KR20190094121A - 작동 모드 사이의 연료 전지 시스템을 전이하는 방법 - Google Patents

작동 모드 사이의 연료 전지 시스템을 전이하는 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20190094121A
KR20190094121A KR1020190014067A KR20190014067A KR20190094121A KR 20190094121 A KR20190094121 A KR 20190094121A KR 1020190014067 A KR1020190014067 A KR 1020190014067A KR 20190014067 A KR20190014067 A KR 20190014067A KR 20190094121 A KR20190094121 A KR 20190094121A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
sofc
anode
fuel cell
oxidant
Prior art date
Application number
KR1020190014067A
Other languages
English (en)
Inventor
브이 마크 스코토
테드 오른
이성익
최재봉
Original Assignee
엘지 퓨얼 셀 시스템즈 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘지 퓨얼 셀 시스템즈 인코포레이티드 filed Critical 엘지 퓨얼 셀 시스템즈 인코포레이티드
Publication of KR20190094121A publication Critical patent/KR20190094121A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04268—Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04303—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04708—Temperature of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04731—Temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04895—Current
    • H01M8/0491—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

작동 모드들 사이에서 연료 전지 시스템을 전이시키기 위한 시스템 및 방법. 연료 전지 시스템은 Ni-함유 애노드를 포함하는 SOFC 시스템일 수 있다. 전이는 셧-다운 모드에서부터 고온 대기 모드로, 고온 대기 모드에서부터 전력-준비 고온 대기 모드로, 전력-준비 고온 대기 모드에서부터 작동 모드로, 작동 모드에서부터 전력-준비 고온 대기 모드로, 전력-준비 고온 대기 모드에서부터 고온 대기 모드로, 고온 대기 모드에서부터 셧-다운 모드로, 그리고 작동 모드에서부터 셧-다운 모드로의 전이일 수 있다.

Description

작동 모드 사이의 연료 전지 시스템을 전이하는 방법{Methods for Transitioning a Fuel Cell System between Modes of Operation}
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 동시에 출원되고 동시에 계류중인 2018 년 2 월 2 일자로 출원한 미국 특허 출원 제 15/887,720 호 (발명의 명칭: "작동 모드 사이에 연료 전지 시스템을 전이하는 방법", 도켓 번호: G3541-00307/FCA12058, 발명자: 마크 브이. 스코토(Mark V. Scotto), 테드 오른(Ted Ohrn), 이성익 및 최재봉); 2018년 2월 2일자로 출원한 미국 특허 출원 제 15/887,733 호 (발명의 명칭: "작동 모드 사이에 연료 전지 시스템을 전이하는 방법", 도켓 번호: G3541-00308/FCA12059, 발명자: 마크 브이. 스코토, 테드 오른, 이성익 및 최재봉); 및 2018년 2월 2일자로 출원한 미국 특허 출원 제 15/887,742 호 (발명의 명칭: "작동 모드 사이에 연료 전지 시스템을 전이하는 방법", 도켓 번호: G3541-00309/FCA12060, 발명자: 마크 브이. 스코토, 테드 오른, 이성익 및 최재봉)와 관련되어 있으며, 이들 출원들은 본문에서 참고로 인용되어 있다.
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 연료 전지 시스템을 작동 모드들 사이에서 전이하는 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 연료를 산화하여 전기를 생산하는 전기 화학적 변환 장치이다. 연료 전지는 전형적으로 애노드, 캐소드 및 애노드와 캐소드 사이에 위치한 전해질을 포함한다. 연료 전지 시스템은 일반적으로 상호 접속부를 통해 직렬로 서로 전기적으로 접속된 다수의 연료 전지(가끔 집합적으로 "연료 전지 유닛"으로 지칭됨), 및 연료 전지의 애노드에 연료를 제공하고 연료 전지의 캐소드에 산화제를 제공하도록 구성된 몇 개의 구성 요소들을 포함한다. 산화제내의 산소는 전해질층을 통해 애노드로 확산되는 산소 이온으로 캐소드에서 환원된다. 연료는 애노드에서 산화되어 전기 부하를 통해 흐르는 전자를 방출한다.
고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템은 고체 산화물 또는 세라믹으로 형성된 전해질을 가지며 고효율 및 저 방출을 제공한다. 대부분의 SOFC 애노드는 Ni를 포함한다. SOFC 시스템의 한 가지 단점은 낮은 내부 전기 저항을 유지하고 최적의 성능을 달성하기 위해 SOFC가 상대적으로 높은 작동 온도(일반적으로 800 ℃에서 1000 ℃ 사이)를 요구한다는 것이다. 이러한 고온은 다른 문제를 일으킨다. 약 300 ℃ 내지 약 400 ℃보다 높은 온도(본 배경 기술에서는 "산화 온도"로 지칭됨)에서 SOFC의 애노드상의 산소 농도가 특정 레벨을 초과하는 경우, 애노드 산화가 발생할 수 있다. 애노드 산화는 결국 산화의 정도에 따라 애노드의 크래킹 및 SOFC 시스템의 성능 저하를 초래할 수 있다.
예를 들어, 작업자가 전형적인 SOFC 시스템을 작동 모드(SOFC 시스템이 약 900 ℃의 작동 온도에서 작동함)로부터 셧-다운(shut-down) 모드(SOFC 시스템이 주위 온도에 있음)로 셧-다운시킬 때, SOFC 시스템은 SOFC의 애노드에 연료를 공급하는 것을 중단한다. 공기가 연료 대신에 사용된다. 연료는 캐소드에서 애노드로 흐르는 산소 이온을 더 이상 소모하지 않으므로, 이들 산소 이온은 애노드에서 축적되어, 결국 애노드에서 Ni의 적어도 일부를 NiO로 산화하기에 충분히 높은 농도에 도달한다. Ni의 NiO로의 산화는 두 가지 효과를 갖는다. 첫째, 전기 화학적 반응을 유도하고 전력을 생산하는데 필요한 연료 전지 애노드의 촉매 반응성 및 전기 전도성이 본질적으로 제거된다. 둘째, 애노드의 체적이 증가하여 잠재적으로 애노드의 미세 구조적 손상(또는 거시 구조적 손상)을 유발할 수 있으며, 그의 심각도는 체적 변화의 크기 및/또는 주파수에 따라 변화한다.
이러한 영향을 방지하기 위해, SOFC 시스템의 전형적인 작동은 Ni 산화로부터 연료 전지 애노드를 보호하기 위하여 냉각 중에 애노드상에 연속적으로 흐르는 환원 가스를 사용한다. 이러한 환원 가스는 SOFC 시스템으로의 SOFC 연료 흐름이 정지된 시간부터 SOFC 시스템이 의미 있는 산화 반응 속도를 진행하기에 너무 낮은 온도(약 300 ℃)에 도달할 때까지 적용된다. 전이 가스라고도 하는 환원 가스는 반응적으로 산소를 소모하는 임의의 가스일 수 있다.
SOFC 장치가 작동 온도에 도달할 때까지 SOFC 연료가 전형적으로 애노드에 제공되지 않기 때문에, 오퍼레이터가 주위 온도에서 셧-다운 모드로부터 SOFC 시스템을 다시 시작할 때 유사한 산화 영향이 발생할 수 있다. 가열하는 동안 애노드에서 SOFC 연료의 부재는 SOFC 장치를 300 ℃ 이상으로 가열하는 동안 환원 가스가 지속적으로 연료 전지 애노드에 공급되지 않는 한 애노드의 Ni 산화가 발생할 수 있다.
애노드의 Ni 산화는 산화의 정도 및 심각성에 따라 가역적일 수 있다. 산화된 연료 전지 애노드가 승온(예를 들어, 작동 온도)에서 충분한 수소를 갖는 전이 가스에 노출되면, NiO는 Ni로 환원되어 애노드의 촉매 활성 및 전기 전도성을 회복시킬 것이다. 그러나, Ni 산화가 SOFC 시스템의 냉각 개시 직후의 온도 (본질적으로 작동 온도)와 같은 충분히 높은 온도에서 일어나는 경우, 애노드 산화는 더욱 심각하게 관찰되고 연료 전지 시스템에 돌이킬 수 없는 성능 저하를 유발할 것이다. 산소는 고온에서 Ni 입자를 보다 빠르고 효과적으로 침투하여 애노드의 보다 큰 부피 변화를 가져옴으로써 애노드에 대한 미세 구조 손상이 더 커진다는 가설이 있다. 미세 구조 손상은 Ni 입자가 멤브레인 재료(즉, 전해질)로부터 분리되어 반응 삼중점(reactive triple point)의 이용 가능한 표면적을 감소시키며, 이에 의해 연료 전지 반응성 및 전체 효율 전력-생산 효율(overall efficiency power-production efficiency)을 감소시킬 수 있다.
부가적으로,애노드 산화의 효과는 반복적인 산화 및 환원 사이클, 특히 더욱 심각한 산화를 거치는 사이클에 의해 증폭될 수 있다. 시간이 지남에 따라, 고온 Ni 산화 및 이에 상응하는 애노드의 팽화는 단일 이벤트보다 더욱 심각한 손상을 초래할 수 있다. 이러한 손상은 이후 애노드의 수축을 야기하는 NiO의 환원에 의해 더욱 증폭될 수 있다. 궁극적으로, 이러한 영향들은 연료 전지층의 시각적 균열 및 연료 전지층들의 상호간 박리(분리)의 형태로 애노드에 대한 거시적-구조 손상을 유발할 수 있다. 거시적-구조 손상은 연료 누출로 인한 연료 전지 시스템의 치명적인 결함을 초래할 수 있다.
연료 전지 애노드의 Ni 산화 및 그 결과로 연료 전지 성능 저하를 회피하기 위한 한가지 해결책은 SOFC 시스템이 Ni 산화가 발생할 수 있는 온도 이상일 때마다 그리고 SOFC 연료가 연료 전지 시스템에 제공되지 않을 때마다 환원 가스(전이 가스로도 공지됨), 전형적으로는 H2와 N2의 혼합물을 연료 전지 애노드에 연속적으로 제공하는 것이다. 수소 가스는 캐소드로부터 흐르는 모든 산소 이온을 소모하며, 이로 인해 애노드가 300 ℃이상의 온도에서 산화되는 것을 방지한다. 결과적으로, 연료 전지 애노드는 이러한 접근법에서 초기 환원 후에 산화 조건에 결코 노출되지 않는다. 그러나, 이러한 해결책은 H2-농후한 전이 가스를 대량으로 필요로 하기 때문에 자원 집약적이며 비용이 많이 든다. 이러한 가스를 공급하기 위한 유일한 현실적인 수단은 파이프 라인 천연 가스와 공기를 H2와 CO의 풍부한 혼합물 (CO는 또한 O2를 소모함으로써 환원제로서 작용할 것임)로 촉매적으로 전환시키는 외부 시스템을 사용하는 것이다.
또 다른 해결책은 연료 전지 시스템에 역전류 바이어스(RCB)를 인가하는 것이다. RCB로부터의 역전류는 물에서 O2와 H2를 생성하고 O2를 캐소드로 다시 유도하여 애노드에서 수집하는 O2의 양을 감소시킨다. 연료 전지 시스템에 인가된 RCB는 정반응(H2와 O2의 반응으로부터 H2O의 생성)과 역반응(물을 H2와 O2로 분해하고 O2를 다시 캐소드로 유도)의 균형을 맞추기 위하여 제어될 수 있다.
전이 가스를 제공하고 연료 전지 시스템에 RCB를 인가하는 이들 두 가지 해결책은 H2-풍부한 전이 가스의 생성과 관련된 비용을 감소시키기 위해 결합될 수 있다. H2가 상기 언급한 RCB 유도 반응으로 생성될 수 있기 때문에, 연료 전지 시스템에 대해 외부에서 생성되고 연료 애노드로 공급되는 H2의 양은 크게 감소될 수 있다. 이론적으로, 캐소드으로부터 애노드로의 공기 확산 누출을 수용하고 전체 연료 전지 표면에 걸쳐 환원 가스의 적절한 분포를 보장하기 위하여 한정된 전이 가스가 항상 요구될지라도, 애노드는 외부에서 생성된 전이 가스를 제공하지 않고도 산화로부터 보호될 수 있다는 것이 가능하다.
이러한 조합된 해결 방식으로, 다량의 H2-농후한 전이 가스를 생성하는 것이 아닌, H2가 5 %이하 및 나머지가 N2 인 형태로 될 수 있는 환원 가스를 저장하기 위하여 가압된 병을 사용하는 것이 실현 가능하다. 저장된 전이 가스의 사용은 애노드를 보호하기 위해 필요한 외부에서 생성된 수소의 양이 감소되고 따라서 설비 장소에서 저장되는 전이 가스의 양이 합리적이기 때문에 실용적이다. 이러한 낮은 H2 농도를 갖는 전이 가스는 공기와 혼합될 때 폭발성 혼합물을 형성하는데 필요한 최저 농도 이하로 항상 떨어지기 때문에 모든 작동 모드에서 보다 안전하다. 그러나, 이러한 저장 가스에 대해 필요한 저장 공간은 여전히 바람직하지 않다. 또한, 예를 들어, 저장된 가스는 발전소의 매번 시동 및 정지 사이클 후에 자주 교체할 필요가 있을 수 있다.
따라서, 연료 전지 애노드를 심각한 Ni 산화로부터 보호하는데 필요한 환원 가스의 양을 최소화하면서 산화 사이클로부터의 연료 전지 저하를 방지하는, 작동 모드들 사이에서 SOFC 연료 전지 시스템을 전이시키는 새롭고 개선된 방법이 필요하다.
애노드 산화가 중간 온도(연료 전지 시스템의 작동 온도와 산화가 일어나지 않을 온도 사이의 온도) 또는 그 이하에서 일어나는 경우, 미세 구조 손상으로부터 기인한 전력 생산 효율 저하는 애노드의 재환원에 따라서 무의미할 것으로 밝혀졌다. 이러한 개선은 이러한 중간 온도에서 산소가 Ni 입자에 빠르게 또는 실질적으로 침투하지 않기 때문에 발생하는 것으로 가정된다. 이러한 감소된 침투는 Ni 입자의 표면 근처에 형성된 산소의 침투에 대해 불침투성인 상대적으로 얇은 산화물층에 의해 야기되어 Ni 입자로 더 많이 산화되는 것을 방지한다. 고온에서 일어날 수 있는 더욱 심각한 산화에 비해, 산화가 적을수록 Ni 입자의 부피 변화가 작아진다. 또한, 중간 온도에서 일어나는 Ni 산화는 작동 온도 근처에서 발생하는 Ni 산화보다 고온 환원 후에 보다 회복 가능한 반응성을 생성한다고 믿어진다. 마지막으로, 중간 온도에서 일어나는 산화는 고온 산화보다 거시적-구조 손상을 일으키기 어렵다.
본 원에서 개시된 방법은, 전술한 바와 같이, 애노드 Ni 산화가 고온 산화에 비해 덜 심각하고 가역적일 것으로 가정되는 중간 온도에서 연료 전지 산화를 허용한다. 연료 전지 애노드는 연료 전지 시스템이 그의 작동 온도 또는 그 근처의 온도로 가열된 후 전력 생산의 시작 직전에 즉시 환원될 수 있다. 본 원에 개시된 방법은 환원 가스가 연료 전지 애노드에 공급될 필요가 있는 양 및 시간을 크게 감소시킨다. 따라서, 연료 전지 시스템을 보호하기 위해 필요한 전이 가스의 저장량도 감소된다.
추가로, 덜 심각한 산화가 발생할 수 있는 중간 온도로 냉각되기 전 및 냉각되는 동안, 본 원에 개시된 방법은 연료 이용율을 제어하기 위해 RCB를 인가하며, 이에 따라서 전체 연료 전지 애노드 표면을 보호하는데 필요한 전이 가스의 유량을 최소화한다. 연료 이용율을 제어하면 애노드에서 발생하는 정방향 및 역방향 반응을 최적화할 수 있으므로 애노드 산화 위험이 있는 환원 가스 흐름의 변화를 수용할 수 있는 여유를 제공한다.
본 원에 기술된 추가적인 방법은 산화된 연료 전지 애노드를 효과적으로 환원시키기 위하여 RCB 및 수소 희박 전이 가스를 낮은 유량으로 이용한다. 일단 연료 전지 애노드가 환원(애노드 반응성 및 전도성 복원)되면, 작동은 RCB, 높은 연료 이용 및 낮은 유량의 수소 희박 전이 가스를 이용하여 잠깐 보호 모드로 전환될 수 있다.
RCB는 전체 연료 전지 표면을 보호하는데 필요한 전이 가스 유량을 최소화하기 위해 도움이 되는 비율인 50 % 근처의 연료 이용율을 산출하도록 적용될 수 있다. 연료 이용율을 거의 50 %로 제어하면 정반응(H2 소모) 및 역반응(H2 생성) 모두에 적합하며, 연료 전지 표면 산화의 위험을 일으킬 수 있는 가스 흐름을 감소시키는데 있어서 변화들을 처리하는 것에 대한 가장 많은 여유를 제공한다. 전체 연료 이용율을 측정하면 고온 애노드 산화를 효과적으로 방지하기 위해 최소량의 환원 가스를 적용할 수 있다.
또한, 본 원에 기술된 방법은 연료 전지 애노드를 환원시키는 방법을 제공한다. 산화된 연료 전지 애노드는 다시 환원되어야 하며 그렇지 않으면 전력 생산이 불가능하거나 또는 심각하게 방해받을 수 있다. RCB와의 조합으로 감소된 흐름의 수소 희박 전이 가스는 연료 전지 애노드를 효과적으로 환원시키는데 사용될 수 있다. 애노드를 환원시키는 이러한 방법은 보다 적은 가스를 사용할 뿐만 아니라, 수소 농도가 더 낮기(예를 들어, 5 % 미만) 때문에 본질적으로 안전하다. 연료 이용율은 연료 전지 애노드를 보다 효과적으로 환원시키기 위해보다 낮은 값(애노드에서 수소 농도를 증가시키기 위해)으로 제어될 수 있다. 일단 연료 전지가 재 활성화되면, 작동은 전술한 바와 같이 바람직한 연료 이용율이 약 50 %인 RCB를 사용하여 잠깐 보호 모드로 전환할 수 있다.
본원에 기술된 추가적인 방법은 전이 가스의 사용을 최소화하는 방식으로 환원된 연료 전지 시스템을 전력 생산 모드로 전이시킨다. 이들 방법은 SOFC 연료의 공급을 수용하기 위해 전이 가스의 유량을 증가시켜 충분히 높은 증기 대 탄소 비율을 산출하는 단계를 포함할 수 있다. 전력 생산 모드에서, 더 높은 연료 이용율이 사용될 수 있지만, 일반적으로 100 % 연료의 연료 이용율은 각각의 애노드에서 산소와 결합하기에 충분한 연료를 확보하는데 사용되지 않는다. 연료 전지가 활성화(환원)된 후 전이 가스를 절약하기 위해 가능한 한 빨리 전력 생산 모드로 전환하는 것이 바람직하다. 전력 생산 모드로의 전이는 SOFC 시스템에서 SOFC(작동) 연료의 양을 증가시키기 위해 충분히 높은 증기 대 탄소 비율을 산출하기 위하여 전이 가스의 증가된 유량을 필요로 할 수 있다. SOFC 시스템이 전력 생산 모드에 있을 때, 높은 연료 이용율은 전기 효율을 최적화하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 연료 이용율은 약 85 % 일 수 있다. 높은 연료 이용율은 작동 온도를 유지하는데 필요한 잔류열에 의해 제한된다.
본 발명의 다양한 실시예들은 상술된 연료 전지 저하 메카니즘을 회피하는 방식으로 애노드 산화 및 환원을 제어하기 위하여, 전이 연료의 변화량 및 인가된 역전류 바이어스(RCB)의 변화 크기를 사용하여 작동 모드들 사이에서 연료 전지 시스템을 전이시키기 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 일부 실시예에 따라서, 연료 전지 시스템을 작동 모드들 사이에서 전이하는 방법이 제공된다. 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택(stack), 애노드 루프(anode loop), 연료 공급 도관, SOFC 연료의 공급원, 전이 연료의 공급원, 캐소드 루프(cathode loop), 산화제 공급 도관 및 산화제 공급원을 포함할 수 있다. 연료 전지 스택은 복수의 고체 산화물 연료 전지를 포함할 수 있으며, 각각의 고체 산화물 연료 전지는 애노드, 캐소드 및 전해질을 포함한다. 애노드 루프는 블록 내 연료 공급 유로(in-block fueling flowpath), 애노드 이젝터, 연료 재순환 도관 및 결합된 연료 공급 도관을 포함할 수 있다. 블록 내 연료 공급 유로는 연료 공급 매니폴드, 연료 배기 매니폴드, 및 상기 연료 공급 매니 폴드 및 상기 연료 배기 매니 폴드와 유체 연통하는 하나 이상의 연료 공급 채널을 포함할 수 있으며, 각각의 애노드는 하나 이상의 상기 연료 공급 채널내에서 연료 흐름에 노출되어 있다. 애노드 이젝터는 연료 공급 입구, 연료 재순환 입구 및 결합된 연료 출구를 가질 수 있다. 연료 재순환 도관은 애노드 이젝터 연료 재순환 입구 및 블록 내 연료 공급 유로 연료 배기 매니폴드와 유체 연통할 수 있다. 결합된 연료 공급 도관은 애노드 이젝터 결합된 연료 출구 및 블록 내 연료 공급 유로 연료 공급 매니폴드와 유체 연통할 수 있다. 연료 공급 도관은 애노드 이젝터 연료 공급 입구와 유체 연통할 수 있다. SOFC 연료의 공급원은 연료 공급 도관과 유체 연통할 수 있다. 전이 연료의 공급원은 연료 공급 도관과 유체 연통할 수 있다. 캐소드 루프는 블록 내 산화 유로, 캐소드 이젝터, 산화제 재순환 도관, 결합된 산화제 공급 도관 및 열원을 포함할 수 있다. 블록 내 산화 유로는 산화제 공급 매니폴드, 산화제 배기 매니폴드, 및 산화제 공급 매니폴드 및 산화제 배기 매니폴드와 유체 연통하는 하나 이상의 산화 채널을 포함할 수 있으며, 각각의 캐소드는 하나 이상의 산화 채널내에서 산화 흐름에 노출되어 있다. 캐소드 이젝터는 산화제 공급 입구, 산화제 재순환 입구 및 결합된 산화제 출구를 가질 수 있다. 산화제 재순환 도관은 캐소드 이젝터 산화제 재순환 입구 및 블록 내 산화 유로 산화제 배기 매니폴드와 유체 연통할 수 있다. 결합된 산화제 공급 도관은 캐소드 이젝터 결합된 산화제 출구 및 블록 내 산화 유로 산화제 공급 매니폴드와 유체 연통할 수 있다. 열원은 캐소드 루프내에 흐르는 산화제를 가열하도록 배치될 수 있다. 산화제 공급 도관은 캐소드 이젝터 산화제 공급 입구와 유체 연통할 수 있다. 산화제 공급원은 산화제 공급 도관과 유체 연통할 수 있다.
연료 전지 시스템의 작동 모드들 사이의 전이 방법은 연료 전지 시스템을 셧-다운 모드에서 고온 대기 모드로 전이시킬 수 있다. 셧-다운 모드에서, 산화제는 주위 온도에서 캐소드 루프를 통해 유동할 수 있고, 연료는 애노드 루프에서 유동하지 않을 수 있고, RCB는 연료 전지 스택에 인가될 수 없다. 고온 대기 모드에서, 산화제는 고온 대기 온도에서 캐소드 루프를 통해 흐를 수 있고, 전이 연료는 애노드의 산화를 방지하기에 충분한 질량 유량으로 공급원으로부터 애노드 루프로 흐를 수 있으며, RCB는 연료 전지 스택에 인가될 수 있으며, 애노드 연료 이용율은 애노드-보호 연료 이용 범위내에 있다. 상기 방법은 상기 캐소드 루프를 통해 산화제의 흐름을 유지하는 단계; 상기 캐소드 루프를 통해 흐르는 상기 산화제의 질량 유량 및 온도를 제어함으로써 상기 연료 전지 스택의 가열을 제어하는 단계; 상기 연료 전지 스택의 온도가 주위 온도와 고온 대기 온도 사이의 소정의 온도에 도달할 때, 애노드 산화를 방지하기에 충분한 질량 유량으로 상기 전이 연료를 상기 애노드 루프내로 유동시키는 단계; 상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 소정의 온도에 있거나 또는 그 아래에 있을 때, 상기 연료 전지 스택에 RCB를 인가하는 단계; 및 연료 전지 스택의 온도가 고온 대기 온도에 도달할 때까지 캐소드 루프를 통해 흐르는 산화제의 질량 유량 및 온도를 제어함으로써 연료 전지 스택의 가열의 제어를 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
연료 전지 시스템의 작동 모드들 사이의 전이 방법은 연료 전지 시스템을 산화 조건의 애노드를 갖는 고온 대기 모드로부터 환원 조건의 애노드를 갖는 고온 대기 모드로 전이시킬 수 있다. 산화 조건의 애노드를 갖는 고온 대기 모드에서, 산화제는 고온 대기 온도에서 캐소드 루프를 통해 유동할 수 있고, 전이 연료는 애노드 루프내에 유동하지 않을 수 있으며, SOFC 연료는 애노드 루프내에서 흐르지 않는다. 환원 조건의 애노드를 갖는 고온 대기 모드에서, 산화제는 고온 대기 온도에서 캐소드 루프를 통해 흐를 수 있고, 전이 연료는 공급원으로부터 애노드 루프로 흐를 수 있으며, RCB는 연료 전지 스택에 인가될 수 있고, 애노드 연료 이용율은 애노드 환원 범위내에 있을 수 있다. 상기 방법은 캐소드 루프를 통해 산화제의 흐름을 유지하는 단계, 캐소드 루프를 통해 흐르는 산화제의 질량 유량 및 온도를 제어함으로써 연료 전지 스택의 온도를 제어하는 단계, 질량 유량으로 전이 연료를 애노드 루프내로 유동시키는 단계, 연료 전지 스택에 RCB를 인가하는 단계, 및 애노드가 실질적으로 환원된 조건에 있을 때까지 전이 연료의 질량 유량 및 RCB의 크기를 제어함으로써 애노드 연료 이용율을 제어하는 단계를 포함한다.
연료 전지 시스템의 작동 모드들 사이의 전이 방법은 연료 전지 시스템을 환원 조건의 애노드를 갖는 고온 대기 모드로부터 전력-준비 고온 대기 모드로 전이시킬 수 있다. 환원 조건의 애노드를 갖는 고온 대기 모드에서, 산화제는 고온 대기 온도에서 캐소드 루프를 통해 흐를 수 있으며, SOFC 연료는 애노드 루프로 흐르지 않을 수 있고, RCB는 연료 전지 스택에 인가될 수 있으며, 전이 연료는 상대적으로 낮은 질량 유량으로 애노드 루프내로 유동할 수 있고, 애노드 연료 이용율은 35 % 내지 65 % 범위일 수 있다. 전력-준비 고온 대기 모드에서, 산화제는 고온 대기 온도에서 캐소드 루프를 통해 유동할 수 있고, SOFC 연료는 전체 부하 질량 유량 중 2 % 내지 5 % 범위의 질량 유량으로 애노드 루프내로 유동할 수 있고, 전이 연료는 상대적으로 높은 질량 유량으로 애노드 루프내로 유동할 수 있고, RCB는 연료 전지 스택에 인가될 수 없고, 애노드 연료 이용율은 35 % 내지 90 % 범위일 수 있다. 상기 방법은 캐소드 루프를 통해 산화제의 흐름을 유지하는 단계, 캐소드 루프를 통해 흐르는 산화제의 질량 유량 및 온도를 제어함으로써 연료 전지 스택의 온도를 제어하는 단계, 질량 유량이 전체 부하 질량 유량 중 1 % 내지 5 %의 전력-준비 고온 대기 범위에 있을 때까지 점진적으로 증가하는 질량 유량으로 SOFC 연료를 애노드 루프로 유동시키는 단계, 상대적으로 높은 질량 유량으로 전이 연료를 애노드 루프내로 유동시키는 단계, RCB가 0이고 애노드 루프내로의 SOFC 연료의 질량 유량이 전력-준비 고온 대기 범위내에 있을 때까지 SOFC 연료의 질량 유량을 점진적으로 증가시키면서 점진적으로 감소하는 RCB를 인가하는 단계, 및 RCB의 크기 또는 전이 연료의 질량 유량 및 애노드 루프내로의 SOFC 연료의 질량 유량을 제어함으로써 애노드 연료 이용율을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
연료 전지 시스템의 작동 모드들 사이의 전이 방법은 연료 전지 시스템을 전력-준비 고온 대기 모드에서 셧-다운 모드로 전이시킬 수 있다. 전력-준비 고온 대기 모드에서, 산화제는 고온 대기 온도에서 캐소드 루프를 통해 흐를 수 있고, SOFC 연료는 애노드 루프로 흐르지 않을 수 있으며, 전이 연료는 애노드의 산화를 방지하기에 충분한 질량 유량으로 공급원으부터 애노드 루프내로 흐를 수 있고, RCB는 연료 전지 스택에 인가될 수 있고, 애노드 연료 이용율은 약 35 % 내지 약 65 % 범위일 수 있다. 셧-다운 모드에서, 산화제는 주위 온도에서 캐소드 루프를 통해 흐를 수 있고, SOFC 연료는 애노드 루프로 흐르지 않을 수 있으며, 전이 연료는 애노드 루프로 흐르지 않을 수 있으며, RCB는 연료 전지 스택에 인가될 수 없다. 상기 방법은 캐소드 루프를 통해 산화제의 흐름을 유지하는 단계, 캐소드 루프를 통해 흐르는 산화제의 질량 유량 또는 온도를 제어함으로써 연료 전지 스택의 냉각을 제어하는 단계, 애노드 산화를 방지하기에 충분한 유량으로 애노드 루프내로의 전이 연료의 흐름을 유지하는 단계, 연료 전지 스택의 온도가 고온 대기 온도와 주위 온도 사이의 소정의 온도로 낮아질 때 연료 전지 스택에 대한 RCB의 인가를 유지하는 단계, 상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 소정 온도 이하에 있을 때 애노드 루프내로의 전이 연료의 흐름을 중단시키는 단계, 상기 연료 전지 스택에 대한 RCB의 인가를 중단시키는 단계, 및 상기 연료 전지 스택의 온도가 주위 온도에 있을 때까지 캐소드 루프를 통해 흐르는 산화제의 질량 유량 또는 온도를 제어함으로써 상기 연료 전지 스택의 냉각의 제어를 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라서, 연료 전지 시스템을 셧-다운 모드에서 고온 대기 모드로 전이시키는 방법이 제공된다. 연료 전지 시스템은 복수의 고체 산화물 연료 전지(각각의 연료 전지는 전해질에 의해 이격된 애노드 및 캐소드를 포함함)를 포함하는 연료 전지 스택, 애노드에 연료를 공급하기 위한 애노드 루프 및 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 캐소드 루프를 포함한다. 셧-다운 모드에서 연료 전지 시스템의 조건은 산화제가 주위 온도에서 전체 부하 질량 유량 중 약 50 % 내지 100 % 범위의 질량 유량으로 캐소드 루프를 통해 흐르고, 연료가 애노드 루프내에서 유동하지 않고, RCB가 연료 전지 스택에 인가되지 않는 것을 포함할 수 있다. 고온 대기 모드에서 상기 연료 전지 시스템의 조건은 산화제가 800 ℃ 내지 1000 ℃ 범위의 온도에서 전체 부하 질량 유량의 약 50 % 내지 100 % 범위의 질량 유량으로 상기 캐소드 루프를 통해 흐르고, 전이 연료가 애노드의 산화를 방지하기에 충분한 질량 유량으로 공급원으로부터 애노드 루프로 흐르고, RCB가 연료 전지 스택에 인가되고, 애노드 연료 이용율이 애노드-보호 연료 이용율 범위에 있는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 전체 부하 질량 유량의 약 50 % 내지 100 % 범위의 질량 유량에서 캐소드 루프를 통해 산화제의 유동을 유지하는 단계, 캐소드 루프를 통해 흐르는 산화제의 질량 유량 및 온도를 제어함으로써 주위 온도에서부터 600 ℃ 내지 700 ℃ 범위의 소정의 온도로 연료 전지 스택의 가열을 제어하는 단계, 연료 전지 스택이 주위 온도와 고온 대기 온도 사이에서 소정의 온도에 도달할 때 애노드의 산화를 방지하기에 충분한 질량 유량으로 전이 연료를 애노드 루프내로 유동시키는 단계, 상기 연료 전지 스택의 온도가 소정의 온도에 도달할 때 또는 그 보다 일찍 도달할 때 상기 연료 전지 스택에 RCB를 인가하는 단계, 및 캐소드 루프를 통해 흐르는 산화제의 질량 유량 및 온도를 제어함으로써 상기 소정의 온도에서부터 800 ℃ 내지 1000 ℃ 범위의 고온 대기 온도로 상기 연료 전지 스택의 상기 가열을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라서, 연료 전지 시스템의 작동 모드들 사이에서 전이하는 방법이 제공되며, 상기 연료 전지 시스템은 복수의 고체 산화물 연료 전지(각각의 연료 전지는 전해질에 의해 이격된 애노드 및 캐소드를 포함함)를 포함하는 연료 전지 스택, 애노드에 연료를 공급하기 위한 애노드 루프 및 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 캐소드 루프를 포함한다. 전이의 시작에서 연료 전지 시스템의 조건은 애노드가 산화 조건에 있고, 산화제가 800 ℃ 내지 1000 ℃ 범위의 고온 대기 온도에서 캐소드 루프를 통해 흐르고, SOFC 연료가 애노드 루프내에서 유동하지 않고, RCB가 연료 전지 스택에 인가되지 않는 다는 것이다. 전이 종료시에 연료 전지 시스템의 조건은 애노드가 환원 조건에 있고, 산화제가 800 ℃ 내지 1000 ℃ 범위의 온도에서 전체 부하 질량 흐름 중 약 50 % 내지 100 % 범위의 질량 흐름으로 캐소드 루프를 통해 흐르고, 전이 연료가 공급원으로부터 애노드 루프 내로 유동하고, RCB가 연료 전지 스택에 인가되고, 애노드 연료 이용율이 5 % 내지 35 % 범위의 온도에 있는 것을 포함한다. 상기 방법은 전체 부하 질량 유량 중 약 50 % 내지 100 % 범위의 질량 유량으로 캐소드 루프를 통해 산화제의 흐름을 유지하는 단계, 캐소드 루프를 통해 흐르는 산화제의 질량 유량 및 온도를 제어함으로써 연료 전지 스택의 온도를 800 ℃ 내지 1000 ℃의 범위내에서 제어하는 단계, 상기 전이 연료를 상기 애노드 루프내로 유동시키는 단계, 상기 연료 전지 스택에 RCB를 인가하는 단계, 및 상기 애노드가 실질적으로 환원 조건으로 될 때까지 상기 전이 연료의 질량 유량 및 상기 RCB의 크기를 제어함으로써 애노드 연료 이용율을 35 % 내지 65 %의 범위로 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라서, 연료 전지 시스템의 작동 모드들 사이에서 전이하는 방법이 제공되며, 상기 연료 전지 시스템은 복수의 고체 산화물 연료 전지(각각의 연료 전지는 전해질에 의해 이격된 애노드 및 캐소드를 포함함)를 포함하는 연료 전지 스택, 애노드에 연료를 제공하기 위한 애노드 루프 및 캐소드에 산화제를 제공하기 위한 캐소드 루프를 포함한다. 전이의 시작에서 연료 전지 시스템의 조건은 산화제가 800 ℃ 내지 1000 ℃ 범위의 온도에서 캐소드 루프를 통해 흐르고, SOFC 연료가 애노드 루프내로 유동하지 않고, RCB가 연료 전지 스택에 인가되고, 전이 연료가 상대적으로 낮은 질량 유량으로 애노드 루프내로 흐르고, 애노드 연료 이용율이 35 % 내지 65 % 범위에 있는 것을 포함한다. 전이의 종료시 연료 전지 시스템의 조건은 산화제가 800 ℃ 내지 1000 ℃ 범위의 온도에서 캐소드 루프를 통해 흐르고, SOFC 연료가 전체 부하 질량 유량 중 약 3 %의 질량 유량으로 애노드 루프내로 유동하고, 전이 연료가 상대적으로 높은 질량 유량으로 애노드 루프내로 유동하고, RCB가 연료 전지 스택에 인가되지 않고, 애노드 연료 이용율이 35 % 내지 90 % 범위에 있는 것을 포함한다. 상기 방법은 전체 부하 질량 유량 중 약 50 % 내지 100 % 범위의 질량 유량으로 상기 캐소드 루프를 통해 산화제를 유동시키는 단계, 캐소드 루프를 통해 흐르는 산화제의 질량 유량 및 온도를 제어함으로써 상기 연료 전지 스택의 온도를 800 ℃ 내지 1000 ℃의 범위내로 제어하는 단계, 질량 유량이 전체 부하 질량 유량의 약 3 %가 될 때까지 점진적으로 증가하는 질량 유량으로 SOFC 연료를 애노드 루프내로 유동시키는 단계, 상대적으로 높은 질량 유량으로 상기 전이 연료를 상기 애노드 루프내로 유동시키는 단계, SOFC 연료의 질량 유량이 전체 부하 질량 유량 중 약 3 %일 때 RCB가 0이 되도록 상기 SOFC 연료의 질량 유량을 점진적으로 증가시키면서 상기 연료 전지 스택에 점진적으로 감소하는 RCB를 인가하는 단계, 및 RCB의 크기 또는 전이 연료의 질량 유량 및 내노드 루프내로의 SOFC 연료의 질량 유량을 제어함으로써 애노드 연료 이용율을 35 % 내지 90 %의 범위로 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라서, 연료 전지 시스템을 전력-준비 고온 대기 모드에서 셧-다운 모드로 전이시키는 방법이 제공되며, 여기서,연료 전지 시스템은 복수의 고체 산화물 연료를 포함하는 연료 전지 스택(각각의 연료 전지는 전해질에 의해 이격된 애노드 및 캐소드를 포함함), 애노드에 연료를 제공하기 위한 애노드 루프, 및 캐소드에 산화제를 제공하기 위한 캐소드 루프를 포함한다. 전력-준비 고온 대기 모드에서 연료 전지 시스템의 조건은 산화제가 800 ℃ 내지 1000 ℃ 범위의 온도에서 전체 부하 질량 유량 중 약 50 내지 100 % 범위의 질량 유량으로 캐소드 루프를 통해 흐르고, SOFC 연료가 애노드 루프내로 흐르지 않고, 전이 연료가 애노드의 산화를 방지하기에 충분한 질량 유량으로 공급원으로부터 애노드 루프로 유동하고, RCB가 연료 전지 스택에 인가되고,애노드 연료 이용율이 약 35 % 내지 약 65 %의 범위에 있는 것을 포함한다. 셧-다운 모드에서의 연료 전지 시스템의 조건은 산화제가 주위 온도에서 전체 부하 질량 유량 중 약 50 % 내지 100 % 범위의 질량 유량으로 캐소드 루프를 통해 흐르고, SOFC 연료가 애노드 루프내로 흐르지 않고, 전이 연료가 전이 연료 공급원으로부터 흐르지 않고, RCB가 연료 전지 스택에 인가되지 않는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 전체 부하 질량 유량 중 약 50 내지 100 % 범위의 질량 유량으로 캐소드 루프를 통해 산화제의 흐름을 유지하는 단계, 캐소드 루프를 통해 흐르는 산화제의 질량 유량 또는 온도를 제어함으로써 주위 온도로의 연료 전지 스택의 냉각을 유지하는 단계, 450 ℃ 내지 700 ℃ 범의의 소정의 온도로 연료전지 스택을 냉각시키는 동안 애노드 산화를 방지하기에 충분한 질량 유량으로 애노드 루프내로의 전이 연료의 유동을 유지한 다음, 연료 전지 스택의 온도가 상기 소정의 온도에 있을 때 애노드 루프내로의 전이 연료의 유동을 중단시키는 단계, 및 상기 소정의 온도 또는 그 이하의 온도로 연료 전지 스택의 냉각 중에 연료 전지 스택으로의 RCB의 인가를 유지한 다음,연료 전지 스택으로의 RCB의 인가를 중단시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라서, 주위 온도에서 셧-다운 모드(여기서 연료 전지의 애노드는 산화된 금속 연료 전지가 실질적으로 없다)로부터 800 ℃ 내지 1000 ℃ 범위의 온도에서 고온 대기 모드(여기서 연료 전지의 애노드는 산화된 금속을 포함한다)로 복수의 연료 전지를 포함하는 스택을 갖는 연료 전지 시스템의 전이 방법이 제공된다. 상기 방법은 상기 연료 전지 시스템의 캐소드 루프내에서 산화제를 유동시키는 단계, 상기 캐소드 루프내에 흐르는 상기 산화제를 가열하여 상기 연료 전지 스택의 가열을 수행하는 단계, 상기 연료 전지 스택이 고온 대기 모드 온도보다 낮은 소정의 온도까지 가열하면서 상기 연료 전지의 애노드에 함유된 금속의 산화를 허용하는 단계, 및 상기 연료 전지 스택이 소정의 온도 또는 그 이하의 온도에 있는 동안 RCB를 연료 전지 스택에 인가하고 상기 애노드에서 상기 금속의 산화를 방지하기에 충분한 질량 유량으로 상기 연료 전지 시스템의 애노드 루프내에 전이 연료를 유동시킴으로써, 연료 전지 스택이 소정의 온도에서부터 대기 온도로 가열하는 동안 상기 연료 전지의 애노드들에서 상기 금속의 추가 산화를 억제하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 800 ℃ 내지 1000 ℃ 범위의 고온 대기 온도에서 산화된 조건에 있는 연료 전지 애노드를 실질적으로 환원된 조건으로 환원시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은 연료 전지 시스템의 캐소드 루프내에서 산화제를 유동시키는 단계, 캐소드 루프내에 흐르는 산화제의 온도를 제어하여 연료 전지의 온도를 제어하는 단계, 전이 연료를 연료 전지 시스템의 애노드 루프내로 유동시키는 단계, 연료 전지에 RCB를 인가하는 단계, 애노드 연료 이용율을 5 % 내지 35 % 범위로 유지하기 위해 전이 연료의 질량 유량 및 RCB의 크기를 제어하여 애노드를 환원시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라서, 800 ℃ 내지 1000 ℃ 범위의 고온 대기 온도에서 RCB가 연료 전지에 인가되는 작동 모드로부터 RCB가 연료 전지에 더 이상 인가되지 않는 작동 모드로 연료 전지 시스템을 전이시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은 연료 전지 시스템의 캐소드 루프내에 산화제를 유동시키는 단계, 캐소드 루프에 흐르는 산화제의 온도를 제어하여 연료 전지의 온도를 제어하는 단계, 전이 연료를 연료 전지 시스템의 애노드 루프내로 유동시키는 단계, 질량 유량이 전체 부하 질량 유량의 약 3 %가 될 때까지 점진적으로 증가하는 질량 유량으로 SOFC 연료를 연료 전지 시스템의 애노드 루프내로 유동시키는 단계, SOFC 연료의 질량 유량이 전체 부하 질량 유량의 약 3 %가 될 때 RCB가 0이 되도록 SOFC 연료의 질량 유량을 점진적으로 증가시키면서 점진적으로 감소하는 RCB를 연료 전지 스택에 인가하는 단계, 및 RCB의 크기, 및 선택적으로 애노드 루프내로의 전이 연료의 질량 유량 및 SOFC 연료의 질량을 제어함으로써 애노드 연료 이용율을 35 % 내지 90 %의 범위로 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라서, 연료 전지의 애노드가 산화된 금속이 실질적으로 없는 800 ℃ 내지 1000 ℃ 범위의 온도에서의 전력-준비 고온 대기 모드로부터 연료 전지의 애노드가 산화된 금속을 포함하는 주위 온도에서의 셧-다운 모드로 복수의 연료 전지를 포함하는 스택을 갖는 연료 전지 시스템을 전이시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은 연료 전지 시스템의 캐소드 루프에 산화제를 유동시키는 단계, 캐소드 루프에서 흐르는 산화제의 질량 유량 또는 온도를 제어하여 연료 전지 스택의 냉각을 수행하는 단계, 연료 전지 스택이 소정의 온도 이상에 있는 동안 연료 전지 스택에 RCB를 인가하고 상기 애노드에서 금속의 산화를 방지하기에 충분한 질량 유량으로 상기 연료 전지 시스템의 애노드 루프에서 전이 연료를 유동시킴으로써, 상기 연료 전지 스택이 고온 대기 온도로부터 소정의 온도로 냉각되는 동안 연료 전지의 애노드내에서 금속의 산화를 억제하는 단계, 및 애노드 루프내에서 전이 연료의 흐름을 중단시킴으로써 상기 연료 전지 스택이 상기 소정의 온도로부터 주위 온도로 냉각되는 동안 연료 전지의 애노드에 함유된 금속의 산화를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템의 일 실시예의 일부 구성 요소의 블록도이다.
도 2는 도 1의 연료 전지 시스템의 SOFC 유닛의 블록도이다.
도 3은 도 1의 SOFC 시스템의 일부 구성 요소들의 블록도이다.
도 4 및 4a는 셧-다운 모드에서 고온 대기 모드로 전이하기 위하여 도 1의 SOFC 시스템을 작동시키는 두 가지 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5는 고온 대기 모드에서 전력-준비 고온 대기 작동 모드로 전이하기 위하여 도 1의 SOFC 시스템을 작동시키는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 6은 전력-준비 고온 대기 작동 모드로부터 작동 모드로 전이하기 위하여 도 1의 SOFC 시스템을 작동시키는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 7은 작동 모드에서 전력-준비 고온 대기 모드로 전이하기 위하여 도 1의 SOFC 시스템을 작동시키는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 8은 전력-준비 고온 대기 모드로부터 셧-다운 모드로 전이하기 위하여 도 1의 SOFC 시스템을 작동시키는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 9는 작동 모드에서 셧-다운 모드로 전이하기 위하여 도 1의 SOFC 시스템을 작동시키는 방법을 도시하는 흐름도이다.
본 명세서에서 설명된 특징, 방법, 장치 및 시스템은 다양한 형태로 구현될 수 있지만, 도면은 도시하고 상세한 설명은 일부 예시적이고 비-제한적인 실시예를 기술한다. 도면들에 도시되고 기술된 모든 구성 요소들 및 상세한 설명들이 요구될 수 있는 것은 아니며, 일부 구현예들은 명시적으로 도시되고 설명된 구성 요소들과 다르거나 또는 보다 적은 구성 요소들을 포함할 수 있다. 구성 요소들의 배열 및 형태의 변형; 구성 요소들의 형상, 크기 및 재료; 구성 요소들의 부착 및 연결의 방식은 본 명세서에 기재된 청구 범위의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 본 명세서는 본 원에 교시되고 당업자에 의해 이해되는 기술의 원리에 따라 전체적으로 취해지고 해석되도록 의도된다.
예를 들어, 본 원에 기술된 시스템 및 방법들은 Ni계 애노드를 갖는 SOFC에 국한되지 않는다. 체적-변화 산화를 받는 애노드를 갖는 어떠한 연료 전지 시스템이라도 산화로부터 애노드의 체적 성장을 완화시키는 보호 산화층을 형성하는 본 원에 기술된 방법으로부터 이익을 얻을 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들은 상기 기술된 연료 전지 저하 메커니즘을 회피하는 방식으로 애노드 산화 및 환원을 제어하기 위하여 전이 연료의 변화량 및 인가된 역전류 바이어스의 변화 크기를 사용하여 작동 모드들 사이에서 연료 전지 시스템을 전이시키기 위한 방법을 제공한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템(100) 및 그의 구성 요소들의 일 실시예를 도시한다. SOFC 시스템이 본 원에 기술된 예들에서 설명되었지만, 본 발명은 임의의 다른 적합한 연료 전지 시스템으로도 구현될 수 있다. SOFC 시스템(100)은 산화제 흐름 제어 장치(102a), 전이 연료 흐름 제어 장치(104a), SOFC 연료 흐름 제어 장치(106a), 캐소드 이젝터(110), 애노드 이젝터(120), 예비 개질기(130), 개질기(140), SOFC 유닛(180; "연료 전지 스택"으로도 공지되어 있음), 열원(185), 제어기(190), 하나 이상의 온도 센서(195), 연료 이용 센서(196)로서 작용할 수 있는 하나 이상의 연료 흐름 측정, 전류 및/또는 전압 센서, 및 외부 전원(200)(이것은 배터리 또는 A/C 또는 D/C 전원과 같은 임의의 적합한 전원일 수 있다)을 포함한다. SOFC 시스템(100)은 전력을 전기 부하에 제공하기 위하여 (임의의 적합한 구성 요소일 수 있는) 외부 전기 부하(300)에 전기적으로 접속 가능하다.
이하에서 상세히 설명하는 바와 같이, SOFC 시스템(100)은 (공기 또는 임의의 다른 적절한 산화제의 공급원과 같은) 산화제 공급원(102), 전이 연료 공급원(104) 및 SOFC 연료 공급원(106)에 유동적으로 연결 가능하다. 전이 연료 공급원(104)은 적어도 하나의 환원성 화합물을 포함하는 환원 가스 혼합물인 전이 연료의 공급원이다. 전이 연료는, 예를 들어, 약 1 % 내지 약 5 %의 수소, 약 70 % 내지 약 95 %의 질소 및 약 1 % 내지 약 5 %의 H2O(즉, 물)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 전이 연료는 프로텍 5 가스(Protec 5 gas)(약 5 %의 수소와 약 95 %의 질소의 혼합물)이다. SOFC 연료 공급원(106)은 수소, 탄화수소, 일산화탄소, 물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있는 SOFC 연료(또는 비-SOFC 실시예에서는 다른 적합한 작동 연료)의 공급원이다.
1. 구성 요소
산화제 흐름 제어 장치(102a)는 서로 유체 연통하는 산화제 입구 및 산화제 출구(도시되어 있지 않음)를 포함한다. 산화제 입구는 산화제 흐름 제어 장치(102a)가 산화제 공급원(102)으로부터 산화제를 끌어들일 수 있게하기 위해 산화제 공급원(102)에 유체적으로 연결 가능하다. 산화제 흐름 제어 장치(102a)는 OFCS 시스템(100)내로의 산화제의 질량 유량을 (직접 또는 간접적으로) 제어하도록 구성된 임의의 적합한 장치이다. 산화제 흐름 제어 장치(102a)는, 예를 들어 터보 기계, 압축기, 계량 밸브 또는 임의의 다른 적합한 시스템 또는 구성 요소(들), 예를 들어 임계 유동 오리피스 또는 상류측 감압 밸브와 조합된 임계 유동 오리피스를 포함할 수 있다.
전이 연료 흐름 제어 장치(104a)는 서로 유체 연통하는 전이 연료 입구 및 전이 연료 출구(도시되지 않음)를 포함한다. 전이 연료 입구는 전이 연료 흐름 제어 장치(104a)가 전이 연료 공급원(104)로부터 전이 연료를 수용할 수 있게 하기 위하여 전이 연료 공급원(104)에 유체 연결 가능하다. 전이 연료 흐름 제어 장치(104a)는 SOFC 시스템(100)내로의 전이 연료의 질량 유량을 (직접 또는 간접적으로) 제어하도록 구성된 임의의 적합한 장치이다. 전이 연료 흐름 제어 장치(104a)는, 예를 들어 터보 기계, 압축기, 계량 밸브 또는 임의의 다른 적합한 시스템 또는 구성 요소(들), 예를 들어 임계 유동 오리피스 또는 상류측 감압 밸브와 조합된 임계 유동 오리피스를 포함할 수 있다.
SOFC 연료 흐름 제어 장치(106a)는 서로 유체 연통하는 SOFC 연료 입구 및 SOFC 연료 출구(도시 생략)를 포함한다. SOFC 연료 입구는 SOFC 연료 흐름 제어 장치(106a)가 SOFC 연료 공급원(106)으로부터 SOFC 연료를 수용하게 할 수 있게 하기 위하여 SOFC 연료 공급원(106)에 유체 연결 가능하다. SOFC 연료 흐름 제어 장치(106a)는 SOFC 시스템(100)내로의 SOFC 연료의 질량 유량을 (직접적으로 또는 간접적으로) 제어하도록 구성된 임의의 적합한 장치이다. SOFC 연료 흐름 제어 장치(106a)는, 예를 들어 터보 기계, 압축기, 계량 밸브 또는 임의의 다른 적합한 시스템 또는 구성 요소(들), 예를 들어 임계 유동 오리피스 또는 상류측 감압 밸브와 조합된 임계 유동 오리피스를 포함할 수 있다.
캐소드 이젝터(110)는 구동 유체 입구(110a; "산화제 공급 입구"로도 알려짐), 흡입 유체 입구(110b; "산화제 재순환 입구"로도 알려짐) 및 서로 유체 연통하는 유체 출구(110c; "결합된 산화제 출구"로도 알려짐)을 포함한다. 캐소드 이젝터(110)는 상대적으로 고압의 구동 유체가 구동 유체 입구(110a)로 도입되고 상대적으로 저압의 흡입 유체가 흡입 유체 입구(110b)에서 존재할 때, 캐소드 이젝터(110)를 통한 구동 유체의 흐름이 구동 및 흡입 유체 입구(110a 및 110b)의 하류에 저압 영역(특정의 경우에는 진공)을 발생하도록 구성(예를 들어, 수렴/발산 노즐 구조 또는 임의의 다른 적합한 구조)된다. 이러한 저압 영역은 흡입 유체 입구(110b)로부터 흡입 유체를 흡입하고, 유체 출구(110c) 밖으로 유출되기 전에 흡입 유체를 구동 유체와 혼합하게 한다.
애노드 이젝터(120)는 구동 유체 입구(120a; "연료 공급 입구"로도 알려짐), 흡입 유체 입구(120b; "연료 재순환 입구"로도 알려짐) 및 서로 유체 연통하는 유체 출구(120c; "결합된 유체 출구"로도 알려짐)를 포함한다. 애노드 이젝터(120)는 상대적으로 고압의 구동 유체가 구동 유체 입구(120a)로 도입되고 상대적으로 저압의 흡입 유체가 흡입 유체 입구(120b)에서 존재할 때, 애노드 이젝터(120)를 통한 구동 유체의 흐름이 구동 및 흡입 유체 입구(120a 및 120b)의 하류에 저압 영역(특정의 경우에는 진공)을 발생하도록 구성(예를 들어, 수렴/발산 노즐 구조 또는 임의의 다른 적합한 구조)된다. 이러한 저압 영역은 흡입 유체 입구(120b)로부터 흡입 유체를 흡입하고, 유체 출구(120c) 밖으로 유출되기 전에 흡입 유체를 구동 유체와 혼합하게 한다.
예비 개질기(130)는 서로 유체 연통하는 연료 입구 및 연료 출구(도시 생략)를 포함한다. 예비 개질기(130)는 개질되지 않은 연료로부터 보다 높은 탄화수소를 제거하여 개질되지 않은 연료를 예비 개질된 연료로 전환시키도록 구성된 적합한 장치(단열 촉매 변환기와 같은)이다. 특정 실시예에서, 예비 개질기(130)는 전이 또는 SOFC 연료 및 흡입 유체에 존재하는 열 이외의 다른 열 입구없이 상기한 바와 같이 구성된다. 일부 실시예에서, SOFC 시스템은 예비 개질기를 포함하지 않는다.
개질기(140)는 (1) 서로 유체 연통하는 연료 입구 및 연료 출구(도시되지 않음)를 포함하는 저온측; 및 (2) 서로 유체 연통하는 산화제 입구 및 산화제 출구(도시되지 않음)를 포함하는 고온측을 포함한다. 개질기(140)는 고온측을 통해 산화제 입구에서 산화제 출구로 흐르는 상대적으로 고온의 산화제로부터 저온측을 통해 연료 입구에서 연료 출구로 이동하는 상대적으로 저온의 예비 개질된 연료로 열을 전달하도록 구성된다. 개질기(140)는 본 예시적인 실시예에서 (부분적으로) 역류식 열 교환기이지만, 다른 실시예에서는 개질기가 임의의 다른 적절한 유형의 열 교환기를 포함 할 수 있다. 예비 개질된 연료가 연료 입구로부터 연료 출구로 유동함에 따라, 개질기(140)는 촉매를 통해 예비 개질된 연료를 개질된 연료로 개질하도록 구성된다. 예비 개질된 연료의 가열은 촉매 전환 공정에 도움이 된다. 일부 실시예에서, 개질기(140)는 그 내부의 개질된 연료를 데우기 위하여 열 교환기로서 단독으로 기능할 수 있다. 예비 개질된 연료의 개질은 SOFC 유닛(180) 내에서 발생할 수 있다.
도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이, SOFC 유닛(180)은 다수의 개별적인 SOFC (180a, 180b, …, 180z-1 및 180z(z는 임의의 적절한 수이다))를 포함하며, 이들 각각은 Ni를 함유한 애노드(160) 및 전해질(170)을 사이에 삽입한 캐소드(150)를 포함한다. SOFC는 상호 접속부(도시 생략)를 통해 직렬로 서로 전기적으로 접속된다.
SOFC 유닛(180)은 서로 유체 연통하는 애노드 입구(160a)("연료 공급 매니폴드"로도 알려짐) 및 애노드 출구(160b)("연료 배기 매니폴드"로도 알려짐)를 포함한다. 애노드 입구(160a)와 애노드 출구(160b) 사이에는 하나 이상의 연료 공급 채널이 존재할 수 있다. 각각의 애노드는 하나 이상의 연료 공급 채널내에서 흐르는 연료에 노출된다. 애노드 입구(160a), 하나 이상의 연료 공급 채널 및 애노드 출구(160b)는 블록 내 연료 공급 유로로 알려져 있을 수도 있다.
SOFC 유닛(180)은 서로 유체 연통하는 캐소드 입구(150a)("산화제 공급 매니폴드"로도 알려짐) 및 캐소드 출구(150b)("산화제 배기 매니폴드"로도 알려짐)를 더 포함한다. 캐소드 입구(150a)와 캐소드 출구(150b) 사이에는 하나 이상의 산화 채널이 존재할 수 있다. 각각의 캐소드는 하나 이상의 산화 채널내에서 흐르는 산화제에 노출될 수 있다. 캐소드 입구(150a), 하나 이상의 산화 채널 및 캐소드 출구(150b)는 블록 내 산화 유로라고도 언급될 수 있다.
SOFC 유닛(180)은 외부 전기 부하(300)에 전력을 제공하기 위해 외부 전기 부하(300)에 전기적으로 접속 가능하다. 또한, SOFC 유닛(180)은 전원(200)이 역전류 바이어스(RCB)를 SOFC 유닛(180)에 인가할 수 있도록 전원(200)에 전기적으로 접속 가능하다. 인가된 RCB는 SOFC 유닛(180)을 통해 역전류를 유도한다. 인가된 RCB의 크기를 변화시키면 유도된 역전류의 크기도 변화한다. 일부 실시예에서, 전기 부하(300) 및 전원(200)은 동일한 것, 예를 들어 전력 그리드(power greed)일 수도 있다.
일반적으로, 작동시 산화제는 캐소드 입구(150a)에서 캐소드 출구(150b)로 흐르고 캐소드(150)를 통과하고, SOFC 연료(종종 전이 연료와 결합됨)는 애노드 입구(160a)로부터 애노드 출구(160b)로 흐르고 애노드(160)를 통과한다. 캐소드(150)는 산화제 중의 산소를 산소 이온으로 환원하여 전해질(170)을 통해 애노드(160)로 확산시킨다. 애노드(160)는 연료를 산화시켜 전기 부하(300)를 통해 흐르는 전자를 방출한다.
열원(185)은 SOFC 시스템(100)을 통해 흐르는 산화제를 가열하도록 구성된 열 교환기 또는 버너와 같은 임의의 적합한 장치이다.
제어부(190)는 메모리(도시되지 않음)와 통신 가능하게 접속된 CPU(Central Processing Unit)(도시되지 않음)를 포함한다. CPU는 SOFC 시스템(100)의 다양한 구성 요소들의 작동을 제어하기 위해 메모리상에 저장된 프로그램 코드 또는 명령들을 실행하도록 구성된다. CPU는 컨텐트-어드레서블 메모리; 디지털 신호 프로세서; 주문형 집적 회로; 필드-프로그래머블 게이트 어레이; 임의의 적합한 프로그래머블 로직 디바이스, 개별 게이트 또는 트랜지스터 로직; 개별 하드웨어 구성 요소; 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. CPU는 또한 디지털 신호 프로세서와 마이크로프로세서의 조합, 복수의 마이크로프로세서, 또는 디지털 신호 프로세서 코어와 결합한 하나 이상의 마이크로프로세서와 같은 이들 장치의 조합으로서도 구현될 수 있다.
메모리는 SOFC 시스템(100)의 기능을 지원하기 위해 필요에 따라 데이터를 저장, 유지 및 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 다양한 실시예에서, 메모리는 SOFC 시스템의 작동을 제어하기 위해 CPU에 의해 실행 가능한 프로그램 코드 또는 명령들을 저장한다. 메모리는 휘발성 메모리(예를 들어, 랜덤-액세스 메모리, 동적 랜덤-액세스 메모리 또는 정적 랜덤-액세스 메모리); 비-휘발성 메모리(예를 들어, 판독 전용 메모리, 마스크 판독 전용 메모리, 프로그래머블 판독 전용 메모리, 소거 가능한 프로그래머블 판독 전용 메모리, 전기적으로 소거 가능한 프로그래머블 판독 전용 메모리); 및/또는 비-휘발성 랜덤-액세스 메모리(예를 들어, 플래시 메모리, 솔리드 스테이트 스토리지)와 같은 임의의 적절한 데이터 저장 장치 또는 장치들을 포함한다.
온도 센서(들)(195)은 온도를 감지하고 감지된 온도를 나타내는 신호를 발생 및 전송하도록 구성된 열전쌍 또는 다른 적절한 유형의 온도 센서이다.
연료 이용 센서(들)(196)은 연료 이용 센서(196)로서 기능할 수 있는 연료 흐름 측정, 전류 및/또는 전압 센서 중 하나 이상일 수 있다. 연료 이용 센서(196)는 전류를 감지하고 감지된 전류를 나타내는 신호를 발생 및 전송하도록 구성되고, 연료 흐름을 감지하고 감지된 연료 흐름을 나타내는 신호를 발생 및 전송하도록 구성된 연료 흐름 센서와 결합하여 연료 이용율을 결정한다. 대안적으로, 낮은 H2 함량의 희박한 환원 가스를 사용하므로, 연료 이용 센서(196)는 전압을 감지하고 감지된 전압을 나타내는 신호를 발생 및 전송하도록 구성된 전압 센서일 수 있다.
2. 연 결
산화제 흐름 제어 장치(102a)의 산화제 입구는 산화제 공급원(102)에 유체 연결 가능하다. 산화제 흐름 제어 장치(102a)의 산화제 출구는 애노드 이젝터(110)의 구동 유체 입구(110a)와 유체 연통한다.
전이 연료 흐름 제어 장치(104a)의 전이 연료 입구는 전이 연료 공급원(104)에 유체 연결 가능하다. 전이 연료 흐름 제어 장치(104a)의 전이 연료 출구는 애노드 이젝터(120)의 구동 유체 입구(120a)와 유체 연통한다.
SOFC 연료 흐름 제어 장치(106a)의 SOFC 연료 입구는 SOFC 연료 공급원(106)에 유체 연결 가능하다. SOFC 연료 흐름 제어 장치(106a)의 SOFC 연료 출구는 애노드 이젝터(120)의 구동 유체 입구(120a)와 유체 연통하고 있다.
캐소드 이젝터(110)의 구동 유체 입구(110a)는 산화제 흐름 제어 장치(102a)의 산화제 출구와 유체 연통한다. 구동 유체 입구(110a) 상류의 산화제 유로는 산화제 공급 도관으로서 칭할 수 있다. 캐소드 이젝터(110)의 흡입 유체 입구(110b)는 개질기(140)의 산화제 출구와 유체 연통한다. 캐소드 이젝터(110)의 흡입 유체 입구(110b)와 개질기(140)의 산화제 출구 사이의 산화제 유로는 산화제 재순환 도관으로 칭할 수 있다. 일부 실시예에서, 흡입 유체 입구(110b)는 캐소드 출구(150b)와 직접 유체 연통 할 수 있다. 캐소드 이젝터(110)의 유체 출구(110c)는 SOFC 유닛(180)의 캐소드 입구(150a)와 유체 연통한다. 캐소드 이젝터(110)의 유체 출구(110c)와 SOFC 유닛(180)의 캐소드 입구(150a) 사이의 산화제 유로는 결합된 산화제 공급 도관으로 칭할 수 있다.
애노드 이젝터(120)의 구동 유체 입구(120a)는 전이 연료, 및 전이 연료의 SOFC 연료 출구 및 SOFC 연료 흐름 제어 장치 (104a 및 106a)와 각각 유체 연통한다. 구동 유체 입구(120a) 상류의 연료 유로(들)는 연료 공급 도관으로서 칭할 수 있다. 애노드 이젝터(120)의 흡입 유체 입구(120b)는 SOFC 유닛(180)의 애노드 출구(160b)와 유체 연통한다. 애노드 이젝터(120)의 흡입 유체 입구(120b)와 SOFC 유닛(180)의 애노드 출구(160b) 사이의 연료 유로는 연료 순환 도관으로서 칭할 수 있다. 애노드 이젝터(120)의 유체 출구(120c)는 예비 개질기(130)의 연료 입구와 유체 연통한다. 유체 출구(120c)와 애노드 입구(160a) 사이의 연료 유로는 결합된 연료 공급 도관으로서 불릴 수 있다.
예비 개질기(130)의 연료 입구는 애노드 이젝터(120)의 유체 출구(120c)와 유체 연통한다. 예비 개질기(130)의 연료 출구는 개질기(140)의 연료 입구와 유체 연통한다. 일부 실시예에서, 예비 개질기(130) 연료 출구는 예비 개질된 연료의 일부가 개질기(140)를 우회하여 애노드 입구(160a)에 직접 제공될 수 있도록 개질기(140)와 애노드 입구(160a) 모두와 유체 연통될 수 있다.
개질기(140)의 연료 입구는 예비 개질기(130)의 연료 출구와 유체 연통한다. 개질기(140)의 연료 출구는 SOFC 유닛(180)의 애노드 입구(160a)와 유체 연통한다. 개질기(140)의 산화제 입구는 SOFC 유닛(180)의 캐소드 출구(150b)와 유체 연통한다. 개질기(140)의 산화제 출구는 캐소드 이젝터(110)의 흡입 유체 입구(110b)와 유체 연통한다. 일부 실시예에서, 개질기(140)의 산화제 출구는 SOFC 시스템의 보조 부분(도시되지 않음)과 유체 연통될 수 있다.
SOFC 유닛(180)의 캐소드 입구(150a)는 캐소드 이젝터(110)의 유체 출구(110c)와 유체 연통한다. SOFC 유닛(180)의 캐소드 출구(150b)는 개질기(140)의 산화제 입구와 유체 연통한다. 일부 실시예에서, SOFC 유닛(180)의 산화제 출구(150b)는 캐소드 이젝터(110)의 흡입 유체 입구(110b)와 유체 연통할 수 있다. SOFC 유닛(180)의 애노드 입구(160a)는 개질기(140)의 연료 출구와 유체 연통한다. 일부 실시예에서, SOFC 유닛(180)의 애노드 입구(160a)는 예비 개질기(130)의 출구와 유체 연통할 수 있다. SOFC 유닛(180)의 애노드 출구(160b)는 애노드 이젝터(120)의 흡입 유체 입구(120b)와 유체 연통한다. 일부 실시예에서, SOFC 유닛(180)의 애노드 출구(160b)는 SOFC 시스템(100)의 보조 부분(도시되지 않음)과 유체 연통할 수 있다.
이러한 유체 연결은 가요성 및/또는 강성 튜브, 파이프, 라인 등을 통해 임의의 적절한 방식으로 이루어질 수 있다.
열원(185)은 SOFC 시스템(100)에서 흐르는 산화제와 열적으로 연통한다. 예를 들어, 열원(185)은 SOFC 시스템(100)에서 이동함에 따라 산화제를 운반하는 하나 이상의 유체 라인과 열적으로 연통될 수 있다. 일부 실시예에서, 열원(185)은 전이 및/또는 SOFC 연료를 위한 하나 이상의 연료 입구(도시되지 않음) 및 산화제 유로에서 흐르는 산화제 연료 혼합물을 점화시키기 위한 촉매(또는 다른) 연소기를 가질 수 있다.
외부 전원(200)은 SOFC 유닛(180)에 전기적으로 접속 가능하며, 캐소드(150)에서 애노드(160)으로 흐르는 역전류 유도하고 궁극적으로 접지되기 위하여 SOFC 유닛(180)에 RCB를 인가하도록 구성된다.
외부 전기 부하(300)는 SOFC 유닛(180)이 애노드(160)에서 캐소드(150)로 흐르는 전류의 형태로 전기 부하(300)에 전력을 제공할 수 있도록 SOFC 유닛(180)에 전기적으로 접속 가능하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제어기(190)는 산화제 흐름 제어 장치(102a)를 작동시켜 SOFC 시스템(100) 내로의 산화제의 질량 유량을 제어하기 위해 산화제 흐름 제어 장치(102a)에 작동 가능하게 연결된다. 제어기(190)는 전이 연료 흐름 제어 장치(104a)를 작동 시켜 SOFC 시스템(10)내로 전이 연료의 질량 유량을 제어하기 위해 전이 연료 흐름 제어 장치(104a)에 작동 가능하게 연결된다. 제어기(190)는 SOFC 연료 흐름 제어 장치(106a)를 작동시켜 SOFC 시스템(100)내로의 SOFC 연료의 질량 유량을 제어하기 위해 SOFC 연료 흐름 제어 장치(106a)에 작동 가능하게 연결된다. 제어기(190)는 열원(185)을 작동시켜 산화제를 가열하도록 열원(185)에 작동 가능하게 연결된다. 제어기(190)는 전원(200)이 SOFC 유닛(180)에 RCB를 인가할 때를 제어할 수 있고 RCB의 크기를 제어할 수 있도록, SOFC 유닛(180)에 전기적으로 접속 가능한 전원(200)에 작동 가능하게 연결된다. 제어기(190)는 SOFC 유닛(180)이 전기 부하(300)에 전력을 공급할 때를 제어할 수 있고 공급된 전력의 크기를 제어할 수 있도록, 전기 부하(300)에 전기적으로 접속 가능한 SOFC 유닛(180)에 작동 가능하게 연결된다.
제어기(190)는 온도 센서(들)(195) 및 연료 이용 연료 흐름, 전류 및/또는 전압 센서(들)(196)에 통신 가능하게 접속되어 이들 센서에 의해 생성된 신호를 수신한다.
3. 작 동
SOFC 시스템(100)은 후술하는 각종 모드, 예를 들어 고온 대기 모드, 전력-준비 고온 대기 모드, 정상 작동 모드, 및 셧-다운 모드에서 작동 가능하다.
본 명세서에서 사용되는 셧-다운 모드는 SOFC 시스템(100)이 작동하지 않고 주위 온도에 있는 상태를 지칭한다. 일부 실시예에서, 산화제는 주위 온도에서 상기 연료 전지 시스템(100)의 캐소드 루프를 통해 유동할 수 있다. 일부 실시예에서, 어떠한 산화제도 캐소드 루프를 통해 흐를 수 없다. 연료(전이 또는 SOFC)는 SOFC 시스템(100)의 애노드 루프에서 흐르지 않으며; 따라서, 전력이 SOFC 시스템(100)에 의해 생성되지 않으므로 연료가 사용되지 않는다. SOFC 유닛(180)의 연료 전지에는 RCB가 인가되지 않는다.
SOFC 시스템(100)이 고온 대기 모드에서 작동할 때, 시스템(100)은 고온 대기 온도(약 800 ℃ 내지 1000 ℃ 사이의 작동 온도일 수 있음)에 있다. SOFC 시스템(100)은 SOFC 유닛(180)의 캐소드 측에 산화제를 제공하지만, SOFC 유닛(180)의 애노드 측에는 SOFC 연료 또는 전이 연료를 제공하지 않는다. 결국, SOFC 유닛(180)에 의해 전력이 발생되지 않는다. 산화제는 SOFC 시스템(100)에 공급되어 SOFC 유닛(180)을 열원(185)과 조합하여 작동 온도로 유지시킨다. 열원(185)은 발전으로 발생된 열로부터 열 발생이 없기 때문에 필요하다.
SOFC 시스템(100)이 전력-준비 고온 대기 모드에서 작동할 때, SOFC 유닛(180)의 애노드는 환원된 상태에 있다. 산소가 작동 온도에서 애노드에서 축적하게 하는 경우 발생하는 애노드 산화를 피하기 위해, RCB는 SOFC 유닛(180)의 연료 전지에 인가되고, 전이 가스는 상대적으로 높은 질량 유량으로 SOFC 유닛(180)의 애노드에 공급된다. 후술하는 바와 같이, 전이 가스를 공급하는 것은 애노드에서 잉여의 수소를 생성하여 산소를 소모하고 신속한 애노드 산화를 방지하고 연료 전지 애노드가 산화된 상태에 있는 경우 애노드 환원을 자극한다. SOFC 연료는 전체 부하 설계 SOFC 연료 질량 유량 중 약 3 %의 비율로 SOFC 유닛(180)의 애노드에 공급된다. 애노드 연료 이용율은 약 80 %로 유지된다. 산화제는 설계 부하 질량 유량의 약 50 %의 비율로 SOFC 유닛(180)에 공급된다. 열원(185)은 작동하며 작동 온도에서 SOFC 유닛을 유지시킨다.
SOFC 시스템(100)이 정상 작동 모드에 있을 때, SOFC 유닛(180)은 약 800 ℃ 내지 1000 ℃ 사이의 작동 온도에 있고, SOFC 시스템(100)은 SOFC 유닛(180)의 캐소드 측에 산화제를 제공하며 SOFC 유닛(180)의 애노드 측에 SOFC 연료를 제공한다. 후속 반응들은 전기 부하(300)에 제공되는 전기를 발생시킨다.
셧-다운 모드에서 고온 대기 모드로, 고온 대기 모드에서 전력-준비 고온 대기 모드로, 전력-준비 고온 대기 모드에서 (정상) 작동 모드로, 다시 정상 작동 모드에서부터 셧-다운 모드와 전력-준비 고온 대기 모드로, 및 전력-준비 고온 대기 모드에서 셧-다운 모드로 SOFC 시스템(100)을 전이시키는 방법을 이하에 기술할 것이다. 이들 각각의 방법은 (1) 애노드의 과산화를 방지하고 따라서 상기 언급된 애노드 저하 메카니즘을 방지하는 목적, (2) 연료 이용율을 모니터링함으로써 전이 연료에 대한 의존성을 최소화하는 목적으로 수행된다.
각각의 적용 가능한 작동 모드에서, 산화제는 일반적으로 다음과 같이 SOFC 시스템(100)을 통해 유동한다. 제어기(190)는 산화제 흐름 제어 장치(102a)를 제어하여 특정 산화제 질량 유량에서 SOFC 시스템(100) 내로의 산화제의 흐름을 제어하도록 구성된다. 산화제 흐름 제어 장치(102a)는 산화제 공급원(102)으로부터 산화제를 끌어 당겨 산화제를 SOFC 시스템(100)의 캐소드 루프를 통해, 즉 캐소드 이젝터(110)내로 강제로 공급하도록 구성되며, 산화제는 캐소드 이젝터(110)로부터 SOFC 유닛(180)으로, SOFC 유닛(180)으로부터 개질기(140)로, 그리고 개질기(140)로부터 다시 캣소드 이젝터(110)로 공급된다. 일부 실시예에서, 산화제는 개질기(140)를 통과하지 않고 SOFC 유닛(180)으로부터 캐소드 이젝터(110)로 흐를 수 있다. 일부 실시예들에서, 산화제의 일부는 대기로 배출되거나, 개질기(140)를 통해 유동한 후에 보조 루프(도시되지 않음)에 제공되거나, 또는 양자 모두로 배출되거나 제공된다.
보다 구체적으로, 제어기(190)는 산화제 흐름 제어 장치(102a)를 제어하여 산화제 공급원(102)으로부터 산화제를 끌어 들여서 캐소드 이젝터(110)의 구동 입구(110a)에 산화제를 제공(즉, 캐소드 루프내로 산화제를 제공)하도록 구성된다. 상기 산화제는 상기 캐소드 이젝터(110)를 통해 유입되고 상기 흡입 유체 입구(110b)에서 수용된 캐소드 배기 가스와 혼합되어 상기 유체 출구(110c)로부터 상기 SOFC 유닛(180)의 캐소드 입구(150a)로 유입된다. 산화제는 SOFC 유닛(180)의 캐소드 입구(150a)로부터 SOFC 유닛(180)의 캐소드 출구(150b)로 흐른다. 캐소드 입구(150a)와 캐소드 출구(150b) 사이에는 산화제가 SOFC 유닛(180) 내의 다양한 연료 전지의 캐소드를 통해 흐른다. 제어기(190)는 열원(185)이 SOFC 유닛(180)의 캐소드 측을 통해 흐름에 따라 산화제를 가열하기 위하여 열원(185)을 제어할 수 있다. 결국, 가열된 산화제는 SOFC 유닛(180)내로 열을 전달하여 SOFC 유닛(180)의 온도를 상승시킨다. 산화제는 개질기(140)의 산화제 입구내로 흐르는 캐소드 배기 가스로서 SOFC 유닛(180)의 캐소드 출구(150b)를 빠져 나간다. 캐소드 배기 가스는 상기 개질기 (140)를 통해 흐르고 상기 개질기(140)의 산화제 출구를 빠져 나가고 상기 캐소드 이젝터(110)의 흡입 유체 입구(110b)로 흐르고 SOFC 유닛(180)의 캐소드 입구(150a)로 되돌아 간다.
일반적으로, 전이 연료는 다음과 같이 SOFC 시스템(100)을 통해 흐른다. 제어기(190)는 전이 연료 흐름 제어 장치(104a)를 제어하여 특정 전이 연료 질량 유량에서 SOFC 시스템(100) 내로의 전이 연료의 흐름을 제어하도록 구성된다. 전이 연료 흐름 제어 장치(104a)는 전이 연료 공급원(104)으로부터 전이 연료를 수용하여 전이 연료를 SOFC 시스템(100)의 애노드 루프를 통해, 즉 애노드 이젝터(120)내로 강제로 공급하도록 구성되며, 전이 연료는 애노드 이젝터(120)로부터 예비 개질기(130)로, 예비 개질기(130)로부터 개질기(140)로, 개질기(140)로부터 SOFC 유닛(180)으로, 그리고 SOFC 유닛(180)으로부터 다시 애노드 이젝터(120)로 공급된다. 일부 실시예에서, 상기 기술된 바와 같이, 예비 개질기(130)를 빠져 나가는 연료는 일부 연료가 SOFC 유닛(180)에 진입할 때 개질되지 않을 수도 있도록 개질기(140) 주위로 유동하여 SOFC 유닛(180)에 직접 공급될 수 있다. 일부 실시예에서, 개질기(140)는 열 교환기로서만 기능할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어기(190)는 전이 연료 공급원(104)으로부터 전이 연료를 수용하고 전이 연료를 애노드 이젝터(120)의 구동 유체 입구(120a)에 제공하기 위하여(즉, 애노드 루프내로 전이 연료를 제공하기 위하여) 전이 연료 흐름 제어 장치(104a)를 제어하도록 구성된다. 전이 연료는 애노드 이젝터(120)를 통해 유동하고, 흡입 유체 입구(120b)에서 수용된 애노드 배기 가스와 혼합되고, 유체 출구(120c)로부터 예비 개질기(140)의 연료 입구로 유동한다. 전이 연료는 예비 개질기(130)를 통해 흐르고,예비 개질기(130)의 연료 배출구를 빠져 나와 개질기(140)의 연료 입구내로 흐른다. 상기 전이 연료는 개질기(140)를 통해 흐르고, 개질기(140)의 연료 출구를 빠져 나와 SOFC 유닛(180)의 애노드 입구(160a)내로 흐른다. 전이 연료는 SOFC 유닛(180)의 애노드 입구(160a)로부터 SOFC 유닛(180)의 애노드 출구(160b)로 흐른다. 애노드 입구(160a)와 애노드 출구(160b) 사이에서, 전이 연료는 SOFC 유닛(180)내에서 연료 전지의 애노드를 통과한다. 전이 연료는 애노드 이젝터(120)의 흡입 유체 입구(120b)내로 흐르는 애노드 배기 가스로서 SOFC 유닛(180)의 애노드 출구(160b)를 빠져 나가고, 여기서 그것은 예비 개질기(130)내로 다시 향한다. 일부 실시예들에서, 애노드 배기 가스의 일부는 애노드 루프 내에서 지속적으로 유동하기 보다는 보조 루프(도시되지 않음)에 제공되거나, 또는 대기 중으로 배출될 수 있다.
일반적으로, SOFC 연료는 SOFC 시스템(100)을 통해 다음과 같이 흐른다. 제어기(190)는 SOFC 연료 흐름 제어 장치(106a)를 제어하여 특정 SOFC 연료 질량 유량에서 SOFC 시스템(100)내로 SOFC 연료의 흐름을 제어하도록 구성된다. SOFC 연료 흐름 제어 장치(106a)는 SOFC 연료 공급원(106)으로부터 SOFC 연료를 수용하고 SOFC 시스템(100)의 애노드 루프를 통해 SOFC 연료를 가압하도록 구성된다. 일부 실시예에서, SOFC 연료에 대한 대체 흐름 경로가 제공되며, 이들 대체 경로는 전이 연료에 대해 위에서 설명한 것과 유사할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(190)는 SOFC 연료 흐름 제어 장치(106a)를 제어하여 SOFC 연료 공급원(106)으로부터 SOFC 연료를 공급받아 애노드 이젝터(120)의 구동 유체 입구(120a)에 SOFC 연료를 제공하도록(즉, SOFC 연료를 애노드 루프내로 제공하도록) 구성된다. SOFC 연료는 애노드 이젝터(120)를 통해 유동하고 흡입 유체 입구(120b)에 수용된 애노드 배기 가스와 혼합되어 유체 출구(120c)로부터 예비 개질기(130)의 연료 입구로 유출된다. SOFC 연료는 예비 개질기(130)을 통해 흐르고 예비 개질기(130)의 연료 출구를 빠져 나와 개질기(140)의 연료 입구내로 유입된다. SOFC 연료는 개질기(140)를 통해 흐르고 개질기(140)의 연료 출구를 빠져 나와 SOFC 유닛(180)의 애노드 입구(160a)내로 유입된다. SOFC 연료는 SOFC 유닛(180)의 애노드 입구(160a)로부터 SOFC 유닛(180)의 애노드 출구(160b)로 흐른다. 애노드 입구(160a)와 애노드 출구(160b) 사이에서 SOFC 연료는 SOFC 유닛(180)내의 연료 전지의 애노드에 제공된다. SOFC 연료는 애노드 이젝터(120)의 흡입 유체 입구(120b)내로 흐르는 애노드 배기 가스로서 SOFC 유닛의 애노드 출구(160b)를 빠져 나오고 여기서 그것은 예비 개질기(130)내로 다시 향하게 된다. 일부 실시예에서, SOFC 연료에 대한 대체 흐름 경로가 전이 연료에 대해 전술한 흐름 경로와 같이 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 개질기(140)는 열 교환기로서 만 기능할 수 있다.
SOFC 시스템(100)이 작동 중일 때, 제어기(190)는 온도 센서(들)(195)에 의해 감지된 온도에 기초하여 SOFC 유닛(180)의 대표 온도를 주기적으로 결정하도록 구성된다. 하기에 사용되는 바와 같이, "SOFC 유닛 온도"란 SOFC 유닛(180)의 대표적인 온도를 의미한다. 후술하는 바와 같이, 제어기(190)는 SOFC 시스템(100)을 상이한 작동 모드들 사이에서 전이시킬 때 어떤 작동을 언제 취할지를 결정하기 위해 SOFC 유닛 온도를 모니터링하도록 구성된다.
이하에서 사용된 바와 같이, "최대 부하"는 전력을 생성하기 위한 SOFC의 설계 용량을 의미한다.
SOFC 시스템(100)이 작동되는 동안, 제어기(190)는 연료 이용 센서(들) (196)에 의해 감지된 연료 흐름, 전류 및/또는 전압에 기초하여 SOFC 시스템(100)의 연료 이용을 주기적으로 결정하도록 구성된다. 하기에 사용되는 바와 같은 "연료 이용율"이란 SOFC 유닛(180)의 애노드 이젝터내로 공급되는 총 연료에 대한 소모된 연료의 비율을 말하며,이는 하기 수학식 (1)과 같다. 연료는 상황에 따라서 SOFC 연료, 전이 연료 또는 이들의 혼합물을 의미한다. 하기 기술되는 바와 같이, 제어기(190)는 상이한 작동 모드들 사이에서 SOFC 시스템(100)을 전이시킬 때 특정 작동을 언제 취할지를 결정하기 위해 연료 이용을 모니터링하도록 구성된다.
연료 이용율 = (연료 전지에 의해 소모된 연료(~ 현재))/(SOFC 유닛의
애노드 이젝터내로 공급된 연료) (1)
연료 이용율은 또한 SOFC 유닛(180)으로 들어가고 나가는 측정된 연료 농도로부터 계산될 수 있다.
전이 연료가 RCB와 함께 SOFC 유닛(180)에 공급될 때, 지배적인 작동 온도 및 압력에서 네른스트(Nernst) 전위와 H2 농도 사이의 관계를 통해 측정된 전압에 대해 연료 이용율을 관련시키는 것이 더욱 정확하다. 네른스트 전위는 RCB와 함께 희박한 전이 연료를 사용하는 SOFC 조건하에 측정된 전압의 양호한 근사치를 제공한다. 순 전류 및 총 연료 공급을 사용하는 것은 상기 조건에서 심각한 오류가 발생할 수 있다.
일부 실시예에서, SOFC 시스템(100) 및/또는 제어기(190)는 RCB의 크기, 전이 및/또는 SOFC 연료의 질량 유량, 또는 이 둘 모두를 제어함으로써 연료 이용을 제어하도록 구성된다. 일부 실시예에서, SOFC 시스템(100) 및/또는 제어기(190)는 전이 및/또는 SOFC 연료 공급원(104/106)으로부터 애노드 이젝터(120)로 공급되는 전이 및/또는 SOFC 연료의 질량 유량 또는 애노드 이젝터(120)로 공급되는, SOFC 유닛(180)에 의해 배출된 연료의 질량 유량, 또는 그 양쪽 모두를 제어함으로써 연료 이용을 제어하도록 구성된다. 일부 실시예에서, SOFC 시스템(100) 및/또는 제어기(190)는 이젝터에 공급되는 전이 연료 유량에 대해 대략 동일한 크기의 연료 재순환 도관에서의 연료 배출 가스의 양의 질량 유량을 유지하기 위하여 애노드 루프내로의 전이 연료의 질량 유량을 제어하도록 구성된다.
3.1 셧-다운 모드에서 대기 모드로 전이
도 4는 SOFC 시스템(100)을 셧-다운 모드로부터 고온 대기 모드로 전이시키기 위해 SOFC 시스템(100)을 작동시키는 방법(400)을 도시한 흐름도이다. 다양한 실시예에서, 제어기(190)의 메모리에 저장되어 제어기(190)의 CPU에 의해 실행되는 명령은 방법(400)을 나타낸다. 방법(400)이 도 4에 도시된 흐름도와 관련하여 기술되었을지라도, 하기 기술된 작용을 수행하는 다른 방법을 사용할 수 있다. 특정 실시예에서, 블럭은 도시된 순서대로 수행되는 반면, 다른 실시예에서는 블럭이 다른 순서로 수행된다.
방법(400)은 제어기(190)가 셧-다운 모드에서부터 고온 대기 모드로 SOFC 시스템(100)의 전이를 시작하라는 명령을 포함하는 (입력 장치를 통해 오퍼레이터로부터와 같은) 입력을 수신하는 것에 응답하여 시작한다. 이에 대한 응답으로, SOFC 시스템(100)은 블럭(402)에 의해 나타낸 바와 같이 SOFC 유닛(180)의 캐소드 측에 산화제를 공급하기 위하여 SOFC 시스템(100)의 캐소드 루프에 산화제의 제공을 시작한다. 예를 들어, 제어기(190)는 산화제 흐름 제어 장치(102a)를 제어하여 산화제 공급원(102)으로부터 산화제를 끌어 당겨 특정 산화제 질량 유량에서 (상기 기술된 바와 같이) SOFC 시스템(100)의 캐소드 루프에 산화제를 제공한다. 일부 실시예에서, 산화제 질량 유량은 전체 부하에서 50 %의 산화제 질량 유량보다 크다. 일부 실시예에서, 산화제 질량 유량은 전체 부하에서 75 %의 산화제 질량 유량보다 크다. 일부 실시예에서, 산화제 질량 유량은 전체 부하에서 산화제 질량 유량의 65 % 내지 100 % 사이에 있다. 일부 실시예에서, 산화제 질량 유량은 전체 부하에서 산화제 질량 유량의 50 % 내지 100 % 사이에 있다. 일부 실시예에서, 산화제 질량 유량은 전체 부하에서 산화제 질량 유량과 동일하다.
SOFC 시스템(100)은 블럭(404)에 의해 나타낸 바와 같이, SOFC 유닛 온도가 고온 대기 온도에 도달할 때까지 SOFC 유닛(180)을 가열한다. 예를 들어, 제어기(190)는 열원(185)을 제어하여 SOFC 유닛(180) 상류의 산화제를 가열한 다음, 산화제가 SOFC 유닛(180)의 캐소드 측을 통해 흐름에 따라 SOFC 유닛(180)을 가열한다. 이러한 예시적인 실시예에 있어서, 고온 대기 온도는 약 800 ℃에서 1000 ℃ 사이에 있다. 다른 실시예에서, 고온 대기 온도는 약 800 ℃ 내지 약 900 ℃ 사이에 있다. 추가의 실시예에서, 고온 대기 온도는 약 850 ℃이다. SOFC 유닛(180)이 그의 고온 대기 온도에 도달하면, 제어기(190)는 열원(185), 산화제 흐름 제어 장치(102a) 또는 이들 모두를 제어하여 SOFC 유닛(180)을 그의 고온 대기 온도에서 유지시킨다. SOFC 유닛(180)이 고온 대기 온도에 도달하면, 그것은 고온 대기 모드에 있게 된다.
일부 실시예에서, SOFC 시스템은 주위 온도에서부터 고온 대기 온도로 약 1 ℃ 내지 5 ℃/분의 속도로 SOFC 유닛(180)의 가열을 제어한다. 일부 실시예에서, SOFC 시스템은 주위 온도에서부터 고온 대기 온도로 분당 약 3 ℃의 속도로 SOFC 유닛(180)의 가열을 제어한다
주위 온도로부터 고온 대기 온도로 SOFC 유닛(180)을 가열하는 동안, 어떠한 전이 연료 또는 SOFC 연료도 애노드 루프에 공급되지 않는다. 결과적으로, SOFC 유닛(180)의 애노드가 산화될 수 있다. SOFC 유닛(180)의 애노드가 전술한 바와 같이 중간 온도에서 미리 산화되는 경우, 이전의 냉각 중에 형성된 보호 NiO 쉘(shell)이 Ni 애노드의 추가 산화를 완화시키거나 또는 방지한다.
일부 실시예에서, SOFC 시스템(100)을 셧-다운 모드에서 고온 대기 모드로 전이시키기 위해 SOFC 시스템(100)을 작동시키는 방법(400A)은 전이 연료의 공급 및/또는 사전 결정된 가열 온도에서 시작하는 RCB의 인가를 포함한다. 방법(400A)은 도 4에 도시되어 있다. 방법(400A)은 하기 변경된 바와 같은 방법(400)에 대해 상기 설명된 것과 동일한 단계 및 파라미터를 포함할 수 있다.
방법(400A)은 보호층이 미리 형성되어 있지 않은 경우, 환원된 애노드(160)의 Ni 입자상에 보호 산화물층의 형성을 제공하기 위해 이용될 수 있다. 방법(400A)은 블럭(402A)에 도시되고 전술한 바와 같이 캐소드 루프에 산화제의 제공을 시작하는 입력을 수신하는 것에 응답할 수 있다. 블럭(404A)에 도시된 바와 같이, 열원(185)은 SOFC 유닛(180)이 소정의 가열 온도에 도달할 때까지 전술한 바와 같이 SOFC 유닛(180)의 온도를 상승시키도록 작동될 수 있다. 일단 SOFC 유닛(180)이 소정의 가열 온도까지 가열되면, 블럭(406A)에 도시된 바와 같이, SOFC 유닛(180)의 애노드(160)의 산화 또는 추가의 산화를 방지하기 위하여 RCB의 인가 또는 전이 연료의 공급 중 하나 또는 둘 모두가 SOFC 유닛(180)에 제공될 수 있다. 블럭(408A)에 나타난 바와 같이, SOFC 유닛(180)의 가열이 소정의 가열 온도로부터 고온 대기 온도로 지속하고 있는 동안 RCB의 인가, 전이 연료의 공급 또는 둘 모두가 유지된다.
일부 실시예에서, RCB의 인가 또는 전이 연료 공급 중 하나 또는 둘 모두는 SOFC 유닛(180)이 소정의 가열 온도에 도달하기 전에 일어날 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, RCB의 인가는 SOFC 유닛(180)의 캐소드 측으로 산소를 다시 공급(이로 인해 애노드(160)에 보다 낮은 산소 농도를 제공함)하는 역반응을 유도하기 위해 소정의 가열 온도 이전에 일어날 수 있다. 소정의 가열 온도에 도달한 후에, 전이 연료는 유리 산소를 소거하도록 제공될 수 있다.
소정의 온도는 시스템 오퍼레이터에 의해 결정될 수있다. 일부 실시예에서, 소정의 가열 온도는 약 300 내지 400 ℃로서 선택될 수 있다. 이 온도에서 선택되는 경우, 방법(400A)은 가열 동안 애노드의 현저한 산화를 방지하는 기능을 한다. 이것은, 예를 들어 애노드가 시동시 완전히 환원된 상태에 있을 때 특히 유용할 수 있다. 이러한 소정의 가열 온도 범위를 선택하는 것이 더 높은 소정의 온도보다 많은 전이 연료를 사용할 수 있지만,이 방법은 가열 동안 항상 SOFC 유닛(180)에 전이 연료를 제공하는 다른 방법보다 적은 전이 연료를 사용할 것이다.
일부 실시예에서, 소정의 가열 온도는 약 450 ℃ 내지 약 750 ℃ 사이이다. 일부 실시예에서, 소정의 가열 온도는 약 550 ℃ 내지 약 750 ℃ 사이이다. 일부 실시예에서, 소정의 가열 온도는 약 600 ℃ 내지 약 650 ℃ 사이이다. 일부 실시예에서, 소정의 가열 온도는 약 650 ℃이다. 이러한 실시예는 고온에서 발생할 수있는 후속적인 심각한 산화로부터 애노드를 보호하기 위해 애노드(160)의 Ni 입자 상에 보호 산화물층의 형성을 허용한다. 또한, SOFC 유닛(180)이 고온 대기 온도에 훨씬 더 가까운 온도에 있을 때까지 전이 연료가 제공되지 않기 때문에, 보다 적은 전이 연료가 사용될 수 있다.
SOFC 시스템(100)은 블럭(406A)에 의해 나타난 바와 같이, SOFC 시스템(100)의 애노드 루프로 전이 연료를 공급하기 시작하여 SOFC 유닛(180)의 애노드 측에 전이 연료를 공급한다. 예를 들어, 제어기(190)는 전이 연료 흐름 제어 장치(104a)를 제어하여 전이 연료 공급원(104)으로부터 전이 연료를 수용하고 전이 연료 질량 유량에서 (상기 기술된 바와 같이) 전이 연료를 SOFC 시스템(100)의 애노드 루프내로 제공한다. 일부 실시예에서, 시스템(100)은 전이 가스를 보존하기 위해 비교적 낮은 전이 가스 유량을 이용할 것이다. 일부 실시예에서, 애노드 환원은 보다 높은 전이 가스 유량을 이용할 것이다.
SOFC 시스템(100)은 애노드 보호 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 유지하기 위해 전이 연료 질량 유량 및/또는 RCB의 크기를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어기(190)는 전이 연료 유량 제어 장치(104a)를 제어하여 전이 연료 질량 유량을 제어하고 및/또는 애노드-보호 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 증가시키기 위하여 RCB의 크기를 제어하도록 전원(200)을 제어한다. 이러한 일부 실시예에서, 애노드 보호 모드 연료 이용 범위는 약 35 % 내지 약 65 %이다. 일부 실시예에서, 애노드 보호 모드 연료 이용 범위는 약 40 % 내지 약 60 %이다. 일부 실시예에서, 애노드 보호 연료 이용 범위는 50 %이다.
일부 실시예에서, 애노드 보호 연료 이용 범위로 연료 이용을 유지하는 것은 SOFC 유닛(180)이 소정의 가열 온도로부터 고온 대기 온도로 가열됨에 따라 임의의 산화된 애노드의 환원을 제공할 수 있다. 애노드 산화의 유형 및 양에 의존하여, 이것은 SOFC 유닛(180)이 고온 대기 온도에 도달하기 전에 애노드의 완전한 환원을 허용할 수 있다. 이러한 실시예에서, SOFC 유닛(180)이 고온 대기 온도에 도달한 후에 애노드의 별도의 환원이 수행될 필요가 없다.
일부 실시예에서, 연료 이용은 소정의 가열 온도로부터 고온 대기 온도로 가열하는 동안 애노드-환원 연료 이용 범위에 있을 수 있다. 애노드 산화의 유형 및 양에 의존하여, 이것은 SOFC 유닛(180)이 고온 대기 온도에 도달하기 전에 애노드의 완전한 환원을 허용할 수 있다. 이러한 실시예에서, SOFC 유닛(180)이 고온 대기 온도에 도달한 후에 애노드의 별도의 환원이 수행될 필요가 없다. 일부 실시예에서, 애노드 환원 연료 이용 범위는 약 5 % 내지 약 15 %이다. 일부 실시예에서, 애노드 환원 연료 이용 범위는 약 5 % 내지 약 35 %이다. 일부 실시예에서, 애노드 환원 연료 이용율은 약 10 %이다. 일부 실시예에서, 애노드 환원 연료 이용율은 약 20 %이다.
일부 실시예에서, 산화제 질량 유량은 전체 부하에서 산화제 질량 유량의 50 %보다 크다. 일부 실시예에서, 산화제 질량 유량은 전체 부하에서 산화제 질량 유량의 75 %보다 크다. 일부 실시예에서, 산화제 질량 유량은 전체 부하에서 산화제 질량 유량의 65 % 내지 100 %이다. 일부 실시예에서, 산화제 질량 유량은 전체 부하에서 산화제 질량 유량의 50 % 내지 100 %이다. 일부 실시예에서, 산화제 질량 유량은 전체 부하에서 산화제 질량 유량과 동일하다.
3.2 고온 대기 모드로부터 전력-준비 고온 대기 모드로 전이
도 5는 SOFC 시스템(100)을 고온 대기 모드로부터 전력-준비 고온 대기 모드로 전이시키기 위해 SOFC 시스템(100)을 작동시키는 방법(500)을 도시하는 흐름도이다. 다양한 실시예들에서, 제어기(190)의 메모리에 저장되고 제어기(190)의 CPU에 의해 실행되는 명령들은 방법(500)을 나타낸다. 방법(500)이 도 5에 도시된 흐름도와 관련하여 설명되었지만, 아래에 기술된 작용을 수행하는 다른 방법들이 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 블럭은 도시된 순서대로 수행되지만, 다른 실시예에서는 블럭이 다른 순서로 수행된다. 방법(500)은 SOFC 시스템(100)을 고온 대기 모드에서 전력-준비 고온 대기 모드로 전이하기 시작하는 명령을 포함하는 (입력 장치를 통해 오퍼레이터로부터와 같은) 입력을 수신하는 제어기(190)에 응답하여 시작한다.
SOFC 유닛 온도가 고온 대기 온도에 도달한 후에, SOFC 시스템(100)이 전력의 생산을 시작하기 전에 애노드의 반응성 및 전도성을 복원하기 위해 연료 전지 애노드가 환원되어야 할 수도 있다. 이러한 목적을 위해, SOFC 시스템(100)은 SOFC 시스템(100)의 애노드 루프에 전이 연료를 공급하기 시작하여, 블럭(502)에 의해 나타난 바와 같이 SOFC 유닛(180)의 애노드 측에 전이 연료를 공급한다. 예를 들어, 제어기(190)는 전이 연료 흐름 제어 장치(104a)를 제어하여 전이 연료 공급원(104)으로부터 전이 연료를 수용하고 전이 연료 질량 흐름에서 (상기 기술된 바와 같이) 전이 연료를 SOFC 시스템(100)의 애노드 루프내로 제공한다. 일부 실시예에서, 애노드 환원은 전이 가스를 보존하기 위해 보다 낮은 전이 가스 유량을 이용할 것이다. 일부 실시예에서, 애노드 환원은 보다 높은 전이 가스 유량을 이용할 것이다. 전이 가스의 보다 높은 또는 더 낮은 유량이 애노드 환원동안 사용되는지의 여부는 적어도 부분적으로 애노드 환원 다음의 작동 모드들에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어,보다 낮은 유량은 가스를 보존하는데 사용될 수 있으며, 고온(예를 들어, 작동 온도)으로부터 냉각되기 전과 냉각 도중에 유입될수 있는 보호 모드에 대한 보다 나은 설정을 제공하는데 사용될 수 있다. 연료 시스템 모드가 부하 및 후속적인 정상 작동 모드로 보다 신속하게 전이한다면 더 높은 유량이 사용될 수 있다.
연료 전지 애노드 환원 동안 산화제의 질량 유량은 유지되지만, 블럭(503)에 의해 표시된 바와 같이 50 %로 낮아진다. 일부 실시예에서, 연료 전지 애노드 환원 동안 산화제의 질량 유량은 40 ~ 60 %의 범위로 유지된다. 애노드에 도달하는 산화제의 양이 적으면 시스템 압력이 감소하여 주어진 전이 가스 질량 흐름에 대한 애노드 재순환 비율이 증가한다. 따라서 적절한 애노드 재순환을 보장하느데 필요한 전이 가스의 최소량은 적어진다. 적절한 애노드 재순환(즉, 양의 재순환 흐름)은 충분한 질량 흐름 및 전체 연료 전지 표면에 대한 적절한 흐름 분배를 보장하는 데 중요하다. 산화제의 흐름은 SOFC 유닛(180)의 온도가 산화제의 온도 및 질량 유량을 제어함으로써 고온 대기 온도로 유지될 수 있도록 유지되어야 한다.
블럭(504)에 의해 나타난 바와 같이, SOFC 시스템(100)은 SOFC 유닛(180)에 RCB를 인가하기 시작한다. RCB는 이 시점에서의 연료 이용이 연료 전지 애노드를 환원시키는데 보다 도움이 되는 애노드-환원 연료 이용 범위내에 있도록 하는 크기를 갖는다. 예를 들어, 제어기(190)는 연료 이용이 애노드-환원 연료 이용 범위 내에 있도록 하는 크기로 SOFC 유닛(180)에 RCB를 인가하기 위하여 전원(200)을 제어한다. 일부 실시예에서, 애노드-환원 연료 이용 범위는 약 5 % 내지 약 15 %이다. 일부 실시예에서, 애노드-환원 연료 이용 범위는 약 5 % 내지 약 35 %이다. 일부 실시예에서, 애노드-환원 연료 이용율은 약 10 %이다. 일부 실시예에서, 애노드-환원 연료 이용율은 약 20 %이다. 전이 연료를 SOFC 시스템(100)의 애노드 루프에 공급하기 시작한 후 그리고 RCB를 SOFC 유닛(180)에 인가하기 시작한 후, SOFC 시스템(100)은 블럭(506)에 의해 나타낸 바와 같이 SOFC 유닛(180)의 애노드가 환원될 때까지 애노드-환원 모드 연료 이용 범위 내에서 또는 그 근처에서 연료 이용을 유지하기 위하여 전이 연료 질량 유량 및/또는 RCB의 크기를 제어한다. 일부 실시예에서, 연료 재순환 도관내의 연료의 질량 유량은 연료 이용을 제어하기 위해 단독으로 제어되거나 또는 전이 연료 질량 유량 및/또는 RCB와 조합하여 제어된다.
애노드가 환원된 후에, 블럭(508)에 의해 나타낸 바와 같이, SOFC 시스템(100)은 전이 연료 질량 유량 및/또는 RCB의 크기를 제어하여 애노드 보호 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 증가시킨다. 예를 들어, 제어기(190)는 전이 연료 유량 제어 장치(104a)를 제어하여 전이 연료 질량 유량을 제어하고 및/또는 애노드-보호 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 증가 시키기고자 RCB의 크기를 제어하여 전원(200)을 제어한다. 이러한 일부 실시예에서, 애노드 보호 모드 연료 이용 범위는 약 35 % 내지 약 65 %이다. 일부 실시예에서, 애노드 보호 모드 연료 이용 범위는 약 40 % 내지 약 60 %이다. 일부 실시예에서, 애노드 보호 모드 연료 이용 범위는 50 %이다.
필요한 애노드 환원 시간을 감소시키기 위하여, 애노드 환원을 자극하도록(즉, NiO가 Ni로 환원하도록) 연료 이용율(애노드 보호 연료 이용 범위 내에서), 전이 연료 질량 유량 및 RCB의 크기가 설정된다. 애노드 산화는 캐소드로부터 흐르는 O2를 소모(또는 소거)하는데 애노드에서 불충분한 H2가 존재할 때 발생한다. RCB의 인가는 H2O로부터 H2를 생성하고 O2를 캐소드로 강제로 복귀시킨다. RCB를 증가시키면 상대적으로 낮은 연료 이용율(예를 들어, 50 % 미만)이 발생하며, 그 결과 역반응을 촉진함으로써 애노드에서 과잉의 H2가 발생하고 애노드 환원을 자극한다.
이 시점에서, SOFC 유닛(180)의 애노드가 환원되며, SOFC 시스템(100)은 전이 연료 질량 유량 및/또는 RCB의 크기를 제어하여, SOFC 유닛(180)이 전력-준비 고온 대기 모드 또는 셧-다운 모드로 전이할 때까지 블럭(510)에 의해 나타낸 바와 같은 애노드 보호 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 유지한다. 예를 들어, 제어기(190)는 (전이 연료 질량 유량을 제어하기 위해) 전이 연료 흐름 제어 장치(104a)를 제어하고 및/또는 (RCB의 크기를 제어하기 위해) 전원(200)을 제어하여 애노드-연료 전지 시스템(200)내에서 연료 이용을 유지한다.
전력-준비 고온 대기로 전이할 때, 전이 연료 질량 유량은 블럭(512)에 의해 표시된 바와 같이, 애노드 환원 및 보호를 위해 요구되는 것 이상으로 증가된다. 더 높은 전이 연료 유량은 SOFC 연료 질량 유량이 연료 전지의 정상 작동 범위의 낮은 말단부까지 증분적으로 증가됨에 따라 요구되는 범위내에서 연료 전지 온도를 관리하기 위하여 필요하다. 부가적으로, 탄소의 형성없이 SOFC 연료를 개질하기 위해 요구되는 적절한 증기를 유지하는데 필요한 높은 애노드 재순환율을 유지하기 위해서는 전이 연료 유량을 증가시켜야 한다.
전이 가스가 높은 질량 유량으로 SOFC 유닛(180)에 공급됨에 따라, 블럭(514)에 의해 나타낸 바와 같이, SOFC 시스템(100)은 SOFC 시스템(100)의 애노드 루프에 SOFC 연료를 제공하기 시작하여 SOFC 유닛(180)의 애노드 측에 SOFC 연료를 공급한다 예를 들어, 제어기(190)는 SOFC 연료 흐름 제어 장치(106a)를 제어하여 SOFC 연료 공급원(106)으로부터 SOFC 연료를 수용하고 SOFC 연료 질량 흐름에서 (상기 기술된 바와 같이) SOFC 시스템(100)의 애노드 루프내로 SOFC 연료를 제공한다. 이 시점에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 연료 및 전이 연료를 SOFC 시스템(100)의 애노드 루프에 제공한다. 초기 SOFC 연료 질량 유량은 전이 연료에서 H2의 반응으로부터 생성되는 충분한 H2O 및 애노드에 존재하는 O2가 첨가된 SOFC 연료를 개질하기 위해 존재하도록 충분히 적다. 초기 SOFC 연료 질량 유량이 너무 높으면, 연료를 개질할 수있는 증기가 충분치 않기 때문에 탄소가 형성될 위험이 있다.
SOFC 시스템(100)은 SOFC 연료 질량 유량을 점진적으로 증가시키고 RCB를 감소시킬 것이다. RCB는 감소되어 H2에 대한 역반응을 통해 생성된 증기의 반응을 감소시킨다. 그러나, RCB가 점진적으로 많이 감소되면 모든 수소가 소모되어 애노드가 산화하게 된다. 추가적인 증기 발생은 SOFC 연료의 보다 높은 질량 유량을 지원할 수 있다. SOFC 연료 질량 유량 증가 및 RCB 감소의 점진적 단계는 함께 취해질 경우 연료 전지 표면 전체에 걸쳐 항상 과잉의 증기와 수소를 유지하는 단계들 간에 충분한 시간을 갖게 작아야 한다. 다음 증분 단계를 취하기 전에 각각의 증분 단계 후에 새롭고 안전한 정상 상태 조건에 도달하는데 시간이 필요하다. 이러한 시간은 1 분 단위이지만 연료 전지 시스템에 따라 다를 것이다.
블럭(516)에 의해 나타낸 바와 같이, SOFC 시스템(100)은 전이 연료 질량 유량을 감소시키면서 그리고 연료 이용이 작동 모드 연료 이용 범위내로 증가할 때까지 RCB의 크기를 감소시키면서 SOFC 연료 질량 유량의 증분 증가를 계속할 것이다. 예를 들어, 제어기(190)는 전이 연료 질량 유량을 감소시키기 위해 전이 연료 유량 제어 장치(104a)를 제어하면서 그리고 연료 이용이 작동 모드 연료 이용 범위내로 증가할 때까지 RCB의 크기를 감소시키기 위해 전원(200)을 제어하면서, SOFC 연료 질량 유량을 증가시키기 위하여 SOFC 연료 유량 제어 장치(106a)를 제어한다. 일부 실시예에서, 작동 모드 연료 이용 범위는 효율적인 전력 발생을 위해 필요한 연료 이용 범위인 약 35 % 내지 약 90 %이다. 일부 실시예에서, 작동 연료 이용 범위는 약 65 % 내지 85 %이다. 일부 실시예에서, 작동 연료 이용율은 약 80 %이다. 일부 실시예에서, 작동 연료 이용율은 약 75 %이다.
일부 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 연료 질량 유량을 점진적으로 증가시키면서, 연료 이용이 작동 모드 연료 이용 범위내로 증가할 때까지 전이 연료 질량 유량 및 RCB의 크기를 상응하게 감소시킨다. 전력-준비 고온 대기에서 SOFC 연료 질량 유량은 전력-준비 고온 대기 SOFC 연료 질량 유량으로 지칭될 수 있다. 특정 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 연료 이용이 작동 모드 연료 이용 범위내로 증가할 때까지 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 0.2 %와 약 2 % 사이의 증분으로 SOFC 연료 질량 유량을 증가시킨다. 일부 실시예들에서, SOFC 시스템(100)은 연료 이용이 작동 모드 연료 이용 범위내로 증가할 때까지 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 0.4 % 내지 약 1 %의 증분으로 SOFC 연료 질량 유량을 증가시킨다. 일부 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 연료 이용이 작동 모드 연료 이용 범위내로 증가할 때까지 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 0.1 %의 증분으로 SOFC 연료 질량 유량을 증가시킨다. 일부 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 연료 이용이 작동 모드 연료 이용 범위내로 증가할 때까지 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 0.6 %의 증분으로 SOFC 연료 질량 유량을 증가시킨다. 일부 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 연료 이용이 작동 모드 연료 이용 범위내로 증가할 때까지 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 1.5 % 미만의 증분으로 SOFC 연료 질량 유량을 증가시킨다. RCB를 전이시키는데 사용되는 증분 SOFC 연료 첨가 단계의 수는 일반적으로 2 %의 SOFC 연료의 총 증가에 대해서는 전형적으로 5 이지만, 총 증가는 1 %에서 10 %까지 다양하게 할 수 있다. 이것은 대기 모드 연료 이용 범위내에서 작동 모드 연료 이용 범위내로의 연료 이용의 점진적인 증가를 보장한다. 일부 실시예에서, SOFC 연료 흐름 질량 유량은 설계 전체 부하 SOFC 연료 질량 유량의 0 % 에서 1 % 내지 5 %까지 0.6 % 씩의 증분으로 증가된다. 일부 실시예에서, SOFC 연료 흐름 질량 유량은 설계 전체 부하 SOFC 연료 질량 유량의 0 %에서 3 %까지 0.6 % 씩의 증분으로 증가된다. 일부 실시예에서, SOFC 연료 흐름 질량 유량은 설계 전체 부하 SOFC 연료 질량 유량의 0 % 에서 3 %까지 0.1 % 씩의 증분으로 증가된다.
일부 실시예에서, 전이 연료 질량 유량은 비교적 높은 질량 유량으로 일정하게 유지된다.
다른 실시예에서, SOFC 시스템 (100)은 연료 이용이 작동 모드 연료 이용 범위내로 증가할 때까지 전이 연료 질량 유량 및 RCB의 크기 중 적어도 하나를 감소시키면서 SOFC 연료 질량 유량을 증가시킨다. 예를 들어, SOFC 시스템(100)은 연료 이용이 작동 모드 연료 이용 범위내로 증가 할 때까지 SOFC 연료 질량 유량을 증가시키면서 전이 연료 질량 유량을 감소시킬 수 있거나, 또는 연료 이용이 작동 모드 연료 이용 범위내로 증가 할 때까지 SOFC 연료 질량 유량을 증가시키면서 RCB의 크기만 감소시킬 수 있다.
연료 이용이 애노드 보호/환원 연료 이용 범위내에서부터 작동 모드 연료 이용 범위내로 증가한 후, 블럭(518)에 의해 나타낸 바와 같이, SOFC 시스템(100)은 SOFC 유닛(180)에 RCB의 인가를 중단한다. 예를 들어, 연료 이용이 작동 모드 연료 이용 범위내로 증가되었다고 결정한 것에 응답하여, 제어기(190)는 전력 공급원(200)을 제어하여 SOFC 유닛(180)에 대한 RCB의 인가를 중단한다. RCB의 이러한 중지는 상기 기술된 바와 같이 점진적 단계로 일어난다.
3.3 전원-준비 고온 대기 모드에서 정상 작동 모드로 전이
도 6은 SOFC 시스템(100)을 전력-준비 고온 대기 모드로부터 정상 작동 모드로 전이시키기 위해 SOFC 시스템(100)을 작동시키는 방법(600)을 예시하는 흐름도이다. 다양한 실시예들에서, 제어기(190)의 메모리에 저장되고 제어기(190)의 CPU에 의해 실행되는 명령들은 방법(500)을 나타낸다. 방법(600)이 도 6에 도시된 흐름도와 관련하여 설명되었을 지라도, 하기 기술된 작용을 수행하는 다른 방법들도 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 블럭은 도시된 순서대로 수행되는 반면에, 다른 실시예에서는 블럭이 다른 순서로 수행된다. 방법(600)은 SOFC 시스템(100)을 전력-준비 고온 대기 모드로부터 정상 작동 모드로의 전이를 시작하는 명령을 포함하는 (입력 장치를 통해 오퍼레이터로부터와 같은) 입력을 수신하는 제어기(190)에 응답하여 시작한다.
SOFC 유닛(180)으로의 RCB의 인가를 중단 한 후, 블럭(602)에 나타낸 바와 같이, SOFC 시스템(100)은 전기 부하(300)에 전력을 공급하기 시작한다. 예를 들어, RCB의 크기가 0에 도달하면, 제어기(190)는 SOFC 유닛(180)을 제어하여 전기 부하(300)에 전력을 공급하기 시작한다.
전기 부하(300)에 전력을 공급하기 시작한 후, SOFC 시스템(100)은 블럭(604)에 나타내는 바와 같이 작동 모드 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 유지하기 위하여 전이 연료 질량 유량을 감소시키면서 그리고 유도된 전력의 크기를 증가시키면서 SOFC 연료 질량 유량을 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량으로 증가시킨다. 예를 들어, 제어기(190)는 전이 연료 유량 제어 장치(104a)를 제어하여 전이 연료 질량 유량을 감소시키면서 그리고 SOFC 유닛(180)을 제어하여 전기 부하(300)로 유도된 전력의 크기를 증가시키면서, SOFC 연료 흐름 제어 장치(106a)를 제어하여 SOFC 연료 질량 유량을 증가시킨다. 일부 실시예에서, 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량은 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 35 % 내지 약 65 % 사이에 있다. 일부 실시예에서, 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량은 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 50 %이다.
특정 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 연료 질량 유량을 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량으로 점진적으로 증가시키면서, 상응하게 전이 연료 질량 유량을 감소시키고 상응하게 전기 부하에 제공된 전력의 크기를 증가시켜서 작동 모드 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 유지한다. 일부 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 1 %와 약 10 % 사이의 증분으로 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량에 대한 SOFC 연료 질량 유량을 증가시킨다 일부 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 시스템의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 2 %와 약 5 % 사이의 증분으로 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량에 대한 SOFC 연료 질량 유량을 증가시킨다. 일부 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 3 % 사이의 증분으로 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량에 대한 SOFC 연료 질량 유량을 증가시킨다. 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량으로의 SOFC 연료 질량 유량의 이러한 점진적 증가는 제어기(190)가 작동 모드 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 적절히 유지하도록 전이 연료 유량 제어 장치(104a) 및 SOFC 유닛(180)을 제어할 수 있게한다.
발전 중에, SOFC 연료의 내부 개질을 위한 증기 대 탄소 비율의 목표 조건을 유지하기 위하여 SOFC 연료 질량 유량의 작은 증가가 요구된다. SOFC 유닛(180)의 전류도 동기 방식으로 증가되어 더 많은 전력을 발생시킨다. 목표 증기 대 탄소 비율을 (다시)일으키기 위해 애노드 루프에서 재순화되는 더 많은 증기가 생성될 것이다. 증분적인 SOFC 유닛(180) 전류 증가가 증분적인 SOFC 연료 질량 유량 증가보다 늦을수록, 증기 대 탄소 비율은 시스템 온도가 원하는 온도 범위 이상으로 상승하게 하는 경향이 있는 정상 상태 목표보다 더 많이 떨어질 것이다. 반대로, 증분적인 SOFC 유닛(180)의 전류 증가가 SOFC 연료 질량 유량 증가보다 빠르게 증가하면, SOFC 유닛(180)의 출구 근처의 애노드에서 연료 부족이 발생하여 산화 또는 다른 열화 메커니즘을 일으킬 수 있다.
SOFC 유닛(180)을 부하시키기 위한 정상적인 공정에서는 상기 부작용을 방지하기 위해 정상 상태 증기 대 탄소 비율이 충분하다(≥2.3). 그러나, SOFC 유닛(180) 부하의 증분적 증가 동안, 심지어는 증가 즉시로, 증기 대 탄소의 비율은 더욱 높아지고 절대로 감소하지 않는 것이 바람직하다. 따라서, SOFC 연료 질량 흐름 유량 및 SOFC 유닛(180) 전류 증가의 동기화를 향상시키기 위해, SOFC 연료 질량 유량 증분량은 SOFC 유닛(180) 전류 부하의 점진적 증가를 짧은 시간 간격으로 근소하게 유도하여, 증가된 SOFC 연료 흐름이 흐름 제어 장치가 증가된 후 연료 전지 부위에 도달하는데 필요한 시간 및 애노드 가스(SOFC 연료 흐름 및 전이 가스)가 SOFC 연료 흐름 제어 장치(106a) 연료 전지 사이의 배관을 횡단하기 위한 제어 반응 및 체류 시간을 계산하도록 전형적으로 실행된다. 이러한 SOFC 연료 증가 유도 공정의 역전은 SOFC 유닛(180)의 비-부하 중에 수행된다. 이러한 유도 단계 공정은 그들의 목표 범위로부터 멀리 증기 대 탄소 배급 및 연료 이용의 순간적인 편차를 최소화한다.
SOFC 연료 질량 유량의 증가가 SOFC 유닛(180)의 전류 증가를 약간 앞서서 유도하는 (또는 언로딩을 위한 그 반대) 전술한 공정은 전술한 RCB의 전이에서 요구되지 않으며, 그 이유는 RCB 및 SOFC 연료 질량 유량 증가의 단계가 훨씬 더 작기 때문이다. 다시 말해서, RCB의 감소없이 SOFC 연료 질량 유량 증가는 시스템 화학이 새로운 정상 상태에 도달할 때 탄소 형성을 생성하지 않을 것이다(즉, 애노드 루프 주위로 애노드 가스의 재순환 흐름은 연료 첨가후에 충분한 시간을 갖고 있어서 유동 경로를 따라서 임의의 지점에서 조성이 시간에 따라 더 이상 변하지 않는다). 그러나, RCB는 SOFC 연료 질량 흐름의 단계적 증가 이전에 감소될 필요가 있을 것이다.
다른 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 연료 질량 유량을 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량으로 증가시키는 반면에, 전이 연료 질량 유량을 감소시키고 작동 모드 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 유지하기 위해 전기 부하(300)에 제공되는 전력의 크기를 증가시키는 것 중 적어도 하나를 포함한다. 예를 들어, SOFC 시스템(100)은 SOFC 연료 질량 유량을 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량으로 증가시키면서 전이 연료 질량 유량만을 감소시킬 수 있거나 또는 SOFC 연료 질량을 제 1 작동 SOFC 질량 유량으로 증가시키면서 제공된 전력의 크기만을 증가시킬 수 있다.
SOFC 연료 질량 유량이 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량에 도달한 후, SOFC 시스템(100)은 블럭(606)에 의해 나타낸 바와 같이, SOFC 유닛(180)의 애노드 측에 전이 연료를 공급하는 것을 중단하기 위하여 SOFC 시스템의 애노드 루프에 전이 연료를 공급하는 것을 중단한다. 일부 실시예에서, 전이 연료는 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량에 도달하였을 때 작은 제어 가능한 값으로 감소될 수 있다. 예를 들어, 제어기(190)는 전이 연료 공급원(104)으로부터 SOFC 시스템(100)의 애노드 루프로 전이 연료를 제공하는 것을 중단하도록 전이 연료 흐름 제어 장치(104a)를 제어한다.
전이 가스가 턴 오프(turn off)되었거나 또는 임의의 시간에 턴 오프될 수있는 경우, SOFC 시스템(100)은 블럭(608)에 의해 나타낸 바와 같이 작동 모드 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 유지시키기 위해 전기 부하(300)에 제공되는 전력의 크기를 증가시키면서 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량에서 제 2 작동 SOFC 연료 질량 유량으로 SOFC 연료 질량 유량을 증가시킨다. 예를 들어, 전이 연료 질량 유량이 0에 도달하는 것에 응답하여, 제어기(190)는 SOFC 연료 유량 제어 장치(106a)를 제어하여 SOFC 연료 질량 유량을 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량에서 제 2 작동 SOFC 연료 질량 유량으로 증가시키면서 SOFC 유닛(180)을 제어하여 전기 부하(300)에 공급되는 전력의 크기를 증가시킨다. 이러한 예시적인 실시예에서, 제 2 작동 SOFC 연료 질량 유량은 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 100 %까지이다.
특정 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 연료 질량 유량을 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량에서 제 2 작동 SOFC 연료 질량 유량으로 점진적으로 증가시키면서, 그에 상응하게 전기 부하(300)에 제공되는 전력의 크기를 증가시켜서 작동 모드 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 유지한다. 일부 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 1 %와 약 10 % 사이의 증분으로 SOFC 연료 질량 유량을 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량에서 제 2 작동 SOFC 연료 질량 유량으로 증가시킨다. 일부 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 2 %와 약 5 % 사이의 증분으로 SOFC 연료 질량 유량을 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량에서 제 2 작동 SOFC 연료 질량 유량으로 증가시킨다. 일부 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 3 %의 증분으로 SOFC 연료 질량 유량을 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량에서 제 2 작동 SOFC 연료 질량 유량으로 증가시킨다. 이것은 SOFC 연료 질량 유량의 제 2 작동 SOFC 연료 질량 유량으로의 점진적인 증가를 보장하며, 이에 의해 제어기(180)는 연료 이용을 작동 모두 연료 이용 범위내에서 적절하게 유지하도록 SOFC 유닛을 제어하여 최적의 전기 변환 효율을 산출하고 항상 충분한 증기 대 탄소 비율을 유지한다. 일부 실시예에서, SOFC 연료 질량 유량의 증가는 전술한 바와 같이 SOFC 유닛(180) 전류 부하의 증가를 약간 유도할 수 있다.
이 시점에서, SOFC 시스템(100)은 작동 모드에 있으며, SOFC 시스템(100)은 SOFC 연료 질량 유량 및/또는 전기 부하(300)에 의해 유도된 전력의 크기를 제어하여, 블럭(610)에 의해 나타낸 바와 같이 다른 작동 모드(예를 들어, 전력-준비 고온 대기 또는 셧-다운)로 전환하라는 지시를 수신할 때까지 연료 이용을 작동 모드 연료 이용 범위내에서 유지한다. 예를 들어, 제어기(190)는 적어도 하나의 (SOFC 연료 질량 유량을 제어하기 위한) SOFC 연료 흐름 제어 장치(106a) 및 (전기 부하(300)에 제공된 전력의 크기를 제어하기 위한) SOFC 유닛(180)을 제어하여 연료 이용을 작동 모드 연료 이용 범위내에서 유지한다.
캐소드(150)는 작동 모드에 있는 동안 산화제내의 산소를 전해질(170)을 통해 애노드(160)로 확산하는 산소 이온으로 환원시킨다. 애노드(160)는 전기 부하(300)를 통해 흐르는 전자를 발산하는 SOFC 연료를 산화시킨다. 산화제 흐름 제어 장치(102a)는 SOFC 유닛(180)으로부터 인출된 전력을 지지하는데 필요한 산화제 질량 유량을 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 산화제 흐름 제어 장치(102a)는 전체 부하 산화제 질량 유량 중 50 내지 100 % 사이의 산화제 질량 유량을 제어한다.
3.4 작동 모드에서 전력-준비 고온 대기 모드로 전이
도 7은 SOFC 시스템(100)을 작동 모드로부터 대기 모드로 전이시키기 위해 SOFC 시스템(100)을 작동시키는 방법(700)을 도시한 흐름도이다. 다양한 실시예들에서, 제어기(190)의 메모리에 저장되고 제어기(190)의 CPU에 의해 실행되는 명령들은 방법(700)을 나타낸다. 방법(700)이 도 7에 도시된 흐름도와 관련하여 설명되었지만, 하기 기술되는 작용들을 수행하는 다른 방법들도 사용할 수 있다. 특정 실시예에서, 블럭은 도시된 순서대로 수행되는 반면, 다른 실시예에서는 블럭이 다른 순서로 수행된다.
방법(700)은 제어기(190)가 SOFC 시스템(100)을 동작 모드로부터 전력-준비고온 대기 모드로 전이하기 시작하라는 명령을 포함하는 (입력 장치를 통해 작업자로부터와 같은) 입력을 수신하는 것에 응답하여 시작한다. 이에 응답하여, SOFC 시스템(100)은 SOFC 연료 질량 유량을 제 2 작동 SOFC 연료 질량 유량에서 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량으로 감소시키면서, 블록(702)에 의해 나타낸 바와 같이, 전기 부하(300)에 제공되는 전력의 크기를 감소시켜 작동 모드 연료 이용 범위내에서 연료 이용 유지시킨다. 예를 들어, 제어기(190)는 SOFC 연료 흐름 제어 장치(106a)를 제어하여 SOFC 연료 질량 유량을 제 2 작동 SOFC 연료 질량 유량에서 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량으로 감소시키면서, SOFC 유닛(180)을 제어하여 전기 부하(300)에 공급되는 전력의 크기를 감소시킨다.
특정 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 연료 질량 유량을 제 2 작동 SOFC 연료 질량 유량에서 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량으로 점진적으로 감소시키는 반면에, 그에 대응하게 전기 부하(300)에 제공되는 전력의 크기를 감소시켜 작동 모드 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 유지한다. 일부 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 1 %와 약 10 % 사이의 증분으로 SOFC 연료 질량 유량을 제 2 작동 SOFC 연료 질량 유량에서 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량으로 감소시킨다. 일부 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 2 %와 약 5 % 사이의 증분으로 SOFC 연료 질량 유량을 제 2 작동 SOFC 연료 질량 유량에서 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량으로 감소시킨다. 일부 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 3 %의 증분으로 SOFC 연료 질량 유량을 제 2 작동 SOFC 연료 질량 유량에서 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량으로 감소시킨다. 이러한 점진적인 감소는 SOFC 연료 질량 유량의 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량으로의 점진적인 감소를 보장하며, 이에 의해 제어기(190)가 작동 모드 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 적절하게 유지하도록 SOFC 유닛(180)을 제어하게 한다. 상술한 바와 같이, SOFC 유닛(180) 전류 부하는 동일한 단계에서 SOFC 연료 질량 유량이 감소되기 전에 하나의 점진적인 단계에서 근소하게 감소될 수 있다.
SOFC 질량 유량이 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량에 도달한 후, 블럭(704)에 의해 나타낸 바와 같이, SOFC 시스템(100)은 SOFC 시스템(100)의 애노드 루프에 전이 연료를 제공하기 시작하여 전이 연료를 SOFC 유닛(180)의 애노드 측에 공급한다. 예를 들어, 제어기(190)는 전이 연료 흐름 제어 장치(104a)를 제어하여 전이 연료 공급원(104)으로부터 전이 연료를 수용하고 전이 연료 질량 유량으로 (상기 기술된 바와 같이) 전이 연료를 SOFC 시스템(100)의 애노드 루프내로 제공한다. 사용되는 전이 연료의 양은 SOFC 연료 질량 유량 및 SOFC 유닛(180) 전류가 감소함에 따라 점진적으로 증가되는 제어 가능한 작은값에서 시작한다. 궁극적으로, 전이 연료 유량은 SOFC 연료 질량 유량에서 사용된 것보다 큰 값에 도달할 것이다. 최종 전이 연료 유량은 상기 유량보다 높거나 같은 반면에, RCB는 이전에 전이되어 버렸다.
SOFC 시스템(100)의 애노드 루프내로 전이 연료를 제공하기 시작한 후에, SOFC 시스템(100)은 SOFC 연료 질량 유량을 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량에서 전력-준비 고온 대기 SOFC 연료 질량 유량으로 감소시키면서, 블럭(706)에 의해 나타낸 바와 같이, 전이 연료 질량 유량을 증가시키고 전기 부하(300)에 제공되는 전력의 크기를 감소시켜 작동 모드 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 유지한다. 예를 들어, 제어기(190)는 SOFC 연료 유량 제어 장치(106a)를 제어하여 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량에서 전력-준비 고온 대기 SOFC 연료 질량 유량으로 SOFC 연료 질량 유량을 감소시키면서, 전이 연료 흐름 제어 장치(104a)를 제어하여 전이 연료 질량 유량을 증가시키고 SOFC 유닛(180)을 제어하여 전기 부하(300)에 제공되는 전력의 크기를 감소시킨다. 이러한 예시적인 실시예에서, 전력-준비 고온 대기 SOFC 연료 질량 유량은 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 1 % 내지 약 10 % 사이에 있다. 다른 실시예에서, 전력-준비 고온 대기 SOFC 연료 질량 유량은 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 3 %이다.
특정 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량에서 전력-준비 고온 대기 SOFC 연료 질량 유량으로 SOFC 연료 질량 유량을 점진적으로 감소시키면서, 그에 대응하게 전이 연료 질량 유량을 증가시키고 전기 부하(300)에 제공되는 전력의 크기를 감소시켜 작동 모드 연료 이용 범위 내에서 연료 이용을 유지한다. 특정 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 1 % 내지 약 10 % 사이의 증분으로 SOFC 연료 질량 유량을 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량에서 전력-준비 고온 대기 SOFC 연료 질량 유량으로 감소시킨다. 다른 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 2 % 내지 약 5 % 사이의 증분으로 SOFC 연료 질량 유량을 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량에서 전력-준비 고온 대기 SOFC 연료 질량 유량으로 감소시킨다. 다른 실시예들에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 3 %의 증분으로 SOFC 연료 질량 유량을 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량에서 전력-준비 고온 대기 SOFC 연료 질량 유량으로 감소시킨다. SOFC 연료 질량 유량의 이러한 점진적 감소는 SOFC 연료 질량 유량의 전력-준비 고온 대기 SOFC 연료 질량 유량으로의 점진적 감소를 보장하며, 이로 인해 제어기(190)가 작동 모드 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 적절히 유지하도록 전이 연료 유량 제어 장치(104a) 및 SOFC 유닛(180)을 제어할 수있게 한다.
다른 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 연료 질량 유량을 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량에서 전력-준비 고온 대기 SOFC 연료 질량 유량으로 감소시키면서, 전이 연료 질량 유량을 증가시키고 작동 모드 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 유지하기 위해 전기 부하(300)에 제공되는 전력의 크기를 감소시키는 것 중 적어도 하나를 포함한다. 예를 들어, SOFC 시스템(100)은 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량에서 전력-준비 고온 대기 SOFC 연료 질량 유량으로 SOFC 연료 질량 유량을 감소시키면서 전이 연료 질량 유량만을 증가시킬 수 있거나, 또는 상기 SOFC 연료 질량 유량을 상기 제 1 작동 SOFC 연료 질량 유량에서 상기 전력-준비 고온 대기 SOFC 연료 질량 유량으로 감소시키면서 제공된 전력의 크기만을 감소시킬 수 있다.
SOFC 연료 질량 유량이 전력-준비 고온 대기 SOFC 연료 질량 유량에 도달한 후, 블럭(708)에 의해 나타낸 바와 같이, SOFC 시스템(100)은 전기 부하(300)에 전력을 공급하는 것을 중단한다. 예를 들어, 전력-준비 고온 대기 SOFC 연료 질량 유량에 도달하는 SOFC 연료 질량 유량에 응답하여, 제어기(190)는 SOFC 유닛(180)을 제어하여 전기 부하(300)에 전력 공급을 중단한다.
SOFC 유닛(180)의 전력 발생 정지시, SOFC 유닛(180)의 온도를 유지하는 전기 손실을 대체하는데 필요한 열 유입을 제공하기 위해 열원(185)을 켜야 한다. 열 원(185)은 SOFC 유닛(180)의 냉각 속도를 제어하도록 조정될 수 있다.
3.5 전력-준비 고온 대기 모드에서 셧-다운 모드로 전이
도 8은 SOFC 시스템(100)을 전력-준비 고온 대기 모드로부터 셧-다운 모드로 전이시키는 SOFC 시스템(100)을 작동시키는 방법(800)을 도시하는 흐름도이다. 다양한 실시예들에서, 제어기(190)의 메모리에 저장되고 제어기(190)의 CPU에 의해 실행되는 명령들은 방법(800)을 나타낸다. 방법(800)이 도 8에 도시된 흐름도와 관련하여 설명되었지만, 하기에 기술된 작용들을 수행하는 다른 방법들이 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 블럭은 도시된 순서대로 수행되는 반면에, 다른 실시예에서는 블럭이 다른 순서로 수행된다.
블럭(802)에 의해 나타내는 바와 같이, SOFC 시스템(100)은 전기 부하(300)에 대한 전력의 인가를 중단한 후, SOFC 유닛(180)에 RCB를 인가하기 시작한다. 예를 들어, 제어기(190)는 전력 공급원(200)을 제어하여 RCB를 SOFC 유닛(180)에 인가한다. 초기 RCB는 작동 연료 이용 범위로부터 75 %의 연료 이용율로 연료 이용을 낮추도록 구성된다. SOFC 연료 질량 유량이 점진적으로 0으로 감소함에 따라 RCB가 점진적으로 증가하여 연료 이용율이 50 %가 된다.
SOFC 시스템(100)은 전력-준비 고온 대기 SOFC 연료 질량 유량으로부터 SOFC 연료 질량 유량을 0으로 감소시켜 SOFC 유닛(180)의 애노드 측으로 SOFC 연료의 공급을 중지하면서, 일련의 증분적 단계로 전이 연료 질량 유량을 증가시킨다. 일부 실시예들에서, 전이 연료 질량 유량은 SOFC 연료 질량 유량이 0으로 감소된 상태로 유지되는 더 높은 값을 가질 수 있다. 부가적으로, SOFC 시스템(100)은 블럭(804)에 의해 나타내는 바와 같이, 애노드 보호 연료 이용 범위내로 연료 이용을 감소시키기 위해 RCB의 크기를 증가시킨다. 예를 들어, 제어기(190)는 SOFC 연료 흐름 제어 장치(106a)를 제어하여 SOFC 연료 질량 유량을 전력-준비 고온 대기 SOFC 연료 질량 유량으로부터 0으로 감소시키면서, 전이 연료 흐름 제어 장치(104a)를 제어하여 전이 연료 질량 유량을 증가시키고 RCB의 크기를 증가시키기 위해 전원(200)을 제어하여 애노드 보호 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 감소시킨다.
일부 실시예들에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 연료 질량 유량을 전력-준비 고온 대기 SOFC 연료 질량 유량으로부터 0으로 점진적으로 감소시키면서, 그에 대응하게 전이 연료 질량 유량을 증가시키고 RCB의 크기를 증가시켜 애노드 보호 연료 이용 범위 내에서 연료 이용을 감소시킨다. 일부 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 연료 이용이 0으로 감소할 때까지 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 0.2 % 내지 약 2 % 사이의 증분으로 SOFC 연료 질량 유량을 감소시킨다. 일부 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 연료 이용이 0으로 감소할 때까지 SOFC 시스템(100)의 전체 부하에서 SOFC 연료 질량 유량의 약 0.4 % 내지 약 1 % 사이의 증분으로 SOFC 연료 질량 유량을 감소시킨다. 증분 SOFC 연료의 수는 전이시키는 단계를 감소시키는 반면에 SOFC 연료의 총 증가량이 2 % 일 때 RCB의 전이는 전형적으로 5 단계이지만 1 % 내지 10 %까지 변화할 수 있다. 이러한 것은 전력-준비 고온 대기 범위내에서부터 애노드 보호 연료 이용 범위내로 연료 이용의 점진적 감소를 보장한다. 일부 실시예에서, SOFC 연료 흐름 질량 유량은 설계 전체 부하 SOFC 연료 질량 유량의 0 % 내지 3 %까지 0.6 % 의 증분으로 감소한다.
다른 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 연료 질량 유량을 전력-준비 고온 대기 SOFC 연료 질량 유량으로부터 0으로 감소시키면서, 연료 이용이 애노드 보호 연료 이용 범위 내로 감소할 때까지 전이 연료 질량 유량 및 RCB의 크기 중 적어도 하나를 증가시킨다. 예를 들어, SOFC 시스템(100)은 SOFC 연료 질량 유량을 전력-준비 고온 대기 SOFC 연료 질량 유량으로부터 0으로 감소시키면서 전이 연료 질량 유량만을 증가시킬 수 있거나, 또는 SOFC 연료 질량 유량을 전력-준비 고온 대기 SOFC 연료 질량 유량으로부터 0으로 감소시키면서 RCB의 크기만을 증가시킬 수 있다.
이 지점에서, SOFC 시스템은 블럭(806)에 의해 나타내는 바와 같이, 애노드 보호 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 유지하기 위해 전이 연료 질량 유량 및/또는 RCB의 크기를 제어한다. 예를 들어, 제어기(190)는 (전이 연료 질량 유량을 제어하기 위해) 전이 연료 흐름 제어 장치(104a)를 제어하고 및/또는 애노드-보호 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 유지하기 위하여 (RCB의 크기를 제어하기 위해) 전원(200)을 제어한다. 애노드-보호 연료 이용은 애노드가 더 높은 작동 온도에서 빠른 산화로부터 보호되도록 셧-다운/ 냉각 중에 유지되어야 한다.
RCB의 인가 및 전이 가스의 제공에 의해 연료 이용이 애노드-보호 범위내에 유지되면, SOFC 시스템(100)은 냉각 공정을 시작할 수 있다. SOFC 시스템(100)은 블럭(808)에 의해 나타내는 바와 같이, 대기 모드 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 유지하도록 RCB의 크기를 제어하면서 SOFC 유닛(180)을 작동 온도로부터 냉각하게 한다. 일부 실시예에서, 전이 가스는 SOFC 유닛(180)을 전기적으로 부하/비-부하하고 RCB를 온/오프(on/off)로 전이할 때 사용된 것보다 낮은 값으로 유지된다. 예를 들어, 제어부(190)는 열원(185) 및/또는 산화제 흐름 제어 장치(102a)를 제어하여 SOFC 유닛(180)을 냉각하게 하면서 RCB의 크기를 제어하기 위해 전원(200)을 제어하여 대기 모드 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 유지한다.
일부 실시예에서, 산화제 질량 유량은 전체 부하 설계 산화제 질량 유량의 약 65 내지 90 %로 유지될 수 있다. 일부 실시예에서, 산화제 질량 유량은 전체 부하 설계 산화제 질량 유량의 약 70 내지 80 %로 유지될 수 있다. 일부 실시예에서, 산화제 질량 유량은 전체 부하 설계 산화제 질량 유량의 약 75 %로 유지될 수 있다. 일부 실시예에서, 산화제 질량 유량은 전체 부하에서 산화제 질량 유량의 50 % 내지 100 % 사이이다.
SOFC 시스템(100)은 다이아몬드(810)에 의해 나타내는 바와 같이 보호 온도("소정의 온도"로서 알려질 수 있음)에 도달했는지 여부를 결정하기 위해 SOFC 유닛 온도를 모니터링한다. 예를 들어, 제어기(190)는 SOFC 유닛 온도가 보호 온도에 도달했는지 여부를 결정하기 위해 SOFC 유닛 온도를 모니터링한다. 일부 실시예에서, 보호 온도는 약 450 ℃ 내지 약 750 ℃ 사이에 있다. 일부 실시예에서, 보호 온도는 약 450 ℃ 내지 약 750 ℃ 사이에 있다. 일부 실시예에서, 보호 온도는 약 550 ℃ 내지 약 750 ℃ 사이에 있다. 일부 실시예에서, 보호 온도는 약 600 ℃ 내지 약 650 ℃ 사이에 있다. 일부 실시예에서, 보호 온도는 약 650 ℃이다.
SOFC 시스템(100)은 다이아몬드(810)에서 SOFC 유닛 온도가 보호 온도에 도달했음을 결정하면, 블럭(812)에 의해 나타내는 바와 같이 SOFC 시스템(100)은 SOFC 시스템(100)의 애노드 루프로 전이 연료 공급을 중지하여 SOFC 유닛(180)의 애노드 측으로 전이 연료의 공급을 중지하고 SOFC 유닛(180)에 RCB를 인가하는 것을 중지한다. 예를 들어, SOFC 유닛 온도가 보호 온도에 도달했다는 결정에 대한 응답으로, 제어기(190)는 전이 연료 흐름 제어 장치(104a)를 제어하여 전이 연료 공급원(104)으로부터 SOFC 시스템의 애노드 루프로 전이 연료 공급을 중단하고, 전원(200)을 제어하여 SOFC 유닛(180)에 RCB를 인가하는 것을 중단시킨다. 이러한 것은 SOFC 유닛이 보호 온도로부터 산화 온도(예를 들어, 약 400 ℃ 내지 약 500 ℃)로 냉각됨에 따라 애노드가 산화될 수 있도록 공기가 SOFC 유닛을 침투하는 것을 가능하게 한다. 즉, SOFC 또는 전이 연료가 애노드에서 존재하여 캐소드로부터 흐르는 O2를 소모하지 않기 때문에, O2는 캐소드를 산화시킨다. 보호 온도로부터 산화 온도로의 이러한 제어된 산화는 애노드가 보다 높은 작동 온도로부터 산화 온도로의 산화를 허용할 때 일어나는 산화에 비해 애노드내의 Ni상에 얇은 보호 산화물층을 형성한다. 보호 산화물층이 비교적 얇기 때문에, 산화됨에 따라 Ni 대 NiO의 부피 변화는 애노드가 보다 높은 작동 온도에서부터 산화 온도로의 산화를 허용하여 비교적 두꺼운 보호 산화물층을 형성할 때 일어나는 부피 변화에 비해 작다. 이는 애노드가 연료 전지 저하없이 순환 산화 및 재 환원 순환을 허용할 수 있음을 의미한다.
일부 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 시스템(100)의 애노드 루프에 전이 연료를 제공하고 SOFC 유닛(180)에 RCB를 인가하는 것을 동시에 중단한다. 일부 실시예에서, SOFC 시스템(100) 순차적으로 또한 어느 순서로도 수행된다. 일부 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 유닛 온도가 600 ℃와 같은 특정 값에 도달하면 RCB를 제공하는 것을 중단한다. 일부 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 유닛 온도가 650 ℃와 같은 특정 값에 도달하면 SOFC 유닛(180)에 전이 연료를 제공하는 것을 중단한다.
그 후, SOFC 시스템(100)은 블럭(814)에 의해 나타내는 바와 같이 SOFC 유닛이 주위 온도로 냉각하게 한다. 예를 들어, 제어기(190)는 열원(185) 및/또는 산화제 흐름 제어 장치(102a)를 제어하여 SOFC 유닛(180)이 소정의 속도로 냉각되도록 한다. 일부 실시예들에서, 소정의 비율은 분당 약 1 ℃ 내지 약 10 ℃ 사이이다. 일부 실시예에서, 소정의 비율은 분당 약 1 ℃ 내지 약 5 ℃ 사이이다. 일부 실시예에서, 소정의 비율은 분당 약 3 ℃이다.
3.6 작동 모드로부터 셧-다운 모드로 전이
도 9는 SOFC 시스템(100)을 작동 모드로부터 셧-다운 모드로 전이시키기 위해 SOFC 시스템(100)을 작동시키는 방법(900)을 도시한 흐름도이다. 다양한 실시예들에서, 제어기(190)의 메모리에 저장되고 제어기(190)의 CPU에 의해 실행되는 명령들은 방법(900)을 나타낸다. 방법(900)이 도 9에 도시된 흐름도와 관련하여 설명되었지만, 하기 기술되는 작용들을 수행하는 다른 방법들도 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 블럭 및/또는 다이아몬드는 도시된 순서대로 수행되는 반면에, 다른 실시예에서는 블럭 및/또는 다이아몬드가 다른 순서로 수행된다. 이러한 방법(900)은 안전을 위해 또는 자산(연료 전지)을 보호하기 위해 즉각적인 셧-다운을 필요로 하는 일부시스템 결함으로 인한 비상 셧 다운을 기술한다. 이러한 시스템 결함은 SOFC 유닛(180)의 SOFC 연료의 공급을 즉각적으로 중단할 것을 요구한다. SOFC 연료의 흐름을 정지 시키려면 SOFC 유닛(180)의 전력 생산을 중단시킬 필요가있다.
방법(900)은 제어기(190)가 SOFC 시스템(100)을 작동 모드에서부처 셧-다운 모드로 전이시키기 시작하는 명령을 포함하는 (입력 장치를 통해 작업자로부터와 같은) 입력을 수신하는 것에 응답하여 시작한다. 이에 응답하여, 블럭(902)에 의해 나타내는 바와 같이 SOFC 시스템(100)은 전기 부하(300)에 전력 공급을 중단하고, 블럭(904)에 의해 나타낸 바와 같이 SOFC 연료 질량 유량을 0으로 감소시켜 SOFC 연료를 SOFC 유닛(180)의 애노드 측에 공급하는 것을 중단한다. 예를 들어, 제어기(190)는 SOFC 유닛(180)을 제어하여 전기 부하(300)에 공급되는 전력의 크기를 감소시키고 SOFC 연료 흐름 제어 장치(106a)를 제어하여 SOFC 연료 질량 유량을 0으로 감소시킨다. 이러한 단계는 동시에 또는 순차적으로 수행될 수 있다.
블럭(906)에 의해 나타내는 바와 같이, SOFC 시스템(100)은 SOFC 유닛(180)에 RCB를 인가하기 시작하고, 블럭(908)에 의해 나타내는 바와 같이 SOFC 유닛(180)의 애노드 측에 전이 연료를 제공하기 시작한다. 예를 들어, 제어기(190)는 SOFC 유닛(180)에 RCB를 인가하도록 전원(200)을 제어하고, 전이 연료 흐름 제어 장치(104a)를 제어하여 전이 연료 공급원(104)로부터 전이 연료를 수용하고 전이 연료 질량 유량으로 (상기 기술된 바와 같이) 전이 연료를 SOFC 시스템(100)내로 제공한다. 일부 실시예에서, 전이 연료 질량 흐름은 그의 사용을 보존하기 위해 보다 낮은 값에 있다. 이러한 단계들은이 예시적인 실시예에서는 동시에 수행되지만, 다른 실시 예에서는 (어느 순서로든) 순차적으로 수행될 수 있다.
SOFC 시스템(100)은 블럭(910)에 의해 나타내는 바와 같이 애노드 보호 연료 이용 범위내로 연료 이용을 감소 시키도록 RCB의 크기를 제어한다. 예를 들어, 제어기(190)는 (전이 연료 질량 유량을 제어하기 위해) 전이 연료 흐름 제어 장치(104a)를 제어하고 및/또는 (RCB의 크기를 제어하기 위해) 전원(200)을 제어하여 애노드-보호 연료 이용 범위내에서 연료 이용을 감소시킨다.
SOFC 시스템(100)은 블럭(912)에 의해 나타낸 바와 같이 SOFC 유닛(180)이 작동 온도로부터 냉각하게 하면서 연료 이용을 애노드-보호 연료 이용 범위내에서 유지하도록 RCB의 크기 및/또는 전이 연료 질량 유량을 제어한다. 예를 들어, 제어기(190)는 RCB의 크기를 제어하기 위해 전원(200)을 제어하여 연료 이용을 대기 모드 연료 이용 범위내에서 유지하면서, 열원(185) 및/또는 산화제 흐름 제어 장치102)를 제어하여 SOFC 유닛(180)을 냉각하게 한다.
SOFC 시스템(100)은 다이아몬드(914)에 의해 나타내는 바와 같이 SOFC 유닛 온도가 보호 온도에 도달했는지 여부를 결정하기 위해 SOFC 유닛 온도를 모니터링한다. 예를 들어, 제어기(190)는 SOFC 유닛 온도가 보호 온도에 도달했는지 여부를 결정하기 위해 SOFC 유닛 온도를 모니터링한다. 이러한 예시적인 실시예에서, 보호 온도는 약 450 ℃ 내지 약 750 ℃ 사이에 있다. 다른 실시예에서, 보호 온도는 약 550 ℃ 내지 약 750 ℃ 사이에 있다. 다른 실시예에서, 보호 온도는 약 600 ℃ 내지 약 650 ℃ 사이에 있다.
일단 SOFC 시스템이 다이아몬드(914)에서 SOFC 유닛 온도가 보호 온도에 도달했다는 것을 결정하면, SOFC 시스템(100)은 블럭(916)에 의해 나타내는 바와 같이 SOFC 유닛(180)의 애노드 측으로 전이 연료의 공급을 중단하기 위하여 SOFC 시스템(100)의 애노드 루프내로 전이 연료 공급을 중단하고 SOFC 유닛(180)에 RCB를 인가하는 것을 중단한다. 이것은 공기가 SOFC 유닛(180)에 침투할 수 있게 하여, SOFC 유닛이 주위 온도로 냉각될 때 애노드가 산화될 수 있게 한다. 예를 들어, SOFC 유닛 온도가 보호 온도에 도달했다는 결정에 응답하여, 제어기(190)는 전이 연료 공급원(104)으로부터 SOFC 시스템(100)의 애노드 루프내로 전이 연료를 제공하는 것을 중단하도록 전이 연료 흐름 제어 장치(104a)를 제어하고 RCB의 SOFC 유닛(180)으로의 공급을 중단한다.
특정 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 유닛(180)의 애노드 측으로 전이 연료를 제공하고 SOFC 유닛에 RCB를 인가하는 것을 동시에 중단한다. 다른 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 순차적으로 그리고 어느 순서로든 상기한 바와 같이 수행한다. 다양한 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 유닛 온도가 600 ℃와 같은 특정 값에 도달하면 RCB의 인가를 중지한다. 다른 실시예에서, SOFC 시스템(100)은 SOFC 유닛 온도가 650 ℃와 같은 특정 값에 도달하면 SOFC 유닛(180)에 전이 가스를 제공하는 것을 중단한다.
그 후, SOFC 시스템(100)은 블럭(918)에 의해 나타내는 바와 같이 SOFC 유닛이 주위 온도로 냉각하게 한다. 예를 들어, 제어기(190)는 열원(185) 및/또는 산화제 흐름 제어 장치(102a)를 제어하여 SOFC 유닛(180)이 소정의 속도로 냉각되도록 한다. 일부 실시예에서, 소정의 속도는 분당 약 1 내지 약 10 ℃ 사이에 있다. 일부 실시예에서, 소정의 속도는 분당 약 1 내지 약 5 ℃ 사이에 있다. 다른 실시 예에서, 소정의 속도는 분당 약 3 ℃이다. 냉각 속도가 너무 높으면 열 균열로 인해 적층체의 손상이 발생할 수 있다.
본 원에 기술된 실시예들에 대한 다양한 변경은 당업자에게 명백할 것이다. 이러한 변경은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 의도된 이점을 감소시키지 않고서도 수행될 수 있다. 이러한 변화 및 변경은 첨부된 청구 범위에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (21)

  1. 연료 전지 시스템을 작동 모드들 사이에서 전이하는 방법으로서,
    상기 연료 전지 시스템은,
    각각 애노드, 캐소드 및 전해질을 포함한 복수의 고체 산화물 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택(stack);
    연료 공급 매니폴드, 연료 배기 매니폴드, 및 상기 연료 공급 매니 폴드 및 상기 연료 배기 매니 폴드와 유체 연통하는 하나 이상의 연료 공급 채널을 포함하는 블록 내 연료 공급 유로(in-block fueling flowpath)(여기서, 각각의 애노드는 하나 이상의 상기 연료 공급 채널내에서 연료 흐름에 노출되어 있다); 연료 공급 입구, 연료 재순환 입구 및 결합된 연료 출구를 갖는 애노드 이젝터; 상기 애노드 이젝터 연료 재순환 입구 및 상기 블록 내 연료 공급 유로 연료 배기 매니폴드와 유체 연통하는 연료 재순환 도관; 및 상기 애노드 이젝터 결합된 연료 출구 및 상기 블록 내 연료 공급 유로 연료 공급 매니폴드와 유체 연통하는 결합된 연료 공급 도관을 포함하는 애노드 루프;
    상기 애노드 이젝터 연료 공급 입구와 유체 연통하는 연료 공급 도관;
    상기 연료 공급 도관과 유체 연통하는 SOFC 연료의 공급원;
    상기 연료 공급 도관과 유체 연통하는 전이 연료의 공급원;
    산화제 공급 매니폴드, 산화제 배기 매니폴드, 및 상기 산화제 공급 매니폴드 및 상기 산화제 배기 매니폴드와 유체 연통하는 하나 이상의 산화 채널을 포함한 블록 내 산화 유로(여기서, 각각의 캐소드는 하나 이상의 산화 채널내에서 흐르는 산화제에 노출되어 있다); 산화제 공급 입구, 산화제 재순환 입구 및 결합된 산화제 출구를 갖는 캐소드 이젝터; 상기 캐소드 이젝터 산화제 재순환 입구 및 상기 블록 내 산화 유로 산화제 배기 매니폴드와 유체 연통하는 산화제 재순환 도관; 상기 캐소드 이젝터 결합된 산화제 출구 및 상기 블록 내 산화 유로 산화제 공급 매니폴드와 유체 연통하는 결합된 산화제 공급 도관; 및 캐소드 루프내에 흐르는 산화제를 가열하도록 배치된 열원을 포함하는 캐소드 루프;
    상기 캐소드 이젝터 산화제 공급 입구와 유체 연통하는 산화제 공급 도관; 및
    상기 산화제 공급 도관과 유체 연통하는 산화제 공급원을 포함하며;
    연료 전지 시스템을 셧-다운 모드에서 고온 대기 모드로 전이시키는 방법은,
    셧-다운 모드에서, 산화제가 주위 온도에서 캐소드 루프를 통해 흐르고, 연료는 애노드 루프에서 유동하지 않고, RCB는 연료 전지 스택에 인가되지 않으며; 고온 대기 모드에서, 산화제는 고온 대기 온도에서 캐소드 루프를 통해 흐르고, 전이 연료는 애노드의 산화를 방지하기에 충분한 질량 유량으로 공급원으로부터 애노드 루프내로 흐르고, RCB는 연료 전지 스택에 인가되고, 애노드 연료 이용율은 애노드-보호 연료 이용 범위내에 있으며;
    상기 전이 방법은,
    상기 캐소드 루프를 통해 산화제의 흐름을 유지하는 단계;
    상기 캐소드 루프를 통해 흐르는 상기 산화제의 질량 유량 및 온도를 제어함으로써 상기 연료 전지 스택의 가열을 제어하는 단계;
    상기 연료 전지 스택의 온도가 주위 온도와 고온 대기 온도 사이의 소정의 온도에 도달할 때, 애노드 산화를 방지하기에 충분한 질량 유량으로 상기 전이 연료를 상기 애노드 루프내로 유동시키는 단계;
    상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 소정의 온도에 있거나 또는 그 아래에 있을 때 상기 연료 전지 스택에 RCB를 인가하는 단계; 및
    연료 전지 스택의 온도가 고온 대기 온도에 도달할 때까지 캐소드 루프를 통해 흐르는 산화제의 질량 유량 및 온도를 제어함으로써 연료 전지 스택의 가열의 제어를 유지하는 단계를 포함하는,
    연료 전지 시스템을 셧-다운 모드에서 고온 대기 모드로 전이시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전체 부하 질량 유량의 50 % 내지 100 %의 범위로 상기 캐소드 루프를 통한 산화제의 흐름을 유지하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    전체 부하 질량 유량의 약 100 %로 상기 캐소드 루프를 통한 산화제의 흐름을 유지하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열원을 제어함으로써 상기 연료 전지 스택의 가열을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고온 대기 온도가 800 ℃ 내지 1000 ℃의 범위에 있는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 고온 대기 온도가 약 850 ℃ 인 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 소정의 온도가 450 ℃ 내지 750 ℃의 범위에 있는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 소정의 온도가 약 650 ℃ 인 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    분 당 1 ℃ 내지 5 ℃ 범위의 속도로 상기 주위 온도로부터 상기 소정의 온도로 연료 전지 스택의 가열을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    분 당 약 3 ℃의 속도로 주위 온도로부터 소정의 온도로 연료 전지 스택의 가열을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    분 당 1 ℃ 내지 5 ℃ 범위의 속도로 상기 소정의 온도로부터 고온 대기 온도로 연료 전지 스택의 가열을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    분 당 약 3 ℃의 속도로 소정의 온도로부터 고온 대기 온도로 연료 전지 스택의 가열을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    분 당 1 ℃ 내지 10 ℃ 범위의 속도로 주위 온로로부터 약 850 ℃로 연료 전지 스택의 가열을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    분 당 약 3 ℃의 속도로 주위 온로로부터 약 850 ℃로 연료 전지 스택의 가열을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 연료 전지 시스템을 셧-다운 모드에서 고온 대기 모드로 전이시키는 방법으로서,
    상기 연료 전지 시스템은 복수의 고체 산화물 연료 전지(여기서,각각의 연료 전지는 전해질에 의해 이격된 애노드 및 캐소드를 포함함)를 포함하는 연료 전지 스택, 애노드에 연료를 공급하기 위한 애노드 루프 및 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 캐소드 루프를 가지며;
    셧-다운 모드에서 연료 전지 시스템의 조건은,
    산화제가 주위 온도에서 전체 부하 질량 유량 중 약 50 % 내지 100 % 범위의 질량 유량으로 캐소드 루프를 통해 흐르고;
    연료가 애노드 루프내에서 유동하지 않고;
    RCB가 연료 전지 스택에 인가되지 않는 것을 포함하며;
    고온 대기 모드에서 상기 연료 전지 시스템의 조건은,
    산화제가 800 ℃ 내지 1000 ℃ 범위의 온도에서 전체 부하 질량 유량의 약 50 % 내지 100 % 범위의 질량 유량으로 상기 캐소드 루프를 통해 흐르고;
    전이 연료가 애노드의 산화를 방지하기에 충분한 질량 유량으로 공급원으로부터 애노드 루프로 흐르고;
    RCB가 연료 전지 스택에 인가되고;
    애노드 연료 이용율이 애노드-보호 연료 이용율 범위내에 있는 것을 포함하며;
    상기 방법은,
    전체 부하 질량 유량의 약 50 % 내지 100 % 범위의 질량 유량에서 캐소드 루프를 통해 산화제의 흐름을 유지하는 단계;
    캐소드 루프를 통해 흐르는 산화제의 질량 유량 및 온도를 제어함으로써 주위 온도에서부터 600 ℃ 내지 700 ℃ 범위의 소정의 온도로 연료 전지 스택의 가열을 제어하는 단계;
    연료 전지 스택이 주위 온도와 800 ℃ 내지 1000 ℃ 범위의 온도 사이에서 소정의 온도에 도달할 때, 애노드의 산화를 방지하기에 충분한 질량 유량으로 전이 연료를 애노드 루프내로 유동시키기 시작하는 단계;
    상기 연료 전지 스택의 온도가 소정의 온도에 도달할 때 또는 그 보다 일찍 도달할 때 상기 연료 전지 스택에 RCB를 인가하는 단계; 및
    캐소드 루프를 통해 흐르는 산화제의 질량 유량 및 온도를 제어함으로써 상기 소정의 온도에서부터 800 ℃ 내지 1000 ℃ 범위의 고온 대기 온도로 상기 연료 전지 스택의 가열을 제어하는 단계를 포함하는,
    연료 전지 시스템을 셧-다운 모드에서 고온 대기 모드로 전이시키는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 소정의 온도는 약 650 ℃ 인 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    분 당 1 ℃ 내지 10 ℃ 범위의 속도로 상기 연료 전지 스택의 가열을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    분 당 약 3 ℃의 속도로 상기 연료 전지 스택의 가열을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  19. 주위 온도에서 셧-다운 모드(여기서, 연료 전지의 애노드는 산화된 금속이 실질적으로 없다)로부터 800 ℃ 내지 1000 ℃ 범위의 온도에서 고온 대기 모드(여기서, 연료 전지의 애노드는 산화된 금속을 포함한다)로 복수의 연료 전지를 포함하는 스택을 갖는 연료 전지 시스템의 전이 방법으로서,
    상기 방법은,
    상기 연료 전지 시스템의 캐소드 루프내에서 산화제를 유동시키는 단계;
    상기 캐소드 루프내에 흐르는 산화제를 가열하여 상기 연료 전지 스택의 가열을 수행하는 단계;
    상기 연료 전지 스택이 고온 대기 모드 온도보다 낮은 소정의 온도까지 가열하면서 상기 연료 전지의 애노드에 함유된 금속의 산화를 허용하는 단계; 및
    상기 연료 전지 스택이 소정의 온도 또는 그 이하의 온도에 있는 동안 RCB를 연료 전지 스택에 인가하고 상기 애노드에서 금속의 산화를 방지하기에 충분한 질량 유량으로 상기 연료 전지 시스템의 애노드 루프내에 전이 연료를 유동시킴으로써, 연료 전지 스택이 소정의 온도에서부터 대기 온도로 가열하는 동안 상기 연료 전지의 애노드들에서 상기 금속의 추가 산화를 억제하는 단계를 포함하는,
    연료 전지 시스템의 전이 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 소정의 온도가 600 ℃ 내지 700 ℃의 범위인 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 캐소드 루프내에서 흐르는 산화제의 질량 유량 및 온도를 제어함으로써 분 당 1 ℃ 내지 10 ℃ 범위의 속도로 상기 연료 전지 스택의 가열을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
KR1020190014067A 2018-02-02 2019-02-01 작동 모드 사이의 연료 전지 시스템을 전이하는 방법 KR20190094121A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/887,720 US10826088B2 (en) 2018-02-02 2018-02-02 Methods for transitioning a fuel cell system between modes of operation
US15/887,720 2018-02-02

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20190094121A true KR20190094121A (ko) 2019-08-12

Family

ID=67477076

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190014067A KR20190094121A (ko) 2018-02-02 2019-02-01 작동 모드 사이의 연료 전지 시스템을 전이하는 방법

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10826088B2 (ko)
KR (1) KR20190094121A (ko)
CN (1) CN110137541B (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3979375A1 (en) * 2019-05-27 2022-04-06 Kyocera Corporation Fuel cell apparatus
CN112297953A (zh) * 2020-09-28 2021-02-02 浙江中车电车有限公司 一种车用燃料电池的控制方法与系统

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002087052A2 (en) * 2001-04-19 2002-10-31 Delphi Technologies, Inc. Integrated solid oxide fuel cell system
US7118818B2 (en) * 2002-10-01 2006-10-10 Rolls-Royce Plc Solid oxide fuel cell system
JP4593311B2 (ja) * 2005-02-24 2010-12-08 三菱電機株式会社 燃料電池発電システム及びその停止方法
DE112008003648T5 (de) * 2008-03-20 2010-12-30 Daimler Ag Steuerverfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem
JP5384543B2 (ja) * 2011-03-04 2014-01-08 本田技研工業株式会社 燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
US10826088B2 (en) 2020-11-03
CN110137541B (zh) 2023-11-17
CN110137541A (zh) 2019-08-16
US20190245225A1 (en) 2019-08-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20190094123A (ko) 작동 모드 사이의 연료 전지 시스템을 전이하는 방법
KR102507658B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법
KR100852337B1 (ko) 수소 공기 연료 전지 시스템을 정지시키기 위한 방법
CN111048806B (zh) 一种燃料电池系统快速低温启动方法
JP2005531123A (ja) 燃料電池発電設備の運転停止のシステムおよび方法
CN111082098A (zh) 一种燃料电池系统停机方法
JP2009016170A (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御装置
WO2019163421A1 (ja) 燃料電池の温度分布制御システム、燃料電池、及び温度分布制御方法
KR20190094121A (ko) 작동 모드 사이의 연료 전지 시스템을 전이하는 방법
KR20190094120A (ko) 작동 모드 사이의 연료 전지 시스템을 전이하는 방법
JP6307536B2 (ja) 燃料電池システムの低温起動方法
JP4050919B2 (ja) 燃料電池システムおよびその運転方法
CN110137545B (zh) 用于使燃料电池系统在运行模式之间进行转换的方法
KR102683313B1 (ko) 작동 모드 사이의 연료 전지 시스템을 전이하는 방법
JPS59149664A (ja) 燃料電池装置
JP2006156084A (ja) 燃料電池システム
JP2006351241A (ja) 燃料電池システム
JP2006147336A (ja) 燃料電池システム
JPS62283564A (ja) 燃料電池発電システム
JP2004134227A (ja) 燃料電池発電設備とその運転停止方法
JP2006100153A (ja) 固体酸化物形燃料電池の運転方法及び固体酸化物形燃料電池発電設備
CN117239179A (zh) 燃料电池系统限制高电位的启动方法及高电压放电系统
JP2005056790A (ja) 燃料電池システム
JP2008251356A (ja) 燃料電池システム及びその運転停止方法

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right