KR20210029213A - 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템은, 애노드 및 캐소드를 갖는 연료 전지 스택, 애노드를 포함하는 애노드 재순환 루프, 연료 공급 경로를 통해 연료 가스를 제공하는 연료 공급 디바이스, 연료 전지 스택의 캐소드에 공기를 공급하는 공기 공급 디바이스, 및 애노드 재순환 루프를 통한 순환을 일으키는 애노드 블로워(blower)를 포함한다. 애노드 재순환 루프는 제1 경로 및 제2 경로를 갖고, 애노드는 제2 경로에 배치된다. 연료 공급 경로와 제1 경로는 제2 경로를 형성하도록 결합되고, 제2 경로는 제1 경로와 연료 배출 경로로 분할된다. 스위칭 요소는 제1 경로와 결합 지점 중 적어도 하나에 위치하고, 애노드 블로워가 고장난 경우에 연료 가스가 제2 경로를 통해 연료 배출 경로로 흐르게 강제하도록 구성된다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 제어 방법
관련출원에 대한 교차참조
본 출원은 2018년 7월 10일자로 출원된 미국 특허 출원 제16/030,908호에 대한 우선권을 주장하며, 이 미국 특허의 전체 내용은 참조에 의해 여기에 포함된다.
본 개시는 일반적으로 연료 전지 분야에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 애노드 보호부를 지닌 연료 전지 시스템과, 연료 전지 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 대기 중에 포함된 산소와 같은 산화제와 수소와 같은 연료의 전기 화학 반응을 통해 연료로부터의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 전기화학 디바이스이다. 연료 전지 시스템은, 연료 전지가 환경적으로 우수하고 효율이 높기 때문에 에너지 공급 시스템으로서 널리 개발되고 있다. 시스템 효율과 연료 활용을 향상시키고, 외부 물의 사용을 줄이기 위해, 연료 전지 시스템은 통상 애노드 재순환 루프를 포함한다. 하나의 연료 전지는 단지 약 1 V의 전압만을 생성할 수 있고, 이에 따라 원하는 전압을 얻기 위해 복수 개의 연료 전지가 통상 함께 적층된다.
연료는 애노드 재순환 루프로 공급된다. 애노드 재순환 루프는 애노드 블로워(blower) 경로 및 애노드 경로를 포함한다. 애노드 블로워는 애노드 블로워 경로에 배치되고, 연료 전지 스택의 애노드는 애노드 경로에 배치된다. 애노드 경로는 분할 지점에서 애노드 블로워 경로와 연료 배출 경로로 분할된다. 애노드 블로워는 애노드 재순환 루프를 위한 구동력을 제공하는 데 사용된다.
통상적인 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC)의 애노드는 일반적으로 니켈(Ni) 서멧으로 제조된다. 애노드 내의 니켈은 연료 산화를 위한 촉매와 전류 전도체로서 기능하다. 연료 전지 시스템의 상시 작동 중에, SOFC 스택은 통상적으로 700 ℃를 상회하는 온도에서 작동되고, 애노드 내의 니켈(Ni)은 주로 수소 연료 가스의 연속적인 공급으로 인해 그 환원 형태로 유지된다.
그러나, 애노드 블로워에 임의의 고장이나 이상 이벤트가 발생하는 경우, 애노드 재순환 루프는 차단될 것이다. (통상 연료 및 증기의 혼합물을 사용하여) 공급되는 퍼지 가스는 애노드 경로 대신에 애노드 블로워 경로로부터 빠져나올 수 있으며, 이로 인해 요구되는 환원 가스가 연료 전지 스택을 통과하는 것을 보장할 수 없다.
더욱이, 애노드 재순환의 손실 이후, 애노드 재순환 루프 내의 개질기가 애노드 배출물로부터 열을 더 이상 회수할 수 없다. 개질기는 퍼지 가스로서 연료와 증기의 혼합물을 사용하는 것에 의한 흡열 증기 개질 반응으로 인해 애노드보다 빨리 냉각될 수 있다. 개질기 유입구 온도가 특정값 미만 - 사용되는 촉매에 따라 400 ℃ 내지 650 ℃ 범위 내일 수 있음 - 으로 떨어진 후, 증기 개질 반응이 중단된다. 그 후에는, H2 농후 환원 가스가 애노드를 위해 사용될 수 없다.
애노드가 환원 가스 분위기 결여를 겪는 경우, 애노드 내의 Ni는 재산화를 경험할 수 있고, 이 재산화에서 Ni는 캐소드층으로부터 확산되거나 애노드 챔버 내로 도입되는 공기 중의 산소와 반응하여, 대략 350 ℃를 상회하는 온도의 산화니켈(NiO)을 형성할 수 있다. 애노드의 미세구조 내에서의 NiO의 형성으로 인해 애노드층의 체적이 팽창될 수 있고, 이는 전체 SOFC 구조에 응력을 가한다. 급속 산화 중에, 전해질은 산화니켈 형성만큼 빨리 팽창할 수 없고, 이는 전해질이 균열될 가능성을 초래한다. 연료 전지 스택의 무결성이 손상될 것이다.
본 개시의 실시예의 일양태에서는, 연료 전지 시스템이 제공된다. 연료 전지 시스템은, 전력을 생성하도록 구성되고 애노드 및 캐소드를 갖는 연료 전지 스택, 애노드를 포함하는 애노드 재순환 루프, 연료 공급 경로를 통해 연료 가스를 제공하는 연료 공급 디바이스, 공기 공급 경로를 통해 연료 전지 스택의 캐소드에 공기를 공급하는 공기 공급 디바이스, 애노드 블로워 및 스위칭 요소를 포함한다. 애노드 재순환 루프는 제1 경로 및 제2 경로를 갖고, 애노드는 제2 경로에 배치된다. 연료 전지 시스템의 상시 작동 중, 연료 공급 경로 및 제1 경로가 결합 지점에서 결합되어 제2 경로를 형성하고, 제2 경로는 분할 지점에서 제1 경로와 연료 배출 경로로 분할된다. 애노드 블로워는 애노드 재순환 루프에 위치하고, 애노드 재순환 루프를 통한 순환을 일으키도록 구성된다. 스위칭 요소는 제1 경로와 결합 지점 중 적어도 하나에 위치하고, 애노드 블로워가 고장난 경우에 연료 가스가 제2 경로를 통해 연료 배출 경로로 흐르게 강제하도록 구성된다.
본 개시의 실시예의 다른 양태에서는, 연료 전지 시스템의 제어 방법이 제공된다. 연료 전지 시스템은 전력을 생성하도록 구성되고 애노드 및 캐소드를 갖는 연료 전지 스택과, 애노드를 포함하는 애노드 재순환 루프를 포함한다. 상기 방법은 애노드 블로워를 구동하는 것에 의해 연료 가스를 애노드 재순환 루프로 공급하는 단계; 공기를 연료 전지 스택의 캐소드로 공급하는 단계; 애노드 블로워의 건전성 상태를 모니터링하는 단계; 애노드 블로워 고장 신호가 수신된 경우에 연료 전지 시스템의 셧다운 절차를 개시하는 단계; 및 연료 가스가 애노드를 통해 연료 배출 경로로 흐르도록 강제하는 단계를 포함한다.
본 개시의 이들 및 다른 피쳐(feature), 양태 및 장점은 첨부도면을 참고로 하여 아래의 상세한 설명을 읽어봄으로써 더 잘 이해될 것이다. 첨부 도면에서, 유사한 문자는 도면 전반에 걸쳐 유사한 부품을 나타낸다.
도 1은 애노드 재순환 루프를 지닌 예시적인 연료 전지 시스템의 개략적인 블럭선도이다.
도 2는 본 개시의 실시예에 따른, 애노드 보호부를 지닌 연료 전지 시스템의 개략적인 블럭선도이다.
도 3은 본 개시의 다른 실시예에 따른, 애노드 보호부를 지닌 연료 전지 시스템의 개략적인 블럭선도이다.
도 4는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른, 애노드 보호부를 지닌 연료 전지 시스템의 개략적인 블럭선도이다.
도 5는 본 개시의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 예시적인 제어 방법의 앞부분의 흐름도이다.
도 6은 본 개시의 실시예에 따른 도 5의 연료 전지 스택의 셧다운 절차를 개시하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 7은 본 개시의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 예시적인 제어 방법의 뒷부분의 흐름도이다.
아래에서는 첨부도면을 참고로 하여, 본 개시의 실시예를 설명하겠다. 이어지는 설명에서, 본 개시를 애매하게 하는 것을 피하게 위해, 잘 알려진 기능 또는 구성은 불필요하게 상세히 설명되지 않는다. 달리 규정되지 않는 한, 여기에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어는 본 개시가 속하는 기술 분야의 당업자가 통상적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 여기에서 사용되는 “1”, “제2” 등과 같은 용어는 순서, 양 또는 중요도를 나타내는 것이 아니라, 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해 사용되는 것이다. 또한, 단수 형태의 용어는 개수의 제한을 나타내는 것이 아니라, 언급된 아이템이 적어도 하나 존재한다는 것을 나타낸다. 용어 “또는”은 포괄적인 것으로 이해되며, 열거된 아이템들 중 임의의 아이템 또는 아이템 전부를 의미한다. 여기에서 “포함하는”, “...으로 구성되는” 또는 “갖는”, 및 이들 용어의 파생어의 사용은 후속하여 열거되는 항목과 그 등가물 및 추가의 항목을 망라하는 것을 의미한다. “연결된” 및 “커플링된”이라는 용어는 물리적 또는 기계적 연결부나 커플링으로 제한되는 것이 아니라, 직접적이든 간접적이든 전기적 연결부 또는 커플링을 포함할 수 있다. 추가로, “상부”, “저부”, “좌” 및 “우”와 같은 특정 위치를 나타내는 용어는 특정 첨부도면을 참고로 한 기재이다. 본 개시에 개시된 실시예는 도면에 도시한 것과는 다른 방식으로 배치될 수 있다. 따라서, 여기에서 사용되는 위치 용어는 특정 실시예에서 기술된 위치로 제한되어서는 안 된다.
애노드 재순환 루프를 지닌 연료 전지 시스템
도 1은 예시적인 연료 전지 시스템(100)의 개략적인 블럭선도를 보여준다. 도 1에 도시한 바와 같이, 예시적인 연료 전지 시스템(100)은 전력을 생성하기 위한 연료 전지 스택(11)을 포함한다. 연료 전지 스택(11)은 함께 적층된 복수 개의 연료 전지를 포함할 수 있다. 연료 전지는 제한하는 것은 아니지만, 예컨대 고체 산화 연료 전지(SOFC)를 포함할 수 있다. 사실상, 연료 전지는 애노드 재료와 같은 니켈계 재료를 사용하는 임의의 연료 전지일 수 있다.
연료 전지 스택(11)은 애노드(12), 캐소드(13) 및 전해질(14)을 포함한다. 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지 스택(11)의 애노드(12)를 포함하는 애노드 재순환 루프(10)를 가질 수 있다. 연료 전지 스택(11)의 애노드(12)는 애노드 유입구 및 애노드 유출구를 갖는다. 연료 전지 스택(11)의 캐소드(13)는 캐소드 유입구 및 캐소드 유출구를 갖는다.
애노드(12)는 전기를 생성하는 전기화학 반응을 지원할 수 있다. 연료 가스는 전해질(14)을 통한 확산에 의해 캐소드(13)로부터 받은 산소 이온에 의해 애노드(12) 내에서 산화될 수 있다. 상기 반응은 열, 증기 및 애노드(12) 내의 자유 전자 형태의 전기를 형성할 수 있으며, 이 전기를 전력 부하(도시하지 않음)에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 산소 이온은 전력 부하로부터 캐소드(13)로 복귀하는 전자를 사용하는 캐소드 산화제의 산소 환원을 통해 형성될 수 있다.
캐소드(13)는 대기 중의 산소와 같은 캐소드 산화제의 소스에 커플링될 수 있다. 캐소드 산화제는 전력을 생성하는 데 있어서 연료 전지 시스템(100)에 의해 채용되는 캐소드(13)에 공급되는 산화제로서 규정된다. 캐소드(13)는 캐소드 산화제로부터 받은 산소 이온에 대해 투과성일 수 있다.
전해질(14)은 애노드(12) 및 캐소드(12)와 연통될 수 있다. 전해질(14)은 캐소드(13)에서 나온 산소 이온을 애노드(12)로 보낼 수 있고, 자유 전자가 캐소드(13)로부터 애노드로 통하는 것을 방지하기 위해 전기 전도율이 거의 없거나 아예 없을 수 있다.
계속해서 도 1을 계속 참고하면, 연료 전지 시스템(100)은 연료 공급 디바이스(21)와 공기 공급 디바이스(22)를 포함한다. 연료 공급 디바이스(21)는 연료 가스를 연료 공급 경로(P1)를 통해 애노드 재순환 루프(10)로 제공할 수 있다. 연료 가스는, 예컨대 천연가스(NG)를 포함할 수 있다. 공기 공급 디바이스(22)는 공기를 공기 공급 경로(P2)를 통해 연료 전지 스택(11)의 캐소드(13)로 공급할 수 있다.
연료 전지 시스템(100)은 애노드 재순환 루프(10)를 통한 순환을 일으키기 위해 애노드 블로워(41)를 포함한다. 애노드 재순환 루프(10)는 제1 경로(P3) 및 제2 경로(P4)를 갖는다. 애노드(12)는 제2 경로(P4)에 배치된다. 애노드 블로워(41)는 애노드 재순환 루프(10)에 위치할 수 있다. 예컨대, 애노드 블로워(41)는 도 1에 도시한 바와 같이 제1 경로(P3)에 위치한다. 대안으로서, 애노드 블로워(41)는 또한 제2 경로(P4)에 위치할 수 있다, 연료 전지 시스템(100)의 상시 작동 중, 연료 공급 경로(P1) 및 제1 경로(P3)가 결합 지점(Q1)에서 결합되어 제2 경로(P4)를 형성하고, 제2 경로(P4)는 분할 지점(Q2)에서 제1 경로(P3)와 연료 배출 경로(P5)로 분할된다.
연료 전지 시스템(100)은 연료 흐름 조절기(31)와 공기 흐름 조절기(32)를 더 포함할 수 있다. 연료 흐름 조절기(31)는 애노드 재순환 루프(10)에 제공되는 연료 가스의 연료 유량을 조절할 수 있다. 공기 흐름 조절기(32)는 연료 전지 스택(11)의 캐소드(13)에 공급되는 공기의 공기 유량을 조절할 수 있다.
선택적으로, 연료 전지 시스템(100)은 물 공급 디바이스(23)와 증기 흐름 조절기(33)를 더 포함할 수 있다. 물 공급 디바이스(23)는 연료 개질을 위한 증기를 연료 공급 경로(P1)에 그리고 더욱이 애노드 재순환 루프(10)에 공급할 수 있다. 증기 흐름 조절기(33)는 연료 공급 경로(P1)에 공급되는 증기의 증기 유량을 조절할 수 있다.
일실시예에서는, 도 1에 도시한 바와 같이 애노드 재순환 루프(10)가 개질기(15)를 더 포함할 수 있다. 개질기(15)는 제2 경로(P4)에 그리고 애노드(12)로부터 상류에 위치한다. 개질기(15)는 개질기 유입구 및 개질기 유출구를 갖는다. 개질기(15)의 개질기 유출구는 애노드(12)의 애노드 유입구에 커플링되고, 애노드(12)의 애노드 유출구는 애노드 재순환 루프(10)를 형성하도록 개질기(15)의 개질기 유입구로 복귀될 수 있다.
연료 전지 시스템(100)이 작동 중일 때, 연료 가스, 예컨대 천연 가스가 애노드 재순환 루프(10), 특히 이 실시예에서는 개질기(15)의 개질기 유입구에 공급되고, 공기가 연료 전지 스택(11)의 캐소드(13)에 공급된다. 개질기(15)에서, 연료 가스는 개질기 유출구에서 수소(H2) 농후 개질유를 생성하기 위해 개질될 수 있다. 예컨대, 천연 가스에 포함된 메탄(CH4)은 다음 연료 개질 반응(1)에 의해 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)로 변환된다. 연료 개질 반응은 많은 열을 흡수할 수 있다.
CH4 + H20 → C0 + 3H2 (1)
수소 농후 개질유는 연료 전지 스택(11)의 애노드 유입구에 진입한다. 연료 전지 스택(11)의 애노드(12)에서, 수소 농후 개질유와 캐소드(13)에서 나온 산소 이온이 혼합되어, 아래의 전기 화학 반응(2)을 통해 증기로 변환되어, 전력을 생성하고 많은 열을 방출한다.
2H2 + 02- → 2H20 (2)
다른 실시예에서, 연료 전지 스택(11)은 별도의 개질기(15)기 없이 내부 개질 기능을 가질 수 있다. 그러한 조건 하에서, 연료 전지 스택(11)의 애노드 유출구는 애노드 재순환 루프(10)를 형성하도록 애노드 유입구로 직접 복귀될 수 있다. 이에 따라, 연료 개질 반응(1)과 전기 화학 반응(2)이 연료 전지 스택(11)의 애노드(12)에서 일어날 것이다.
연료 전지 시스템(100)은 촉매 버너(51)를 포함한다. 애노드 유출구에서 나온 연료 배출물과 캐소드 유출구에서 나온 공기 배출물이 촉매 버너(51)에서 연소될 수 있다.
연료 전지 시스템(100)은 연료 열교환기(61), 제1 공급 열 교환기(62) 및 제2 공기 열교환기(63)를 포함한다. 연료 열교환기(61)는 애노드 재순환 루프(10)의 제2 경로(P4)에 위치하고, 연료 열교환기(61)는 애노드 유출구에서 나온 연료 배출물의 열을 연료 공급 디바이스(21)에 의해 제공되는 가온 연료 가스로 전달할 수 있다. 제1 공기 열교환기(62)와 제2 공기 열교환기(63)는 공기 공급 경로(P2)에서 순차적으로 위치한다. 제1 공기 열교환기(62)는 제2 공기 열교환기(63)의 유출구에서 나온 가스의 열을 공기 공급 디바이스(22)에 의해 제공되는 저온 공기로 전달할 수 있고, 제2 공기 열교환기(63)는 촉매 버너(51)에서 나온 고온 버너 배출물의 열을 제1 공기 열교환기(62)의 유출구에서 나온 가온 공기에 전달할 수 있다.
연료 전지 스택(11), 개질기(15), 촉매 버너(51) 및 제2 공기 열교환기(63)는 핫박스(hotbox)(1) 내에 밀봉된다. 핫박스(1)의 내부는 고온 환경이다.
애노드 보호부를 지닌 연료 전지 시스템
도 2는 본 개시의 실시예에 따른, 애노드 보호부를 지닌 연료 전지 시스템(200)의 개략적인 블럭선도를 보여준다. 도 1의 연료 전지 시스템(100)과 비교하면, 본 개시의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)은 스위칭 요소를 더 포함할 수 있다. 스위칭 요소는 제1 경로(P3)와 결합 지점(Q1) 중 적어도 하나에 위치할 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 일실시예에서 스위칭 요소는 체크 밸브(71)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 스위칭 요소는 솔레노이드 밸브를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 스위칭 요소는 직렬 연결된 체크 밸브(71)와 솔레노이드 밸브의 조합을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 스위칭 요소는 페일 세이프(fail-safe) 3방향 밸브도 또한 포함할 수 있다. 이후, 설명을 위해 체크 밸브(71)를 스위칭 요소의 일례로 한다. 본 개시의 도면에서, 체크 밸브(71)는 애노드 재순환 루프(10)의 제1 경로(P3)에 위치하는 것으로 도시되어 있다. 체크 밸브(71)는 애노드 블로워(41)가 고장난 경우에 연료 가스가 제2 경로(P4)를 통해 연료 배출 경로(P5)로 흐르도록 강제할 수 있다. 애노드 블로워(41)의 고장은, 애노드 블로워(41)가 애노드 재순환 루프(10)를 통한 순환을 일으킬 수 없다는 것을 의미한다. 애노드 블로워의 고장 신호가 수신된 경우, 체크 밸브(71)가 작동되어, 제1 경로(P3)가 차단된다. 이때, 연료 가스는 제1 경로(P3) 대신에 제2 경로(P4)를 통해 연료 배출 경로(P5)로 흐르는 것이 보장될 수 있고, 연료 가스는 환원 가스로 환원된다. 이에 따라, 적절한 환원 가스는 최소량으로 연료 전지 스택(11)의 애노드(12)를 통해 흐르는 것이 보장될 수 있다. 온도가 500 ℃를 상회하면, 애노드(12)는 환원 분위기로 유지되어 Ni의 재산화를 방지할 수 있다. 스위칭 요소는 페일 세이프 3방향 밸브인 경우, 결합 지점(Q1)에 위치할 수 있고, 연료 가스가 제1 경로(P3) 대신에, 제2 경로(P4)로 흐르도록 강제할 수 있다.
도 1의 연료 전지 시스템(100)과 비교하여, 본 개시의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)은 셧다운될 때에 애노드 압력을 캐소드 압력보다 높게 유지하기 위해 압력 제어 디바이스를 더 포함할 수 있다. 계속해서 도 2를 참고하면, 본 개시의 일실시예에 따른 압력 제어 디바이스는 애노드 압력 제어 밸브(72)를 포함할 수 있다. 애노드 압력 제어 밸브(72)는, 연료 전지 시스템(200)이 셧다운 프로세스일 때에 애노드 압력을 캐소드 압력보다 높게 유지하도록 애노드 압력을 개별적으로 조절할 수 있고, 이는 캐소드(13)에서 애노드(12)로의 공기의 교차 누설 - 애노드 물질을 산화시킬 수 있음 - 을 방지할 수 있다. 일실시예에서, 애노드 압력 제어 밸브(72)는 분할 지점(Q2)과 촉매 버너(51) 사이에 위치한다. 다른 실시예에서, 애노드 압력 제어 밸브(72)는 분할 지점(Q2) 뒤 그리고 핫박스(1) 앞에 위치한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 연료 전지 시스템(200)은 개질기(15) 근처에 배치된 애노드 열교환기(64)를 더 포함할 수 있다. 촉매 버너(51)는 개질기(15)를 활성 개질 반응 온도보다 높게(예컨대, 500 내지 650 ℃) 유지할 수 있고, 이로 인해 애노드 환원 목적으로 연속적인 환원 가스(H2/CO)를 제공할 수 있다. 촉매 버너(51)에서 나온 고온 버너 배출물은 애노드 열교환기(64)를 통해 흐를 수 있고, 애노드 열교환기(64)는 고온 버너 배출물의 열을 개질기(15)로 전달할 수 있다.
애노드 열교환기(64)를 지닌 실시예에서, 그 열이 제1 공기 열교환기(62)에 의해 공기 공급 디바이스(22)에 의해 제공되는 저온 공기로 전달되는 고온 가스는 애노드 열교환기(64)의 유출구에서 나온 가스이다.
연료 전지 스택(11), 개질기(15), 촉매 버너(51), 제2 공기 열교환기(63) 및 애노드 열교환기(64)는 모두 핫박스(1) 내에 밀봉된다.
일례로서, 도 3에 도시한 바와 같이 연료 공급 디바이스(21)에 의해 공급되는 약 200 ℃의 가온 연료 가스는 연료 열교환기(61)를 통과한다. 연료 열교환기(61)에서, 약 200 ℃의 가온 연료 가스는 애노드 유출구에서 나온 약 750 내지 800 ℃의 애노드 배출물로부터 열을 회수한다. 연료 열교환기(61) 뒤에서, 연료 열교환기(61)의 유출구로부터 빠져나와 개질기 유입구로 진입하는 연료 가스는 약 680 내지 750 ℃의 온도에 이를 수 있다.
공기 공급 디바이스(22)에 의해 공급되는 약 25 ℃의 저온 공기는 제1 공기 열교환기(62)를 통과한다. 제1 공기 열교환기(62)에서, 약 25 ℃의 저온 공기는 애노드 열교환기(64)의 유출구에서 나온 약 450 ℃의 가스와 열을 교환한다. 제1 공기 열교환기(62) 뒤에서, 제1 공기 열교환기(62)의 유출구에서 나온 가온 공기는 약 300 ℃에 이를 수 있고, 그 후 핫박스(1)에 진입한다. 핫박스(1)의 예열 후, 제2 공기 열교환기(63)의 유입구에 진입하는 가온 공기는 약 400 ℃에 이를 수 있다. 제2 공기 열교환기(63)에서는, 약 400 ℃의 가온 공기가 촉매 버너(51)에서 나온 약 850 ℃의 고온 버너 배출물과 더욱 열교환된다. 제2 공기 열교환기(63) 뒤에서, 제2 열교환기(63)의 유출구를 빠져나와 캐소드 유입구에 진입하는 고온 공기는 약 700 ℃에 이를 수 있고, 제2 공기 열교환기(63)에서 빠져나와 애노드 열교환기(64)에 진입하는 버너 배출물은 약 700 ℃이다. 애노드 열교환기(64)에서, 애노드 열교환기(64)는 약 700 ℃의 버너 배출물의 열을 개질기(15)로 전달할 수 있다. 애노드 열교환기(64) 뒤에서, 애노드 열교환기(64)의 유출구를 빠져나와 제2 공기 열교환기(62)에 진입하는 버너 배출물은 약 450 ℃에 이를 수 있다. 제1 공기 열교환기(62) 뒤에서, 제1 공기 열교환기(62)로부터 방출된 버너 배출물은 약 150 내지 200 ℃이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 개시의 다른 실시예에 따른 압력 제어 디바이스는 오리피스(73)를 포함할 수 있다. 일실시예에서, 오리피스(73)는 분할 지점(Q2) 하류에 위치한다. 다른 실시예에서, 오리피스(73)는 제1 공기 열교환기(62) 하류에 위치한다.
본 개시의 실시예의 연료 전지 시스템(200)에서는, 체크 밸브(71)와 압력 제어 디바이스와 같은 스위칭 요소를 배치하는 것에 의해, 본 개시의 연료 전지 시스템(200)은 연료 전지 스택(11)을 산화로부터 효율적으로 보호할 수 있고, 애노드 블로워(41)가 고장난 경우에 연료 전지 스택(11)의 교차 누설을 방지할 수 있다.
애노드(12) 내의 니켈의 재산화를 방지하기 위해 암모니아계 환원 가스 또는 수소 실린더와 같은 임의의 추가의 가스 공급부를 사용하는 일 없이, 본 개시의 연료 전지 시스템(200)은 단지, 연료 전지 스택(11)의 상시 작동 시에 사용되는 기존의 연료 공급 디바이스(21)만을 사용할 수 있다. 본 개시의 연료 전지 시스템(200)은 설치 및 작동이 경제적일 수 있다.
연료 전지 시스템의 제어 방법
도 5는 본 개시의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 예시적인 제어 방법의 앞부분의 흐름도를 보여준다. 제어 방법은 다음 단계들을 포함할 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 블럭 B11에서는 연료 가스가 애노드 블로워(41)를 구동함으로써 연료 공급 디바이스(21)에 의해 연료 전지 시스템의 애노드 재순환 루프(10)에 공급될 수 있다.
선택적 실시예에서, 제어 방법은 선택적 단계 B12를 더 포함할 수 있다. 블럭 B12에서는, 증기가 물 공급 디바이스(23)에 의해 애노드 재순환 루프(10)에 공급될 수 있다.
블럭 B13에서는, 공기가 공기 공급 디바이스(22)에 의해 연료 전지 스택(11)의 캐소드에 공급될 수 있다.
블럭 B14에서는, 애노드 블로워(41)의 건전성 상태가 센서에 의해 모니터링될 수 있다.
블럭 B15에서는, 애노드 블로워(41)에 임의의 고장이나 이상 이벤트가 발생했는지 여부가 결정된다. 애노드 블로워(41)의 고장 신호가 수신되면, 프로세스는 블럭 B16으로 계속된다. 그렇지 않으면, 프로세스는 블럭 B14로 복귀한다.
블럭 B16에서, 애노드 블로워(41)의 고장 신호가 수신되면, 연료 전지 시스템(200)의 셧다운 절차가 개시될 수 있다.
도 6은 본 개시의 실시예에 따른 도 5의 연료 전지 스택(11)의 셧다웃 절차를 개시하는 방법을 보여준다. 연료 전지 시스템(200)의 셧다운 절차를 개시하는 것은 다음 단계들을 포함할 수 있다.
도 6의 블럭 B21에서는, 연료 전지 스택(11)의 전력 부하가 제거된다.
블럭 B22에서는, 연료 전지 스택(11)의 캐소드(13)에 공급되는 공기의 공기 유량이 미리 정해진 공기 유량값으로 설정된다.
블럭 B23에서는, 애노드 재순환 루프(10)에 공급되는 연료 가스의 연료 유량이 미리 정해진 연료 유량값으로 설정된다.
블럭 B24에서는, 애노드 재순환 루프(10)에 공급되는 증기의 증기 유량이 미리 정해진 증기 유량값으로 설정된다. 블럭 B23 및 B24의 목적은 탄소 퇴적을 피하기 위해, 애노드 재순환 루프(10)에서의 증기 대 탄소비(SCR)를 미리 정해진 증기 대 탄소비보다 높은 것을 보장할 수 있다. 예컨대, 미리 정해진 증기 대 탄소비 한계는 3을 포함할 수 있다.
도 5로 돌아가면, B17에서 연료 가스는 애노드(12)를 통해 연료 배출 경로(P5)로 흐르도록 강제될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 제어 방법은 블럭 B18을 더 포함할 수 있다. 블럭 B18에서, 애노드 압력은 캐소드 압력보다 높게 유지될 수 있다. 일실시예에서, 애노드 압력을 캐소드 압력보다 높게 유지하는 것은, 애노드 압력을 캐소드 압력보다 높게 유지하도록 애노드 압력을 별도로 조절하는 것을 포함할 수 있다.
도 7은 본 개시의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 예시적인 제어 방법의 뒷부분의 흐름도를 보여준다. 제어 방법은 다음 단계들을 더 포함할 수 있다.
도 7의 블럭 B31에서는, 촉매 버너(51)의 부하가 조절될 수 있고, 애노드 온도가 애노드 물질의 산화율이 경미한 온도 문턱값 미만으로 떨어질 때까지 개질기 유입구에서의 온도를 미리 정해진 개질 반응 온도보다 높게 유지하도록 촉매 버너(51)로부터의 고온 버너 배출물의 열이 애노드 재순환 루프(10)의 개질기(15)로 전달된다. 온도 문턱값은, 예컨대 350 ℃이다.
블럭 B32에서는, 애노드 온도가 온도 문턱값 미만으로 떨어졌는지 여부가 결정된다. 애노드 온도가 온도 문턱값 미만으로 떨어지면, 프로세스는 블럭 B33으로 계속된다. 그렇지 않으면, 프로세스는 블럭 B31로 복귀한다.
블럭 B33에서는, 애노드 온도가 온도 문턱값 미만으로 떨어지면, 연료 가스, 증기 및 공기가 차단된다.
블럭 B34에서는, 애노드 온도가 온도 문턱값 미만으로 떨어지면, 촉매 버너(51)가 꺼진다.
블럭 B35에서는, 애노드 온도가 온도 문터값 미만으로 떨어지면, 애노드(12)는, 예컨대 질소(N2)를 이용하여 미리 정해진 시간 동안 퍼지된다.
퍼지의 한가지 목적은, 애노드 온도가 120 ℃를 상회하는 동안 애노드 파이프라인 내의 잔여 수증기를 제거하는 것이다. 연료 전지 시스템이 100 ℃ 미만으로 자연 냉각되면, 수증기는 액체 물이 되고, 애노드 파이프라인에 체류하게 되는데, 이것은 바람직하지 않다. 이에 따라, 물이 김 또는 증기 형태일 때에 애노드(12)를 퍼지할 것이 요구된다. 더욱이, 퍼지의 다른 목적은 애노드 파이프라인 내의 잔여 연료 배출물을 제거하는 것이다. 연료 배출물은 인화성, 폭발성 또는 독성이 있는 H2, CO, CH4 및 C02를 포함할 수 있다. 이에 따라, 일단 연료 전지 시스템이 냉각되고 나면, 개인 안전 문제 없이 보수 관리 인력이 작업할 수 있도록 퍼지에 의해 저온의 애노드 파이프라인으로부터 상기 물질을 제거할 것이 요구된다.
일실시예에서, 퍼지 가스는 N2일 수 있다. 다른 실시예에서, 애노드는 (애노드가 약 150 ℃ 내지 350 ℃인 동안에) 우선 연료 가스에 의해 퍼지될 수 있고, 그 후 애노드(12)가 비폭발성이 되는 저온이 될 때까지 대기한 다음, 공기로 퍼지된다.
본 개시의 제어 방법은, 연료 전지 스택(11)의 애노드(12)를 산화로부터 효율적으로 보호할 수 있고, 애노드 블로워(41)가 고장난 경우에 연료 전지 스택(11)의 교차 누설을 방지할 수 있으며, 이에 따라 연료 전지 스택(11)의 무결성을 보호할 수 있다.
본 개시의 실시예에 따른 제어 방법의 단계들이 기능 블럭으로 예시되지만, 도 5 내지 도 7에 도시한 블럭들의 순서나 다양한 블럭들 중 단계의 분리가 제한되는 것으로 의도되지는 않는다. 예컨대, 블럭들은 상이한 순서로 수행될 수 있고, 하나의 블럭과 연관된 단계는 하나 이상의 다른 블럭과 조합될 수도 있고, 다수의 블럭으로 세분될 수도 있다.
전형적인 실시예로 본 개시를 예시하고 설명하였지만, 다양한 수정 및 대체가 어떠한 방식으로든 본 개시의 사상으로부터 벗어나는 일 없이 이루어질 수 있기 때문에, 본 발명은 제시된 상세로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 이와 같이, 여기에 개시된 본 개시의 다른 수정 및 등가물은 일상적인 실험만을 이용하여 당업자에게 떠오를 수 있으며, 그러한 수정 및 등가물 전부는 후속하는 청구범위에 의해 규정되는 본 개시의 사상 및 범위 내에 있는 것으로 간주된다.

Claims (20)

  1. 연료 전지 시스템으로서,
    전력을 생성하도록 구성되고, 애노드 및 캐소드를 갖는 연료 전지 스택;
    애노드를 포함하고, 제1 경로 및 애노드가 배치되는 제2 경로를 갖는 애노드 재순환 루프;
    연료 공급 경로를 통해 연료 가스를 제공하는 연료 공급 디바이스로서, 연료 전지 시스템의 상시 작동 중에 연료 공급 경로와 제1 경로가 결합 지점에서 결합되어 제2 경로를 형성하고, 제2 경로는 분할 지점에서 제1 경로와 연료 배출 경로로 분할되는 것인 연료 공급 디바이스;
    공기를 공기 공급 경로를 통해 연료 전지 스택의 캐소드에 공급하는 공기 공급 디바이스;
    애노드 재순환 루프에 위치하고, 애노드 재순환 루프를 통한 순환을 일으키도록 구성되는 애노드 블로워(blower); 및
    제1 경로와 결합 지점 중 적어도 하나에 위치하고, 애노드 블로워가 고장난 경우에 연료 가스가 제2 경로를 통해 연료 배출 경로로 흐르게 강제하도록 구성되는 스위칭 요소
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 애노드 블로워의 고장 신호가 수신되면, 연료 가스가 제1 경로를 통해 연료 배출 경로로 흐르는 것을 방지하도록, 스위칭 요소가 작동되어 제1 경로가 차단되는 것인 연료 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 연료 전지 시스템이 셧다운된 경우에 애노드 압력을 캐소드 압력보다 높게 유지하기 위한 압력 제어 디바이스를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 애노드 재순환 루프는 제2 경로에 그리고 애노드 상류에 위치하는 개질기를 더 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 압력 제어 디바이스는, 연료 전지 시스템이 셧다운될 때에 애노드 압력을 캐소드 압력보다 높게 유지하도록 애노드 압력을 별도로 조절하기 위한 애노드 압력 제어 밸브를 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 애노드 유출구에서 나온 연료 배출물과 캐소드 유출구에서 나온 공기 배출물을 연소하기 위한 촉매 버너를 더 포함하고, 애노드 압력 제어 밸브는 분할 지점과 촉매 버너 사이에 위치하는 것인 연료 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 연료 전지 스택, 개질기 및 촉매 버너는 핫박스(hotbox) 내에 밀봉되고, 애노드 압력 제어 밸브는 분할 지점 뒤 그리고 핫박스 앞에 위치하는 것인 연료 전지 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    애노드 유출구에서 나온 연료 배출물과 캐소드 유출구에서 나온 공기 배출물을 연소하기 위한 촉매 버너; 및
    공기 공급 경로에 순차적으로 위치하는 제1 공기 열교환기 및 제2 공기 열교환기
    를 더 포함하고, 제1 공기 열교환기는 고온 가스에서 나온 열을 공기 공급 디바이스에 의해 공급되는 저온 공기로 전달하도록 구성되고, 제2 공기 열교환기는 촉매 버너에서 나온 고온 버너 배출물의 열을 제1 공기 열교환기의 유출구에서 나온 가온 공기로 전달하도록 구성되는 것인 연료 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 압력 제어 디바이스는 오리피스를 포함하고, 오리피스는 제1 공기 열교환기 하류에 위치하는 것인 연료 전지 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 고온 가스는 제2 공기 열교환기의 유출구에서 나온 가스를 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 촉매 버너에서 나온 고온 버너 배출물의 열을 개질기로 전달하도록 구성된 애노드 열교환기를 더 포함하고, 고온 가스는 애노드 열교환기의 유출구에서 나온 가스를 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 연료 전지 스택, 개질기, 촉매 버너, 제2 공기 열교환기 및 애노드 열교환기는 핫박스 내에 밀봉되는 것인 연료 전지 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 스위칭 요소는 체크 밸브, 솔레노이드 밸브, 페일 세이프(fail-safe) 3방향 밸브 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  14. 연료 전지 시스템의 제어 방법으로서, 연료 전지 시스템은 전력을 생성하도록 구성되고 애노드 및 캐소드를 갖는 연료 전지 스택과, 애노드를 포함하는 애노드 재순환 루프를 포함하고, 상기 방법은
    애노드 블로워를 구동하는 것에 의해 연료 가스를 애노드 재순환 루프에 공급하는 단계;
    공기를 연료 전지 스택의 캐소드에 공급하는 단계;
    애노드 블로워의 건전성 상태를 모니터링하는 단계;
    애노드 블로워의 고장 신호가 수신된 경우에 연료 전지 시스템의 셧다운 절차를 개시하는 단계; 및
    연료 가스를 애노드를 통해 연료 배출 경로로 흐르도록 강제하는 단계
    를 포함하는 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서, 애노드 압력을 캐소드 압력보다 높게 유지하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서, 애노드 압력을 캐소드 압력보다 높게 유지하는 단계는
    애노드 압력을 캐소드 압력보다 높게 유지하도록 애노드 압력을 별도로 조절하는 단계를 포함하는 것인 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  17. 제15항에 있어서, 증기를 애노드 재순환 루프에 공급하는 단계를 더 포함하고, 연료 전지 시스템의 셧다운 절차를 개시하는 단계는
    연료 전지 스택의 전력 부하를 차단하는 단계;
    연료 전지 스택의 캐소드에 공급되는 공기의 공기 유량을 미리 정해진 공기 유량값으로 설정하는 단계; 및
    탄소 퇴적을 피하기 위해, 애노드 재순환 루프에 제공되는 연료 가스의 연료 유랑과 증기의 증기 유량을 미리 정해진 연료 유량값과 미리 정해진 증기 유량값으로 각각 설정하는 단계
    를 포함하는 것인 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  18. 제17항에 있어서, 애노드 재순환 루프는 애노드 상류에 위치하는 개질기를 더 포함하고, 연료 전지 시스템은 애노드 유출구에서 나온 연료 배출물과 캐소드 유출구에서 나온 공기 배출물을 연소하기 위한 촉매 버너를 포함하며, 상기 방법은
    애노드 온도가, 애노드 물질의 산화율이 경미한 온도 문턱값 미만으로 떨어질 때까지 개질기 유입구에서의 온도를 미리 정해진 개질 반응 온도보다 높게 유지하도록, 촉매 버너의 부하를 조절하고 촉매 버너에서 나온 고온 버너 배출물의 열을 개질기로 전달하는 단계
    를 포함하는 것인 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  19. 제18항에 있어서, 애노드 온도가 온도 문턱값 미만으로 떨어진 경우에, 연료 가스, 증기 및 공기를 차단하고, 촉매 버너를 끄는 단계를 더 포함하는 연료 전지 시스템의 제어 방법.
  20. 제18항에 있어서, 애노드 온도가 온도 문턱값 미만으로 떨어진 경우에 미리 정해진 시간 동안 애노드를 퍼지하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 시스템의 제어 방법.
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