KR102182798B1 - 직류(dc) 부하 레벨러 - Google Patents

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조지 피. 베른트센
링컨 비탈리스
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퓨얼 셀 에너지, 인크
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Abstract

부하 레벨링 시스템은 연료 전지 인버터, 직류(DC) 부하 뱅크 및 제어기를 포함한다. 연료 전지 인버터는 연료 전지 어셈블리에 의해 생성된 직류 전력을 수신하도록 구성된다. 직류 부하 뱅크는 연료 전지 인버터와 병렬로 연료 전지 어셈블리에 연결된다. 제어기는 연료 전지 인버터 및 직류 부하 뱅크와 통신한다. 제어기는 연료 전지 인버터에 의해 드로잉되는 부하의 감소를 식별하도록 구성된다. 부하 감소의 식별에 응답하여, 제어기는 연료 전지 어셈블리에 의해 생성된 직류 전력을 연료 전지 인버터로부터 직류 부하 뱅크로 전환하여 연료 전지 어셈블리의 부하 순환을 방지하도록 구성된다.

Description

직류(DC) 부하 레벨러
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2016년 3월 2일자로 출원 된 미국 가출원 제62/302,265호의 우선권을 주장하며, 이 가출원의 전체 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.
연료 전지(fuel cell)는 탄화수소(hydrocarbon) 연료에 저장된 에너지와 같은 화학 에너지를 전기 화학 반응을 통해 전기 에너지로 전환시키는 장치이다. 일반적으로, 연료 전지는 전기적으로 대전된 이온을 도전(conduct)시키는 역할을 하는 전해질에 의해 분리된 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함한다. 용융 탄산염 연료 전지 및 고체 산화물 연료 전지와 같은 고온 연료 전지는 애노드 전극을 통해 반응 연료 가스(반응 연료 가스)를 통과시키고, 산화제 가스(예를 들어, 이산화탄소 및 산소)는 캐소드 전극을 통과시킴으로써 작동한다. 원하는 전력 레벨을 생성하기 위해, 여러 개의 개별 연료 전지들이 직렬로 적층될 수 있다. 작동 중에, 연료 전지 시스템은 전기 그리드(electrical grid)와 같은 부하(load)에 전력을 공급할 수 있다. 그러한 부하가 예기치 않게 연료 전지 시스템에서 제거되면(예를 들어, 전기 그리드가 다운될 때), 이러한 제거는 열-기계적 스트레스의 형태로 연료 전지 시스템의 열화를 초래할 수 있다.
부하 레벨링 시스템은 연료 전지 인버터, 직류(DC) 부하 뱅크 및 제어기를 포함한다. 연료 전지 인버터는 연료 전지 어셈블리에 의해 생성된 직류 전력을 드로잉하도록 구성된다. 직류 부하 뱅크는 연료 전지 인버터와 병렬로 연료 전지 어셈블리에 연결된다. 제어기는 연료 전지 인버터 및 직류 부하 뱅크와 통신한다. 제어기는 연료 전지 인버터에 의해 드로잉되는 부하의 감소를 식별하도록 구성된다. 부하 감소의 식별에 응답하여, 제어기는 연료 전지 어셈블리에 의해 생성된 직류 전력을 연료 전지 인버터로부터 직류 부하 뱅크로 전환하여 연료 전지 어셈블리의 부하 순환을 방지하도록 구성된다.
전술 한 내용은 본 발명의 요약이며, 따라서 필요에 따라 단순화, 일반화 및 생략된 부분을 포함한다. 결론적으로, 당업자는 요약이 단지 예시적인 것이며 임의의 방식으로 제한하려는 것은 아님을 알 것이다. 특허 청구 범위에 의해 정의되는 바와 같이, 본 명세서에 기재된 장치 및/또는 프로세스의 다른 양태, 특징 및 이점은 본 명세서에 기재된 상세한 설명 및 첨부된 도면과 함께 명백해질 것이다.
도 1은 예시적인 실시 예에 따른 연료 전지 부하 레벨링 시스템의 블록도이다.
도 2는 예시적인 실시 예에 따른 연료 전지 시스템에서의 부하 레벨링을 위한 동작을 나타내는 흐름도이다.
고온 연료 전지 시스템(예를 들어, 용융 탄산염 연료 전지 시스템 또는 고체 산화물 연료 전지 시스템)의 수명은 연료 전지 시스템에서 전력을 드로잉(darwing)하는 부하의 갑작스러운 감소(또는 완전한 실종)로 인해 발생할 수 있는 부하 순환(load cycling)에 의해 악영향을 받는다. 특히, 연료 전지 시스템의 구성 요소들은 이러한 부하 순환 상황에서 열-기계적 스트레스를 증가를 겪는다. 계획되지 않은 부하 순환은 불안정한 전기 그리드(즉, 부하) 조건으로 인해 발생할 수 있으며, 이는 연료 전지 시스템에 연결된 인버터(들)의 부주의 한 트리핑(tripping)을 유발한다.
트립된(tripped) 인버터로 인한 부하 순환의 영향을 줄이는 한 가지 방법은 인버터를 신속하게 리셋하여 연료 전지 시스템의 열-기계적 스트레스 대부분 또는 전부를 제거하는 것이다. 이 상황에서 부하 순환의 영향을 줄이기 위한 또 다른 방법은 전체 시스템의 기능을 통해 인버터의 신뢰성과 그리드 장애 라이드(grid disturbance ride)를 개선하는 것이다. 그러나 이러한 솔루션은 오작동이나 장기간의 전기 그리드 장해 등으로 인해 연료 전지 인버터가 지속적으로 작동하지 않을 때 비효율적이다. 본 명세서에서는, 연료 전지 인버터가 트립되고 불안정한 그리드 상태, 오작동, 다른 부하 고장 등으로 인해 즉시 리셋될 수 없는 경우에 부하 순환(그리고 시스템 상의 결과적인 스트레스)을 방지하도록 설계된 시스템을 설명한다.
도 1은 예시적인 실시 예에 따른 연료 전지 부하 레벨링 시스템(feul cell load leveling system)(100)의 블록도이다. 전기 그리드(125)에 연결된 시스템(100)은 연료 전지 어셈블리(assembly)(105), 연료 전지 인버터(inverter)(110), 출력 트랜스포머(transformer)(115) 및 출력 차단기(breaker)(120)를 포함한다. 시스템(100)은 또한 기생 부하들(130), 제어기(135) 및 직류(DC) 부하 뱅크(140)를 포함한다. 대안적인 실시 예에서, 연료 전지 시스템(100)에 포함되는 구성 요소는 더 적거나, 추가적이거나 및/또는 다를 수 있다.
예시적인 실시 예에서, 연료 전지 어셈블리(105)는 하나 이상의 연료 전지 열들(columns)로 구성되며, 각각은 하나 이상의 연료 전지 스택을 포함할 수 있다. 다른 예시적인 실시 예에서, 연료 전지 어셈블리(105)의 연료 전지들은 용융 탄산염 연료 전지들이다. 다른 실시 예에서, 다른 유형의 연료 전지들이 사용될 수 있다. 연료 전지 어셈블리(105)는 버스 라인을 통해 연료 전지 인버터(110)에 의해 수신되는 직류(DC) 전력을 생성하는데 사용된다. 연료 전지 인버터(110)는 구현에 따라 단일 인버터 또는 복수의 인버터들일 수 있다. 제어기(135)에 의해 생성된 직류 요구 신호(DC demand signal)를 수신하면, 연료 전지 인버터(110)는 직류 전력을 출력 트랜스포머(115)에 공급되는 교류(AC) 전력으로 변환한다. 출력 트랜스포머(115)는 전기 전지 그리드(125)와 호환 가능한 원하는 값까지 연료 전지 인버터(110)로부터 수신된 교류 전압을 단계화한다. 다른 대안적인 실시 예들에서, 출력 트랜스포머(108)는 연료 전지 인버터 (110)로부터 수신된 전압을 강압(step down)할 수 있다. 출력 차단기(120)는 유지 보수를 위해 연료 전지 부하 레벨링 시스템(100)을 전기 그리드(125)로부터 분리시키고, 그리드를 독립적으로 작동시키기 위해 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 기생 부하들(130)은 버스 라인을 통해 출력 트랜스포머(115)의 출력에 연결된다. 이와 같이, 기생 부하들(130)은 전기 그리드(125)에 제공되는 동일한 상승(step down) 교류 전압을 수신할 수 있다. 기생 부하들(130)은 송풍기(blowers), 프로세스 히터(process heater), 수처리 장치(water treatment units), 가열, 환기 및 공기 조절(heating, ventilating, and air conditioning, HVAC) 시스템 등을 포함할 수 있다.
직류 부하 뱅크(140)는, 연료 전지 어셈블리(105)를 연료 전지 인버터(110)에 연결하는 동일한 버스 라인을 통해, 연료 전지 어셈블리(105)의 출력에 연결된다(즉, 직류 부하 뱅크(140)는, 연료 전지 어셈블리(105)와 연료 전지 인버터(110)의 연결과 병렬로, 연료 전지 조립체(105)에 연결된다). 대안적인 실시 예에서, 상이한 버스 라인들이 상기 연료 전지 어셈블리(105)를 직류 부하 뱅크(140) 및 상기 연료 전지 인버터(110)에 연결하는데 사용될 수 있다. 그 이름이 암시 하듯이, 직류 부하 뱅크(140)는 하나 이상의 직류 전류 부하들을 포함한다. 이러한 직류 전류 부하들은 연료 전지 인버터(110)가 트립 오프되거나(tripped off) 오작동하는 경우에 연료 전지 어셈블리(105)로부터 직접 직류 전력을 드로잉(drawing)할 수 있다. 그 결과, 연료 전지 어셈블리(105) 상의 부하 순환 및 관련 열-기계적 스트레스가 회피된다.
직류 부하 뱅크(140)는 당업자에게 알려진 임의의 직류 부하(들)를 포함 할 수 있다. 예를 들어, 직류 부하 뱅크(140)는 가변 주파수 모터 드라이브(Variable Frequency motor drives), 직류 조명, 수소 전기 분해 장치, 데이터 센터 서버 등과 같은 연료 전지 어셈블리(105)에 의해 생성된 직류 전력을 이용하는 실제적인 부하들을 포함할 수 있다. 대안적으로, 직류 부하 뱅크(140)는 연료 전지 어셈블리(105)에 의해 생성 된 직류 전력을 소산하도록 구성되어, 연료 전지 어셈블리(105)가 연료 전지 인버터(110)가 다시 한번 동작 가능하고 직류 전력을 수신할 수 있을 때까지 계속 작동할 수 있다. 이용 가능한 열(heat) 부하가 있는 일 실시 예에서, 직류 부하 뱅크(140)는 연료 전지 어셈블리(105)로부터 소산된(dissipated) 에너지를 회수(recover)하도록 구성된 가변 전기 히터일 수 있다.
다른 실시 예에서, 백업 어플리케이션에 중요한 부하들이 있는 경우, 직류 부하 뱅크(140)는 또한 전기 그리드(125)로부터의 전력이 이용 가능하지 않을 때 부하를 따르는 동안 일정한 전력으로 연료 전지 스택을 유지하는데 사용될 수 있다. 추가적으로, 다중 인버터들이 있는 다중 연료 전지 시스템의 경우 각 인버터가 개별 스택 전류 제어의 기능을 동일하게 유지하기 위해 직류 부하 뱅크가 구현될 수 있다. 대안으로, 다수의 인버터들을 갖는 연료 전지 시스템은 개별 스택 전류 제어가 요구되지 않는다면 모든 연료 전지 스택에 사용될 수 있는 공통의 부하 뱅크를 이용할 수 있다. 이와 같은 공통 부하 뱅크 시스템은 연료 전지 어셈블리의 각 스택과 관련된 개별 직류 부하 뱅크를 갖는 것보다 비용 효율적이다.
제어기(135)는 적어도 프로세서, 메모리, 송수신기, 및 인터페이스를 포함하는 컴퓨터화된(computerized) 제어기일 수 있다. 일 실시 예에서, 제어기(135)의 메모리는 그 안에 저장된 컴퓨터-판독 가능 명령들을 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 명령들은 프로세서에 의해 실행되어 여기에 설명된 임의의 동작들을 수행할 수 있다. 제어기는 원하는 전류 설정 값(setpoint)과 비교될 센서로부터 연료 전지 스택 출력 전류를 나타내는 신호를 수신한다. 차이는 제어기가 직류 부하 뱅크에 보낼 전류 수요 신호를 계산하는 비례+적분(proportional+integral, PI) 제어 알고리즘에 입력된다. 따라서 PI 제어 알고리즘은 원하는 설정 값에서 연료 전지 스택 전류 출력을 유지하는 데 필요한 만큼 직류 부하를 조정한다. 송수신기는 제어기가 기생 부하들(130), 연료 전지 인버터(110) 및 직류 부하 뱅크(140)와 같은 다른 시스템 구성 요소들과 통신하게 한다. 인터페이스는 사용자가 명령을 입력하고, 유닛을 프로그램하고, 상태 및 다른 정보를 보는 등의 제어기(135)와의 상호 작용을 가능하게 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제어기(135)는 연료 전지 인버터(110), 기생 부하들(130) 및 직류 부하 뱅크(140)와 통신한다. 제어기(135)는 연료 전지 인버터(110)를 모니터링하고 제어하도록 구성된다. 어떤 이유로든 인버터(110)가 트립되는 경우, 제어기(135)는 연료 전지 어셈블리(105)로부터의 직류 전력이 직류 부하 뱅크(140)에 의해 대신 수신되도록 보장한다. 예시적인 실시 예에서, 제어기(135)는 또한 존재하는 부하의 양이 더 이상 연료 전지 인버터(110)에 의해 드로잉되지 않는 부하의 양과 동일하도록(또는 실질적으로 동등한) 직류 부하 뱅크(140)를 제어할 수 있다. 제어기(135)는 또한 기생 부하들(130)을 모니터링하고 제어하도록 구성된다. 일 실시 예에서, 인버터 트립의 경우에, 소형 인버터는 연료 전지 어셈블리(105)로부터 직류 전력의 전부 또는 일부를 수신하고, 직류 전력을 교류 전력으로 반전시키고, 기생 부하들(130)에 교류 전력을 제공하는데 사용될 수 있다. 결과적으로, 기생 부하들(130)은 연료 전지 인버터(110)가 트립 오프되는 경우에 전력을 계속 수신할 수 있다.
도 2는 예시적인 실시 예에 따른 연료 전지 시스템에서의 부하 레벨링을 위한 동작을 나타내는 흐름도이다. 대안적인 실시 예에서, 더 적은, 추가 및/또는 상이한 동작들이 수행될 수 있다. 또한, 흐름도 사용은 수행된 동작의 순서와 관련하여 제한하려는 것이 아니다. 동작(200)에서, 연료 전지 인버터가 모니터링된다. 연료 전지 인버터는 구현 예에 따라 도 1을 참조하여 논의된 연료 전지 인버터(110) 또는 임의의 다른 연료 전지 인버터일 수 있다. 인버터에 의해 드로잉된(drawn) 부하의 부분적 또는 완전한 감소를 검출하는데 사용되는 모니터링은, 제어기(135)와 같은, 제어기에 의해 수행될 수 있다.
동작(205)에서, 시스템은 연료 전지 인버터가 감소된 부하를 드로잉하고 있음을 식별한다. 식별은 제어기에 의해 이루어질 수 있다. 감소된 부하는 부분적으로 감소된 부하 또는 전기 그리드 장애, 인버터 오작동 등으로 인한 0(제로) 부하 조건일 수 있다. 동작(210)에서, 시스템은 연료 전지 어셈블리 의해 생성된 직류 전력을 연료 전지 인버터로부터 직류 부하 뱅크로 전환시킨다(divert). 직류 전원의 그러한 전환은 인버터에 의해 드로잉된 감소된 부하의 식별에 응답하고, 연료 전지 조립체의 부하 순환을 방지하는데 사용된다. 예시적인 실시 예에서, 직류 부하 뱅크는 연료 전지 인버터와 병렬로 연료 전지 어셈블리에 연결될 수 있다. 적어도 일부 실시 예에서, 전환은 제어기(135)와 같은 제어기에 의해 적어도 부분적으로 수행될 수 있다.
동작(215)에서, 인버터가 다시 작동하는지 여부에 관한 결정이 이루어진다. 제어기에 의해 결정될 수 있는 결정은 직류 전력을 직류 부하 뱅크로 전환한 후 연료 전지 인버터의 지속적인 모니터링을 기반으로 할 수 있다. 동작(215)에서 인버터가 여전히 작동하지 않는다고 결정되면, 연료 전지 어셈블리에 의해 생성된 직류 전력은 계속해서 연료 전지 뱅크로 전환된다. 동작(215)에서 인버터가 다시 작동하는 것으로 결정되면, 정상 동작이 시작될 수 있도록 연료 전지 어셈블리에 의해 생성된 직류 전력은 동작(220)에서 인버터로 전환된다. 직류 전력의 연료 전지 인버터로의 그러한 전환은 또한 제어기에 의해 수행될 수 있다. 그 다음, 시스템은 동작(200)에서 연료 전지 인버터를 계속 모니터링한다.
예시적인 실시 예들에 대한 상기 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 개시된 정확한 형태와 관련하여 철저히 하거나 또는 제한하려는 것은 아니며, 상기 교시에 비추어 가능한 수정 및 변형이 가능하거나 또는 개시된 실시 예의 실행으로부터 얻어질 수 있다. 본 발명의 범위는 첨부 된 특허 청구 범위 및 그 균등물에 의해 정해져 야 한다.

Claims (20)

  1. 부하 레벨링 시스템에 있어서,
    연료 전지 어셈블리에 의해 생성된 직류 전력을 수신하기 위한 연료 전지 인버터;
    상기 연료 전지 어셈블리에 상기 연료 전지 인버터와 병렬로 연결된 직류 부하 뱅크; 및
    상기 연료 전지 인버터 및 상기 직류 부하 뱅크와 통신하는 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 연료 전지 인버터에 의해 드로잉되는 부하의 감소를 식별하고;
    상기 부하의 감소의 식별에 응답하여, 상기 연료 전지 어셈블리에 의해 생성된 상기 직류 전력을 상기 연료 전지 인버터로부터 상기 직류 부하 뱅크로 전환하여 상기 연료 전지 어셈블리의 부하 순환을 방지하고;
    상기 직류 전력을 상기 연료 전지 인버터로부터 상기 직류 부하 뱅크로 전환한 후 상기 연료 전지 인버터의 부하 조건을 모니터링하고;
    모니터링된 상기 부하 조건에 기초하여, 상기 연료 전지 인버터가 다시 동작하는 것을 결정하고; 그리고
    상기 연료 전지 인버터가 다시 동작하는 것의 결정을 기초로, 상기 직류 전력을 상기 직류 부하 뱅크로부터 상기 연료 전지 인버터로 역 전환하도록 구성되는, 부하 레벨링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 전지 어셈블리는 용융된 탄산염 연료 전지 어셈블리를 포함하는, 부하 레벨링 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 전지 어셈블리는 하나 이상의 연료 전지 스택을 포함하는, 부하 레벨링 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 전지 인버터는 복수의 인버터들을 포함하고, 상기 직류 부하 뱅크는 직류 전력이 상기 복수의 인버터들로부터 전환되는 단일 직류 부하 뱅크인, 부하 레벨링 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 수신된 전압을 상승(step up)하기 위한 출력 트랜스포머를 더 포함하고, 상기 연료 전지 인버터는 상기 연료 전지 어셈블리에 의해 생성된 상기 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 상기 교류 전력을 상기 출력 트랜스포머에 공급하도록 구성되는, 부하 레벨링 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 출력 트랜스포머에 연결된 출력 차단기를 더 포함하고, 상기 출력 차단기는 상기 부하 레벨링 시스템을 전기 그리드로부터 선택적으로 차단하도록 구성되는, 부하 레벨링 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 출력 트랜스포머의 출력에 연결된 하나 이상의 기생 부하들을 더 포함하고, 상기 제어기는 상기 부하의 상기 감소의 상기 식별에 응답하여 상기 연료 전지 어셈블리에 의해 생성된 전력의 적어도 일부를 상기 연료 전지 인버터로부터 상기 하나 이상의 기생 부하들로 전환되도록 상기 기생 부하들을 모니터링하고 제어하도록 구성되는, 부하 레벨링 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 직류 부하 뱅크는 하나 이상의 직류 부하들을 포함하고, 상기 하나 이상의 직류 부하들은 가변 주파수 모터 드라이브, 직류 조명, 수소 전해 장치, 데이터 센터 서버, 또는 가변 전기 히터 중 하나 이상을 포함하는, 부하 레벨링 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제어기는 프로세서, 메모리, 송수신기, 및 인터페이스를 포함하고, 상기 제어기는,
    상기 연료 전지 어셈블리의 출력 전류를 나타내는 신호를 센서로부터 수신하고;
    상기 출력 전류를 나타내는 상기 신호를 원하는 전류 설정 값과 비교하고; 및
    상기 출력 전류를 나타내는 상기 신호와 상기 원하는 전류 설정 값 사이의 차이를 기초로 상기 직류 부하 뱅크의 부하를 조절하도록 더 구성되는, 부하 레벨링 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제어기는 상기 연료 전지 인버터를 정상 동작으로 복귀시키도록 더 구성되고, 정상 동작 동안 상기 연료 전지 인버터는 상기 연료 전지 어셈블리에 의해 생성된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고 전기 그리드 상에 상기 교류 전력을 전송하기 위해 상기 교류 전력을 출력 트랜스포머에 공급하는, 부하 레벨링 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제어기는 상기 직류 전력을 상기 연료 전지 인버터로부터 상기 직류 부하 뱅크로 전환하기 전에 상기 연료 전지 인버터의 상태를 모니터링하도록 더 구성되는, 부하 레벨링 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 연료 전지 인버터가 트립 오프(tripped off)되었다는 상기 제어기의 결정에 응답하여, 상기 연료 전지 어셈블리에 의해 생성된 직류 전력을 상기 연료 전지 인버터로부터 상기 직류 부하 뱅크로 전환하도록 더 구성되는, 부하 레벨링 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 직류 부하 뱅크로 전송되는(routed) 직류 전력의 양은 상기 연료 전지 인버터가 트립 오프되기 전에 상기 연료 전지 인버터에 의해 드로잉된 부하의 양과 동일한, 부하 레벨링 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 제어기는 상기 직류 전력을 상기 직류 부하 뱅크로부터 상기 연료 전지 인버터로 역 전환한 후 상기 연료 전지 인버터를 지속적으로 모니터링하도록 구성되는, 부하 레벨링 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 부하 레벨링 시스템은 전기 그리드에 연결되고, 상기 연료 전지 어셈블리에 의해 생성된 상기 직류 전력을 상기 연료 전지 인버터로부터 상기 직류 부하 뱅크로 전환하는 것은 전기 그리드로부터의 전력이 이용 가능하지 않은 동안 상기 연료 전지 어셈블리를 접촉 전력(contact power)으로 유지하는, 부하 레벨링 시스템.
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