KR20070112869A - 변동 연료 성분을 가진 연료로 동작하는 연료전지 시스템에유용한 기체 흐름 제어 조립체 - Google Patents

변동 연료 성분을 가진 연료로 동작하는 연료전지 시스템에유용한 기체 흐름 제어 조립체 Download PDF

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Abstract

연료전지 시스템에 사용되는 기체 흐름 제어 조립체는, 시스템의 애노드 측을 떠나는 배기 기체 내의 내용물 변화에 기본하여 연료전지 시스템의 캐소드 측으로의 공기의 흐름을 조정하는 공기흐름 제어 조립체와, 공기흐름 제어 조립체에 의한 공기흐름에 대한 조정에 기본하여 애노드 측으로의 연료의 흐름을 제어하는 연료 흐름 제어 조립체를 포함하는 것이다.
애노드, 캐소드, 공기흐름 제어 조립체, 기체 흐름 제어 조립체, 연료전지.

Description

변동 연료 성분을 가진 연료로 동작하는 연료전지 시스템에 유용한 기체 흐름 제어 조립체{GAS FLOW CONTROL ASSEMBLY FOR USE WITH FUEL CELL SYSTEMS OPERATING ON FUELS WITH VARYING FUEL COMPOSITION}
본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 특히, 연료전지 시스템에 사용하는 기체 흐름을 제어하는 조립체에 관한 것이다.
연료전지는 전기화학 반응에 의해 전기 에너지로 탄화수소 연료 내에 저장된 화학 에너지를 직접 변환하는 장치이다. 일반적으로, 연료전지는 전기적 전하 이온을 생성하는 역할을 하는, 전해질에 의해 분리된 캐소드와 애노드를 포함한다. 유용한 수준의 파워를 생성하기 위해서는, 다수의 개별 연료전지를 각 전지 사이에 전기 전도성 분리 판을 사용하여 일렬로 적층한다.
연료전지는, 산화 기체가 캐소드를 통과하는 동안에, 반응물 연료 기체가 애노드를 통과하여서 동작한다. 상기 연료전지 시스템의 전기적 출력은 부분적으론, 연료기체와 산화기체가 각각 연료의 에너지 내용물에 더하여 애노드와 캐소드에 공급되어 운반되는 비율에 따른다. 따라서, 연료전지의 성능을 최적하게 하고 그리고 연료전지 시스템에서 필요한 전기적 출력을 얻기 위해서는, 전지로 공급되는 연료의 흐름 비율(flow rate)을 정확하게 제어할 필요가 있다.
일반적으로, 종래 연료전지 시스템은 질량 유량 컨트롤러(mass flow controller)를 이용하여 연료전지의 파워 출력에 따르는 연료전지 애노드에 대한 연료기체의 흐름 비율을 제어하였다. 또한, 종래 시스템은 온라인 연료성분 분석기를 이용하여 연료전지 시스템에 공급된 연료의 구성분을 결정하였다. 특히, 질량 유량 컨트롤러를 온라인 연료성분 분석기와 조합하여 사용하여, 상기 성분 분석기에 의한 연료성분 결정과 전지의 파워 출력에 기본한, 연료전지로 전달되는 연료의 량을 제어하였다.
예상할 수 있는 바와 같이, 애노드에 대한 연료의 흐름 비율을 제어하는 종래 방법은 비싼 가격의 복잡한 장비를 사용할 필요가 있는 것이다. 또한, 온라인 연료성분 분석기의 신뢰도는, 분석되는 연료가 고습도의 내용물을 함유하고 있을 때와 분석기의 동작이 연장된 후에는 상당히 떨어진다. 따라서, 상기 분석기는 자주 연료 내용물을 정확하게 판단하기 위해서 지속적으로 눈금 재조정을 이행할 필요가 있다. 그럼으로, 애노드에 대한 연료 흐름을 제어하는 수단으로, 비싼 장비를 필요치 않으면서 정확하고 신뢰성이 가는 것이 필요하게 되었다.
본 발명의 목적은 연료 내의 수분 함량에 영향을 받지 않고 연장된 운영 시간 동안 향상된 신뢰성으로 연료의 흐름을 제어하는 기체 흐름 제어 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 향상된 정확성을 가지고 연료 성분의 탐지된 변화에 기본하여 연료 흐름 비율을 조정할 수 있는 기체 흐름 제어 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 기본 원리에 따라서, 상술된 본 발명의 목적이, 시스템의 애노드 측을 떠나는 배기 기체 내의 내용물 변동에 기본하거나 또는 그에 반응하는 연료전지 시스템의 캐소드 측으로의 공기의 흐름을 조정하는 공기흐름 제어 조립체와, 상기 공기흐름 제어 조립체에 의한 공기흐름에 대한 조정에 기본한 연료전지 시스템의 애노드 측에 대한 연료의 흐름을 제어하는 연료흐름 제어 조립체를 포함하는 연료전지 시스템에 사용하는 기체 흐름 제어 조립체에서 이루어진다. 상기 연료전지 시스템은, 반응하지 않은 연료를 함유한 애노드 배기 기체를 사용하여 공기를 예열하는데 사용되는 산화 조립체(oxidizing assembly)와, 사전 결정된 온도로 산화 조립체 내의 공기를 예열하도록 공기흐름을 조정하는 공기흐름 제어 조립체를 구비한다. 상기 공기흐름 제어 조립체는 공기흐름 설정점을 조정하는 공기 트림 컨트롤러와, 시스템에 대해 조정된 공기흐름 설정점과 동일한 공기 흐름 비율을 유지시키는 공기흐름 컨트롤러를 구비하고, 상기 공기 트림(trim) 컨트롤러는 사전 결정된 온도와 예열된 공기의 온도를 대비하여 조정 값을 결정하고 그리고 조정 값에 기본하여 공기흐름 설정점을 조정한다. 상기 공기 흐름 설정점(air flow set point)은 DC전류, 소망 연료 흐름, 예상 연료 가열 값 및 주변 온도에 기본하여 사전 결정된 공기 흐름 비율이다. 공기 트림 컨트롤러는, 예열된 공기의 온도가 사전 결정된 온도보다 작게 있으면 조정 값은 낮아지고 그리고 예열된 공기의 온도가 사전 결정된 온도보다 크게 있으면 조정 값은 높아지고, 그리고 상기 조정 값은 공기흐름 조정에 직접적으로 비례 한다.
상기 연료 흐름 제어 조립체는, 시스템에 대한 연료 흐름 설정점을 조정하는 연료 트림 컨트롤러와, 조정된 연료 흐름 설정점에서 연료 흐름 비율을 측정 유지하는 연료 흐름 컨트롤러를 구비한다. 상기 연료 흐름 설정점은, DC전류, 필요한 최소 연료 흐름을 초과하는 필요한 과량, 및 예상 연료 가열 값에 기본하여 사전 결정된 연료 흐름 비율이다. 연료 트림 컨트롤러는 공기 트림 컨트롤러에 의해 연산된 조정 값을 수용하여, 연료 흐름 설정점을 가감 조절(modulate)하여서, 사전 결정된 범위에서 공기 트림 컨트롤러 조정 값을 유지한다. 특히, 공기 트림 컨트롤러는, 온도가 사전 결정된 온도보다 높은 온도일 때에 예열된 공기의 온도에서 개별적으로, 설정 량, 예를 들어 1씩 증가 및 감소하여 조정 값을 증량식으로 상승 및 하강하고 그리고, 온도가 사전 결정된 온도보다 낮은 온도일 때에 예열된 공기의 온도에서 개별적으로 설정 량, 예를 들어 1씩 감소 및 증가하여 조정 값을 증량식으로 하강 및 상승시키고, 상기 연료 트림 컨트롤러는 설정량, 예를 들어 1로, 영(0)과 마이너스(-)사이에서 공기 트림 컨트롤러 조정 값을 유지하도록 연료 흐름 설정점을 조정한다.
또한, 본원은 기체 흐름 제어 조립체를 이용한 연료전지 시스템도 개시한다.
도1은 본 발명의 기본원리에 따르는 기체 흐름 조정 조립체를 이용한 연료전지 시스템을 나타낸 도면이다.
도2는 도1의 기체 흐름 조정 조립체의 공기 트림 컨트롤러의 동작을 흐름도로 나타낸 도면이다.
도3은 도1의 기체 흐름 조정 조립체의 연료 트림 컨트롤러 동작을 흐름도로 나타낸 도면이다.
도4는 연료 트림 컨트롤러를 가진/갖지 않은 기체 흐름 조정 조립체를 이용한 시스템의 성능 데이터의 그래프를 나타낸 도면이다.
도1은 본 발명의 기본원리에 따르는 기체 흐름 제어 조립체(101)를 이용한 연료전지 시스템(100)을 나타낸 도면이다. 상기 기체 흐름 제어 조립체(101)는, 연료 유량계와 자동제어 밸브를 가진 연료 흐름 컨트롤러(124)와, 공기 유량계와 자동제어 밸브를 가진 공기흐름 컨트롤러(126)와, 공기 트림 컨트롤러(128) 및 연료 트림 컨트롤러(130)를 구비하고, 상기 컨트롤러들은 모두 시스템(100)의 연료전지(102)의 애노드 측(104)과 캐소드 측(106)에 대한 연료와 공기의 흐름을 제어하는데 사용된다. 연료전지(102)의 애노드와 캐소드 측은 차례로 전해질(108)에 의해 분리된다.
또한, 연료전지 시스템은 연료전지(102)의 애노드 측(104)으로 연료기체를 공급하는 연료 서플라이(110)와, 연료기체를 축축하게 가습시키는 물 서플라이(114)와, 연료전지(102)의 캐소드 측(106)으로 산화기체를 공급하는 공기 서플라이(116) 및 애노드 배기 산화제(118)를 포함한다. 연료 처리 조립체(120)는 청결한 연료를 제공하고, 그리고 열 교환기(122)는 연료전지(102)의 애노드 측(104)에 유입하기에 앞서 연료를 습하게 하고 예열시킨다.
시스템(100)에서, 서플라이(110)에서 나온 연료는, 연료 트림 컨트롤러(130) 에 의해 결정되고 그리고 흐름 제어 조립체(101)의 연료 흐름 컨트롤러(124)에 의해 제어된 흐름 비율로, 연료 처리 조립체(120)에 공급된다. 연료 처리 조립체(120)는 연료전지 애노드(104)에 사용하기에 적절하게 연료를 청결하게 추가적으로 처리 한다. 상기 처리 조립체(120)는 탈황 유닛(desulfurizer unit)을 구비할 수 있다. 연료전지 애노드(104)에 유입하기에 앞서, 처리된 연료가 먼저 열 교환기(122)를 통해 결합되며, 여기서 물 서플라이(114)에서 공급되고 300℃의 온도로 예열된 물과 혼합 된다. 또한, 열 교환기(122)는 사전-개질(pre-reforming) 유닛과 환원(deoxidizing) 유닛을 구비할 수도 있다. 다음, 가습 및 예열된 연료가 연료전지 애노드(104)로 전달되고, 여기서 전기적 출력을 발생하는 전기화학적 반응이 이루어진다.
소비되지 않은 연료를 함유한 애노드 배기 기체는 애노드(104)에서 애노드 배기 산화제(118)로 전해진다. 또한, 애노드 배기 산화제는, 공기가 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 조정된 공기 흐름 설정점으로 공기흐름 컨트롤러(126)로 제어되어진 후에, 공기 서플라이(116)에서 공급된 공기를 수용한다. 애노드 배기 산화제(118)에서, 공기는 애노드 배기 기체와 혼합되어, 연소되어, 가열된 공기 또는 산화기체 및 이산화탄소를 생성한다.
예열된 산화기체의 온도는 애노드 배기 기체에 있는 반응하지 않은 연료 량과 산화제에 공급된 공기에서 나온 공기흐름 비율에 따른다. 예견할 수 있는 바와 같이, 애노드 배기물에서 반응하지 않은 연료 량은 부분적으로 연료 흐름 비율과 연료의 가열 값에 따르거나 또는, 연료를 연소하여 생성된 에너지 량에 따르며, 연 료 자체는 연료 내용물 변수에 따른다.
다음, 산화제(118)를 떠나는 가열된 산화기체는 연료전지(102)의 캐소드 측 유입구(106a)로 전달된다. 방출된 산화기체는 캐소드 배출구(106b)를 통해 캐소드(106)를 빠져나가서 열 교환기(122)를 통해 흘러가며, 배출된 산화기체에서 나온 열은 연료와 물 혼합물을 예열하도록 전해진다. 열 교환기(122)를 떠난 후에 배출된 산화기체에 남아있는 열은, 증기 형성이나 공간 가열을 포함하는 다양한 작용을 하는데 사용할 수 있다.
도1에 도시되고, 상술된 바와 같이, 서플라이(110)에서 나온 연료의 연료 흐름 비율은, 기체 흐름 제어 조립체(101)의 연료 트림 컨트롤러(130)에 의해 조절되는 연료 흐름 설정점을 수용한 연료 흐름 컨트롤러(14)에 의해 제어되고 반면에, 서플라이(116)에서 나온 공기의 공기흐름 비율은 상기 조립체(101)의 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 정해진 설정점으로 공기흐름 컨트롤러(126)에 의해 제어된다.
특정적으로, 연료기체는 사전 결정된 흐름 비율로 연료 서플라이(110)에서 시스템(100)으로 공급되고, 상기 흐름 비율은 양호하게 연료전지(102)의 전기적 출력과 최적한 동작을 하는데 필요한 연료 흐름 비율이다. 여기에 기재된 실시예의 경우에, 연료 흐름 비율은 전기적 출력을 발생하는데 연료전지(102)의 애노드(104)에서 소비되는 량을 초과하는 대략 40% 정도이다.
상기 초과한 연료 흐름은, 반응하지 않은 연료가, 산화제(118)에 사용되어 연소되는 애노드 배기 기체에 제공되어 공기를 소망 온도로 예열하게 한다. 사전 결정된 연료 흐름 비율은, 연료 서플라이(110)에서 공급된 연료 기체의 수수 내용 물 또는 가열 값과 시스템(100)의 소망하는 전기적 출력에 기본하여 결정된다. 열 질량 연료 유량계를 포함하는 연료 흐름 컨트롤러(124)는, 서플라이(110)에서 나온 연료 흐름 비율을 측정하고, 그리고 부분적으로 연료 가열 값과 연료 성분의 변화에 기본하여 흐름 비율을 보정하고, 그리고 상술된 사전 결정된 연료 흐름 설정점으로 연료 흐름 비율을 제어한다.
가열 값 또는 실질 제어된 연료 흐름 비율이 예상 값에서 변경되는 일이 발생하면, 공기 트림 컨트롤러(126)에서 입력에 기본하는 연료 트림 컨트롤러(130)가, 상세하게 후술되는 바와 같은 자동식 연료 흐름 조정 논리(logic) 방식을 사용하여, 사전-결정된 연료 흐름 설정점을 조정할 것이다.
도1에 도시되고 상술한 바와 같이, 공기 서플라이(116)에서 나온 공기의 공기흐름 비율은 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 조정된 공기 흐름 설정점으로 공기흐름 컨트롤러(126)에 의해 제어된다. 공기 트림 컨트롤러(128)는 사전 결정된 공기흐름 비율 설정점을 조절하고, 상기 공기 흐름 비율 설정점은 공기 서플라이(116)에서 공급된 공기의 온도와 소망하는 전기적 출력에 기본하여 결정된다.
본 발명에 의거, 공기 트림 컨트롤러(128)는, 산화제(118)에, 예열되고 그리고 사전 결정된 또는 설정점 온도(TSP)에서 캐소드 유입구(106a)에 공급된 산화기체가 유지되도록, 사전-결정된 공기흐름 설정점을 조정한다. 이하에서 보다 상세하게 설명되는 상술된 바와 같이, 공기 트림 컨트롤러(128)는 설정점 온도(TSP)와 캐소드 유입구(106a)에 유입되는 산화기체의 온도를 대비하고, 조정 또는 공기 트림 값을 연산하고, 그리고 연산된 공기 트림 값에 기본하여 공기흐름 비율 설정점 을 조정한다. 만일, 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 연산된 공기 트림 값이 제로이면, 공기 트림 컨트롤러(128)에 의한 공기흐름 비율 설정점의 변화는 없게 된다. 만일 연산된 공기 트림 값이 양(+)의 값이면, 공기 트림 컨트롤러(128)는 공기 트림 값에 비례하는 량으로 공기흐름 비율 설정점을 증가하고 그리고, 만일 공기 트림 값이 음(-)의 값이면, 공기 트림 값에 비례하는 량으로 공기흐름 비율 설정점을 감소한다.
특정적으로, 공기 트림 컨트롤러(128)의 동작을 도2에 도시한 흐름도에서 보다 상세하게 설명한다. 도시한 바와 같이, 제1스텝(S1)에서, 컨트롤러(128)는 캐소드 유입구(106a)에 유입하는 산화기체의 온도를 측정한다. 다음 스텝(S2)에서, 공기 트림 컨트롤러(128)는 설정점 온도(TSP)와 제1스텝(S1)에서 구해진 산화기체의 온도를 대비한다. 상술한 바와 같이, 산화제(118)에서 예열된 산화기체의 온도는 애노드 배기 기체에 제공된 반응하지 않은 연료의 량과 공기흐름 비율에 따른다. 설정점 온도(TSP)는, 애노드 배기 기체가 최적한 연료 내용물을 갖고 그리고 공기흐름이 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 결정된 조절되지 않은 일정한 설정점에 있을 때에, 적합하게 설정된 사전 결정된 온도이다.
특정적으로, 애노드 배기 기체에 연료 내용물은 연료의 가열 값과 직접적으로 상관되고, 사전-결정된 연료 흐름 비율은 연료의 최고 예상 가열 값에 기본하여 설정되고, 이러한 경우에, 애노드 배기 기체에 있는 연료 내용물은 시스템(101)에 공급된 연료가 최고 예상 가열 값을 가질 때에 최적한 것이다. 시스템을 운영하는 중에, 상기 연료의 내용물이 최적한 내용물에서 빗나가 있고 그리고, 그러한 결과 로, 산화제(118)에서 예열된 산화기체의 온도가 설정점 온도(TSP)에서 변동 된다. 상기 연료 내용물의 변동이 발생하면, 가열된 산화기체의 온도가 공기흐름, 연료 흐름 또는 양쪽 흐름을 조정하여 설정점 온도(TSP)에서 유지될 수 있게 한다.
특정적으로, 상기 애노드 배기물에 연료 내용물이 최적한 내용물 보다 작게 있고 그리고 상기 캐소드 유입구 온도가 설정점 온도(TSP)보다 낮게 있으면, 캐소드 유입구 온도는 설정점 온도(TSP)에 도달할 때까지 공기흐름을 감소하거나 연료흐름을 증가하여서 설정점 온도(TSP)로 돌아오게 된다. 만일, 애노드 배기물에 연료 내용물이 최적 내용물보다 크게 있으면, 설정점 온도(TSP)는 설정점 온도에 대한 캐소드 유입구 온도가 낮아지도록 연료 흐름을 감소시키거나 공기흐름을 증가시키어서 도달될 수 있다.
도2를 다시 참고로 하여 설명하면, 만일, 공기 트림 컨트롤러(128)가 스텝(S2)에서, 스텝(S1)에서 구해진 산화기체의 캐소드 유입구 온도가 설정점 온도(TSP)와 동일하게 있는 것으로 판단하면, 상기 애노드 배기물에 연료 내용물은 최적한 값으로 있고 그리고 공기 트림 컨트롤러(128)는 스텝(S3)에서 제로(0)로 공기 트림 값을 설정하여 스텝(S8)으로 진행한다. 이러한 경우, 공기흐름 설정점은 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 변화하지 않을 것이고, 따라서, 상술한 사전-결정된 일정한 공기흐름 설정점에 있고 그리고, 공기 흐름 비율은 공기흐름 컨트롤러(126)에 의해 이러한 설정점으로 제어될 것이다.
만일 스텝(S2)에서 공기 트림 컨트롤러가 산화기체의 캐소드 유입구 온도와 설정점 온도(TSP)가 동일하지 않다고 판단하면, 스텝(S4)에서, 상기 공기 트림 컨 트롤러는 산화기체의 캐소드 유입구 온도가 설정점 온도(TSP)보다 높게 있는지를 판단한다. 만일 예스(yes) 이면, 스텝(S41)에서 공기 트림 컨트롤러는, 산화기체의 캐소드 유입구 온도가 캐소드 유입구 온도의 이전 측정된 값으로부터 사전 결정된 범위와 동일한지 또는 그 범위 내에 있는 지의 여부를 판단한다. 만일 예스 이면, 공정은 현재 공기 트림 값이 유지되는 스텝(S7)으로 진행한다. 만일 노(no)이면, 공정은 산화기체의 캐소드 유입구 온도가 캐소드 유입구 온도의 이전 측정된 값 보다 큰지를 판단하는 스텝(S42)으로 진행한다. 만일 노(no) 이면, 공정은 공기 트림 컨트롤러가, 이 실시예에서는 1로 있는, 사전 결정된 증분 값으로 공기 트림 값을 감소하는 스텝(S6)으로 진행한다. 만일 예스 이면, 스텝(S5)에서의 공기 트림 컨트롤러는 증분 값 1로 공기 트림 값을 증가한다.
만일 스텝(S4)에서, 공기 트림 컨트롤러가 산화기체의 캐소드 유입구 온도가 설정점 온도(TSP)보다 크지 않다고 판단하면, 스텝(S43)에서, 상기 공기 트림 컨트롤러는 산화기체의 캐소드 유입구 온도가 캐소드 유입구 온도의 이전 측정된 값으로부터 사전 결정된 범위와 동일한지 또는 그 범위 내에 있는 지의 여부를 판단한다. 만일 예스 이면, 공정은 공기 트림 컨트롤러가 공기 트림 값을 유지하는 스텝(S7)으로 진행한다. 만일 아니면, 공정은 공기 트림 컨트롤러가 산화기체의 캐소드 유입구 온도가 이전 측정된 캐소드 유입구 온도 보다 높은지를 판단하는 스텝(S44)으로 진행한다. 만일 노(no) 이면, 스텝(S6)에서, 공기 트림 컨트롤러가 사전 결정된 증분 값 1씩 공기 트림 값을 감소시킨다. 만일 예스 이면, 스텝(S7)에서의 공기 트림 컨트롤러는 증분 값 1씩 공기 트림 값을 증가한다.
다음, 스텝(S5, S6 또는 S7)에서 결정된 공기 트림 값이 스텝(S8)에서 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 사용되어 공기흐름 설정점에 대한 조정 값을 연산한다. 이러한 조정된 공기 흐름 설정점은 공기 흐름 컨트롤러에 주어진다. 이러한 스텝에서, 사전-결정된 설정점 공기흐름(ASP)에 대한 보정은 다음과 같은 식을 사용하여 실시되어, 공기흐름 컨트롤러(126)에 주어진다.
조정된 공기흐름 = ASP + 공기트림 * 12 (1)
여기서, 조정된 공기흐름(Adjusted Airflow)은 공기흐름 컨트롤러(126)에 주어진 공기 흐름 설정점이고, ASP는 DC전류, 예상된 연료 흐름 비율, 연료의 예상 가열 값, 및 공기 서플라이(116)에서 나온 공기 온도에 기본하여 사전-결정된 공기 흐름 설정점이고, 그리고 공기트림(Air Trim)은 스텝(S5, S6 또는 S7)에서 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 연산된 공기 트림 값 이다.
상기 (1)식에서 볼 수 있는 바와 같이, 조정된 공기흐름은 공기 트림 값이 제로와 같을 때에 일정한 설정점 공기흐름(ASP)과 동일할 것이다. 양(positive)의 공기 트림 값은 대량의 조정 공기흐름을 초래할 것이어서 많은 공기가 산화제(118)에 공급된다. 공기 트림 값이 음(negative)의 값이면, 조정 공기흐름은 설정점 공기흐름(ASP)보다 작을 것이며, 따라서 적은 공기가 공기 서플라이에서 산화제(118)로 공급될 것이다. 공기 트림 컨트롤러(128)의 운영 스텝(S9)에서, 공기 흐름은 스텝(S8)에서 연산된 조정 공기흐름 비율로 애노드 배기 산화제에 공급된다.
기체 흐름 제어 조립체(101)의 공기 트림 컨트롤러(128)에 의한 공기흐름 비율 설정점의 조절은, 산화기체가 연료전지 캐소드(106)로 전달되기 전에 설정점 온 도(TSP)로 가열되게 하며, 또한 상기 캐소드로 적정량의 산화기체가 전달되게 하는 결과를 초래한다. 더우기, 도1과 도2에 도시되고 상술한 바와 같이, 공기 트림 컨트롤러(128)의 동작은 연료 트림 컨트롤러에 의한 피드백으로 사용되어 연료전지 시스템에 대한 연료흐름을 제어한다.
특정적으로, 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 연산된 공기 트림 값의 변화는, 시스템을 운영하는 중에 연료 기체의 내용물(성분 및 가열 값)의 변화와 직접적으로 상관된다. 본 발명에 의거, 기체 흐름 제어 조립체(101)의 연료 트림 컨트롤러가 자동식 연료 흐름 조정 논리방식(automatic fuel flow adjustment logic)을 사용하여 공기 트림 값에서의 변화를 감지하여, 변화에 응답하여 연료 흐름 비율 설정점을 조정한다. 특정적으로, 공기 트림 컨트롤러(128)에 의한 공기 트림 값에서의 변화에 응답하여, 연료 트림 컨트롤러(130)가 사전 결정된 범위 내에서 공기 트림 값을 유지하도록 연료 흐름 설정점을 조정한다. 상술한 바와 같이 배열된 장비에서, 유지되는 사전 결정된 공기 트림 값의 범위는 0과 -1 사이에 있다. 연료흐름 설정점은 전기적 출력을 발생하기 위한 연료전지(102)의 애노드(104)에서 소비된 량을 넘는 필요한 초과 연료 흐름 비율과 현재, 상기 연료의 예상 가열 값에 기본하여 사전-결정된 값이다.
따라서, 연료 트림 컨트롤러(130)가 공기 트림 컨트롤러에 의해 연산된 공기 트림 값의 감소를 감지하면, 연료 트림 컨트롤러(130)가 연료 흐름 비율 설정점을 변화시키어서 사전 결정된 범위 내에 공기 트림 값이 전해지게 추가 연료 흐름을 제공한다. 유사하게, 공기 트림 값의 증가가 연료 트림 컨트롤러에 의해 감지되 면, 연료 흐름 비율 설정점이 연료 트림 컨트롤러(130)에 의해 조절되어 공기 트림 값이 사전 결정된 범위 내에 있을 때까지 연료 량을 감소시킨다.
연료 트림 컨트롤러(130)의 동작을, 연료 트림 컨트롤러(130)의 자동식 연료 흐름 조정 논리의 흐름을 나타낸 도3을 참고로 하여 설명한다. 도3에 나타낸 바와 같이, 제1스텝(S101)에서, 연료 트림 컨트롤러(130)는 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 연산된 공기 트림 값의 변화를 나타내는 공기 트림 컨트롤러(128)에서 나온 신호를 수신한다.
자동식 연료 흐름 조정 논리 흐름의 제2스텝(S102)에서는, 연료 트림 컨트롤러(130)가 공기 트림 값이 0과 같은 지를 판단한다. 만일, 공기 트림 값이 0이면, 연료 흐름 비율 설정점의 조정은 없다. 만일 조정 논리 흐름이 공기 트림 값이 0과 같지 않다고 판단하면, 진행 동작은 연료 수소 내용물 매개변수(TH2)를 변경하여 연료 트림 컨트롤러(130)가 스텝(S104)에서 연료 흐름 비율을 변경하는 스텝(S103)으로 진행하여, 0으로 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 결정된 공기 트림 값을 변경한다. 수소 내용물 매개변수(TH2)는 1입방 피트의 연료에서 생성될 수 있는 입방 피트의 수소 용량을 나타내는 매개변수 이다. 예를 들어, >99% 메탄을 함유한 연료 기체는 4의 TH2 를 가질 것이다. 따라서, 기체 성분과 가열 값을 확립하는 매개변수(TH2)를 사용하여 연료 흐름 비율 설정점을 연산한다. 높은 TH2는 높은 가열 값의 연료 기체를 나타내고 그리고 낮은 TH2는 낮은 가열 값의 기체를 나타낸다.
스텝(S103)에서, (TH2)매개변수는 작은 증가 또는 감소로 조정된다. 본원의 경우에, (TH2)매개변수의 조정 증분은 0.02 이다. (TH2)매개변수는 공기 트림 컨트롤러(128)에 의해 연산된 공기 트림 값이 소망 값, 본원의 경우에는 "0"에 도달 할 때까지 조정된다. 조정된 (TH2)매개변수는 사전-결정된 최고 예상 값을 초과할 수는 없다. 또한, 연료 트림 컨트롤러(130)에 의한 상기 (TH2)매개변수에서 허용할 수 있는 변화 량도 제한을 받는다. 본원의 경우에서는, (TH2)매개변수의 최대 변화는 6%로 제한된다. (TH2)매개변수가 연료 트림 컨트롤러(130)에 의해 감소되면, 연료 흐름 비율 설정점이 증가하게 되고 그리고, 상기 매개변수가 증가되면, 연료 흐름 비율 설정점은 감소하게 된다.
따라서, 스텝(S103)에서, 연료 트림 컨트롤러(130)는 필요한 공기 트림 값, 예를 들면 "0"에서 공기 트림 값을 유지하도록 (TH2)매개변수를 능동적으로 조정한다. (TH2)매개변수가 조정된 후에, 연료 흐름 비율은 스텝(S104)에서 변경된다.
임의적인 경우에서, 연료 트림 컨트롤러(130)는, (TH2)매개변수가 최대 허용된 량으로 변경되어져 있을 때의 경우에서와 같이, (TH2)매개변수를 조정하여 필요한 공기 트림 값을 유지할 수 없다. 연료 트림 컨트롤러가 필요한 공기 트림 값을 유지할 수 없을 때에, 연료 트림 컨트롤러의 동작은 스텝(S105)으로 진행한다. 또한 스텝(S104)을 동반하는 스텝(S105)에서, 연료 트림 컨트롤러(130)는 공기 트림 값이 -1보다 작은 지의 여부를 판단하고, 만일, 작다면, 동작 진행은 높은 연료 트림 알람을 기동(trigger)시키는 스텝(S106)으로 진행한다. 높은 연료 트림 알람은, 연료의 가열 값이 예상 값보다 현저하게 낮고 그리고 연료 트림이 이미 (TH2)매개변수를 감소시키어 최대 허용된 범위로 조정되어져 있음을 나타낸다. 높은 연료 트림 알람은 운영자를 재촉하여 연료의 가열 값을 시험하게 한다. 만일, 연료의 가열 값이 추가로 변화하면, 상기 공기 트림 값은 "-1" 밑으로 더욱 지속하여 떨어질 것이다. 이러한 경우에는, 도2와 관련하여 상술한 바와 같이, 공기 트림 컨트롤러(128)가, 차례로 전체 공기 흐름에 영향을 미치는 공기 트림 값을 변화시키어, 필요한 온도 설정점에서 캐소드 안으로 흘러가는 기체 온도를 유지한다.
공기 트림 값이 양의 값이면, 연료 트림 컨트롤러(130)는 공기 트림 값이 "0"에 도달할 때까지 또는 (TH2)매개변수가 사전 결정된 최고 예상 값에 도달할 때까지 (TH2)매개변수를 증가시킬 것이다. 공기 트림 값은 지속적으로, 연료 기체의 가열 값이 최고 예상된 가열 값을 넘어서 추가로 증가하는 경우에는, 더욱 증가할 것이다.
스텝(S106)에서 높은 연료 트림 알람을 기동시킴에 따라서 또는 연료 트림 컨트롤러(130)가 공기 트림 값이 스텝(S105)에서 양의 값으로 판단하는 경우에는, 조정 동작 논리 흐름은 스텝(S107)으로 진행한다. 스텝(S107)에서는, 연료 트림 컨트롤러(130)가, 공기 트림 값이 사전 결정된 값, 예를 들면 5보다 큰 지의 여부 또는 사전 결정된 값, 예를 들면 -5보다 작은 지의 여부를 판단한다. 도3에 도시 된 바와 같이, 만일 공기 트림 값이 5보다 크거나 또는 -5보다 작으면, 상기 동작은 높은 공기 트림 알람이 기동되는 스텝(S108)으로 진행한다. 높은 연료 트림 알람(high fuel trim alarm)을 기동시키는 기능을 갖지 않은 높은 공기 트림 알람의기동 동작(triggering)은, 연료 기체의 가열 값이 최고 예상 값보다 현저하게 더 높게 있음을 가리킨다. 높은 연료 트림 알람과 함께하는 높은 공기 트림 알람의 기동 동작은, 연료 기체의 가열 값이 예상보다 상당히 더 낮게 있고 그리고 연료 트림 컨트롤러(130)가 더 이상의 보정을 할 수 없음을 의미 한다. 이러한 알람은 조작자가 교정 행위를 개시하게 알려주는 역할을 한다.
도1에 도시된 바와 같은 연료 흐름 트림 제어부를 가진 기체 흐름 제어 조립체(101)를 이용한 시스템(100)의 성능을 시험하여, 이러한 제어부를 갖지 않은 동일한 시스템과 대비한다. 도4는 시험 시스템의 성능 데이터를 그래프로 나타낸 것이다. 도4에서, X-축은 시스템(100)의 동작 시간을 나타내고, Y-축은 scfm 유닛에서의 연료 흐름 비율, DC전류 암페어, 그리고 scfm 유닛에서의 공기흐름 비율을 나타낸다. 설치된 연료 트림 제어부를 가진 시스템의 성능 시험에서, 상기 시스템에 의해 생성된 연료 흐름 및 공기 흐름 비율과 DC전류를 시스템을 운영하는 중에 기록하였다.
제1운영 시간 동안에, 시험 받는 연료전지 시스템은 연료 트림 컨트롤러(130)를 갖지 않은 기체 흐름 제어 조립체를 이용하여 시스템에 대한 연료 흐름 비율을 보정한다. 제2운영 시간 동안에, 시험 받는 시스템은 도1에 도시된 바와 같은 연료 트림 컨트롤러(130)를 이용하는 기체 흐름 제어 조립체(101)를 구비한 것이다. 도면에 도시한 바와 같이, 연료 흐름 비율이 제1운영 시간 동안에 약 30.1 scfm으로 대체로 일정하게 있는 반면에, 주파수 조정(frequent adjustments)은 공기흐름 비율이 590 내지 760 scfm 범위에 있도록 연료의 내용물의 변화로 인한 공기 흐름으로 이행하게 한다.
제2운영 시간 동안에, 연료 흐름과 공기 흐름 비율 모두는 기체 흐름 제어 시스템에 의해 조정되어서, 연료 흐름 비율은 약 29.3과 31 scfm 사이에 범위에 있고, 반면에 공기 흐름 비율은 630과 720 scfm 사이에 범위에 있다. 제1 및 제2운영 시간 동안에 시스템에 의해 생성된 DC전류는 약 700암페어로 상당히 일정하게 유지된다. 도4에 성능 데이터에서 볼 수 있는 바와 같이, 연료 트림 컨트롤러(130)의 자동식 연료 흐름 조정 논리 흐름 방식을 사용하는 기체 흐름 제어 조립체(101)는, 공기흐름 비율에서 보다 작은 변화를 초래하는 시스템에 공급된 연료 흐름을 보다 정확하게 제어하는 방식을 이용한다. 상기와 같은 정확한 제어는 시스템이 연료 내용물의 변화를 빠르게 채택할 수 있게 하여서, 적절한 연료 량이 시스템에 공급되게 하고 그리고 시스템에 의해 생성된 전류가 일정 수준으로 유지되게 한다.
상술된 모든 경우에서, 상술된 배열 및 장비는 본 발명을 적용하는 가능한 많은 특정 실시예를 설명하고자 기재한 것으로 이해되어야 하며, 본 발명은 발명의 정신을 이탈하지 않는 범위 내에서 이루어지는 다른 많은 배열 및 장비에 적용할 수 있는 것이다.

Claims (26)

  1. 연료전지 시스템에 사용하는 기체 흐름 제어 조립체에 있어서, 상기 기체 흐름 제어 조립체는: 연료전지 시스템의 애노드 측을 떠나는 애노드 배기 기체의 내용물 변화에 기본하여 상기 연료전지 시스템의 캐소드 측에 공기의 흐름을 조정하는데 이용되는 공기흐름 제어 조립체와; 상기 공기흐름 제어 조립체에 의한 상기 공기흐름의 조정에 기본하여 상기 연료전지 시스템의 애노드 측에 연료의 흐름을 제어하는데 이용되는 연료 흐름 제어 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 흐름 제어 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료전지 시스템은, 사전 결정된 사용 온도로 그리고 반응하지 않은 연료를 함유한 애노드 배기 기체의 내용물용으로 공기를 예열하는데 이용되는 산화제 조립체를 구비하고, 그리고;
    상기 공기흐름 제어 조립체는, 사전 결정된 온도로 예열 공기의 온도를 유지하도록 애노드 배기 기체의 내용물의 변화로 초래되는 예열 공기의 사전 결정된 온도에서의 온도 변동에 기본하여 상기 공기흐름을 조정하는 것을 특징으로 하는 기체 흐름 제어 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 공기흐름 제어 조립체는: 상기 애노드 배기의 내용물이 주어진 내용물이면, 사전 결정된 온도로 산화제 조립체에서 공기를 예열하는 결 과를 초래하는 공기 흐름 설정점으로 상기 공기 흐름을 제어하는 공기흐름 컨트롤러와;
    상기 공기흐름 컨트롤러에 상기 공기흐름 설정점을 제공하는 공기 트림 컨트롤러를 포함하며;
    상기 공기 트림 컨트롤러는, 조정 값을 결정하여 상기 조정 값에 기본하여 공기흐름 설정점을 조정하도록, 사전 결정된 온도와 상기 예열 공기의 온도를 대비하는 것을 특징으로 하는 기체 흐름 제어 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 공기트림 컨트롤러는, 예열 공기의 온도가 상기 사전 결정된 온도보다 낮게 있으면 상기 예열 공기의 온도의 감소와 증가를 위해 증량식으로 조정 값을 하강 및 상승하고 그리고, 예열 공기의 온도가 사전 결정된 온도보다 높게 있으면 상기 예열 공기의 온도의 증가와 감소를 위해 증량식으로 조정 값을 상승 및 하강하고, 그리고 상기 조정 값은 상기 공기 트림 컨트롤러에 의한 공기흐름 조정에 직접적으로 비례하는 것을 특징으로 하는 기체 흐름 제어 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 증량성 값은 1 이고, 그리고 상기 공기 트림 컨트롤러는, "공기흐름 = 설정점 공기흐름 + 조정값 * 12" 이도록 상기 공기흐름을 제어하는 것을 특징으로 하는 기체 흐름 제어 조립체.
  6. 제4항에 있어서, 상기 연료 흐름 제어 조립체는 상기 시스템에 대해 연료 흐 름 설정점을 조정하는 연료 트림 컨트롤러를 포함하고, 상기 연료 트림 컨트롤러는 상기 공기 트림 컨트롤러에 의해 연산된 상기 조정 값을 수용하여 사전 결정된 범위에서 상기 조정 값이 유지되게 상기 연료 흐름 설정점을 조정하는 것을 특징으로 하는 기체 흐름 제어 조립체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 증량성 값은 1 이고, 그리고 상기 연료 트림 컨트롤러는 0 과 -1 사이에서 조정 값을 유지하도록 연료 흐름을 조정하는 것을 특징으로 하는 기체 흐름 제어 조립체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 연료 트림 컨트롤러는 상기 조정 값(adjustment value)이 -1 보다 작은 값이면 상기 연료 흐름을 증가하는 것을 특징으로 하는 기체 흐름 제어 조립체.
  9. 제6항에 있어서, 상기 연료 흐름 제어 조립체는 부가로, 상기 연료 트림 컨트롤러가 상기 연료 흐름 비율을 측정하도록 연료 유량계와 사전 결정된 연료 흐름 설정점을 조정한 후에 연료 서플라이에서 상기 연료 흐름 설정점으로의 연료 흐름을 제어하는 연료 흐름 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 흐름 제어 조립체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 사전 결정된 연료 흐름 비율은 상기 시스템에 의해 사 전 결정된 전기적 출력을 생성하는데 필요한 최소 요구의 연료 흐름 비율을 초과하는 것을 특징으로 하는 기체 흐름 제어 조립체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 사전 결정된 연료 흐름 비율은, 40% 정도, 최소 필요한 연료 흐름 비율을 초과하는 것을 특징으로 하는 기체흐름 제어 조립체.
  12. 제11항에 있어서, 상기 연료 유량계는 열적 질량 유량계(thermal mass flow meter)인 것을 특징으로 하는 기체 흐름 제어 조립체.
  13. 제12항에 있어서, 상기 공기흐름 설정점은 상기 시스템에 공급된 상기 공기의 온도와 상기 시스템의 사전 결정된 전기적 출력에 기본하여 판단되는 것을 특징으로 하는 기체 흐름 제어 조립체.
  14. 공기 서플라이와 연료 서플라이를 가지고 사용되는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지 시스템은:
    애노드 측과 캐소드 측을 가진 연료전지와;
    상기 애노드 측으로 공급하기 위해 연료 서플라이에서 나온 연료를 수용하는 연료 유입구와;
    캐소드 측으로 산화기체를 공급하기 위해 공기 서플라이에서 나온 공기를 수용하는 공기 유입구와;
    상기 공기 유입구에서 나온 공기의 공기흐름을 조정하는 공기흐름 제어 조립체와, 상기 연료 유입구에서 나온 연료의 연료 흐름을 제어하는 연료 흐름 제어 조립체를 구비한 기체 흐름 제어 조립체를 포함하며;
    상기 연료 흐름 제어 조립체는 상기 공기흐름 제어 조립체로 상기 공기흐름에 대한 조정에 기본하여 상기 연료 흐름을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 공기를 사전 결정된 사용 온도로 그리고 반응하지 않은 연료를 함유한 애노드 배기 기체의 주어진 내용물에 맞게 예열하는데 사용되는 산화제 조립체를 부가로 포함하며;
    상기 공기흐름 제어 조립체는, 상기 사전 결정된 온도로 예열된 공기의 온도가 유지하도록 상기 애노드 배기 기체의 내용물의 변화로 발생하는 예열된 공기의 사전 결정된 온도에서의 온도 변동에 기본하여 상기 공기흐름을 조정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 공기흐름 제어 조립체는:
    상기 애노드 배기의 내용물이 주어진 내용물 이면, 산화 조립체가 상기 사전 결정된 온도로 상기 공기를 예열하는 공기 흐름 설정점으로 상기 공기 흐름을 제어하는 공기흐름 컨트롤러와; 상기 공기흐름 컨트롤러에 상기 공기흐름 설정점을 제공하는 공기 트림 컨트롤러를 구비하고;
    상기 공기 트림 컨트롤러는 조정 값을 결정하여 상기 조정 값에 기본하여 상기 공기흐름을 조정하도록 사전 결정된 온도와 상기 예열된 공기의 온도를 대비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 공기 트림 컨트롤러는, 예열 공기의 온도가 상기 사전 결정된 온도보다 낮게 있으면 상기 예열 공기의 온도의 감소와 증가를 위해 증량식으로 조정 값을 하강 및 상승하고 그리고, 예열 공기의 온도가 사전 결정된 온도보다 높게 있으면 상기 예열 공기의 온도의 증가와 감소를 위해 증량식으로 조정 값을 상승 및 하강하고, 그리고 상기 조정 값은 상기 공기 트림 컨트롤러에 의한 공기흐름 조정에 직접적으로 비례하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 설정점 공기흐름 비율은 상기 공기 서플라이에서 공급된 산화기체의 온도와 상기 시스템의 사전 결정된 전기적 출력에 기본하여 정해지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 연료흐름 제어 조립체는 상기 애노드 측에 연료 흐름을 조정하는 연료 트림 컨트롤러를 포함하고, 상기 연료 트림 컨트롤러는 상기 공기 트림 컨트롤러에 의해 연산된 상기 조정 값을 수용하여 사전 결정된 범위에서 상기 조정 값이 유지되게 상기 연료 흐름을 조정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 증량성 값은 1 이고, 그리고 상기 연료 트림 컨트롤러는 0 과 -1 사이에서 조정 값을 유지하도록 연료 흐름을 조정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 상기 연료 트림 컨트롤러는 상기 조정 값이 -1 미만이면 상기 연료 서플라이에서 나오는 연료 흐름을 증가하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  22. 제19항에 있어서, 상기 연료 흐름 제어 조립체는 부가로, 상기 연료 트림 컨트롤러가 상기 연료 흐름 비율을 측정하도록 연료 유량계와 사전 결정된 연료 흐름 설정점을 조정한 후에 연료 서플라이에서 연료 흐름 설정점으로의 연료 흐름을 제어하는 연료 흐름 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 상기 사전 결정된 연료 흐름 비율은 사전 결정된 전기적 출력을 생성하는데 필요한 최소 필요한 연료 흐름 비율을 초과하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 사전 결정된 연료 흐름 비율은, 40% 정도, 상기 최소 필요한 연료 흐름 비율을 초과하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 상기 연료 유량계는 열적 질량 유량계인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 상기 시스템은 부가로, 사전 처리된 연료를 가열하는 열 교환기와 연류 유입구에서 상기 연료를 사전 처리하는 연료 처리 조립체를 포함하고, 상기 열 교환기의 배출구는 상기 애노드 측의 유입구와 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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