KR102154894B1 - 연료 전지 시스템 및 그 동작 방법 - Google Patents

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Abstract

전력을 발생하는 연료 전지 스택을 포함한 애노드 재순환 루프와, 상기 애노드 재순환 루프에 제공되는 연료의 연료 유량을 측정하는 유량계와, 상기 연료 전지 스택으로부터 추출된 전류를 측정하는 전류 측정 디바이스와, 상기 애노드 재순환 루프에서의 재순환비를 측정하는 재순환비 측정 디바이스와, 측정된 연료 유량, 측정된 전류 및 측정된 재순환비에 기초하여 상기 연료 전지 스택의 연료 이용을 추정하는 프로세서를 포함한 연료 전지 시스템이 개시된다. 연료 전지 시스템을 동작시키는 방법이 또한 개시된다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 동작 방법{FUEL CELL SYSTEM AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 일반적으로 연료 전지 분야에 관한 것으로, 특히 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 동작 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 연료로부터의 화학 에너지를 대기 중에 내포된 산소와 같은 산화제와 수소와 같은 연료의 전기 화학 반응을 통해 전기 에너지로 변환할 수 있는 전기 화학 디바이스이다. 연료 전지 시스템은 연료 전지가 환경적으로 우수하고 효율이 높기 때문에 에너지 공급 시스템으로서 널리 개발되고 있다. 시스템 효율 및 연료 이용을 개선하고 외부 물 사용량을 줄이기 위해, 연료 전지 시스템은 일반적으로 애노드 재순환(recirculation) 루프를 포함한다. 단일 연료 전지는 단지 1볼트 전압만을 발생할 수 있기 때문에, 원하는 전압을 얻기 위해 일반적으로 복수의 연료 전지가 함께 적층된다(일반적으로 연료 전지 스택이라고 부른다).
연료 이용(fuel utilization, UF)은 연료 전지 시스템의 중요한 변수이다. 연료 이용은 연료 전지의 애노드에서 가용 실 등가 수소에 대한 소비 등가 수소의 비를 표시한다. 혼합 가스의 등가 수소는 생성 가능한 수소의 수를 곱한 각 종(species)의 몰 유량(molar flowrate)의 합을 말한다.
연료 이용은 연료 전지 시스템의 효율에 영향을 줄 수 있다. 높은 연료 이용은 연료 전지 시스템의 연료 효율을 향상시킬 수 있고, 그래서 높은 연료 이용은 연료 전지 시스템의 높은 연료 효율을 의미할 수 있다. 그러나 연료 이용이 증가하면 연료 전지의 애노드에 불충분한 연료(예를 들면, 수소)가 존재하기 때문에 연료 결핍의 위험성이 또한 증가하고, 이것은 애노드 산화에 기인하는 연료 전지의 비가역적 손상을 야기할 수 있다.
따라서, 연료 이용의 엄격한 제어는 연료 결핍을 방지하고 시스템 효율을 개선함에 있어서 중요한 임무일 수 있다. 그러나 재순환하는 유량, 메탄(CH4), 일산화탄소(CO), 수소(H2), 이산화탄소(CO2) 및 수증기(H2O)를 실시간으로 측정하는 것이 곤란하기 때문에 연료 전지 스택의 연료 이용을 측정하기가 어렵다. 비록 연료 전지 시스템의 연료 이용(이것은 오로지 연료 전지 스택으로부터 추출된 전류 및 애노드 재순환 루프에 제공되는 연료 유량에 의해서만 정의된다)이 연료 전지 동작 및 제어를 위하여 사용되었다 하더라도, 연료 전지 시스템의 연료 이용의 작동 경계는 연료 전지 시스템의 연료 이용과 연료 전지 스택의 연료 이용 사이에 명확한 관계가 없기 때문에 일반적으로 시행착오에 의해 결정된다.
그러므로 쉽게 측정되는 변수를 이용하여 연료 전지 스택의 연료 이용을 실시간으로 얻기 위한 시스템이 필요하다. 또한, 연료 전지 시스템의 연료 이용의 작동 경계를 실시간으로 예측 및 갱신하기 위한 시스템이 필요하다. 더 나아가, 연료 결핍 및 탄소 증착을 동시에 방지하도록 연료 전지 시스템을 동작 및 제어하는 것이 필요하다.
일 실시예에 있어서, 본 발명은 연료 전지 시스템을 제공한다. 연료 전지 시스템은 애노드 재순환 루프, 유량계, 전류 측정 디바이스, 재순환비(recycle ratio) 측정 디바이스 및 프로세서를 포함한다. 애노드 재순환 루프는 전력을 발생하는 연료 전지 스택을 포함한다. 유량계는 애노드 재순환 루프에 제공되는 연료의 연료 유량을 측정하도록 구성된다. 전류 측정 디바이스는 연료 전지 스택으로부터 추출된 전류를 측정하도록 구성된다. 재순환비 측정 디바이스는 애노드 재순환 루프에서의 재순환비를 측정하도록 구성된다. 프로세서는 측정된 연료 유량, 측정된 전류 및 측정된 재순환비에 기초하여 연료 전지 스택의 연료 이용을 추정(estimate)하도록 구성된다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 전력을 발생하는 연료 전지 스택을 구비한 애노드 재순환 루프를 포함한 연료 전지 시스템을 동작시키는 방법을 제공한다. 이 방법은 애노드 재순환 루프에 연료를 공급하는 단계와; 연료 전지 스택의 캐소드에 산소를 공급하는 단계와; 애노드 재순환 루프에 제공되는 연료의 연료 유량을 측정하는 단계와; 연료 전지 스택으로부터 추출된 전류를 측정하는 단계와; 애노드 재순환 루프에서의 재순환비를 측정하는 단계와; 상기 측정된 연료 유량, 상기 측정된 전류 및 상기 측정된 재순환비에 기초하여 연료 전지 스택의 연료 이용을 추정하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 연료 전지 시스템을 제공한다. 연료 전지 시스템은 애노드 재순환 루프, 재순환비 측정 디바이스 및 프로세서를 포함한다. 애노드 재순환 루프는 전력을 발생하는 연료 전지 스택을 포함한다. 연료는 애노드 재순환 루프에 제공된다. 재순환비 측정 디바이스는 애노드 재순환 루프에서의 재순환비를 측정하도록 구성된다. 프로세서는 연료 전지 스택의 연료 이용, 시스템의 연료 이용 및 애노드 재순환 루프에서의 재순환비 사이의 맵핑 관계를 정의하는 연료 이용 모델을 포함한다. 프로세서는 측정된 재순환비와 상기 연료 전지 스택의 주어진 연료 이용 상한에 따라 상기 연료 이용 모델로부터 시스템의 연료 이용 상한을 예측하도록 구성된다.
본 발명의 상기 및 다른 특징, 양태 및 장점은 이하의 상세한 설명을 첨부 도면을 참조하면서 읽을 때 더 잘 이해될 것이다. 첨부 도면에서 동일한 문자들은 도면 전체에 걸쳐서 동일한 부분을 표시한다.
도 1은 애노드 재순환 루프를 구비한 예시적인 연료 전지 시스템의 개략 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 개략 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 동작시키는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 프로세서의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 개략 블록도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 동작시키는 예시적인 방법의 흐름도이다.
본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하면서 이하에서 설명한다. 이하의 설명에서, 공지된 기능 또는 구성은 본 발명을 불명료하게 하는 것을 피하기 위해 불필요하게 자세히 설명하지 않는다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 여기에서 사용하는 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 분야의 당업자들이 통상적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 여기에서 사용하는 용어 "제1", "제2", "제3" 등은 임의의 순서, 양 또는 중요도를 표시하지 않고 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해 사용된다. 또한, 용어 "하나의"("a", "an")는 양의 제한을 표시하지 않고, 인용된 아이템이 적어도 하나 존재하는 것을 표시한다. 용어 "또는"은 내포적인 의미이고 열거된 아이템 중 일부 또는 모두를 의미한다. 여기에서 "구비하는", "포함하는" 또는 "가진" 및 그 변체의 사용은 그 앞에서 열거되는 아이템 및 그 균등물뿐만 아니라 추가의 아이템을 포함한다는 것을 의미한다. 추가로, 용어 "접속된" 및 "결합된"은 물리적 또는 기계적 접속 또는 결합으로 제한되지 않고, 직접적이든 간접적이든 전기적 접속 또는 결합을 포함할 수 있다.
애노드 재순환 루프를 구비한 연료 전지 시스템
도 1은 예시적인 연료 전지 시스템(100)의 개략 블록도이다. 도 1에 도시된 것처럼, 예시적인 연료 전지 시스템(100)은 애노드 재순환 루프(11)를 포함한다. 애노드 재순환 루프(11)는 전력을 발생하기 위한 연료 전지 스택(12)을 포함한다. 연료 전지 스택(12)은 함께 적층된 복수의 연료 전지를 포함할 수 있다. 연료 전지 스택(12)은 고체 산화물 연료 전지(SOFC), 용융 탄산염 연료 전지(MCFC) 등과 같은 고온 연료 전지와, 양성자 교환 막 연료 전지(PEMFC), 직접 메탄올 연료 전지(DMFC) 등과 같은 저온 연료 전지 모두에 적용할 수 있다.
연료 전지 스택(12)은 애노드(121), 캐소드(122) 및 전해질(123)을 포함한다. 연료 전지 스택(12)의 애노드(121)는 애노드 입구(1211)와 애노드 출구(1212)를 갖는다.
애노드(121)는 전기를 발생하는 전기화학 반응을 지원할 수 있다. 합성 가스는 전해질(123)을 통한 확산에 의해 캐소드(122)로부터 수신된 산소 이온으로 애노드(121)에서 산화될 수 있다. 상기 반응은 열, 수증기, 및 애노드(121)에서 자유 전자 형태의 전기를 생성할 수 있고, 전기는 에너지 소비 디바이스(18)에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다. 산소 이온은 에너지 소비 디바이스(18)로부터 캐소드(122)로 돌아오는 전자들을 이용하여 캐소드 산화제의 산소 감소를 통해 생성될 수 있다.
에너지 소비 디바이스(18)는 연료 전지 시스템(100)으로부터 전류를 추출하거나 연료 전지 시스템(100)에 전기 부하를 인가하도록 적응된다. 에너지 소비 디바이스(18)는 비제한적인 예를 들자면 툴(tool), 조명 또는 조명 집합체, 전기기구(가정용 또는 다른 전기기구), 가정 또는 다른 주택, 사무실 또는 다른 상업 시설물, 컴퓨터, 신호 또는 통신 장비 등을 포함할 수 있다.
캐소드(122)는 대기 중의 산소와 같은 캐소드 산화제의 소스에 결합될 수 있다. 캐소드 산화제는 전력을 발생할 때 연료 전지 시스템(100)에 의해 사용되는 캐소드(122)에 공급되는 산화제로서 정의된다. 캐소드(122)는 캐소드 산화제로부터 수신된 산소 이온에 대하여 투과성일 수 있다.
전해질(123)은 애노드(121) 및 캐소드(122)와 서로 통할 수 있다. 전해질(123)은 산소 이온을 캐소드(122)로부터 애노드(121)로 통과시키도록 구성되고, 자유 전자가 캐소드(122)로부터 애노드(121)로 통과하는 것을 방지하기 위해 전기 전도성이 거의 또는 전혀 없을 수 있다.
연료 전지 시스템(100)은 연료를 제공하기 위한 연료 공급 디바이스(14)와, 연료를 애노드 재순환 루프(11)에 전달하기 위한 연료 전달 디바이스(15)를 포함한다. 연료는 기체 상태 또는 액체 상태일 수 있다. 그러한 연료들의 예로는, 비제한적인 예를 들자면, 메탄, 에탄, 프로판, 바이오가스, 천연가스, 합성가스, 디젤, 등유, 가솔린 등이 있다. 연료 전달 디바이스(15)는 애노드 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량을 조절하기 위한 연료 유량 조절기(150)를 포함할 수 있다.
몸에 해롭고 나중의 연료 개질(reformation) 단계에서 사용되는 촉매를 결합하는 경향이 있는 연료 내의 황과 같은 바람직하지 않은 성분들의 농도를 감소시키거나 제거하기 위해, 연료 전지 시스템(100)은 연료 정화 디바이스(16)를 또한 포함할 수 있다. 연료 정화 디바이스(16)는 연료로부터 바람직하지 않은 성분들의 농도를 감소시키거나 제거하도록 구성된다. 그러나 연료 정화 디바이스(16)는 메탄, 에탄 및 프로판 등과 같은 순수한 연료인 경우에 생략될 수 있다.
그러므로 애노드 재순환 루프(11)에 제공되는 연료는 연료 공급 디바이스(14)에 의해 제공된 연료 또는 연료 정화 디바이스(16)에 의해 정화된 연료를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 애노드 재순환 루프(11)는 연료 리포머(13)를 또한 포함할 수 있다. 연료 리포머(13)는 리포머 입구(131)와 리포머 출구(132)를 갖는다. 연료 전지 스택(12)의 애노드 출구(1212)는 연료 리포머(13)의 리포머 입구(131)에 결합되고, 연료 리포머(13)의 리포머 출구(132)는 연료 전지 스택(12)의 애노드 입구(1211)로 복귀되어 애노드 재순환 루프(11)를 형성한다.
연료 리포머(13)는 연료 전지 스택(12)의 애노드 출구(1212)로부터 연료 및 테일 가스를 수신하고 상기 연료 및 테일 가스로부터 리포머 출구(132)에서 개질유(reformate)(S)를 발생하도록 구성될 수 있다. 개질유(S)는 수소(H2) 풍부 가스를 포함하고, 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O), 및 메탄(CH4) 등의 연료 슬립(fuel slip)을 또한 포함할 수 있다. 리포머 출구(132)에서의 개질유(S)는 분리 위치(Q)에서 재순환 개질유(S1)와 슬립 개질유(S2)로 나누어질 수 있다. 재순환 개질유(S1)는 애노드 입구(1211)로 재순환된다.
연료 전지 시스템(100)이 동작할 때, 연료는 애노드 재순환 루프(11), 특히 이 실시예에서 연료 리포머(13)의 리포머 입구(131)에 공급되고, 산소, 예를 들면 대기 중의 산소는 연료 전지 스택(12)의 캐소드(122)에 공급된다. 연료 리포머(13)에서, 연료는 화학 반응을 통해 수소를 발생하도록 개질될 수 있다. 예를 들면, 탄화수소 연료의 경우에, 탄화수소 연료는 하기의 스팀 개질 반응(식 1)에 의해 일산화탄소(CO)와 수소(H2)로 변환되고, 일산화탄소와 수증기(H2O)는 하기의 수성 가스 전이 반응(식 2)에 의해 이산화탄소(CO2)와 수소로 변환된다.
CnH2n +2 + nH2O ↔ nCO + (2n+1)H2 (1)
CO + H2O → CO2 + H2 (2)
비록 임의의 탄화수소 연료를 사용할 수 있지만, 간단히 하기 위해 이하에서는 연료의 예시적인 예로서 메탄(CH4)을 사용할 것이다. 연료로서 메탄(CH4)을 사용할 때, 상기 스팀 개질 반응(식 1)은 다음과 같이 수정될 수 있다.
CH4 + H2O → CO + 3H2 (3)
재순환 개질유(S1)는 연료 전지 스택(12)의 애노드 입구(1211)로 복귀된다. 연료 전지 스택(12)의 애노드(121)에서, 재순환 개질유(S1)와 캐소드(122)로부터의 산소 이온이 혼합되고, 전력과 열을 발생하도록 하기 반응(식 4)을 통해 수증기로 변환된다.
2H2 + O2 → 2H2O (4)
다른 실시예에서, 연료 전지 스택(12)은 별도의 연료 리포머(13) 없이 내부 개질 기능을 가질 수 있다. 그러한 상황에서 연료 전지 스택(12)의 애노드 출구(1212)는 애노드 재순환 루프(11)를 형성하도록 애노드 입구(1211)로 직접 복귀될 수 있다. 따라서, 연료 전지 스택(12)의 애노드(121)에서 상기 스팀 개질 반응(식 1 또는 3)과 수성 가스 전이 반응(식 2)이 또한 발생할 것이다.
계속하여 도 1을 참조하면, 연료 전지 시스템(100)은 내연 기관을 구비한 바닥 사이클(bottoming cycle)(17)을 또한 포함할 수 있다. 개질유(S) 중의 슬립 개질유(S2)는 바닥 사이클(17)에 공급된다. 내연 기관은 슬립 개질유(S2)에 응답하여 증가된 발전 효율을 제공하기 위한 추가의 전기를 발생하도록 구동되고, 과다 부분은 내연 기관으로부터 배기로서 방출된다.
뒤에서 더 자세히 설명하는 바와 같이, 연료 전지 시스템(100)에서 연료 전지 스택(12)의 연료 이용(UF)을 추정하고 연료 전지 스택(12)의 추정된 연료 이용에 기초하여 연료 전지 시스템(100)을 제어하는 것이 바람직할 것이다.
실시예 1
연료 전지 스택의 연료 이용 추정
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)의 개략 블록도이다. 도 2를 참조하면, 도 1과 비교할 때, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)은 유량계(21), 전류 측정 디바이스(22), 재순환비(recycle ratio, RR) 측정 디바이스(23) 및 프로세서(3)를 더 포함할 수 있다. 유량계(21)는 애노드 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량(ffuel)을 측정할 수 있다. 전류 측정 디바이스(22)는 연료 전지 스택(12)으로부터 추출된 전류(I)를 측정할 수 있다. RR 측정 디바이스(23)는 애노드 재순환 루프(11)에서의 재순환비(RR)를 측정할 수 있다. RR 측정 디바이스(23)에 관한 자세한 사항은 미국 특허 공개 US 20160104906 A1을 참조할 수 있고, 그 내용은 인용에 의해 본원에 통합된다. 애노드 재순환 루프(11)에서의 재순환비(RR)는 개질유(S)에 대한 재순환 개질유(S1)의 유량비로서 정의된다. 프로세서(3)는 측정된 연료 유량(ffuel), 측정된 전류(I) 및 측정된 재순환비(RR)에 기초하여 연료 전지 스택(12)의 연료 이용(UFfc_est)을 실시간으로 추정할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 프로세서(3)는 측정된 연료 유량(ffuel), 측정된 전류(I) 및 연료 전지 스택(12)의 연료 전지의 수에 기초하여 하기 식에 따라 시스템(200)의 연료 이용(UFsys)을 계산할 수 있다.
Figure 112017049565731-pat00001
(5)
F = 96485C/mol (6)
여기에서 UFsys는 시스템(200)의 연료 이용을 나타내고, I는 연료 전지 스택(12)으로부터 추출된 전류를 나타내며, N은 연료 전지 스택(12)의 연료 전지의 수를 나타내고, ffuel은 애노드 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량을 나타내고, F는 패러데이 상수를 나타낸다.
프로세서(3)는 연료 이용(UF) 모델(31)을 포함할 수 있다. UF 모델(31)은 연료 전지 스택(12)의 연료 이용(UFfc), 시스템(200)의 연료 이용(UFsys) 및 애노드 재순환 루프(11)에서의 재순환비(RR) 사이의 맵핑 관계를 정의할 수 있다.
프로세서(3)는 시스템(200)의 상기 계산된 연료 이용(UFsys) 및 측정된 재순환비(RR)에 따라 UF 모델(31)로부터 연료 전지 스택(12)의 연료 이용(UFfc _est)을 결정할 수 있다.
일 예로서, UF 모델(31)은 하기 식을 포함할 수 있다.
Figure 112017049565731-pat00002
(7)
그러므로 애노드 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량(ffuel), 연료 전지 스택(12)으로부터 추출된 전류(I) 및 애노드 재순환 루프(11)에서의 재순환비(RR)가 측정되면, 연료 전지 스택(12)의 연료 이용(UFfc _est)이 상기 식 5 내지 7에 따라 쉽게 추정될 수 있다.
상기 식 7의 효과는 고충실도 제1 원리 컴퓨터 모델에 대한 하기의 비교 테스트에 의해 설명할 수 있다(표 1 참조). 테스팅 데이터는 연료 전지 스택(12)이 800℃ 온도에 있는 조건에서 애노드 재순환 루프(11)에서의 재순환비(RR), 연료 전지 스택(12)으로부터 추출된 전류(I) 및 애노드 재순환 루프(11)의 리포머 입구(131)에 제공되는 메탄 유량(fCH4)을 변화시킴으로써 연료 전지 시스템(200)에서 발생되었다.
Figure 112017049565731-pat00003

(℃)
Figure 112017049565731-pat00004
 I
(Amps)
Figure 112017049565731-pat00005

(kg/hr)
Figure 112017049565731-pat00006
Figure 112017049565731-pat00007
Figure 112017049565731-pat00008
 RE
(%)
800 0.77 92.2 7.6 0.597 0.443 0.436 2%
800 0.77 99.3 7.6 0.644 0.539 0.543 -1%
800 0.77 102 7.6 0.661 0.582 0.587 -1%
800 0.77 105 7.6 0.680 0.636 0.641 -1%
800 0.77 105 7.6 0.700 0.697 0.703 -1%
800 0.77 105 7.6 0.750 0.896 0.905 -1%
800 0.8 117 10 0.576 0.340 0.342 -1%
800 0.8 129 10 0.635 0.436 0.440 -1%
800 0.8 138 10 0.680 0.530 0.535 -1%
800 0.8 145 10 0.714 0.625 0.630 -1%
800 0.8 145 10 0.750 0.750 0.758 -1%
800 0.82 129 10 0.635 0.382 0.386 -1%
800 0.82 135 10 0.665 0.436 0.439 -1%
800 0.82 143 10 0.704 0.523 0.527 -1%
800 0.82 150 10 0.739 0.621 0.627 -1%
800 0.82 150 10 0.800 0.878 0.883 -1%
여기에서 Tstack은 연료 전지 스택(12)의 온도를, UFfc _est는 식 7로부터 연료 전지 스택(12)의 추정된 연료 이용을, UFfc _ sim은 고충실도 제1 원리 컴퓨터 모델로부터 연료 전지 스택(12)의 시뮬레이트된 연료 이용을, RE는 추정된 연료 이용(UFfc_est)과 시뮬레이트된 연료 이용(UFfc _ sim) 간의 상대 오차를 각각 나타낸다. 상기 표 1로부터, 평균 절대 상대 오차는 1.2%이고, 최대 절대 상대 오차는 2%이며, 이것은 연료 전지 산업에서의 기술적 표준 오차(예를 들면, 5%)보다 낮다. 따라서, 상기 비교 결과는 식 7로부터의 예측이 고충실도 제1 원리 컴퓨터 모델로부터의 결과와 일치할 수 있음을 표시한다.
많은 시뮬레이션 테스팅 데이터에 따라서, 상기 식 7은 아래의 회귀 방정식으로서 근사적으로 표시할 수 있다.
UFfc
Figure 112017049565731-pat00009
1.41 + 2.19 × UFsys - 2.95RR (8)
연료 전지 스택의 추정된 연료 이용에 기초한 연료 결핍 방지
계속하여 도 2를 참조하면, 연료 전지 시스템(200)에서 연료 결핍을 방지하도록 연료 전지 스택(12)의 추정된 연료 이용(UFfc _est)을 더 잘 사용하기 위해, 연료 전지 시스템(200)은 제어기(4)를 또한 포함할 수 있다. 제어기(4)는 연료 전지 스택(12)의 추정된 연료 이용(UFfc _est)에 기초하여 연료 전지 시스템(200)을 제어할 수 있다. 연료 전지 스택(12)의 연료 이용 상한 및 연료 전지 스택(12)의 연료 이용 하한이 제어기(4)에 미리 저장될 수 있다.
연료 전지 시스템(200)의 제어는 연료 전지 시스템(200)의 파라미터의 조정을 포함할 수 있다.
예를 들면, 일 실시예에 있어서, 연료 전지 스택(12)의 추정된 연료 이용(UFfc_est)이 연료 전지 스택(12)의 연료 이용 상한에 근접한 때, 제어기(4)는 연료 전지 시스템(200)의 연료 유량 조절기(150)에 조정 명령을 보낼 수 있다. 연료 유량 조절기(150)는 연료 결핍을 방지하도록 상기 조정 명령에 응답하여 애노드 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량(ffuel)을 증가시킬 수 있다. 연료 전지 스택(12)의 추정된 연료 이용(UFfc _est)이 연료 전지 스택(12)의 연료 이용 하한에 근접한 때, 제어기(4)는 애노드 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량(ffuel)을 감소시키도록 연료 유량 조절기(150)를 제어할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명의 연료 전지 시스템(200)은 전력 컨디셔닝 디바이스(52)를 또한 포함할 수 있다. 전력 컨디셔닝 디바이스(52)는 연료 전지 스택(12)을 에너지 소비 디바이스(18)에 접속하기 위해 사용될 수 있다(도 1에 도시된 것처럼). 전력 컨디셔닝 디바이스(52)는 예를 들면 DC-DC 컨버터, DC-AC 인버터, 또는 DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터의 조합을 포함할 수 있다. 연료 전지 스택(12)의 추정된 연료 이용(UFfc _est)이 연료 전지 스택(12)의 연료 이용 상한에 근접한 때, 제어기(4)는 전력 컨디셔닝 디바이스(52)에 조정 명령을 보낼 수 있다. 전력 컨디셔닝 디바이스(52)는 연료 결핍을 방지하도록 상기 조정 명령에 응답하여 연료 전지 스택(12)으로부터 추출되는 전류(I)를 감소시킬 수 있다. 연료 전지 스택(12)의 추정된 연료 이용(UFfc _est)이 연료 전지 스택(12)의 연료 이용 하한에 근접한 때, 제어기(4)는 연료 전지 스택(12)으로부터 추출되는 전류(I)를 증가시키도록 전력 컨디셔닝 디바이스(52)를 제어할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 본 발명의 연료 전지 시스템(200)은 재순환비(RR) 조정 디바이스(53)를 또한 포함할 수 있다. 연료 전지 스택(12)의 추정된 연료 이용(UFfc _est)이 연료 전지 스택(12)의 연료 이용 상한에 근접한 때, 제어기(4)는 RR 조정 디바이스(53)에 조정 명령을 보낼 수 있다. RR 조정 디바이스(53)는 연료 결핍을 방지하도록 상기 조정 명령에 응답하여 애노드 재순환 루프(11)에서의 재순환비(RR)를 증가시킬 수 있다. 연료 전지 스택(12)의 추정된 연료 이용(UFfc _est)이 연료 전지 스택(12)의 연료 이용 하한에 근접한 때, 제어기(4)는 애노드 재순환 루프(11)에서의 재순환비(RR)를 감소시키도록 RR 조정 디바이스(53)를 제어할 수 있다. RR 조정 디바이스(53)는 예를 들면 S2의 배기 라인에서 애노드 블라우어 또는 유량 조절 밸브일 수 있다. 재순환비(RR)는 애노드 블라우어 속도 또는 유량 조절 밸브 개방을 조정함으로써 조절될 수 있다.
연료 전지 스택(12)의 추정된 연료 이용(UFfc _est)이 연료 전지 스택(12)의 연료 이용 상한 또는 하한에 근접한 때, 제어기(4)는 연료 결핍을 방지하기 위해 연료 유량 조절기(150), 전력 컨디셔닝 디바이스(52) 및 RR 조정 디바이스(53) 중의 하나 이상을 또한 제어할 수 있다.
물론, 연료 전지 시스템(200)의 제어는 연료 전지 시스템(200)의 감시만을 또한 포함할 수 있다. 예를 들면, 연료 전지 스택(12)의 추정된 연료 이용(UFfc _est)이 연료 전지 스택(12)의 연료 이용 상한 또는 하한에 근접한 때, 제어기(4)는 운영자 인터페이스(예를 들면, 인간 기계 인터페이스)에서 경고 신호만을 발생할 수 있고, 또는 시스템 운영자에게 이메일 또는 텍스트 메시지를 통해 통지를 보내어 시스템 운영자에게 연료 결핍을 방지하기 위한 대응하는 동작을 취하도록 통보할 수 있다.
본 발명의 제어기(4)는 다중 코어 제어기일 수 있다. 프로세서(3)는 제어기(4)에 통합될 수 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템(200)은 애노드 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량(ffuel), 연료 전지 스택(12)으로부터 추출된 전류(I) 및 애노드 재순환 루프(11)에서의 재순환비(RR)를 이용하여 연료 전지 스택(12)의 연료 이용(UFfc _est)을 쉽게 실시간으로 추정할 수 있다. 또한, 본 발명의 연료 전지 시스템(200)은 연료 전지 스택(12)의 추정된 연료 이용(UFfc _est)에 따라 잘 제어될 수 있고, 그래서 연료 전지 시스템(200)의 연료 결핍이 효과적으로 방지될 수 있다. 본 발명의 연료 전지 스택(12)의 실시간 추정된 연료 이용(UFfc_est)은 추가적인 고가의 가스 분석기 또는 별도의 공정을 이용하지 않고 동작의 관측성을 개선하고 동작 중의 디바이스 건강을 개선할 수 있으며, 이것은 본 발명의 연료 전지 시스템(200)이 고신뢰성 및 고융통성을 갖고 운영비를 낮출 수 있게 한다.
연료 전지 시스템을 동작시키는 방법
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)을 동작시키는 방법의 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 블록 B31에서, 연료, 예를 들면 메탄과 같은 탄화수소 연료가 연료 전지 시스템(200)의 애노드 재순환 루프(11)에 공급될 수 있다. 본 발명에서 애노드 재순환 루프(11)에 제공된 연료는 연료 공급 디바이스(14)에 의해 제공된 연료 또는 연료 정화 디바이스(16)에 의해 정화된 연료를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 애노드 재순환 루프(11)는 연료 리포머(13)를 또한 포함할 수 있다. 연료는 연료 리포머(13)의 리포머 입구(131)에 제공될 수 있다.
블록 B32에서, 산소, 예를 들면 대기 중에 내포된 산소가 애노드 재순환 루프(11)의 연료 전지 스택(12)의 캐소드(122)에 공급될 수 있다. 연료 리포머(13)는 연료 전지 스택(12)의 애노드 출구(1212)로부터 연료 및 테일 가스를 수신하고 개질유(S)를 발생한다. 개질유(S)의 재순환 개질유(S1)는 그 다음에 연료 전지 스택(12)의 애노드 입구(1211)로 복귀될 수 있다. 연료 전지 스택(12)의 애노드(121)에서, 전력을 발생하기 위해 상기 재순환 개질유(S1)와 상기 캐소드(122)로부터의 산소 이온이 혼합되고 수증기로 변환된다.
블록 B33에서, 애노드 재순환 루프(11)에 제공되는 연료의 연료 유량(ffuel)(예를 들면, 메탄 유량(fCH4))이 예를 들면 유량계(21)를 이용하여 측정될 수 있다.
블록 B34에서, 연료 전지 스택(12)으로부터 추출되는 전류(I)가 예를 들면 전류 측정 디바이스(22)를 이용하여 측정될 수 있다.
블록 B35에서, 애노드 재순환 루프(11)에서의 재순환비(RR)가 예를 들면 재순환비(RR) 측정 디바이스(23)를 이용하여 측정될 수 있다.
블록 B36에서, 연료 전지 스택(12)의 연료 이용(UFfc _est)이 블록 B33에서 측정된 연료 유량(ffuel), 블록 B34에서 측정된 전류(I) 및 블록 B35에서 측정된 재순환비(RR)에 기초하여 추정될 수 있다.
이하에서, 블록 B36에서 연료 전지 스택(12)의 연료 이용(UFfc _est)을 추정하는 방법을 도 3을 계속 참조하면서 자세히 설명한다.
블록 B361에서, 시스템(200)의 연료 이용(UFsys)이 상기 측정된 연료 유량(ffuel), 상기 측정된 전류(I) 및 연료 전지 스택(12)의 연료 전지의 수(N)에 기초하여 상기 식 5에 따라 계산될 수 있다.
블록 B362에서, 연료 이용(UF) 모델(31)이 미리 확립될 수 있다. UF 모델(31)은 연료 전지 스택(12)의 연료 이용(UFfc), 시스템(200)의 연료 이용(UFsys) 및 애노드 재순환 루프(11)에서의 재순환비(RR) 사이의 맵핑 관계를 정의할 수 있다.
블록 B363에서, 연료 전지 스택(12)의 연료 이용(UFfc _est)이 시스템(200)의 상기 계산된 연료 이용(UFsys) 및 상기 측정된 재순환비(RR)에 따라 상기 UF 모델(31)로부터 결정될 수 있다.
블록 B37에서는 연료 전지 스택(12)의 추정된 연료 이용(UFfc _est)이 연료 전지 스택(12)의 연료 이용 상한 또는 하한에 근접하는지를 결정할 수 있다. 연료 전지 스택(12)의 추정된 연료 이용(UFfc _est)이 연료 전지 스택(12)의 연료 이용 상한 또는 하한에 근접한 때, 처리는 블록 B38로 진행할 수 있다. 만일 근접하지 않으면, 처리는 블록 B31로 되돌아갈 수 있다.
블록 B38에서, 연료 전지 시스템(200)은 연료 전지 스택(12)의 추정된 연료 이용(UFfc_est)에 기초하여 제어될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 연료 전지 시스템(200)의 제어는 연료 전지 시스템(200)의 감시만을 포함할 수 있다. 예를 들면, 연료 전지 스택(12)의 추정된 연료 이용(UFfc _est)이 연료 전지 스택(12)의 연료 이용 상한 또는 하한에 근접한 때, 경고 신호가 운영자 인터페이스에서 발생될 수 있고, 또는 시스템 운영자에게 이메일 또는 텍스트 메시지를 통해 통지를 보내어 시스템 운영자에게 연료 전지 스택(12)의 연료 이용을 제어하기 위한 동작을 취하도록 통보할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 연료 전지 시스템(200)의 제어는 연료 전지 시스템(200)의 파라미터의 조정을 포함할 수 있다. 예를 들면, 연료 전지 스택(12)의 추정된 연료 이용(UFfc _est)이 연료 전지 스택(12)의 연료 이용 상한 또는 하한에 근접한 때, 애노드 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량(ffuel), 연료 전지 스택(12)으로부터 추출된 전류(I) 및 애노드 재순환 루프(11)에서의 재순환비(RR) 중 하나 이상이 조정될 수 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템(200)을 동작시키는 방법은 동작의 관측성을 개선하고 동작 중의 디바이스 성능을 개선할 수 있으며, 이것은 본 발명의 연료 전지 시스템(200)이 고신뢰성 및 고융통성을 갖고 운영비를 낮출 수 있게 한다.
실시예 2
연료 전지 시스템의 연료 이용 상한 예측
본 발명은 다른 실시예의 연료 전지 시스템(300)을 또한 제공할 수 있다. 연료 전지 시스템(300)은 도 2에 도시된 연료 전지 시스템(200)의 대부분의 구조적 특징을 가질 수 있다. 예를 들면, 유사하게, 연료 전지 시스템(300)은 전력을 발생하는 연료 전지 스택(12)을 구비한 애노드 재순환 루프(11), 및 애노드 재순환 루프(11)에서의 재순환비(RR)를 측정하는 재순환비(RR) 측정 디바이스(23)를 포함할 수 있다.
그러나 연료 전지 시스템(200)과 다르게, 연료 전지 시스템(300)은 다른 실시예의 프로세서(3)를 포함할 수 있다. 도 4는 다른 실시예의 프로세서(3)의 개략도이다. 도 4에 도시된 것처럼, 프로세서(3)는 연료 이용(UF) 모델(31)을 포함할 수 있다. UF 모델(31)은 연료 전지 스택(12)의 연료 이용(UFfc), 시스템(300)의 연료 이용(UFsys) 및 애노드 재순환 루프(11)에서의 재순환비(RR) 사이의 맵핑 관계를 정의할 수 있다. 예를 들면, UF 모델(31)은 상기 식 7을 포함할 수 있다. 프로세서(3)는 측정된 재순환비(RR) 및 연료 전지 스택(12)의 주어진 연료 이용 상한에 따라 UF 모델(31)로부터 시스템(300)의 연료 이용 상한을 예측할 수 있다(아래의 식으로 나타낸 것처럼).
Figure 112017049565731-pat00010
(9)
여기에서 UFsys _max는 시스템(300)의 연료 이용 상한을 나타내고, UFfc _max는 연료 전지 스택(12)의 주어진 연료 이용 상한을 나타내며, RR은 애노드 재순환 루프(11)에서의 측정된 재순환비를 나타낸다.
그러므로 연료 전지 스택(12)의 연료 이용 상한(UFfc _max)이 주어지고 애노드 재순환 루프(11)에서의 재순환비(RR)가 측정되면, 시스템(300)의 연료 이용 상한(UFsys_max)이 상기 식 9에 따라 쉽게 예측될 수 있다.
연료 전지 시스템의 연료 이용 하한 예측
도 4를 계속하여 참조하면, 프로세서(3)는 스팀 대 탄소비(steam to carbon ratio, SCR) 모델(32)을 또한 포함할 수 있다. SCR 모델(32)은 시스템(300)의 연료 이용(UFsys)과 애노드 재순환 루프(11)에서의 스팀 대 탄소비(SCR) 간의 맵핑 관계를 정의할 수 있다. 애노드 재순환 루프(11)에서의 스팀 대 탄소비(SCR)에 대한 정의는 중국 특허 출원 제201510962881.X호를 참조함 수 있고, 그 내용은 인용에 의해 본원에 통합된다.
일 예로서, SCR 모델(32)은 하기 식을 포함할 수 있다.
Figure 112017049565731-pat00011
(10)
그러므로 애노드 재순환 루프(11)에서의 스팀 대 탄소비 하한이 주어지면 프로세서(3)는 애노드 재순환 루프(11)에서의 스팀 대 탄소비 하한에 따라 SCR 모델(32)로부터 시스템(300)의 연료 이용 하한을 쉽게 예측할 수 있다(아래의 식으로 나타낸 것처럼).
Figure 112017049565731-pat00012
(11)
여기에서 UFsys _min은 시스템(300)의 연료 이용 하한을 나타내고, SCRmin은 애노드 재순환 루프(11)에서의 주어진 스팀 대 탄소비 하한을 나타낸다.
예시적인 실시예에서, 애노드 재순환 루프(11)에서의 주어진 스팀 대 탄소비 하한(SCRmin)이 2인 조건에서, 연료 전지 스택(12)의 주어진 연료 이용 상한(UFfc_max)은 80%이고 연료 전지의 전압은 0.6V이며, 애노드 재순환 루프(11)에서의 측정된 다른 재순환비(RR)에 기초하여 시스템(300)의 연료 이용 하한(UFsys _min) 및 시스템(300)의 연료 이용 상한(UFsys _max)이 식 10 및 식 9에 따라 각각 획득될 수 있다(표 2 참조).
Figure 112017049565731-pat00013
Figure 112017049565731-pat00014
Figure 112017049565731-pat00015
Figure 112017049565731-pat00016
Figure 112017049565731-pat00017
Figure 112017049565731-pat00018


2

80%

0.6V		 0.70

58.60%		 65.12%
0.73 68.38%
0.75 70.59%
0.77 72.81%
0.80 76.19%
0.85 81.93%
시스템의 예측된 연료 이용 상한에 기초한 연료 결핍 방지
유사하게, 연료 전지 시스템(300)은 애노드 재순환 루프(11)에 제공되는 연료의 연료 유량(ffuel)을 측정하는 유량계(21), 연료 전지 스택(12)으로부터 추출된 전류(I)를 측정하는 전류 측정 디바이스(22), 및 제어기(4)를 또한 포함할 수 있다.
프로세서(3)는 측정된 연료 유량(ffuel), 측정된 전류(I) 및 연료 전지 스택(12)의 연료 전지의 수(N)에 기초하여 상기 식 5에 따라 시스템의 연료 이용(UFsys)을 계산할 수 있다.
시스템(300)의 예측된 연료 이용 상한(UFsys _max) 및 시스템(300)의 계산된 연료 이용(UFsys)에 기초하여 제어기(4)는 연료 결핍을 방지하도록 시스템(300)을 제어할 수 있다.
시스템의 예측된 연료 이용 상한 및 시스템의 예측된 연료 이용 하한에 기초한 연료 결핍 및 탄소 증착 방지
시스템(300)의 예측된 연료 이용 상한(UFsys _max), 시스템(300)의 예측된 연료 이용 하한(UFsys _min) 및 시스템(300)의 계산된 연료 이용(UFsys)에 기초하여 제어기(4)는 연료 결핍 및 탄소 증착을 방지하도록 시스템(300)을 또한 제어할 수 있다.
도 4를 계속하여 참조하면, 프로세서(3)는 연료 이용(UF) 억제 모듈(33)을 또한 포함할 수 있다. UF 억제 모듈(33)은 연료 유량 트림(trim)(ffuel _trim), 전류 트림(Itrim) 및 재순환비 트림(RRtrim) 중 하나 이상의 트림을 시스템(300)의 예측된 연료 이용 상한(UFsys _max), 시스템(300)의 예측된 연료 이용 하한(UFsys _min) 및 시스템(300)의 계산된 연료 이용(UFsys)에 기초하여 결정할 수 있다.
제어기(4)는 하나 이상의 결정된 트림(ffuel _trim, Itrim, RRtrim)에 기초하여 시스템(300)을 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어기(4)는 하나 이상의 결정된 트림(ffuel_trim, Itrim, RRtrim)을 이용하여 연료 유량 설정점(ffuel _ sp), 전류 설정점(Isp) 및 재순환비 설정점(RRsp) 중 하나 이상의 대응하는 설정점을 보정하고, 하나 이상의 보정된 설정점에 기초하여 시스템(300)을 제어할 수 있다.
도 5를 참조하면, 연료 전지 시스템(300)은 연료 유량 조절기(150), 전력 컨디셔닝 디바이스(52) 및 재순환비(RR) 조정 디바이스(53)를 포함할 수 있다. 제어기(4)는 연료 이용(UF) 제어기(41), 전력 제어기(42) 및 재순환비(RR) 제어기(43)를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 시스템(300)의 연료 이용 설정점(fsys_sp)과 시스템(300)의 계산된 연료 이용(UFsys)은 감산기(61)에 입력되고 그 다음에 연료 유량 설정점(ffuel_sp)을 얻기 위해 UF 제어기(41)에 입력될 수 있다. 연료 유량 설정점(ffuel_sp)과 결정된 연료 유량 트림(ffuel _trim)은 가산기(62)에 입력될 수 있다. 가산기(62)는 결정된 연료 유량 트림(ffuel _trim)을 연료 유량 설정점(ffuel_sp)에 가산하여 보정된 연료 유량 설정점을 획득하고, 보정된 연료 유량 설정점은 연료 유량 조절기(150)에 보내질 수 있다. 연료 유량 조절기(150)는 보정된 연료 유량 설정점에 기초하여 애노드 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량(ffuel)을 조절할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 연료 전지 스택(12)으로부터 측정된 전력 수요 및 출력 전력(Po)이 감산기(63)에 입력되고 그 다음에 전류 설정점(Isp)을 얻기 위해 전력 제어기(42)에 입력될 수 있다. 전력 수요는 예를 들면 전력망 또는 전기 부하로부터 올 수 있다. 전류 설정점(Isp) 및 결정된 전류 트림(Itrim)은 가산기(64)에 입력될 수 있다. 가산기(64)는 결정된 전류 트림(Itrim)을 전류 설정점(Isp)에 가산하여 보정된 전류 설정점을 획득할 수 있고, 보정된 전류 설정점은 전력 컨디셔닝 디바이스(52)에 보내질 수 있다. 전력 컨디셔닝 디바이스(52)는 상기 보정된 전류 설정점에 기초하여 연료 전지 스택(12)으로부터 추출되는 전류(I)를 조정할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 재순환비 설정점(RRsp), 결정된 재순환비 트림(RRtrim) 및 측정된 재순환비(RR)가 가산기-감산기(65)에 입력될 수 있다. 가산기-감산기(65)는 결정된 재순환비 트림(RRtrim)을 재순환비 설정점(RRsp)에 가산하여 보정된 재순환비 설정점을 얻고, 측정된 재순환비(RR)를 보정된 재순환비 설정점으로부터 감산하여 그 결과를 RR 제어기(43)에 보낼 수 있다. RR 제어기(43)는 애노드 재순환 루프(11)에서의 재순환비(RR)를 조정하도록 RR 조정 디바이스(53)를 제어할 수 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템(300)은 시스템(300)의 동작 변수, 즉 시스템(300)의 연료 이용(UFsys)이 미리 정의된 억제 경계에 근접하거나 넘어선 때 트림 조정을 수행할 수 있고, 그래서 본 발명의 연료 전지 시스템(300)은 억제 경계 내에서 동작하도록 보장되고 동작 중에 디바이스 건강을 개선할 수 있다.
연료 전지 시스템을 동작시키는 방법
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템(300)을 동작시키는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 블록 B61에서, 시스템(300)의 연료 이용(UFsys)이 애노드 재순환 루프(11)에 제공되는 측정된 연료 유량(ffuel), 연료 전지 스택(12)으로부터 추출된 측정된 전류(I) 및 연료 전지 스택(12)의 연료 전지의 수(N)에 기초하여 상기 식 5에 따라 계산될 수 있다.
블록 B62에서, 시스템(300)의 연료 이용 하한(UFsys _min)이 애노드 재순환 루프(11)에서의 주어진 스팀 대 탄소비 하한(SCRmin)에 기초하여 상기 식 11에 따라 스팀 대 탄소비(SCR) 모델(32)로부터 예측될 수 있다.
블록 B63에서, 시스템(300)의 연료 이용 상한(UFsys _max)이 애노드 재순환 루프(11)에서의 측정된 재순환비(RR) 및 연료 전지 스택(12)의 주어진 연료 이용 상한(UFfc_max)에 기초하여 상기 식 9에 따라 연료 이용(UF) 모델(31)로부터 예측될 수 있다.
블록 B64에서는 시스템(300)의 예측된 연료 이용 상한(UFsys _max)과 시스템(300)의 계산된 연료 이용(UFsys) 간의 차가 제1 역치보다 작은지를 하기의 식 12에 나타낸 바와 같이 결정할 수 있다. 식 12에서 a는 제1 역치를 나타낸다.
UFsys _max - UFsys < a (12)
블록 B65에서는 시스템(300)의 계산된 연료 이용(UFsys)과 시스템(300)의 예측된 연료 이용 하한(UFsys _min) 간의 차가 제2 역치보다 작은지를 하기의 식 13에 나타낸 바와 같이 결정할 수 있다. 식 13에서 b는 제2 역치를 나타낸다.
UFsys - UFsys _min < b (13)
제1 및 제2 역치(a, b)는 시스템(300)의 연료 이용(UFsys)의 총 불확실성에 따라 결정될 수 있다.
블록 B66에서, 연료 유량 트림(ffuel _trim), 전류 트림(Itrim) 및 재순환비 트림(RRtrim) 중 하나 이상의 트림, 예를 들면 연료 유량 트림(ffuel _trim)이 상기 결정된 결과에 따라 결정될 수 있다.
블록 B661에서, 시스템(300)의 예측된 연료 이용 상한(UFsys _max)과 시스템(300)의 계산된 연료 이용(UFsys) 간의 차가 제1 역치(a)보다 작은 때, 상기 결정된 연료 유량 트림(ffuel_trim)은 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112017049565731-pat00019
(14)
블록 B662에서, 시스템(300)의 계산된 연료 이용(UFsys)과 시스템(300)의 예측된 연료 이용 하한(UFsys _min) 간의 차가 제2 역치(b)보다 작은 때, 상기 결정된 연료 유량 트림(ffuel_trim)은 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112017049565731-pat00020
(15)
블록 B663에서, 시스템(300)의 예측된 연료 이용 상한(UFsys _max)과 시스템(300)의 계산된 연료 이용(UFsys) 간의 차가 제1 역치(a)보다 작지 않고 시스템(300)의 계산된 연료 이용(UFsys)과 시스템(300)의 예측된 연료 이용 하한(UFsys_min) 간의 차가 제2 역치(b)보다 작지 않은 때, 상기 결정된 연료 유량 트림(ffuel_trim)은 다음과 같이 표시될 수 있다.
ffuel _trim = 0 (16)
블록 B67에서, 연료 유량 설정점(ffuel_sp)이 상기 결정된 연료 유량 트림(ffuel_trim)에 기초하여 보정될 수 있다. 일 예로서, 상기 결정된 연료 유량 트림(ffuel_trim)은 보정된 연료 유량 설정점을 얻기 위해 연료 유량 설정점(ffuel_sp)에 가산될 수 있다.
블록 B68에서, 애노드 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량(ffuel)이 상기 보정된 연료 유량 설정점에 기초하여 제어될 수 있다.
비록 상기 방법에서 하나 이상의 트림 중 예시적인 예로서 연료 유량 트림(ffuel_trim)을 사용하였지만, 상기 방법은 전류 트림(Itrim) 및 재순환비 트림(RRtrim)에도 유사하게 적용될 수 있다.
본 발명의 방법은 연료 결핍 및 탄소 증착 둘 다를 효과적으로 방지할 수 있고 애노드 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량(ffuel), 연료 전지 스택(12)으로부터 추출된 전류(I) 및 애노드 재순환 루프(11)에서의 재순환비(RR)와 같은 제한된 조정 가능한 변수에 의해 2가지의 핵심적인 제약을 해결할 수 있다.
비록 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200, 300)을 동작시키는 방법의 단계들이 기능 블록들로 예시되었지만, 도 3 및 도 6에 도시된 각종 블록들 중에서 블록들의 순서 및 단계들의 분리는 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 예를 들면, 블록들은 다른 순서로 수행될 수 있고, 하나의 블록과 관련된 단계는 하나 이상의 다른 블록들과 결합될 수 있고, 또는 다수의 블록으로 세분될 수 있다.
비록 본 발명을 전형적인 실시예로 예시하고 설명하였지만, 본 발명의 정신으로부터 어떻게든 벗어나지 않고 각종의 수정 및 치환이 이루어질 수 있기 때문에, 본 발명은 도시된 세부로 제한되지 않는다. 당업자에게는 여기에서 개시된 발명의 추가의 수정예 및 균등물이 일상적 실험을 이용하여 발생할 수 있고, 그러한 수정예 및 균등물은 모두 이하의 특허 청구범위에 의해 정의되는 발명의 정신 및 범위 내에 있는 것으로 생각된다.

Claims (18)

  1. 연료 전지 시스템에 있어서,
    전력을 발생하기 위한 연료 전지 스택을 포함하는 애노드 재순환(recirculation) 루프 - 상기 연료 전지 스택은 애노드 입구(inlet)와 애노드 출구(outlet)를 갖는 애노드, 및 캐소드를 포함하고, 상기 연료 전지 스택은 상기 캐소드에 공급되는 산소를 통해 전력을 발생하도록 구성되고, 상기 애노드 재순환 루프는, 상기 연료 전지 스택의 애노드 출구로부터 연료 및 테일 가스(tail gas)를 수용하고 리포머(reformer) 출구에서 개질유(reformate)를 발생하기 위한 연료 리포머를 더 포함하고, 상기 리포머 출구에서의 개질유는 애노드 입구로 다시 재순환되는 재순환 개질유와 슬립(slip) 개질유로 나누어짐 -;
    상기 애노드 재순환 루프의 연료 리포머의 입구 내에 제공되는 연료의 연료 유량을 측정하기 위한 유량계(flowmeter);
    전기 부하에 의해 상기 연료 전지 스택으로부터 인출된 전류를 측정하기 위한 전류 측정 디바이스;
    상기 재순환 개질유 대 상기 개질유의 유량비로서 정의된, 상기 애노드 재순환 루프에서의 리사이클비(recycle ratio)를 측정하기 위한 리사이클비 측정 디바이스; 및
    상기 측정된 연료 유량, 상기 측정된 전류, 및 상기 측정된 리사이클비에 기초하여 상기 연료 전지 스택의 연료 이용률을 추정하기 위한 프로세서
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 연료 전지 스택의 연료 이용률, 상기 연료 전지 시스템의 연료 이용률, 및 상기 애노드 재순환 루프에서의 리사이클비 간의 맵핑 관계를 정의하는 연료 이용률 모델을 포함하고,
    상기 프로세서는, 상기 측정된 연료 유량, 상기 측정된 전류, 및 상기 연료 전지 스택의 연료 전지들의 개수에 기초하여 상기 연료 전지 시스템의 연료 이용률을 계산하고, 상기 연료 전지 시스템의 상기 계산된 연료 이용률 및 상기 측정된 리사이클비에 따라 상기 연료 이용률 모델로부터 상기 연료 전지 스택의 연료 이용률을 결정하도록 구성된 것인 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 연료 전지 스택의 주어진 연료 이용률 상한과 상기 측정된 리사이클비에 따라 상기 연료 이용률 모델로부터 상기 연료 전지 시스템의 연료 이용률 상한을 예측하도록 구성된 것인 연료 전지 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 애노드 재순환 루프에서의 스팀(steam) 대 탄소비와 상기 연료 전지 시스템의 연료 이용률 간의 맵핑 관계를 정의하는 스팀 대 탄소비 모델
    을 더 포함하며,
    상기 프로세서는 또한, 상기 애노드 재순환 루프에서의 주어진 스팀 대 탄소비 하한에 따라 상기 스팀 대 탄소비 모델로부터 상기 연료 전지 시스템의 연료 이용률 하한을 예측하도록 구성된 것인 연료 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택의 추정된 연료 이용률에 기초하여 연료 결핍을 방지하도록 상기 연료 전지 시스템을 제어하기 위한 제어기
    를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    연료 유량 조절기(fuel flow regulator)
    를 더 포함하고,
    상기 연료 전지 스택의 추정된 연료 이용률이 상기 연료 전지 스택의 연료 이용률 상한에 가까워질 때, 상기 제어기는 상기 애노드 재순환 루프 내에 제공되는 연료 유량을 증가시키도록 상기 연료 유량 조절기를 제어하고;
    상기 연료 전지 스택의 추정된 연료 이용률이 상기 연료 전지 스택의 연료 이용률 하한에 가까워질 때, 상기 제어기는 상기 애노드 재순환 루프 내에 제공되는 연료 유량을 감소시키도록 상기 연료 유량 조절기를 제어하는 것인 연료 전지 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    전력 컨디셔닝 디바이스(power conditioning device)
    를 더 포함하고,
    상기 연료 전지 스택의 추정된 연료 이용률이 상기 연료 전지 스택의 연료 이용률 상한에 가까워질 때, 상기 제어기는 상기 연료 전지 스택으로부터 인출된 전류를 감소시키도록 상기 전력 컨디셔닝 디바이스를 제어하고;
    상기 연료 전지 스택의 추정된 연료 이용률이 상기 연료 전지 스택의 연료 이용률 하한에 가까워질 때, 상기 제어기는 상기 연료 전지 스택으로부터 인출된 전류를 증가시키도록 상기 전력 컨디셔닝 디바이스를 제어하는 것인 연료 전지 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    리사이클비 조정 디바이스
    를 더 포함하고,
    상기 연료 전지 스택의 추정된 연료 이용률이 상기 연료 전지 스택의 연료 이용률 상한에 가까워질 때, 상기 제어기는 상기 애노드 재순환 루프에서의 리사이클비를 증가시키도록 상기 리사이클비 조정 디바이스를 제어하고;
    상기 연료 전지 스택의 추정된 연료 이용률이 상기 연료 전지 스택의 연료 이용률 하한에 가까워질 때, 상기 제어기는 상기 애노드 재순환 루프에서의 리사이클비를 감소시키도록 상기 리사이클비 조정 디바이스를 제어하는 것인 연료 전지 시스템.
  9. 연료 전지 시스템에 있어서,
    전력을 발생하기 위한 연료 전지 스택과, 애노드 재순환 루프 내에 제공되는 연료를 수용하고 리포머 출구에서 개질유를 발생하기 위한 연료 리포머를 포함하는 애노드 재순환 루프 - 상기 개질유는 애노드 입구로 다시 재순환되는 재순환 개질유와 슬립 개질유로 나누어짐 -;
    상기 재순환 개질유 대 상기 개질유의 유량비로서 정의된, 상기 애노드 재순환 루프에서의 리사이클비를 측정하기 위한 리사이클비 측정 디바이스; 및
    프로세서
    를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 연료 전지 스택의 연료 이용률, 상기 연료 전지 시스템의 연료 이용률, 및 상기 애노드 재순환 루프에서의 리사이클비 간의 맵핑 관계를 정의하는 연료 이용률 모델
    을 포함하고,
    상기 프로세서는, 상기 연료 전지 스택의 주어진 연료 이용률 상한과 상기 측정된 리사이클비에 따라 상기 연료 이용률 모델로부터 상기 연료 전지 시스템의 연료 이용률 상한을 예측하도록 구성된 것인 연료 전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 애노드 재순환 루프의 연료 리포머의 입구 내에 제공되는 연료의 연료 유량을 측정하기 위한 유량계;
    전기 부하에 의해 상기 연료 전지 스택으로부터 인출된 전류를 측정하기 위한 전류 측정 디바이스 - 상기 프로세서는 상기 측정된 연료 유량, 상기 측정된 전류, 및 상기 연료 전지 스택의 연료 전지들의 개수에 기초하여 상기 연료 전지 시스템의 연료 이용률을 계산하도록 구성됨 -; 및
    상기 연료 전지 시스템의 계산된 연료 이용률과 상기 연료 전지 시스템의 예측된 연료 이용률 상한에 기초하여 연료 결핍을 방지하도록 상기 연료 전지 시스템을 제어하기 위한 제어기
    를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 애노드 재순환 루프에서의 스팀 대 탄소비와 상기 연료 전지 시스템의 연료 이용률 간의 맵핑 관계를 정의하는 스팀 대 탄소비 모델
    을 더 포함하며,
    상기 프로세서는 또한, 상기 애노드 재순환 루프에서의 주어진 스팀 대 탄소비 하한에 따라 상기 스팀 대 탄소비 모델로부터 상기 연료 전지 시스템의 연료 이용률 하한을 예측하도록 구성된 것인 연료 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 애노드 재순환 루프 내에 제공되는 연료 유량을 측정하기 위한 유량계;
    상기 연료 전지 스택으로부터 인출된 전류를 측정하기 위한 전류 측정 디바이스 - 상기 프로세서는 상기 측정된 연료 유량, 상기 측정된 전류, 및 상기 연료 전지 스택의 연료 전지들의 개수에 기초하여 상기 연료 전지 시스템의 연료 이용률을 계산하도록 구성됨 -; 및
    상기 연료 전지 시스템의 예측된 연료 이용률 상한, 상기 연료 전지 시스템의 예측된 연료 이용률 하한, 및 상기 연료 전지 시스템의 계산된 연료 이용률에 기초하여 연료 결핍 및 탄소 퇴적(carbon deposition)을 방지하도록 상기 연료 전지 시스템을 제어하기 위한 제어기
    를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 연료 전지 시스템의 예측된 연료 이용률 상한, 상기 연료 전지 시스템의 예측된 연료 이용률 하한, 및 상기 연료 전지 시스템의 계산된 연료 이용률에 기초하여 연료 유량 트림(trim), 전류 트림, 및 리사이클비 트림 중 하나 이상의 트림을 결정하기 위한 연료 이용률 제한 모듈
    을 더 포함하고,
    상기 제어기는 상기 하나 이상의 결정된 트림에 기초하여 상기 연료 전지 시스템을 제어하도록 구성되는 것인 연료 전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 하나 이상의 결정된 트림을 사용하여 연료 유량 설정점, 전류 설정점, 및 리사이클비 설정점 중 하나 이상의 대응하는 설정점을 보정하고, 하나 이상의 보정된 설정점에 기초하여 상기 연료 전지 시스템을 제어하도록 구성된 것인 연료 전지 시스템.
  15. 연료 전지 시스템을 동작시키기 위한 방법에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은 전력을 발생하기 위한 연료 전지 스택을 갖는 애노드 재순환 루프를 포함하고, 상기 방법은,
    상기 애노드 재순환 루프에 연료를 공급하는 단계;
    상기 연료 전지 스택의 캐소드에 산소를 공급하는 단계;
    상기 애노드 재순환 루프 내에 제공되는 상기 연료의 연료 유량을 측정하는 단계;
    상기 연료 전지 스택으로부터 인출된 전류를 측정하는 단계;
    개질유의 유량, 재순환 개질유의 유량을 결정하고, 상기 개질유의 유량과 상기 재순환 개질유의 유량을 비교하여 상기 애노드 재순환 루프에서의 리사이클비를 계산하는 것에 의해 상기 리사이클비를 측정하는 단계;
    상기 측정된 연료 유량, 상기 측정된 전류, 및 상기 측정된 리사이클비에 기초하여 상기 연료 전지 스택의 연료 이용률을 추정하는 단계; 및
    연료 이용률 모델을 미리 구축하는 단계
    를 포함하며,
    상기 연료 이용률 모델은 상기 연료 전지 스택의 연료 이용률, 상기 연료 전지 시스템의 연료 이용률, 및 상기 애노드 재순환 루프에서의 리사이클비 간의 맵핑 관계를 정의하고,
    상기 연료 전지 스택의 연료 이용률을 추정하는 단계는,
    상기 측정된 연료 유량, 상기 측정된 전류, 및 상기 연료 전지 스택의 연료 전지들의 개수에 기초하여 상기 연료 전지 시스템의 연료 이용률을 계산하는 단계, 및
    상기 연료 전지 시스템의 계산된 연료 이용률과 상기 측정된 리사이클비에 따라 상기 연료 이용률 모델로부터 상기 연료 전지 스택의 연료 이용률을 결정하는 단계
    를 포함한 것을 특징으로 연료 전지 시스템을 동작시키기 위한 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 애노드 재순환 루프 내로의 연료 유량을 증가시키는 것에 의해 상기 연료 전지 스택의 추정된 연료 이용률에 기초하여 연료 결핍을 방지하도록 상기 연료 전지 시스템을 제어하는 단계
    를 더 포함하는 연료 전지 시스템을 동작시키기 위한 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템을 제어하는 단계는,
    상기 연료 전지 스택의 추정된 연료 이용률이 상기 연료 전지 스택의 연료 이용률 상한 또는 하한에 가까워질 때, 경고 신호를 발생하거나 또는 통지를 전송하는 단계
    를 포함한 것인 연료 전지 시스템을 동작시키기 위한 방법.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템을 제어하는 단계는,
    상기 연료 전지 스택의 추정된 연료 이용률이 상기 연료 전지 스택의 연료 이용률 상한 또는 하한에 가까워질 때, 상기 애노드 재순환 루프 내에 제공되는 연료 유량, 상기 연료 전지 스택으로부터 인출된 전류, 및 상기 애노드 재순환 루프에서의 리사이클비 중 하나 이상을 조정하는 단계
    를 포함한 것인 연료 전지 시스템을 동작시키기 위한 방법.
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