KR101404356B1 - 연료 조성이 변화하는 연료에 따라 동작하는 연료전지 시스템에 사용하기 위한 기체유량 제어 조립체 - Google Patents

연료 조성이 변화하는 연료에 따라 동작하는 연료전지 시스템에 사용하기 위한 기체유량 제어 조립체 Download PDF

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Abstract

연료전지 시스템에서 사용하는 기체유량 제어 조립체는, 시스템의 양극 측에서 나오는 배기 기체 중의 유량 변화에 기초하여 연료전지 시스템의 음극 측으로 흐르는 공기의 유량을 조절하는 공기유량 제어 조립체와, 공기유량 제어 조립체에 의한 공기유량의 조절에 기초하여 양극 측으로 흐르는 연료의 유량을 제어하는 연료유량 제어 조립체를 포함한다.
양극, 음극, 공기유량 제어 조립체, 기체유량 제어 조립체, 연료전지.

Description

연료 조성이 변화하는 연료에 따라 동작하는 연료전지 시스템에 사용하기 위한 기체유량 제어 조립체{GAS FLOW CONTROL ASSEMBLY FOR USE WITH FUEL CELL SYSTEMS OPERATING ON FUELS WITH VARYING FUEL COMPOSITION}
본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 특히, 연료전지 시스템에서 사용하기 위한 기체유량 제어 조립체에 관한 것이다.
연료전지는 탄화수소 연료 내에 저장된 화학 에너지를 전기화학 반응에 의해 전기 에너지로 직접 변환하는 장치이다. 일반적으로, 연료전지는 전해질에 의해 분리된 음극과 양극을 포함한다. 전해질은 대전 이온을 전도하는 역할을 한다. 유용한 전력수준을 생성하기 위하여 각 연료전지의 사이에 전도성 분리판(separator)을 배치하고 다수개의 개별 연료전지를 직렬로 적층시킨다.
연료전지는 양극을 통해 반응성 연료기체를 통과시키고, 음극에 산화기체를 통과시켜 작동한다. 연료전지 시스템의 전기 출력은 연료기체와 산화기체가 양극과 음극에 각각 공급되고, 양극 및 음극을 통해 운반될 때의 유량 및 연료의 에너지 유량에 따라 어느 정도 결정된다. 따라서, 연료전지의 성능을 최적화하고, 연료전지 시스템에서 원하는 전기 출력을 얻기 위해서는 연료가 전지로 공급될 때의 유량을 정밀하게 제어할 필요가 있다.
종래 연료전지 시스템은 일반적으로, 연료전지의 전력 출력에 따라 연료전지의 양극에 공급되는 연료기체의 유량을 제어하는 질량 유량 컨트롤러(mass flow controller)를 사용했다. 또한, 종래 시스템은 연료전지 시스템에 공급되는 연료의 조성(composition)을 결정하기 위해 온라인 연료조성 분석기도 사용했다. 특히, 연료조성 분석기에 의한 연료조성 판정 및 전지의 전력 출력을 기초로 연료전지로 전달되는 연료의 양을 제어하기 위해 질량 유량 컨트롤러가 온라인 연료조성 분석기와 함께 사용되었다.
예상할 수 있는 바와 같이, 양극에 공급되는 연료의 유량을 제어하는 종래 방법은 비싸고 복잡한 장비를 사용해야 한다. 또한, 분석되는 연료의 수분 유량이 많은 경우와 온라인 연료 조성 분석기의 장기간 동작 후에 분석장비의 신뢰성도 크게 저하된다. 따라서, 연료 유량을 지속적으로 정확하게 판정하기 위해서는 분석 장비를 자주 다시 교정할 필요가 있다. 그래서, 고가의 장비를 필요로 하지 않고, 양극에 공급되는 연료의 유량을 제어하는 정밀하고 신뢰할 수 있는 수단이 필요하게 되었다.
본 발명의 목적은 작동이 장기간 높은 안정성을 보여, 연료 내의 수분(moisture) 레벨에 의한 영향을 받지 않고 연료의 유량을 제어하기 위한 기체유량 제어 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 검출된 연료조성의 변화에 따라 정밀하게 연료유량을 조절할 수 있는 기체 유량 제어 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 원리에 따라서, 상술된 목적 및 다른 목적은 연료전지 시스템에 사용하기 위한 기체유량 제어 조립체로 실현되며, 상기 시스템은 연료전지 시스템의 양극 측에서 나오는 배기 기체 중의 유량 변화에 기초하여 또는 그에 응답하여 연료전지 시스템의 음극 측에 공급되는 공기의 유량을 조절하는 공기유량 제어 조립체와, 공기유량 제어 조립체에 의한 공기유량의 조절에 기초하여 연료전지 시스템의 양극 측에 공급되는 연료의 유량을 제어하는 연료유량 제어 조립체를 포함한다. 연료전지 시스템은 미반응 연료를 보유한 양극 배기 기체를 사용하여 공기를 예열(preheat)하는 산화 장치(oxidizing assembly)를 포함하며, 공기유량 제어 조립체는 산화 장치 내의 공기를 사전 결정된 온도까지 예열하기 위해 공기유량을 조절한다. 공기유량 제어 조립체는 공기유량 설정 값을 조절하기 위한 공기 트림(trim) 컨트롤러와, 시스템에 대해 조절된 공기유량 설정 값과 동일하게 공기유량을 유지하기 위한 공기유량 컨트롤러를 포함하며, 공기 트림 컨트롤러는 조절 값을 결정하기 위해 예열 공기의 온도를 사전 결정된 온도와 비교하여, 조절 값에 기초하여 공기유량 설정 값을 조절한다. 공기유량 설정값은 DC전류, 소망 연료유량, 기대된 연료 가열 값(expected fuel heating vaue) 및 주위 온도에 기초한 사전 결정된 공기유량이다. 공기 트림 컨트롤러는, 예열 공기의 온도가 사전 결정된 온도보다 낮은 경우 조절 값을 감소시키고, 예열 공기의 온도가 사전 결정된 온도보다 높은 경우 조절 값을 증가시킨다. 상기 조절 값은 공기유량 조절에 정비례한다.
연료유량 제어 조립체는 시스템에 대한 연료유량 설정값을 조절하기 위한 연료 트림 컨트롤러와, 연료유량을 측정하고 조절된 연료유량 설정값으로 유지하기 위한 연료유량 컨트롤러를 구비한다. 연료유량 설정값은, DC전류, 필요한 최소한의 연료유량을 초과하는 원하는 과량(desired excess), 및 기대 연료 가열 값(expected fuel heating value)에 기초한 사전 결정된 연료유량이다. 연료 트림 컨트롤러는 공기 트림 컨트롤러에 의해 계산된 조절 값을 수신하며, 공기 트림 컨트롤러의 조절 값을 사전 결정된 범위에서 유지하기 위해 연료유량 설정값을 가감 조절(modulate)한다. 특히, 공기 트림 컨트롤러는, 온도가 사전 결정된 온도보다 높은 경우, 예열 공기의 온도 상승에 대한 조절 값을 설정 양으로, 예를 들면 1의 증분값을 증가시키고, 예열공기의 온도 하강에 대해서는 조절 값을 설정 양만큼 감소시킨다. 또한, 온도가 사전 결정된 온도보다 낮은 경우, 공기 트림 컨트롤러는 예열 공기의 온도 감소에 대한 조절 값을 설정 양으로, 예를 들면 1의 감소값으로 저하시키고, 예열 공기의 온도 증가에 대해 조절 값을 설정 양만큼 상승시킨다. 연료 트림 컨트롤러는 공기 트림 컨트롤러의 조절 값을 영(0)과 마이너스(-) 사이의 설정 양, 예를 들면 1 사이에 유지하도록 연료유량 설정 값을 조절한다.
또한, 본원은 기체유량 제어 조립체를 사용한 연료전지 시스템도 개시한다.
도1은 본 발명의 기본원리에 따르는 기체유량 조절 조립체를 사용한 연료전지 시스템을 나타낸 도면이다.
도2는 도1의 기체유량 조절 조립체의 공기 트림 컨트롤러의 동작을 흐름도로 나타낸 도면이다.
도3은 도1의 기체유량 조절 조립체의 연료 트림 컨트롤러 동작을 흐름도로 나타낸 도면이다.
도4는 연료 트림 컨트롤러를 가진/갖지 않은 기체유량 조절 조립체를 사용한 시스템의 성능 데이터의 그래프를 나타낸 도면이다.
도1은 본 발명의 기본원리에 따르는 기체유량 제어 조립체(101)를 사용하는 연료전지 시스템(100)을 나타낸 도면이다. 상기 기체유량 제어 조립체(101)는, 연료 유량계와 자동 제어밸브를 가진 연료유량 컨트롤러(124)와, 공기 유량계와 자동 제어밸브를 가진 공기유량 컨트롤러(126)와, 공기 트림 컨트롤러(128), 및 연료 트림 컨트롤러(130)를 구비하고, 상기 컨트롤러들은 모두 시스템(100)의 연료전지(102)의 양극 측(104)에 이르는 연료의 흐름과 음극 측(106)에 이르는 공기의 흐름을 각각 제어하는데 사용된다. 연료전지(102)의 양극 측과 음극 측은 전해질(108)에 의해 분리된다.
또한, 연료전지 시스템은 연료전지(102)의 양극 측(104)으로 연료기체를 공급하는 연료 공급원(110)과, 연료기체를 가습(humidify)하기 위한 물 공급원(114)과, 연료전지(102)의 음극 측(106)으로 산화기체를 공급하는 공기 공급원(116) 및 양극 배기 옥시다이저(118)를 포함한다. 연료 처리 조립체(120)는 연료를 세척하고, 열 교환기(122)는 연료가 연료전지(102)의 양극 측(104)으로 들어가기 전에 연료를 가습하고, 예열한다.
시스템(100)에서, 연료 공급원(110)에서 나온 연료는, 연료 트림 컨트롤러(130)에 의해 결정되며 연료 제어 조립체(101)의 연료 유량 컨트롤러(124)에 의해 제어되는 유량으로, 연료 처리 조립체(120)에 공급된다. 연료 처리 조립체(120)는 연료가 연료전지의 양극(104)에서 사용하기에 적합한 상태가 되도록 연료를 세척하고, 추가로 처리한다. 연료처리 조립체(120)는 탈황장치(desulfurizer unit)를 포함할 수 있다. 연료전지의 양극(104)에 유입하기에 앞서, 처리된 연료가 먼저 열 교환기(122)에 전달된다. 열 교환기(122)에서 연료는 물 공급원(114)에서 공급된 물과 혼합되어 300℃의 온도까지 예열된다. 열 교환기(122)는 사전-개질(pre-reforming) 장치 및 탈산(deoxidizing)장치를 구비할 수도 있다. 다음, 가습 및 예열된 연료는 연료전지의 양극(104)으로 전달되어, 양극에서 전기화학 반응을 받아 전기 출력을 발생한다.
미사용 연료를 포함한 양극 배기 기체는 양극(104)에서 양극 배기 옥시다이저(118)에 전달된다. 또한, 양극 배기 옥시다이저는, 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 조절된 공기유량 설정값까지 공기유량 컨트롤러(126)에 의해 제어된 후, 공기 공급원(116)에서 공급되는 공기도 수용한다. 양극 배기 옥시다이저(118)에서, 공기는 양극 배기 기체와 혼합되고, 연소되어, 가열(heated) 공기 또는 가열 산화기체 및 이산화탄소를 생성한다.
예열된 산화기체의 온도는 양극 배기 기체에 존재하는 미반응 연료의 양과 옥시다이저에 공급되는 공기의 공기유량으로 결정된다. 예견할 수 있는 바와 같이, 양극 배기기체 중의 미반응 연료의 양은 연료 유량 및 연료 가열 값, 또는 연료를 연소함으로써 생성되는 에너지의 양에 따라 부분적으로 정해지며, 이 에너지의 양 자체는 연료 유량의 변화에 의해 좌우된다.
그 후, 옥시다이저(118)에서 나온 가열 산화기체는 연료전지(102)의 음극 측 입구(106a)로 전달된다. 소비된 산화기체는 음극 출구(106b)를 통해 음극(106)에서 배출되어 열 교환기(122)를 통해 흐른다. 열 교환기에서 배기된 산화기체의 열은 연료와 물과의 혼합물을 예열하기 위해 전달된다. 배기된 산화기체에 남아있는 열은 열 교환기(122)를 나온 뒤, 증기 형성이나 공간 가열을 포함하는 다양한 용도로 사용할 수 있다.
도1에 도시되고, 상술된 바와 같이, 연료 공급원(110)에서 나온 연료의 연료유량은 연료유량 컨트롤러(124)에 의해 제어된다. 연료유량 컨트롤러(124)는 기체유량 제어 조립체(101)의 연료 트림 컨트롤러(130)에 의해 가감되는 연료유량 설정값을 수신한다. 한편, 공기 공급원(116)에서 나온 공기의 공기유량은 공기유량 컨트롤러(126)에 의해서 상기 조립체(101)의 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 결정된 설정 값으로 제어된다.
특히, 연료기체는, 연료전지(102)의 최적한 작동 및 전기 출력을 실현하는데 필요한 연료유량인 것이 바람직한 사전 결정된 유량으로 연료 공급원(110)에서 시스템(100)으로 공급된다. 본 명세서에서 설명하는 실시예의 경우, 전기 출력을 발생하는데 연료유량은 연료전지(102)의 양극(104)에서 소비되는 양을 대략 40% 초과한다.
연료유량을 초과하면, 결과적으로 양극 배기 기체 내에 미반응 연료가 존재하게 된다. 미반응 연료는 옥시다이저(118)에서 공기를 연소하여 필요한 온도까지 예열하는데 사용된다. 사전 결정된 연료유량은 시스템(100)의 소망하는 전기 출력과 연료 공급원(110)에서 공급되는 연료 기체의 가열 값 또는 수소 유량에 기초하여 결정된다. 열 질량 연료 유량계를 포함하는 연료유량 컨트롤러(124)는, 공급원(110)에서 나온 연료유량을 측정하고, 연료 조성 및 연료 가열 값의 변화에 기초하여 유량을 부분적으로 수정하고, 연료 유량을 상술한 사전 결정된 연료유량 설정값으로 제어한다.
가열 값 또는 제어된 실제 연료유량이 기대 값에서 변화한 경우, 연료 트림 컨트롤러(130)는 공기 트림 컨트롤러(126)의 입력에 따라 상세히 후술되는 자동 연료유량 조절 논리(automatic fuel flow adjustment logic) 방식을 사용하여, 사전-결정된 연료유량 설정 값을 조절한다.
도1에 도시되고 상술한 바와 같이, 공기 공급원(116)에서 나온 공기의 공기유량은 공기유량 컨트롤러(126)에 의해 공기 트림 컨트롤러(128)로 조절된 공기유량 설정 값으로 제어된다. 공기 트림 컨트롤러(128)는 소망하는 전기 출력 및 공기 공급원(116)에서 공급되는 공기의 온도에 기초하여 결정되는 사전 결정된 공기유량 설정 값을 조절한다.
본 발명에 의거, 공기 트림 컨트롤러(128)는 옥시다이저(118)에서 예열되어 음극 입구(106a)에 공급되는 산화기체를 사전 결정된 온도 또는 설정 온도(TSP)로 유지하도록 결정된 공기유량 설정 값을 조절한다. 이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 공기 트림 컨트롤러(128)는 음극 입구(106a)에 유입되는 산화기체의 온도를 설정 온도(TSP)와 비교하여, 조절 값 또는 공기 트림 값을 계산한 다음, 계산된 공기 트림 값에 기초하여 공기유량 설정 값을 조절한다. 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 계산된 공기 트림 값이 제로인 경우, 공기 트림 컨트롤러(128)에 의한 공기유량 설정 값의 변경은 실행되지 않는다. 계산된 공기 트림 값이 양(+)의 값이면, 공기 트림 컨트롤러(128)는 공기유량 설정 값을 공기 트림 값에 비례하는 양만큼 증가하고, 공기 트림 값이 음(-)의 값이면, 공기 트림 컨트롤러(128)는 공기유량 설정 값을 공기 트림 값에 비례하는 양만큼 감소한다.
특히, 공기 트림 컨트롤러(128)의 작동은 도2에 도시한 흐름도에서 상세하게 설명된다. 도시한 바와 같이, 제1스텝(S1)에서, 컨트롤러(128)는 음극 입구(106a)에 유입하는 산화기체의 온도를 측정한다. 다음 스텝(S2)에서, 공기 트림 컨트롤러(128)는 제1스텝(S1)에서 구한 산화기체의 온도를 설정 온도(TSP)와 비교한다. 상술한 바와 같이, 옥시다이저(118)에서 예열된 산화기체의 온도는 공기유량 및 양극 배기 기체에 존재하는 미반응 연료의 양에 따라 결정된다. 설정 온도(TSP)는 양극 배기 기체가 최적의 연료 유량을 보유하고, 공기유량이 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 결정된 가감 조절되지 않은 특정 설정 값인 경우에 설정된 사전 결정된 온도이다.
특정적으로, 양극 배기 기체 중의 연료 유량은 연료의 가열 값에 직접적으로 관계되며, 사전-결정된 연료유량은 연료의 최고 기대 가열 값에 기초하여 설정된다. 이 경우, 시스템(101)에 공급되는 연료가 최고의 기대 가열 값을 갖는 경우, 양극 배기 기체 중의 연료 유량은 최적한 것이다. 시스템 작동 중에 연료의 유량은 최적한 유량에서 벗어나며, 그 결과, 옥시다이저(118)에서 예열된 산화기체의 온도는 설정 온도(TSP)로부터 변화한다. 그런 연료 유량의 변화가 일어난 경우, 공기유량, 연료유량 또는 양쪽 유량을 조절함으로써 가열된 산화기체의 온도를 설정 온도(TSP)로 유지할 수 있다.
특정적으로, 양극 배기 중의 연료 유량이 최적한 유량보다 작고 음극 입구 온도가 설정 온도(TSP)보다 낮은 경우, 설정 온도(TSP)에 도달할 때까지 공기유량을 감소시키거나 연료유량을 증가시킴으로써 음극 입구 온도를 설정 온도(TSP)로 되돌릴 수 있다. 그러나, 양극 배기 중의 연료 유량이 최적한 유량을 초과하는 경우에는, 음극 입구 온도를 설정 온도까지 낮추도록 공기유량을 증가하거나 또는 연료유량을 감소시킴으로써 설정 온도(TSP)에 도달할 수 있다.
도2를 다시 참조하여 설명하면, 스텝(S2)에서 스텝(S1)으로 구한 산화기체의 음극 입구 온도가 설정 온도(TSP)와 동일한 것으로 공기 트림 컨트롤러(128)가 판정한 경우, 양극 배기 중의 연료 유량은 최적한 값이며, 공기 트림 컨트롤러(128)는 스텝(S3)에서 공기 트림 값을 제로(0)로 설정하고, 스텝(S8)으로 진행한다. 이 경우, 공기유량 설정 값은 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 변경되지 않기 때문에, 공기유량 설정은 상술한 사전-결정된 일정한 공기유량 설정 값을 유지한다. 다음, 공기유량은 공기유량 컨트롤러(126)에 의해 이 설정 값으로 제어된다.
스텝(S2)에서 공기 트림 컨트롤러가 산화기체의 음극 입구 온도와 설정 온도(TSP)가 동일하지 않다고 판정한 경우는 스텝(S4)으로 진행하며, 공기 트림 컨트롤러는 산화기체의 음극 입구 온도가 설정 온도(TSP)보다 높은지의 여부를 판정한다. 예스(yes) 이면, 공기 트림 컨트롤러는 스텝(S41)으로 진행하여 산화기체의 음극 입구 온도가 음극 입구 온도의 이전 측정된 값과 같거나 또는 그 값에서 사전 결정된 범위 내에 있는 지의 여부를 판정한다. 예스 이면, 공정은 스텝(S7)으로 진행하여 현재의 공기 트림 값이 유지된다. 노(no) 이면, 스텝(S42)으로 진행하여 산화기체의 음극 입구 온도가 이전에 측정된 음극 입구 온도보다 높은지의 여부가 판정된다. 노(no) 이면, 공정은 스텝(S6)으로 진행하여 공기 트림 컨트롤러가, 이 실시예에서는 1로 있는, 사전 결정된 증분으로 공기 트림 값을 감소시킨다. 예스 이면, 스텝(S5)에서 공기 트림 컨트롤러는 공기 트림 값을 증분 값 1로 증가시킨다.
스텝(S4)에서, 공기 트림 컨트롤러는 산화기체의 음극 입구 온도가 설정 온도(TSP) 밑이라고 판정한 경우, 스텝(S43)으로 진행하며, 공기 트림 컨트롤러는 산화기체의 음극 입구 온도가 이전에 측정된 음극 입구 온도 값과 동일한지 또는 그 값에서 사전 결정된 범위 내에 있는 지의 여부를 판정한다. 예스 이면, 공정은 스텝(S7)으로 진행하여, 공기 트림 컨트롤러는 공기 트림 값을 유지한다. 노(no) 이면, 공정은 스텝(S44)으로 진행하여, 공기 트림 컨트롤러는 산화기체의 음극 입구 온도가 이전에 측정된 음극 입구 온도보다 높은지를 판정한다. 노(no) 이면, 스텝(S6)으로 진행하여, 공기 트림 컨트롤러는 공기 트림 값을 사전 결정된 증분 값 1로 감소시킨다. 예스 이면, 스텝(S7)로 진행하여, 공기 트림 컨트롤러는 공기 트림 값을 증분 값 1로 증가시킨다.
다음, 스텝(S5, S6 또는 S7)에서 판정된 공기 트림 값은 스텝(S8)에서 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 공기유량 설정 값에 대한 조절 값을 계산하는데 사용된다. 이런 조절된 공기유량 설정 값은 공기유량 컨트롤러에 제공된다. 이 스텝에서, 다음과 같은 식을 사용하여 사전-결정된 공기유량 설정 값(ASP)에 대한 수정이 실행되며, 수정된 공기유량 설정 값(ASP)이 공기유량 컨트롤러(126)에 제공된다.
조절된 공기유량 = ASP + 공기트림 * 12 (1)
여기서, 조절된 공기유량(Adjusted Airflow)은 공기유량 컨트롤러(126)에 제공되는 공기유량 설정 값이며, ASP는 DC전류, 연료유량의 기대치, 연료의 가열 값의 기대치, 및 공기 공급원(116)에서 나온 공기의 온도에 기초하여 사전-결정된 공기유량의 설정 값이며, 공기트림(Air Trim)은 스텝(S5, S6 또는 S7)에서 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 계산된 공기 트림 값이다.
상기 (1)식에서 알 수 있듯이, 공기 트림 값이 제로이면, 조절된 공기유량은 일정한 공기유량 설정(ASP)과 동일하다. 공기 트림 값이 양(positive)이면, 더 많은 공기가 옥시다이저(118)에 공급되도록 조절 유량은 증가한다. 공기 트림 값이 음(negative)이면, 조절 유량은 유량 설정(ASP)보다 작아지고, 따라서 공기 공급원에서 옥시다이저(118)로 공급되는 공기는 감소한다. 공기 트림 컨트롤러(128)의 스텝(S9)에서의 작동에서, 공기 흐름은 스텝(S8)에서 계산된 조절된 공기유량으로 양극 배기 옥시다이저에 공급된다.
기체유량 제어 조립체(101)의 공기 트림 컨트롤러(128)에 의한 공기유량 설정 값을 조절하여, 산화기체가 연료전지의 음극(106)으로 전달되기 전에 온도 설정 값(TSP)까지 가열되어, 그 결과 적정한 양의 산화기체가 음극에 전달된다. 또한, 도1과 도2에 도시되고 상술한 바와 같이, 공기 트림 컨트롤러(128)의 작동은 연료전지 시스템에 대한 연료유량을 제어하는 피드백으로 연료 트림 컨트롤러에 의해 사용된다.
특정적으로, 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 계산된 공기 트림 값의 변화는, 시스템의 작동 중의 연료 기체의 유량(조성 및 가열 값)의 변화에 정비례한다. 본 발명에 의거, 공기 트림 값의 변화를 감지하고, 그 변화에 대응하여 연료유량 설정 값을 조절하기 위해 기체유량 제어 조립체(101)의 연료 트림 컨트롤러가 자동 연료유량 조절 논리를 사용한다. 특정적으로, 공기 트림 컨트롤러(128)에 의한 공기 트림 값의 변경에 대한 응답으로, 연료 트림 컨트롤러(130)는 공기 트림 값을 사전 결정된 범위 내에서 유지하도록 연료유량 설정 값을 조절한다. 본원의 실시예의 형태의 구성에서는 유지되는 사전 결정된 공기 트림 값의 범위는 0 ~ -1 사이이다. 연료유량 설정값은 연료의 현재 기대 가열 값과, 전기 출력을 생성하기 위한 연료전지(102)의 양극(104)에서 소비되는 양을 초과하는 원하는 과잉 연료유량을 기초로 하는 사전-결정된 값이다.
따라서, 연료 트림 컨트롤러(130)가 공기 트림 컨트롤러에 의해 계산되는 공기 트림 값의 감소를 감지하면, 연료 트림 컨트롤러(130)는 공기 트림 값을 사전 결정된 범위 내에서 하도록 추가 연료유량을 공급하기 위해 연료유량 설정 값을 변경한다. 마찬가지로, 연료 트림 컨트롤러는 공기 트림 값의 증가가 감지된 경우에는, 공기 트림 값이 지정된 범위 내에 들어갈 때까지 연료의 양을 감소하기 위해 연료유량 설정 값은 연료 트림 컨트롤러(130)에 의해 수정된다.
다음, 도3을 참조하여 연료 트림 컨트롤러(130)의 동작을 상세히 설명한다. 도3은 연료 트림 컨트롤러(130)의 자동 연료유량 조절 논리의 흐름을 나타낸 순서도이다. 도3에 나타낸 바와 같이, 제1스텝(S101)에서, 연료 트림 컨트롤러(130)는 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 계산된 공기 트림 값의 변화를 나타내는 신호를 공기 트림 컨트롤러(128)에서 수신한다.
자동 연료유량 조절 논리 흐름의 제2스텝(S102)에서, 연료 트림 컨트롤러(130)는 공기 트림 값이 0과 같은 지의 여부를 판정한다. 공기 트림 값이 0 인 경우, 연료유량 설정 값에 대한 조절은 실행되지 않는다. 공기 트림 값이 0과 같지 않다고 조절 논리가 판정한 경우에는, 스텝(S103)으로 진행하여 연료 트림 컨트롤러(130)에 의해 판정된 공기 트림 값을 0 으로 변화시키는 연료 수소 유량 매개변수(TH2)를 변화시킴으로써, 스텝(S104)에서 연료유량을 변화시킨다. 수소 유량 매개변수(TH2)는 1입방 피트의 연료에서 생산되는 입방 피트의 수소 부피를 나타내는 매개변수이다. 예를 들어, >99% 메탄을 보유하는 연료 기체 TH2는 4 이다. 따라서, 매개변수(TH2)는 기체 조성 및 가열 값을 확정하고, 연료유량 설정 값을 계산하는데 사용된다. 높은 TH2는 높은 가열 값의 연료 기체를 나타내고, 낮은 TH2는 낮은 가열 값의 기체를 나타낸다.
스텝(S103)에서, (TH2)매개변수는 작은 증가 또는 감소로 조절된다. 본원의 실시예의 경우, (TH2)매개변수의 조절 증가는 0.02도 있을 것이다. (TH2)매개변수는 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 계산되는 공기 트림 값이 소망 값, 이 경우에는 "0" 에 도달 할 때까지 조절된다. 조절 후 (TH2)매개변수는 사전-결정된 최고 기대치를 초과한다. 또한, 연료 트림 컨트롤러(130)에 따르면, (TH2)매개변수의 허용 변화 량은 한정되어 있었다. 본원의 실시예의 경우, (TH2)매개변수의 최대 변화는 6%로 제한된다. (TH2)매개변수가 연료 트림 컨트롤러(130)에 의해 감소되면, 연료유량 설정 값은 증가되고, 상기 매개변수가 증가된 경우에는 연료유량 설정 값은 감소하게 된다.
따라서, 스텝(S103)에서, 연료 트림 컨트롤러(130)는 공기 트림 값을 원하는 공기 트림 값, 예를 들면 "0" 으로 공기 트림 값을 유지하기 위해 (TH2)매개변수를 능동적으로 조절한다. (TH2)매개변수의 조절 후, 연료유량은 스텝(S104)에서 변경된다.
경우에 따라서는 (TH2)매개변수가 최대 허용된 양으로 변경된 후처럼 연료 트림 컨트롤러(130)가 (TH2)매개변수를 조절하여 원하는 공기 트림 값을 유지하지 못할 수도 있다. 연료 트림 컨트롤러가 원하는 공기 트림 값을 유지할 수 없는 경우에는 연료 트림 컨트롤러의 동작은 스텝(S105)으로 진행한다. 마찬가지로 스텝(S104)에 따르는 스텝(S105)에서는 연료 트림 컨트롤러(130)가 공기 트림 값이 -1보다 작은 지의 여부를 판정한다. -1 미만인 경우, 동작은 스텝(S106)으로 진행하여 높은 연료 트림 알람이 기동(trigger)된다. 높은 연료 트림 알람은 연료의 가열 값이 예상 값보다 크게 낮고 그리고 (TH2)매개변수를 감소시키어 연료 트림이 이미 최대 허용된 범위까지 조절된 것을 보여준다. 높은 연료 트림 알람은 연료의 가열 값을 검사하는 것을 운영자에게 촉구한다. 연료의 가열 값이 더 변화하면, 공기 트림 값은 "-1" 밑으로 더 떨어질 때까지 계속하여 감소할 수도 있다. 이 경우, 도2와 관련하여 상술한 바와 같이, 음극에 유입되는 기체의 온도를 원하는 온도 설정 값을 유지하기 위해 공기 트림 컨트롤러(128)가 공기 트림 값을 변경한다. 이 변경은 총 공기 유량에 영향을 미친다.
공기 트림 값이 양의 값이면, 연료 트림 컨트롤러(130)는 공기 트림 값이 "0"에 도달할 때까지 또는 (TH2)매개변수가 사전 결정된 최고 기대 값에 도달할 때까지 (TH2)매개변수를 증가시킨다. 연료 기체의 가열 값이 최고 기대 가열 값을 넘어 더욱 증가하면, 공기 트림 값은 더 증가할 수 있다.
스텝(S106)의 높은 연료 트림 알람의 기동에 이어, 또는 스텝(S105)에서 공기 트림 값이 양의 값인 것으로 연료 트림 컨트롤러(130)가 판정한 경우, 조절 논리의 동작은 스텝(S107)으로 진행한다. 스텝(S107)에서, 연료 트림 컨트롤러(130)는 공기 트림 값이 사전 결정된 값, 예를 들면 5보다 큰 지의 여부 또는 사전 결정된 값, 예를 들면 -5보다 작은 지의 여부를 확인한다. 도3에 도시된 바와 같이, 공기 트림 값이 5보다 크거나 또는 -5보다 작은 경우, 동작은 스텝(S108)으로 진행하여 높은 공기 트림 알람이 기동된다. 높은 연료 트림 알람(high fuel trim alarm)의 기동을 수반하지 않는 높은 공기 트림 알람의 기동은 연료 기체의 가열 값이 최고 기대 값보다 현저히 높은 것을 보여준다. 높은 연료 트림의 알람을 수반하는 높은 공기 트림 알람의 기동은 연료 기체의 가열 값이 기대치보다 상당히 낮은 연료 트림 컨트롤러(130)가 더 이상의 보정을 수행할 수 없음을 의미한다. 이 알람은 수정행동을 시작하는 것을 작업자에게 촉구한다.
도1에 도시된 바와 같은 연료유량 트림 제어부를 가진 기체유량 제어 조립체(101)를 사용하는 시스템(100)의 성능을 시험하고, 이 제어부를 갖지 않은 동일한 시스템과 비교했다. 도4는 시험된 시스템의 성능 데이터를 그래프로 나타낸 것이다. 도4에서 X-축은 시스템(100)의 작동 시간을 나타내고, Y-축은 scfm 단위의 연료유량, 암페어의 DC전류, 및 scfm 단위의 공기유량을 나타낸다. 연료 트림 제어부를 설치한 시스템의 성능을 시험할 때, 연료유량, 공기유량, 및 시스템에 의해 생성된 DC전류를 시스템 작동 중에 기록했다.
제1작동기간 동안 시험된 연료전지 시스템은 시스템에 대한 연료유량을 수정하기 위해, 연료 트림 컨트롤러(130)를 갖지 않은 기체유량 제어 조립체를 사용했다. 제2작동기간 동안 시험된 시스템은 도1에 도시된 바와 같이 연료 트림 컨트롤러(130)를 사용하는 기체유량 제어 조립체(101)를 포함했다. 도면에 도시한 바와 같이, 제1작동기간 동안 연료유량은 약 30.1 scfm에서 거의 일정하지만, 공기유량이 590 내지 760 scfm 범위에서처럼 연료의 유량의 변화에 따라 공기유량에 빈번한 조절이 실행됐다.
제2작동기간 동안, 연료유량이 약 29.3 ~ 31 scfm의 범위가 공기유량이 630과 720 scfm 의 범위가 되도록, 연료유량 및 공기유량 모두는 기체유량 제어 시스템에 의해 조절된다. 제1 및 제2작동기간 동안 시스템에 의해 생성된 DC전류는 약 700암페어에서 비교적 일정하게 유지했다. 도4의 성능 데이터에서 알 수 있는 바와 같이, 연료 트림 컨트롤러(130)의 자동 연료유량 조절 논리 흐름 방식을 사용하는 기체유량 제어 조립체(101)는, 시스템에 공급되는 연료유량의 보다 정밀한 제어를 채용해서, 그 결과 공기유량의 변화는 작아진다. 그런 정밀한 제어를 통해 시스템은 연료 유량의 변화에 빠르게 적응할 수 있으므로 적절한 양의 연료가 시스템에 공급되며, 시스템에 의해 생성되는 전류는 일정한 수준으로 유지된다.
상술된 모든 경우에서, 상술된 배열 및 장비는 본 발명을 적용하는 가능한 많은 특정 실시예를 설명하고자 기재한 것으로 이해되어야 하며, 본 발명은 발명의 정신을 이탈하지 않는 범위 내에서 이루어지는 다른 많은 배열 및 장비에 적용할 수 있는 것이다.

Claims (26)

  1. 연료전지 시스템에 사용하기 위한 기체유량 제어 조립체에 있어서, 상기 기체유량 제어 조립체는:
    연료전지 시스템의 양극 측에서 나오는 양극 배기 기체의 유량의 변화에 기초하여 상기 연료전지 시스템의 음극 측으로 흐르는 공기의 유량을 조절하는 공기유량 제어 조립체와;
    상기 공기유량 제어 조립체에 의한 상기 공기의 유량에 대한 조절에 기초하여 상기 연료전지 시스템의 양극 측으로 흐르는 연료의 유량을 제어하는 연료유량 제어 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체유량 제어 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료전지 시스템은 미반응 연료를 보유하는 사전 결정된 유량의 양극 배기 기체를 사용하여 공기를 사전 결정된 온도까지 예열하는 산화 장치를 포함하며;
    상기 공기유량 제어 조립체는 양극 배기 기체의 유량의 변화에 의해 일어나는 예열된 공기의 사전 결정된 온도로부터 온도의 변화에 기초하여 상기 공기의 유량을 조절하여, 상기 사전 결정된 온도로 예열된 공기의 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 기체유량 제어 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 공기유량 제어 조립체는: 상기 공기의 유량을 공기유량 설정 값까지 제어하는 공기유량 컨트롤러이며, 제어 결과, 상기 양극 배기 기체의 유량이 상기 사전 결정된 유량이 되면, 상기 산화 장치가 상기 공기를 사전 결정된 온도까지 예열하는 공기유량 컨트롤러와;
    상기 공기유량 설정 값을 상기 공기유량 컨트롤러에 공급하고, 상기 예열된 공기의 온도를 사전 결정된 온도에 비교하여 조절 값을 결정하고, 상기 조절 값에 기초하여 상기 공기의 유량 설정 값을 조절하는 공기 트림 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체유량 제어 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 예열된 공기의 온도가 상기 사전 결정된 온도보다 낮은 경우, 상기 공기 트림 컨트롤러는 상기 예열된 공기의 온도의 감소 또는 증가를 위해 상기 조절 값을 증분식으로 저하 또는 상승시키고; 예열된 공기의 온도가 상기 사전 결정된 온도보다 높은 경우, 상기 공기 트림 컨트롤러는 상기 예열된 공기의 온도의 증가 또는 감소를 위해 상기 조절 값을 증분식으로 상승 또는 저하시키고; 상기 조절 값은 상기 공기 트림 컨트롤러에 의한 공기유량 조절에 정비례하는 것을 특징으로 하는 기체유량 제어 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 증분 값은 1 이며, 상기 공기 트림 컨트롤러는, "공기의 유량 = 공기유량 설정 값 + 조절 값 * 12" 이도록 상기 공기유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 기체유량 제어 조립체.
  6. 제4항에 있어서, 상기 연료유량 제어 조립체는 상기 연료전지 시스템에 대한 연료유량 설정 값을 조절하는 연료 트림 컨트롤러를 포함하고, 상기 연료 트림 컨트롤러는 상기 공기 트림 컨트롤러에 의해 계산된 상기 조절 값을 수신하고, 상기 조절 값을 사전 결정된 범위 내에서 유지하도록 상기 연료유량 설정 값을 조절하는 것을 특징으로 하는 기체유량 제어 조립체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 증분 값은 1 이며, 상기 연료 트림 컨트롤러는 상기 조절 값을 0 ~ -1 범위로 유지하도록 연료유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 기체유량 제어 조립체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 연료 트림 컨트롤러는 상기 조절 값이 -1 보다 작은 값인 경우에 상기 연료유량을 증가하는 것을 특징으로 하는 기체유량 제어 조립체.
  9. 제6항에 있어서, 상기 연료유량 제어 조립체는, 상기 연료 트림 컨트롤러가 사전 결정된 연료유량 설정 값을 조절한 후, 연료 공급원의 연료유량을 상기 연료유량 설정 값으로 제어하는 연료유량 컨트롤러, 및 상기 연료유량을 측정하는 연료 유량계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 기체유량 제어 조립체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 연료전지 시스템에 의해 사전 결정된 전기 출력을 생성하기 위해 상기 사전 결정된 연료유량은 최소한의 연료유량을 초과하는 것을 특징으로 하는 기체유량 제어 조립체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 사전 결정된 연료유량은 상기 최소한의 연료유량을 40% 초과하는 것을 특징으로 하는 기체흐름 제어 조립체.
  12. 제11항에 있어서, 상기 연료 유량계는 열적 질량 유량계인 것을 특징으로 하는 기체유량 제어 조립체.
  13. 제12항에 있어서, 상기 공기의 유량 설정 값은 상기 연료전지 시스템의 사전 결정된 전기 출력 및 연료전지 시스템에 공급되는 상기 공기의 온도에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 기체유량 제어 조립체.
  14. 공기 공급원 및 연료 공급원을 함께 사용하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지 시스템은:
    양극 측과 음극 측을 가진 연료전지와;
    양극 측에 공급하기 위해 연료 공급원에서 나온 연료를 받는 연료 입구와;
    음극 측에 산화기체를 공급하기 위해 공기 공급원에서 나온 공기를 받는 공기 입구와;
    상기 공기 입구에서 나온 공기의 공기유량을 조절하는 공기유량 제어 조립체와, 상기 연료 입구에서 나온 연료의 연료유량을 조절하는 연료유량 제어 조립체를 구비한 기체유량 제어 조립체를 포함하며;
    상기 연료유량 제어 조립체는 상기 공기유량 제어 조립체에 의한 상기 공기유량의 조절에 기초하여 상기 연료유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  15. 공기 공급원 및 연료 공급원을 함께 사용하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지 시스템은:
    양극 측과 음극 측을 가진 연료전지와;
    양극 측에 공급하기 위해 연료 공급원에서 나온 연료를 받는 연료 입구와;
    음극 측에 산화기체를 공급하기 위해 공기 공급원에서 나온 공기를 받는 공기 입구와;
    청구항 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 기체유량 제어 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  16. 공기 공급원 및 연료 공급원을 함께 사용하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지 시스템은:
    양극 측과 음극 측을 가진 연료전지와;
    양극 측에 공급하기 위해 연료 공급원에서 나온 연료를 받는 연료 입구와;
    음극 측에 산화기체를 공급하기 위해 공기 공급원에서 나온 공기를 받는 공기 입구와;
    청구항 제4항에 따른 기체유량 제어 조립체를 포함하며;
    상기 설정 값 공기유량은 상기 시스템의 사전 결정된 전기 출력과 상기 공기 공급원으로부터 공급된 산화기체의 온도에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 제15항에 있어서, 상기 시스템은 연료 입구로부터의 연료를 사전 처리하는 연료처리 조립체와, 사전 처리된 연료를 가열하는 열 교환기를 포함하며,
    상기 열 교환기의 출구는 상기 양극 측의 입구와 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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