KR101983305B1 - 고압 증기의 생산을 위해 폐열 회수를 이용하는 연료 전지 시스템 - Google Patents

고압 증기의 생산을 위해 폐열 회수를 이용하는 연료 전지 시스템 Download PDF

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Abstract

연료 전지 시스템은 애노드 측 및 캐소드 측을 갖고 전력을 발생시키도록 구성된 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택; 및 기체 산화기/고레벨 열 회수 어셈블리로서, 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택으로부터 출력되는 배출물 및/또는 배출물로부터 파생되는 기체를 산화시키도록, 그리고 고레벨 열을 발생시키도록 구성된 산화기, 및 산화기에서 발생된 고레벨 열을 회수하도록 구성된 고레벨 열 회수 시스템을 포함하는, 기체 산화기/고레벨 열 회수 어셈블리를 포함한다.

Description

고압 증기의 생산을 위해 폐열 회수를 이용하는 연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM WITH WASTE HEAT RECOVERY FOR PRODUCTION OF HIGH PRESSURE STEAM}
관련 출원들의 전후 참조
본 출원은 2014년 11월 21일에 출원된, 미국 출원 제14/550,320호에 대한 우선권을 35 U.S.C. §120에 따라 주장하며, 이의 내용은 그 전체가 참조로서 본 출원에 원용된다.
본 발명은 연료 전제 시스템들 및 특히 고압 증기의 생산을 위해 폐열 회수를 이용하는 연료 전지 시스템들에 관한 것이다.
연료 전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학 에너지를 전기화학적 반응에 의해 직접 전기 에너지로 변환시키는 디바이스이다. 일반적으로, 연료 전지는 전기적으로 대전된 이온들을 전도하는 역할을 하는, 전해질에 의해 분리되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함한다. 고온형 연료 전지들, 이를테면 용융 탄산염 연료 전지들 및 고체 산화 연료 전지들은 반응물 연료 기체가 애노드를 지나는 것에 의해 작동하는 한편, 이산화탄소 및 산소를 함유하는 산화 기체는 캐소드를 지나게 된다. 유용한 전력 수준을 생산하기 위해, 다수의 각각의 연료 전지가 일렬로 적층된다.
고온형 연료 전지들은 통상적으로 연료 전지의 유형에 따라, 600℃(1100℉) 및 1000℃(1800℉)의 온도들에서 작동하고, 연료 전지들에 의한 출력되는 고온 배출물의 부분으로서 폐열을 발생시킨다. 덧붙여, 고온형 연료 전지들은 통상적으로 연료 전지 시스템에 공급되는 연료의 60% 내지 80%를 소모하고, 종래 시스템들에서, 나머지 연료는 연료 전지 배출물로 출력되고 산화기 또는 유사한 디바이스에서 산화되어 폐열로 변환된다. 종래 연료 전지 시스템들에서, 연료 전지 배출물로부터의 폐열은 가습기 및 열 교환기에 들어오는 연료를 예열한 후 시스템 배출 가스를 약 398.88℃(750℉)에서 약 121.11℃(250℉)로 냉각시킴으로써 회수된다. 연료 전지 배출로부터 물이 회수될 수 있고 회수된 물은 들어오는 연료를 적시기 위해 순환될 수 있다. 그러한 시스템의 예가 동일한 양수인에게 양도된 애노드 배출 물 회수 특허 제8,367,256호에 개시되었다.
종래 시스템들에서, 배출로부터 회수가능한 열의 최대 레벨은 약 371.11℃(700℉)로 제한되고, 모든 열을 증기로서 회수하기 위해, 생산되는 증기의 온도 상한은 약 121.11℃(250℉)이거나 약 15 psig의 압력에서의 증기이다. 약 15 psig보다 높은 압력에서의 증기의 생산은 회수되는 폐열의 양을 크게 감소시킬 것이다. 덧붙여, 600 psig를 초과하는 고압 증기를 사용하는 산업들의 경우, 종래 시스템에서는 연료 전지 캐소드 배기에서의 70%를 초과하는 폐열을 사용할 수 없었다. 게다가, 연료 전지 배출로부터의 폐열은 통상적으로 10℃(50℉) 내지 65.55℃(150℉) 온도에 가까워지면 열 교환기를 사용하여 회수된다. 근접 온도가 열 회수에서 고려될 때, 이용가능한 열의 양은 20%에 5%를 추가한 만큼 감소된다.
본 발명의 목적은 연료 전지 폐열로부터 다른 목적들로 고압 증기의 생산 및/또는 높은 레벨(>426.66℃(800℉))의 폐열의 회수를 가능하게 하는 개선된 폐열 회수를 갖는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 시스템 물을 독자적으로 만들어 그리고 그것들의 동작을 위해 전력을 필요로 하는 종래 물 공급부 구성요소들을 제거 또는 대체함으로써 연료 전지 시스템의 전체 효율을 개선하는 것이다.
이러한 그리고 다른 목적들은 전력 및 고압 고온 증기를 발생시키기 위한 그리고/또는 다른 목적들로 고레벨(>426.66℃(800℉)) 폐열의 회수를 위한 연료 전지 시스템으로서, 전력을 발생시키기 위해 애노드 측 및 캐소드 측을 갖는 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택; 및 기체 산화기/고레벨 열 회수 어셈블리로서, 상기 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택으로부터 출력되는 배출물 및 상기 배출물로부터 파생되는 기체 중 어느 하나를 산화시키도록, 그리고 고레벨 열을 발생시키도록 적응된 산화기, 및 상기 산화기 어셈블리에서 발생된 상기 고레벨 열을 회수하도록 적응된 고레벨 열 회수 시스템을 포함하는, 상기 기체 산화기/고레벨 열 회수 어셈블리를 포함하는, 연료 전지 시스템으로 실현된다. 몇몇 실시예에서, 상기 고레벨 열 회수 어셈블리는 급수를 수신하도록 그리고 상기 산화기에 의해 발생된 폐열을 이용하여 고압 고온 증기를 발생시키도록 구성된 보일러(또는 다른 고레벨 열 회수 시스템)를 포함한다. 다른 실시예들에서, 상기 고레벨 열 회수 시스템은 고레벨 열을 다음: 연료 개질 어셈블리, 정제 코커 유닛, 중유 분류 유닛, 및 팽창기 중 하나 이상에 제공한다. 특정 실시예들에서, 상기 배출물은 애노드 배출물이고, 상기 산화기는 상기 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택으로부터 출력되는 애노드 배출물 및 상기 애노드 배출물로부터 파생되는 상기 기체 중 하나 이상을 산화시킨다.
몇몇 실시예에서, 상기 시스템은 또한 상기 배출물 또는 상기 배출물로부터 파생되는 상기 기체가 상기 산화기에 제공되기 전 적어도 하나의 연료 전지 스택으로부터 출력되는 상기 배출물을 냉각시키도록, 그리고 가열된 상기 산화 기체가 상기 산화기로 제공되기 전 상기 애노드 배출물의 열을 이용하여 입력 산화 기체를 예열시키도록 적응된 애노드 배출물 열기; 및 상기 배출물로부터 물을 회수하도록 그리고 상기 물의 대부분이 상기 배출물 기체에서 제거된, 물이-분리된 배출물을 출력하도록 적응된 물 전달 어셈블리 중 하나 이상을 더 포함하되, 상기 배출물로부터 파생되는 상기 기체는 상기 물이-분리된 배출물을 포함한다. 상기 배출물 환열기는 상기 물이-분리된 배출물을 예열시키도록 그리고 가열된 상기 물이-분리된 배출물을 상기 산화기레 출력하도록 더 적응될 수 있다.
특정 실시예들에서, 상기 연료 전지 시스템은 가열된 산화 기체가 상기 산화기로 제공되기 전 상기 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택으로부터 출력되는 산화 배출물(캐소드 배출물)로부터의 폐열을 이용하여 상기 산화 기체를 가열시키도록 적응된 가열기 또는 열 환열기를 더 포함한다.
특정 실시예들에서, 상기 연료 전지 시스템은 또한 처리된 연료를 상기 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택으로 공급하기 전 입력 연료를 처리하기 위한 연료 처리 어셈블리를 더 포함할 수 있고, 상기 연료 처리 어셈블리는 물 및 상기 보일러에서 발생된 상기 고압 고온 증기의 제1 부분 중 하나 이상을 이용하여 상기 입력 연료를 적시도록 그리고 상기 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택에 의해 출력되는 산화 배출물로부터의 폐열을 이용하여 적셔진 연료를 예열시키도록 적응된 가습기/열 교환기 어셈블리를 포함한다. 상기 시스템은 또한 물을 상기 애노드 배출물로부터 회수하여 회수된 물을 상기 입력 연료를 적시기 위한 상기 가습기/열 교환기 어셈블리로 출력시키기 위한 그리고 상기 산화기에서의 사용을 위해 물이-분리된 애노드 배출물을 출력시키기 위한 물 전달 어셈블리를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 연료 전지 시스템은 상기 고압 고온 증기의 상기 제1 부분을 팽창시키기 위한 그리고 상기 팽창 처리로부터 전력을 발생시키면서 보다 저압력 증기를 상기 가습기/열 교환기 어셈블리로 출력시키기 위한 팽창기 어셈블리를 포함한다. 그러한 실시예들에서, 상기 팽창기 어셈블리에 의해 발생된 전력은 상기 시스템으로부터 출력되거나 상기 시스템 내에서 사용될 수 있다. 게다가, 상기 시스템은 산화 기체를 상기 시스템으로 공급시키기 위한 공기 송풍기를 포함할 수 있으며, 상기 공기 송풍기는 상기 팽창기 어셈블리에 의해 발생된 상기 전력이 상기 공기 송풍기에 의해 직접 이용가능하도록 상기 팽창기 어셈블리와 직접 결합된다. 몇몇 실시예에서, 상기 기체 산화기/보일러 어셈블리는 상기 기체 산화기/보일러 어셈블리가 고온 산화 기체를 상기 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택의 상기 캐소드 측으로 출력시키도록, 상기 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택과 결합된다.
연료 전지 시스템을 사용하여 전력 및 고압 고온 증기를 발생시키는 방법이 설명된다. 상기 방법은 전력을 발생시키기 위해 애노드 측 및 캐소드 측을 갖는 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택을 작동시키는 단계; 및 산화기에서 상기 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택으로부터 출력되는 애노드 배출물 및/또는 상기 애노드 배출물로부터 파생되는 기체 중 하나 이상을 산화시키는 한편, 상기 산화 처리의 결과로서 폐열을 발생시키는 단계; 및 상기 산화시키는 단계에서 발생된 상기 폐열을 직접 이용함으로써 급수로부터 고압 고온 증기를 발생시키는 단계를 포함한다. 상기 연료 전지 시스템에 대해 위에서 설명된 다른 특징들이 상기 방법에 포함될 수 있다. 고레벨 열 입력을 필요로 하는 다른 시스템들이 증기 발생 대신 사용될 수 있다.
본 발명의 상기한 그리고 다른 특징들 및 측면들은 첨부한 도면들과 함께 다음 상세한 설명을 읽을 때 보다 분명해질 것이며, 여기서:
도 1은 수분 회수를 포함하는, 본 발명에 따라 연료 전지 폐열을 이용하는 고압 증기 발생 시스템의 블록도를 도시한다;
도 2는 수분이 회수되지 않는, 도 1의 고압 증기 발생 시스템의 실시예의 블록도를 도시한다; 그리고
도 3은 전력이 유출 증기 터빈으로부터 발생되는, 도 1의 고압 증기 발생 시스템의 제3 실시예의 블록도를 도시한다.
도 1 내지 도 3은 고압 고온 증기의 생산을 위해 연료 전지 폐열을 이용하는 고압 증기 발생 시스템(100)의 상이한 실시예들을 도시한다. 고압 증기 발생 시스템(100)은 각각이 연료 공급 경로(103)로부터 연료를 수신하도록 그리고 애노드 배출물을 출력하도록 적응된, 애노드 측(104)을 포함하는 하나 이상의 연료 전지 스택(102), 및 산화 기체를 수신하도록 그리고 캐소드 배출물을 출력하도록 적응된 캐소드 측(106), 및 연료 전지 배출물, 또는 연료 전지 배출물로부터 파생되는 기체, 공기 또는 산화 기체, 및 물을 수신하도록, 그리고 시스템(100) 외부에서 사용하기 위한 고압 과열 증기 및 연료 전지 캐소드(106)에서 사용하기에 적합한 산화 기체를 생산하도록 적응된 애노드 기체 산화기(AGO; anode gas oxidizer)/보일러 어셈블리(108)를 포함한다. 도 1 내지 도 3에 도시된 시스템들에서, AGO/보일러 어셈블리에서 사용되는 연료 전지 배출물, 또는 그것으로부터 파생되는 기체는 애노드 배출물 기체이다. 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, AGO/보일러 어셈블리(108)는 AGO(109), 또는 산화기, 및 AGO 연소 보일러(110)를 포함한다. AGO(109)는 애노드 배출물, 애노드 배출물로부터 파생되는 기체, 및 공기 또는 산화 기체를 수신하고, 연료 전지 캐소드 측(106)에서 사용하기에 적합한 고온 산화 기체를 생산하기 위해 수신된 기체들을 산화시킨다. 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, AGO(109)에 공급되기 전, 공기 또는 산화 기체는 공기 송풍기(112) 또는 유사한 디바이스를 사용하여 열 교환기(114)에 전달되고, 연료 전지 스택(102)의 캐소드 측(106)으로부터 출력되는 가열된 기체 또는 유체, 이를테면 캐소드 배출물를 이용하여 열 교환기(114)에서 예열된다. 보일러(110)는 보일러 급수를 수신하고, 약 537.78℃(1000℉) 내지 1093.33℃(2000℉)의 AGO(109)로부터 출력되는 고온 산화 기체로부터 열을 회수하며, 또한 과열될 수 있는 고압 증기를 생산하기 위해 고온 산화 기체로부터 회수된 열을 이용한다. 보일러(110)에서의 고온 산화 기체로부터 열이 회수된 후, 고온 산화 기체는 연료 전지 스택(102)의 캐소드 측(106)으로 전달된다. 스택(102)의 캐소드 측(106)에 수신되는 산화 기체의 온도는 용융 탄산염 연료 전지(MCFC; molten carbonate fuel cell) 시스템의 경우 약 537.78℃(1000℉)이다.
도 1은 연료 전지 스택(102)의 애노드 측(104)으로부터 출력되는 애노드 배출물로부터의 물 회수를 이용하는 고압 증기 발생 시스템(100)의 제1 실시예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 물 공급부(116)로부터의 물과 혼합되고 연료 전지 스택(102)으로부터의 폐열을 이용하여 가습기/열 교환기(118)에서 예열되는, 연료, 이를테면 천연 가스 또는 다른 적합한 연료를 공급 받는다. 도시된 예시적인 실시예에서, 스택(102)의 캐소드 측(106)으로부터 출력되는 캐소드 배출물은 캐소드 배출물의 폐열이 연료 및 물 혼합물을 예열하기 위해 사용되는 가습기/열 교환기(118)에 전달된다. 그 다음 가습기/열 교환기(118)으로부터 출력되는 예열된 적셔진 연료는 개질 촉매의 존재 하에 연료가 개질되거나 부분적으로 개질되는 예비-개질기(120)로 출력된다. 그 다음 예비-개질기(120)로부터 출력되는 예비-개질된 연료는 연료 전지 스택(102)의 애노드 측(104)으로 공급된다.
도 1에서, 연료 전지에서의 전기화학 반응을 겪은 후, 연료 전지 스택(102)의 애노드 측(104)으로부터 애노드 배출물이 출력된다. 이산화탄소 및 물과 함께 소모되지 않은 연료, 이를테면 수소, 일산화탄소 및 메탄을 포함하는 애노드 배출물은 입력 공기 또는 산화 기체 및/또는 물의 대부분이 제거된 물이-분리된 애노드 배출물 기체를 예열하면서 애노드 배출물을 냉각시키는 애노드 기체 환열기(122)로 출력된다. 그 다음 냉각된 애노드 배출물은 애노드 배출물을 더 냉각시키고 응결에 의해 애노드 배출물에서 물을 분리시키기 위한 조절기/냉각기(116)를 포함하는 물 전달 어셈블리에 전달된다. 물 전달 어셈블리의 구성은 시스템의 동작 조건들, 주변 온도 등에 따라 달라질 수 있다는 것이 이해된다. 예를 들어, 본 출원의 출원인에 양도되고 본 출원에 참조로 원용되는 미국 특허 제8,367,256호는 애노드 배출물에서 물을 분리하기 위해 사용될 수 있는 적합한 물 전달 어셈블리를 설명한다. 물 전달 어셈블리(116)는 애노드 배출물에서 분리되는 물을 출력하며, 이의 전부 또는 일부는 도 1에 도시된 바와 같이, 연료를 적시기 위해 제공될 수 있고/거나, 나중 사용을 위해 저장될 수 있다. 물 전달 어셈블리(116)는 또한 물이-분리된 애노드 배출물을 출력하며, 이는 소모되지 않은 연료(H2, CH4), 이산화탄소 및 일산화탄소 ? 극미량의 회수되지 않은 물을 포함하고, 이는 가열을 위해 애노드 기체 환열기(122)에 그리고 그 후 AGO/보일러 어셈블리(108)에 전달된다. 위에서 설명된 바와 같이, 어셈블리(108)의 AGO(109)는 물이-분리된 애노드 배출물 및 기체 또는 산화 가체를 수신하고, 공기 또는 산화 기체와 애노드 배출물에서의 소모되지 않은 연료를 산화 또는 연소시키기 시작한다. 산화 처리 동안 산화기(109)에서 생산된 열은 고압/과열 증기를 출력하기 위해 AGO 연소 보일러(110)에서 물을 가열하기 위해 사용된다. AGO/보일러 어셈블리(108)는 또한 고온 산화 기체를 연료 전지 스택(102)의 캐소드 측(106)으로 출력한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 공기 또는 다른 적합한 산화 기체는 공기 송풍기(112 또는 유사한 디바이스를 사용하여 시스템(10)에 공급된다. 공기는 저레벨 열을 포함하여, 연료 전지 스택으로부터의 폐열을 이용하여 예열된다. 도 1의 실시예에서, 공기는 먼저 애노드 배출물 기체의 폐열을 이용하여 애노드 기체 환열기(122)에서 예열되고 그 후 캐소드 배출물의 폐열을 이용하여 열 교환기(114)에서 가열된다. 그 다음 예열된 공기는 물이-분리된 애노드 배출물에서의 소모되지 않은 연료와의 연소/산화 반응을 위해 AGO(109)로 제공된다. AGO(109)는 537.78℃(1000℉) 내지 1093.33℃(2000℉)의 온도를 갖는 초고온 산화 기체를 생산하며, 이는 입력 보일러 급수로부터 고압/과열 증기를 발생시키기 위한 보일러(110)에 열을 제공한다. 위에서 논의된 바와 같이, AGO/보일러 어셈블리(108)로부터 출력되는 고온 산화 기체는 연료 전지 스택(102)의 캐소드 측(106)으로 전달된다. 도 1에 도시된 바와 같이 그리고 위에서 논의된 바와 같이, 스택(102)의 캐소드 측은 캐소드 배출물을 출력하며, 이는 예열된 적셔진 연료를 생산하기 위해 연료 및 물 혼합물을 예열시키기 위한 가습기/열 교환기(118)에서, 그리고 공기를 AGO/보일러 어셈블리(108)로 전달하기 전 압축된 공기를 예열시키기 위한 열 교환기(114)에서 사용된다.
도 2는 간략화된 배열을 갖고 수분 회수를 포함하지 않는, 고압 증기 발생 시스템(100)의 다른 실시예를 도시한다. 도 2의 시스템(100)에 사용되는 구성요소들은 위에서 설명된 바와 실질적으로 동일하고 도 1에서와 동일한 참조 부호들을 사용하여 라벨링된다. 도 2의 시스템(100)에서, 입력 연료 및 물은 가습기/열 교환기(118)에 전달되며, 이는 가열된 적셔진 연료를 발생시키기 위해 캐소드 배출물로부터의 폐열을 이용한다. 가습기/열 교환기(118)로부터 출력되는 가열된 적셔진 연료는 연료를 개질 또는 부분적으로 개질하고 개질되거나 부분적으로 개질된 연료를 연료 전지 애노드 측(104)으로 출력하기 위한 예비-개질기(120)에 출력된다. 도 2에서, 연료 전지 스택(102)의 애노드 측(104)으로부터 출력되는 애노드 배출물은 AGO/보일러 어셈블리(108)에 전달되며, 이는 AGO(109)에서 고온 산화 기체를 생산하고 고온 증기를 발생시키고 증기를 과열시키기 위한 보일러(110)에서의 고온 산화 기체로부터 고레벨 열을 회수한다. AGO/보일러 어셈블리(108)로부터 출력되는 고온 산화 기체는 스택의 캐소드 측(106)에 제공된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 스택의 캐소드 측으로부터 출력되는 캐소드 배출물은 캐소드 배출물로부터 열을 회수하는 가습기/열 교환기(118)에 그리고 그 다음 들어오는 공기 또는 산화 기체를 예열시키기 위한 열 교환기(114)에 제공된다. 또한 도 2에 도시된 바와 같이 그리고 위에서 설명된 바와 같이, 시스템으로 입력되는 공기 또는 산화 기체는 공기 송풍기(112) 또는 그 밖에 유사한 것를 사용하여, 그것이 예열되는 열 교환기(114)로 공급되고, 그 후 예열된 공기는 AGO/보일러 어셈블리(108)에 제공된다.
도 3은 시스템(100)으로부터 고압/과열 증기를 내보내는 것에 더하여 시스템(100)에서의 AGO/보일러 어셈블리(108)에 의해 발생된 고압 고온 증기의 일부를 이용하는 것에 의한 추가 효율성을 포함하는 고압 증기 발생 시스템(100)을 도시한다. 도 3의 시스템은 도 1에 대하여 위에서 설명된 모든 구성요소를 포함하며, 이들은 도 1에서와 실질적으로 동일한 배열로 배열된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 스택(102)의 애노드 측(104)으로부터 출력되는 애노드 배출물은 애노드 기체 환열기(122)에서 냉각되고 그 후 물이 응결에 의해 애노드 배출물에서 분리되는 조절기/냉각기(116)에서 더 냉각된다. 이러한 실시예에서 조절기/냉각기(116)는 물이-분리된 애노드 배출물을 출력한다. 도 3에 도시되지 않지만, 조절기/냉각기(116)에서 물이 분리된 일부 또는 전부는 보일러 급수로서 사용하기위해, 입력 연료를 부분적으로 적시기 위해 출력될 수 있거나, 또는 시스템에서의 또는 시스템(100) 외부에서의 나중 사용을 위해 수집될 수 있다. 입력 연료를 적시는 것은 증기 터빈으로부터의 저압 배출물 증기를 연료 기체로의 공급물과 혼합함으로써 실현된다.
도 3의 시스템(100)은 또한 증기 터빈 또는 그 밖에 유사한 것을 포함하는 처리 증기 팽창기(124)를 또한 포함하며, 이는 AGO/보일러 어셈블리(108)에서 발생된 고압/과열 증기의 제1 미리 결정된 부분을 수신하고 보다 저압 증기를 생산하기 위해 증기의 제1 미리 결정된 부분을 팽창시킨다. 특정 실시예들에서, 고압/과열 증기의 제1 미리 결정된 부분은 연료를 적시기 위해 AGO/보일러 어셈블리(108)에 의해 생산된다. 도시된 바와 같이, 고압/과열 증기의 제2 미리 결정된 부분은 시스템(100)으로부터 내보내기 위해 AGO/보일러 어셈블리(108)로부터 출력된다. 임의로, 모든 증기가 응축기에 의해 증기 터빈에서 전력을 생산하기 위해 사용될 수 있다. 이 경우, 연료 가습 처리를 위해 요구되는 증기의 일부는 연료 증기로의 주입을 위해 요구되는 압력을 받아 증기 팽창기로부터 추출된다.
도 3에서, 팽창기(124)로부터 출력되는 보다 저압 증기는 입력 연료와 혼합되고, 연료 및 증기의 혼합물은 연료를 과열시키기 위해 가습기/열 교환기(118)에 공급된다. 팽창기(124)에서의 팽창 처리는 시스템(100)으로부터 출력되고/거나 시스템(100)의 구성요소(들)에 의해 사용되는 추가 전력을 발생시킨다. 몇몇 예시적인 실시예에서, 팽창기(124)에 의해 발생된 전력의 일부 또는 전부는 공기 송풍기(112)의 작동을 위해 제공된다. 특정 실시예들에서, 처리 가스 팽창기(124)로부터의 전력은 팽창기 및 공기 송풍기(112)의 직접 결합을 통해 공기 송풍기(112)에 의해 직접 이용된다. 이러한 방식으로, 공기 송풍기를 작동시키기 위한 별개의 발전기가 제거될 수 있다. 게다가, 본 시스템에는 어떠한 응축기 시스템도 요구되지 않기 때문에, 팽창기(124)에서의 팽창 처리는 시스템에 의해 발생되는 순 전력을 매우 저 $/kW 비용으로 약 3%만큼 증가시킨다. 덧붙여, 연료를 적시기 위해 팽창기(124)로부터 출력되는 보다 저압 증기를 이용하면 가습기/열 교환기(118)에서의 물 기화에 의해 제거되는 열의 제거를 야기하고, 그에 따라 보다 고레벨로 공기의 예열을 가능하게 함으로써 AGO/보일러 어셈블리(108)에 의해 발생되는 고압 증기량을 증가시킨다.
도 1 내지 도 3에 도시된 시스템들(100)에서, 시스템에 의해 생산된 폐열은 537.78℃(1000℉) 내지 1093.33℃(2000℉)의 온도를 갖는 초고레벨로 얻어지고, 그에 따라 고압 증기를 발생시키기 위해 그리고 증기를 과열시키기 위해 사용될 수 있다. 저레벨 폐열은 공기 예열에 의해 얻어져, 저레벨 열을 산화기에서 고레벨 열로 전환한다. 본 발명의 시스템에서, 고레벨 열은 연료 전지 캐소드 입구에서 그리고 구체적으로는, 초고온 산화 기체를 생산하는 AGO에서 산화 반응에 따라 얻어진다. 덧붙여, 캐소드 배출물의 폐열은 AGO에 공급되는 공기를 예열하기 위해 사용된다. 이러한 방식으로, 캐소드 배출물의 저레벨 폐열이 그것이 AGO(109)로 공급되기 전 공기를 예열시킴으로써 얻어져, 보일러(110)에서 이용가능한 고레벨 열의 양을 증가시킨다. 연료 전지 캐소드 입구에서의 고레벨 열의 획득 및 AGO에 의해 생산되는 고레벨 열의 양의 증가는 고압 증기의 실제적인 그리고 효율적인 생산 및 증기의 과열을 가능하게 한다.
도 1 내지 도 3에 도시된 시스템(100)의 실시예들의 전기적 효율성을 계산하고, 연료 전지 스택으로부터 출력되는 캐소드 배출물로부터의 폐열을 회수하고 고온 산화 기체를 스택의 캐소드 측에 제공하기 위해 공기와 애노드 배출물을 산화시키는 종래의 연료 전지 시스템의 전기적 효율성과 비교하였다. 전기적 효율성은 다음 식을 사용하여 계산하였다:
Figure 112017059195944-pct00001
(1)
아래 표 1은 도 1 내지 도 3의 시스템의 세 개의 실시예의 전기적 효율성을 종래의 연료 전지 시스템의 전기적 효율성과 비교하여 요약한다:
시스템 보일러에서의 연료 감소를 가능하게 하는 전기적 효율성 열 병합 발전(CHP) 효율성(저레벨 열을 포함)
캐소드 측으로부터의 폐열 회수를 이용한 종래 시스템 47.0% 76.6%
기본 HP 증기 시스템(도 1) 63.3% 76.5%
간략화된 HP 증기 시스템(도 2) 63.3% 76.5%
강화된 HP 증기 시스템(도 3) 63.9% 81.4%
상기한 효율성은 그것이 AGO 연소 보일러(110)에 제공되기 전 보일러 급수를 예열시키기 위해 보다 저레벨 열, 이를테면 캐소드 배출물을 사용하는 것 또는 턴 다운되는 보일러들에 있어서의 보다 높은 효율성의 추가 이점들은 포함하지 않는다 표의 결과들은 증기 발생이 85% 열 회수 효율을 갖는 통상적인 증기 보일러에서의 연료 사용에 상응하는 감소를 가능하게 함을 상정한다.
표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 도 1 내지 도 3에 도시된 연료 전지 시스템의 전기적 효율성은 종래 시스템들의 47% 전기적 효율성과 비교할 때, 62% 초과까지 증가된다. 이러한 개선된 효율성은 기존의 증기 발생 보일러들을 턴 다운 또는 턴 오프하는 것 및 낮은 순 연료 사용에 의해 인식된다. 게다가, 80%를 초과하는 전체 효율성이 특히 저레벨 열이 또한 보일러 가열 요구 사항을 위해 사용되는 경우, 열 병합 발전(CHP; combined heat and power) 작동 시 가능하다. 도 1 내지 도 3에 대하여 위에서 논의된 바와 같이, 열 교환기(114)는 그것이 산화기에 제공되기 전 공기를 더 예열하기 위해 캐소드 배출물로부터의 저레벨 열을 이용한다. 그에 따라, 보일러 급수 예열에 의한 회수를 위해 이용가능한 저레벨 열의 양이 통상적인 보일러에서보다 훨씬 더 낮고, 보일러 급수 가열을 위한 산업 현장에서 다른 소스들로부터의 열의 회수가 실현가능하다. 그렇게 함으로써 이러한 회수는 전체 시스템의 효율성을 더 증가시킬 것이다.
게다가, 본 발명의 연료 전지 시스템들은 감소된 배출물, 특히 연소 배출물을 제공하고, 전력의 분산된 발생 및 고압, 고온 증기를 제공한다. 구체적으로, 연료 전지 시스템 방출물들 및 소음이 거의 제로에 가깝고, 도 1 내지 도 3에 도시된 시스템들은 증기 발생을 위해 사용되는 종래 가열 소스들, 이를테면 연소열 기타 같은 종류의 것에 대한 필요를 감소 또는 제거한다. 예를 들어, 도 1 내지 도 3의 시스템들이 바이오가스 연료에 의해 실행될 때, 순 온실 CO2 방출물들이 제로이고, 이러한 시스템들이 천연 가스 연료로 실행될 때, 온실 가스 방출물들이 시스템의 고효율성으로 인해 종래 전력 및 증기 발생 시스템들과 비교하여 실질적으로 감소된다. 결과적으로, 도 1 내지 도 3의 시스템들은 심지어 인구 밀도가 낮거나 비-달성 지역들에서도, 거의 제로이거나 상당히 감소된 시스템 방출물들 및 잡음을 갖는 거의 요구되는 증기 발생을 제공한다.
도 1 내지 도 3의 시스템들은 또한 전파 손실을 최소화하고 배전관 과잉을 완화할 수 있다. 구체적으로, 도 1 내지 도 3의 시스템들은 전력을 발생시킬 뿐만 아니라 고압 고온 증기를 발생시키기 위해 요구되는 전력을 감소시킨다. 덧붙여, 고체 상태 전력 조절 유닛들은 배전관 변경을 보상함으로써 국부 전력 품질을 개선할 수 있다.
도 1 내지 도 3의 시스템들은 10년 넘게 시판되어온 DFC® 연료 전지들을 포함하여, 매우 신뢰할 만하다. 덧붙여, 도 1 내지 도 3의 시스템들은 재생가능한 연료들을 포함하여 다양한 연료를 사용하여 작동가능하고, 순 제로 수분 균형을 가져 물에 독립적이다. 특히, 시판 DFC® 연료 전지 스택들은 재생가능한 바이오매스(폐열)로부터 발생되는 재생가능한 혐기성 소화조 기체(ADG; anaerobic digester gas)를 사용하여 작동할 수 있고, ADG 연료의 사용으로 인해 성능 손실이 없다. 도 1 내지 도 3의 시스템들, 및 특히 도 1 및 도 3에 도시된 시스템들은 시스템이 어떠한 보급수도 필요로 하지 않고 연료의 산화로부터 생산되는 물의 일부를 가능성 있게 내보낼 수 있도록 연료 전지 배출물로부터 물을 회수하기 위한 물 전달 어셈블리들을 포함할 수 있다. 위에서 언급되지 않은 다른 이점들 및 장점들이 본 발명의 시스템들에 의해 실현될 수 있다.
도 1 내지 도 3에 대하여 위에서 설명된 구체적인 실시예들은 AGO/고레벨 열 회수 어셈블리로서 AGO/보일러 어셈블리를 사용하고, 어셈블리는 AGO 연소 보일러를 포함한다. 그러나, 또한 다른 고레벨 열 회수 시스템이 AGO/고레벨 열 회수 어셈블리에서 AGO 연소 보일러를 대신해서 사용될 수 있다는 것도 고려된다. 그러한 경우들에서, AGO는 애노드 배출물 또는 애노드 배출물로부터 파생되는 기체를 산화시키기 위해 그리고 고레벨 열을 발생시키기 위해 위에서 설명된 바와 같이 작동한다. 그 다음 고레벨 열 회수 시스템은 AGO에서 발생된 고레벨 열을 회수하고 가열을 필요로 하는 하나 이상의 처리를 위해 회수된 고레벨 열을 이용한다. 그러한 처리들은 연료 개질 처리들, 이를테면 천연 가스 개질, 정제 코커 유닛 또는 중유 분류 유닛에 대한 공급물을 가열하는 것, 및 기체, 이를테면 팽창기에 공급되는 공기를 가열하는 것을 포함하지만, 이것에 한정되지는 않는다.
요약하면, 본 발명은 전력 및 고압 고온 증기를 효율적으로 발생시키기 위한 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템을 사용하여 전력 및 고압 고온 증기를 발생시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 연료 전지 시스템은 다음 특징들 중 하나 이상을 포함한다:
1. 전력 및 고압 고온 증기를 발생시키기 위한 연료 전지 시스템으로서, 전력을 발생시키기 위해 애노드 측 및 캐소드 측을 갖는 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택; 및 기체 산화기/고레벨 열 회수 어셈블리로서, 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택으로부터 출력되는 배출물 또는 배출물로부터 파생되는 기체 중 어느 하나를 산화시키도록, 그리고 고레벨 열을 발생시키도록 적응된 산화기, 및 산화기에서 발생된 고레벨 열을 회수하도록 적응된 고레벨 열 회수 시스템을 포함하는, 기체 산화기/고레벨 열 회수 어셈블리를 포함하는, 연료 전지 시스템.
2. 사항 1에 있어서, 고레벨 열 회수 시스템은 급수를 수신하도록 그리고 산화기에 의해 발생된 고레벨 열을 이용하여 고압 고온 증기를 발생시키도록 적응된 보일러를 포함하는, 연료 전지 시스템.
3. 사항 1 또는 2에 있어서, 배출물은 애노드 배출물이고, 산화기는 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택으로부터 출력되는 애노드 배출물 및 애노드 배출물로부터 파생되는 기체 중 하나 이상을 산화시키는, 연료 전지 시스템
4. 사항 1 내지 3 중 어느 한 사항에 있어서, 배출물 또는 배출물로부터 파생되는 기체가 산화기에 제공되기 전 적어도 하나의 연료 전지 스택으로부터 출력되는 배출물을 냉각시키도록, 그리고 가열된 산화 기체가 산화기에 제공되기 전 배출물의 열을 이용하여 입력 산화 기체를 예열시키도록 적응된 배출물 환열기; 및 배출물로부터 물을 회수하도록 그리고 물이 분리된 배출물을 출력하도록 적응된 물 전달 어셈블리 중 하나 이상을 더 포함하되, 배출물로부터 파생되는 기체는 물이-분리된 배출물을 포함하는, 연료 전지 시스템.
5. 사항 1 내지 4 중 어느 한 사항에 있어서, 시스템은 배출물 환열기 및 물 전달 어셈블리를 포함하고, 배출물 환열기는 물이-분리된 배출물을 예열시키도록 그리고 가열된 물이-분리된 배출물을 산화기로 출력하도록 더 적응된, 연료 전지 시스템.
6. 사항 1 내지 5 중 어느 한 사항에 있어서, 가열된 산화 기체가 산화기로 제공되기 전 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택으로부터 출력되는 산화 배출물로부터의 폐열을 이용하여 예열된 산화 기체를 더 가열시키도록 더 적응된 가열기를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
7. 사항 1 내지 6 중 어느 한 사항에 있어서, 처리된 연료를 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택으로 공급하기 전 입력 연료를 처리하기 위한 연료 처리 어셈블리를 더 포함하되, 연료 처리 어셈블리는 물 및 보일러에서 발생된 고압 고온 증기의 제1 부분 중 하나 이상을 이용하여 입력 연료를 적시도록 그리고 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택에 의해 출력되는 산화 배출물로부터의 폐열을 이용하여 적셔진 연료를 예열시키도록 적응된 가습기/열 교환기 어셈블리를 포함하는, 연료 전지 시스템.
8. 사항 1 내지 7 중 어느 한 사항에 있어서, 시스템은 물을 애노드 배출물로부터 회수하고 회수된 물을 입력 연료를 적시기 위한 가습기/열 교환기 어셈블리로 출력시키도록, 그리고 산화기에서의 사용을 위해 물이-분리된 애노드 배출물을 출력시키도록 구성된 물 전달 어셈블리를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
9. 사항 1 내지 8 중 어느 한 사항에 있어서, 고압 고온 증기의 제1 부분을 팽창시키도록 그리고 팽창 처리로부터 전력을 발생시키면서 보다 저압력 증기를 가습기/열 교환기 어셈블리로 출력시키도록 적응된 팽창기 어셈블리를 더 포함하되, 팽창기 어셈블리에 의해 발생된 전력은 시스템으로부터 출력되거나 시스템 내에서 사용되는, 연료 전지 시스템.
10. 사항 1 내지 9 중 어느 한 사항에 있어서, 산화 기체를 시스템으로 공급시키기 위한 공기 송풍기를 더 포함하되, 공기 송풍기는 팽창기 어셈블리에 의해 발생된 전력이 공기 송풍기에 의해 직접 이용되도록 팽창기 어셈블리와 직접 결합되는, 연료 전지 시스템.
11. 사항 1 내지 10 중 어느 한 사항에 있어서, 기체 산화기/보일러 어셈블리는 기체 산화기/보일러 어셈블리가 고온 산화 기체를 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택의 캐소드 측으로 출력시키도록, 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택과 결합되는, 연료 전지 시스템.
12. 사항 1 내지 11 중 어느 한 사항에 있어서, 고레벨 열 회수 시스템은 고레벨 열을 다음: 연료 개질 어셈블리, 정제 코커 유닛, 중유 분류 및 팽창기 중 하나 이상에 제공하는, 연료 전지 시스템.
본 발명의 방법은 다음 특징들 중 하나 이상을 포함한다:
1. 연료 전지 시스템을 사용하여 전력 및 고압 고온 증기를 발생시키는 방법으로서, 전력을 발생시키기 위해 애노드 측 및 캐소드 측을 갖는 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택을 작동시키는 단계; 및 산화기에서 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택으로부터 출력되는 배출물 및/또는 배출물로부터 파생되는 기체 중 하나 이상을 산화시키는 한편, 산화 처리의 결과로서 고레벨 열을 발생시키는 단계; 및 산화 처리의 결과로서 발생된 고레벨 열을 회수하는 단계를 포함하는, 방법.
2. 사항 1에 있어서, 고레벨 열을 회수하는 단계는 산화시키는 단계에서 발생된 고레벨 열을 직접 이용함으로써 급수로부터 고압 고온 증기를 발생시키는 단계를 포함하는, 방법.
3. 사항 1 또는 2에 있어서, 배출물은 애노드 배출물이고, 산화시키는 단계는 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택으로부터 출력되는 애노드 배출물 및 애노드 배출물로부터 파생되는 기체 중 하나 이상을 산화시키는 단계를 포함하는, 방법.
4. 사항 1 내지 3 중 어느 한 사항에 있어서, 배출물 또는 배출물로부터 파생되는 기체가 산화기 단계에서 산화되기 전 적어도 하나의 연료 전지 스택으로부터 출력되는 배출물을 냉각시키는 단계, 배출물의 최소한의 열을 이용하여 입력 산화 기체를 예열시키는 단계, 및 산화시키는 단계에서의 사용을 위해 가열된 산화 기체를 제공하는 단계; 및 물이-분리된 배출물을 출력시키기 위해 배출물로부터 물을 회수하는 단계를 더 포함하되, 배출물로부터 파생되는 기체는 물이-분리된 배출물을 포함하는, 방법.
5. 사항 1 내지 4 중 어느 한 사항에 있어서, 배출물의 열을 이용하여 물이-분리된 배출물을 예열하는 한편 배출물의 열을 이용하여 입력 산화 기체를 예열하는 단계, 및 산화시키는 단계에서의 사용을 위해 가열된 물이-분리된 배출물을 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
6. 사항 1 내지 5 중 어느 한 사항에 있어서, 가열된 산화 기체가 산화시키는 단계에서의 사용을 위해 제공되기 전 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택으로부터 출력되는 산화 배출물로부터의 폐열을 이용하여 예열된 산화 기체를 더 가열시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
7. 사항 1 내지 6 중 어느 한 사항에 있어서, 처리된 연료를 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택으로 공급하기 전 입력 연료를 처리하는 단계를 더 포함하되, 처리하는 단계는 물 및 발생시키는 단계에서 발생된 고압 고온 증기의 제1 부분 중 하나 이상을 이용하여 입력 연료를 적시는 단계 및 적어도 하나의 고온형 연료 전지 스택에 의해 출력되는 산화 배출물로부터의 폐열을 이용하여 적셔진 연료를 예열시키는 단계를 포함하는, 방법.
8. 사항 1 내지 7 중 어느 한 사항에 있어서, 애노드 배출물로부터 물을 회수하는 단계, 회수된 물을 처리하는 단계레서 입력 연료를 적시기 위해 출력하는 단계 및 물이-분리된 배출물을 산화시키는 단계레서의 사용을 위해 출력하는 단계를 더 포함하는, 방법.
9. 사항 1 내지 8 중 어느 한 사항에 있어서, 발생시키는 단계에서 발생된 고압 고온 증기의 제1 부분을 팽창시키는 단계 및 팽창 처리로부터 전력을 발생시키면서 보다 저전압 증기를 처리하는 단계에서 입력 연료를 적시기 위해 출력하는 단계를 더 포함하되, 팽창 처리로부터 팽창시키는 단계에서 발생된 전력은 외부 사용을 위해 또는 연료 전지 시스템 내 사용을 위해 출력되는 것인, 방법.
10. 사항 1 내지 9 중 어느 한 사항에 있어서, 송풍기를 사용하여 산화 기체를 시스템으로 공급하는 단계, 및 송풍기와의 직접 결합을 통해 송풍기에 의한 직접 사용을 위해 팽창 처리로부터 팽창시키는 단계에서 발생된 전력을 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
11. 사항 1 내지 10 중 어느 한 사항에 있어서, 산화시키는 단계는 고온 산화 기체를 생산하고, 고온 산화 기체는 회수하는 단계에서 고온 산화 기체의 고레벨 열을 이용한 후 적어도 하나의 고온형 연료 전지의 캐소드 측에 제공되는, 방법.
12. 사항 1 내지 11 중 어느 한 사항에 있어서, 산화시키는 단계에서 생산된 고온 산화 기체는 고온 산화 기체의 고레벨 열이 회수하는 단계에서 사용되기 전 537.78℃(1000℉) 내지 1093.33℃(2000℉)의 온도를 갖고, 적어도 하나의 고온형 연료 전지의 캐소드 측에 제공되는 고온 산화 기체는 약 537.78℃(1000℉)의 온도를 갖는, 방법.
13. 사항 1 내지 12 중 어느 한 사항에 있어서, 회수하는 단계는 고레벨 열을 다음: 연료 개질 어셈블리, 정제 코커 유닛, 중유 분류 유닛 및 팽창기 중 하나 이상에 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
상기한 본 출원에 설명된 추가적인 특징들이 연료 전지 시스템 또는 연료 전지 시스템을 사용하여 전력 및 고압 고온 증기를 발생시키는 방법에 포함될 수 있다.
모든 경우, 위에서 설명된 배열들이 단지 본 발명의 적용예들을 나타내는 많은 가능한 구체적인 실시예에 대한 예시라는 것이 이해된다. 많은 그리고 다양한 다른 배열이 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 본 발명의 원리들을 따라 용이하게 고안될 수 있다.

Claims (15)

  1. 애노드 측 및 캐소드 측을 갖고 전력을 발생시키도록 구성된 하나 이상의 고온형 연료 전지 스택;
    하나 이상의 고온형 연료 전지 스택의 애노드 측으로부터 출력되는 애노드 배출물을 냉각시키고, 상기 애노드 배출물의 열을 이용하여 입력 산화 기체를 예열하도록 구성된 배출물 환열기;
    상기 배출물 환열기로부터 예열된 입력 산화 기체를 수용하고, 하나 이상의 고온형 연료 전지 스택의 캐소드 측으로부터 출력된 캐소드 배출물을 수용하며, 하나 이상의 고온형 연료 전지 스택의 캐소드 측으로부터 출력된 캐소드 배출물 내의 열을 이용하여 입력 산화 기체를 추가로 예열하도록 구성된 열 교환기; 및
    상기 열 교환기로부터 수용되는 입력 산화 기체를 이용하여 배출물 환열기로부터 수용되는 애노드 기체를 산화시키고, 537.78℃(1000℉) 내지 1093.33℃(2000℉)의 온도에서 고온 산화 기체를 배출하도록 구성되는 애노드 기체 산화기, 및
    애노드 기체 산화기로부터 상기 고온 산화 기체를 수용하고, 고온 산화 기체로부터 고레벨 열을 회수하며, 상기 하나 이상의 고온형 연료 전지 스택의 캐소드 측으로 고온 산화 기체를 배출하도록 구성되는 고레벨 열 회수 시스템
    을 포함하는 애노드 기체 산화기/고레벨 열 회수 어셈블리
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고레벨 열 회수 시스템은 급수(feed water)를 수용하고 상기 애노드 기체 산화기에 의해 발생된 고레벨 열을 이용하여 고압 고온 증기를 발생시키도록 구성된 보일러를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 애노드 배출물로부터 물을 회수하고 물이 분리된 애노드 배출물을 출력하도록 구성된 물 전달 어셈블리를 더 포함하되, 상기 애노드 기체 산화기는 상기 물이-분리된 애노드 배출물을 산화시키도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 배출물 환열기는 상기 물이-분리된 애노드 배출물을 예열시키고, 가열된 상기 물이-분리된 애노드 배출물을 상기 애노드 기체 산화기로 출력하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 가열된 산화 기체가 상기 애노드 기체 산화기로 제공되기 전 상기 하나 이상의 고온형 연료 전지 스택으로부터 출력되는 연료-전지 산화 배출물로부터의 폐열을 이용하여 상기 산화 기체를 가열시키도록 구성된 가열기를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 처리된 연료를 상기 하나 이상의 고온형 연료 전지 스택으로 공급하기 전에 입력 연료를 처리하도록 구성된 연료 처리 어셈블리를 더 포함하고,
    상기 연료 처리 어셈블리는 물 및 상기 보일러에서 발생된 고압 고온 증기의 제1 부분 중 하나 이상을 이용하여 상기 입력 연료를 적시고, 상기 하나 이상의 고온형 연료 전지 스택에 의해 출력되는 산화 배출물로부터의 폐열을 이용하여 적셔진 연료를 예열시키도록 구성된 가습기/열 교환기 어셈블리를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은
    (i) 물을 상기 애노드 배출물로부터 회수하고 회수된 물을 상기 입력 연료를 적시기 위한 상기 가습기/열 교환기 어셈블리로 출력시키도록, 및
    (ii) 상기 애노드 기체 산화기에서의 사용을 위해 물이-분리된 애노드 배출물을 출력시키도록
    구성된 물 전달 어셈블리를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 고압 고온 증기의 제1 부분을 팽창시키고 상기 팽창 처리로부터 전력을 발생시키면서 보다 낮은 압력의 증기를 상기 가습기/열 교환기 어셈블리로 출력시키도록 구성된 팽창기 어셈블리를 더 포함하되,
    상기 팽창기 어셈블리에 의해 발생된 상기 전력은 연료 전지 시스템으로부터 출력되거나 연료 전지 시스템 내에서 사용되는, 연료 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은 산화 기체를 연료 전지 시스템으로 공급시키도록 구성된 공기 송풍기를 더 포함하되,
    상기 공기 송풍기는 상기 팽창기 어셈블리에 의해 발생된 전력이 상기 공기 송풍기에 의해 직접 이용가능하도록 상기 팽창기 어셈블리와 직접 결합되는, 연료 전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 고레벨 열 회수 시스템은 고레벨 열을 연료 개질 어셈블리, 정제 코커 유닛, 중유 분류 유닛, 및 팽창기 중 하나 이상에 제공하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  11. 전력을 발생시키기 위해 애노드 측 및 캐소드 측을 갖는 하나 이상의 고온형 연료 전지 스택을 작동시키는 단계;
    배출물 환열기를 사용하여 하나 이상의 고온형 연료 전지 스택의 애노드 측으로부터 출력되는 애노드 배출물을 냉각시키고, 상기 애노드 배출물의 열을 이용하여 입력 산화 기체를 예열시키는 단계;
    열 교환기를 사용하여 상기 배출물 환열기로부터 예열된 입력 산화 기체를 수용하고, 하나 이상의 고온형 연료 전지 스택의 캐소드 측으로부터 출력된 캐소드 배출물을 수용하며, 하나 이상의 고온형 연료 전지 스택의 캐소드 측으로부터 출력된 캐소드 배출물 내 열을 이용하여 입력 산화 기체를 추가로 예열하는 단계; 및
    애노드 기체 산화기/고레벨 열 회수 어셈블리의 애노드 기체 산화기를 사용하여 상기 열 교환기로부터 수신되는 입력 산화 기체를 이용하여 배출물 환열기로부터 수신되는 애노드 기체를 산화시키고, 537.78℃(1000℉) 내지 1093.33℃(2000℉)의 온도에서 고온 산화 기체를 배출하는 단계; 및
    애노드 기체 산화기/고레벨 열 회수 어셈블리의 고레벨 열 회수 시스템을 사용하여 상기 애노드 기체 산화기로부터 고온 산화 기체를 수용하고, 고온 산화 기체로부터 고레벨 열을 회수하며, 상기 하나 이상의 고온형 연료 전지 스택의 캐소드 측으로 고온 산화 기체를 배출하시키는 단계
    를 포함하는, 연료 전지 시스템을 사용하여 전력과 고레벨 열을 발생시키는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 고레벨 열을 회수하는 단계는 상기 산화시키는 단계에서 발생된 고레벨 열을 직접 이용함으로써 급수로부터 고압 고온 증기를 발생시키는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제11항에 있어서, 애노드 배출물로부터 물을 회수하여 물이 분리된 애노드 배출물을 출력하는 단계를 추가로 포함하며,
    상기 애노드 기체 산화기는 물이 분리된 애노드 배출물을 산화시키는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 애노드 배출물의 열을 이용함으로써 물이 분리된 애노드 배출물을 예열하는 한편, 애노드 배출물의 열을 이용하여 입력 산화 기체를 예열하며, 산화시키는 단계에 사용하기 위해 가열된 물이 분리된 애노드 배출물을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  15. 제12항에 있어서, 하나 이상의 고온형 연료 전지 스택에 처리된 연료를 제공하기 전에 입력 연료를 처리하는 단계를 추가로 포함하고,
    상기 처리 단계는
    물, 및 발생 단계에서 발생된 고압 고온 증기의 제1 부분 중 하나 이상을 사용하여 입력 연료를 적시는 단계, 및
    하나 이상의 고온형 연료 전지 스택에 따른 산화 배출물의 폐열을 사용하여 가습된 연료를 예열하는 단계
    를 포함하는, 방법.
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