KR20230048100A - 고체 산화물 전기분해 셀 시스템 및 고체 산화물 전기분해 셀 시스템을 작동하는 방법 - Google Patents

고체 산화물 전기분해 셀 시스템 및 고체 산화물 전기분해 셀 시스템을 작동하는 방법 Download PDF

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Abstract

부분 부하에서 고체 산화물 전기분해 셀(SOEC) 시스템을 작동하는 방법으로서, SOEC 시스템은 전기적으로 병렬로 연결된 복수의 분기를 포함하고, 각각의 분기는 적어도 하나의 SOEC 스택을 포함한다. 이 방법은 그 미만에서는 작동이 흡열이고 그 초과에서는 작동이 발열인 열적 중립 목표 전압을 결정하는 단계; 및 SOEC 시스템이 열적 중립 목표 전압에서 작동 전력의 선택된 백분율과 동일한 평균 작동 전력에서 작동하도록 각각의 분기에 대해 온 위상(ON phase) 및 오프 위상(OFF phase)을 순환시킴으로써 펄스 폭 변조 전류 제어를 실행하는 단계를 포함한다. 온 위상에서, 분기의 모든 SOEC 스택은 열적 중립 목표 전압에서 작동하고, 오프 위상에서, 분기의 모든 SOEC 스택은 0% 전력에서 작동한다. 각각의 분기는 다른 분기들과 독립적으로 작동하도록 구성된다.

Description

고체 산화물 전기분해 셀 시스템 및 고체 산화물 전기분해 셀 시스템을 작동하는 방법
관련 출원에 대한 상호-참조
본 출원은 2020년 8월 4일자로 출원된, 미국 특허 가출원 제63/060,854호에 대한 우선권 및 이익을 주장하며, 이의 전체 개시내용은 본원에 참조로 포함된다.
본 개시내용은 전기로부터 연료, 주로 수소를 생산하기 위한 전기분해 셀 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 개시내용은 부분 부하 및 신속한 응답 기능을 위한 고체 산화물 전기분해 셀 시스템 및 고체 산화물 전기분해 셀 시스템을 작동하는 방법에 관한 것이다.
전기분해 셀은 전기화학적 반응을 통해, 전기 입력 에너지를 탄화수소 연료와 같은 연료에 저장된 화학 에너지로 변환할 수 있는 디바이스이다. 일반적으로, 전기분해 셀은 애노드, 전해질 층, 및 캐소드를 포함한다. 전해질 층은 애노드와 캐소드 사이에서 이온을 전달하는 역할을 하며, 이는 애노드 및 캐소드 내 반응을 용이하게 하여 화학 연료를 생산한다.
전기분해 셀은 종종 특정한 이온의 전달에 사용되는 전해질 층의 유형을 특징으로 한다. 예를 들어, 전기분해 셀의 한 유형은 고체 산화물 전기분해 셀(SOEC; solid oxide electrolysis cell)이며, 이는 음으로 하전된 산소 이온을 캐소드에서 애노드로 전달하기 위한 고체 세라믹 전해질을 포함한다.
캐소드에서, 산소 함유 반응물(종종 CO2 증기)은 인가된 전류로 인해 해리되어 전해질을 거쳐 애노드로 전하를 운반하는 산소 이온과 함께 수소 또는 CO를 형성한다.
Figure pct00001
산소 이온은 하기 반응에 따라 애노드에서 결합하여 산소 가스를 형성한다:
Figure pct00002
SOEC의 고체 세라믹 전해질은 고체의 비다공성 금속 산화물이다. 예를 들어, SOEC의 고체 세라믹 전해질은 Y2O3-안정화 ZrO2(Y2O3-stabilized ZrO2, YSZ)를 포함할 수 있다. SOEC의 캐소드는, 예를 들어, 금속/YSZ 서멧(cermet)을 포함할 수 있다. 일부 예에 있어서, SOEC의 캐소드는 다공성 2상 니켈 및 이트리아 안정화 지르코니아(Ni/YSZ) 서멧을 포함할 수 있다. SOEC의 애노드는, 예를 들어, Sr-도핑된 LaMnO3일 수 있다.
SOEC 작동 온도는 일반적으로 산소 이온에 의한 이온 전도가 발생하는 온도인, 약 650℃ 내지 약 1000℃ 범위이다. 도 1을 참조하면, SOEC 작동 전류(가로축)와 전기화학적 발열량(세로축) 사이의 관계의 비-제한적인 예가 650℃, 700℃, 및 750℃ 각각의 경우를 예로 들어 도시되어 있다. SOEC가 열적 중립 조건(즉, 그 미만에서는 SOEC 스택 작동이 흡열이고 그 초과에서는 SOEC 스택 작동이 발열인 전압)에서 작동하는 목표 작동 지점에서 작동하는 것이 바람직하다. 열적 중립 조건은 온도에 따라 달라진다. 예를 들어, SOEC 작동 온도가 750℃일 때, 목표 작동 지점은 대략 1.285 V/셀이다. 대부분의 전기분해 스택 기술은 그것의 반응 동역학 덕분에 그것의 각각의 발열 영역에서만 작동한다. 고성능 SOEC 스택은 조건에 따라 발열적 또는 흡열적으로 작동할 가능성을 제공한다.
도 1의 예에서, d 지점이 목표 작동 지점이지만, 목표 작동 지점은 시스템과 응용분야 사이에서 변화할 수 있음을 이해해야 한다. 음영 부분은 바람직한 작동 범위의 예를 식별한다. 이 바람직한 작동 범위는 스택이 열적 중립에서 벗어날 때 스택으로부터 열을 공급하거나 제거해야 할 필요성을 반영한다. 열 부하(발열 또는 흡열)가 높을수록 결과적인 열 관리 전략이 보다 복잡해지고 비용이 많이 들게 되며, SOEC 스택에 보다 많은 스트레스가 가해진다. 설계에 따라 SOEC 스택은 0.2 W/cm2의 열 부하로 작동할 수 있지만, 바람직한 작동 범위는 0.1 W/cm2 미만일 것이고, 보다 바람직한 작동 범위는 0.05 W/cm2 미만일 것이며, 작동 범위의 각각의 감소는 보다 단순하고 강력한 전반적인 시스템을 제공한다. d 지점에서, 스택은 750℃, -1 A/cm2에서 작동하며, 열적 중립 조건에서 작동한다. d 지점에서 작동할 때, SOEC 시스템은 단지 유입 가스만 예열하면 되며, 공정 배기 열을 사용하여 이를 수행할 수 있다. 작동 전력이, 예를 들어, b 지점으로 떨어지는 경우, SOEC 스택은 바람직한 작동 범위(음영 부분) 밖에서 작동하며, SOEC 스택 작동은 흡열이다. SOEC 스택은 열적 중립 조건에 다시 도달하기 전에 700℃까지 냉각되거나(낮은 온도에서의 전반적인 성능 저하로 인함) SOEC 스택은 스택을 작동 온도에서 유지하기 위해 보조 히터를 연결해야 할 것이다. SOEC 스택이 냉각될 경우, SOEC 시스템은 상이한 작동 온도에 대처해야 한다.
작동 전력이, 예를 들어, a 지점까지 다시 증가하는 경우, 증가는 SOEC 스택 작동을 빠르게 과도한 발열 조건이 되도록 한다. 이렇게 하면 스택이 목표 작동 온도까지 다시 상승하는 경향이 있을 것이지만, 이는 상대적으로 느린 공정이다. 일반적인 SOEC 스택을 고려하면, 50℃ 이상으로 전환하는 데 몇 분의 시간이 필요하다. 한편, 국소 과열 및 증가된 배기 온도는 SOEC 스택 및 시스템 작동에 부정적인 영향을 주기 시작하여 이들의 유용한 수명에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 곡선은 대칭이 아니다. 주어진 작동 전력 증가에 대한 과열은 동일한 크기의 작동 전력 감소와 연관된 냉각보다 훨씬 크다. 또한, 열 조건은 셀 전압에 영향을 주고, 흡열 작동 조건에서 발열 작동 조건으로의 변화는 스택 전압의 큰 변화를 초래할 수 있으며, 이는 30%를 초과할 수 있다. 따라서, 연관된 전력 전자장치는 보다 광범위한 범위의 전압을 처리할 수 있어야 하며, 이는 전력 전자장치의 비용을 증가시키고 효율을 감소시키는 경향이 있다.
SOEC 부하가 50% 부하까지 완전히 떨어지고 SOEC 스택이 650℃(c 지점)까지 냉각되는 경우, 스택 및 공정이 다시 가열될 때까지 기다리지 않고 작동 전력을 ~60% 이상으로 증가시키는 것은 어려울 것이며, 이는 상대적으로 느린 공정이다. 일반적인 SOEC 스택에서, 온도가 100℃ 증가하는 데 수십 분이 걸릴 수 있다.
시스템 턴다운 비율은 지속가능한 최저 작동 지점에 대한 시스템 피크 전력의 비율로 정의된다. 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 작동 턴다운은 일반적으로 스택 조건보다는 공정 조건을 변화시킴으로써, 특히, 반응물 유동 또는 농도를 변화시키고/시키거나 작동 온도를 변경함으로써 수용되어 왔다. 고성능 SOEC 시스템에 존재하는 흡열 작동 범위에서 작동하거나 이를 통과하기 위해, 기존의 해결책은 흡열 영역을 빠르게 통과하여 과냉각을 회피하는 것을 포함한다. 이는 본질적으로 지속적인 부분 부하 작동을 허용하지 않는다. 또 다른 기존의 해결책은 공정에 보충 열을 추가하는 것을 포함한다. 작동 온도에 대해 초기 온도에 대한 약간의 가열이 필요하므로, 적합하게 설계된 경우 이러한 히터는 또한 흡열 작동 동안 온도를 유지하는 역할을 할 수도 있다. 또 다른 기존의 해결책은 스택이 냉각되도록 하는 것을 포함하여 흡열을 중단시키고 보다 낮은 작동 온도에서 신규한 평형을 확립할 정도로 효율을 감소시킨다.
여분의 히터, 광범위한 온도 범위에 걸쳐 작동할 수 있는 능력 등의 측면에서 상당한 주변 장치(balance of plant)를 구동할 필요 없이, 턴다운이 높은 고체 산화물 전기분해 셀 시스템을 작동하는 방법에 대한 필요성이 존재한다. 특히, 부분 부하 및 신속한 응답 기능을 위한 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 작동 방법에 대한 필요성이 존재한다.
특정한 구현예에 있어서, 고체 산화물 전기분해 셀 시스템은 전기적으로 병렬로 연결된 복수의 분기를 포함하고, 각각의 분기는 적어도 하나의 고체 산화물 전기분해 셀 스택을 포함하며, 각각의 고체 산화물 전기분해 셀 스택은 복수의 고체 산화물 전기분해 셀을 포함한다. 부분 부하에서 고체 산화물 전기분해 셀 시스템을 작동하는 방법은, 주어진 작동 온도에 대해, 그 미만에서는 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 작동이 흡열이고 그 초과에서는 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 작동이 발열인 열적 중립 목표 전압을 결정하는 단계; 및 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 작동 사이클 동안, 고체 산화물 전기분해 셀 시스템이 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 작동 사이클 동안 열적 중립 목표 전압에서 작동 전력의 선택된 백분율과 동일한 평균 작동 전력에서 작동하도록 분기의 각각에 대해 온 위상(ON phase) 및 오프 위상(OFF phase)을 순환시킴으로써 펄스 폭 변조 전류 제어를 실행하는 단계를 포함한다. 온 위상에서, 주어진 분기의 모든 고체 산화물 전기분해 셀 스택은 열적 중립 목표 전압에서 작동한다. 오프 위상에서, 주어진 분기의 모든 고체 산화물 전기분해 셀 스택은 개방 회로 전압으로 무부하되어 0%의 정격 전력에서 작동한다. 분기의 각각은 다른 분기와 독립적으로 온 위상 또는 오프 위상에서 작동하도록 구성된다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 작동 사이클의 적어도 하나의 기간에서, 모든 분기는 오프 위상에 있다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 작동 사이클의 적어도 하나의 기간에서, 모든 분기는 온 위상에 있다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 작동 사이클의 적어도 하나의 기간에서, 적어도 하나의 분기는 온 위상에 있는 반면 적어도 하나의 분기는 오프 위상에 있다. 이는 임의의 시점에서 총 출력 전력의 리플(ripple)을 최소화한다. 전기적으로 병렬로 연결되고 개별적으로 스위칭되는 스택의 수가 많을수록, 온 위상 및 오프 위상 전환으로 인해 부과되는 리플이 감소한다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 온 위상과 오프 위상 사이의 스위칭은 일정 기간 동안이 아닌, 작동 사이클의 연속적인 기간 사이에 발생한다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 작동 사이클에서: 제1 분기는 제1 기간 동안 온 위상에 있는 반면, 제2 분기는 제1 기간 동안 오프 위상에 있으며; 제2 분기는 제2 기간이 시작될 때 온 위상으로 스위칭되어 제2 기간 동안 온 위상으로 유지되고; 제1 분기는 제2 기간 동안 온 위상으로 유지되거나, 또는 제2 기간이 시작될 때 오프 위상으로 스위칭되어 제2 기간 동안 오프 위상으로 유지된다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 펄스 폭 변조 전류 제어를 실행하는 단계는 지배적인 열 조건이 열적으로 되어 온 위상과 오프 위상 또는 오프 위상과 온 위상 사이의 전환 기간이 작동 사이클의 기간의 10% 미만을 차지하도록 펄스 폭 변조 주파수 및 듀티 사이클(duty cycle)을 선택하는 것을 포함한다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 펄스 폭 변조 주파수 및 듀티 사이클은 각각의 분기가 반응물 고갈로 인한 셀 부족이 발생하기 전에 온 위상에서 오프 위상으로 스위칭하도록 선택된다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 펄스 폭 변조 주파수 및 듀티 사이클은 지배적인 열 조건이 열적 중립이 되도록 선택되거나 또는 약간 순 흡열 또는 약간 순 발열 조건을 목표로 하도록 프로그램된 컨트롤러에 의해 선택되어 고체 산화물 전기분해 셀 스택의 온도가 일정해지거나 시스템 수요를 반영하는 목표 작동 온도 사이에서 제어된 방식으로 램핑된다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 펄스 폭 변조 시간 상수는 τe(전류 변화에 대한 전압 응답과 연관된 전기 시간 상수로서 일반적으로 밀리초 정도임)와 τc(SOEC 스택 내의 전기화학적 위치에서 반응물 공급 및 반응물 고갈과 연관된 화학 시간 상수로서 일반적으로 밀리초 정도임) 사이에 위치하도록 선택된다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 지배적인 열 조건은 전반적인 스택 작동 윈도우의 과도한 흡열 및 과도한 발열 영역을 회피한다. 방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 각각의 분기의 작동 전류 밀도는 온 위상 동안 열적 중립 목표 전압에서 50 mW/cm2의 전류 밀도 이내일 수 있다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 펄스 폭 변조 시간 상수는 전체 펄스 폭 변조 사이클 동안의 발열이 온과 오프 사이의 전환 또는 오프와 온 사이의 전환 동안의 조건이 아닌, 온-시간 조건 및 오프-시간 조건에 의해 지배되도록 선택된다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 온 위상은 열적 중립 조건 또는 그 근처에 위치하도록 선택된다. 만일 시스템 제어장치가 작동 온도를 신규한 작동 지점으로 전환하려는 경우(예를 들어, 냉각이 바람직할 수 있는 지속적인 유휴 기간에 대비하거나 가열이 바람직할 수 있는 지속적인 유휴 기간에서 복구될 때) 거의 열적으로 중립인 조건이 선택될 수 있다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 온 위상은 열적 중립 조건 또는 그 근처에 위치하도록 선택된다. 만일 공정 밸런스로부터의 과도한 열 손실 또는 발열로 인해 오프 시간 조건이 완전히 열적 중립이 아닌 경우 거의 열적으로 중립인 조건이 선택될 수 있으며, 이 경우 SOEC 스택 온도를 제어하기 위해 전반적인 열 조건의 밸런스를 위해 필요한 흡열 또는 발열을 제공하도록 온 위상이 선택될 것이다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 펄스 폭 변조 시간 상수는 전기화학적 활성 영역 근처의 생성물 및 반응물 농도가 작동 사이클의 온-시간 및 오프-시간 동안의 조건이 아닌, 전체 펄스 폭 변조 사이클 동안의 평균 조건에 의해 지배되도록 선택된다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 펄스 폭 변조 시간 상수는 전체 펄스 폭 변조 사이클 동안의 열 조건 및 결과적인 온도가 작동 사이클의 온-시간 및 오프-시간 동안의 조건이 아닌, 평균 조건에 의해 지배되도록 선택된다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 펄스 폭 변조 주파수 및 듀티 사이클은 각각의 공정 시간 상수의 크기 차이(diffing)로 인해 거의 일정한 활용률 및 실질적으로 일정한 온도를 유지하면서, 실질적으로 열 중립 조건(또는 열적 중립으로부터의 작지만 제어된 편차)에서 작동하는 동안 전반적인 시스템의 부분 전력 작동을 동시에 허용하는 펄스 폭 변조 시간 상수 τpwm을 정의하도록 선택된다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 결과적인 작동 전략은 SOEC 스택이 기존 방식으로 제어되는 SOEC 시스템에서와 같이 τt(SOEC 스택의 열 질량 및 열 유동에 대한 온도 응답과 연관된 열 시간 상수로서, 일반적으로 몇 분 정도임)에 의해 제한되기 보다는, τe(예를 들어, 밀리초 정도) 정도의 시간에 전체 전력으로 램핑할 수 있는 능력을 보유하는 열 조건(온도)에서 작동하도록 허용한다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 결과적인 작동 전략은 SOEC 스택이 기존 방식으로 제어되는 SOEC 시스템에서와 같이 τt(SOEC 스택의 열 질량 및 열 유동에 대한 온도 응답과 연관된 열 시간 상수로서, 일반적으로 몇 분 정도임)에 의해 제한되기 보다는, τ유동(예를 들어, 밀리초 정도) 정도의 시간에 전체 전력으로 램핑하고 전체 전력에서 지속적인 작동을 유지하는 능력을 보유하는 열 조건에서 작동하도록 허용한다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 결과적인 작동 전략은 SOEC 스택이 전체 작동 온도를 유지하고 상당한 외부 가열을 필요로 하지 않으면서, 열적 중립 방식으로 작동을 유지하면서 10:1 정도의 전력 턴다운을 허용하는 방식으로 부분 부하 조건에서 작동하도록 허용한다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 결과적인 작동 전략의 스택의 2개 이상의 전기적으로 병렬인 분기는 적어도 하나의 분기는 온 위상에 있는 반면 적어도 하나의 다른 분기는 오프 위상에 있는 방식으로 펄스 폭 변조 시퀀스에 따라 스위칭된다. 예를 들어, 50%의 전력 수요는 임의의 특정 시점에서 스택의 절반만이 온 위상에 있는 반면, 모든 스택은 펄스 폭 변조 반복 기간 동안 50%의 듀티 사이클을 경험하게 될 것이다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 결과적인 작동 전략의 2개 이상의 전기적으로 병렬인 분기는 더 약한 분기가 더 강한 분기보다 덜 로드되어 시스템 수명 및 효율의 전반적인 이점을 얻을 수 있는 방식으로 펄스 폭 변조 시퀀스에 따라 스위칭된다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 총 전력 사이클은 제1 사전결정된 백분율의 정격 전력이고; 분기의 각각은 사전결정된 백분율의 시간 동안 100%로 작동하며; 및 제1 사전결정된 백분율의 정격 전력은 분기의 각각이 100%로 작동하는 사전결정된 백분율의 시간과 동일하다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 최대 순시 전력 단계는 제2 사전결정된 백분율의 정격 전력이며, 제2 사전결정된 백분율의 정격 전력은 100%를 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 분기 수로 나누어 계산된다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 분기 중 적어도 하나는 제1 온 위상에서 100%의 정격 전력에서 작동하며, 제1 온 위상에 바로 뒤따르는 다음 온 위상에서 0%의 정격 전력에서 작동한다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 분기 중 적어도 하나는 무부하되어 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 작동 사이클에서 규칙적인 간격으로 0%의 정격 전력에서 작동된다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 분기 중 적어도 하나는 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 작동 사이클에서 불규칙한 간격으로 무부하된다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 작동 사이클에서 2개의 순차적인 사이클에 대해, 제1 서브세트에서 분기는 동일하다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 작동 사이클에서 2개의 순차적인 사이클에 대해, 제1 서브세트에서 분기는 상이하다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 복수의 고체 산화물 전기분해 셀의 각각은 애노드, 캐소드, 및 고체 세라믹 전해질을 포함한다.
방법 또는 시스템의 일부 양태에 있어서, 고체 세라믹 전해질은 비다공성 금속 산화물을 포함한다.
통상의 기술자는 전술한 양태가 상호 배타적이지 않고 조합될 수 있음을 이해할 것이다.
이들 및 기타 유리한 특징은 본 개시내용 및 도면을 검토하는 사람들에게 명백해질 것이다.
도 1은 작동 전류(가로축)와 전기화학적 발열량(세로축) 사이의 관계를 650℃, 700℃, 및 750℃ 각각의 경우를 예로 들어 도시한다.
도 2는 95% 순 전력에서 작동하는 SOEC 시스템에 대한 SOEC 스택의 독립적인 온/오프 스위칭의 예를 도시한다.
도 3은 53% 순 전력에서 작동하는 SOEC 시스템에 대한 SOEC 스택의 독립적인 온/오프 스위칭의 예를 도시한다.
도 4는 12% 순 전력에서 작동하는 SOEC 시스템에 대한 SOEC 스택의 독립적인 온/오프 스위칭의 예를 도시한다.
도 5는 예시적인 구현예에 따라, 퍼니스에서 작동하는 서브스케일 고체 산화물 전기분해 스택에 대한 실험 테스트 결과를 도시한다.
도 6은 예시적인 구현예에 따라, 10% 내지 70% 부하의 부분 부하 조건을 통해 점진적으로 단계화된 서브-스케일 고체 산화물 전기분해 스택의 실험 전압 및 온도 응답 결과를 비교한다.
일반적으로 도면을 참조하면, 부분 부하 및 신속한 응답 기능을 위한 SOEC 시스템을 작동하는 방법이 본원에 개시된다. 상술한 바와 같이, SOEC 시스템은 적어도 하나의 고체 산화물 전기분해 셀을 포함한다. 바람직하게는, 복수의 고체 산화물 전기분해 셀은 스태킹되고 인터커넥트 플레이트(interconnect plate)가 삽입될 수 있으며, 이는 전극/전해질 계면에 가스를 분배하고 집전체로서 작용하여 고체 산화물 전기분해 셀 스택을 형성한다. SOEC 시스템은 적어도 일부의 전기적으로 병렬인 분기를 형성하는 복수의 SOEC 스택을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 40개의 SOEC 스택이 20개의 전기적으로 병렬인 분기에 연결될 수 있다. 작동 방법에 따라, 각각의 SOEC 분기는 열적 중립 또는 열적 중립에 가까운 조건에서 작동하는 동안, 개방 회로에서 전체 부하까지 다른 SOEC 분기와 독립적으로 로드될 수 있다. 각각의 SOEC 분기는 하나 이상의 SOEC 스택을 포함한다. 작동 방법은 또한 부분 부하에서 SOEC 시스템을 작동할 수 있는 능력을 제공하지만, 이는 전체 부하로 신속하게(거의 순간적으로) 전환할 수 있는 열 조건 하에서다.
SOEC 스택의 일반적인 부분 부하 사이클은 하기와 같이 설명된다:
- 위상 1 - SOEC 스택은 공칭 작동 온도에서, 제로 전류, 열적 중립에서 작동한다. 스택을 통과하는 반응물 유동은 공칭 전력 수요에 따라 설정된다.
- 위상 2 - SOEC 스택은 열적 중립 조건에서 전체 전류로 스위칭된다. SOEC 스택 전압 응답은 거의 순간적이며, 부분 부하(흡열) 조건에서 소요되는 시간은, 예를 들어, 몇 밀리초이다. 이 전환 시간 동안 흡수된 열은 SOEC 스택의 열 질량과 비교하여 무시할 수 있다. 무시할 수 있는 온도 변화가 발생한다.
- 위상 3 - SOEC 스택은 이제 열적 중립 조건에서 전체 전류에 있으며, 이 전류를 무한정 지원하기에는 유동이 너무 낮을 수 있다. 그러나, 일부 작동 시간을 지원하기에 충분한 고체 산화물 전기분해 셀의 활성 영역에 인접하여 존재하는 가스의 양이 존재한다. 이는 설계에 따라, 예를 들어, 1/10초 정도일 수 있다.
- 위상 4 - SOEC 스택은 반응물 고갈로 인한 셀 부족이 발생하기 전에 다시 개방 회로로 스위칭된다.
- 위상 5 - 스택은 이제 목적하는 부하 목표에 비례하고 SOEC 스택이 전체 부하에 있었던 시간에 비례하는 기간 동안 개방 회로 전압(OCV; open circuit voltage)에 있다. 예를 들어, 완전 부하 작동 지점의 40%의 목표는 1/10초의 온-시간과 함께 1.5/10초의 오프-시간을 가질 것이다. 이 시간 동안, 가스 유동은 중단 없이 계속되어 SOEC/SOEC 스택의 활성 영역에서 생성물을 제거하고 다음 사이클을 위한 신규한 반응물을 제공한다. SOEC 스택은 열적 중립 조건에 있다. 이어서, 사이클이 위상 1부터 반복된다.
도 1을 참조하면, SOEC 작동 전류(가로축)와 전기화학적 발열량(세로축) 사이의 관계의 비-제한적인 예가 650℃, 700℃, 및 750℃ 각각의 경우를 예로 들어 도시되어 있다. 도 1의 예에서, d 지점이 목표 작동 지점이지만, 목표 작동 지점은 시스템과 응용분야 사이에 변화할 수 있음을 이해해야 한다. d 지점에서, 스택은 750℃, -1 A/cm2에서 작동하며, 열적 중립 조건에서 작동한다. d 지점에서 작동할 때, SOEC 시스템은 단지 유입 가스만 예열하면 되며, 공정 배기 열을 사용하여 이를 수행할 수 있다. 예를 들어, 작동 전력이 b 지점으로 떨어지는 경우, SOEC 스택은 바람직한 작동 범위(음영 부분) 밖에서 작동하며, SOEC 스택 작동은 흡열이다. 예를 들어, 목표 작동 지점은 스택 및 시스템 설계에 따라, 50 mW/cm2 이내의 열적 중립, 또는 그 이상, 또는 그 이하일 수 있다. 바람직한 작동 범위 밖에서 작동하는 스택은 과도한 발열 또는 과도한 흡열로 설명될 수 있다. 바람직한 작동 지점 내에서 작동하지만, 열적 중립 목표 전압에서는 작동하지 않는 스택은 약간의 발열 또는 약간의 흡열로 설명될 수 있다. d 지점으로부터 전력 무부하 시, SOEC 스택은 열적 중립 조건에 다시 도달하기 전에 700℃까지 냉각되거나(낮은 온도에서의 전반적인 성능 저하로 인함) 또는 SOEC 스택은 스택을 작동 온도에서 유지하기 위해 보조 히터를 연결해야 할 것이다. SOEC 스택이 냉각될 경우, SOEC 시스템은 상이한 작동 온도에 대처해야 한다.
작동 전력이, 예를 들어, a 지점까지 다시 증가하는 경우, 증가는 SOEC 스택 작동을 빠르게 과도한 발열 조건이 되도록 한다. 이렇게 하면 스택이 목표 작동 온도까지 다시 상승하는 경향이 있을 것이지만, 이는 SOEC 스택의 열 시간 상수와 연관된 상대적으로 느린 공정이다. 열 평형이 재확립되기 전에, 국소 과열 및 증가된 배기 온도는 SOEC 스택 및 시스템 작동에 부정적인 영향을 주기 시작하여 이들의 유용한 수명에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 곡선은 대칭이 아니다. 주어진 작동 전력 증가에 대한 과열은 동일한 크기의 작동 전력 감소와 연관된 냉각보다 훨씬 크다. 또한, 열 조건은 셀 전압에 영향을 주고, 흡열 작동 조건에서 발열 작동 조건으로의 변화는 스택의 큰 변화를 초래할 수 있으며, 이는 30%를 초과할 수 있다. 따라서, 연관된 전력 전자장치는 보다 광범위한 범위의 전압을 처리할 수 있어야 하며, 이는 전력 전자장치의 비용을 증가시키고 효율을 감소시키는 경향이 있다.
SOEC 부하가 50% 부하까지 완전히 떨어지고 SOEC 스택이 650℃(c 지점)까지 냉각되는 경우, 스택 및 공정이 다시 가열될 때까지 기다리지 않고 작동 전력을 ~60% 이상으로 증가시키는 것은 어려울 것이며, 이는 열 시간 상수 τt에 의해 결정되는 상대적으로 느린 공정이다.
이제 부분 부하에서 SOEC 시스템을 작동하는 방법(이하 "작동 방법")에 대해 설명할 것이다. SOEC 시스템은 병렬로 연결된 복수의 고체 산화물 전기분해 셀 스택을 포함한다. 각각의 SOEC 스택은 복수의 고체 산화물 전기분해 셀을 포함한다. 작동 방법은 주어진 작동 온도에 대해 그 미만에서는 SOEC 시스템의 작동이 흡열이고 그 초과에서는 SOEC의 작동이 발열인 열적 중립 목표 전압을 결정하는 단계, 및 SOEC 시스템의 작동 사이클 동안, SOEC 시스템이 열적 중립 목표 전압에서 작동 전력의 선택된 백분율과 동일한 평균 작동 전력에서 작동하도록 각각의 SOEC 스택에 대해 온 위상 및 오프 위상을 순환시킴으로써 펄스 폭 변조 전류 제어를 실행하는 단계를 포함한다. 본원에 사용된 바와 같은, "작동 사이클"은 전기분해 셀 스택이 일정한 전압에서 작동하거나 연장된 기간 동안 전원이 꺼지는 것이 아닌, 본 발명의 구현예에 따라 작동하는 기간을 지칭한다. 전기분해 셀 스택은 주어진 작동 온도에서 열적 중립 목표 전압에서 작동할 때 "100% 전력" 또는 "전체 전력"에서 작동하는 것으로 간주된다. 이는 주어진 작동 온도에서 "정격 전력"이라고도 지칭된다. 온 위상 동안, 전기분해 셀 스택은 열적 중립 목표 전압에서 작동한다. 오프 위상 동안, 전기분해 셀 스택은 무부하되어 0% 전력에서 작동한다. 고체 산화물 전기분해 셀 스택은 전기적으로 병렬인 다수의 분기로 분할될 수 있다. 임의의 전기적 분기의 경우, 온 위상에서, 분기의 고체 산화물 전기분해 셀 스택은 100% 전력에서 작동한다. 오프 위상에서, 분기의 고체 산화물 전기분해 셀 스택은 개방 회로 전압으로 무부하된다. 고체 산화물 전기분해 셀 스택의 전기적 분기의 각각은 100% 전력에서 작동하거나 다른 고체 전기분해 셀 스택 전기적 분기와 독립적으로 무부하되도록 구성된다. SOEC 시스템은 작동 방법의 단계를 수행하도록 프로그램된 컨트롤러를 포함할 수 있다.
작동 방법에 따르면, SOEC 스택의 펄스 폭 및 부하는 SOEC 시스템이 온-펄스(모드 1) 동안 열적 중립 조건 또는 그 근처에서 작동하도록 제어된다. 오프-펄스(모드 2)에서, 스택이 무부하되며, 이는 본질적으로 열적 중립 조건이다. 모드 1과 모드 2 사이를 스위칭함으로써, 스택이 열적 중립 조건 근처에서 유지될 수 있으며, 그렇지 않으면 과도하게 흡열되는 부분 부하에서 작동한다. 작동 방법은 1) ms 정도의 응답 시간인, 전압 응답(전류에 대한 셀 전압), 2) 1초 미만(sub-second)의 정도의 응답 시간인, 활용률의 함수로서 전기화학 반응 응답(전류에 대한 유동), 3) 몇 초 정도의 응답 시간인, 열 응답(전류에 대한 온도)과 연관된 상이한 시간 상수를 이용한다. 이러한 시간 상수는 SOEC 스택 및 시스템의 재료 및 설계의 물리적 특성이다.
SOEC 스택 및 시스템 내에서 적어도 3개의 특징적인 시간 상수가 식별될 수 있다:
τe: 전류 변화에 대한 전압 응답과 연관된 전기적 시간 상수로서 일반적으로 밀리초 정도임.
τc: SOEC 스택 내의 전기화학적 위치에서의 반응물 공급 및 반응물 고갈과 연관된 화학적 시간 상수로서 일반적으로 몇 초 정도임; 및
τt: SOEC 스택의 열 질량 및 열 유동에 대한 온도 응답과 연관된 열 시간 상수로서, 일반적으로 몇 분 정도임.
관련된 두 가지 동적 시간 상수는 또한 하기와 같이 고려될 수 있다:
τpwm: 전술한 펄스 폭 변조 전류 변조 전략과 연관된 제어된 시간 상수.
τ유동: 예를 들어, 작동 전력의 요청된 단계 변화에 대한 응답으로 유량을 램핑시키는 전반적인 시스템의 능력과 연관된 제어된 시간 상수.
작동이 온 및 오프 시간(전환 시간이 아님)에 의해 지배될 만큼 작동 주파수가 충분히 느리면, 스택은 공칭 열적 중립일 것이다. 본원에 사용된 바와 같은, 용어 "지배적인 열 조건"은 작동 사이클 기간의 90% 초과 동안의 셀의 열 조건을 지칭한다. 따라서, 전기분해 셀 스택의 지배적인 열 조건이 열적 중립일 때, 스택은 작동 사이클 기간의 90% 초과 동안 열적 중립 조건에서 작동한다. 특히, 유입 가스가 SOEC 스택 전체를 통과하지 못하고 반응 없이 셀 활성 영역을 지나칠 정도로 작동 주파수가 충분히 빠르면, 유효 활용률은 공칭 유량에 의해 설정될 것이다. 이들은 최고 및 최저 작동 주파수 모두를 제한한다. 이 두 공정의 시간 상수에서 몇 자릿수 차를 감안하면, 두 요건을 모두 충족하는 작동가능한 주파수를 구할 여지가 많다. 두 공정 모두 열 가열보다 상당히 빠르므로 스택 또는 시스템에 임의의 심각한 열 과도현상(thermal transient)이 발생하지 않는다.
예를 들어, 도 5는 예시적인 구현예에 따라, 퍼니스에서 작동하는 서브스케일 고체 산화물 전기분해 스택에 대한 실험 테스트 결과를 예시한다. 이는 퍼니스 열이 흡열 스택 작동을 지원하는, 빠른 과도 응답을 위한 이상적인 환경이다. 도 5는 펄스 폭 변조 모드(본 개시내용의 주제)에서 먼저 작동된 후 일반적인 정상 부하 전략에서 반복되는 동일한 작동 조건을 도시한다. 각각의 경우에 대한 작동 조건은 무부하에서 시작하여, 30% 부하로 단계 변화하여 30분 동안 체류한 후, 전체 부하로 단계 변화하여 30분 동안 체류하고, 이어서 무부하가 뒤따른다.
더 낮은 전압이 더 높은 효율을 반영한다는 점에 주의하면서, 먼저 30% 부하에서, 펄스 폭 변조 테스트가 더 높은 효율로 작동하고 있음을 관찰해야 한다. 이는 작동 온도를 유지하고 있으며, 이에 따라 피크 효율로 작동할 수 있기 때문이다. 대조적으로, 30% 부하에서 정상 상태 작동은 흡열 작동에 의해 스택이 냉각되기 때문에 약 5% 덜 효율적으로 작동한다. 이는 단지 이 테스트가 흡열 스택 주변의 온도를 유지하는 역할을 하는 퍼니스에서 시행되기 때문에 가능하다. 실제 시스템에서는 흡열 스택의 작동 온도를 유지하기가 더 어려우며, 결과적으로 냉각 및 효율 저하가 더 클 수 있다.
여전히 도 5를 참조하면, 두 번째로 전체 부하로의 단계 변화에서 펄스 폭 변조의 경우 약간의 전압 회복이 존재하지만, 기존의 경우 훨씬 더 큰 회복이 존재함을 주의해야 한다. 이는 부분 부하 작동 중에 도달한 더 낮은 작동 온도 및 전체 부하로의 연관된 비효율성을 반영한다. 실제 생산 시스템에서, 부분 부하 온도가 더 낮을 뿐만 아니라, 이용가능한 구동 전압이 저온 스택을 피크 전류로 구동할 만큼 충분히 높지 않을 수 있으며, 그 결과 흡열 작동이 잠재적으로 계속해서 전환 시간을 크게 증가시킬 수 있다.
도 6은 예시적인 구현예에 따라, 10% 내지 70% 부하의 부분 부하 조건을 통해 점진적으로 단계화된 서브-스케일 고체 산화물 전기분해 스택의 실험 전압 및 온도 응답 결과를 비교한다. 채워진 데이터 포인트는 펄스 폭 변조 모드에서 작동될 때의 평균 스택 내 온도(사각형) 및 평균 셀 전압(원)이며, 빈 데이터 포인트는 기존의 정상-상태 모드에서 작동될 때의 동일한 결과이다.
주의할 점은 펄스 폭 변조 모드에서, 스택 온도는 설정값에 관계없이 일정한 반면, 기존의 작동에서 스택은 약 40% 부하에서 발생하는 최소 온도로 점진적으로 냉각된다는 것이다. 이 서브-스케일 테스트는 일정한 온도 설정값을 갖는 전기 퍼니스 내에서 발생하며, 실제 시스템에서는 스택 온도가 더 크게 떨어질 것으로 예상된다. 또한 모든 부분 전력 작동 지점에서 스택의 높은 효율성 및 거의 완벽에 가까운 선형 응답이 주의할 만하다. 효율이 높을수록 전기분해된 가스의 부피당 에너지 비용의 감소와 같은 명백한 이유로 이점이 있다. 선형성은 결과적으로 전반적인 시스템의 예측가능성 및 제어가능성을 개선하는 데 도움이 된다.
더욱이, 흡열 작동을 회피함으로써, 스택(및 시스템)은 과도 현상에 더 잘 응답할 수 있으며, 이에 따라 기존의 작동과 비교하여, 더 우수한 부하 추종(load follow) 능력을 갖게 된다. 그러나, 더 쉬운 온도 및 전기 제어의 추가적인 이점은 또한 스택이 펄스 폭 변조 제어 전략으로 제어될 때 시스템을 개선한다. 또한, 열 과도 현상은 고체 산화물 전기분해 스택의 노화 메커니즘으로 공지되어 있으며, 펄스 폭 변조 제어로 작동함으로써, 그렇지 않으면 유도되는 대부분의 열 과도 현상을 회피할 수 있다.
스택에서 열 중립을 유지하면서, 부분 부하에서 작동을 가능하게 함으로써, 시스템은 과도한 흡열 작동 또는 작동 온도의 큰 변동을 지원하도록 설계될 필요가 없다. 이는 시스템 설계를 상당히 단순화한다. 또한, 부분 부하 조건에서도, SOEC 스택을 열적 중립 근처에 유지함으로써, 시스템은 전력 변화에 훨씬 더 민감하게 응답할 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하여, 전기적으로 병렬로 연결된 5개의 분기를 포함하는 비교적 작은 SOEC 시스템에 대한 작동 방법을 더 자세히 설명할 것이다. 분기의 각각은 1개의 SOEC 스택을 포함하며, 스택 1, 스택 2, 스택 3, 스택 4, 또는 스택 5로 식별된다. 그러나, 각각의 분기는 임의의 수의 SOEC 스택을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 각각의 분기는 20개 내지 40개의 SOEC 스택을 포함할 수 있다. 작동 방법의 스위칭 예가 95% 순 전력(도 2), 53% 순 전력(도 3), 및 12% 순 전력(도 4)에 대해 도시되어 있다. 순 전력 백분율은 평균 작동 전력을 시스템의 정격 전력으로 나눈 값(즉, 열적 중립 전압에서의 작동 전력)을 나타낸다. 작동 사이클을 처음 100 사이클에 대해 도시되어 있으며, x-축의 각각의 숫자는 사이클 번호를 식별한다. 막대 차트의 각각의 음영은 전체 전류에서 작동하는 특정한 SOEC 스택을 나타낸다(모드 1). 따라서, 특정 SOEC 스택에 대한 음영이 도시되지 않은 사이클 번호에서, 특정 SOEC 스택이 무부하됨을 이해해야 한다(모드 2). 파선은 총 순시 전력을 도시하는 반면, 점선은 시간 평균 전력을 도시한다. 5개의 SOEC 스택에서, 최대 순시 전력 단계는 정격 전력의 20%(100%를 SOEC 시스템의 SOEC 스택 수로 나누어 계산됨)로 설정되며, 이는 필요할 수 있는 임의의 전기 시스템(예를 들어, 커패시터 뱅크(capacitor bank))에 대한 요건을 설정한다. 스택 수가 증가함에 따라 평활화(smoothing)에 필요한 양이 감소한다.
도 2를 참조하면, 95% 순 전력의 제1 사이클에서, 총 전력이 정격 전력의 95% 미만이 되도록 제1 SOEC 스택은 오프이고(스택 1에 대한 음영이 존재하지 않음) 다른 4개의 SOEC 스택은 100% 전력에서 작동한다(스택 2-5에 대한 음영이 존재함). 제2 사이클에서, 모든 SOEC 스택은 총 전력이 정격 전력의 95%를 초과하도록 100% 전력(스택 1-5에 대한 음영이 존재함)에서 작동하며, 이 조건은 제4 사이클까지 지속된다. 제5 사이클에서, 총 전력이 다시 정격 전력의 95% 미만이 되도록 제3 SOEC 스택은 오프이고(스택 3에 대한 음영이 존재하지 않음), 다른 4개의 SOEC 스택은 100% 전력에서 작동한다(스택 1, 2, 4 및 5에 대한 음영이 존재함). 도 2에 나타낸 바와 같이, 각각의 SOEC 스택은 열적 중립 또는 열적 중립 조건 근처에서 작동하고 95% 순 전력을 유지하면서, 개방 회로에서 전체 부하로 다른 SOEC 스택과 독립적으로 부하될 수 있다. 일부 양태에 있어서, 총 전력 사이클은 제1 사전결정된 백분율의 정격 전력이고, 고체 산화물 전기분해 셀 스택의 각각은 사전결정된 백분율의 시간 동안 온 위상에서 작동하며, 및 제1 사전결정된 백분율의 정격 전력은 고체 산화물 전기분해 셀 스택의 각각이 100% 전력으로 작동하는 사전결정된 백분율의 시간과 동일하다. 도 2에서, 5개의 스택의 각각은 이 사이클에서 95%의 시간(즉, 사전결정된 백분율의 시간)에 있으며, 총 사이클 전력은 마찬가지로 95%의 정격 전력(즉, 제1 사전결정된 백분율의 정격 전력)이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 개별 스택(또는 전기적 분기)은 전체 작동 사이클에 걸쳐 평균화될 때 목적하는 출력 전력 수준(정격 전력의 백분율로 표현될 때)과 동일한 온-시간을 갖는다. 도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 스택(또는 전기적 분기)에 대한 타이밍은 온-사이클의 총 스택이 한 번에 하나 초과의 스택(또는 전기적 분기)만큼 변화하지 않도록 서로의 분기에 대해 오프셋(offset)된다. 예를 들어, 예시된 100 단계 사이클의 과정에서 스택의 각각이 정확히 5회 오프되라도 4개 미만의 스택이 동시에 온이 되는 시간 단계는 존재하지 않는다.
일부 예에 있어서, SOEC 스택 중 적어도 하나는 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 작동 사이클에서 규칙적이고 반복적인 간격으로 무부하된다(예를 들어, 5개의 온 위상에 대한 온, 1개의 오프 위상에 대한 오프, 5개의 온 위상에 대한 온, 1개의 오프 위상에 대한 오프 등의 규칙적인 패턴). 일부 예에 있어서, 고체 산화물 전기분해 셀 스택 중 적어도 하나는 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 작동 사이클에서 불규칙하고 반복되지 않는 간격으로 무부하된다(예를 들어, 5개의 온 위상에 대한 온, 2개의 오프 위상에 대한 오프, 3개의 온 위상에 대한 온, 4개의 오프 위상에 대한 오프 등의 불규칙한 패턴).
도 3을 참조하면, 53% 순 출력 전력을 유지하기 위한 작동 방법의 스위칭 예가 도시되어 있다. 제1 사이클에서, 제4 및 제5 SOEC 스택은 100% 온인 반면(스택 4 및 5에 대한 음영이 존재함), 제1 내지 제3 SOEC 스택은 오프이다(스택 1-3에 대한 음영이 존재하지 않음). SOEC 시스템은 53% 출력 전력에서 작동하며, 5개의 SOEC 스택이 모두 작동하는 사이클은 존재하지 않는다. 그 대신, 임의의 주어진 사이클에서, 2개 내지 3개의 SOEC 스택이 100% 온이다. 임의의 특정 사이클에서 스택이 3개 초과 2개 미만으로 존재하지 않는다. 각각의 스택(또는 전기적 분기)은 충분히 긴 기간에 걸쳐 평가될 때 동일한 53% 전체 듀티로 작동한다(본원에는 100 사이클 단계에 걸쳐 예시 및 구현됨). 목표 전력 수준은 스택 수와 관련된 이산 값일 필요는 없다. SOEC 시스템의 임의의 부분 부하 조건은 적합한 사이클로 달성될 수 있지만, 목적하는 분해능이 증가함에 따라, 스위칭 사이클의 전체 길이도 증가할 수 있다. 100 단계에서(도 3에 도시된 바와 같음), 출력 전력은 가장 근접한 1%로 변조될 수 있다. 도 3에서, 각각의 SOEC 스택은 전체 사이클의 53%에 있다. 53%가 모든 스택이 정확히 50%의 시간 동안 온이 되는 50%를 약간 상회할 뿐이라는 것을 반영하면 2개의 순차적인 사이클 동안 임의의 특정 스택이 온인 위치는 상대적으로 적다.
도 4를 참조하면, 12% 출력 전력을 유지하기 위한 작동 방법의 스위칭 예가 도시되어 있다. 각각의 SOEC 스택은 대략 8 사이클마다 한 번씩 온이 된다. SOEC 스택은 작동 지점이 공정에서 폐열 손실 외에 SOEC 스택 냉각을 초래하지 않도록 본질적으로 열적 중립인 개방 회로("오프")와 열적 중립이 되도록 구성된 전체 전력("온") 사이에서 각각 스위칭된다. 이 폐열 손실은 일반적으로 효율적인 전기분해 시스템을 위해 열 손실이 작아야 한다고 가정할 때, 약간 발열성인 온 위상을 선택하여 밸런스를 맞출 수 있다.
턴다운에 대한 하나의 제약은 반응물의 분자가 전기화학적 활성 영역의 유입구에서 배출구로 유동하는 데 걸리는 기간과 연결된 최소 스위칭 주파수이다. 도 4의 예에서, 오프 기간이 8 사이클만큼 긴 경우, 스위칭 주파수는 8 사이클이 전원이 공급되지 않는 SOEC 스택을 통해 과도한 반응물 우회 유동을 초래하지 않도록 선택되어야 한다. 이는 아마도 시스템 유량이 더 낮은 전력 조건(12% 순 전력)에 대해 조정되었기 때문에 그리 큰 제약이 아닐 수 있다. 유량이 8배 낮은 경우, 유동 기간 또한 8배 길어지므로, 따라서, 스위칭 주파수를 변화시킬 필요가 없다. 유량이 8배 낮지 않은 경우, 온 기간에도 과도한 반응물 유동이 존재할 것이기 때문에 스위칭 기간은 전반적인 활용율에 영향을 미치지 않는다.
도 2 내지 도 4의 예 또는 작동 방법에 따라 유지되는 임의의 기타 순 전력 중 어느 것도 반응물 유동을 중단하거나 SOEC 스택을 선택하기 위해 방향을 전환할 필요가 없다. 반응물 유동은 모든 SOEC 스택에 고르게 분배되며, 스위칭 주파수가 적절하게 선택되는 한, SOEC 스택 또는 시스템 활용율에 영향을 주지 않는다.
예시된 예에서 두 가지 기본 가정이 예시된다. 1) 임의의 특정 사이클에서 가장 오랜 시간 동안 전력이 요구되지 않은 스택(전기적 분기)에 전력이 분배된다. 이를 통해 임의의 특정 스택에 대한 순차적인 온-타임 및 오프-타임을 최소화하는 롤링 전력(rolling power) 수요를 보장한다. 2) 각각의 스택(또는 전기적 분기)은 시스템 수준 전력 수요와 정확한 비율로 전력을 공급한다. 전반적인 제어 전략에는 어떠한 가정도 필요하지 않다. 예를 들어, 특정 사이클에 대해 어떤 스택을 켤 것인지에 대해 랜덤 또는 반-랜덤 결정이 사용될 수 있다. 개별 전력 분기는 전반적인 시스템 수요에 대한 정확한 비율로 작동할 필요는 없지만 그 대신 시스템 수요 및 개별 분기 용량(또는 상태(health))에 따라 작동하여 더 약한 분기가 더 강한 분기보다 더 적게 부하될 수 있거나, 또는 더 느린 전력 전환에 대비하거나 이에 응답하여 특정 분기가 우선적으로 가열(또는 냉각)될 수 있다.
도 1을 참조하면, 상술한 작동 방법은 SOEC 스택이 열 및 전력 관점에서 항상 d 지점 또는 e 지점에서 작동하도록 허용한다. d 및 e 지점 모두 열적 중립이다. 50% 전력에서, SOEC 스택은 시간의 절반은 d 지점에서, 시간의 절반은 e 지점에서 소비한다. SOEC 스택은 전체 작동 온도에서 유지되며, 작동 전압 또는 작동 온도의 눈에 띄는 변동 없이, 반응물을 이용할 수 있는 한 빠르게 전체 전력으로 램핑시킬 수 있다.
또한, 정격 전력의 20% 내지 30% 범위를 고려한다. 이 영역에서, SOEC 스택을 650℃로 냉각시키는 것조차도 SOEC 스택을 과도한 흡열 조건에서 벗어나게 하는 데 충분하지 않다. 동적 응답 기능에 제어 문제 및 심각한 제한을 제시하는, 공정 히터 또는 매우 낮은 스택 온도가 필요하다. 결과적으로, 작동 방법의 추가 이점은 기존 제어 전략과 비교하여 확장된 턴다운 기능이다.
과도한 흡열 부분 부하 조건을 회피함으로써, 과도한 흡열 또는 과도한 발열 조건을 지원할 필요가 없기 때문에 시스템의 밸런스를 단순화할 수 있다. 그 대신, SOEC 시스템 및 SOEC 스택은 거의 열적 중립으로 작동하거나, 목적하는 바와 같이 흡열 또는 발열 작동을 향한 특정 설계 오프셋으로 작동한다. 마찬가지로 SOEC 시스템은 스택 수명 및 성능에 가장 유리한 조건에서 엄격한 작동 윈도우를 유지하면서, 시간에 따른 스택 열화를 보상할 수 있다. 또한, SOEC 시스템은 부분 부하 조건에서 작동할 수 있으며, 거의 순간적인 부하에서 전체 부하까지 도움이 되는 조건에서 SOEC 스택을 유지하므로 그렇지 않은 경우보다 훨씬 더 빠른 과도 응답이 가능하다.
작동 방법에 따르면, SOEC 스택은 부분 부하 조건에서 작동할 때에도 작동 온도에서 유지될 것이다. 이는 SOEC 스택의 전력 드로우(power draw)가 단기 과도 현상의 경우 1초 미만 스케일에서, 유동 변화를 필요로 하는 장기 과도 현상의 경우 초 단위 스케일에서 전체 전력으로 증가할 수 있음을 의미한다. 이는 이용가능한 변조가 기존 방식으로 제어되는 SOEC 시스템보다 훨씬 크기 때문에 그리드 전압 및 주파수 안정화 가능성을 크게 증가시킨다.
전술한 작동 방법은 부분 부하(즉, 전체 부하가 아님) 조건에서 SOEC 시스템의 지속적인 작동을 허용한다. 작동 방법은 보조 가열에 의존하지 않는다. 그 대신, 작동 방법은 SOEC 스택의 자체-가열에 의존한다. 이는 가열 요건의 분리를 허용하여 SOEC 시스템에서 주변 장치를 단순화할 수 있으며, 여기서 주변 장치는 SOEC 시스템이 신뢰할 수 있는 전원으로 작동하도록 보장하는 데 필요한 보조 장비이다. 작동 방법에 따라, 열이 필요한 위치(SOEC 스택 내)에서 생성되므로 별도의 히터에서 SOEC 스택으로의 열 전달을 최적화할 필요가 없어 전반적인 핫 모듈을 단순화할 수 있다. 따라서, 작동 방법은 또한 SOEC 스택의 열 부하를 줄여 스택 효율 및 수명을 잠재적으로 증가시킨다.
도 1에 예시된 바와 같이, 성능/온도 곡선은 대칭이 아니다. SOEC 스택이 부분 부하 작동 전략에서 냉각될 수 있는 경우, SOEC 스택은 전력 램핑 능력이 제한된다. 예를 들어, 50% 전력에서 작동할 때, SOEC 스택은 60% 전력까지만 빠르게 증가할 수 있으며, SOEC 스택 내에서 합리적인 온도를 유지하면서 100% 전력으로 램핑되는 데 몇 분이 걸릴 수 있다. 대조적으로, 전술한 작동 방법은 공정 가스가 램핑될 수 있는 만큼 빠르게, 임의의 전력 수준에서 임의의 다른 전력 수준으로 빠르게 램핑될 수 있다.
작동 방법은 스택의 고도로 모듈화된 어레이에 특히 적합할 수 있으며, 전력 버스(power bus)에 대한 전기적 스위칭의 영향은 위상을 벗어난 스택의 시퀀싱에 의해 조절될 수 있다. 예를 들어, 50% 부하 조건에서, 스택의 절반은 임의의 특정 시간에 온이 될 것이며, 어떤 스택도 활성화되지 않는 시간은 존재하지 않을 것이다. 단일 스택의 경우, 전류 스위칭은 결과적인 DC 버스에 노이즈를 부과할 수 있으며, 이는 시스템 전력 전자장치의 효율에 부정적인 결과를 초래할 수 있다. 고도로 모듈화된 시스템(즉, 많은 스택이 동일한 DC 버스를 공유하는 시스템)에서, 각각의 스택의 전환 시간은 버스 노이즈가 최소화되도록 다른 스택에 비해 오프셋될 수 있다. 전기적으로 병렬로 작동하는 스택이 많을수록, 작동 방법이 버스 전압 및 노이즈에 미치는 영향이 줄어든다. 일부 양태에 있어서, 스위칭은 체계적이다. 특히, 임의의 주어진 부분 부하 조건에서, SOEC 스택이 온 또는 오프되는 시퀀스 및 타이밍은 동일하다. 다른 양태에 있어서, 스위칭은 슈도-랜덤(pseudo-random)하다. 특히, 주어진 부분 부하 조건에서, SOEC 스택의 온 또는 오프되는 시퀀스 및 타이밍은 동일하지 않다. 예를 들어, 하나의 SOEC 스택이 또 다른 SOEC 스택보다 약한 경우, 슈도-랜덤 접근법은 결과적인 전기 노이즈를 평활화할 수 있다. 슈도-랜덤 접근법은 시스템 내에서 부과된 노이즈 및 계획되지 않은 바이어스(bias)의 제거 측면에서 이점을 제공할 수 있다.
일부 양태에 있어서, 전력의 펄스 폭 변조 인가는 순 전기적 조건과 독립적인 방식으로 SOEC 스택의 순 열 작동 조건을 제어하는 데 사용될 수 있다. 이 아이디어는 그렇지 않으면 흡열일 수 있는 부분 전기 부하 조건에서 순 열적 중립 조건을 유지하는 측면에서 설명되었다. 이 아이디어는, 예를 들어, 스택을 가열하는 데 도움이 되는 방법으로 순 발열 조건을 적용하기 위해 특정한 열 조건을 대상으로 동일하게 적용될 수 있다. 부분 부하 조건에서, 전력의 펄스 폭 변조 인가는 스택 열 조건의 독립적인 제어를 허용하며, 결과적으로, 다른 시스템 수요에 따라 스택 온도를 높이거나 낮추는 데 사용될 수 있다.
일부 양태에 있어서, SOEC 스택의 작동 주파수는 스택의 기하학적 구조 및 셀 활성 영역 유입구에서 셀 활성 영역 배출구로 통과하는 임의의 유체 입자에 대한 순 유동 기간에 의해 결정되는 하한과 스위칭 손실로 인한 효율이 감소하는 지점, 및 궁극적으로 셀의 전기적 성능이 부분 부하 조건과 동일해지기 시작하며, 열 이점이 사라지기 시작하는 지점인 상한 사이에서 변화할 수 있다.
본원에서 활용되는 바와 같은, 용어 "대략", "약", "실질적으로", 및 유사한 용어는 본 개시내용의 주제가 속하는 기술분야의 통상의 기술자에 의해 통상적이고 허용되는 용법과 조화되는 광범위한 의미를 갖도록 의도된다. 본 개시내용을 검토하는 통상의 기술자는 이러한 용어가 이러한 특징의 범위를 제공된 정확한 수치 범위로 제한하지 않고 설명되고 청구되는 특정한 특징의 설명을 허용하도록 의도된다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 이러한 용어는 설명되고 청구되는 주제의 실질적이지 않거나 중요하지 않은 변형 또는 변경이 첨부된 청구범위에 인용된 본 발명의 범위 내에 존재하는 것으로 간주됨을 나타내는 것으로 해석되어야 한다.
본원에서 사용된 바와 같은, 용어 "커플링된", "연결된" 등은 2개의 구성원을 서로 직접 또는 간접적으로 접합하는 것을 의미한다. 이러한 접합은 고정적(예를 들어, 영구적)이거나 이동가능(예를 들어, 제거가능 또는 해제가능)할 수 있다. 이러한 접합은 2개의 구성원 또는 2개의 구성원 및 임의의 추가적인 중간 구성원이 서로 단일 통합체로서 일체로 형성되거나 2개의 구성원 또는 2개의 구성원 및 임의의 추가적인 중간 구성원이 서로 부착되어 달성될 수 있다.
본원에서 요소의 위치(예를 들어, "상부", "하부", "위", "아래" 등)에 대한 참조는 도면에서 다양한 요소의 방향을 설명하기 위해 사용된 것일 뿐이다. 다양한 요소의 방향은 다른 예시적인 구현예에 따라 상이할 수 있으며, 이러한 변형은 본 개시내용에 의해 포괄되는 것으로 의도됨을 주의해야 한다.
다양한 예시적인 구현예의 구성 및 배열은 단지 예시적인 것임을 주의하는 것이 중요하다. 단지 몇 가지 구현예가 본 개시내용에서 상세하게 설명되었지만, 본 개시내용을 검토하는 통상의 기술자는 본원에 설명된 주제의 신규한 교시 및 이점으로부터 실질적으로 벗어나지 않고 많은 변형이 가능함(예를 들어, 다양한 요소의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율의 변화, 매개변수 값, 장착 배열, 재료의 사용, 색상, 방향 등)을 용이하게 이해할 것이다. 예를 들어, 일체로 형성된 것으로 도시된 요소는 다수의 부분 또는 요소로 구성될 수 있고, 요소의 위치는 역전되거나 그렇지 않으면 변화될 수 있으며, 및 별개의 요소 또는 위치의 특성 또는 수는 변경 또는 변화될 수 있다. 임의의 공정 또는 방법 단계의 순서 또는 시퀀스는 대안적인 구현예에 따라 변화되거나 재배열될 수 있다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 예시적인 구현예의 설계, 작동 조건 및 배열에서 다른 대체, 변형, 변화, 및 생략이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 열 회수 열 교환기는 더욱 최적화될 수 있다.
전술한 작동은 알고리즘의 단계를 수행하도록 프로그램된 컴퓨터에 의해 실행될 수 있다. 본 명세서에 설명된 주제 및 작동의 구현예는 본 명세서에 개시된 구조 및 이의 구조적 등가물, 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함하여, 디지털 전자 회로, 또는 유형 매체, 펌웨어, 또는 하드웨어에 구현된 컴퓨터 소프트웨어에서 시행될 수 있다. 본 명세서에 설명된 주제의 구현예는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램, 즉, 데이터 처리 장치에 의한 실행을 위해 또는 이의 작동을 제어하기 위해 하나 이상의 컴퓨터 저장 매체에 인코딩된, 컴퓨터 프로그램 명령의 하나 이상의 모듈로 시행될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 프로그램 명령은 인위적으로 생성된 전파 신호, 예를 들어, 데이터 처리 장치에 의한 실행을 위해 적합한 수신기 장치로의 전송을 위해 정보를 인코딩하도록 생성된 기계-생성 전기, 광학, 또는 전자기 신호 상에 인코딩될 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터-판독가능 저장 디바이스, 컴퓨터-판독가능 저장 기판, 랜덤 또는 직렬 액세스 메모리 어레이 또는 디바이스, 또는 이들 중 하나 이상의 조합이거나, 이에 포함될 수 있다. 더욱이, 컴퓨터 저장 매체는 전파 신호가 아니지만, 컴퓨터 저장 매체는 인위적으로 생성된 전파 신호로 인코딩된 컴퓨터 프로그램 명령의 소스 또는 목적지가 될 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 또한 하나 이상의 개별 구성요소 또는 매체(예를 들어, 다중 CD, 디스크, 또는 기타 저장 디바이스)이거나, 이에 포함될 수 있다. 따라서, 컴퓨터 저장 매체는 유형적이고 비-일시적일 수 있다.
본 명세서에서 설명된 작동은 하나 이상의 컴퓨터-판독가능 저장 디바이스에 저장되거나 다른 소스로부터 수신된 데이터에 대해 데이터 처리 장치 또는 처리 회로에 의해 수행되는 작동으로 시행될 수 있다.
장치는 특수 목적 논리 회로, 예를 들어, FPGA(필드 프로그램가능 게이트 어레이; field programmable gate array) 또는 ASIC(특정 용도용 집적 회로; application-specific integrated circuit)를 포함할 수 있다. 장치는 또한, 하드웨어에 더하여, 문제의 컴퓨터 프로그램에 대한 실행 환경을 생성하는 코드, 예를 들어, 프로세서 펌웨어, 프로토콜 스택, 데이터베이스 관리 시스템, 운영 체제, 크로스-플랫폼 런타임 환경, 가상 머신, 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 구성하는 코드를 포함할 수 있다. 장치 및 실행 환경은 웹 서비스, 분산 컴퓨팅 및 그리드 컴퓨팅 인프라와 같은, 다양한 상이한 컴퓨팅 모델 인프라를 실현할 수 있다.
컴퓨터 프로그램(프로그램, 소프트웨어, 소프트웨어 애플리케이션, 스크립트, 또는 코드라고도 공지됨)은 컴파일 또는 인터프리터 언어, 선언형 또는 절차형 언어를 포함하는, 임의의 형태의 프로그래밍 언어로 작성될 수 있으며, 이는 독립형 프로그램(stand-alone program) 또는 모듈, 구성요소, 서브루틴, 객체, 또는 컴퓨팅 환경에서 사용하기에 적합한 기타 유닛을 포함하는, 임의의 형태로 배치될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 파일 시스템의 파일에 해당할 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 프로그램은 다른 프로그램 또는 데이터(예를 들어, 마크업 언어 문서에 저장된 하나 이상의 스크립트)를 보유하는 파일의 일부, 문제의 프로그램 전용 단일 파일 또는 여러 통합 파일(예를 들어, 하나 이상의 모듈, 서브-프로그램, 또는 코드의 일부를 저장하는 파일)에 저장될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 하나의 컴퓨터 또는 하나의 사이트에 위치하거나 다수의 사이트에 걸쳐 분산되어 통신 네트워크로 상호연결되는 다수의 컴퓨터에서 실행되도록 배포될 수 있다.
본 명세서에 설명된 프로세스 및 논리 흐름은 입력 데이터에 대해 작동하여 출력을 생성함으로써 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 컴퓨터 프로그램을 실행하는 하나 이상의 프로그램가능 프로세서 또는 처리 회로에 의해 수행될 수 있다. 프로세스 및 논리 흐름은 또한 특수 목적 논리 회로, 예를 들어, FPGA 또는 ASIC에 의해 수행될 수 있고, 장치 또한 이로서 시행될 수 있다.
컴퓨터 프로그램의 실행에 적합한 프로세서 또는 처리 회로는, 예로서, 범용 및 특수 목적 마이크로프로세서 둘 모두, 및 임의의 종류의 디지털 컴퓨터의 임의의 하나 이상의 프로세서를 포함한다. 일반적으로, 프로세서는 읽기 전용 메모리 또는 랜덤 액세스 메모리 또는 둘 모두로부터 명령 및 데이터를 수신할 것이다. 컴퓨터의 필수 요소는 명령에 따라 동작을 수행하는 프로세서 및 명령과 데이터를 저장하는 하나 이상의 메모리 디바이스이다. 일반적으로, 컴퓨터는 또한 데이터를 저장하기 위한 하나 이상의 대용량 저장 디바이스, 예를 들어, 자기, 광자기 디스크, 또는 광학 디스크를 포함할 수 있거나, 또는 이로부터 데이터를 수신하거나 이에 데이터를 전송하도록 작동가능하게 커플링될 수 있거나, 또는 둘 모두일 것이다. 그러나, 컴퓨터가 이러한 디바이스를 가질 필요는 없다. 더욱이, 컴퓨터는 또 다른 디바이스, 예를 들어, 휴대폰, 개인 정보 단말기(PDA; Personal Digital Assistant), 모바일 오디오 또는 비디오 플레이어, 게임 콘솔, 위성 항법 시스템(GPS; Global Positioning System) 수신기, 또는 휴대용 저장 디바이스(예를 들어, 범용 직렬 버스(USB; universal serial bus) 플래시 드라이브)에 내장될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령 및 데이터를 저장하기에 적합한 디바이스는, 예로서, 반도체 메모리 디바이스, 예를 들어, EPROM, EEPROM, 및 플래시 메모리 디바이스; 자기 디스크, 예를 들어, 내부 하드 디스크 또는 이동식 디스크; 광자기 디스크; 및 CD-ROM 및 DVD-ROM 디스크를 포함하여, 모든 형태의 비-휘발성 메모리, 매체 및 메모리 디바이스를 포함한다. 프로세서 및 메모리는 특수 목적 논리 회로에 의해 보완되거나, 이에 통합될 수 있다.
사용자와의 상호작용을 제공하기 위해, 본 명세서에서 설명된 주제의 구현예는 디스플레이 디바이스, 예를 들어, CRT(음극선관; cathode ray tube) 또는 LCD(액정 디스플레이; liquid crystal display), OLED(유기 발광 다이오드; organic light emitting diode), TFT(박막 트랜지스터; thin-film transistor), 플라즈마, 기타 유연한 구성을 갖는 컴퓨터, 또는 사용자에게 정보를 표시하기 위한 임의의 기타 모니터 및 사용자가 컴퓨터에 입력을 제공할 수 있는 키보드, 포인팅 디바이스, 예를 들어, 마우스 트랙볼 등, 또는 터치 스크린, 터치 패드 등에서 시행될 수 있다. 다른 종류의 디바이스를 사용하여 사용자와의 상호작용을 제공할 수도 있고; 예를 들어, 사용자에게 제공되는 피드백은 임의의 형태의 감각 피드백, 예를 들어, 시각 피드백, 청각 피드백, 또는 촉각 피드백일 수 있으며; 사용자로부터의 입력은 음향, 음성, 또는 촉각 입력을 포함하는, 임의의 형태로 수신될 수 있다. 또한, 컴퓨터는 사용자에 의해 사용되는 디바이스에 문서를 전공하고 이로부터 문서를 수신함으로써; 예를 들어, 웹 브라우저로부터 수신된 요청에 따라 사용자 클라이언트 디바이스의 웹 브라우저에 웹 페이지를 전송함으로써 사용자와 상호작용할 수 있다.

Claims (21)

  1. 부분 부하에서 고체 산화물 전기분해 셀 시스템을 작동하는 방법으로서, 상기 고체 산화물 전기분해 셀 시스템은 전기적으로 병렬로 연결된 복수의 분기를 포함하고, 각각의 분기는 적어도 하나의 고체 산화물 전기분해 셀 스택을 포함하며, 각각의 고체 산화물 전기분해 셀 스택은 복수의 고체 산화물 전기분해 셀을 포함하되, 상기 방법은:
    주어진 작동 온도에 대해, 그 미만에서는 상기 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 작동이 흡열이고 그 초과에서는 상기 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 작동이 발열인 열적 중립 목표 전압을 결정하는 단계; 및
    상기 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 작동 사이클 동안, 상기 고체 산화물 전기분해 셀 시스템이 상기 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 작동 사이클 동안 열적 중립 목표 전압에서 작동 전력의 선택된 백분율과 동일한 평균 작동 전력에서 작동하도록 상기 분기의 각각에 대해 온 위상(ON phase) 및 오프 위상(OFF phase)을 순환시킴으로써 펄스 폭 변조 전류 제어를 실행하는 단계
    를 포함하며, 여기서
    상기 온 위상에서, 주어진 분기의 모든 상기 고체 산화물 전기분해 셀 스택은 상기 열적 중립 목표 전압에서 작동하고, 상기 오프 위상에서, 상기 주어진 분기의 모든 상기 고체 산화물 전기분해 셀 스택은 개방 회로 전압으로 무부하되어 0%의 정격 전력에서 작동하고;
    상기 분기의 각각은 다른 분기와 독립적으로 상기 온 위상 또는 상기 오프 위상에서 작동하도록 구성되는 것인, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 작동 사이클의 적어도 하나의 기간에서, 모든 상기 분기는 상기 오프 위상에 있는 것인, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 작동 사이클의 적어도 하나의 기간에서, 모든 상기 분기는 상기 온 위상에 있는 것인, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 사이클의 적어도 하나의 기간에서, 적어도 하나의 분기는 상기 온 위상에 있는 반면 적어도 하나의 다른 분기는 상기 오프 위상에 있는 것인, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 온 위상과 상기 오프 위상 사이의 스위칭은 일정 기간 동안이 아닌, 상기 작동 사이클의 연속적인 기간 사이에 발생하는 것인, 방법.
  6. 제1항, 제4항, 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 사이클에서:
    제1 분기는 제1 기간 동안 상기 온 위상에 있는 반면, 제2 분기는 상기 제1 기간 동안 상기 오프 위상에 있고;
    상기 제2 분기는 제2 기간이 시작될 때 상기 온 위상으로 스위칭되어 상기 제2 기간 동안 상기 온 위상으로 유지되고;
    상기 제1 분기는 상기 제2 기간 동안 상기 온 위상으로 유지되거나, 또는 상기 제2 기간이 시작될 때 상기 오프 위상으로 스위칭되어 상기 제2 기간 동안 상기 오프 위상으로 유지되는 것인, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 분기는 복수의 고체 산화물 전기분해 셀 스택을 포함하는 것인, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 펄스 폭 변조 전류 제어를 실행하는 단계는:
    지배적인 열 조건이 열적 중립이 되어 온 위상과 오프 위상 또는 오프 위상과 온 위상 사이의 전환 기간이 상기 작동 사이클의 기간의 10% 미만을 차지하도록 펄스 폭 변조 주파수 및 듀티 사이클을 선택하는 것을 포함하는 것인, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 펄스 폭 변조 주파수 및 상기 듀티 사이클은 각각의 분기가 반응물 고갈로 인한 셀 부족이 발생하기 전에 상기 온 위상에서 상기 오프 위상으로 스위칭하도록 선택되는 것인, 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 펄스 폭 변조 주파수 및 상기 듀티 사이클은 상기 지배적인 열 조건이 열적 중립이 되도록 선택되거나 또는 약간 순 흡열 또는 약간 순 발열 조건을 목표로 하도록 프로그램된 컨트롤러에 의해 선택되어 상기 고체 산화물 전기분해 셀 스택의 온도가 일정해지거나 또는 시스템 수요를 반영하는 목표 작동 온도 사이에서 제어된 방식으로 램핑되는 것인, 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 분기의 작동 전류 밀도는 상기 온 위상 동안 상기 열적 중립 목표 전압에서 50 mW/cm2의 전류 밀도 이내인 것인, 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    총 전력 사이클은 정격 전력의 제1 사전결정된 백분율이고;
    상기 분기의 각각은 사전결정된 백분율의 시간 동안 상기 온 위상에서 작동하고;
    상기 정격 전력의 제1 사전결정된 백분율은 상기 분기의 각각이 상기 온 위상에서 작동하는 시간의 사전결정된 백분율과 동일한 것인, 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 최대 순시 전력 단계는 정격 전력의 제2 사전결정된 백분율이고, 상기 정격 전력의 제2 사전결정된 백분율은 100%를 상기 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 분기 수로 나누어 계산되는 것인, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 전기적 평활화의 크기는 상기 최대 순시 전력 단계에 기초하여 결정되는 것인, 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분기 중 적어도 하나는 제1 온 위상에서 100%의 정격 전력에서 작동하고, 상기 제1 온 위상에 바로 뒤따르는 다음 오프 위상에서 0%의 정격 전력에서 작동하는 것인, 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분기 중 적어도 하나는 무부하되어 상기 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 작동 사이클에서 규칙적인 간격으로 0%의 정격 전력에서 작동되는 것인, 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 분기 중 적어도 하나는 상기 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 작동 사이클에서 불규칙한 간격으로 무부하되는 것인, 방법.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 방법에 따라 작동되는 고체 산화물 전기분해 셀 시스템.
  19. 고체 산화물 전기분해 셀 시스템으로서:
    전기적으로 병렬로 연결된 복수의 분기로서, 각각의 분기는 적어도 하나의 고체 산화물 전기분해 셀 스택을 포함하고, 각각의 고체 산화물 전기분해 셀 스택은 복수의 고체 산화물 전기분해 셀을 포함하는, 복수의 분기; 및
    컨트롤러로서:
    그 미만에서는 상기 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 작동이 흡열이고 그 초과에서는 상기 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 작동이 발열인 열적 중립 목표 전압을 결정하고;
    상기 고체 산화물 전기분해 셀 시스템이 상기 고체 산화물 전기분해 셀 시스템의 작동 사이클 동안 상기 열적 중립 목표 전압에서 작동하도록 상기 분기의 각각에 대해 온 위상 및 오프 위상을 순환시킴으로써 펄스 폭 변조 전류 제어를 실행하도록 프로그램된 컨트롤러
    를 포함하며, 여기서:
    상기 온 위상에서, 분기는 열적 중립 목표 전압에서 작동하고,
    상기 오프 위상에서, 분기는 개방 회로 전압으로 무부하되어 0%의 정격 전력에서 작동하고,
    상기 분기의 각각은 다른 분기와 독립적으로 상기 온 위상 또는 상기 오프 위상에서 작동하도록 구성되는 것인, 고체 산화물 전기분해 셀 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 복수의 고체 산화물 전기분해 셀의 각각은 애노드, 캐소드, 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 고체 세라믹 전해질을 포함하는 것인, 고체 산화물 전기분해 셀 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 상기 고체 세라믹 전해질은 비다공성 금속 산화물을 포함하는 것인, 고체 산화물 전기분해 셀 시스템.
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