KR102237506B1 - 연료 전지를 갖는 발전 시스템을 동작시키기 위한 방법 및 제어 서브시스템 - Google Patents

연료 전지를 갖는 발전 시스템을 동작시키기 위한 방법 및 제어 서브시스템 Download PDF

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제네럴 일렉트릭 컴퍼니
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Abstract

연료 전지를 포함하는 발전(power generation) 시스템을 동작시키기 위한 방법이 제공된다. 본 방법은 연료 전지의 물 부족 상태(water deficient condition)를 검출하는 단계를 포함한다. 본 방법은 연료 전지의 물 부족 상태를 검출한 것에 응답하여, 연료 전지 내에서의 증기-탄소비(steam-carbon ratio)가 임계 증기-탄소비 값 위에서 유지되도록 연료 전지에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 발전 시스템의 적어도 하나의 보조 부하를 동작시키는 단계를 더 포함한다. 발전 시스템을 동작시키기 위한 제어 서브시스템이 또한 제공된다. 또한, 연료 전지, 적어도 하나의 보조 부하, 및 제어 서브시스템을 포함하는 발전 시스템이 제공된다.

Description

연료 전지를 갖는 발전 시스템을 동작시키기 위한 방법 및 제어 서브시스템{METHOD AND CONTROL SUB-SYSTEM FOR OPERATING A POWER GENERATION SYSTEM HAVING A FUEL-CELL}
본 명세서의 실시예는 발전(power generation) 시스템에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 연료 전지 내에서의 증기-탄소비(steam-carbon ratio)가 임계 증기-탄소비 값 위에서 유지되도록 발전 시스템을 동작시키기 위한 방법 및 제어 서브시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 석탄 및/또는 디젤 기반 발전 시스템과 비교하여 더 높은 효율성과 더 낮은 오염의 관점에서 잠재력을 입증한 전기화학적 에너지 변환 디바이스이다. 통상적인 유형의 연료 전지는 고분자 전해질막 연료 전지, 직접 메탄올 연료 전지, 알칼라인 연료 전지, 인산 연료 전지, 용융 탄산염 연료 전지, 및 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel-cell; SOFC)를 포함한다. 고체 산화물 연료 전지(SOFC)와 같은 연료 전지는 산업계와 지방자치단체의 요구를 충족시키기 위해 대규모 발전 시스템에서 동작할 수 있다. 연료 전지는 일반적으로 애노드, 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 전해질을 포함한다. 일반적으로, 연료 전지는 애노드에 수용된 수소 및 증기(steam)와 캐소드에 수용된 산소/공기 간의 화학 반응에 기초하여 전력을 생성한다.
연료 전지를 사용하는 종래의 발전 시스템에서, 연료 전지의 애노드는 애노드 상에서의 탄소의 퇴적으로 인해 손상되고 열화될 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 동작 중에, 연료 전지는 물 또는 증기를 배출물로서 생성한다. 연료 전지에 의해 생성된 물 또는 증기의 양은 연료 전지에 의해 생성된 전류의 양에 비례한다. 더욱이, 종래의 발전 시스템에서는, 비제한적인 예시로서, 발전 시스템으로부터의 외부 부하의 손실 또는 단절, 발전 시스템의 조기 셧다운, 발전 시스템의 예정된 셧다운, 또는 발전 시스템의 하나 이상의 내부 컴포넌트의 이상(abnormality)을 비롯한 특정한 상황들에서, 연료 전지에 의해 생성된 전류는 감소한다. 결과적으로, 연료 전지에 의해 생성되는 물 또는 증기의 양도 감소할 수 있다. 따라서, 이러한 경우에, 연료 전지에 의해 생성된 물 또는 증기가 일정량 아래로 감소하면, 연료 전지의 애노드에 퇴적된 탄소의 양이 증가하여 애노드의 열화를 야기시킨다. 이러한 애노드의 열화는 연료 전지의 수명을 감소시키고 종래의 발전 시스템의 효율성을 감소시킨다.
본 명세서의 양태들에 따르면, 연료 전지를 포함하는 발전 시스템을 동작시키기 위한 방법이 제공된다. 본 방법은 연료 전지의 물 부족 상태(water deficient condition)를 검출하는 단계를 포함한다. 본 방법은 연료 전지의 물 부족 상태를 검출한 것에 응답하여, 연료 전지 내에서의 증기-탄소비가 임계 증기-탄소비 값 위에서 유지되도록 연료 전지에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 발전 시스템의 적어도 하나의 보조 부하를 동작시키는 단계를 더 포함한다.
본 명세서의 다른 양태에 따르면, 연료 전지 및 적어도 하나의 보조 부하를 포함하는 발전 시스템을 동작시키기 위한 제어 서브시스템이 제공된다. 제어 서브시스템은, 연료 전지에 결합되고 연료 전지에 의해 생성된 전류를 나타내는 전기 신호를 생성하도록 구성된 센서를 포함한다. 제어 서브시스템은 연료 전지와 적어도 하나의 보조 부하 사이에 결합된 하나 이상의 스위치를 더 포함한다. 또한, 제어 서브시스템은 센서 및 하나 이상의 스위치에 동작가능하게 결합된 제어기를 포함한다. 제어기는 센서에 의해 생성된 전기 신호에 기초하여 연료 전지의 물 부족 상태를 검출하도록 구성된다. 제어기는 또한, 물 부족 상태가 검출되는 경우, 연료 전지 내에서의 증기-탄소비가 임계 증기-탄소비 값 위에서 유지되도록 연료 전지에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 발전 시스템의 적어도 하나의 보조 부하를 동작시키도록 구성된다.
본 명세서의 또 다른 양태에 따르면, 발전 시스템이 제공된다. 발전 시스템은 연료 전지, 적어도 하나의 보조 부하, 및 연료 전지와 적어도 하나의 보조 부하에 동작가능하게 결합된 제어 서브시스템을 포함한다. 제어 서브시스템은, 연료 전지에 결합되고 연료 전지에 의해 생성된 전류를 나타내는 전기 신호를 생성하도록 구성된 센서를 포함한다. 제어 서브시스템은 연료 전지와 적어도 하나의 보조 부하 사이에 결합된 하나 이상의 스위치를 더 포함한다. 또한, 제어 서브시스템은 센서 및 하나 이상의 스위치에 동작가능하게 결합된 제어기를 포함한다. 제어기는 센서에 의해 생성된 전기 신호에 기초하여 연료 전지의 물 부족 상태를 검출하도록 구성된다. 제어기는 또한, 물 부족 상태가 검출되는 경우, 연료 전지 내에서의 증기-탄소비가 임계 증기-탄소비 값 위에서 유지되도록 연료 전지에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 발전 시스템의 적어도 하나의 보조 부하를 동작시키도록 구성된다.
본 명세서의 이러한 그리고 다른 특징들, 양태들, 및 장점들은 첨부 도면들을 참조하여 이하의 상세한 설명이 읽혀질 때 보다 잘 이해될 것이며, 첨부 도면들에서 동일 문자들은 도면에 걸쳐 동일한 부분들을 나타낸다:
도 1은 본 명세서의 양태에 따른 발전 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 명세서의 다른 양태에 따른 발전 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 명세서의 또다른 양태에 따른 발전 시스템의 블록도이다.
도 4는 본 명세서의 양태에 따른, 도 1 내지 도 3의 시스템 중 임의의 시스템의 발전 시스템을 동작시키기 위한 방법의 흐름도이다.
도 5는 본 명세서의 양태에 따른, 도 1 내지 도 3의 시스템 중 임의의 시스템에서 사용되는 연료 전지의 물 부족 상태를 검출하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 6은 본 명세서의 양태에 따른, 도 2와 도 3의 시스템 중 임의의 시스템의 발전 시스템을 동작시키기 위한 방법의 흐름도이다.
도 7은 본 명세서의 양태에 따른, 도 2의 발전 시스템에서 사용된 증기 보일러에 의해 생성된 증기의 유량 및 연료 전지에 의해 생성된 전류를 도시한 그래프 표현이다.
본 명세서에서 사용된 기술적 및 과학적 용어들은, 달리 정의되지 않는 한, 본 명세서가 속한 분야의 당업자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 아래의 상세한 설명 및 청구범위에서, 단수형 표현들은 문맥에서 달리 명시적으로 표현되지 않은 한 복수 언급을 포함한다. 본원에서 사용되는 "또는"의 용어는 문맥에서 달리 명시적으로 표현되지 않는 한 배타적인 것을 의미하지 않으며, 언급된 컴포넌트들 중 적어도 하나가 존재한다는 것을 가리키며, 언급된 컴포넌트들의 조합이 존재할 수 있는 경우를 포함한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "~ 수 있다" 및 "~ 할 수 있다"의 용어들은 일련의 환경 내에서 발생할 가능성; 특정 재산, 특성 또는 기능의 보유를 나타낼 수 있고; 및/또는 자격부여 동사와 관련된 재능, 능력 또는 가능성 중 하나 이상을 표현함으로써 다른 동사의 자격을 부여할 수 있다. 따라서, "~ 수 있다" 및 "~ 할 수 있다"의 사용은 수정된 용어가 일부 환경에서 때때로 적절하고, 가능하며, 적합하지 않을 수 있다는 것을 고려하면서, 명시된 능력, 기능 또는 사용에 명백하게 적합하거나 가능하거나 적절한 것을 나타낸다.
본 명세서에서 사용된 용어 "유체"는 비제한적인 예시로서, 가스, 액체, 또는 이들의 조합을 비롯하여, 유동적인 임의의 매질 또는 물질을 포함한다는 것을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어 "유체적으로 결합된다"는 하나의 컴포넌트로부터 다른 컴포넌트로 또는 그 반대로 유체의 유동을 용이하게 하는 두 개의 컴포넌트들 간의 배치 또는 연결을 가리킨다.
도 1은 본 명세서의 양태에 따른 발전 시스템(100)의 블록도이다. 도 1의 발전 시스템(100)은 연료 전지(102), 제어 서브시스템(104), 및 보조 부하(106)와 같은 적어도 하나의 보조 부하를 포함한다. 제어 서브시스템(104)은 스위치(110)와 같은 하나 이상의 스위치, 센서(112)와 같은 하나 이상의 센서, 및 제어기(114)를 포함할 수 있다. 또한, 외부 부하(108)가 또한 발전 시스템(100)에 전기적으로 결합될 수 있다.
동작 중에, 발전 시스템(100)은 전력을 발생시키고 전력을 외부 부하(108)에 공급한다. 외부 부하(108)는 발전 시스템(100)으로부터 공급되는 전력을 통해 동작될 수 있다. 외부 부하(108)는 전기/전력을 소비하는 하나 이상의 전기 디바이스, 기기, 및/또는 장치를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 외부 부하(108)는 비제한적인 예시로서, 마이크로그리드 또는 유틸리티 전기 그리드를 비롯한 전기 그리드일 수 있다.
연료 전지(102)는 일반적으로 애노드(도 1에서는 미도시됨), 캐소드(도 1에서는 미도시됨), 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 전해질(도 1에서는 미도시됨)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 연료 전지(102)는 애노드에 수용된 수소 및 증기와 캐소드에 수용된 산소/공기 간의 화학 반응에 기초하여 전력을 생성할 수 있다. 연료 전지(102)의 비제한적인 예시들은 고분자 전해질막 연료 전지, 직접 메탄올 연료 전지, 알칼라인 연료 전지, 인산 연료 전지, 용융 탄산염 연료 전지, SOFC, 또는 가역 연료 전지를 포함할 수 있다. 연료 전지(102)는 도 2와 관련하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
보조 부하(106)는 발전 시스템(100)의 하나 이상의 내부 전기 부하를 나타낼 수 있다. 특정 실시예에서, 보조 부하(106)는 연료 전지(102)에 의한 전력의 생성을 돕는다. 보조 부하(106)는 증기 보일러, 공기 블로워(blower), 연료 블로워, 연료 유동 조절기, 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다(도 2 참조). 일부 실시예에서, 보조 부하(106)는 유틸리티 전기 그리드 또는 로컬 에너지 저장 디바이스(도시되지 않음)와 같은 외부 전기 공급원을 통해 동작될 수 있다. 특정 실시예에서, 보조 부하(106)는 또한 커패시터 뱅크, 에너지 저장 디바이스, 펌프, 환기 블로워, 전해조(electrolyzer), 하나 이상의 저항기, 또는 이들의 조합과 같은 애드 온(add-on) 또는 더미 부하를 포함할 수 있다. 보조 부하(106)는 제어 서브시스템(104)을 통해 연료 전지(102)에 전기적으로 연결될 수 있다.
연료 전지를 사용하는 종래의 발전 시스템에서, 연료 전지의 애노드는 애노드 상에서의 탄소의 퇴적으로 인해 손상되고 열화될 수 있다. 특히, 동작 중인 연료 전지는 물 또는 증기를 배출물로서 생성시킨다. 연료 전지에 의해 생성된 물 또는 증기의 양은 연료 전지에 의해 생성된 전류의 양에 비례한다. 비제한적인 예시로서, 발전 시스템으로부터의 외부 부하의 손실 또는 단절, 발전 시스템의 조기 셧다운, 발전 시스템의 예정된 셧다운, 또는 발전 시스템의 하나 이상의 내부 컴포넌트의 이상을 비롯한 특정한 상황들에서는 연료 전지에 의해 생성된 전류의 감소를 야기시킬 수 있다. 결과적으로, 연료 전지에 의해 생성되는 물 또는 증기의 양도 감소할 수 있다. 따라서, 이러한 경우에, 연료 전지에 의해 생성된 물 또는 증기의 양이 결정된 양보다 낮으면, 연료 전지의 애노드에 퇴적된 탄소의 양이 또한 증가한다. 이러한 상황은 애노드의 추가적인 열화를 야기시킬 수 있으며, 이는 종래의 발전 시스템의 효율성의 감소로 이어질 수 있다.
애노드의 열화를 최소화 또는 회피하고 연료 전지(102)의 효율성을 향상시키기 위해, 도 1의 발전 시스템(100)은 제어 서브시스템(104)을 포함한다. 본 명세서의 양태에 따르면, 제어 서브시스템(104)은 연료 전지(102)에 의해 생성된 탄소의 양에 대한 증기의 양의 비율이 임계 증기-탄소비 값 위에서 유지되도록 발전 시스템(100)을 동작시키도록 구성된다. 연료 전지(102)에 의해 생성된 탄소의 양에 대한 증기의 양의 비율을 증기-탄소비(steam-carbon ratio)라고 칭할 수 있음을 유의할 수 있다. 비제한적인 예시에서, 임계 증기-탄소비는 2.5의 값을 가질 수 있다. 다른 비제한적인 예시에서, 임계 증기-탄소비는 3의 값을 가질 수 있다. 또다른 비제한적인 예시에서, 임계 증기-탄소비는 약 2.5 내지 약 3의 범위의 값을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 임계 증기-탄소비 값은 제어기(114) 내부에 배치되거나 또는 제어기(114)에 결합된 메모리 디바이스(도시되지 않음)에 저장될 수 있다. 또한, 특정 실시예에서, 임계 증기-탄소비 값은 발전 시스템(100)의 운영자에 의해 커스터마이징(customizable)될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제어 서브시스템(104)은 스위치(110), 센서(112), 및 제어기(114)를 포함한다. 스위치(110)는 연료 전지(102)와 보조 부하(106) 사이에 전기적으로 결합된다. 보다 구체적으로, 스위치(110)는 연료 전지(102)의 출력 전력 포트(116)와 보조 부하(106) 사이에 전기적으로 결합된다. 일부 실시예에서, 도 1에서 도시된 바와 같이, 센서(112)는 연료 전지(102)의 출력 전력 포트(116)와 스위치(110) 사이의 전기 경로 상에 배치될 수 있다. 스위치(110)는 제어기(114)에 의해 도통 상태 또는 비 도통 상태에서 선택적으로 동작될 수 있다. 스위치(110)는, 도통 상태에서 동작될 때, 전류가 스위치(110)를 흐를 수 있게 한다. 그러나, 스위치(110)는, 비 도통 상태에서 동작할 때에는, 전류가 스위치(110)를 흐르는 것을 차단한다. 스위치(110)는 반도체 스위치와 같은 전기적으로 제어가능한 스위치일 수 있다. 반도체 스위치의 비제한적 예시는 트랜지스터, 게이트 정류 사이리스터, 전계 효과 트랜지스터(FET), 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 게이트 턴 오프 사이리스터(GTO), 정적 유도 트랜지스터, 정적 유도 사이리스터, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 반도체 스위치를 형성하는데 사용되는 물질은, 비제한적인 예시로서, 실리콘(Si), 실리콘 탄화물(SiC), 갈륨 질화물(GaN), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 단일 스위치(110)를 갖는 제어 서브시스템(104)이 도 1에서 도시되어 있지만, 하나보다 많은 스위치의 사용이 또한 본 명세서의 범위 내에서 구상가능하다(도 2 및 도 3 참조).
센서(112)는 연료 전지(102)에 결합될 수 있고 연료 전지(102)에 의해 생성된 전류를 나타내는 전기 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 비제한적인 예시에서, 센서(112)는 전류 센서일 수 있다. 일부 실시예에서, 센서(112)는 연료 전지(102)의 출력 전력 포트(116)에 직접 결합될 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 센서(112)는 직류(DC) 링크(도 2 참조)에 결합될 수 있다. DC 링크는 이어서 연료 전지(102)의 출력 전력 포트(116)에 결합된다. 연료 전지(102)에 의해 생성된 전류는 DC 링크를 흐른다. 따라서, 특정 실시예에서, 센서(112)에 의해 생성된 전기 신호는 DC 링크를 흐르는 DC 전류를 나타낸다.
또한, 도 1에서 도시된 바와 같이, 제어기(114)는 센서(112) 및 스위치(110)에 동작가능하게 결합된다. 제어기(114)는 특수 프로그래밍된 범용 컴퓨터, 마이크로프로세서와 같은 전자 프로세서, 디지털 신호 프로세서, 및/또는 마이크로제어기를 포함할 수 있다. 또한, 제어기(114)는 입력/출력 포트, 및 전자 메모리와 같은 저장 매체를 포함할 수 있다. 마이크로프로세서의 다양한 예시들은, 비제한적인 예시로서, RISC(reduced instruction set computing) 아키텍처 유형 마이크로프로세서 또는 CISC(complex instruction set computing) 아키텍처 유형 마이크로프로세서를 포함한다. 마이크로프로세서는 단일 코어 유형 또는 멀티 코어 유형일 수 있다. 대안적으로, 제어기(114)는 프로세서를 갖는 회로 보드와 같은 하드웨어 엘리먼트 또는 개인 컴퓨터(PC) 또는 마이크로제어기와 같은 프로세서 상에서 실행되는 소프트웨어로서 구현될 수 있다.
발전 시스템(100)의 동작 중에, 연료 전지(102)는 전류를 생성한다. 센서(112)는 연료 전지(102)에 의해 생성된 전류를 나타내는 전기 신호를 생성한다. 또한, 제어기(114)는 센서(112)로부터 전기 신호를 수신하도록 구성된다.
어떤 상황에서는 연료 전지(102)가 물 부족 상태를 경험할 수 있음을 유의할 수 있다. 연료 전지(102)의 물 부족 상태는 연료 전지(102) 내에서의 증기-탄소비가 임계 증기-탄소비 값보다 낮을 때의 연료 전지(102)의 상태를 가리킨다. 연료 전지(102)의 물 부족 상태는 발전 시스템(100)으로부터의 외부 부하(108)의 손실 또는 단절, 발전 시스템(100)의 조기 셧다운, 발전 시스템(100)의 예정된 셧다운, 또는 발전 시스템(100)의 하나 이상의 내부 컴포넌트의 이상 중 하나 이상으로 인해 야기될 수 있다. 물 부족 상태에서, 연료 전지(102) 내에서의 증기-탄소비는 임계 증기-탄소비 값보다 낮은 값으로 떨어진다. 본 명세서의 양태에 따르면, 제어기(114)는 센서(112)로부터 수신된 전기 신호 및 미리 정의된 전류 임계 값에 기초하여 연료 전지(102)의 물 부족 상태를 검출하도록 구성된다. 연료 전지(102)의 물 부족 상태를 검출하기 위해 제어기(114)에 의해 수행되는 단계들의 세부사항은 도 5와 관련하여 설명될 것이다.
연료 전지(102)의 물 부족 상태가 검출되면, 제어기(114)는 연료 전지(102)에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 발전 시스템(100)의 보조 부하(106)를 동작시키도록 구성된다. 특히, 제어기(114)는 연료 전지(102)에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 보조 부하(106)를 동작시키기 위해 스위치(110)를 도통 상태에서 동작시키도록 구성된다. 일 실시예에서, 제어기(114)는 제어 신호를 스위치(110)에 전달함으로써 스위치(110)를 도통 상태에서 동작시킬 수 있다. 스위치(110)는, 도통 상태에서 동작될 때, 보조 부하(106)를 연료 전지(102)와 전기적으로 연결시킨다.
또한, 제어기(114)는 연료 전지(102)에 의해 생성된 전류를 통해 보조 부하(106)를 동작시켜서 연료 전지(102) 내에서의 증기-탄소비를 임계 증기-탄소비 값 위로 유지하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 스위치(110)가 도통 상태에서 동작하여 보조 부하(106)를 연료 전지(102)와 연결시키는 경우, 보조 부하(106)는 연료 전지(102)로부터 전류를 인출(draw)시킨다. 이어서 보조 부하(106)에 의해 인출된 전류는, 스위치(110)를 도통 상태에서 동작시키기 전에 생성된 전류와 비교하여, 연료 전지(102)가 더 많은 전류를 생성하게 한다. 연료 전지(102)에 의해 생성되는 전류의 양이 증가함에 따라, 연료 전지에 의해 생성되는 물의 양도 증가하여 연료 전지(102) 내에서의 증기-탄소비의 증가를 야기시킨다. 바람직하게는, 연료 전지(102) 내에서의 증기-탄소비가 임계 증기-탄소비 값 위에 있을 때 연료 전지(102)를 동작시키는 것은 연료 전지(102)의 수명 및 효율성을 향상시킨다. 제어기(114)는 도 4 내지 도 6을 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다.
도 2는 본 명세서의 다른 양태에 따른 발전 시스템(200)의 블록도이다. 발전 시스템(200)은 도 1의 발전 시스템(100)의 일 실시예를 나타낼 수 있다. 일부 실시예에서, 발전 시스템(200)은 증기 보일러(206), 공기 블로워(208), 연료 블로워(210), 애드 온 부하(214), 또는 이들의 조합과 같은 적어도 하나의 보조 부하, 연료 전지(202), 및 제어 서브시스템(204) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 발전 시스템(200)은 또한 연료 공급원(216), 연료 유동 조절기(218), 연료 개질기(220), 물 공급원(222), 인버터(224), 직류(DC) 링크(226), 교류(AC) 링크(228), 연료 배출부(230), 공기 배출부(232), 및 물 배출부(234)를 포함할 수 있다. 제어 서브시스템(204)은 스위치(236, 238, 240, 241)와 같은 하나 이상의 스위치, 센서(242), 및 제어기(244)를 포함할 수 있다.
연료 공급원(216)은 도관(246)을 통해 연료 유동 조절기(218)에 유체 결합된다. 또한, 연료 유동 조절기(218)는 도관(248)을 통해 연료 개질기(220)에 유체 결합된다. 또한, 연료 개질기(220)는 도관(250)을 통해 연료 블로워(210)에 유체 결합되고, 도관(256)을 통해 연료 배출부(230)에 유체 결합된다. 또한, 연료 블로워(210)는 도관(252)을 통해 연료 전지(202)에 유체 결합된다. 추가적으로, 물 공급원(222)은 도관(258)을 통해 증기 보일러(206)에 유체 결합된다. 또한, 증기 보일러(206)는 도관(254)을 통해 연료 개질기(220)에 유체 결합되고, 도관(260)을 통해 연료 전지(202)에 유체 결합된다. 또한, 공기 블로워(208)는 도관(262)을 통해 연료 전지(202)에 유체 결합된다. 연료 전지(202)는 또한 도관들(264, 266)을 통해 공기 배출부(232)와 물 배출부(234)에 각각 유체 결합된다. 도관들(246~266)을 따른 화살표는 도관들에 흐르는 유체의 흐름의 방향을 나타낸다.
또한, 연료 공급원(216)은 외부 공급원으로부터 연료를 수용하고 발전 시스템(200)에서 사용하기 위한 연료를 공급하는 연료의 저장소, 탱크, 또는 파이프라인을 나타낼 수 있다. 연료는 탄화수소 가스를 포함할 수 있다. 비제한적인 예시에서, 탄화수소 가스는 천연 가스를 포함한다. 비제한적인 예시로서, 임의의 가스 또는 액체를 비롯한 다른 연료들이 또한 본 명세서의 범위를 제한시키지 않고서 연료 스트림에서 사용될 수 있다. 다른 연료의 비제한적인 예시들은 메탄, 에탄, 프로판, 바이오 가스, 합성 가스, 디젤, 케로센, 가솔린, 제트 추진제 8(JP-8)과 같은 제트 연료, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
또한, 연료 유동 조절기(218)는 연료 공급원(216)으로부터 연료를 수용하고 제어 서브시스템(204)의 제어 하에서 연료 개질기(220)에 공급되는 연료의 유량을 조절하도록 구성될 수 있다. 연료 개질기(220)는 연료 유동 조절기(218)로부터 수용된 연료와 증기 보일러(206)로부터 수용된 증기 간의 화학 반응을 용이하게 한다. 화학 반응의 결과로서, 연료 개질기(220)는 수소 및 부산물, 예를 들어, 이산화탄소 및 물을 생성한다. 연료 개질기(220)에 의해 생성된 수소는 연료 블로워(210)를 통해 연료 전지(202)에 공급된다. 또한, 화학 반응의 부산물은 연료 개질기(220)로부터 연료 배출부(230)에 공급될 수 있다.
또한, 물 공급원(222)은 외부 공급원으로부터 물을 수용하고 발전 시스템(200)에서 사용하기 위한 물을 공급하는 물의 저장소, 탱크, 또는 파이프라인을 나타낼 수 있다. 증기 보일러(206)는 물 공급원(222)으로부터 물을 수용하고 물을 가열하여 증기를 발생시키도록 구성된다. 일부 실시예에서, 증기 보일러(206)는 또한 고온 연료 스트림, 고온 공기 스트림, 또는 이 둘 다로부터 열을 회수하는 열교환기일 수 있다. 또한, 증기는 도관(254)을 통해 연료 개질기(220)에도 공급된다. 또한, 공기 블로워(208)는 도관(262)을 통해 연료 전지(202)에 공기/산소를 공급하도록 구성된다. 특정 실시예에서, 공기 블로워(208)는 또한 연료 전지(202)의 온도를 제어하고/하거나 연료 전지(102) 내의 화학 반응을 돕기 위해 연료 전지(202)에 적당한 공기 공급을 제공하도록 구성될 수 있다.
또한, 연료 전지(202)는 일반적으로 애노드(268), 캐소드(270), 및 애노드(268)와 캐소드(270) 사이에 배치된 전해질(272)을 포함한다. 애노드(268)는 도관(260)을 통해 증기 보일러(206)로부터 증기를 수용하고, 도관(252)을 통해 연료 블로워(210)로부터 수소를 수용한다. 캐소드(270)는 도관(262)을 통해 공기 블로워(208)로부터 공기/산소를 수용한다. 일부 실시예들에서, 연료 전지(202)는 수소와 산소 간의 전기화학 반응에 기초하여 전류 및 전압을 비롯한 전력을 생성할 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 연료 전지(202)는 수소, 증기, 산소, 및 일산화탄소(CO) 간의 화학 반응에 기초하여 전력을 생성할 수 있다. 또다른 실시예에서, 연료 전지(202)는 수소, 증기, 산소, 메탄, 및 CO 간의 화학 반응 및 전기화학 반응에 기초하여 전력을 생성할 수 있다.
연료 전지(202) 내의 캐소드(270)는 캐소드(270)에 공급된 공기로부터 음으로 하전된 산소 이온을 생성하기 위한 환원 반응을 촉진시킨다. 특정 실시예에서, 일반적으로 750℃ 내지 850℃의 온도에서 동작하는 연료 전지(202)는 음으로 하전된 산소 이온을 캐소드(270)로부터 전해질(272)을 거쳐 애노드(268)로 수송할 수 있게 한다. 동시에, 전자는 별도의 전기 경로를 통해 애노드(268)로부터 캐소드(270)로 이동할 수 있다. 이 전자 흐름은 직류(DC) 전력을 구성한다. 또한, 애노드(268)에서, 음으로 하전된 산소 이온은 탄화수소 분자에서의 자유 수소 또는 수소와 결합하여 수증기를 형성할 수 있고 및/또는 음으로 하전된 산소 이온은 일산화탄소와 결합하여 이산화탄소를 형성할 수 있다. 연료 전지(202)로부터의 물은 도관(266)을 통해 물 배출부(234)로 방출될 수 있다. 또한, 연료 전지(202)에 공급된 공기는 도관(264)을 통해 공기 배출부(232)로 방출될 수 있다.
또한, 연료 전지(202)에 동작가능하게 결합된 DC 링크(226)는 연료 전지(202)로부터 인버터(224)로 전류를 전달하는데 도움을 준다. 특히, DC 링크(226)는 연료 전지(202)와 인버터(224) 사이에 전기적으로 결합된다. 보다 구체적으로, DC 링크(226)는 연료 전지(202)의 출력 전력 포트(225)를 인버터(224)의 입력 전력 포트(227)와 전기적으로 연결시키고, 연료 전지(202)에 의해 생성된 DC 전류/전력을 인버터(224)에 공급한다. 또한, 비제한적인 예시에서, 센서(242)는 연료 전지(202)의 출력 전력 포트(225)와 인버터(224)의 입력 전력 포트(227) 사이의 위치에서 DC 링크(226)에 전기적으로 연결된다. DC 링크(226)는 두 개의 컨덕터(도시되지 않음)를 포함할 수 있는데, 여기서 하나의 컨덕터는 양 전위를 유지하고 다른 컨덕터는 음 전위를 유지한다. 특정 실시예에서, DC 링크(226)는 또한 DC 링크(226)의 두 개의 컨덕터 사이에 전기적으로 결합된 커패시터(미도시됨)를 포함할 수 있다.
인버터(224)는 DC-AC 전력 컨버터일 수 있다. 일부 실시예에서, 인버터(224)는 DC 전력을 AC 전력, 예를 들어 단상 또는 3상 전력으로 변환하도록 구성된 반도체 스위치의 배열을 포함하는 전자 회로를 포함할 수 있다. AC 링크(228)는 인버터(224)의 출력 전력 포트에 전기적으로 결합될 수 있다. AC 링크(228)는 단상 AC 링크 또는 3상 AC 링크일 수 있다. 인버터(224)로부터의 AC 전력은 AC 링크(228)를 통해 하나 이상의 외부 부하(도시되지 않음)에 공급될 수 있다.
발전 시스템(200)의 동작 중에, 비제한적인 예시로서, 발전 시스템(200)으로부터의 외부 부하의 손실 또는 단절, 발전 시스템(200)의 조기 셧다운, 발전 시스템(200)의 예정된 셧다운, 또는 발전 시스템(200)의 하나 이상의 내부 컴포넌트의 이상을 비롯한 다양한 상태들은 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류/전력의 강하를 야기시킬 수 있다. 따라서, 이러한 경우에, 연료 전지(202)에 의해 생성되는 물 또는 증기의 양이 감소될 수 있다. 연료 전지(202)에 의해 생성된 물 또는 증기의 양이 결정된 양 아래로 떨어지면, 연료 전지(202) 내에서의 증기-탄소비가 또한 임계 증기-탄소비 아래로 떨어질 수 있다. 임계 증기-탄소비 아래의 증기-탄소비에서 연료 전지(202)를 동작시키면, 애노드(268)의 열화를 초래하여 연료 전지(202)의 효율성의 감소를 야기시킬 수 있다. 본 명세서의 양태에 따르면, 발전 시스템(200)의 제어 서브시스템(204)은, 연료 전지(202) 내에서의 증기-탄소비가 임계 증기-탄소비 위로 유지되도록 발전 시스템(200)을 동작시켜서, 이에 따라 전류의 강하로 인해 야기되는 악영향을 완화시키도록 구성된다.
도 2의 제어 서브시스템(204)은 도 1의 제어 서브시스템(104)의 일 실시예를 나타내며 유사한 컴포넌트들을 포함한다. 예를 들어, 스위치들(236~240, 241), 센서(242), 및 제어기(244)는 도 1의 각각의 컴포넌트들과 유사하다. 특히, 스위치(236)는 DC 링크(226)와 연료 블로워(210) 사이에 연결되고, 스위치(238)는 DC 링크(226)와 증기 보일러(206) 사이에 연결되고, 스위치(240)는 DC 링크(226)와 공기 블로워(208) 사이에 연결되며, 스위치(241)는 DC 링크(226)와 애드 온 부하(214) 사이에 연결된다. 또한, 센서(242)는 연료 전지(202)에 전기적으로 연결된다. 도 2의 실시예에서 도시된 바와 같이, 센서(242)는 DC 링크(226)를 통해 연료 전지(202)에 전기적으로 연결되고, 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류를 나타내는 전기 신호를 생성하도록 구성된다.
제어기(244)는 스위치들(236~241) 및 센서(242)에 동작가능하게 결합된다. 제어기(244)는 센서(242)로부터 전기 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 본 명세서의 양태에 따르면, 제어기(244)는 센서(244)로부터 수신된 전기 신호 및 미리 정의된 전류 임계 값에 기초하여 연료 전지(202)의 물 부족 상태를 검출하도록 구성된다. 연료 전지(202)의 물 부족 상태를 검출하기 위해 제어기(244)에 의해 수행되는 단계들의 세부사항은 도 5와 관련하여 설명될 것이다.
물 부족 상태가 검출되면, 제어기(244)는 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류의 사용을 통해, 증기 보일러(206), 공기 블로워(208), 연료 블로워(210), 애드 온 부하(214)와 같은 보조 부하 중 하나 이상을 선택적으로 동작시켜서 연료 전지(202) 내에서의 증기-탄소비를 임계 증기-탄소비 값 위로 유지하도록 구성된다. 제어기(244)는, 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 보조 부하들(206, 208, 210, 214)을 동작시키기 위해, 제어 신호들을 스위치들(236~241)에 전달함으로써 스위치들(236~241)을 도통 상태에서 선택적으로 동작시킬 수 있다. 스위치들(236~241)은, 도통 상태에서 동작될 때, 보조 부하들(206, 208, 210, 214)이 연료 전지(202)로부터 전류를 인출하도록 보조 부하들(206, 208, 210, 214)을 연료 전지(102)에 전기적으로 연결시킨다.
또한, 물 부족 상태가 검출되는 경우, 제어기(244)는 연료 전지(202)의 온도를 제어하고 연료 전지(202) 내에서의 환원 반응을 촉진시키도록 공기 블로워(208)를 동작시키도록 구성될 수 있다. 또한, 물 부족 상태가 검출되는 경우, 제어기(244)는 애노드(268)에 적당한 수소 함량을 제공하도록 연료 블로워(210)를 동작시키도록 구성될 수 있다. 제어기(244)는 도 4 내지 도 6과 관련하여 보다 상세히 설명될 것이다.
제어기(244)가 스위치들(236~241)을 도통 상태에서 선택적으로 동작시키면, 보조 부하들(206, 208, 210, 214)은 연료 전지(202)로부터 전류를 인출한다. 보조 부하들(206, 208, 210, 214)에 의해 인출된 전류는 이어서, 보조 부하들(206, 208, 210, 214)을 동작시키기 이전에 생성된 전류와 비교하여, 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 연료 전지(202)가 더 많은 전류를 생성하게 한다. 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류의 양이 증가함에 따라, 연료 전지(202)에 의해 생성된 물의 양이 또한 증가한다. 연료 전지(202)에 의해 생성된 물의 양의 증가는 연료 전지(202) 내에서의 증기-탄소비의 증가를 야기시킨다. 바람직하게는, 연료 전지(202) 내에서의 증기-탄소비가 임계 증기-탄소비 값 위에 있을 때 연료 전지(202)의 동작은 연료 전지(202)의 수명 및 효율성을 향상시킨다.
도 3은 본 명세서의 또다른 양태에 따른 발전 시스템(300)의 블록도이다. 도 3의 발전 시스템(300)은 도 2의 발전 시스템(200)의 일 실시예를 나타낸다. 발전 시스템(300)의 다양한 컴포넌트들은 도 2의 발전 시스템(200)의 대응하는 컴포넌트들과 유사하다. 도 3의 발전 시스템(300)은 증기 보일러(306), 공기 블로워(308), 연료 블로워(310), 애드 온 부하(314), 또는 이들의 조합과 같은 적어도 하나의 보조 부하, 연료 전지(302), 및 제어 서브시스템(304) 중 하나 이상을 포함한다. 발전 시스템(300)은 연료 공급원(316), 연료 유동 조절기(318), 연료 개질기(320), 인버터(324), DC 링크(326), AC 링크(328), 연료 배출부(330), 공기 배출부(332), 및 물 배출부(334)를 포함할 수 있다. 제어 서브시스템(304)은 스위치(336, 338, 340, 341)와 같은 하나 이상의 스위치, 센서(342), 및 제어기(344)를 포함할 수 있다. 또한, 발전 시스템(300)은 도관들(346, 348, 350, 352, 360, 362, 364, 366)을 포함한다. 연료 전지(302)는 애노드(368), 캐소드(370), 및 전해질(372)을 포함한다. 또한, 참조 번호 325와 327은 연료 전지(302)의 출력 전력 포트와 인버터(324)의 입력 전력 포트를 각각 나타낼 수 있다.
도 3의 발전 시스템(300)은 발전 시스템 외부로부터 물을 수용하는 물 공급원(222)(도 2 참조)과 같은 물 공급원을 포함하지 않는다는 것을 유의할 수 있다. 그러나, 발전 시스템(300)은 물 분리기(374) 및 내부 물 탱크(376)를 포함한다. 물 분리기(374)는 도관(378)을 통해 연료 개질기(320)에 유체 결합되고, 도관(380)을 통해 연료 배출부(330)에 유체 결합된다. 특정 실시예에서, 선택적 냉각기(미도시됨) 또는 열교환기(미도시됨)가 도관(378)을 따라 연료 개질기(320)와 물 분리기(374) 사이에 유체 결합될 수 있다. 내부 물 탱크(376)는 도관(382)을 통해 물 분리기(374)에 유체 결합되고, 도관(384)을 통해 증기 보일러(306)에 유체 결합된다.
물 분리기(374)는 연료 개질기(320)로부터 수증기, 수소, 메탄, 일산화탄소, 및 이산화탄소를 포함하는 유체를 수용하고, 수용된 유체로부터 물을 분리시킨다. 또한, 물 분리기(374)는 도관(382)을 통해 내부 물 탱크(376)에 물을 공급한다. 증기 보일러(306)는 도관(384)을 통해 내부 물 탱크(376)로부터 물을 수용하여 증기를 발생시킨다. 증기 보일러(306)는 증기를 연료 전지(302)에 공급한다. 또한, 발전 시스템(300)의 실시예에서, 스위치들(336, 338, 340)은 AC 링크(328)에 결합되고, 연료 블로워(310), 공기 블로워(308), 및 증기 보일러(306)를 AC 링크(328)에 연결시키거나 또는 연료 블로워(310), 공기 블로워(308), 및 증기 보일러(306)를 AC 링크(328)로부터 연결해제시키도록 각각 구성된다.
도 4는 본 명세서의 양태에 따른, 도 1 내지 도 3에서 도시된 발전 시스템 중 임의의 발전 시스템을 동작시키기 위한 방법의 흐름도(400)이다. 도 4의 흐름도(400)는 도 1의 발전 시스템(100)과 관련하여 설명된다. 도 4의 방법은 도 2 및 도 3의 발전 시스템들(200, 300)에도 적용가능하다는 것을 알 수 있다.
단계 402에서, 제어기(114)는 발전 시스템(100)에서의 연료 전지(102)에 의해 생성된 전류를 나타내는 전기 신호를 수신하도록 구성된다. 제어기(114)는 센서(112)로부터 연료 전지(102)에 의해 생성된 전류를 나타내는 전기 신호를 수신한다. 또한, 단계 404에서, 제어기(114)는 연료 전지(102)가 물 부족 상태(water deficient condition; WDC)에서 동작하고 있는지 여부를 검출하기 위한 체크를 수행하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 제어기(114)는 단계 402에서 수신된 전기 신호에 기초하여 연료 전지(102)가 물 부족 상태에서 동작하고 있는 것을 검출할 수 있다. 물 부족 상태에서 동작하는 연료 전지(102)의 검출은 도 5와 관련하여 설명될 것이다.
단계 404에서, 연료 전지(102)가 물 부족 상태에서 동작하고 있다고 결정되면, 제어기(114)는, 단계 406에 의해 표시된 바와 같이, 연료 전지(102)에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 발전 시스템(100)의 보조 부하(106)를 동작시켜서 연료 전지(102) 내에서의 증기-탄소비를 임계 증기-탄소비 값 위로 유지시키도록 구성된다. 비제한적인 예시에서, 임계 증기-탄소비는 2.5의 값을 가질 수 있다. 다른 비제한적인 예시에서, 임계 증기-탄소비는 3의 값을 가질 수 있다. 또다른 비제한적인 예시에서, 임계 증기-탄소비는 약 2.5 내지 약 3의 범위의 값을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 임계 증기-탄소비 값은 제어기(114) 내부에 배치되거나 또는 제어기(114)에 결합된 메모리 디바이스에 저장될 수 있다. 또한, 특정 실시예에서, 임계 증기-탄소비 값은 발전 시스템(100)의 운영자에 의해 커스터마이징될 수 있다.
이제 도 5를 참조하면, 본 명세서의 양태에 따른, 도 1 내지 도 3에서 도시된 발전 시스템 중 임의의 발전 시스템에서 사용되는 연료 전지의 물 부족 상태를 검출하기 위한 방법의 흐름도(500)가 제공된다. 일부 실시예에서, 도 5의 흐름도(500)는 도 4의 단계 404의 서브 단계들을 나타낼 수 있다. 도 5의 흐름도(500)는 도 1의 발전 시스템(100)과 관련하여 설명된다. 도 5의 방법은 도 2 및 도 3의 발전 시스템들(200, 300)에도 적용가능하다는 것을 알 수 있다.
단계 502에서, 제어기(114)는 발전 시스템(100)의 연료 전지(102)에 의해 생성된 전류의 크기를 결정하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 센서(112)로부터 수신된 전기 신호의 크기는 연료 전지(102)에 의해 생성된 전류의 크기를 나타낼 수 있다. 따라서, 제어기(114)는 센서(112)로부터 수신된 전기 신호의 크기에 기초하여 연료 전지(102)에 의해 생성된 전류의 크기를 결정할 수 있다.
또한, 단계 504에서, 제어기(114)는 제어기(114)와 관련된 메모리 디바이스로부터 임계 전류 값을 획득할 수 있다. 일부 실시예에서, 임계 전류 값은 임계 증기-탄소비 값에 대응하는 전류의 크기를 나타낼 수 있다. 특정 실시예에서, 제어기(114)는 임계 전류 값을 결정하고 제어기(114)에 의한 사용을 위해 임계 전류 값을 메모리 디바이스에 저장하도록 구성될 수 있다. 제어기(114)는 임계 증기-탄소비 값, 연료 전지(102)의 온도, 연료 전지(102)로의 연료의 유량, 연료 전지(102)로의 증기의 유량, 또는 이들의 조합에 기초하여 임계 전류 값을 결정하도록 구성될 수 있다. 예로서, 제어기(114)는 임계 증기-탄소비 값, 연료 전지(102)의 온도, 연료 전지(102)로의 연료의 유량, 연료 전지(102)로의 증기의 유량, 또는 이들의 조합을 사용하여 임계 전류 값을 결정하기 위해, 수학적 모델, 물리 기반 모델, 룩업 테이블, 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
또한, 단계 506에서, 제어기(114)는 전류의 크기를 미리 정의된 전류 임계 값과 비교함으로써 연료 전지(102)에 의해 생성된 전류의 크기가 미리 정의된 전류 임계 값보다 낮은지의 여부를 결정하기 위한 체크를 수행하도록 구성될 수 있다. 단계 506에서, 연료 전지(102)에 의해 생성된 전류의 크기가 미리 정의된 전류 임계 값보다 낮다고 결정되면, 제어기(114)는, 단계 508에서 나타낸 바와 같이, 연료 전지(102)가 물 부족 상태에서 동작하고 있다고 결정하도록 구성된다. 하지만, 단계 506에서, 연료 전지(102)에 의해 생성된 전류의 크기가 미리 정의된 전류 임계 값 이상이라고 결정되면, 제어기(114)는 연료 전지(102)가 어떠한 물 부족 상태 없이 정상적으로 동작하고 있다고 결정하도록 구성된다.
도 6은 본 명세서의 양태에 따른, 도 2와 도 3 중 임의의 도에서의 발전 시스템들을 동작시키기 위한 방법의 흐름도(600)이다. 흐름도(600)는 도 2의 발전 시스템(200)을 참조하여 설명된다. 도 6의 방법은 도 3의 발전 시스템(300)에도 적용가능하다는 것을 알 수 있다.
단계 602에서, 제어기(244)는 발전 시스템(200)에서의 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류를 나타내는 전기 신호를 수신하도록 구성된다. 제어기(244)는 센서(242)로부터 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류를 나타내는 전기 신호를 수신한다. 또한, 단계 604에서, 제어기(244)는 연료 전지(202)가 물 부족 상태에서 동작하고 있는지 여부를 검출하기 위한 체크를 수행하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 제어기(244)는 단계 602에서 수신된 전기 신호에 기초하여 연료 전지(202)가 물 부족 상태에서 동작하고 있는지 여부를 검출할 수 있다. 연료 전지(202)가 물 부족 상태에서 동작하고 있는지 여부를 검출하는 방법은 도 5와 관련하여 설명되었다.
단계 604에서, 연료 전지(202)가 물 부족 상태에서 동작하고 있지 않다고 결정되면, 제어는 단계 602로 복귀되고 단계 602와 단계 604가 실행된다. 그러나, 단계 604에서, 연료 전지(202)가 물 부족 상태에서 동작하고 있다고 결정되면, 제어기(244)는 단계 606에서 다른 체크를 수행하도록 구성된다.
단계 606에서, 제어기(244)는 증기 보일러(206)가 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 동작하고 있는지 여부를 결정하도록 구성된다. 단계 606에서, 증기 보일러(206)가 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 동작하고 있지 않다고 결정되면, 단계 608에 의해 나타낸 바와 같이, 제어기(244)는 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 증기 보일러(206)를 동작시키도록 구성된다. 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 증기 보일러(206)를 동작시키는 것은 증기를 생성하기 위해 증기 보일러(206)에 의한 사용을 위한 전류가 연료 전지(202)로부터 인출되게 한다. 이어서 증기 보일러(206)에 의해 인출된 이 추가적인 전류는 연료 전지(202)에 의한 추가적인 전류의 생성을 야기시킨다. 일부 실시예에서, 증기 보일러(206)를 동작시키기 위해, 제어기(244)는 스위치(238)를 도통 상태에서 동작시킴으로써 증기 보일러(206)를 DC 링크(226)에 결합하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 증기 보일러(306)를 동작시키기 위해, 제어기(344)는 스위치(338)를 도통 상태에서 동작시킴으로써 증기 보일러(306)를 AC 링크(328)에 결합하도록 구성될 수 있다(도 3 참조).
단계 610에서, 증기 보일러(206)에 의해 생성된 증기는 연료 전지(202)에 공급된다. 증기 보일러(206)로부터의 연료 전지(202)로의 이러한 증기의 공급은 연료 전지(202) 내에서의 증기-탄소비를 증가시키는데 도움을 준다. 이어서, 제어는 단계 602로 복귀하고 단계 602와 단계 604가 실행된다.
단계 606으로 돌아가서, 증기 보일러(206)가 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 이미 동작중인 것으로 결정되면, 제어기(244)는 단계 612에서 또다른 체크를 수행하도록 구성된다. 단계 612에서, 제어기(244)는 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 다른 모든 보조 부하들(208, 210, 214)이 동작하고 있는지 여부를 결정하도록 구성된다. 다른 모든 보조 부하들(208, 210, 214)이 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 동작하고 있지는 않은 것으로 결정되면, 제어기(244)는 단계 614에 의해 나타낸 바와 같이, 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 다른 모든 보조 부하들(208, 210, 214)을 동작시키도록 구성된다. 일부 실시예에서, 보조 부하들(208, 210, 214)을 동작시키기 위해, 제어기(244)는 스위치들(240, 236, 241)을 도통 상태에서 동작시킴으로써 보조 부하들(208, 210, 214)을 DC 링크(226)에 연결시키도록 구성될 수 있다. 특정 실시예에서, 보조 부하들(308, 310)을 동작시키기 위해, 제어기(344)는 스위치들(340, 336)을 도통 상태에서 동작시킴으로써 보조 부하들(308, 310)을 AC 링크(328)에 연결시키도록 구성될 수 있다(도 3 참조).
일부 실시예에서, 단계 614에서, 보조 부하들(208, 210, 214)은 두 단계로 동작될 수 있다. 예를 들어, 제1 단계에서, 보조 부하들(208, 210)은 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 동작된다. 제2 단계에서, 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류가 연료 전지(202) 내에서의 증기-탄소비를 임계 증기-탄소비 값 위로 유지시키기에 불충분하다고 제어기(244)가 결정하면 보조 부하들(208, 210)을 동작시킨 후에 애드 온 부하(214)가 동작될 수 있다.
다른 보조 부하들(208, 210, 214)의 동작은 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류의 양을 추가로 증가시켜서, 연료 전지(202)에 의한 물의 생성을 증가시킨다. 따라서, 연료 전지(202) 내에서의 증기-탄소비가 더욱 증가될 수 있다. 단계 614가 수행된 후, 제어는 단계 602로 복귀된다.
다시 단계 612를 참조하면, 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 다른 모든 보조 부하들(208, 210, 214)이 동작하고 있다고 결정되면, 제어기(244)는 모든 보조 부하들(206, 208, 210, 214)을 사용하여 연료 전지(202)에 의해 더 이상 전류가 생성될 수 없다고 결정할 수 있다. 따라서, 단계 612에서, 다른 모든 보조 부하들(208, 210, 214)이 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 동작하고 있다고 결정되면, 제어기(244)는 단계 616에 의해 나타낸 바와 같이, 경고를 발생시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 경고는 알람, 광 또는 디스플레이와 같은 시각적 표시자, 발전 시스템(200)의 운영자로의 유선 및/또는 무선 통신, 또는 이들의 조합의 형태일 수 있다. 또한, 단계 618에서, 일부 실시예에서, 제어기(244)는 발전 시스템(200)의 긴급 셧다운을 개시할 수 있다. 발전 시스템(200)의 긴급 셧다운 동안, 발전 시스템(200)의 모든 컴포넌트들의 동작은 중지될 수 있다.
도 7은 본 명세서의 비제한적인 예시에 따른, 도 2의 발전 시스템(200)에서 사용된 증기 보일러(206)에 의해 생성된 증기의 유량 및 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류를 도시한 그래프 표현(700)이다. 도 7의 그래프 표현(700)에서, 참조 번호들 702, 704, 및 706은 각각 X축, 제1 Y축, 및 제2 Y축을 나타낸다. 또한, 연료 전지(202)에 의해 생성된 전류는 참조 번호 708에 의해 식별된 점선을 사용하여 나타내고, 증기 보일러(206)에 의해 생성된 증기의 유량은 참조 번호 710에 의해 식별된 실선으로 나타낸다. 시간(T1)은 도 6의 단계 604에 나타낸 바와 같이, 연료 전지(202)가 물 부족 상태에서 동작하고 있다고 제어기(244)가 결정하는 시간을 나타낸다. 또한, 시간(T2)은 연료 전지(202)의 물 부족 상태가 더 이상 존재하지 않는 시간을 나타낸다. 예를 들어, 시간(T2)은 연료 전지(202)에서 물 부족 상태를 야기시켰던 문제가 해결된 시간을 나타낼 수 있다.
도 7에서 도시된 바와 같이, 연료 전지(202)가 물 부족 상태에서 동작하고 있는 시구간(T1-T2) 동안, 증기 보일러(206)에 의해 생성된 증기의 유량(710)은 시간(T1) 이전 및 시간(T2) 이후의 임의의 다른 시간과 비교하여 더 크다. 바람직하게는, 일부 실시예에서, 시구간(T1-T2) 동안의 증기의 증가된 유량(710)은 연료 전지(202)로의 증기의 증가된 공급을 야기시키고, 이로써 연료 전지(202) 내에서의 증기-탄소비를 물 부족 상태의 경우에서도 임계 증기-탄소비 값 위로 유지시킨다.
본 명세서의 일부 양태에 따르면, 발전 시스템(100, 200, 300)의 구성들은 종래의 연료 전지 기반 발전 시스템에 비해 일정한 장점을 나타낸다. 발전 시스템(100, 200, 300)에서, 증기-탄소비는 물 부족 상태의 경우에서도 임계 증기-탄소비 값 위로 유지된다. 따라서, 연료 전지의 물 부족 상태 동안에서도 연료 전지(102, 202, 302) 내에서 적당한 양의 증기/물이 존재한다. 유리하게는, 애노드(268, 368) 상에서의 탄소의 퇴적이 최소화될 수 있고, 애노드(268, 368)의 열화가 최소화될 수 있다. 애노드(268, 368)를 탄소 퇴적으로부터 보호하는 것은 결국 연료 전지(102, 202, 302)의 수명을 향상시킨다. 결과적으로, 발전 시스템(100, 200, 300)의 효율성도 향상된다.
이 기술된 설명은 바람직한 실시예를 포함하여 본 발명을 개시하고, 또한, 임의의 디바이스 또는 시스템을 제조 및 사용하고 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하여 당업자가 본 발명을 실시할 수 있게 하기 위해 예를 사용한다. 본 명세서의 특허가능한 범위는 청구항에 의해 규정되며, 당업자에게 발생할 수 있는 다른 예시를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예시들은, 청구항의 문자 언어와 상이하지 않은 구조적 엘리먼트를 갖는 경우, 또는 청구항의 문자 언어와 비실질적인 차이를 갖는 등가의 구조적 엘리먼트를 포함하는 경우 청구항의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 설명된 다양한 실시예들로부터의 양태뿐만 아니라, 각각의 그러한 양태들에 대한 다른 공지된 등가물은 본 출원의 원리에 따라 추가적인 실시예 및 기술을 구축하기 위해 당업자에 의해 혼합되고 매칭될 수 있다.

Claims (20)

  1. 연료 전지를 포함하는 발전(power generation) 시스템을 동작시키기 위한 방법에 있어서,
    상기 연료 전지의 물 부족 상태(water deficient condition)를 검출하는 단계;
    상기 연료 전지의 물 부족 상태를 검출한 것에 응답하여, 상기 연료 전지에 의해 생성된 전류의 크기가 임계 전류 값보다 낮은지를 결정하는 단계 - 상기 임계 전류 값은 임계 증기-탄소비 값에서 상기 연료 전지에 의해 생성된 전류에 대응함 - ; 및
    상기 연료 전지 내에서의 증기-탄소비(steam-carbon ratio)가 상기 임계 증기-탄소비 값 위에서 유지되도록 상기 연료 전지에 의해 생성된 전류를 사용하여 상기 발전 시스템의 적어도 하나의 보조 부하를 동작시키는 단계
    를 포함하는 연료 전지를 포함하는 발전 시스템을 동작시키기 위한 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 보조 부하는 증기 보일러, 공기 블로워(blower), 연료 블로워, 애드 온(add-on) 부하, 또는 이들의 조합을 포함한 것인 연료 전지를 포함하는 발전 시스템을 동작시키기 위한 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 보조 부하를 동작시키는 단계는,
    상기 연료 전지에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 상기 공기 블로워, 상기 연료 블로워, 및 상기 애드 온 부하 중 하나 이상과 상기 증기 보일러를 동작시키는 단계; 및
    상기 증기 보일러에 의해 생성된 증기를 상기 연료 전지에 공급하는 단계
    를 포함한 것인 연료 전지를 포함하는 발전 시스템을 동작시키기 위한 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 임계 증기-탄소비 값은 2.5 내지 3의 범위 내에 있는 것인 연료 전지를 포함하는 발전 시스템을 동작시키기 위한 방법.
  6. 발전 시스템을 동작시키기 위한 제어 서브시스템에 있어서, 상기 발전 시스템은 연료 전지와 적어도 하나의 보조 부하를 포함하고, 상기 제어 서브시스템은,
    상기 연료 전지에 결합되고, 상기 연료 전지에 의해 생성된 전류를 나타내는 전기 신호를 생성하도록 구성된 센서;
    상기 연료 전지와 상기 적어도 하나의 보조 부하 사이에 결합된 하나 이상의 스위치; 및
    상기 센서와 상기 하나 이상의 스위치에 동작가능하게 결합된 제어기
    를 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 센서에 의해 생성된 전기 신호에 기초하여 상기 연료 전지의 물 부족 상태를 검출하고;
    상기 물 부족 상태가 검출된 경우, 상기 연료 전지 내에서의 증기-탄소비가 임계 증기-탄소비 값 위에서 유지되도록 상기 연료 전지에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 상기 발전 시스템의 상기 적어도 하나의 보조 부하를 동작시키도록 구성되며,
    상기 연료 전지의 물 부족 상태를 검출하는 것은, 상기 연료 전지에 의해 생성된 전류의 크기가 임계 전류 값보다 낮은지를 결정하는 것을 포함하고, 상기 임계 전류 값은 상기 임계 증기-탄소비 값에서 상기 연료 전지에 의해 생성된 전류에 대응하는 것인 발전 시스템을 동작시키기 위한 제어 서브시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 물 부족 상태는, 외부 부하의 손실, 상기 발전 시스템의 조기(premature) 셧다운, 상기 발전 시스템의 예정된(scheduled) 셧다운, 또는 상기 발전 시스템의 하나 이상의 내부 컴포넌트의 이상(abnormality), 또는 이들의 조합으로 인해 야기되는 것인 발전 시스템을 동작시키기 위한 제어 서브시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 연료 전지에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 상기 발전 시스템의 상기 적어도 하나의 보조 부하를 동작시키기 위해, 상기 제어기는 상기 하나 이상의 스위치를 도통 상태에서 동작시키도록 구성된 것인 발전 시스템을 동작시키기 위한 제어 서브시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 보조 부하는 상기 발전 시스템의 내부 전기 부하를 포함한 것인 발전 시스템을 동작시키기 위한 제어 서브시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 보조 부하는 증기 보일러, 공기 블로워, 연료 블로워, 연료 유동 조절기, 애드 온 부하, 또는 이들의 조합을 포함한 것인 발전 시스템을 동작시키기 위한 제어 서브시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 연료 전지에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 상기 공기 블로워, 상기 연료 블로워, 상기 연료 유동 조절기, 및 상기 애드 온 부하 중 하나 이상과 상기 증기 보일러를 동작시키며;
    상기 증기 보일러에 의해 생성된 증기를 상기 연료 전지에 공급하도록 구성된 것인 발전 시스템을 동작시키기 위한 제어 서브시스템.
  12. 발전 시스템에 있어서,
    연료 전지;
    적어도 하나의 보조 부하; 및
    상기 연료 전지와 상기 적어도 하나의 보조 부하에 동작가능하게 결합된 제어 서브시스템
    을 포함하고,
    상기 제어 서브시스템은,
    상기 연료 전지에 결합되고, 상기 연료 전지에 의해 생성된 전류를 나타내는 전기 신호를 생성하도록 구성된 센서;
    상기 연료 전지와 상기 적어도 하나의 보조 부하 사이에 결합된 하나 이상의 스위치; 및
    상기 센서와 상기 하나 이상의 스위치에 동작가능하게 결합된 제어기
    를 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 센서에 의해 생성된 전기 신호에 기초하여 상기 연료 전지의 물 부족 상태를 검출하며;
    상기 물 부족 상태가 검출된 경우, 상기 연료 전지 내에서의 증기-탄소비가 임계 증기-탄소비 값 위에서 유지되도록 상기 연료 전지에 의해 생성된 전류의 사용을 통해 상기 발전 시스템의 상기 적어도 하나의 보조 부하를 동작시키도록 구성되며,
    상기 연료 전지의 물 부족 상태를 검출하는 것은, 상기 연료 전지에 의해 생성된 전류의 크기가 임계 전류 값보다 낮은지를 결정하는 것을 포함하고, 상기 임계 전류 값은 상기 임계 증기-탄소비 값에서 상기 연료 전지에 의해 생성된 전류에 대응하는 것인 발전 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 보조 부하는 증기 보일러, 공기 블로워, 연료 블로워, 연로 유동 조절기, 애드 온 부하, 또는 이들의 조합을 포함한 것인 발전 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 증기 보일러는, 물 공급원에 결합되고, 상기 물 공급원으로부터 수용된 물을 사용하여 증기를 발생시키도록 구성된 것인 발전 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    연료 개질기;
    상기 연료 개질기에 유체적으로(fluidly) 결합된 물 분리기; 및
    상기 물 분리기에 유체적으로 결합되고, 상기 연료 개질기로부터 물을 수용하도록 구성된 내부 물 탱크
    를 더 포함하며,
    상기 증기 보일러는, 상기 내부 물 탱크에 결합되고, 상기 내부 물 탱크로부터 물을 수용하고 상기 내부 물 탱크로부터 수용된 물을 사용하여 증기를 발생시키도록 구성된 것인 발전 시스템.
  16. 삭제
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