KR20180057555A - 연료 전지 시스템 및 그 정지 방법 - Google Patents

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Abstract

전력을 생성하기 위한 연료 전지 스택을 포함하는 양극 재순환 루프, 양극 재순환 루프에 연료를 제공하기 위한 연료 공급 디바이스, 연료 전지 스택의 음극에 공기를 제공하기 위한 공기 공급 디바이스, 연료 전지 스택의 전압을 모니터링하기 위한 전압 모니터링 디바이스, 및 양극 방식 컨트롤러를 포함하는, 연료 전지 시스템이, 개시된다. 양극 방식 컨트롤러는, 연료 전지 스택의 전압이 사전결정된 전압 임계치 아래로 강하할 때마다, 연료 전지 스택으로부터 인출되는 전류를 사전결정된 양만큼 감소시키며, 그리고, 양극 재순환 루프 내의 증기 대 탄소 비율을 사전결정된 증기 대 탄소 비율 한계 위에서 유지하도록 하기 위해, 양극 재순환 루프에 제공되는 연료 유량을 감소된 전류에 기초하여 감소시킨다. 연료 전지 시스템을 위한 정지 방법이 또한 개시된다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 정지 방법{FUEL CELL SYSTEM AND SHUTDOWN METHOD THEREOF}
본 개시는 개괄적으로, 연료 전지 분야에 관한 것으로, 더욱 구체적으로, 양극 방식(anode protection)을 동반하는 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템을 위한 정지 방법에 관한 것이다.
연료 전지들은, 수소와 같은 연료의, 대기에 포함되는 산소와 같은 산화제와의, 전기 화학적 반응을 통해, 연료로부터의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있는, 전기 화학적 디바이스들이다. 연료 전지 시스템들은, 연료 전지들이 환경적으로 우수하고 매우 효율적이기 때문에, 에너지 공급 시스템으로서, 폭 넓게 발전되고 있다. 시스템 효율 및 연료 활용도를 개선하기 위해 그리고 외부 용수 사용량을 감소시키기 위해, 연료 전지 시스템은 일반적으로, 양극 재순환 루프를 포함한다. 단일 연료 전지가 단지 1V 전압을 생성할 수 있기 때문에, 그에 따라 복수의 연료 전지가 일반적으로, 요구되는 전압을 얻기 위해 함께 적층된다(일반적으로, 연료 전지 스택으로 지칭됨).
전형적인 고체 산화물 연료 전지(SOFC)의 양극이 통상적으로, 니켈/이트리아 안정화 지르코니아(Ni/YSZ) 도성 합금으로 이루어진다. 양극 내의 니켈은, 연료 산화를 위한 촉매 및 전류 전도체로서 역할을 한다. 연료 전지 시스템의 정상 작동 도중에, SOFC 적층체들은 전형적으로, 700℃ 위에서 작동하게 되며, 그리고 양극 내의 니켈(Ni)은, 1차적으로 수소 연료 가스의 연속적인 공급으로 인해, 자체의 감소된 형태로 잔류한다.
그러나, 예를 들어, 크로스오버 또는 오버보드 누출(crossover or overboard leakage)이 연료 전지 스택 내에 발생할 때, 환원 가스가 양극에서 적절하지 않은 경우, 양극 내의 Ni이 재산화를 겪을 수 있으며, 여기서 Ni은, 대략 350℃ 위의 온도에서 니켈 산화물(NiO)을 형성하기 위해, 양극 챔버 내로 도입되거나 또는 음극 층으로부터 확산되는 공기 중의 산소와 반응할 수 있을 것이다. 양극의 미세구조물 내에서의 NiO의 형성은, 양극 층의 체적 팽창을 야기할 수 있으며, 이는 전체 SOFC 구조물 상에 응력을 가한다. 빠른 산화 도중에, 전해질은, 니켈 산화물을 형성하는 것만큼 빨리 팽창하는 것이 불가능하여, 전해질에 균열을 생성할 가능성을 야기한다. 이는, 연료와 산화제 가스가 직접적으로 혼합되는 것을 허용할 것이고, 이는, 연료 전지 온도가 연료의 자동-점화 온도 위일 경우, 파국적인 결과로 이어질 수 있을 것이다.
실험실 환경에서, SOFC 적층체는, 전형적으로 질소 가스 중의 수소의 희석 혼합물인, 환원 가스의 공급을 사용하여 재산화로부터 보호될 수 있을 것이다. 이는, 양극의 재산화를 방지하기 위해, SOFC 정지 또는 대기 상태 도중에 양극 챔버를 청소하기 위해 사용될 수 있다. 전형적인 SOFC 적층체는 통상적으로, 자체의 작동 온도로부터, 양극 재료에 대한 상당한 손상이 발생할 수 없는 온도 아래까지 냉각하는데, 4 내지 12 시간 사이의 요구한다. 이러한 시간 도중에, 환원 가스 소모 요구를 만족시키기 위해, 다량의 환원 가스 및 빈번한 병 교환을 요구한다.
더불어, 연료 전지 스택 누출을 동반하는 정지 프로세스 도중에, 양 전극들 상의 탄소 형성 및 침착에 대한 경향이 존재한다. 탄소는, 탄화수소 분해, 부다 반응(Boudouard reaction) 또는 일산화탄소(CO) 환원에 의해 형성될 수 있다. 탄소는, 연료 전지 시스템에 증기를 도입함에 의해 제거될 수 있으며, 이는 특정 조건에서 CO 및 수소로 이어진다. 탄소는, 탄소 형성 속도가 탄소 제거 속도보다 더 빠른 경우, 침착될 것이다. 내적 탄소 형성 및 침착을, 양극의 감소된 효율, 감소된 가용 장치 수명 및 시스템의 강제 정지를 야기한다.
따라서, 정지 작동 도중에 연료 전지 스택의 양극에서의 니켈의 산화 및 탄소 침착을 방지하기 위한, 개선된 연료 전지 시스템에 대한 요구가 존재한다. 설치 및 운영하기에 경제적일 것이라는 이러한 시스템에 대한 추가적인 요구가 존재한다.
일 실시예에서, 본 개시는, 연료 전지 시스템을 제공한다. 연료 전지 시스템은, 양극 재순환 루프, 연료 공급 디바이스, 공기 공급 디바이스, 전압 모니터링 디바이스 및 양극 방식 컨트롤러를 포함한다. 양극 재순환 루프는, 전력 생성을 위해 구성되며 그리고 양극 및 음극을 구비하는, 연료 전지 스택을 포함한다. 연료 공급 디바이스는, 양극 재순환 루프에 연료를 제공하도록 구성된다. 공기 공급 디바이스는, 연료 전지 스택의 음극에 공기를 제공하도록 구성된다. 전압 모니터링 디바이스는, 연료 전지 스택의 전압을 모니터링하도록 구성된다. 양극 방식 컨트롤러는, 연료 전지 스택의 전압이 사전결정된 전압 임계치 아래로 강하할 때마다, 연료 전지 스택으로부터 인출되는 전류를 사전결정된 양만큼 감소시키며, 그리고, 양극 재순환 루프 내의 증기 대 탄소 비율을 사전결정된 증기 대 탄소 비율 한계 위에서 유지하도록 하기 위해, 양극 재순환 루프에 제공되는 연료의 연료 유량을 감소된 전류에 기초하여 감소시킨다.
다른 실시예에서, 본 개시는, 전력을 생성하기 위한 연료 전지 스택을 구비하는 양극 재순환 루프를 포함하는, 연료 전지 시스템을 위한 정지 방법을 제공한다. 정지 방법은, 연료 전지 스택의 전압을 모니터링하는 것; 연료 전지 스택의 전압이 사전결정된 전압 임계치 아래로 강하할 때마다, 연료 전지 스택으로부터 인출되는 전류를 사전결정된 양만큼 감소시키는 것; 그리고, 양극 재순환 루프 내의 증기 대 탄소 비율을 사전결정된 증기 대 탄소 비율 한계 위에서 유지하도록 하기 위해, 양극 재순환 루프에 제공되는 연료의 연료 유량을 감소된 전류에 기초하여 감소시키는 것을 포함한다.
본 개시의 이러한 그리고 다른 특징들, 양태들, 및 이점들이, 동일한 부호들이 도면들 전체에 걸쳐 동일한 부분들을 지시하는 첨부 도면을 참조하여 뒤따르는 상세한 설명이 읽힐 때, 더욱 잘 이해될 것이다.
도 1은, 양극 재순환 루프를 갖는, 예시적인 연료 전지 시스템의 개략적 블록도이고;
도 2는, 본 개시의 실시예에 따른, 양극 방식을 동반하는 연료 전지 시스템의 개략적 블록도이며;
도 3은, 본 개시의 실시예에 따른, SCR 모델의 개략적 도면이고;
도 4는 도 3의 SCR 모델의 방정식들의 검증이며;
도 5는, 본 개시의 실시예에 따른, 연료 전지 시스템에 대한 예시적인 정지 방법의 전반부의 흐름도이고;
도 6은, 본 개시의 실시예에 따른, 연료 전지 시스템에 대한 예시적인 정지 방법의 후반부의 흐름도이며; 그리고
도 7은, 본 개시의 구현 케이스에 따른, 연료 전지 시스템에 대한 정지 방법의 효과도이다.
본 개시의 실시예들이 첨부 도면을 참조하여 이하에서 설명될 것이다. 뒤따르는 설명에서, 잘 알려진 기능들 또는 구조들은, 본 개시를 불필요한 상세로 모호하게 하는 것을 방지하기 위해 상세하게 설명되지 않는다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에서 사용되는 기술적 및 과학적 용어들은, 본 개시가 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 공통적으로 이해되는 바와 같은, 동일한 의미를 갖는다. 여기에서 사용되는 용어들 "제1", "제2", "제3" 및 이와 유사한 것은, 임의의 순서, 양, 또는 중요성을 나타내지 않는 대신, 하나의 요소를 다른 요소로부터 구별하기 위해 사용된다. 또한 용어 "부정관사"는, 양에 대한 제한을 나타내지 않는 대신, 참조되는 품목들 중의 적어도 하나의 존재를 나타낸다. 용어 "또는"은 포괄하도록 의미하게 되며 그리고 열거된 품목들 각각 또는 모두를 의미한다. 여기에서의 "구비하는", "포함하는", 또는 "갖는", 그리고 이들의 변화형들의 사용은, 그후에 열거되는 품목들 및 그들의 균등물 뿐만 아니라 부가적인 품목들을 포괄하도록 의미하게 된다. 부가적으로, 용어들 "연결되는" 및 "결합되는"은, 물리적 또는 기계적 연결들 또는 결합들로 제한되지 않으며, 그리고 직접적이든 또는 간접적이든, 전기적 연결들 또는 결합들을 포함할 수 있다.
양극 재순환 루프를 갖는 연료 전지 시스템
도 1은, 예시적인 연료 전지 시스템(100)의 개략적 블록도를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 예시적인 연료 전지 시스템(100)은, 양극 재순환 루프(11)를 포함한다. 양극 재순환 루프(11)는 전력을 생성하기 위한 연료 전지 스택(12)을 포함한다. 연료 전지 스택(12)은, 함께 적층되는 복수의 연료 전지를 포함할 수 있을 것이다. 연료 전지들은, 예를 들어, 이에 국한되는 것은 아니지만, 고체 산화물 연료 전지들(SOFC들)을 포함할 수 있을 것이다. 사실, 연료 전지들은, 양극 재료로서 니켈계 재료를 사용하는, 임의의 연료 전지일 수 있을 것이다.
연료 전지 스택(12)은, 양극(121), 음극(122), 및 전해질(123)을 포함한다. 연료 전지 스택(12)의 양극(121)은, 양극 유입구(1211) 및 양극 배출구(1212)를 구비한다.
양극(121)은, 전기를 생성하는 전기화학적 반응들을 지지할 수 있을 것이다. 연료가, 전해질(123)을 통한 확산을 통해 음극(122)으로부터 받은 산소 이온들에 의해, 양극(121)에서 산화될 수 있을 것이다. 반응들은, 양극(121)에서, 열, 증기 및 자유전자의 형태인 전기를 생성할 수 있을 것이고, 전기는, 에너지 소비 디바이스(18)에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있을 것이다. 산소 이온들은, 에너지 소비 디바이스(18)로부터 음극(122) 내로 복귀하는 전자들을 사용하는, 음극 산화제의 산소 환원을 통해 생성될 수 있을 것이다.
에너지 소비 디바이스(18)는, 연료 전지 스택(12)으로부터 전류를 인출하도록, 또는 연료 전지 스택(12)에 전기 부하를 인가하도록, 맞춰진다. 에너지 소비 디바이스(18)는, 이에 국한되는 것은 아니지만, 도구들, 조명들 또는 조명 조립체들, 가전 제품들(가정용 또는 다른 제품들과 같은), 가정 또는 다른 주택들, 사무실들 또는 다른 상업적 건축물들, 컴퓨터들, 신호 송출 또는 통신 장비들, 등을 포함할 수 있을 것이다.
음극(122)은, 대기 중의 산소와 같은, 음극 산화제의 소스에 결합될 수 있을 것이다. 음극 산화제는, 전력을 생성하는 연료 전지 시스템(100)에 의해 사용되는, 음극(122)에 공급되는 산화제로서 정의된다. 음극(122)은, 음극 산화제로부터 받은 산소 이온에 대해 투과성일 수 있을 것이다.
전해질(123)은, 양극(121) 및 음극(122)과 소통 상태에 놓일 수 있을 것이다. 전해질(123)은, 음극(122)으로부터 양극(121)으로 산소 이온들을 통과시킬 수 있으며, 그리고, 음극(122)으로부터 양극(121)으로 자유 전자들의 통과를 방지하도록 하기 위해, 거의 또는 전혀 전기 전도성을 구비하지 않을 수 있을 것이다.
도 1을 계속 참조하면, 연료 전지 시스템(100)은, 양극 재순환 루프(11)에 연료를 제공하기 위한 연료 공급 디바이스(141), 및 연료 전지 스택(12)의 음극(122)에 공기를 제공하기 위한 공기 공급 디바이스(151)를 포함할 수 있을 것이다. 연료는, 예를 들어, 천연가스, 메탄(CH4), 등과 같은, 탄화수소 연료일 수 있을 것이다. 연료 전지 시스템(100)은, 양극 재순환 루프(11)에 제공되는 연료의 연료 유량(Q연료)을 측정하기 위한 연료 유량계(142) 및 양극 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량(Q연료)을 조정하기 위한 연료 유동 조정기(143), 뿐만 아니라 음극(122)에 제공되는 공기의 공기 유량(Q공기)을 측정하기 위한 공기 유량계(152) 및 음극(122)에 제공되는 공기 유량(Q공기) 조정하기 위한 공기 유동 조정기(153)를 더 포함할 수 있을 것이다.
최종 단계의 연료 개질에서 사용되는 촉매들을 비활성화하는 경향이 있는, 연료 내의 황과 같은 원하지 않는 성분들을 감소시키거나 또는 제거하기 위해, 연료 전지 시스템(100)은, 연료 정화 디바이스(144)를 더 포함할 수 있을 것이다. 그러나, 연료 정화 디바이스(144)는, 순수 연료, 예를 들어 메탄(CH4)에 대해, 생략될 수 있을 것이다.
따라서, 양극 재순환 루프(11)에 제공되는 연료는, 연료 공급 디바이스(141)에 의해 제공되는 연료, 또는 연료 정화 디바이스(144)에 의해 정화되는 연료를 포함할 수 있을 것이다.
선택적으로, 연료 전지 시스템(100)은, 양극 재순환 루프(11)에 연료 개질을 위한 증기를 공급하기 위한 증기 공급 디바이스(161), 양극 재순환 루프(11)에 제공되는 증기의 증기 유량(Q증기)을 측정하기 위한 증기 유량계(162), 및 양극 재순환 루프(11)에 제공되는 증기 유량(Q증기)을 조정하기 위한 증기 유량 조정기(163)를 더 포함할 수 있을 것이다.
일 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 양극 재순환 루프(11)는, 연료 개질기(13)를 더 포함할 수 있을 것이다. 연료 개질기(13)는, 개질기 유입구(131) 및 개질기 배출구(132)를 구비한다. 연료 전지 스택(12)의 양극 배출구(1212)는, 연료 개질기(13)의 개질기 유입구(131)에 결합될 수 있으며, 그리고 연료 개질기(13)의 개질기 배출구(132)는, 양극 재순환 루프(11)를 형성하기 위해 연료 전지 스택(12)의 양극 유입구(1211)로 복귀하게 된다.
연료 개질기(13)는, 개질기 배출구(132)에서 개질체를 생성하기 위해, 연료(또는 증기를 공급하는 경우에 증기 및 연료의 조합) 및 연료 전지 스택(12)의 양극 배출구(1212)로부터의 테일 가스(tail gas)를 받아들일 수 있을 것이다. 개질체는, 수소(H2) 풍부 가스를 포함하며, 그리고 또한 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 증기(H2O), 및 메탄(CH4)과 같은 벗어난 연료(fuel slip)를 포함할 수 있을 것이다. 개질기 배출구(132)에서의 개질체의 적어도 일부분(재순환된 개질체로 또한 지칭됨)이, 양극 유입구(1211)로 복귀하게 될 수 있으며, 그리고 나머지는 배기가스로서 방출될 수 있을 것이다.
연료 전지 시스템(100)이 작중 중일 때, 연료, 예를 들어 메탄(CH4)은, 양극 재순환 루프(11)로, 특히 본 실시예에서 연료 개질기(13)의 개질기 유입구(131)로 공급되며, 그리고 산소, 예를 들어 공기 중에 포함되는 산소는, 연료 전지 스택(12)의 음극(122)으로 공급된다. 연료 개질기(13)에서, 연료는, 화학 반응을 통해 수소를 생성하도록 개질될 수 있을 것이다. 예를 들어, 메탄(CH4)은, 뒤따르는 연료 개질 반응 (1)에 의해 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)로 변환되며, 그리고 일산화탄소 및 증기(H2O)는, 뒤따르는 수성 기체 이동 반응 (2)에 의해 이산화탄소(CO2) 및 수소로 변환된다.
CH4 + H2O → CO + 3H2 (1)
CO + H2O → CO2 + H2 (2)
재순환된 개질체는, 연료 전지 스택(12)의 양극 유입구(1211)로 복귀하게 된다. 연료 전지 스택(12)의 양극(121)에서, 재순환된 개질체와 음극(122)으로부터의 산소 이온들이, 혼합되며 그리고, 전력 및 열을 생성하도록 하기 위해 뒤따르는 전기 화학적 반응 (3)을 통해 증기로 변환된다.
2H2+O2 → 2H2O (3)
다른 실시예에서, 연료 전지 스택(12)은, 별도의 연료 개질기(13) 없이도 내부 개질 기능을 구비할 수 있을 것이다. 그러한 환경 하에서, 연료 전지 스택(12)의 양극 배출구(1212)는, 양극 재순환 루프(11)를 형성하도록 하기 위해 양극 유입구(1211)로 직접적으로 복귀하게 될 수 있을 것이다. 따라서, 연료 전지 스택(12)의 양극(121)에서, 이상의 연료 개질 반응 (1) 및 수성 기체 이동 반응 (2)이 또한 일어날 것이다.
양극 방식을 동반하는 연료 전지 시스템
도 2는, 본 개시의 실시예에 따른, 양극 방식을 동반하는 연료 전지 시스템의 개략적 블록도를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 도 1의 연료 전지 시스템(100)과 비교하여, 본 개시의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)은, 전압 모니터링 디바이스(21)를 더 포함할 수 있을 것이다. 전압 모니터링 디바이스(21)는, 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)을 실시간으로 모니터링할 수 있을 것이다. 연료 전지 시스템(200)의 정지 도중에, 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)은, 연료 전지 스택(12)의 내려가는 온도 또는 연료 전지 스택(12) 내의 악화된 크로스오버 또는 오버보드 누출로 인해, 감소할 것이다. 연료 전지 시스템(200)의 사전결정된 작동 조건에서, 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)은, 연료 전지 스택(12)의 양극(121)의 건전성 상태에 대한 지표일 수 있을 것이다. 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)이 사전결정된 전압 임계치(Vth) 아래에 놓이면, 이는, 연료 전지 스택(12)의 양극(121)의 산화를 지시한다. 사전결정된 전압 임계치(Vth)는, 작동 마진을 동반하는 니켈-니켈 산화물 평형과 상호 관련될 것이다. 예를 들어, 사전결정된 전압 임계치(Vth)는, 0.55V 내지 0.65V 의 범위일 수 있을 것이다. 선택적으로, 사전결정된 전압 임계치(Vth)는 0.63V 일 수 있을 것이다.
따라서, 연료 전지 스택(12)의 양극(121)을 산화로부터 보호하기 위해, 본 개시의 연료 전지 시스템(200)은, 양극 방식 컨트롤러(22)를 더 포함할 수 있을 것이다. 전압 모니터링 디바이스(21)는, 양극 방식 컨트롤러(22)와 통신 가능하게 연결될 수 있으며 그리고 연료 전지 스택(12)의 모니터링된 전압(VFC)을 양극 방식 컨트롤러(22)로 전송한다. 사전결정된 전압 임계치(Vth)는, 양극 방식 컨트롤러(22) 내에 미리 저장될 수 있을 것이다. 양극 방식 컨트롤러(22)는, 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)이 사전결정된 전압 임계치(Vth) 아래로 강하할 때마다, 연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 전류(I)를 사전결정된 양(ΔI)만큼 감소시킬 수 있으며, 그리고, 양극 재순환 루프(11) 내의 증기 대 탄소 비율(SCR)을 사전결정된 증기 대 탄소 비율 한계(SCRlimit) 위에서 유지하도록 하기 위해, 양극 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량(Q연료)을 감소된 전류에 기초하여 감소시킬 수 있을 것이다.
사전결정된 양(ΔI)은 예를 들어, 5A 일 수 있을 것이다. 양극 재순환 루프(11) 내의 증기 대 탄소 비율(SCR)은, 개질기 유입구(131)에서의 SCR 또는 양극 유입구(1211)에서의 SCR을 포함할 수 있을 것이다. 증기 대 탄소 비율(SCR)은, 가스 혼합물 내에 포함되는 증기 성분의, 가스 혼합물 내에 포함되는 일산화탄소(CO) 성분 및 메탄(CH4) 성분의 합계에 대한 비율로서, 정의될 수 있을 것이다. 사전결정된 SCR 한계(SCRlimit)는, 양극 방식 컨트롤러(22) 내에 미리 저장될 수 있을 것이다. 사전결정된 SCR 한계(SCRlimit)는, 요구되는 값 또는 목표 값, 예를 들어 2.55일 수 있을 것이다. 대안적으로, 사전결정된 SCR 한계(SCRlimit)는, 요구되는 범위 또는 목표 범위일 수 있으며, 그리고 그의 예시적인 비-배제적인 예들에서, 사전결정된 SCR 한계(SCRlimit)는, 2:1 내지 5:1 사이를 포함할 수 있을 것이다. 양극 재순환 루프(11) 내의 SCR에 대한 더 상세한 것은, 그의 내용이 참조로 본 명세서에 통합되는, 중국 특허출원번호 제201510962881.X호를 참조할 수 있을 것이다.
본 개시의 연료 전지 시스템(200)에서, 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)을 모니터링함에 의해, 일단 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)이 사전결정된 전압 임계치(Vth) 아래로 강하하면, 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)은, 사전결정된 전압 임계치(Vth) 위에서 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)을 유지하도록 하기 위해, 전류(I)를 사전결정된 양(ΔI)만큼 감소시킴에 의해 증가하게 될 수 있으며, 그리고 한편, 연료 유량(Q연료)은, 양극 재순환 루프(11) 내의 SCR을 제어하기 위해 감소된 전류에 기초하여, 그에 대응하게 감소될 수 있을 것이다. 따라서, 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)의 실시간 모니터링 및 양극 방식 컨트롤러(22)의 제어에 의해, 본 개시의 연료 전지 시스템(200)은, 연료 전지 스택(12)의 양극(121)을 산화로부터 효과적으로 보호할 수 있으며 그리고 탄소 침착을 방지할 수 있을 것이다.
양극(121) 내에서 니켈의 재산화를 방지하기 위해 암모니아계 환원 가스 또는 수소 실린더들과 같은 임의의 부가적인 가스를 사용하지 않고, 본 개시의 연료 전지 시스템(200)은 단지, 연료 전지 스택(12)의 정상 작동에서 사용되는, 기존의 연료 공급 디바이스(141)만을 사용할 수 있을 것이다. 본 개시의 연료 전지 시스템(200)은, 설치 및 운영하기에 경제적일 수 있을 것이다.
도 2를 계속 참조하면, 연료 전지 시스템(200)에서, 연료 유동 조정기(143)는, 양극 방식 컨트롤러(22)와 통신 가능하게 연결될 수 있을 것이다. 양극 방식 컨트롤러(22)는, 양극 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량(Q연료)을 조정하기 위해, 연료 유동 조정기(143)를 제어할 수 있을 것이다. 연료 전지 시스템(200)은, 연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 전류(I)를 측정하기 위한 전류 센서(23), 및 연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 전류(I)를 조정하기 위한 출력 조정 디바이스(24)를 더 포함할 수 있을 것이다. 예를 들어, 출력 조정 디바이스(24)는, DC-DC 컨버터, DC-AC 인버터, 또는 DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터의 조합을 포함할 수 있을 것이다. 전류 센서(23) 및 출력 조정 디바이스(24)는, 양극 방식 컨트롤러(22)와 통신 가능하게 연결될 수 있을 것이다. 전류 센서(23)는, 연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 측정된 전류(I)를 양극 방식 컨트롤러(22)로 전송할 수 있을 것이다. 양극 방식 컨트롤러(22)는, 연료 전지 스택(12)의 모니터링된 전압(VFC)에 응답하여 연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 전류(I)를 조정하기 위해, 출력 조정 디바이스(24)를 제어할 수 있을 것이다.
연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 전류(I)가 사전결정된 양(ΔI)만큼 감소된 이후에, 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)은 그에 따라 증가하게 될 수 있을 것이다. 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)이 사전결정된 전압 임계치(Vth)보다 크거나 또는 그와 동등할 때, 이 시점에, 전류(I)가 사전결정된 양(ΔI)보다 여전히 더 크다면, 양극 방식 컨트롤러(22)는, 아무런 작동도 취하지 않을 수 있으며 그리고, 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)이 사전결정된 전압 임계치(Vth) 아래로 강하할 때까지, 단지 기다릴 수 있을 것이다. 전류(I)가, 사전결정된 양(ΔI)보다 작거나 또는 그와 동등할 때, 양극 방식 컨트롤러(22)는, 전류(I)를 제로(0)가 되도록 설정하기 위해 출력 조정 디바이스(24)를 제어할 수 있을 것이다.
증기 공급 디바이스(161)를 갖는 연료 전지 시스템(200)에서, 증기 유량 조정기(163)는, 양극 방식 컨트롤러(22)와 통신 가능하게 연결될 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)이 사전결정된 전압 임계치(Vth) 아래로 강하할 때마다, 양극 재순환 루프(11)에 공급되는 증기 유량(Q증기)은 일정하게 유지될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 증기 공급 디바이스(161)가 충분한 증기를 공급할 수 있는 경우, 양극 방식 컨트롤러(22)는, 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)이 사전결정된 전압 임계치(Vth) 아래로 강하할 때마다, 양극 재순환 루프(11)에 공급되는 증기 유량(Q증기)을 증가시키기 위해 증기 유량 조정기(163)를 추가로 제어할 수 있을 것이다. 말하자면, 양극 재순환 루프(11) 내의 SCR은, 연료 유량(Q연료)을 감소시키는 것 및 증기 유량(Q증기)을 증가시키는 것 양자 모두에 의해, 사전결정된 SCR 한계(SCRlimit) 위에서 유지될 수 있을 것이다.
연료 전지 시스템(200)은, 온도 센서(25)를 더 포함할 수 있을 것이다. 온도 센서(25)는, 양극 방식 컨트롤러(22)와 통신 가능하게 연결될 수 있을 것이다. 온도 센서(25)는, 연료 전지 스택(12)의 온도(Tstack), 그리고 양극 재순환 루프(11) 내의 최저 온도(Tmin) 및 최고 온도(Tmax)를 측정할 수 있으며, 그리고 측정된 온도들(Tstack, Tmin 및 Tmax)을 양극 방식 컨트롤러(22)로 전송할 수 있을 것이다.
도 2로 돌아가서, 연료 전지 시스템(200)은, 양극 배기 밸브(26) 및 압력 센서(27)를 더 포함할 수 있을 것이다. 양극 배기 밸브(26) 및 압력 센서(27)는, 양극 방식 컨트롤러(22)와 통신 가능하게 연결될 수 있을 것이다. 압력 센서(27)는, 양극(121) 내의 압력(PA) 및 음극(122) 내의 압력(PC)을 측정할 수 있으며, 그리고 측정된 압력들(PA, PC)을 양극 방식 컨트롤러(22)로 전송할 수 있을 것이다. 양극 방식 컨트롤러(22)는, 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)이 사전결정된 전압 임계치(Vth) 아래로 떨어질 때마다, 양극(121)과 음극(122) 사이의 압력 차를 사전결정된 압력 범위 내에서 유지하기 위해, 양극 배기 밸브(26)를 추가로 제어할 수 있을 것이다. 예를 들어, 사전결정된 압력 범위는 3kpa 초과일 수 있을 것이다.
도 2를 참조하면, 양극 방식 컨트롤러(22)는, 증기 대 탄소 비율(SCR) 모델(220)을 포함할 수 있을 것이다. 양극 방식 컨트롤러(22)는, 감소된 전류에 따라 SCR 모델(220)로부터 감소된 연료 유량 요구를 결정할 수 있으며 그리고, 감소된 연료 유량 요구에 응답하여 연료 유량(Q연료)을 감소시키기 위해 연료 유동 조정기(143)를 제어할 수 있을 것이다. SCR 모델(220)은, 일람표, 선형 방정식, 비선형 방정식들, 컴퓨터 시뮬레이션 도구 모음, 등일 수 있을 것이다.
SCR 모델(220)은, 양극 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량(Q연료), 양극 재순환 루프(11)에 공급되는 증기 유량(Q증기), 연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 전류(I), 및 연료 전지 스택(12)의 온도(Tstack)로부터, 양극 재순환 루프(11) 내의 SCR을 맵핑(mapping)하는 관계를 정의할 수 있을 것이다. 도 3을 참조하면, SCR 모델(220) 내에서, 양극 재순환 루프(11)에 공급되는 증기 유량(Q증기), 연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 전류(I), 및 연료 전지 스택(12)의 온도(Tstack), 및 양극 재순환 루프(11) 내의 SCR은, SCR 모델(220)의 입력 변수들로서 사용될 수 있으며, 그리고 양극 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량(Q연료)은, SCR 모델(220)의 출력 변수로서 사용될 수 있을 것이다. 이러한 실시예에서, SCR 모델(220)은, 증기 유량계(162)로부터 측정되는 증기 유량(Q증기), 전류 센서(23)로부터 측정되는 감소된 전류, 온도 센서(25)로부터 측정되는 연료 전지 스택(12)의 온도(Tstack), 및 사전결정된 SCR 한계(SCRlimit)를 수신하며, 그리고 감소된 연료 유량 요구를 출력한다.
SCR 모델 예측
이후에, SCR 모델(220)에서의 파라미터 관련성 예측이, 연료의 예시적인 예로서 메탄(CH4)을 취하여 그리고 도 4를 함께 참조하면 연료 전지 스택(12)의 개수가 4개인 조건에 관해, 상세하게 주어질 것이다.
제1 케이스에서, 연료 전지 스택(12)의 온도, Tstack < 500℃ 인 경우, SCR 모델(220)에서의 증기 대 탄소 비율(SCR) 방정식은, 다음과 같이 획득될 수 있다:
SCR = 1.2444 × QH2O/(QCH4 + eps) (4)
이상의 방정식 (4)에서, SCR은, 양극 재순환 루프(11) 내의 증기 대 탄소 비율을 나타내고, QH2O는, 양극 재순환 루프(11)에 공급되는 증기 유량을 분당 그램(g/min)의 단위로 나타내며, QCH4는 양극 재순환 루프(11)에 제공되는 메탄 유량을 표준 분당 리터(slpm)의 단위로 나타내며, 그리고 eps는, 방정식 (4)의 분모가 제로(0)가 되는 것을 회피할 목적의 매우 작은 값, 예를 들어 0.0001을 나타낸다.
제2 케이스에서, 연료 전지 스택(12)의 온도, Tstack > 500℃ 이며 그리고, 연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 전류, I = 0 및 양극 재순환 루프(11)에 공급되는 증기 유량, QH2O > 0 인 경우, SCR 모델(220)에서의 증기 대 탄소 비율(SCR) 방정식은, 다음과 같이 획득될 수 있다:
SCR = 4.86 + 0.0413×QH2O - 0.0993×QCH4 - 0.00267×Tstack - 0.00018×QCH4×QH2O + 0.000432×QCH4×QCH4 (5)
제3 케이스에서, 연료 전지 스택(12)의 온도, Tstack > 500℃ 이며 그리고, 연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 전류, I > 0 및 양극 재순환 루프(11)에 공급되는 증기 유량, QH2O > 0 인 경우, SCR 모델(220)에서의 증기 대 탄소 비율(SCR) 방정식은, 다음과 같이 획득될 수 있다:
SCR = -6.47 + 14.7×UFsys + 3.8×QH2O/QCH4 (6)
Figure pat00001
(7)
F = 96485C/mol (8)
이상의 방정식 (6) 내지 (8) 에서, UFsys 는, 연료 전지 시스템(200)의 연료 활용도를 나타내며, Ii 는, i번째 연료 전지 스택으로부터 인출되는 전류를 나타내고, Ni 는 i번째 연료 전지 스택 내의 연료 전지들의 개수를 나타내며, 그리고 F 는 패러데이 상수를 나타낸다.
제4 케이스에서, 연료 전지 스택(12)의 온도, Tstack > 500℃ 이며 그리고, 연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 전류, I > 0 및 양극 재순환 루프(11)에 공급되는 증기 유량, QH2O = 0 인 경우, SCR 모델(220)에서의 증기 대 탄소 비율(SCR) 방정식은, 다음과 같이 획득될 수 있다:
SCR = -8.98 + 19.1×UFsys (9)
따라서, 양극 재순환 루프(11)에 공급되는 증기 유량(QH2O), 모든 연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 감소된 전류, 및 연료 전지 스택(12)의 온도(Tstack)가 측정되며, 그리고 SCR 한계(SCRlimit)가 사전결정되는 한, 감소된 연료 유량 요구가, 이상의 방정식들에 따라 용이하게 결정될 수 있을 것이다.
도 4의 두 점선을 참조하면, 이상의 방정식들의 유효성이, 고충실도 제1 원리 컴퓨터 모델에 대한 비교 테스트들에 의해 입증될 수 있다. 도 4에서, 하나의 점선은, 제1 케이스 내지 제 4케이스에 대해 고충실도 제1 원리 컴퓨터 모델로부터 시뮬레이션된 양극 재순환 루프(11) 내의 SCR들을 나타내며, 그리고 다른 하나의 점선은, 제1 케이스 내지 제 4케이스에 대해 이상의 방정식 (4) 내지 방정식 (9)로부터 예측되는 양극 재순환 루프(11) 내의 SCR들을 나타낸다. 이상의 방정식 (4) 내지 방정식 (9)로부터의 예측이, 제1 케이스 내지 제 4케이스에 대한 고충실도 제1 원리 컴퓨터 모델로부터의 시뮬레이션과 잘 맞을 수 있다는 것을, 비교 결과가 지시한다는 것이, 도 4로부터 확인될 수 있다.
비록 이상의 방정식들은, 연료로서 CH4를 사용하여 획득되지만, 많은 테스트 데이터를 통해, 다른 연료들에 대해, 파라미터들 중 단지 일부가, 이상의 방정식들에서 수정되기만 하면 되며, 그리고 SCR 모델(220)의 전체 뼈대는 여전히 유지될 것이다. 따라서, SCR 모델(220)은 뒤따르는 일반적인 파라미터 관계들을 적어도 포함할 수 있다고, 결론낼 수 있다.
연료 전지 스택(12)의 온도(Tstack)가 사전결정된 온도보다 낮을 때, SCR 모델(220)에서 양극 재순환 루프(11) 내의 SCR은, 양극 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량(Q연료) 및 양극 재순환 루프(11)에 공급되는 증기 유량(Q증기)과 연관된다.
연료 전지 스택(12)의 온도(Tstack)가 사전결정된 온도보다 높을 때, 연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 전류(I)가 제로이며 그리고 양극 재순환 루프(11)에 공급되는 증기 유량(Q증기)이 제로보다 더 큰 경우, SCR 모델(220)에서 양극 재순환 루프(11) 내의 SCR은, 양극 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량(Q연료), 양극 재순환 루프(11)에 공급되는 증기 유량(Q증기), 및 연료 전지 스택(12)의 온도(Tstack)와 연관된다.
연료 전지 스택(12)의 온도(Tstack)가 사전결정된 온도보다 높을 때, 연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 전류(I)가 제로보다 더 크며 그리고 양극 재순환 루프(11)에 공급되는 증기 유량(Q증기)이 제로보다 더 큰 경우, SCR 모델(220)에서 양극 재순환 루프(11) 내의 SCR은, 양극 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량(Q연료), 양극 재순환 루프(11)에 공급되는 증기 유량(Q증기), 및 연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 전류(I)와 연관된다.
연료 전지 스택(12)의 온도(Tstack)가 사전결정된 온도보다 높을 때, 연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 전류(I)가 제로보다 더 크며 그리고 양극 재순환 루프(11)에 공급되는 증기 유량(Q증기)이 제로인 경우, SCR 모델(220)에서 양극 재순환 루프(11) 내의 SCR은, 양극 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량(Q연료) 및 연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 전류(I)와 연관된다.
연료 전지 시스템을 위한 정지 방법
도 5는, 본 개시의 실시예에 따른, 연료 전지 시스템(200)에 대한 정지 방법의 전반부의 흐름도를 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 블록(B51)에서, 연료 전지 시스템(200)의 작동 도중에, 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)이, 예를 들어 전압 모니터링 디바이스(21)를 사용함에 의해, 실시간으로 모니터링될 수 있을 것이다. 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)은, 연료 전지 스택(12)의 양극(121)의 건전성 상태를 지시할 수 있을 것이다.
연료 전지 스택(12)의 양극(121)이 산화를 일으킬 것임을 의미하는, 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)이 사전결정된 전압 임계치(Vth) 아래로 강하할 때마다, 프로세스는, 블록(B52)으로 갈 수 있을 것이다. 사전결정된 전압 임계치(Vth)는, 작동 마진을 동반하는 니켈-니켈 산화물 평형점일 수 있을 것이다. 예를 들어, 사전결정된 전압 임계치(Vth)는, 0.55V 내지 0.65V의 범위일 수 있을 것이다.
연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)이 사전결정된 전압 임계치(Vth) 아래로 강하할 때마다, 연료 전지 스택(12)의 음극(122)에 제공되는 공기의 공기 유량(Q공기)이, 일정하게 유지될 수 있을 것이다.
블록(B52)에서, 연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 전류(I)가, 사전결정된 양(ΔI)만큼, 예를 들어 5A만큼 감소될 것이며, 그리고 이어서 프로세스는, 블록(B53)으로 갈 것이다.
블록(B53)에서, 양극 재순환 루프(11)에 제공되는 연료의 연료 유량(Q연료)이, 사전결정된 증기 대 탄소 비율(SCR) 한계(SCRlimit) 위에서 양극 재순환 루프(11) 내의 증기 대 탄소 비율(SCR)을 유지하기 위해, 감소된 전류에 기초하여 상응하게 감소될 수 있을 것이다. 사전결정된 SCR 한계(SCRlimit)는, 2:1 내지 5:1 사이일 수 있을 것이다. 예를 들어, 사전결정된 SCR 한계(SCRlimit)는 2.55일 수 있을 것이다.
예로서, 블록(B54)에서, 증기 대 탄소 비율(SCR) 모델(220)이, 미리 사전 설정될 수 있을 것이다. SCR 모델(220)은, 양극 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량(Q연료), 양극 재순환 루프(11)에 공급되는 증기 유량(Q증기), 연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 전류(I), 및 연료 전지 스택(12)의 온도(Tstack)로부터, 양극 재순환 루프(11) 내의 SCR을 맵핑(mapping)하는 관계를 정의할 수 있을 것이다. 블록(B53)에서, 감소된 연료 유량 요구가, 감소된 전류에 따른 블록(B54)에서의 SCR 모델(220)로부터 처음으로 결정될 수 있으며, 그리고 이어서 연료 유량(Q연료)이, 감소된 연료 유량 요구에 따라 상응하게 조정될 수 있을 것이다.
연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)이 사전결정된 전압 임계치(Vth) 아래로 강하할 때마다, 양극 재순환 루프(11)에 공급되는 증기 유량(Q증기)은 일정하게 유지될 수 있을 것이다. 충분한 증기 공급을 동반하는 선택적인 실시예에서, 양극 재순환 루프(11)에 공급되는 증기 유량(Q증기)은 또한, 증가될 수 있을 것이다. 이러한 환경 하에서, 블록(B53)은, 연료 유량(Q연료)을 감소시키는 것 및 증기 유량(Q증기)을 증가시키는 것 양자 모두에 의해, 사전결정된 SCR 한계(SCRlimit) 위에서 양극 재순환 루프(11) 내의 SCR을 유지할 수 있을 것이다.
부가적으로, 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)이 사전결정된 전압 임계치(Vth) 아래로 강하할 때마다, 양극(121)과 음극(122) 사이의 압력차가, 사전결정된 압력 범위 내에서, 예를 들어 3kpa를 초과하여, 유지될 수 있을 것이다.
연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 전류(I)가 사전결정된 양(ΔI)만큼 감소된 이후에, 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)은 상응하게 증가될 수 있으며 그리고, 프로세스는 이어서, 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)이 여전히 사전결정된 전압 임계치(Vth) 아래에 있는지를 결정하기 위해, 블록(B55)으로 갈 수 있을 것이다. 결정된 결과가 '예'인 경우, 프로세스는, 블록(B52)으로 복귀할 것이다. 말하자면, 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)이 여전히 사전결정된 전압 임계치(Vth) 아래에 놓일 때, 블록(B52) 및 블록(B53)이, 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)이 사전결정된 전압 임계치(Vth)보다 더 크거나 또는 그와 동등할 때까지, 반복될 수 있을 것이다. 결정된 결과가 '아니오'인 경우, 프로세스는, 블록(B56)으로 갈 것이다.
블록(B56)은, 연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 전류(I)가 사전결정된 양(ΔI)보다 적거나 또는 그와 동등한지를 결정할 수 있을 것이다. 전류(I)가 여전히 사전결정된 양(ΔI)보다 더 클 때, 프로세스는, 블록(B55)으로 복귀할 것이며 그리고, 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)이 사전결정된 전압 임계치(Vth) 아래로 강하할 때까지, 계속 대기할 것이다. 전류(I)가 사전결정된 양(ΔI)보다 적거나 또는 그와 동등할 때, 프로세스는, 블록(B57)으로 갈 것이다.
블록(B57)에서, 연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 전류(I)는, 직접적으로 제로로 설정될 수 있을 것이다.
도 6은, 본 개시의 실시예에 따른, 연료 전지 시스템(200)에 대한 정지 방법의 후반부의 흐름도를 도시한다. 이후에, 전류(I)가 제로가 되도록 감소된 이후의 연료 전지 시스템(200)의 후속 정지 작동이, 도 6을 참조하여 상세하게 설명될 것이다.
도 6의 블록(B61)에서, 양극 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량(Q연료)은, 양극 재순환 루프(11)에 제공되는 증기 유량(Q증기)의 5퍼센트(5%)가 되도록 설정될 수 있으며, 그리고 프로세스는 이어서, 블록(B62)으로 갈 것이다.
블록(B62)은, 양극 재순환 루프(11)에서 측정되는 최저 온도(Tmin)가 150℃ 보다 낮은지를 결정할 수 있을 것이다. 결정된 결과가 '예'인 경우, 프로세스는, 블록(B63)으로 갈 것이다. 결정된 결과가 '아니오'인 경우, 프로세스는, 블록(B62)으로 복귀할 것이며 그리고, 양극 재순환 루프(11)에서의 최저 온도(Tmin)가 150℃ 보다 낮을 때까지, 계속 대기할 것이다.
블록(B63)에서, 양극 재순환 루프(11)에 제공되는 연료 유량(Q연료) 및 증기 유량(Q증기)이 차단될 것이며, 그리고 프로세스는 이어서, 블록(B64)으로 갈 것이다.
블록(B64)에서, 양극 재순환 루프(11)는 안전 가스를, 예를 들어 질소(N2)를, 사용하여 청소될 것이며 그리고, 프로세스는 이어서, 블록(B65)으로 갈 것이다.
블록(B65)은, 양극 재순환 루프(11)에서 측정되는 최고 온도(Tmax)가 50℃ 보다 낮은지를 결정할 수 있을 것이다. 결정된 결과가 '아니오'인 경우, 프로세스는, 블록(B65)으로 복귀할 것이며 그리고, 양극 재순환 루프(11)에서의 최고 온도(Tmax)가 50℃ 보다 낮을 때까지, 계속 대기할 것이다. 양극 재순환 루프(11)에서 측정되는 최고 온도(Tmax)가 50℃ 보다 낮을 때, 프로세스는, 블록(B66)으로 갈 것이다.
블록(B66)에서, 연료 전지 스택(12)의 음극(122)에 제공되는 공기 유량(Q공기)이 차단되며, 그리고 연료 전지 시스템(200)이 오프 라인 상태에 놓인다.
도 7은, 본 개시의 구현 케이스에 따른, 정지 방법의 효과도를 도시한다. 도 7에서, X 축은 시간 단위이며 그리고 Y 축은 상이한 곡선들(①, ②, ③, ④, ⑤)에 대해 상이한 단위를 갖는다. 곡선(①)은, 양극 재순환 루프에 공급되는 증기 유량을 slpm(표준 분당 리터) 단위로 나타낸다. 이러한 구현 케이스에서, 증기 유량은, 증기 라인 내의 관 막힘으로 인해 제한되며, 이는, 증기 유량이 정지 프로세스 도중에 증가될 수 없다는 것을 의미한다. 곡선(②)은, 양극 재순환 루프에 제공되는 천연가스(NG) 유량을 slpm 단위로 나타내며, 그리고, 도 7에서, NG 유량의 절반을 의미하는 "NG 유량/2"이, 디스플레이 목적으로 NG 유량 곡선을 보여주기 위해 사용된다. 곡선(③)은, 연료 전지 스택으로부터 인출되는 전류를 암페어 단위로 나타낸다. 곡선(④)은, 연료 전지 스택의 온도를 섭씨온도 단위로 나타내며, 그리고 도 7에서, 연료 전지 스택의 온도 판독값의 1/10을 의미하는 "스택 T/10"가, 디스플레이 목적으로 연료 전지 스택의 온도 곡선을 보여주기 위해 사용된다. 곡선(⑤)은, 연료 전지 스택의 전압을 볼트 단위로 나타내며, 그리고 도 7에서, 연료 전지 스택의 전압의 100배를 의미하는 "전지 V*100"이, 디스플레이 목적으로 연료 전지 스택의 전압 곡선을 보여주기 위해 사용된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 시점(T0)으로부터 시점(T1)까지, 증기 유량은, 연료 전지 시스템 내의 증기 생성 시스템 고장으로 인해, 일정하게 유지된다. 이러한 환경 하에서, 일단 연료 전지 스택의 전압이, 사전결정된 전압 임계치 아래로, 예를 들어 이러한 구현 케이스에서 0.65V 아래로, 내려가면, 연료 전지 스택으로부터 인출되는 전류는, 단계적으로 떨어진다. 전류의 감소와 더불어, 연료 전지 스택의 전압은 증가된다. 연료 전지 스택의 양극 내의 탄소 침착을 방지하기 위해, NG 유량이 그에 따라, 양극 재순환 루프 내의 SCR을 사전결정된 SCR 한계보다 더 높게, 이러한 구현 케이스에서 예를 들어 2.5 보다 더 높게, 유지하도록, 감소된 전류에 뒤이어 감소한다. 전류 및 NG 유량이 떨어짐에 따라, 연료 전지 스택의 온도는 점진적으로 떨어진다. 시간이 시점(T1)에 도달할 때, NG 유량은, 양극 챔버 내의 환원 환경을 유지하기 위해, 사전결정된 최소 NG 유량에서 유지된다. 시점(T2)에서, 연료 전지 스택으로부터 인출되는 전류가, 사전결정된 양보다, 예를 들어 이러한 구현 케이스에서 5A 보다, 작거나 또는 그와 동등할 때, 전류는 직접적으로 제로로 설정된다.
본 개시의 정지 방법은, 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)을 실시간으로 모니터링할 수 있으며, 그리고 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)이 사전결정된 전압 임계치(Vth) 아래로 강하할 때마다, 사전결정된 전압 임계치(Vth) 위에서 연료 전지 스택(12)의 전압(VFC)을 유지하도록 하기 위해, 연료 전지 스택(12)으로부터 인출되는 전류(I)를 사전결정된 양(ΔI)만큼 감소시킬 수 있으며, 그리고 연료 유량(Q연료)을, 양극 재순환 루프(11) 내의 SCR을 제어하기 위해 감소된 전류에 기초하여, 그에 대응하게 감소시킬 수 있을 것이다. 본 개시의 정지 방법은, 연료 전지 스택(12)의 양극(121)을 산화로부터 효과적으로 보호할 수 있고, 정지 도중의 탄소 침착을 효과적으로 방지할 수 있으며, 그리고 연료 전지 시스템(200)이 임의의 부가적인 환원 가스 공급 없이 낮은 운영 비용을 갖는 것을 가능하게 한다.
본 개시의 실시예들에 따른 연료 전지 시스템(200)을 위한 정지 방법의 단계들이, 기능적 블록들로 예시되었지만, 도 5 및 도 6에 도시된 여러 블록들 사이에서 블록들의 순서 및 단계들의 분리가 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 예를 들어, 블록들은 상이한 순서로 실행될 수 있으며 그리고 하나의 블록과 연관되는 단계가 하나 이상의 다른 단계와 조합되거나 또는 복수의 블록으로 다시 분할될 수 있을 것이다.
본 개시는 전형적인 실시예로 예시되고 설명되었지만, 다양한 수정들 및 치환들이 본 개시의 사상으로부터 어떠한 방식으로든 벗어남 없이 이루어질 수 있기 때문에, 보여지는 세부 사항으로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 그에 따라, 여기에 개시되는 본 개시의 추가적인 수정들 및 균등물들이, 단지 통상적인 실험을 사용하여 당업자에게 발생할 수 있으며, 모든 그러한 수정들 및 균등물들은, 뒤따르는 청구항들에 의해 한정되는 본 개시의 사상 및 범위 이내에 놓이는 것으로 믿어진다.

Claims (20)

  1. 연료 전지 시스템으로서:
    양극 재순환 루프로서, 전력 생성을 위해 구성되며 그리고 양극 및 음극을 구비하는, 연료 전지 스택을 포함하는 것인, 양극 재순환 루프;
    양극 재순환 루프에 연료를 제공하기 위한 연료 공급 디바이스;
    연료 전지 스택의 음극에 공기를 제공하기 위한 공기 공급 디바이스;
    연료 전지 스택의 전압을 모니터링하기 위한 전압 모니터링 디바이스; 및
    양극 방식 컨트롤러로서, 연료 전지 스택의 전압이 사전결정된 전압 임계치 아래로 강하할 때마다, 연료 전지 스택으로부터 인출되는 전류를 사전결정된 양만큼 감소시키며 그리고, 양극 재순환 루프 내의 증기 대 탄소 비율을 사전결정된 증기 대 탄소 비율 한계 위에서 유지하도록 하기 위해, 양극 재순환 루프에 제공되는 연료의 연료 유량을 감소된 전류에 기초하여 감소시키는 것인, 양극 방식 컨트롤러
    를 포함하는 것인, 연료 전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    연료 전지 스택의 전압이 사전결정된 전압 임계치보다 더 크거나 또는 그와 동등할 때, 양극 방식 컨트롤러는, 전류가 사전결정된 양보다 여전히 더 큰 경우, 연료 전지 스택의 전압이 사전결정된 전압 임계치 아래로 강하할 때까지 대기하며 그리고, 전류가 사전결정된 양보다 작거나 또는 그와 동등한 경우, 전류를 제로로 설정하는 것인, 연료 전지 시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    양극 재순환 루프에 연료 개질용 증기를 공급하기 위한 증기 공급 디바이스를 더 포함하는 것인, 연료 전지 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    양극 방식 컨트롤러는 추가로, 연료 전지 스택의 전압이 사전결정된 전압 임계치 아래로 강하할 때마다, 양극 재순환 루프에 공급되는 증기의 증기 유량을 증가시키는 것인, 연료 전지 시스템.
  5. 제 3항에 있어서,
    양극 방식 컨트롤러는, 증기 대 탄소 비율 모델로서, 상기 양극 방식 컨트롤러가 감소된 전류에 따라 상기 증기 대 탄소 비율 모델로부터 감소된 연료 유량 요구를 결정하는 것인, 증기 대 탄소 비율 모델을 포함하는 것인, 연료 전지 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 증기 대 탄소 비율 모델은, 양극 재순환 루프에 제공되는 연료 유량, 양극 재순환 루프에 공급되는 증기 유량, 연료 전지 스택으로부터 인출되는 전류, 및 연료 전지 스택의 온도로부터, 양극 재순환 루프 내의 증기 대 탄소 비율을 맵핑하는 관계를 정의하는 것인, 연료 전지 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    연료 전지 스택의 온도가 사전결정된 온도보다 높을 때, 연료 전지 스택으로부터 인출되는 전류가 제로보다 더 크며 그리고 양극 재순환 루프에 공급되는 증기 유량이 제로인 경우, 증기 대 탄소 비율 모델에서 양극 재순환 루프 내의 증기 대 탄소 비율은, 양극 재순환 루프에 제공되는 연료 유량 및 연료 전지 스택으로부터 인출되는 전류와 연관되는 것인, 연료 전지 시스템.
  8. 제 6항에 있어서,
    연료 전지 스택의 온도가 사전결정된 온도보다 높을 때, 연료 전지 스택으로부터 인출되는 전류가 제로보다 더 크며 그리고 양극 재순환 루프에 공급되는 증기 유량이 제로보다 더 큰 경우, 증기 대 탄소 비율 모델에서 양극 재순환 루프 내의 증기 대 탄소 비율은, 양극 재순환 루프에 제공되는 연료 유량, 양극 재순환 루프에 공급되는 증기 유량, 및 연료 전지 스택으로부터 인출되는 전류와 연관되는 것인, 연료 전지 시스템.
  9. 제 6항에 있어서,
    연료 전지 스택의 온도가 사전결정된 온도보다 높을 때, 연료 전지 스택으로부터 인출되는 전류가 제로이며 그리고 양극 재순환 루프에 공급되는 증기 유량이 제로보다 더 큰 경우, 증기 대 탄소 비율 모델에서 양극 재순환 루프 내의 증기 대 탄소 비율은, 양극 재순환 루프에 제공되는 연료 유량, 양극 재순환 루프에 공급되는 증기 유량, 및 연료 전지 스택의 온도와 연관되는 것인, 연료 전지 시스템.
  10. 제 6항에 있어서,
    연료 전지 스택의 온도가 사전결정된 온도보다 낮을 때, 증기 대 탄소 비율 모델에서 양극 재순환 루프 내의 증기 대 탄소 비율은, 양극 재순환 루프에 제공되는 연료 유량 및 양극 재순환 루프에 공급되는 증기 유량과 연관되는 것인, 연료 전지 시스템.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    양극 방식 컨트롤러는 추가로, 연료 전지 스택의 전압이 사전결정된 전압 임계치 아래로 강하할 때마다, 양극과 음극 사이의 압력차를 사전결정된 압력 범위에서 유지하는 것인, 연료 전지 시스템.
  12. 제 1항에 있어서,
    연료 전지 스택의 양극은, 양극 유입구 및 양극 배출구를 구비하며, 그리고
    양극 재순환 루프는, 연료 및 연료 전지 스택의 양극 배출구로부터의 테일 가스를 수용하기 위한 그리고 개질체를 생성하기 위한, 연료 개질기를 더 포함하고, 상기 개질체의 적어도 일부분은, 연료 전지 스택의 양극 유입구로 복귀하게 되는 것인, 연료 전지 시스템.
  13. 전력을 생성하기 위한 연료 전지 스택을 구비하는 양극 재순환 루프를 포함하는, 연료 전지 시스템을 위한 정지 방법으로서:
    연료 전지 스택의 전압을 모니터링하는 것;
    연료 전지 스택의 전압이 사전결정된 전압 임계치 아래로 강하할 때마다, 연료 전지 스택으로부터 인출되는 전류를 사전결정된 양만큼 감소시키는 것; 및
    사전결정된 증기 대 탄소 비율 한계 위에서 양극 재순환 루프 내의 증기 대 탄소 비율을 유지하기 위해, 양극 재순환 루프에 제공되는 연료의 연료 유량을, 감소된 전류에 기초하여 감소시키는 것
    을 포함하는 것인, 연료 전지 시스템 정지 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    연료 전지 스택의 전압이 사전결정된 전압 임계치보다 더 크거나 또는 그와 동등할 때, 전류가 사전결정된 양보다 여전히 더 큰 경우, 연료 전지 스택의 전압이 사전결정된 전압 임계치 아래로 강하할 때까지 대기하는 것; 및
    전류가 사전결정된 양보다 작거나 또는 그와 동등한 경우, 전류를 제로로 설정하는 것을 더 포함하는 것인, 연료 전지 시스템 정지 방법.
  15. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,
    연료 전지 스택의 전압이 사전결정된 전압 임계치 아래로 강하할 때마다, 연료 전지 스택의 음극에 제공되는 공기의 공기 유량을 일정하게 유지하는 것을 더 포함하는 것인, 연료 전지 시스템 정지 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    연료 전지 스택의 전압이 사전결정된 전압 임계치 아래로 강하할 때마다, 양극 재순환 루프에 공급되는 증기의 증기 유량을 일정하게 유지하는 것을 더 포함하는 것인, 연료 전지 시스템 정지 방법.
  17. 제 15항에 있어서,
    연료 전지 스택의 전압이 사전결정된 전압 임계치 아래로 강하할 때마다, 양극 재순환 루프에 공급되는 증기의 증기 유량을 증가시키는 것을 더 포함하는 것인, 연료 전지 시스템 정지 방법.
  18. 제 15항에 있어서,
    증기 대 탄소 비율 모델을 사전-설정하는 것, 및
    감소된 전류에 따라 상기 증기 대 탄소 비율 모델로부터 감소된 연료 유량 요구를 결정하는 것
    을 더 포함하는 것인, 연료 전지 시스템 정지 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 증기 대 탄소 비율 모델은, 양극 재순환 루프에 제공되는 연료의 연료 유량, 양극 재순환 루프에 공급되는 증기의 증기 유량, 연료 전지 스택으로부터 인출되는 전류, 및 연료 전지 스택의 온도로부터, 양극 재순환 루프 내의 증기 대 탄소 비율을 맵핑하는 관계를 정의하는 것인, 연료 전지 시스템 정지 방법.
  20. 제 15항에 있어서,
    연료 전지 스택의 전압이 사전결정된 전압 임계치 아래로 강하할 때마다, 연료 전지 스택의 양극과 음극 사이의 압력차를 사전결정된 압력 범위에서 유지하는 것을 더 포함하는 것인, 연료 전지 시스템 정지 방법.
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