KR20010041324A - 연료전지 제너레이터 에너지 디서페이터 - Google Patents

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랭크 크리스토퍼 제이
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Abstract

연료전지 제너레이터의 전력 출력이 종결되었을 때 연료전지 제너레이터안에 남아있는 연료의 화학 에너지를 제거하는 장치 및 방법이 개시된다. 제너레이터 운전정지 조건동안에, 전기 저항 요소는 전류를 끌기 위해서 연료전지 제너레이터 터미널에 걸쳐서 자동적으로 접속되어서 제너레이터안에있는 연료재고물을 비운다. 본 발명은 연료에너지를제거하는 데 있어서 안전 기능을 제공하고, 또한 과열을 제거함으로써 연료전지 스택에 보호를 제공한다.

Description

연료전지 제너레이터 에너지 디서페이터{FUEL CELL GENERATOR ENERGY DISSIPATOR}
종래 고체 산화 셀(SOFC)제너레이터는 직각 사각형의 배열의 그룹핑에 배열된 관형 연료전지 셀을 일반적으로 포함한다. 각각의 연료전지는 상 개구부 및 하 폐쇄단부를 갖고, 그것의 개구부는 연소영역으로 확장한다. 일반적인 관형 연료전지는 실린더형 내부 에어 전극, 내부 에어 전극의 외표면의 대부분을 덮는 전해질 물질의 층, 및 전해질 물질의 외표면의 대부분을 덮는 실린더형 연료전지 전극을 갖는다. 연료전지의 길이를 따라 확장하는 상호 연결 물질은 전해질 물질에 덮이지 않은 에어 전극의 외표면의 환형 세그먼트를 덮는다. 도전성의 스트립은 상호연결된 물질의 외표면을 덮고, 전기 접속이 인접하는 연료전지 또는 버스 바에 만들어지도록 허용한다. 에어 전극은 란타늄 망가나이트와 같은 다공성의 란타뮴 함유 물질을 포함하고 반면, 연료전극은 다공성의 니켈-지르코니아 서멧을 포함한다. 에어 및 연료 전극 사이에 위치해 있는 전극은 보통 산화 이트륨 안정화된 지르코니아를 포함한다. 상호 접속물질은 란타늄 크롬을 포함하고 반면, 도전성의 스트립은 니켈-지르코니아 서멧을 포함한다. SOFC의 예시가 미국 특허 Isenberg의 제 4,431,715호와 제 4,490,444호에, Ruka의 제 4,562,124호와 제 4,631,238호에, Isenberg의 제 4,748,091호에, Reichner의 제 4,791,035호에, Pollack등의 제 4,833,045호에, Reichner의 제 4,874,678호와 제 4,876,163호에, Carlson 등의 제 5,108,850호에, Di Croce등의 제 5,258,240호에, Draper등의 제 5,273,828호에 개시되었고 각각은 여기에 언급하여 통합되었다.
연료전지 제너레이터의 동작동안에, 에어는 각각의 관형 셀의 내부 에어 전극에 제공되고,풍부한 수소 연료는 외부 연료전극표면에 공급된다. 연료 및 산화체는 전기 에너지를 생산하기 위해서 전기 화학적으로 사용된다. 약 16 퍼센트의 산소를 포함하는 고갈된 에어는 셀의 개구부를 나가고 낮은 수소 집중의 다 써버린 연료는 셀 개구부를 둘러싸는 연소 영역으로 결국 방전된다.
정상적인 런 조건동안, SOFC 연소영역으로 들어가는 연료가스는 셀 스택안에서 소비되는 연료로 인해 수소의 낮은 농도를 갖는다. 추가로, 산소 고갈 에어의 상대적으로 많은 양이 셀을 나가고, 에어/연료비가 연소 플레넘안에서 화학양론을 훨씬 넘는 상태로 유지된다. 이것은 연소영역 온도를 셀의 허용 범위안에 있는 약 950℃에서 유지되도록 돕는다. 추가로, 각각의 셀에서 나오는 에어의 높은 양적 흐름은 수소 감소의 임의의 위험에서 에어 전극 및 개구부를 보호하는데 충분하다.
그러나, 개장 회로 조건 예를 들어, 격자 접속의 손실에서의 스택과 함께 하는 임의의 제너레이터 스톱 조건동안, 에어 공급은 정상 에어흐름의 최대 10퍼센트 또는 그 이하로 감소된다. 제너레이터로의 연료흐름은 산호체에서 연료전극을 보호하는데 쓰이는 감소하는 퍼지흐름으로 대체된다. 퍼지흐름은 또한 제너레이터 안에 있는 임의의 저장된 연료가 유용한 에어로 연소하는 연소영역으로 밀어지게 한다. 이 상황에서 두 가지 관심이 있다. 첫째, 에어/연료비는 화학양론에 더 가깝고 더 많은 연소 및 더 뜨거운 연소영역 온도를 가져오게 될 것이다. 둘째로, 각각의 셀을 떠나는 감소된 에어 흐름은 수소 감소에서 셀의 개구부를 완전하게 보호하기에 충분치 않다. 이 문제들 모두는 연료전지에 손상을 가할 가능성을 가지고 있다.
위에 명기된 문제는 수소가 임의의 상당한 양으로 연소영역에 도달하는 것이 방지될 수 있다면 감소되거나 제거된다. 본 발명은 앞서의 관점에서 그리고 종래 기술의 다른 결함을 제기하기 위하여 개발되었다.
본 발명은 연료전지에 관한 것이고, 더 상세하게는 제너레이터의 운전 정지 동안 제너레이터의 연소영역에서 형성된 불필요한 열을 줄이는 에너지 소산기(dissipator)에 관한 것이다.
(발명의 개요)
본 발명은 스택 단자가 저항을 통해서 접속된 연료전지 제너레이터를 제공하여 "STOP" 과도 동작의 시작에서 제너레이터안에 저장된 연료를 소비하기 위해서 전류를 지속적으로 끌게된다. 전류는 저항안에 열로서 소산하게 되고, 연료전지 제너레이터의 연소영역안에 있는 풍부한 수소 연료의 산화체와 관련된 문제점은 감소되거나 제거된다.
본 발명의 목적은 수소 함유 연료 및 산소 함유 가스를 전기에너지로 전환하고, 제너레이터안에 남아 있는 수소 함유 연료의 적어도 한 부분을 소비하기 위하여 제너레이터 운전정지후에 제너레이터에서 전류를 흐르게 하는 에너지 소산기를 포함하는 연료전지 제너레이터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 연료전지의 운전정지동안에 에너지를 소산하는 방법을 제공하는 것이다. 이 방법은 연료전지 제너레이터안에서 수소 함유 연료 및 산소 함유 가스를 전기에너지로 전환하는 단계 및 제너레이터안에 남아 있는 수소 함유 연료의 적어도 한부분을 소비하기 위하여 제너레이터 운전정지 후에 제너레이터에서 전류를 흐르게 하는 단계를 포함한다. 연료가 산화된 후에, 에너지 소산기는 수동적이고 자동적으로 끊어진다. 이것은 바람직하게 에너지의 외부소오스의 필요 또는 의존 없이 이루어진다.
본 발명의 이것 및 다른 목적은 첨부된 도면에서 더 명백해질 것이다.
도면의 간략한 설명
도 1은 제너레이터안에 있는 다수의 관형 연료전지의배열을 도시하는 SOFC 제너레이터 스택 위 개략 평면도이다.
도 2는 연료전지 제너레이터의 연소영역으로 확장하는 상개구부를 갖는 재별적인 관형 연료전지의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 제너레이터 에너지 소산기의 개략도이다.
도 1은 제너레이터 안에 있는 다수의 관형 연료전지(12)의 배열을 도시하는 종래 SOFC제너레이터 스택(10)의 개략 평면도이다.
도 2는 연료전지 제너레이터의 연소영역(15)으로 확장하는 하단부(13) 및 상단부(14)를 갖는 개별적인 관형 연료전지(12)의 사시도이다. 연료전지(12)의 내층은 다공성의 에어 전극(16)을 포함하는 반면, 연료전지의 외층은 다공성의 연료전극(17)을 포함한다. 연료전지의 정상적인 동작동안에, 에어 (AI)와 같은 산소 함유 가스는 관(18)에 의해 연료전지(12)로 도입된다. 에어 또는 다른 산소함유 가스가 관(18)에 의해 연료전지(12)로 삽입된 후 , 그것은 연료전지의 개장 상단부(14)를 통해서 소모되게된다(AE). 전력 발전 동작동안에, 연료전지(12)를 나온 에어는 셀안에서의 그것의 소비로 인한 감소된 산소 내용물을 갖는다. 수소 함유 연료(FI), 보통 개선된 천연 가스등과 같은 형태로, 다공성의 연료 전극(17)과 접촉하여 연료전지(12)의 위부를 따라 흐른다. 전력 발전 동작 동안, 연료전지안 에 있는 수소의 대부분은 전기 에너지를 생산하기 위해서 알려진 방법으로 소비된다. 그러나, 제너레이터의 운전정지 동안에, 수소는 더이상 소비되지 않고 연소 영역(15)으로 통과하는 연료(FE)는 수소가 풍부하다. 동시에, 연료전지(12)에 삽입된 산소 함유 가스(AE)는 더 이상 고갈되지 않고 산소가 풍부한 가스는 연소 영역(15)으로 연료전지의 개구부(14)를 통해서 소모되게된다. 이렇게, 제너레이터의 운전정지동안에, 연소영역(15)으로의 추가적인 수소와 산소의 도입은 연소영역안에 더 낳은 연소와 더 높은 온도를 유발하게 된다.
본 발명에 따라서, 연소영역(15)안의 증가된 온도는 제너레이터의 운전정지동안에 연료전지(12)에서 전류를 흐르게 함으로써 감소되거나 제거된다. 여기에서 사용된 것처럼, 용어 "운전정지(shut down)"는 DC/AC 인버터 시스템과 같은 SOFC dc 출력 및 임의의 전기 부하 장치로 구성되는 전기 부하 회로의 개방을 의미한다. 바람직하게 본 발명의 소산기는 열의 형태로 연료전지에서 전기 에너지를 소산하는 적어도 하나의 전기 저항기를 포함한다. 전기 저항기는 임의의 적당한 크기와 저항의 것이다. 예를 들어, 약 43 파운드의 스테인레스강 바 안에 싸여진 약 6.5 Ω의 전기 저항은 100㎾ SOFC스택 설계에 충분할 것이다. 이것은 금속 바가 냉각되지 않는 다면 300℉의 온도 상승의 결과를 가져온다. 이 파라미터는 이 장치가 사용되어질 특별한 스택 설계에 의해 변화된다. 전기 저항은 플로이드에 의해 선택적으로 냉각되어진다. 예를 들어, 공냉되거나 물과 같은 액체에 의해 냉각된다.
연료전지 제너레이터의 정상적인 동작동안에, 연소영역에서의 동작 온도는 보통 약 850℃ 내지 약 1,000℃이다. 그러나, 종래 제너레이터의 운전정지 동안에, 연소영역안의 온도는 100℃이상 증가한다. 본 발명에 따라서, 제너레이터의 운전정지에서의 연소영역에서의 열의 형성은 실질적으로 방지된다. 바람직하게, 연소영역안의 온도는 제너레이터 운전정지후에 약 30℃보다 크지 않게 증가한다.
도 3은 본발명의 실시예에 따른 연료전지 제너레이터 에너지 소산기(20)의 개략도이다. 에너지 소산기(20)는 연료전지 제너레이터의 주요 양 및 음 단말기(21,22)를 통해서 접속된다. 에너지 소산기의 주요 성분은 감지되는 전력 버스에서 그것의 전력을 취하는 수동 전압 센서(23), 적당한 저전압 레벨에서 전력 버스(21,22)에서 저항 요소 또는 화이어 롯(28)을 끊는 병렬 트립 회로 차단기(24), 동작 조건이 정상일 때 소산기 회로를 개방하는 콘택터(26), 가동된 후에 감지 회로가 안정 상태에 이를 때까지 트립 회로를 개방하는 타임 릴레이(32), 및 모든 전력이 손실되더라도 타이머(32) 및 회로 브레이커(24)에 동력을 공급하기 위하여 충분한 에너지를 제공하는 두 커패시터를 포함한다.
본 발명의 에너지 소산기는, 예를 들어, 전력 조건 시스템(PCS)가 실패하고 제너레이터 부하를 끊었을 때, 일어나는 정상 스톱(STOP) 또는 안전 스톱(SSTOP)의 경우에 제너레이터 안에 저장된 에너지를 감소시킨다. 저장된 에너지는 연료 공급시스템이 운전정지된 후에 제너레이터 억제안에 트립핑된 여분의 연료의 결과이다. 에너지 소산기는 PCS에서 떨어진 부하를 스위칭하고 에너지를 스팀 공급 시스템 화이어 롯(28)으로 에너지를 소산한다. 이 에너지의 소산은 갑자기 부하 손실이 발생했을 때 과다한 온도에서 제너레이터 스택을 보호하는 것을 돕는다. 에너지 소산기는 바람직하게 무정전 전원(UPS) 고장, 또는 설비 전력 사고, 또는 양쪽 모두 에 경우에 기능하도록 해야한다.
본 발명의 실시예에 따라서, 에너지 소산기는 다음과 같이 동작한다. 스택 에너지 흘림 회로의 동작은 스택 에너지 소산기 인터록 채널 SEDINTLK의 동력 해제 에 의해 제어 컴퓨터(도시되지 않음)에서 리드(34)로 초기화된다. 이 채널에서의 신호는 콘택터(26)를 동력 해제한다. 이 신호는 축가적으로 제어 컴퓨터의 사고가 있더라도 파일롯 제어 회로에서 시작하거나 인터록할 수 있다. 이 신호는 또한 높은 임계 전압 센스티브 릴레이에서 시작하여 제너레이터가 운전정지될 때 전압 단계가 증가할 때가 개방 회로가 발생할 때의 결과를 가져오게 자동적으로 스위칭할 수 있다. 콘택터(26)의 배열, 회로 차단기(24)및, 모두 직렬로 연결된 고정 저항(28)은 SOFC제너레이터의 주요 단말기(21,22)를 통하는 병렬 통로를 놓기 위해서 사용된다. 가동에 대해서, 병렬 통로는 스택안에 있는 연료 품목을 소비하는 SOFC 터미날에 걸친 고정 저항 요소(28)을 통한 제어된 단략 회로를 제공한다. 스택 전압이 잔여 트랩핑된 연료의 소비로 인한 어느 지점밑으로 떨어질 때 시간후에, 제어된 단락 회로는 낮은 전압을 트립 온하는 전압 감지 릴레이(23)로 자동적으로 제거된다.
회로의 동작은 제어 컴퓨터에서 시작 신호만을 요구한다. 시작 신호는 SEDINTLK제어 전압의 제거이다. 시작 신호후에, 회로는 자율적이고 제어 컴퓨터에서 더 이상 결과를 요구하지 않는다. 대안적으로, 전압 감지 릴레이는 시스템 전류가 시작되고 초기 전압 강하가 위에서 설명된 것과같이 초기 신호를 제공하기 위해서 일어날 때 가동될 수 있다. 동작의 결과는 다음과 같다.
제어 컴퓨터는 콘택터(26)의 가동을 해제한다. 주요 콘택터(40)는 SOFC dc주요부(21,22)를 통하는 제어 단락 회로를 닫고 놓는다. 동시에, 콘택터안에 있는 보조 콘택터(42)는 저 에너지 병렬 트립 회로를 클로즈 인 한다. 이것은 회로 차단기(24)의 병렬 트립 회로를 활성화한다. 콘택터(안에 있는 다른 보조 콘택트(41)은 SOFCdc 메인 (21,22)에 걸쳐 있는 전압 감지 릴레이(23)를 접속한다. 이것은 전압 감지 릴레이(23)가 dc메인 전압을 모니터 하도록 한다. 보조 콘택트(43)의 제 3세트는 개방되고 타이머(32)안에 적용할 만한 타임 대를 시작한다. 일단 타인 아웃되면, 타이머 안에 있는 내부 콘택트(45)는 닫히고 회로 차단기(24)의 트립핑을 허용하거나 준다. 이 타임 싸이클은 회로 차단기(24)의 미숙한 트립핑을 유발함에서 전압 감지 릴레이(23)안에 있는 과도 조건을 제거한다. 일단 스택안에 있는 트립핑된 연료가 제어 단락 회로로 인하여 실질적으로 소비되면, 전압 감지 릴레이(23)는 SOFC dc 메인(21,22)에 걸치는 감소하는 전압을 감지한다. 전압 감도 릴레이(23)을 위한 입계 전압은, 예를 들어 SOFC제너레이터의 정상개방 회로 전압의 약 절반으로 선택되어지는 레벨 이하로 그것의 입력 전압이 떨어질 때 그것이 가동하도록 할 것이다. 이것은 스택안에 있는 풍부한 연료 가스가 실질적으로 소비되었음을 표시한다.
저 전압 임계에 도달되었을 때, 전압 감지 릴레이(23) 접점은 인접한 병렬 트립 회로를 접촉한다. 이것은 커패시터(36)안에 저장된 에너지가 회로 차단기(24)의 저 에너지 병렬 트립 코일(37)을 통해서 방전하도록 한다. 이 동작은 회로 차단기(24)를 개방하여서 SOFC dc 메인(21,22)를 걸치는 제어 단락 회로를 제거한다. 회로 차단기(24) 보조 접촉(38)의 세트는 저 에너지 병렬 트립 코일에 걸쳐서 영향을 받음에서 임의의 지속된 전압을 제거한다. 보조 접점은 병렬 트립 코일이 개방할 때 개방한다. 이것은 시퀀스를 끝낸다. 재시작전에, 회로 차단기(24)는 수동적으로 리셋된다. 회로 차단기 상태 지시기(33)은 회로 차딘기(24)가 트립핑되었는지를 표시하기 위해서 선택적으로 사용되어진다. 리드(29)는 커패시터(36)가 충전되었는지를 표시하는 센서(도시되지 않음)에 접속된다.
병렬 통로의 제거는 dc 전류 아크의 간섭을 보장하기 위해서 dc 회로 차단기로 구현될 수 있다. 더 나아가, 이 실시예는 UPS 전원없이 수행되기 위해서 제어 단락 회로의 필요한 제거를 허용한다. 이 실시예에서, 저 에너지 병렬 트립은 단지 커패시터가 충전되는 것만을 원하고, 어떤 다른 전력이 기능하는 것을 요하지 않아서 에너지 소산기의 수동 동작을 위해 제공한다. 콘택터(26)의 정상적으로 닫힌 접점이 사용되기 때문에, 정상 스톱 이벤트가 이 에너지 흘림 회로에 위해 사용될 수 있을 뿐만 아니라, UPS사고의 리어 가능한 이벤트가 역시 이 안에 의해 제기될 수 있다. 제어 콤퓨터가 UPS조건을 모니터한다면, UPS 소오스의 잠재적인 절박한 사고에 대해서, 제어 콤퓨터는 스택을 탈에너지화하기 위하여 최종 명령을 낸다. 모든 위에서 언급된 관점에서 시퀀스는 그것의 정상적인 결론에 도달할 수 있고 UPS 또는 전력의 다른 소오스의 필요 없이 SOFC 제너레이터에서 스택 에너지를 흘린다.
다음 예는 본 발명의 다양한 태양, 설계 고려 및 시험 방법을 설명하고 그것의 범위를 제한하려는 것은 아니다.
실시예 1
스택 에너지 소산기 제어 및 전류 간섭 회로는 0-500 VDC 전원, 및 개별적인 0-25 앰프 dc 전원을 사용하는 모의 전 부하 조건에서 테스트된다. 개별적인 컴퓨터는 먼저 높은 dc 전류 또는 전압없이 테스트되었다. 병렬 트립 커패시터 충전 및 방전 특징은 24 전압 dc 전원을 사용하여서 테스트되었다. 콘택터(26) 및 타이머(32)는 또한 동일한 dc전원 으로 테스트되었다. 시스템은 UPS사고 및 정상 스톱(STOP)또는 안전 스톱(SSTOP) 트립 양쪽을 모두 가상함으로써 테스트되었다. STOP은 정상 시스템 운전정지 모드에서 고려될 수 있고 반면 SSTOP은 개개에게 물리적 위험을 나타낼 수 있는 사고 조건이다. 외부 회로 접속 에로의 모든 접점과 신호는 터미날 스트립에의 배선이 정확하다고 보장하기 위하여 터미날 스트립에서 입증되었다.
테스트는 충전 회로가 충분히 충전하고 다이오드를 통해서 병렬 트립을 유지한다는 것을 입증했다. 다이오드(39)는 커패시터(36)가 충전 회로를 통해서 다시 방전되는 것을 방지하기 위해서 회로안에 있다. dc전원은 리드(31)를 통해서 UPS위에 있는 24V dc 전원에서 발생된 트립 전력 동력화 신호SEDTP(31)를 제공했다. 인터록 SEDINTLK리드 (34)는 전원에서 채널 SEDTP로 평행하게 배선되었다. 회로에서 토글 스위치를 사용함으로써, SEDTP(31) 와/또는 SEDINTLK 신호(34)는 임의의 시퀀스에 끊어질 수 있다. 3,300㎌ 전해질 커패시터(36)는 수초에 충전하고 30분이상 동안 충분한 충전을 유지한다. 충전 회로안에 있는 다이오드(39)는 100 V, 3A 다이오드이다.
다른 테스트가 콘택터 및 콘택터(26)의 상부에 설치된 보조 접점의 작동을 입증하기 위해 연결되었다. 정상적인 제너레이터 동작 조건에서, 콘택터(26)의 코일은 동력화되고, 초기 정상 닫힌 접점(40)의 세트는 개방된다. 개방 1차 접점(40)은 전류가 고정 저항(28)을 통해서 흐르지 못하도록 한다. 콘택터(26)위에 있는 정상 닫힌 보조 접점(41)의 세트는 또한 정상 제너레이터 동작에서 개방되고, dc버스에서 전압 감지 릴레이(23)를 끊는다. 정상 닫힌 보조 접점(42)의 제 2 세트는 또한 인터록 신호 SEDINTLK(34)가 하이일 동안 병렬 트립이 가동하지 않는 것을 보장하기 위하여 사용된다. 정상 개방 접점(43)의 한 세트는, 접점(45)의 개방을 유지하여 접점(26)이 동력화되는 동안 회로 차단기(24)의 병렬 트립 동작을 해제하는 단락 타임 금지 신호를 제공하기 위하여 타이밍 릴레이(32)의 타이머 터미날에 걸쳐서 연결된다.
사고의 경우에, 접점(26)은 동력이 해제되고, 접점의 세 세트(40,41,42)는 닫히고, 한세트(43)는 개방된다. 1차 접점(40)은 고정 저항(28)을 통해서 전류가 흐르도록 허용하고, 보조 접점(41)의 한 세트는 전압 감지 릴레이 리드를 DC버스에 연결한다. 전압 감지 릴레이는 활성화된다. 보조 접점(42)의 제 2세트는 활성화되지만, 병렬 트립을 트리거하지 않는다. 보조 접점(43)은 타임 릴레이(32)의 타이머 금지 동작을 차단한다.
테스트를 계속하여, 24 볼트 dc신호는 SOFC 시스템 프로그램가능 로직 콘트롤러에서 SEDINTLK(34) 신호를 가상하기 위하여 사용된다. 인가된 24 볼트 dc전원으로, 콘택터(26)은 가동한다. 전원의 안정 인가에서, 코일은 차갑게 남는다.
예를 들어, 콘택터(26)은 40암페어 장치이다. 소산 싸이클 동안 SOFC 제너레이터 에서 최대 예상된 전류는 25암페어이다. 25 암페어 전류원를 사용하면서, 전류는 콘택터(26) 및 회로 차단기(24)을 통해서 흐르도록 허용되었다. 회로 차단기(24)는 3-극(pole), 600VDC, 125암페어 장치이다. dc전압정격은 직렬로 3극을 연결하여 얻어진다.
정상 동작에서, 타이머(32)의 코일은 동력화된다. 코일을 동력화하는데 있어서 개방된 정상 닫힌 타이머 접점(45)의 세트는 전압 감지 릴레이(23) 및 차단기(24) 병렬 트립 코일과 함께 직렬로 놓인다. SOFC시스템 과실에 발생할 때, 타임 릴레이(32)는 그것의 접점을 수초간 개방하도록 한다. 정상 동작에서, 전압 감지 릴레이(23)은 제너레이터 터미날에 연결되지 않는다. 이것은 정상 동작동안에 전압 감지 릴레이(23)을 통해서 지속적인 전원 인출을 방지한다. 사고의 경우에, 콘택터(41)의 세트는 닫히고, 전압 감지 릴레이(23)는 버스에 연결된다. 정격 버스 전압이 감지 될 때 (＞340 VDC), 전압 감지 릴레이(23)은 상태를 바꿀 것이다. 전압 감지 릴레이(23)위에 있는 정상 닫힌 접점(병렬 트립 트리거)은 개방되어야 하고 그렇지 않으면, 병렬 트립 회로는 닫힐 것이다. 회로 차단기(24)병렬 트립 코일과 직렬이고 과실 신호의 즉각 개방하는 타이머(32)접점은 수초동안 접점을 개방시킴으로써 원치 않는 병렬 트립 가동을 방지한다. 이 릴레이는 전압 감지 릴레이(23)접점이 차단기를 트립핑하지 않고 닫힘에서 개방으로 옮기게 한다. 타임 릴레이(32)가 지연 싸이클을 끝낸 후에(그것의 세팅에 기초하여) 타이머 접점(45)은 닫히지만, 지금 전압 감지 릴레이(23)접점은 개방된다.
임의의 적당한 지연 시간이 사용된다. 예를 들어, 약 0.15-3초, 1.5-30초, 15-300초 등에서 수시간의 지연 시간이 가능하다. 타임 지연(32)는 지속적인 전원이 활성하게 남는 것이 필요하고, 코일은 정상 동작 동안에 동력화되어야 하기 때문에, 사고가 발생한다면 지연에 전원의 손실이 없어야 한다. 전원이 손실된다면, 지연의 타임 기능은 손실되고, 접점은 즉각 닫힌다. 이것은 회로 차단기(24)의 요구되지 않은 병렬 트립을 야기 한다.
타임 지연(32)접점은 전원 접점 및 감지 접점을 포함한다. 감지 접점은 타임 기능을 연기 하기 위하여 단락 전선을 요한다. 감지 접점이 단락되는 동안, 지연은 안정상태로 남는다. 단락이 제거되면, 타임 기능은 시작된다. 예를 들어, 감지 접점에서 단락을 제거함은 타임 릴레이(32)접점에 삼 초 후에 닫히게 한다. 우연 병렬 트립을 제거하고, 전압 감지 릴레이(23)가 상태를 바꾸도록 하기 위하여 선택된다.
전력 손실에 대해 상기한 문제를 방지하기 위해서, 3,300㎌ 커패시터(35)는 타임 지연(32)의 단말기을 통해서 설치된다. 다이오드(46)은 또한 충전 회로에 제공되어진다. 커패시터를 더함으로써, 타이머(32)는 UPS의 손실후에 충분한 시간동안 동작을 지속한다. 이 타임 지연은 인터록 신호 SEDINTLK(34)가 강하되도록 충분한 시간을 제공하고, 거기에서, 에너지 소산기 정상적으로 동작한다. 이렇게, UPS의 손실과 함께, 타이머(32)의 타임 기능은 충분히 실행되지 않는다. 일단 커패시터 충전이 사용되고 타임 릴레이(32)전원이 잃어지면, 접점 토글은 그들의 죽은 상태가 된다.
전압 감지 릴레이(23)는 전압이 세트 값 아래로 강하할 때 버스 접압을 감지하고 병렬 트립 차단기를 트리거 하는 릴레이이다. 이 예에서, 전압 감지 릴레이(23)는 전원 접점과 직렬인 추가적인 3,500 Ω 적당한 저항을 갖는, 240 dc전압 릴레이이다. 이 저항은 400VDC의 SOFC버스 전압에 기초하고, 최대 센서 전류 인출은 시험에서 0.046암페어이다. 감지 터미널은 또한 4,700Ω, 35W의 저항을 요한다. 제너레이터의 정상동작 상태에서, 전압 감지 릴레이(23)에 아무 전원도 인가되지 않고 그것의 릴레이 접점은 정상적으로 닫힌다. 사고가 표시된다면, 4극 콘택터(26)는 전압 감지 릴레이(23)의 낮은 측을 버스의 낮은 측으로 닫고, 전압 감지 릴레이(23)는 버스 전압이 임계 전압보다 크다는 가정하에 즉시 상태를 바꾼다. 이예에서, 전압 감지 릴레이(23)위에 두 다이얼이 있다. 다이얼 세팅은 임계 전압을 결정하고, 그 위에 센서가 상태를 바꾼다. 세팅 범위는 바람직하게 전압 감지 릴레이(23)전원 정격의 85% 및 105%사이이다. 다이얼을 85%에 설정함으로써, 센서 릴레이 접점은 그것의 최하 값에 가동된다. 전압 감지 릴레이(23)전원 터미널에서 이 전압은 약 204VDC이고, 이것은 약 340VDC의 버스 전압으로 변환된다. 제 2다이얼은 릴리스비이다. 이 세팅은 센서 정격의 95%에서 75%에 이르는 범위를 갖는다. 이 다이얼을 75%에 설정함으로써, 센서는 그것의 최하의 세팅에 풀릴 수 있다. 다이얼은 85% 및 75%에 설정되고, 이것은 340VDC이상의 래칭인 세팅 및 255VDC(0.85ㆍ0.75ㆍ400)의 릴리스 전압을 준다. 시험에서, 참 릴리스 전압은 245VDC가 되도록 결정된다. 이 전압은 가용 릴리스 전압 범위안에 있고 스택 안에 저장된 에너지를 소산한다.
일단 개별적인 성분이 테스트되면, 성분은 배선되고 적당한 전류 및 전압이 인가된다. 24VDC신호가 편행으로 배선된 두 토글 스위치와 함께 단일 전원에서 발생한다. 한 스위치는 UPS전원을 위한 SEDTP(31)로 라벨되고 다른 것은 프로그램 가능 로직 컨트롤러에서 언터록 신호를 가상하기 위하여 SEDINTLK(34)로 라벨된다. 회로안에 토글 스위치를 가짐으로써, SEDTP(31) 및 SEDINTLK(34)신호의 손실은 임의의 시퀀스 및 조합으로 가상되어질 수 있다.
SEDINTLK(34)신호가 먼저 손실될 때, UPS의 상태에 관계 없이, 에너지 소산기 제어 회로는 에너지 덤프를 초기화한다. 두 제한이 존재한다. 하나는 덤프 싸이클이 예를 들어, 30분안에 완성되어야 한다. 이 시간 제한은 차단기 병렬 트립 코일에 걸친 3,300㎌의 커패시터에 의해 결정되어진다. 제 2 제한은 버스 전압이 예를 들어, 340VDC이상이어야 하고, 그렇지 않으면, 전압 감지 릴레이(23)은 그자신을 래칭하지 않을 것이다. 이 제한 은 전압 감지 릴레이(23)위에서 85% 래칭인 세팅에 의해 결정되어진다.
먼저 UPS사고가 발생할 때(SEDTP(31)가 낮아질 때), 타임 릴레이(32)는 그것의 1차 전원을 잃는다. 타이머(32)는 SEDTP(31)신호에서 직접 구동된다. 타이머(32)는 이 신호에 의해서 동력화되어서 SEDINTLK신호(34)는 커패시터를 충전할 필요가 없다. 대안적으로, SEDINTLK(34)에서 커패시터를 충전하는 것이 가능하다. 시험 구성에서, SEDINTLK(34)신호는 UPS를 잃은 후에 12초안에 낮아진다. 12초 타임 강제는 타이머(32) 전원 접점을 걸쳐서 설치된 커패시터에 의해 결정되어진다. UPS사고가 SEDINTLK신호(34)의 손실없이 일어날 지라도, 전압 센서(23)회로안에 있는 컨택터(26) 접점은 개방된 채로 남아있고, 전압 감지 릴레이(23)센서는 버스 전압을 감지하지 않을 것이다. UPS사고가 12초안에 SEDINTLK(34)의 손실 없이 일어날 지라도 타이머(32)는 닫힐 것이다. 그 다음, 인터록 신호가 손실될때, 전압 감지 릴레이(23)센서는 적당한 때에 토글이 아닌 버스에 부착될 것이다. 결과로서, 병렬 트립 차단기(24)는 즉시 트립할 것이다. 예를 들어, 24VDC인터록 소오스가 충전 전류를 공급하는 데 충분하댜면, 타이머 커패시터는 대안적으로 SEDINTLK(34)신호에서 충전된다.
실시예 2
변화가 실시예 1의 에너지 소산기 드롭 아웃 전압 레벨 에 만들어진다. 시험은 DC270V의 전압 센서(23) 드롭 아웃 전압에 시행되었다. 세팅은 정상 전압의 93%이고, 이것은 270VDC레벨에 상응한다.
에너지 소산기 제어 및 전류 스위칭 회로는 전원으로서 바리악 스택 및 변조기를 사용하는 개방회로 및 전 부하 조건에서 테스트되었다. 전원은 SOFC제너레이터 350 VDC버스에 사용되었다. 개방 회로 시험은 전압 감지 릴레이(23)위의 전압 제벨 세팅 및 지연 회로의 타이밍 동작 양쪽 모두 맞는지 확인하기 위하여 시행되었다.
부하 시험은 에너지 소산기로서 고정 저항을 사용하여 수행되었다. 모든 24VDC제어 회로 SEDINTLK(34) 및 SEDTP(31)는 실제 정상 스톱(STOP) 또는 안전 스톱(SSTOP)을 가상하여, SOFC시스템 프로그램 가능 로직 컨트롤러에 의해 제어되었다. 얻어진 시험 데이터에서, 전압 센서(23)트립 레벨, 타이밍 회로, 및 소산기 회로가 요구되는 특성으로 동작된다는 것이 증명되었다.
부하 시험에서, 전원은 350VDC에 설정되었는데, 이것은 341VDC의 정상전압보다 경미하게 크다. 모든 에너지 소산기 회로는 그들의 준비 상태에 설정되었고, 제어 시스템은 정상 동작 상태에 설정되었다. 정상 스톰(STOP)명령은 제어ㅗ 패널을 통해서 입력되었고, 에너지 소산기는 회로는 가동되었다. 전원은 전압은 부하가 접속된 후에, DC350V에서 약 325V로 강하되었다. 고정 저항으로 20.8암페어의 부하 전류가 측정되었다. 타이머의 싸이클은 끝났고, 버스 전압이 290VDC보다 컸기 때문에 고정 저항(28)은 계속 전류를 인출했다. 전원 전압은 수동적으로 감소되었고, 약 256VDC에 전압 감지 릴레이(23)는 차단기(24)를 트립핑했고, 고정 저항으로의 회로는 끊어졌다. 개방 회로 및 전부하 시험에서의 측정이 표 1에 리스트되었다.
실시예 3
실시예 2에 설명된 것과 유사한 에너지 소산기가 수소 함유 연료 소오스와 같은 천연 가스에서 동작하는 100㎾ SOFC제너레이터안에 설치된다. SOFC전원 제너레이터 시스템동안에, STOP조건이 다른 시간에 입력되었다. 매번 연료전지 제너레이터 에너지 소산기는 설계된대로 기능하였다. 연소영역은 과열되지 않았고 연료전지로 아무 결과적인 손상이 관찰되지 않았다.
본 발명은 고체산화 연료전지 제너레이터의 셀 스택에 보호를 제공하는 상대적으로 단순한 방법을 제공한다. 전기 저항이 운전 정지 동안에 연료전지 스택 터미널을 단락하기 위해 사용된다. 이저항은 온도 상승을 제한하기 위해 커패시터를 가열하고 정확한 저항을 제공하기 위해 다양한 형태를 취할 것이다. 전기 회로는 셀 스택 터미널에 걸친 단락 저항을 자동적으로 스위칭하고, 연료가 소비되었을 때 저항을 제거하기 위해 사용되어진다.
본 발명의 특별한 실시예가 설명의 목적으로 설명되었지만, 다수의 다양한 본 발명의 상술이 첨부된 청구한에서 정의된 대로 본 발명에서 떠남없이 만들어진다는 것은 당업자들에게 명백할 것이다.

Claims (14)

  1. 수소 함유 연료 및 산소 함유 가스를 전기 에너지로 전환하는 수단; 및
    제너레이터 안에 남아있는 수소 함유 연료의 적어도 한 부분이 소비되도록 제너레이터 운전정지 후에 제너레이터로부터 전류를 흐르게 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제너레이터.
  2. 제 1 항에 있어서, 수소 함유 연료 및 산소 함유 가스를 전기 에너지로 전환하는 상기 수단은 산소 함유 가스와 접촉된 내부 에어 전극을 갖는 복수의 관형 고체 산화 연료전지, 수소 함유 연료와 접촉한 외부 연료 전극, 및 산소 함유 가스 및 수소 함유 연료와 흐름이 연통하는 연소 영역으로 뻗어있는 개구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제너레이터.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제너레이터는 수소 함유 연료 및 산소 함유 가스와 흐름이 연통하는 연소 영역, 및 제너레이터 운전 정지 후에 연소 영역에서 열 증대를 실질적으로 방지하는 제너레이터로부터 전류를 흐르게 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제너레이터.
  4. 제 3 항에 있어서, 연소영역에서의 동작 온도는 약 850℃ 내지 약 1,000℃이고, 연소영역에서의 온도는 제너레이터 운전 정지 후에 30℃보다 크지않게 증가하는 것을 특징으로하는 연료전지 제너레이터.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제너레이터로부터 전류를 흐르게하는 수단은 적어도 하나의 전기저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제너레이터.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전기 저항은 유체에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 연료전지 제너레이터.
  7. 제 1 항에 있어서, 제너레이터로부터 전류를 흐르게하는 상기 수단은 수동 스위칭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제너레이터.
  8. 적어도 하나의 저항; 및
    제너레이터가 운전정지일 때 연료전지 제너레이터의 양 및 음 터미널에 걸친 적어도 하나의 저항을 접속하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제너레이터를 위한 에너지 소산기.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 저항이 유체에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 에너지 소산기.
  10. 제 8 항에 있어서, 연료전지 제너레이터 터미널에 걸친 적어도 하나의 저항을 접속하는 상기 수단이 수동 스위칭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 소산기.
  11. 제 8 항에 있어서, 제너레이터안에 남아있는 연료의 적어도 한 부분이 소비된 후에 연료전지 제너레이터 터미널에서 적어도 하나의 저항을 끊는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 소산기.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 수단은, 연료전지 제너레이터 터미널에 걸친 감소된 전압 레벨을 감지하는 수단; 및
    감소된 전압 레벨이 감지된 후에 적어도 하나의 저항을 끊는 수단을 포함하는 적어도 하나의 저항을 끊는 것을 특징으로 하는 에너지 소산기.
  13. 연료전지 제너레이터안에서 수소 함유 연료 및 산소 함유 가스를 전기 에너지로 전환하는 단계;
    연료전지 제너레이터를 운전정지하는 단계; 및
    제너레이터가 운전정지 한 후에 연료전지 제너레이터에서 전류를 흐르게해서 제너레이터안에 남아있는 수소 함유 연료의 적어도 한 부분을 소비하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제너레이터의 운전정지동안에 에너지를 소산하는 방법.
  14. 제너레이터 안에 남아있는 연료를 전기화학적으로 산화물로 전환하여 실질적으로 제너레이터의 과열을 방지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제너레이터를 운전정지하는 방법.
KR1020007009434A 1998-02-25 1999-02-24 연료전지 제너레이터 에너지 디서페이터 KR20010041324A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
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