KR102636788B1 - 연료 전지들을 이용한 발전 시스템 및 방법 - Google Patents
연료 전지들을 이용한 발전 시스템 및 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102636788B1 KR102636788B1 KR1020190002890A KR20190002890A KR102636788B1 KR 102636788 B1 KR102636788 B1 KR 102636788B1 KR 1020190002890 A KR1020190002890 A KR 1020190002890A KR 20190002890 A KR20190002890 A KR 20190002890A KR 102636788 B1 KR102636788 B1 KR 102636788B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- fuel cell
- subunits
- power generation
- generation system
- assembly
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 466
- 238000010248 power generation Methods 0.000 title claims abstract description 104
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 33
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 19
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 claims description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 4
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 4
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 235000019800 disodium phosphate Nutrition 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 230000008676 import Effects 0.000 description 1
- 230000004941 influx Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
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
- H01M8/04298—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
- H01M8/04865—Voltage
- H01M8/0488—Voltage of fuel cell stacks
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
-
- 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
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous 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
-
- 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
- H01M8/04544—Voltage
- H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
- H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
- H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
- H02J3/381—Dispersed generators
-
- H02J3/382—
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/66—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal
- H02M7/68—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters
- H02M7/72—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/79—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M7/797—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
-
- 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
- H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
- H01M8/04268—Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
- H02J2300/30—The power source being a fuel cell
-
- 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
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (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
연료 전지 기반의 발전 시스템이 제시된다. 이 연료 전지 기반의 발전 시스템은, DC 전력을 발생시키도록 구성된 연료 전지 어셈블리와, 연료 전지 어셈블리를 제1 직류(DC) 버스에 동작 가능하게 결합하도록 구성된 적어도 하나의 어셈블리 스위칭 소자와, 제1 DC 버스와 전기 그리드 사이에 결합된 적어도 하나의 컨버터와, 적어도 하나의 어셈블리 스위칭 소자와 적어도 하나의 컨버터 사이의 위치에서 제1 DC 버스에 동작 가능하게 결합된 복수의 보조 부하들 - 여기서 복수의 보조 부하들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 어셈블리 스위칭 소자를 통해 연료 전지 어셈블리로부터 전력을 수신하도록 구성됨 - 과, 적어도 하나의 컨버터에 동작 가능하게 결합된 제어기를 포함하고, 제어기는 제1 DC 버스의 전압이 전압 값들의 범위 내에서 변동하는 것을 허용하도록 구성된다.
Description
본 명세서의 실시예들은 일반적으로 연료 전지 기반의 발전 시스템 및 이 연료 전지 기반의 발전 시스템을 동작시키는 방법, 보다 구체적으로 연료 전지 기반의 발전 시스템의 보조 서브 유닛들에 전원을 공급하는 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
이해할 수 있는 바와 같이, 연료 전지 기반의 발전 시스템은 연료 전지들의 스택, 보조 서브 유닛들, 및 관련된 회로를 포함한다. 보조 서브 유닛들은 전형적으로 연료 송풍기, 공기 송풍기, 공기 환기 장치, 관련된 모터들 등을 포함한다. 처음에, 보조 서브 유닛들은 외부 전원을 사용하여 전원이 공급되어, 차례로 연료 전지들의 스택의 가열을 돕는다. 전형적으로, 연료 전지들의 스택은 이 연료 전지들의 스택이 전력을 생성하기 시작할 때 결정된 온도에 도달할 때까지 약 8 시간 내지 약 12 시간 범위의 시간 동안 가열된다. 연료 전지들의 스택의 가열에 필요한 시간이 길수록, 보조 서브 유닛들에 전원을 공급하기 위해 외부 전원으로부터 더 많은 전력이 소모된다. 연료 전지들의 스택이 전력을 생성하기 시작한 후에, 보조 서브 유닛들에 전원을 공급하기 위해 필요한 전력은 가열된 연료 전지들의 스택으로부터 제공된다.
보조 서브 유닛들에 전원을 공급하기 위한 상이한 시스템들 및 기술들이 제안되고 있다. 보조 서브 유닛들에 전원을 공급하기 위해 사용되는 종래의 시스템들은 직류(DC)-DC 컨버터들, 벅 부스트 컨버터들(buck boost converters) 등과 같은 전력 컨버터들의 사용을 필요로 한다. 일반적으로, 보조 서브 유닛들은 DC 버스에 연결되고, 연료 전지들의 스택은 전력 컨버터들을 통해 DC 버스에 연결된다.
또한, 보조 서브 유닛들에 전원을 공급하기 위한 다른 종래의 시스템들은 보조 서브 유닛들을 DC 버스 및 교류(AC) 버스의 양쪽 모두에 결합시키는 것을 수반한다. 일부 시나리오들에서, 이러한 시스템들은 3 스테이지의 전력 변환 유닛들(DC-AC-DC-AC)을 사용한다. 보조 서브 유닛들에 전원을 공급하기 위한 DC-DC 컨버터들, 벅 부스트 컨버터들, 및/또는 3 스테이지의 전력 변환 유닛들의 사용은 발전 시스템의 비용, 공간 및 복잡성을 증가시키고 효율을 감소시킨다.
본 명세서의 양태들에 따르면, 연료 전지 기반의 발전 시스템이 제시된다. 연료 전지 기반의 발전 시스템은 DC 전력을 생성하도록 구성된 연료 전지 어셈블리를 포함한다. 또한, 연료 전지 기반의 발전 시스템은 연료 전지 어셈블리를 제1 직류(DC) 버스에 동작 가능하게 결합하도록 구성된 적어도 하나의 어셈블리 스위칭 소자를 포함한다. 또한, 연료 전지 기반의 발전 시스템은 제1 DC 버스와 전기 그리드 사이에 결합된 적어도 하나의 컨버터를 포함한다. 또한, 연료 전지 기반 발전 시스템은 적어도 하나의 어셈블리 스위칭 소자와 적어도 하나의 컨버터 사이의 위치에서 제1 DC 버스에 동작 가능하게 결합된 복수의 보조 부하들을 포함하고, 복수의 보조 부하들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 어셈블리 스위칭 소자 및 적어도 하나의 컨버터에 동작 가능하게 연결된 제어기를 통해 연료 전지 어셈블리로부터 전력을 수신하도록 구성되며, 제어기는 제1 DC 버스의 전압이 전압 값들의 범위 내에서 변동하는 것을 허용하도록 구성된다.
본 명세서의 다른 태양에 따르면, 연료 전지 어셈블리, 적어도 하나의 어셈블리 스위칭 소자 및 제1 직류(DC) 버스에 동작 가능하게 결합된 복수의 보조 부하들을 포함하는 연료 전지 기반의 발전 시스템을 동작시키는 방법이 제시되고 있다. 이 연료 전지 기반의 발전 시스템을 동작시키는 방법은, 적어도 제1 스테이지와 제2 스테이지를 포함하는 복수의 스테이지들에서 연료 전지 어셈블리를 가열하는 단계를 포함한다. 연료 전지 어셈블리를 가열하는 단계는, 복수의 스테이지들 중 제1 스테이지 동안, 연료 전지 어셈블리의 일부분 또는 부분들을 가열하기 위해 연료 전지 어셈블리의 일부분 또는 부분들에 대응하는 적어도 하나의 제1 보조 부하에 전원을 공급하는 단계를 포함한다. 또한, 연료 전지 어셈블리를 가열하는 단계는, 연료 전지 어셈블리의 일부분 또는 부분들을 사용하여 제1 DC 전력을 생성하는 단계를 포함한다. 또한, 연료 전지 어셈블리를 가열하는 단계는, 복수의 스테이지들 중 제2 스테이지 동안, 제2 DC 전력을 생성하기 위해 적어도 부분적으로 제1 DC 전력에 기초하여 연료 전지 어셈블리의 다른 부분 또는 부분들을 가열하도록 연료 전지 어셈블리의 다른 부분 또는 부분들에 대응하는 적어도 하나의 제2 보조 부하에 전원을 공급하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들, 양태들, 및 이점들은 다음의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 판독될 때 더 잘 이해될 수 있을 것이며, 첨부된 도면들에서 도면들 전반에 걸쳐 동일한 문자들은 동일한 부품들을 나타낸다.
도 1은 본 명세서의 양태들에 따른 예시적인 연료 전지 기반의 발전 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 명세서의 양태들에 따른 도 1의 연료 전지 기반의 발전 시스템의 일 실시예의 개략도이다.
도 3은 본 명세서의 양태들에 따른 도 2의 연료 전지 기반의 발전 시스템에 사용하기 위한 연료 전지 유닛의 일 실시예의 개략도이다.
도 4는 본 명세서의 양태들에 따른 도 1의 연료 전지 기반의 발전 시스템의 다른 실시예의 개략도이다.
도 5는 본 명세서의 양태들에 따른 도 1의 연료 전지 기반의 발전 시스템을 동작시키는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1은 본 명세서의 양태들에 따른 예시적인 연료 전지 기반의 발전 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 명세서의 양태들에 따른 도 1의 연료 전지 기반의 발전 시스템의 일 실시예의 개략도이다.
도 3은 본 명세서의 양태들에 따른 도 2의 연료 전지 기반의 발전 시스템에 사용하기 위한 연료 전지 유닛의 일 실시예의 개략도이다.
도 4는 본 명세서의 양태들에 따른 도 1의 연료 전지 기반의 발전 시스템의 다른 실시예의 개략도이다.
도 5는 본 명세서의 양태들에 따른 도 1의 연료 전지 기반의 발전 시스템을 동작시키는 방법을 나타내는 흐름도이다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에서 사용된 "제1(first)", "제2(second)" 등의 용어들은 임의의 순서, 양, 또는 중요성을 나타내는 것은 아니며, 오히려 하나의 소자를 다른 소자와 구별하기 위해 사용된다. 또한, 용어 "a" 및 "an"은 양의 제한을 나타내지 않고, 참조된 항목들 중 적어도 하나의 존재를 나타낸다. "또는(or)"이라는 용어는 포괄적이고 목록에 올려진 항목들 중 하나, 일부, 또는 전부를 의미한다. 본 명세서의 "포함하는(including)", "포함하는(comprising)" 또는 "갖는(having)" 및 그 변형은 그 이후에 목록에 올려진 항목 및 그 등가물 뿐만 아니라 추가의 항목들을 포함한다. "연결된(connected)" 및 "결합된(coupled)"이라는 용어는 물리적 또는 기계적 연결 또는 결합으로 제한되지 않으며 직접 또는 간접의 전기 연결 또는 결합을 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용된 용어 "동작 가능하게 결합된(operatively coupled)"은 직접 및 간접 결합을 지칭한다. 또한, "회로(circuit)" 및 "회로(circuitry)" 및 "제어기(controller)"라는 용어는 능동 및/또는 수동 중 하나인 단일 구성 요소 또는 복수의 구성 요소들 중 어느 하나를 포함할 수 있으며 설명된 기능을 제공하도록 연결되거나 달리 결합될 수 있다.
이하 상세하게 설명되는 바와 같이, 연료 전지 기반의 발전 시스템 및 연료 전지 기반의 발전 시스템을 동작시키는 방법의 다양한 실시예들이 제시된다. 예시적인 연료 전지 기반의 발전 시스템은 분산형 발전 응용 분야, 초소형 전력 발생, 소규모 에너지 발생 및/또는 전력 플랜트들 또는 전력 스테이션들과 같은 대규모 응용 분야에 사용될 수 있다. 또한, 예시적인 연료 전지 기반의 발전 시스템은 자동차 산업에 사용될 수 있다. 연료 전지 기반의 발전 시스템은 연료 전지 어셈블리를 직류(DC) 버스에 결합시키기 위한 적어도 하나의 스위칭 소자를 사용한다. 하나의 특정 실시예에서, 스위칭 소자에는 제어 가능한 반도체 스위치가 없기 때문에, 연료 전지 기반의 발전 시스템의 운영 복잡성 및 비용을 감소시킨다. 또한, DC 버스는 양방향 컨버터를 통해 전기 그리드에 연결된다.
또한, 연료 전지 어셈블리는 서로 결합된 복수의 연료 전지 유닛들을 포함한다. 연료 전지 기반 발전 시스템을 동작시키는 예시적인 방법은 연료 전지 어셈블리를 복수의 스테이지들에서 가열하는 단계를 포함한다. 일 예시에서, 연료 전지 기반의 발전 시스템은 연료 전지 어셈블리를 2 개의 스테이지들에서 가열하는 단계를 포함한다. 특히, 연료 전지 어셈블리에 대응하는 보조 부하들은 2 개의 스테이지들로 전원이 공급된다. 따라서, 연료 전지 발전 시스템의 시동 동작은 적어도 제1 스테이지 및 제2 스테이지를 포함한다.
또한, 전원이 공급된 보조 부하는 연료 어셈블리를 가열하는데 도움을 준다. 초기에, 연료 전지 기반의 발전 시스템의 보조 부하들은 외부 전원에 의해 전원이 공급된다. 또한, 연료 전지 기반의 발전 시스템의 시동 동작의 제1 스테이지에서, 연료 전지 어셈블리 내의 제1 세트의 연료 전지 유닛들은 외부 전원으로부터 제1 세트의 연료 전지 유닛들에 대응하는 보조 부하들에 제공되는 전력에 기초하여 가열된다. 제1 세트의 연료 전지 유닛들은 결정된 온도 값을 달성할 때 전력을 생성하기 시작한다.
연료 전지 기반의 발전 시스템의 시동 동작의 제2 스테이지 동안, 외부 전원으로부터 인출된 전력에 부가하여, 제1 세트의 연료 전지 유닛들에 의해 생성된 전력은 연료 전지 어셈블리에 대응하는 모든 보조 부하들에 전원을 공급하는 것을 돕는다. 결과적으로, 나머지 연료 전지 유닛들의 제2 세트가 또한 가열된다. 일 실시예에서, 제1 세트의 연료 전지 유닛들에 의해 생성된 전력이 모든 보조 부하들에 전원을 공급하기에 충분하면, 보조 부하들에 전원을 공급하기 위해 외부 전원으로부터 전력을 끌어 오는 것이 중단될 수 있다. 따라서, 예시적인 방법의 사용은 연료 전지 어셈블리의 모든 연료 전지 유닛들이 함께 가열되는 연료 전지 어셈블리를 가열하는 종래의 방법과 비교할 때, 연료 전지 어셈블리를 가열하기위한 외부 전원으로부터의 보조 부하들에 의해 소비되는 전력을 감소시키는 것을 돕는다.
이제 도면들을 참조하면, 도 1은 본 명세서의 양태들에 따른 예시적인 연료 전지 기반의 발전 시스템의 개략도(100)이다. 특히, 도 1은 연료 전지 어셈블리(102), 적어도 하나의 어셈블리 스위칭 소자(104), 제1 DC 버스(106), 보조 부하들(108), 컨버터(110), 및 제어기(112)를 포함하는 연료 전지 기반의 발전 시스템(101)을 도시한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "제어기"는 집적 회로들(ICs), 컴퓨터, 마이크로 제어기, 마이크로 컴퓨터, 프로그램 가능한 논리 제어기(PLC), 주문형 집적 회로(ASIC), 특정 애플리케이션 프로세서들, 디지털 신호 프로세서들(DSPs), 필드 프로그래머블 게이트 어레이들(FPGAs), 및/또는 임의의 다른 프로그램 가능한 회로들로 언급한다.
연료 전지 기반의 발전 시스템(101)은 전기 그리드(114)에 연결된다. 일 실시예에서, 전기 그리드(114)는 외부 전원으로서 기능할 수 있다. 또한, 연료 전지 기반의 발전 시스템(101)은 배터리, 무정전 전력 공급 장치, 태양 광 발전 시스템, 풍력 기반의 발전 시스템, 열전 장치, 다른 연료 전지 기반의 발전 시스템 등과 같은 다른 외부 전원에 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 DC 버스(106)는 주 DC 버스이다. 연료 전지 어셈블리(102)는 어셈블리 스위칭 소자(104)를 통해 제1 DC 버스(106)에 연결된다. 본 명세서의 양태들에 따르면, 어셈블리 스위칭 소자(104)는 스위치와 직렬로 연결된 다이오드를 포함한다. 스위치는 퓨즈, 릴레이, 수동식 동작 스위치, 기계식 동작 스위치, 전자 기계식 동작 스위치, 자기식 동작 스위치 등을 포함할 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 다이오드는 차단 다이오드이다. 일 실시예에서, 제어 불가능한 스위치가 사용되면, 연료 전지 기반 발전 시스템(101)의 비용 및 복잡성은 감소될 수 있다.
또한, 제1 DC 버스(106)는 컨버터(110)에 연결된다. 컨버터(110)는 커넥터(116)를 통해 전기 그리드(114)에 추가로 연결된다. 커넥터(116)는 예를 들어 동작 조건들에 기초하여 연료 전지 기반의 발전 시스템(101)으로부터 전기 그리드(114)를 연결 또는 분리하기 위해 사용되는 분리 스위치를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 컨버터(110)는 양방향 인버터이다. 컨버터(110)는 전기 그리드(114)와 보조 부하들(108) 및 연료 전지 어셈블리(102) 중 적어도 하나 사이에서 전력을 전달하도록 구성된다. 전력은 DC 전력 및 AC 전력 중 적어도 하나일 수 있다.
더욱이, 연료 전지 어셈블리(102)는 복수의 연료 전지 유닛들(도 2에 도시됨)을 포함하며, 여기서 연료 전지 유닛들은 서로 동작 가능하게 결합된다. 또한, 각각의 연료 전지 유닛은 서로 결합된 복수의 연료 전지 서브 유닛들(도 3에 도시됨)을 포함할 수 있다. 또한, 각각의 연료 전지 서브 유닛은 서로 결합된 연료 전지들의 스택(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 또한, 각각의 연료 전지들은 음극, 양극, 및 전해질을 포함한다.
보조 부하들(108)은 제1 DC 버스(106)에 동작 가능하게 결합된다. 특히, 보조 부하들(108)은 어셈블리 스위칭 소자(104)와 컨버터(110) 사이의 위치에서 제1 DC 버스(106)에 연결된다. 일 실시예에서, 보조 부하들(108)은 제1 DC 버스(106)에 직접 결합된다. 다른 실시예에서, 보조 부하들은 제1 DC 버스(106)에 간접적으로 결합된다(예를 들어, 도 4의 실시예에서 아래에 도시된 바와 같이). 연료 전지 기반의 발전 시스템(101)의 시동 동작 중에, 보조 부하들(108)은 컨버터(110)를 통해 전기 그리드(114)로부터 인출된 전력을 사용하여 전원이 공급된다. 본 명세서의 예시적인 양태들에 따르면, 연료 전지 어셈블리(102)는 적어도 부분적으로 이용 가능하면, 보조 부하들(108)에 전력을 제공하도록 또한 구성된다. 특히, 연료 전지 어셈블리(102)에 의해 생성된 전력은 어셈블리 스위칭 소자(104)를 통해 제1 DC 버스(106)로 전달된다. 이어서, 연료 전지 어셈블리(102)에 의해 생성된 전력은 제1 DC 버스(106)로부터 보조 부하들(108)로 전달된다. 보조 부하들(108)은 연료 송풍기, 공기 송풍기, 공기 환기 장치 등을 포함한다.
일 실시예에서, 각각의 연료 전지 유닛은 대응하는 보조 부하(108)를 가질 수 있다. 특정 실시예들에서, 각각의 연료 전지 서브 유닛은 또한 대응하는 보조 부하(108)를 가질 수 있다. 전형적으로 연료 전지 기반의 발전 시스템에서, DC 버스의 전압은 단일 값으로 유지된다는 것을 알 수 있다. 그러나, DC 버스의 전압을 단일 값으로 유지하는 것은 DC 버스를 동작 가능하게 결합되는 모든 보조 부하들의 상이한 전압 요건들을 충족시키기 위해 DC 버스의 사용을 허용하지 않는다. 현재 존재하는 시스템들의 단점들은 연료 전지 기반의 발전 시스템(101)에 의해 회피된다.
이를 위해, 제어기(112)는 제1 DC 버스(106)의 전압이 전압 값들의 범위 내에서 변동하는 것을 허용하도록 구성된다. 일 예시에서, 제어기(112)는 제1 DC 버스(106)의 전압이 전압 값들의 범위 내에서 변동하는 것을 허용하도록 컨버터(110)의 동작을 제어하도록 구성된다. 특정 실시예들에서, 전압 값들의 범위는 전압 값들의 하한 및 상한을 포함할 수 있다. 일 예시에서, 연료 전지 어셈블리(102)의 보다 낮은 전압 한도가 보조 부하들(108)의 보다 낮은 전압 한계보다 크다면, 제1 DC 버스(106)의 전압 값들의 범위의 하한은 연료 전지 어셈블리(102)의 낮은 전압 한계와 등가이다. 다른 예시에서, 보조 부하들(108)의 낮은 전압 한계가 연료 전지 어셈블리(102)의 낮은 전압 한계보다 크면, 제1 DC 버스(106)의 전압 값들의 범위의 하한은 보조 부하들(108)의 낮은 전압 한계와 동일하다.
연료 전지 어셈블리(102)의 양단 전압이 연료 전지 어셈블리(102)의 낮은 전압 한계보다 낮으면, 연료 전지 어셈블리(102)의 양극은 산화될 수 있고, 이는 결국 연료 전지 어셈블리(102)에 악영향을 줄 수 있다. 또한, 보조 부하들(108)에 제공된 전압이 보조 부하들(108)의 낮은 전압 한계보다 낮으면, 보조 부하들(108)의 동작이 영향을 받는다.
부가적으로, 전압 값들의 범위의 상한은 보조 부하들(108)이 견딜 수 있는 전압의 최대 값에 기초하여 결정된다. 보조 부하들(108)에 제공되는 전압이 보조 부하들(108)이 견딜 수 있는 최대 전압 값을 초과하면, 보조 부하들(108)이 파괴될 수 있음을 알 수 있다. 일 예시에서, 제1 DC 버스(106)의 전압 값들의 범위는 약 350 볼트 내지 약 370 볼트의 범위일 수 있다. 다른 예시에서, 제1 DC 버스(106)의 전압 값들의 범위는 약 345 볼트 내지 약 420 볼트의 범위일 수 있다. 전압 값들의 범위에서 제1 DC 버스(106)의 전압을 유지하는 것은 제1 DC 버스(106)에 결합된 모든 보조 부하들(108)의 상이한 요구 사항들에 맞추는 것을 돕는다.
또한, 본 명세서의 양태들에 따르면, 복수의 연료 전지 유닛들을 갖는 연료 전지 어셈블리(102)는 2 개의 스테이지들에서 가열된다. 일 실시예에서, 보조 부하들(108)은 제1 스테이지 및 제2 스테이지와 같은 복수의 스테이지들에서 연료 전지 어셈블리(102)를 가열하도록 구성된다. 더 특정한 실시예에서, 복수의 연료 전지 유닛들에 대응하는 보조 부하들(108)은 2 개의 스테이지들에서 전원이 공급된다.
연료 전지 기반의 발전 시스템(101)의 시동 동작의 스테이지들 동안, 연료 전지 어셈블리(102)의 제1 세트의 연료 전지 유닛들에 대응하는 보조 부하들은 전기 그리드(114)에 의해 제공된 전력을 사용하여 전원이 공급된다. 제1 세트의 연료 전지 유닛들의 보조 부하들에 전원을 공급하는 것은 제1 세트의 연료 전지 유닛들을 가열하는 것을 돕는다. 이어서, 제1 세트의 연료 전지 유닛들은 전력을 생성한다. 또한, 제1 세트의 연료 전지 유닛들에 의해 생성된 전력은 대응하는 보조 부하들에 전원을 공급하도록 구성된다.
또한, 연료 전지 기반의 발전 시스템(101)의 시동 동작의 제2 스테이지 동안, 연료 전지 어셈블리(102)의 제2 세트의 연료 전지 유닛들에 대응하는 보조 부하들은 제1 세트의 연료 전지 유닛들에 의해 생성된 전력을 사용하여 전원이 공급된다. 제2 세트의 연료 전지 유닛들에 대응하는 보조 부하들에 전원이 공급됨에 따라, 제2 세트의 연료 전지 유닛들이 가열된다. 일단 제2 세트의 연료 전지 유닛들이 가열되면, 제2 세트의 연료 전지 유닛들이 전력을 생성하기 시작한다.
이어서, 제1 및 제2 세트의 연료 전지 유닛들에 의해 생성된 전력의 일부가 제1 및 제2 세트의 연료 전지 유닛들에 대응하는 보조 부하들에 전원이 공급된다. 제1 및 제2 세트의 연료 전지 유닛들에 의해 생성된 전력의 나머지 부분은 컨버터(110)를 통해 전기 그리드(114)에 공급된다. 시동 중에는 복수의 연료 전지 유닛들에 의해 발생된 전력이 보조 부하들에 부분적으로 전원을 공급하기 때문에, 연료 전지 어셈블리를 가열하기 위한 외부 전원으로부터의 보조 부하들에 의해 소비되는 전력은 상당히 감소된다. 일 예시에서, 복수의 연료 전지 서브 유닛들은 또한 2 개의 스테이지들에서 가열될 수 있다. 연료 전지 어셈블리를 동작시키는 방법은 후속하는 도면들과 관련하여 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1의 예시가 단일 어셈블리 스위칭 소자(104)를 통해 제1 DC 버스(106)에 동작 가능하게 결합된 연료 전지 어셈블리(102)를 도시하고 있지만, 임의의 수의 어셈블리 스위칭 소자(104)의 사용이 예상된다. 연료 전지 기반의 발전 시스템의 구조 및 동작 방법의 예시들은 후속하는 도면들과 관련하여 보다 상세히 설명될 것이다.
이제 도 2를 참조하면, 본 명세서의 양태들에 따른 도 1의 연료 전지 기반의 발전 시스템(101)의 일 실시예의 개략도(200)가 제시된다. 특히, 도 2는 1 MW 연료 전지 기반의 발전 시스템(201)의 상세한 구조물을 나타낸다.
연료 전지 기반의 발전 시스템(201)은 연료 전지 어셈블리(202)를 포함한다. 연료 전지 어셈블리(202)는 도 1의 제1 DC 버스(106)와 같은 제1 DC 버스(204)에 동작 가능하게 결합된다. 제1 DC 버스(204)는 양의 DC 라인(206), 중립 라인(208) 및 음의 DC 라인(210)을 포함한다.
도 2의 예시에서, 연료 전지 어셈블리(202)는 4 개의 연료 전지 유닛들(212, 214, 216, 218)을 포함한다. 설명의 편의상, 연료 전지 유닛들(212, 214, 216 및 218)은 제1, 제2, 제3, 및 제4 연료 전지 유닛들로 지칭될 수 있다. 일 실시예에서, 연료 전지 유닛들(212, 214, 216, 218)의 각각은 약 250 kW의 전력을 출력하도록 구성된다.
제1 연료 전지 유닛(212)은 어셈블리 스위칭 소자(220)를 통해 제1 DC 버스(204)에 동작 가능하게 연결된다. 특히, 어셈블리 스위칭 소자(220)의 양의 단자는 양의 DC 라인(206)에 연결되고, 어셈블리 스위칭 소자(220)의 음의 단자는 공통 단자(222)에 연결된다. 유사하게, 제2, 제3, 및 제4 연료 전지 유닛들(214, 216, 218)은 각각의 어셈블리 스위칭 소자들(224, 226, 228)을 통해 제1 DC 버스(204)에 연결된다. 특히, 어셈블리 스위칭 소자(224)의 양의 단자는 양의 DC 라인(206)에 연결되고, 어셈블리 스위칭 소자(224)의 음의 단자는 공통 단자(222)에 연결된다. 유사한 방식으로, 어셈블리 스위칭 소자들(226, 228)의 음극 단자들은 음의 DC 라인(210)에 연결되고, 어셈블리 스위칭 소자들(226, 228)의 양극 단자들은 공통 단자(222)에 연결된다. 공통 단자(222)는 중립 라인/접지선(208)에 연결된다.
어셈블리 스위칭 소자들(220, 224, 226, 228)의 각각은 스위치 및 선택적으로 스위치와 직렬인 다이오드를 포함한다(스위치 및 다이오드의 예시는 도 3에 도시됨). 일 실시예에서, 스위치는 릴레이와 같은 제어 불가능한 스위치이다. 다른 실시예에서, 스위치는 수동 조작 스위치이다. 도 1과 관련하여 전술한 바와 같이, 다른 유형의 스위치들의 사용도 또한 고려된다.
또한, 연료 전지 기반의 발전 시스템(201)은 외부 전원에 동작 가능하게 결합된다. 일 실시예에서, 외부 전원은 전기 그리드(230)이다. 연료 전지 기반의 발전 시스템(201)은 또한 도 1의 컨버터(110)와 같은 컨버터(232)를 포함한다. 전기 그리드(230)는 컨버터(232)를 통해 제1 DC 버스(204)에 연결된다. 일 실시예에서, 컨버터(232)는 양방향 인버터이다.
또한, 연료 전지 기반의 발전 시스템(201)은 가변 주파수 드라이브(236)를 통해 제1 DC 버스(204)에 동작 가능하게 결합되는 보조 부하들(234)을 포함한다. 보조 부하들(234)은 연료 전지 어셈블리(202)와 관련하여 동작한다. 보조 부하들(234)은 공기 송풍기, 연료 송풍기, 공기 환기 장치 등을 포함할 수 있다. 공기 송풍기, 연료 송풍기, 공기 환기 장치에는 관련 모터들을 갖는다. 가변 주파수 드라이브(236)는 대응하는 모터 입력 주파수 및/또는 전압을 변화시킴으로써 보조 부하들(234)과 관련된 모터의 속도 및 토크를 제어하도록 구성된다.
도 2의 예시에서, 보조 부하들(234)은 제1 보조 부하(238), 제2 보조 부하(240), 제3 보조 부하(242), 및 제4 보조 부하(244)를 포함한다. 제1 보조 부하(238)는 제1 연료 전지 유닛(212)에 대응하고, 제2 보조 부하(240)는 제2 연료 전지 유닛(214)에 대응하고, 제3 보조 부하(242)는 제3 연료 전지 유닛(216)에 대응하고, 제4 보조 부하(244)는 제4 연료 전지 유닛(218)에 대응한다. 일 실시예에서, 제1, 제2, 제3 및 제4 보조 부하들(238, 240, 242, 244)은 제1, 제2, 제3 및 제4 연료 전지 유닛들(212, 214, 216, 218) 사이에서 공유될 수 있다.
전술한 바와 같이, 연료 전지 어셈블리(202)는 연료 전지 유닛들(212, 214, 216, 218)을 포함한다. 연료 전지 유닛들(212, 214, 216, 218)의 각각은 복수의 연료 전지 서브 유닛들(도 3에 도시됨)을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 연료 전지 어셈블리(202)는 대응하는 보조 부하들(234)과 관련하여 동작할 수 있다. 또한, 연료 전지 어셈블리(202)는 천연 가스 파이프라인, 버너, 촉매 부분 산화(CPOx) 개질기, 히터 등과 같은 구성 요소들(도 2에 도시되지 않음)과 연계하여 동작한다.
본 명세서의 양태들에 따르면, 연료 전지 기반의 발전 시스템(201)의 시동 동작은 연료 전지 어셈블리(202)를 복수의 스테이지들에서 가열하는 것을 수반한다. 특정 실시예들에서, 복수의 스테이지들은 연료 전지 어셈블리(202)를 가열하는 제1 스테이지 및 제2 스테이지를 포함할 수 있다.
제1 스테이지 동안, 연료 전지 어셈블리(202)의 일부분 또는 부분들에 대응하는 적어도 하나의 제1 보조 부하는 연료 전지 어셈블리(202)의 일부분 또는 부분들을 가열하기 위해 전원이 공급된다. 가열된 연료 전지 어셈블리(202)의 부분 또는 부분들은 제1 DC 전력을 생성하는데 사용될 수 있다. 제2 스테이지 동안, 연료 전지 어셈블리(202)의 다른 부분 또는 다른 부분들에 대응하는 적어도 하나의 제2 보조 부하는 제2 DC 전력을 생성하기 위해 적어도 부분적으로 제1 DC 전력에 기초하여 연료 전지 어셈블리(202)의 다른 부분 또는 다른 부분들을 가열하도록 전원이 공급된다. 일 실시예에서, 제1 스테이지 동안 가열된 연료 전지 어셈블리(202)의 부분 또는 부분들은 하나 이상의 복수의 연료 전지 서브 유닛들을 포함하지만, 다른 실시예에서 제1 스테이지 동안 가열된 연료 전지 어셈블리의 부분 또는 부분들은 복수의 연료 전지 유닛들 중 하나 이상을 포함한다. 도 2 및 도 5의 예시들은 연료 전지 유닛 단위로 설명되고, 도 3의 예시는 연료 전지 서브 유닛 단위로 설명된다. 또한, 제1 스테이지에서 가열된 연료 전지 어셈블리의 부분 또는 부분들은 전체 또는 부분 연료 전지 유닛들일 수 있다.
일 예시에서, 연료 전지 어셈블리(202)는 2 개의 스테이지들에서 가열될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 연료 전지 유닛(212) 내의 연료 전지들의 수는 다른 연료 전지 유닛들(214, 216, 218)의 조합에서의 연료 전지들의 수보다 낮다. 이러한 실시예에서, 제1 연료 전지 유닛(212)을 가열하는데 필요한 시간은 다른 연료 전지 유닛들(214, 216, 218)의 조합을 가열하는데 필요한 시간보다 실질적으로 낮다. 결과적으로, 제1 연료 전지 유닛(212)은 다른 연료 전지 유닛들(214, 216, 218)의 조합에 의해 전력을 생성하는데 필요한 시간과 비교할 때 보다 짧은 시간 내에 전력을 생성하기 시작한다. 일 실시예에서, 제1 연료 전지 유닛(212)은 시스템(201)의 시동 동작의 제1 스테이지 동안 가열되고, 다른 연료 전지 유닛들(214, 216, 218)은 시스템(201)의 시동 동작의 제2 스테이지 동안 가열된다. 결과적으로, 연료 전지 어셈블리(202)는 제1 스테이지 동안 다른 연료 전지 유닛들(214, 216, 218)의 조합이 가열되는 시나리오와 비교할 때 더 짧은 시간에 전력을 생성하기 시작한다. 제1 연료 전지 유닛(212)이 발전을 시작하면, 보조 부하들(238, 240, 242, 244)은 제1 연료 전지 유닛(212)에 의해 생성된 전력에 적어도 부분적으로 기초하여 전원이 공급됨으로써, 전기 그리드(230)로부터 전력의 수입을 감소시킨다.
특히, 연료 전지 기반의 발전 시스템(201)의 시동 동작의 제1 스테이지 동안, 제1 연료 전지 유닛(212)에 대응하는 제1 보조 부하(238)는 전기 그리드(230)를 사용하여 전원이 공급된다. 일 실시예에서, 전기 그리드(230)로부터의 전력은 컨버터(232)를 통해 제1 보조 부하(238)에 제공된다. 일 예시에서, 제1 보조 부하(238)는 송풍기이다. 따라서, 이 예시에서, 송풍기(238)로부터 송풍되는 공기의 양은 전기 그리드(230)로부터 송풍기(238)에 공급되는 전력에 기초한다. 또한, 송풍기(238)로부터의 공기는 천연 가스 파이프 라인으로부터 제공된 천연 가스와 같은 연료와 결합되어 제1 연료 전지 유닛(212)에 제공된다. 버너, 개질기 및 히터 중 적어도 하나는 제1 연료 전지 유닛(212)에 연료를 공급하기 전에 연료를 가열하기 위해 사용될 수 있다. 공기 송풍기로부터 제1 연료 전지 유닛(212)으로 공기와 함께 연료를 공급하는 것은 제1 연료 전지 유닛(212)을 가열하는 것을 돕는다.
일단 제1 연료 전지 유닛(212)이 결정된 온도 값을 얻기 위해 가열되면, 제1 연료 전지 유닛(212)은 전력을 생성하기 시작한다. 이 예시에서, 제1 연료 전지 유닛(212)에 의해 생성된 전력은 제1 DC 전력으로 지칭될 수 있다. 또한, 다른 연료 전지 유닛들(214, 216, 218)에 의해 나중에 생성되는 전력은 제2 DC 전력이라 칭할 수 있다. 마지막으로, 전기 그리드(230)로부터 제1 보조 부하(238)에 제공되는 전력은 제3 DC 전력이라 칭하여 진다. 일 예시에서, 결정된 온도 값은 약 750 ℃일 수 있다. 제1 DC 전력은 제1 DC 버스(204) 및 가변 주파수 드라이브를 통해 제1 보조 부하(238)에 제공된다. 일 예시에서, 제1 DC 전력은 어셈블리 스위칭 소자(220)가 폐쇄 상태에 있을 때 제1 DC 버스(204) 및 가변 주파수 드라이브를 통해 제1 보조 부하(238)에 제공된다. 일 실시예에서, 어셈블리 스위칭 소자(220)는 제1 연료 전지 유닛에서의 전압이 제1 DC 버스(204)에서의 전압보다 클 때 폐쇄 상태임을 유의할 수 있다. 다른 실시예에서, 어셈블리 스위칭 소자(220)는 제1 연료 전지 유닛(212)에서의 전압이 제1 DC 버스(204)에서의 전압보다 낮을 때 개방된다.
또한, 제1 DC 전력이 제1 보조 부하(238)에 전원을 공급하기에 충분하다면, 전기 그리드(230)로부터 제1 보조 부하(238)에 공급되는 전력은 종결될 수 있고, 제1 DC 전력은 제1 보조 부하(238)에 전원을 공급하는데 사용될 수 있다.
이어서, 시스템(201)의 시동 동작의 제2 스테이지에서, 보조 부하들(240, 242, 244)에 전원이 공급된다. 일 실시예에서, 보조 부하들(240, 242, 244)은 전기 그리드(230)로부터 제공된 전력을 사용하여 전원이 공급된다. 특정 상황에서, 제1 DC 전력은 추가적인 보조 부하들에 전원을 공급하기에 충분할 수 있다. 따라서, 일 예시에서, 보조 부하(240)와 같은 부가적인 보조 부하들은 또한 제1 DC 전력에 의해 전원이 공급될 수 있다. 또한, 이 예시에서, 전기 그리드(230)는 보조 부하들(242, 244)과 같은 임의의 나머지 보조 부하들에 전력을 계속 공급할 수 있다.
또한, 제1 DC 버스(204)에 제공된 제1 DC 전력이 모든 보조 부하들(238, 240, 242, 244)에 전원을 공급하기에 충분하다면, 컨버터(232)는 보조 부하들(238, 240, 242, 244)에 전원을 공급하기 위해 전기 그리드(230)로부터의 전력 유입을 정지시키도록 구성된다. 이 시나리오에서, 보조 부하들(238, 240, 242, 244)은 제1 연료 전지 유닛(212)에 의해 생성된 제1 DC 전력에 의해 전원이 공급될 수 있다.
제2, 제3, 및 제4 보조 부하들(240, 242, 244)에 전원을 공급하면, 제2, 제3, 및 제4 연료 전지 유닛들(214, 216, 218)이 가열된다. 제2, 제3, 및 제4 연료 전지 유닛들(214, 216, 218)이 결정된 온도 값에 도달하면, 제2, 제3, 및 제4 연료 전지 유닛들(214, 216, 218)은 각각 전력을 생성한다. 제2, 제3, 및 제4 연료 전지 유닛들(214, 216, 218)에 의해 생성된 전력은 제1 DC 버스(204)를 통해 보조 부하들(238, 240, 242, 244)에 제공된다. 전술한 바와 같이, 제2, 제3, 및 제4 연료 전지 유닛들(214, 216, 218)에 의해 생성된 전력은 제2 DC 전력으로 지칭된다.
제1 DC 버스(204)에 제공된 제1 및 제2 DC 전력의 조합이 보조 부하들(238, 240, 242, 244)에 의해 요구되는 전력을 초과하면, 컨버터(232)는 임의의 초과 전력을 전기 그리드(230)로 지향시키도록 구성된다. 일 예시에서, 제1 DC 버스(204)에 공급된 전력이 전력의 임계 값보다 높으면, 컨버터(232)는 초과 전력을 전기 그리드(230)로 지향시키도록 구성된다. 일 예시에서, 제1 DC 버스(204)의 전력의 임계 값은 모든 보조 부하들(238, 240, 242, 244)의 전력 요건의 합계일 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 '초과 전력'이라는 문구는 연료 전지 유닛들(212, 214, 216, 218)에 의해 생성된 전력과 임계 값 사이의 차이를 나타낸다. 다른 예시에서, 연료 전지 유닛들(212, 214, 216, 218)에 의해 제1 DC 버스(204)에 제공된 전력이 임계 값보다 낮은 경우, 컨버터(232)는 전기 그리드(230)로부터 전력을 유입하도록 구성된다. 결과적으로, 컨버터(232)는 전기 그리드(230)와 제1 DC 버스(204) 사이의 전력의 전달을 "조절"하도록 구성되어, 위에서 논의된 전압 값들의 범위 내에서 제1 DC 버스(204)의 전압을 유지하는 것을 돕는다.
전술한 바와 같이, 보조 부하들(238, 240, 242, 244)은 이 보조 부하들(238, 240, 242, 244)에 전원을 공급하기 위해 전기 그리드(230)에 전적으로 의존하는 대신에 제1 연료 전지 유닛(212)에 의해 생성된 전력과 전기 그리드(230)에 의해 제공되는 전력의 조합을 사용하여 전원이 공급된다. 특정의 다른 시나리오들에서, 보조 부하들(238, 240, 242, 244)은 전기 그리드(230)로부터 임의의 전력도 유입되지 않고서 제1 연료 전지 유닛(212)에 의해 생성된 전력에 의해 전체적으로 전원이 공급될 수 있다. 따라서, 연료 전지 기반의 발전 시스템(201)의 보조 부하들(238, 240, 242, 244)에 전원을 공급하기 위해 전기 그리드(230)로부터 소비되는 전력의 양은 종래의 연료 전지 기반의 발전 시스템에 의해 소비되는 전력과 비교할 때 실질적으로 낮다. 예로서, 종래의 1 MW 연료 전지 기반의 발전 시스템은 연료 전지 어셈블리를 가열하기 위해 약 800 kWh를 사용한다. 그러나, 전술한 바와 같이 1 MW 연료 전지 기반의 발전 시스템(200)을 구현함으로써, 연료 전지 어셈블리(202)를 가열하는데 필요한 전력은 약 20 kWh이므로, 약 780 kWh의 전력 소비를 감소시킨다. 일 예시에서, 연료 전지 어셈블리(202)의 보조 부하들(234)에 전원을 공급하기 위해 전기 그리드(230)로부터 인출되는 전력의 양은 800 kWh에서 20 kWh로 감소된다.
도 2의 예시가 제1, 제2, 제3, 및 제4 보조 부하들(238, 240, 242, 244)을 포함하는 보조 부하들(234)을 나타내지만, 상이한 보조 부하들의 배치가 고려된다. 또한, 도 2의 예시가 제1, 제2, 제3 및 제4 보조 부하들을 제1 DC 버스에 결합하기 위해 단일 가변 주파수 드라이브만의 사용을 나타내고 있지만, 상이한 수의 가변 주파수 드라이브의 사용이 고려된다. 또한, 제1, 제2, 제3 및 제4 보조 부하들을 제1 DC 버스에 연결하는 상이한 기술들이 예상될 수 있다.
도 3은 본 명세서의 양태들에 따라 도 2의 연료 전지 기반의 발전 시스템(201)에서 사용하기 위한 연료 전지 유닛의 일 실시예의 개략도(300)이다. 특히, 도 3은 연료 전지 유닛들(212, 214, 216, 218)과 같은 하나의 연료 전지 유닛을 나타낸다.
연료 전지 유닛(300)은 복수의 연료 전지 서브 유닛들(302) 및 복수의 서브 유닛 스위칭 소자들(304)을 포함한다. 하나의 연료 전지 서브 유닛(302)은 대응하는 서브 유닛 스위칭 소자(304)를 통해 또 다른 연료 전지 서브 유닛(302)에 연결된다. 또한, 서브 유닛 스위칭 소자들(304)의 양의 단자들(306)은 함께 결합되어 양의 DC 라인(310)을 형성한다. 유사하게, 서브 유닛 스위칭 소자들(304)의 음의 단자들(308)은 함께 결합되어 음의 DC 라인(312)을 형성한다. 양의 DC 라인(310)과 음의 DC 라인(312)의 조합은 서브 유닛 DC 버스(313)를 형성한다. 서브 유닛 DC 버스(313)는 도 2의 제1 DC 버스(204)와 같은 제1 DC 버스에 연결될 수 있다. 또한, 제1 DC 버스는 전기 그리드에 연결된다. 따라서, 서브 유닛 DC 버스(313)는 제1 DC 버스를 통해 전기 그리드에 연결된다.
각각의 서브 유닛 스위칭 소자(304)는 전형적으로 스위치(314) 및 차단 다이오드(316)를 포함한다. 스위치들(314)은 연료 전지 어셈블리 및 유닛들과 관련하여 전술한 것과 동일한 유형의 스위치들을 포함할 수 있다. 서브 유닛 스위칭 소자(304)는 연료 유닛 서브 유닛(302)을 서브 유닛 DC 버스(313)로부터 및 따라서 제1 DC 버스(204)로부터 분리/결합하는 것을 돕는다. 서브 유닛 DC 버스(313)로부터 연료 전지 서브 유닛(302)의 분리는 전기 그리드로부터 연료 전지 서브 유닛(302)으로의 역류를 방지하는 것을 돕는다.
또한, 각각의 연료 전지 서브 유닛(302)은 복수의 연료 전지들을 포함한다. 참조 번호 318은 제1 세트의 연료 전지 서브 유닛들(도시된 바와 같이 하나의 연료 전지 서브 유닛 또는 더 많은 연료 전지 서브 유닛들을 포함할 수 있음)을 도시하고, 참조 번호 320은 제2 세트의 연료 전지 서브 유닛들을 도시한다. 현재 명세서에서, 제1 세트의 연료 전지 서브 유닛들(318)은 또한 복수의 연료 전지 서브 유닛들 중 하나 이상의 연료 전지 서브 유닛들로서 지칭될 수 있고, 제2 세트의 연료 전지 서브 유닛들(320)은 복수의 연료 전지 서브 유닛들 중 다른 연료 전지 서브 유닛들로 지칭될 수 있다.
전술한 바와 같이, 천연 가스와 같은 연료가 연료 전지들에 제공된다. 일 실시예에서, 제1 세트의 연료 전지 서브 유닛들(318) 및 제2 세트의 연료 전지 서브 유닛들(320)은 신선한 연료를 수신하도록 구성된다. 신선한 연료는 독립적인 연료 채널들을 통해 제1 세트의 연료 전지 서브 유닛들(318) 및 제2 세트의 연료 서브 유닛들(320)에 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 세트의 연료 전지 서브 유닛들(318)은 제1 스테이지에서 가열되고, 이어서 제2 세트의 연료 전지 서브 유닛들(320)은 제2 스테이지에서 가열된다. 이 실시예에서, 제1 스테이지 동안, 신선한 연료가 제1 세트의 연료 전지 서브 유닛들(318) 및 제2 세트의 연료 전지 서브 유닛들(320)에 제공된다. 이어서, 제2 스테이지 동안, 제1 세트의 연료 전지 서브 유닛들(318)로의 신선한 연료의 공급이 중단되는 동안, 제2 세트의 연료 전지 서브 유닛들(320)로 신선한 연료의 공급이 계속된다. 이 시나리오에서, 제2 세트의 연료 전지 서브 유닛들(320)의 배기 가스는 제1 세트의 연료 전지 서브 유닛들(318)에 제공된다. 이 실시예에서, 제1 세트의 연료 전지 서브 유닛들(318)은 제2 세트의 연료 전지 서브 유닛들(320)과 직렬로 연결될 수 있고, 따라서 제1 및 제2 세트의 연료 전지 서브 유닛들(318, 320)은 유체 연통한다. 구체적으로, 제2 스테이지 동안, 제1 및 제2 세트의 연료 전지 서브 유닛들(318, 320)은 유체 연통되어, 제2 세트의 연료 전지 서브 유닛들(320)로부터 제1 세트의 연료 전지 서브 유닛들(318)로의 배기 가스의 공급을 돕는다. 제1 세트의 연료 전지 서브 유닛들(318)의 배기 가스는 메탄, 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 및 증기를 포함할 수 있는 미 반응 연료를 포함한다.
또한, 제1 세트의 연료 전지 서브 유닛들(318)의 연료 전지들의 수는 제2 세트의 연료 전지 서브 유닛들(320)의 연료 전지들의 수보다 실질적으로 낮을 수 있음을 알 수 있다. 일 예시에서, 제1 세트의 연료 전지 서브 유닛들(318)의 연료 전지들의 수는 500이고, 제2 세트의 연료 전지 서브 유닛들(320)의 연료 전지들의 수는 2500이다.
또한, 각각의 연료 전지 유닛(300)은 보조 부하들(도 3에 도시되지 않음)과 결합되어 전력을 발생시킨다. 일 실시예에서, 보조 부하들은 제1 및 제2 세트의 연료 전지 서브 유닛들(318, 320)의 사이에서 공유될 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 세트의 연료 전지 서브 유닛들(318, 320)의 각각은 대응하는 보조 부하들의 세트를 가질 수 있다.
연료 전지 유닛(300)의 시동 동작 중에, 제1 스테이지에서, 제1 세트의 연료 서브 유닛들(318)에 대응하는 보조 부하들에 외부 전원으로부터의 전력이 제공된다. 일 예시에서, 외부 전원은 도 2의 전기 그리드(230)와 같은 전기 그리드 일 수 있다. 제1 세트의 연료 전지 서브 유닛들(318)은 전기 그리드로부터 대응하는 보조 부하들에 제공되는 전력에 기초하여 가열된다. 제1 세트의 연료 전지 서브 유닛들(318)이 결정된 온도 값에 도달하면, 제1 세트의 연료 전지 서브 유닛(318)은 대응하는 DC 전력을 생성한다. 제1 세트의 연료 전지 서브 유닛들(318)에 의해 생성된 DC 전력은 제4 DC 전력으로 지칭된다.
일 실시예에서, 제4 DC 전력은 서브 유닛 DC 버스(313)를 통해 제1 세트의 연료 전지 서브 유닛들로부터 연료 전지 유닛(300)의 보조 부하들로 전달된다. 제4 DC 전력은 전기 그리드(230)로부터 제공되는 전력에 부가하여 보조 부하들에 제공됨을 알 수 있다. 전기 그리드(230)로부터 보조 부하들로의 전력의 공급은 연료 전지 유닛(300)으로부터의 제4 DC 전력의 공급에 비추어 감소된다. 따라서, 전기 그리드(230)로부터 보다 적은 전력이 유입된다. 특정 시점에서, 제4 DC 전력이 연료 전지 유닛(300)의 모든 보조 부하들에 전원을 공급하기에 충분하다면, 외부 전원으로부터 전력이 인출되지 않을 수 있다.
연료 전지 유닛(300)의 시동 동작의 제2 스테이지 동안, 제2 세트의 연료 전지 서브 유닛들(320)은 가열될 수 있다. 결과적으로, 제2 세트의 연료 전지 서브 유닛들(320)은 대응하는 DC 전력을 생성할 수 있다. 제2 세트의 연료 전지 서브 유닛들(320)에 의해 생성된 전력은 제5 DC 전력이라 칭할 수 있다. 제4 및 제5 DC 전력은 서브 유닛 DC 버스(313)를 통해 제1 DC 버스에 제공된다. 일 예시에서, 제4 전력은 제1 DC 전력 및 제2 DC 전력 중 적어도 하나의 제1 부분이다. 다른 예시에서, 제5 전력은 제1 DC 전력 및 제2 DC 전력 중 적어도 하나의 제2 부분이다. 제1 스테이지 동안 가열된 연료 전지들의 수는 제2 스테이지 동안 가열된 연료 전지들의 수보다 적음을 알 수 있다.
본 명세서의 양태들에 따르면, 상이한 스테이지들에서 제1 및 제2 세트의 연료 전지 서브 유닛들(318, 320)을 가열하는 것은 전기 그리드(230)로부터 연료 전지 유닛(300)의 보조 부하들에 의해 소비되는 전력을 감소시키는 것을 돕는다.
한 세트의 연료 전지 서브 유닛들이 도 3에 도시되어 있지만, 일 실시예에서는 도 2와 관련하여 전술한 바와 같이 다른 연료 전지 유닛들을 차례로 사용할 수 있는 하나의 연료 전지 유닛을 시동하는데 사용될 수 있고, 다른 실시예에서 하나 이상의 연료 전지 유닛은 동시에 시동되는 하나 이상의 연료 전지 서브 유닛들을 갖는다. 이러한 실시예에서, 적어도 2 개의 연료 전지 서브 유닛들은 동시에 가열될 수 있고, 적어도 2 개의 연료 전지 서브 유닛들 중 적어도 하나는 적어도 2 개의 연료 전지 서브 유닛들의 다른 연료 전지 서브 유닛과는 상이한 연료 전지 유닛에 위치될 수 있다.
도 4는 본 명세서의 양태들에 따른 도 1의 연료 전지 기반의 발전 시스템(101)의 다른 실시예의 개략도(400)이다. 특히, 도 4는 복수의 연료 전지 유닛들(402), 복수의 어셈블리 스위칭 소자들(404), 제1 DC 버스(406), 및 컨버터(410)를 포함하는 연료 전지 기반의 발전 시스템(401)을 나타낸다. 연료 전지 기반의 발전 시스템(401)은 전기 그리드(408)와 같은 외부 전원에 연결된다. 다른 실시예에서, 외부 전원은 배터리, 무정전 전력 공급 장치(UPS), 태양 광 기반의 전원, 풍력 터빈 기반의 전원, 열전 장치, 및 다른 연료 전지 기반의 발전 시스템일 수 있다. 일 실시예에서, 컨버터(410)는 양방향 인버터이다. 도 4의 예시에서, 제1 DC 버스(406)는 주 DC 버스이고 컨버터(410)를 통해 전기 그리드(408)에 동작 가능하게 연결된다.
하나의 연료 전지 유닛(402)은 대응하는 어셈블리 스위칭 소자(404)를 통해 또 다른 연료 전지 유닛(402)에 동작 가능하게 연결된다. 또한, 각각의 연료 전지 유닛(402)은 대응하는 어셈블리 스위칭 소자(404)를 통해 제1 DC 버스(406)에 동작 가능하게 연결된다. 또한, 각각의 연료 전지 유닛(402)은 복수의 연료 전지 서브 유닛들을 포함한다.
또한, 연료 전지 기반의 발전 시스템(401)은 제2 DC 버스(414) 및 보조 부하(416)를 포함한다. 제2 DC 버스(414)는 보조 DC 버스이고, 보조 스위칭 소자(417)를 통해 제1 DC 버스(406)에 동작 가능하게 결합된다. 일 실시예에서, 제2 DC 버스는 보조 스위칭 소자(417)를 통해 보조 부하들(416)과 제1 DC 버스(406) 사이에 결합된다. 일 예시에서, 보조 스위칭 소자(417)는 스위치(418) 및 차단 다이오드(420)를 포함한다. 일 예시에서, 스위치(418)는 릴레이이다. 차단 다이오드(420)는 전력이 제1 DC 버스(406)로부터 제2 DC 버스(414)로 단일 방향으로 흐르게 한다. 도 4의 도시된 실시예에서, 제1 DC 버스(406)의 전압은 제2 DC 버스(414)의 전압보다 높다는 것을 알 수 있다. 일 실시예에서, 제2 DC 버스(414)의 전압은 전압 값들의 범위 내에서 변동하도록 허용된다. 일 예시에서, 전압 값들의 범위는 약 350 볼트 내지 약 370 볼트의 범위 이내일 수 있다.
또한, 예시의 목적으로 도 4에 도시된 연료 전지 기반의 발전 시스템(401)은 추가의 DC 전원(412)을 포함한다. 추가의 DC 전원(412)은 제2 DC 버스(414)에 연결된다. 일 실시예에서, 추가의 DC 전원(412)은 배터리이다.
또한, 보조 부하(416)는 제2 DC 버스(414)에 연결된다. 이 실시예에서, 보조 부하(416)는 제1 DC 버스(406)에 간접적으로 결합된다. 일 실시예에서, 연료 전지 기반의 발전 시스템(401)의 시동 동작 동안, 추가의 DC 전원(412)은 복수의 연료 전지 유닛들의 연료 전지 유닛들 중 적어도 하나의 보조 부하들(416) 중 적어도 일부에 전원을 공급하는데 사용될 수 있다. 연료 전지 기반의 발전 시스템(401)에서 추가의 DC 전원(412)의 사용은 보조 부하들(416)의 흑색 시동을 가능하게 한다. 본 명세서에서 사용되는 '보조 부하들의 흑색 시동'이라는 문구는 전기 그리드(408)가 제1 DC 버스(406)로부터 분리된 경우에도 보조 부하들의 초기 전원 공급을 지칭한다. 따라서, 도 4를 참조하여 기술된 바와 같이 시스템(401)을 구현하는 것은 전기 그리드(408)로부터의 전력의 공급이 없는 경우에도 보조 부하(416)로의 전력 공급을 중단없이 보장하는 것을 돕는다.
도 5는 본 명세서의 양태들에 따른 도 1의 연료 전지 기반의 발전 시스템(101)을 동작시키는 방법을 나타내는 흐름도(500)이다. 도 5의 방법은 도 1 및 도 2의 구성 요소들에 관하여 설명된다. 본 명세서의 양태들에 따르면, 연료 전지 기반의 발전 시스템(101)을 동작시키는 방법(500)은 단계 502에 의해 나타낸 바와 같이 연료 전지 어셈블리(202)를 복수의 스테이지들에서 가열하는 단계를 포함한다. 일 예시에서, 복수의 스테이지들은 적어도 제1 스테이지 및 제2 스테이지를 포함한다.
특정 실시예들에서, 복수의 스테이지들에서 연료 전지 어셈블리(202)를 가열하는 단계 502는 하위 단계들 504, 506, 및 508을 포함한다. 특히, 하위 단계 504에서, 복수의 스테이지들 중 제1 스테이지 동안, 복수의 연료 전지 유닛들 중 적어도 하나의 연료 전지 유닛에 대응하는 적어도 하나의 제1 보조 부하는 적어도 하나의 연료 전지 유닛을 가열하도록 전원이 공급된다. 또한, 적어도 하나의 연료 전지 유닛은 적어도 하나의 연료 전지 유닛의 가열에 따라 결정된 온도 값을 얻는다. 예로서, 보조 부하(238)는 컨버터(232)를 통해 전기 그리드(230)로부터 전원을 공급 받는다. 결과적으로, 제1 연료 전지 유닛(212)은 가열된다. 도 2와 관련하여 전술한 바와 같이, 제1 보조 부하(238)는 제1 연료 전지 유닛(212)에 대응한다. 특히, 제1 보조 부하(238)는 제1 연료 전지 유닛(212)을 가열하는 것을 돕는다.
또한, 하위 단계 506에서, 가열된 적어도 하나의 연료 전지 유닛을 사용하여 제1 DC 전력이 생성된다. 예를 들어, 하위 단계 504에서 가열된 제1 연료 전지 유닛(212)은 일단 제1 연료 전지 유닛(212)이 결정된 온도 값에 도달하면 제1 DC 전력을 생성한다. 일 예시에서, 결정된 온도 값은 750 ℃이다. 이 제1 DC 전력은 제1 DC 버스(204)에 제공된다. 제1 연료 전지 유닛(212)에 의해 생성된 제1 DC 전력의 값이 제1 보조 부하(238)의 전력 요건을 충족시키기에 충분하다면, 제1 보조 부하(238)는 전기 그리드(230) 대신에 제1 연료 전지 유닛(212)으로부터 전원이 공급된다.
또한, 하위 단계 508에서, 복수의 스테이지들 중 제2 스테이지 동안, 복수의 연료 전지 유닛들의 다른 연료 전지 유닛들에 대응하는 적어도 하나의 제2 보조 부하는 제2 DC 전력을 생성하기 위해 적어도 제1 DC 전력에 기초하여 다른 연료 전지 유닛들을 가열하도록 전원이 공급된다. 일 실시예에서, 전기 그리드(230)로부터 전력과 함께 제1 연료 전지 유닛(212)에 의해 생성된 제1 DC 전력은 다른 연료 전지 유닛들(214, 216, 218)의 보조 부하들(240, 242, 244)에 제공된다. 결과적으로, 다른 연료 전지 유닛들(214, 216, 218)은 가열된다.
특정 상황에서, 제1 연료 전지 유닛(212)에 의해 생성된 제1 DC 전력의 값이 다른 연료 전지 유닛들(214, 216, 218)의 보조 부하들(240, 242, 244)에 전원을 공급하기에 충분하다면, 컨버터(232)는 보조 부하들(240, 242, 244)에 전원을 공급하기 위해 전기 그리드(230)로부터의 전력의 유입을 정지시키도록 구성된다. 이 시나리오에서, 다른 연료 전지 유닛들(214, 216, 218)은 생성된 제1 DC 전력에만 기초하여 가열된다. 다른 연료 전지 유닛들(214, 216, 218)은 다른 연료 전지 유닛들(214, 216, 218)의 가열에 기초하여 제2 DC 전력을 생성한다. 제2 DC 전력은 또한 제1 DC 버스(204)에 제공된다.
일 실시예에서, 제1 DC 전력 및 제2 DC 전력의 일부는 보조 부하들(240, 242, 244)에 전원을 공급하는데 사용된다. 또한, 제1 DC 전력 및 제2 DC 전력의 나머지 부분은 컨버터(232)를 통해 전기 그리드(230)에 제공된다. 특히, 연료 전지 어셈블리(202)로부터 제1 DC 버스(204)에 공급된 제1 및 제2 DC 전력이 임계 값을 초과하면, 과도한 전력이 컨버터(232)를 통해 전기 그리드(230)에 제공되도록 도 1의 제어기(112)는 컨버터(232)를 조절하는데 사용된다. 컨버터(232)에 의해 전기 그리드(230)에 과잉 전원을 공급하는 것은 제1 DC 버스(204)의 전압이 전압 값들의 범위 내에서 변동하는 것을 허용한다. 특히, 제1 DC 버스(204)의 전압은 전압의 하한과 전압의 상한 사이에서 변할 수 있다. 일 실시예에서, 전압의 하한 및 상한은 제어기(112)를 사용하여 결정될 수 있다. 연료 전지 기반의 발전 시스템을 동작시키는 예시적인 방법을 사용하여, 연료 전지 어셈블리를 가열하기 위한 외부 전원으로부터의 보조 부하들에 의해 소비되는 전력은 감소된다.
또한, 시스템에 의해 수행될 수 있는 것과 같은 전술한 예시들, 설명들, 및 공정 단계들은 범용 또는 특수 목적 컴퓨터와 같은 프로세서 기반 시스템 상의 적절한 코드에 의해 구현될 수 있다. 또한, 본 기술의 상이한 구현 예들은 본 명세서에 기재된 단계들의 일부 또는 전부를 상이한 순서로 또는 실질적으로 동시에, 즉 병행하여 수행할 수 있음을 알아야 한다. 또한, 이 기능들은 C++ 또는 자바를 포함하지만 이들로 제한되지 않는 다양한 프로그래밍 언어들로 구현될 수 있다. 이러한 코드는 데이터 저장소 칩들, 로컬 또는 원격 하드 디스크들, 광학 디스크(즉, CD 또는 DVD), 메모리 또는 다른 매체와 같은 하나 이상의 유형의 기계 판독 가능한 매체에 저장하기 위해 저장되거나 적응될 수 있으며, 저장된 코드를 실행하기 위해 프로세서 기반 시스템에 의해 액세스될 수 있다. 실체 매체는 명령이 인쇄되는 종이 또는 다른 적합한 매체를 포함할 수 있음을 주목한다. 예를 들어, 명령은 종이 또는 다른 매체의 광학 스캐닝을 통해 전자적으로 캡쳐링된 다음, 필요에 따라 컴파일되고, 해석되거나 또는 적절한 방식으로 처리되고, 데이터 저장소 또는 메모리에 저장될 수 있다.
연료 전지 기반의 발전 시스템의 다양한 실시예들 및 연료 전지 기반의 발전 시스템을 동작시키는 방법이 제시된다. 본 명세서에 제시된 시스템들 및 방법들은 연료 어셈블리의 연료 전지들을 2 개의 스테이지들에서 가열하는 것을 돕는다. 예시적인 연료 전지 기반의 발전 시스템의 사용은 외부 전원으로부터 전력을 전적으로 유입하는 대신에, 작은 세트의 연료 전지들 및 외부 전원에 의해 제공되는 전력을 사용하여 보다 큰 세트의 연료 전지들을 가열하는 것을 돕는다. 따라서, 예시적인 연료 전지 기반의 발전 시스템의 사용은 외부 전원으로부터 소비되는 전력을 낮추는 것을 돕는다. 또한, 연료 전지 기반의 발전 시스템은 차례로 스위치들을 포함하는 스위칭 소자들을 사용한다. 연료 전지 어셈블리를 DC 버스에 연결하기 위해 통상적으로 사용되는 컨버터들 대신에 이러한 스위칭 소자들을 사용하면 비교적 저렴하고 간단한 연료 전지 기반의 발전 시스템이 제공된다. 예시적인 연료 전지 기반의 발전 시스템은 분산형 발전 응용 분야, 초소형 전력 발생, 소규모 에너지 발생 및/또는 전력 플랜트들 또는 전력 스테이션들과 같은 대규모 응용 분야에 사용될 수 있다. 또한, 예시적인 연료 전지 기반의 발전 시스템은 자동차 산업에서의 응용을 찾을 수 있다.
본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변경이 가해질 수 있고 등가물이 그 구성 요소들로 대체될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 교시에 특정 상황 또는 재료를 적응시키도록 많은 수정이 이루어질 수 있다.
Claims (20)
- 연료 전지 기반의 발전 시스템에 있어서,
DC 전력을 생성하도록 구성된 연료 전지 어셈블리 - 상기 연료 전지 어셈블리는 서로 동작 가능하게 결합된 복수의 연료 전지 유닛들을 포함함 - ;
상기 연료 전지 어셈블리를 제1 직류(DC) 버스에 동작 가능하게 결합하도록 구성된 적어도 하나의 어셈블리 스위칭 소자;
상기 제1 DC 버스와 전기 그리드 사이에 결합된 적어도 하나의 컨버터;
상기 적어도 하나의 어셈블리 스위칭 소자와 상기 적어도 하나의 컨버터 사이의 위치에서 상기 제1 DC 버스에 동작 가능하게 결합된 복수의 보조 부하들 - 각각의 연료 전지 유닛은 대응하는 보조 부하를 포함하도록 구성되고, 상기 보조 부하들은 복수의 스테이지들에서 상기 연료 전지 어셈블리를 가열하도록 구성되고, 상기 복수의 보조 부하들 중 적어도 하나는 상기 적어도 하나의 어셈블리 스위칭 소자를 통해 상기 연료 전지 어셈블리로부터 전력을 수신하도록 구성됨 -; 및
상기 적어도 하나의 컨버터에 동작 가능하게 결합된 제어기
를 포함하고,
상기 제어기는 상기 제1 DC 버스의 전압이 전압 값들의 범위 내에서 변동하는 것을 허용하도록 구성되는 것인 연료 전지 기반의 발전 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 컨버터는 상기 연료 전지 어셈블리 및 상기 복수의 보조 부하들 중 적어도 하나와 상기 전기 그리드 사이에서 전력을 전달하도록 구성되는 것인 연료 전지 기반의 발전 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 연료 전지 어셈블리의 시동 중에 상기 복수의 보조 부하들 중 적어도 일부에 전력을 제공하도록 구성된 DC 전원(power source)을 더 포함하는 연료 전지 기반의 발전 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 어셈블리 스위칭 소자는 퓨즈, 릴레이, 수동식 동작 스위치, 기계식 동작 스위치, 전자 기계식 동작 스위치, 자기식 동작 스위치, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 연료 전지 기반의 발전 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 연료 전지 유닛들의 각각은 복수의 연료 전지 서브 유닛들을 포함하는 것인 연료 전지 기반의 발전 시스템.
- 제5항에 있어서, 복수의 서브 유닛 스위칭 소자들을 더 포함하고,
상기 복수의 서브 유닛 스위칭 소자들은 상기 복수의 연료 전지 서브 유닛들을 서로 동작 가능하게 결합하도록 구성되는 것인 연료 전지 기반의 발전 시스템. - 제5항에 있어서, 상기 복수의 연료 전지 서브 유닛들 중 하나 이상의 연료 전지 서브 유닛은 상기 복수의 연료 전지 서브 유닛들 중 다른 연료 전지 서브 유닛들의 배기 가스 및 신선한 연료(fresh fuel) 중 적어도 하나를 수신하도록 구성되고, 상기 복수의 연료 전지 서브 유닛들 중 상기 다른 연료 전지 서브 유닛들은 신선한 연료를 수신하도록 구성되는 것인 연료 전지 기반의 발전 시스템.
- 제1항에 있어서, 보조 스위칭 소자를 통해 상기 복수의 보조 부하들과 상기 제1 DC 버스 사이에 결합된 제2 DC 버스를 더 포함하는 연료 전지 기반의 발전 시스템.
- 제8항에 있어서, 상기 제2 DC 버스의 전압은 상기 제1 DC 버스의 전압보다 낮은 것인 연료 전지 기반의 발전 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 전압 값들의 범위는 345 볼트 내지 420 볼트 범위 이내인 것인 연료 전지 기반의 발전 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 보조 부하들은 연료 송풍기, 공기 송풍기, 및 공기 환기 장치 중 적어도 하나를 포함하는 것인 연료 전지 기반의 발전 시스템.
- 연료 전지 어셈블리, 적어도 하나의 어셈블리 스위칭 소자, 및 제1 직류(DC) 버스에 동작 가능하게 결합된 복수의 보조 부하들을 포함하는 연료 전지 기반의 발전 시스템을 동작시키는 방법으로서,
적어도 제1 스테이지와 제2 스테이지를 포함하는 복수의 스테이지들에서 상기 연료 전지 어셈블리를 가열하는 단계를 포함하고,
상기 연료 전지 어셈블리를 가열하는 단계는,
상기 복수의 스테이지들 중 상기 제1 스테이지 동안, 상기 연료 전지 어셈블리의 일부분 또는 부분들을 가열하도록 상기 연료 전지 어셈블리의 상기 일부분 또는 부분들에 대응하는 적어도 하나의 제1 보조 부하에 전력을 공급하는 단계;
상기 연료 전지 어셈블리의 상기 일부분 또는 부분들을 사용하여 제1 DC 전력을 생성하는 단계; 및
상기 복수의 스테이지들 중 상기 제2 스테이지 동안, 제2 DC 전력을 생성하기 위해 적어도 부분적으로 상기 제1 DC 전력에 기초하여 상기 연료 전지 어셈블리의 다른 일부분 또는 부분들을 가열하도록 상기 연료 전지 어셈블리의 상기 다른 일부분 또는 부분들에 대응하는 적어도 하나의 제2 보조 부하에 전력을 공급하는 단계
를 포함하는 것인 연료 전지 기반의 발전 시스템을 동작시키는 방법. - 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 보조 부하에 전력을 공급하는 단계는, 전기 그리드, 배터리, 무정전 전력 공급 장치, 태양열 발전 시스템, 풍력 기반의 발전 시스템, 열전 장치, 다른 연료 전지 기반의 발전 시스템, 또는 이들의 조합을 사용하는 단계를 포함하는 것인 연료 전지 기반의 발전 시스템을 동작시키는 방법.
- 제13항에 있어서, 적어도 하나의 컨버터를 통해 상기 제1 DC 전력 및 상기 제2 DC 전력 중 적어도 일부를 상기 전기 그리드로 유도하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 기반의 발전 시스템을 동작시키는 방법.
- 제12항에 있어서, 제어기를 사용하여, 상기 제1 DC 버스에 대응하는 전압 값들의 범위를 결정하는 단계; 및
상기 제어기를 사용하여 상기 전압 값들의 범위 내에서 상기 제1 DC 버스의 전압의 변동을 허용하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 기반의 발전 시스템을 동작시키는 방법. - 제12항에 있어서, 상기 연료 전지 어셈블리는 복수의 연료 전지 유닛들을 포함하고, 상기 제1 스테이지 동안 가열된 상기 연료 전지 어셈블리의 상기 일부분 또는 부분들은 상기 복수의 연료 전지 유닛들 중 하나 이상의 유닛을 포함하는 것인 연료 전지 기반의 발전 시스템을 동작시키는 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 연료 전지 어셈블리는 복수의 연료 전지 유닛들을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 유닛들의 각각은 복수의 연료 전지 서브 유닛들을 포함하고, 상기 제1 스테이지 동안 가열된 상기 연료 전지 어셈블리의 상기 일부분 또는 부분들은 상기 복수의 연료 전지 서브 유닛들 중 하나 이상의 연료 전지 서브 유닛을 포함하는 것인 연료 전지 기반의 발전 시스템을 동작시키는 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 제1 스테이지 동안 가열된 상기 연료 전지 어셈블리의 상기 일부분 또는 부분들은 적어도 2 개의 연료 전지 서브 유닛들을 포함하고, 상기 적어도 2 개의 연료 전지 서브 유닛들 중 적어도 하나는 상기 적어도 2 개의 연료 전지 서브 유닛들 중 다른 하나보다 상이한 연료 전지 유닛에 위치해 있는 것인 연료 전지 기반의 발전 시스템을 동작시키는 방법.
- 제17항에 있어서,
상기 제1 스테이지 동안, 상기 복수의 연료 전지 서브 유닛들 중 상기 하나 이상의 연료 전지 서브 유닛 및 상기 복수의 연료 전지 서브 유닛들 중 다른 연료 전지 서브 유닛들에 신선한 연료를 제공하는 단계; 및
상기 제2 스테이지 동안, 상기 복수의 연료 전지 서브 유닛들 중 상기 다른 연료 전지 서브 유닛들에 신선한 연료를 제공하고, 상기 복수의 연료 전지 서브 유닛들 중 상기 하나 이상의 연료 전지 서브 유닛으로 상기 복수의 연료 전지 서브 유닛들 중 상기 다른 연료 전지 서브 유닛들의 배기 가스를 제공하는 단계
를 더 포함하는 연료 전지 기반의 발전 시스템을 동작시키는 방법. - 제17항에 있어서, 상기 연료 전지 서브 유닛들의 각각은 복수의 연료 전지들을 더 포함하고, 상기 제1 스테이지 동안 가열된 연료 전지들의 수가 상기 제2 스테이지 동안 가열된 연료 전지들의 수보다 적은 것인 연료 전지 기반의 발전 시스템을 동작시키는 방법.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US15/869,025 US10862301B2 (en) | 2018-01-11 | 2018-01-11 | Systems and methods for power generation using fuel cells |
| US15/869,025 | 2018-01-11 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20190085864A KR20190085864A (ko) | 2019-07-19 |
| KR102636788B1 true KR102636788B1 (ko) | 2024-02-14 |
Family
ID=65010567
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190002890A KR102636788B1 (ko) | 2018-01-11 | 2019-01-09 | 연료 전지들을 이용한 발전 시스템 및 방법 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10862301B2 (ko) |
| EP (1) | EP3512018A3 (ko) |
| KR (1) | KR102636788B1 (ko) |
| CN (1) | CN110034312B (ko) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11933216B2 (en) * | 2022-01-04 | 2024-03-19 | General Electric Company | Systems and methods for providing output products to a combustion chamber of a gas turbine engine |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110217615A1 (en) * | 2008-06-13 | 2011-09-08 | Ceramic Fuel Cells Limited | Fuel cell stabilisation system and method |
| US20130099720A1 (en) | 2011-10-25 | 2013-04-25 | Christopher James Chuah | Integrated power system control method and related apparatus with energy storage element |
Family Cites Families (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6812587B2 (en) | 2001-02-05 | 2004-11-02 | Capstone Turbine Corporation | Continuous power supply with back-up generation |
| US7041403B2 (en) | 2003-02-25 | 2006-05-09 | Utc Fuel Cells | Fixed IDC operation of fuel cell power plant |
| US20050184594A1 (en) | 2004-02-20 | 2005-08-25 | Fredette Steven J. | Electric storage augmentation of fuel cell response to AC system transients |
| US8373381B2 (en) | 2005-04-22 | 2013-02-12 | GM Global Technology Operations LLC | DC/DC-less coupling of matched batteries to fuel cells |
| GB0615562D0 (en) * | 2006-08-04 | 2006-09-13 | Ceres Power Ltd | Power supply control for power |
| CN101765965A (zh) * | 2007-07-26 | 2010-06-30 | Utc电力公司 | 具有ac和dc功率源的功率系统 |
| US8288891B2 (en) | 2008-05-02 | 2012-10-16 | Bloom Energy Corporation | Integrated fuel cell system with auxiliary power delivery |
| US8263276B1 (en) | 2008-07-08 | 2012-09-11 | Bloom Energy Corporation | Startup power control in a fuel cell system |
| US9054385B2 (en) | 2010-07-26 | 2015-06-09 | Energyor Technologies, Inc | Passive power management and battery charging for a hybrid fuel cell / battery system |
| US9136709B2 (en) | 2011-10-26 | 2015-09-15 | General Electric Company | Methods and systems for selectively coupling a power conversion system to an electrical grid |
| US10203735B2 (en) | 2012-03-21 | 2019-02-12 | Bloom Energy Corporation | Systems and methods for providing fuel cell power to a data center |
| US10115979B2 (en) | 2013-03-15 | 2018-10-30 | Ford Global Technologies, Llc | Apparatus and method for heating a fuel cell stack |
| DE102015109502B4 (de) * | 2014-06-20 | 2024-04-25 | Ford Global Technologies, Llc | Vorrichtung und Verfahren zum Erwärmen eines Brennstoffzellenstapels |
| US10243226B2 (en) | 2015-09-09 | 2019-03-26 | Fuelcell Energy, Inc. | Fuel cell system ride-through of electric grid disturbances |
-
2018
- 2018-01-11 US US15/869,025 patent/US10862301B2/en active Active
-
2019
- 2019-01-08 EP EP19150670.8A patent/EP3512018A3/en active Pending
- 2019-01-09 KR KR1020190002890A patent/KR102636788B1/ko active IP Right Grant
- 2019-01-11 CN CN201910026945.3A patent/CN110034312B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110217615A1 (en) * | 2008-06-13 | 2011-09-08 | Ceramic Fuel Cells Limited | Fuel cell stabilisation system and method |
| US20130099720A1 (en) | 2011-10-25 | 2013-04-25 | Christopher James Chuah | Integrated power system control method and related apparatus with energy storage element |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110034312A (zh) | 2019-07-19 |
| US10862301B2 (en) | 2020-12-08 |
| CN110034312B (zh) | 2022-08-23 |
| EP3512018A3 (en) | 2019-12-11 |
| KR20190085864A (ko) | 2019-07-19 |
| US20190214663A1 (en) | 2019-07-11 |
| EP3512018A2 (en) | 2019-07-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108093658B (zh) | 用于电网扰动的燃料电池系统穿越的系统和方法 | |
| JP6480096B2 (ja) | 電力制御システム、電力制御装置、電力制御システムの制御方法 | |
| US20160172862A1 (en) | Power conversion apparatus, method for controlling power conversion apparatus, and power conversion system | |
| EP2482419A1 (en) | Power conversion device and fuel cell system provided therewith | |
| KR102636788B1 (ko) | 연료 전지들을 이용한 발전 시스템 및 방법 | |
| JP2011050191A (ja) | 発電システム | |
| CN104508886A (zh) | 固体氧化物燃料电池系统 | |
| JP6475945B2 (ja) | 電力供給機器、電力供給方法、及び電力供給システム | |
| WO2013121442A2 (en) | A method and system for controlling a motor / multi-motor system | |
| JP2018182905A (ja) | 給電システム | |
| CN101673959B (zh) | 一种燃料电池电源管理系统 | |
| JP5478597B2 (ja) | 燃料電池システムおよびその運転方法 | |
| JP2016127777A (ja) | 蓄電池システム | |
| JP2003116224A (ja) | 太陽光発電システム及びその電力変換装置、並びに該システムの制御方法 | |
| JP5521439B2 (ja) | 発電システム | |
| CN201509088U (zh) | 一种燃料电池电源管理系统 | |
| JP2001357867A (ja) | 燃料電池発電装置、媒体及び情報集合体 | |
| JPS6270918A (ja) | 燃料電池発電システムの運転方法 | |
| JP2011097724A (ja) | パワーコンディショナ | |
| JP2015133871A (ja) | 電力変換装置、発電装置及び電力変換システム | |
| JP2016123239A (ja) | 電力制御システム、電力制御装置及び電力制御方法 | |
| JP2016086594A (ja) | 電力供給システム、電力供給機器及び電力供給システムの制御方法 | |
| CN218276088U (zh) | 一种柴油发电机重载启动微网系统和装置 | |
| KR102153551B1 (ko) | 다단형 연료전지 시스템 | |
| JP2011097665A (ja) | 配電システム |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |