KR20110098945A - 전기 네트워크에 전류를 공급하기 위한 연료 전지 디바이스 및 방법 - Google Patents

전기 네트워크에 전류를 공급하기 위한 연료 전지 디바이스 및 방법 Download PDF

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KR20110098945A
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Abstract

본 발명의 포커스는 전기 네트워크 (125) 로 전류를 입력하는, 연료 전지 디바이스에 의한 전류를 생성하는 방법이다. 이 방법에서, 적어도 하나의 연료 전지 디바이스 (123) 는 전기 네트워크 (125) 에 병렬로 접속되도록 배열되고, 전류를 입력하는데 이용될 상 기준 신호를 형성하고, 연료 전지 디바이스가 전기 네트워크에 병렬로 접속되어 있을 때, 전류는 전력 스테이지 (124) 를 포함하는 전력 변압기 (122) 에 의해 제어된 전기 네트워크 전류로 입력되고, 전기 네트워크에서 고장이 발생할 때 연료 전지 디바이스는 전기 네트워크로부터 스위치 오프된다. 이 방법에서, 연료 전지 디바이스는 전력 변압기 (122) 의 전압 제어된 동작을 수행하기 위해 상 기준 신호를 이용함으로써 전기 네트워크로부터 스위치 오프된 동작 모드로 변경되고, 제어 가능한 로드 (126) 는 전압 제어된 전력 변압기 (122) 와 연료 전지 디바이스의 다른 부분들 간의 전력 안정성을 유지하기 위해 사용되며, 전기 네트워크로부터 고장이 사라질 때, 연료 전지 디바이스는 전력 변압기 (122) 시스템의 전류 제어된 동작을 수행하기 위해 상 기준 신호를 이용함으로써 전기 네트워크로 스위치 오프된 동작 모드로 변경된다.

Description

전기 네트워크에 전류를 공급하기 위한 연료 전지 디바이스 및 방법{FUEL CELL DEVICE AND METHOD FOR FEEDING ELECTRICAL CURRENT TO ELECTRICAL NETWORK}
연료 전지 디바이스는 상이한 종류의 전기 제품 요구를 충족시키는데 일반적이 되고 있다. 연료 전지 디바이스는 전기 에너지를 생성하기 위해 반응물들이 공급된 전기화학 디바이스들이다.
연료 전지 디바이스는, 환경 친화적 프로세스에서 높은 충격 계수를 갖는 전기의 생성을 가능하게 하는 전기화학 디바이스들이다. 연료 전지 기술은 가장 유망한 미래의 에너지 생성 방법들 중 하나로서 고려된다.
도 1 에 나타난 바와 같이, 연료 전지는 애노드 측 (100) 및 캐소드 측 (102) 및 그들 사이의 전해액 재료 (104) 를 포함한다. 연료 전지 디바이스들에 공급된 반응물들은 발열 반응의 결과로서 전기 에너지 및 열이 생성되는 프로세스를 겪는다.
고체 산화물 연료 전지 (solid oxide fuel cell; SOFC) 에서, 캐소드 측 (102) 으로 산소 (106) 가 공급되고, 산소는 캐소드로부터 전자를 받음으로써 음의 산소 이온들로 환원된다. 음의 산소 이온은 전해액 재료 (104) 를 통과하여 애노드 측 (100) 으로 가고, 여기서 산소는 물 및 또한 통상적으로 이산화탄소 (CO2) 를 생성하는 사용 연료 (108) 와 반응한다. 애노드와 캐소드 간에는 전자 (e-) 를 캐소드로 트랜스퍼하는 외부 전기 회로 (111) 가 있다. 외부 전기 회로는 로드 (110) 를 포함한다.
SOFC 디바이스가 제시되는 도 2 에서, SOFC 디바이스는 예를 들어 중성 가스, 바이오 가스, 탄화수소를 함유하는 메탄올 또는 다른 화합물을 연료로서 이용할 수 있다. 도 2 의 SOFC 디바이스는 스택 형상 (103)(SOFC 스택) 으로 평면형 연료 전지를 포함한다. 각각의 연료 전지는 도 1 에 나타난 바와 같은 애노드 (100) 및 캐소드 (102) 구조를 포함한다. 사용된 연료의 일부는 각각의 애노드를 통과하여 피드백 장치 (109) 에서 재순환된다.
도 2 의 SOFC 디바이스는 연료 열 교환기 (105) 및 리포머 (reformer; 107) 를 포함한다. 열 교환기는 연료 전지 프로세스에서 열 컨디션을 제어하기 위해 사용되고, SOFC 디바이스의 상이한 로케이션들에서 1 초과의 로케이션들에 위치할 수 있다. 재순환 가스에서의 여분의 열 에너지는 열 교환기 (105) 에서 복구되어 SOFC 디바이스에서 또는 열 복구 장치 밖에서 이용된다. 따라서, 열 복구 열 교환기는 도 2 에 나타난 바와 같이 상이한 로케이션들에 위치할 수 있다. 리포머는, 예를 들어 중성 가스와 같은 연료를 연료 전지에 적합한 조성물, 예를 들어 반 수소 및 다른 반 메탄, 이산화탄소 및 불활성 가스들을 함유하는 조성물로 변환하는 디바이스이다. 그러나, 리포머는 모든 연료 전지 구현들에 반드시 있는 것은 아니고, 처리되지 않은 연료가 또한 연료 전지 (103) 에 직접적으로 공급될 수도 있다.
(연료 흐름 미터, 전류 미터 및 온도 미터와 같은) 측정 수단 (115) 을 사용함으로써 통과하는 애노드 재순환 가스로부터 SOFC 디바이스의 동작을 위해 필요한 측정들을 수행한다. 연료 전지 (103) 의 애노드 (100)(도 1) 에서 사용된 가스의 단지 일부가 애노드를 통과하여 피드백 장치 (109) 에서 재순환되고, 따라서 도 2 에는 가스 (114) 의 다른 부분이 애노드 (100) 로부터 배기되는 것이 도식적으로 나타난다.
연료 전지 디바이스는 저 전압 레벨을 포함하는 직류의 형태로 전기 에너지를 생성한다. 전압 레벨은, 예를 들어 적층된 형상과 같은 시리얼 커넥션 (serial connection) 을 형성하기 위해 여러 연료 전지들 또는 연료 전지들의 조합들을 결합함으로써 상승될 수 있다. 연료 전지의 전류-전압 특징은, 예를 들어 반응물 조성, 질량 흐름, 온도 및 압력에 의존한다. 연료 전지에서 전기화학 반응은 연료 전지 로드에서의 변동에 빠르게 반응한다. 그러나, 반응물 유입 시스템의 반응 능력 (response capacity) 은 통상적으로 2 분 또는 이보다 많은 평균 반응 시간들 보다 더 느리다. 반응물의 우세한 유입보다는 연료 전지의 보다효율적인 출력을 획득하고자 할 때, 연료 전지 전압의 약화가 야기되고 심지어 연료 전지의 회복 불가능한 악화가 가능하다. 또한, 로드는 연료 전지에서 빠른 온도 변화를 야기하고, 이는 필수적으로 고온의 연료 전지에서 유해한 열기계적 스트레스를 야기하여, 연료 전지의 성능 및 수명의 상당한 감소를 초래한다. 따라서, 연료 전지 시스템은, 각각의 연료 전지의 로드가 가능한 한 일정하게 유지되고 로드에서의 가능한 변화가 가능한 한 제어 가능하게 수행되게 시도되도록 설계되어야 한다.
독립적인 가변 AC 로드를 획득하고, 또는 분배 네트워크에 전력을 공급하기 위해 연료 전지가 사용될 때, DC 전력을 AC 전력으로 변환하기 위해 DC-AC 컨버터가 필요하다. 또한, 연료 전지들로부터 획득된 DC 전압을 DC-AC 컨버터에 적합한 레벨로 상승시키기 위해 DC-DC 컨버터들에 대한 필요성이 존재할 수도 있다. 그러나, 로드에서의 변화에 반응하기 위한 연료 전지의 능력 및 매우 제한된 호환성으로 인해, 종래의 연료 전지 구현들, 기본적으로 고온의 연료 전지 구현들은 독립적인 가변 AC 로드들을 공급하거나 분배 네트워크에 가변 전력을 공급하기 위한 전원들로서 좋지않게 적용된다. 상기 문제를 해결하고자 하는 잘 알려진 방법은, 예를 들어 연축전지로 구성되는 에너지 버퍼의 사용이다. 에너지 버퍼의 기능은, 연료 전지의 로드 변화가 제어되도록 빠르게 변하는 컨디션에서 전력을 공급 또는 소모하기 위한 것이다. 특히, 대형 연료 전지 시스템에서, 상기 종래의 구현의 단점은 시스템의 고 비용, 대형 크기 및 무거운 무게 및 제한된 유효성으로 인해 더욱 심각해지고 있다. 애플리케이션들에 커플링된 전기 네트워크에서, 일정한 연료 전지 로드를 유지하기 위한 다른 종래의 구현은 네트워크에 전력을 공급하는데 있어서 전류 제어된 변형을 이용하는 것이다. 그러나 전류 제어된 변형에 기초한 제어는 네트워크 독립적인 동작에 적합하지 않으므로, 연료 전지 시스템 내부 또는 외부의 중요한 AC 로드에 대한 긴급 전원으로서 이용될 수 없다.
고온의 연료 전지 시스템은 시스템을 동작 온도까지 가열하기 위해 주요한 열 에너지 양을 필요로 한다. 이로부터, 스타트 업 시간이 최대 수십 시간의 길이 일 수 있다는 결과가 나온다. 셧 다운 및 스타트 업 시퀀스에서 넓은 온도 교번은 연료 전지 및 관련된 시스템 컴포넌트들을 매우 과도한 열기계적 스트레스에 노출시킨다. 따라서, 고온의 연료 전지 시스템은, 임의의 셧 다운 없이, 가능한 한 장 시간, 예를 들어 심지어 수천 시간 동안 계속적으로 동작하도록 설계되어야 한다. 이 목적을 달성하기 위해, 시스템은, 시스템을 셧 다운시키거나 시스템을 유해한 동작 컨디션으로 몰아갈, 이러한 외부 팩터들을 최소화할 뿐만 아니라 높은 신뢰도를 충족시키도록 설계되어야 한다. 전류 제어된 컨버터들은, 그들이 전력 고장, 전압 하락 또는 트랜션트 (transient) 와 같은 상이한 네트워크 혼란으로부터 발생하는, 로드에서의 갑작스런 변화로부터 연료 전지를 보호할 수 없는 것을 연료 전지 애플리케이션에서의 문제로서 갖는다.
본 발명의 목적은 전기 에너지에 대한 별개의 저장 장치 없이 연료 전지 디바이스를 달성하기 위한 것이고, 상기 연료 전지 디바이스는 우수한 품질의 전류를 전기 네크워크에 공급하고, 전기 네트워크에서 고장이 발생할 때 연료 전지 디바이스는 다른 기능에 이용되도록 전기 네트워크로부터 스위치 오프된 동작 모드로 즉시 변한다. 이는 전기 네트워크에 대한 전류를 생성하기 위한 연료 전지 디바이스에 의해 달성된다. 적어도 하나의 연료 전지 디바이스는, 전기 네트워크에 병렬로 접속되도록 배열되어 있고, 연료 전지 디바이스가 전기 네트워크에 병렬로 접속되어 있을 때 전기 네트워크에 전류를 입력하기 위한, 전류 제어된 전력 스테이지 및 전류를 입력하는데 이용될 상 기준 신호를 형성하기 위한 제어 회로를 포함하는 전력 변압기, 상기 제어 회로, 연료 전지 디바이스의 전력 안정성을 유지하기 위한 제어 가능한 로드, 전기 네트워크에 고장이 발생할 때 전기 네트워크로부터 연료 전지 디바이스를 스위치 오프하기 위한 수단을 포함하고, 상기 전력 변압기는 전력 변압기의 전압 제어된 동작을 수행하기 위해 상 기준 신호를 사용함으로써 전기 네트워크로부터 스위치 오프된 동작 모드로 연료 전지 디바이스를 변경하기 위한 것이고, 상기 제어 가능한 로드는 전압 제어된 전력 변압기와 연료 전지 디바이스의 다른 부분들 간의 전력 안정성을 유지하기 위한 것이며, 전기 네트워크로부터 고장이 사라질 때 상기 전력 변압기는 전력 변압기의 전류 제어된 동작을 수행하기 위해 상 기준 신호를 사용함으로써 전기 네트워크로 스위치 온된 동작 모드로 연료 전지 디바이스를 변경하기 위한 것이다.
본 발명의 포커스는 또한, 전기 네트워크에 전류를 입력하는, 연료 전지 디바이스에 의해 전류를 생성하는 방법이다. 이 방법에서, 적어도 하나의 연료 전지 디바이스는 전기 네트워크에 병렬로 접속되도록 배열되고, 전류를 입력하는데 이용될 상 기준 신호를 형성되고, 연료 전지 디바이스가 전기 네트워크에 병렬로 접속되어 있을 때 전류는 전력 스테이지를 포함하는 전력 변압기에 의해 전류 제어된 전기 네트워크로 입력되고, 전기 네트워크에서 고장이 발생할 때 연료 전지 디바이스는 전기 네트워크로부터 스위치 오프되고, 연료 전지 디바이스는 전력 변압기의 전압 제어된 동작을 수행하기 위해 상 기준 신호를 사용함으로써 전기 네트워크로부터 스위치 오프된 동작 모드로 변경되며, 제어 가능한 로드는 전압 제어된 전력 변압기와 연료 전지 디바이스의 다른 부분들 간의 전력 안정성을 유지하기 위해 사용되고, 전기 네트워크로부터 고장이 사라질 때 연료 전지 디바이스는 전력 변압기의 전류 제어된 동작을 수행하기 위해 상 기준 신호를 사용함으로써 전기 네트워크로 스위치 온된 동작 모드로 변경된다.
본 발명은, 전류 제어된 전력 변압 기술이 연료 전지 디바이스의 동작에서 이용되고, 상 기준 신호가 전기 네트워크에 전류를 입력하는데 이용된다는 것에 기초한다. 전기 네트워크에서 고장이 발생할 때, 연료 전지 디바이스는 스위치 오프를 수행하기 위한 수단을 사용함으로써, 그리고 상 기준 신호를 사용함으로써 전기 네트워크로부터 즉시 스위치 오프되고, 연료 전지 디바이스는 본 발명에 따른 연료 전지 비다이스의 일부가 전압 제어 가능하게 동작하는 전기 네트워크로부터 스위치 오프된 동작 모드로 변경되며, 제어 가능한 로드를 이용함으로써 전력 불균형이 균형잡힌다.
본 발명의 이점은 비싸고 별개의 전기 에너지 저장 장치에 대한 필요 없이 상이한 상황들에서 변함없는 연료 전지 로드를 보장하는, 연료 전지 디바이스의 구현의 성공이다. 본 발명에 따른 실시형태에서, 연료 전지 디바이스의 동작 모드는, 연료 전지 디바이스가 전기 네트워크에 병렬로 접속되는 동작 모드로부터, 전기 네트워크에서 고장이 검출될 때 즉시, 연료 전지 디바이스가 전기 네트워크로부터 스위치 오프되는 동작 모드로 변경된다. 따라서, 연료 전지 디바이스는 전기 네트워크의 단기 또는 장기 고장 동안 계속해서 동작할 수 있다. 이에 의해, 연료 전지 디바이스의 장기 스타트 업 프로세스들이 방치되고, 전기 네트워크의 고장 동안, 연료 전지 디바이스의 동작은 예를 들어 모바일 전화기 네트워크의 기지국 (132) 에 대한 긴급 전원으로서 동작하는 것과 같이 몇몇 다른 목적을 위해 사용될 수 있다. 전기 네트워크의 고장이 사라진 후에, 연료 전지 디바이스의 동작은, 연료 전지 디바이스가 전기 네트워크에 전류를 공급하는 전기 네트워크로 스위치 온된 동작 모드로 즉시 역전될 수 있다.
도 1 은 단일의 연료 전지 구조를 나타낸다.
도 2 는 연료 전지 디바이스의 예를 나타낸다.
도 3 은 본 발명에 따른 바람직한 실시형태를 나타낸다.
본 발명에 따른 실시형태에서, 연료 전지 기술은 전기 네트워크 (125) 에 전류를 공급하는데 있어서, 그리고 연료 전지 디바이스 (123) 가 전기 네트워크로부터 스위치 오프되어 접속되지 않은 동작을 수행하는 경우에서 성공적으로 이용된다. 다음 설명에서 본 발명의 바람직한 실시형태가 나타나고, 본 발명의 도 3 은 블록도를 나타낸다. 적어도 하나의 연료 전지 디바이스는 연료 전지 디바이스에 의해 생성된 전기를 전기 네트워크에 공급하기 위해 전기 네트워크에 병렬로 접속되도록 배열된다. 연료 전지 디바이스 (123) 가 전기 네트워크에 병렬로 접속되어 있을 때, 연료 전지 디바이스의 전력 변압기 (122) 는 제어 회로 (128) 및 전류 제어된 전력 스테이지 (124) 를 포함하여 전기 네트워크에 전류를 입력한다. 전력 변압기 기술은, 전력 스테이지가 포함하는, 전류 제어된 컨버터를 사용함으로써, 예를 들어 전류 제어된 DC-DC 컨버터들을 사용함으로써 구현된다. 전류 제어된 실시형태는, 연료 전지의 전압이 변하거나 DC-AC 컨버터의 중간 회로 전압이 변하는 상태에서도, 연료 전지가 원하는 동작 범위 내에서 유지되는 것을 가능하게 한다. 다수의 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템에서, 연료 전지 스택들 사이의 로드들의 분할의 제어성을 확보하도록 각각의 스택 또는 스택들 그룹에 별개의 DC-DC 컨버터들이 사용될 수 있다.
전기 네트워크 (125) 에 대해 연료 전지 디바이스 (123) 의 스위치 온된 동작 모드에서, 연료 전지 디바이스에 의해 생성된 전류는 3 상의 전류 제어된 전력 스테이지 (124) 에 의해 전기 네트워크로 공급된다. 전력 변압기 (122) 는 전기 네트워크에 전류를 입력하도록 상 기준 신호를 형성하기 위한 제어 회로 (128) 를 포함한다. 상 기준 신호는, 예를 들어 상 전류를 위한 제어 회로 (128) 에서의 3 상의 사인곡선 기준 신호가 필수적으로 일정하게 유지되도록 형성된다. 상 기준 신호, 즉 사인파 기준 신호는 3 상의 메인 전압과 비교하여 3 상에서 록킹된 제어 회로 주파수에 의해 형성된다. 사인파 기준 신호에 오프셋 값을 적용함으로써, 전기 네트워크에 공급될 전류의 상 각도는 지연됨에 따라 또는 예정보다 빨리 자유롭게 소정 제한에서 설정될 수 있다. 또한, 상 기준 신호, 즉 본 예에서 사인파 기준 신호가 전력 스테이지 (124) 의 중간 회로 전압으로부터 도출되는 진폭 기준 신호로 곱해지도록 제어 회로 (128) 에 의해 진폭 제어가 수행된다. 이 방법에서, 진폭 제어는, 왜곡되지 않은 전류가 전기 네트워크로 투입되는 것을 허용하기에 충분한, 이러한 최소 레벨에서 수행되고, 이에 따라 연료 전지 디바이스의 효율성을 최적화할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서는, 연료 전지 디바이스를 전기 네트워크로부터 스위치 오프하기 위한 수단으로서, 전기 네트워크에서 고장이 발생할 때 연료 전지 디바이스를 전기 네트워크로부터 동작 모드로 즉시 스위치 오프하기 위한 보호경 중계 장치 (130) 가 배열된다. 전기 네트워크에서의 고장은, 예를 들어 전압 또는 주파수 검출에 기초하여 검출된다. 상기 스위치 오프는 송신기에 의해 전력 변압기 (122) 의 제어 회로 (128) 로, 그리고 제어 회로의 내부 사인파 기준 신호에 기초한 제어 회로를 사용함으로써 시그널링되고, 연료 전지 디바이스의 동작은 전기 네트워크로부터 스위치 오프된 동작 모드로 즉시 트랜스퍼된다. 전기 네트워크로부터 스위치 오프된 동작 모드에서, 연료 전지 디바이스 (123) 는 전압 제어된 동작 모드에서 동작하고, 이 모드에서 안정한 로드 독립적인 3 상의 전압이 형성된다. 보호형 중계기 (130) 는 연료 전지 디바이스가 포함하는 다른 보호형 중계기 (131) 와 통신하기 위한 송신기-수신기 장치를 사용함으로써 구성될 수 있으므로, 연료 전지 디바이스는 로드들 (132) 을 포함하는 국부적 고립된 장치 (예를 들어, 모바일 전화기 네트워크 기지국) 를 형성하고, 필요할 때 로드에 대해 연료 전지 디바이스가 긴급 전원으로서 동작할 수 있다. 유닛의 가능한 다른 전압 유닛들과 로드들을 공유하는 것은, 예를 들어 전원과 주파수 사이의 네거티브 피드백을 적용함으로써 수행될 수 있다. 도 3 에 나타난 보호형 중계기 (131) 는 본 발명의 구현에서 반드시 필요하지 않다.
전기 네트워크로부터 스위치 오프된 동작 모드에서, 연료 전지 디바이스 (123) 의 연료 전지들은 전력 안정성을 유지하기 위해 제어 가능한 로드, 즉, 그 로드가, 연료 전지로부터 생성된 전기 전력과 로드의 현재 실제 전기 전력 필요성 간의 차이에 기초하는 차이를 제거하도록 구성되는 소위 버퍼 로드를 사용함으로써 로드 컨디션을 일정하게 유지한다. 전력 변압기 (122) 를 전기 네트워크로부터 스위치 오프한 후에, 본원에서 제시된 본 발명의 일 바람직한 실시형태에서 DC/AC 변압기인 전력 변압기 (122) 는 전압 제어된 동작 모드에서 동작해야 하지만, 연료 전지 (103) 의 로드는 전류 제어 가능한 것으로서 계속된다. 제어 가능한 로드 (126) 는 상기 전압 및 전류 제어에 의해 야기된 전력 불균형을 균형잡기 위해 사용된다. 제어 가능한 로드 (126) 의 구성은 전력 스테이지의 현재 중간 회로 전압 값에 기초하여 제어 장치에 의해 달성된다. 제어하기 위한 수단으로서, 예를 들어 그 트리깅 각도 (trigging angle) 가 제어되는 트리스터 (tyristor) 제어기가 사용된다. 제어 가능한 로드 (126) 로 공급되는 전력 양은 또한 로드로 공급된 현재 전력을 증가시키기에 미미한 것으로 나타난다. 전기 에너지 저장장치는, 단지 연료 전지 디바이스가 보다 긴 기간 동안 그 통상적인 동작 전력 절차보다 많은 AC 전력을 공급하도록 의도되는 경우에만 필요하다.
전기 네트워크 (125) 의 고장은 장기간 (정전) 동안 매우 단기간의 지속 (예를 들어, 전압 스파크) 에 따라 변할 수도 있다. 고장이 전기 네트워크로부터 사라지는 것이 개별적으로 검출될 때, 연료 전지 디바이스 (123) 의 동작은 또한, 연료 전지 디바이스가 전기 네트워크로 전류를 공급하는 스위치 온된 전기 네트워크 동작 모드로 즉시 리턴될 수 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시형태는 또한, 상이한 종류의 전기 네트워크들에 접속 가능한 연료 전지 디바이스 애플리케이션들에 대한 네트워크 상호 교환적인 전기 전력 균형기로서 지명될 수 있다. 따라서, 전기 네트워크는 단일-상, 2-상, 3-상 등일 수 있고, 교류 네트워크 및 또한 DC 전력 네트워크들이 관련될 수 있다.
예를 들어, 분할의 연료 전지 시스템들과 같은, 주로 전기 네트워크에 병렬인 동작에 의도되는 연료 전지 디바이스들에 대해, 전기 에너지를 저장하기 위한 장치 없이 동작할 가능성을 갖는 주요한 이점을 갖는다. 본 발명에 따른 스위치 온된 전기 네트워크 동작 모드에서, 전기 에너지의 저장 장치의 부재는, 에너지 저장장치의 전기 에너지 양을 매우 충분히 유지하기 위해 개별적으로 전기를 생성할 필요가 없기 때문에, 효율적 이득을 의미한다. 본 발명에 따른 전기 네트워크로부터 스위치 오프된 동작 모드에서, 저항기들에서 손실된 전력은 상기 동작 모드의 기간이 비교적 짧기 때문에 무의미하다. 전기 에너지 저장장치가 연료 전지 디바이스에 포함되더라도, 연료 전지 디바이스는 소정의 최소 로드에서 동작해야 하므로, 온도 균형의 요건이 연료 전지 디바이스의 동작에서 충족시킨다. 본 발명에 따른 실시형태에서, 최소의 허용 가능한 연료 전지의 로드는 연료 전지 부근에 저항 로드를 셋팅함으로써, 그리고 연료 전지를 가열하기 위한 저항 로드의 열 에너지를 이용함으로써, 그리고/또는 연료 전지 디바이스가 예를 들어 모바일 전화기 네트워크 기지국과 같은 외부 로드 (132) 에 대한 긴급 전원으로서 동작할 때 감소될 수 있다.
SOFC 연료 전지 디바이스들에서 이용될 본 발명에 따른 실시형태들이 도면과 함께 제시되었으나, 본 발명에 따른 실시형태들은 상이한 종류의 연료 전지 디바이스들에서 이용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 전기 네트워크는 통상의 전기 전력 분배 네트워크인 것으로 여겨지고, 연료 전지 디바이스에 의해 생성된 DC 전기는 예를 들어 3 상의 DC-AC 변압기를 통해 상기 네트워크로 공급된다. 본 발명에 따른 실시형태에서 많은 종류의 전기 네트워크 애플리케이션들이 실현될 수 있고, 따라서 예를 들어 DC-AC 변압기는 애플리케이션마다 필요하지 않다.
본 발명은 첨부된 도면 및 상세한 설명을 참조하여 제시되었으나, 본 발명은 청구범위에 의해 허용되는 범위 내에서 본 발명이 변형의 대상이 되는 것과 같이 본 발명에 제한되지 않는다.

Claims (12)

  1. 전기 네트워크 (125) 에 대한 전류를 생성하기 위한 연료 전지 디바이스로서,
    적어도 하나의 연료 전지 디바이스 (123) 는 전기 네트워크 (125) 에 병렬로 접속되도록 배열되어 있고,
    - 상기 연료 전지 디바이스가 전기 네트워크에 병렬로 접속되어 있을 때, 전기 네트워크에 전류를 입력하기 위한, 상기 전류를 입력하는데 이용될 상 기준 신호를 형성하기 위한 제어 회로 (128) 및 전류 제어된 전력 스테이지 (124) 를 포함하는 전력 변압기 (122),
    - 상기 연료 전지 디바이스의 전력 안정성을 유지하기 위한 제어 가능한 로드 (126), 및
    - 전기 네트워크에서 고장이 발생할 때, 전기 네트워크로부터 상기 연료 전지 디바이스를 스위치 오프하기 위한 수단 (130) 을 포함하고,
    - 상기 전력 변압기 (122) 는 상기 전력 변압기 (122) 의 전압 제어된 동작을 수행하기 위해 상기 상 기준 신호를 이용함으로써, 전기 네트워크로부터 스위치 오프된 동작 모드로 상기 연료 전지 디바이스를 변경하기 위한 것이고, 상기 제어 가능한 로드 (126) 는 상기 전압 제어된 전력 변압기 (122) 와 상기 연료 전지 디바이스의 다른 부분들 간의 전력 안정성을 유지하기 위한 것이며,
    - 전기 네트워크로부터 상기 고장이 사라질 때, 상기 전력 변압기 (122) 는 상기 전력 변압기 (122) 의 전류 제어된 동작을 수행하기 위해 상기 상 기준 신호를 이용함으로써, 전기 네트워크로 스위치 온된 동작 모드로 상기 연료 전지 디바이스를 변경하기 위한 것인 것을 특징으로 하는 연료 전지 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 디바이스 (123) 는 전기 네트워크로 전류를 입력하도록 3 상의 사인곡선 상 기준 신호를 형성하기 위한 제어 회로 (128) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 디바이스 (123) 는 상기 연료 전지 디바이스의 효율성을 최적화하기 위해 전기 네트워크로 왜곡되지 않은 전류를 입력하도록 상기 상 기준 신호에 진폭 기준 신호를 곱하기 위한 제어 회로 (128) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전류 제어된 전력 스테이지 (124) 는 중간 회로를 포함하고, 상기 진폭 기준 신호는 상기 중간 회로의 전압으로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 디바이스 (123) 는, 전기 네트워크로부터 스위치 오프되는 동작 모드에서 긴급 전원 동작으로 상기 연료 전지 디바이스의 동작을 배열하기 위한 제어 가능한 로드 (126) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 디바이스 (123) 는 1 초과의 연료 전지 스택들 (103), 및 상기 연료 전지 스택들 사이의 로드들의 분할을 제어하도록 각각의 연료 전지 스택에 대한 또는 연료 전지 스택들의 그룹에 대한 개별의 DC-DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 디바이스.
  7. 전기 네트워크 (125) 에 전류를 입력하는 연료 전지 디바이스에 의해 전류를 생성하는 방법으로서,
    상기 방법에서,
    - 적어도 하나의 연료 전지 디바이스 (123) 가 전기 네트워크 (125) 에 병렬로 접속되도록 배열되고,
    - 상기 전류를 입력하는데 이용될 상 기준 신호가 형성되고,
    - 상기 연료 전지 디바이스가 전기 네트워크에 병렬로 접속되어 있을 때, 전력 스테이지 (124) 를 포함하는 전력 변압기 (122) 에 의해 전류 제어된 전류가 전기 네트워크로 입력되고,
    - 전기 네트워크에서 고장이 발생할 때, 상기 연료 전지 디바이스는 전기 네트워크로부터 스위치 오프되고,
    - 상기 연료 전지 디바이스는 상기 전력 변압기 (122) 의 전압 제어된 동작을 수행하기 위해 상기 상 기준 신호를 이용함으로써, 전기 네트워크로부터 스위치 오프된 동작 모드로 변경되고, 상기 전압 제어된 전력 변압기 (122) 와 상기 연료 전지 디바이스의 다른 부분들 간의 전력 안정성을 유지하기 위해 제어 가능한 로드 (126) 가 사용되고,
    - 전기 네트워크로부터 상기 고장이 사라질 때, 상기 연료 전지 디바이스는 상기 전력 변압기 (122) 의 전류 제어된 동작을 수행하기 위해 상기 상 기준 신호를 이용함으로써, 전기 네트워크로 스위치 온된 동작 모드로 변경되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 디바이스에 의한 전류 생성 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    전기 네트워크로 전류를 입력하도록 3 상의 사인곡선 상 기준 신호가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 디바이스에 의한 전류 생성 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 연료 전지 디바이스 (123) 의 효율성을 최적화하기 위해 전기 네트워크로 왜곡되지 않은 전류를 입력하도록 상기 상 기준 신호는 진폭 기준 신호로 곱해지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 디바이스에 의한 전류 생성 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 진폭 기준 신호는 상기 전력 스테이지 (124) 의 중간 회로의 전압으로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 디바이스에 의한 전류 생성 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    제어 가능한 로드 (126) 를 사용함으로써, 상기 연료 전지 디바이스의 동작은 전기 네트워크로부터 스위치 오프되는 동작 모드에서 긴급 전원 동작으로 배열되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 디바이스에 의한 전류 생성 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    연료 전지 스택들 (103), 또는 연료 전지 스택들의 그룹들에 대해 개별의 DC-DC 컨버터들을 사용함으로써, 상기 연료 전지 스택들 사이의 로드들의 분할 또는 상기 연료 전지 스택들의 그룹들 사이의 로드들의 분할이 제어되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 디바이스에 의한 전류 생성 방법.
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