KR101097494B1 - 혼합된 이온/전자 전도 전해질을 구비한 고체 산화물 연료전지 스택 작동 장치 및 그 작동 방법 - Google Patents

혼합된 이온/전자 전도 전해질을 구비한 고체 산화물 연료전지 스택 작동 장치 및 그 작동 방법 Download PDF

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Abstract

효율을 증대시키기 위해 혼합된 이온/전자 전도 전해질을 구비한 중간온도의 고체 산화물 연료 전지 스택(10) 작동 장치와 그 작동 방법. 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(10)의 요구출력이 결정되고, 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(10)의 하나 이상의 작동 조건들은 상기 결정된 요구출력에 따라 조절된다. 조절되는 작동 조건들은 연료 전지 스택의 온도와 연료 전지 스택으로 전달된 연료의 희석도 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
연료 전지 스택, 연료 희석도, CGO, SOFC

Description

혼합된 이온/전자 전도 전해질을 구비한 고체 산화물 연료 전지 스택 작동 장치 및 그 작동 방법{A method and apparatus for operating a solid-oxide fuel cell stack with a mixed ionic/electronic conducting electrolyte}
본 발명은 특히 상기 연료 전지의 하나 이상의 작동 조건을 변경함으로써 효율을 증대시키기 위한 고체 산화물 연료 전지 스택 작동 장치 및 그 작동 방법에 관한 것이다.
고체 산화물 연료 전지(SOFCs)는 기존의 생성기술보다 더 효율적이고 친환경적인 방식으로 수소 또는 화석연료로부터 전기를 생성하는 유망한 방법이다. 그러나, 기존의 SOFCs는 매우 높은 온도(900℃ 초과)에서 작동하고 더 최근의 신기술로도 700~800℃까지 온도를 줄일 수 밖에 없었다. 높은 작동온도는 이런 연료 전지 스택 및 이와 관련된 시스템의 구성요소를 제조하는데 사용되는 물질에 심각한 문제를 야기한다. 높은 온도에서의 장기적 작동에 견딜 수 있는 재질은 비싸거나 부서지기 쉽거나 아니면 두 가지 결점을 다 가지는 경향이 있다. 페라이트계 스테인리스강과 같은 저가의 재질을 고온 작동온도에서 사용해 보았으나, 이런 고온 작동온도에서의 장기적인 기간 동안 상기 금속의 산화와 휘발성 크롬종의 이동으로 인한 스택 성능 저하와 같은 문제들이 발생했다.
대량판매용의 상업적으로 유용한 SOFC 스택을 만들기 위해 스택의 작동온도를 낮춰 요구된 재료가격을 줄이려는 강한 동기가 생겨나게 되었다. 650℃ 미만에서 페라이트계 스테인리스강과 같은 저가의 재질로의 제조는 심각한 스택 성능 저하 없이 장기간 작동이 가능할 정도로 충분히 안정적이다.
기존의 SOFCs는 이트륨으로 도핑된 지르코늄 산화물(YSZ) 전해질을 이용한다. 이것은 고온에서 산화물 이온을 전도하는 물질이지만 전자를 전도하지는 않는다. 따라서, 연료 전지 전해질로 사용되기에 적당하다. 불행하게도 YSZ는 특별히 좋은 산화물 이온 전도체는 아닌데, 약 650℃ 미만에서 YSZ의 이온저항이 비현실적으로 높아져 연료 전지 성능이 저하된다. 매우 바람직한 것으로 위에서 언급된 것처럼, 이 온도 미만에서 작동하기 위해서는 다른 전해질 물질이 필요하다.
전자를 전도하지 못하는 YSZ와는 달리 650℃ 미만에서 높은 이온 전도성을 가지는 많은 혼합된 이온/전자 전도 세라믹 전해질 물질들이 있다. 이것의 성능, 안정성, 안전성과 관련해, 다른 도핑된 산화세륨 산화물들과 같은 다른 물질들이 있음에도 불구하고, 가장 유망하고 널리 이용되는 이들 저온 혼합된 이온/전자 전도 전해질 물질은 가돌리늄으로 도핑된 세륨 산화물(CGO)이다. CGO는 500℃ 이하까지 좋은 이온 전도도를 나타낸다. 불행하게도, CGO는 YSZ만큼 안정적이지 못하고 소정 온도의 환원분위기에서(상기 연료 전지의 양극에서 일반적으로 발견되는 것처럼) Ce4+이온은 Ce3+이온으로 환원될 수 있다. 이것으로 인해 전해질은 전자 전도도를 증진하고 단락 회로 전류는 연료 전지 사이를 흐른다. 이 단락 회로는 개방 회로에서의 전지 단자 전압 강하로 외부로부터 관측되고 연료 내의 에너지를 전기로 변환할 때 효율을 감소시킨다.
이러한 CGO의 특성으로 많은 사람들이 전해질 물질로 사용하기를 꺼려했는데 그들은 CGO에서 내부의 단락 회로를 통한 효율 손실이 실제장치에서는 너무 심각하다고 생각했기 때문이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 첫 번째 양태는, 혼합된 이온/전자 전도 전해질을 갖는 고체 산화물 연료 전지를 하나 이상 포함하는 가변 출력 고체 산화물 연료 전지 스택을 작동하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은: (a) 상기 고체 산화물 연료 전지 스택의 현재 출력 및 목표 출력을 결정하는 단계; (b) 상기 고체 산화물 연료 전지 스택의 상기 출력에서 요구된 변화를 결정하기 위해, 상기 고체 산화물 연료 전지 스택의 상기 결정된 현재 출력 및 목표 출력을 비교하는 단계; 및 (c) 상기 출력에 대하여 요구되는 변화를 달성하기 위해 상기 고체 산화물 연료 전지 스택의 하나 이상의 작동 조건을 조절하는 단계로서, (ⅰ) 상기 하나 이상의 고체 산화물 연료 전지의 온도 증가, 및 (ⅱ) 상기 고체 산화물 연료 전지에 전달되는 연료의 농도 증가 중 적어도 하나를 포함하는 출력에 대하여 요구되는 증가; 그리고 (ⅰ) 상기 고체 산화물 연료 전지의 온도 감소, 및 (ⅱ) 상기 고체 산화물 연료 전지에 전달되는 연료의 농도 감소 중 적어도 하나를 포함하는 출력에 대하여 요구되는 감소를 달성하기 위해 상기 고체 산화물 연료 전지 스택의 하나 이상의 작동 조건을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
삭제
CGO의 상기 전자 전도도는 온도와 밀접한 관계가 있고 상기 전자 누설 전류는 충분히 낮은 온도에서 수용 가능한 정도로 줄어들 수 있다. 상기 CGO 전해질 물질의 작동온도가 내려가면 상기 단락 회로 효과의 크기도 내려간다. 상기 효과는 상기 작동온도가 500℃까지 내려가 상기 효과가 미비해질 정도까지 줄어든다. 따라서 CGO는 상기 연료 전지의 작동온도가 650℃ 미만 또는 더 바람직하게는 600℃ 이하일 때 적당한 전해질 물질이다. 이것은 특별히 높은 외부 부하가 걸렸을 때의 상황으로 전해질을 통한 산화 이온의 흐름은 Ce3+이온을 Ce4+이온으로 재산화하여 상기 전자 전도도를 없앤다.
상기 단락 회로 전류가 상기 외부 회로 전류에 비해 상대적으로 작을 때 세륨을 포함한 전해질을 가진 연료 전지 스택의 효율은 정격출력의 약 50% 초과로 빠르게 상승한다.
예를 들어, 600℃ 미만의 온도 및 거의 완전출력상태에서 작동하는 CGO계열 연료 전지의 효율은 700℃ 초과의 온도에서 작동하는 YSZ 계열 연료 전지와 비슷하고 CGO의 사용에 따른 심각한 문제는 없다.
본 발명의 두 번째 양태는, 혼합된 이온/전자 전도 전해질을 가지는 고체 산화물 연료 전지의 하나 이상을 포함하는 가변 출력 고체 산화물 연료 전지 스택에 대한 제어 시스템에 관한 것으로, 상기 제어 시스템은: (a) 상기 고체 산화물 연료 전지 스택의 현재 출력 및 목표 출력을 결정하기 위한 수단; (b) 상기 고체 산화물 연료 전지 스택의 상기 출력에서 요구된 변화를 결정하기 위해, 상기 고체 산화물 연료 전지 스택의 결정된 현재 출력 및 목표 출력을 비교하기 위한 비교 수단; 및 (c) 출력에 대하여 상기 요구되는 변화를 달성하기 위해 상기 고체 산화물 연료 전지 스택의 하나 이상의 작동 조건을 제어하기 위한 제어기를 포함하며, 상기 제어기는 (ⅰ) 상기 하나 이상의 고체 산화물 연료 전지의 온도 증가, 및 (ⅱ) 상기 고체 산화물 연료 전지에 전달되는 연료의 농도 증가 중 적어도 하나를 제어함으로써 출력에 대하여 요구되는 증가를 달성하고; 그리고 (ⅰ) 상기 고체 산화물 연료 전지의 온도 감소, 및 (ⅱ) 상기 고체 산화물 연료 전지에 전달되는 연료의 농도 감소 중 적어도 하나를 제어함으로써 출력에 대하여 요구되는 감소를 달성하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
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혼합된 이온/전자 전도 전해질을 가진 연료 전지 스택은 본 발명의 두 번째 양태에 따른 제어시스템으로 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 첨부한 도면에 관한 예의 방법에 의해 기술될 수 있다. 첨부한 도면에서:
도 1은 500℃ 내지 600℃의 온도에서 전력밀도에 대해 CGO계열 전해질을 가진 연료 전지의 에너지 변환 효율을 나타내는 그래프이고;
도 2는 연료 희석도의 범위에서 전력밀도에 대해 CGO계열 전해질을 가진 연료 전지의 에너지 변환 효율을 나타내는 그래프이고;
도 3은 목표 출력에 따른 연료 전지 스택의 하나 이상의 작동 조건을 제어하는 제어시스템을 가지는 상기 연료 전지 스택을 개략적으로 보여주는 블록도이고;
도 4는 LPG 연료로 작동하는 고체 산화물 연료 전지 시스템을 개략적으로 보여주는 블록도이고;
도 5는 도 4의 시스템의 시뮬레이션동안 나온 스택출력(DC)과 시스템출력(AC)을 나타내는 그래프이고;
도 6은 상기 시뮬레이션동안 상기 스택온도를 나타내는 그래프이고;
도 7은 상기 시뮬레이션동안 화학량적인 공기비(比)를 나타내는 그래프이고;
도 8은 상기 시뮬레이션동안 상기 결과의 스택 효율과 상기 시스템 효율을 나타내는 그래프이고;
도 9는 상기 시뮬레이션동안 상기 스택내에 존재하는 이온 전류와 외부 전류를 나타내는 그래프이고;
도 10은 하나의 연료 전지에서 예상되는 전압을 나타내는 그래프이고;
도 11은 다른 시뮬레이션에 대한 개질기내에서의 증기/탄소 비(比)를 나타내는 그래프이고;
도 12는 상기 다른 시뮬레이션에 대한 스택 효율을 나타내는 그래프이다.
부분 부하 조건하에서 단락 회로 전류를 최소화함으로써 작동기간 전체에 걸쳐 연료 전지의 효율을 최대화하는 두 가지 방법을 아래에 소개한다.
방법 1
도 1은 0.2 Wcm-2의 공칭최대비출력을 가진 CGO계열 연료 전지의 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다. 500℃ 내지 600℃의 작동온도에서 전력밀도에 대한 에너지 변환 효율이 나타나있다. 상기 에너지 변환 효율은 100% 연료 변환이 있었다는 가정하에, 전기출력을 소비된 수소연료의 화학에너지로 나눈 값이다. 따라서, 이 값은 상기 전지에 대한 최대이론효율이고 실제로는 100% 연료변환이 불가능하므로 실제효율은 아니라고 보아야 한다. 그러나, 실제상황도 동일한 패턴을 따른다.
어떤 주어진 전력밀도에서 최대 효율은 온도에 의존하고 전력밀도가 높으면 최대효율이 발생하는 온도도 높아진다는 것이 도 1로부터 보여질 수 있다. 그 이유는 다음과 같다. 낮은 작동온도는 전자 누설 전류 밀도의 절대크기와, 전자 누설 전류가 미비해지는 외부 회로 전류 밀도 둘 다를 줄인다. 이것은 외부 전류 밀도가 낮을 경우, 낮은 작동온도에서 효율이 높아진다는 것을 의미한다. 그러나, 낮은 온도는 또한 다양한 전지 저항 특히, 음극 과전위(cathode over-potential)를 증가시킨다. 따라서 어떤 주어진 전류 밀도에 대해 내부 전지 저항에 따른 전압 손실은 더 높아질 것이고 높은 전류에서는 더 낮은 효율을 야기한다. 그러나, 더 높은 전류 밀도에 대해 전자 누설 전류는 미비하지만 더 높은 온도에서조차 전지 저항은 더 낮아진다. 따라서, 내부 전지 저항에서 전압 손실은 더 낮아지고 전지 단자 전압은 높아지며 효율은 증가한다.
따라서, 이런 특성을 가진 스택의 효율을 최적화하기 위한 확실한 방법은 스택의 온도를 500℃ 내지 600℃로 변화되도록 하거나 목표 출력에 따라 될 수 있는 한 650℃까지 올릴 수 있도록 하는 것이다. 스택에서 나온 더 높은 전기적 출력으로 더 높은 열이 발생하고 스택을 과냉각함으로써, 온도는 증가하는 출력과 함께 쉽게 상승되며 그 반대도 마찬가지이므로 이 방법은 비교적 간단하게 효과를 볼 수 있다.
그러나, 전력 수요가 갑작스럽게 상승할 경우 스택의 온도는 요구에 맞추어 충분히 높은 온도가 되지 않을 수 있다. 스택이 얼마나 빨리 가열되느냐에 따라, 필요하다면 몇몇 에너지 저장방식을 이용해서 일시적으로 이러한 요구를 충족시킬 수는 있다.
상기 기술한 방법의 대안이나 추가적인 방법으로서의 두 번째 방법으로서 스택효율을 높이는 법을 다음과 같이 소개한다.
방법 2
도 2는 0.4 Wcm-2의 공칭최대비전력밀도를 가진 CGO계열 전지의 또 다른 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다. 이 경우, 온도는 570℃로 일정하고 증기에 의한 수소연료의 희석도는 다양하다.
증기의 비율을 증가시켜 연료를 희석시키는 것은 온도를 낮추는 것과 같은 효과를 낸다. 이는 주로 수소연료에 더 높은 증기의 비율을 추가하는 것이 연료를 덜 감소하게 만들기 때문이다. 따라서, 이것은 전해질내의 Ce4+이온이 Ce3+이온으로 환원되려는 경향을 줄이는 효과가 있고, 상기 전해질의 전자 전도도를 감소시킨다. 그러나 연료를 희석하게 되면 양극저항이 증가 되고 전지 개방 회로 전압은 줄어들어 달성할 수 있는 최대출력이 줄어들게 된다.
부분 부하에서 스택효율을 최적화하는 또 다른 가능한 방법으로 부하가 떨어질 때 증기의 비율을 증가시켜 연료를 희석시키는 방법이 있다. 이 방법은 이산화탄소, 질소, 또는 증기, 질소 및/또는 이산화탄소의 혼합물로 연료를 희석한 경우나 또는 연료가스가 일산화탄소 또는 수소와 일산화탄소의 혼합물인 경우 둘 다에 똑같이 적용할 수 있다.
이처럼 연료를 희석하기 위한 방법은 유입 연료가스와 상기 스택의 양극으로부터 나온 재생 배기가스를 가변적인 비율로 혼합하는 것이다.
그러나, 별도의 소스(source)로부터 증기, 질소 및/또는 이산화탄소를 공급하는 것과 같은 양극 연료가스를 희석하는 모든 방법이 본 발명의 범위에 포함된다.
도 3은 연료 전지 스택의 온도 및/또는 스택에 전달된 연료의 희석도 중 적어도 하나를 제어하는 제어시스템을 가지는 혼합된 이온/전자 전도 전해질을 가진 고체 산화물 연료 전지 스택을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
연료 전지 스택(10)은 수소를 포함한 연료가스가 지나가는 양극 격실(11)과 공기가 지나가는 음극 격실(12)을 가진다. 상기 연료 전지 스택(10)은 기능을 발휘하기 위해 양극, 전해질 및 음극을 층상으로 단독 또는 다중으로 배열하여 만들어진다. 상기 스택은 수소 또는 메탄과 같은 탄화수소 연료가 지나가는 연료 흡입관(30)과 양극 격실의 배기가스가 스택을 나갈 때 통과하는 배기관(70)을 가진다. 상기 배기가스는 일반적으로 증기와 미반응된 수소와의 혼합물이다. 원래의 연료가 탄화수소라면 상기 배기가스 또한 산화탄소를 포함한다. 배기가스와 흡입된 연료를 혼합하는 재생관(40)이 가변압축기(50)에 의해 구비된다. 상기 압축기는 전기적으로 구동되는 송풍기, 또는 방출기나 제트펌프형식일 수 있다.
선택적으로, 흡입된 연료와 재생배기가스의 혼합물은 증기와의 반응을 통해 탄화수소연료를 수소와 산화탄소의 혼합물로 변환하는 개질기부(31)로 공급될 수 있다.
상기 스택에는 또한 공기 흡입관(20)이 구비되는데 이것에 의해 예열된 공기가 상기 스택으로 공급되면서 산화제와 냉각제의 역할을 한다. 상기 예열은 연료 전지 스택에서 나온 과잉열을 이용하거나 스택 배기관에서 나온 열을 회수하거나 또는 유도가열, 연소 또는 다른 외부 공정에서 나온 열을 회수하는 것과 같은 다른 열원을 이용하는 것을 포함하는 수단에 의하여 행해진다. 상기 음극 격실은 또한 배기가스를 스택에서 내보내는 배기관(71)을 가진다.
예를 들어 컴퓨터나 인쇄회로기판의 부분일 수 있는 마이크로프로세서(60)가 구비된다. 상기 마이크로프로세서는 스택온도(13), 스택전압(14) 및 스택전류(15)로부터 입력신호를 받는다. 상기 마이크로프로세서는 제어라인(21)을 경유하여 스택온도를, 제어라인(51)을 경유하여 재생배기가스에 대한 새로운 연료의 비를 제어하도록 조정되고 이것은 상기 가변압축기(50)를 제어한다. 다르게는 증기, 이산화탄소 또는 다른 소스로부터 나온 불활성 가스의 양을 조절 투입하여 흡입된 연료의 희석도를 제어할 수 있다.
라인(21)을 경유한 스택온도의 제어는 다음과 같은 여러 방법이나 조합된 방법(포함되지만 이 방법들에 국한되지는 않음)에 영향을 받는다:
1) 스택에 공급되는 공기양의 다양화
2) 스택에 공급되는 공기 온도의 다양화
3) 내부 개질이 발생된다는 가정하에, 스택으로 들어가는 개질 되지 않은 탄화수소연료 농도의 다양화
4) 스택으로 들어가는 연료 온도의 다양화
상기 마이크로프로세서는 스택전압(14) 및 스택전류(15)신호를 곱한 스택의 출력의 입력신호를 받는다. 상기 마이크로프로세서는 주어진 출력에 대한 최적의 스택온도 및/또는 연료 희석도를 가진 색인표 또는 유사한 것을 포함한다. 상기 마이크로프로세서는 제어변수(21,51)를 조작하여 주어진 출력에 대한 최적의 조건을 찾아낸다.
도 4는 LPG 연료로 작동하는 완전한 고체 산화물 연료 전지 시스템을 보여준다. 상기 시스템은 방법 1에서 설명된 중간온도 고체 산화물 연료 전지(IT-SOFC) 스택을 제어하는 방법이 실제적으로 어떻게 수행되는지를 보여준다. 상기 시스템은 단지 하나의 예에 불과하며, 같은 결과를 얻을 수 있는 많은 다른 구성이 적용될 수 있다.
LPG연료는 질량흐름제어방식과 제어 탈황시스템(10)을 통해 공급된다. 상기 연료는 파이프(62)로부터 공급된 증기와, 연료 속에 있는 탄소 1몰(mole)당 최소 증기 2몰의 비로 혼합기(21)안에서 섞인다. 상기 증기/LPG 혼합물은 연료 열교환기(22)안에서 약 430℃로 예열된 후 개질기(23)로 공급된다. 상기 개질기에서 상기 혼합물은, 열교환기(50)에서 나온 연결선(51)을 이용해 개략적으로 도시된, 배기가스가 흐르는 열교환에 의해 약 700℃까지 가열된다. 이 상승된 온도에서 연료안의 탄화수소(약간의 부탄, 프로필렌 및 펜탄과 같은 미량요소를 가진 프로판이 대부분임)는 증기와 반응하여 과량수소 개질 혼합물을 만든다. 상기 개질 혼합물은 일반적으로 수소가 체적상 60~70%이고, 증기, 일산화탄소, 이산화탄소 및 메탄이 적은 비율로 구성된다. 상기 가스혼합물은 추가적인 처리 없이 SOFC 스택의 연료로 쓸 수 있다.
상기 개질 혼합물은 스택에 공급되기에 적당한 온도로 연료 열교환기(22)에 의해 공정상 유입되는 반응물을 가열시키면서 냉각된다. 상기 개질 혼합물은 연료 흡입관(24)에 의해 상기 연료 전지 스택(30)의 양극 격실(31)로 공급된다. 상기 연료가스는 스택에서 부분적으로 소비되고 배기가스는 배기관(41)에 의해 스택의 양극 격실에서 배출된다. 상기 배기가스는 스택의 가장 높은 온도(일반적으로 작동 조건에 따라 550~620℃)에 근접했을 때 배출된다. 상기 배기가스는 대부분 증기와 이산화탄소로 구성되어 있고 미량의 미연소 수소와 일산화탄소가 포함되어 있다.
공기여과기(90)와 공기송풍기(91)를 통해 대기가 유입된다. 상기 공기송풍기(91)는 모터제어기(93)에 의해 제어되는 가변 속도 모터를 구비하고, 이것으로 인해 시스템 안으로 들어가는 공기의 질량 흐름이 변할 수 있게 된다. 시스템 안으로 들어가는 공기의 질량 흐름은 질량 흐름 센서(94)에 의해 측정된다. 상기 공기는 산화제와 SOFC 스택의 냉각제로서 공급되는데, 산화제로 요구되는 것보다 훨씬 많은 공기가 일반적으로 공급되므로 나머지는 스택으로부터 과잉열을 빼내는데 사용된다.
상기 공기는 질량 흐름 센서(94)로부터 공기예열기(70)으로 공급되는데(92), 공기예열기에서 공기는 스택에 공급되기에 적당한 온도(일반적으로, 450~500℃)로 예열된다. 상기 흡입 공기는 뜨거운 배기가스 흐름(63)을 식힘으로써 예열된다. 상기 예열된 공기는 공기관(72)을 통해 연료 전지 스택(30)의 음극 격실(32)로 공급된다. 상기 연료에서와 같이 공기 중의 산소는 연료 전지 반응에 의해 부분적으로 소모된다. 산소가 약간 소모된 나머지 공기는 공기배기관(42)을 통해 스택을 빠져나간다. 상기 연료가스에서와 같이, 상기 공기는 스택 최대 온도(일반적으로 작동 조건에 따라 550~620℃)에 근접하게 된다.
상기 공기배기관(42)과 연료 배기관(41)은 시스템 후기연소기(40)로 공급된다. 상기 공기와 연료 배기 흐름은 여기에서 함께 혼합되며 스택의 배기과정에서 나온 미반응 수소와 일산화탄소는 기존방식으로 연소 되어 열을 생성한다. 여기에서 나온 뜨거운(일반적으로, 700~900℃) 배기가스 흐름(43)은 처음에 열교환기(50)로 들어가 개질기(23)에 열을 공급한다. 열교환기(50)에서 나온 차가워진 가스 흐름(52)은 증기생성기(60)로 공급되고, 여기에서 상기 가스 흐름(52)은 공급펌프(61)에서 공급된 물을 증발시키는데 이용된다. 이렇게 나온 증기는 파이프(62)를 통해 개질기로 공급된다. 이제 600℃정도로 내려간 상기 배기가스는 공기 예열기(70)로 들어가 흡입공기를 예열한다. 마지막으로, 여전히 250℃정도의 상기 배기가스는 폐열을 회수하여 열과 전력을 결합하여 쓸 수 있는 열교환기(80)로 공급된다.
상기 스택에는 케이블(111)을 통해 스택으로부터 전류를 끌어당기는 외부 전력 수요(110)가 구비된다. 상기 전력 수요의 특징은 다른 응용 분야에 해당될 수 있다.
상기 시스템에는 마이크로프로세스기반 제어부(100)가 구비된다. 이것은 입력신호(101)를 통해 스택전류와 입력신호(102)를 통해 스택온도를 측정한다. 이것은 또한 질량 흐름 센서(94)와 입력신호(104)를 통해 시스템으로 들어오는 공기의 질량흐름을 측정한다. 상기 제어부는 모터제어기(93)와 출력신호(103)를 이용해 공기송풍기(91)를 제어한다. 이러한 식으로, 상기 제어기는 스택으로 가는 공기 흐름을 제어할 수 있다. 상기 제어부(100)는 또한 출력신호(105)을 이용해 물 공급펌프(61)를 제어한다. 이런 식으로, 개질기내의 증기 대(對) 연료 비(比)를 변경할 수 있다.
도 4에서 보여진 시스템의 성능은 컴퓨터로 시뮬레이션되었다. 시뮬레이션 된 상기 시스템은 1kWe의 출력을 가진 스택에 대한 것이고 AC 전력을 인가하는 시스템이다. 공기 송풍기와 같은 시스템내의 여러 장치들이 전력을 소비하기 때문에 시스템의 AC 출력은 스택의 출력보다 항상 작다.
상기 시뮬레이션에서 시스템은 최고 AC전력(800W)으로 10분(600초)동안 작동한다. 상기 전력은 점진적으로 내려가 400W의 AC 전력이 되고 일시적으로 공기 흐름을 증가시켜 스택 내의 냉각률을 증가시킴으로써 스택온도는 25℃까지 낮아진다. 부분 부하 조건하에서 스택온도를 낮추면 매우 유익한 효과를 낸다.
도 5는 상기 시뮬레이션 동안 나온 스택출력(DC)과 시스템출력(AC)을 보여주는 그래프로서, 전력이 800We에서 400We로 점진적으로 내려가고 있다. 도 6은 시뮬레이션 동안 스택온도를 나타내는 그래프이고, 도 7은 화학량적인 공기비(比)를 나타내는 그래프이다. 이것은 연료 전지 반응에 충분한 산소를 공급하기 위해 필요한 실제 공기 흐름/이론적 공기 요구량의 비(比)를 나타낸다. 최고 전력에서 이 비(比)는 약 10이고, 스택온도가 낮을 경우에는 더 많은 양의 공기가 필요하다는 것을 알 수 있다. 공기 흐름은 증가하여 스택을 냉각시키면서 공기비는 최대 약 20으로 상승한다. 1100s근처에서 공기 흐름이 빨라지는 것은 스택온도가 새로운 설정온도에 가까워짐에 따라 스택온도제어기가 재설정되어 공기 흐름을 더욱 민감하게 만들기 때문이다.
도 8은 상기 스택 효율과 상기 시스템 효율을 나타내는 그래프이다. 스택온도가 590℃ 정도로 유지될 때 부하가 감소함에 따라 효율이 현저히 내려감을 알 수 있다. 이것은 전류 밀도가 감소하면서 전해질 안의 전자 전도도가 증가하기 때문이다. 그러나, 스택온도가 내려가면서 최고 부하시의 효율에 상당하는 정도까지 효율이 회복된다. 실제로, 스택효율은 더 높은 전지 전압으로 인해 최고 부하 효율보다 더 높다. 그러나 상기 시스템효율은 제어시스템을 작동시키는데 요구되는 고정 기생전력수요 때문에 약간 떨어진다.
도 9는 상기 스택 내에 존재하는 이온 전류와 외부 전류를 나타내는 그래프이다. 여기서 외부 전류는 외부 회로를 흐르는 전류이고 이온 전류는 외부 전류와 전자 누설 전류의 합이다. 외부 전류가 떨어질수록 전자 누설량을 나타내는 이 두 전류 사이의 차는 커진다. 그러나, 부분 부하 조건하에서 스택온도가 떨어질수록 이 차가 줄어든다는 것을 알 수 있다.
마지막으로, 도 10은 하나의 연료 전지에서 예상되는 전압을 나타내는 그래프이다. 예상한대로 부하가 감소함에 따라 전지 전압이 증가한다는 것을 알 수 있다. 스택온도가 떨어지면 전지 전압이 실제로 약간 떨어지는 것을 또한 알 수 있는데 이것은 전지저항이 증가함에 따라 효율이 일반적으로 떨어지는 것을 나타낸다. 그러나, 온도가 너무 떨어지지만 않는다면 누설 전류를 줄이는 이익이 저항의 증가를 압도한다.
두 번째 시뮬레이션은 연료 희석도가 부분 부하(방법 2)상태에서 시스템 효율에 어떤 영향을 주는 지를 설명하기 위해 수행되었다. 상기 스택이 최고의 전력상태로 10분을 유지한 뒤 반으로 전력이 떨어지는 조건 하에서 수행된 유사한 시뮬레이션이 있었다. 그러나, 이번에는 스택이 일정한 온도로 유지되지만, 펌프(61)로부터 증기 생성기로 가는 물의 질량흐름이 두 단계 증가한다. 이것은 도 11에서 보여지는 것처럼 개질기 안의 증기/탄소 비(比)를 2.0에서 3.5로 증가시켜 스택 안의 연료 희석도를 증가시키는 효과를 가진다. 스택효율에 대한 효과가 도 12에 나타나있다. 이러한 방법은 스택온도를 변경(방법 1)하는 것보다 효과가 덜 하지만, 효율의 증가는 분명히 있다.
본 발명의 범위을 벗어남 없이, 상기 설명된 예는 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 상기 마이크로프로세서는 상기 스택온도만 제어할 수 있고 상기 연료 희석도는 제어할 수 없고 또는 그 반대의 경우도 해당된다.

Claims (22)

  1. 혼합된 이온/전자 전도 전해질을 갖는 고체 산화물 연료 전지를 하나 이상 포함하는 가변 출력 고체 산화물 연료 전지 스택을 작동하는 방법으로서, 상기 방법은:
    (a) 상기 고체 산화물 연료 전지 스택의 현재 출력 및 목표 출력을 결정하는 단계;
    (b) 상기 고체 산화물 연료 전지 스택의 출력에 대하여 요구되는 변화를 결정하기 위해, 상기 고체 산화물 연료 전지 스택의 결정된 현재 출력 및 목표 출력을 비교하는 단계; 및
    (c) 상기 출력에 대하여 요구되는 변화를 달성하기 위해 상기 고체 산화물 연료 전지 스택의 하나 이상의 작동 조건을 조절하는 단계로서, (ⅰ) 상기 하나 이상의 고체 산화물 연료 전지의 온도 증가, 및 (ⅱ) 상기 고체 산화물 연료 전지에 전달되는 연료의 농도 증가 중 적어도 하나를 포함하는 출력에 대하여 요구되는 증가; 그리고 (ⅰ) 상기 고체 산화물 연료 전지의 온도 감소, 및 (ⅱ) 상기 고체 산화물 연료 전지에 전달되는 연료의 농도 감소 중 적어도 하나를 포함하는 출력에 대하여 요구되는 감소를 달성하기 위해 상기 고체 산화물 연료 전지 스택의 하나 이상의 작동 조건을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고체 산화물 연료 전지의 온도는 650℃ 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 고체 산화물 연료 전지의 온도는 600℃ 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 산화물 연료 전지에 전달되는 연료는, 기설정된 양의 증기, 이산화탄소, 질소, 또는 증기, 이산화탄소 및 질소로 구성되는 그룹 중 적어도 하나를 포함하는 혼합물로 희석되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 산화물 연료 전지에 전달되는 연료는, 하나 이상의 연료 전지의 양극 쪽에서 나오는 가변적인 비율의 재생 배기 가스로 희석되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 고체 산화물 연료 전지는, 가돌리늄으로 도핑된(gadolinium-doped) 세륨 산화물을 포함하는 전해질을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 혼합된 이온/전자 전도 전해질을 가지는 고체 산화물 연료 전지를 하나 이상 포함하는 가변 출력 고체 산화물 연료 전지 스택에 대한 제어 시스템으로서, 상기 제어 시스템은:
    (a) 상기 고체 산화물 연료 전지 스택의 현재 출력 및 목표 출력을 결정하기 위한 수단;
    (b) 상기 고체 산화물 연료 전지 스택의 출력에 대하여 요구되는 변화를 결정하기 위해, 상기 고체 산화물 연료 전지 스택의 결정된 현재 출력 및 목표 출력을 비교하기 위한 비교 수단; 및
    (c) 출력에 대하여 상기 요구되는 변화를 달성하기 위해 상기 고체 산화물 연료 전지 스택의 하나 이상의 작동 조건을 제어하기 위한 제어기를 포함하며, 상기 제어기는 (ⅰ) 상기 하나 이상의 고체 산화물 연료 전지의 온도 증가, 및 (ⅱ) 상기 고체 산화물 연료 전지에 전달되는 연료의 농도 증가 중 적어도 하나를 제어함으로써 출력에 대하여 요구되는 증가를 달성하고; 그리고 (ⅰ) 상기 고체 산화물 연료 전지의 온도 감소, 및 (ⅱ) 상기 고체 산화물 연료 전지에 전달되는 연료의 농도 감소 중 적어도 하나를 제어함으로써 출력에 대하여 요구되는 감소를 달성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어기는 650℃ 이하로 스택의 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어기는 600℃ 이하로 스택의 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는, 기설정된 양의 증기, 이산화탄소, 질소, 또는 증기, 이산화탄소 및 질소로 구성되는 그룹 중 적어도 하나를 포함하는 혼합물로 연료 전지 스택에 전달되는 연료를 희석하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  11. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는, 연료 전지 스택의 양극 쪽에서 나오는 가변적인 비율의 재생 배기 가스로 연료 전지 스택에 전달되는 연료를 희석하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  12. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 제어 시스템을 포함하는 혼합된 이온/전자 전도 전해질을 가지는 연료 전지 스택.
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