KR101967488B1 - 연료 전지 디바이스에서의 동작 상태를 제어하는 방법 및 장치 - Google Patents

연료 전지 디바이스에서의 동작 상태를 제어하는 방법 및 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101967488B1
KR101967488B1 KR1020137007327A KR20137007327A KR101967488B1 KR 101967488 B1 KR101967488 B1 KR 101967488B1 KR 1020137007327 A KR1020137007327 A KR 1020137007327A KR 20137007327 A KR20137007327 A KR 20137007327A KR 101967488 B1 KR101967488 B1 KR 101967488B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
controllable
fuel cells
fuel
controlling
Prior art date
Application number
KR1020137007327A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20130111541A (ko
Inventor
낌 오스트룀
Original Assignee
콘비온 오와이
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 콘비온 오와이 filed Critical 콘비온 오와이
Publication of KR20130111541A publication Critical patent/KR20130111541A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101967488B1 publication Critical patent/KR101967488B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04037—Electrical heating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04335—Temperature; Ambient temperature of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04365—Temperature; Ambient temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04395—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04708—Temperature of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04738—Temperature of auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04895—Current
    • H01M8/04917—Current of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04925—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/04947—Power, energy, capacity or load of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명의 중점은 연료 전지들 (103) 로 전기를 생성하는 연료 전지 디바이스의 동작 상태들을 제어하기 위한 제어 장치로서, 연료 장치 디바이스에서 각각의 연료 전지는 애노드 측 (100), 캐소드 측 (102), 및 상기 애노드 측과 상기 캐소드 측 사이의 전해질 (104) 을 포함하고, 상기 연료 전지들은 스택 형태가 되게 배열되며, 상기 연료 전지 디바이스는 연료 전지들에 대한 부하 (126), 연료 전지들에 대한 상기 부하에 대한 제어기 (130), 상기 연료 전지들의 기본적인 온도 정보를 결정하기 위한 수단 (132) 을 포함하고, 상기 연료 전지 디바이스는 전기 네트워크에 전류를 생성하기 위해 전기 네트워크 (125) 에 병렬 연결되도록 배열된다. 상기 제어 장치는, 정규 동작 상태들 및 전력 불균형 상황들 양자 모두에서 제어가능한 열 양들로서 열 양들을 생성하는 디바이스로서 동작하기 위한 적어도 하나의 제어가능한 전기 히터 (134a, 134b), 기본적으로 상기 제어가능한 열 양들 및 제어가능한 연료 전지 양들 중 적어도 하나를 목표 값으로 제어하기 위해, 제어가능한 연료 전지 양들로서 적어도 연료 전지들 (103) 로의 공기 유동 양 및 스택 환경에 적용되는 열을 제어하기 위한 적어도 2 개의 제어기들 (134, 135, 136, 137, 138), 및 전력 불균형 상황에서, 상기 적어도 하나의 제어가능한 전기 히터 (134b) 를, 상기 히터가 상기 연료 전지 디바이스의 과도 에너지에 대한 버퍼로서 동작하도록, 제어하기 위한 하위 레벨 고속 제어기 (134a) 를 포함한다.

Description

연료 전지 디바이스에서의 동작 상태를 제어하는 방법 및 장치{METHOD AND ARRANGEMENT TO CONTROL OPERATING CONDITIONS IN FUEL CELL DEVICE}
연료 전지 디바이스들은 상이한 종류의 전기 제품의 요구들을 일반적으로 만족시켜 왔다. 연료 전지 디바이스들은 전기 에너지를 생성하기 위해 반응물들이 공급되는 전기화학적 디바이스들이다.
연료 전지 디바이스들은 전기화학적 디바이스들로, 친환경적인 프로세스로 높은 듀티 비를 갖는 전기의 생성을 가능하게 한다. 연료 전지 기술은 가장 유망한 미래 에너지 생성 방법들 중 하나로 간주된다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 연료 전지는 애노드 측 (100) 과 캐소드 측 (102), 및 애노드 측 (100) 과 캐소드 측 (102) 사이의 전해질 재료 (104) 를 포함한다. 연료 전지 디바이스들로 공급된 반응물들은 발열 반응의 결과로서 전기 에너지 및 열이 생성되는 프로세스를 겪는다.
고체 산화물 연료 전지 (solid oxide fuel cell; SOFC) 들에서, 산소 (106) 는 캐소드 측 (102) 으로 공급되어, 캐소드로부터 전자들을 받아 음의 산소 이온으로 탈산소된다 (reduce). 음의 산소 이온은 전해질 재료 (104) 를 통해 애노드 측 (100) 으로 가며, 애노드 측 (100) 에서 수분 및 또한 일반적으로 이산화탄소 (carbondioxide; CO2) 를 생성하는 사용된 연료 (108) 와 반응한다. 전자들 (e-) 을 캐소드로 이동시키기 위한 외부 전기 회로 (111) 가 애노드와 캐소드 사이에 있다. 외부 전기 회로는 부하 (load) (110) 를 포함한다.
도 2 에서는 SOFC 디바이스가 도시되는데, SOFC 디바이스는, 예를 들어, 천연 가스, 바이오 가스, 메탄올, 또는 탄화수소들을 함유하는 다른 화합물들을 연료로 이용할 수 있다. 도 2 의 SOFC 디바이스는 스택 포메이션의 평면형 연료 전지들 (103) (SOFC 스택) 을 포함한다. 각각의 연료 전지는 도 1 에서 도시된 바와 같이 애노드 (100) 구조 및 캐소드 (102) 구조를 포함한다. 각각의 애노드를 통해 피드백 장치 (109) 에서 사용된 연료의 일부분이 재순환된다.
도 2 의 SOFC 디바이스는 연료 열 교환기 (105) 및 개질기 (107) 를 포함한다. 열 교환기들은 연료 전지 프로세스에서 열 상태들을 제어하는데 사용되고, SOFC 디바이스의 상이한 위치들에 열 교환기들 중 하나 이상이 위치될 수 있다. 순환 가스에서의 여분의 열 에너지는 SOFC 디바이스에서 이용되도록 열 교환기 (105) 에서 회수되거나, 열 회수 유닛 외부에서 회수된다. 그러므로, 열 회수 열 교환기는 도 2 에 도시된 바와 같이 상이한 위치들에 위치할 수 있다. 개질기는, 예를 들어, 천연 가스와 같은 연료를, 연료 전지들에 적합한 조성물, 예를 들어, 절반은 수소, 그리고 나머지 절반은 메탄, 이산화탄소, 및 불활성 가스들을 함유하는 조성물로 변환시키는 디바이스이다. 그러나, 개질기가 모든 연료 전지 구현들에서 필요한 것은 아니고, 또한, 처리되지 않은 연료가 연료 전지들 (103) 로 바로 공급될 수도 있다.
(연료 유량계, 유속계 (current meter), 온도계와 같은) 측정 수단 (115) 을 이용함으로써, 애노드 통과 재순환 가스로부터 SOFC 디바이스의 동작을 위해 필요한 측정들이 이행된다. 연료 전지들 (103) 의 애노드들 (100) (도 1) 에서 사용된 가스의 오직 일부분만이 피드백 장치 (109) 에서 애노드들을 통해 재순환되고, 그러므로, 도 2 에서, 또한, 가스의 다른 부분은 애노드들 (100) 로부터 배기되는 (114) 것으로 도식적으로 도시된다.
연료 전지 디바이스는 저전압 레벨을 포함하는 직류의 형태로 전기 에너지를 생성한다. 예를 들어, 스택 포메이션과 같은 직렬 연결을 형성하도록 여러 개의 연료 전지들을 결합하거나, 연료 전지들의 조합들에 의해 전압 레벨이 높아질 수 있다. 연료 전지들의 전류-전압 특성들은, 예를 들어, 반응물 조성물들, 질량 유량, 온도, 및 압력에 따라 달라진다. 연료 전지에서의 전기화학 반응들은 연료 전지 부하에서의 변동들에 빠르게 반응한다. 그러나, 일반적으로, 반응물들 입력 시스템에서의 응답 능력은 훨씬 더 느린데, 이는 응답 시간들이 수초 또는 심지어 수분임을 의미한다. 지배적인 반응물들의 입력이 허용하는 것보다 더 많은 효율성을 연료 전지들에서 얻으려고 노력하는 경우에, 연료 전지 전압들의 약화가 야기되고, 심지어, 연료 전지들의 되돌릴 수 없는 열화가 가능할 수 있다. 또한, 부하 변화들은 연료 전지에서의 빠른 온도 변화들을 야기하는데, 이는, 특히, 고온 연료 전지들에서 해로운 열변형 스트레스 (thermomechanical stress) 를 야기하여, 연료 전지들의 성능 및 수명의 상당한 감소를 초래한다. 그러므로, 연료 전지 시스템들은, 각각의 연료 전지의 부하가 가능한 한 변함없게 유지되고, 부하에서의 있을 수 있는 변화가 가능한 한 제어가능하게 이행되도록 설계되어야 한다.
연료 전지들이 독립 가변 AC 부하들을 얻거나, 분배 네트워크에 전력을 공급하는데 사용되는 경우, DC 전력을 AC 전력으로 변환시키기 위해 DC-AC 변환기가 필요하다. 또한, 연료 전지들로부터 얻은 DC 전압을 DC-AC 변환기용으로 적합한 레벨로 높이기 위해 DC-DC 변환기들에 대한 요구가 있을 수도 있다. 그러나, 부하에서의 변화들에 응답하기 위한 연료 전지들의 매우 제한된 호환성 및 능력으로 인해, 선행 기술의 연료 전지 구현들, 특히, 고온 연료 전지 구현들은 독립 가변 AC 부하들에 전원들로서 공급하거나, 분배 네트워크에 가변 전력을 공급하는데 잘못 적용된다. 상기 문제를 고치려는 공지의 방식은, 예를 들어, 연축전지 (lead acid battery) 들로 구성되는 에너지 버퍼의 사용이다. 에너지 버퍼의 기능은 빠르게 변화하는 상태들에서 전력을 공급하거나 소비하여 연료 전지의 부하 변경이 제어되도록 하는 것이다. 특히, 대형 연료 전지 시스템들에서, 상기 선행 기술의 구현의 단점들은 대형 연료 전지 시스템들의 높은 비용, 큰 크기 및 중량, 제한된 효과로 인해 더욱 심각해진다. 전기 네트워크가 커플링된 응용들에서, 변함없이 연료 전지 부하를 유지하기 위한 대안적인 선행 기술의 구현은 네트워크에 전력을 공급할 시에 전류 제어형 변환을 사용하는 것이다. 그러나, 전류 제어형 변환에 기초한 제어는 네트워크 독립형 동작에는 적합하지 않고, 그러므로, 연료 전지 시스템 내부 또는 외부의 중요한 AC 부하들에 대한 비상 전원으로 사용될 수 없다.
고온 연료 전지 시스템들은 가열 시스템들에 있어서 동작 온도들까지 큰 열 에너지량을 요구한다. 이로 인해, 시동 시간의 길이가 수십 시간에 이를 수 있다는 결론이 나온다. 정지 시퀀스 및 시동 시퀀스에서의 매우 큰 온도 바뀜들은 연료 전지들 및 관련 시스템 컴포넌트들을 더욱 과도한 열변형 스트레스에 노출시킨다. 그러므로, 고-온 연료 전지 시스템들은, 가능한 긴 시간 기간들 동안, 심지어 수천 시간 동안, 임의의 정지들이 없이, 계속적으로 동작하도록 설계되어야 한다. 이 목적을 성취하기 위해, 시스템은, 시스템을 정지시킬 수도 있거나, 시스템을 해로운 동작 상태들로 만들 수도 있는 그러한 외부 요인들을 최소화할 뿐만 아니라, 높은 신뢰성을 충족시키도록 설계되어야 한다. 전류 제어형 변환기들은, 연료 전지 응용들에서, 정전들, 전압 강하들, 또는 과도들과 같은 상이한 네트워크 중단들에서 발생하는, 부하에서의 갑작스러운 변화들로부터 연료 전지들을 보호할 수 없다는 문제를 가지고 있다.
연료 전지 스택들에서의 열 관리는 고온 연료 전지 시스템에서의 BoP (balance of plant) 장비의 주요한 기능들 중 하나이다. 연료 전지 스택들의 열 균형은 내부 개질, 연료 전지 반응들, 반응물들의 유동에 의한 열 수송, 및 주변 구조들과의 직접적인 열 교환을 포함하는 많은 매커니즘들 의해 영향을 받는다. 온도 균형 제어에 대한 일반적인 방법들은 내부 개질률 조절, 및 공기 유동과 캐소드 유입 온도 조절을 포함한다. 스택들의 온도 제어는 스택들 및 관련 구조들에서의 상당한 양의 열 질량의 온도 제어를 포함하고, 따라서, 동작 파라미터들에서의 변화들에 대해 긴 응답 시간들을 도입한다. BoP 제어의 다른 부분들에서의 유사한 긴 응답 시간들과 함께, 이러한 긴 응답 시간들은 빠른 부하 변화들에 응답하기 위한 연료 전지 시스템의 능력을 제한한다.
독립형 동작용으로 설계된 시스템들에서, 시스템의 전력 균형은 모든 시점 (time instant) 에서의 요구 (부하) 에 부합하도록 제어되어야 한다. 스택 및 BoP 제어에서의 긴 응답 시간들로 인해, 고온 연료 전지 프로세스들은 스택 전력 출력에서의 빠른 변화들을 요구하는 응용들용으로는 본질적으로 부적합하다. 이러한 난관을 극복하기 위해, 일반적으로, 부하 변화들에 응답하는 연료 전지 시스템들은 동작 상태들의 변화율을 감소시키도록 대량 에너지 저장소들 및/또는 보조 에너지 덤핑 (dumping) 매커니즘들을 갖추고 있다. 안정 상태 동작용으로 설계된 그리드로 묶인 (grid-tied) 시스템들에서, 그리드 오류들 (FRT (fault ride through) 능력) 의 경우에만 사용될 그러한 장비들의 포함은 추가되는 비용, 무게, 및 시스템 복잡도와 관련하여 추가되는 가치들의 면에서 분명히 이롭지 않다.
본 발명의 목적은, 연료 전지 디바이스를 위한 제어 장치를 달성하는 것으로, 제어 장치는, 예를 들어, 전기 네트워크들에서의 정전들과 같은 예외적인 동작 상태들과 관련하여 신뢰할 수 있고 진보된 연료 전지 디바이스의 동작 모드들을 제공한다. 이는, 연료 전지들로 전기를 생성하는 연료 전지 디바이스의 동작 상태들을 제어하기 위한 제어 장치에 의해 달성되는데, 연료 전지 디바이스에서 각각의 연료 전지는 애노드 측, 캐소드 측, 애노드 측과 캐소드 측 사이의 전해질을 포함하고, 연료 전지들은 스택 포메이션으로 배열되며, 연료 전지 디바이스는 연료 전지들에 대한 부하, 연료 전지들에 대한 상기 부하에 대한 제어기, 연료 전지들의 기본적인 온도 정보를 결정하기 위한 수단을 포함하고, 연료 전지 디바이스는 전기 네트워크에 전류를 생성하기 위해 전기 네트워크에 병렬 연결되도록 배열된다. 그 제어 장치는, 정규 동작 상태들 및 전력 불균형 상황들 양자 모두에서 제어가능한 열 양들로서 열 양들을 생성하는 디바이스로서 동작하기 위한 적어도 하나의 제어가능한 전기 히터, 기본적으로 제어가능한 열 양들 및 제어가능한 연료 전지 양들 중 적어도 하나를 목표 값으로 제어하기 위해, 제어가능한 연료 전지 양들로서 적어도 연료 전지들로의 공기 유동의 양 및 스택 환경에 적용되는 열을 제어하기 위한 적어도 2 개의 제어기들, 및 전력 불균형 상황에서, 상기 적어도 하나의 제어가능한 전기 히터를, 상기 히터가 연료 전지 디바이스의 과도 에너지에 대한 버퍼로서 동작하도록, 제어하기 위한 하위 레벨 고속 제어기를 포함한다.
또한, 본 발명의 중점은, 상기 방법으로 연료 전지들에 대한 부하를 제어하며, 연료 전지들의 기본적인 온도 정보를 결정하고, 전기 네트워크에 전류를 생성하기 위해 전기 네트워크에 연료 전지 디바이스를 병렬로 배열하여, 연료 전지들로 전기를 생성하는 연료 전지 디바이스의 동작 상태들을 제어하는 제어 방법이다. 그 방법에서는, 정규 동작 상태들 및 전력 불균형 상황들 양자 모두에서 제어가능한 열 양들로서 열 양들을 생성하는 디바이스로서 동작하기 위한 적어도 하나의 제어-레벨 전기 히터가 배열되는데, 기본적으로 제어가능한 열 양들 및 제어가능한 연료 전지 양들 중 적어도 하나를 목표 값으로 제어하기 위해 제어가능한 연료 전지 양들로서 적어도 연료 전지들로의 공기 유동의 양 및 스택 환경에 적용되는 열이 제어되고, 전력 불균형 상황에서, 적어도 하나의 제어가능한 전기 히터가 연료 전지 디바이스의 과도 에너지에 대한 버퍼로서 동작되도록 제어된다.
본 발명은, 전력 불균형 상태들에 즉시 응답할 수 있도록 제어 장치에 통합된 제어가능한 전기 히터와 함께, 연료 전지 디바이스의 열 질량을 에너지 버퍼로서 이용하는 것에 기초한다. 적어도 하나의 제어가능한 전기 히터를 제어함으로써, 예외적인 동작 상태들 중에 과도 에너지에 대한 버퍼로서의 역할을 하도록 하는데 연료 전지 디바이스의 열 응답 시간이 이용된다. 또한, 본 발명은, 정규 동작 모드와 전력 불균형 상황 양자 모두, 및, 또한, 정규 동작 모드에서 전력 불균형 상황으로의 상태 변화와 전력 불균형 상황에서 정규 동작 모드로의 상태 변화들 사이에서의 시스템 열 균형을 제어하기 위해 기본적으로 상이한 종류의 제어가능한 양들을 제어하도록 적어도 3 개의 제어기들이 함께 동작하는 진보된 제어 장치의 이용에 기초한다. 제어 장치는 지연 없이 자동적으로 전기 네트워크 변화들을 검출할 수 있도록 배열된다.
본 발명의 효과는, 정규 전기 네트워크 병렬 동작과 비교하여, 비용이 드는 추가적인 컴포넌트들의 요구 없이, 그리고, 또한 상태 변화들 또는 수정된 파라미터 셋트들에 대한 요구 없이, 정규 제어 파라미터들로, 예외적인 동작 상태들에서의 연료 전지 디바이스 동작에 대한 성공적인 제어가 성취된다는 것이다.
도 1 은 단일 연료 전지 구조를 도시한다.
도 2 는 연료 전지 디바이스의 일 예를 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 일 바람직한 실시형태를 도시한다.
본 발명은, 예를 들어, 그리드 고장으로 인해 시스템이 간헐적으로 독립형 (stand-alone) 동작 상태에 놓이는 경우의 요구에 부합하기 위해 시스템의 전력 출력의 균형을 맞추는 고유 능력을 구비한, 명목상으로 안정-상황 고온 연료 전지 시스템의 온도 균형 제어를 위한 장치 및 관련 제어 해결책을 제시한다. 본 발명은, 전력 불균형 상태들에 즉시 응답할 수 있도록 배열된 전기 히터들과 함께, 에너지 버퍼로서 시스템의 열 질량 (thermal mass) 을 이용하는 것에 기초한다. 열 질량은 시스템에 주입된 열의 변화들의 영향을 효과적으로 지연시키고 저역-통과 필터링하여, BoP 제어가 제한된 속도로 상응하게 응답하는 것을 허용하고, 반면 전력 요구에서의 빠른 과도들은 대부분 종종 오직 히터 파워에서의 변화들에 의해서만 처리된다.
본 발명에 따른 실시형태들은, (독립적으로 뒤따르는 병렬인) 동작 전제들에서의 변화와 관련하여 상태 변화들, 파라미터 변화들, 또는 특별한 제어 시퀀스들에 대한 요구 없이, 정상 안정 상태 (그리드, 즉, 전기 네트워크 병렬식) 동작 모드, 및 FRT (독립형) 동작 모드, 즉, 예외적인 동작 상태들 양자 모두에서의 시스템 동작 상태들을 제어하고 최적화하기 위한 해결책들을 제시한다.
또한, 본 발명에 따른 실시형태들은 비용이 드는 추가적인 컴포넌트들에 대한 요구 없이 정상적으로 그리드로 묶인 시스템에 대해 제한된 FRT 능력이 성취되는 해결책들을 제시한다. 본 발명은, 예를 들어, 그리드 고장에 의해 부과된 예외적인 동작 상태들 중에 과도 에너지에 대한 버퍼로서의 역할을 하기 위해 시스템의 고유 열 응답 시간을 이용한다.
본 발명의 바람직한 실시형태들이 이 명세서에서 추후에 좀더 상세히 제시되기는 하나, 다음에서 사용된 도면 부호들은 주로 도 3 을 가리킨다.
그 장치는 스택 온도를 제어하기 위한 적어도 2 개의 제어기들을 포함하는데, 제어가능한 양들은 스택 유입 온도들, 공기 공급 양, 및/또는 내부 개질율이다. 공기 공급 제어기 (138) 는 스택들의 온도 제어를 달성하여, 스택들을 냉각시킬 필요가 있다면 추가적인 공기를 제공한다. 제어가능한 양들 중 적어도 하나의 양은 적어도 하나의 중요한 전기 히터 (134b) 의 제어 (134a) 를 포함한다. 상기 히터들(들) (134b) 은 고-속 하위-레벨 제어 루프에 의해 제어되어, 연료 전지 시스템의 전력 균형에 기초하여 히터 (134b) 파워를 도출한다. 히터 파워는, 예를 들어, 시스템 내의 DC/AC 인버터 (142) 의 DC-링크 전압으로부터 도출된다. 히터(들) (134b) 의 상위 레벨 제어는 결과로 초래된 파워가 요구에 부합하도록 상기 기준 전압에 대한 설정점을 제공함으로써 달성된다. 스택 온도를 제어하기 위한 제 3 매커니즘 및 최종 매커니즘은 명목상의 온도들보다 높은 스택 온도들이 스택 부하의 감소를 야기하도록 스택의 부하 제어로 구현된다.
설명된 제어 장치에서, 예를 들어, 그리드 정지 (outage) (섬 (island) 동작) 에 의해 야기된 전력 균형에서의 갑작스러운 (하향의) 변화에서, 전력 균형에 의해 제어된 히터 (134b) 는 변화를 보상하도록 파워가 피크일 것이다. 전기 히터의 하위-레벨 제어 루프가 아날로그 제어 또는 자율적 고속 디지털 제어를 이용하여 구현되기 때문에, 반응하기 위한 BoP 제어 로직이 필요 없이 전력 균형 결과가 생길 것이다. BoP 제어에 의해 도출된 설정점 대신에 스택 출력과 외부 부하 사이의 전력 균형에 의해 결정된 히터 파워는 시스템의 열 상태들의 제어에서 일 자유도의 손실을 나타낸다. 시스템의 열 균형이 공기 공급, 반응기 온도들, 및 스택 부하와 같은 다른 수단들에 의해서도 조절될 수 있기 때문에, 효율성과 동작 상태들의 관점에서 덜 최적일지라도, 여전히 균형이 유지될 수 있다. 비-최적화에 의해 야기된 줄어든 효율성 또는 증가된 악화율은 상태들이 오직 그리드 (125) 정지와 같은 예외적인 상황들에서만 발생하는 경우 거의 중요하지 않다.
시스템의 높은 열 시간 상수들로 인해, 히터 파워(들)에서의 변화는 시스템 온도들에 대해 상당히 지연되고 저역-통과 필터링되는 영향을 미칠 것이다. 그 다음에, 느린 온도 상승은, 예를 들어, 공기 공급을 증가시키고, 최종적으로 증가된 온도들에 따라 스택 부하를 감소시킴으로써, 정규 BoP 제어에 의해 보상될 수 있다. 전기적 열 전력이 스택 출력과 외부 부하 사이의 차이에 직접적으로 의존하기 때문에, 스택 출력의 감소는 스택에서의 내부 열 생성 및 전기 히터에서의 외부 열 양자 모두를 감소시킬 것이고, 그러므로, 효과적으로 시스템을 새로운 열 균형 상황으로 가져온다. 시스템의 열 시간 상수들이 (수 분에서 수십 분까지) 상대적으로 길기 때문에, 스택 온도에 기초하여 스택 부하를 제어하기 위한 상술된 매커니즘은 스택 부하에서의 오직 느린 과도들만을 야기할 것이며, 이 과도들은, 완전히, 전체 BoP 시스템의 응답 능력 내에 있다. 결과적으로, 정규 그리드 병렬 동작들과 비교하여, 상태 변화들 또는 수정된 파라미터 셋트들에 대한 요구 없이, 정규 BoP 제어 파라미터들에 의해 과도 (섬-모드) 상태들에서 BoP 제어가 처리될 수 있다. 시스템이 그리드 병렬 동작으로 복귀하면, BoP 제어가 손실한 제어 (히터들) (134a) 의 자유도(들)을 되찾아, 다시 시스템이 최적 동작 상태들로 향하도록 꾀하는 것을 허용한다. 따라서, 동작 모드 과도들과 관련된 섬 및 그리드 병렬 동작에 대한 특별한 제어를 구현하기 위해 오직 DC/AC 인버터 (142) 만이 필요하다. 또한, 방법은, 모든 시스템 내부 부하 및 가능한 외부 부하가 시스템 내부 DC-전압으로부터 공급될 수 있으면, 섬-모드가 가능한 DC/AC 인버터 없이 이용될 수 있다.
부하 변화들에 반응하기 위한 시스템의 능력은 히터들 (134b) 의 치수화 (dimensioning) 및 듀티 비 (duty rate) 에 의해 결정된다. 일 시점에서 히터들에 인가된 전력은 시스템이 응답할 수 있는, 부하에서의 최대 허용가능한 증가 단계를 나타내고, 반면 히터들에서의 "사용되지 않은" 열 능력은 스택 전류들의 갑작스러운 감소를 야기하지 않으면서 시스템이 처리할 수 있는, 부하에서의 가장 큰 감소 단계에 상응한다. 일반적인 경우로, 스택 및 BoP 가 스택 부하에서의 갑작스러운 감소를 처리할 수 있으면, 심지더 부하에서의 더 큰 감소 단계들이, 예를 들어, 섬 모드 동작으로의 천이 순간에 허용될 수 있다. 과도 응답 마진들, 즉, 전기적 열 전력은, 외부 부하에 따라 원하는 히터 듀티가, 예를 들어, 20-50 % 에 도달하도록, 스택 공기 공급, 및/또는 외부 급수, 애노드 순환, 또는 반응기 온도들과 같은 시스템 열 균형에 영향을 미치는 다른 매커니즘들을 조절함으로써 최적화될 수 있다. 시스템 열 균형을 조정하는 능력은 열 교환율들의 감소를 허용하는 열 교환기들 위로 바이패스들을 추가함으로써 상당히 증가될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태 (도 3) 에서, 시스템 가열 및 전력 균형 조절을 가능하게 하도록, 공기-공기 열 교환기 (29) 가 회복된 이후에, 캐소드 유입 스트림을 가열하기 위해 전기 채널 히터 (134b) 가 배열된다. 수명 상태들의 마지막에서 스택들에 증가된 열 생성에 대한 마진을 제공하는 것뿐만 아니라, 열을 보상하도록 캐소드 (102) 유입 스트림의 온도를 낮추는 것을 허용하기 위해, 상기 열 교환기의 유입구 측 위로 제어가능한 냉기 바이패스 스트리머 (streamer) (144) 가 배열된다. 상기 냉기 바이패스 스트리머 (144) 의 제어는 제어기 (137) 에 의해 수행된다. 상위 레벨 온도 제어기 (135) 는 스택들 (103) 에 피드-인 (feed-in) 온도를 요청하여, 제어기 (137) 로 제어 값 정보를 제공한다.
히터 (134b) 는 펄스 폭 변조 (pulse width modulation; PWM) 로 솔리드-스테이트 (solid-state) 스위치 디바이스에 의해 제어되며, 여기서, 변조율은 DC/AC 인버터 (142) DC-링크 전압의 측정된 값과 제공된 설정점 사이의 차이에 비례한다. 히터 (134b) 는 빠른 PWM 제어를 허용하기 위해 DC-링크로부터의 DC 전압 또는 연료 전지 DC 전압으로 동작된다. 히터 (134b) 파워의 상위 레벨 제어는, 히터 (134b) 에 상기 DC-링크 전압 설정점을 제공하여 허용가능한 범위들 내로 캐소드 (102) 유입 온도를 조절함으로써 스택 온도들을 제어하는 스택 유입 온도 제어기 (136) 에 의해 처리된다. 정규 그리드 (125) 병렬 동작에서, DC/AC 인버터 (142) 는 DC-링크 전압을 변함없는 레벨로 유지할 것인데, 이에 의해 히터 파워는 오직 상기 상위 레벨 제어기의 제어 출력에 의해서만 결정된다. 그리드 오류의 경우에, DC/AC 인버터는 DC-링크 전압을 안정화시킬 능력을 잃는데, 이로 인해 시스템으로부터의 과도 에너지는 DC-링크 전압이 상승하도록 할 것이며, 이는 히터 (134b) 에서 과도 에너지를 소비함으로써 하위 레벨 전기 히터 제어기 (134a) 에 의해 반대로 작용된다.
본 발명의 바람직한 실시형태는, 스택 유입 온도 제어기 (136) 가 스택 온도 상승을 막을 수 없다면 공기 공급이 최소 값에서부터 증가되도록, 상술한 스택 유입 온도 제어기 (136) 와 협력하여 스택 온도들을 제어하는 공기 공급 제어기 (138) 를 더 포함한다.
또한, 연료 전지 디바이스는, 정의된 최적점 쪽으로 스택 전류가 기울도록 하나, 스택 유입 온도 제어기 (136) 및 공기 공급 제어기 (138) 양자 모두가 스택들의 온도 상승을 제한하는 것에 실패하면 전류들을 감소시키는 부하 제어기 (130) 를 포함한다. 모두 동일한 양, 즉, 스택 온도들을 제어하는 3 개의 제어기들 (134a, 136, 138) 의 적절한 우선순위 및 상호작용은, 적절히 조율된 비율과 결합하여 상이한 제어기들에 대해 약간 오프셋된 설정점들을 이용하고, 제어기들 각각의 작동을 통합하여 달성될 수 있다.
도 3 에는, 본 발명에 따른 일 바람직한 실시형태가 도시된다. 도 3 은 매우 도식적인 관점에서 연료 전지 디바이스를 도시한다. 연료 전지 디바이스에 포함된 연료 전지 유닛 (103) 은, 연속적으로 직렬-연결된 연료 전지들 (103) 로 구성되며, 애노드 측 (100), 캐소드 측 (102), 및 애노드 측 (100) 과 캐소드 측 (102) 사이에 제공된 전해질 (104) 을 특징으로 하는 하나 이상의 연료 전지 스택들, 뿐만 아니라 개개의 연료 전지들 (미도시) 사이에 설정된, 이른바 상호연결부인, 연결판을 포함한다. 명료함을 위해서, 도 3 에서는, 단일 연료 전지 (103) 의 형태로 오직 하나의 연료 전지 스택만이 도시된다. 연료 전지 스택들의 개수는 특정 값으로 제한되지 않는다. 다수의 스택들 또는 심지어 단일 스택이 사용될 수 있다.
이 바람직한 실시형태에서, 일반적으로, 애노드 측 (100) 은, 연료 전지 유닛들 (103) 의 연료 전지들 (103) 에 포함된 애노드 전극들, 및 연료의 관점에서, 연료 전지 유닛들 (103) 의 한정들 내의 연료를 실제 개개의 연료 전지들의 애노드들에 전도하기 위한 컴포넌트들과 애노드들 (100) 로부터 가스 배출을 더 행하기 위한 컴포넌트들 양자 모두를 가리킨다. 각각, 캐소드 측 (102) 은 캐소드 전극들, 뿐만 아니라 연료 전지 유닛들 (103) 의 한정들 내의 캐소드들에 또는 캐소드들로부터 공기를 전도하기 위해 제공된 컴포넌트들을 가리킨다.
또한, 애노드 측 (100) 에 연료 가스를 공급하기 위해, 본원에서는 오직 공급 라인 (10) 으로 나타내어지는 공급 수단이 애노드 측에 제공된다. 도 3 에서, 연료는 라인 (10a) 을 통해 연료 전지 디바이스로 들어가서, 여기서 먼저 탈황기 (3) 안으로 들어간다. 라인 (10b) 으로부터 나오는 스팀뿐만 아니라, 라인 (12) 에 있을 수 있는 재생 (recycled) 연료와 함께, 형성된 유동은, 다음으로, 전개질기 (4), 또는 그와 같은 있을 수 있는 연료 전처리 디바이스들로 들어간다.
마찬가지로, 애노드 측 (7) 으로부터 나오는 사용된 연료 가스의 연료 전지 유닛을 방전하기 위해 제공된 수단이 있다. 본원에서는, 오직 방전 라인 (11) 만이 나타내어진다. 당연히, 10, 11 과 같은 복수의 라인들이 있을 수도 있다. 그 다음에, 배출 유동 (11) 은 라인 (10) 에서의 유입 공급 연료를 가열하기 위해 열 교환기 수단 (30) 을 통해 가이딩된다. 연료의 일부분은 라인 (12) 을 통해 재생되고, 반면 나머지는 애프터버너 (afterburner) (31) 로 유도된다. 라인 (10b) 으로 향하는 유닛 (21) 에서 전개질기 (4) 에서 사용될 스팀을 생성할 시에 다른 것들 중에서 애프터버너의 열이 사용된다.
라인 (14) 을 통해 캐소드 측 (102) 에 공기가 공급되며, 이는, 그 다음에, 연료 전지 스택들 (103) 및 또한 개개의 연료 전지들 (2) 로 전달되도록 나눠진다. 상응하여, 그렇게 하여 배출 유동 (15) 을 구성하는 연료 전지들 (2) 로부터 나오는 공기는 연료 스택 격실 (compartment) 을 나가서, 그 후에, 공급 공기 유동 (14) 을 가열하기 위해 리큐퍼레이터 (recuperator) 유닛 (29) 을 통해 흐르도록 가이드된다. 또한, 본원에서는 명료함을 위해 모든 배관들은 단지 단일 라인으로 도시된다.
나아가, 도 3 에서는, 연료 전지 디바이스의 동작 상태들을 제어하기 위한 일 바람직한 제어 장치가 도시되는데, 이는 전기 네트워크에 전류를 생성하기 위해 전기 네트워크 (125) 에 병렬 연결된다. 연료 전지 디바이스는 연료 전지들 (103) 에 대한 부하 (126), 및 연료 전지들에 대한 상기 부하에 대한 제어기 (130) 를 포함한다.
또한, 제어 장치에는, 연료 전지들 (103) 의 기본적인 온도 정보를 결정하기 위한 수단 (132) 이 제시된다. 수백 섭씨 (Celsius degree) 온도들, 예를 들어, 100 - 1000 섭씨 온도들을 측정할 수 있는 온도 측정 디바이스가 상기 수단 (132) 으로서 사용된다. 또한, 예를 들어, 연료 디바이스 프로세스 흐름들로부터의 온도 측정 정보, 및 예를 들어, 조성물, 부하, 및 이용률 정보와 같은 연료 전지 스택 상태들과 관련된 다른 기본적인 정보를 이용하여, 예를 들어, 제어 컴퓨터 또는 어떤 다른 프로세서들에서의 계산 프로세스에서 온도 정보가 획득될 수 있다. 제어 장치는 스택 부하를 제어하기 위한 제어기 (130) 를 포함하며, 상기 제어기는 상기 기본적인 온도 정보가 제한 값을 초과하면 부하 감소를 수행할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태 (도 3) 에서는, 상이한 종류의 제어 태스크들을 수행하기 위해, 예를 들어, PID (비례-적분-미분 (Proportional-Integral-Derivative)) 제어기들 (130, 134a, 135, 136, 137, 138) 이 사용된다. 문자 심볼 sp 는 제어기에 대한 설정점을 상징하고, pv 는 제어기에 대한 프로세스 값을 상징한다. 연료 전지 디바이스의 제어 프로세스로부터, 제어기들 (130, 134a, 135, 136, 137, 138) 로의 입력 값들도 있다. 문자 심볼 cv 는 제어기의 제어 값을 상징한다. 제어 값들 (cv) 은 제어기들 (130, 134a, 135, 136, 137, 138) 로부터 연료 전지 디바이스의 제어 프로세스로의 출력 값들이다. 또한, 본 발명의 목적들을 성취하기 위해 다른 유형의 피드백 제어기들이 제어기들 (130, 134a, 135, 136, 137, 138) 로 사용될 수 있다.
장치에서는, 정규 동작 상태들 및 전력 불균형 상황들 양자 모두에서 제어가능한 열 양들로서 열 양들을 생성하는 디바이스로서 동작하기 위한 적어도 하나의 제어가능한 전기 히터 (134b) 가 이용된다. 바람직한 실시형태에서, 적어도 하나의 제어가능한 전기 히터 (134b) 는 연료 전지 디바이스의 전력 균형에 기초하여 히터 (134b) 파워를 도출함으로써 하위 레벨 고속 제어기 (134a) 에 의해 제어된다. 바람직하게는, 제어기 (134a) 는 전기 히터 (134b) 의 제어 시에 펄스 폭 변조 (PWM) 를 이용한다. 본 발명에 따른 제어 장치는, 제어가능한 열 양들 및 제어가능한 연료 전지 양들 중 적어도 하나를 목표 값으로 제어하기 위해, 제어가능한 연료 전지 양들로서 적어도 연료 전지들 (103) 로의 공기 유동의 양 및 스택 환경에 적용되는 열을 제어하도록 제어기들 (134a, 135, 136, 137, 138) 중 적어도 2 개를 이용한다. 바람직한 실시형태 (도 3) 에서, 연료 전지들 (103) 에 대한 상기 제어 가능한 공기 유동의 양은 연료 전지들 (103) 의 캐소드 측들 (102) 으로의 공기 유동의 양을 의미한다. 양자 모두 제어 장치의 사용자에 의해 설정되는, 온도 설정점 정보 및 전류 설정점 정보는, 제어가능한 양들 중 적어도 하나를 상기 목표 값으로 제어할 시에 이용된다. 또한, 다음의 양들: 연료 전지들 (103) 로의 유입 공기 온도, 및 연료 전지 디바이스에서의 내부 개질 레이트 값 중 적어도 하나의 양이 제어가능한 양으로서 이용될 수 있다.
전기 네트워크에 오작동이 존재하는 경우, 본 발명에 따른 제어 장치는, 연료 전지 디바이스의 출력 전압을 주시하는 하위 레벨 고속 제어기 (134a) 에 의해, 시스템에서의 전력 불균형 상황을 자동적으로 그리고 즉시 알아차릴 수 있다. 전력 불균형 상황에서, 하위 레벨 고속 제어기 (134a) 는 적어도 하나의 전기 히터 (134b) 를 연료 전지 디바이스의 과도 에너지에 대한 버퍼로서 동작시키도록 이용된다. 바람직하게는, 하위 레벨 고속 제어기 (134a) 로서 P (비례) 유형 제어기가 사용되는데, 이는 프로세스 값에서의 변화들에 대해 빠른 (예를 들어, 약 1 밀리세컨드) 제어 값 응답을 제공할 수 있는 특별한 유형의 PID 제어기 (proportional-integral-derivative controller) 들이다. 상기 전기 네트워크의 오작동은 매우 단기 (예를 들어, 전압 스파이크), 장기 (정전들) 의 기간에 따라 달라질 수 있다. 전기 네트워크에서 오작동이 사라지는 경우, 또한, 바람직하게는, 제어 장치는, 예를 들어, 전기 네트워크 (125) 에서의 전압 변화들을 주시하여 새로운 상황을 자동적으로 그리고 즉시 검출할 수 있고, 연료 전지 디바이스의 동작은 가능한 한 빨리 정규 상황으로 복귀하는데, 예를 들어, 스택 유입 온도 제어기 (136) 는 제어가능한 히터 (134b) 의 파워를 제어하는 것으로 복귀하고, 연료 전지 디바이스는 전기 네트워크 (125) 에 전류를 공급한다. 그러므로, 본 발명의 바람직한 실시형태는 상이한 종류의 전기 네트워크들에 연결가능한 연료 전지 디바이스 응용들에 대한 자동적 네트워크 상호작용 전기 전력 균형기로서도 지정될 수 있다. 그러므로, 전기 네트워크는 단일-상, 2-상, 3-상 등일 수 있고, 교류 네트워크 및 또한 DC 전력 네트워크들이 관련될 수 있다.
비록 도면들과 함께 상기에서 SOFC 연료 전지 디바이스들이 제시되지만, 본 발명에 따른 실시형태들은 상이한 종류의 연료 전지 디바이스들에서 이용될 수도 있음에 주의해야 한다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 전기 네트워크는 거의 종종 일반적인 전기 전력 분배 네트워크를 의미하고, 연료 전지 디바이스에 의해 생성된 DC 전기는, 예를 들어, 3 상 DC-AC 변환을 통해 상기 네트워크로 공급된다. 많은 종류의 전기 네트워크 응용들이 본 발명에 따른 실시형태들로 실현될 수 있으므로, 예를 들어, DC-AC 변환이 모든 응용에서 필요한 것은 아니다.
본 발명이, 첨부된 도면들 및 명세서를 참조하여 제시되었지만, 본 발명이 청구항들에 의해 허용된 범위 내에서 변경되는 바와 같이, 본 발명은 결코 도면들 및 명세서로 제한되지 않는다.

Claims (14)

  1. 연료 전지들 (103) 로 전기를 생성하는 연료 전지 디바이스의 동작 상태들을 제어하기 위한 제어 장치로서,
    상기 연료 전지 디바이스 내의 각각의 연료 전지는 애노드 측 (100), 캐소드 측 (102), 및 상기 애노드 측과 상기 캐소드 측 사이의 전해질 (104) 을 포함하고, 상기 연료 전지들은 스택 포메이션 (formation) 이 되도록 배열되며, 상기 연료 전지 디바이스는 연료 전지들에 대한 부하 (126), 연료 전지들에 대한 상기 부하에 대한 제어기 (130), 상기 연료 전지들의 온도 정보를 결정하기 위한 수단 (132) 을 포함하고, 상기 연료 전지 디바이스는 전기 네트워크에 전류를 생성하기 위해 전기 네트워크 (125) 에 병렬 연결되도록 배열되고,
    상기 제어 장치는,
    정규 동작 상태들 및 전력 불균형 상황들 양자 모두에서 제어가능한 열 양들로서 열 양들을 생성하는 디바이스로서 동작하기 위한 적어도 하나의 제어가능한 전기 히터 (134b), 상기 제어가능한 열 양들 및 제어가능한 연료 전지 양들 중 적어도 하나를 목표 값으로 제어하기 위해, 제어가능한 연료 전지 양들로서 적어도 상기 연료 전지들 (103) 로의 공기 유동의 양 및 스택 환경에 적용되는 열을 제어하기 위한 적어도 2 개의 제어기들 (134a, 135, 136, 137, 138), 및 전력 불균형 상황에서, 상기 적어도 하나의 제어가능한 전기 히터 (134b) 를, 상기 연료 전지 디바이스의 전력 균형에 기초하여 히터 (134b) 파워를 도출함으로써 상기 히터가 상기 연료 전지 디바이스의 과도 에너지에 대한 버퍼로서 동작하도록 제어하기 위한 하위 레벨 고속 제어기 (134a) 를 포함하고,
    상기 제어 장치는, 상기 적어도 하나의 제어기 (134a, 135, 136, 137, 138) 의 기능으로 온도 설정점 정보 및 전류 설정점 정보 중 적어도 하나를 이용하기 위한 수단 (142) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 디바이스의 동작 상태들을 제어하기 위한 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 연료 전지들 (103) 로의 주입 공기 온도, 및 상기 연료 전지 디바이스에서의 내부 개질의 레이트 값 중 적어도 하나를 제어가능한 양으로서 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 디바이스의 동작 상태들을 제어하기 위한 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 펄스 폭 변조 (PWM) 를 이용하여 상기 적어도 하나의 제어가능한 전기 히터 (134b) 를 제어하기 위한 솔리드-스테이트 (solid-state) 스위치 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 디바이스의 동작 상태들을 제어하기 위한 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 스택 부하를 제어하기 위한 제어기 (130) 를 포함하며, 상기 제어기는 상기 온도 정보가 제한 값을 초과하는 경우 부하 감소를 수행할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 디바이스의 동작 상태들을 제어하기 위한 제어 장치.
  7. 연료 전지들에 대한 부하 (126) 를 제어하고, 상기 연료 전지들의 온도 정보를 결정하며 전기 네트워크에 전류를 생성하기 위해 전기 네트워크 (125) 에 병렬 연결되도록 연료 전지 디바이스를 배열함으로써, 연료 전지들 (103) 로 전기를 생성하는 연료 전지 디바이스의 동작 상태들을 제어하는 제어 방법으로서,
    상기 방법에서는,
    정규 동작 상태들 및 전력 불균형 상황들 양자 모두에서 제어가능한 열 양들로서 열 양들을 생성하는 디바이스로서 동작하기 위한 적어도 하나의 제어가능한 전기 히터 (134b) 가 배열되며, 제어가능한 열 양들 및 제어가능한 연료 전지 양들 중 적어도 하나를 목표 값으로 제어하기 위해, 제어가능한 연료 전지 양들로서 적어도 상기 연료 전지들 (103) 로의 공기 유동의 양 및 스택 환경에 적용되는 열이 제어되며, 전력 불균형 상황에서, 상기 적어도 하나의 제어가능한 전기 히터 (134b) 는, 상기 연료 전지 디바이스의 전력 균형에 기초하여 히터 (134b) 파워를 도출함으로써 상기 히터가 상기 연료 전지 디바이스의 과도 에너지에 대한 버퍼로서 동작하도록 제어되고,
    상기 방법에서는, 상기 제어가능한 열 양들 및 제어가능한 연료 전지 양들 중 적어도 하나의 제어 시에 온도 설정점 정보 및 전류 설정점 정보 중 적어도 하나가 이용되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 디바이스의 동작 상태들을 제어하는 제어 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 연료 전지들 (103) 로의 주입 공기 온도, 및 상기 연료 전지 디바이스에서의 내부 개질의 레이트 값 중 적어도 하나가 제어가능한 양으로서 이용되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 디바이스의 동작 상태들을 제어하는 제어 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어가능한 전기 히터 (134b) 는 펄스 폭 변조 (PWM) 를 이용하여 제어되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 디바이스의 동작 상태들을 제어하는 제어 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    스택 부하는 상기 온도 정보가 제한 값을 초과하는 경우 부하 감소를 수행하여 제어되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 디바이스의 동작 상태들을 제어하는 제어 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
KR1020137007327A 2010-08-25 2011-06-30 연료 전지 디바이스에서의 동작 상태를 제어하는 방법 및 장치 KR101967488B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20105883 2010-08-25
FI20105883A FI20105883A (fi) 2010-08-25 2010-08-25 Menetelmä ja järjestely polttokennolaitteen toimintaolosuhteiden ohjaamiseksi
PCT/FI2011/050621 WO2012025661A1 (en) 2010-08-25 2011-06-30 Method and arrangement to control operating conditions in fuel cell device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130111541A KR20130111541A (ko) 2013-10-10
KR101967488B1 true KR101967488B1 (ko) 2019-08-19

Family

ID=42669387

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020137007327A KR101967488B1 (ko) 2010-08-25 2011-06-30 연료 전지 디바이스에서의 동작 상태를 제어하는 방법 및 장치

Country Status (7)

Country Link
US (1) US9478814B2 (ko)
EP (1) EP2609650B1 (ko)
JP (2) JP2013539172A (ko)
KR (1) KR101967488B1 (ko)
CN (1) CN103339773B (ko)
FI (1) FI20105883A (ko)
WO (1) WO2012025661A1 (ko)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102056265B1 (ko) * 2013-10-11 2019-12-16 에스케이이노베이션 주식회사 연료전지 가열장치 및 가열방법과 이를 포함하는 연료전지장치
US11380920B2 (en) * 2016-06-28 2022-07-05 Kyocera Corporation Cogeneration system for controlling fuel cell devices based on operation mode
EP3396392B1 (en) 2017-04-26 2020-11-04 ElectDis AB Apparatus and method for determining a power value of a target
TWI610515B (zh) * 2017-06-02 2018-01-01 國立交通大學 燃料電池系統
US10483566B2 (en) 2018-03-20 2019-11-19 Cummins Enterprise Llc Method and control sub-system for operating a power generation system having a fuel-cell
CN108649245B (zh) * 2018-04-28 2020-12-08 武汉华科福赛新能源有限责任公司 一种固体氧化物燃料电池的燃烧室及其自动控温的方法
TWI697150B (zh) 2018-11-22 2020-06-21 財團法人工業技術研究院 陣列式燃料電池系統之控制裝置與方法
CN110120537B (zh) * 2019-05-10 2020-12-08 青岛大学 一种基于水合状态自适应均衡的燃料电池串级发电系统
CN110190624B (zh) * 2019-05-29 2022-03-25 宁波大学 一种船舶多能源微电网系统
CN110649295B (zh) * 2019-09-30 2022-05-20 西安新衡科测控技术有限责任公司 一种基于ht-pem甲醇水燃料电池mimo系统的控制方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040129835A1 (en) * 2002-10-22 2004-07-08 Atkey Warren A. Electric-based secondary power system architectures for aircraft
JP2009123488A (ja) * 2007-11-14 2009-06-04 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池システム

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59141173A (ja) * 1983-02-02 1984-08-13 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池発電システム
US4751978A (en) * 1987-03-16 1988-06-21 Trw Inc. Electric assist steering system with alternator power source
WO1989006866A1 (en) * 1988-01-14 1989-07-27 Fuji Electric Co., Ltd. Fuel cell generating apparatus and method of controlling the same
JP2001068125A (ja) * 1999-08-25 2001-03-16 Daikin Ind Ltd 燃料電池発電システム
JP2002170585A (ja) * 2000-12-04 2002-06-14 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池装置
WO2002058201A2 (en) * 2001-01-17 2002-07-25 Engen Group, Inc. Stationary energy center
US6465910B2 (en) * 2001-02-13 2002-10-15 Utc Fuel Cells, Llc System for providing assured power to a critical load
US6690560B2 (en) * 2001-04-24 2004-02-10 Denso Corporation Electrical load controller and vehicle air conditioner using the same
US6939635B2 (en) * 2001-05-31 2005-09-06 Plug Power Inc. Method and apparatus for controlling a combined heat and power fuel cell system
JP2003229154A (ja) 2002-02-01 2003-08-15 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 余剰電力制御システム、余剰電力制御方法及び電力供給システム
US6887602B2 (en) * 2002-04-15 2005-05-03 General Motors Corporation Rapid response fuel cell system
JP4254172B2 (ja) 2002-09-05 2009-04-15 ダイキン工業株式会社 固体電解質型燃料電池システム
US7781117B2 (en) * 2003-04-03 2010-08-24 Gm Global Technology Operations, Inc. Fuel cell stack preheating
JP4258452B2 (ja) * 2004-08-06 2009-04-30 オムロン株式会社 パワーコンディショナの制御装置、パワーコンディショナの制御方法およびコージェネレーションシステム
JP2006071216A (ja) * 2004-09-03 2006-03-16 Toshiba Corp 燃料電池コジェネレーションシステム
JP5296966B2 (ja) * 2006-03-28 2013-09-25 大阪瓦斯株式会社 電力供給設備
JP2008152997A (ja) * 2006-12-15 2008-07-03 Toshiba Corp 燃料電池発電装置及びその制御方法
CN101689666B (zh) * 2007-07-04 2012-10-31 松下电器产业株式会社 发电系统
US8623533B2 (en) 2007-09-14 2014-01-07 Cummins Power Generation Inc. High temperature fuel cell system with an electrical heater
JP2009086963A (ja) * 2007-09-28 2009-04-23 Casio Comput Co Ltd 温度制御装置及び温度制御方法
WO2009058111A1 (en) * 2007-10-29 2009-05-07 Carrier Corporation Fuel cell for hvac&r
KR100968581B1 (ko) * 2007-11-27 2010-07-08 (주)퓨얼셀 파워 연료전지 열병합 발전시스템 및 그 운전 방법
JP2009181852A (ja) * 2008-01-31 2009-08-13 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池システム
JP2009272158A (ja) 2008-05-08 2009-11-19 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池システム
JP5223501B2 (ja) * 2008-07-03 2013-06-26 カシオ計算機株式会社 燃料電池装置及び電子機器
JP2010165640A (ja) * 2009-01-19 2010-07-29 Ebara Corp 燃料電池ユニット
JP5145313B2 (ja) * 2009-11-18 2013-02-13 株式会社Ｅｎｅｏｓセルテック 燃料電池システム

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040129835A1 (en) * 2002-10-22 2004-07-08 Atkey Warren A. Electric-based secondary power system architectures for aircraft
JP2009123488A (ja) * 2007-11-14 2009-06-04 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
EP2609650A1 (en) 2013-07-03
US20130171533A1 (en) 2013-07-04
US9478814B2 (en) 2016-10-25
CN103339773B (zh) 2016-05-04
FI20105883A0 (fi) 2010-08-25
FI20105883A (fi) 2012-02-26
KR20130111541A (ko) 2013-10-10
JP2013539172A (ja) 2013-10-17
EP2609650B1 (en) 2015-05-20
JP5897059B2 (ja) 2016-03-30
JP2014167920A (ja) 2014-09-11
CN103339773A (zh) 2013-10-02
WO2012025661A1 (en) 2012-03-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101967488B1 (ko) 연료 전지 디바이스에서의 동작 상태를 제어하는 방법 및 장치
KR102167903B1 (ko) 전기 그리드 교란들의 연료 전지 시스템 라이드-스루
US8890365B2 (en) Fuel cell device and method for feeding electrical current to electrical network
JP2017051083A (ja) 発電システム、発電方法およびプログラム
JP2016186938A (ja) オフセット制御構成及び燃料電池システムにおいて電圧値を制御する方法
US20120169127A1 (en) Power supply system and fuel cell backup power system thereof
KR101021687B1 (ko) 연료전지 비상전원 공급장치
KR101020200B1 (ko) 연료전지의 전력 제어방법 및 그의 연료전지시스템
KR20140020631A (ko) 연료전지 평활 커패시터 초기 충전 시스템
Jung et al. Fuel cell based distributed generation system
US20180069250A1 (en) Fuel cell system and its operation method
Ali et al. Application Of Renewable Energy Sources For Effective Energy Management
Oates et al. Power conditioning for solid oxide fuel cells
JPS61140071A (ja) 燃料電池プラント
JP2019029108A (ja) 燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの制御方法
JP2009099463A (ja) 燃料電池発電システムとその制御方法

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant