택은 정격 성능의 약 90% 이상을 출력하는 경우 다른 서브-스택과 독립적으로 상응하는 서브-스택의 출력 전력을 감소시킬 수 있다. 성능은 서브-스택의 주어진 전류에 대한 전압 출력이며 서브-스택의 정격 성능은 주어진 전류에서 서브-스택에 대한 분극 곡선(polarization curve)에 의해 제공된다. 마스터 시스템 컨트롤러는 DC 제어 모듈로부터 데이터를 수신하고 DC 제어 모듈에 명령을 보낸다.
본 발명은 추가 목적 및 이점과 함께 첨부도면에 관한 다음의 설명을 참조하여 가장 잘 이해될 수 있다:
도 1a는 일 실시예에 따른 연료 전지 전력 시스템의 개략도이다.
도 1b는 일 실시예에 따른 연료 전지 전력 시스템의 연료 전지의 분해도이다.
도 1c는 또 다른 실시예에 따른 연료 전지 전력 시스템의 사시도이다.
도 1d는 일 실시예에 따라 서브-스택을 제어하기 위한 인쇄회로기판의 회로를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 연료 전지 스택의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 연료 전지 스택의 측면도이다.
도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 연료 전지 스택의 단부도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 서브 스택의 개수와 전력 사이의 관계에 대한 차트 및 그래프를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 전력 시스템에서 서브-스택의 전기적 연결을 나타내는 개략도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 연료 전지 전력 시스템에서 서브-스택의 전기적 연결을 도시한 개략도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 연료 전지 전력 시스템에서 개별적으로 제어되는 서브-스택의 DC 제어 모듈의 전기적 연결을 도시하는 개략도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 연료 전지 전력 시스템의 시동 절차의 흐름도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 연료 전지 전력 시스템을 제어하기 위한 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)의 일 예이다.
도 11은 일 실시예에 따른 연료 전지 전력 시스템의 제어 시스템의 개략도이다.
도 12는 일 실시예에 따른 연료 전지 전력 시스템용 열 관리 시스템의 개략도이다.
도 13은 일 실시예에 따른 연료 전지 전력 시스템의 사시도이다.
도 14는 예시적인 에지 냉각 플레이트를 도시한다.
도 15는 연료 전지에 대한 예시적인 분극 곡선을 도시한다.
본 발명은 일반적으로 연료 전지 전력 시스템에 관한 것이다. 일반적인 연료 전지 스택에서, 개별 전지가 직렬로 연결되어 원하는 전압과 전력을 제공한다. 스택의 한 전지가 고장나거나 약해지면, 일반적으로 전체 스택이 종료되고 작동이 완전히 중단된다. 본 명세서에 설명된 연료 전지 전력 시스템의 실시예는 하나 이상의 연료 전지가 약해지거나 고장이 나더라도 계속해서 기능하고 전력을 생성할 수 있다.
독립적으로 제어될 수 있는 연료 전지(212)의 다중 서브-스택(210)을 포함하는 다중 스트링(200)을 갖는 연료 전지 전력 시스템(100)이 본 명세서에 설명된다. 연료 전지 전력 시스템(100)의 일 실시예의 개략도가 도 1a에 도시되어 있다. 연료 전지 전력 시스템(100)은 고전압 및 저전류로 전력을 생성할 수 있다. 다중 스트링(200)은 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬의 조합으로 결합되어 더 많은 전력을 생성할 수 있다.
도 1a의 실시예에 도시된 바와 같이, 각각의 서브-스택(210)은 다른 서브-스택으로부터 독립적으로 서브-스택(210)을 제어할 수 있는 DC 제어 모듈(250)과 연결된다. 연료 전지 전력 시스템(100)은 임의의 개수의 스트링(200)을 포함할 수 있으며, 스트링(200)의 개수와 서브-스택(210) 및 연료 전지(212)의 총 개수는 전력 요구사항에 따라 달라진다는 것이 이해될 것이다.
도 1b에 도시된 실시예에 따르면, 전지(212)는 막 전극 조립체(MEA)(216)를 갖는 폴리머 전해질 막(PEM) 연료 전지일 수 있다. 바이폴라 플레이트(218)가 개별 연료 전지(212)들 사이에 배치되어 연료 전지를 분리하고 전지(212) 사이에 전기적 연결을 제공한다. 바이폴라 플레이트(218)는 또한 물리적 구조를 제공하고 개별 연료 전지(212)를 서브-스택(210) 및 스트링(200)으로 적층하여 더 높은 전압을 제공할 수 있도록 한다. 일부 실시예에서, 연료 전지 전력 시스템(100)은 메탄올, 천연 가스 또는 액화 석유 가스 등을 개질하여 생성된 수소-농후 가스에 의해 연료가 공급된다. 다른 실시예에서, 연료 전지 전력 시스템(100)은 기타 연료, 가령, 수소를 연료로 사용할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 임의의 다른 유형의 연료 전지, 가령, 고체산 연료 전지, 고체 산화물 연료 전지, 인산 연료 전지, 용융 카보네이트 연료 전지 및 알칼리성 연료 전지가 연료 전지 전력 시스템(100)에 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
이러한 연료 전지 전력 시스템(100)에서, 각각의 스트링(200)은 다중 서브-스택(210)으로 분할된다. 도 2-4에 도시된 일 실시예에 따르면, 9개의 서브-스택(210)을 갖는 스트링(200)이 도시되어 있다. 이 실시예에서, 각각의 서브-스택(210)에 20개의 전지가 있으며, 스트링(200)에 총 180개의 전지가 있다. 각각의 서브-스택(210)은 전력 조절을 위한 DC 제어 모듈(250)을 갖는다. 도 2-4에 예시된 실시예에서, 각각의 서브-스택(210)에는 인쇄회로기판(PCB)(270)이 직접 장착된다. 상기 실시예에 따르면, 각각의 PCB(270)는 DC 제어 모듈(250)을 포함한다. 각각의 서브-스택(210)의 출력 전압은 아래에 더 자세히 설명되는 것처럼 DC 제어 모듈(250)에 의해 독립적으로 제어될 수 있다.
PCB(270)는 임의 개수의 서브-스택(210)을 제어할 수 있지만, 각각의 서브-스택(210)은 자체 DC 제어 모듈(250)에 의해 제어되고 다른 서브-스택(210)으로부터 독립적으로(즉, 전기적으로 절연되어) 제어된다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 각각의 서브-스택(210)은 그 자신의 PCB(270) 상에서 자체 DC 제어 모듈(250)에 의해 제어되고; 또 다른 실시예에서는, PCB(270)가 3개의 서로 다른 DC 제어 모듈(250)을 가지며, 각각은 서브-스택(210)을 제어한다(그러나, 하나의 서브-스택(210)이 중단되고 다른 2개의 스택(210)이 유지될 수 있는 경우에는 각각의 서브-스택은 개별적으로 제어된다). 또 다른 실시예에서, 각각의 PCB(270)는 9개의 DC 제어 모듈(250)을 가지며, 이들 각각은 자체 서브-스택(210)을 제어한다(도 1c에 도시됨).
도 1d는 일 실시예에 따른 하나의 DC 제어 모듈(250)을 포함하는 PCB(270)의 회로를 도시한다. 다른 실시예에서, PCB(270)는 다중 DC 제어 모듈(250)을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도 1d에 도시된 바와 같이, DC 제어 모듈(250)은 포지티브 게이트 드라이버(271), 네거티브 게이트 드라이버(272), 전압 제한기(273, 274), "벅" 트랜지스터(275), "션트" 트랜지스터(276), DC 필터 네트워크(277), 모듈 전압 센서(278), 전압 조정기(279), 마이크로컨트롤러 칩(280), 서브-스택 전압 센서(281), 전압 기준(282) 및 전압 절연기(283, 284)를 포함한다. 도 1d에 도시된 바와 같이, DC 제어 모듈(250)은 마스터 시스템 컨트롤러(260)와 통신하여 데이터 및 명령을 전송하고 수신한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "가변 전력(Vari-power)" 회로는 포지티브 게이트 드라이버(271), 네거티브 게이트 드라이버(272), 전압 제한기(273, 274), "벅" 트랜지스터"(275) 및 DC 필터 네트워크(277)를 포함한다는 것이 이해될 것이다. 바이패스 스위치(285)는 도 1d에 도시된 바와 같이 DC 필터 네트워크(277)의 일부이다.
전술한 바와 같이, 각각의 서브-스택(210)은 다중 연료 전지(212)를 포함한다. 서브-스택(210)은 전력 네트워크에서 스트링(200)으로 함께 결합되어 외부 부하에 전력을 제공한다. 도 4는 연료 전지 단부판(230)을 도시하는 스트링(200)의 단부도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 단부판(230)은 연료/공기가 흐르는 2개의 매니폴드(240)를 갖는다.
본 명세서에 설명된 실시예에서, 하나의 전지(212)이 고장날 때, 고장난 전지(212)를 포함하는 서브-스택(210)은 DC 제어 모듈(250)에 의해 작동이 중단되고 전력 네트워크로부터 제거되어 다른 서브-스택(212)을 보호하고 계속해서 작동하고 전력을 생성하게 할 수 있다. 고장난 전지(212)을 포함하는 서브-스택(210)의 작동을 중지하면 시스템(100)의 나머지 부분이 보호되며, 고장난 전지(212)의 약한 전극을 통해 전류가 계속 흐르도록 허용되면 전지 전압이 음이 되고 국부적으로 열이 발생하여 화재나 또는 심지어 폭발이 발생할 수 있다.
4개의 스트링(200)을 갖는 연료 전지 전력 시스템(100)의 예가 표 1에 도시되어 있다. 이 실시예에 따르면, 각각의 스트링(200)은 180개의 전지(212)를 갖는다. 각각의 스트링(200)은 9개의 서브-스택(210)을 가지며, 각각의 서브-스택(210)은 20개의 전지를 갖는다. 연료 전지 전력 시스템(100)의 신뢰성을 입증하기 위해, 전지 고장률을 0.5%로 가정하였다. 따라서, 최악의 시나리오에서는, 예상 수명이 끝나기 전에 4개의 전지가 조기에 실패할 수 있다. 고장난 전지는 서로 다른 서브-스택(210)에 위치할 수 있다. 연료 전지 전력 시스템(100)은 이들 4개의 고장난 서브-스택을 전력 네트워크로부터 제거하여 다른 서브-스택이 계속 작동하도록 허용할 수 있다.
표 1
이 실시예에서 전력과 서브-스택(210)의 개수 사이의 관계가 도 5에 도시되어 있다. 서브-스택(210)의 개수가 증가함에 따라, 최소 가용 전력도 증가한다. 도 5에 도시된 실시예에서, 총 36개의 서브-스택(210)으로, 연료 전지 전력 시스템(100)은 4개의 서브-스택이 고장난 후에도 여전히 정격 출력의 89%를 생성할 수 있다. 서브-스택의 고장으로 인한 전력 손실을 보충하기 위하여 다른 서브-스택(210)의 출력을 증가시킬 수 있으며, 연료 전지 전력 시스템(100)은 계속해서 정격 출력을 생성할 수 있다는 점은 주목할 만하다. 반면, 기존 연료 전지 스택은 한 전지가 고장나면 발전 용량이 완전히 상실된다. 연료 전지 전력 시스템(100)의 디자인은 전지 고장률에 따라 변경될 수 있음을 유의해야 한다. 예를 들어, 전지의 불량률이 감소할수록, 서브-스택(210)의 개수도 줄어들 수 있다.
도 6-8은 스트링(200) 내에서 서브-스택(210)을 연결하는 상이한 방법을 도시한다. 도 6에 도시된 제1 방법에 따르면, 각각의 서브-스택(210)은 단극 쌍투 스위치를 통해 전력 네트워크에 연결된다. 스위치가 하부 위치에 있으면, 서브-스택이 네트워크의 다른 서브-스택에 직렬로 연결되고 전류가 스택을 통해 흐른다. 스위치가 상부 위치에 있으면, 서브-스택(예를 들어, 서브-스택 j)은 네트워크로부터 연결이 해제되고 전류가 스택을 우회한다.
제2 방법에 따르면, 도 7에 도시된 바와 같이, 각각의 서브-스택은 쌍극 쌍투 스위치를 통해 전력 네트워크에 연결된다. 스위치가 좌측 위치에 있으면, 서브-스택이 네트워크의 다른 서브-스택과 직렬로 연결되고 전류가 스택을 통해 흐른다. 스위치가 우측 위치에 있으면, 서브-스택(예를 들어, 서브-스택 j)은 네트워크로부터 연결이 해제되고 전류가 스택을 우회한다. 도 7에 도시된 이 방법에 따르면, 서브-스택의 두 단말 모두 네트워크로부터 연결이 해제된다. 도 6에 도시된 방법에서, 하나의 단말이 여전히 네트워크에 연결되어 있으며 서브-스택이 높은 전위에 노출될 수 있다.
제3 방법에 따르면, 도 1a 및 도 8에 도시된 바와 같이, 각각의 서브-스택(210)은 DC 제어 모듈(250)을 통해 전력 네트워크에 연결된다. DC 제어 모듈(250)은 하나 이상의 서브-스택(210)이 약해지거나 고장나는 경우 연료 전지 전력 시스템(100)이 계속 작동하도록 허용한다. 각각의 서브-스택(210)의 출력은 조정 가능한 DC 제어 모듈(250)의 입력에 연결된다. 위에서 언급한 바와 같이, PCB(270)는 다중 DC 제어 모듈(250)을 포함할 수 있으며, 따라서 PCB(270)는 하나 이상의 서브-스택(210)을 제어할 수 있다(제공된 각각의 서브-스택은 DC 제어 모듈(250)에 의해 다른 서브-스택(210)으로부터 독립적으로 제어된다). 따라서, 하나 이상의 서브-스택(210)의 출력은 PCB(270)의 입력에 연결될 수 있다. 스트링(200)의 DC 제어 모듈(250)은 직렬로(플러스에서 마이너스로, 플러스에서 마이너스로) 함께 연결된다. 이러한 유형의 직렬 연결에서는 외부 부하로의 전압 출력이 추가된다는 점을 이해해야 한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 마스터 시스템 컨트롤러(260)는 통신 버스를 통해 연료 전지 전력 시스템(100)과 인터페이싱 된다. 마스터 시스템 컨트롤러(260)는 통신 버스를 통해 각각의 DC 제어 모듈(250)로부터 전압 및 전류 데이터를 수집한다. 마스터 시스템 컨트롤러(260)는 또한 필요에 따라 원하는 출력 전압(또는 전류)을 외부 부하에 설정하기 위해 각각의 DC 제어 모듈(250)에 명령을 보낸다. 각각의 DC 제어 모듈(250)은 서브-스택(210)과 외부 부하 사이에서 조정 가능한 "선형 전력 제한기" 역할을 한다. 출력 전력은 서브-스택의 설계된 출력 전력의 0% 내지 100% 사이의 임의의 값으로 설정될 수 있다.
각각의 서브-스택(210)이 생성하는 전력은 DC 제어 모듈(250)에 의해 독립적으로 제어되므로, 서브-스택(210)의 성능이 낮은 경우, DC 제어 모듈(250)은 서브-스택(210)의 출력 전력을 감소시킬 수 있다. 서브-스택(210)이 고장나는 경우, DC 제어 모듈(250)은 서브-스택(210)의 출력 전력을 0으로 감소시킬 수 있다. 도 1a 및 도 8에 도시된 연결 방법에 따르면, 전력 네트워크의 전류는 결코 차단되지 않으므로 서브-스택(210)이 전지 고장으로 인해 작동이 중단되는 경우에도 연료 전지 전력 시스템(100)은 계속 작동될 수 있다. 그에 비해, 도 6 및 도 7에 도시된 실시예에서, 스위치 위치가 변경되면 전류가 차단된다.
전류 및 전압 분극 곡선은 서브-스택(210)의 성능을 결정하는 데 사용될 수 있다. 분극 곡선은 다양한 요인, 가령, 온도, 반응물 유량 및 압력에 따라 서브-스택에 특정하다는 것이 이해될 것이다. 도 15는 고온 이온쌍(HT-IP)에 대한 예시적인 분극 곡선과 폴리벤즈이미졸(PBI) 연료 전지에 대한 분극 곡선을 도시한다. 통상의 기술자는 이러한 화학에 익숙하며 온도, 수명 및 가스 조성, 압력 및 유량에 따라 곡선이 위아래로 이동한다는 것을 이해한다. 　 통상의 기술자는 또한 HT-IP와 PBI가 상이한 표준 분극 곡선을 갖는다는 것을 이해한다. 서브-스택(210)이 정상 조건 하에서 작동하는지, 약한 출력인지, 매우 약한 출력인지는 여부는 서브-스택(210)에 대한 분극 곡선에 따라 결정된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 서브-스택(210)이 서브-스택에 대한 분극 곡선보다 약 10% 이상 밑에서 작동하는 경우, 이는 약한 출력을 제공하는 것으로 간주될 수 있다.
연료 전지 전력 시스템(100)의 각각의 서브-스택(210)의 성능은: (i) 서브-스택의 주어진 전류에 대한 전압이 서브-스택에 대한 정격 성능의 약 90%보다 큰 경우 정상으로 분류될 수 있으며, (ii) 서브-스택의 주어진 전류에 대한 전압이 서브-스택의 정격 성능의 약 90%보다는 작고 서브-스택의 정격 성능의 약 70%보다 클 때에는 약함으로 분류되며, (iii) 서브-스택의 주어진 전류에 대한 전압이 서브-스택의 정격 성능의 약 70% 미만일 때는 매우 약함으로 분류된다. 서브-스택에 대한 정격 성능은 주어진 전류에서 서브-스택에 대한 분극 곡선에 의해 제공된다는 것이 이해될 것이다. 분극 곡선의 예가 도 15에 도시된다.
DC 제어 모듈(250)도 포함하는 PCB(270)에 내장된 센서(예를 들어, 278, 281)는 DC 제어 모듈(250)에 입력되고 DC 제어 모듈(250)로부터 입력되고 출력되는 전류 및 전압 모두를 모니터링 하는 데 사용된다. 일 실시예에서, DC 제어 모듈(250) 프로세서 칩으로서, 미국, 애리조나, 챈들러에 위치한 Microchip Technology Corporation에서 판매하는 dsPIC30F3013 칩을 사용하였다. 다른 적합한 칩은, MSP430 칩(텍사스주 달라스의 Texas Instruments Inc.에서 판매함), 3S12HZ128 칩(네덜란드 아인트호벤에 위치한, Freescale Semiconductor Inc.로서 현재는 NXP Semiconductor N.V.에서 판매함) 및 ST10 칩(스위스 제네바에 위치한 STMicroelectronics에서 판매함)을 포함한다. 서브-스택(210)의 온도를 모니터링 하기 위해 다양한 센서(340)(도 12)가 사용될 수 있다.
DC 제어 모듈(250)로의 전류 및 전압은 서브-스택(210)으로부터이고, DC 제어 모듈(250)로부터의 전류 및 전압 출력은 외부 부하로인 것이 이해될 것이다. 데이터는 DC 제어 모듈(250)과 마스터 시스템 컨트롤러(260) 사이의 버스를 통해 전송된다. 바람직한 일 실시예에 따르면, 직렬 통신 버스가 사용된다. 다른 가능한 데이터 버스는 SPI 및 I2C 버스를 포함한다.
정상 작동 하에서, 서브-스택(210)은 정격 성능의 약 90%에서 서브-스택을 사용하여 부하에 전력을 공급할 수 있다. 전력 출력이 약한 상태에서 작동할 때, 서브-스택(210)은 정격 성능의 약 70% 내지 90% 수준에서 서브-스택을 사용하여 부하에 감소된 전력을 공급한다. 전력 출력이 매우 약한 상태에서 작동할 때, 서브-스택(210)은 정격 성능의 약 70% 미만에서 서브-스택을 사용하여 부하에 전력을 공급한다.
DC 제어 모듈(250)은 또한 온도 제어 능력을 갖는다. 시동 시에, 마스터 시스템 컨트롤러(260)는 원하는 설정점 온도를 DC 제어 모듈(250)에 전송한다. 일 실시예에 따르면, 온도 센서(340)를 사용하여, DC 제어 모듈(250)은 초당 적어도 한 번 서브-스택(210)의 온도를 판독한다. 마스터 시스템 컨트롤러(260)는 펌프나 팬을 켜서(온도가 설정점보다 낮은 경우) 서브-스택(210)의 온도를 조절할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 서브-스택(210)의 온도는 유체 흐름을 사용하여 조절될 수 있으며, 이는 아래에서 더 자세히 설명된다.
연료 전지 전력 시스템(100)에서, 마스터 시스템 컨트롤러(260)는 각각의 서브-스택(210)의 출력 전압을 모니터링 한다. 서브-스택(210)의 성능이 정상이면, 마스터 시스템 컨트롤러(260)는 각각의 DC 제어 모듈(250)에 명령을 보내 원하는 전압 출력을 부하에 설정한다.
DC 제어 모듈(250)을 갖는 연료 전지 전력 시스템(100)에서, 서브-스택(210)이 약해지고 부하에 충분한 전압/전력을 공급할 수 없는 경우, 마스터 시스템 컨트롤러(260)는 약한 서브-스택(210)으로부터 더 적은 전력을 공급하도록 DC 제어 모듈(250)에 명령할 수 있다. "가변-전력" 회로(도 1d 참조)를 사용하여, DC 제어 모듈(250)은 설계된 출력 전력에 대한 출력 전력을 서브-스택(210)의 성능이 정상이 될 때까지 단계적으로 낮춘다. 출력 전력이 감소하면 전압이 증가한다는 것을 알 수 있다. 그러면, 서브-스택(210)은 연료 전지 전력 시스템(100)의 작동 중단 없이 이러한 감소된 전력 상태에서 안전하게 작동할 수 있다. "가변 전력" 회로는 설계된 출력 전력에 대해 출력 전력을 설계 출력 전력의 0 내지 100% 사이의 임의의 값으로 조정할 수 있다는 점에 유의해야 한다.
서브-스택(210)의 성능이 매우 약한 경우, 설계된 출력 전력에 대한 출력 전력은 0으로 떨어질 수 있다. 매우 약한 서브-스택(210)이 있는 경우, 마스터 시스템 컨트롤러(260)는 매우 약한 서브-스택(210)을 제어하는 DC 제어 모듈(250)에게 DC 제어 모듈(250)의 "바이패스 스위치"(도 1a 참조)를 활성화하도록 명령하고, 매우 약한 서브-스택(210)은 더 이상 외부 부하에 전원을 공급하지 않을 것이다. "바이패스 스위치"는 고속의 솔리드-스테이트 장치이다. 다른 스위칭 장치와 달리, 이러한 유형의 "바이패스 스위치"를 '온' 상태로부터 '오프' 상태로 전환하면, 외부 부하에 잠재적으로 유해한 전압 스파이크나 서지가 발생하지 않을 것이다. 마스터 시스템 컨트롤러(260)는 매우 약한 서브-스택(210)의 손실을 보상하기 위해 시스템(100)의 다른 서브-스택(210)의 출력 전력을 증가시키도록 시스템(100)의 DC 제어 모듈(250)에 명령할 수 있다. 시스템(100)에서 약하거나 매우 약한 서브-스택(210)에 최대 전력을 원하는 경우, DC 제어 모듈(250)은 약하거나 고장난 서브-스택(210)의 작동을 중단하고 "가변 전력" 회로를 사용하여 다른 서브-스택(210)의 출력 전력을 조정할 수 있다.
연료 전지가 전기를 생성할 때 열이 발생한다. 따라서, 원하는 연료 전지 작동 온도를 유지하기 위해서, 과도한 폐열을 제거해야 한다. 연료 전지의 열 관리는 전력 출력과 용도에 따라 공랭식, 액체냉각 방법과 같은 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 고전력 수송용 연료 전지의 경우 액체 냉각이 바람직한데, 그 이유는 액체의 열전도율과 열용량이 높기 때문이다. 열 관리 시스템(300), 가령, 도 12에 도시된 것과 같은 열 관리 시스템이 이러한 용도에 사용할 수 있다. 열 관리 시스템(300)은 스택의 온도를 제어하는데 사용될 수 있다. 도 12에 도시된 열 관리 시스템(300)의 일 실시예에 따르면, 열 관리 시스템(300)은 펌프(310), 전기 히터(320), 온도 조절 장치(350), 라디에이터(360) 및 팽창 탱크(370)를 포함한다. 아래에서 더 자세히 설명하는 바와 같이, 냉각 플레이트를 사용하여 서브-스택(210)으로부터 열을 제거할 수 있다. 그러나, 도 12에 도시된 실시예에서, 냉각 플레이트 대신에, 냉각을 보조하기 위해 히트 파이프(335)와 서브-스택(210) 사이에 위치하는 다중 히트 스프레더(330)가 위치된다.
예를 들어, 에틸렌 글리콜과 물의 혼합물이 열 전달 유체로 사용될 수 있다. 연료 전지 전력 시스템(100)의 시동 동안, 열 관리 시스템(300)은 서브-스택(210)을 작동 온도로 가열할 수 있다. 서브-스택(210)의 작동 온도에 적합한 온도 범위는 최대 300℃이다. 또 다른 실시예에서, 서브-스택(210)의 적합한 작동 온도는 80℃내지 240℃이다. 또 다른 실시예에서, 서브-스택(210)의 적합한 작동 온도는 약 120℃내지 180℃이다. 발전 상태 동안, 열 관리 시스템(300)은 서브-스택(210)에 열을 공급하거나 서브-스택(210)으로부터 열을 제거하여 서브-스택(210)의 작동 온도를 유지한다.
서브-스택(210)으로부터 열을 제거하고 라디에이터(360)를 통해 주변 공기로 열을 방출하기 위해 액체 냉각제가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 서브-스택(210)은 최대 300℃의 온도에서 작동할 수 있고 냉각제 온도는 150℃보다 높을 수 있다. 일부 실시예에서, 연료 전지 전력 시스템(100)용 라디에이터의 크기는 일반적으로 80℃ 내지 90℃에서 작동하는 저온 연료 전지의 크기보다 훨씬 작을 수 있다.
또한 본 명세서에 설명된 서브-스택(210)으로부터 열을 제거하는데 2상 냉각(two-phase cooling)이 사용될 수 있다. 냉각 레일(380)에서, 냉각제의 일부가 가열 시에 증기로 변환되어 증기/액체 혼합물이 생성된다. 단상 액체 냉각에 비해, 2상 냉각은 주어진 양의 유체에 대한 열 방출을 증가시키는데, 그 이유는 기화 잠열이 액체의 비열보다 몇 배 더 클 수 있기 때문이다. 2상 냉각은 냉각제 유량을 줄여 냉각제 펌프 전력 소비를 줄인다. 또한, 2상 냉각은 열 전달 계수를 증가시키고 온도 균일성을 향상시킨다.
일반적으로, 냉각 채널은 스택에 일정한 간격으로 삽입된 냉각 플레이트를 갖는 전통적인 연료 전지 스택에 통합된다. 일부 실시예에 따르면, 서브-스택(210)은 에지 냉각(edge cooling)을 사용할 수 있는데, 여기서 냉각 플레이트(290)는 도 13에 도시된 바와 같이 서브-스택(210)의 측면에 부착되고 서브-스택(210)의 에지로부터 열을 제거한다. 도 13은 송풍기(297)를 포함하는 연료 전지 전력 시스템(100)의 일 실시예의 절단 사시도이다. 도 13에 예시된 바와 같이, 절연 패키지(298)는 연료 전지 전력 시스템(100)의 내부 구성요소를 보여주기 위해 절개된다.
내부 스택 냉각에 비해, 에지 냉각은 다수의 이점을 갖는다. 에지 냉각은 스택 밀봉 문제를 제거하고 신뢰성도 향상시킨다. 에지 냉각 플레이트(290)가 서브-스택(210)과 전기적으로 절연되어 있으므로 냉각제의 전기 전도도는 문제가 되지 않는다. 따라서, 전기 전도성을 줄이기 위해 냉각 루프(cooling loop)에서 냉각제 처리를 수행할 필요가 없으므로 냉각제 선택에 대한 옵션이 더 많다. 냉각제는 유기 수용액, 가령, 에틸렌 글리콜/물 및 프로필렌 글리콜/물, 또는 무기 수용액, 가령, 포름산칼륨/물일 수 있다. 이러한 유체의 작동 온도 범위는 약 -50℃ 내지 220℃이다.
열 관리 특징부(293), 가령, 히트 파이프, 액체 냉각제, 강제 공기 및 2상 유체는 냉각을 보조하기 위해 에지 냉각 플레이트에 매립될 수 있다. 히트 파이프는 표면적이 매우 크다. 따라서, 상업용 히트 파이프를 변형하여 에지 냉각 설계에 사용할 수 있다. 예를 들어, 개방 단부를 갖는 변형된 히트 파이프(292)는 도 14에 도시된 바와 같이 알루미늄 플레이트(290)에 매립될 수 있다. 도 14는 알루미늄 플레이트(290)에 부착된 히트 파이프(292)의 2개의 상이한 버전을 도시한다. 히트 파이프(292)는 도 14에 도시된 바와 같이 U자형 파이프 또는 직선 파이프일 수 있다. 히트 파이프(292)의 큰 내부 표면적은 플레이트로부터 히트 파이프(292) 내의 냉각제로의 열 전달을 용이하게 한다.
도 13의 예시된 실시예에서, 스트링(200)에는 9개의 서브-스택(210)이 있다. 단일 냉각 플레이트(290)가 스트링(200)에 제공될 수 있다. 에지 냉각을 위한 냉각 플레이트(290)는 9개의 구역으로 분할될 수 있으며, 각각의 서브-스택(210)에 대해 하나의 구역이 있다. 각각의 구역은 상응하는 서브-스택(210)의 온도를 제어하는 역할을 담당한다. 열 발생은 서브-스택마다 다를 수 있으므로, 각각의 구역으로의 냉각제 유량은 서브-스택(210)의 원하는 온도를 유지하기 위해 개별적으로 조정될 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 냉각 플레이트(290)의 각각의 구역은 자체 열 관리 특징부(293)를 가져서 각각의 구역으로의 냉각제 유량이 개별적으로 조정될 수 있다. 도 13에 도시된 실시예에서, 각각의 구역의 열 관리 특징부(293)는 구불구불한 형상이다. 도 14에 도시된 실시예에서, 히트 파이프(292)는 U자형이고 직선형이다. 열 관리 특징부(293)는 임의의 적합한 형상일 수 있다는 것이 이해될 것이다. 일부 실시예에서, 열 파이프는 서브-스택(210)으로부터 열이 전달될 수 있는 열 교환기로 열을 전달하는 데 사용될 수 있다.
연료 전지 전력 시스템(100)은 작동 모드 또는 비작동 모드일 수 있다. 1차 작동 모드는 작동 상태(실질적 전기 출력 전력) 및 생성-전 상태(순 전력 출력 0)를 포함한다. 비작동 모드에는 콜드 상태, 패시브 상태, 보관 상태가 포함된다. 일 실시예에 따르면, 작동 모드와 비작동 모드 사이에는 시동(startup)과 종료(shutdown)라는 두 가지 주요 전환이 있다. 시동은 비작동 모드로부터 작동 모드로의 전환이고, 종료는 작동 모드로부터 비작동 모드로 자동 전환되는 것이다.
연료 전지 전력 시스템(100)의 시동 절차(900)가 도 9에 도시되어 있다. 단계 910에서, 마스터 시스템 컨트롤러(260)는 DC 제어 모듈(250)에 열 관리 시스템(300)을 사용하여 서브-스택을 작동 온도(예를 들어, 약 160℃로 가열하도록 명령한다. 단계 920에서, DC 제어 모듈(250)은 연료 전지 서브-스택(210)이 작동 온도에 도달했는지 확인한다. 작동 온도에 도달한 경우, 시동 절차(900)는 단계 930으로 진행된다. 작동 온도에 도달하지 않은 경우, 열 관리 시스템은 서브-스택(210)을 계속 가열한다. 서브-스택(210)이 온도 설정점에 도달한 후에, 단계 930에서 연료(예를 들어, 수소)와 산화제(예를 들어, 공기)가 매니폴드(240)를 거쳐 서브-스택(210)에 공급된다.
서브-스택(210)의 출력 전압 Vset은 단계 940에서 외부 부하에 기초하여 결정된다. 단계 950에서, DC 제어 모듈(250)의 초기 출력은 작동 범위의 최소값으로 설정된다. 단계 960에서, DC 제어 모듈(250)은 출력을 점진적으로 증가시킨다. 단계 970에서, 모든 서브-스택(210)의 전압이 측정된다. 단계 980에서, 서브-스택(210)의 전압이 미리 결정된 최소값 Vmin보다 작은지 여부를 결정한다. 서브-스택(210)의 전압이 미리 결정된 최소값 Vmin보다 작으면, DC 제어 모듈(250)의 출력은 단계 990에서 이전 설정점으로 변경될 것이다. 조정은 모든 서브-스택(210)의 전압이 Vmin보다 클 때까지 계속된다. 모든 DC 제어 모듈(250)의 출력 전압은 단계 1000에서 측정된다. 컨버터는 전기적으로 직렬로 연결되므로, DC 제어 모듈(250)의 출력측을 통해 흐르는 전류는 동일하다. 단계 1010에서는 모든 DC 제어 모듈(250)의 전압을 합산하면, 이 전압의 합은 전체 스트링(200)의 출력 전압이 된다. 단계 1020에서, 스트링(200)의 전압이 원하는 Vset보다 작은지 여부를 판단한다. 스트링(200)의 전압이 원하는 Vset보다 작으면, DC 제어 모듈(250)의 출력은 전압이 Vset에 도달할 때까지 단계 1030에서 점진적으로 증가될 것이다. 전체 스트링(200)의 출력이 Vset에 도달할 때까지 이 과정이 반복된다. 출력 전력은 전류 센서를 사용하여 측정한 출력 전류에 출력 전압을 곱하여 계산된다.
작동 상태에서 연료 전지 전력 시스템(100)의 제어 순서는 유사하다. 서브-스택(210)은 작동 온도와 출력 전압을 유지하기 위해 마스터 시스템 컨트롤러(260)와 DC 제어 모듈(250)에 의해 지속적으로 모니터링 되고 조정된다.
연료 전지 전력 시스템(100)을 제어하기 위한 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)의 일 예가 도 10에 도시되어 있다. GUI는 DC 제어 모듈(250)과 서브-스택(210)의 전압을 디스플레이 한다. GUI를 사용하여, 사용자는 DC 제어 모듈(250)의 출력을 변경할 수 있다. 예를 들어, 출력을 도 10에 도시된 예에서 39.3%로 설정하였다. 각각의 DC 제어 모듈(250)의 출력은 개별적으로 제어될 수 있다. 임의의 개수의 서브-스택(210)은 DC 제어 모듈(250)에 의해 중단될 수 있고 전력을 생성하지 않는 반면, 나머지 서브-스택(210)은 중단 없이 계속해서 전력을 생성할 수 있다. 대안으로, DC 제어 모듈(250)은 임의의 서브-스택(210)에 의해 생성된 전력을 감소시킬 수 있다.
연료 전지 전력 시스템(100)의 제어 시스템은 도 11의 개략도에 도시된 바와 같이 마스터 시스템 컨트롤러(260) 및 다중 DC 제어 모듈(250)을 포함한다. 일 실시예에서, 각각의 서브-스택 DC 제어 모듈(250)은 서브-스택(210)에 직접 장착되고, 제어 모듈이 장착되는 서브-스택(210)을 제어한다. 다른 실시예에서, PCB(270)는 다중 DC 제어 모듈을 포함할 수 있고, PCB(270)는 하나 이상의 서브-스택(210)을 제어할 수 있지만, 각각의 서브-스택(210)은 자체의 DC 제어 모듈(250)에 의해 개별적으로 제어된다(즉, 한 서브-스택은 중단되지만 동일한 DC 제어 모듈에 의해 제어되는 다른 서브-스택은 계속 작동될 수 있다). 이러한 DC 제어 모듈(250)은 상응하는 서브-스택(210)의 온도, 전류, 전압과 같은 공정 변수를 측정하는 센서로부터 데이터를 수신하여, 이 데이터를 마스터 시스템 컨트롤러(260)로 전송한다. 전술한 바와 같이, PCB(270)에 내장된 센서는 DC 제어 모듈(250)에 입력되고 DC 제어 모듈(250)로부터 출력되는 전류 및 전압 모두 모니터링하는 데 사용된다. 마스터 시스템 컨트롤러(260)는 데이터를 분석하고 수행할 제어 작업(예를 들어, 서브-스택 작동 중단, 서브-스택 냉각, 서브-스택 가열)을 결정하며, 서브-스택(210)의 밸브 및 스위치와 같은 최종 제어 요소를 제어하는 서브-스택 DC 제어 모듈(250)에 제어 명령을 보낸다.
연료 전지의 전압과 전류 사이의 관계는 분극 곡선으로 표시될 수 있음을 알 수 있다. 다양한 방정식(예를 들어, V = EOC - ir - A·ln(i) + m·exp(ni))을 사용하여 실험 데이터를 맞출 수 있다. 전류 외에도, 연료 전지의 전압은 온도, 압력, 유량, 반응물의 조성과 같은 작동 조건에 의해 영향을 받는다. 연료 전지의 성능은 연료 전지가 노화됨에 따라 시간이 지니면서 저하된다. 머신 러닝(machine learning)을 사용하여 연료 전지 전압을 예측할 수 있다. TinyML은 마이크로 컨트롤러와 같은 소형 저전력 장치에서 실행할 수 있는 머신 러닝의 한 유형이다. 적절한 데이터 세트가 제공되면, 머신 러닝 모델을 마이크로컨트롤러에 업로드하고 프로세스 센서로부터 수집한 데이터를 기반으로 실시간으로 연료 전지 전압을 예측하는 데 사용할 수 있다.
전술한 모든 내용을 고려하여, 본 실시예는 예시적이고 제한적이지 않으며, 본 발명은 본 명세서에 제공된 세부사항에만 제한되지 않고 하기 청구범위 및 그 균등예 내에서 수정될 수 있다는 것이 명백해야 한다.

Claims (20)

  1. 연료 전지 전력 시스템으로서, 상기 시스템은:
    적어도 하나의 연료 전지 스트링을 포함하고, 적어도 하나의 연료 전지 스트링은 복수의 연료 전지 서브-스택을 포함하며, 서브-스택은 서로 전기적으로 절연되고 각각의 서브-스택은 복수의 연료 전지를 포함하며;
    서브-스택을 제어하도록 구성된 복수의 DC 제어 모듈을 포함하고, DC 제어 모듈의 출력은 직렬로 연결되며 상이한 DC 제어 모듈이 각각의 서브-스택을 제어하도록 구성되고, 각각의 DC 제어 모듈은 다른 서브-스택과 독립적으로 상응하는 서브-스택의 출력 전력 크기를 제어할 수 있으며;
    복수의 DC 제어 모듈과 통신하는 마스터 시스템 컨트롤러를 포함하고, 마스터 시스템 컨트롤러는 DC 제어 모듈로부터 데이터를 수신하고 DC 제어 모듈에 명령을 전송하는, 연료 전지 전력 시스템.
  2. 제1항에 있어서, DC 제어 모듈이 장착되는 적어도 하나의 회로 기판을 추가로 포함하는, 연료 전지 전력 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 복수의 인쇄회로기판을 포함하고, 각각의 DC 제어 모듈은 상이한 인쇄회로기판에 장착되는, 연료 전지 전력 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 적어도 하나의 인쇄회로기판은 복수의 서브-스택에 직접 장착되는, 연료 전지 전력 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 연료 전지는 막 전극 조립체를 갖는 폴리머 전해질 막 연료 전지인, 연료 전지 전력 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 복수의 연료 전지 스트링을 포함하고, 연료 전지 스트링은 직렬, 병렬, 또는 직렬과 병렬의 조합으로 전기적으로 연결되는, 연료 전지 전력 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 서브-스택의 온도를 조절하도록 구성된 열 관리 시스템을 추가로 포함하는, 연료 전지 전력 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 서브-스택의 에지에 냉각 플레이트가 부착되어 서브-스택으로부터 열을 제거하고, 열 관리 특징부가 냉각 플레이트에 내장되어 있는, 연료 전지 전력 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 열 관리 특징부는 히트 파이프, 액체 냉각제, 강제 공기 및 2상 유체로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 연료 전지 전력 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 열 관리 특징부는 냉각 플레이트에 내장된 히트 파이프이고, 액체는 히트 파이프를 통해 흐르는, 연료 전지 전력 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 냉각 플레이트는 복수의 구역으로 분할되고, 각각의 구역은 하나의 서브-스택의 온도를 독립적으로 조절하기 위한 자체 열 관리 특징부로 구성되는, 연료 전지 전력 시스템.
  12. 복수의 연료 전지 서브-스택을 포함하는 연료 전지 전력 시스템을 제어하는 방법으로서, 상기 방법은:
    각각의 서브-스택으로부터 전압 출력 및 전류 출력을 모니터링 하는 단계;
    서브-스택 중 하나 이상의 서브-스택의 온도를 모니터링 하는 단계;
    서브-스택의 주어진 전류에 대한 전압이 서브-스택의 정격 성능의 약 70%보다 크고 서브-스택의 정격 성능의 약 90% 미만이며 다른 서브-스택은 정격 성능의 약 90% 이상을 출력하는 경우 서브-스택의 출력 전력을 감소시키는 단계를 포함하며, 여기서, 서브-스택의 정격 성능은 주어진 전류에서 서브-스택에 대한 분극 곡선에 의해 제공되고;
    서브-스택의 주어진 전류에 대한 전압이 서브-스택의 정격 성능의 약 70% 미만이고 다른 서브-스택은 서브 스택의 정격 성능의 약 90% 이상을 출력하는 경우 서브-스택의 출력을 중단하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 서브-스택의 출력 전력은, 주어진 전류에 대한 정격 성능의 적어도 약 90%로 전압이 증가될 때까지, 점진적으로 감소되는, 방법.
  14. 제12항에 있어서, 바이패스 스위치를 활성화하여 서브-스택의 출력을 중단하기 위해 서브-스택을 제어하도록 구성된 DC 제어 모듈에 명령을 전송함으로써, 서브-스택의 출력을 중단하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 마스터 시스템 컨트롤러가 시스템의 다른 DC 제어 모듈에 명령하여 시스템의 다른 서브-스택의 출력 전력을 증가시키는, 방법.
  16. 연료 전지 전력 시스템으로서, 상기 시스템은:
    적어도 하나의 연료 전지 스트링을 포함하고, 적어도 하나의 연료 전지 스트링은 복수의 연료 전지 서브-스택을 포함하며, 서브-스택은 서로 전기적으로 절연되고 각각의 서브-스택은 복수의 연료 전지를 포함하며;
    서브-스택을 제어하도록 구성된 복수의 DC 제어 모듈을 포함하며, DC 제어 모듈의 출력은 직렬로 연결되고, 상이한 DC 제어 모듈은 각각의 서브-스택을 제어하도록 구성되며, 각각의 DC 제어 모듈은 상응하는 서브-스택의 성능이 서브-스택의 정격 성능의 약 90% 미만이고 다른 서브-스택은 정격 성능의 약 90% 이상을 출력하는 경우 다른 서브-스택과 독립적으로 상응하는 서브-스택의 출력 전력을 감소시킬 수 있으며, 성능은 서브-스택의 주어진 전류에 대한 전압 출력이고 서브-스택의 정격 성능은 주어진 전류에서 서브-스택에 대한 분극 곡선에 의해 제공되며;
    복수의 DC 제어 모듈과 통신하는 마스터 시스템 컨트롤러를 포함하고, 마스터 시스템 컨트롤러는 DC 제어 모듈로부터 데이터를 수신하고 DC 제어 모듈에 명령을 전송하는, 연료 전지 전력 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 각각의 DC 제어 모듈은 상응하는 서브-스택의 성능이 서브 스택의 정력 성능의 약 70% 미만이고 다른 서브-스택은 정격 성능의 약 90% 이상을 출력하는 경우 다른 서브-스택과 독립적으로 상응하는 서브-스택의 출력 전력을 중단할 수 있는, 연료 전지 전력 시스템.
  18. 제16항에 있어서, 각각의 DC 제어 모듈은, 주어진 전류에 대한 정격 성능의 적어도 약 90%로 전압이 증가될 때까지, 서브-스택의 출력 전력을 점진적으로 감소할 수 있는, 연료 전지 전력 시스템.
  19. 제17항에 있어서, 마스터 시스템 컨트롤러는, 바이패스 스위치를 활성화하여 서브-스택의 출력을 중단하기 위해 서브-스택을 제어하도록 구성된 DC 제어 모듈에 명령을 전송하는, 연료 전지 전력 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 마스터 시스템 컨트롤러는 시스템의 다른 DC 제어 모듈에 명령하여 시스템의 다른 서브-스택의 출력 전력을 증가시키는, 연료 전지 전력 시스템.
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