KR102015677B1 - 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 초점은 고온 연료 전지 시스템에서 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 장치이고, 고온 연료 전지 시스템 내의 각 연료 전지는, 애노드 측 (100), 캐소드 측 (102), 및 애노드 측과 캐소드 측 사이의 전해질 (104) 을 포함하고, 연료 전지들은 연료 전지 스택들 (103) 에 배열되며, 고온 연료 전지 시스템은, 반응물들에 대한 연료 전지 시스템 배관, 및 연료 전지들의 애노드 측들 (100) 에 연료를 공급하는 수단 (108) 을 포함한다. 이 장치는, 애노드들 (100) 의 산화를 방지하기 위해, 미리 정의된 전압을, 적어도 2개의 연료 전지 스택들 (103) 또는 연료 전지 스택들 (103) 의 그룹들에 개별적으로 공급하는 전기적 애노드 보호를 위한 수단 (122), 상기 전기적 애노드 보호를 위한 수단 (122) 에 적어도 미리 결정된 최소 시간 동안 전기 에너지를 제공하기에 충분한 에너지의 소스 (120), 적어도 2개의 연료 전지 스택들 (103) 또는 연료 전지 스택들 (103) 의 그룹들에 대해, 애노드 보호 전류를, 미리 정의된 최대 전류 값으로 개별적으로 제한하기 위해 상기 미리 정의된 전압을 감소시키는 수단 (124), 및 연료 전지들의 애노드 측들 (100) 에 연료를 공급하는 수단 (108) 에 의해 애노드 산화가 방지될 수 없는 상황에서 상기 전기적 애노드 보호를 위한 수단 (122) 을 신뢰성있게 트리거하는 수단 (126) 을 포함한다.

Description

안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND ARRANGEMENT FOR MINIMIZING NEED FOR SAFETY GASES}
세계의 에너지 대부분은 오일, 석탄, 천연 가스 또는 원자력에 의해 생성된다. 이러한 생성 방법들 모두는, 예를 들어, 환경에 대한 이용도 및 친화도에 관한 한, 특정 문제들을 갖고 있다. 환경에 관한 한, 특히, 오일 및 석탄은 이들이 연소될 때 오염을 야기시킨다. 원자력에 의한 문제는, 적어도, 사용된 연료의 저장이다.
특히 환경적 문제들 때문에, 보다 환경 친화적이고, 예를 들어, 상기 언급된 에너지 소스들보다 더 양호한 효율을 가진 새로운 소스들이 개발되고 있다. 연료 전지 디바이스는, 연료, 예를 들어, 바이오 가스가 환경 친화적 프로세스에서 화학적 반응을 통해 전기로 직접 변환되는 미래의 에너지 변환 디바이스로 기대되고 있다.
도 1 에 나타낸 바와 같이, 연료 전지는 애노드 전극 측 (100) 과 캐소드 전극 측 (102), 및 이들 사이의 전해질 재료 (104) 를 포함한다. 도 1 의 화살표들이 상징하는 바와 같이, 연료 (116) 가 애노드 측에 공급되고, 공기 (106) 가 캐소드 측에 공급되어, 캐소드 전극은 또한 "공기 전극" 이라고 지칭된다. 고체 산화물 연료 전지 (solid oxide fuel cell; SOFC) 들에서, 산소 (예를 들어, 공기 (106)) 가 캐소드 측 (102) 으로 공급되고, 이 산소는 외부 전기 회로 (111) 를 통해 애노드로부터 전자들을 수용하는 것에 의해 음의 산소 이온으로 환원된다. 음의 산소 이온은 전해질 재료 (104) 를 통해 애노드 측 (100) 으로 가며, 여기서 음의 산소 이온은 연료 (116) 와 반응하여 물 그리고 또한 통상적으로 이산화탄소 (CO2) 를 생성한다. 애노드 (100) 와 캐소드 (102) 사이에는, 연료 전지용 부하 (load; 110) 를 포함하는 외부 전기 회로 (111) 가 있다.
도 2 에는 SOFC 디바이스가 고온 연료 전지 디바이스의 일 예로서 나타나 있다. SOFC 디바이스는, 예를 들어, 천연 가스, 바이오 가스, 메탄올, 또는 탄화수소 혼합물들을 함유하는 다른 화합물들을 연료로 사용할 수 있다. 도 2 의 SOFC 디바이스는, 스택 형성물의, 2개 이상, 통상적으로는 복수개의 연료 전지들 (103) (SOFC 스택) 을 포함한다. 각각의 연료 전지는 도 1 에 나타낸 바와 같이 애노드 (100) 및 캐소드 (102) 구조를 포함한다. 사용된 연료의 일부가 피드백 장치 (109) 에서 각각의 애노드를 통해 재순환된다. (연료 유량계, 유속계 (current meter) 및 온도계와 같은) 측정 수단 (115) 을 이용하는 것에 의해, 애노드 측들 (100) 을 통해 재순환될 수 있는 가스로부터 필요한 측정들이 수행된다. 애노드 측들 (100) 에서 사용된 가스의 오직 일부만이 피드백 장치 (109) 에서 애노드들을 통해 재순환되고, 가스의 다른 부분은 애노드들 (100) 로부터 배기 (114) 된다.
도 2 의 SOFC 디바이스는 또한 연료 열 교환기 (105) 및 개질기 (reformer; 107) 를 포함한다. 열 교환기들은 연료 전지 프로세스에서 열 상태들을 제어하는데 사용되고, SOFC 디바이스의 상이한 위치들에 이 열 교환기들 중 2개 이상의 열 교환기가 위치될 수 있다. 순환 가스에서의 여분의 열 에너지는 SOFC 디바이스에서 이용되도록 하나 이상의 열 교환기 (105) 에서 회수되거나, 또는 열 회수 유닛 외부에서 회수된다. 개질기 (107) 는, 예를 들어, 천연 가스와 같은 연료를, 연료 전지들에 적합한 조성물, 예를 들어, 수소와 메탄, 이산화탄소, 일산화탄소 및 불활성 가스들을 함유하는 조성물로 변환시키는 디바이스이다. 그러나, 그래도 각 SOFC 디바이스에서 개질기를 가질 필요는 없다.
고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 디바이스는 연료를 산화시키는 것으로부터 전기를 직접 생성하는 전기화학적 변환 디바이스이다. SOFC 디바이스의 이점들은 고효율, 장기간 안정성, 저공해 (low emissions), 및 비용을 포함한다. 주된 단점은 기계적 및 화학적 양립성 이슈들 양쪽 모두 및 긴 기동 (start up) 시간을 발생시키는 높은 동작 온도이다. 고체 산화물 연료 전지들 (SOFC) 은 600 내지 1000 ℃ 의 온도에서 동작한다.
통상적으로, 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 의 애노드 전극은, 분위기가 환원되고 있지 않은 경우 니켈 산화물을 형성하기 쉬운 상당한 양의 니켈을 함유한다. 니켈 산화물 형성이 극심한 경우, 전극의 형태가 비가역적으로 변화되어, 전기화학적 활동의 상당한 손실 또는 심지어 전지들의 고장을 야기시킨다. 따라서, SOFC 시스템들은 연료 전지의 애노드 전극들을 산화로부터 방지하기 위해 기동 및 셧다운 동안 (질소와 같은 불활성 물질로 희석된 수소와 같은) 환원제들을 함유하는 안전 가스 (safety gas) 를 필요로 한다. 실제 시스템들에서, 예를 들어, 수소를 함유하는 대량의 가압 가스는 고가이고, 공간을 필요로 하는 컴포넌트들로서 문제가 되기 때문에, 안전 가스의 양은 최소화되어야 한다.
애노드 유동 채널들에서 환원 분위기를 유지하는 것에 의해 애노드들의 산화는 방지될 수 있다. 애노드들에 도달하는 모든 산소를 환원시키기에 충분한 레이트로 연료 또는 수소 함유 가스와 같은 다른 환원 종들을 공급하는 것에 의해 환원 조건들이 유지될 수 있다. 환원 가스가 높은 수소 (또는 수소 등가물) 함량을 가진 경우, 필요한 유량들이 비교적 작고, 통상의 연료가 사용될 수 있는 경우, 어떠한 부가적인 가스 소스도 필요하지 않다. 적합한 프로세스 및 안전 장치들에 의해, 기동 및 제어된 셧다운 동안뿐만 아니라 정상 동작들 동안 애노드들에서 환원 분위기를 유지하기 위해 통상의 연료가 사용될 수 있다. 그러나, 예를 들어, 가스 경보로 인한 긴급 셧다운 (emergency shutdown; ESD) 의 경우, 가연성 가스들의 모든 공급이 즉시 중단되어야 한다. 애노드들에서 수소가 여전히 필요한 경우, 어떠한 혼합 비율에서도 공기와의 폭발성 혼합물을 형성하지 않기 위해 충분히 낮은 수소 함량을 가진 희석 혼합물의 형태로 수소가 공급되어야 한다. 수소-질소 혼합물에 대해, 이러한 기준을 만족시키기 위해 수소 함량은 5% 보다 높지 않아야 한다. 이는 필요한 체적 유량 (volume flow) 을 순수 수소의 공급에 비해 20배까지 증가시킨다.
종래 기술의 애플리케이션들에 따르면, 기동 상황에서의 가열 시간 및 작업시간의 반응물들의 최소화를 동시에 필요로 하고 그리고 또한 셧다운 상황에서의 시스템의 냉각 및 작업시간의 반응물들의 최소화를 동시에 필요로 하기 때문에, 정상의 기동 또는 셧다운 동안의 작업시간의 반응물들의 양은, 애노드 재순환에 의해, 즉, 미사용된 안전 가스를 루프로 다시 순환시키는 것에 의해 최소화된다. 또한, 상기 재순환 프로세스에서 기동 가열 시간을 최소화시키는 것이 가능한데, 이는 미사용된 가스와 함께 이 프로세스에서 열이 또한 재순환될 수 있기 때문이다. 그러나, 예를 들어, 가스 경보 또는 정전 (black-out) 에 의해 야기될 수도 있는 긴급 셧다운 (ESD) 에서는, 이용가능한 재순환을 활성화시킬 수 없어서 필요한 안전 가스의 양을 증가시킨다. 또한, 송풍기가 셧다운되어야 하기 때문에 캐소드 공기 유동도 ESD 동안 시스템을 냉각시키지 못해서, 니켈 산화가 일어나지 않는 온도로까지 시스템을 냉각시키기 위한 시간이 심지어 활성화된 셧다운 상황에 비해 3배가 되기 때문에, 필요한 안전 가스의 양이 훨씬 더 증가된다.
ESD 상황에서, 애노드 산화 온도 아래로 냉각시키기 위해 시스템에 필요한 시간에 의해, 필요한 가스의 총량이 결정된다. 어떠한 활성화된 냉각 메커니즘도 긴급 냉각 동안 이용가능하지 않을 수도 있기 때문에, 냉각 시간이 고단열 시스템 (well-insulated system) 에 대해 수십 시간까지 걸릴 수도 있다. 이는 연료 전지 유닛과 함께 대규모 안전 가스 저장에 대한 필요를 의미한다. 부가되는 비용 이외에도, 가스 저장은 또한 연료 전지 시스템 설치를 위한 공간 요건을 상당히 증가시킨다. 또한, 가스 저장 및 전달 실행계획 (logistics) (보틀 또는 보틀 랙 대체물들 (bottle or bottle rack replacements)) 은 각 대체물에 대한 비용 및 연료 전지 시스템 환경에 대한 부가적인 요건들을 제기한다. 모두 종합해서 대량의 퍼지 가스 (즉, 안전 가스) 에 대한 필요는 많은 애플리케이션들에서 연료 전지 시스템들의 실행가능성에 대한 상당한 장애이다.
특허 출원 문헌 US2002/028362 에는 셧다운들 또는 연료 손실 이벤트들 동안 고온 연료 전지 시스템에서의 애노드 산화 방지 방법들이 나타나 있다. US2002/028362 의 하나의 방법에는, (a) 연료 전지에 의해 발생된 전위를 모니터링하는 것; 및 (b) 연료 전지의 전압 출력이 미리 결정된 레벨 아래로 떨어질 때마다, 연료 전지의 정상 동작 동안의 전류 유동과 반대 방향으로 전류가 연료 전지를 통해 흐르도록, 연료 전지에 걸쳐 외부 전위를 인가하는 것에 의해, 용융 탄산염 또는 고체 산화물 연료 전지의 애노드 주위의 환원 분위기가 유지된다. 실제로는 실질적으로 낮은 전압 레벨인, 상기 미리 결정된 전압 레벨 아래로 떨어진 이후에, 외부 전력 소스가 인가된다. 적어도 보다 낮은 동작 온도에서, 이러한 종류의 실시형태들은 애노드 산화를 방지하는 것에 대해 성공적이지 않다. 긴급 셧다운 상황들 (ESD) 에 있어서, 설명된 방법들의 타입이 그와 같이 적용되지 않을 수 있다.
본 발명의 목적은, 안전 가스들의 필요를 최소화하도록 셧다운 상황들에서의 애노드 산화의 리스크가 감소될 수 있는 연료 전지 시스템을 달성하는 것이다. 이는, 고온 연료 전지 시스템에서 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하는 장치에 의해 달성되고, 고온 연료 전지 시스템 내의 각 연료 전지는 애노드 측, 캐소드 측, 및 애노드 측과 캐소드 측 사이의 전해질을 포함하고, 연료 전지들은 연료 전지 스택들에 배열되며, 연료 전지 시스템은 반응물들에 대한 연료 전지 시스템 배관, 및 연료 전지들의 애노드 측들에 연료를 공급하는 수단을 포함한다. 이 장치는, 애노드들의 산화를 방지하기 위해, 미리 정의된 전압을, 적어도 2개의 연료 전지 스택들 또는 연료 전지 스택들의 그룹들에 개별적으로 공급하는 전기적 애노드 보호를 위한 수단, 상기 전기적 애노드 보호를 위한 수단에 적어도 미리 결정된 최소 시간 동안 전기 에너지를 제공하기에 충분한 에너지의 소스, 적어도 2개의 연료 전지 스택들 또는 연료 전지 스택들의 그룹들에 대해, 애노드 보호 전류를, 미리 정의된 최대 전류 값으로 개별적으로 제한하기 위해 상기 미리 정의된 전압을 감소시키는 수단, 및 연료 전지들의 애노드 측들에 연료를 공급하는 수단에 의해 애노드 산화가 방지될 수 없는 상황에서 상기 전기적 애노드 보호를 위한 수단을 신뢰성있게 트리거하는 수단을 포함한다.
또한, 본 발명의 초점은, 고온 연료 전지 시스템에서 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하는 방법에 있고, 이 방법에서는, 연료 전지들의 애노드 측들에 연료가 공급되고, 미리 정의된 전압 및 전류 값들이 획득된다. 이 방법에서는, 애노드들의 산화를 방지하기 위해, 미리 정의된 전압을, 적어도 2개의 연료 전지 스택들 또는 연료 전지 스택들의 그룹들에 개별적으로 공급하는 것에 의해 전기적 애노드 보호가 수행되고, 상기 전기적 애노드 보호의 수행을 위해 적어도 미리 결정된 최소 시간 동안 전기 에너지가 제공되고, 적어도 2개의 연료 전지 스택들 또는 연료 전지 스택들의 그룹들에 대해, 애노드 보호 전류를, 미리 정의된 최대 전류 값으로 개별적으로 제한하기 위해 상기 미리 정의된 전압이 감소되며, 이 방법에서는, 연료 전지들의 애노드 측들에 연료를 공급하는 것에 의해 애노드 산화가 방지될 수 없는 상황에서 전기적 애노드 보호의 수행이 신뢰성있게 트리거된다.
본 발명은, 전기적 애노드 보호를 위해 적어도 미리 결정된 최소 시간 동안 전기 에너지를 제공하기에 충분한 에너지의 소스의 이용에 기초하여, 미리 정의된 전압을, 적어도 2개의 연료 전지 스택들 또는 연료 전지 스택들의 그룹들에 개별적으로 공급하여 애노드 측들의 산화를 방지하도록 한다. 상기 미리 정의된 전압은, 적어도 2개의 연료 전지 스택들 또는 연료 전지 스택들의 그룹들에 대해, 애노드 보호 전류를, 미리 정의된 최대 전류 값으로 개별적으로 제한하기 위해 이용된다. 또한, 연료 전지들의 애노드 측들에 연료를 공급하는 것에 의해 애노드 산화가 방지될 수 없는 상황에서 전기적 애노드 보호가 신뢰성있게 트리거된다.
본 발명의 이점은, 긴급 셧다운 상황에서 애노드 산화의 리스크를 감소시킴에 있어서 연료 전지 시스템의 경제적 비용 및 물리적 사이즈의 상당한 절약이 달성될 수 있다는 점이다.
도 1 은 단일의 연료 전지 구조를 나타낸 것이다.
도 2 는 SOFC 디바이스의 일 예를 나타낸 것이다.
도 3 은 본 발명에 따른 제 1 바람직한 실시형태를 나타낸 것이다.
도 4 는 연료 전지 스택들의 전기적 애노드 보호를 위한 수단의 바람직한 예시적인 실시형태를 나타낸 것이다.
도 5 는 본 발명에 따른 제 2 바람직한 실시형태를 나타낸 것이다.
고체 산화물 연료 전지 (solid oxide fuel cell; SOFC) 들은 다수의 지오메트리 (geometry) 들을 가질 수 있다. 평판형 지오메트리 (도 1) 는 대부분의 타입의 연료 전지들에 의해 채용된 통상적인 샌드위치 타입의 지오메트리이고, 여기서 전해질 (104) 은 전극들, 즉, 애노드 (100) 와 캐소드 (102) 사이에서 샌드위치된다. 또한, SOFC들은, 예를 들어, 공기 또는 연료 중 어느 하나가 관 내측을 통해 통과되고 다른 가스가 관 외측을 따라 통과되는 관형의 지오메트리들로 이루어질 수 있다. 관형 설계는 공기를 연료로부터 밀봉시킬 때 더 양호하다. 그러나, 그래도 평판형 설계의 성능이 관형 설계의 성능보다 더 양호한데, 이는 평판형 설계가 비교적 더 낮은 저항을 갖기 때문이다. SOFC들의 다른 지오메트리들은, 파형 구조가 평판형 전지의 전통적인 편평한 구성을 대체한 변화된 평판형 전지들 (MPC 또는 MPSOFC) 을 포함한다. 이러한 설계들은 평판형 전지들 (낮은 저항) 과 관형 전지들 양쪽 모두의 이점들을 공유하기 때문에 기대되고 있다.
SOFC들에 사용되는 세라믹들은 매우 높은 온도에 도달할 때까지 그리고 이 결과 스택들이 600 내지 1,000 ℃ 의 범위에 있는 온도에서 가열되어야 함에 따라 이온적으로 활성화되지 않는다. 산소 (106) (도 1) 의 산소 이온들로의 환원은 캐소드 (102) 에서 발생한다. 이 이온들이 그 후에, 고체 산화물 전해질 (104) 을 통해 애노드 (100) 에 전달될 수 있고, 여기서 이 이온들은 연료로서 사용된 가스를 전기화학적으로 산화시킬 수 있다. 이러한 반응에서, 2개의 전자들뿐만 아니라 물과 이산화탄소 부산물들이 방출된다. 그 후에, 이 전자들이 외부 회로 (111) 를 통해 흐르고, 여기서 이 전자들은 전류를 생성하는데 이용될 수 있다. 그 후에, 이 전자들이 캐소드 재료 (102) 에 다시 들어가는 것과 같은 사이클이 반복된다.
대규모 고체 산화물 연료 전지 시스템들에서 통상적인 연료들은 천연 가스 (주로, 메탄), 상이한 바이오가스들 (주로, 질소 및/또는 이산화탄소 희석된 메탄), 및 알코올들을 포함하는 다른 고급 탄화수소 함유 연료들이다. (도 2, 도 3, 도 5 에서의) 연료를 공급하는 수단 (108) 에 의해 연료가 애노드 측에 공급되고, 상기 수단은 연료를 함유하는 연료 소스에서부터 연료 전지들 (103) 의 애노드 측들 (100) 까지 필요한 연결 배관을 포함한다. 메탄 및 고급 탄화수소들은, 연료 전지 스택들 (103) 에 들어가기 전에 개질기 (107) (도 2) 에서 또는 (부분적으로) 이 스택들 (103) 내에서 내부적으로 개질될 필요가 있다. 개질 반응들은 특정 양의 물을 필요로 하고, 메탄 그리고 특히 고급 탄화수소들에 의해 야기되는 가능성 있는 탄소 형성 (코킹 (coking)) 을 방지하기 위해 부가적인 물이 또한 필요하다. 초과량의 물이 연료 전지 반응들에서 생성되기 때문에 이러한 물은 애노드 가스 배기 유동을 순환시키는 것에 의해 내부적으로 제공될 수 있거나, 및/또는 상기 물은 개별적인 물 공급 (예를 들어, 배기 응축물의 순환 또는 직접 담수 공급) 으로 제공될 수 있다. 또한, 애노드 순환 장치에 의해, 애노드 가스 내의 희석제들 (dilutants) 및 미사용된 연료의 일부가 프로세스로 피드백되는 반면, 개별적인 물 공급 장치에서는 프로세스에 대한 첨가제는 단지 물이다.
애노드들에서 산화를 방지하기 위한 본 발명에 따른 실시형태들은, 전지들에 걸쳐 적합한 전계를 유지하는 것으로 마련되고, 이는 니켈 산화 반응이 발생하는 것을 방지한다. 전계를 유지하기 위해, 전류가 연료 전지들에게 공급될 필요가 있다. 전류의 크기는 애노드들에 도달하는 산소의 양과 상관된다. 다음에는, 긴급 셧다운 조건들 동안 전기적 애노드 보호를 또한 이용하기 위한 다양한 기법들 및 방법들이 나타나 있다.
긴급 셧다운들은 연료 전지 시스템에 대한 내부 또는 외부의 다수의 이유들에 의해 야기될 수 있고, 이러한 이유들은 가스 누출들, 그리드 아웃티지들 (grid outages) 및 중대한 컴포넌트 고장들을 포함한다. 예를 들어, 가스 누출이 긴급 셧다운들을 야기하는 잠재적 원인들 중 하나이기 때문에, 연료 전지 시스템은 폭발-안전 타입으로 된 것이어야 한다.
전기 장비에 대해, 이는 EX-분류, 존 (zone) 2 (폭발성 분위기의 발생이 드물다) 또는 보다 양호한 것에 대한 요건을 의미한다. 전기적 애노드 보호가 긴급 셧다운 조건들에서 이용되어야 하는 경우, 연료 전지 스택들, 전류 콜렉션 (current collection) 및 케이블류, 전기 회로 및 에너지의 소스를 포함하여 영향받는 부분들 각각에 대해 이러한 전기적 애노드 보호가 폭발의 리스크를 증가시키지 않는다는 것을 보여주어야 한다.
연료 전지 스택들 (103) 에 대해, 전기적 애노드 보호의 이용은 본질적으로 폭발 안전에 어떠한 영향도 미치지 않는다. 애노드들이 퍼지 가스 공급에 의해 또는 전자적으로 보호받는지 여부와 상관없이, 스택들이 뜨거운 동안은 이 스택들이 OCV (open circuit voltage; 개방 회로 전압) 에 대한 전압 폐쇄를 가질 것이다. OCV 의 레벨들은 통상적으로 스택들 및 동작 온도들에 따라 1 V 내지 1.15 V 사이에 있다. 스택 표면 온도들은 본질적으로 동일하고, 초기에는 통상적으로 가능성 있는 누출 가스들의 자연 발화 온도들보다 아주 높다. 전기적 애노드 보호에 전류 제한 특징들이 갖추어질 때, 실제로 국소 누출들 또는 스택 단락들에 의해 야기된 과열의 리스크를 감소시킬 수 있다. 따라서, 이러한 연료 전지 스택들에 대해, 폭발 안전은 긴급 셧다운 조건 동안 전기적 애노드 보호를 이용하는 것에 대한 장애가 아니다.
전류 콜렉션에 대해서는, 본질적으로 연료 전지 스택들 (103) 에 대한 것과 동일하게 적용한다. 회로 차단기들은 뜨거운 환경에 배치될 수 없기 때문에, 스택 전류 콜렉터들 및 케이블들의 뜨거운 부분은 항상 스택 전압들을 운반시켜서, 퍼징이 이용되든지 또는 전기적 보호가 이용되든지 간에 어떠한 차이도 없다. 전기적 보호를 위해 이용된 전류는 적어도 공칭 연료 전지 전류들보다 작은 크기 정도여서, 케이블류에 대한 대응하는 열 부하는 무시해도 된다. 전류 콜렉션의 차가운 부분들에 대해, 정상의 EX-프랙티스들 (EX-practises) 이 적용될 수 있다. 또한, 전기적 애노드 보호를 위해 이용된 상기 보호 전류는, 연료 전지들 (103) 로부터 전기 네트워크로 공급되는 전류와 동일하지 않다는 것을 강조한다.
도 3 에는 고온 연료 전지 시스템 내의 본 발명에 따른 제 1 바람직한 장치가 나타나 있다. 전기적 보호를 달성하기 위해 이용되는 전자 회로 (122), 즉, 전기적 애노드 보호를 위한 수단 (122) 은, 소스 (120) 로부터의 전지 에너지를, 스택들 (103) 에 공급되도록 제어된 전압 및 피크-제한된 전류로 변환하는 수단을 포함하는 것이 바람직하다. 따라서, 이 수단 (122) 은 전력 전자 회로를 포함하는 것이 바람직하다. EX-존들 1 및 2 에 대해, 예를 들어, 내화성 인클로저 (flameproof enclosure) 가 EX 요건들에 부합하도록 이용될 수 있다..
전기적 애노드 보호를 위한 전력을 제공하기 위해 에너지의 다양한 소스들 (120) 이 이용될 수 있다. 그 옵션들로는 배터리들 (예를 들어, 납-산, 리튬), 외부 UPS 또는 안전 공급 AC 또는 DC 소스 (예를 들어, 마린 애플리케이션들 (marine applications) 에서의 긴급 전력 소스) 로부터의 공급 및 백업 발전기들을 포함한다. 몇몇 소스들의 조합들, 예를 들어, 제한된 길이의 그리드 아웃티지를 커버하도록 배터리들로 보호되는 그리드로부터의 공급이 이용될 수 있다. 배터리들 또는 긴급 발전기는 EX-분류들에 대한 필요를 피하기 위해 개별적인 비위험 영역에 배치될 수 있다. 적어도 배터리들에 대해서는, EX-승인된 인클로저들이 또한 이용가능하다. 에너지의 소스 (120) 는 적어도 미리 결정된 최소 시간 동안 상기 전기적 애노드 보호를 위한 수단 (122) 에 전기 에너지를 제공하기에 충분하다. 미리 결정된 최소 시간은, 예를 들어, 연료 시스템 동작 프로세스 동안 또는 그 이전에 연료 전지 시스템 계산들 및/또는 연료 전지 시스템 측정들에 기초한다.
또한, 본 발명은 연료 전지들 (103) 의 애노드 측들 (100) 에 연료를 공급하는 수단 (108) 에 의해 애노드 산화가 방지될 수 없는 상황에서 상기 전기적 애노드 보호를 위한 수단 (122) 을 신뢰성있게 트리거하는 수단 (126) 을 포함한다. 이 수단 (126) 은, 전기적 애노드 보호를 트리거한다, 즉, 스위치 온 한다. 따라서, 이 수단 (126) 은, 예를 들어, 본 발명에 따른 트리거 동작을 수행하기 위한 트리거 스위치 또는 트리거 전자장치이다. 트리거 동작을 수행하기 위한 커맨드가 전력 전자 제어 수단 (124) 또는 연료 전지 시스템 제어 프로세서로부터 이 수단 (126) 에 제공되어야 하는 것이 바람직하다.
애노드에서 필요한 전계를 유지하기 위해 필요한 전류의 양은, 스택들의 누출의 레벨 및 지전류들의 레벨 등에 의존하고, 이러한 목적들을 위해 본 발명은 전류 값들을 제한하는 솔루션들을 나타낸다. 산소 누출의 양을 결정하는 것에 의해 전기적 애노드 보호에서 수소에 대한 절대적 필요치가 결정될 수 있고, 상기 산소량에 기초하여, 대응하는 수소량이 결정된다. 전기적 애노드 보호와 퍼징이 조합되어 이용되는 본 발명에 따른 프로세스에서, 특히, 그 프로세스에서 퍼징만이 이용되는 경우의 상황들에서, 필요한 수소량이 상기 결정에 의해 제공된다. 단지 퍼지 가스만을 이용하는 것과 동일한 레벨의 보호를 달성하기 위해 전기적 애노드 보호에 필요한 전류에 대한 비관적 추정치 (pessimistic estimate) 는, 퍼지 가스 내의 모든 수소가 소비된다고 가정함으로써 획득될 수 있다. 이러한 추정치는, 퍼지 가스량의 요건들이 단지 종래 기술의 퍼징 프로세스만이 이용될 때 고려가능한 안전 마진들을 갖기 때문에 비관적이다. 이러한 안전 마진들은 상이한 종류들의 불확실성 요소들 때문에 설정되어 왔다. 수소에 대한 실제 필요가 보다 적을 수 있어서, 전기적 애노드 보호를 위한 전류의 실제 레벨도 또한 보다 적을 수 있다.
전기적 애노드 보호시에 인가되는 전압은, 니켈 산화도 또는 탄소 형성도 발생하지 않도록 설정되어야 한다. 다음 접근법에 나타낸 수치 값들은 경험적인 열역학 계산들에 기초한 것이고, 이 경험적인 열역학 계산들 (또는 유사한 종류의 값들) 은 논문에서도 또한 발견될 수 있다. 고정 전압이 이용되면, 이 전압은 1.0 V 에 가까워야 한다. 스택들의 온도 정보가 입수가능하면, 전류들이 가장 높을 것으로 또한 예상되는 고온에서는 전압을 0.8 V 로 감소시키는 것에 의해 전력 소비가 감소될 수 있다. 본 발명의 하나의 바람직한 실시형태에서, 전력 전자 제어 수단 (124) 은, 예를 들어, 스택 저항 정보를 획득하기 위해 고주파 AC (alternating current; 교류) 신호를 DC (direct current; 직류) 신호 위에 주입하는 것에 의해, 애노드 보호 전류를 변조하는 스택 저항 (ASR) 측정 수단을 포함한다. 획득된 스택 저항 정보는 스택 온도에 근사시키는데 이용된 후에, 실제 온도 측정에 대한 필요 없이 이용되기에 적절한 전기적 보호 전압 값을 결정하는데 이용될 수 있다. 바람직하게는, 이 수단 (124) 은, 스택 특정 저항 정보를 측정하기 위해 고주파 교류 전압 신호를 직류 신호와 함께 그리고 그 직류 신호 위에 각 스택 (103) 또는 스택들의 그룹에 개별적으로 주입하는 것에 의해 연료 전지 스택들 (103) 의 온도 값들을 개별적으로 획득한다. 그 후에, 상기 스택 특정 저항 정보에 기초하여 각 스택 또는 스택들의 그룹에 대해 개별적인 온도 정보가 결정되고, 상기 온도 정보는 스택 특정 전기적 애노드 보호에 이용되는 전류 값들의 제한에 이용된다.
또한, 제어 수단 (124) 은, 결함이 있는 스택들 또는 단락된 스택들의 경우 스택 특정 전기적 애노드 보호에서 보호 전류를 미리 정의된 최대 값으로 제한하기 위해 미리 정의된 보호 전압을 감소시키는 수단 (124) 을 포함한다. 이러한 상황들에 있어서, 가능성 있는 단락 스택(들) 이 전체의 이용가능한 보호 전류 전위를 없애지 않아서, 보호 전류가 여전히 다른 스택들에 제공되어 그 다른 스택들이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 이 다른 스택들은 본 발명에 따라 배열된 장치를 이러한 종류의 개별적인 용도로 여전히 이용한다. 최대 전류 값들을 미리 정의하는 것은, 스택들 (103) 의 온도 정보에 적어도 기초하고, 상기 미리 정의하는 것은 연료 시스템 동작 프로세스 동안 또는 그 이전에 수행될 수 있다. 이러한 미리 정의된 전압을 감소시키는 수단 (124) 은 종래 기술에 따른 단순한 전압 감소 기법들 또는 더욱 복잡한 전압 제어 기법들로 이루어질 수 있다.
도 4 에서, 연료 전지 스택들의 전기적 애노드 보호를 위한 수단 (122) 의 바람직한 예시적인 실시형태가 나타나 있다. 이 수단 (122) 은 다이오드들 (D1, D2, D3, D4), 제 1 스위치들 (S1, S2, S3, S4), 제 2 스위치들 (k1, k2), 커패시터 (C1) 및 인덕터 (L1) 로 이루어진다. 다이오드들 및 제 1 스위치들은 병렬 연결들로 되어 있다. 이 수단 (122) 은 제 2 스위치 (k1) 를 통해 DC-링크에 연결되고, 제 2 스위치 (k2) 를 통해 연료 전지 스택들 (103) 에 연결되며, 커패시터 (C1) 와 병렬 연결로 에너지의 소스 (120) 에 연결된다. 이 수단 (122) 은, S1 및 D2 가 활성화되고, k2 가 폐쇄되며 k1 이 개방될 때, 스택 보호 상태에서 동작한다. 배터리가 에너지의 소스 (120) 로서 이용될 때, 이 수단 (122) 은, S3 및 D4 가 활성화되고, k1 이 폐쇄되며 k2 가 개방될 때, 배터리 충전 상태에서 동작한다. 또한, 이 수단 (122) 은, S4 및 D3 이 활성화되고, S1 이 폐쇄되며 k1 이 폐쇄될 때, 과도 에너지 버퍼 (transient energy buffer) 로서 동작한다.
본 발명의 하나의 바람직한 실시형태에서, 전기적 애노드 보호를 위한 수단 (122), 즉, 전기적 애노드 보호를 위한 전력 전자 회로는, 스택들 (103) 에 연속적으로 연결되고 단일의 인에이블/디스에이블 신호에 의해 제어될 수 있다. 이 수단 (122) 의 존재는, 보호 회로, 즉, 수단 (122) 이, 연료 전지 스택들 (103) 이 로딩의 시작 동안 전류를 전달하는 것을 도울 수 있기 때문에, 메인 전력 컨버터 (예를 들어, DC/DC) 의 최소 동작 전류에 대한 요건들을 해제시킨다. 이 메인 컨버터에서 이용되는 토폴로지에 따라, 보다 높은 전류로 기동할 가능성은 설계 단순화 및 비용 절약을 가능하게 한다.
전기적 애노드 보호 전력 소스 (120) 가 대규모 배터리 팩으로서 구현되면, 그 전기적 애노드 보호 전력 소스 (120) 는 또한 연료 전지 시스템에 부가적인 기능성을 제공하도록 이용될 수 있다. 메인 인버터에 연결된다면, 이 전기적 애노드 보호 전력 소스는 아일랜드 모드 동작 (island mode operation) 에서 과도 에너지 버퍼로서 동작할 수 있고, 또한 연료 전지 시스템은 UPS (Uninterruptible Power Supply; 무정전 전력 공급) 기능성을 구현할 수 있다.
도 5 에는 본 발명에 따른 제 2 바람직한 장치가 나타나 있고, 이 장치는 도 3 에 나타낸, 예를 들어, 도 3 과 관련된 전기적 애노드 보호 장치와 함께 안전 가스들 (safety gases) 에 대한 필요를 최소화하기 위해 긴급 셧다운 상황에서의 퍼징 동작을 위한 공압 구동 장치 (130) 를 포함한다. 이 퍼징 동작을 위한 장치 (130) 는, 예를 들어, 특허 출원 FI20105196 에 나타나 있는 퍼징 장치들 중 하나이다. 스풀링 동작을 위한 이러한 공압 구동 장치는 긴급 셧다운 (ESD) 상황의 경우 애노드 측에서 퍼지 가스 (즉, 안전 가스) 의 필요를 실질적으로 감소시키기 위해 고온 연료 전지 시스템의 캐소드 측 (102) 에 위치되는 것이 바람직하지만, 이 장치는 또한 고온 연료 전지 시스템의 애노드 측 (100) 과 캐소드 측 (102) 양쪽에 동시에 또는 애노드 측 (100) 에 적용될 수 있다. 이러한 종류의 조합된 퍼징 및 전기적 애노드 보호 장치에 의해 실질적으로 더 적은 산소 누출이 달성될 수 있어서, 전기적 애노드 보호를 위해 상당히 더 작은 에너지의 소스 (120) 로도 충분하다. 특히, 대규모 체적의 연료 전지 시스템에서 시스템 사이즈가 실질적으로 더 작게 마련될 수 있고, 상기 퍼징 없이 전기적 애노드 보호를 이용하는 시스템에서 경제적 비용이 보다 적게 든다.
본 발명이 첨부된 도면들 및 명세서를 참조하여 나타낸 것이지만, 본 발명은 결코 도면들 및 명세서로 제한되지 않으며 본 발명은 청구항들에 의해 허용된 범위 내에서 변경된다.

Claims (18)

  1. 고온 연료 전지 시스템에서 안전 가스들 (safety gases) 에 대한 필요를 최소화하기 위한 장치로서,
    상기 고온 연료 전지 시스템 내의 각 연료 전지는, 애노드 측 (100), 캐소드 측 (102), 및 상기 애노드 측과 상기 캐소드 측 사이의 전해질 (104) 을 포함하고,
    상기 연료 전지들은 연료 전지 스택들 (103) 에 배열되며,
    상기 고온 연료 전지 시스템은, 반응물들에 대한 연료 전지 시스템 배관, 및 상기 연료 전지들의 애노드 측들 (100) 에 연료를 공급하는 수단 (108) 을 포함하고,
    상기 장치는,
    - 애노드들 (100) 의 산화를 방지하기 위해, 미리 정의된 전압을, 상기 연료 전지 스택들 (103) 의 적어도 2개의 그룹들에 개별적인 루트들로 공급하는 전기적 애노드 보호를 위한 수단 (122),
    - 상기 전기적 애노드 보호를 위한 수단 (122) 에 적어도 미리 결정된 최소 시간 동안 전기 에너지를 제공하기에 충분한 에너지의 백업 소스 (120), 및
    - 결함이 있는 스택들의 경우 스택 그룹 특정 전기적 애노드 보호를 위한 미리 정의된 최대 전류 값을 애노드 보호 전류가 초과하는 것을 개별적으로 방지하는 수단 (124)
    을 포함하고,
    상기 장치는, 상기 연료 전지들의 상기 애노드 측들 (100) 에 연료를 공급하는 수단 (108) 에 의해 애노드 산화가 방지될 수 없는 상황에서 상기 전기적 애노드 보호를 위한 수단 (122) 을 신뢰성있게 트리거하는 수단 (126) 을 포함하고,
    상기 장치는, 폭발성 분위기의 존재시에 폭발 안전 동작을 허용하는 수단을 더 포함하며,
    상기 장치는, 미리 정의된 보호 전압을 제어하는 전압 제어 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상황은, 상기 연료 전지들의 상기 애노드 측들 (100) 에 연료를 공급하는 수단 (108) 에 의해 애노드 산화가 방지될 수 없는 긴급 셧다운 상황인 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는, 상기 연료 전지 스택들 (103) 의 온도 값들을 획득하고 상기 온도 값들의 함수로서 상기 미리 정의된 전압의 값들을 정의하는 수단 (124) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 장치는, 상기 애노드 보호 전류를 변조시키는 것에 의해 달성되는 스택 저항 정보에 기초하여 상기 연료 전지 스택들 (103) 의 온도 값들을 획득하는 상기 수단 (124) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 장치는, 스택 특정 저항 정보를 측정하기 위해 고주파 교류 전압 신호를 직류 신호와 함께 그리고 상기 직류 신호 위에 상기 연료 전지 스택들의 각 그룹에 개별적인 루트들로 주입하는 것에 의해, 그리고 스택 특정 전기적 애노드 보호에 이용되는 전류 값들을 적어도 제한하기 위해 상기 스택 특정 저항 정보에 기초하여 상기 연료 전지 스택들의 각 그룹에 대한 개별적인 온도 정보를 결정하는 것에 의해, 상기 연료 전지 스택들 (103) 에 대해 개별적으로 온도 값들을 획득하는 수단 (124) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 장치는, 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위해 상기 긴급 셧다운 상황에서 퍼징하는 것에 의해 반응물들의 대체를 위한 수단 (130) 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는, 상기 연료 전지 스택들 (103) 의 전기적 애노드 보호를 위해 전기 에너지를 제공하는 것을 위해, 그리고 아일랜드 모드 동작 (island mode operation) 에서 과도 에너지 버퍼 (transient energy buffer) 로서 동작하는 것 및 상기 고온 연료 전지 시스템에 의해 UPS (Uninterruptible Power Supply) 기능성을 구현하는 것 중 적어도 하나를 위해 상기 에너지의 백업 소스 (120) 로서 배터리 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는, 상기 고온 연료 전지 시스템에 의해 UPS (Uninterruptible Power Supply) 기능성을 구현하기 위해, 상기 에너지의 백업 소스 (120) 로서 백업 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 장치.
  9. 고온 연료 전지 시스템에서 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 방법으로서,
    상기 방법에서, 연료 전지들의 애노드 측들 (100) 에 연료가 공급되고, 미리 정의된 전압 및 전류 값들이 획득되며,
    상기 방법에서:
    - 애노드들 (100) 의 산화를 방지하기 위해, 미리 정의된 전압을, 연료 전지 스택들 (103) 의 적어도 2개의 그룹들에 개별적인 루트들로 공급하는 것에 의해 전기적 애노드 보호가 수행되고,
    - 상기 전기적 애노드 보호의 수행을 위해 적어도 미리 결정된 최소 시간 동안 에너지의 백업 소스 (120) 로부터 전기 에너지가 제공되고,
    - 결함이 있는 스택들의 경우 스택 그룹 특정 전기적 애노드 보호를 위한 미리 정의된 최대 전류 값을 애노드 보호 전류가 초과하는 것을 개별적으로 방지하고 있으며,
    - 상기 연료 전지들의 상기 애노드 측들 (100) 에 연료를 공급하는 것에 의해 애노드 산화가 방지될 수 없는 상황에서 상기 전기적 애노드 보호의 수행이 신뢰성있게 트리거되고, 상기 방법에서, 폭발성 분위기의 존재시에 폭발 안전 동작이 허용되고, 미리 정의된 보호 전압이 제어되는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 상황은, 상기 연료 전지들의 상기 애노드 측들 (100) 에 연료를 공급하는 것에 의해 애노드 산화가 방지될 수 없는 긴급 셧다운 상황인 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택들 (103) 의 온도 값들이 획득되고, 상기 온도 값들의 함수로서 상기 미리 정의된 전압의 값들이 정의되는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 애노드 보호 전류를 변조시키는 것에 의해 달성되는 스택 저항 정보에 기초하여 상기 연료 전지 스택들 (103) 의 온도 값들이 획득되는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    스택 특정 저항 정보를 측정하기 위해 고주파 교류 전압 신호를 직류 신호와 함께 그리고 상기 직류 신호 위에 상기 연료 전지 스택들의 각 그룹에 개별적인 루트들로 주입하는 것에 의해, 그리고 스택 특정 전기적 애노드 보호에 이용되는 전류 값들을 적어도 제한하기 위해 상기 스택 특정 저항 정보에 기초하여 상기 연료 전지 스택들의 각 그룹에 대한 개별적인 온도 정보를 결정하는 것에 의해, 상기 연료 전지 스택들 (103) 에 대해 개별적으로 온도 값들이 획득되는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위해 상기 긴급 셧다운 상황에서 퍼징하는 것에 의해 반응물들이 대체되는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택들 (103) 의 전기적 애노드 보호를 위해 전기 에너지를 제공하는 것을 위해, 그리고 아일랜드 모드 동작에서 과도 에너지 버퍼로서 동작하는 것 및 상기 고온 연료 전지 시스템에 의해 UPS (Uninterruptible Power Supply) 기능성을 구현하는 것 중 적어도 하나를 위해 상기 에너지의 백업 소스 (120) 로서 배터리 소스가 이용되는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 고온 연료 전지 시스템에 의해 UPS (Uninterruptible Power Supply) 기능성을 구현하기 위해, 상기 에너지의 백업 소스 (120) 로서 백업 발전기가 이용되는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 방법.
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