KR20120052966A - 연료 전지 스택들의 향상된 제어 가능성을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

연료 전지 스택들의 향상된 제어 가능성을 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 연료 전지들로 전기를 생성하는 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하기 위한 어레인지먼트이고, 연료 전지 시스템의 각각의 연료 전지는 애노드 측 (100), 캐소드 측 (102) 및 애노드 측과 캐소드 측 사이의 전해질 (104) 을 포함하며, 연료 전지 시스템은 적어도 2 개의 전기적으로 직렬 접속된 개별적인 연료 전지 스택들 또는 스택들의 그룹들을 포함하고, 각각의 상기 스택 (103) 은 적어도 하나의 연료 전지를 포함한다. 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하기 위한 어레인지먼트는 적어도 하나의 직렬 접속으로부터 전류의 주요 부분을 인출하기 위한 수단, 직렬 접속 내의 상기 개별적인 연료 전지 스택들 또는 스택들의 그룹들의 전류 값들을 조정하기 위한 적어도 하나의 조정 회로 (112), 전류의 주요 부분과 비교하여 작은 보상 전류를 적어도 하나의 조정 회로를 통해 지나가도록 배열하기 위해 개별적인 연료 전지 스택들 또는 스택들의 그룹들과 적어도 하나의 조정 회로를 통합하기 위한 통합 수단 (116, 124) 을 포함하고, 적어도 하나의 조정 회로 (112) 는 적어도 하나의 연료 전지 스택 (103) 의 작은 보상 전류를 제어하기 위한 수단을 포함한다.

Description

연료 전지 스택들의 향상된 제어 가능성을 위한 방법 및 장치{METHOD AND ARRANGEMENT FOR IMPROVED CONTROLLABILITY OF FUEL CELL STACKS}
특히 환경 문제들 때문에, 친환경적이고 우수한 효율성을 갖는 새로운 에너지원들이 개발되고 있다. 연료 전지 디바이스는, 친환경적인 프로세스에서의 화학 반응을 통해, 연료 예를 들어 바이오 가스가 직접적으로 전기로 변환되는 것에 의해 미래의 에너지 전환 디바이스로 촉망받고 있다.
도 1 에 나타난 바와 같이, 연료 전지는 애노드 측 (100) 및 캐소드 측 (102) 및 그들 사이의 전해액 재료 (104) 를 포함한다. 고체 산화물 연료 전지 (solid oxide fuel cell; SOFC) 에서, 캐소드 측 (102) 으로 산소가 공급되고, 산소는 캐소드로부터 전자를 받음으로써 음의 산소 이온들로 환원된다. 음의 산소 이온은 전해액 재료 (104) 를 통과하여 애노드 측 (100) 으로 가고, 여기서 산소 이온은 사용된 연료와 반응하여 물 및 또한 통상적으로 이산화탄소 (CO2) 를 생성한다. 애노드 (100) 와 캐소드 (102) 간에는 연료 전지에 대한 부하 (110) 를 포함하는 외부 전기 회로 (111) 가 있다.
도 2 에는 고온의 연료 전지 디바이스의 예로서 SOFC 디바이스가 제시된다. SOFC 디바이스는, 예를 들어 중성 가스, 바이오 가스, 메탄올 또는 탄화수소 혼합물을 함유하는 다른 화합물을 연료로서 이용할 수 있다. 도 2 의 SOFC 디바이스 시스템은 하나 이상의 스택 형상 (103)(SOFC 스택(들)) 으로 1 보다 많은, 통상적으로 복수의 연료 전지들을 포함한다. 대형의 SOFC 디바이스 시스템은 여러 스택들 (103) 로 많은 연료 전지들을 포함한다. 각각의 연료 전지는 도 1 에 제시된 바와 같은 애노드 (100) 및 캐소드 (102) 를 포함한다. 사용된 연료의 일부분은 피드백 어레인지먼트 (109) 로 순환된다. 도 2 의 SOFC 디바이스는 또한, 연료 열 교환기 (105) 및 리포머 (reformer; 107) 를 포함한다. 열 교환기는 연료 전지 프로세스에서의 열 컨디션을 제어하기 위해 사용되고, SOFC 디바이스의 상이한 로케이션들에서 1 보다 많은 위치들에 있을 수 있다. 재순환 가스에서 여분의 열 에너지는 하나 이상의 열 교환기 (105) 에서 회수되어 SOFC 디바이스 내 또는 외부에서 이용된다. 리포머 (107) 는, 예를 들어 중성 가스와 같은 연료를 연료 전지에 적합한 조성물, 예를 들어 수소, 메탄, 이산화탄소, 일산화탄소, 불활성 가스들 및 물 모두 또는 적어도 일부를 함유하는 조성물로 변환하는 디바이스이다. 그러나, 각각의 SOFC 디바이스에서 반드시 리포머를 구비해야 하는 것은 아니다.
(연료 유량계, 전류계 및 온도계와 같은) 측정 수단 (115) 을 사용함으로써 SOFC 디바이스의 동작을 위해 필요한 측정들이 수행된다. 애노드 (100) 에서 사용된 가스의 일부분 만이 피드백 어레인지먼트 (109) 에서 재순환되고, 가스의 다른 부분 (114) 이 애노드 (100) 로부터 배기된다.
고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 디바이스는 연료를 산화하는 것으로부터 직접 전기를 생산하는 전기화학적 변환 디바이스이다. SOFC 디바이스의 이점은 높은 효율성, 장기 안정성, 낮은 에미션, 연료 다용도성 및 비용을 포함한다. 주요 단점은, 긴 스타트업 시간과, 기계적 및 화학적 호환성 문제들 양자 모두를 초래하는 높은 동작 온도이다.
연료 전지 시스템은 비교 가능한 크기의 전통적인 에너지 생산 기술들의 전기적 및 CHP (Combined production of Heat and Power) 효율성을 상당히 초과할 가능성을 갖는다. 연료 전지 시스템은 중요한 미래의 에너지 생산 기술로서 널리 인식되어 있다.
연료 전지 시스템의 성능 및 수명을 최대화하기 위해서, 연료 전지에 대한 동작 컨디션들의 정확한 제어가 요구된다. 연료 전지가 DC 전류를 생성하는 반면에, 고 전력 시스템에서는 통상적으로 AC 출력을 원하고 이에 따라 DC 에서 AC 로의 전력 변환이 요구된다. 연료 전지들로부터의 집전 및 실제적인 인터페이싱 및 차후의 전력 변환을 가능하게 하기 위해, 연료 전지는 여러 직렬 접속된 개별적인 셀들을 포함하는 스택으로서 제조된다.
여러 스택들을 포함하는 연료 전지 시스템에서, 스택들의 전기 상호접속 토폴로지 (topology) 는 중요한 설계 파라미터이다. 여러 스택들의 직렬 접속은 보다 낮은 배선 (cabling) 및 전력 변환 손실 뿐만 아니라 컴포넌트들에 대한 보다 낮은 비용을 제공한다. 그러나, 직렬의 모든 스택들이 동일한 전류를 가질 것이라는 차질이 있다. 이상적으로, 모든 스택들이 동일하고 그 동작 컨디션들이 완전히 같은 경우, 이것은 문제가 되지 않는다. 그러나, 실제 시스템에서는 스택들의 특징, 연료 흐름, 및 온도에서의 일부 변화들이 항상 존재한다. 특히, 개별적인 스택들의 교체를 허용하도록 설계된 시스템에서는 수명 (age) 차이들로 인해 스택들 간에 상당한 변화가 존재할 수도 있다. 상이한 스택들이 전기적으로 직렬로 배치되는 경우, 통상적으로 그 전류는 그 직렬배치 중에서 최악 성능의 스택에 따라 제한되어야 한다. 따라서, 연료 전지 시스템은 보다 적당한 스택들의 잠재적인 성능을 상실한다.
스택들의 전기적 병렬 접속은 그 내부 저항의 고유의 네거티브 온도 계수로 인해 고온의 연료 전지 시스템들에서 특히 문제가 된다. 이 특징은, 여러 직렬 접속된 스택들의 스트링 (string) 들이 병렬로 접속되는 경우에서도 균등하지 않은 전류 쉐어링 (sharing) 을 갖는 문제를 일으킨다. 전류 쉐어링 문제들을 없애기 위해, 각 스택들에 대한 별개의 변환기들이 종종 이용되고, 이것은 시스템에 추가의 비용을 가져온다.
Finnish patent publication FI118553 B1 에서, 연료 전지들이 병렬로 또는 직렬로 접속되는 생체 촉매 반응 (biocatalytic) 연료 전지 어레인지먼트가 제시된다. 이 어레인지먼트는, 상기 생체 촉매 반응 연료 전지 어레인지먼트의 출력 전압을 증가시키기 위한 목적으로서, 스위치들이 도전 상태로 그리고 도전 상태로부터 순환적으로 변하도록 제어 회로를 이용함으로써 제어되는 제어 가능한 스위치들을 포함한다. 그래도 FI118553 B1 은 직렬 접속 중에서 최악의 성능의 스택에 따라 그 전류가 제한되어야 하는 전기적으로 적어도 직렬 접속으로 배치된 상이한 스택들의 설명된 문제에 대한 솔루션을 제시하지 않는데, 이는 FI118553 B1 에는 직렬 접속의 스택들 간의 차이점 문제들을 없애기 위해 스택들이 개별적으로 측정 및 조정될 수 있는 실시형태가 제시되지 않았기 때문이다.
본 발명의 목적은, 연료 전지 시스템에서 연료 전지 스택들의 부하가 능동적으로 최적화될 수 있고 각각의 연료 전지에 대한 수명이 길어져서 전체 연료 전지 시스템에 대한 수형이 실질적으로 더욱 길어질 수 있도록, 많은 연료 전지들이 직렬로 접속될 수 있는 연료 전지 시스템을 달성하기 위한 것이다. 이는, 연료 전지들로 전기를 생성하는 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하기 위한 어레인지먼트에 의해 달성되고, 연료 전지 시스템의 각 연료 전지는 애노드 측, 캐소드 측 및 애노드 측과 캐소드 측 사이의 전해질을 포함하며, 연료 전지 시스템은 적어도 2 개의 전기적으로 직렬 접속된 개별 연료 전지 스택들 또는 스택들의 그룹들을 포함하고, 각각의 상기 스택은 적어도 하나의 연료 전지를 포함한다. 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하기 위한 어레인지먼트는 적어도 하나의 직렬 접속으로부터 전류의 주요 부분을 인출하기 위한 수단, 직렬 접속 내의 상기 개별적인 연료 전지 스택들 또는 스택들의 그룹들의 전류 값들을 조정하기 위한 적어도 하나의 조정 회로, 전류의 주요 부분과 비교하여 작은 보상 전류를 적어도 하나의 조정 회로를 통해 지나가도록 배열하기 위한 개별적인 연료 전지 스택들 또는 스택들의 그룹들과 적어도 하나의 조정 회로를 통합하기 위한 통합 수단을 포함하고, 적어도 하나의 조정 회로는 적어도 하나의 연료 전시 스택에서 작은 보상 전류를 제어하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명의 포커스는 또한, 연료 전지 스택들로 전기를 생성하는 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하는 방법이다. 이 방법에서, 전류 값들의 조정은 개별적인 연료 전지 스택들 또는 스택들의 그룹들의 적어도 하나의 직렬 접속으로부터 전류의 주요 부분을 인출함으로써, 전류의 주요 부분과 비교하여 작은 보상 전류가 적어도 하나의 조정 회로를 통과하도록 배열하기 위해 개별적인 연료 전지 스택들 또는 스택들의 그룹들과 적어도 하나의 조정 회로를 통합함으로써 직렬 접속 내의 상기 개별적인 연료 전지 스택들 또는 스택들의 그룹들의 전류 값들을 조정함으로써, 그리고 적어도 하나의 통합된 조정 회로를 이용함으로써 적어도 하나의 연료 전지 스택에서 작은 보상 전류를 제어함으로써 달성된다.
본 발명은, 적어도 하나의 조정 회로가 적어도 하나의 다른 연료 전지 스택에 적어도 직렬로 접속되는 적어도 하나의 연료 전지 스택과 통합된다는 것에 기초하고, 이 통합은 상기 적어도 직렬 접속의 스택들에서의 전류와 비교하여 작은 전류가 상기 적어도 하나의 조정 회로를 통해 지나가도록 배열된다. 상기 적어도 하나의 조정 회로는 상기 적어도 하나의 조정 회로와 통합되는 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택에서의 전압 또는 전류를 감지하고, 상기 적어도 하나의 조정 회로는 감지된 전압 또는 전류 값에 기초하여 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택에서의 전류 값들을 조정하도록 배열된다.
본 발명의 이점은, 스택 차이들로 인해 에너지 생산 능력을 잃지 않고 여러 연료 전지 스택들을 포함할 수도 있는 긴 직렬 접속들을 갖는 연료 전지 시스템들을 경제적으로 구축하는 것이 가능하다는 것이다. 이들 연료 전지 시스템은 또한, 본 발명에 의해 달성 가능한 긴 예상 수명 이에 따른 증가 비용의 절감을 갖는다.
도 1 은 단일의 연료 전지 구조를 나타낸다.
도 2 는 SOFC 디바이스의 예를 나타낸다.
도 3 은 본 발명에 따른 바람직한 실시형태를 나타낸다.
도 4 는 조정 회로에 대한 제 1 바람직한 구현을 나타낸다.
도 5 는 조정 회로에 대한 제 2 바람직한 구현을 나타낸다.
본 발명의 목적은 직렬로 그리고/또는 병렬로 접속된 그룹 내에 제한된 전류 조정 가능성의 스택들을 배열하는 수단에 의해 직렬 및 병렬로 접속된 스택들의 결점을 방지하기 위한 것이다. 이 특성 (feature) 은 연료 전지 스택들에 대하여 실질적으로 작은 전류 조정 회로들의 도입에 의해 가능해진다. 이들 조정 회로들은 스택으로부터 제한된 전류를 인출하거나 스택으로 제한된 전류를 공급할 수 있고, 이 스택은 다른 스택들에 직렬로 그리고/또는 병렬로 접속된다.
도 3 에서 본 발명에 따른 바람직한 실시형태가 제시된다. 이 연료 전지 디바이스에서, 여러 연료 전지 스택들 (103) 이 직렬로 접속되고, 직렬로 접속된 연료 전지 스택들 (103) 의 그룹들은 병렬로 접속된다. 도 3 의 예는 직렬 접속의 4 개의 연료 전지 스택들 (103) 만을 도시하였으나, 직렬 접속의 더 많은 연료 전지 스택들이 존재할 수 있고, 직렬로 접속된 스택들 (103) 의 이 그룹은 직렬로 접속된 스택(들)의 하나 이상의 다른 그룹(들)과 병렬로 접속될 수 있다. 직렬로 접속된 스택들 (103) 의 전류는, 보상 전류를 인출하거나 공급하는 스택 특정 전류 조정 회로들 (112) 에 의해 소정 경계 내에서 개별적으로 그리고 능동적으로 제어된다. 바람직하게, 각 스택 (103) 에 대해, 또는 2 개의 스택에 대해, 직렬로 접속된 스택들의 그룹에서 다른 스택들에 직렬로 접속되는 스택으로부터 제한된 전류를 인출하거나 스택에 제한된 전류를 공급할 수 있는 그 자체의 스택 특정 전류 조정 회로 (112) 가 배열된다. 다시 말하면, 바람직하게, 각 스택 (103) 에 대해, 연료 전지들로 전기를 생성하는 프로세스에서의 스택 차이들에도 불구하고 최적의 부하 컨디션들을 유지하기 위해 각 스택과 적어도 하나의 조정 회로 (112) 를 통합시킴으로써 개별적이고 능동적인 부하 제어가 배열된다. 도 3 의 이 어레인지먼트는 또한, 변환기 (122), 예를 들어 DC-AC 변환기를 포함한다. 수단들 (127, 122) 은 스택들 (103) 의 직렬 접속로부터 전류의 주요한 부분을 인출한다. 화살표 (117) 는 변환기 (122) 로부터 출력된 전력, 예를 들어 DC-AC 변환기로부터 출력된 AC 전력을 설명한다. 또한, 변환기 (122) 가 예를 들어 dc-dc 변환기이면, 상기 출력된 전력 (117) 은 dc 전력이다.
조정 회로들 (112) 의 구성 및 치수는, 많은 스택들을 포함하는 직렬 및/또는 병렬 접속뒨 구성에서 각각의 스택에 대해 개별적으로 최적의 전류를 조정함으로써 스택들 (103) 간의 차이를 보상할 수 있도록 하기 위한 것이다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 이것은 예를 들어 공칭 스택 (103) 전류의 5-10% 보상 스케일을 의미한다. 따라서, 스택 전류가 메인 전류 배선 (127) 에서 흐르는 반면에, 상기 스택 전류와 비교하여 최대 5 % - 10 % 의 보상 스케일 전류가 조정 회로들 (112) 및 관련 배선 (116) 을 통해 지나간다. 보상 스케일 전류 값들은 종종, 상기 5-10% 보상 스케일 전류 최대 값들보다 작다. 조정 회로들 (112) 은 양방향 전류 흐름을 가능하게 할 수 있다. 이는, 메인 경로 전류에 대한 보상 스케일 전류 값의 영향이 평균 메인 경로 전류 값으로부터 예를 들어 90 % - 110 % 사이에서 스택 전류를 변하게 하는 것을 의미한다. 이들 변화는 종종, 보다 좁은 스케일 예를 들어 97 % - 103 % 사이이고, 그러면 보상 스케일 전류 최대 값은 평균 메인 경로 전류 값과 비교하여 3 % 이다. 조정 회로들 (112) 은 또한, 한 방향의 전류 흐름에 제한될 수 있다. 이는, 메인 경로 전류에 대한 보상 스케일 전류 값의 영향이 평균 메인 경로 전류 값으로부터 예를 들어 90 % - 100 %, 또는 100 % - 110 % 사이에서 스택 전류를 변하게 한다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 실시형태에서, 총 연료 전지 스택 전력의 작은 부분 만이 조정 회로들 (112) 을 통과하기 때문에, 조정 회로들에 대한 관련 배선이 더 작아질 수도 있고, 조정 회로들에 대한 전력 변환 효율성은 전체 효율성을 희생시키지 않고 메인 전력 경로에 대해서 보다 분명히 낮아질 수도 있다. 이는, 낮은 비용의 조정 회로들 (112) 및 관련 배선들 (116) 의 구현을 가능하게 한다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 조정 회로 (112) 에 걸친 전압에 의존하는 토폴로지는 단지 한두 개의 스택들 (103) 의 전압이므로, 저 전압 및 고 주파수의 컴포넌트들이 이용되어 매우 콤팩트한 회로들을 생산할 수 있다는 것이다. 연료 전지 스택들 (103) 과 조정 회로들 (112) 의 통합은 통합 수단 (116, 124) 을 이용하여 달성되고, 통합 수단은 예를 들어 동일한 케이블 (116) 및 회로 보드들 (124) 을 이용함으로써 스택들의 전압을 측정하기 위한 기존 수단 (124) 을 포함하여 이에 따라 다시 비용 절감을 달성한다. 측정하기 위한 수단, 즉 연료 전지 스택들 (103) 의 전압을 감지하기 위한 수단 (124) 은 각각의 연료 전지 스택에 대해 바람직하게 최적의 전류를 개별적으로 조정하도록 조정 회로들 (112) 에 의해 이용되는 제어 신호들을 생성한다. 이 통합은 또한, 본 발명에 따른 바람직한 실시형태가 본 발명에 따른 실시형태를 수행하는데 있어서 측정 및 제어 신호들을 중계하기 위해 연료 전지 시스템에서 기존의 데이터 배선 (116) 을 이용하도록 달성될 수 있다.
조정 회로들 (112) 을 구현하기 위한 2 개의 가능성들이 존재한다. 도 4 에서 조정 회로들 (112) 에 대한 제 1 바람직한 구현, 즉 절연된 (isolated) 고 주파수의 변압 어레인지먼트 (예를 들어, 포워드, 플라이백, 푸시-풀 (push-pull), 풀 브리지 어레인지먼트) 가 제시된다. 이 어레인지먼트는, 통합 수단 (124) 으로서, dc-dc 변환기 (123), 절연 스테이지로서 제어 가능한 스위치들 (S), 정류 스테이지로서 다이오드들 (D) 및 제어 수단 (131) 을 포함하여, 주요 전류 배선 (127) 에서의 전류의 주요 부분과 비교하여 작은 보상 전류가 조정 회로들 (112) 및 관련 배선 (116) 을 통해 지나가는 것을 허용하도록, 직렬로 접속된 연료 전지 스택들과 개별적으로 조정 회로들을 통합하기 위한 스위치들을 제어한다. 각각의 연료 전지 스택의 전압은 제어 신호들을 생성하기 위해 전압 값들을 감지하기 위한 수단에 의해 측정된다. 스위치들 (S) 을 오픈 또는 클로징 포지션으로 제어하는 것은 각각의 연료 전지 스택 (103) 의 전류를 개별적으로 조정하기 위해 바람직하게는 거의 각각의 상기 스위치 (S) 와 연관된 제어 수단 (131) 으로 동작된다. 이는, 소위 스위치들 (S) 의 저 레벨 제어이고, 상기 제어 수단 (131) 에 전류 세트 포인트들을 제공하는 시스템 제어 (120) 에 의해 스위치들 (S) 의 별개로 배열된 소위 상위 레벨 제어가 존재할 수 있다. 시스템 제어 (120) 는 예를 들어 프로그래머블 로직 제어기 (PLC) 이다. 스위치들 (S) 은 바람직하게, 바이폴라 또는 FET 트랜지스터 또는 몇몇 다른 트랜지스터 스위치들이다. 도 4 의 이 배열은 또한, DC-AC 변환기 (121) 를 포함하는 부하 회로에 접속되는 메인 dc-dc 변환기 (122) 를 포함한다. 수단들 (127, 121, 122) 은 직렬 접속의 스택들 (103) 로부터 전류의 주요한 부분을 인출한다.
도 5 에서, 예를 들어 도 5 에서 보여지는 바와 같은 회로 어레인지먼트와 같이 통합 수단 (124) 을 포함하도록 구현되는 비-절연된 (non-isolated) 캐스케이드형 어레인지먼트를 포함하는 조정 회로 (112) 에 대한 제 2 바람직한 구현이 제시된다. 이들 통합 수단 (124) 은 코일 (L), 다이오드 (D) 와 병렬 접속의 스위치 (S), 및 개별의 연료 전지 스택들과 병렬 접속의 캐패시터 (C) 를 포함하지만, 캐패시터들이 반드시 필요하지는 않다. 이들 통합 수단 조정 회로들이 직렬로 접속된 연료 전지 스택들과 개별적으로 통합됨으로써, 주요 전류 배선 (127) 에서의 전류의 주요 부분과 비교하여 조정 회로 배선 (116) 으로의 작은 보상 전류가 상기 조정 회로들을 통해 지나가는 것을 허용한다. 각각의 연료 전지 스택의 전압은 제어 신호들을 생성하기 위해 전압 값들을 감지하기 위한 수단 (124) 에 의해 측정된다. 시스템 제어 (120), 즉 예를 들어 프로그래머블 로직 제어기 (PLC) 는 각각의 연료 전지 스택 (103) 의 전류를 개별적으로 조정하도록 오픈 또는 클로징 포지션으로 스위치들 (S) 을 제어하는데 상기 제어 신호들을 이용한다. 스위치들 (S) 은 바람직하게, 바이폴라 또는 FET 트랜지스터 또는 몇몇 다른 트랜지스터 스위치들이다. 도 5 의 이 어레인지먼트는 또한, 변환기 (122), 즉 예를 들어 DC-AC 변환기를 포함한다. 수단들 (127, 121) 은 스택들 (103) 의 직렬 접속으로부터 전류의 주요 부분을 인출한다. 화살표 (117) 는 DC-AC 변환기 (122) 로부터 출력된 AC 전력을 설명한다.
조정 회로 (112) 는 또한, 조정 회로가 예를 들어 메인 전력 변환기 (121) 의 입력에 직접적으로 주입되는 토폴로지로 구현될 수 있다. 조정 회로 (112) 가 양방향 전력 흐름을 허용함에 따라, 조정 회로들을 지나는 전류들은 최소 레벨로 유지될 수 있다. 이 배선 손실이 낮기 때문에 모든 주요 전류 경로에 대한 고 전력 변환 효율성이 달성된다. 직렬 접속 및 개별 스택 (103) 로딩의 이점들은, 예를 들어 균등하지 않은 연료 흐름 및/또는 에이징 현상을 보상하기 위해 스택 전류들을 개별적으로 조정할 가능성을 가지면서 메인 전류 경로 및 전력 변환기에서 낮은 손실을 허용함으로써 조합된다. 총 전류 중 작은 부분만이 조정 회로들 (112) 을 통과하기 때문에, 본 발명은 저 비용의 그리고 콤팩트한 회로의 구현을 허용한다. 또한, 단일의 전력 변환기 (121) 가 메인 전력 변환에 이용될 수 있다. 병렬 접속의 전류 쉐어링 문제들은 개별적인 스택 전류들을 제어할 가능성으로 인해 어느 정도 완화될 수 있다.
시스템 제어 (120) 및 제어 수단 (131) 은, 예를 들어 프로그래머블 프로세서 기반인 상이한 종류의 아날로그 및/또는 디지털 일렉트로닉스 구현을 포함할 수 있다. 제어 수단 (131) 은 또한, 스위치들 (S) 에 대한 상기 제어 신호들을 생성하기 위해 전압 및/또는 전류 값들을 감지하기 위한 상이한 종류의 측정 어레인지먼트들을 포함할 수 있다.
SOFC 를 이용하여 설명된 것 뿐만 아니라, 본 발명은 또한 MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) 및 다른 연료 전지들로 이용될 수 있다. MCFC 는 다공성의, 화학적으로 불활성의 세라믹 매트릭스에 부유된 용융 탄산염 혼합물로 이루어진 전해질을 이용하는 고온의 연료 전지이다. 또한, 본 발명에서 이용되는 연료 전지 시스템은 피드백 어레인지먼트를 가질 필요가 없지만, 이 피드백 어레인지먼트는 도 2 의 SOFC 디바이스 예에서 설명된다.
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 (14)

  1. 연료 전지들로 전기를 생성하는 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하기 위한 어레인지먼트 (arrangement) 로서,
    상기 연료 전지 시스템에서의 각각의 연료 전지는 애노드 측 (100), 캐소드 측 (102) 및 상기 애노드 측과 상기 캐소드 측 사이의 전해질 (104) 을 포함하고, 상기 연료 전지 시스템은 적어도 2 개의 전기적으로 직렬 접속된 개별적인 연료 전지 스택들 또는 스택들의 그룹들을 포함하고, 각각의 상기 스택 (103) 은 적어도 하나의 연료 전지를 포함하고,
    상기 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하기 위한 어레인지먼트는,
    - 적어도 하나의 직렬 접속으로부터 상기 전류의 주요 부분을 인출하기 위한 수단,
    - 상기 직렬 접속 내의 상기 개별적인 연료 전지 스택들 또는 스택들의 그룹들의 전류 값들을 조정하기 위한 적어도 하나의 조정 회로 (112), 및
    - 상기 전류의 상기 주요 부분과 비교하여 작은 보상 전류를 적어도 하나의 조정 회로를 통해 지나가도록 배열하기 위해 상기 개별적인 연료 전지 스택들 또는 스택들의 그룹들과 상기 적어도 하나의 조정 회로를 통합하기 위한 통합 수단 (116, 124) 을 포함하고,
    - 상기 적어도 하나의 조정 회로 (112) 는 적어도 하나의 연료 전지 스택 (103) 에서 상기 작은 보상 전류를 제어하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하기 위한 어레인지먼트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 어레인지먼트는 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 (103) 에서 전류를 인출하거나 공급함으로써 상기 전류 값들을 조정하기 위한 상기 조정 회로 (112) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하기 위한 어레인지먼트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 어레인지먼트는, 상기 적어도 직렬 접속의 스택들에서의 전류 값들과 비교하여 0-10 % 의 스케일인 조정 회로 (112) 전류 값들을 생성함으로써 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 (103) 에서의 전류 값들을 조정하기 위한 상기 조정 회로 (112) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하기 위한 어레인지먼트.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 조정 회로 (112) 전류 값들은 바람직하게, 상기 적어도 직렬 접속의 스택들 (103) 에서의 전류 값들과 비교하여 0-3 % 의 스케일인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하기 위한 어레인지먼트.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 어레인지먼트는, 상기 적어도 하나의 조정 회로 (112) 에 대해, 연료 전지 스택들 (103) 의 전압을 측정하기 위한 수단이 이용하는 것과 동일한 배선들 (116) 및 동일한 적어도 하나의 회로 보드 (124) 를 이용함으로써, 상기 연료 전지 스택들 (103) 의 전압을 측정하기 위한 수단 (124) 과 상기 적어도 하나의 조정 회로 (112) 를 통합하기 위한 상기 통합 수단들 (116, 124) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하기 위한 어레인지먼트.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 어레인지먼트는 상기 적어도 하나의 조정 회로 (112) 와 같은 절연된 고 주파수 변압 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하기 위한 어레인지먼트.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 조정 회로들 (112) 은 제어 신호들을 생성하기 위한 수단들 (116, 124), 오픈 및 클로징 포지션들로 제어될 스위치들 (S) 및 제어 수단 (131) 을 포함하는 비-절연 캐스케이드형 변환기 어레인지먼트로서 구현되고, 상기 제어 수단은 각각의 연료 전지 스택 (103) 의 전류를 개별적으로 조정하기 위해 스위치들 (S) 을 오픈 또는 클로징 포지션들로 제어하는데 있어서 상기 제어 신호들을 이용함으로써 작은 보상 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하기 위한 어레인지먼트.
  8. 연료 전지 스택들 (103) 로 전기를 생성하는 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하는 방법으로서,
    상기 방법에서 상기 전류 값들의 조정은,
    - 개별적인 연료 전지 스택들 (103) 또는 스택들 (103) 의 그룹들의 적어도 하나의 직렬 접속으로부터 전류의 주요 부분을 인출함으로써,
    - 상기 전류의 상기 주요 부분과 비교하여 작은 보상 전류를 적어도 하나의 조정 회로 (11) 를 통해 지나가도록 배열하기 위해 상기 개별적인 연료 전지 스택들 또는 스택들의 그룹들과 상기 적어도 하나의 조정 회로 (112) 를 통합함으로써 상기 직렬 접속 내의 상기 개별적인 연료 전지 스택들 (103) 또는 스택들 (103) 의 그룹들의 전류 값들을 조정함으로써, 그리고
    - 상기 적어도 하나의 통합된 조정 회로 (112) 를 이용함으로써 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 (130) 에서 상기 작은 보상 전류를 제어함으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 전기를 생성하는 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전류 값들은 상기 적어도 하나의 연료 전지 스택 (103) 에서 상기 전류를 인출하거나 공급함으로써 조정되는 것을 특징으로 하는 전기를 생성하는 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 전류 값들은 상기 적어도 직렬 접속의 스택들 (103) 에서의 전류 값들과 비교하여 0-10 % 의 스케일인 조정 회로 (112) 전류 값들을 생성함으로써 조정되는 것을 특징으로 하는 전기를 생성하는 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 조정 회로 (112) 전류 값들은 바람직하게, 상기 적어도 직렬 접속의 스택들 (103) 에서의 전류 값들과 비교하여 0-3 % 의 스케일인 것을 특징으로 하는 전기를 생성하는 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하는 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 조정 회로 (112) 는, 상기 적어도 하나의 조정 회로 (112) 에 대해, 연료 전지 스택드르 (103) 의 전압을 측정하기 위한 수단이 이용하는 것과 동일한 배선들 (116) 및 동일한 적어도 하나의 회로 보드 (124) 를 이용함으로써, 상기 연료 전지 스택들 (103) 의 전압을 측정하기 위한 수단 (124) 과 통합되는 것을 특징으로 하는 전기를 생성하는 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하는 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 조정 회로 (112) 는 절연된 고 주파수 변압 어레인지먼트 (arrangement) 에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 전기를 생성하는 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하는 방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 방법에서, 제어 신호들이 생성되고, 스위치들 (S) 은 제어 수단 (131) 을 이용함으로써, 각각의 연료 전지 스택 (103) 의 전류를 개별적으로 조정하기 위해 상기 제어 신호들에 기초하여 오픈 및 클로징 포지션들로 제어되는 것을 특징으로 하는 전기를 생성하는 연료 전지 시스템에서 전류 값들을 조정하는 방법.
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