KR101359318B1 - 연료 전지 시스템에서의 제어 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 초점은 연료 전지들로 전기를 생성하는 연료 전지 시스템에서의 제어 장치로서, 연료 전지 시스템 내의 각각의 연료 전지는 애노드 측 (100), 캐소드 측 (102) 및 애노드 측과 캐소드 측 사이의 전해질 (104) 을 포함하고, 연료 전지 시스템은 연료 전지들의 애노드 측들을 통해 연료를 재순환시키는 수단 (109), 및 연료 전지 시스템의 동작을 제어하는 제어 프로세서 (210) 내의 적어도 하나의 시스템 제어기 (200) 를 포함한다. 제어 장치는, 연료 콤포지션 및 연료 흐름 레이트 중 적어도 하나의 것의 본질적으로 비동기식인 화학 반응 레이트 계산 프로세스를 수행하여 애노드들 (100) 을 통과하는 연료 재순환의 적어도 재순환 비율에 대한 본질적으로 반복 프로세스에서의 정보를 성취하도록 하는 수단 (202), 및 시스템 제어기 (200) 프로세스와 본질적으로 동기식인 프로세스에서, 상기 비동기식 프로세스에 의해 제공된 적어도 이용 가능한 재순환 비율 정보를 이용함으로써 연료 이용 (FU) 정보 및 탄소 형성 정보를 생성하는 수단 (204) 을 포함한다. 제어 장치는 상기 FU 정보 및 탄소 형성 정보를 이용함으로써 능동 순환 시스템 제어 및 시스템 모니터링 프로세스를 수행하는 수단 (206), 및 동기식 프로세스와 본질적으로 동시에 비동기식 프로세스를 수행하여 상기 능동 순환 시스템 제어 및 시스템 모니터링 프로세스가 최대 허용 실행 간격 아래로 프로세싱되도록 하는 상기 수단 (202) 을 또한 포함한다.
Description
연료 전지들은 전기 에너지를 생성하기 위한 반응물들을 공급받는 전기화학적 디바이스들이다.
연료 전지들은 고효율로 그리고 환경친화적인 방식으로 전기 에너지를 생성하는 데 사용될 수 있는 전기화학적 디바이스들이다. 연료 전지 기술은 에너지 생성의 가장 유망한 미래 형태들 중 하나로 간주된다.
도 1 은 애노드 측 (100), 캐소드 측 (102) 및 이들 사이의 전해질 (104)을 포함하는 연료 전지를 나타낸다. 연료 전지 디바이스들에 공급되는 반응물들은 전기 에너지 및 물이 발열 반응의 결과로서 생성되는 프로세스를 겪는다. 고체 산화물 연료 전지들 (SOFCs) 에서, 캐소드 측에 공급되는 산소 (106) 는 캐소드로부터의 전자를 수용하는데, 다시 말해, 음의 산소 이온으로 환원되며, 이것은, 사용된 연료 (108) 와 결합하여 물 및 이산화탄소를 생성하게 되는 애노드로 전해질을 통과하여 이동한다. 애노드 (100) 와 캐소드 (102) 사이에는, 별도의 통로, 다시 말해, 전자들 e-, 즉 전류가 부하 (110) 를 통과하여 캐소드로 이동하게 하는 외부 전기 회로 (111) 가 있다.
도 2 에는, SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) 디바이스가 나타내지며, 이 디바이스는, 예를 들어 천연가스, 생물가스, 또는 메탄올, 또는 탄화수소를 함유한 다른 화합물들을 그의 연료로서 이용할 수도 있다. 도 2 에 도시된 연료 전지 디바이스 장치는 플레이트형 연료 전지들을 포함하며, 각각의 연료 전지는 도 1 에 도시된 바와 같이 애노드 (100) 및 캐소드 (102)를 포함하고, 도 2 에서는, 연료 전지들이 스택 형성물 (103)(SOFC 스택) 에 어셈블리된다. 연료는 연료 전지들의 애노드 측들을 통해 피드백 장치에서 재순환된다.
도 2 에 도시된 연료 전지 디바이스 장치는 연료 열 교환기 (105) 및 리포머 (107) 를 포함한다. 열 교환기들은 연료 전지 프로세스의 열 밸런스를 제어하는 데 사용되며, 그들 중 여러 개가 연료 전지 디바이스 내의 상이한 위치들에 존재할 수도 있다. 재순환된 가스의 과도한 열 에너지는 연료 전지 디바이스 또는 지역적 (district) 가열망 내의 어느 곳에서나 사용하기 위해 열 교환기에서 회수된다. 따라서, 열을 회수하는 열 교환기는 도 2 에 도시된 것과는 상이한 위치에 있을 수도 있다. 리포머는, 천연 가스와 같은 연료를 연료 전지들에 적합한 형태로, 다시 말해, 예를 들어 수소의 1/2 과 잔여 메탄, 이산화탄소 및 비활성 가스들을 함유한 가스 혼합물로 변환하는 디바이스이다. 그러나, 리포머가 모든 연료 전지 구현물들에서 필수적인 것이 아니라, 처리되지 않은 연료가 연료 전지들 (103) 에 직접 공급될 수도 있다.
연료 전지 (103) 의 애노드들 (100) 상에서 버닝되는 연료의 일부분만이 피드백 장치에서 애노드들을 통과하여 재순환되며, 따라서 도 2 는 애노드들 (100) 로부터의 잔여 연료의 배출 (114) 을 도식적으로 나타낸다. 측정 수단 (112)(예를 들어, 연료 유량계, 전류계 및 온도계) 을 사용하여, 애노드 관통 재순환 가스로부터 SOFC 디바이스의 동작에 대한 필수적인 측정들이 실행된다. 종래기술에 따른 제어 프로세서 (116) 는 측정 수단 (112) 과의 반복적 공동 동작에 긴밀하게 관련된다.
메탄과 같은 천연 가스들 및 더 높은 탄소 화합물들을 함유한 가스들은 일반적으로 SOFC 들에서 연료들로서 사용되지만, 가스들은 탄소 형성, 즉 코킹 (coking) 을 방지하도록 연료 전지들에 공급하기 전에 전처리되어야 한다. 코킹 시, 탄화수소들은 열적으로 분해되고 탄소를 생성하며, 이 탄소는 연료 전지 디바이스의 표면들에 고착되고 니켈 입자들과 같은 촉매들 상에 흡착된다. 코킹 시에 생성된 탄소는 연료 전지 디바이스의 능동 표면 중 일부를 코팅하여, 연료 전지 프로세스의 반응성을 현저히 악화시킨다. 탄소는 연료 통로를 심지어 완전히 차단할 수도 있다.
코킹을 방지하는 것은 연료 전지들에 대한 긴 서비스 수명을 보장하기 위해 매우 중요하다. 코킹의 방지는 또한 촉매, 즉 반응을 가속하기 위해 연료 셀들에서 사용되는 질료 (니켈, 플래티넘 등) 를 절약한다. 가스 전처리는 물을 요구하며, 이는 연료 전지 디바이스에 공급된다. 산소 이온과 연료, 즉 노드 상의 가스를 결합하여 생성된 물이 또한 가스의 전처리 시에 사용될 수도 있다.
피드백 장치에서 애노드를 통과하여 재순환되는 가스의 콤포지션 (composition) 은 종래기술의 가스 전처리가 성공적이도록 하기 위해 충분한 정확도로 공지되어야 한다. 특히, 산소/탄소 (O/C) 비율 및 또한 일부 범위까지의 수소/탄소 (H/C) 비율은 탄소 형성에 가장 위험한 반응 환경을 피하도록 제어되어야 한다.
비 데드-엔드 조작된 (non dead-end operated) 연료 전지 시스템들에서, 연료 이용 (FU) 은 시스템 성능 및 수명에 영향을 미치는 임계적 제어가능 파라미터이다. 또한, 탄화수소 연료들의 개질을 수반하는 시스템들에서, 특정 연료 스트림들의 시스템 조건들은 시스템 내에서 탄소 형성의 위험을 최소화할 정도로 충분히 유지되어야 한다. 탄소 형성을 최소화하는 일반적인 수단은 산소-탄소 비율 (OC 비율), 수소-탄소 비율 (HC 비율) 및 시스템 온도들을 제어하는 것으로, 이들 모두는 함께 시스템에서 탄소 형성에 대한 가능성을 규정한다. 충분한 OC 비율 및 HC 비율을 유지하도록 하는 일반적인 수단은 애노드 배출 가스 재순환, 부분 산화에 의한 연료 개질, 및 보조적 물 공급을 포함한다.
연료 이용 (FU) 정보 및 탄소 형성 정보의 양측 모두는 인라인 측정들에 의해 결정하기에는 복잡하기 때문에, 그들은 일반적으로 계산상으로 결정된다. 연료 콤포지션 (fuel composition) 이 오로지 시스템으로의 주입 스트림들에만 의존하는 시스템들에서, FU 정보 및 탄소 형성 정보의 계산은 오히려 간단하다. 그러나, 애노드 재순환을 수반하는 시스템들에서, FU 정보 및 탄소 형성 정보는 매스 흐름 (mass flow) 에 의존하게 되고, 연료 전지 애노드들을 벗어나는 감손 연료 (depleted fuel) 의 일부로서 재순환 루프 내에서의 콤포지션은 애노드 주입 스트림들에 도로 리턴된다. 시스템이 애노드로부터 캐소드 측으로 많은 타입들의 고온 연료 전지들에서 일반적인 애노드 외향 누설 (outward leakage) 또는 크로스오버 누설을 수반한다면, 애노드 배출 콤포지션, 즉 재순환되는 콤포지션은 재순환 흐름 및 두서넛의 콤포지션 특성들을 알지 않고는 결정될 수 없다.
임의의 주어진 재순환 비율에 대해, 즉 주입 스트림들에 도로 재순환되는 애노드 배출 가스의 일부에 대해, 애노드 순환 루프 내의 아토메트릭 흐름들 (atometric flows) 은 직접 치환을 통해 분석학적으로 계산될 수 있다. 실제 가스 구성들의 몰분율들은 주어진 조건에 대해 아토메트릭 부분들이 해결되는 것에 기초할 수 있다. 애노드 촉매들의 존재 시의 애노드 배출 콤포지션이 고온에서 대응하는 열적 평형 콤포지션에 도달하는 것으로 가정하면, 그에 따라, 애노드 배출 콤포지션은 상기 주어진 재순환 비율에 대해 해결될 수 있다. 열적 평형 콤포지션의 해 (solving) 는 4 차 다항식 (fourth-grade polynomial) 을 충족시키는 증기 개질 반응 레이트의 결정을 요구하며, 이 다항식은 상기 원자분율들 (atomic fractions) 및 온도의 함수인 계수들을 갖는다. 연료 콤포지션이 평형에 도달하지 않으면, 연료 콤포지션은 동역학 모델들로부터 결정될 수 있다. 애노드 배출 콤포지션을 결정하였다면, 애노드 재순환 루프 내에서의 실제 흐름은, 애노드 순환 수단 (예를 들어, 펌프 또는 이젝터 (ejector)) 에 대한 특성 곡선들을 이용하여 또는 순환 흐름의 흐름 측정에 기초하여 계산될 수 있다. 이것은, 이어서, 특정 애노드 배출 콤포지션에 대한 재순환 비율을 산출한다. 이 재순환 비율이 상기 콤포지션을 결정하는 데 사용된 오리지널 재순환 비율과 (합리적인 마진만큼) 동일하면, 재순환 루프 흐름들에 대한 유효한 해와 그에 따른 FU 정보 및 탄소 형성 정보가 발견되었다. 이와 달리, 계산은 유효한 해가 발견될 때까지 재순환에 대한 초기 값을 반복하여 수정할 필요가 있다.
연료 흐름 콤포지션들을 결정하기 위한 전술된 방법은 다수의 네스트된 (nested) 반복 단계들에 따른 반복을 수반한다. 동시에, 재순환 비율에 대한 해 및 그에 따른 FU 정보 및 탄소 형성 정보의 발견은, 시스템 조건들 및 초기 값들에 따라서, 상당한 양의 부동소수점 산술 연산 (floating point arithmetic operation) 들을 요구한다. 산업 제어 하드웨어와 같은 제한적 계산 용량을 갖는 시스템들에서, 설명된 반복 프로세스는 완성하는 데 수 초를 요구할 수도 있다. 따라서, 계산은 제어 사이클의 전체 실행 시간을 방해하지 않고 그와 같이 연료 전지 제어 시스템의 순환 작업 루프에 포함될 수는 없다.
연료 콤포지션들의 정확한 결정을 위한 전술된 방법의 계산 집약성으로 인해, 종래기술의 솔루션들은, 계산 필요성을 감소시키지만 정확도 및/또는 가전성 (versatility) 을 희생시키는 단순화 수단을 사용하고 있다. 본 출원인의 특허 출원 문헌 PCT/FI2009/050503 에는, 연료 전지 전류들, 온도들 및 흐름들의 사전 정의된 조합들에 대한 사전 계산된 해들을 갖는 룩업 테이블로부터의 보간이 재순환 비율, FU 비율 및 OC 비율의 결정함에 있어서 실시간 계산의 필요성을 회피시키는 데 사용된 방법이 제공된다. 상당히 적은 계산 집약성에도 불구하고, 방법의 적용 가능성은 룩업 테이블의 사이즈를 합당하게 유지시키도록 하기 위해 변할 수 있는 매우 제한된 수의 파라미터들을 갖는 사전 정의된 파라미터 범위들로 제한된다. 특히, 주입 연료의 가변적 콤포지션이 시스템 내의 흐름 조건들에 추가적인 자유도를 도입하는 생물가스 애플리케이션들에서, PCT/FI2009/050503 에 설명된 종래기술의 솔루션은 상당한 단점들을 갖는다.
본 발명의 목적은, 최소의 프로세서 능력으로 신뢰성 있게 동작하고 연료 전지 시스템 동작 조건들에서의 빠른 변화들에도 반응할 수 있는 연료 전지 시스템의 제어이다.
이것은, 연료 전지들로 전기를 생성하는 연료 전지 시스템 내의 제어 장치에 의해 성취되며, 연료 전지 시스템 내의 각각의 연료 전지는 애노드 측, 캐소드 측, 및 애노드 측과 캐소드 측 사이의 전해질을 포함하고, 연료 전지 시스템은 연료 전지들의 애노드 측들을 통과해 연료를 재순환시키는 수단, 및 연료 전지 시스템의 동작을 제어하기 위한 제어 프로세서 내의 적어도 하나의 시스템 제어기를 포함한다. 제어 장치는 연료 콤포지션 및 연료 흐름 레이트 중 적어도 하나의 것의 본질적으로 비동기식인 화학 반응 레이트 계산 프로세스를 수행하여 본질적으로 반복적인 프로세스에서 애노드들을 통과하는 연료 재순환의 적어도 재순환 비율에 대한 정보를 성취하는 수단, 최근의 이용 가능한 재순환 비율 정보를 이용하여, 시스템 제어기 프로세스와 본질적으로 동기식인 프로세스에서, 연료 이용 (FU) 정보 및 탄소 형성 정보를 생성하는 수단, 상기 FU 정보 및 탄소 형성 정보를 이용하여 능동 순환 시스템 제어 및 시스템 모니터링 프로세스를 수행하는 수단, 및 동기식 프로세스와 본질적으로 동시에 비동기식 프로세스를 프로세싱하여 상기 능동 순환 시스템 제어 및 시스템 모니터링 프로세스가 최대 허용 실행 간격 아래로 프로세싱되도록 하는 상기 수단을 포함한다.
본 발명의 초점은 또한 연료 전지 시스템이 연료 전지들로 전기를 생성하는 제어 방법이며, 이 방법에서, 연료는 연료 전지들의 애노드 측들을 통과하여 재순환된다. 이 방법에서, 연료 콤포지션 및 연료 흐름 레이트 중 적어도 하나의 것의 본질적으로 비동기식인 화학 반응 레이트 계산 프로세스가 프로세싱되어 본질적으로 반복적인 프로세스에서 애노드들을 통과하는 연료 재순환의 적어도 재순환 비율에 대한 정보를 성취하고, 최근의 이용 가능한 재순환 비율 정보를 이용하여, 시스템 제어 프로세스와 본질적으로 동기식인 프로세스에서, 연료 이용 (FU) 정보 및 탄소 형성 정보가 생성되고, 상기 FU 정보 및 탄소 형성 정보를 이용하여 능동 순환 시스템 제어 및 시스템 모니터링 프로세스가 수행되고, 동기식 프로세스와 본질적으로 동시에 비동기식 프로세스가 프로세싱되어 상기 능동 순환 시스템 제어 및 시스템 모니터링 프로세스가 최대 허용 실행 간격 아래로 프로세싱된다.
본 발명은, 시스템 제어기의 동작에 비해, 연료 콤포지션 및 연료 흐름 레이트 중 적어도 하나의 것의 본질적으로 비동기식인 화학 반응 레이트 계산 프로세스를 수행하여, 본질적으로 반복인 프로세스에서 적어도 재순환 비율에 대한 정보를 성취하는 것에 기초하며, 이 재순환 비율 정보는 시스템 제어기 프로세스에 비해 본질적으로 동기식인 프로세스에서 연료 이용 (FU) 정보 및 탄소 형성 정보를 생성한다. 능동 순환 시스템 제어 및 시스템 모니터링 프로세스는 상기 FU 정보 및 탄소 형성 정보를 이용한다. 또한, 본 발명은, 비동기식 프로세스가 동기식 프로세스와 본질적으로 동시에 프로세싱되어 능동 순환 시스템 제어 및 모니터링 프로세스의 최대 허용 실행 간격이 초과되지 않도록 하는 것에 기초한다.
본 발명은, 시간 소모 반응 평형 계산들을 수행하기 위한 보조 계산 프로세서 능력을 필요로 하지 않으면서, 매우 우수한 실시간 구성 가능성 및 능력을 제공하여, 예를 들어 가스 애플리케이션들에서 주입 연료 가스 콤포지션 변화들과 같은 동작 조건들에서의 변화들을 다룬다. 본 발명은 또한 시스템 제어의 탁월한 순간 응답을 허용한다.
본 발명은, 실제 계산이 동일한 컴퓨터 프로세서 능력을 이용하여 제어 알고리즘들과 병렬로 실시간 실행될 때, 평형 계산을 위한 어떠한 미리 정의된 동작 윈도우 또는 고정된 파라미터 세트도 정의될 필요가 없다는 이점을 갖는다.
도 1 은 단일 연료 전지의 구조를 도시한다.
도 2 는 SOFC 의 종래기술 피드백 장치의 예시적인 구현을 나타낸다.
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 연료 전지 디바이스에서의 제어 장치의 예시적인 구현을 도시한다.
도 2 는 SOFC 의 종래기술 피드백 장치의 예시적인 구현을 나타낸다.
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 연료 전지 디바이스에서의 제어 장치의 예시적인 구현을 도시한다.
연료 전지 디바이스의 재순환 흐름이 재순환되는 콤포지션에 의존함에 따라, 애노드 콤포지션들의 용해는 반복 프로세스가 된다. 본 발명에 따른 방법에서는, 시간 소비 반응 평형 계산들을 수행하기 위한 보조 계산 프로세서 능력을 필요로 하지 않고서 애노드 연료 재순환을 채용하는 연료 전지 시스템들에서 제어 목적으로 애노드 연료 콤포지션의 정확한 실시간 피드백 정보가 생성된다. 사용된 연료는 가장 흔하게는 가스 또는 가스들이며, 이것은 연료라는 용어를 사용하는 대신에 가스라는 용어도 사용될 수 있는 이유이다. 방법은, 계산을 2 개의 프로세스들로 분할하는 계산 및 피드백 생성 방법을 수반한다; 애노드 연료 재순환 및 재순환 비율에서 화학적 반응들의 열역학적 평형 반응 레이트들의 반복적인 해에 대한 계산 집약적인 반복 파트, 및 시스템 제어기들에 일차 피드백 정보를 제공하기 위한 이차의 덜 계산 집약적인 파트. 계산 집약적 파트는 시스템 제어에 대해 본질적으로 비동기식인 병렬 프로세스로서 구현되지만, 피드백 생성 파트는 시스템 제어에 동기식으로 실행된다. 열역학적 모델들에 따른 열역학적 평형 대신, 계산 집약적 파트의 계산은 또한 애노드 연료 재순환에서의 연료 원자들 및 분자들의 운동 모델들에도 기초할 수 있다. 또한, 이 계산은 바람직하게는 그것의 특성상 반복적이다.
본 발명은 실시간 FU (연료 이용) 피드백 정보 및 탄소 형성 정보, 즉 주어진 수소-탄소 비율, 질소-탄소 비율 및 온도에서 충분한 마진으로 최소 허용 OC 비율 (산소-탄소 비율) 을 생성하도록 하는 반복 알고리즘을 이용하는 것을 허용한다. 상기 피드백 정보는 보조 계산 프로세서(들) 를 필요로 하지 않으면서 순환 실행 방식의 일부로서 제한적 계산 용량을 갖는 시스템들의 제어 시에 이용될 것이다. 방법은 반응 레이트 계산 듀티를 여러 제어 실행 사이클들로 분할하지만, 여전히 각각의 제어 사이클 상의 제어를 위해 업데이트된 FU 및 OC 피드백 신호 (예컨대, 100 ms 마다 한번) 를 제공하여, 신속한 제어를 허용한다. 이것은 다음의 수단들의 이용에 기초한다: 반복적 알고리즘은 네스트된 루프 타입으로부터 순환 실행에 적합한 상태 흐름 타입 표현으로 변환되었다 (즉, 오로지 제한적인 양의 동작들만이 단일 사이클에서 실행된다). 제어 소프트웨어는, 제어 및 정리정돈 (housekeeping) 동작들 후에 남은 모든 계산 시간이 반응 레이트 계산 알고리즘에 사용되도록 배열되었다. 본질적으로, 반응 레이트 계산은 제어 동기식 순환 실행 방식의 일부분으로서 정형화되고 실행되었음에도 불구하고 비동기식 병렬 프로세스로서 실행된다. 아토메트릭 연료 흐름들과 그에 따른 제어에 관련된 FU 및 OC 값들은 반응 레이트 계산에 의해 취출된 가장 최근의 RR (재순환된 비율) 에 기초하여 각각의 제어 사이클에 대해 재계산된다.
FU 값 및 OC 값이 각각의 제어 사이클에서 재계산된다는 것에 기초하여, 반응 레이트 계산 (및 그에 따른 RR) 의 실제 해가 현저하게 더 길 수도 있다는 사실에도 불구하고, 이는 동작 파라미터들 (입력 흐름들, 콤포지션들, 연료 전지 부하) 에서의 변화들에 대한 즉각적인 피드백 응답을 허용한다. 입력 파라미터들에서의 변화는, 물론, 또한, 실제 재순환 비율에도 영향을 미치며, 이에 의해, 구 (old) RR 에 기초하여 계산된 FU 및 OC 값들은 충분히 정확하지는 않다. 즉각적인 응답에서의 이 잠재적인 정밀도 부족에도 불구하고, 입력 파라미터들에서의 변화는 폐루프 제어 시스템에서 우측 방향으로 제어 응답을 허용하는 우측 방향으로 FU 및 OC 에 영향을 미친다. 폐루프 제어의 안정성을 위해, 제어 액션과 피드백 응답 사이의 피드백 지연이 가능한 한 짧고 변화하지 않는 것이 매우 중요하다. 이것은, 피드백 지연을 최소화하여 제어기들이 동작 파라미터들에서의 급작스러운 변화들에 대해 즉각적인 액션을 취하게 하며, 이것은, 관련 제어 루프들에서 모든 고속 응답 전체에 걸쳐서 허용한다. 따라서, RR 의 해에서 가변적이고 더 긴 지연은 주목할 만한 한도까지 순간 응답 능력을 위태롭게 하는데, 이는 FU 및 OC 에서의 일차 응답이 즉각적이기 때문이다.
고속이고 안정적인 제어 응답은, 예를 들어 생물가스 소스로부터 가스 콤포지션 또는 압력 변동과 같은 급작스러운 내적 또는 외적 유도 변화들을 향해 시스템을 매우 강건하게 만든다. 다음으로 급작스러운 조건 변화가 오는 경우, 일단 반응 레이트 계산이 수렴했다면, 새로운 조건들에 대응하는 RR 이 업데이트될 것이다. RR 에서의 결과적인 지연 응답은, 이어서 FU 및 OC 에 영향을 미칠 것이고, 그에 의해 폐루프 제어기들은, 일시적인 상황이 종료함에 따라, 제어 가능한 파라미터들이 그들의 세트 포인트들을 정확하게 충족시키도록 그들의 출력들을 미세 조정할 것이다.
본 발명은, 실제 계산이 동일한 계산 하드웨어를 사용하여 제어 알고리즘들과 병렬로 실시간 실행될 때, 반응 레이트 계산을 위한 어떠한 고정된 파라미터 세트 또는 미리 정의된 동작 윈도우가 정의될 필요가 없다는 이점을 갖는다. 계산에 영향을 미치는 모든 파라미터들은 실시간으로 변경될 수 있고, 그에 의해 폐루프 제어 로직은 상응하게 반응할 것이다. 본 발명은, 예를 들어 생물가스 애플리케이션들과 같은 가변적인 연료 콤포지션 애플리케이션들에서 특히 유익하며, 또한 최적화된 응답 특성은 그것을, 예컨대 연료 전지 부하에서의 급작스러운 변경들에 대해 빠른 응답 능력을 요구하는 애플리케이션들에 이상적으로 적합해지게 한다.
본질적으로 동기식인 프로세스를 수행하는 수단 (204) 및 본질적으로 비동기식인 프로세스를 수행하는 수단 (202) 은 시스템 제어기 (200) 와 동일한 프로세서 (210) 에 물리적으로 위치할 수 있다. 연료 전지 시스템 프로세스와 관련하여, 상기 수단들 (202, 204) 및 시스템 제어기 (200) 양측 모두에 의해 수행된 계산 및 제어 프로세스들은, 예를 들어 프로그래밍가능 로직 (PLC, 프로그래밍가능 로직 제어기), 또는 다른 프로세서 기반 컴퓨터인 제어 컴퓨터 (210) 에 의해 프로그래밍적으로 실행될 수 있다.
도 3 에는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 연료 전지 시스템에서 제어 장치의 예시적인 구현이 제공된다. 도 3 의 연료 전지 시스템은, 예를 들어 도 2 와 관련되어 전술된 바와 같은 SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) 디바이스이다. 연료 전지 시스템은, 피드백 장치에서, 연료 전지들의 애노드 (100) 측들을 통과하여 연료를 재순환시키는 수단 (109) 을 포함한다. 연료 전지 시스템에서의 제어 장치는 연료 전지 시스템의 동작을 제어하기 위해 제어 프로세서 (210) 에 적어도 하나의 시스템 제어기 (200) 를 포함한다. 바람직하게는, 동일한 제어 프로세서에, 본질적으로 비동기식인 화학 반응 레이트 계산 프로세스를 수행하기 위한 수단 (202) 이 위치한다. 상기 계산 프로세스에서는, 연료 전지 시스템에 공급되는 연료의 양, 입력 전류 값들, 누설 값들 및 재순환 비율 값들이 입력 값들로서 이용된다. 예를 들어 재순환된 가스의 콤포지션을 결정하기 위해 측정 수단 (112) 에 의해 측정이 이루어질 수 있다. 가스 콤포지션은 또한 측정 및 계산 양측 모두가 재순환된 가스 콤포지션의 결정 시에 이용되는 프로세스에서 또는 계산 프로세스에서 결정될 수 있다. 상기 비동기식 계산 프로세스에서는, 상기 가스 콤포지션 및 가스 흐름 레이트 중 적어도 하나에 기초하여, 적어도 재순환 비율에 대한 정보가 성취된다. 이 정보는, 바람직하게는, 본질적으로 반복적인 프로세스에서 성취되며, 시스템 제어기 (200) 에 제공된다.
도 3 에 제공된 제어 장치는, 바람직하게는 시스템 제어기 (200) 를 통해, 상기 비동기식 프로세스로부터 제공된 최근의 이용 가능한 재순환 비율 정보를 이용함으로써, 본질적으로 시스템 제어기 (200) 프로세스와 동기하여, 연료 이용 (FU) 정보 및 탄소 형성 정보를 생성하는 수단 (204) 을 포함한다. 상기 수단 (202) 을 사용함으로써, 비동기식 프로세스는 동기식 프로세스와 본질적으로 동시에 수행되며, 여기서, 동기식 프로세스의 각각의 제어 사이클로 또는 더 드물게 비동기식 프로세스로부터 동기식 프로세스로 취출되는 최근의 재순환 비율 정보에 기초하여 동기식 프로세스의 각각의 제어 사이클 동안 적어도 FU 정보 및 탄소 형성 정보의 재계산이 수행된다.
도 3 에 제공된 제어 장치는 상기 동기식 프로세스에 의해 제공된 상기 FU 정보 및 탄소 형성 정보를 이용함으로써 능동 순환 시스템 제어 및 시스템 모니터링 프로세스를 수행하기 위한 수단 (206) 을 더 포함한다. 상기 수단 (202) 을 사용함으로써, 동기식 프로세스는 동기식 프로세스와 본질적으로 동시에 수행되어, 능동 순환 시스템 제어 및 시스템 모니터링 프로세스의 최대 허용 실행 간격이 초과되지 않도록 한다. 상기 비동기식 프로세스는 제한된 양의 반복 동작들이 상기 동기식 프로세스의 단일 제어 사이클 동안에 실행되도록 반복 프로세스에서 순환 실행에 적합한 반복 알고리즘을 이용하여 프로세싱된다. 다시 말해, 비동기식 프로세스는 동기식 프로세스에 추가 정보를 제공하는데, 반드시 모든 제어 사이클에서 그러한 것이 아니라, 상기 추가 정보, 즉 적어도 재순환 비율 정보가 동기식 프로세스의 필요성에 대해 준비되어 프로세싱될 때 그러하다. 이 종류의 동시적인 비동기식 및 동기식 프로세싱은 프로세서 능력의 효과적인 이용을 구현한다.
본 발명의 설명된 바람직한 실시형태에서, 제어 장치는, 비동기식 프로세스에서 그리고 동기식 프로세스의 제어 사이클들 중 일부에서 화학 반응들에 대한 정보를 성취하여 동기식 프로세스에서의 시간 이용을 강화함으로써, 동기식 및 비동기식 프로세스들을 동시에 수행하기 위한 상기 수단 (202, 204) 을 포함한다. 또한, 장치는, 화학 반응들에 대한 상기 정보로서 화학적 반응 레이트들을 성취함으로써 비동기식 프로세스를 수행하기 위한 상기 수단 (202) 을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 화학 반응 레이트들은 열역학적 평형 모델에 기초하지만, 본 발명은 동역학 모델 계산들에 기초하여서도 이용될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 상기 수단들 (202, 204, 206) 은 동일한 제어 프로세서에 통합되며, 바람직하게는, 시스템 제어기 (200) 를 갖는 동일한 제어 프로세서 (210) 에도 통합된다.
본 발명은 연료 순환을 포함하는 연료 전지 디바이스들 내의 많은 상이한 종류의 애플리케이션들에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 수단들 (202, 204, 206) 은 각각 개별 프로세서에 위치할 수도 있고, 정보 통신은 유선 또는 무선 통신 수단에 의해 프로세서들 사이에 배열된다.
도 3 에 제공된 예시적인 실시형태는, 상기와 같이, 예시적인 것이고, 바람직한 실시형태에 관련된 것인 화살표들을 나타낸다. 본 발명은 많은 종류의 실시형태들에서 이용될 수 있고, 이러한 실시형태들에서는, 예를 들어 동기식 프로세스 (204) 가 측정 수단 (112) 으로부터 정보를 직접 수신한다. 동기식 프로세스 (204) 는 또한 비동기식 프로세스 (202) 에 추가 정보를 제공할 수 있다. 또한, 도 3 에 도시된 바와 같은 시스템 제어기 (200) 를 반드시 경유하는 것이 아니라, 비동기식 프로세스 (202) 로부터 동기식 프로세스 (204) 로의 직접적인 정보 링크가 존재할 수 있다.
전술한 사항에서는 본 발명이 도면을 참조하여 설명되지만, 그러나, 본 발명은 설명 및 도면들로 국한되는 것이 아니라, 첨부한 청구범위에서 특정된 제한들 내에서 수정될 수도 있다.
Claims (16)
- 연료 전지들로 전기를 생성하는 연료 전지 시스템 내의 제어 장치로서,
상기 연료 전지 시스템 내의 각각의 연료 전지는 애노드 측 (100), 캐소드 측 (102) 및 상기 애노드 측과 상기 캐소드 측 사이의 전해질 (104) 을 포함하고,
상기 연료 전지 시스템은, 상기 연료 전지들의 애노드 측들을 통과하는 연료를 재순환시키는 수단 (109) 및 상기 연료 전지 시스템의 동작을 제어하기 위한 제어 프로세서 (210) 내의 적어도 하나의 시스템 제어기 (200) 를 포함하며,
상기 제어 장치는,
- 연료 콤포지션 (fuel composition) 및 연료 흐름 레이트 중 적어도 하나에 대한 비동기식인 화학 반응 레이트 계산 프로세스를 수행하여, 반복적인 프로세스에서 애노드들 (100) 을 통과하는 연료 재순환의 적어도 재순환 비율에 대한 정보를 산출하는, 비동기식 프로세스를 프로세싱하는 수단 (202),
- 상기 비동기식 프로세스에 의해 제공되는 최근의 이용 가능한 재순환 비율 정보를 이용함으로써 상기 시스템 제어기 (200) 의 프로세스와 동기식인 프로세스에서, 연료 이용 (FU) 정보 및 탄소 형성 정보를 생성하는 수단 (204),
- 상기 FU 정보 및 상기 탄소 형성 정보를 이용함으로써 능동 순환 시스템 제어 및 시스템 모니터링 프로세스를 수행하는 수단 (206), 및
- 상기 동기식 프로세스와 동시에 상기 비동기식 프로세스를 프로세싱하여, 상기 능동 순환 시스템 제어 및 시스템 모니터링 프로세스가 최대 허용 실행 간격 아래로 처리되도록 하는 상기 수단 (202) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 수단 (202, 204, 206) 이 동일한 제어 프로세서에 통합되는 것을 특징으로 하는 제어 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 시스템 제어기 (200) 와 함께 상기 수단 (202, 204, 206) 이 동일한 제어 프로세서 (210) 에 통합되는 것을 특징으로 하는 제어 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 동기식 프로세스와 동시에 상기 비동기식 프로세스를 프로세싱하는 수단 (202) 을 포함하고,
상기 동기식 프로세스의 각각의 제어 사이클 동안 또는 더 드물게, 상기 비동기식 프로세스로부터 상기 동기식 프로세스로 취출되는 최근의 재순환 비율 정보에 기초하여 상기 동기식 프로세스의 각각의 제어 사이클 동안 적어도 FU 정보 및 탄소 형성 정보의 재계산들이, 수단 (204) 을 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 제어 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어 장치는, 제한된 양의 동작들이 상기 동기식 프로세스의 단일 제어 사이클 상에서 실행되도록 반복 프로세스에서 순환 실행을 위한 반복 알고리즘을 이용함으로써 상기 비동기식 프로세스를 수행하는 수단 (202) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 동기식 프로세스에서의 시간 효율을 개선하도록 상기 비동기식 프로세스에서 그리고 상기 동기식 프로세스의 제어 사이클들 중 일부에서 화학 반응들에 대한 정보를 산출하여 상기 동기식 프로세스 및 상기 비동기식 프로세스를 수행하는 수단 (202, 204) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 제어 장치는 상기 화학 반응들에 대한 정보로서 화학 반응 레이트들을 산출함으로써 상기 비동기식 프로세스를 수행하는 수단 (202) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치. - 연료 전지들로 전기를 생성하는 연료 전지 시스템에 대한 제어 방법으로서,
상기 제어 방법에서, 연료는 상기 연료 전지들의 애노드 측들 (100) 을 통과하여 재순환되며,
상기 제어 방법에서,
- 연료 콤포지션 및 연료 흐름 레이트 중 적어도 하나에 대해 비동기식인 화학 반응 레이트 계산 프로세스가 프로세싱되어, 반복적인 프로세스에서 애노드들 (100) 을 통과하는 연료 재순환의 적어도 재순환 비율에 대한 정보를 산출하고,
- 상기 비동기식 프로세스에 의해 제공되는 최근의 이용 가능한 재순환 비율 정보를 이용함으로써, 시스템 제어 프로세스와 동기식인 프로세스에서 연료 이용 (FU) 정보 및 탄소 형성 정보가 생성되고,
- 상기 FU 정보 및 탄소 형성 정보를 이용함으로써 능동 순환 시스템 제어 및 시스템 모니터링 프로세스가 수행되고,
- 상기 능동 순환 시스템 제어 및 시스템 모니터링 프로세스가 최대 허용 실행 간격 아래로 프로세싱되도록 상기 동기식 프로세스와 동시에 상기 비동기식 프로세스가 프로세싱되는 것을 특징으로 하는 제어 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 비동기식 및 상기 동기식 방법 단계들의 수행과 상기 능동 순환 시스템 제어 및 시스템 모니터링 프로세스의 수행은 동일한 제어 프로세서에서 수행되도록 통합되는 것을 특징으로 하는 제어 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 비동기식 및 동기식 방법 단계들의 수행과 상기 능동 순환 시스템 제어 및 시스템 모니터링 프로세스의 수행은 시스템 제어기 (200) 를 갖는 동일한 제어 프로세서 (210) 에서 수행되도록 통합되는 것을 특징으로 하는 제어 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 비동기식 프로세스는 상기 동기식 프로세스와 동시에 프로세싱되고,
상기 동기식 프로세스의 각각의 제어 사이클 동안 또는 더 드물게, 상기 비동기식 프로세스로부터 상기 동기식 프로세스로 취출된 최근의 재순환 비율 정보에 기초하여, 상기 동기식 프로세스의 각각의 제어 사이클 동안 적어도 FU 정보 및 탄소 형성 정보의 재계산들이 수행되는 것을 특징으로 하는 제어 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 비동기식 프로세스는, 제한된 양의 동작들이 상기 동기식 프로세스의 단일 제어 사이클 상에서 실행되도록 반복 프로세스에서 순환 실행을 위한 반복 알고리즘을 이용함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 제어 방법. - 삭제
- 삭제
- 제 8 항에 있어서,
상기 동기식 프로세스 및 상기 비동기식 프로세스는, 상기 동기식 프로세스에서의 시간 효율을 개선하도록 상기 비동기식 프로세스에서 그리고 상기 동기식 프로세스의 제어 사이클들 중 일부에서 화학 반응들에 대한 정보를 산출함으로써 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 제어 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 비동기식 프로세스는 화학 반응들에 대한 상기 정보로서 화학 반응 레이트들을 산출함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
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