KR101423346B1 - 빠른 부하 회복 절차를 사용하여 고온 연료 전지에서 고 출력 작동의 회복을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

가습된 연료를 생성하기 위하여 입력 연료와 입력수를 결합하는 가습 조립기, 가습된 연료를 수용하는 양극과 입력 산화성 물질을 수용하는 음극을 구비한 연료 전지 및 출력 설정점과 검출된 부하에서의 변화에 기초하여 연료 전지 시스템에 대한 파워 부하를 조절하는 파워 부하 제어기를 포함하는 입력 연료, 입력 수 및 입력 산화 물질을 수용하는 연료 전지 시스템. 부하가 고 부하에서 저 부하로 강하되고 그 후 높은 목표 출력으로 램프되는 능력이 복원된 경우, 하나 이상의 소정의 조건들 모두가 충족되면 제1 소정의 비율에서 상기 저 부하에 상당하는 출력으로부터 상기 고 부하에 상당하는 높은 목표 출력으로 증가하도록 상기 연료 시스템의 출력을 제어함으로써 상기 제어기는 빠른 부하 회복 절차를 수행하도록 채택되고, 상기 하나의 소정의 조건이 충족되지 않으면 제2 소정의 비율에서 상기 높은 목표 출력에 상당하는 출력으로 상기 출력을 증가시키도록 출력을 제어함으로써 상기 제어기가 표준 부하 회복 절차를 수행한다.
가습된 연료, 입력수, 입력 연료, 빠른 부하 회복 절차, 표준 부하 회복 절차.

Description

빠른 부하 회복 절차를 사용하여 고온 연료 전지에서 고 출력 작동의 회복을 위한 시스템 및 방법{METHOD AND SYSTEM FOR RECOVERING HIGH POWER OUTPUT OPERATION OF HIGH TEMPERATURE FUEL CELLS BY USING A RAPID LOAD RECOVERY PROCEDURE}
이 발명은 연료전지 특히 연료 전지 시스템에서 파워 부하 회복의 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 전기 화학 반응에 의하여 직접적으로 탄화수소 연료에 저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하는 장치이다. 일반적으로 연료 전지는 전해액에 의해 분리되는 양극과 음극을 포함하고, 전해액은 전기적으로 대전된 이온을 전도하도록 제공한다. 강력한 파워 레벨을 생성하기 위해, 수많은 개별적인 연료 전지가 각각의 전지 사이의 전기적인 전도성 분리 판에 의해 순차적으로 쌓여져 있다.
산화하는 가스가 음극을 통과하는 반면, 연료 전지는 반응하는 연료 가스가 음극을 통과하도록 함으로써 작동한다. 연료 전지 시스템의 전기적인 출력은 부분적으로 가습된 연료 가스와 산화하는 가스가 각각 양극과 음극으로 공급되고 이송되는 비율에 의존한다. 저 부하에서 높은 목표 파워 출력에 상응하는 고 부하로 연 료 전지 시스템의 출력을 증가시키거나 또는 램프(ramp)하기 위해서는, 가습된 연료 가스와 상기 산화 가스가 연료 전지에 공급되는 비율이 상응하여 증가된다.
용융탄산염연료전지("MCFCs")와 고체산화물연료전지("SOFCs")와 같은 고온 연료 전지 시스템은 약 250kW 또는 그 이상의 높은 출력에서 작동할 수 있다. 그러나, 연료 전지 시스템에서 출력 또는 부하가 변할 때, 시스템의 열적 프로파일 또한 변화하는 전기화학 반응률에 응합하여 변화하게 되며, 연료 전지 스택에 열 및 기계적 스트레스를 부여한다. 연료 전지 스택 안에서 상대적으로 일정한 열적 프로파일을 유지하고 상기 스택에 열적-기계적 스트레스를 최소화하기 위해, 시스템에서의 출력과 이로 인하여 부하의 증가는 전형적으로 느리고 제어된 비율로 만들어져야 한다. 예를 들어, 저 부하에서 작동하는 MCFC 시스템에 대한 출력은 상기 시스템이 높은 목표 출력에 도달할 때까지 전형적으로 0.5kW/min의 비율로 증가된다. 결과로서, 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택에 해로움을 주지 않고 고 부하 작동 상태에 도달하기 위해 상당한 양의 시간이 필요하다.
일정한 환경에서, 고 부하 상태에서 작동하는 연료 전지 시스템은 갑자기 고 부하에서 저 부하로 강하할 수 있다. 부하와 이에 의한 출력에서의 그러한 갑작스런 강하는 파워 그리드(power grid)에 연결된 연료 전지 시스템이 상기 그리드에서 분리되고 이에 의해 그리드에 의해 생성된 부하 소스(source)를 제거하고 시스템의 부하를 고립된 부하로 감소하는 짧은 기간의 그리드 파열에 의해 유발될 수 있다. 다른 경우, 출력에서 갑작스런 강하는 연료 스위칭과 같은 과정의 변화를 허용하거나, 또는 시스템의 구성요소의 고장을 해결하는 제어기에 의해 명령되어 진다. 이 러한 갑작스럽게 명령된 출력에서의 강하는 저 부하 조건 또는 제로 부하 조건을 초래할 수 있다.
고 부하로 램프(ramp)되는 시스템의 능력의 응답에서, 전형적인 방법은 저 부하에서 고 부하로 천천히 점진적인 비율로 연료 전지의 출력을 증가하거나 램프하여 높은 목표 출력에 도달하는 것이다. 높은 목표 출력은 대체로 선행하는 고 부하와 동등하다. 전형적인 방법은 상당한 양의 시간을 요구하고 이로써, 시스템의 전기적 출력 및 효율에서 상당한 감소를 초래한다.
따라서, 연료 전지 스택에 해로움을 유발하지 않고 연료 전지 시스템이 상기 파열 후에 고 부하 작동 상태로 급속히 회귀하도록 허용하는 부하의 급속한 회복이 바람직하다.
그런 까닭에 본 발명이 목적은 고 부하에서 저 부하로 되풀이되는 강하 후에 연료 전지 시스템에서 고 부하 상태의 급속한 회복 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 연료 전지 스택에 열 및 기계적 스트레스를 최소화하는 빠른 부하 회복 방법을 제공하는 것이다.
상기 및 다른 목적은 연료 전지 시스템에서 출력을 조절하기 위한 파워 부하 제어기와 연료 전지를 구비한 연료 전지 시스템에서 실현된다. 부하가 고 부하에서 저 부하로 강하하고 후에 높은 목표 출력으로 램프되는 능력이 회복되면 파워 부하 제어기는 부하 회복 절차를 수행하도록 적용된다. 높은 목표 출력은 고 부하에서 저 부하로의 강하 전의 고 부하와 실질적으로 동일하거나 비슷하다. 특히, 상기 제어기는 하나 이상의 소정의 조건이 모두 충족되면 제1 소정의 비율로 저 부하에 상응하는 출력에서 고 부하에 상응하는 높은 목표 출력으로 증가하는 연료 전지 시스템의 출력을 제어함으로써 빠른 부하 회복 절차를 수행하도록 적합되고, 소정의 조건중 적어도 하나가 충족되지 않으면 제1 소정의 비율보다 낮은 제2 소정의 비율로 높은 목표 출력에 상응하는 출력으로 증가시키는 출력을 제어함으로써 표준 부하 회복 절차를 수행하도록 적합해진다. 고 부하는 저 부하보다 적어도 10kW 더 크고 고 부하에서 저 부하로 부하 강하는 10초 또는 그 이하의 시간 동안에 걸친 순간적인 부하 강하이다.
몇몇의 설명적인 구성에서, 연료 전지 시스템은 입력 연료, 입력수(water) 및 입력 산화성 물질을 수용하고 추가적으로 가습된 연료을 생성하기 위해 입력 연료를 물과 함께 혼합하는 가습조립기를 포함한다. 상기 제어기는 적어도 입력 연료와 입력수의 유동 비율을 제어함으로써 연료 전지 시스템의 출력을 제어하며, 상기 제어기에서 빠른 부하 회복 절차의 수행 동안 스팀에 대한 탄소의 비율이 일정하도록 입력 연료와 물의 유동 비율이 제어된다. 몇몇 구성에서, 또한 상기 제어기는 상기 시스템에 대한 입력 산화성 물질의 유동 비율을 제어한다.
몇몇의 설명적인 구성에서, 빠른 부하 회복 절차를 수행하는 소정의 조건은 고 부하에서 저 부하로 부하의 강하와 높은 목표 출력에 램프되는 능력의 회복 사이에 경과 되는 시간은 제1 소정의 기간과 이하인 제1 조건과 선행하는 빠른 부하 회복 절차가 완수된 후에 경과 되는 시간은 제2 소정의 시간과 이상인 제2 조건을 포함한다. 제1 소정의 시간의 예는 15분이고 제2 소정의 시간의 예는 90분이다. 제1 및 제2 소정의 비율의 예는 각각 50kW/min와 0.5kW/min이다. 몇 가지 예에서, 소정의 조건은 추가적으로 연료 전지 시스템에서 어떠한 출력 알람도 활성화되지 않는다는 제3조건을 포함한다.
연료 전지 시스템의 몇몇의 설명적인 구성에서, 연료 전지 시스템은 파워 그리드에 연결되고 시스템에서의 부하는 상기 제어기에 의해 정해진다. 다른 구성에서, 연료 전지 시스템은 파워 그리드에 독립적이고 부하는 연료 전지 시스템에 연결된 하나 이상의 출력 소비 장치에 의해 결정된다.
또한, 입력 연료, 입력수 및 입력 산화성 물질을 구비하고 가습 조립기와 양극 및 음극을 갖는 연료 전지를 포함하는 연료 전지 시스템을 작동하는 방법이 기재된다.
본 발명의 상기 및 다른 특징 및 국면은 다음 부수되는 도면과 결합하여 다음의 상세한 설명을 읽으면 더욱 분명해 질 것이다.
도 1은 상기 시스템의 출력을 제어하고 빠른 부하 회복을 수행하기 위한 부하 제어 조립기를 채택하는 연료 전지 시스템을 보여준다.
도 2는 도 1의 부하 제어 조립기의 제어기의 작동 순서도를 보여준다.
도 3은 적절한 부하 회복 절차를 선택하는데 있어서 도 1의 부하 제어 조립기의 제어기의 작동 순서도를 보여준다.
도 4는 파워 그리드로부터 시스템의 일시적인 단절 후에, 파워 그리드에 작동하는 도 1의 연료 전지 시스템의 작동 순서도를 보여준다.
도 1 은 연료 전지 시스템(100)을 보여준다. 연료 전지 시스템(100)은 시스템(100)에 정해진 부하, 출력 설정점(501A) 및 부하에서의 변화에 일치하여 시스템이 작동하는 동안, 연료 전지 시스템(100)의 출력(100A)를 제어하고, 때때로 부하 및 부하에서의 변화를 결정하는 파워 부하 제어기(501)를 포함한다. 상기 출력 설정점은 정해진 부하와 부하에서의 변화에 기초하여 제어기에 의해 조절되는 이동 설정점이며 파워 플랜트가 그리드 연결되는 동안 주어진 시간에 연료 전지 시스템(100)으로부터의 바람직한 출력에 상응하고, 파워 플랜트가 고립 모드 또는 그리드 단절되는 동안에는 실제의 출력에 상응한다. 특히, 제어기(501)는 출력 설정점(501A)에 기초하여 연료 공급기(102)로부터의 적어도 하나의 입력 연료와 물 공급기(132)에서 시스템으로의 입력수의 유동 비율을 조절함으로써 시스템(100)의 출력(100A)를 제어한다. 이해될 수 있는 것처럼, 입력 연료와 입력수(input water)가 상기 시스템(100)에 공급되는 비율은 연료 전지 시스템에 의해 생성되는 전기 파워의 허용 양과 상기 시스템(100)의 연료 전지(109)에 공급되는 연료의 탄소에 대한 스팀 비율을 결정하고, 연료와 물의 유동 비율은 상기 시스템에 의해 생성되는 전기 파워가 출력 설정점을 충족하도록하는 방식이 바람직하다. 몇몇의 구성에서, 또한, 상기 제어기(501)는 연료, 물 공기 유동 비율을 변화함으로써 공기 공급기(124)에서 시스템(100)으로의 입력 공기 유동 비율과 상기 시스템(100)에서의 작동 온도를 조절한다.
도 1에 보이는 것처럼, 또한, 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지(109)에서 사용되는 연료를 충분히 가습하기 위해 입력 연료와 입력수을 수용하여 결합하는 가습 조립기(105)를 포함한다. 보이는 설명적인 구성에서, 가습 조립기(105)는 가습된 연료를 생성하기 위해 입력 연료와 물을 수용하여 결합하는 혼합기 및 소정의 온도로 가습된 연료를 예열하는 열 교환기를 포함한다. 보이는 것처럼, 가습 조립기(105)는 연결 라인(103a)와 밸브(112)를 통해 연료 공급부(102)로부터 입력 연료와 연력 라인(133)과 밸브(134)를 통해 물 공급기(132)로부터 입력수을 수용한다. 가습기(105)의 혼합기에서, 연료와 물은 가습된 연료를 생성하기 위해 혼합되고 소정의 온도로 가열된다.
도 1에서 연료 전지 시스템(100)은 상기 예열되고 가습된 연료를 수용하고 세척하며 추가적으로 처리하는 연료 처리 조립기(104)를 포함한다. 상기 처리 조립기(104)는 환원기 및/또는 프리리포머(pre-reformer)장치를 포함할 수 있다. 처리 조립기(104)에서 처리가 된 후에, 상기 연료는 연결 라인(107)을 통해 연료 전지(109)의 연료 전지 양극(108)으로 이송되고, 연료 전지 양극에서 연료는 전기 출력을 생성하기 위해 연료 전지(109)의 연료 전지 음극(110)을 통해 지나가는 산화 가스와 반응한다. 공기 공급기(124)로부터의 입력 공기와 연료 전지의 양극(108)으로부터 소모되지 않은 연료를 포함하는 양극의 배출 가스를 수용하고 혼합하며 상기 입력 공기와 소모되지 않은 연료를 연소하여 음극(110)에서 사용하기 적합한 가열된 산화 가스를 생성하는 산화기(126)에서 음극(110)에 입력되는 산화가스가 생성된다.
위에서 언급되고, 도 1에서 보이는 것처럼, 예를 들어 새로운 높은 목표 출 력으로 램프(ramp)될 때와 같이, 연료 공급기(102)로 부터의 입력 연료 유동률과 물 공급기(132)로 부터의 입력수 유동률은 출력 설정점과 출력 설정점에서의 변화에 기초하여 부하 조절 조립기(101)의 파워 부하 제어기(501)에 의해 조절된다. 출력 부하 제어기(501)의 작동은 도 2에서 보이는 차트에서 도식적으로 설명된다.
도 2에서 보이는 것처럼, 출력 부하 제어기(501)는 제1 단계 S1에서 시스템(100)에의 전기 부하 및/또는 선행하여 정해진 부하에 상대적인 부하에서의 어떠한 변화를 정한다. 이해될 수 있는 것처럼, 연료 전지 시스템(100)이 출력 그리드에 연결되면, 안정적이고 일정한 전압을 공급하는 상기 그리드가 연료 전지 시스템으로부터 전체 부하를 흡수할 수 있기 때문에 상기 부하는 임의의 소정의 설정점으로 구동되며 요구되는 것과 같이 진동될 수 있다. 연료 전지 시스템(100)이 파워 그리드에 연결되지 않을 때, 상기 부하는 연료 전지 시스템(100)에 연결되어 전기 파워를 수용하는 부하인 "고립 부하"에 의해 결정된다. 제1 단계 S1에서의 결정에 기초하여, 상기 제어기(501)는 상기 출력 설정점을 결정하고 충분한 전기 파워가 상기 출력 설정점을 충족하기 위해 상기 시스템(100)에 의해 출력되도록 입력 연료와 입력수 유동 비율을 조절함으로써 제2 단계 S2에서 시스템의 출력을 제어한다. 연료 전지 시스템이 파워 그리드에 연결되지 않으면, 상기 출력 설정점은 상기 고립 부하 조건이 충족되도록 고립 부하에 대응하게 설정된다.
도 2에서 보이는 것처럼, 제어기(501)는 그 후 제3 단계 S3로 진행한다. 제3 단계 S3에서는 제1 단계 S1에서의 결정에 기초하여, 상기 제어기는 고 부하에서 저 부하로 출력에서의 순간적인 강하가 발생했는지 결정한다. 이러한 설명적인 예시에 서 고 부하는 저 부하보다 적어도 10kW 크도록 고 부하가 저 부하에 상대적이다. 따라서, 상기 출력에서의 순간적인 강하는 10초 이하의 시간에서 발생하는 적어도 10kW의 강하이다. 위에서 언급된 것처럼, 고 부하에서 저 부하로 출력에서의 순간적인 강하는 시스템이 파워 그리드에서부터의 단절에 의해 발생할 수 있고, 상기 부하는 "고립 부하"가 된다. 그렇지 않으면, 상기 시스템이 그리드 연결을 유지하는 동안, 부하에서의 순간적인 강하는 예을 들면, 연료를 교환하는 것과 같이, 저 부하 또는 무부하에서 수행되어야 하는 시스템의 변화를 이용하도록 부하를 즉각적으로 강하하는 출력 설정점의 변화에 기인할 수 있고 또는 시스템 구성의 고장에 의해서 일 수 있다. 제어기(501)가 단계 S3에서 출력이 실질적으로 일정하고 고 부하에서 저 부하로 출력에서 순간적인 강하가 발생하지 않았다는 것을 결정하면, 상기 제어기(501)는 제1 단계 S1 그 후 단계 S2로 돌아가서 부하 및 부하에서의 변화를 모니터닝하는 것을 계속하고 제2 단계 S2에서 결정된 출력 설정점과 일치하는 입력 연료와 입력수의 유동 비율을 제어함으로써 상기 시스템의 출력을 제어한다.
제3 단계 S3에서, 상기 파워 부하 제어기는 출력이 고 부하에서 저 부하로 순간적으로 강하하는 것을 결정하고, 그 후 상기 제어기(501)는 상기 제어기가 부하에서의 강하의 원인을 결정하고 높은 목표 출력으로 램프되는 시스템의 능력이 복구되는지 결정하는 제4 단계 S4로 진행한다. 상기 높은 목표 출력은 출력에서 순간적인 강하에 선행하는 고 부하 조건과 실질적으로 동일하거나 가까운 고 부하 조건에서 바람직한 출력이다. 예를 들면, 출력에서 순간적인 강하가 파워 그리드로부터의 단절에 의해 유발될 때, 높은 목표 출력으로의 램프되는 능력은 시스템의 파 워 그리드로의 재연결에서 복구된다. 또 다른 예에서, 고 부하에서 저 부하로 출력에서 순간적인 강하가 예을 들어, 무부하 연료 변경을 촉진하도록 제어기에 의해 명령될때, 출력을 램프하는 능력은 무부하 연료 변경의 완수로 복구된다.
상기 제어기가 단계 S4에서 높은 목표 출력으로의 램프하는 능력이 회복되지 않았다는 것을 결정하면, 그 후, 상기 제어기의 작동은 단계 S4에서 결정된 부하에 기초하여 입력 연료 및 입력수 유동 비율을 제어함으로써 시스템의 출력을 제어하는 단계 S5로 진행한다. 단계 S5 다음에 상기 제어기의 작동은 부하와 높은 목표 출력으로 램프되는 능력이 복원되었는지를 다시 결정하는 단계 S4로 돌아간다. S4에서 다시 높은 목표 출력으로의 램프되는 능력이 결정되지 않았다는 것이 결정되면, 상기 제어기는 단계 S4에서 높은 목표 출력으로의 램프되는 능력이 복원되었다는 것이 결정될 때까지, 높은 목표 출력으로의 램프되는 능력을 모니터하고 결정된 부하(단계 S4 및 S5)에 기초하여 시스템의 출력을 제어하는 것을 계속한다.
상기 제어기(501)가 제4 단계 S4에서 높은 출력으로의 램프되는 능력이 복원되었다는 것을 결정하면, 상기 제어기의 작동은 출력이 높은 목표 출력을 충족하기에 충분하도록 높을 때까지 상기 제어기(501)가 연료 전지 시스템(100)의 출력 설정점을 증가하거나 램프하여 이렇게 출력을 증가하거나 램프하도록 사용되는 적절한 파워 부하 회복 절차를 선택하는 단계 S6으로 진행한다. 특히, 제어기(501)는 단계 S6에서 상기 시스템의 고 출력 작동을 회복하기 위해 표준의 부하 회복 절차 또는 빠른 부하 회복 절차가 사용될 것인지 결정한다. 단계 S6에서 적절한 부하 회복 절차가 선택된 후에, 상기 제어기는 시스템의 높은 목표 출력 작동이 회복될 때 까지 S6에서 선택된 부하 회복 절차와 일치하여 시스템에서의 출력의 램핑(ramping)을 제어하는 단계 S7로 진행한다. 상기 언급된 것처럼, 시스템의 출력은 연료 전지 시스템에 입력 연료 및 입력수의 유동 비율을 제어함으로써 제어된다. 적절한 부하 회복 절차가 완수되었을 때, 즉, 상기 시스템의 출력이 높은 목표 출력을 충족시키기에 충분할 때, 제어기(501)의 작동은 제1 단계 S1으로 복귀한다.
위에서 언급한 것처럼, 출력이 열 및 기계적 스트레스에 의한 시스템에의 손상을 피하기 위해 시스템에서 높은 목표 출력을 충족시키기에 충분할 때까지, 표준의 또는 전형적인 부하 회복 절차는 연료 전지 시스템의 출력에서 천천히 점진적인 증가를 요구한다. 표준의 부하 회복 절차가 채택될 때, 상기 시스템의 출력은 표준의 소정의 비율에서 출력 설정점의 램프와 일치하여 증가하도록 제어기(501)는 입력 연료 및 입력수 유동률을 제어한다. 연료 시스템의 손상을 피하기 위해 표준의 소정의 비율은 충분히 느리다. 예를 들면, 표준의 부하 회복 절차 동안 연료 전지 시스템의 출력 설정점을 램프할때 대략 0.5kW/min의 비율이 사용될 수 있다.
그러나, 일부 조건에서, 충분히 높은 비율에서, 높은 목표 출력을 충족시키기에 충분하도록 저 출력에서 고 출력으로 상기 시스템의 출력을 증가시키도록 빠른 부하 회복 절차가 채용될 수 있다. 요구되는 조건이 충족되고 빠른 부하 회복이 채택될 때, 출력이 높은 목표 출력을 충족시키기에 충분할때까지, 표준의 소정의 비율보다 더 큰, 빠른 부하 회복("RLR")의 소정의 비율에서 출력이 증가하도록 상기 제어기(501)는 시스템으로의 입력 연료 및 입력수 유동 비율을 조절한다. 예를 들어, 연료 전지 시스템의 출력은 빠른 부하 회복 절차 동안 약 50kW/min의 RLR비 율로 출력 설정점을 증가함으로써 증가될 수 있다. 표준의 부하 회복 절차에 비교될 때, 빠른 부하 회복 절차의 사용은 충분히 더 적은 시간에 높은 목표 출력을 충족하도록 시스템이 고 부하 작동에 도달하는 것을 허용한다. RLR의 소정의 비율과 같이 높은 비율에서 시스템의 출력을 증가시키는 결과로서, 상기 시스템에서 물에 대한 연료의 비율은 양극(108)으로의 연료 통로에서 연료의 체류 시간에 대한 관계에서 급속히 감소하도록 유발될 수 있다. 차례로, 이것은 스팀에 의해 희석화된 연료가 연료 전지의 양극(108)으로 너무 천천히 진행하게 하고, 이로써 상기 시스템의 전기적 출력과 전반적인 수행에 부정적으로 영향을 미친다. 따라서, 아래에서 더욱 충분히 토의될 것처럼, 상기 연료가 요구되는 비율로 연료 전지 양극에 전달되는 것을 보장하기 위하여 상기 시스템의 출력이 증가 되는 동안 상기 연료의 수증기에 대한 탄소의 비율이 상수를 유지하도록 빠른 부하 회복 절차의 수행 동안 시스템에 공급되는 입력 연료 및 입력수의 유동 비율은 제어될 필요가 있다.
채택되는 빠른 부하 회복 절차에 요구되는 조건은 도 3에 참조하여 추가적으로 상세히 검토되고, 도 3은 고 출력 요구가 복원된 후에 사용되는 부하 회복 절차를 선택하는데있어 제어기(501)의 작동에 관한 로직 차트(logic chart)를 보인다. 도 2와 관련하여 위에서 검토된 것처럼, 출력이 고 부하에서 저 부하로 순간적으로 강하하고 그 후에 높은 목표 출력으로 램프되는 시스템의 능력이 복원되면 부하 회복 절차가 수행된다. 따라서, 도 3에서 보이는 제어기(501)의 작동은 고 출력(300)에서 작동하고 활성화되는 연료 전지 시스템(100)으로 시작한다.
상기 시스템(100)의 높은 출력 작동 동안 제어기(501) 작동의 제1 단계 S101 에서, 제어기(501)는 부하 및 부하에서의 변화를 결정한다. 상기 언급한 것처럼, 상기 시스템이 그리드에 연결되면 상기 시스템에서 부하는 바람직한 것으로서 설정되거나 조절될 수 있고 상기 시스템이 상기 그리드에 연결되지 않으면 "고립 부하"에 의해 결정된다. 다음 단계 S102에서, 상기 제어기(501)는 S101에서 결정한 부하 및 부하에서의 변화에 기초하여 출력 설정점을 결정하고 출력 설정점에 기초하여 입력 연료 및 입력수 유동 비율을 조절함으로써 상기 시스템의 출력을 제어한다. 그 후 상기 제어기(501)의 작동은 상기 제어기가 출력이 고 부하에서 저 부하로 순간적으로 강하되었는지 결정하는 제3 단계 S103으로 진행한다. 출력이 순간적으로 강하되지 않았다는 것이 단계 S103에서 결정되면, 제어기의 작동은 제1 단계 S101로 돌아간다.
그러나, 단계 S103에서 출력이 고 부하에서 저 부하로 순간적으로 떨어졌다는 것이 결정되면, 상기 제어기의 작동은 상기 제어기가 부하에서의 강하의 원인과 높은 목표 출력으로의 램프되는 시스템의 능력이 복원되었는지를 결정하는 단계 S104로 진행한다. 위에서 언급한 것처럼, 높은 목표 출력은 고 부하에서 저 부하로 출력에서의 순간적인 강하전의 출력에 실질적으로 동일하거나 근접한다. 단계 S104에서 제어기(501)가 높은 목표 출력으로의 램프되는 능력이 복원되지 않았다는 것을 결정하면, 상기 제어기의 작동은 단계 S105로 진행하고, 단계 S105에서 출력 설정점은 S104에서 결정된 부하에 기초하여 결정되고, 상기 시스템의 출력은 상기 출력 설정점에 기초하여 시스템으로의 입력 연료 및 입력수 유동 비율을 제어함으로써 제어되고, 그 후 단계 S104로 돌아간다. 위에서 검토한 것처럼, 단계 S104에서 높은 목표 출력으로 램프되는 능력이 복원되었다는 것이 결정될 때까지 검출된 부하에 기초하여 입력 연료 및 입력수 유동 비율을 제어함으로써 상기 제어기(501)는 부하를 모니터링하고 시스템의 출력 설정점 및 출력을 제어하는 것을 계속한다.
제어기(501)가 단계 S104에서 높은 목표 출력으로 램프되는 능력이 복원되었다는 것을 결정하면, 제어기(501)의 작동은 고 부하에서 저 부하로 출력에서의 순간적인 강하의 결정 이후 제1 소정의 시간에 상당하는 소정의 시간이 경과되었는지 제어기(501)가 결정하는 단계 S106a로 진행한다. 제1 소정의 시간은 연료 전지 시스템의 사이즈와 유형(type)을 포함하는 다양한 요소에 의존하여 결정될 수 있다. 예를 들면, 250kW의 직접적인 개질 용융 탄산염 연료 전지 시스템에 대한 제1 소정의 시간은 약 15분이다. 단계 S106a에서 출력에서의 순간적인 강하 이후 제1 소정의 시간이 경과 되었다는 것이 결정되면, 제어기의 작동은 빠른 부하 회복 절차를 불능화하고 표준 부하 회복 절차를 선택하는 단계 S107로 진행한다. 상기 언급된 것처럼, 출력 설정점을 천천히 점진적으로 증가하여, 출력이 회복된 높은 목표 출력에 상당할 때까지 입력 연료와 입력수의 유동 비율을 제어함으로써 출력 설정점과 일치하여 시스템(100)의 출력을 천천히 점진적으로 증가함으로써 표준 부하 회복 절차는 수행된다.
제어기(501)가 단계 S106a에서 출력에서의 순간적인 강하 후 제1 소정의 시간이 아직 경과하지 않았다는 것을 결정하면, 제어기의 작동은 제어기(501)가 빠른 부하 회복 절차가 사용된 마지막 시간 이후로 충분한 시간이 경과 되었는지를 결정하는 단계 S106b로 진행한다. 특히, 제어기(501)는 S106b에서 선행하는 빠른 부하 회복 절차의 완결 이후 제2 시간에 상응하는 소정의 시간이 경과했는지 결정한다. 제1 소정의 시간과 같이, 제2 소정의 시간은 사용되는 연료 전지 시스템의 유형과 사이즈에 따라 변한다. 예를 들면, 250kW 직접적인 개질 용융 탄산염 연료 전지 시스템(direct-reforming molten carbonate fuel cell system)이 채용될 때, 제2 소정의 시간은 90분에 상당한다.
제어기(501)가 단계 S106b에서 선행하는 빠른 부하 회복 절차가 완수된 후에 제2 소정의 시간이 경과 되지 않았다는 것을 결정하면, 그 후 상기 제어기의 작동은 빠른 부하 회복 절차를 불능화하고 표준 부하 회복 절차를 선택하는 단계 S107로 진행한다. 제어기(501)가 S106b에서 제2 소정의 시간이 경과했다는 것을 결정하면, 상기 제어기(501)는 상기 제어기(501)가 임의의 미리 선택된 파워 알람이 활성화되었는지를 감지하는 단계 S106c로 진행한다. 어떠한 경우, 상기 미리 선택된 파워 알람은 연료 전지 시스템(100)에서의 모든 파워 알람을 포함하고, 다른 경우, 미리 선택된 파워 알람은 빠른 부하 회복 절차 동안 상기 시스템의 수행에 부정적인 영향을 주는 그러한 파워 알람만을 포함한다. 제어기(501)가 하나 이상의 미리 선택된 파워 알람이 활성화되었다는 것을 감지하면, 상기 제어기의 작동은 표준 부하 회복 절차를 선택하는 단계 S107로 진행한다. 그러나, 제어기(501)가 어떠한 미리 선택된 파워 알람도 활성화되지 않았다는 것을 확인하면, 상기 제어기의 작동은 연료 전지 시스템의 고 출력 작동을 회복하는 빠른 부하 회복 절차를 선택하는 단계 S108로 진행한다.
상기에서 검토된 것처럼, 표준 부하 회복 절차가 사용될 때보다, 빠른 부하 회복 절차가 선택될 때 연료 전지 시스템의 출력은 상당히 높은 비율에서 출력 설정점에 일치하여 증가 된다. 어떠한 구성에서, 출력 설정점 및 이렇게 시스템의 출력은 표준 부하 회복 절차에서 사용되는 비율보다 100배 빠른 대략 50kW/min의 비율로 증가된다. 빠른 부하 회복 수행 동안, 입력 연료 및 입력수의 유동 비율은 RLR에서의 소정의 비율로 램프되는 출력 설정점과 일치하여 상기 시스템의 출력을 증가하도록 제어된다. 추가로, 가습된 연료가 요구되는 비율로 연료 전지 양극에 이송되도록 확실하게 하기 위하여 빠른 부하 회복 절차가 수행되는 동안 연료의 수증기에 대한 탄소의 비율이 상수로 유지하도록 연료와 물의 유동 비율을 제어기가 제어한다. 예를 들어, 250kW 직접적인 개질 연료 전지 시스템이 사용될 때,, 제어기(501)는 수증기에 대한 탄소의 비율이 대략 2.0을 유지하도록 입력 연료 및 물의 유동 비율을 제어한다.
위에서 검토된 것처럼, 연료 전지 시스템의 출력이 단계 S104에서 결정되는 것과 같은 높은 목표 출력을 충족시키기에 충분할 때까지 부하 회복 절차가 수행된다. 출력이 높은 목표 출력을 충족시키기에 충분할 때, 부하 회복 절차가 완료되고, 연료 전지 시스템이 가동되어 고 출력(300)에서 작동하며 제어기(501)의 작동은 제1 단계 S101로 회귀한다.
빠른 부하 회복 절차는 연료 전지 시스템에서의 출력 값이 미리 세팅되게 허용하는, 파워 그리드에 연결된 연료 전지 시스템에서 특히 유용하다. 위에서 언급한 것처럼, 임시적인 그리드 파괴가 발생할 때, 연료 전지 시스템(100)은 파워 그리드로부터 일시적인 단절이 유발되어, 출력에서 고립 부하로 순간적인 강하를 유 발하고 짧은 시간 후에 상기 그리드에 재연결하여 높은 목표 출력으로의 램프되는 능력의 복원을 초래한다. 그러한 상황에서, 상기 시스템이 파위 그리드에 재연결하고 높은 목표 출력으로 출력을 램프하는 능력이 복원된 후에, 빠른 부하 회복 절차는 전형적으로 상기 시스템의 출력의 빠른 회복을 허용하는데 적절하다. 도 4는 파워 그리드에 연결된 상기 연료 전지 시스템이 짧은 시간 동안 상기 그리드로부터 일시적으로 단절된 때, 상기 제어기(501)의 제어하에서, 연료 전지 시스템의 작동을 보여준다.
도 4에서 보이는 것처럼, 제1 단계 S201에서, 연료 전지 시스템은 시스템의 출력이 출력 설정점을 따르도록 허용하는 파워 그리드에 연결되고 높은 목표 출력을 충족하기에 충분한 높은 레벨에서 파워를 전달한다. 연료 전지 시스템의 높은 파워 작동은 연료 전지 시스템이 파워 그리드로부터 단절되고 저 부하가 단계 S202에서 결정될 때 파괴된다. 위에서 언급한 것처럼, 그리드 파괴 또는 연료 전지 시스템 구성요소의 파괴 또는 시스템에서의 처리 변화와 같은 하나 이상의 요인에 의하여 파워 그리드로부터 상기 시스템의 단절이 유발될 수 있다. 도 2 및 3과 관련하여 위에서 검토된 것처럼, 상기 시스템의 제어기가 고 부하에서 저 부하로 출력에서의 순간적인 강하를 결정할 때, 제어기는 시스템이 파워 그리드에 재연결될 때까지 저 부하에서 출력 설정점과 일치하여 입력 연료 유동 비율 및 입력수 유동 비율을 제어한다.
연료 전지 시스템이 단계 S203에서 상기 그리드에 재연결될 때, 높은 목표 출력으로 램프되는 능력은 복원된다. 그러나, 도 4에서 보이는 것처럼, 시스템은 저 부하에서 선행하는 그리드 독립 출력에서 그리드에 재연결되고, 이렇게 높은 목표 출력을 충족하기에 충분할 때까지 시스템의 출력은 증가 되거나 램프되야 한다. 연료 전지 시스템이 짧은 시간 동안 파워 그리드로부터 단절되면, 시스템 출력의 빠른 램핑을 위한 빠른 부하 회복 절차가 적절할 수 있다. 따라서, 연료 전지 시스템이 파워 그리드에 재연결되고 단계 S203에서 출력을 램프하도록 준비될 때, 상기 작동은 제어기가 빠른 부하 회복 절차에 대한 조건이 충족하는지 결정하는 단계 S204로 진행한다. 이러한 조건은 파워 그리드로부터 상기 시스템의 단절 이후 경과된 시간의 최대한 길이와 선행하는 빠른 부하 회복 절차의 완수후 경과된 시간의 최소 길이 및 활성화되는 임의의 미리 선택된 파워 알람의 부재를 포함한다.
도 3과 관련하여 위에서 검토된 것처럼, 단계 S204에서 제어기는 상기 시스템이 상기 그리드로부터 단절된 시간 이후 제1 시간에 상당하는 소정의 시간이 경과 되었는지 결정한다. 이 문서에서 설명되는 구성에서, 제1 소정의 시간은 15분이다. 제1 소정의 시간이 경과 하면, 빠른 부하 회복 절차에 대한 조건은 충족되지 않고 제어기는 S205에서 표준 부하 회복 절차를 선택한다. 이로써, 상기 시스템의 출력은 높은 목표 출력을 충족시킬 때까지 출력 설정점과 일치하여 천천히 점진적으로 증가된다.
제1 소정의 시간이 아직 경과되지 않았다면, 제어기는 선행하는 빠른 부하 회복 절차의 완수 후 제2 소정의 시간이 경과되었는지 결정한다. 이 문서에서 설명되는 구성에서, 제2 소정의 시간은 90분이다. 제어기가 제2 소정의 시간이 경과되지 않았다는 것을 결정하면, 빠른 부하 회복 절차에 대한 조건은 충족하지않고 빠 른 부하 회복은 불능화되고 표준 부하 회복 절차가 단계 S205에서 선택된다. 제어기가 제2 소정의 시간이 경과 되었다는 것을 결정하면, 그 후 제어기는 빠른 부하 회복을 방지할 임의의 미리 선택된 파워 알람이 활성화되었는지를 결정한다. 그러한 임의의 파워 알람이 활성화되었다면, 빠른 부하 회복은 불능화되고 표준 부하 회복 절차는 S205에서 선택된다. 제어기가 어떠한 파워 알람도 활성화되지 않았다고 결정하면, 빠른 부하 회복 절차에 대한 조건은 충족되고 시스템의 작동은 빠른 부하 회복 절차가 선택되고 수행되는 단계 S206으로 진행한다.
위에서 검토한 것처럼, 빠른 부하 회복 절차는 표준 부하 회복 절차 동안 보다 상당히 높은 비율에서 연료 전지 시스템의 출력 설정점과 출력을 증가시킴으로써 수행된다. 현재의 설명적인 구성에서, 표준 부하 회복 절차 동안 출력 설정점이 증가되는 표준 비율은 0.5kW/min임에 반하여, 빠른 회복 절차 동안 출력 설정점이 증가되는 RLR 비율은 50kW/min이다. 상기 시스템의 출력은 입력 연료 및 입력수 유동 비율을 제어함으로써 출력 설정점과 일치하여 증가하고, 빠른 부하 회복 절차 동안 입력 연료 및 입력수의 유동 비율은 스팀에 대한 탄소의 비율이 상수로 남아 있는 방식으로 제어된다.
이 문서에서 묘사되는 빠른 부하 회복 절차는 표준 부하 회복 절차가 채택될때보다 상당히 짧은 시간에 고 부하에서 저 부하로 임시적인 강하와 고 부하 조건에서 높은 목표 출력으로 램프 되는 능력의 뒤이은 복원 후에 높은 출력 작동으로 회복하도록 허용한다. 차례로, 빠르게 높은 출력 작동을 회복하는 능력은 연료 전지 시스템에 의한 효율과 파워 생성을 증가시킨다. 추가로, 부하에서의 갑작스런 강하의 시간으로부터 짧은 시간 안에서 빠른 부하 회복 절차가 수행되기 때문에 연료 전지 시스템은 상당히 냉각되도록 허용되지 않고, 상기 시스템의 출력이 증가되는 높은 비율은 상기 시스템 구성요소에 손상을 초래하지 않는다.
제어기(501)는 GE에 의해 만들어진 전형적인 PLC (프로그램어블 로릭 콘트롤러- 실질적으로 상당히 믿을수 있는 견고한 컴퓨터)일 수 있다. 차례로, 사용되는 제어 프로그램은 산업 자동화용의 GE PLC에서 실행될 수 있는 GE 제품 "Versapro"로 불리는 소프트웨어 제품일 수 있다. 다른 구성에서, 제어기는 Foxboro에 의해 제작된 전형전인 DCS(분산 제어 시스템)일 수 있고, 제어 프로그램은 Foxboro에 의해 제작된 산업 자동화용의 DCS에서 실행되는 소프트웨어일 수 있다. 또 다른 구성에서 제어기는 전형적인 PLC기반의 "아이코닉스(Iconics)" 시스템일 수 있다.
빠른 부하 회복의 수행을 위한 시간과 다른 조건은 이 문서에 기재된 조건에 한정되지 않는 것으로 이해된다. 상기 언급된 것처럼, 빠른 부하 회복 절차가 채택 되어야 되는지 결정하는데 있어 상기 제어기가 사용되는 제1 및 제2 소정의 시간은 연료 전지의 타입 및 크기에 의존하여 변화될 수 있다. 더욱이 이 문서에서 구체적으로 언급되지 않은 다른 조건들이 빠른 부하 회복 절차를 채택해야되는지 결정하는데 있어 사용될 수 있다.
모든 경우에, 위에서 언급된 장치들은 현재의 발명의 출원을 대표하는 많은 가능한 구체적인 구성의 단순한 설명으로 이해된다. 수많은 다양한 다른 구성이 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않고 현재의 발명의 원칙에 따라 용이하게 고안될수 있다.

Claims (26)

  1. 연료 전지; 및
    출력 설정점에 기초하여 연료 전지 시스템에서의 출력을 제어하는 파워 부하 제어기를 포함하고,
    부하가 고 부하에서 저 부하로 강하되고 그 후 높은 목표 출력으로 램프되는 능력이 복원된 경우, 하나 이상의 소정의 조건들 모두가 충족되면 제1 소정의 비율에서 상기 저 부하에 상당하는 출력으로부터 상기 고 부하에 상당하는 높은 목표 출력으로 증가하도록 상기 연료 전지 시스템의 출력을 제어함으로써 상기 제어기는 빠른 부하 회복 절차를 수행하도록 채택되고, 상기 하나 이상의 소정의 조건들 중에서 적어도 하나가 충족되지 않으면 제2 소정의 비율에서 상기 높은 목표 출력에 상당하는 출력으로 상기 출력을 증가시키도록 출력을 제어함으로써 상기 제어기가 표준 부하 회복 절차를 수행하고,
    상기 제1 소정의 비율은 상기 제2소정의 비율보다 더 큰 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 입력 연료, 입력수 및 입력 산화성 물질을 수용하고;
    상기 연료 전지 시스템은 추가적으로 가습된 연료를 생성하기 위해 입력수와 입력 연료를 결합하는 가습 조립기를 포함하고;
    상기 연료 전지는 상기 가습된 연료를 수용하는 양극과 상기 입력 산화성 물질을 수용하는 음극을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어기는 적어도 입력 연료 및 입력수의 유동 비율을 제어함으로써 상기 출력을 제어하고, 상기 제어기는 상기 빠른 부하 회복 절차의 수행 동안 스팀에 대한 탄소의 비율이 상수가 되도록 입력 연료와 입력수의 유동 비율을 제어하는 입력 연료 및 입력 산화성 물질을 수용하는 연료 전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어기는 입력 산화성 물질의 유동 비율을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 소정의 조건은 고 부하에서 저 부하로 부하의 강하와 상기 높은 목표 출력으로의 램프되는 능력의 복원 사이에 경과되는 시간이 제1 소정의 시간 이하인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하나 이상의 소정의 조건은 선행하는 빠른 부하 회복 절차의 완수 후에 경과되는 시간이 제2 소정의 시간 이상인 제2 조건을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 하나 이상의 소정의 조건은 상기 연료 전지 시스템에서 어떠한 파워 알람도 활성화되지 않는 제3조건을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 소정의 시간은 15분이고 상기 제2 소정의 시간은 90분인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 소정의 비율은 50kW/min이고 상기 제2 소정의 비율은 0.5kW/min인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 파워 그리드에 연결되고 상기 부하는 상기 제어기에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 파워 그리드에 독립적이고 상기 부하는 상기 연료 전지 시스템에 연결된 하나 이상의 파워 소비 장치에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 고 부하는 상기 저 부하보다 적어도 10kW 더 크고 상기 부하 강하는 10초 이하의 시간에 걸쳐 고 부하에서 저 부하로 순간적인 부하 강하인 것을 특징으로하는 연료 전지 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 연료전지시스템을 작동하는 방법에 있어서,
    부하가 고 부하에서 저 부하로 강하되고 그 후 높은 목표 출력으로 램프되는 능력이 복원되는 경우, 하나 이상의 소정의 조건들 모두가 충족되면 제1 소정의 비율에서 상기 저 부하에 상당하는 출력으로부터 상기 고 부하에 상당하는 높은 목표 출력으로 증가하도록 상기 연료 전지 시스템의 출력을 제어함으로써 상기 제어기는 빠른 부하 회복 절차를 수행하도록 채택되고, 상기 하나 이상의 소정의 조건들 중에서 적어도 하나가 충족되지 않으면 제2 소정의 비율에서 상기 높은 목표 출력으로 상기 출력을 증가시키도록 출력을 제어함으로써 상기 제어기가 표준 부하 회복 절차를 수행하도록,
    제어기를 통해 출력 설정점과 상기 시스템에서 검출된 부하에서의 변화에 기초하여 연료 전지 시스템의 출력을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 소정의 비율은 상기 제2 소정의 비율보다 더 큰 연료 전지를 구비한 연료전지시스템을 작동하는 방법.
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  23. 제13항의 방법을 실행하기 위한 프로그램된 컴퓨터 제어기.
  24. 제13항의 방법의 단계를 실행하기 위해 컴퓨터 제어기에 의한 실행을 위한 프로그램을 저장한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.
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