KR102496027B1 - 수소, 전기, 그리고 공동생산을 제공하는 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

수소(80), 전력(P), 그리고 공동생산을 제공하는 수소 및 전력 복합 공급 시스템(1)으로, 시스템은, 시스템상의 임피던스의 양을 변화시키기 위한 가변 전기 부하(6), 탄소질 연료 스트림(20) 및 증기 스트림(40)에 연결되어 있고 가열원(9)에 연결되어 있는 예비 개질기(3), 예비 개질기(3)는 적어도 수소, 일산화탄소, 그리고 비전환 탄소질 연료를 포함하는 제1 개질 가스를 생산하고, 예비 개질기(3)는 가열원에 의해 제공되는 열의 양에 응답하고, 그리고 가변 전기 부하(6)에 결합되어 있고 제1 개질 가스에 결합되어 있는 고체 산화물 연료 전지 스택(2)을 포함하고, 전력(P)과 생산된 수소(80)의 양 사이의 비율은 적어도 가변 전기 부하(6) 및 가열원(9)에 의해 제공되는 열에 의존한다.

Description

수소, 전기, 그리고 공동생산을 제공하는 방법 및 시스템
본 발명의 분야는 고체 산화물 연료 전지 유닛을 사용하여 개질된 공정 가스 공급(reformed process gas feed)으로부터 수소 및 전기를 생산하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
고체 산화물 연료 전지 유닛을 사용하는 수소 및 전기 복합 공급 시스템은 전력, 수소, 그리고 열의 동시 생산을 허용한다. 이러한 시스템은 또한 종종 CH2+P 시스템으로 약칭되는 병산(polygeneration) 또는 수소, 열, 그리고 전력 복합 시스템으로 지칭된다. 이러한 CH2+P 시스템은 수소, 열, 그리고 전력의 생산이 조절될 수 있는지, 즉 전력과 수소 사이의 비율이 특정 요구, 예를 들어 H2 연료 공급 스테이션에 따라 조절될 수 있는지에 대해 특히 관심이 있다.
문헌 WO2005/041325A2는 수소, 전력, 또는 수소와 전력 모두를 생산하기 위한 연료 전지를 이용하는 CH2+P 시스템을 도시한다. 제1 모드에서, 연료 전지는 전기, 물, 그리고 열을 생산하기 위해 수소 함유 연료를 산소와 반응시켜 전기화학 반응을 수행한다. 제2 모드에서, 연료 전지는 수소 풍부 가스를 생성하는 탄소질 연료를 개질하기 위해 연료 전지의 전기화학 반응에 의해 방출된 열을 이용한다. 제3 모드에서, 수소 및 전기 모두는 연료 전지에 의해 공동생산된다. CH2+P 시스템은 생산되는 수소 및/또는 전력의 양을 제어할 수 있으며, 외부 전기 부하를 변경하거나 질량 유량 조절기를 통해 연료 피드 흐름에 작용함으로써 모드들을 전환할 수 있다. 문헌 WO2005/041325A2는 내부 개질만을 갖는 SOFC 시스템을 도시하며, 이는 최신 SOFC 상태에서 니켈(Ni)의 존재에 의해 가능하게 된다. 도시된 CH2+P 시스템의 하나의 단점은 수소와 전력 생산 사이의 조절이 강하게 제한된다는 것이다. 나아가, 단락(short-circuit)에 가깝게 SOFC 스택을 작동시키는 옵션은 실현 가능하지 않으며, SOFC 전극들의 강한 열화로 이끌 것이다.
문헌 US8071241B2는 연료 처리와 결합된 SOFC 시스템, 그리고 수소 및 전력을 생산하기 위한 H2 분리 유닛을 포함하는 CH2+P 시스템을 도시한다. 이러한 CH2+P 시스템은 수소와 전력 사이의 조절을 허용하지 않는다.
따라서 본 발명의 목적은 수소 및 전기 복합 공급 시스템에서 수소와 전력 생산 사이의 조절을 개선하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 수소 및 전기 복합 공급 시스템의 사용을 확대시키는 것이다.
전술한 목적들은 청구항 1의 특징들을 포함하는 방법에 의해 해결되며, 보다 구체적으로는 청구항 2 내지 13의 특징들을 포함하는 방법에 의해 해결된다. 나아가 전술한 목적들은 청구항 14의 특징들을 포함하는 수소 및 전기 복합 공급 시스템, 보다 구체적으로는 청구항 15 내지 16의 특징들을 포함하는 시스템에 의해 해결된다.
상기 목적은 수소 및 전기 복합 공급 시스템에서 수소 및 전력을 생산하는 방법에 의해 특히 해결되며, 상기 방법은:
- 탄소질 연료 및 증기를 예비 개질기로 도입하고, 예비 개질기에서 수소 및 일산화탄소를 포함하는 제1 개질 가스로의 증기 개질에 의해 탄소질 연료의 일부를 개질하여 비전환 탄소질 연료가 잔류하는 단계,
- 비전환 탄소질 연료 및 제1 개질 가스를 고체 산화물 연료 전지 스택의 음극측으로 도입하는 단계,
- 고체 산화물 연료 전지 스택에서, 주로 수소 및 일산화탄소를 포함하는 제2 개질 가스로의 증기 개질에 의해 비전환 탄소질 연료의 적어도 일부, 바람직하게는 비전환 탄소질 연료 모두를 개질하는 단계,
- 공기 또는 산소 함유 가스를 고체 산화물 연료 전지 스택의 양극측으로 도입하는 단계,
- 고체 산화물 연료 전지 스택에서 제1 및 제2 개질 가스의 수소 및 일산화탄소뿐만 아니라 산소를 전력 및 음극 배출가스(off-gas)로 변환하는 단계,
- 음극 배출가스를 H2 분리 유닛에 도입하는 단계,
- H2 분리 유닛에서 음극 배출가스를 정제 수소 및 배출가스로 전환하는 단계,
- 예비 개질기의 개질 속도 및 고체 산화물 연료 전지 스택의 연료 이용률의 복합 제어에 의해 생산된 정제 수소와 전력의 양을 조절하여, 정제 수소와 전력 사이의 비율이 조절될 수 있는 단계를 포함한다.
나아가 상기 목적은 수소, 전력, 공동생산을 제공하기 위한 수소 및 전기 복합 공급 시스템에 의해 특히 해결되며, 상기 시스템은:
- SOFC의 전류 및 생산된 전력을 변화시키기 위한 가변 전기 부하,
- 탄소질 연료 스트림 및 증기 스트림에 연결되어 있고, 그리고 가열원에 연결되어 있는 예비 개질기, 여기서 예비 개질기는 적어도 수소, 일산화탄소, 그리고 비전환 탄소질 연료를 포함하는 제1 개질 가스를 생성하고, 여기서 예비 개질기는 가열원에 의해 제공되는 열의 양에 응답하고,
- 가변 전기 부하에 결합되고 제1 개질 가스에 결합되어 있는 고체 산화물 연료 전지 스택을 포함하고,
- 전력과 생산되는 수소의 양 사이의 비율은 적어도 가변 전기 부하 및 가열원에 의해 제공되는 열에 의존한다.
나아가 상기 목적은 수소, 전력, 그리고 공동생산을 제공하기 위한 수소 및 전기 복합 공급 시스템에 의해 특히 해결되며, 이 시스템은 고체 산화물 연료 전지 스택, 예비 개질기, 전력을 소비하는 전기 부하, 수소 분리 유닛, 제어 유닛, 탄소질 연료 공급원, 그리고 증기 공급원을 포함하고, 예비 개질기는 탄소질 연료 공급원의 스트림 및 증기 공급원의 스트림에 연결되어 있으며, 여기서 예비 개질기는 적어도 수소, 일산화탄소, 그리고 비전환 탄소질 연료를 포함하는 제1 개질 가스를 생성하고, 고체 산화물 연료 전지 스택은 전기 부하에 결합되어 있고 수소 분리 유닛에 결합되어 있고, 여기서 예비 개질기는 외부 개질을 수행하기 위해 고체 산화물 연료 전지 스택의 외부에 위치하고, 여기서 전기 부하는 제어 가능한 가변 전기 부하이고, 여기서 예비 개질기는 제어 가능한 가열원에 열적으로 결합되어 있고, 여기서 제어 유닛은 가변 전기 부하 및 가열원에 의해 제공되는 열을 적어도 제어하고, 이에 의해 전력 및 생산되는 수소 양 사이의 비율을 제어하도록 구성되어 있다.
본 발명은 효율적이고 비용 효과적이며 유연한 수소 및 전기 공동생산 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 방법과 수소 및 전기 복합 공급 시스템은 탄소질 연료로부터 전력 및 수소를 생산한다. 여기에는 SOFC 스택을 공급하기 전에 탄소질 연료를 수소 및 일산화탄소로 부분적으로 변환하는 연료 처리기 각각의 예비 개질기(pre-reformer)가 포함된다. 본 명세서에서 SOFC 스택을 언급할 때, 이러한 SOFC 스택은 하나의 SOFC 스택 또는 다수의 SOFC 스택들로 구성될 수 있다. 또한 전환된 탄소질 연료는 개질 또는 개질 가스로 지칭된다. 본 발명에 따른 방법 및 시스템은 예비 개질기에서 흡열 반응을 사용한다. 따라서, 예비 개질기로 유입되는 증기 및 탄소질 연료는 첨가된 공기 또는 산소를 포함하지 않는다. 바람직한 연료 처리 기술은 증기 개질이며, 왜냐하면 흡열 반응이기 때문에 개질 반응에서 폐열이 발화될 수 있어, 이에 의해 전체 공정의 효율을 증가시키기 때문이다. 본 발명에 따른 방법 및 시스템에서, 연료 개질의 일부는 외부 개질에 의해 예비 개질기에서 발생하고, 연료 개질의 일부는 내부 개질에 의해 SOFC 스택에서 직접 발생하며, 이는 개질 가스를 전력으로 전기화학 변환하는 동안 SOFC 스택 내에서 생성된 열로부터 이용된다. 따라서 SOFC 스택에서 전력 생산은 내부 증기 개질 반응을 위한 열을 제공한다. 내부 개질뿐만 아니라 외부 개질을 위한 바람직한 연료 처리 기술도 증기 개질이다.
이러한 맥락에서 용어 "내부 개질" 및 "외부 개질"은 다음의 의미를 갖는다. 본 명세서에서 사용된 용어 "내부 개질"은 SOFC 전지의 본체, SOFC 스택, 또는 그렇지 않다면 연료 전지 어셈블리 안에서 발생하는 연료 개질을 지칭한다. 종종 연료 전지와 함께 사용되는 외부 개질은 SOFC 스택 외부에 위치한 별도의 장비에서 발생한다. 다시 말해서, 이전 단락에서 "예비 개질기"로 지칭되는 외부 개질기의 본체는 SOFC 또는 SOFC 스택의 본체와 직접 물리적으로 접촉하지 않는다. 이러한 예비 개질기 및 SOFC 스택의 열 분리는 예비 개질기 및 SOFC 스택의 독립적인 열 제어를 가능하게 만들며, 이는 광범위한 전력 및 수소의 생성을 제어하는 데 필수적이다. 따라서, 본 발명에 따른 방법 및 시스템은 넓은 범위에서 수소 및 전력 생산을 조절할 수 있게 만들고, 즉, 정제 수소와 전력 사이의 비율이 필요에 따라 조정될 수 있다. 따라서, 변환되지 않고 남아 있는 수소는 SOFC 스택을 떠나서, SOFC 스택이 수소 분리 시스템과 결합되어 있기 때문에 회수될 수 있다. 전력과 수소 사이의 생산을 조절하는 최신 SOFC 시스템들은 SOFC 스택 내에서만 내부 개질을 사용한다. 본 발명에 따른 방법 및 시스템은 SOFC 스택의 내부 개질뿐만 아니라 예비 개질기의 외부 개질이 탄소질 연료를 개질하는 데 사용된다는 이점을 갖는다. 최신 기술에 도시된 방법의 하나의 단점은 전력 및 수소 생산 사이의 제어가 시스템 열 균형 요건들로 인해 작동점들의 범위를 강하게 제한한다는 것이다. 최신 SOFC 스택들은 SOFC 스택의 음극측에 Ni를 함유하는데, 이는 증기 개질 반응을 위한 우수한 촉매인 연료 전극이 또한 메탄 크래킹(methane cracking)을 잘 일으킨다는 것을 의미한다. 그러므로 증기는 동시에 탄소질 연료와 함께 공급되어야 한다. 이에 의해 내부 개질, 즉 연료 전극 내부의 탄소질 연료 및 증기의 전환이 최신 SOFC들에서 사용된다. 이러한 흡열 반응은 열 수요를 보상하기 위해 국부적으로 충분한 열이 생성되지 않으면 SOFC 스택을 냉각시키는 경향이 있다. 그러므로 충분한 국부적 열 균형을 제공하기 위해 최소 전력 대 수소 비율, 예를 들어 내부 증기 개질의 경우 68% 이상의 연료 전환율이 충족되어야 하는 것이 최신 SOFC들에서 필요하다. 따라서, 본 발명에 따른 방법 및 시스템은 SOFC에서의 연료 전환율이 낮아질 수 있고, 이에 따라 전력과 수소 사이의 비율이 낮아질 수 있다는 이점을 갖는다. 하나의 예시적인 방법에서, 대부분 또는 모든 연료는 증기 개질을 사용하여 외부 개질에 의해 예비 개질기에서 처리되어, 변환되지 않은 탄소질 연료가 SOFC 스택으로 최소로 공급되거나 전혀 공급되지 않아, SOFC 스택에서 내부 개질이 최소로 있거나 또는 전혀 없다. 예를 들어 이는 예비 개질기를 가열하기 위해 전기를 사용함으로써 이루어질 수 있다. 본 발명에 따른 방법 및 시스템은 제어 옵션들을 확장시키고, 이에 따라 연료 유량, 연료 이용, 그리고 예비 개질기로의 열 공급을 조정하여, 수소 및 전력 생산의 조절 범위 내의 모든 조건들에서 시스템의 열 지속성을 관리함으로써 자유도를 하나 증가시킨다.
유리한 방법에서, 외부 열, 예를 들어 저항기와 같은 전기적 가열 요소의 사용에 의한 전기적 열이 가장 바람직하게는 SOFC 스택에 제공되어, SOFC 스택에서 충분한 열이 국부적으로 이용되며, SOFC 스택에서 생산되는 전력이 거의 없거나 아예 없음에도 불구하고, 이에 따라 모든 전기 열을 내부 개질에 사용할 수 있도록 만들어, 높은 수소 수율을 얻는다.
본 발명에 따른 방법 및 시스템은 특히 외부 개질 및 내부 개질을 개별적으로 제어함으로써 수소와 전력 생산 사이의 조절를 위한 열 관리를 수행하는 대안적인 방법을 제안한다. 본 발명의 한 측면은 예비 개질기 및 SOFC 전지를 완전한 증기 개질 유닛을 함께 형성하는 것으로 간주하는 것이다. 예비 개질기 및 SOFC 전지에서의 증기 개질은 독립적으로 제어될 수 있다. 이에 의해 탄소질 연료 증기 개질 반응을 완료하는 데 필요한 열은 탄소질 연료의 일부를 합성 가스로 전환시키기 위해 외부에서 예비 개질기로 제공되고, 전기적 손실들에 의해 발생된 내부 열을 통하거나 또는 외부 열을 통해, 바람직하게는 외부 전기 에너지를 사용하여 생성된 열을 통해, 그리고 가장 바람직하게는 외부 과잉 전기 에너지를 사용하여 생성된 열을 통해, SOFC 스택에 의해 부분적으로 제공된다. SOFC 스택의 전력 생산 모드에서, 많은 열이 SOFC 스택에서 발생된다. SOFC 스택에서 90 %까지의 내부 개질을 수행하게 만들어 열 균형이 관리된다. 이는 예비 개질기에 열을 거의 제공하지 않거나, 또는 즉 예비 개질기 출구 온도를 450 ℃ 미만으로 유지함으로써 이루어진다. 필요한 경우, SOFC 스택의 양극측으로 공기 흐름을 증가시켜 SOFC 스택으로부터 과도한 열이 또한 제거될 수 있다. 다른 한편으로, 수소 생산 모드에서, 전력 생산은 낮은 상태, 즉 시스템 전력 요구사항들을 커버하기에 충분할 정도로 유지되고, 이에 의해 SOFC에서 열이 거의 발생하지 않는다. 따라서, 탄소질 연료 증기 개질에 필요한 대부분의 열은 예비 개질기에 제공될 것이며, 예비 개질기 출구 온도는 450 ℃ 내지 850 ℃ 사이에서 유지된다. 예비 개질기는 바람직하게는 가변 온도에서 작동되고, 온도는 예비 개질기의 예비 개질 속도가 출구 온도, 바람직하게는 주어진 출구 온도에 의해 고정되도록 제어된다. 추가적인 유리한 실시예들에서, 예비 개질 속도는 또한 다른 수단, 예를 들어 탄소질 연료 및 증기의 일부로 예비 개질기를 바이패스(bypass) 함으로써 제어될 수 있다.
유리한 실시예에서, 예비 개질기에서 필요한 열은 H2 분리 유닛을 빠져 나가는 배출가스를 연소시킴으로써 제공되며, 배출가스는 나머지 H2, CO, 그리고 CO2로 구성된다. 배출가스의 칼로리 값은 H2 분리 유닛에서 H2 분리 정도를 변화시킴으로써 또는 추가적인 탄소질 연료를 보충 가스(make-up gas)로서 버너(burner)에 공급함으로써 제어될 수 있다.
본 발명에 따른 방법 및 시스템의 하나의 장점은 작동 전략이 모든 범위의 수소 및 전력 생산, 즉 오직 전력 생산에 대한 오직 수소 생산만 가장 효율적인 방식으로 커버할 수 있다는 것이다.
다른 유리한 실시예에서, 증기 발생기 및 예비 개질기 중 적어도 하나는 전기적으로 가열될 수 있으며, 이에 따라 과도한 전력, 특히 그리드(gird)로부터의 전력을 소멸시킴으로써 수소를 생산하게 만들 수 있다.
SOFC 전지의 동작 중에, 전기화학적 반응은 전극들을 가로 지르는 전압과, 외부 전기 부하를 통해 산화 전극으로부터 연료 전극으로 흐르는 전류를 생성한다. 이것은 또한 전기화학 법칙들에 따라 열을 생산한다.
SOFC 스택이 연료-전기 변환을 수행할 때 SOFC 작동 매개 변수들은, 예를 들어 연료 활용도를 증가시켜 높은 전기 효율을 이루도록 조절될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서 사용된 예비 개질기는 탄화수소 연료를 수소가 풍부한 개질 물로 개질시킨다. 바람직하게는 증기 메탄 개질기가 수소를 생산하는 데 사용된다. 증기 개질을 위해 다음과 같은 흡열 반응에 따라 수소가 풍부한 가스가 생산된다.
CH4 + H2O ↔ CO + 3 H2 ΔH = -206. 16 kJ/mol CH4
결과적으로, 반응을 유도하기 위해 열이 제공될 필요가 있다. 열은 열 전달에 의해, 바람직하게는 열교환기를 통해 간접적으로 제공된다. 열 전달에 의해 간접적으로 제공되는 열은 유입되는 천연 가스 공급 원료의 일부의 연소에 의해, 또는 수소 정화 시스템으로부터의 퍼지 가스(purge gas)와 같은 폐가스들을 연소 시킴으로써, 또는 전력을 사용함으로써 제공될 수 있다.
본 명세서에서 "개질된 공정 가스 공급"이라는 표현은 연료, 예를 들어 탄화수소 또는 알코올을, 개질 반응, 바람직하게는 증기 개질을 사용하여 일반적으로 더 높은 가열 값을 갖는 다른 연료로 변환하여 출력하는 것을 지칭한다.
증기 개질은 탄화수소 연료들과 같은 탄소질 연료들, 예를 들어 천연 가스로부터 수소 또는 다른 유용한 생성물을 생산하는 방법이다. 이는 고온에서 증기를 연료와 반응시키는 개질기라 지칭되는 처리 장치에서 달성되어, 개질된 공정 가스 공급이 이루어진다.
임의의 탄화수소의 개질은 다음과 같다.
CnH2n +2 + nH2O → nCO + (2n+1)H2
이러한 증기 개질은 광범위한 연료들에 대해 수행될 수 있지만, 공정 자체는 모든 경우들에서 유사하다.
본 발명은 수소, 전기, 또는 수소와 전기의 조합을 생산하기 위한 수소 및 전기 공동생산 시스템을 제공한다. 구체적으로, 본 발명은 SOFC 스택을 포함하는 SOFC 시스템을 사용하여, 수소를 생산하기 위해 연료를 개질하는 것, 전기를 생산하기 위해 반응물들을 소비하는 것, 그리고 SOFC 스택에 부여된 가변 전기 부하와 같은 전기 부하의 상태에 의존하여, 이들 둘의 조합을 수행하는 것과 같은 복합 기능들을 수행하는 것을 제공한다.
전형적인 발전 모드(electricity-generating mode)에서, SOCF 스택은 수소 함유 연료를 산소와 반응시켜 전기, 물, 그리고 열을 생산함으로써 전기화학 반응을 수행한다. 대체 또는 개질기 모드(alternative or reformer mode)에서, SOFC 스택은 바람직하게는 수소를 생산하기 위해 탄화수소 연료를 개질하는 SOFC 스택의 전기화학적 반응에 의해 방출되는 열을 이용하도록 구성될 수 있다. 나아가, 공동생산 모드(co-production mode)에서, 수소 및 전기 모두는 연료 전지에 의해 공동생산된다. 본 발명에 따른 시스템은 생산되는 수소 및/또는 전기의 양을 제어할 수 있고, 특히 시스템상의 전기 부하를 변화, 조정 또는 제어함으로써 모드들 사이를 전환시킬 수 있다.
본 발명의 교시에 따르면, 수소 및 전기를 생산할 수 있은 공동생산 에너지 공급 시스템이 고려된다. 이 시스템은 열 제어 예비 개질기, 시스템의 임피던스양을 변화시키기 위한 가변 전기 부하, 그리고 가변 전기 부하에 결합되어 있는 SOFC 스택을 포함한다. 사용 중에, 예비 개질기는 수소를 생산하고, SOFC 스택은 예비 개질기에 제공된 열의 양 및 가변 부하에 의해 시스템에 도입되는 임피던스의 양에 응답하여 수소, 전기, 또는 둘 모두를 생산한다.
또 다른 측면에 따르면, 가변 전기 부하의 임피던스는 SOFC 스택에 의해 생성된 전기 및 수소의 상대적인 양 또는 비율을 변경하도록 변화시킬 수 있다.
다른 측면에 따르면, SOFC 스택에 의해 생산된 수소 및 전기의 상대적인 양을 제어하도록, 시스템은 가변 부하의 임피던스를 변화시키는 구조 또는 수단을 포함할 수 있다. 가변 수단은 가변 부하에 결합되어 있는 제어기(controller)를 포함할 수 있다. 제어기는 가변 부하의 임피던스의 양을 변화시켜 SOCF 스택에 의해 생산되는 수소 및 전기의 상대적 양을 제어한다. 또한, 제어기는 예비 개질기에 제공된 열을 제어하거나 예비 개질기의 출구 온도를 제어함으로써 예비 개질기의 예비 개질 속도를 제어한다. 선택적으로, 제어기는 예비 개질기 및 SOFC 스택으로의 하나 이상의 입력 반응물들의 흐름을 조절하는 하나 이상의 유체 조절 장치들을 작동시킬 수 있으며, 이에 의해 생산되는 수소 및/또는 전기의 전체 양을 제어한다.
본 발명은 또한 시스템상의 임피던스의 양을 변화시키기 위한 가변 부하를 제공하고, 개질 가스를 생산할 수 있는 예비 개질기를 제공하고, 수소 및 전기 모두를 생산할 수 있는 SOFC 스택을 제공하고, 가변 부하의 임피던스를 변화시켜 SOFC 스택에 의해 생성된 수소 및 전기의 상대적인 양을 변화시키는 단계들을 포함하는 수소 및 전기를 공동생산하는 방법을 고려한다.
일 측면에 따르면, 상기 방법은 개질기 작동 모드에서 적어도 최소 임피던스양을 도입할 수 있도록 가변 부하를 구성하는 추가적인 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 가변 부하가 최소 임피던스양으로 설정되었을 때 SOFC 스택은 임의의 미사용 유입 연료 반응물을 수소로 개질하도록 구성된다. 최소 임피던스양은 약 0일 수 있으며, 이는 단락 회로 전기적 배열(short circuit electrical arrangement)에 해당한다.
다른 측면에 따르면, 가변 부하는 SOFC 스택에 걸쳐 개방 회로 전기 배열(open circuit electrical arrangement)에 대응하는 최대 임피던스양으로 설정될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 방법은 공동생산 작동 모드에서, 예비 개질기가 개질 가스를 생산하고 SOFC 스택이 수소 및 전기 모두를 생산하도록, 최대 임피던스양과 최소 임피던스양 사이에 있는 임피던스양을 도입할 수 있는 가변 부하를 구성하는 단계를 포함하고, 여기서 SOFC 스택에 의해 생산된 수소 및 전기의 양들은 가변 부하의 임피던스의 양에 해당한다.
유리한 실시예에서, 수소 및 전기를 제공하는 반응을 위해 열을 필요로 하는 본 발명에 따른 시스템의 적어도 일부들 및 바람직하게는 모든 부분들을 가열하는 데 전기가 사용된다. 예비 개질기, 증기 발생기, SOFC 스택, 그리고 탄소질 공급(carbonaceous feed) 또는 산화제 흐름(oxidant flow)과 같은 유체 유동(fluid flowing) 중 적어도 하나를 전기적으로 가열하는 것이 유리하다. 가장 유리하게는, 이러한 시스템 및 방법은 전기로 수소를 생산할 수 있도록 만든다. 가장 유리하게는 태양 에너지 또는 풍력 에너지와 같은 CO2 없는 전기가 본 발명에 따른 시스템에 전력을 공급하는 데 사용된다. 이는 저탄소 발자국(low carbon footprint)을 갖는 수소를 생산하게 만든다. 가장 유리하게는, 그리드에 과잉 전력이 있을 때 과잉의 CO2 없는 전기가 시스템에 사용된다. 이러한 과잉 전력은 여름철에 매우 맑은 날 또는 풍력 에너지에 의해 전기가 생성되는 매우 바람이 부는 날에 발생할 수 있다. 본 발명에 따른 시스템은 이러한 과잉 에너지를 사용하여 수소를 생성할 수 있도록 만든다. 따라서 수소는 매우 저렴하게 생산될 수 있으며, 실제로 그리드로부터 과잉의 전기 에너지를 사용하는 서비스를 제공하는 것조차도 가능하게 한다. 또한, 수소는 장기간 동안뿐만 아니라 단기간 동안 저장될 수 있다. 본 발명에 따른 시스템은 수소, 전기, 그리고 공동생산을 제공하게 만든다. 따라서, 생산되고 그 후에 저장되는 수소는 나중에 전기를 생산하는 데 사용될 수 있으며, 가장 바람직하게는 전력을 전기 그리드로 다시 공급하는 데 사용될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 시스템은 그리드로부터의 전력이 과잉 전력 동안 사용되고, 전력이 전력 부족 동안 그리드로 공급된다는 점에서 전력 그리드를 안정화시키는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 다양한 목적들, 특징들, 측면들, 그리고 장점들은 유사한 참조 번호들이 유사한 구성들을 나타내는 첨부 도면들과 함께 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예의 수소 및 전기 복합 공급 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 제어 유닛 및 시스템에서 열 관리를 위한 열교환기 네트워크를 포함하는 본 발명의 제2 실시예의 수소 및 전기 복합 공급 시스템을 도시한다.
도 3은 도 2에 따른 수소 및 전기 복합 공급 시스템의 제어 전략을 도시한다.
도 4는 열 균형을 달성하기 위해 도 2에 따른 수소 및 전기 복합 공급 시스템의 H2/(H2+P) 비율, 예비 개질 속도 및 연료 이용률(FU) 사이의 관계를 도시한다.
도 5는 온도의 함수로서 천연 가스(CH4) 증기 개질의 열역학적 평형 계산을 도시한다.
도 6은 열 균형을 달성하기 위해 수소 및 전기 복합 공급 시스템에서 예비 개질 속도와 연료 이용률 사이의 관계의 다른 예를 도시한다.
도 7은 도 6에 따른 관계 및 추가로 연료량을 변화시키는 효과를 도시한다.
도 8은 수소 및 전기 복합 공급 시스템의 다른 실시예를 도시한다.
도 9는 수소 및 전기 복합 공급 시스템의 추가 실시예를 도시한다.
도 10은 개질 정도를 제어하기 위한 옵션을 도시한다.
도 11은 예비 개질의 정도를 제어하기 위한 제2 옵션을 도시한다.
본 발명은 수소, 전기, 그리고 공동생산 시스템을 제공한다. 본 발명은 예시적인 실시예들과 관련하여 이하에서 설명될 것이다. 당업자는 본 발명이 다수의 상이한 응용들 및 실시예들로 구현될 수 있으며 본 명세서에 도시된 특정한 실시예로 본 발명의 응용이 특별히 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 유출 수소(80), 전력(P) 또는 수소(80)와 전력(P)의 조합으로 생산하기에 적합한 수소 및 전기 복합 공급 시스템(1)의 개략적인 실시예를 도시한다. 시스템(1)은 송풍기(101), 고체 산화물 연료 전지 스택(2), 예비 개질기(3), 전기 부하(6), 수소 분리 유닛(8), 그리고 버너(9)를 포함한다. 예비 개질기(3)는 SOFC 스택(2)으로부터 분리되어 있으며, SOFC 스택(2)의 본체와 직접 물리적으로 접촉하지 않으며, 이에 따라 물리적 접촉을 통해 예비 개질기(3)와 SOFC 스택(2) 사이에 직접적인 열전달이 없고, 따라서 예비 개질기(3)와 SOFC 스택(2)의 독립적인 열 제어가 가능하다. 고체 산화물 연료 전지 스택(2)은 양극측(21), 전해질(22), 그리고 음극측(23)을 포함한다. 고체 산화물 연료 전지 스택(2)은 전력(P)을 소비하는 가변 전기 부하(6)에 결합되어 있다. 고체 산화물 연료 전지 스택(2)은 탄소질 연료(20), 가장 바람직하게는 천연 가스, 그리고 산화제(100), 가장 바람직하게는 공기와 같은 입력 반응물들을 수용하도록 구성된다. 공기(100)는 송풍기(101)로 공급되고 도관(102)을 통해 고체 산화물 연료 전지 스택(2)의 양극측(21)으로 공급된다. 연료(20) 및 물(40)은 증기 발생기(11)에 공급되고, 다음으로 예비 개질기(3)에 공급되어, 수소 및 일산화탄소를 포함하는 제1 개질 가스(S1)를 외부 개질함으로써 생산하고, 이에 따라 비전환 탄소질 연료(20a)가 남는다. 제1 개질 가스(S1), 비전환 탄소질 연료(20a), 그리고 증기는 도관(205)에 의해 고체 산화물 연료 전지(2)의 음극측(23)으로 공급된다. 고체 산화물 연료 전지 스택(2)에서, 비전환 탄소질 연료(20a) 및 증기의 적어도 일부는 내부 개질에 의해 주로 수소 및 일산화탄소를 포함하는 제2 개질 가스(S2)로 개질된다. 예외적인 방법 단계에서, 전체 탄소질 연료(20)는 외부 개질에 의해 예비 개질기(3)에서 전환될 수 있고, 이에 따라 예비 개질기(3)로부터 고체 산화물 연료 전지 스택(2)으로 공급될 수 있는 비전환 탄소질 연료(20a)가 남아 있지 않다. 이러한 외부 개질은 예비 개질기(3)에 충분한 열을 제공함으로써, 예를 들어 예비 개질기(3)를 전기적으로 가열함으로써, 바람직하게는 풍력 에너지 또는 태양 에너지에 의해 생산된 전기와 같은 과잉 전기를 사용함으로써 달성될 수 있다. 산소 결핍 공기 스트림(105)은 양극측(21)으로부터 버너(9)로 공급된다. 음극 배출가스(208)는 음극측(23)으로부터 수소 분리 유닛(8)으로 공급된다. 수소 분리 유닛(8)은 음극 배출가스(208)로부터 적어도 수소의 일부를 분리하도록 구성되고, 연소된 버너(9)에 공급되는 정제 수소(80) 및 배출가스(215)를 발생시키도록 구성된다. 도 2에 도시된 유리한 실시예에서, 보충 가스(19)가 또한 버너(9)에 도입될 수 있다. 보충 가스(19)는 커맨드 라인(command line)(17f) 및 밸브(18)를 통해 제어기(17)에 의해 제어될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 배출가스(215) 및/또는 보충 가스(19)를 연소시킴으로써 버너(9)에서 발생된 열(9b)은, 예를 들어 도 2에 도시된 것처럼 연결될 수 있은 열교환기(9a, 3a)를 통하거나, 또는 도 9에 도시된 것처럼 오직 열교환기(3a)를 통해서만 예비 개질기(3)로 전달된다. 바람직한 실시예에서, 열은, 예를 들어, 버너(9)에서 발생된 열 또는 열교환기(9a)의 출구에서 측정된 열(T3)은, 배출가스(215) 및 보충 가스(19) 중 적어도 하나를 제어함으로써 제어될 수 있다. 예비 개질기(3)에 제공되는 배출가스(215) 및/또는 보충 가스(19)의 열은 열 관리를 제공하기 위해, 그리고 예비 개질기(3)에서 예비 개질 속도를 제어하기 위해 제어기(17)에 의해 제어될 수 있다.
수소 분리 유닛(8)에 적합한 기술들은 흡착 기반, 예를 들어 압력-스윙 흡착(pressure-swing adsorption), 또는 멤브레인 기반(membrane base), 예를 들어 팔라듐 기반, 또는 양성자성(protonic), 또는 전기화학적 베이스, 예를 들어 양성자성 전도체들에 기초한 전기화학적 펌프들일 수 있다.
도 1은 또한 프로세스의 개략적 내용을 나타낸다. 물(40)은 증기 발생기로도 지칭되는 증발기(11)로 유입된다. 증기는 증발기(11)에서 생성되고, 예비 개질기(3)에 유입되기 전에 탄소질 연료(40), 가장 바람직하게는 천연 가스(NG)와 혼합된다. 예비 개질기(3)에서, 천연 가스(NG)는 수소 H2와 일산화탄소 CO로 부분적으로 개질되고, 잔류물은 메탄, 증기, 그리고 이산화탄소이다. 예비 개질 속도는 예비 개질기(3)를 떠나는 예비 개질된 가스의 출구 온도(T2)에 의해 결정된다. 바람직하게는 출구 온도는 고정된 값으로 유지된다. 예비 개질된 가스는 SOFC 스택(2)의 음극측(23)으로 유입되고 남아 있는 메탄은 개질된다. 바람직한 방법에서, 생성된 합성가스는 SOFC 스택(2)에서 전력(P) 생산을 통해 부분적으로 물 H2O 및 CO2로 SOFC 스택(2)에서 전환된다. 음극 배출가스(208)는 H2, CO, CO2, 그리고 H2O를 함유한다. 음극 배출가스(208)는 수소 분리 유닛(8)으로 공급되고, 여기서 음극 배출가스(208)의 H2의 적어도 일부는 분리되어 수소 스트림(80)을 생산한다. 이어서 수소 분리 유닛(8)의 배출가스(215) 또는 테일-가스(tail-gas)(215)는 SOFC 스택(2)의 양극측(21)을 빠져 나가는 고온 결핍 공기(hot depleted air)(105)와 함께 버너(9)에서 연소된다. 버너(9)에 의해 발생된 열(9b)은 증기 발생 및 예비 개질 반응에 가장 유리하게 사용된다.
유입 연료 반응물(20)은 당업자에게 공지된 임의의 적합한 탄화수소 연료일 수 있다. 유입 산화 반응물(100)은 임의의 적합한 산소 함유 유체를 포함할 수 있다.
시스템(1)은 전력(P), 정제 수소(80), 그리고 이들의 조합을 생산하고 조절하기 위해 다수의 선택 모드들에서 작동될 수 있다. 본 발명에 따른 방법 및 시스템의 주요 목적은 탄소질 연료 공급으로부터 전력(P), 정제 수소(80) 형태의 수소, 그리고 이들의 조합의 생산이다. 본 명세서는 시스템 내에서 생산된 수소와 시스템의 출력, 즉 전력(P) 및/또는 정제 수소(80) 형태의 수소를 구별한다.
도시된 시스템(1)은 다기능 시스템이다. 전통적인 발전 기능에 더하여, SOFC 스택(2)은 수소 생산 또는 수소와 전기의 공동생산을 위한 개질을 수행하는 데 사용될 수 있다. 전통적인 작동 모드에서, SOFC 스택(2)은 유입 연료 반응물을 유입 산화 반응물과 전기화학적으로 반응시켜 전력, 폐열, 그리고 이산화탄소와 물을 포함하는 배출가스를 발생시킴으로써 전기를 생성한다. 개질기 작동의 대체 모드에서, SOFC 스택(2)은 유입 연료 반응물을 개질시켜 전기를 동시에 발생시키지 않고 수소 배출가스을 발생시킨다. 추가적으로 배출가스에 포함될 수 있는 반응 부산물들은 일산화탄소, 이산화탄소, 그리고 물을 포함한다. 복합 또는 공동생산의 작동 모드에서, SOFC 스택(2)은 동시에 수소 배출가스와 전기 모두를 생성한다. 배출가스는 일산화탄소, 이산화탄소, 그리고 물, 각각의 증기와 같은 추가적인 반응 종들(reaction species)을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 것으로, 용어 "개질" 등은 예비 개질기(3) 또는 SOFC 스택(2)에 의해 수행되고, 250 ℃ 초과와 같은 승온에서, 바람직하게는 약 400 ℃와 약 1000 ℃ 사이에서 증기의 존재 하에 그리고 개질물을 생성하는 산소 없이, 탄화수소 연료들과 반응하는 화학 공정을 지칭한다. 본 발명에서, 예비 개질기(3) 및 SOFC 스택(2)은 탄화수소 연료를 물과 반응시킴으로써 탄화수소 연료들을 개질하여 수소를 생산한다.
도 1에 도시된 수소 및 전기 복합 공급 시스템(1)은 탄소질 연료(200)의 입력 공급에 기초하여 정제 수소(80) 및 전력(P)의 형태로 유출 수소로서 생산하도록 만든다. 시스템(1)은 전력(P) 또는 수소를 의미하는 어느 하나의 전기를 출력으로 발생시키는 상이한 작동 모드들 중에서 전환될 수 있거나, 또는 복합 모드에서 생산된 전기에 대한 수소의 비율을 변화시킬 수 있으며, 이는 전기 커넥터(22a)를 통해 SOFC 스택(2)에 인가되는 가변 부하(6)에 의해 부하량에 따른 SOFC 스택(2)의 연료 이용률을 제어함으로써, 바람직하게는 예비 개질기(3)에서 예비 개질 속도를 동시에 제어함으로써 이루어진다.
도 2는 수소 및 전기 복합 공급 시스템(1)의 제2 실시예를 보다 상세히 나타낸다. 도 2는 유체 조절 장치들(14, 18, 101, 404) 및 제어 신호들(17a-17f)을 제공하는 제어 장치(17)를 포함하는 시스템(1)을 나타내며, 이 신호들은 개질기(3)로 공급되는 연료(20), 고체 산화물 연료 전지(2)에 도입되는 산화 반응물들(100), 개질기(3)에 도입되는 물(40) 각각의 증기(40a), 그리고 버너(9)에 도입된 보충 가스(19)의 적어도 하나 이상을 제어한다. 열교환기들(103, 203, 206, 209, 212, 3a, 9a, 11a)과 같은 수단에 추가하여, 상세하게 도시되지 않은 센서들과 연결선들이 고체 산화물 연료 전지 시스템(1) 내의 열 교환을 제어하기 위해 제공된다.
도 2에 도시된 수소 및 전기 복합 공급 시스템(1)은 개질된 공정 가스 공급(205)으로 변환된 탄소질 연료 공급(200)으로부터 정제 수소(80) 및 전력(P)을 생산할 수 있게 만들고, 특히 단위 시간당 생산된 정제 수소(80)의 양과 생산된 전력 출력(P)을 제어하도록 만든다. 시스템(1)은 단위 시간당 생산된 정제 수소(80)의 양과 생산된 전력 출력(P)이 요구에 따라 광범위하게 변화될 수 있다는 이점을 갖는다.
전력(P)과 유출 수소 생산 사이의 조절은 도 2에 도시된 것처럼 제어 유닛(17)에 의해 관리된다. 제어 유닛(17)은 예를 들어 천연 가스 밸브(14), 보충 가스 밸브(18), 송풍기(101), 물 재순환 펌프(404), 수소 분리 유닛(8), SOFC 스택(2), 그리고 전기 부하(6)에 작용한다. 제어 유닛(17)은 예비 개질기 출구 온도(T2), 공기측에서의 SOFC 스택 출구 온도(T1), 그리고 버너 온도(T3)를 모니터링한다. 작동점 각각의 H2/전력(P) 비율을 변경하기 위해, 분리용 음극 배출가스(208)에서 이용 가능한 H2의 양은 예비 개질기로 열을 제공함으로써, 그리고 출구 온도(T2)를 제어함으로써 제어될 것이며, 이에 따라 예비 개질기(3)에서의 예비 개질 속도가 조정된다. 또한, 작동점을 변경하기 위해, SOFC 스택에서 연료 이용률(FU)은 전기 부하(6)에 의해 그리고 이에 따라 도 4에 도시된 것처럼 조절될 것이다. 바람직하게는 또한 송풍기(101)에 의해 제어되는 공기 흐름이 SOFC 스택 출구 온도(T1)의 미세 조정을 위해 사용될 것이다. 각각의 작동점(예: 고정된 H2/(H2+P))에 대해, 동일한 증기 대 탄소 비율을 유지하도록, 연료(20)와 물(40) 공급을 동시에 변화시킴으로써 생산량이 또한 조정될 수 있다.
연료 이용률(FU)은 다음 관계식을 통해 총 전류(I) 및 셀당 연료 흐름(f)과 관련이 있다.
FU = I/(nF*f)
여기서 n은 연료 1 분자의 산화에 관련된 전자들의 수(예를 들어, CH4의 경우 8), F는 패러데이 상수(= 96485 C/mol)이다. 따라서 외부 전기 부하(6)를 변화시켜 SOFC에서 총 전류를 변경하는 것, 또는 연료 흐름을 변경하는 것 중 어느 하나에 의하여 연료 이용률이 변경될 수 있다.
탄화수소 연료(20), 전형적으로 바이오가스(biogas) 또는 천연 가스는 제어가능 밸브(14)로 공급되고, 선택적으로 무독성 탄소질 연료를 얻기 위한 연료 전처리 유닛(13), 전형적으로 탈황 유닛으로 공급된다. 탄소질 연료 공급(200)은 증기(40a)와 혼합되고, 열교환기(203)에서 예열되고, 그리고 도관(204)을 통해 예비 개질기(3) 내로 공급되어 개질된 공정 가스 공급(205)을 생산한다. 증기(40a)는 증기 발생기(11)에서 발생된다. 예비 개질기(3)에는 열교환기(3a)에 의해 열이 제공된다. 바람직하게는 예비 개질기(3)에서 반응은 500 내지 800 ℃의 온도 범위에서 개질 촉매의 존재 하에 일어난다. 개질된 공정 가스(205)는 열교환기(206)에서 가열되고 SOFC 스택(2)의 음극측(23)으로 공급된다. SOFC 스택(2)을 떠나는 음극 배출가스(208)는 열교환기(209)에서 예를 들어 약 300 ℃로 냉각되고, 먼저 물 가스 이동 반응기(4)로 공급되고, 그 다음 열교환기(212)에서 냉각되고, 그리고 응축기로서 물(40)을 적어도 가스 스트림(213)으로부터 분리하는 물 분리기(15)로 공급되어, 물 결핍 스트림(water depleted stream)(214)이 나온다. 물(40)은 물 탱크(402)에 저장되고, 이어서 도관들(403, 405)과 워터 펌프(water pump)(404)를 통해 증기 발생기(11)로 공급될 수 있다. 물 결핍 스트림(214)는 수소 분리 유닛(8)에 공급되어, 정제 수소(80)와 버너(9)에 공급되는 미분리 H2 및 일부 CO를 또한 포함하는 이산화탄소 풍부 가스 스트림(carbon dioxide rich gas stream)(215)을 생성한다.
SOFC 스택(2)은 또한 전해질(22)뿐만 아니라 양극측(21)을 포함한다. SOFC 스택(2)은 산화 스트림 각각의 공기 스트림(100)과 개질된 공정 가스(205)가 분리되도록 유지하여, 이들은 서로 혼합되지 않는다. 고체 산화물 연료 스택(2)의 추가 세부 사항은 도시되어 있지 않다. 공기(100)는 송풍기(101)에서 압축된 냉기(102)로 약간 압축되고, 열교환기(103)에서 예열된 공기(104)로 가열되고, 이어서 고체 산화물 연료 스택(2)의 양극측(21)으로 공급된다. 압축된 냉기(102)의 약간의 초과압력, 예를 들어 약 50 mbar가 열교환기들 및 SOFC 스택(2)에서의 압력 강하들을 극복하는 데 필요하다. SOFC 스택(2)의 양극측(21)을 떠나는 고온의 결핍된 공기 스트림(105)이 버너(9)에 공급된다. SOFC 스택(2)에 의해 생산된 전기는 DC로부터 AC로 변환되고, 상세히 도시되지 않은 가변 전기 부하(6)로 전달된다. 전기 부하(6)는 전력(P)을 소비한다.
제어 유닛(17)은 바람직하게는 제어선들(17a-17g)을 통해 송풍기(101), H2 분리 유닛(8), SOFC 스택(2), 밸브(14), 밸브(18), 워터 펌프(404), 그리고 전기 부하(6) 중 적어도 하나를 제어한다. 또한, 바람직한 실시예에서, SOFC 스택(2)을 떠나는 결핍된 공기(105)의 출구 온도(T1), 예비 개질기(3)를 떠나는 개질물(205)의 출구 온도(T2), 그리고 열교환기(9a)를 떠나는 열의 출구 온도(T3)가 제어 유닛(17)에 의해 측정된다.
출구 온도(T1)의 제어는, 예비 개질 속도 및 FU에 의해 정의된 임의의 작동 조건들에서 SOFC 스택(2)의 온도가 센서(T1)를 사용하여 모니터링될 수 있으며, 이는 SOFC를 나오는 고온의 결핍 공기 스트림(105)의 온도를 측정한다. 송풍기(101)를 통한 공기 흐름을 변화시킴으로써 온도(T1)가 조정될 수 있거나 미세 조정될 수 있다. 공기 공급 흐름을 증가 시키는 것은 SOFC 스택 냉각을 증가시킬 것이며, 이에 의해 SOFC 스택 온도를 낮출 것이다.
필요한 양의 열(9b)에 의존하여, 보충 가스(19)가 버너(9)로 공급되어 열(9b)을 열교환기(9a)에 제공할 수 있고, 이는 열을 열교환기(3a)로 제공한다.
도 3은 도 2에 도시된 시스템(1)의 제어 전략의 한 측면을 나타낸다. 도 3은 시스템(1)으로 달성될 수 있은 일련의 가능한 작동 조건들을 나타낸다. 시스템(1)은 수소 수율, 즉 단위 시간당 생산된 정제 H2(80)의 양과 출력 전력(P)에 의해 정의되는 특정 조건들에서 작동될 수 있다. H2 수율 및 전력(P)은 임의 단위(arbitrary units)[a.u.]로 표시된다. 시스템(1)은 시스템(1)이 단위 시간당 주어진 미리 정해진 H2 양과 주어진 전력(P)을 전달하는 그런 방식으로 제어될 수 있다. 외부 요구에 의존하여, 필요한 H2 및 전력(P)의 양은 시스템(1)의 작동 중에 변경될 수 있다. 제어 유닛(17)은 필요한 H2 및 전력(P)의 양이 달성되도록 시스템(1)을 제어할 수 있다. 이는 예비 개질기(3)의 예비 개질 속도와 SOFC 스택(2)의 연료 이용률(FU)을 동시에 변경함으로써 달성된다.
예비 개질 속도 및 연료 이용률(FU)에 더하여, 연료 공급 흐름도 또한 제어될 수 있다. 도 3의 상이한 선들(LD1, LD2, LD3, LD4, MD1, MD2, MD3, MD4)은 연료 공급 흐름의 상이한 양들, 즉 100 % 연료 공급에 대해 LD1 및 MD1, 75 % 연료 공급에 대해 LD2 및 MD2, 50 % 연료 공급에 대해 LD3 및 MD3, 그리고 25 % 연료 공급에 대해 LD4 및 MD4에 대응한다. 시스템(1)은 상이한 작동점들에서 작동될 수 있으며, 이에 의해 각각의 작동점은 H2 수율 및 전력(P)에 의해 정의되거나, 또는 H2/(H2+P) 및 연료 공급 흐름에 의해 정의된다.
H2/(H+2P) 비율에서, H2는 시스템(1)에 의해 단위 시간당 생산된 H2를 지칭하며, 이는 단위 시간당 정제된 수소(80)를 의미한다. P는 생산된 전력을 지칭하며, 이는 단위 시간당 전기 에너지를 의미한다. 도면들은 H2와 P를 임의 단위로 보여준다. 전력의 단위는 와트(Watt)이다. H2의 경우, LHV(low heating value)에 기초한 등가 전력이 사용될 수 있으며, 이는 H2 = 몰 흐름(molar flow)(mol/s) * LHV(J/mol) = Watt를 의미한다.
H2 및 P의 임의의 단위를 나타내는 도 3에 도시된 예에서, 3 개의 작동점들(L1, L2, L3)은 동일한 H2 수율(0. 33)에 대응하지만, 상이한 전력 출력들을 갖는 것으로 표현된다. 점 L1의 경우 전력은 0. 3, 점 L2의 경우 0. 17, 점 L3의 경우 0이다. 점 L1은 완전 연료 공급(100 %) 및 0. 52의 H2/(H2+P) 비율에서 달성될 수 있다. 점 L2는 부분 연료 공급(75 %) 및 H2/(H2 P)=0. 68에서 달성될 수 있다. 점 L3은 50 % 연료 공급 및 H2/(H2 P)=1에서 달성될 수 있다.
도 3에서 연료 공급 흐름 및 H2/(H2+P) 비율에 의해 정의된 가능한 특정 작동점들 L1, L2, L3 내지 L100은 다음 3 가지 측정들에 의해 달성될 수 있다: 1) 공급 스트림(204)에서 정확한 증기 대 탄소 비율을 유지하고 올바른 연료 공급 스트림을 유지하기 위해, 밸브(14)를 통한 연료 공급 흐름 및 워터 펌프(404)를 통한 물 흐름을 동시에 제어하는 것, 2) 예비 개질기(3)에 제공된 열을 제어함으로써 예비 개질기(3)에서 예비 개질 속도를 조정하는 것, 3) 생산된 전력(P)을 제어함으로써, 도 4에 도시된 것처럼 고체 산화물 연료 전지(2)에서 연료 이용률(FU)을 조정하는 것이다.
H2/(H2+P)=0의 비율을 갖는 시스템(1)의 동작이 특히 흥미로우며, 이는 정제된 H2가 전혀 생산되지 않지만 오직 전력(P)만이 생산된다는 것을 의미한다. H2/(H2+P)=1의 비율을 갖는 시스템(1)의 동작 또한 흥미로우며, 이는 오직 정제된 H2만이 생산되지만 전력(P)은 전혀 생산되지 않는다는 것을 의미한다. 도 3에서 선들(LD1, LD2, LD3, LD4, MD1, MD2, MD3, MD4)로 표시된 것처럼, 생산된 정제 H2가 전혀 없을 때의 전력(P)의 양, 생산된 전력(P)이 전혀 없을 때의 각각의 정제된 H2의 양은 연료 공급 흐름에 기초하여 제어될 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 시스템(1)에 대한 H2/(H2+P) 비율과 예비 개질 속도(R) 및 연료 이용률(FU) 사이의 관계를 나타낸다. 예를 들어, 도 3에 도시된 예에서, 작동점 L1은 0. 52의 H2/(H2+P) 비율을 갖는다. 작동점 L1은 연료 공급 흐름을 최대값(100 %)으로 설정하고, 도 4에 도시된 것처럼, 예비 개질 속도를 0. 37로, 연료 이용률(FU)을 0. 57로 설정함으로써 달성될 수 있다. 유사하게, 도 3에 따르면, 작동점 L2는 0. 62의 H2/(H2+P) 비율을 갖는다. 도 3에 따르면, 작동점 L2는 연료 공급 흐름을 75 %로 감소시키면서, 도 4에 따르면 예비 개질 속도(R)를 0. 52로 변경하고 연료 이용률(FU)을 0. 45로 변경함으로써 달성될 수 있다.
도 5는 평형화된 예비 개질기(3)의 예비 개질 속도(R)가 예비 개질기 출구 온도(T2)와 관련되어 있다는 것을 도시한다. 이러한 관계는 증기 대 탄소 비율이 2 인 메탄의 증기 개질의 경우로 도 5에 도시되어 있다. 예비 개질 속도 0. 37을 달성하기 위해, 예비 개질기(3)의 출구 온도(T2)는 510 ℃로 평형화되어야 한다. 유사하게 예비 개질 속도(R) 0. 52는 평형 온도 565 ℃에 해당한다. 예를 들어, 출구 온도(T2)는 열교환기(9a)에 의해 버너(9)로부터 열교환기(3a)에 의해 예비 개질기(3)로 전달되는 열의 양을 통해 제어될 수 있으며, 이는 수소 분리 배출가스(215)를, 필요하다면, 보충 가스(19)를 추가로 연소시킴으로써, 그리고/또는 전력에 의해 제공되는 열에 의해, 예를 들어 예비 개질기(3)에 또는 내부에 배치된 저항 가열 요소의 사용에 의해 이루어질 수 있다.
도 6은 열 균형을 이루기 위해 SOFC 시스템(1)에서 예비 개질 속도(R), 연료 이용률(FU), H2 수율, 전력(P), 그리고 H2/(H2+P) 비율 사이의 관계의 예를 나타낸다. 도 7은 또한 도 6의 그래프들에 더하여, 상이한 양들의 연료 공급 흐름에 해당하는 상이한 선들(LD1, LD2, LD3, LD4, MD1, MD2, MD3, MD4)를 나타내며, 이는 100 % 연료 공급에 대한 LD1 및 MD1, 75 % 연료 공급에 대한 LD2 및 MD2, 50 % 연료 공급에 대한 LD3 및 MD3, 25 % 연료 공급에 대한 LD4 및 MD4이다.
특히, 도 6은 열 관리를 위한 SOFC 스택(2)에서 예비 개질 속도(R)와 연료 이용률(FU) 사이의 관계, 그리고 각각의 작동점에 대한 결과적인 전력(P) 및 H2 생산을 나타낸다.
조절 전략은 다음과 같다. 수소 생산과 전력 사이의 조절는 도 6에 주어진 관계에 따라 예비 개질의 정도를 변경하고 SOFC 스택(2)에서 연료 이용률(FU)을 조절함으로써 이루어진다. 예비 개질의 정도는 예비 개질 출구 온도(T2)를 제어함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 예비 개질기 출구 온도(T2)는 열전대(thermocouple)로 측정되고 개질 반응을 위해 예비 개질기(3)에 제공되는 열의 양을 변화시킴으로써 조절된다. 예를 들어, 이러한 열은 수소 분리 유닛 배출가스(215) 및/또는 보충 가스(19)를 연소시킴으로써 발생된다. 또한 특정 환경들에서 전기적 가열 장치에 의해 생성될 수도 있다. 추가적인 제어 옵션에서, 예비 개질기의 출구 온도(T2)는 일정하게 유지되도록 기술된 바와 같이 제어되고 조절되며, 또한 탄소질 연료 및 증기를 포함하는 공급 스트림은 예비 개질의 원하는 정도에 따라 2 개의 스트림으로 분할되며, 예를 들어, 도 11에 도시된 것처럼 조절 밸브들(3b, 3c)을 사용한다.
예비 개질 속도(R)는 FU와 조합된 주요 제어 매개변수이다. 도 6 및 도 7은 수소 및 전기 복합 공급 시스템(1)에 대한 작동 맵을 나타낸다. 출발점은 전력(P) 및 수소 H2의 요구에 따라 H2/(H2+P) 작동점이 선택된 것이다. 이에 의해 연료 공급 흐름 또한 조절된다. 이어서, 예비 개질 속도(R)와 FU는 도 7에 따라 동시에 조절된다. 예를 들어, H2/(H2+P)=0. 7에서 시스템(1)을 작동하도록 결정된다면, 200kW 상당의 H2(LHV=Lower Heating Value) 및 80kW의 전력(P)의 생산에 대응한다. 도 6 또는 도 7에 따르면, 예비 개질 속도는 0. 55로, FU는 0. 45로 조절해야 한다. 제1 실시예에서, 예비 개질 속도(R)은 예비 개질기 출구 온도(T2)를 570 ℃로 변경함으로써 조절될 수 있고, 이는 수소 분리 유닛 배출가스 및/또는 추가적인 보충 가스(19)를 연소시킴으로써 예비 개질기(3)로 제공되는 열을 제어하여 이루어진다. 제2 실시예에서, 예비 개질 속도(R)는 도 11에 도시된 것처럼 바이패스를 조정함으로써 조절될 수 있다. 연료 이용률(FU)은 고체 산화물 연료 전지 스택(2) 상에 전기 부하(P)를 변경함으로써 또는 고정 전기 부하(P)에서 공급 흐름을 변화시킴으로써 고정된 공급(20) 흐름에 대해 조절될 수 있다.
실시예로서, 작동점은 이제 전력(P)를 80kW로 유지하면서 50kW 상당 H2로 변경될 것이며, 이는 H2/(H2+P)가 0. 385가 된다는 것을 의미한다. 도 6 또는 도 7에 도시된 것처럼, 대응하는 예비 개질 속도(R)는 0. 25일 것이고 연료 이용률(FU)은 0. 66이다. 전력 출력(P)이 변하지 않은 채로 남아 있을 때, 후자는 도 7에서 볼 수 있는 것처럼 공급 흐름(20, 40)을 100 %에서 50 %로 동시에 낮추면서, 예비 개질기 출구 온도(T2)를 460 ℃로 낮춤으로써 또는 도 11에 도시된 것처럼 바이 패스를 증가시킴으로써 달성될 것이다.
도 8은 특히 예비 개질기(3) 및 증기 발생기(11) 중 적어도 하나가 전기(500)를 사용하여 가열되는 한, 도 2에 도시된 수소 및 전기 복합 공급 시스템(1)과 구별되는 또 다른 수소 및 전기 복합 공급 시스템(1)을 나타낸다. 도 7은 이러한 작동 모드를 보다 자세히 나타낸다. 도 7에서 EL-SRM으로 표시되는 두 가지 작동점들은 "전기 가열 증기 메탄 개질"을 지칭하며, 과잉 전력을 바람직하게는 저비용으로, 예를 들어 전기 그리드 또는 태양 전지 패널들로부터 사용할 수 있은 경우에 해당하며, 이는 수소 생산에 경제적으로 유리하게 사용하도록 만든다. 이 경우 상단의 EL-SRM 점은 100 %의 수소 수율을 나타내고, 하단의 EL-SRM 점은 전력(P)를 나타낸다. 전력은 공정에서 소비될 때 음의 값(-0. 55)이다. 전력은 특히 저항 가열 요소를 통해 열을 발생시키는 데 사용되며, 이는 증발기(11)에서 증기의 발생 및 과열, 예비 개질기(3)에서 개질 반응, 그리고 개질 가스(205)의 가열을 위한 것이다. 유리한 실시예가 도 8에 도시되어 있다. 추가적인 바람직한 실시예에서, 예를 들어 SOFC 스택(2)은 전기(500)로 가열될 수 있다. 이러한 실시예의 하나의 이점은 수소가 전기에 의해 생산되는 열을 단독으로 또는 대부분을 사용함으로써 SOFC 스택에서 생산될 수 있다. 추가적인 이점은, SOFC 스택(2)이 전기적으로 가열될 때, 대부분의 탄소질 연료가 SOFC 스택(2)에서 개질되어, 예비 개질기(3)의 크기를 감소시킬 수 있게 만든다는 것이다.
또한 열을 필요로 하는 시스템(1)의 임의의 다른 부분, 예를 들어 탄소질 공급, 산화제 흐름, 증발기(11), 증기 과열, 보충 가스와 같은 흐르는 유체들은 전기적으로 가열될 수 있다.
추가적인 유리한 실시예에서, 수소(80)는 수소 저장 용기(81)에 저장될 수 있다. 추가적인 유리한 실시예에서, 컨테이너(81)에 저장된 수소(80)는 SOFC 스택(2)에 공급되어 전력을 생산할 수 있다. 그러므로 본 발명에 따른 시스템은 전기 그리드로부터 전기를 인출하고 나중에 전기와 함께 전기 그리드를 공급하는 데 사용될 수 있다. 유리한 실시예에서, 본 발명에 따른 시스템은 그리드 제어에 사용되어, 전기 에너지의 공급 및 수요를 제어할 수 있다.
도 9는 수소 및 전기 복합 공급 시스템(1)의 추가 실시예를 나타낸다. 다양한 유체 조절 장치들(14, 18, 101, 404)을 제어하고 온도 또는 공급 흐름과 같은 다양한 상태 변수들을 측정하기 위한 제어 장치(17)는 상세히 개시되지 않는다. 그것들은 도 2에 도시된 것과 비슷하다.
제어 장치(17)는 제어 신호들(17a-17g)을 제공하며, 이들은 개질기(3)에 공급되는 연료(20), 고체 산화물 연료 전지(2)에 도입되는 산화 반응물들(100), 개질기(3)에 도입되는 물(40) 각각의 증기(40a), 버너(9)에 도입되는 보충 가스(19), 그리고 제어되는 전기 부하(6) 중 적어도 어느 하나 이상을 제어하기 위한 것이다. 열교환기들(103, 203, 206, 209, 212, 3a, 11a)과 같은 수단에 추가하여, 상세하게 도시되지 않은 센서들과 연결선들이 시스템(1) 내의 열 교환을 제어하기 위해 제공된다.
도 9에 도시된 시스템(1)은 개질된 공정 가스 공급(205)으로부터 정제 수소(80) 및 전력(P)을 생산할 수 있게 만들고, 그리고 특히 단위 시간당 생산된 정제 수소(80)의 양과 생산된 전력(P)을 제어할 수 있게 만든다.
제어 유닛(17)은 연료 밸브(14), 송풍기(101), 물 재순환 펌프(404), 수소 분리 유닛(8), 전기 부하(6), 그리고 SOFC 전지(2)에 작용할 수 있다. 그것은 예비 개질기 출구 온도(T2), 공기측에서의 SOFC 출구 온도(T1), 그리고 버너 온도(T3)를 모니터링한다. 작동점 각각의 H2/전력 비율을 변경하기 위해, H2 분리 속도가 원하는 예비 개질기 출구 온도(T2)에 도달하도록 변경될 것이다. SOFC 스택(2)에서 연료 이용률(FU)은 도 6에 따라 조절될 것이며, 공기 흐름은 SOFC 스택 출구 온도(T1)의 미세 조정을 위해 사용될 것이다. 각각의 작동점(예: 고정된 H2/(H2+P))에 대해, 연료와 물 공급을 동시에 변화시킴으로써 생산량이 또한 조정될 수 있다.
탄화수소 연료(20), 전형적으로 바이오가스 또는 천연 가스는 제어가능 밸브(14)로 공급되고, 무독성 탄소질 연료를 얻기 위한 연료 전처리 유닛(13)으로 공급된다. 탄소질 연료 공급(200)은 증기(40a)와 혼합되고, 그리고 도관(204)을 통해 예비 개질기(3) 내로 공급되어 개질된 공정 가스 공급(205)을 생산한다. 증기(40a)는 증기 발생기(11)에서 발생된다. 예비 개질기(3)에는 열교환기(3a)에 의해 열이 제공된다. 개질된 공정 가스(205)는 열교환기(206)에서 가열되고 SOFC 스택(2)의 음극측(23)으로 공급된다. 고체 산화물 연료 전지 스택(2)을 떠나는 음극 배출가스(208)는 열교환기(209)에서 냉각되고, 먼저 증기 발생기(11), 그리고 이어서 물 가스 이동 반응기(4)로 공급되고, 그 다음 열교환기(212)에서 냉각되고, 그리고 응축기로서 물(40)을 적어도 가스 스트림(213)으로부터 분리하는 물 분리기(15)로 공급되어, 물 결핍 스트림(214)이 나온다. 물(40)은 물 탱크(402)에 저장되고, 이어서 도관들(403, 405)과 워터 펌프(404)를 통해 증기 발생기(11)로 공급될 수 있다. 물 결핍 스트림(214)는 수소 분리 유닛(8)에 공급되어, 정제 수소(80)와 버너(9)에 공급되는 이산화탄소 풍부 가스 스트림(215)을 생성한다.
고체 산화물 연료 전지 스택(2)은 또한 전해질(22)뿐만 아니라 양극측(21)을 포함한다. 고체 산화물 연료 전지 스택(2)은 공기 스트림(100)과 개질된 공정 가스(205)가 분리되도록 유지하여, 이들은 서로 혼합되지 않는다. 공기(100)는 송풍기(101)에서 압축된 냉기(102)로 약간 압축되고, 열교환기(103)에서 예열된 공기(104)로 가열되고, 이어서 고체 산화물 연료 전지(2)의 양극측(21)으로 공급된다. 고체 산화물 연료 전지 스택(2)의 양극측(21)을 떠나는 고온의 결핍된 공기 스트림(105)이 열교환기(103)로 공급되고, 이어서 버너(9)로 공급된다. 고체 산화물 연료 전지 스택(2)에 의해 생산된 전기는 DC로부터 AC로 변환되고, 가변 전기 부하(6)로 전달된다. 전기 부하(6)는 전력(P)을 소비한다.
제어 유닛(17)은 바람직하게는 제어선들(17a-17g)을 통해 송풍기(101), H2 분리 유닛(8), 고체 산화물 연료 전지 스택(2), 밸브(14), 밸브(18), 그리고 워터 펌프(404) 중 적어도 하나를 제어한다. 또한, 바람직한 실시예에서, 고체 산화물 연료 전지 스택(2)을 떠나는 결핍된 공기(105)의 출구 온도(T1), 예비 개질기(3)를 떠나는 개질물(205)의 출구 온도(T2), 그리고 열교환기(9a)를 떠나는 열의 출구 온도(T3)가 제어 유닛(17)에 의해 측정된다.
필요한 열(9b)에 의존하여, 보충 가스(19)가 버너(9)로 공급될 수 있다.
본 발명에 따른 수소 및 전기 복합 공급 시스템(1)은 또한 외부 사용을 위해 열이 제공될 수 있다는 이점을 갖는다. 예를 들어, 도 9에서, 과잉 열은 열교환기(212)로부터 회수될 수 있다. 열이 발화될 수 있어 전체 시스템 효율을 증가시킨다는 것은 하나의 장점이다. 온도 레벨들과 열의 양은 작동점에 의존하여 변화한다. 열은 예를 들어 400 ℃ 내지 250 ℃ 사이에서 이용 가능할 수 있다. 그것은 예를 들어 35 내지 55 ℃의 수준에서 증기 또는 온수를 생산하는 데 사용될 수 있으며, 예를 들어 가정용 또는 위생용 물, 자동차 청소 또는 심지어 흡착식 냉각기(adsorption chiller)를 사용한 냉각을 위한 것이다.
도 10은 예비 개질기(3)에서 예비 개질의 정도를, 즉 출구 온도(T2)의 제어에 의해 제어하기 위한 제1 실시예를 나타낸다. 예비 개질기(3)는 전력 공급원(500) 및 열교환기(3a)에 의해 또는 임의의 다른 열원에 의해 가열될 수 있다. 도 10 및 도 11에서, 요소(3a)는 가열 요소이다. 그러나 도 9에서 요소(3a)는 열교환기이다. 제어 유닛(17)은 출구 온도(T2)를 제어하고, 출구 온도(T2)가 미리 설정된 온도에 대응하여 예비 개질 속도를 제어하도록 전력 원(500)을 제어한다.
도 11은 예비 개질의 정도를 제어하기 위한 제2 실시예를 나타낸다. 예비 개질기(3)는 전력원(500) 또는 출구 온도(T2)가 일정하게 유지되는 임의의 다른 열원에 의해 가열된다. 이어서, 연료 공급/증기 스트림(204)의 일부가 예비 개질기(3)를 바이패스 하도록, 제어 밸브들(3b, 3c)을 통한 흐름들(3d, 3e)을 변화시킴으로써 예비 개질 속도가 조절된다.

Claims (21)

  1. 정제 수소(80) 및 전력(P) 사이의 비율이 조절될 수 있는 수소 및 전기 복합 공급 시스템(1)에서 정제 수소(80) 및 전력(P)을 생산하는 방법으로서, 상기 방법은,
    탄소질 연료(20) 및 증기(40)를 예비 개질기(3)로 도입하고, 그리고 상기 예비 개질기(3)에서 수소 및 일산화탄소를 포함하는 제1 개질 가스(S1)로의 증기 개질에 의해 상기 탄소질 연료(20)의 일부를 개질하여 비전환 탄소질 연료(20a)가 잔류하는 단계,
    상기 비전환 탄소질 연료(20a) 및 상기 제1 개질 가스(S1)를 고체 산화물 연료 전지 스택(2)의 음극측(23)으로 도입하는 단계,
    상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)에서, 수소 및 일산화탄소를 포함하는 제2 개질 가스(S2)로의 내부 증기 개질에 의해 상기 비전환 탄소질 연료(20a)의 적어도 일부를 개질하는 단계,
    산소 함유 가스(100)를 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)의 양극측(21)으로 도입하는 단계,
    상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)에서 상기 제1 및 제2 개질 가스(S1, S2)의 수소 및 일산화탄소뿐만 아니라 상기 산소 함유 가스의 산소를 전력(P) 및 음극 배출가스(208)로 변환하는 단계,
    상기 음극 배출가스(208)를 수소 분리 유닛(8)에 도입하는 단계,
    상기 수소 분리 유닛(8)에서 상기 음극 배출가스(208)를 정제 수소(80) 및 배출가스(215)로 전환하는 단계,
    탄소질 연료(20) 및 증기(40)의 스트림(204)을 제1 부분(3d) 및 제2 부분(3e)으로 분할하는 단계,
    상기 예비 개질기(3)로 제1 부분(3d)을 공급하는 단계,
    상기 예비 개질기(3)를 제2 부분(3e)으로 바이패스 하는 단계,
    상기 예비 개질기(3) 이후의 제1 및 제2 부분(3d, 3e)을 복합 스트림(205)으로 결합하는 단계, 그리고
    제1 및 제2 부분(3d, 3e)의 양을 제어하고, 이에 의해 상기 복합 스트림(205)의 개질 속도를 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 예비 개질기(3)에서 개질은 외부 개질로 수행되고,
    상기 예비 개질기(3)는 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)으로부터 열적으로 분리되어, 상기 예비 개질기(3) 및 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)의 독립적인 열 제어를 허용하여, 외부 개질과 내부 개질을 별도로 제어하고,
    제어 가능한 가열원은 상기 예비 개질기(3)에 열적으로 결합되어, 상기 예비 개질기(3)에 제어된 열을 제공하여, 상기 예비 개질기(3)의 개질 속도를 제어하고,
    전력(P) 생산은 내부 개질을 위한 열을 제공하고 내부 개질을 제어하도록 제어되고,
    외부 개질, 내부 개질, 그리고 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)의 연료 이용률(FU)의 복합 제어에 의해 생산된 전력(P)의 양뿐만 아니라 정제 수소(80)의 양이 조절되는, 수소 및 전력을 생산하는 방법.
  2. 제1항에서,
    외부 열을 통해 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)을 가열하여, 내부 개질을 위해 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)으로 열을 제공하는 단계를 더 포함하는, 수소 및 전력을 생산하는 방법.
  3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에서,
    상기 정제 수소(80)는 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2) 내로 재순환되지 않는, 수소 및 전력을 생산하는 방법.
  4. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에서,
    상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)에 연결되어 있는 외부 전기 부하(6)를변화시킴으로써 연료 이용률(FU)을 제어하는 단계를 더 포함하는, 수소 및 전력을 생산하는 방법.
  5. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에서,
    상기 탄소질 연료(20)의 연료 공급 흐름을 제어하는 단계를 더 포함하는, 수소 및 전력을 생산하는 방법.
  6. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에서,
    상기 탄소질 연료(20)의 연료 흐름(f)을 변화시킴으로써 상기 연료 이용률(FU)을 제어하는 단계를 더 포함하는, 수소 및 전력을 생산하는 방법.
  7. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에서,
    예비 개질기 출구 온도(T2)를 조절함으로써 상기 예비 개질기(3)의 상기 개질 속도를 조절하는 단계를 더 포함하는, 수소 및 전력을 생산하는 방법.
  8. 제6항에서,
    상기 예비 개질기(3)에 제공된 열을 제어하는 단계, 그리고
    450 ℃ 미만의 상기 제1 개질 가스(S1) 및 잔류 탄소질 연료(20a)의 출구 온도를 의미하는 예비 개질기 출구 온도(T2)를 유지함으로써 외부 개질 속도를 제한하여, 내부 개질에 의해 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)에서 90 %까지의 개질이 일어나서, 높은 전력(P) 생산을 허용하는 단계를 더 포함하는, 수소 및 전력을 생산하는 방법.
  9. 제6항에서,
    상기 예비 개질기(3)에 제공된 열을 제어하는 단계,
    450 ℃ 내지 850 ℃ 사이의 상기 제1 개질 가스(S1) 및 잔류 탄소질 연료(20a)의 출구 온도를 의미하는 예비 개질기 출구 온도(T2)를 유지하는 단계, 그리고
    외부 전기 부하(6)를 제어함으로써 수소(80) 생산을 변화시키는 단계를 더 포함하는, 수소 및 전력을 생산하는 방법.
  10. 제1항에서,
    배출가스(215), 추가적인 탄소질 연료로서의 보충 가스(19), 또는 이들 모두를 연소시켜 예비 개질기(3), 증기 발생기(11), 또는 이들 모두로 열을 제공하는 단계를 더 포함하는, 수소 및 전력을 생산하는 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 예비 개질기(3), 증기 발생기(11), SOFC 스택(2), 탄소질 공급 또는 산화제 흐름을 포함하는 유체 흐름 중 적어도 하나를 전기적으로 가열하는 단계를 더 포함하는, 수소 및 전력을 생산하는 방법.
  12. 삭제
  13. 제1항에서,
    상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)의 온도를 측정함으로써, 그리고 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)의 측정된 온도에 기초하여, 양극측(21)에 도입된 산소 함유 가스(100)의 양을 제어함으로써 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)을 냉각시킴으로써, 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)의 개질 속도를 제어하는 단계를 더 포함하는, 수소 및 전력을 생산하는 방법.
  14. 제1항에서,
    상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)에서 내부 개질이 90 %까지 일어나도록만들어, 고체 산화물 연료 전지 스택(2) 및 예비 개질기(3) 사이의 열 균형을 관리하는 단계를 더 포함하는, 수소 및 전력을 생산하는 방법.
  15. 수소(80), 전력(P), 그리고 공동생산을 제공하는 복합 수소 및 전기 공급 시스템으로, 상기 시스템은,
    고체 산화물 연료 전지 스택(2),
    예비 개질기(3),
    전력(P)을 소비하는 전기 부하(6),
    수소 분리 유닛(8),
    제어 유닛(17), 그리고
    탄소질 연료 공급원을 포함하고,
    상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)은 상기 전기 부하(6)에 결합되어 있고, 상기 수소 분리 유닛(8)에 결합되어 있고,
    상기 예비 개질기(3)는 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)으로부터 열적으로 분리되어, 상기 예비 개질기(3) 및 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)의 독립적인 열 제어를 허용하고,
    증기 발생기는 증기 스트림을 제공하고,
    상기 예비 개질기(3)는 탄소질 연료 공급원의 스트림 및 증기 발생기의 스트림에 연결되어 있고,
    상기 예비 개질기(3)는 적어도 수소, 일산화탄소, 그리고 비전환 탄소질 연료(20a)를 포함하는 제1 개질 가스(S1)를 생산하고,
    상기 탄소질 연료 공급원 및 증기 발생기의 스트림은 상기 예비 개질기(3)에 연결된 조절 밸브들(3b, 3c)에 의해 제1 부분(3d) 및 제2 부분(3e)으로 분할되고,
    상기 조절 밸브들(3b, 3c)은 상기 제1 부분(3d)을 상기 예비 개질기(3)로 공급하고, 상기 예비 개질기(3)를 제2 부분(3e)으로 바이패스 하고, 상기 예비 개질기(3) 이후의 제1 및 제2 부분(3d, 3e)을 상기 예비 개질기(3)에 연결된 복합 스트림(205)으로 결합하고, 그리고 상기 제1 및 제2 부분(3d, 3e)의 양을 제어하여 상기 복합 스트림(205)의 개질 속도를 제어하도록 구성되고,
    상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)은 상기 제1 개질 가스(S1) 및 상기 비전환 탄소질 연료(20a)를 얻기 위해 상기 예비 개질기(3)에 결합되어 있고,
    상기 전기 부하(6)는 제어 가능한 가변 전기 부하(6)이고,
    상기 예비 개질기(3)는 제어 가능한 가열원(9)에 열적으로 결합되어 있고, 그리고
    상기 제어 유닛(17)은 가변 전기 부하(6) 및 가열원(9)에 의해 제공된 열을 적어도 제어하여, 내부 개질 및 외부 개질을 독립적으로 제어하고, 이에 의해 전력(P) 및 생산되는 수소(80)의 양 사이의 비율을 제어하도록 구성되는, 복합 수소 및 전기 공급 시스템.
  16. 제15항에서,
    상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2)으로 외부 열을 제공하는 수단을 포함하는, 복합 수소 및 전기 공급 시스템.
  17. 제15항 또는 제16항에서,
    상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2) 뒤로 정제 수소(80)의 재순환이 없는, 복합 수소 및 전기 공급 시스템.
  18. 제15항 또는 제16항에서,
    제어가능 밸브(14)는 탄소질 연료 공급원과 유체적으로 연결되어 있고, 상기 제어 유닛(17)은 제어가능 밸브(14)에 의해 상기 예비 개질기(3)로의 탄소질 연료(20)의 스트림의 흐름(f)을 제어하고, 이에 의해 단위 시간당 생산되는 H2의 양과 단위 시간당 생산되는 전력(P)의 양을 제어하도록 구성되는, 복합 수소 및 전기 공급 시스템.
  19. 제15항에서,
    전기적 가열(500)이 상기 예비 개질기(3), 상기 증기 발생기(11), 그리고 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(2) 중 적어도 하나로 열을 제공하도록 구성되는 복합 수소 및 전기 공급 시스템.
  20. 제15항에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택(2) 및 외부 예비 개질기(3)를 포함하는 복합 수소 및 전기 공급 시스템(1)을 사용하는 방법으로, 외부 개질을 위한 가열원으로 오직 전력(P)만을 사용함으로써 탄소질 연료(20)를 수소로 변환시키고, 수소를 저장하고, 그리고 저장된 수소를 전력(P)으로 변환시키는, 복합 수소 및 전기 공급 시스템을 사용하는 방법.
  21. 제15항에 따른 복합 수소 및 전기 공급 시스템을 사용하는 방법으로, 전기 에너지의 생산과 소비 사이의 균형을 맞추기 위해 전기 그리드에서 사용하는, 복합 수소 및 전기 공급 시스템을 사용하는 방법.
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