燃料电池系统的控制装置和控制方法与流程

本发明涉及燃料电池系统，特别地涉及包括多个燃料电池的燃料电池系统的控制装置和控制方法。

背景技术：

在数十千瓦(KW)至数兆瓦(MW)的中大型发电用固体氧化物燃料电池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)系统中，连接多个小容量燃料电池堆(stack)来获得大容量。燃料电池堆是指为了获得期望电力输出而将数十至数百张的单位燃料电池叠层连接的构造。

在连接燃料电池堆时仅以串联电气连接的情况下，具有如下缺点：如果一个堆发生问题而停机(shut down)，则电气连接断开，从而整个燃料电池系统停机。因此，一般将各堆以串联和并联混合地进行电气连接来构成燃料电池系统。

然而，在将各堆并联连接的情况下，如果连接的多个堆中的一部分堆发生劣化，该影响会波及到其他正常堆，不仅整个燃料电池系统的耐久性会加速降低，而且容量也降低，从而缩短寿命。

图1(a)是用于说明在燃料电池堆并联连接的情况下各个堆之间的劣化波及影响的示意图，图1(b)是用于说明在燃料电池堆并联连接的情况下各个堆之间的劣化波及影响的堆电压与堆电流的曲线图。

如图1(a)和图1(b)所示，如果在各燃料电池堆以并联电气连接的燃料电池系统中一个堆劣化([2]一个劣化)，则劣化堆的内部阻抗增加从而发生电流相对集中于正常堆的现象。即，在并联连接的堆中的较快劣化的堆中，由于内部阻抗的增加，流过的电流减小，在其他正常堆中，流过的电流大于正常运转时的电流。即，电流相对集中于正常堆，导致电流不均衡。尽管劣化堆中流过的电流减小，但电流相对集中于正常堆，劣化波及到正常堆([3]一次波及)。

此外，在劣化堆中，由于发热反应减小，温度降低，阻抗会进一步增大，电流相对集中于正常堆的现象变得更严重，对于正常堆的劣化波及影响变得更大，因而劣化堆和正常堆的劣化均加速([4]二次波及)。

图1(c)是示出在燃料电池系统中堆的劣化加速时劣化堆的劣化波及到其他正常堆的示意图，图1(d)是将在燃料电池系统中堆的劣化加速时包括劣化堆的燃料电池系统的寿命与正常燃料电池系统的寿命进行比较的曲线图。

参照图1(c)和图1(d)，在燃料电池系统内连接的多个堆中一部分堆发生劣化从而劣化加速的情况下，劣化堆的劣化波及到其他正常堆，从而整个燃料电池系统的耐久性和容量降低并且寿命缩短。

防止劣化堆对正常堆产生影响的最容易的方法是独立地控制燃料电池系统内所有堆的电流和电压等。然而，为了独立控制所有堆的电流和电压等，不仅系统构造会变得复杂，费用的增加也不可避免。特别地，由于中大型发电用SOFC系统由多个堆构成，因而存在使针对每个堆配置一个电力调节系统(PCS：Power Conditioning System)商业化变得很困难的问题。

下述的现有技术文献中记载的专利文献1涉及具有旁路电路的燃料电池系统及其驱动方法。参照专利文献1的图2，专利文献1的发明包括旁路电路300和转换电路250-254，其在存在不良堆的情况下利用转换电路来将不良堆旁路，从而防止不良堆对正常堆产生影响。

然而，专利文献1的发明仅公开了旁路不良堆，并没有公开将劣化堆再排列来使用劣化堆。

于是，需要这样的燃料电池系统的控制装置和控制方法：其不使用多个电力调节系统PCS，而利用廉价的电气开关来在工作期间快速容易地将各堆以串联、并联或串并联连接，防止各堆之间由于性能降低引起的劣化波及，从而提高整个燃料电池系统的耐久性，防止容量降低，使寿命缩短最小化，将劣化堆再排列来利用劣化堆，从而能够有效地使用燃料电池堆。

[现有技术文献]

[专利文献]

(专利文献1)韩国公开专利公报，公开号10-2012-0017596。

技术实现要素：

[技术问题]

为了解决上述现有技术中存在的问题而提出本发明，本发明所要解决的技术问题是提供一种控制燃料电池系统的装置，其不使用多个电力调节系统PCS，而利用廉价的电气开关来在工作期间快速容易地将各堆以串联、并联或串并联连接，防止各堆之间由于性能降低引起的劣化波及，从而提高整个燃料电池系统的耐久性，防止容量降低，使寿命缩短最小化，对劣化堆和正常堆进行再排列来使用，从而能够有效地使用燃料电池堆。

本发明所要解决的另一技术问题是提供一种控制燃料电池系统的方法，其不使用多个电力调节系统PCS，而利用廉价的电气开关来在工作期间快速容易地将各堆以串联、并联或串并联连接，防止各堆之间由于性能降低引起的劣化波及，从而提高整个燃料电池系统的耐久性，防止容量降低，使寿命缩短最小化，对劣化堆和正常堆进行再排列来使用，从而能够有效地使用燃料电池堆。

[技术方案]

为解决上述技术问题的根据本发明实施例的燃料电池系统的控制装置，包括：

多个堆状态感测部，其分别感测多个燃料电池堆的状态；

转换部，其将所述多个燃料电池堆中的至少一部分进行串联或并联连接；以及

控制部，其基于由所述多个堆状态感测部感测到的堆状态来感测至少一个劣化堆，并控制所述转换部的操作来形成至少一个包括感测到的至少一个劣化堆的劣化堆部。

根据本发明实施例的燃料电池系统的控制装置中，所述控制部可以控制所述转换部的操作，来将所述至少一个劣化堆部与其他劣化堆部或至少一个正常堆进行串联、并联或串并联连接。

此外，根据本发明实施例的燃料电池系统的控制装置中，所述控制部可以控制所述转换部的操作，来将所述至少一个包括感测到的至少一个劣化堆的劣化堆部分别与其他劣化堆部或至少一个正常堆进行串联连接。

根据本发明实施例的燃料电池系统的控制装置中，所述至少一个劣化堆部各自可以包括至少一个劣化堆和m个或m个以上的正常堆，所述m是0或0以上的整数。

根据本发明实施例的燃料电池系统的控制装置中，所述多个燃料电池堆可以以(n1×1)、(n1×n2)或(n1×n2×n3)的阵列来排列，n1、n2和n3为2或2以上的整数。

根据本发明实施例的燃料电池系统的控制装置中，所述控制部可以控制所述转换部的操作来将所述阵列中的各堆以串联、并联或串并联连接，以将所述各堆的输出供给到电力调节系统PCS。

根据本发明实施例的燃料电池系统的控制装置中，所述控制部在基于由所述多个堆状态感测部感测到的堆状态来感测到至少一个不能工作的堆的情况下，可以控制所述转换部的操作来将所述至少一个不能工作的堆从所述燃料电池系统中电气分离。

根据本发明实施例的燃料电池系统的控制装置中，所述堆状态感测部可以感测所述燃料电池堆的电流或电压，以将该电流或电压传达至所述控制部，并且所述控制部可以基于由所述堆状态感测部感测到的电流或电压来感测劣化堆。

根据本发明实施例的燃料电池系统的控制装置中，所述转换部可以包括：

阴极连接转换部，其用于根据所述控制部的控制信号来将所述多个燃料电池堆的阴极选择性地连接至所述电力调节系统的负电压输入端；

串并联连接转换部，其用于根据所述控制部的控制信号来将所述多个燃料电池堆中相邻的各堆的阴极相互连接，或将相邻的各堆串联连接；

并联连接转换部，其用于根据所述控制部的控制信号来将所述多个燃料电池堆中相邻的各堆的阳极相互连接；以及

阳极连接转换部，其用于根据所述控制部的控制信号来将所述多个燃料电池堆的阳极选择性地连接至所述电力调节系统的正电压输入端。

根据本发明实施例的燃料电池系统的控制装置中，当n为2或2以上的整数时，所述多个燃料电池堆可以包括第一至第n堆，所述多个堆状态感测部可以包括第一至第n堆状态感测部，所述第一至第n堆状态感测部的一端分别连接至所述第一至第n堆的阳极，

所述阴极连接转换部可以包括第一至第n阴极连接开关，所述串并联连接转换部可以包括第一至第n-1串并联连接开关，所述并联连接转换部可以包括第一至第n-1并联连接开关，所述阳极连接转换部可以包括第一至第n阳极连接开关，

所述第一至第n-1串并联连接开关各自包括公共端和第一至第三端，

所述第一至第n阴极连接开关、所述第一至第n-1并联连接开关和所述第一至第n阳极连接开关各自包括一端和另一端，并根据所述控制部的控制信号来将一端与另一端电气连接或将一端与另一端解除电气连接，并且

所述第一至第n-1串并联连接开关根据所述控制部的控制信号来将各自的公共端连接至第一端至第三端中的一个端子。

根据本发明实施例的燃料电池系统的控制装置中，所述第一至第n阴极连接开关的一端连接至所述电力调节系统的负电压输入端，所述第一至第n阴极连接开关的另一端分别连接至所述第一至第n堆的阴极，

所述第一至第n-1串并联连接开关的公共端分别连接至所述第一至第n-1堆的阴极，所述第一至第n-1串并联连接开关的第一端分别连接至所述第二至第n堆状态感测部的另一端，所述第一至第n-1串并联连接开关的第二端分别连接至所述第二至第n堆的阴极，所述第一至第n-1串并联连接开关的第三端开路，

所述第一至第n-1并联连接开关的一端分别连接至所述第一至第n-1堆状态感测部的另一端，所述第一至第n-1并联连接开关的另一端分别连接至所述第二至第n堆状态感测部的另一端，并且

所述第一至第n阳极连接开关的一端分别连接至所述第一至第n堆状态感测部的另一端，所述第一至第n阳极连接开关的另一端连接至所述电力调节系统的正电压输入端。

根据本发明实施例，提供一种燃料电池系统的控制装置，所述燃料电池系统包括多个燃料电池堆模块，所述燃料电池堆模块包括预定数的燃料电池堆，所述控制装置包括：

多个堆模块状态感测部，其分别感测多个燃料电池堆模块的状态；

转换部，其将所述多个燃料电池堆模块中的至少一部分进行串联或并联连接；以及

控制部，其基于由所述多个堆模块状态感测部感测到的堆模块状态来感测至少一个劣化堆模块，并控制所述转换部的操作来形成至少一个包括感测到的至少一个劣化堆模块的劣化堆模块部。

根据本发明实施例的燃料电池系统的控制装置中，所述控制部可以控制所述转换部的操作，来将所述至少一个劣化堆模块部与其他劣化堆模块部或至少一个正常堆模块进行串联、并联或串并联连接。

此外，根据本发明实施例的燃料电池系统的控制装置中，所述控制部可以控制所述转换部的操作，来将所述至少一个包括感测到的至少一个劣化堆模块的劣化堆模块部分别与其他劣化堆模块部或至少一个正常堆模块进行串联连接。

此外，根据本发明实施例的燃料电池系统的控制装置中，所述至少一个劣化堆模块部各自可以包括至少一个劣化堆模块和m个或m个以上的正常堆模块，所述m是0或0以上的整数。

根据本发明实施例，提供一种燃料电池系统的控制方法，在所述燃料电池系统中多个燃料电池堆以串联或并联电气连接，所述控制方法包括步骤：

控制部感测所述多个燃料电池堆的状态来判断是否存在至少一个劣化堆；以及

所述控制部在判断出存在至少一个劣化堆的情况下，对转换部的操作进行控制，来形成至少一个包括所述至少一个劣化堆的劣化堆部。

根据本发明实施例的燃料电池系统的控制方法，还可以包括步骤：所述控制部控制所述转换部的操作，来将所述至少一个劣化堆部与其他劣化堆部或至少一个正常堆进行串联、并联或串并联连接。

此外，根据本发明实施例的燃料电池系统的控制方法中，所述控制部可以控制所述转换部的操作，来将所述至少一个劣化堆部分别与其他劣化堆部或至少一个正常堆进行串联连接。

此外，根据本发明实施例的燃料电池系统的控制方法中，所述至少一个劣化堆部各自可以包括至少一个劣化堆和m个或m个以上的正常堆，所述m是0或0以上的整数。

此外，根据本发明实施例的燃料电池系统的控制方法中，所述多个燃料电池堆可以以(n1×1)、(n1×n2)或(n1×n2×n3)的阵列来排列，n1、n2和n3为2或2以上的整数。

此外，根据本发明实施例的燃料电池系统的控制方法中，所述控制部可以控制所述转换部的操作来将所述阵列中的各堆以串联、并联或串并联连接，以将所述各堆的输出供给到电力调节系统PCS。

此外，根据本发明实施例的燃料电池系统的控制方法中，所述控制部可以感测所述多个燃料电池堆的状态来判断是否存在至少一个不能工作的堆，在存在至少一个不能工作的堆的情况下，所述控制部可以控制所述转换部的操作来将所述至少一个不能工作的堆从所述燃料电池系统中电气分离。

此外，根据本发明实施例的燃料电池系统的控制方法中，堆状态感测部可以感测所述燃料电池堆的电流或电压，以将该电流或电压传达至所述控制部，并且所述控制部可以基于由所述堆状态感测部感测到的电流或电压来感测劣化堆。

通过参照附图描述的以下详细说明，本发明的特征和优点将变得更加明显。

在此之前，应当理解的是，本说明书和权利要求书中所使用的术语或词语应当以一般含义来解释，而不应以词典中含义来解释，并且在基于发明人为了以最佳方法说明自己的发明而可以确切地定义术语的概念的原则下，所述术语或词语应当解释为符合本发明技术思想的含义和概念。

[有益效果]

根据本发明，不使用多个电力调节系统PCS，而利用廉价的电气开关来在工作期间快速容易地将各堆以串联、并联或串并联连接，防止各堆之间由于性能降低引起的劣化波及，从而提高整个燃料电池系统的耐久性，防止容量降低，使寿命缩短最小化，对劣化堆和正常堆进行再排列来使用，从而能够有效地使用燃料电池堆。

附图说明

图1(a)是用于说明在燃料电池堆并联连接的情况下各个堆之间的劣化波及影响的示意图。

图1(b)是用于说明在燃料电池堆并联连接的情况下各个堆之间的劣化波及影响的堆电压与堆电流的曲线图。

图1(c)是示出在燃料电池系统中堆的劣化加速时劣化波及到其他正常堆的示意图。

图1(d)是将在燃料电池系统中堆的劣化加速时与正常系统的寿命进行比较的曲线图。

图2(a)是仅存在正常堆的情况下根据本发明第一实施例的燃料电池系统控制装置的操作框图。

图2(b)是示出图2(a)的燃料电池系统的燃料电池堆的电气构造的框图。

图3(a)是存在劣化堆的情况下根据本发明第二实施例的燃料电池系统控制装置的第一操作框图。

图3(b)是示出图3(a)的燃料电池系统的燃料电池堆的电气构造的框图。

图4(a)是存在劣化堆的情况下根据本发明第三实施例的燃料电池系统控制装置的第二操作框图。

图4(b)是示出图4(a)的燃料电池系统的燃料电池堆的电气构造的框图。

图5(a)是存在不能工作的堆的情况下根据本发明第四实施例的燃料电池系统控制装置的第三操作框图。

图5(b)是示出图5(a)的燃料电池系统的燃料电池堆的电气构造的框图。

图6是示出根据本发明实施例的燃料电池系统控制方法的流程图。

具体实施方式

根据以下与附图相关联的详细说明和优选实施例，本发明的目的、特定优点和新颖特征将变得更加明显。

要注意的是，关于对每个附图的构成要素附加参考编号，相同的构成要素在示出的不同附图中具有相同的编号。

此外，使用的“第一”、“第二”等术语是为了将一个构成要素区别于另一个构成要素，而不是为了将构成要素限制于所述术语。

下文中，在说明本发明时将省略那些使本发明的要点不必要地模糊的相关公知技术。

下文中，将参照附图来详细描述本发明的优选实施例。

图2(a)是仅存在正常堆的情况下根据本发明第一实施例的燃料电池系统控制装置的操作框图，图2(b)是示出图2(a)的燃料电池系统的燃料电池堆的电气构造的框图。

图2(a)示出的根据本发明第一实施例的燃料电池系统控制装置包括：第一至第四堆状态感测部S1至S4，其分别感测第一至第四堆STK1至STK4的状态；转换部200、202、204、206，其将所述第一至第四堆STK1至STK4中的至少一部分以串联或并联连接；以及控制部212，其基于通过所述第一至第四堆状态感测部S1至S4感测到的堆状态来感测至少一个劣化堆，并且控制所述转换部200、202、204、206的操作，以形成包括感测到的至少一个劣化堆的劣化堆部(图3(b)中示出)，从而将所述劣化堆部与至少一个正常堆进行串联连接。

所述劣化堆部包括至少一个劣化堆和m个或m个以上的正常堆，所述m是0或0以上的整数。

所述劣化堆部是指将感测到的至少一个劣化堆与0个或以上的预定数的正常堆进行串联或并联连接的构造。即，劣化堆部可以仅包括一个或一个以上的劣化堆，或者可以包括一个或一个以上的劣化堆和一个或一个以上的正常堆。

在本发明中存在劣化堆的情况下，控制部212将感测到的至少一个劣化堆与0个或以上的正常堆进行串联或并联连接，以形成至少一个劣化堆部，并且将形成的至少一个劣化堆部与其他劣化堆部或其他正常堆进行串联、并联或串并联连接。

由于若将劣化堆部与正常堆进行串联连接就不会发生电流相对集中于正常堆，能够防止由于劣化堆引起的劣化波及到其他正常堆。此外，如果将劣化堆与0个或以上的正常堆进行串联或并联连接而形成劣化堆部，虽然与劣化堆并联连接的预定数的正常堆由于电流相对集中而发生劣化，但其余正常堆不受劣化堆的影响，因而由于劣化堆引起的燃料电池系统的性能降低是微不足道的。

此外，本发明中并不从燃料电池系统中电气分离出劣化堆，而是将劣化堆与0个或0个以上的正常堆串联或并联连接以形成劣化堆部，对劣化堆和正常堆进行再排列而使用，因此能够使用劣化堆直到劣化堆处于不能工作的状态。于是，能够提高整个燃料电池系统的耐久性并防止寿命缩短，并且能够有效地使用燃料电池系统。

图2(a)作为仅存在正常堆的情况下的根据本发明第一实施例的燃料电池系统控制装置的操作框图，由于不存在劣化堆，也不存在劣化堆部。

稍后将参照图3(a)至图5(b)来描述上述的劣化堆部。

所述控制部212对所述转换部200、202、204、206的操作进行控制，以将串联、并联或串并联连接的各堆的输出供给到电力调节系统208(PCS：Power Conditioning System)。电力调节系统208将输入的直流电流变换为交流，并调节电力而输出到负载210。

所述第一至第四堆状态感测部S1至S4感测第一至第四堆STK1至STK4的电流或电压，以输出状态感测信号CS1至CS4，并且所述控制部212基于所述状态感测信号CS1至CS4来感测劣化堆。

所述第一至第四堆状态感测部S1至S4可以包括感测流过的电流的分流器或霍尔(Hall)传感器，所述控制部212可以基于所述第一至第四堆STK1至STK4的电流或电压来感测劣化堆。

所述转换部200、202、204、206包括：阴极连接转换部200，其用于根据所述控制部212的控制信号NC1至NC4来将所述第一至第四堆STK1至STK4的阴极选择性地连接至所述电力调节系统208的负电压输入端NI；串并联连接转换部202，其用于根据所述控制部212的控制信号SPC1、SPC2、SPC3来将所述第一至第四堆STK1至STK4中相邻的堆的阴极相互连接，或者将相邻的堆串联连接；并联连接转换部204，其用于根据所述控制部212的控制信号IPC1、IPC2、IPC3来将所述第一至第四堆STK1至STK4中相邻的堆的阳极相互连接；以及阳极连接转换部206，其用于根据所述控制部212的控制信号PC1至PC4来将所述第一至第四堆STK1至STK4的阳极选择性地连接至所述电力调节系统208的正电压输入端PI。

所述第一至第四堆状态感测部S1至S4的一端分别连接至所述第一至第四堆STK1至STK4的阳极，所述阴极连接转换部200包括第一至第四阴极连接开关NPSW1至NPSW4，所述串并联连接转换部202包括第一至第三串并联连接开关SPSW1、SPSW2、SPSW3，所述并联连接转换部204包括第一至第三并联连接开关IPSW1、IPSW2、IPSW3，所述阳极连接转换部206包括第一至第四阳极连接开关PPSW1至PPSW4。

所述第一至第三串并联连接开关SPSW1、SPSW2、SPSW3分别包括：公共端N1_0、N2_0、N3_0；第一端N1_1、N2_1、N3_1；第二端N1_2、N2_2、N3_2；和第三端N1_3、N2_3、N3_3。

所述第一至第四阴极连接开关NPSW1至NPSW4、所述第一至第三并联连接开关IPSW1、IPSW2、IPSW3、和所述第一至第四阳极连接开关PPSW1至PPSW4根据所述控制部212的控制信号NC1至NC4、IPC1、IPC2、IPC3、PC1至PC4，其一端与另一端电气连接或连接解除。

所述第一至第三串并联连接开关SPSW1、SPSW2、SPSW3根据所述控制部212的控制信号SPC1、SPC2、SPC3，将公共端N1_0、N2_0、N3_0分别连接至第一端N1_1、N2_1、N3_1、第二端N1_2、N2_2、N3_2和第三端N1_3、N2_3、N3_3中的一个端子。

所述第一至第四阴极连接开关NPSW1至NPSW4的一端连接至所述电力调节系统208的负电压输入端NI，所述第一至第四阴极连接开关NPSW1至NPSW4的另一端分别连接至所述第一至第四堆STK1至STK4的阴极。

所述第一至第三串并联连接开关SPSW1、SPSW2、SPSW3的公共端N1_0、N2_0、N3_0分别连接至所述第一至第三堆STK1至STK3的阴极，所述第一至第三串并联连接开关SPSW1、SPSW2、SPSW3的第一端N1_1、N2_1、N3_1分别连接至所述第二至第四堆状态感测部S2至S4的另一端，所述第一至第三串并联连接开关SPSW1、SPSW2、SPSW3的第二端N1_2、N2_2、N3_2分别连接至所述第二至第四堆STK2至STK4的阴极，所述第一至第三串并联连接开关SPSW1、SPSW2、SPSW3的第三端N1_3、N2_3、N3_3开路。上述的端子开路是指端子无处连接。

所述第一至第三并联连接开关IPSW1、IPSW2、IPSW3的一端分别连接至所述第一至第三堆状态感测部S1至S3的另一端，所述第一至第三并联连接开关IPSW1、IPSW2、IPSW3的另一端分别连接至所述第二至第四堆状态感测部S2至S4的另一端。

所述第一至第四阳极连接开关PPSW1至PPSW4的一端分别连接至所述第一至第四堆状态感测部S1至S4的另一端，所述第一至第四阳极连接开关PPSW1至PPSW4的另一端连接至所述电力调节系统208的正电压输入端PI。

在本实施例中，所述燃料电池可包括固体氧化物燃料电池，但本发明不限于此。

所述第一至第三串并联连接开关SPSW1、SPSW2、SPSW3可以是根据控制信号SPC1、SPC2、SPC3来将公共端电气连接至第一端至第三端中的一个端子的SPTT(单刀三掷)开关，所述第一至第四阴极连接开关NPSW1至NPSW4、所述第一至第三并联连接开关IPSW1、IPSW2、IPSW3、所述第一至第四阳极连接开关PPSW1至PPSW4可以是将一端电气连接至另一端的SPDT(单刀双掷)开关。然而，上述开关不限于此，可包括执行相同功能的其他构成要素。

尽管图2(a)示出的根据本发明第一实施例的燃料电池系统控制装置对第一至第四堆STK1至STK4的4个堆的电气连接进行控制，但本发明不限于此，当n为2或2以上的整数时，控制装置可控制第一至第n堆STK1至STKn的n个堆的电气连接(未示出)。在此情况下，图2(a)示出的转换部200、202、204、206的构造可扩张为改变第一至第n堆STK1至STKn的电气连接构造。

此外，当n1、n2、n3为2或2以上的整数时，图2(a)示出的根据本发明第一实施例的燃料电池系统控制装置可控制具有(n1×1)个堆、(n1×n2)个堆或(n1×n2×n3)个堆的堆阵列中的各堆，并且可改变以串联、并联或串并联连接的堆阵列中的各堆的电气连接构造(未示出)。在此情况下，图2(a)示出的转换部200、202、204、206的构造可扩张为对以串联、并联或串并联连接的(n1×1)个堆、(n1×n2)个堆或(n1×n2×n3)个堆的电气连接构造进行改变。

此外，尽管在图2(a)中通过控制部212和转换部200、202、204、206来控制多个燃料电池堆中每一个堆的连接，但本发明不限于此，可将预定数的燃料电池堆构造为燃料电池堆模块，以将多个燃料电池堆构造为多个燃料电池堆模块，使得可根据控制部212和转换部200、202、204、206来改变多个燃料电池堆模块的电气连接构造。

即，在包括多个具有预定数的燃料电池堆的燃料电池堆模块的燃料电池系统中，控制部212可以基于由多个堆模块状态感测部(未示出)感测到的堆模块状态来感测至少一个劣化堆模块，并对转换部(未示出)的操作进行控制，以形成包括感测到的至少一个劣化堆模块的劣化堆模块部(未示出)，从而将所述劣化堆模块部与其他劣化堆模块部或至少一个正常堆模块进行串联、并联或串并联连接。

下文中将说明如上构造的根据本发明第一实施例的燃料电池系统的控制装置的操作。

第一实施例：仅存在正常堆的情况下的操作

图2(a)是不存在劣化堆而仅存在正常堆的情况下根据本发明第一实施例的燃料电池系统控制装置的操作框图，图2(b)是示出图2(a)的燃料电池系统的燃料电池堆的电气构造的框图。

在图2(a)中，控制部212基于通过第一至第四堆状态感测部S1至S4获得的表示第一堆STK1至第四堆STK4的状态的状态感测信号CS1至CS4，来判断出是否存在性能降低的劣化堆。

所述状态感测信号CS1至CS4可以是包括第一堆STK1至第四堆STK4的电压或电流的信号，但本发明不限于此。

在图2(a)中，由于不存在劣化堆并且所有堆都正常工作，控制部212向转换部200、202、204、206输出适当的控制信号NC1至NC4、SPC1、SPC2、SPC3、IPC1、IPC2、IPC3、PC1至PC4，以将第一至第四堆STK1至STK4并联连接，从而向电力调节系统208供给第一至第四堆STK1至STK4的电力。

图2(b)作为示出如上所述不存在劣化堆而仅存在正常堆、从而第一至第四堆STK1至STK4以并联连接的情况下的各堆的电气构造的框图，表示并联连接的第一至第四堆STK1至STK4的电力供给到电力调节系统208。

第二实施例：存在劣化堆的情况下的第一操作

图3(a)是存在劣化堆的情况下根据本发明第二实施例的燃料电池系统控制装置的第一操作框图，图3(b)是示出图3(a)的燃料电池系统的燃料电池堆的电气构造的框图。

在图3(a)中，控制部212基于通过第一至第四堆状态感测部S1至S4获得的表示第一至第四堆STK1至STK4的状态的状态感测信号CS1至CS4，来判断出是否存在性能降低的劣化堆。

所述状态感测信号CS1至CS4可以是包括第一至第四堆STK1至STK4的电压或电流的信号，但本发明不限于此。

在图3(a)中假设第二堆STK2发生劣化。

于是，作为劣化堆的第二堆STK2的电压或电流会不同于作为正常堆的第一堆STK1、第三堆STK3和第四堆STK4的电压或电流。

一般地，如果堆发生劣化，则堆的性能降低，堆的电压和电流会低于正常状态下的电压和电流。因此，控制部212将从第一至第四堆状态感测部S1至S4输出的状态感测信号CS1至CS4中所包括的电压或电流与正常状态的电压或电流进行比较，从而判断出堆是否劣化。

在图3(a)中由于第二堆STK2发生劣化，控制部212感测到状态感测信号CS2中所包括的电流或电压低于正常状态的电压或电流，判断出在第二堆STK2中发生了劣化，并将第二堆STK2判断为劣化堆。

控制部212在存在劣化堆的情况下控制转换部200、202、204、206的操作，使得各堆如图3(b)所示地进行连接。

如图3(a)和图3(b)所示，控制部212控制转换部200、202、204、206的操作，以将作为劣化堆的第二堆STK2与作为正常堆的第一堆STK1进行并联连接，从而形成劣化堆部300。

此外，如图3(b)所示，控制部212将作为正常堆的第三堆STK3和第四堆STK4进行并联连接，以形成正常堆部302，然后将正常堆部302与劣化堆部300进行串联连接。

参照劣化堆部300，由于作为正常堆的第一堆STK1与作为劣化堆的第二堆STK2并联连接，会发生电流相对集中于第一堆STK1的现象，因而第一堆STK1中也会发生劣化。然而，由于构成正常堆部302的作为其余正常堆的第三堆STK3和第四堆STK4与作为劣化堆的第二堆STK2串联连接，能够防止劣化的第二堆STK2的性能降低波及到作为正常堆的第三堆STK3和第四堆STK4。

如上所述，若将劣化堆部300与正常堆部302中的正常堆STK3、STK4串联连接，则不会发生电流相对集中于正常堆STK3、STK4，从而能够防止由于劣化堆STK2引起劣化波及到其他正常堆STK3、STK4。此外，若将劣化堆STK2与正常堆STK1并联连接而形成劣化堆部300，则与劣化堆STK2并联连接的正常堆STK1由于电流集中而会发生一定程度劣化，但其余正常堆STK3、STK4不受劣化堆STK2的影响，因此由劣化堆STK2引起的燃料电池系统的性能降低微乎其微。

此外，由于燃料电池堆STK2在劣化的情况下即使输出电压和电流低于正常状态也可以得到充分使用，若以如图3(a)和图3(b)所示地连接各堆STK1至STK4来防止劣化堆STK2的性能降低波及到其他正常堆，则在不废弃劣化堆STK2的情况下也可以通过如上所述地对劣化堆进行再排列来使用劣化堆。因此，能够在不降低整个燃料电池系统的性能的同时使用劣化堆，并且能够提高整个燃料电池系统的耐久性并使得寿命缩短最小化。

再参照图3(a)，对控制部212控制转换部200、202、204、206的操作来将各堆STK1至STK4如图3(b)所示地进行连接的操作进行详细说明。

在图3(a)中由于第二堆STK2发生劣化，控制部212感测到状态感测信号CS2中所包括的电流或电压低于正常状态的电压或电流，判断出在第二堆STK2中发生了劣化，并将第二堆STK2判断为劣化堆。

控制部212将适当的控制信号NC1、NC2和NC4分别施加到第一、第二和第四阴极连接开关NPSW1、NPSW2和NPSW4，使得第一、第二和第四阴极连接开关NPSW1、NPSW2和NPSW4处于断开状态。即，使得第一、第二和第四阴极连接开关NPSW1、NPSW2和NPSW4的一端不与另一端连接。此外，控制部212将适当的控制信号NC3施加到第三阴极连接开关NPSW3，使得第三阴极连接开关NPSW3处于导通状态。即，使得第三阴极连接开关NPSW3的一端与另一端连接。

此外，控制部212将适当的控制信号SPC1施加到第一串并联连接开关SPSW1，使得公共端N1_0连接至第二端N1_2，并且将适当的控制信号SPC2施加到第二串并联连接开关SPSW2，使得公共端N2_0连接至第一端N2_1，并且将适当的控制信号SPC3施加到第三串并联连接开关SPSW3，使得公共端N3_0连接至第二端N3_2。

此外，控制部212将适当的控制信号IPC1施加到第一并联连接开关IPSW1，使得第一并联连接开关IPSW1处于断开状态，并且将适当的控制信号IPC2施加到第二并联连接开关IPSW2，使得第二并联连接开关IPSW2处于断开状态，并且将适当的控制信号IPC3施加到第三并联连接开关IPSW3，使得第三并联连接开关IPSW3处于导通状态。

此外，控制部212将适当的控制信号PC1施加到第一阳极连接开关PPSW1，使得第一阳极连接开关PPSW1处于导通状态，并且将适当的控制信号PC2施加到第二阳极连接开关PPSW2，使得第二阳极连接开关PPSW2处于导通状态，并且将适当的控制信号PC3施加到第三阳极连接开关PPSW3，使得第三阳极连接开关PPSW3处于断开状态，并且将适当的控制信号PC4施加到第四阳极连接开关PPSW4，使得第四阳极连接开关PPSW4处于断开状态。

本发明中，开关的导通状态是指开关的一端与另一端电气连接，开关的断开状态是指开关的一端与另一端解除电气连接，即断开。

控制部212如上所述地控制各开关NPSW1至NPSW4、SPSW1、SPSW2、SPSW3、IPSW1、IPSW2、IPSW3、PPSW1至PPSW4的操作，则形成图3(b)所示的各堆的电气构造。

即，控制部212控制各开关NPSW1至NPSW4、SPSW1、SPSW2、SPSW3、IPSW1、IPSW2、IPSW3、PPSW1至PPSW4的操作，来将作为劣化堆的第二堆STK2与作为正常堆的第一堆STK1并联连接，从而形成劣化堆部300，并且将作为正常堆的第三堆STK3和第四堆STK4并联连接而形成正常堆部302，再将劣化堆部300与正常堆部302串联连接。

构成正常堆部302的作为其余正常堆的第三堆STK3和第四堆STK4与作为劣化堆的第二堆STK2串联连接，因此能够防止劣化的第二堆STK2的性能降低波及到作为正常堆的第三堆STK3和第四堆STK4。

此外，通过防止劣化堆STK2的性能降低波及到其他正常堆，在不废弃劣化堆STK2的情况下也可以将劣化堆进行再排列来使用劣化堆。因此，能够在不降低整个燃料电池系统的性能的同时使用劣化堆，并且能够提高整个燃料电池系统的耐久性并使得寿命缩短最小化。

第三实施例：存在劣化堆的情况下的第二操作

图4(a)是存在劣化堆的情况下根据本发明第三实施例的燃料电池系统控制装置的第二操作框图，图4(b)是示出图4(a)的燃料电池系统的燃料电池堆的电气构造的框图。

在图4(a)中，控制部212基于通过第一至第四堆状态感测部S1至S4获得的表示第一堆STK1至第四堆STK4的状态的状态感测信号CS1至CS4，来判断出是否存在性能降低的劣化堆。

所述状态感测信号CS1至CS4可以是包括第一堆STK1至第四堆STK4的电压或电流的信号，但本发明不限于此。

在图4(a)中假设第二堆STK2发生劣化。

于是，作为劣化堆的第二堆STK2的电压或电流会不同于作为正常堆的第一堆STK1、第三堆STK3和第四堆STK4的电压或电流。

一般地，如果堆发生劣化，则堆的性能降低，堆的电压和电流会低于正常状态下的电压和电流。因此，控制部212将从第一至第四堆状态感测部S1至S4输出的状态感测信号CS1至CS4中所包括的电压或电流与正常状态的电压或电流进行比较，从而判断出堆是否劣化。

在图4(a)中由于第二堆STK2发生劣化，控制部212感测到状态感测信号CS2中所包括的电流或电压低于正常状态的电压或电流，判断出在第二堆STK2中发生了劣化，并将第二堆STK2判断为劣化堆。

控制部212在存在劣化堆的情况下控制转换部200、202、204、206的操作，使得各堆如图4(b)所示地进行连接。

如图4(a)和图4(b)所示，控制部212控制转换部200、202、204、206的操作，以将作为劣化堆的第二堆STK2与作为正常堆的第一堆STK1、第三堆STK3和第四堆STK4进行串联连接。在图4(a)和图4(b)中，劣化堆部400是第二堆STK2。即，在图4(b)中劣化堆部400不包括正常堆，而仅包括作为劣化堆的第二堆STK2。

由于作为正常堆的第一堆STK1、第三堆STK3和第四堆STK4与作为劣化堆的第二堆STK2进行串联连接，能够防止劣化的第二堆STK2的性能降低波及到作为正常堆的第一堆STK1、第三堆STK3和第四堆STK4。

如上所述，若将劣化堆部400与正常堆STK1、STK3、STK4串联连接，则不会发生电流相对集中于正常堆STK1、STK3、STK4的现象，从而能够防止由劣化堆STK2引起的劣化堆波及到其他正常堆STK1、STK3、STK4。

此外，由于燃料电池堆STK2在劣化的情况下即使输出电压和电流低于正常状态也可以得到充分使用，若防止劣化堆STK2的性能降低波及到其他正常堆，则在不废弃劣化堆STK2的情况下也可以通过如上所述地对劣化堆进行再排列来使用劣化堆。因此，能够在不降低整个燃料电池系统的性能的同时使用劣化堆，并且能够提高整个燃料电池系统的耐久性并使得寿命缩短最小化。

再参照图4(a)，对控制部212控制转换部200、202、204、206的操作来将各堆如图4(b)所示地进行连接的操作进行详细说明。

在图4(a)中由于第二堆STK2发生劣化，控制部212感测到状态感测信号CS2中所包括的电流或电压低于正常状态的电压或电流，判断出在第二堆STK2中发生了劣化，并将第二堆STK2判断为劣化堆。

控制部212将适当的控制信号NC1、NC2、NC3分别施加到第一至第三阴极连接开关NPSW1至NPSW3，使得第一至第三阴极连接开关NPSW1至NPSW3处于断开状态。即，使得第一至第三阴极连接开关NPSW1至NPSW3的一端不与另一端连接。此外，控制部212将适当的控制信号NC4施加到第四阴极连接开关NPSW4，使得第四阴极连接开关NPSW4处于导通状态。即，使得第四阴极连接开关NPSW4的一端与另一端连接。

此外，控制部212将适当的控制信号SPC1施加到第一串并联连接开关SPSW1，使得公共端N1_0连接至第一端N1_1，并且将适当的控制信号SPC2施加到第二串并联连接开关SPSW2，使得公共端N2_0连接至第一端N2_1，并且将适当的控制信号SPC3施加到第三串并联连接开关SPSW3，使得公共端N3_0连接至第一端N3_1。

此外，控制部212将适当的控制信号IPC1施加到第一并联连接开关IPSW1，使得第一并联连接开关IPSW1处于断开状态，并且将适当的控制信号IPC2施加到第二并联连接开关IPSW2，使得第二并联连接开关IPSW2处于断开状态，并且将适当的控制信号IPC3施加到第三并联连接开关IPSW3，使得第三并联连接开关IPSW3处于断开状态。

此外，控制部212将适当的控制信号PC1施加到第一阳极连接开关PPSW1，使得第一阳极连接开关PPSW1处于导通状态，并且将适当的控制信号PC2施加到第二阳极连接开关PPSW2，使得第二阳极连接开关PPSW2处于断开状态，并且将适当的控制信号PC3施加到第三阳极连接开关PPSW3，使得第三阳极连接开关PPSW3处于断开状态，并且将适当的控制信号PC4施加到第四阳极连接开关PPSW4，使得第四阳极连接开关PPSW4处于断开状态。

本发明中，开关的导通状态是指开关的一端与另一端电气连接，开关的断开状态是指开关的一端与另一端解除电气连接，即断开。

控制部212如上所述地控制各开关NPSW1至NPSW4、SPSW1、SPSW2、SPSW3、IPSW1、IPSW2、IPSW3、PPSW1至PPSW4的操作，则形成图4(b)所示的各堆的电气构造。

即，控制部212控制各开关NPSW1至NPSW4、SPSW1、SPSW2、SPSW3、IPSW1、IPSW2、IPSW3、PPSW1至PPSW4的操作，来将作为劣化堆的第二堆STK2与作为正常堆的第一堆STK1、第三堆STK3和第四堆STK4串联连接。

作为正常堆的第一堆STK1、第三堆STK3和第四堆STK4与作为劣化堆的第二堆STK2串联连接，因此能够防止劣化的第二堆STK2的性能降低波及到作为正常堆的第一堆STK1、第三堆STK3和第四堆STK4。

此外，通过防止劣化堆STK2的性能降低波及到其他正常堆，在不废弃劣化堆STK2的情况下也可以将劣化堆进行再排列来使用劣化堆。因此，能够在不降低整个燃料电池系统的性能的同时使用劣化堆，并且能够提高整个燃料电池系统的耐久性并使得寿命缩短最小化。

表1是对关于第一至第四堆STK1至STK4的四个堆仅存在正常堆的第一实施例、存在劣化堆时根据本发明来改变电气构造的第二实施例和第三实施例、以及存在劣化堆但不采用本发明的情况下的各个堆的状态和输出电力进行比较的表格。

[表1]

如上述表1中所示，虽然没有采取任何措施的燃料电池系统的整体容量看起来似乎大于在使用根据本发明第二实施例和第三实施例的燃料电池系统的控制装置的情况下的整体容量，但由于在没有采取任何措施的情况下第二堆STK2的劣化波及到其他正常堆而所有堆都劣化，因此随着时间的经过整体容量会以更快速度降低。

相比之下，在本发明的第二实施例和第三实施例中，防止作为劣化堆的第二堆STK2的劣化波及到除了与劣化堆并联连接的堆之外的其他正常堆，从而随着时间的经过整体容量的降低微乎其微。因此，根据本发明，能够提高燃料电池系统的耐久性并防止寿命缩短，并且能够对劣化堆进行再排列来使用劣化堆从而有效地使用燃料电池堆。

第四实施例：存在不能工作的堆的情况下的操作

图5(a)是存在不能工作的堆的情况下根据本发明第四实施例的燃料电池系统控制装置的第三操作框图，图5(b)是示出图5(a)的燃料电池系统的燃料电池堆的电气构造的框图。

在图5(a)中，控制部212基于通过第一至第四堆状态感测部S1至S4获得的表示第一堆STK1至第四堆STK4的状态的状态感测信号CS1至CS4，来判断出是否存在不能工作的堆。

所述状态感测信号CS1至CS4可以是包括第一堆STK1至第四堆STK4的电压或电流的信号，但本发明不限于此。

在图5(a)中假设第二堆STK2处于不能工作的状态。于是，作为不能工作的堆的第二堆STK2的电压或电流会不同于作为正常堆的第一堆STK1、第三堆STK3和第四堆STK4的电压或电流。

一般地，如果堆不能工作，则堆的性能显著降低，堆的电压和电流会远低于正常状态下的电压和电流。因此，控制部212将从第一至第四堆状态感测部S1至S4输出的状态感测信号CS1至CS4中所包括的电压或电流与正常状态的电压或电流进行比较，从而判断出堆是否不能工作。

在图5(a)中由于第二堆STK2处于不能工作的状态，控制部212感测到状态感测信号CS2中所包括的电流或电压低于正常状态的电压或电流，判断出第二堆STK2不能工作，并将第二堆STK2判断为不能工作的堆。

控制部212在存在不能工作的堆的情况下控制转换部200、202、204、206的操作，使得各堆如图5(b)所示地进行连接。

如图5(a)和图5(b)所示，控制部212控制转换部200、202、204、206的操作，以将作为不能工作的堆的第二堆STK2与作为正常堆的第一堆STK1、第三堆STK3和第四堆STK4电气分离，从而将作为不能工作的堆的第二堆STK2从燃料电池系统中电气孤立。

由于作为正常堆的第一堆STK1、第三堆STK3和第四堆STK4与作为不能工作的堆的第二堆STK2电气分离，能够防止不能工作的第二堆STK2的性能降低波及到作为正常堆的第一堆STK1、第三堆STK3和第四堆STK4。

再参照图5(a)，对控制部212控制转换部200、202、204、206的操作来将各堆如图5(b)所示地进行连接的操作进行详细说明。

在图5(a)中由于第二堆STK2不能工作，控制部212感测到状态感测信号CS2中所包括的电流或电压低于正常状态的电压或电流，判断出第二堆STK2不能工作，并将第二堆STK2判断为不能工作的堆。

控制部212将适当的控制信号NC1、NC3和NC4分别施加到第一、第三和第四阴极连接开关NPSW1、NPSW3和NPSW4，使得第一、第三和第四阴极连接开关NPSW1、NPSW3和NPSW4处于导通状态。即，使得第一、第三和第四阴极连接开关NPSW1、NPSW3和NPSW4的一端与另一端连接。此外，控制部212将适当的控制信号NC2施加到第二阴极连接开关NPSW2，使得第二阴极连接开关NPSW2处于断开状态。即，使得第二阴极连接开关NPSW2的一端不与另一端连接。

此外，控制部212将适当的控制信号SPC1施加到第一串并联连接开关SPSW1，使得公共端N1_0连接至第三端N1_3，并且将适当的控制信号SPC2施加到第二串并联连接开关SPSW2，使得公共端N2_0连接至第三端N2_3，并且将适当的控制信号SPC3施加到第三串并联连接开关SPSW3，使得公共端N3_0连接至第三端N3_3。

此外，控制部212将适当的控制信号IPC1施加到第一并联连接开关IPSW1，使得第一并联连接开关IPSW1处于断开状态，并且将适当的控制信号IPC2施加到第二并联连接开关IPSW2，使得第二并联连接开关IPSW2处于断开状态，并且将适当的控制信号IPC3施加到第三并联连接开关IPSW3，使得第三并联连接开关IPSW3处于断开状态。

此外，控制部212将适当的控制信号PC1施加到第一阳极连接开关PPSW1，使得第一阳极连接开关PPSW1处于导通状态，并且将适当的控制信号PC2施加到第二阳极连接开关PPSW2，使得第二阳极连接开关PPSW2处于断开状态，并且将适当的控制信号PC3施加到第三阳极连接开关PPSW3，使得第三阳极连接开关PPSW3处于导通状态，并且将适当的控制信号PC4施加到第四阳极连接开关PPSW4，使得第四阳极连接开关PPSW4处于导通状态。

本发明中，开关的导通状态是指开关的一端与另一端电气连接，开关的断开状态是指开关的一端与另一端解除电气连接，即断开。

控制部212如上所述地控制各开关NPSW1至NPSW4、SPSW1、SPSW2、SPSW3、IPSW1、IPSW2、IPSW3、PPSW1至PPSW4的操作，则形成图5(b)所示的各堆的电气构造。

即，控制部212控制各开关NPSW1至NPSW4、SPSW1、SPSW2、SPSW3、IPSW1、IPSW2、IPSW3、PPSW1至PPSW4的操作，来将作为不能工作的堆的第二堆STK2与作为正常堆的第一堆STK1、第三堆STK3和第四堆STK4电气分离。

因此，能够防止作为不能工作的堆的第二堆STK2的性能降低波及到其他正常堆，从而能够提高整个燃料电池系统的耐久性并使得寿命缩短最小化。

燃料电池系统的控制方法

图6是示出根据本发明实施例的燃料电池系统控制方法的流程图。

参照图6，在步骤S600，控制部212基于第一堆STK1至第四堆STK4的电压或电流来判断是否存在劣化堆或不能工作的堆。

在步骤S600中判断出存在至少一个劣化堆的情况下，在步骤S602，控制部212对转换部200、202、204、206的操作进行控制来形成至少一个包括感测到的至少一个劣化堆的劣化堆部，并将形成的至少一个劣化堆部与其他劣化堆部或至少一个正常堆进行串联、并联或串并联连接。

在步骤S600中判断出存在不能工作的堆的情况下，在步骤S604，控制部212对转换部200、202、204、206的操作进行控制来将不能工作的堆从燃料电池系统中电气分离并进行孤立。

因此，能够最小化或防止劣化堆或不能工作的堆对正常堆产生影响，从而提高燃料电池系统的耐久性并且使寿命缩短最小化。此外，由于能够对劣化堆进行再排列来使用，能够有效地使用燃料电池系统。

根据适用例通过使用多种手段来具体实现本说明书中讨论的方法。例如，上述方法可具体实现为硬件、固件、软件或其任意组合形式。在硬件的实施例中，控制电路或控制部可以具体实现为一个及以上的专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、电子装置、设计为执行本说明书中讨论的功能的其他电子单元或其组合。

尽管以上通过具体实施例来说明了本发明，这旨在具体说明本发明，而不将本发明限制于此，对于本领域普通技术人员来说，本发明技术思想范围内的变型和改进是显而易见的。

本发明的简单变型和改变均属于本发明的范围，通过所附权利要求书的范围来限定本发明的具体保护范围。

[符号说明]

200：阴极连接转换部

202：串并联连接转换部

204：并联连接转换部

206：阳极连接转换部

208：电力调节系统

210：负载

212：控制部

STK1、...、STK4：第一至第四燃料电池堆

S1、...、S4：第一至第四堆状态感测部

NPSW1、...、NPSW4：第一至第四阴极连接开关

SPSW1、SPSW2、SPSW3：第一至第三串并联连接开关

IPSW1、IPSW2、IPSW3：第一至第三并联连接开关

PPSW1、...、PPSW4：第一至第四阳极连接开关。