KR101822216B1 - 빙점하 주위 조건에서 사용하기 위한 연료 전지 발전 장치 작동 시스템 및 방법 - Google Patents

빙점하 주위 조건에서 사용하기 위한 연료 전지 발전 장치 작동 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

연료 전지 발전 장치 작동 시스템(10)은 연료 전지의 작동 온도가 소정의 동결 안전 작동 온도 미만인 동안에는 연료 전지(12) 온/오프 스위칭 소자(58)가 턴-오프되는 경우에는 언제나 연료 전지(12)의 작동을 지속시키는 온/오프 스위칭 소자 바이패스 회로(60)를 포함한다. 바이패스 회로(60)는 연료 전지(12)의 온도가 동결 안전 온도에 도달하거나 동결 안전 온도를 초과하여 연료 전지(12) 생성수가 연료 전지 촉매(26, 40) 내부와 그 부근에서 어는 것을 방지할 수 있을 때까지 연료 전지(12)를 작동시킨다.

Description

빙점하 주위 조건에서 사용하기 위한 연료 전지 발전 장치 작동 시스템 및 방법{FUEL CELL POWER PLANT OPERATING SYSTEM AND METHOD FOR USE IN SUB-FREEZING AMBIENT CONDITIONS}
본 발명은 수송 차량, 휴대용 발전 장치 또는 고정식 발전 장치에 사용하기에 적합한 연료 전지에 관한 것으로, 특히 연료 전지의 물의 동결과 결부된 문제를 최소화하는 연료 전지 발전 장치 작동 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 널리 공지되어 있으며, 환원성 유체 연료를 함유한 수소와 산화제 반응물 스트림을 함유한 산소로부터 전력을 생산하여 발전기나 수송 차량과 같은 전기 장치에 전력을 공급하기 위해 일반적으로 사용된다. 종래 기술의 연료 전지에서는, 양성자 교환막(PEM)을 전해질로서 사용하는 것이 공지되어 있다. 널리 공지된 바와 같이, 전자가 부하에 전력을 공급하기 위해 회로를 통해 이동하는 동안 애노드 촉매층에 형성되는 양성자는 전해질을 통해 캐소드 촉매층으로 이동한다. 전자가 순환을 마치고 연료 전지로 복귀하고 산화제가 캐소드 촉매 부근을 지나감에 따라 연료 전지 생성수가 캐소드 촉매에 형성된다.
수송 차량에 전력을 공급하기 위해 이런 연료 전지를 사용하는 것은 많은 시동-정지 사이클을 필연적으로 수반하는데, 이들 사이클 중 몇몇은 빙점하(sub-freezing) 주위 조건에서 일어나게 된다. 통상적으로, PEM 연료 전지 내의 연료 전지 생성수는 막을 수화하고 반응물 스트림을 가습하고 막 전극 조립체(MEA)에서 열을 제거하고 연료 개질기를 지지하고 여타의 널리 공지된 목적을 위해 적어도 부분적으로 재활용 또는 활용된다. 빙점하 주위 조건에서는, 연료 전지의 동결로 인해 연료 전지를 통해 반응물 스트림을 전달(direct)하는 유동 경로가 봉쇄되어 연료 전지의 성능이 저하될 수 있다.
연료 전지 생성수의 동결 문제를 최소화하기 위한 시도로는 복잡하고 값비싼 연료 연소식 히터를 사용하는 방식, 연료 전지 발전 장치의 배터리에서 나오는 기생 전력을 이용하는 전기 히터를 사용하는 방식, 냉각수의 유동 스트림 내에 복합 부동액을 사용하는 방식 등을 포함한다. 또한 연료 전지 생성수가 동결되어 반응물 스트림 유동 채널을 봉쇄하는 것을 방지하기 위해 연료 전지의 시동시 작동하는 연료 전지에 의해 생성되는 열에 전적으로 의존하는 방법도 공지되어 있다. 시동 중에 생성되는 연료 전지 생성수의 동결을 방지하기 위해 연료 전지가 그 자체의 열을 직접 제공하기 때문에, 이런 시동은 흔히 "자력(bootstrap) 시동"으로 지칭된다.
그러나, 유감스럽게도 주위 조건이 극히 춥거나 연료 전지가 빙점하 주위 조건에서 짧은 지속 시간 동안만 작동될 경우(예컨대 2, 3 분 또는 더 짧은 시간 동안만 차량을 운전할 경우), 시동시 생성되는 연료 전지 생성수는 캐소드 촉매층의 공극(pore)과, 캐소드 및/또는 애노드 촉매층 부근의 반응물 유공(flow pore)이나 채널 내에 빙점하 상태로 남아있을 수 있다. 이처럼 빙점하 상태인 연료 전지의 물은 동결되어 연료 전지 촉매에 대한 기체 반응물 스트림의 접근을 차단하거나 제한할 수 있다. 이는 연료 전지가 동결 안전 작동 온도를 달성하기 이전인 연료 전지 시동 과정 중에 운전자가 통상적으로 연료 전지 온/오프 스위칭 소자를 턴-오프함으로써 연료 전지의 셧다운을 개시한다는 것을 의미하는 시동 중단(aborted starts)이 일 회 이상 연료 전지 급전형 차량에 발생하는 경우에 특히 문제가 된다. 이는 예컨대 운전자가 두고 온 물건을 가지러 집으로 돌아가는 상황, 이웃집에 들르는 것과 같은 초단거리 이동 등과 같은 정상적인 차량 운전 상황에 전형적인 다양한 이유로 인해 발생할 수 있다. 동결된 연료 전지의 물은 연료 전지 촉매 부근의 반응물 스트림의 흐름을 차단하고/하거나 심하게 제한함으로써 빙점하 주위 조건에서 연료 전지를 시동하려는 차후의 시도에도 실질적으로 지장을 줄 수 있다. 핵심 또는 주된 문제는 발전 장치가 그 작동 환경으로 인해 셧다운에 적합한 상태가 아닐 때 발전 장치 셧다운 신호가 발전 장치 제어기로 송신된다는 것이다.
본 개시는 빙점하 주위 조건에서 연료 전지를 시동하기 위한 연료 전지 발전 장치 작동 시스템에 관한 것이다. 본 시스템은 전류를 생성하고 생성된 전류를 부하 회로를 통해 주 부하에 공급하기 위해 산화제 및 연료 반응물 스트림을 연료 전지를 통해 전달하기 위한 연료 전지를 포함한다. 시스템 제어기는 연료 전지의 작동을 제어하며, 연료 전지를 통한 반응물 스트림의 유동을 제어하는 것을 포함하여, 연료 전지의 작동을 제어하기 위해 시스템 제어기 및 연료 전지와 그리고 이들 사이에서 통신 가능하게 고정되는 작동 회로에 제어 신호를 통지한다. 온도 센서는 연료 전지의 전해질 부근의 온도를 감지하기 위해 연료 전지에 고정되며, 시스템 제어기에 감지 온도를 통지한다. 온/오프 스위칭 소자는 시스템 제어기 및 작동 회로와 그리고 이들 사이에서 통신 가능하게 고정되며, 작동 회로에 의한 연료 전지의 작동을 선별적으로 허용한다. 온/오프 스위칭 소자 바이패스 회로는 온/오프 스위칭 소자가 턴-오프되어 있고 온도 센서가 소정의 동결 안전 작동 온도 미만의 연료 전지 온도를 감지할 때 작동 회로에 의한 연료 전지의 작동을 선별적으로 허용하기 위해 시스템 제어기 및 작동 회로와 그리고 이들 사이에서 통신 가능하게 고정된다. 본 명세서의 목적상, 문구 "온/오프 스위칭 소자"는 시스템 제어기에 연료 전지의 선별적 시동 및 셧다운 지시를 통지할 수 있는 임의의 스위칭 소자, 신호 통신 소자 또는 방법을 의미한다.
연료 전지의 작동을 허용함으로써, 온/오프 스위칭 소자 바이패스 회로는 연료 전지 온도가 소정의 동결 안전 작동 온도를 달성할 때까지 연료 전기가 적정한 열을 생성하여 연료 전지 내부와 그 부근에 있는 연료 전지의 물을 액체 형태로 유지할 수 있도록 한다. 해당 온도에서, 연료 전지는 액체 상태 및 기체 상태의 연료 전지 생성수 간의 허용 가능한 균형을 달성하게 된다. 온도의 상승으로 인해 캐소드 촉매에서 나와 그 부근에 존재하는 액체 상태의 물이 수월하게 증발하게 되며, 수증기는 산화제 반응물 스트림과 함께 연료 전지 외부로 이동하게 된다. 동시에 연료 전지의 온도 상승으로 인해, 촉매 부근으로 반응물 스트림의 유동을 확산시키는 기체 확산층의 공극 내부에 동결된 연료 전지의 물이 녹게 된다.
동결 안전 작동 온도에서는, 촉매층의 공극 내부 및/또는 인접한 반응물 유동 경로 내부에 허용 불가능한 수준의 방해성 얼음이 형성되지 않고 연료 전지가 셧다운될 수 있다. 온/오프 스위칭 소자 바이패스 회로가 연료 전지의 작동을 제어하는 동안에 생성된 전류는 주 부하(예컨대 차량 모터) 대신에 연료 전지 배터리, 히터와 같은 보조 부하나, 단지 히트 싱크 등과 같은 저항성 부하에 바이패스 회로를 통해 전달될 수 있다.
따라서 본 발명의 일반적인 목적은 빙점하 조건에서 사용하기 위한 것으로, 종래 기술의 단점을 극복하는 연료 전지 발전 장치 작동 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 보다 구체적인 목적은 빙점하 조건에서 사용하기 위한 것으로, 연료 전지 발전 장치 시동 과정과 후속 연료 전지 발전 장치 작동 중에 연료 전지 생성수의 동결과 결부된 문제를 최소화하는 연료 전지 발전 장치 작동 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 및 여타의 목적과 이점은 첨부도면을 참조한 다음의 설명을 통해 분명하게 드러날 것이다.
도 1은 빙점하 조건에서 사용하기 위한 것으로, 본 개시에 따라 구성되는 연료 전지 발전 장치 작동 시스템 및 방법의 간이 개략도이다.
도 2는 빙점하 조건에서 사용하기 위한 것으로, 본 개시에 따른 연료 전지 발전 장치 작동 방법을 나타내는 판단 순서도이다.
도면을 자세히 참조하면, 도 1에는 빙점하 주위 조건에서 발전 장치를 작동시키기 위한 연료 전지 발전 장치 작동 시스템의 간이 개략도가 참조 번호 10으로 일괄 표기되어 도시되어 있다. 연료 전지 발전 장치 작동 시스템(10)은 전류를 생성하고 부하 회로(14)와 주 부하 스위칭 소자(15)를 통해 전기 모터와 같은 주 부하(16)에 전류를 공급하기 위해 산화제 및 연료 반응물 스트림을 연료 전지(12)를 통해 전달하는 연료 전지(12)를 포함한다. 연료 전지(12)는, 산화제 반응물 스트림을 저장하고 산화제 반응물 스트림을 산화제 유입 라인(20)에 고정된 산화제 블로워(blower)(19)와 산화제 유입 밸브(22)를 통해 캐소드 유동장(24)으로 전달하기 위한 산화제 공급원(18)을 포함하고, 캐소드 유동장(24)은 산화제 반응물 스트림을 캐소드 배출 라인(28)과 해당 라인(28)에 고정된 캐소드 배출 밸브(30)를 통해 캐소드 촉매(26) 부근을 지나 캐소드 유동장(24) 외부로 전달한다. 연료 전지(12)는, 수소 부화 반응물 스트림을 저장하고 수소 부화 반응물 스트림을 연료 유입 라인(34)과 연료 유입 밸브(36)를 통해 애노드 유동장(38)으로 전달하기 위한 연료 공급원(32)을 또한 포함하고, 애노드 유동장(38)은 수소 부화 반응물 스트림을 애노드 배출 라인(42)과 해당 라인(42)에 고정된 애노드 배출 밸브(44)를 통해 애노드 촉매(40) 부근을 지나 애노드 유동장(38) 외부로 전달한다.
시스템 제어기(46)는 연료 전지(12)의 작동을 제어하는데, 예컨대 컴퓨터, 마이크로 컴퓨터, 조작자나 밸브 및 스위칭 소자에 송신되는 컴퓨터 생성 제어 신호에 의해 작동하는 전자-기계식 밸브 및 스위칭 소자 등과 같은 것으로, 본 명세서에 설명된 시스템 제어 기능을 수행할 수 있는 임의의 공지된 제어 수단일 수 있다. 시스템 제어기(46)는 연료 전지 유입 밸브(22, 36)와 배출 밸브(30, 44)를 통한 반응물 스트림의 유동 제어, 주 부하 스위칭 소자(15)의 제어 등에 의해 연료 전지(12)의 작동을 제어하기 위해 시스템 제어기(46) 및 연료 전지(12)와 그리고 이들 사이에서 통신 가능하게 고정되는 작동 회로(48)에 제어 신호를 통지한다. 설명의 효율성을 위해, 작동 회로(48)는 시스템 제어기(46), 밸브(22, 30, 36, 44) 및 주 부하 스위칭 소자(15) 사이에 연장되는 작동 라인(50a, 50b, 50c, 50d)으로서 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 그러나 작동 회로(48)는 밸브와 스위칭 소자를 제어하기 위해 임의의 형태의 신호 통신 수단에 의해 작동하는 공지된 회로 제어 장치를 수반하는 훨씬 더 복잡한 것일 수 있으며, 본 개시의 설명에는 불필요하지만 연료 전지(12)의 효율적인 작동을 위해서는 필수적인 많은 중개 및 보조 장치를 포함할 수 있다.
온도 센서(52)는 연료 전지(12)의 전해질(54) 부근의 온도를 감지하고, 예컨대 온도 라인(56)을 통해 시스템 제어기(46)에 감지 온도를 통지하기 위해 연료 전지(12)에 고정된다. 온/오프 스위칭 소자(58)는 시스템 제어기(46) 및 작동 회로(48)와 그리고 이들 사이에서 통신 가능하게 고정되고, 상술한 바와 같이 작동 회로(48)에 의한 연료 전지(12)의 작동을 선별적으로 허용한다. (문구 "선별적 허용"은 온/오프 스위칭 소자(58)가 조작자(미도시)나 시스템 제어기(46)에 의해 제어 회로(48)의 작동을 허용하는 "온" 위치(스위칭 소자 폐쇄)에 있을 것인지 아니면 연료 전지(12)의 작동을 종료하는 "오프" 위치(스위칭 소자 개방)에 있을 것인지 선택될 수 있다는 의미이다.)
온/오프 스위칭 소자 바이패스 회로(60)는 시스템 제어기(46) 및 작동 회로(48)와 그리고 이들 사이에서 통신 가능하게 고정된다. 온도 센서(52)로부터 수신된 감지 온도에 응답하여, 시스템 제어기(46)는 온/오프 스위칭 소자(58)가 턴-오프되고 온도 센서(52)가 소정의 동결 안전 작동 온도 미만의 연료 전지(12) 온도를 감지할 때 온/오프 스위칭 소자 바이패스 회로(60)가 온/오프 스위칭 소자(58)를 우회하는 것을 선별적으로 허용하고, 이로써 작동 회로(48)에 의한 연료 전지(12)의 작동을 허용한다. 문구 "소정의 동결 안전 온도"는 그 이상의 온도에서는 연료 전지의 셧다운시 얼음의 형성이 거의 또는 전혀 문제를 초래하지 않는 특정 온도가 각각의 특정 연료 전지에 대해 설정된다는 것을 의미한다. 온/오프 스위칭 소자 바이패스 회로(60)는 시스템 제어기(46), 작동 회로(48), 주 부하 스위칭 소자(15) 및 보조 부하 스위칭 소자(62)와 그리고 이들 사이에서 통신 가능하게 고정된다. 바이패스 회로(60)는 바이패스 회로(60)의 사용 중에 생성된 전류가 주 부하(16)가 아니라 보조 부하(64)에 전달될 수 있도록, 주 부하 스위칭 소자(15)를 턴-오프(개방)하고 동시에 보조 부하 스위칭 소자(62)를 턴-온(폐쇄)하도록 구성된다. 보조 부하(64)는 배터리 및/또는 커패시터, 가열 회로, 저항성 부하 또는 이와 유사한 다른 부하일 수 있다.
온/오프 바이패스 회로(60)는 시스템 제어기(46), 작동 회로(48), 주 부하 스위칭 소자(15) 및 보조 부하 스위칭 소자(62) 사이에 연장되는 복수의 통신 라인(66a, 66b, 66c)(예컨대 전선, 전송 경로 등)으로서 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 그러나 바이패스 회로(60)는 상술한 기능을 수행할 수 있는 임의의 신호 통신 장치를 포함할 수도 있다.
온/오프 스위칭 소자(58), 제어 회로(48) 및 바이패스 회로(60)가 시스템 제어기(46)에서 분리된 것으로 도시되어 있긴 하지만, 이런 묘사는 스위칭 소자(58), 제어 회로(48) 및 바이패스 회로(60)가 별도의 기능을 가진다는 것을 나타내기 위한 것이다. 온/오프 스위칭 소자(58), 제어 회로 라인(50a, 50b, 50c, 50d), 바이패스 회로(60) 및 바이패스 회로 라인(66a, 66b, 66c)은 다양한 협력 구조로 시스템 제어기(46) 내에 물리적으로 통합될 수 있고 각 구성요소에 대해 본 명세서에 설명된 기능만 분리되는 것이 가능하다.
도 2는 본 개시의 연료 전지 발전 장치 작동 시스템(10)의 작동을 효율적으로 설명하는 판단 순서도를 도시한다. 수송 차량에 전력을 공급하는 연료 전지 발전 장치(미도시)의 연료 전지 스택(미도시) 내의 상호 연결된 복수의 연료 전지 중 하나인 연료 전지(12)에 대한 도 2에 도시된 조치와 판단은 예컨대 온/오프 스위칭 소자(58)의 턴-오프(개방)에 의한 차량 운전자 또는 사용자 개시 차량 정지(70)로부터 시작한다. 사용자가 셧다운(스위칭 소자-오프)을 개시할 때, 제어기(46)는 판단 박스 72에 도시된 바와 같이, 동결 시동 중단의 발생 여부를 판단한다. 사용자 개시 차량 시동(스위칭 소자-온)시 연료 전지의 내부 온도가 0℃ 미만이고 사용자 개시 정지(스위칭 소자-오프)시 연료 전지(12)의 내부 온도가 동결 안전 작동 온도보다 높게 상승하지 않은 경우에는 동결 시동 중단이 발생한 것으로 판정된다. 동결 시동 중단이 발생하지 않은 것으로 판정된다면, 시스템 제어기(46)의 시동 중단 계수기는 도 2의 박스 78에 도시된 바와 같이 0으로 리셋되고 제어기(46)는 도 2의 박스 80에 도시된 바와 같이 연료 전지(12) 발전 장치 정상 셧다운 절차로 진행한다. 도 2의 참조부호 74의 "예"로 도시된 바와 같이 동결 시동 중단이 발생한 것으로 판정된다면, 시스템 제어기(46)는 박스 82와 판단 박스 84에 도시된 바와 같이 동결 시동 중단 횟수가 소정 한도를 초과하는지 여부를 판단한다. 동결 시동 중단 횟수가 소정 한도 이하라면, 동결 시동 중단 횟수는 1만큼 증가하고 제어기(46)는 참조부호 86의 "아니오" 판단과 "정상 셧다운" 박스 88로 도시된 바와 같이 정상적으로 연료 전지(12)를 셧다운한다. 동결 시동 중단 횟수가 참조부호 90의 "예" 판단으로 도시된 바와 같이 소정 한도를 초과한다면, 제어기는 참조부호 92로 표시된 연료 전지 웜업(warm-up) 절차를 개시한다.
문구 "동결 시동 중단", "시동 중단", "중단된 동결 시동"은 연료 전지(12)의 시동이 실패했다는 의미가 아니다. 대신에 동결 시동 중단은 빙점하 주위 조건에서의 시동 후에 연료 전지(12)가 소정의 동결 안전 작동 온도를 달성하기 전에 연료 전지의 사용자가 연료 전지 온/오프 스위칭 소자(58)를 턴-오프했다는 것을 의미한다. 예컨대 이런 시동 중단은 몹시 추운 주위 조건에서 차량이 수백 미터 미만의 초단거리 주행을 한 경우에 발생할 수 있다.
연료 전지 웜업 절차에서, 바이패스 회로(60)가 주 부하 스위칭 소자(15)를 턴-오프(개방)하고 보조 부하 스위칭 소자(62)를 턴-온(폐쇄)하는 동안, 시스템 제어기(46)는 연료 전지(12)를 통해 산화제 및 연료 반응물 스트림을 계속해서 흐르도록 온/오프 스위칭 소자 바이패스 회로(60)와 결합할 것이다. 이어서, 연료 전지(12)는 도 2의 박스 92에 도시된 바와 같이 연료 전지(12)의 온도가 소정의 동결 안전 작동 온도 "X"를 초과하는 것으로 온도 센서(52)에 의해 감지될 때까지 작동 또는 가동된다.
이어서, 시스템 제어기(46)는 도 2의 박스 94에 도시된 바와 같이 연료 전지(12)가 정상 셧다운 절차로 진행하도록 제어한다. 이런 "정상 셧다운"은 연료 전지(12)의 설계, 연료 전지(12)의 작동 환경, 주위 조건 등에 따라 다양한 단계 및/또는 과정을 포함할 수 있다. 예컨대 이런 요인에 따라 산화제 블로워(19)는 다양한 유속으로 다양한 지속 시간 동안 작동하도록 시스템 제어기(46)에 의해 제어될 수 있다. 또한, 온/오프 스위칭 소자 바이패스 회로(60)를 통해 시스템 제어기(46)에 의한 연료 전지(12)의 작동은 유효 전압(예컨대 0.6 볼트보다 높은 전압)에서 연료 전지(12)를 작동시키도록 제어될 수 있거나, 산화제 블로워(19)는 전압이 약 0.0 볼트까지 떨어지도록 하면서 가상 산화제 결핍 모드를 생성하기 위해 최저 속도로 작동하도록 제어될 수 있다. 이런 연료 전지(12)의 작동을 위한 전력은 보조 부하(64)의 배터리 등에서 유래할 수 있다.
결국, 빙점하 주위 조건에서 연료 전지(12)를 시동하는 효율적인 방법은 산화제 및 연료 반응물 스트림이 연료 전지(12)를 통과하여 주 부하(16)용 전류를 생성하도록 온/오프 스위칭 소자(58)를 턴-온 함으로써 연료 전지(12)를 시동하는 단계와, 연료 전지(12)의 온도가 연료 전지 전해질(54) 부근에서 소정의 동결 안전 작동 온도 미만인 동안에는 온/오프 스위칭 소자(58)를 턴-오프하는 단계와, 온/오프 스위칭 소자(58)가 턴-오프되어 있는 동안에는 전해질(54) 부근의 연료 전지(12) 온도가 소정의 동결 안전 작동 온도보다 높아질 때까지 계속해서 작동하도록 연료 전지(12)를 제어하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 온/오프 스위칭 소자(58)를 턴-오프한 후에, 주 부하(16)에서 보조 부하(64)로 전류를 전달하는 단계 및 도 2에 도시된 바와 같이 제1 시동 중단(84) 후에 계속해서 작동하도록 연료 전지(12)의 제어만을 수행하는 단계를 포함한다.
상술한 바와 같이, 연료 전지(12)의 온도가 동결 안전 작동 온도 "X"까지 상승한다면, 연료 전지(12)는 액체 상태의 물과 수증기 간의 허용 가능하고 안정적인 작동 균형을 달성하게 되며, 이로써 캐소드 촉매(26) 및/또는 애노드 촉매(40)의 공극 내부와, 인접한 캐소드 유동장(24)과 애노드 유동장(38) 내부 및 관련 반응물 스트림 유동 경로 내부에 방해성 얼음이 허용 불가능한 수준으로 형성되지 않고 연료 전지(12)가 셧다운될 수 있다. 연료 전지(12)의 작동을 허용함으로써, 온/오프 스위칭 소자 바이패스 회로(60)는 연료 전지(12)의 온도가 소정의 동결 안전 작동 온도 "X"를 달성할 때까지 연료 전지(12)가 적정한 열을 생성하여 연료 전지 촉매 내부와 그 부근에 있는 연료 전지(12)의 물을 액체 형태로 유지할 수 있도록 한다. 온도의 상승으로 인해 특히 캐소드 촉매(26)에서 나와 그 부근에 존재하는 액체 상태의 물이 용이하게 증발하게 되며, 이어서 수증기는 연료 전지(12)가 정상적이고 안전한 셧다운 절차를 밟을 수 있도록 산화제 반응물 스트림과 함께 연료 전지(12) 외부로 이동하게 된다.
본 개시는 빙점하 주위 조건에서 사용하기 위한 연료 전지(12) 발전 장치 작동 시스템(10)과 방법에 대해 설명하지만, 본 발명이 이들 실시예에 한정되지 않음은 물론이다. 예컨대 설명 목적상 연료 전지(12)가 단일 셀(12)로서 도시되긴 했지만, 연료 전지(12)가 널리 공지된 연료 전지 스택 조립체(미도시) 내의 협력 다기관과 함께 배열되는 다양한 인접 연료 셀 내부에서 사용되는 것이 더 일반적임을 이해해야 한다. 따라서 본 발명의 범위의 한정은 상기 설명이 아니라 하기 특허청구범위를 참조해야 한다.

Claims (7)

  1. 연료 전지 발전 장치 작동 시스템(10)이며,
    연료 전지(12)의 작동 중에 전류를 생성하고 부하 회로(14)를 통해 주 부하(16)에 전류를 공급하기 위해 연료 전지(12)를 통해 산화제 및 연료 반응물 스트림을 전달하도록 구성되는 연료 전지(12)와,
    연료 전지(12) 온도를 감지하는 온도 센서(52)와,
    소정의 동결 안전 작동 온도 미만의 연료 전지(12) 온도에 응답하여 온/오프 스위칭 소자(58)가 시스템 제어기(46)에 상기 연료 전지(12)를 셧다운하도록 지시하여, 상기 연료 전지(12)의 작동을 유지하고 상기 연료 전지(12)와 통신 가능하게 고정되는 시스템 제어기(46)와,
    소정의 동결 안전 작동 온도 미만의 연료 전지(12) 온도에 응답하여 상기 연료 전지(12)의 생성 전류가 주 부하(16)에서 보조 부하(64)로 전달되도록 상기 연료 전지(12)와 전기적으로 통신 가능하게 고정되고 상기 시스템 제어기(46)와 통신 가능하게 고정되는 보조 부하(64)를
    포함하는 연료 전지 발전 장치 작동 시스템(10).
  2. 삭제
  3. 연료 전지 발전 장치 작동 시스템(10)이며,
    연료 전지(12)의 작동 중에 전류를 생성하고 부하 회로(14)를 통해 주 부하(16)에 전류를 공급하기 위해 연료 전지(12)를 통해 산화제 및 연료 반응물 스트림을 전달하도록 구성되는 연료 전지(12)와,
    상기 연료 전지(12)의 작동을 제어하기 위해 상기 연료 전지(12)와 통신 가능하게 고정되는 시스템 제어기(46)와,
    상기 시스템 제어기(46)로부터 수신되는 제어 신호에 응답하여 상기 연료 전지(12) 통한 반응물 스트림의 유동을 제어하는 것을 포함하여, 상기 연료 전지(12)의 작동을 제어하기 위해 상기 시스템 제어기(46) 및 상기 연료 전지(12)와 그리고 이들 사이에서 통신 가능하게 고정되는 작동 회로(48)와,
    상기 연료 전지(12)의 온도를 감지하고 상기 시스템 제어기(46)에 감지 온도를 통지하기 위해 상기 연료 전지(12)에 고정되는 온도 센서(52)와,
    상기 작동 회로(48)에 의한 상기 연료 전지(12)의 작동을 선별적으로 허용하기 위해 상기 시스템 제어기(46) 및 상기 작동 회로(48)와 그리고 이들 사이에서 통신 가능하게 고정되는 온/오프 스위칭 소자(58)와,
    상기 스위칭 소자(58)가 턴-오프되고 상기 온도 센서(52)가 소정의 동결 안전 작동 온도 미만의 연료 전지(12) 온도를 감지할 때, 상기 연료 전지(12)의 작동을 선별적으로 허용하기 위해 상기 시스템 제어기(46) 및 상기 작동 회로(48)와 그리고 이들 사이에서 통신 가능하게 고정되는 온/오프 스위칭 소자 바이패스 회로(60)와,
    상기 온도 센서(52)가 소정의 동결 안전 작동 온도 미만의 연료 전지(12) 온도를 감지하고 상기 온/오프 스위칭 소자(58)가 상기 시스템 제어기(46)에 상기 연료 전지(12)를 셧다운하도록 지시함에 따라 상기 시스템 제어기(46)가 상기 연료 전지(12)의 작동을 유지하는 동안에는 언제나, 상기 연료 전지(12)의 생성 전류가 주 부하(16)에서 보조 부하(64)로 전달되도록 보조 부하 스위칭 소자(62)를 통해 상기 연료 전지(12)와 전기적으로 통신 가능하게 고정되고 상기 시스템 제어기(46)와 통신 가능하게 고정되는 보조 부하(64)
    를 포함하는 연료 전지 발전 장치 작동 시스템(10).
  4. 삭제
  5. 빙점하 주위 조건에서 연료 전지 발전 장치 작동 시스템(10)을 작동시키는 방법이며,
    연료 전지(12)를 통해 산화제 및 연료 반응물 스트림을 전달하여 전류를 생성하는 단계와 상기 전류를 주 부하(16)로 전달하는 단계를 포함하는, 온/오프 스위칭 소자(58)를 온 위치로 턴-온함으로써 연료 전지(12)를 시동하는 단계와,
    연료 전지 전해질(54) 부근의 연료 전지(12) 온도를 결정하는 단계와,
    연료 전지 전해질(54) 부근의 연료 전지(12) 온도가 소정의 동결 안전 작동 온도 미만인 동안에는 상기 온/오프 스위칭 소자(58)를 오프 위치로 턴-오프함으로써 제1 중단 동결 시동을 수행하는 단계로서, 상기 제1 중단 동결 시동을 수행하는 단계는 연료 전지(12)를 통한 산화제 및 연료 반응물 스트림을 전달을 유지하는 단계와 상기 온/오프 스위칭 소자(58)를 오프 위치로 턴-오프한 후에 상기 전류를 주 부하(16)로부터 보조 부하(64)로 전달하는 단계를 포함하는, 제1 중단 동결 시동을 수행하는 단계와,
    상기 연료 전지 전해질(54) 부근의 연료 전지(12) 온도가 상기 소정의 동결 안전 작동 온도보다 높아질 때까지 온/오프 스위칭 소자(58)를 오프 위치에 유지시키는 단계를 포함하는
    빙점하 주위 조건에서 연료 전지 발전 장치 작동 시스템을 작동시키는 방법.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 중단 동결 시동을 수행한 후에, 상기 온/오프 스위칭 소자(58)을 턴-온함으로써 제2 중단 동결 시동을 수행하는 단계와, 이어서 상기 연료 전지(12)의 온도가 연료 전지 전해질(54) 부근에서 상기 소정의 동결 안전 작동 온도 미만인 동안 상기 온/오프 스위칭 소자(58)를 턴-오프하는 단계와, 이어서 상기 온/오프 스위칭 소자(58)가 턴-오프되어 있는 동안 상기 전해질(54) 부근의 연료 전지(12) 온도가 소정의 동결 안전 작동 온도보다 높아질 때까지 계속해서 작동하도록 상기 연료 전지(12)를 제어하는 단계를 추가로 포함하는
    빙점하 주위 조건에서 연료 전지 발전 장치 작동 시스템을 작동시키는 방법.
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