KR20120130792A - 연료 전지 시스템에서 연료 공급을 제어하는 방법 및 배열물 - Google Patents

연료 전지 시스템에서 연료 공급을 제어하는 방법 및 배열물 Download PDF

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Abstract

본 발명의 초점은, 연료 전지 시스템에 연료를 공급하고 연료에 대한 정보를 제공하는 연료 공급 수단 (116), 연료 전지들에서의 연료 이용 및 연료 전지 시스템의 프로세스에서의 산소 대 탄소 비율 (O/C 비율) 에 관한 정보를 생성하는 수단 (118), 및 연료 전지들의 로딩을 제어하는 활성 수단 (120) 을 포함하는 연료 전지 시스템이다. 연료 전지 시스템은, 또한, 연료 이용 정보를 프로세스 피드백 정보로서 고려함으로써, 그리고 O/C 비율이 허용 범위로부터 벗어날 때 제 1 제어기 (122) 의 출력을 제약하는 것에 의해 상기 O/C 비율을 제어하는 제약 기능을 구현함으로써, 상기 연료 공급 수단을 제어하는 제 1 폐쇄형 루프 제어기 (122), 및 연료 이용이 허용 범위로부터 벗어날 때, 제 2 제어기 (124) 의 출력을 제약하는 것에 의해 상기 연료 이용을 제어하는 제약 기능을 구현함으로써 활성 연료 전지 로딩 수단 (120) 을 제어하는 제 2 제어기 (124) 를 포함한다.

Description

연료 전지 시스템에서 연료 공급을 제어하는 방법 및 배열물 {METHOD AND ARRANGEMENT FOR CONTROLLING FUEL FEED IN THE FUEL CELL SYSTEM}
세계의 에너지 중 대부분은 오일, 석탄, 천연가스 또는 원자력에 의해 생성된다. 모든 이들 생성 방법들은, 예를 들어 이용 가능성 및 환경 친화성이 중시되는 한, 그들의 특정한 문제들을 갖는다. 환경에 관한 한, 특히 오일 및 석탄은 그들이 연소될 때 오염을 유발한다. 원자력이 갖는 문제는, 적어도, 사용된 연료의 저장이다.
특히, 환경 문제들 때문에, 더 환경 친화적이고, 예를 들어 전술된 에너지원들보다 더 우수한 효율을 갖는 새로운 에너지원들이 개발되고 있다. 연료 전지 디바이스는, 연료 (예를 들어, 바이오가스) 가 환경 친화적 프로세스에서 화학 반응을 거쳐 전기로 변환되는 유망한 미래 에너지 변환 디바이스이다.
도 1 에 제시된 바와 같은 연료 전지는 애노드 측 (100), 캐소드 측 (102), 및 이들 사이의 전해질 재료 (104) 를 포함한다. 연료 전지들에서, 산소 (106) 는 캐소드 측 (102) 에 공급되고, 캐소드로부터 전자들을 수용함으로써 음의 산소 이온으로 환원된다. 음의 산소 이온은 연료 (108) 와 반응하여 물 및 또한 일반적으로는 이산화탄소 (CO2) 를 생성하는 애노드 측 (100) 으로 전해질 재료 (104) 를 통과하여 이동한다. 애노드 (100) 와 캐소드 (102) 사이에는 연료 전지용 로드 (110) 를 포함하는 외부 전기 회로 (111) 가 있다.
도 2 에는 고온 연료 전지 디바이스의 실례로서 SOFC 디바이스가 제시된다. SOFC 디바이스는 연료를 산화시켜 직접적으로 전기를 생산하는 전기화학적 변환 디바이스이다. SOFC 디바이스는, 예를 들어 천연가스, 바이오가스, 메탄올, 또는 탄화수소 혼합물을 함유한 다른 콤포넌트들을 연료로서 이용할 수 있다. 도 2 에서의 SOFC 디바이스는 스택 포메이션 (103) 에서, 즉 SOFC 스택에서, 2 이상의, 통상적으로는 복수의 연료 전지들을 포함하며, 하나의 SOFC 디바이스에는 일반적으로 이들 스택들 (103) 의 커플이 존재한다. 각각의 연료 전지는 도 1 에 제시된 바와 같은 애노드 (100) 및 캐소드 (102) 구조를 포함한다. 사용된 연료의 일부분은 피드백 배열물 (109) 에서 재순환된다. 도 2 에서의 SOFC 디바이스는 또한 연료 열 교환기 (105) 및 리포머 (107) 를 포함한다. 열 교환기들은 연료 전지 프로세스에서 열 조건들을 제어하는 데 사용되며, 그들 중 2 이상은 SOFC 디바이스의 상이한 로케이션들에 위치될 수 있다. 순환 가스에서의 여분의 열 에너지는 SOFC 디바이스에서 이용되는 1 이상의 열 교환기 (105) 에서 또는 열 회수 유닛의 외부에서 회수된다. 리포머 (107) 는, 예를 들어 천연가스와 같은 연료를 연료 전지들에 적합한 조성으로, 예를 들어 수소, 메탄, 이산화탄소, 일산화탄소 및 불활성 가스들을 함유한 조성으로 변환하는 디바이스이다. 어쨌든, 각각의 SOFC 디바이스에서, 리포머를 구비하는 것이 필수적인 것은 아닌 것으로 생각된다.
측정 수단 (115) (예컨대, 유량계, 전류계 및 온도계) 을 사용함으로써, 애노드 통과 재순환 가스들로부터 SOFC 디바이스의 동작을 위한 필수적인 측정들이 실행된다. 애노드들 (100) 에서 사용된 가스의 일부만이 피드백 배열물 (109) 에서 애노드들을 통해 재순환되며, 그 가스의 다른 부분은 애노드들 (100) 로부터 배출된다 (114).
SOFC 디바이스의 장점들은 고효율성, 장기 안정성, 저공해성, 및 저비용을 포함한다. 주요 단점은 긴 시동 시간들과 기계적 및 화학적 양측 모두의 호환가능성 문제들을 초래하는 높은 동작 온도이다.
넌 데드-엔드 운용형 연료 전지 시스템들 (non dead-end operated fuel cell systems) 에서, 연료 공급은 연료 이용 (FU) 레이트를 바람직한 레벨에서 유지하기 위해 연료 전지 로딩에 따라서 조절되어야 한다. SOFC 시스템들에서는, 상기 연료 이용 요구 외에도, 고체 탄소 포메이션이 발생하지 않을 것을 보장하기 위해, 산소 대 탄소 (OC) 비율이, 예컨대 애노드 재순환, 부분 산화, 또는 외부 물 공급에 의해 충분히 높게 유지되어야 한다. 일반적으로, 연료 공급, 물 밸런스, 가능한 다른 공급들 및 연료 전지 로딩의 제어는 수동 세트 포인트들 또는 미리 정의된 세팅 그룹들 또는 파라미터 상관성들에 기초한다. 이들 제어 방법들은 시스템 주위 또는 시스템 내부의 조건들이 안정적일 때 적절하다. 그러나, 적어도 하나의 조건이 변한다면, 예를 들어, SOFC 시스템에서, 연료 조성 변동, 제어기(들) 의 제한적 응답 시간 또는 SOFC 시스템 디바이스(들) 에서의 커패시티의 부분 손실 또는 심지어 총 손실이 존재한다면, 이들 종래기술의 제어 방식들의 적절히 응답하는 능력은 상기 미리 정의된 경우들로 제한된다.
본 발명의 목적은 연료 전지 시스템의 동작 조건들의 내부 및/또는 외부 변경들에 훌륭하고 빠르게 적응할 수 있는 연료 전지 시스템을 달성하는 것이다. 이것은, 연료 전지들로 전기를 생성하는 연료 전지 시스템에 의해 성취될 수 있으며, 각각의 연료 전지는 애노드 측, 캐소드 측, 애노드 측과 캐소드 측 사이의 전해질을 포함한다. 연료 전지 시스템은, 연료 전지 시스템에 연료를 공급하고 연료에 관한 정보를 제공하는 연료 공급 수단, 연료 전지들에서의 연료 이용 및 연료 전지 시스템의 프로세스에서의 산소 대 탄소 비율 (O/C 비율) 에 관한 정보를 생성하는 수단, 연료 전지들의 로딩을 제어하는 활성 수단, 연료 이용 정보를 프로세스 피드백 정보로서 고려함으로써, 그리고 O/C 비율이 허용 범위로부터 벗어날 때 제 1 제어기의 출력을 제한하는 것에 의해 상기 O/C 비율을 제어하는 제약 기능을 구현함으로써, 상기 연료 공급 수단을 제어하는 제 1 폐쇄형 루프 제어기, 및 연료 이용이 허용 범위로부터 벗어날 때, 제 2 제어기의 출력을 제약하는 것에 의해 상기 연료 이용을 제어하는 제약 기능을 구현함으로써 활성 연료 전지 로딩 수단을 제어하는 제 2 제어기를 포함한다.
본 발명의 초점은, 또한, 연료 전지 시스템에서 전기를 생성하는 방법이다. 이 방법에서, 연료에 대한 정보를 제공함으로써 연료 전지 시스템에 연료가 공급되고, 연료 전지들에서의 연료 이용 및 연료 전지 시스템의 프로세스에서의 산소 대 탄소 비율 (O/C 비율) 에 관한 정보가 생성되고, 연료 전지들의 로딩이 능동적으로 제어되고, 연료 이용 정보를 프로세스 피드백 정보로서 고려함으로써, 그리고 O/C 비율이 허용 범위로부터 벗어날 때 제 1 제어 출력을 제약하는 것에 의해 상기 O/C 비율을 제어하는 제약 기능을 구현함으로써, 연료의 공급이 제어되고, 연료 이용이 허용 범위로부터 벗어날 때, 제 2 제어 출력을 제약하는 것에 의해 상기 연료 이용을 제어하는 제약 기능을 구현함으로써 연료 전지들의 로딩이 능동적으로 제어된다.
본 발명은 연료 전지들에서 연료 및 연료 이용과 산소 대 탄소 비율 (O/C 비율) 에 관한 정보의 이용, 그리고 연료 전지들의 로딩 시의 능동 제어에 기초한다. 연료 이용 정보는 프로세스 피드백 정보로서 이용되며, 제약 기능은 O/C 비율이 허용 범위로부터 벗어날 때 제 1 제어기의 출력을 제약하는 것에 의해 상기 O/C 비율을 제어하기 위해 구현된다. 또한, 연료 전지들의 로딩의 제어에 있어서, 제약 기능은 상기 연료 이용이 허용 범위로부터 벗어날 때 제 2 제어기의 출력을 제약하는 것에 의해 연료 이용을 제어하기 위해 구현된다.
본 발명은, 내재적으로 연료 조성의 변경 또는 시스템 콤포넌트들의 수율 변경과 같은 연료 전지 시스템의 동작 조건들에서의 내적 및/또는 외적 변경들에 적절하게 응답할 수 있는 연료 전지 시스템 동작 조건들을 위한 제어 방법 및 배열물을 제공한다. 종래기술의 구현물들과는 달리, 산소 대 탄소 비율 (O/C) 및 연료 이용 (FU) 과 같은 유효 피드백 정보에 기초한 본 발명에 따른 제어 방법은, 다양한 동작 조건들에 대한 미리 정의된 파라미터 세트들 또는 예상들을 요구하지 않는다.
도 1 은 단일 연료 전지 구조를 나타낸다.
도 2 는 SOFC 디바이스의 실례를 나타낸다.
도 3 은 본 발명에 따른 바람직한 실시형태를 나타낸다.
고체 산화물 연료 전지들 (SOFCs) 은 다수의 기하학적 구조들을 가질 수 있다. 평면형 기하학적 구조 (도 1) 는 대부분의 타입들의 연료 전지들에 의해 채용되는 일반적인 샌드위치 타입 기하학적 구조이며, 이 기하학적 구조에서는 전해질 (104) 이 전극들, 즉 애노드 (100) 와 캐소드 (102) 사이에 샌드위치된다. SOFC 들은 또한 튜브형 기하학적 구조들로 구성될 수 있으며, 이 기하학적 구조에서는, 예를 들어 공기 또는 연료 중 어느 하나가 튜브의 내부를 통과하고 다른 가스는 튜브의 외부를 따라서 전달된다. 이것은 또한 연료로서 사용되는 가스가 튜브의 내부를 관통하고 공기가 튜브의 외부를 따라서 전달되도록 배열될 수 있다. 튜브형 디자인은 연료로부터 공기를 실링하는 데 있어서 더 우수하다. 그러나, 어쨌든, 평면형 디자인의 성능은 튜브형 디자인의 성능보다 더 우수한데, 이는 평면형 디자인이 비교적 더 낮은 저항성을 갖기 때문이다. SOFC들의 다른 기하학적 구조들은, 변경된 평면형 전지들 (MPC 또는 MPSOFC) 을 포함하며, 이러한 전지들에서, 파형 구조는 평면형 전지의 일반적인 플랫 구성을 대체한다. 이러한 디자인들은, 그들이 평면형 전지들 (저 저항성) 및 튜브형 전지들 양측 모두의 이점들을 공유하기 때문에, 전도유망하다.
SOFC들에서 사용된 세라믹들은, 그들이 매우 높은 온도에 도달할 때까지 이온적으로 활성 상태가 되지 않으며, 그 결과로 스택들은 600 내지 1,000 ℃ 의 범위에 있는 온도에서 가열되어야 한다. 산소 이온들로의 산소의 환원 (도 1) 은 캐소드 (102) 에서 발생한다. 그 후, 이들 이온들은 고체 산화물 전해질 (104) 을 통과하여, 이들이 연료로서 사용된 가스를 전기화학적으로 산화시킬 수 있는 애노드 (100) 로 전달될 수 있다. 이 반응에서, 물 및 이산화탄소 부산물들과 2 개의 전자들이 방출된다. 그 후, 이들 전자들은 그들이 이용될 수 있는 외부 회로 (111) 를 통과하여 흐른다. 그 후, 사이클은 그들 전자들이 캐소드 재료 (102) 에 다시 진입할 때 반복된다.
대형 고체 산화물 연료 전지 시스템들에서, 일반적인 연료들은 천연가스 (주로 메탄), 상이한 바이오가스들 (주로, 질소 및/또는 이산화탄소 희석된 메탄), 및 알콜을 포함하는 연료들을 함유한 다른 고급 탄화수소류 (higher hydrocarbons) 이다. 메탄 및 고급 탄화수소류는 연료 전지 스택들에 진입하기 전의 리포머 (107)(도 2) 내에서 또는 내부적으로 스택들 (103) 내에서 중 어느 하나에서 개질 (reform) 될 필요가 있다. 개질 반응들은 특정한 양의 물을 요구하며, 또한 추가의 물이 고급 탄화수소에 의해 유발되는 가능한 탄소 포메이션 (코킹 (coking)) 을 방지하기 위해 필요하다. 이 물은 애노드 가스 배출 흐름을 재순환시킴으로써 내부적으로 제공될 수 있는데, 이는 물이 연료 전지 반응 시에 및/또는 보조적 물 공급 (예컨대, 직접적인 담수 공급 또는 배출 응축수의 순환) 으로 과도한 양이 생성되기 때문이다. 애노드 재순환 배열물에 의하면, 또한 애노드 가스에서의 비사용 연료의 일부 및 희석제들이 프로세스에 피드백되지만, 그 반면에, 보조적 물 공급 배열물에서는, 물이 프로세스에 대한 유일한 첨가제이다.
본 발명에서, 예를 들어 연료 이용 (FU), 산소 대 탄소 비율 (O/C 비율) 및 스택들 (103) 의 로딩과 같은 임계적 연료 전지 스택 운용 파라미터들의 가요적 제어는, 이들 파라미터들을 상호 작용적인 제어기들 (122, 124)(도 3) 의 동작에 기초하여 제어함으로써 성취된다. 연료 공급은 프로세스 피드백 정보로서 연료 이용 측정 또는 계산을 이용하여 폐쇄형 루프 제어기 (122) 에서 제어된다. 상기 폐쇄형 루프 제어기 (122) 의 출력은, 산소 대 탄소 (O/C) 최소 조건에 의해 제약, 즉 제한된다. 폐쇄형 루프 제어기 (122) 는 특정 연료 이용 타깃을 성취하기 위해 연료 공급 수단 (116) 을 구동한다. 또한, 제어기 (122) 는 그것이 입력으로서 O/C 비율 정보, 연료 이용 세트 포인트 및/또는 연료 이용 최소 한도를 취하고, 필요하다면, O/C 비율에 기초하여 연료 공급을 제한하도록 비선형 제약 기능을 구현하는 것을 특징으로 한다. O/C 비율이 기준 레벨로부터 아래쪽 방향으로 더 많이 벗어날수록, 연료 공급 수단 (116) 에서 연료 공급의 풀-다운 레이트는 더 높다. 스택 로드들의 제어부 (120) 는 제어기 (124) 에서의 유사한 연료 이용 기반 제약에 의해 제한된다. 제어기들 (122, 124) 은 바람직하게는 디지털 프로세서들에 배열되며, 그들은 동일한 프로세서에 또는 상이한 프로세서들에 개별적으로 위치될 수 있다.
본 발명에 따른 제어 방법은 급작스러운 조건 변화에 응답하는 내재적인 능력을 갖는 린 제어 구현 (lean control implementation) 을 제공한다. 예컨대, 더 희석된 연료에 대한 연료 조성이 급작스럽게 변하면, 스택 로드 제어부 (120)(도 3) 에서의 연료 이용 (FU) 제약은, 필요시에, 로딩을 안전한 FU 레벨로 신속하게 감소시킬 것이며, 그 후에, 시스템은, 예컨대 연료 공급 및/또는 물 균형 제어부 (128) 의 램핑 능력 (ramping capability) 에 의해 결정된 페이스 (pace) 로 바람직한 로딩 레벨을 향해 점진적으로 자동으로 램프-업 (ramp up) 할 수 있다. 마찬가지로, 로딩에서의 급작스러운 강하는 충분한 O/C 비율을 유지하는 데 적절한 연료 공급 레벨을 성취하기 위해 FU 제어기 (122) 에서의 O/C 비율 제약에 의해 트리거된 연료 공급의 신속한 풀-다운을 강제할 수도 있다. 따라서, 애노드 재순환된 시스템에서 충분한 O/C 비율을 유지하기 위해 연료 공급을 풀-다운함으로써, 방법은 애노드 오프 가스의 재순환되지 않은 부분을 연소시키는 애프터버너 (afterburner) 를, 연료 전지 로딩의 전체 또는 부분 강하로부터 비롯된 가연성 종들 (combustible species) 의 공급 시의 급격한 상승으로부터 내재적으로 보호한다.
도 3 에는, 본 발명에 따른 바람직한 실시형태가 제시된다. 연료 전시 시스템은 연료 전지 시스템에 연료를 공급하고 그 연료에 대한 정보를 제공하는 연료 공급 수단 (116), 및 연료 전지 스택들 (103) 에 앞서 연료의 사전 프로세싱을 수행하는 수단 (132) 을 포함한다. 역시, 연료 전지 스택들 (103) 에 앞서는 리포머 (107) 는 도 2 와 관련하여 설명된 리포머 기능들을 수행한다. 수단 (132) 및 리포머 (107) 는 도 3 에 제시된 바람직한 실시형태의 필수 부분들인 것은 아니다. 수단 (118) 은 연료 전지들 (103) 에서의 연료 이용 및 연료 전지 시스템 프로세스에서의 산소 대 탄소 비율 (O/C 비율) 에 관한 정보를 생성한다. 수단 (118) 은, 예를 들어 화학적 조성들을 측정하는 측정 디바이스들이지만, 수단 (118) 은 또한 연료 전지들에서의 연료 이용에 관한 정보 및 연료 전지 시스템 프로세스에서의 산소 대 탄소 비율 (O/C 비율) 에 관한 정보를 산출 프로세스에서 생성하는 프로세서일 수 있다. 연료 전지들의 로딩을 제어하는, 도 3 에서의 활성 수단 (120) 은, 예를 들어 연료 전지들의 로드들을 측정하는 전기 측정 디바이스 및 상기 측정들에 기초하여 연료 전지들의 로드들을 능동적으로 증가 또는 감소시키는 디바이스 배열물이다.
도 3 에서의 바람직한 실시형태는, 프로세스 피드백 정보로서 연료 이용 정보를 고려함으로써, 그리고 O/C 비율이 허용 범위로부터 벗어날 때 제 1 제어기 (122) 의 출력을 제약하는 것에 의해 상기 O/C 비율을 제어하는 제약 기능을 구현함으로써, 상기 연료 공급 수단 (116) 을 제어하는 제 1 폐쇄형 루프 제어기 (122) 를 더 포함한다. 연료 공급 수단 (116) 은, 예를 들어 제어 가능한 초크 밸브 (choke valve) 를 사용하여 능동적으로 제어 가능한 것으로서 배열될 수 있으며, 이러한 밸브는 상기 연료 이용 정보 및/또는 O/C 비율에 기초하여 연료 흐름을 조절하는 질량 유량 조절기 (mass flow adjuster) 일 수 있다.
제 2 제어기 (124) 는, 상기 연료 이용이 허용 범위로부터 벗어날 때, 제 2 제어기 (124) 의 출력을 제약하는 것에 의해 연료 이용을 제어하는 제약 기능을 구현함으로써 활성 연료 전지 로딩 수단 (120) 을 제어하는 데 사용된다. 바람직하게는, 연료 전지 제어 시스템은, 제약된 동작 동안에 제어기의 포화를 방지하기 위해 인티그랄 제어 파라미터 드리프트 제한 (integral control parameter drift limitation) 을 구현하는 수단을 포함한다. 연료 전지 시스템은 또한 제 1 폐쇄형 루프 제어기 (122) 및/또는 제약된 동작으로부터 정상적인 폐쇄형 루프 동작으로의 매끄러운 전이를 용이하게 하는 제어기 출력에 대한 램프 제한 기능을 구현하는 제 2 제어기 (124) 를 포함한다. 제 2 제어기 (124) 는 폐쇄형 루프 제어기일 수 있지만, 폐쇄형 루프는, 예를 들어 전류 제어형 전력 전자 장치가 로드로서 사용되는 실시형태에서는 필수적인 것이 아니다.
도 3 에서의 시스템 부분 (134) 은 제 1 폐쇄형 루프 제어기 (122) 에 의해 결정된 연료 피드-인 (feed-in) 에 대한 변경을 실현한다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서는, 연료 공급 수단 (116) 에 의해 그러한 연료를 연료 전지 시스템에 공급하는 것이 가능하며, 이 시스템에서, 연료는 상이한 시점들에서 상이한 화학적 조성을 포함하며, 또한 상기 수단 (116) 은 상이한 시점들에서 상기 연료에 대한 정보를 제공한다. 이러한 연료의 실례는 바이오가스이다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템 (126) 은, 공급된 연료 또는 이의 일부를 애노드 측들 (100) 에서 재순환시키는 수단을 포함할 수 있지만, 본 발명은 또한 애노드 측들에서 연료의 재순환을 갖지 않는 연료 전지 시스템들에서도 이용될 수 있다. 또한, 보조 물 공급부 (130) 는 각각의 연료 전지 시스템에서 필수적인 것은 아니다.
SOFC들뿐 아니라, 본 발명은 또한 용융 탄산염 연료 전지들 (Molten Carbonate Fuel Cells: MCFCs) 및 400 ℃ 이상의 온도에서 동작하는 다른 고온 연료 전지들과 함께 이용될 수 있다. MCFCs 는 BASE (베타-알루미나 고체 전해질 (Beta-Alumina Solid Electrolyte)) 의 다공성이고 화학적으로 불활성인 세라믹 매트릭스에서 서스펜드된 용융 탄산염 혼합물로 구성된 전해질을 사용하는 고온 연료 전지들이다.
본 발명이 첨부한 도면 및 명세서를 참조하여 제시되었지만, 본 발명은 청구범위에 의해 허용되는 범주 내의 변형 대상인 것들로 제한되지 않는다.

Claims (14)

  1. 연료 전지들로 전기를 생산하는 연료 전지 시스템으로서,
    각각의 연료 전지는 애노드 측 (100), 캐소드 측 (102), 상기 애노드 측과 상기 캐소드 측 사이의 전해질 (104) 을 포함하고,
    상기 연료 전지 시스템은,
    - 상기 연료 전지 시스템에 연료를 공급하고 상기 연료에 대한 정보를 제공하는 연료 공급 수단 (116),
    - 상기 연료 전지들에서의 연료 이용 및 연료 전지 시스템 프로세스에서의 산소 대 탄소 비율 (O/C 비율) 에 관한 정보를 생성하는 수단 (118),
    - 상기 연료 전지들의 로딩을 제어하는 활성 수단 (120),
    - 제 1 폐쇄형 루프 제어기 (122) 로서,
    상기 연료 이용 정보를 프로세스 피드백 정보로서 고려함으로써, 그리고
    상기 O/C 비율이 허용 범위로부터 벗어날 때, 상기 제 1 폐쇄형 루프 제어기 (122) 의 출력을 제약하는 것에 의해 상기 O/C 비율을 제어하는 제약 기능을 구현함으로써,
    상기 연료 공급 수단 (116) 을 제어하는, 상기 제 1 폐쇄형 루프 제어기 (122), 및
    - 제 2 제어기 (124) 로서, 상기 연료 이용이 허용 범위로부터 벗어날 때, 상기 제 2 제어기 (124) 의 출력을 제약하는 것에 의해 상기 연료 이용을 제어하는 제약 기능을 구현함으로써 상기 활성 연료 전지 로딩 수단 (120) 을 제어하는, 상기 제 2 제어기 (124) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 애노드 측들 (100) 에서 상기 공급된 연료를 재순환시키는 수단 (126) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 상기 연료 전지들에서의 연료 이용에 관한 정보 및 상기 연료 전지들에서의 산소 대 탄소 비율 (O/C 비율) 에 관한 정보를 산출 프로세스 (calculative process) 에서 생성하는 수단 (118) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 공급 수단 (116) 은 능동적으로 제어 가능한 것으로서 배열되는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 제약된 동작 동안에 상기 적어도 하나의 제어기 (122, 124) 의 포화를 방지하기 위해 인티그랄 제어 파라미터 드리프트 제한 (integral control parameter drift limitation) 을 구현하는 상기 제 1 폐쇄형 루프 제어기 (122) 및/또는 상기 제 2 제어기 (124) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 제약된 동작으로부터 정상적인 폐쇄형 루프 동작으로의 매끄러운 전이를 용이하게 하기 위해 상기 적어도 하나의 제어기 (122, 124) 의 출력에 대한 램프 제한 기능을 구현하는 상기 제 1 폐쇄형 루프 제어기 (122) 및/또는 상기 제 2 제어기 (124) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 상기 연료 전지 시스템에 연료를 공급하는 상기 연료 공급 수단 (116) 을 포함하고,
    상기 연료는 상이한 시점에 상이한 화학적 조성을 포함하고,
    상기 연료 공급 수단 (116) 은 상이한 시점에 상기 연료에 대한 정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템.
  8. 연료 전지 시스템에서 전기를 생산하는 방법으로서,
    - 연료에 대한 정보를 제공함으로써 상기 연료 전지 시스템에 상기 연료가 공급되고,
    - 연료 전지들에서의 연료 이용 및 연료 전지 시스템 프로세스에서의 산소 대 탄소 비율 (O/C 비율) 에 대한 정보가 생성되고,
    - 상기 연료 전지들의 로딩이 능동적으로 제어되고,
    - 상기 연료 이용 정보를 프로세스 피드백 정보로서 고려함으로써, 그리고 O/C 비율이 허용 범위로부터 벗어날 때 제 1 제어부 (122) 의 출력을 제약하는 것에 의해 상기 O/C 비율을 제어하는 제약 기능을 구현함으로써, 상기 연료의 공급이 제어되고,
    - 상기 연료 이용이 허용 범위로부터 벗어날 때, 제 2 제어부 (124) 의 출력을 제약하는 것에 의해 상기 연료 이용을 제어하는 제약 기능을 구현함으로써 상기 연료 전지들의 로딩이 능동적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 공급된 연료는 애노드 측들 (100) 에서 재순환되는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 전기 생산 방법에서, 상기 연료 전지들에서의 연료 이용에 관한 정보 및 상기 연료 전지들에서의 상기 산소 대 탄소 비율 (O/C 비율) 에 관한 정보가 산출 프로세스에서 생성되는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 연료의 공급은 능동적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 전기 생산 방법에서, 제약된 동작 동안에 상기 적어도 하나의 제어부 (122, 124) 의 출력의 포화를 방지하기 위해 인티그랄 제어 파라미터 드리프트 제한이 구현되는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 전기 생산 방법에서, 제약된 동작으로부터 정상적인 폐쇄형 루프 동작으로의 매끄러운 전이를 용이하게 하기 위해 상기 적어도 하나의 제어부 (122, 124) 의 출력에 대한 램프 제한 기능이 구현되는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 전기 생산 방법에서, 상기 연료 전지 시스템에 연료가 공급되고,
    상기 연료는 상이한 시점에 상이한 화학 조성을 포함하며,
    상이한 시점에 상기 연료에 대한 정보가 제공되는 것을 특징으로 하는 전기 생산 방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015102423A1 (ko) 2014-01-06 2015-07-09 대림산업 주식회사 에틸렌과 알파-올레핀의 중합 장치 및 제조방법

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011088120A1 (de) * 2011-12-09 2013-06-13 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem und Verfahren zu dessen Betrieb
JP6264125B2 (ja) * 2014-03-20 2018-01-24 アイシン精機株式会社 燃料電池システム
KR101817392B1 (ko) * 2014-12-30 2018-01-11 포스코에너지 주식회사 연료재순환형 고체산화물 연료전지시스템
CN107464944B (zh) 2016-05-27 2021-02-02 通用电气公司 燃料电池系统及其操作方法
KR101906684B1 (ko) * 2016-12-29 2018-10-10 포스코에너지 주식회사 유체분석장치와 그 방법 및 유체분석장치를 구비한 연료전지 시스템

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11233129A (ja) * 1998-02-17 1999-08-27 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 固体電解質型燃料電池発電システム
JP3570355B2 (ja) * 2000-08-01 2004-09-29 松下電器産業株式会社 燃料電池システム
US6655130B1 (en) * 2000-10-30 2003-12-02 Delphi Technologies, Inc. System and controls for near zero cold start tailpipe emissions in internal combustion engines
AUPS024302A0 (en) * 2002-01-31 2002-02-21 Ceramic Fuel Cells Limited Thermal management of fuel cells
US6884533B2 (en) 2002-05-31 2005-04-26 Ballard Generation Systems Utilization based power plant control system
GB0213561D0 (en) 2002-06-13 2002-07-24 Alstom Fuel cells
EP1683225A1 (en) * 2003-10-21 2006-07-26 Alberta Research Council, Inc. Controlling solid oxide fuel cell operation
US6979508B2 (en) * 2003-11-12 2005-12-27 Ener 1 Inc. Fuel cell with integrated feedback control
US7422810B2 (en) * 2004-01-22 2008-09-09 Bloom Energy Corporation High temperature fuel cell system and method of operating same
JP4584601B2 (ja) * 2004-02-19 2010-11-24 株式会社豊田中央研究所 燃料電池システム及びその制御方法
CN102208667B (zh) * 2004-05-28 2012-10-03 益达科技有限责任公司 基于利用率的燃料电池监测和控制
US7842428B2 (en) * 2004-05-28 2010-11-30 Idatech, Llc Consumption-based fuel cell monitoring and control
JP2006024478A (ja) * 2004-07-08 2006-01-26 Ebara Ballard Corp 燃料電池発電システムの運転方法及び燃料電池発電システム
FI119266B (fi) * 2005-01-03 2008-09-15 Waertsilae Finland Oy Esilämmitysjärjestely polttokennolaitteistossa
US8293418B2 (en) 2005-06-16 2012-10-23 Industrial Technology Research Institute Fuel supply control method and system for fuel cells
JP4951917B2 (ja) * 2005-09-29 2012-06-13 トヨタ自動車株式会社 燃料改質システム
US7648784B2 (en) * 2006-03-09 2010-01-19 Delphi Technologies, Inc. Method and apparatus for controlling a fuel cell system having a variable number of parallel-connected modules
JP2008004426A (ja) * 2006-06-23 2008-01-10 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2009110666A (ja) 2007-10-26 2009-05-21 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム及びその制御方法
JP5085358B2 (ja) * 2008-01-31 2012-11-28 東京瓦斯株式会社 固体酸化物形燃料電池−水素製造システム
US7993708B2 (en) 2008-07-01 2011-08-09 Clearedge Power, Inc. Control for reformer, fuel cell and battery management system in a stationary power plant

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015102423A1 (ko) 2014-01-06 2015-07-09 대림산업 주식회사 에틸렌과 알파-올레핀의 중합 장치 및 제조방법

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KR101285018B1 (ko) 2013-07-10
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