KR20190054996A - 연료 전지 스택 온도의 제어 시스템 및 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 다양한 실시 예들은 연료 전지 스택에서 목적하는 온도를 유지하기 위해 연료 전지 시스템을 통해 산화제의 흐름을 조절하도록 구성된 연료 전지 시스템을 제공한다. 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택의 외부에서 유체의 온도 측정에 기초하여 연료 전지 스택에서 목적하는 온도를 유지하도록 산화제의 흐름을 제어하도록 구성된다.
Description
본 출원은 "연료 전지 스택 온도의 제어를 위한 시스템 및 방법"이란 발명의 명칭으로 2017년 11월 13일자 출원한 미국 특허 출원 제15/811,281호(도켓 번호: G3541-00228/FCA11905, 발명자: Michele Bozzolo, Francesco Caratozzolo, David Silveira Erel 및 Alberto Traverso); 및 "연료 전지 스택 온도의 제어를 위한 시스템 및 방법"이라는 발명의 명칭으로 2017년 11월 13일자 출원한 미국 특허 출원 제15/811,290호(도켓 번호: G3541-00289/FCA12018, 발명자: Michele Bozzolo, Francesco Caratozzolo, David Silveira Erel 및 Alberto Traverso)로서 확인된 동시 출원되어 함께 계류 중인 출원들과 관련되어 있다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 연료 전지 스택의 온도를 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 연료를 산화시켜 전기를 생산하는 전기 화학적 변환 장치이다. 연료 전지는 전형적으로 애노드, 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이의 전해질을 포함한다. 연료 전지 시스템은 일반적으로 상호 연결부를 통해 직렬로 서로 전기적으로 연결된 다수의 연료 전지(때로는 집합적으로 "연료 전지 유닛"으로 지칭함) 및 연료 전지의 애노드에 연료를 제공하고 연료 전지의 캐소드에 산화제를 제공하도록 구성된 몇 개의 구성 요소들을 포함한다. 산화제에서 산소는 전해질을 통해 애노드로 확산하는 산소 이온으로 캐소드에서 환원된다. 연료는 애노드에서 산화되어 전기 부하를 통해 흐르는 전자를 생성한다.
고체 산화물 연료 전지 시스템(SOFC System; Solid Oxide Fuel Cell System) (및 다른 고온 연료 전지 시스템)은 낮은 내부 전기 저항을 유지하고 최적의 성능을 달성하기 위해 1,000 ℃와 같은 비교적 높은 작동 온도를 필요로 한다. 따라서, 연료 전지 스택에서 원하는 온도를 유지하도록 고온 연료 전지 시스템을 제어하기 위한 시스템 및 방법이 필요하다.
본 발명의 다양한 실시 예는 연료 전지 시스템에서 목적하는 온도를 유지하기 위해 연료 전지 시스템을 통한 산화제의 흐름을 조절하도록 구성된 연료 전지 시스템을 제공한다. 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택 외부의 유체의 온도 측정에 기초하여 연료 전지 스택에서 목적하는 온도를 유지하기 위하여 산화제의 흐름을 제어하도록 구성된다.
연료 전지 시스템을 작동시키는 방법은 제 1 온도 센서에 의해, 캐소드 이젝터의 상류 및 연료 전지 스택의 하류에서 산화제의 제 1 온도를 측정하는 단계; 제 2 온도 센서에 의해, 연소기의 하류에서 연소 부산물의 제 2 온도를 측정하는 단계; 제어기에 의해, 제 1 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 1 온도 간의 차이를 결정하는 단계; 상기 제어기에 의해, 상기 제 1 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 1 온도 간의 차이에 기초하여 제 2 온도 설정 지점을 결정하는 단계; 상기 제어기에 의해, 상기 제 2 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 2 온도 간의 차이를 결정하는 단계; 및 제어기에 의해,(1) 제 1 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 1 온도 간의 차이 및 (2) 제 2 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 2 온도 간의 차이를 감소시키기 위해 연료 전지 시스템을 통해 산화제의 질량 유속을 제어하는 단계를 포함한다.
일부 실시 예들에서, 연료 전지 시스템 내로의 산화제의 질량 유속을 제어하는 단계는 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어하는 것을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 산화제 흐름 제어 장치는 터보 발전기를 포함하고, 여기서 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어하는 것은 터보 발전기의 회전 속도를 제어하는 것을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 상기 방법은 제어기에 의해 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이에 기초하여 산화제 흐름 제어 장치의 설정 지점을 결정하고, 산화제 흐름 제어 장치의 설정 지점을 이용하여 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어하는 것을 더 포함한다.
일부 실시 예들에서, 제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이를 결정하는 단계는, 제어기의 제 1 비례 - 적분 - 미분 모듈(PID Module; Proportional-Integral-Derivative Module)에 의해, 제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도간의 차이를 결정하는 것을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이에 기초하여 제 2 온도 설정 지점을 결정하는 단계는 제어기의 제 1 PID 모듈에 의해 제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이에 기초하여 제 2 온도 설정 지점을 결정하는 것을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이를 결정하는 단계는, 제어기의 제 2 PID 모듈에 의해, 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이를 결정하는 것을 포함한다.
일부 실시 예들에서, 상기 방법은 상기 제어기의 상기 제 2 PID 모듈에 의해 상기 제 2 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 2 온도 간의 차이에 기초하여 산화제 흐름 제어 장치의 설정 지점을 결정하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시 예들에서, 연료 전지 시스템을 통한 산화제의 질량 유속을 제어하는 단계는 산화제 흐름 제어 장치의 설정 지점을 이용하여 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어하는 것을 포함한다.
연료 전지 시스템은 연료 전지 스택, 캐소드 이젝터, 연소기, 제 1 온도 센서, 제 2 온도 센서 및 제어기를 포함한다. 연료 전지 스택은 애노드 및 캐소드를각각 포함하고 산화제 유입구 및 산화제 유출구를 포함하는 다수의 연료 전지를 포함한다. 캐소드 이젝터는 동기적 유체 유입구, 연료 전지 스택의 산화제 유출구와 유체 연통하는 흡입 유체 유입구 및 연료 전지 스택의 산화제 유입구와 유체 연통하는 유체 유출구를 포함한다. 연소기는 연소 생성물 유입구 및 연소 부산물 유출구를 포함하고, 연소 생성물 유입구는 연료 전지 스택의 산화제 유출구와 유체 연통한다. 제 1 온도 센서는 연료 전지 스택의 산화제 유출구와 캐소드 이젝터의 흡입 유체 유입구 간의 제 1 온도를 감지하도록 구성된다. 제 2 온도 센서는 연소기의 연소 부산물 유출구의 하류에서 제 2 온도를 감지하도록 구성된다. 제어기는 제 1 온도 센서 및 제 2 온도 센서에 통신 가능하게 연결되고, 제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이를 결정하며; 상기 제 1 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 1 온도 간의 차이에 기초하여 제 2 온도 설정 지점을 결정하고; 상기 제 2 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 2 온도 간의 차이를 결정하며; 그리고,(1) 상기 제 1 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 1 온도 간의 차이 및 (2) 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이를 감소시키기 위해 연료 전지 스택, 이젝터 및 연소기를 통해 산화제의 질량 유속을 제어하도록 구성되어 있다.
일부 실시 예들에서, 연료 전지 시스템은 캐소드 이젝터와 유체 연통하여 연료 전지 스택, 이젝터 및 연소기를 통한 산화제의 질량 유속을 제어하는 작동 가능한 산화제 흐름 제어 장치를 더 포함한다. 일부 실시 예들에서, 제어기는 산화제 흐름 제어 장치에 작동 가능하게 연결되고, 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어함으로써, 연료 전지 스택, 이젝터 및 연소기를 통한 산화제의 질량 유속을 제어하도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 산화제 흐름 제어 장치는 터보 발전기를 포함하고, 여기서 제어기는 터보 발전기의 회전 속도를 제어함으로써 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어하도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 제어기는 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이에 기초하여 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점을 결정하고, 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점을 이용하여 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어하도록 구성된다.
일부 실시 예들에서, 제어기는 제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이를 결정하도록 구성된 제 1 비례 - 적분 - 미분 모듈(PID Module; Proportional-Integral-Derivative Module)을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 제 1 PID 모듈은 제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이에 기초하여 제 2 온도 설정 지점을 결정하도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 제어기는 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이를 결정하도록 구성된 제 2 PID 모듈을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 제 2 PID 모듈은 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이에 기초하여 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점을 결정하도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 제어기는 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점을 이용하여 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어함으로써 연료 전지 시스템을 통한 산화제의 질량 유속을 제어하도록 구성된다.
일부 실시 예들에서, 연료 전지 시스템은 캐소드 이젝터의 동기적 유체 유입구와 유체 연통하는 저온 측 및 연소기의 연소 부산물 유출구와 유체 연통하는 고온 측을 갖는 열교환기를 더 포함하며, 여기서 제 2 온도 센서는 연소기의 연소 부산물 유출구의 하류 및 열교환기의 상류에서 제 2 온도를 감지하도록 구성된다.
도 1은 본 발명의 연료 전지 시스템의 일 실시 예의 일부 구성 요소들의 블록도이다.
도 2는 도 1의 연료 전지 시스템의 일부 구성 요소들의 또 다른 블록도이다.
도 3은 셧-다운 모드에서 대기 모드로의 전환 중에 도 1의 연료 전지 시스템의 일부 구성 요소들의 또 다른 블록도이다. 점선은 제어 신호를 나타내는 반면에실선은 유체 흐름 경로를 나타낸다.
도 4는 대기 모드로부터 작동 모드로의 전환 중에 도 1의 연료 전지 시스템의 일부 구성 요소들의 또 다른 블록도이다. 점선은 제어 신호를 나타내며 실선은 유체 흐름 경로를 나타낸다.
도 5는 작동 모드 중에 도 1의 연료 전지 시스템의 일부 구성 요소들의 또 다른 블록도이다. 점선은 제어 신호를 나타내며 실선은 유체 흐름 경로를 나타낸다.
도 6은 대기 모드에서 작동 모드로의 대체적인 전환 중에 도 1의 연료 전지 시스템의 일부 구성 요소들의 또 다른 블록도이다. 점선은 제어 신호를 나타내며 실선은 유체 흐름 경로를 나타낸다.
도 2는 도 1의 연료 전지 시스템의 일부 구성 요소들의 또 다른 블록도이다.
도 3은 셧-다운 모드에서 대기 모드로의 전환 중에 도 1의 연료 전지 시스템의 일부 구성 요소들의 또 다른 블록도이다. 점선은 제어 신호를 나타내는 반면에실선은 유체 흐름 경로를 나타낸다.
도 4는 대기 모드로부터 작동 모드로의 전환 중에 도 1의 연료 전지 시스템의 일부 구성 요소들의 또 다른 블록도이다. 점선은 제어 신호를 나타내며 실선은 유체 흐름 경로를 나타낸다.
도 5는 작동 모드 중에 도 1의 연료 전지 시스템의 일부 구성 요소들의 또 다른 블록도이다. 점선은 제어 신호를 나타내며 실선은 유체 흐름 경로를 나타낸다.
도 6은 대기 모드에서 작동 모드로의 대체적인 전환 중에 도 1의 연료 전지 시스템의 일부 구성 요소들의 또 다른 블록도이다. 점선은 제어 신호를 나타내며 실선은 유체 흐름 경로를 나타낸다.
본 명세서에 설명된 특징, 방법, 장치 및 시스템은 다양한 형태로 구현될 수 있는 반면에, 도면 및 상세한 설명은 일부 예시적인 사항들 및 비 제한적인 실시 예들을 도시하고 기술한다. 도면 및 상세한 설명에 도시되고 설명된 모든 구성 요소들이 요구되는 것은 아니며, 일부 구현 예들은 명시적으로 도시되고 설명된 구성 요소들로부터 추가적이거나 구성요소들과는 다르거나, 또는 더 적은 구성 요소들을 포함할 수 있다. 구성 요소들의 배열 및 유형의 변형; 구성 요소들의 모양, 크기 및 재료; 구성 요소들의 부착 및 연결 방식은 본 명세서에서 설명된 청구 범위의 정신 또는 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 본 명세서는 본원에 교시되고 당업자가 이해하는 본 발명의 원리에 따라 전체적으로 해석되고 해석되도록 의도된다.
본 발명의 다양한 실시 예들은 연료 전지 스택에서 목적하는 온도를 유지하기 위해 연료 전지 시스템을 통해 산화제의 흐름을 조절하도록 구성된 연료 전지 시스템을 제공한다. 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택 외부에서 유체의 온도 측정에 기초하여 연료 전지 스택에서 목적하는 온도를 유지하기 위해 산화제의 흐름을 제어하도록 구성된다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 고체 산화물 연료 전지 시스템(100, SOFC System; Solid Oxide Fuel Cell System) 및 그 구성 요소들의 일례의 실시 예를 도시한다. 본 실시 예에서는 SOFC 시스템이 사용되었지만, 본 발명은 임의의 다른 적절한 연료 전지 시스템으로도 구현될 수 있다. SOFC 시스템(100)은 산화제 열교환기(110), 캐소드 이젝터(112), 산화제 히터(114), SOFC 스택(116), 애노드 이젝터(118), 예비-개질기(120), 개질기(122), 연료 열교환기(124), 보조 이젝터(126), 연소기(128), 산화제 흐름 제어 장치(130), 제어기(132), 제 1 온도 센서(134a), 제 2 온도 센서(134b), 제 3 온도 센서(134c), 연료 흐름 제어 장치(136) 및 보조 연료 흐름 제어 장치(138)를 포함한다.
하기에 상세히 기술되는 바와 같이, SOFC 시스템(100)은 (공기 공급원과 같은) 산화제 공급원(102), (천연 가스 공급원, 액화 석유 가스 또는 바이오 가스와 같은) 연료 공급원(104) 및 (천연 가스, 수소 또는 합성 가스의 공급원과 같은) 보조 연료 공급원(106)을 포함한다. SOFC 시스템(100)은 SOFC 스택(116)이 외부 전기 부하에 공급하는 전기를 생성하기 위하여 산화제 공급원(102)으로부터 산화제를 사용하여 연료 공급원(104)으로부터 연료를 산화시키도록 작동 가능하다. SOFC 시스템(100)은 보조 연료 공급원(106)으로부터의 보조 연료를 사용하여 SOFC 스택(116)으로 흐르는 산화제를 가열하도록 작동 가능하다.
1. 구성 요소들
산화제 열교환기(110)는(1) 서로 유체 연통하는 산화제 유입구 및 산화제 유출구(도시되지 않음)를 갖는 저온 측; 및 (2) 서로 유체 연통하는 연소 부산물 유입구 및 연소 부산물 유출구(도시되지 않음)를 갖는 고온 측을 포함하는 적합한 열교환기이다. 산화제 열교환기(110)는 연소 부산물 유입구로부터 연소 부산물 유출구로의 고온 측을 통해 유동하는 상대적으로 고온의 연소 부산물로부터, 산화제 유입구로부터 산화제 유출구로의 저온 측을 통해 이동하는 상대적으로 차가운 산화제로 열을 전달하도록 구성된다. 산화제 열교환기(110)는 다른 실시 예들에서 임의의 다른 적합한 형태의 열교환기일 수도 있지만, 본 실시 예에서는 역류식 열교환기이다.
캐소드 이젝터(112)는 서로 유체 연통하는 동기적 유체 유입구(112a), 흡입 유체 유입구(112b) 및 유체 유출구(112c)를 포함한다. 캐소드 이젝터(112)는, 상대적으로 고압의 동기적 유체가 동기적 유체 유입구(112a) 내로 도입되고 상대적으로 저압의 흡입 유체가 흡입 유체 유입구(112b)에 존재할 때, 캐소드 이젝터(112)를 통한 동기적 유체의 흐름이 동기적 및 흡입 유체 유입구(112a, 112b)의 하류에서 저압 영역 (특정 경우에는 진공)을 생성하도록 (예를 들어, 수렴/발산 노즐 구조 또는 임의의 다른 적절한 구조의 형태로) 구성된다. 이러한 저압 영역은 흡입 유체 유입구(112b)로부터 흡입 유체를 흡입하고 유체 유출구(112c) 밖으로 유출되기 전에 흡입 유체가 동기적 유체와 혼합하게 한다.
산화제 히터(114)는 서로 유체 연통하는 산화제 유입구 및 산화제 유출구(도시되지 않음)를 포함한다. 산화제 히터(114)는 또한 보조 연료 유입구(도시되지 않음)를 포함한다. 산화제 히터(114)는 (보조 연료 흐름 제어 장치(138)로부터 받은) 보조 연료를 열로 전환시키고, 그 열을 사용하여 산화제 히터(114)와 열교환으로 산화제를 가열하도록 구성된다. 이러한 예에서, 산화제 히터(114)는 가스 버너를 들 수 있지만, 접촉식 가동 버너 또는 전기 히터와 같이 다른 실시 예들에서는 다른 적절한 장치를 사용할 수 있다.
SOFC 스택(116)은 전해질을 사이에 삽입한 애노드 및 캐소드를 각각 포함하는 다수의 개별적인 SOFC들(도시되지 않음)을 포함한다. SOFC들은 상호 연결부를 통해 직렬로 서로 전기적으로 연결되어 있다. SOFC 스택(116)은 서로 유체 연통하는 연료 유입구와 연료 유출구(도시되지 않음) 및 서로 유체 연통하는 산화제 유입구 및 산화제 유출구(도시되지 않음)를 포함한다. SOFC 스택(116)은 또한 전기 부하에 전기적으로 연결 가능하다. 일반적으로, 작동 시, 산화제가 캐소드를 지나 흐르고 연료가 SOFC 스택(116)의 SOFC들의 애노드들을 지나 흐름에 따라, 산화제 내의 산소는 캐소드에서 산소 이온으로 환원되어 전해질을 통해 애노드로 확산된다. 연료는 캐소드에서 산화되어 전기 부하를 통해 흐르는 전자를 생성한다.
애노드 이젝터(118)는 서로 유체 연통하는 동기적 유체 유입구(118a), 흡입 유체 유입구(118b) 및 유체 유출구(118c)를 포함한다. 애노드 이젝터(118)는, 상대적으로 고압의 동기적 유체가 동기적 유체 유입구(118a) 내로 도입되고 비교적 저압의 흡입 유체가 흡입 유체 유입구(118b)에서 존재할 때, 애노드 이젝터(118)를 통한 동기적 유체의 흐름이 동기적 및 흡입 유체 유입구(118a, 118b)의 하류에서 저압 영역(특정 경우에는 진공)을 생성하도록(예를 들어, 수렴/발산 노즐 구조 또는 임의의 다른 적합한 구조의 형태로) 구성된다. 이러한 저압 영역은 흡입 유체 유입구(118b)로부터 흡입 유체를 흡입하여 유체 유출구(118c) 밖으로 유출되기 전에 흡입 유체가 동기적 유체와 혼합하되도록 한다.
예비-개질기(120)는 서로 유체 연통하는 연료 유입구 및 연료 유출구(도시되지 않음)를 포함한다. 예비-개질기(120)는 개질되지 않은 연료로부터 고급 탄화수소를 제거하여 예비-개질된 연료로 전환하도록 구성된 (단열 촉매 전환기와 같은) 적합한 장치이다. 특정 실시 예들에서, 예비-개질기는 연료 및/또는 배출된 산화제에 존재하는 열 이외의 다른 열 유입 없이 그렇게 하도록 구성된다. 다른 실시 예들에서, SOFC 시스템은 예비-개질기를 포함하지 않는다.
개질기(122)는 (1) 서로 유체 연통하는 연료 유입구 및 연료 유출구(도시되지 않음)를 포함하는 저온 측; 및 (2) 서로 유체 연통하는 산화제 유입구 및 산화제 유출구(도시되지 않음)를 포함하는 고온 측을 포함한다. 개질기(122)는 고온 측을 통해 산화제 유입구로부터 산화제 유출구로 유동하는 상대적으로 고온의 산화제로부터, 연료 유입구로부터 연료 유출구로 저온 측을 통해 이동하는 상대적으로 저온의 예비-개질된 연료로 열을 전달하도록 구성된다. 개질기(122)는 이러한 실시 예에서 (부분적으로) 역류식 열교환기이지만, 다른 실시 예에서는 개질기가 임의의 다른 적절한 유형의 열교환기를 포함할 수도 있다. 예비-개질된 연료가 연료 유입구로부터 연료 유출구로 유동함에 따라, 개질기(122)는 개질된 연료로 촉매를 통해 예비-개질된 연료를 개질시키도록 구성된다. 예비-개질된 연료의 가열은 촉매 전환 공정을 보조한다.
연료 열교환기(124)는 (1) 서로 유체 연통하는 연료 유입구 및 연료 유출구(도시되지 않음)를 갖는 저온 측; 및 (2) 서로 유체 연통하는 산화제 유입구 및 산화제 유출구(도시되지 않음)를 갖는 고온 측을 포함한다. 연료 열교환기(124)는 고온 측을 통해 산화제 유입구에서 산화제 유출구로 이동하는 상대적으로 고온의 산화제로부터, 연료 유입구로부터 연료 유출구로 저온 측을 통해 이동하는 상대적으로 저온의 개질된 연료로 열을 전달하도록 구성된다. 연료 열교환기(124)는 이러한 실시 예에서 역류식 열교환기이지만, 연료 열교환기는 다른 실시 예들에서는 임의의 다른 적절한 열교환기일 수 있다.
보조 이젝터(126)는 서로 유체 연통되는 동기적 유체 유입구(126a), 흡입 유체 유입구(126b) 및 유체 유출구(126c)를 포함한다. 보조 이젝터(126)는, 상대적으로 고압의 동기적 유체가 동기적 유체 유입구(126a) 내로 도입되고 상대적으로 저압의 흡입 유체가 흡입 유체 유입구(126b)에서 존재할 때, 보조 이젝터(126)를 통한 동기적 유체의 흐름이 동기적 및 흡입 유체 유입구(126a, 126b)의 하류에서 저압 영역(특정 경우에는 진공)을 생성하도록(예를 들어, 수렴/발산 노즐 구조 또는 임의의 다른 적합한 구조의 형태로) 구성된다. 이러한 저압 영역은 흡입 유체 유입구(126b)로부터 흡입 유체를 흡입하여 유체 유출구(126c) 밖으로 유출되기 전에 흡입 유체가 동기적 유체와 혼합하게 한다.
연소기(128)는 서로 유체 연통하는 연소 생성물 유입구 및 연소 부산물 유출구(도시되지 않음)를 포함한다. 연소기(128)는 (후술하는 보조 이젝터(126)를 통해) (1) SOFC 스택(116)으로부터 배출된 연료; (2) SOFC 스택(116)으로부터 배출된 산화제; 및 산화제 공급기(102)로부터 받은 새로운 산화제의 일부 또는 모두를 수용하여 연소하도록 구성된 (접촉식 가동 가스 연소기와 같은) 적합한 장치이다. 연소기(128) 및 보조 이젝터(126)가 이러한 예시적인 실시 예에서 별도의 구성 요소들로 도시되어 있지만, 다른 실시 예들에서는 연소기 및 보조 이젝터가 단일 구성 요소로 결합된다.
산화제 흐름 제어 장치(130)는 서로 유체 연통하는 산화제 유입구 및 산화제 유출구(도시되지 않음)를 포함한다. 산화제 유입구는 산화제 흐름 제어 장치(130)가 산화제 공급기(102)로부터 산화제를 끌어들일 수 있게 하기 위해 산화제 공급기(102)에 유동적으로 연결 가능하다. 산화제 흐름 제어 장치(130)는 SOFC 시스템내로 산화제의 질량 유속을 (직접 또는 간접적으로) 제어하도록 구성된 임의의 적합한 장치이다. 산화제 흐름 제어 장치(130)는 ,예를 들면, 터보 발전기, 터보 과급기, 공기 압축기, 계량 밸브 또는 임의의 다른 적절한 시스템 또는 구성 요소(들)을 포함 할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제어기(132)는 메모리(도시되지 않음)에 통신 가능하게 연결된 중앙 처리 장치(CPU; Central Processing Unit)(도시되지 않음)를 포함한다. CPU는 SOFC 시스템(100)의 다양한 구성 요소들의 동작을 제어하기 위해 메모리 상에 저장된 프로그램 코드 또는 명령들을 실행하도록 구성된다. CPU는 마이크로프로세서; 컨텐트-어드레서블 메모리(content-addressable memory); 디지털-신호 프로세서; 주문형 집적 회로; 필드-프로그래머블 게이트 어레이; 임의의 적합한 프로그램 가능한 로직 디바이스; 개별 게이트 또는 트랜지스터 로직; 개별 하드웨어 구성 요소; 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. CPU는 또한, 디지털 신호 프로세서 및 디지털 신호 프로세서 코어와 결합한 마이크로프로세서, 복수의 마이크로프로세서 또는 하나 이상의 마이크로프로세서의 조합과 같은 이들 장치의 조합으로서 구현될 수도 있다.
메모리는 SOFC 시스템(100)의 기능을 지원하기 위해 필요에 따라 데이터를 저장, 유지 및 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 다양한 실시 예들에서, 메모리는 CPU에 의해 실행 가능한 프로그램 코드 또는 명령들을 저장하여 SOFC 시스템(100)의 작동을 제어한다. 메모리는 휘발성 메모리(예: 랜덤-액세스 메모리, 동적 랜덤-액세스 메모리 또는 정적 랜덤 액세스-메모리); 비휘발성 메모리(예를 들어, 판독 전용 메모리, 마스크 판독 전용 메모리, 프로그램 가능 판독 전용 메모리, 소거 가능하며 프로그램 가능한 판독 전용 메모리, 전기적으로 소거 가능하며 프로그램 가능한 판독 전용 메모리); 및/또는 비휘발성 랜덤-액세스 메모리(예를 들어, 플래시 메모리, 솔리드-스테이트 스토리지)와 같은 임의의 적합한 데이터 저장 장치 또는 장치들을 포함한다.
도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 제어기(132)는 또한 제 1, 제 2 및 제 3 비례 - 적분 - 미분 모듈들(PID Module, 132a, 132b, 및 132c)을 포함한다.
온도 센서(134a, 134b 및 134c)는 SOFC 시스템(100)(후술함) 내의 위치 T1, T2 및 T3에서 유체 또는 구성 요소들의 온도를 각각 감지하여 감지된 온도에 대응하는 신호들을 생성하고, 제어기(132)에 전송할 수 있도록 구성된 열전쌍들이거나 또는 임의의 다른 적절한 센서들이다.
연료 흐름 제어 장치(136)는 서로 유체 연통하는 연료 유입구 및 연료 유출구(도시하지 않음)를 포함한다. 연료 유입구는 연료 흐름 제어 장치(136)가 연료 공급원(104)으로부터 연료를 끌어들일 수 있게 하기 위해 연료 공급원(104)에 유동적으로 연결 가능하다. 연료 흐름 제어 장치(136)는 SOFC 시스템 내로 연료의 질량 유속을 (직접 또는 간접적으로) 제어하도록 구성된 임의의 적합한 장치이다. 연료 흐름 제어 장치(136)는, 예를 들어, 펌프, 가스 압축기, 계량 밸브 또는 임의의 다른 적합한 시스템 또는 구성 요소(들)을 포함할 수 있다.
보조 연료 흐름 제어 장치(138)는 서로 유체 연통하는 보조 연료 유입구 및 보조 연료 유출구(도시되지 않음)를 포함한다. 보조 연료 유입구는 보조 연료 공급원(106)에 유동적으로 연결되어 보조 연료 흐름 제어 장치(138)가 보조 연료 공급원(106)으로부터 보조 연료를 끌어들이도록 하게 한다. 보조 연료 흐름 제어 장치(138)는 산화제 히터(114) 내로 보조 연료의 질량 유속을 (직접 또는 간접적으로) 제어하도록 구성된 임의의 적합한 구조이다. 보조 연료 흐름 제어 장치(138)는 ,예를 들어, 펌프, 가스 압축기, 계량 밸브 또는 임의의 다른 적합한 시스템 또는 구성 요소(들)을 포함할 수 있다.
2. 연결부
산화제 흐름 제어 장치(130)의 산화제 유입구는 산화제 공급원(102)에 유동적으로 연결 가능하다. 산화제 흐름 제어 장치(130)의 산화제 유출구는 산화제 열교환기(110)의 저온 측의 산화제 유입구 및 보조 이젝터(126)의 동기적 유체 유입구(126a)와 유체 연통한다.
산화제 열교환기(110)의 저온 측의 산화제 유입구는 산화제 흐름 제어 장치(130)의 산화제 유출구와 유체 연통한다. 산화제 열교환기(110)의 저온 측의 산화제 유출구는 캐소드 이젝터(112)의 동기적 유체 유입구(112a)와 유체 연통한다. 산화제 열교환기(110)의 고온 측의 연소 부산물 유입구는 연소기(128)의 연소 부산물 유출구와 유체 연통한다. 산화제 열교환기(110)의 고온 측의 연소 부산물 유출구는 보조 이젝터(126)의 흡입 유체 유입구(126b)와 유체 연통하며, 터보 발전기(도시하지 않음) 및 회수기(도시하지 않음)의 터빈을 통과한 후에 대기로 배출될 수 있다.
캐소드 이젝터(112)의 동기적 유체 유입구(112a)는 산화제 열교환기(110)의 저온 측의 산화제 유출구와 유체 연통한다. 캐소드 이젝터(112)의 흡입 유체 유입구(112b)는 SOFC 스택(116)의 산화제 유출구와 유체 연통한다. 캐소드 이젝터(112)의 유체 유출구(112c)는 산화제 히터(114)의 산화제 유입구와 유체 연통한다.
보조 연료 흐름 제어 장치(138)의 보조 연료 유입구는 보조 연료 공급원(106)에 유동적으로 연결 가능하다. 보조 연료 흐름 제어 장치(138)의 보조 연료 유출구는 산화제 히터(114)의 보조 연료 유입구와 유체 연통한다.
산화제 히터(114)의 산화제 유입구는 캐소드 이젝터(112)의 유체 유출구(112c)와 유체 연통한다. 산화제 히터(114)의 산화제 유출구는 SOFC 스택(116)의 산화제 유입구와 유체 연통한다. 산화제 히터(114)의 보조 연료 유입구는 보조 연료 흐름 제어 장치(138)의 보조 연료 유출구와 유체 연통한다.
SOFC 스택(116)의 산화제 유입구는 산화제 히터(114)의 산화제 유출구와 유체 연통한다. SOFC 스택(116)의 산화제 유출구는 캐소드 이젝터(112)의 흡입 유체 유입구(112b)와 유체 연통한다. SOFC 스택(116)의 연료 유입구는 연료 열교환기(124)의 연료 유출구와 유체 연통한다. SOFC 스택(116)의 연료 유출구는 애노드 이젝터(118)의 흡입 유체 유입구(118b, 126b)와 보조 유체 이젝터(126)와 각각 유체 연통한다.
연료 흐름 제어 장치(136)의 연료 유입구는 연료 공급원(104)에 유동적으로 연결 가능하다. 연료 흐름 제어 장치(136)의 연료 유출구는 애노드 이젝터(118)의 동기적 유체 유입구(118a)와 유체 연통한다.
애노드 이젝터(118)의 동기적 유체 유입구(118a)는 연료 흐름 제어 장치(136)의 연료 유출구와 유체 연통한다. 애노드 이젝터(118)의 흡입 유체 유입구(118b)는 SOFC 스택(116)의 연료 유출구와 유체 연통한다. 애노드 이젝터(118)의 유체 유출구(118c)는 예비-개질기(120)의 연료 유입구와 유체 연통한다.
예비-개질기(120)의 연료 유입구는 애노드 이젝터(118)의 유체 유출구(118c)와 유체 연통한다. 예비-개질기(120)의 연료 유출구는 개질기(122)의 연료 유입구 및 연료 열교환기(124)의 연료 유입구와 유체 연통한다.
개질기(122)의 연료 유입구는 예비-개질기(120)의 연료 유출구와 유체 연통한다. 개질기(122)의 연료 유출구는 연료 열교환기(124)의 연료 유입구와 유체 연통한다. 개질기(122)의 산화제 유입구는 연료 열교환기(124)의 산화제 유출구와 유체 연통한다. 개질기(122)의 산화제 유출구는 보조 개질기(126)의 흡입 유체 유입구(126b)와 유체 연통한다.
연료 열교환기(124)의 연료 유입구는 예비-개질기(120)의 연료 유출구 및 개질기(122)의 연료 유출구와 유체 연통한다. 연료 열교환기(124)의 연료 유출구는 SOFC 스택(116)의 연료 유출구와 유체 연통한다. 연료 열교환기(124)의 산화제 유입구는 SOFC 스택(116)의 산화제 유출구와 유체 연통한다. 연료 열교환기(124)의 산화제 유출구는 개질기(122)의 산화제 유입구와 유체 연통한다.
보조 이젝터(126)의 동기적 유체 유입구(126a)는 산화제 흐름 제어 장치(130)의 산화제 유출구와 유체 연통한다. 보조 이젝터(126)의 흡입 유체 유입구(126b)는 (1) SOFC 스택(116)의 연료 유출구; (2) 개질기(122)의 산화제 유출구; 및 (3) 산화제 열교환기(110)의 고온 측의 연소 부산물 유출구와 유체 연통한다. 보조 이젝터(126)의 유체 유출구(126c)는 연소기(128)의 연소 생성물 유입구와 유체 연통한다.
연소기(128)의 연소 생성물 유입구는 보조 이젝터(126)의 유체 유출구(126c)와 유체 연통한다. 연소기(128)의 연소 부산물 유출구는 산화제 열교환기(110)의 고온 측의 연소 부산물 유입구와 유체 연통한다.
제 1 온도 센서(134a)는 캐소드 이젝터(112)의 흡입 유체 유입구(112b)의 상류 및 SOFC 스택(116)의 산화제 유출구의 하류에 위치하여, 제 1 온도 센서(134a)가 그 위치에서 유체(여기서는 산화제)의 온도 T1을 감지할 수 있도록 한다. 제 2 온도 센서(134b)는 연소기(128)의 연소 부산물 유출구의 하류 및 산화제 열교환기(110)의 고온 측의 연소 부산물 유입구의 상류에 위치하여, 제 2 온도 센서(134b)가 그 위치에서 유체(여기서는 연소 부산물)의 온도 T2를 감지할 수 있도록 한다. 제 3 온도 센서(134c)는 SOFC 스택(116)의 산화제 유입구의 상류 및 산화제 히터(114)의 산화제 유출구의 하류에 위치하여, 제 3 온도 센서(134c)가 그 위치에서 유체(여기서는 산화제)의 온도 T3을 감지할 수 있도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제어기(132)는 감지된 온도에 대응하는 온도 센서들로부터 신호들을 수신하기 위해 제 1, 제 2 및 제 3 온도 센서들(134a, 134b 및 134c)에 통신 가능하게 연결된다.
제어기(132)는 산화제 흐름 제어 장치(130)에 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점 OFCDSP를 제공함으로써, 산화제 흐름 제어 장치(130)를 제어하도록, 산화제 흐름 제어 장치(130)에 작동 가능하게 연결된다. OFCDSP는 그 자체가 SOFC 시스템(100) 내로의 산화제의 특정 질량 유속에 상응하는 산화제 흐름 제어 장치(130)의 (산화제 흐름 제어 장치가 터빈인 경우, 분당 특정 회전량과 같은) 특정 출력에 대응한다. 그러므로, 제어기(132)는, 제어기(132)가 산화제 흐름 제어 장치(130)에 제공하는 OFCDSP를 통해, SOFC 시스템(100) 내로의 산화제의 질량 유속을 제어하도록 구성된다.
제어기(132)는 연료 흐름 제어 장치(136)에 연료 흐름 제어 장치 설정 지점 (FFCDSP)을 제공함으로써, 연료 흐름 제어 장치(136)를 (특정 작동 모드들에서) 제어하도록, 연료 흐름 제어 장치(136)에 작동 가능하게 연결된다. FFCDSP는 그 자체가 SOFC 시스템(100) 내로의 연료의 특정 질량 유속에 상응하는 연료 흐름 제어 장치(136)의 (연료 흐름 제어 장치가 펌프인 경우, 분당 특정 양의 리터와 같은) 특정 출력에 대응한다. 그러므로, 제어기(132)는 제어기(132)가 연료 흐름 제어 장치(136)에 제공하는 FFCDSP를 통해 SOFC 시스템(100) 내로의 연료의 질량 유속을 제어하도록 구성된다.
제어기(132)는 보조 연료 흐름 제어 장치(138)에 보조 연료 흐름 제어 장치 설정 지점(AFFCDSP)을 제공함으로써, 보조 연료 흐름 제어 장치(138)를 (특정 작동 모드들에서) 제어하도록, 작동 가능하게 연결된다. AFFCDSP는 산화제 히터(114)가 산화제에 제공하는 열의 양에 그 자체가 상응하는 보조 연료 흐름 제어 장치(138)의 (보조 연료 흐름 제어 장치가 펌프인 경우, 분당 특정 양의 리터와 같은) 특정 출력에 대응한다. 그러므로, 제어기(132)는 제어기(132)가 보조 연료 흐름 제어 장치에 제공하는 AFFCDSP를 통해 산화제 히터(114)가 산화제에 제공하는 열의 양을 제어하도록 구성된다.
3. 작동
SOFC 시스템(100)은 작동 모드 및 대기 모드에서 작동 가능하다. 본 명세서에 사용된 셧-다운 모드는 SOFC 시스템(100)이 작동하지 않고 주위 온도에 있는 상태를 말한다.
SOFC 시스템(100)이 대기 모드에 있을 때, SOFC 스택(116)은 작동 온도 범위 내에 (또는 작동 온도 범위 아래에) 있을 수 있는 대기 온도에 있으며, SOFC 시스템(100)은 SOFC 스택(116)의 캐소드 측에 산화제를 공급하지만 SOFC 스택(116)의 애노드 측에 연료를 공급하지 않는다. 이는 SOFC 스택(116)이 대기 모드에서 전기 부하 (300)에 전력을 공급하지 않음을 의미한다. 대기 모드에 있을 때, SOFC 스택(116)이 작동 온도를 유지하도록 SOFC 시스템(100)은 보조 연료를 산화제 히터(114)에 공급하여 SOFC 스택(116) 내로 흐르는 산화제를 가열한다.
일반적으로, 산화제가 SOFC 시스템(100)을 통과할 때는 다음과 같다. 제어기(132)는 산화제 흐름 제어 장치(130)를 제어하여 산화제 공급원(102)으로부터 산화제를 끌어들여 산화제 열교환기(110)의 저온 측의 산화제 유입구로 산화제를 전달하도록 구성된다. 산화제가 산화제 유입구로부터 산화제 유출구로 흐름에 따라, 산화제 열교환기(110)(후술함)의 고온 측을 통해 이동하는 상대적으로 고온의 연소 부산물(또는 작동 모드에 따라서는 산화제)은 산화제를 가열한다. 산화제는 산화제 열교환기(110)의 저온 측의 산화제 유출구를 빠져나와 캐소드 이젝터(112)의 동기적 연료 유입구(112a)로 흐른다.
산화제는 캐소드 이젝터(112)를 통해 유동하고, 흡입 유체 유입구(112b)에서 수용된 산화제와 혼합하고, 유체 유출구(112c)에서 나와서 산화제 히터(114)의 산화제 유입구로 유동한다. 보조 연료 흐름 제어 장치(138)가 산화제 히터(114)에 보조 연료를 제공하면, 산화제 히터(114)는 산화제가 산화제 히터(114)의 산화제 유입구로부터 산화제 히터(114)의 산화제 유출구로 유동함에 따라 산화제를 가열한다.
산화제는 제 3 온도 센서(134c)를 지나 SOFC 스택(116)의 산화제 유입구로 흐른다. 산화제는 SOFC 스택(116)의 산화제 유입구로부터 SOFC 스택(116)의 산화제 유출구로 흐른다. 산화제는 SOFC 스택(116)의 산화제 유출구로부터 (1) 제 1 온도 센서(134a)를 지나 캐소드 이젝터(112)의 흡입 유체 유입구(112b)로 흐르거나; 또는 (2) 연료 열교환기(124)의 산화제 유입구로 흐른다. 상기에 기술된 바와 같이, 캐소드 이젝터(112)의 흡입 유체 유입구(112b)로 흐르는 산화제는 동기적 유체 유입구(112a)에서 수용된 산화제와 혼합되어 산화제 히터(114)로 다시 흐른다.
연료 열교환기(124)의 산화제 유입구로 유입되는 산화제는 연료 열교환기(124)를 통과하여 연료 열교환기(124)의 산화제 유출구를 빠져 나와 개질기(122)의 산화제 유입구로 유입된다. 산화제는 개질기(122)를 통해 개질기(122)의 산화제 유출구를 빠져 나와 보조 이젝터(126)의 흡입 유체 유입구(126b)로 흐른다.
또한, 연료가 SOFC 시스템(100)을 통해 흐르지 않으면, 산화제는 산화제 열교환기(110)로부터 수용된 산화제와 혼합되고, 동기적 유체 유입구(126a)에서 산화제 흐름 제어 장치(130)로부터 수용된 산화제에 의해 보조 이젝터(126)를 통해 흡입된다. 산화제는 유체 유출구(126c)에서 연소기(128)의 연소 생성물 유입구로 유동한다. 산화제에 연료가 존재하지 않기 때문에, 산화제는 점화됨이 없이 연소기를 통해 흐르고 제 2 온도 센서(134b)를 지나 산화제 열교환기(110)의 고온 측의 연소 부산물 유입구로 흐른다. 이러한 상대적으로 고온의 산화제가 산화제 열교환기(110)를 통해 유동함에 따라, 전술한 바와 같이, 그것은 산화제 흐름 제어 장치(130)로부터 캐소드 이젝터(112)로 흐르는 새로운 산화제를 가열한다. 산화제 열교환기(110)의 고온 측의 연소 부산물 유출구를 나온 후에, 산화제의 일부는 보조 이젝터(126)의 흡입 유체 유입구(126b)로 다시 유동하고 일부 산화제는 대기 중으로 배출된다.
또한, 연료가 SOFC 시스템(100)을 통해 유동하면, 보조 이젝터(126)의 흡입 유체 유입구(126b)에서 산화제가 산화제 열교환기(110b)로부터 수용한 연소 부산물과 혼합되어, 동기적 유체 유입구(126a)에서 산화 흐름 제어 장치(130)로부터 수용한 산화제에 의해 보조 이젝터(126)를 통해 흡입된다. 연소 생성물로서 지칭되는 산화제/연소 부산물 혼합물은 유체 유출구(126c)에서 연소기(128)의 연소 생성물 유입구로 흐른다. 연소기(128)는 연소 생성물을 점화시켜 가열된 연소 부산물을 생성하며, 가열된 연소 부산물은 제 2 온도 센서(134b)를 지나 연소기(128)의 연소 부산물 유출구로부터 산화제 열교환기(110)의 고온 측(110b)의 연소 부산물 유입구로 흐른다. 이들 비교적 고온의 연소 부산물들이 산화제 열교환기(110)를 통해 유동함에 따라, 이들은 상기에 언급한 바와 같이, 산화제 흐름 제어 장치(130)로부터 캐소드 이젝터(112)로 흐르는 새로운 산화제를 가열한다. 산화제 열교환기(110)의 고온 측(110b)의 연소 부산물 유출구를 빠져 나온 후에, 연소 부산물 중 일부는 보조 이젝터(126)의 흡입 유체 유입구(126b)로 다시 유동하고 연소 부산물 중 일부는 대기 중으로 배출된다.
일반적으로, 연료가 SOFC 시스템(100)을 통해 흐를 때는 다음과 같다. 연료 흐름 제어 장치(136)는 연료 공급원(104)으로부터 비개질된 연료를 인출하여 비개질된 연료를 애노드 이젝터(118)의 동기적 유체 유입구(118a)로 전달하도록 구성된다. 비개질된 연료는 애노드 이젝터(118)를 통해 흐르고, 연료 전지 스택으로부터 재순환되어 흡입 유체 유입구(118b)에서 수용된 연료와 혼합되고, 연료 유출구(118c)에서 예비-개질기(120)의 연료 유입구로 흐른다.
예비-개질기(120)는 개질되지 않은 연료로부터 보다 높은 탄화수소를 제거하여 그것을 예비-개질된 연료로 전환시킨다. 개질된/예비-개질된 연료 혼합물은 예비-개질기(120)의 연료 유출구로부터 유출되며, 그 유출 지점에서 혼합물의 일부는 개질기(122)의 저온 측의 연료 유입구 내로 흐르고 일부 혼합물은 개질기(122)를 우회하여 연료 히터(124)의 연료 유입구로 직접 흐른다.
혼합물이 연료 유입구로부터 연료 유출구로 개질기(122)의 저온 측을 통해 유동함에 따라, 개질기(122)의 고온 측을 통해 흐르는 상대적으로 고온의 산화제는 혼합물을 가열하고, 개질기(122)는 혼합물의 예비-개질된 연료 부분을 개질 연료로 촉매를 통해 개질시킨다. 개질된 연료는 개질기(122)의 연료 유출구로부터 흐르고 연료 히터(124)의 저온 측의 연료 유입구로 유동하기 전에 개질기(122)를 우회한 예비-개질된 연료/개질된 연료 혼합물과 합류한다. 혼합물이 연료 히터(124)의 저온 측을 통해 유동함에 따라, 연료 히터(124)의 고온 측을 통해 흐르는 상대적으로 고온의 산화제는 연료 히터(124)의 연료 유출구를 빠져나가기 전에 혼합물을 가열하여 SOFC 스택(116)의 연료 유입구로 흐른다.
예비-개질된/개질된 연료 혼합물은 SOFC 스택(116)을 통해 흐르고, SOFC 스택(116)의 연료 유출구로부터 (1) 애노드 이젝터(118)의 흡입 유체 유입구(118b); 및 (2) 보조 이젝터(126)의 흡입 유체 유입구(126b)로 흐른다. 흡입 유체 유입구(126b)에서 수용된 예비-개질/개질된 연료 혼합물은, 전술한 바와 같이, 연소기(128)가 점화하는 연소 생성물의 일부를 형성한다.
이하에서는 SOFC 시스템(100)을 셧-다운 모드에서 대기 모드로 전환하고, SOFC 시스템(100)을 대기 모드에서 작동 모드로 전환하고, 작동 모드에서 SOFC 시스템(100)을 작동시키기 위한 방법을 설명한다.
3.1 셧-다운 모드에서 대기 모드로의 전환
도 3에 도시된 바와 같이, 셧-다운 모드 (및 주위 온도)에서 대기 모드로의 SOFC 시스템(100)의 초기 시동 시, 제어기(132)는 원하는 속도에서 대기 온도로 온도 T3을 상승시키도록 작동할 수 있다. 제어기(132)는 (1) SOFC 시스템(100) 내로의 산화제의 흐름을 제어하도록 산화제 흐름 제어 장치(130)를 제어하고; (2) 보조 연료 흐름 제어 장치(138)를 제어하여 산화제 히터(114)로의 보조 연료의 흐름을 제어하고, 이에 따라, 산화제에 가해지는 열의 양을 제어함으로써, 상기와 같은 작동을 하도록 구성된다. 시동 중에 연료가 SOFC 시스템(100)을 통해 흐르지 않기 때문에, SOFC 스택(116)은 전기 부하에 전기를 공급하지 않는다.
더욱 구체적으로, 제어기(132)는 산화제 흐름 제어 장치(130)에 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점 OFCDSP(이 지점은 제어기(132)의 메모리에 저장될 수 있음)를 제공하고 산화제 흐름 제어 장치(100)를 제어하여 SOFC 시스템(100) 내로의 산화제의 상응하는 질량 유속을 제공하도록 구성된다. 산화제는 일반적으로, 상술한 바와 같이, SOFC 시스템(100)을 통해 흐른다. 제어기(132)는, 또한, 보조 연료 흐름 제어 장치 설정 지점 AFFCDSP(이 지점은 제어기(132)의 메모리에 저장되거나 소정 기능에 따라서 또는 T3에 결합된 PID 피드백 루프를 사용하여 결정될 수 있음)를 보조 연료 흐름 제어 장치(138)에 제공하고 보조 연료 흐름 제어 장치(138)를 제어하여 시간 경과에 따라 산화제 히터(114)에 대한 보조 연료의 질량 유속 (및, 따라서 산화제 히터(114)와의 열교환으로 산화제에 가해지는 열량)을 증가시켜서 작동 온도로 SOFC 스택(116)의 제어된 가열을 가능하게 할 수 있도록 구성된다.
온도 T3이 대기 온도에 도달하면(SOFC 시스템(100)을 통해 연료가 흐르지 않음), SOFC 시스템(100)은 대기 모드에 있고, 제어기(132)는 (예를 들어, T3에 결합된 PID 피드백 루프를 통해) 대기 온도에서 온도 T3을 유지하기 위하여 산화제 흐름 제어 장치(130) 및 보조 연료 흐름 제어 장치(138)를 제어하도록 구성된다.
3.2 대기 모드에서 작동 모드로의 전환
SOFC 시스템(100)을 대기 모드에서 작동 모드로 전환하기 위하여, 제어기(132)는 SOFC 시스템(100)을 통해 흐르는 연료의 양을 증가시키고, 전기 부하에 제공되는 전기량을 증가시키며, 작동 온도의 범위 내에서 온도 T3를 달성하고 유지하면서 산화제 히터에 공급되는 보조 연료의 양을 점점 줄어들게 하도록 구성된다.
이를 위하여, 제어기(132)는 (1) SOFC 시스템(100) 내로의 산화제의 흐름을 제어하도록 산화제 흐름 제어 장치(130)를 제어하고; (2) 보조 연료 흐름 제어 장치(138)를 제어하여 산화제 히터(114)에 대한 보조 연료의 흐름 및 이에 따라 산화제에 가해지는 열량을 제어하고; (3) 연료 흐름 제어 장치(136)를 제어하여 SOFC 시스템(100) 내로의 연료의 흐름을 제어하도록 구성된다.
보다 구체적으로, 제어기(132)는 SOFC 시스템(100) 내로 일정한 질량 유속의 산화제를 제공하기 위해 일반적으로 일정한 OFCDSP를 제공하도록 구성된다. 산화제는 일반적으로 상술 한 바와 같이 SOFC 시스템(100)을 통해 흐른다.
제어기(132)는, 또한, PID 피드백 루프에 기초하여 AFFCDSP를 결정하도록 구성된다. 이러한 실시 예에서, 제어기(132)는 SOFC 스택(116)의 산화제 유입구의 바로 상류 및 산화제 히터(114)의 산화제 유출구의 하류에서 산화제의 목적하는 온도를 나타내는 SOFC 스택 입구 온도 설정 지점 T3SP를 (사용자 입력을 통해 또는 제어기(132)의 메모리 상에 저장된 룩업 테이블(lookup table)을 통해) 수신하도록 구성된다.
제어기(132)는 제 3 온도 센서(134c)에 통신 가능하게 연결되어, SOFC 스택(116)의 산화제 유입구의 바로 상류 및 산화제 히터(114)의 산화제 유출구의 하류에서 산화제의 측정된 온도를 나타내는 온도 T3에 상응하는 신호를 수신한다. 제어기(132)는 (다른 실시 예들에서는 T3MEAS가 순간 온도 판독 값을 나타낼지라도) 특정 시간에 걸쳐 다수의 측정 온도로부터 산술적 평균, 중간값 또는 다른 평균 온도 T3MEAS를 계산하도록 구성된다.
제 3 PID 모듈(132c)은 T3SP와 T3MEAS 간의 차이(있을 경우)를 계산하고, T3SP와 T3MEAS 간의 차이를 줄이기 위해 보조 연료 흐름 제어 장치(138)의 출력을 제어하도록 구성된다. 제 3 PID 모듈(132c)은 (산화제 히터(114)의 작동을 통해) T3SP 와 T3MEAS 간의 차이를 줄이는 보조 연료 흐름 제어 장치(138)의 출력에 상응하는 AFFCDSP를 결정하기 위해 T3SP와 T3MEAS 간의 차이를 이용함으로써 위와 같이 제어하도록 구성된다. 따라서, 이러한 실시 예에서, 제어기(132)는 T3MEAS를 T3SP로 수렴하도록 보조 연료 흐름 제어 장치(138)의 출력을 변조하도록 구성된다. 제어기(132)는 보조 연료 흐름 제어 장치(138)에 AFFCDSP를 제공하여 산화제 히터(114)에 의해 제공되는 열을 제어하도록 구성된다. 일반적으로, AFFCDSP는 SOFC 스택(116) 내의 화학 반응이 열을 발생시키기 때문에 SOFC 스택(116)이 가열됨에 따라 감소한다.
또한, 제어기(132)는 연료 흐름 제어 장치(136)에 대해 FFCDSP를 결정하고 제공하여 연료 흐름 제어 장치(136)(및 그에 따라 SOFC 시스템(100) 내로의 연료의 질량 유속)를 제어하도록 구성된다. FFCDSP는 SOFC 스택(116)이 전기 부하에 공급하기 위해 요구되는 전류의 양에 상응하는 전류 설정 지점 ISP에 따라 변화한다. ISP와 FFCDSP는 직접 관계를 통해 연결되므로 ISP가 높을수록 FFCDSP도 높아진다. 연료는 일반적으로 상술한 바와 같이 SOFC 시스템(100)을 통해 흐른다.
보조 연료의 질량 유속이 제로에 도달하고 연료가 SOFC 시스템(100)을 통해 흐르고 SOFC 유닛(116)이 작동 온도에 있게 되면, SOFC 시스템(100)은 작동 모드에 있다.
다른 실시 예들에서, 제어기(132)는 ISP에 기초하여 T3SP를 결정한다. 즉, 이들 실시 예들에서는 T3SP와 ISP 사이에 관계가 존재한다.
도 6은 대기 모드에서 작동 모드로의 다른 전환 방식을 사용하는 SOFC 시스템의 택일적 실시 예를 도시한다. 이 실시 예에서, 제어기(132)는 PID 피드백 루프에 기초하여 OFCDSP를 결정하도록 구성된다. 제 3 PID 모듈(132c)은 T3SP와 T3MEAS 간의 차이(있을 경우)를 계산하고, T3SP와 T3MEAS 간의 차이를 줄이기 위해 산화제 흐름 제어 장치(130)의 출력을 제어하도록 구성된다. PID 모듈(132c)은 T3SP와 T3MEAS 간의 차이를 이용하여 T3SP와 T3MEAS 간의 차이를 감소시키는 산화제 흐름 제어 장치(130)의 출력에 상응하는 OFCDSP를 결정함으로써 상기한 바와 같은 출력을 제어하도록 구성된다. 따라서, 이 실시 예에서, 제어기(132)는 산화제 흐름 제어 장치(130)의 출력을 변조하고 이에 따라 SOFC 시스템(100) 내로의 산화제의 질량 유속을 조절하여 T3MEAS를 T3SP로 수렴하도록 구성된다.
이러한 실시 예에서, 제어기(132)는 연료 흐름 제어 장치(136)를 제어하기 위해 연료 흐름 제어 장치(136)에 대해 FFCDSP를 결정(예를 들어, 룩-업 테이블을 통해)(이에 따라, SOFC 시스템(100) 내로의 연료의 질량 유속)하고 제공하도록 구성된다. FFCDSP는 ISP에 따라서 변화한다. ISP와 FFCDSP는 직접 관계를 통해 연결되므로 ISP가 높을수록 FFCDSP도 높아진다. 부가적으로, 제어기(132)는 산화제 히터(114)를 제어하기 위해 산화제 히터(114)에 대해 AFFCDSP를 결정(예를 들어, 룩-업 테이블을 통해)하고 제공하도록 구성된다. AFFCDSP는 ISP에 따라서 변화한다. ISP와 AFFCDSP는 직접 관계를 통해 연결되므로 ISP가 높을수록 AFFCDSP도 높아진다.
3.3 작동 모드
작동 모드에 있을 때, 제어기(132)는 SOFC 스택(116)의 온도를 작동 온도 (또는 작동 온도의 범위)로 유지하도록 구성된다. 제어기(132)는 (1) SOFC 시스템(100) 내로 산화제의 흐름을 제어하도록 산화제 흐름 제어 장치(130)를 제어하고; 및 (2) SOFC 시스템(100) 내로 연료의 흐름을 제어하도록 연료 흐름 제어 장치(136)를 제어함으로써 상기한 바와 같은 작동 온도로 유지하도록 구성된다.
제어기(132)는 연료 흐름 제어 장치(136)를 제어하기 위해 연료 흐름 제어 장치(136)에 대해 FFCDSP를 결정(예를 들어, 룩-업 테이블을 통해)(이에 따라, SOFC 시스템(100) 내로의 연료의 질량 유속)하고 제공하도록 구성된다. FFCDSP는 ISP에 따라서 변화한다. ISP와 FFCDSP는 직접 관계를 통해 연결되므로 ISP가 높을수록 FFCDSP도 높아진다. 연료의 질량 유속에 관계없이, 연료는 전이 작동 모드에 대해 일반적으로 전술한 바와 같이 SOFC 시스템(100)을 통해 이동한다.
제어기(132)는, 또한, 산화제 흐름 제어 장치(130)를 제어하기 위해 산화제 흐름 제어 장치(130)에 대해 OFCDSP를 결정(이에 따라 SOFC 시스템(100) 내로의 산화제의 질량 유속)하고 제공하도록 구성된다. 작동 모드에서, 제어기(132)는 T1 및 T2(후술함)에 결합된 PID 피드백 루프에 기초하여 OFCDSP를 결정하도록 구성된다.
다른 인자들이 일정하게 유지되면(일반적으로 작동 모드에 있기 때문에), SOFC 시스템(100) 내로의 산화제의 질량 유속은 SOFC 스택(116)의 온도를 제어한다. 따라서, 작동 모드에서, 제어기(132)는 산화제 흐름 제어 장치(130)의 출력을 제어함으로써 SOFC 스택(116)의 온도를 제어하도록 구성된다. 일반적으로, SOFC 시스템(100) 내로의 산화제의 질량 유속이 높을수록, 산화제는 SOFC 스택(116)에 대해 더 많은 냉각 효과를 부여하고 SOFC 스택(116)의 온도는 더욱 낮아진다. 그 반대로, SOFC 시스템(100) 내로의 산화제의 질량 유속이 낮을수록, 산화제는 SOFC 스택(116)에 대해 더 적은 냉각 효과를 부여하고 SOFC 스택(116)의 온도는 더욱 높아진다. 따라서, SOFC 스택(116)의 온도가 요구되는 것보다 높으면, 제어기(132)는 산화제 흐름 제어 장치(130)를 제어하여, SOFC 시스템(100) 내로의 산화제의 질량 유속을 증가시키고 그의 냉각 효과도 증가시키고 SOFC 스택(100)의 온도는 낮추도록 구성된다. 이와 반대로, SOFC 스택(116)의 온도가 요구되는 것보다 낮으면, 제어기(132)는 산화제 흐름 제어 장치(130)를 제어하여, SOFC 스택(116) 내로의 산화제의 질량 유속을 감소시키고 그의 냉각 효과도 감소시키고 SOFC 스택(116)의 온도는 증가시키도록 구성된다.
작동 모드에서, 제어기(132)는 PID 피드백 루프에 기초하여 OFCDSP를 결정하도록 구성된다. 제 1 PID 모듈(132a)은 캐소드 이젝터(112)의 흡입 유체 유입구(112b)의 상류 및 SOFC 스택(116)의 산화제 유출구의 하류에서 산화제의 요구하는 온도를 나타내는 캐소드 이젝터 온도 설정 지점 T1SP을 수신하도록 구성된다. 제 1 PID 모듈(132a)은 사용자 입력을 통해 또는 제어기(132)의 메모리에 저장된 룩-업 테이블을 통해 T1SP를 수신할 수 있다. 특정 실시 예들에서, 제어기는 ISP에 기초하여 T1SP를 결정한다.
제 1 PID 모듈(132a)은 캐소드 이젝터(112)의 흡입 유체 유입구(112b)의 상류 및 SOFC 스택(116)의 산화제 유출구의 하류에서 산화제의 측정 온도인 온도 T1에 상응하는 신호를 수신하도록 제 1 온도 센서(134a)에 통신 가능하게 연결된다. 제어기(132)는 특정 시간에 걸쳐 다수의 측정된 온도로부터 산술적 평균, 중간값 또는 다른 평균 온도 T1MEAS를 계산하도록 구성된다(다른 실시 예들에서 T1MEAS는 순간 온도 판독값을 나타냄).
제 1 PID 모듈(132a)은 T1SP와 T1MEAS 간의 차이(만약 있다면)를 계산하고 그 차이에 기초하여 T2SP를 계산하도록 구성된다. T2SP는 연소기(128)의 연소 부산물 유출구의 하류 및 산화제 열교환기(110)의 고온 측의 연소 부산물 유입구의 상류에서 연소 부산물의 요구하는 온도를 나타낸다. 제 1 PID 모듈(132a)은 T2SP를 제 2 PID 모듈(132b)에 전송하도록 구성된다.
제 2 PID 모듈(132b)은 제 2 온도 센서(132b)에 통신 가능하게 연결되어, 연소기(128)의 연소 부산물 유출구의 하류 및 산화제 열교환기(110)의 고온 측의 연소 부산물 유입구의 상류에서 연소 부산물의 측정된 온도인 온도 T2를 나타내는 신호를 수신한다. 제어기(132)는 특정 시간에 걸쳐 다수의 측정된 온도로부터 산술적 평균, 중간값 또는 또 다른 평균 온도 T2MEAS를 계산하도록 구성된다(다른 실시 예들에서 T2MEAS는 순간 온도 판독값을 나타냄).
제 2 PID 모듈(132b)은 T2SP와 T2MEAS 간의 차이(있을 경우)를 결정하고 그 차이에 기초하여 OFCDSP를 계산하도록 구성된다. OFCDSP는 T2MEAS를 T2SP로, T1MEAS를 T1SP로 가져 오는데 필요한 SOFC 시스템(100) 내로의 산화제의 특정 질량 유속에 상응하며, 이에 의해 SOFC 스택(116)의 온도를 요구하는 온도로 가져 온다. 제어기(132)는 산화제 흐름 제어 장치(130)에 OFCDSP를 제공하고 산화제 공급원(102)으로부터 산화제를 끌어내기 위하여 산화제 흐름 제어 장치(130)를 제어하도록 구성된다. 산화제의 질량 유속에 관계없이 산화제는 시동 작동 모드에 대해 일반적으로 전술한 바와 같이 SOFC 시스템(100)을 통해 이동한다.
따라서, 제어기(132)는 SOFC 스택(116)의 외부에서 취해진 유체 온도 측정치를 기초로 산화제 흐름 제어 장치(130)의 출력을 변조하여 SOFC 스택(116)의 온도를 목적하는 온도로(또는 목적하는 온도 범위 내로) 유지한다. 이것은 SOFC 스택(116)에서 취한 온도 측정치를 사용하여 SOFC 스택에서 목적하는 온도를 얻도록 산화제 흐름 제어 장치(130)의 출력을 변조하는 방법을 결정하는 것보다 유리하다. 왜냐하면, SOFC 스택이 보다 빠른 응답 시간을 제공하기 때문이다. SOFC 스택(116)은 T1 및 T2에서 산화제에 비하여 열 변화에 느리게 반응한다.
연료 전지 시스템을 작동시키는 방법은 제 1 온도 센서에 의해, 캐소드 이젝터의 상류 및 연료 전지 스택의 하류에서 산화제의 제 1 온도를 측정하는 단계; 제 2 온도 센서에 의해, 연소기 하류에서 연소 부산물의 제 2 온도를 측정하는 단계; 제어기에 의해, 제 1 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 1 온도 간의 차이를 결정하는 단계; 상기 제어기에 의해, 상기 제 1 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 1 온도 간의 차이에 기초하여 제 2 온도 설정 지점을 결정하는 단계; 상기 제어기에 의해, 상기 제 2 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 2 온도 간의 차이를 결정하는 단계; 및 제어기에 의해, (1) 제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이 및 (2) 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이를 감소시키기 위해 연료 전지 시스템을 통해 산화제의 질량 유속을 제어하는 단계를 포함한다.
일부 실시 예들에서, 연료 전지 시스템 내로의 산화제의 질량 유속을 제어하는 단계는 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어하는 것을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 산화제 흐름 제어 장치는 터보 발전기를 포함하며, 여기서 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어하는 단계는 터보 발전기의 회전 속도를 제어하는 것을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 상기 방법은 제어기에 의해, 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이에 기초하여 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점을 결정하고, 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점을 이용하여 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어하는 것을 추가로 포함한다.
일부 실시 예들에서, 제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이를 결정하는 단계는 제어기의 제 1 PID 모듈에 의해 제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이를 결정하는 것을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이에 기초하여 제 2 온도 설정 지점을 결정하는 단계는 제어기의 제 1 PID 모듈에 의해 제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이에 기초하여 제 2 온도 설정 지점을 결정하는 것을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이를 결정하는 단계는 제어기의 제 2 PID 모듈에 의해 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이를 결정하는 것을 포함한다.
일부 실시 예들에서, 상기 방법은 상기 제어기의 제 2 PID 모듈에 의해 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이에 기초하여 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점을 결정하는 것을 추가로 포함한다. 일부 실시 예들에서, 연료 전지 시스템을 통해 산화제의 질량 유속을 제어하는 단계는 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점을 이용하여 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어하는 것을 포함한다.
연료 전지 시스템은 연료 전지 스택, 캐소드 이젝터, 연소기, 제 1 온도 센서, 제 2 온도 센서 및 제어기를 포함한다. 연료 전지 스택은 애노드 및 캐소드를 각각 포함하고 산화제 유입구 및 산화제 유출구를 포함하는 다수의 연료 전지를 포함한다. 캐소드 이젝터는 동기적 유체 유입구, 연료 전지 스택의 산화제 유출구와 유체 연통하는 흡입 유체 유입구 및 연료 전지 스택의 산화제 유입구와 유체 연통하는 유체 유출구를 포함한다. 연소기는 연소 생성물 유입구 및 연소 부산물 유출구를 포함하고, 연소 생성물 유입구는 연료 전지 스택의 산화제 유출구와 유체 연통한다. 제 1 온도 센서는 연료 전지 스택의 산화제 유출구와 캐소드 이젝터의 흡입 유체 유입구 간의 제 1 온도를 감지하도록 구성된다. 제 2 온도 센서는 연소기의 연소 부산물 유출구의 하류에서 제 2 온도를 감지하도록 구성된다. 제어기는 제 1 온도 센서 및 제 2 온도 센서에 통신 가능하게 연결되고, 제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이를 결정하며; 상기 제 1 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 1 온도 간의 차이에 기초하여 제 2 온도 설정 지점을 결정하고; 상기 제 2 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 2 온도 간의 차이를 결정하고; 상기 연료 전지 스택, 상기 이젝터 및 상기 연소기를 통해 상기 산화제의 질량 유속을 제어하여, (1) 상기 제 1 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 1 온도 간의 차이 및 (2) 상기 제 2 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 2 온도간의 차이를 감소시키도록 구성된다.
일부 실시 예들에서, 연료 전지 시스템은 캐소드 이젝터와 유체 연통하며, 연료 전지 스택, 이젝터 및 연소기를 통해 산화제의 질량 유속을 제어하도록 작동 가능한 산화제 흐름 제어 장치를 추가로 포함한다. 일부 실시 예들에서, 제어기는 산화제 흐름 제어 장치에 작동 가능하게 연결되고, 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어함으로써 연료 전지 스택, 이젝터 및 연소기를 통해 산화제의 질량 유속을 제어하도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 산화제 흐름 제어 장치는 터보 발전기를 포함하고, 여기서 제어기는 터보 발전기의 회전 속도를 제어함으로써 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어하도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 제어기는 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이에 기초하여 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점을 결정하고, 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점을 이용하여 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어하도록 구성된다.
일부 실시 예들에서, 제어기는 제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이를 결정하도록 구성된 제 1 PID 모듈을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 제 1 PID 모듈은 제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이에 기초하여 제 2 온도 설정 지점을 결정하도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 제어기는 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이를 결정하도록 구성된 제 2 PID 모듈을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 제 2 PID 모듈은 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이에 기초하여 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점을 결정하도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 제어기는 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점을 이용하여 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어함으로써 연료 전지 시스템을 통해 산화제의 질량 유속을 제어하도록 구성된다.
일부 실시 예들에서, 연료 전지 시스템은 캐소드 이젝터의 동기적 유체 유입구와 유체 연통하는 저온 측 및 연소기의 연소 부산물 유출구와 유체 연통하는 고온 측을 갖는 열교환기를 추가로 포함하며, 여기서 제 2 온도 센서는 연소기의 연소 부산물 유출구의 하류 및 열교환기의 상류에서 제 2 온도를 감지하도록 구성된다.
본 명세서에 기술된 실시 예들에 대한 다양한 변경은 당업계에 숙련된 자들에게 명백할 것이다. 이러한 변경들은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어남이 없이 의도된 장점들을 감소시키지 않고서도 수행될 수 있다. 이러한 변경들 및 수정들은 첨부된 청구 범위에 포함되는 것으로 의도된다.
Claims (20)
- 연료 전지 시스템을 작동시키는 방법으로서,
제 1 온도 센서에 의해, 캐소드 이젝터의 상류 및 연료 전지 스택의 하류에서 산화제의 제 1 온도를 측정하는 단계;
제 2 온도 센서에 의해, 연소기 하류에서 연소 부산물의 제 2 온도를 측정하는 단계;
제어기에 의해, 제 1 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 1 온도 간의 차이를 결정하는 단계;
상기 제어기에 의해, 상기 제 1 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 1 온도 간의 차이에 기초하여 제 2 온도 설정 지점을 결정하는 단계;
상기 제어기에 의해, 상기 제 2 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 2 온도 간의 차이를 결정하는 단계; 및
제어기에 의해, (1) 제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이 및 (2) 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이를 감소시키기 위해 연료 전지 시스템을 통해 산화제의 질량 유속을 제어하는 단계
를 포함하는 연료 전지 시스템을 작동시키는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
연료 전지 시스템 내로 산화제의 질량 유속을 제어하는 단계가, 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어하는 것을 포함하는, 방법.
- 제 2 항에 있어서,
산화제 흐름 제어 장치가 터보 발전기를 포함하며, 여기서 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어하는 단계가, 터보 발전기의 회전 속도를 제어하는 것을 포함하는, 방법.
- 제 3 항에 있어서,
제어기에 의해, 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이에 기초하여 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점을 결정하고, 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점을 이용하여 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어하는 것을 추가로 포함하는, 방법.
- 제 1 항에 있어서,
제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이를 결정하는 단계가, 제어기의 제 1 비례 - 적분 - 미분 (PID) 모듈에 의해 제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이를 결정하는 것을 포함하는, 방법.
- 제 1 항에 있어서,
제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이에 기초하여 제 2 온도 설정 지점을 결정하는 단계가, 제어기의 제 1 PID 모듈에 의해 제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이에 기초하여 제 2 온도 설정 지점을 결정하는 것을 포함하는, 방법.
- 제 6 항에 있어서,
제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이를 결정하는 단계가, 제어기의 제 2 PID 모듈에 의해 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이를 결정하는 것을 포함하는, 방법.
- 제 7 항에 있어서,
제어기의 제 2 PID 모듈에 의해, 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이에 기초하여 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점을 결정하는 것을 추가로 포함하는, 방법.
- 제 8 항에 있어서,
연료 전지 시스템을 통해 산화제의 질량 유속을 제어하는 단계가, 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점을 이용하여 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어하는 것을 포함하는, 방법.
- 연료 전지 시스템으로서,
애노드 및 캐소드를 각각 포함하고 산화제 유입구 및 산화제 유출구를 포함하는 연료 전지 스택;
동기적 유체 유입구, 연료 전지 스택의 산화제 유출구와 유체 연통하는 흡입 유체 유입구 및 연료 전지 스택의 산화제 유입구와 유체 연통하는 유체 유출구를 포함하는 캐소드 이젝터;
연소 생성물 유입구 및 연소 부산물 유출구를 포함하며 연소 생성물 유입구가 연료 전지 스택의 산화제 유출구와 유체 연통하는 연소기;
연료 전지 스택의 산화제 유출구와 캐소드 이젝터의 흡입 유체 유입구 간의 제 1 온도를 감지하도록 구성된 제 1 온도 센서;
연소기의 연소 부산물 유출구의 하류에서 제 2 온도를 감지하도록 구성된 제 2 온도 센서; 및
제 1 온도 센서 및 제 2 온도 센서에 통신 가능하게 연결되며, 제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이를 결정하고, 상기 제 1 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 1 온도 간의 차이에 기초하여 제 2 온도 설정 지점을 결정하고, 상기 제 2 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 2 온도 간의 차이를 결정하고, (1) 상기 제 1 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 1 온도 간의 차이 및 (2) 상기 제 2 온도 설정 지점과 상기 감지된 제 2 온도 간의 차이를 감소시키기 위하여 상기 연료 전지 스택, 상기 이젝터 및 상기 연소기를 통해 상기 산화제의 질량 유속을 제어하도록 구성된 제어기를 포함하는 연료 전지 시스템.
- 제 10 항에 있어서,
캐소드 이젝터와 유체 연통하며, 연료 전지 스택, 이젝터 및 연소기를 통해 산화제의 질량 유속을 제어하도록 작동 가능한 산화제 흐름 제어 장치를 추가로 포함하는, 연료 전지 시스템.
- 제 11 항에 있어서,
상기 제어기가 산화제 흐름 제어 장치에 작동 가능하게 연결되고, 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어함으로써 연료 전지 스택, 이젝터 및 연소기를 통해 산화제의 질량 유속을 제어하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
- 제 12 항에 있어서,
상기 산화제 흐름 제어 장치가 터보 발전기를 포함하며, 여기서 제어기가 터보 발전기의 회전 속도를 제어함으로써 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
- 제 12 항에 있어서,
상기 제어기가 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이에 기초하여 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점을 결정하고, 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점을 이용하여 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
- 제 10 항에 있어서,
상기 제어기가 제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이를 결정하도록 구성된 제 1 PID 모듈을 포함하는, 연료 전지 시스템.
- 제 15 항에 있어서,
상기 제 1 PID 모듈이 제 1 온도 설정 지점과 감지된 제 1 온도 간의 차이에 기초하여 제 2 온도 설정 지점을 결정하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
- 제 16 항에 있어서,
상기 제어기가 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이를 결정하도록 구성된 제 2 PID 모듈을 포함하는, 연료 전지 시스템.
- 제 17 항에 있어서,
제 2 PID 모듈이 제 2 온도 설정 지점과 감지된 제 2 온도 간의 차이에 기초하여 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점을 결정하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
- 제 18 항에 있어서,
상기 제어기가 산화제 흐름 제어 장치 설정 지점을 이용하여 산화제 흐름 제어 장치의 출력을 제어함으로써 연료 전지 시스템을 통해 산화제의 질량 유속을 제어하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
- 제 10 항에 있어서,
캐소드 이젝터의 동기적 유체 유입구와 유체 연통하는 저온 측 및 연소기의 연소 부산물 유출구와 유체 연통하는 고온 측을 갖는 열교환기를 추가로 포함하며,
여기서 제 2 온도 센서는 연소기의 연소 부산물 유출구의 하류 및 열교환기의 상류에서 제 2 온도를 감지하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
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