KR20040057947A - 하이브리드 파워 플랜트 - Google Patents

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벙커로날드에스
발랜첼라파
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

하이브리드 파워 플랜트(hybrid power plant)(10)는 터빈(14)과, 터빈에 의해 구동되는 압축기(compressor)(12)와, 압축기와 흐름 통신(folw communication)하는 복열 장치(recuperator)(20)를 포함한다. 복열 장치는 터빈 배출(52)로부터의 열을 압축 공기로 전달하도록 구성되며, 적어도 하나의 연료 셀이 복열 장치와 흐름 통신하여 연료 셀에 신선한 공기를 제공한다.

Description

하이브리드 파워 플랜트{COOLED TURBINE INTEGRATED FUEL CELL HYBRID POWER PLANT}
전반적으로, 본 발명은 파워 플랜트(power plants)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 통합형 연료 셀을 포함하는 하이브리드 파워 플랜트에 관한 것이다.
소정의 하이브리드 파워 발생 시스템에서, 전기 파워 플랜트에서의 증가된 파워 발생 용량(효율성)을 위해 연료 셀은 종래의 가스 터빈과 통합되어 왔다. 예를 들면, 고체 산화물 연료 셀과 같은 알려진 연료 셀은 개질된 천연 가스와 같은 가스 연료를 공기와 반응시켜 전기 파워 및 고온 가스(hot gas)를 생성하는 복수의 고체 연료 셀을 포함한다. 가스 터빈 압축기는 고압 상태에서 동작되는 연료 셀에 공기를 공급하며, 연료 셀은 팽창을 위한 고온 가스를 터빈에 생성하게 된다. 연료 셀 스택 배출 공기는 연료 셀 스택 배출 연료와 조합되고, 결과적인 열 방출은 플랜트의 터빈 부분에서의 일(work)로 변환된다. 따라서, 고체 산화물 연료 셀 발생기 및 터빈 모두에 의해 전기 파워가 생성된다. 예를 들면, 미국 특허 제 5,413,879 호를 참조하면 된다. 그러나, 알려져 있는 그러한 시스템들은 몇 가지 양상에 있어서 바람직하지 못하다.
예를 들어, 연료 셀 스택은 전기를 발생하기 위해 생성된 물리적 및 열역학적 처리에 의해 부과되는 좁은 온도 한계 범위내에서 동작할 필요가 있다. 전형적으로, 재발생 열 교환기를 이용하여, 연료 셀의 인렛(inlet) 공기 스트림을 수용가능한 온도로 상승시킨다. 재발생 열 교환기는 파워 플랜트에 대해, 소정의 응용에서는 금지될 수 있는 상당한 비용 및 복잡성을 초래하게 된다.
더욱이, 일단 연료 셀에 대해 수용가능한 인렛 온도가 달성되면, 균일한 연료 셀 스택 온도 및 아울렛(outlet) 온도를 유지하는 것은, 때로는 연료 셀에서 전기를 화학적으로 발생하는데 요구되는 것을 상당히 초과하는 공기의 공급을 초래하게 된다. 연료 셀에서 균일한 온도를 유지하기 위해 이와 같이 과도한 공기를 공급하는 것은 커다란 압축 손실을 초래하는 경향이 있다. 과도한 공기를 제공하는 것은 플랜트의 터빈 부분의 인렛 온도를 감소시키고, 시스템의 전체 열역학적 효율성을 저해하는 경향이 있다.
또한, 고체 산화물 연료 셀은 통상적으로, 공급되는 연료 전부를 연료 셀의 인렛으로 변환하지 않는다. 연료 셀로부터의 아울렛 스트림의 성분은 평형 종(equilibrium species)과 함께 주로 CO, CO2, H2및 H2O를 포함한다. 부분적으로 사용된 연료를 연소시키는 수단이 없는 경우, 이들 구성 요소의 열량(heat content)이 낭비되어, 플랜트의 열역학적 효율성을 저하시키게 된다. 또한, 연료 셀에 대한 연료가 불완전하게 변환되는 경우, 바람직하지 못하게 비연소 탄화수소가 대기중으로 방출될 수 있다.
방출을 감소시키고, 열역학적 효율성을 향상시킨, 저가의 플랜트를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
하나의 양상에서, 하이브리드 파워 플랜트가 제공된다. 플랜트는 터빈과, 터빈에 의해 구동되는 압축기와, 압축기와 흐름 통신(folw communication)하는 복열 장치(recuperator)를 포함하며, 복열 장치는 터빈 배출로부터의 열을 압축 공기로 전달하도록 구성되며, 적어도 하나의 연료 셀이 복열 장치와 흐름 통신한다. 복열 장치는 연료 셀에 신선한 공기를 제공한다.
다른 양상에서, 하이브리드 파워 플랜트가 제공된다. 플랜트는 압축기와, 압축기를 구동하는 터빈과, 압축기와 흐름 통신하며 터빈 배출로부터의 열을 압축 공기로 전달하는 복열 장치를 포함한다. 적어도 하나의 연료 셀 스택이 복열 장치와 흐름 통신하여 연료 셀 스택에 공기를 제공하며, 연료 셀 스택은 음극 인렛 및 음극 아울렛을 포함하고, 음극 인렛은 복열 장치와 흐름 통신하여 압축 공기를 받아들인다. 송풍기(blower)는, 음극 인렛으로 들어가기 이전에, 복열 장치로부터의 공기와 음극 배출을 혼합하도록 구성된다.
다른 양상에서, 하이브리드 파워 플랜트가 제공된다. 플랜트는 압축기와, 압축기와 흐름 통신하는 복열 장치와, 복열 장치와 흐름 통신하는 고체 산화물 연료 셀 스택을 포함하여 연료 셀 스택에 공기를 제공한다. 연료 셀 스택은 음극 인렛 및 음극 아울렛을 포함하고, 음극 인렛은 복열 장치와 흐름 통신하여 압축 공기를 받아들인다. 음극 아울렛 및 음극 인렛은 음극 재순환 흐름 경로(cathode re-circulation flow path)를 통해 서로 흐름 통신하며, 복열 장치는 터빈의 배출로부터의 열을 음극 인렛으로 들어가기 이전에 압축 공기로 전달하도록 구성된다.
다른 양상에서, 하이브리드 파워 플랜트가 제공된다. 플랜트는 음극 인렛 및 음극 아울렛을 포함하는 고체 산화물 연료 셀 스택과, 음극 인렛에 공기를 공급하는 복열 장치를 포함하고, 음극 아울렛은 음극 재순환 흐름 경로를 따라 음극 인렛과 흐름 통신한다. 가스 터빈 부분은 터빈과, 터빈에 의해 구동되는 압축기와, 압축기로부터 공기를 받아들이는 복열 장치를 포함한다. 복열 장치는 터빈으로부터의 배출에 의해 가열되고, 터빈의 냉각제(coolant) 흐름 경로에 냉각제 공기 흐름을 제공하며, 터빈의 냉각제 흐름 경로는 음극 인렛과 흐름 통신하여 신선한 공기 공급을 제공한다. 송풍기는 음극 아울렛으로부터의 공기를 음극 인렛으로 재순환하도록 구성된다. 고체 산화물 연료 스택은 리포머(reformer)와 흐름 통신하는 양극 인렛을 더 포함한다. 양극 아울렛은 재순환 흐름 경로를 따라 리포머와 흐름 통신하며, 음극 아울렛은 음극 재순환 흐름 경로 이전에 리포머와 흐름 통신한다. 말단 가스 버너(tail gas burner)는 양극 아울렛 및 리포머와 흐름 통신하고, 가스 버너는 양극 아울렛으로부터의 연료 배출과 사용된 공기의 혼합물을 받아들인다. 말단 가스 버너는 연소 가스를 터빈에 배출한다.
다른 양상에서, 양극, 음극 및 그들 사이에 유지된 전해질을 포함하는 연료 셀을 포함하는 파워 플랜트가 제공되며, 음극은 음극 인렛 및 음극 아울렛을 갖는다. 복열 장치는 음극 인렛과 흐름 통신하며, 압축기는 복열 장치와 흐름 통신한다. 복열 장치는 열을 복열 장치로 전달하는 터빈 일 유체 흐름 경로와, 복열 장치로부터 터빈 냉각 유체 경로로 연장되는 리턴 공기 경로와, 복열 장치로부터의 공기 흐름의 일부를 복열 장치로 다시 전환하는 재순환 흐름 경로와, 복열 장치로부터 음극 인렛으로의 공기 공급 흐름 경로 중 적어도 하나와 흐름 통신한다.
다른 양상에서, 파워 플랜트가 제공된다. 플랜트는 양극, 음극 및 그들 사이에 유지된 전해질을 포함하는 연료 셀을 포함하고, 음극은 음극 인렛 및 음극 아울렛을 갖는다. 복열 장치는 연료 셀과 흐름 통신하고, 압축기는 복열 장치와 흐름 통신한다. 가스 터빈은 압축기로부터의 복열 장치 바이패스 경로와, 복열 장치로부터의 리턴 흐름 경로와, 음극 인렛 흐름 경로 중 적어도 하나와 흐름 통신하는 냉각 유체 경로를 포함하고, 가스 터빈은 복열 장치와 흐름 통신하고 열을 전달하는 일 유체 경로와, 일을 생성하는 말단 가스 버너 배출 경로와, 일을 생성하는 촉매 챔버 배출 경로를 더 포함한다.
또다른 양상에서, 가스 터빈 및 연료 셀을 통합하는 방법이 제공된다. 연료 셀은 음극 인렛 및 음극 아울렛과, 양극 인렛 및 양극 아울렛을 포함한다. 본 방법은 압축기 및 복열 장치를 이용하며, 터빈은 냉각 유체 경로 및 일 유체 경로를 포함한다. 본 방법은 복열 장치에 압축 공기 흐름을 도입하고, 터빈 배출을 복열 장치에 도입하여 압축 공기를 가열하고, 복열 장치로부터의 가열된 압축 공기를 음극 인렛에 도입하고, 연료 흐름을 양극 인렛에 도입하고, 공기 흐름을 연료 셀내의 연료 흐름과 전기 화학적으로 반응시켜 양극 아울렛 흐름, 음극 아울렛 흐름 및 전력을 발생하는 것을 포함하고, 양극 아울렛 흐름 및 음극 아울렛 흐름은 각각, 양극 인렛 흐름 및 음극 인렛 흐름보다 높은 온도에서 존재한다.
도 1은 예시적인 통합형 연료 셀 하이브리드 파워 플랜트의 개략도,
도 2는 도 1에 도시된 파워 플랜트에 대한 예시적인 연료 셀 스택의 개략도,
도 3은 도 1에 도시된 파워 플랜트에 대한 예시적인 연료 셀 모듈의 투시도,
도 4는 통합형 연료 셀 하이브리드 파워 플랜트의 제 2 실시예에 대한 개략도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 파워 플랜트 12 : 압축기
14 : 터빈 16 : 회전자
18 : 발생기 20 : 복열 장치
22 : 복열 장치 리턴 흐름 경로 24 : 재순환 흐름 경로
26 : 복열 장치 바이패스 흐름 경로 28 : 스택 공기 공급 흐름 경로
30 : 연료 범프 32 : 탈황 장치
34 : 연료 셀 스택 36 : 리포머
38 : 말단 가스 버너 40 : 전해질 챔버
42 : 송풍기 50 : 압축 공기 스트림
52 : 터빈 배출 스트림 54 : 가열된 압축 공기
56 : 음극 인렛 70 : 연료 셀 상호접속부
72 : 연료 셀 유닛 74 : 양극
76 : 음극 78 : 전해질
80 : 최상부 단부판 82 : 최하부 단부판
100 : 연료 셀 모듈 102 : 연료 셀 용기
106 : 음극 아울렛 108 : 양극 인렛
110 : 양극 아울렛 112 : 배관
120 : 음극 배출 스트림 122 : 음극 재순환 흐름 경로
124 : 음극 재순환 흐름 경로 130 : 탈황화된 연료
132 : 개질된 연료 134 : 양극 배출 스트림
136 : 연료 재순환 흐름 경로 137 : 흐름 경로 접합부
138 : TGB 배출 139 : 개질된 공기 스트림
140 : 정화된 공기 142 : 정화된 배출 스트림
144 : 파워 격자 200 : 하이브리드 파워 플랜트
도 1은 서로 연결되어 전기를 생성하는 터빈 부분 및 연료 셀 부분을 포함하는 예시적인 통합형 가스 터빈 및 연료 셀 하이브리드 파워 플랜트(10)를 개략적으로 도시한다. 터빈 부분은 압축기(12)와, 터빈(14)과, 터빈이 압축기를 구동하는데 이용하는 회전자(rotor)(16)와, 전기 발생기(18)와, 복열 장치(20)를 포함한다. 연료 셀 부분은 연료 펌프(30)와, 탈황 장치(de-sulfurizer)(32)와, 연료 셀 스택(34)과, 연료 셀 스택(34)용 연료 프리포머(36)와, 말단 가스 버너(38)와, 촉매 챔버(40)와, 배출 송풍기(42)를 포함한다. 플랜트(10)의 기본적인 구성 요소는 잘 알려져 있지만, 이하에 상세히 설명된 바와 같이, 시스템의 성능 및 효율성을 향상시키기 위해 플랜트 구성 요소와 재순환 흐름 경로를 전략적으로 상호접속함으로써, 알려진 플랜트와 관련된 효율성 향상이 얻어지게 된다. 이하의 내용으로부터 알 수 있듯이, 플랜트 효율성은 연료 셀 부분으로부터 배출된 공기 및 연료 스트림을 재순환시켜 시스템의 연료 셀 및 터빈 부분내의 공기 및 연료 스트림으로부터 가능한한 많은 일을 추출하고, 연료 셀 부분의 이점을 위해 터빈 부분에서 발생된 열을 이용함으로써 향상된다.
동작시에, 압축기(12)는 고정 밴(stationary vanes) 및 회전 블레이드(rotating blades)를 포함하는 다단(melti-stage) 압축기이고, 압축기(12)는 주위 공기를 유도하여 압축기(12)의 아울렛에서 압축 공기 스트림(50)을 생성한다. 압축 공기 스트림(50)은 흐름 경로를 따라 복열 장치(20) 쪽으로 유도되며, 복열 장치(20)는 분리된 흐름 경로를 포함하는 알려진 유형의 열 교환기이다. 압축 공기 스트림은 하나의 복열 흐름 경로에서 복열 장치(20)로 들어가고, 터빈 배출 스트림(52)은 다른 복열 장치 흐름 경로에서 복열 장치(20)로 전달되며, 그로 인해 터빈 배출로부터의 열이, 압축 공기 스트림(50)과 터빈 배출 스트림(52)을 혼합하지 않고서도, 압축기 아울렛으로부터의 압축 공기 스트림(50)으로 전달된다.따라서, 압축 공기 스트림(50)이 터빈 배출 스트림(52)에 의해 복열 장치(20)내에서 가열된다. 터빈 배출(52)로 압축 공기 스트림(50)을 가열함으로써, 연료 셀 옥시던트의 온도를 상승시키기 위한 종래의 가열기 및/또는 재발생 열 교환기의 비용이 필요하지 않게, 터빈 배출 스트림(52)이, 대기중으로 방출되기 전에, 냉각된다.
터빈(14)을 더 냉각하기 위해, 리턴 흐름 경로(22)는 복열 장치(20)로부터 터빈(14)내의 냉각제 경로로 공기 흐름을 제공한다. 당업자라면 알 수 있듯이, 터빈(14)은 각각의 냉각제 및 일 기능을 위해 냉각제 경로 및 일 유체 경로를 포함한다. 냉각제 경로 및 일 경로는, 경로내 유체의 혼합을 방지하기 위해 서로 분리되지만, 그 경로들은 서로 열 전달 관계에 있어, 터빈 일 유체 경로로부터 터빈 냉각제 유체 경로로 열이 전달될 수 있도록 한다. 복열 장치 리턴 흐름 경로(20)가 터빈 냉각제 경로와 유체 통신 중일 때, 압축기(12)로부터의 신선한 공기가 리턴 경로(22)를 통해 흘러 터빈(14)에 냉각 공기 흐름을 제공한다. 터빈의 구조적 구성 요소에 대한 열 부하를 감소시킴으로써, 터빈(14)의 동작 수명이 연장되고, 터빈의 성능이 향상된다. 리턴 경로(22)를 통한 터빈(14)으로의 공기 흐름은, 사용중인 터빈(14)에 대해 최적의 냉각을 제공하도록 조절될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 재순환 경로(24)(도 1의 팬텀(phantom)으로 도시됨)를 제공하여, 리턴 경로(22)내의 공기의 일부를 복열 장치(20)로 다시 전환할 수 있으며, 그것은 복열 장치(20)에서 터빈 배출(52)에 의해 다시 가열된다. 대안적인 다른 실시예에서, 압축기(12)로부터의 냉각 공기는 복열 장치 바이패스 흐름경로(26)를 통해 터빈(14)의 냉각제 경로로 직접 공급될 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에서는, 복열 장치 리턴 경로(22), 재순환 경로(24) 및 복열 장치 바이패스 흐름 경로(26)의 다양한 조합을 이용하여, 플랜트(10)의 가스 터빈 부분의 최적의 동작을 위해 터빈(14)에 대해 적절한 냉각 및 재순환 공기 흐름을 제공할 수 있음을 고려할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 복열 장치(20)로부터의 가열된 압축 공기 스트림은 리턴 경로(22)를 통해 터빈(14)의 냉각제 경로로 흐르고, 터빈(14)으로부터의 열은 리턴 공기(22)를 더 가열하여, 연료 셀 스택(34)의 음극 인렛(56)과 흐름 통신하는 가열된 압축 공기 스트림(54)을 제공함으로써, 그곳에 옥시던트를 제공한다. 이와 달리, 다른 실시예에서는, 가열된 압축 공기가 터빈(14)을 통과하지 않고서, 복열 장치(20)로부터 공기 공급 경로(28)(도 1의 팬텀으로 도시됨)를 통해 음극 인렛(56)으로 직접 공급될 수 있다. 또한, 다른 실시예에서는, 공기가 흐름 경로(54) 및 흐름 경로(28) 모두로부터 연료 스택(34)으로 공급될 수 있음을 알 수 있다. 또다른 실시예에서, 재순환 흐름 경로가 흐름 경로(28 및/또는 54)로부터 터빈 냉각 경로로 연장되어, 터빈(14)에 냉각제 흐름을 공급하는 리턴 경로(22) 대신에 또는 그에 추가하여 터빈의 또다른 또는 대안적인 냉각을 수행할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 그리고 도 2에 도시된 바와 같은 알려진 연료 셀에 따라, 연료 셀 스택(34)은 다수의 상호접속부(70)를 포함하며, 각각의 상호접속부(70)는 연료 매니폴드(fuel manifold)를 정의한다. 또한, 각각의 상호접속부(70)는 상호접속부(70)를 가로질러 옥시던트 또는 연료와 같은반응물(reagent)을 흐르게 하는 적어도 하나의 흐름 필드를 포함한다. 상호접속부(70)에서의 예시적인 흐름 필드는 충분한 도전성, 레지스트 산화를 갖고, 기계적 강도를 유지하는 금속으로 형성되며, 연료 셀의 동작 조건하에서 화학적으로 안정적이다.
또한, 연료 셀 스택(34)은 양극(74), 음극(76), 양극(74)과 음극(76) 사이에 유지된 전해질(78)을 포함하는 적어도 하나의 연료 셀 유닛(72)을 포함한다. 전해질(78)은 연료 및 옥시던트 모두에 대해 불침투성이다. 대안적인 실시예에서는 연료 셀 유닛(70)이 예를 들면, PEM(proton exchange membrane) 전해질, 용융 탄산염 전해질(molten carbonate electrolytes) 또는 연료 셀 스택(34)에서 사용하기에 적합한 다른 알려진 전해질 물질을 포함하는 것으로 고려되지만, 예시적인 실시예에서, 연료 셀 유닛(70)은 YSZ(yttria stabilized zirconia), 세리아 도핑 산화지르코늄(ceria-doped zirconia) 또는 란탄 스트론튬 갈륨 망간산염(lanthanum strontium gallium manganate)과 같은 고체 전해질을 전도하는 산소 이온을 갖는 고체 산화물 연료 셀(SOFC) 유닛이다. 본 명세서에서 설명 및 예시된 바와 같이, 연료 셀(34)은 단지 예시적인 목적으로 개시된 것이며, 본 발명의 영역 및 정신을 벗어나지 않고서도, 다양한 연료 셀이 본 명세서에서 개시된 흐름 경로 방안으로부터 이점을 얻을 수 있음을 이해할 것이다.
양극(74)은 각각의 상호접속부(70)에 인접하여 위치되며, 상호접속부(70)와 전기 접속 및 유체 통신하도록 구성된다. 상호접속부(70)의 흐름 필드는 전기 접속 및 유체 통신 모두를 제공하며, 흐름 필드는 연료 흡입 매니폴드(fuel intakemanifold)로부터의 연료 흐름을 양극(74)의 표면을 거쳐 연료 배출 매니폴드로 인도하도록 구성된다. 마찬가지로, 음극(76)은 상호접속부(70)에 인접하여 위치되며, 상호접속부(70)와 전기 접속 및 유체 통신하도록 구성된다. 상호접속부(70)의 흐름 필드는 음극(76)에 대해 전기 접속을 제공하며, 공기와 같은 옥시던트 흐름을 음극(76)의 표면을 거쳐 인도하도록 구성된다. 상호접속부(70)는 다수의 실링 피처(sealing features)를 포함하여, 음극(76)상의 연료 흐름 및 양극(74)상의 옥시던트 흐름을 방지한다.
스택 양단에 보다 큰 전압을 발생하기 위해, 연료 셀 스택(34)은 수직 스택으로 배열된 다수의 평탄한 연료 셀 유닛(72)을 포함한다. 당업자라면 알 수 있듯이, 도 2에 도시된 3개의 평탄 연료 셀 유닛(72)의 특정 구성은 단지 예시를 위한 것이며, 스택(34)에 포함된 평탄 연료 셀 유닛(72)의 특정 개수는 스택(34)의 파워 요건에 따라 변할 것이다. 예시된 실시예에서, 2개 쌍의 인접한 평탄 연료 셀 유닛(72) 각각은 상호접속부(70)를 공유하고, 상호접속부(70)는 인접한 평탄 연료 셀 유닛(70)들 중 하나의 양극(74)과 인접하여 전기적으로 접속되며 유체 통신하고, 다른 인접한 평탄 연료 셀 유닛(72)의 음극(76)과 유체 통신한다. 이러한 특정 실시예의 경우, 인접한 평탄 연료 셀 유닛(72)에 의해 공유되는 각각의 상호접속부(70)는 전기 접속을 위해 각 측면상에 흐름 필드를 포함하여, 이웃하는 평탄 연료 셀 유닛(70)의 인접한 양극(74) 및 음극(76)에 대해 유체 통신을 제공한다. 예시된 실시예는 평탄 연료 셀 유닛을 포함하지만, 관 모양(tubular) 연료 셀 유닛을 포함하지만 이것에 한정되지 않는 다른 알려진 연료 셀 유닛이 다른 실시예에서이용될 수 있음을 알 것이다.
스택(34)을 닫고, 평탄 연료 셀 유닛(72)으로부터 전류를 수집하기 위해, 연료 셀 스택(34)은 평탄 연료 셀 유닛(72)들 중 상부의 유닛상에 배치되는 최상부 단부판(80)과, 평탄 연료 셀 유닛(72)들 중 하부의 유닛 아래에 배치되는 최하부 단부판(82)을 포함한다. 단부판(80, 82)은 전류 수집을 위해 적응되며, 예시적인 최상부 및 최하부 단부판(80, 82)은 페라이트 스테인레스 강철(ferritic stainless steel)로 형성된다. 또한, 단부판(80, 82)은 연료 셀 스택(34)을 덮어, 연료 및 옥시던트가 연료 셀 스택(10)을 우회(bypassing)하지 않도록 방지한다. 예시된 실시예에서, 두 개의 단부판(12, 14) 사이의 전위는 연료 셀 스택(34)의 총 전압이며, 각각의 셀(72)의 전압들의 합과 동일하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 연료 셀 스택(34)은 옥시던트, 예를 들면 공기를 수신 및 배출하도록 각각 구성된 인렛(56) 및 아울렛(106)을 갖는 용기(102)를 포함하는 모듈(100)내에 통합될 수 있다. 용기(102)내의 링(ring)에 다수의 연료 셀 스택(34)이 배열된다. 적어도 하나의 연료 셀 스택(34)은 연료 인렛(108)을 갖고, 적어도 하나의 연료 셀 스택(34)은 연료 아울렛(110)을 가지며, 이들 각각은 연료 흐름을 수신 및 배출한다. 배관(piping)(112)은 스택들(34)을 연결하여, 하나의 스택으로부터 다른 스택으로 연료 흐름을 제공한다. 각각의 연료 셀 스택(34)은 연료 흡입 및 배출 매니폴드와 옥시던트 흡입 및 배출 매니폴드를 포함하여, 연료 셀 스택(34)의 상호접속부(70)(도 2에 도시됨)로부터 연료 흐름 및 옥시던트 흐름을 수신 및 배출한다.
공기 인렛(56) 및 공기 아울렛(106)은, 그들이 연료 셀(34)의 음극에 대한 옥시던트 공기 흐름을 각각 제공하기 때문에, 본 명세서에서 음극 인렛 및 음극 아울렛으로서 각각 지칭된다. 마찬가지로, 연료 인렛(108) 및 연료 아울렛(110)은, 그들이 연료 셀(34)의 양극에 대한 연료 흐름을 각각 제공하기 때문에, 본 명세서에서 양극 인렛 및 양극 아울렛으로서 지칭된다.
도 1을 다시 참조하면, 터빈(14)의 냉각제 경로로부터의 가열된 압축 공기 스트림(54)은 음극 인렛(56)을 통해 연료 셀 스택(34)으로 들어가고, 스택(34)내의 연료 셀 유닛을 통해 흘러, 연료 셀 유닛을 통해 또한 흐르는 연료(이하에 기술됨)와의 화학적 반응을 발생시키는 전기를 제공한다. 사용된(즉, 산소가 고갈된) 공기(120)는 연료 스택(34)으로부터 음극 아울렛(106)을 통해 배출되고, 송풍기(42)와 같은 압력 증가 장치와 흐름 통신하는 저압 재순환 흐름 경로(122)로 부분적으로 전환된다. 송풍기(42)는 공기의 압력을 상승시키고, 그 공기를 고압 재순환 흐름 경로(124)로 방출하여, 압축 및 가열된 공기 스트림(54)으로 다시 공급되는 재순환 공기 스트림을 음극 인렛(56)에 제공한다. 따라서, 재순환 흐름 경로(124)에서의 재순환된 공기 스트림은 흐름 경로 접합부(126)에서 신선한 공기 스트림(54)과 혼합된다. 연료 셀 스택(24)으로부터 방출된 재순환된 사용 공기와 재순환 흐름 경로(124)를 통한 신선한 공기의 혼합은 몇 가지 측면에 있어서 유리하다.
예를 들어, 연료 셀 스택(34)으로부터의 고온 배출 공기의 재순환 및 그것을 압축 공기(54)로부터의 신선한 공기와 혼합하는 것은 직접적인 부피(mass) 및 열전달 처리에 의해 음극 인렛(56)에서의 공기 온도를 상승시킨다. 따라서, 종래 시스템에서의 열 교환기에 의해 제공된 확산 열 전달에 대한 필요성이 제거된다. 압축 공기(50)를 가열하기 위해 복열 장치(20)에서의 터빈 배출 흐름(52)과 결합되면, 복열 장치(20)와 같은 상당히 낮은 비용 및 덜 복잡한 열 교환기가 이용될 수 있다.
또한, 흐름 경로(124)를 경유한 연료 셀 스택 배출(106)로부터의 재순환 공기는 음극 인렛(56)에서 연료 셀 스택(34)에 대해 공기 부피 흐름율을 증가시키고, 증가된 시스템 성능을 위해 실질적으로 일정한 전체 시스템 공기 흐름율이 되도록 한다. 음극 인렛(56)에서의 스택(34)에 대한 증가된 공기 부피 흐름은 스택내에서 보다 큰 온도 균일성을 발생시키고, 연료 셀 스택(34)의 성능을 더 향상시킨다. 이와 같이, 소정의 일정한 범위의 스택 온도에 대해 보다 높은 연료 흐름율이 가능하게 된다. 실질적으로 일정한 전체 시스템 공기 흐름에서의 보다 높은 연료 흐름율은 전체 과도 공기의 양을 감소시킴으로써, 이하에 설명된 바와 같이, 터빈(14)의 분사(firing) 온도를 상승시키고, 전체 시스템 성능을 향상시킨다.
또한, 흐름 경로(124)를 통한 신선한 공기 공급(54)과 혼합된 충분한 양의 재순환 공기에 의해, 연료 셀 스택의 화학양론적 동작(stoichiometric operation)의 한계가, 인렛되는 신선한 공기에 비교적 근접할 수 있다.
더욱이, 재순환 공기 흐름 경로(124)는 연료 셀 스택(34)에서의 O2농도의 음극 집중을 효율적으로 감소시키며, 그것은 고온 연료 셀에서의 주된저하(degradation) 메카니즘으로서 알려져 있다. 따라서, 재순환 공기 흐름 경로(124)는 고온 연료 셀 스택의 향상된 성능 및 연장된 수명을 제공하는 것으로 생각된다.
재순환을 위해 송풍기(42)로 전환되지 않은 음극 배출(120)의 일부는 가스 탄화수소가, 예를 들면, 증기 및 니켈 촉매의 존재시에 수소 및 탄소 일산화물로 개질될 수 있는 리포머(36)로 흐른다. 음극 배출(120)로부터의 열이 리포머(36)로 전달되고, 리포머(36)는 연료 셀 스택(34)으로 들어가기 이전에 리포머(36)로 흐르는 냉각기 연료(이하 기술됨)를 가열한다. 다른 실시예에서, 외부 연료 리포머(36)에서 또는 연료 셀 스택(34)과 통합된 리포머에서 연료 개질이 수행될 수 있다.
다른 실시예에서는 천연 가스 또는 석탄 추출(coal derived) 연료 가스일 수 있는 가스 연료는 탈황 장치(de-sulferizer)(32)를 통해 연료 펌프(30)에 의해 구동되며, 예시적인 실시예에서 탈황 장치(32)는 연료가 흐르는 황 솔벤트(sulfur sorbent)의 베드(bed)를 포함하는 용기를 포함한다. 터빈 배출(52)로부터의 열은 탈황 장치(32)로 전달되어, 그 안의 연료가 플랜트(10)로부터 배출되기 전에 가열한다. 따라서, 탈황 장치(32)에 대한 외부 가열기의 복잡성 및 비용이 필요하지 않고, 터빈 배출은 플랜트로부터 방출되기 전에 냉각된다.
탈황화된 연료(130)는 탈황 장치(32)로부터 리포머(36)로 흘러, 연료가 연료 셀 스택(34)의 연료 셀로 들어가기 전에 그곳에서 개질될 수 있도록 한다. 예를 들어, 연료는 그 성분을 메탄 또는 천연 가스로부터 연료 셀에서의 반응을 위해 수용가능한 성분(예를 들면, 수소, CO2및 물)으로 변경하도록 개질된다. 그곳에서 일단 처리되면, 개질된 연료(132)는 리포머(36)로부터 양극 인렛(108)으로, 그리고 스택(34)의 연료 셀로 흐른다. 연료 셀에서 일단 소모되면, 사용된 연료(134)는 양극 배출(110)을 통해 연료 셀 스택(34)으로부터 배출된다. 배출된 연료(134)의 일부는, 접합부(137)에서 신선한 탈황화된 연료(130)와 혼합하는 재순환 연료 스트림 흐름 경로(136)로 전환된다. 재순환 흐름 경로(136)를 경유한 고온 배출 연료의 재순환은 또한 외부 연료 가열기를 필요하지 않게 하며, 비사용 연료를 연료 셀 스택(34)으로 재도입하여, 시스템에서의 연료 효율성을 향상시킨다. 배출된 연료의 재순환은, 당업자라면 알 수 있듯이, 예를 들면, 송풍기, 배출기 범프, 다른 압력 증가 장치 등으로 수행될 수 있다. 다른 및/또는 대안적인 실시예에서, 개질을 용이하게 하기 위해 증기가 연료에 도입될 수 있다.
재순환 스트림 흐름 경로(136)로 전환되지 않은 배출 연료(134)의 일부는 연소를 위해 말단 가스 버너(38)로 공급된다. 연료 셀 스택(34)으로부터의 사용된(즉, 산소가 고갈된) 공기(139)의 일부는 말단 가스 버너(38)로 또한 공급되며, 말단 가스 버너(38)에서, 사용된 공기(139)와 배출 연료(134)의 혼합물이 연소된다. 연소 배출(138)은 가스 터빈(14)내의 일 유체 경로로 공급되어, 터빈(14)에서의 가스의 팽창을 위해 부가된 열 및 압력을 제공한다. 말단 가스 버너(38)로 흐르지 않는 사용된 공기(139)의 일부는 말단 가스 버너 바이패스 흐름 경로에서 촉매 챔버(40)로 인도되어, 그곳의 공기를 정화한다. 촉매 챔버(40)로부터의 정화된 공기(140)는 터빈(14)의 일 유체 흐름 경로로 들어가기 이전에 말단 가스 버너(38)의 배출(138)과 혼합되어, 가스 터빈(14)으로 공급되는 정화된 배출 스트림(142)을 생성함으로써, 플랜트(10)로부터의 방출을 감소시킨다.
촉매 챔버(40)는 예시적인 실시예에 있어서 유리한 것으로 생각되지만, 본 발명의 이점은 본 발명의 영역을 벗어나지 않고서도, 촉매 챔버가 없는 경우에도 이해될 수 있음을 알 것이다.
말단 가스 버너(38)에서의 사용된 공기(139) 및 배출 연료(134)의 주입을 제어함으로써, 연료/공기 혼합이 기대되고, 가연성 한계 범위내에 있는 것을 보장할 수 있다. 따라서, 사실상 배출 연료 스트림(134)에 남아있는 연료 성분이 말단 가스 버너에서 연소되고, 그로 인해 시스템에서의 연료를 완전히 이용하고, 플랜트(10)로부터의 배출에서의 연료의 방출을 방지하게 된다.
말단 가스 버너(38) 및 촉매 챔버(40)로부터의 고온 배출(142)은 가스 터빈(14)의 일 유체 경로에 공급되고, 배출의 열역학적 팽창은 일을 발생시키고, 터빈을 구동하는 원동력을 발생시키며, 터빈은 발전기(18)내에 전기를 발생한다. 발전기(18) 및 연료 셀 스택(34)으로부터의 전기는 적절한 형태로 변환되며, 도 1에서 격자(144)로서 도시된 분배 파워 공급 네트워크로 전달된다.
적어도 위에서 개시된 이유로 인해, 파워 플랜트(10)는 연료 셀 스택을 원하는 온도로 유지하기 위한 종래의 열 교환기의 복잡성 및 비용을 회피하면서, 재순환 흐름 경로를 통해 연료 셀 스택의 터빈 구조 냉각 및 향상된 온도 제어를 제공하고, 알려진 시스템과 관련하여 보다 우수한 전체 플랜트 성능을 제공한다. 또한, 연료 셀 스택 음극 배출의 재순환은 연료 셀 스택에 대한 인렛 공기 온도 제어를 용이하게 하고, 연료 셀 스택은 온도 상승의 보다 정확한 제어 및 연료 셀 스택내의 균일성을 제공한다. 연료 셀 스택 음극 배출의 재순환은 향상된 터빈 섹션 인렛 온도를 제공하여 터빈에 보다 많은 일을 제공하고, 감소된 음극측 산화를 통해 향상된 성능 보전을 제공하며, 화학양론적 조건에서의 연료 셀 스택 동작을 허용하고, 플랜트 배출을 대기중으로 방출하기 이전에 배출 후처리를 간략화한다.
도 4는 파워 플랜트(10)(도 1에 도시됨)의 기본적인 구성 요소를 공유하는 통합형 연료 셀 하이브리드 파워 플랜트(200)의 제 2 실시예의 개략도이며, 동일한 특징부는 동일한 참조 부호로 표시되어 있다.
플랜트(200)의 가스 터빈 부분에서, 압축기(12)는 압축 공기를 복열 장치(20)에 공급하며, 복열 장치(20)내의 압축 공기는 전술한 바와 같이 터빈 배출(52)에 의해 가열된다. 리턴 흐름 경로(22)는 가열된 압축 공기(22)를 열 전달 관계로 터빈(14)에 공급하여, 공기를 더 가열하고, 가열 공기 스트림을 연료 셀 스택(34)의 음극 인렛(56)에 생성한다. 다른 및/또는 대안적인 실시예에서, 복열 장치 재순환 경로(24)(도 4의 팬텀으로 도시됨), 복열 장치 바이패스 경로(26)(도 4의 팬텀으로 도시됨) 및/또는 음극 공기 공급 경로(28)(도 4의 팬텀으로 도시됨)는 터빈(14)의 구조적 냉각 및 연료 셀 스택(34)의 음극 인렛에서의 인렛 공기 온도의 온도 제어를 용이하게 하도록 제공될 수 있다. 연료 셀 스택(34)에서, 공기가 연료와 반응하여, 전술한 바와 같은 전기를 발생한다.
음극 아울렛(106)으로부터 배출된 사용된 공기(120)는 리포머(36)로 전달된다. 그로 인해, 음극 배출(120)로부터의 열은 리포머(136)로 전달되고, 리포머(136)는 리포머(36)를 흐르는 냉각기 연료를 연료 셀 스택(34)으로 들어가기 이전에 가열한다. 따라서, 음극 배출은 사용된 정화 공기(139)로서 리포머(36)로부터 방출된다. 사용된 공기(139)의 일부는 송풍기(42)와 유체 통신하는 저압 재순환 흐름 경로(122)로 전환된다. 송풍기(42)는 공기의 압력을 상승시키고, 경로(122)내의 사용된 공기를 고압 재순환 흐름 경로(124)로 방출하며, 그곳에서 연료 셀 스택(34)으로 들어가기 이전에 가열된 압축 공기(54)와 혼합된다. 재순환 경로(124)를 통해 음극 배출과 신선한 공기(54)를 혼합하는 것의 이점에 대해서는 전술한 바와 같다.
다른 실시예에서는 천연 가스 또는 석탄 추출 연료 가스일 수 있는 가스 연료는 탈황 장치(32)를 통해 연료 펌프(30)에 의해 구동된다. 터빈 배출(52)로부터의 열은 탈황 장치(32)로 전달되어, 연료가 플랜트(10)로부터 배출되기 전에 그것을 가열한다. 따라서, 탈황 장치(32)에 대한 외부 가열기의 복잡성 및 비용이 필요하지 않게 되고, 터빈 배출은 플랜트로부터 방출되기 전에 냉각된다.
탈황화된 연료(130)는 탈황 장치(32)로부터 리포머(36)로 흘러, 연료가 연료 셀 스택(34)의 연료 셀로 들어가기 이전에 그곳에서 개질될 수 있도록 한다. 예를 들어, 연료는 그 성분을 메탄 또는 천연 가스로부터 연료 셀에서의 반응을 위해 수용가능한 성분(예를 들면, 수소, CO2및 물)으로 변경하도록 개질된다. 그곳에서 일단 처리되면, 개질된 연료(132)는 리포머(36)로부터 양극 인렛(108)으로, 그리고 스택(34)의 연료 셀로 흐른다. 연료 셀에서 일단 소모되면, 사용된 연료(134)는 양극 배출(110)을 통해 연료 셀 스택(34)으로부터 배출된다. 배출된 연료(134)의 일부는, 접합부(137)에서 신선한 탈황화된 연료(130)와 혼합하는 재순환 연료 스트림 흐름 경로(136)로 전환된다. 재순환 흐름 경로(136)를 경유한 고온 배출 연료의 재순환은 또한 외부 연료 가열기를 필요하지 않게 하며, 비사용 연료를 연료 셀 스택(34)으로 재도입하여, 시스템에서의 연료 효율성을 향상시킨다.
재순환 스트림 흐름 경로(136)로 전환되지 않은 배출 연료(134)의 일부는 연소를 위해 말단 가스 버너(38)로 공급된다. 연료 셀 스택(34)으로부터의 사용된(즉, 산소가 고갈된) 공기(139)의 일부는 말단 가스 버너(38)로 또한 공급되며, 말단 가스 버너(38)에서, 사용된 공기(139)와 배출 연료(134)의 혼합물이 연소된다. 연소 배출(138)은 가스 터빈(14)에 공급되어, 터빈(14)에 부가된 열 및 압력을 제공한다. 말단 가스 버너(38)로 흐르지 않는 사용된 공기(139)의 일부는 말단 가스 버너 바이패스 흐름 경로 및 촉매 챔버(40)로 인도되어, 그곳의 공기를 정화한다. 촉매 챔버(40)로부터의 정화된 공기(140)는 터빈(14)으로 들어가기 이전에 말단 가스 버너(38)의 배출(138)과 혼합되어, 가스 터빈(14)의 일 유체 경로로 공급되는 정화된 배출 스트림(142)을 생성함으로써, 플랜트(200)로부터의 방출을 감소시킨다.
촉매 챔버(40)는 예시적인 실시예에 있어서 유리한 것으로 생각되지만, 본 발명의 이점은 본 발명의 영역을 벗어나지 않고서도, 촉매 챔버가 없는 경우에도 이해될 수 있음을 알 것이다.
말단 가스 버너(38)에서의 사용된 공기(139) 및 배출 연료(134)의 주입을 제어함으로써, 연료/공기 혼합이 기대되고, 가연성 한계 범위내에 있는 것을 보장할 수 있다. 따라서, 사실상 배출 연료 스트림(134)에 남아있는 모든 연료 성분이 말단 가스 버너에서 연소되고, 그로 인해 시스템에서의 연료를 완전히 이용하고, 플랜트(10)로부터의 배출에서의 연료의 방출을 방지하게 된다.
말단 가스 버너(38) 및 촉매 챔버(40)로부터의 고온 배출(142)은 가스 터빈(14)의 인렛에 공급되고, 배출의 열역학적 팽창은 일을 발생시키고, 터빈을 구동하는 원동력을 발생시키며, 터빈은 발전기(18)내에 전기를 발생한다. 발전기(18) 및 연료 셀 스택(34)으로부터의 전기는 적절한 형태로 변환되며, 도 1에서 격자(144)로서 도시된 분배 파워 공급 네트워크로 전달된다.
적어도 위에서 개시된 이유로 인해, 파워 플랜트(200)는 연료 셀 스택을 원하는 온도로 유지하기 위한 종래의 열 교환기의 복잡성 및 비용을 회피하면서, 재순환 흐름 경로를 통해 연료 셀 스택의 터빈 구조 냉각 및 향상된 온도 제어를 제공하고, 알려진 시스템과 관련하여 보다 우수한 전체 플랜트 성능을 제공한다. 또한, 연료 셀 스택 음극 배출의 재순환은 연료 셀 스택에 대한 인렛 공기 온도 제어를 용이하게 하고, 연료 셀 스택은 온도 상승의 보다 정확한 제어 및 연료 셀 스택내의 균일성을 제공한다. 연료 셀 스택 음극 배출의 재순환은 향상된 터빈 섹션 인렛 온도를 제공하여 터빈에 보다 많은 일을 제공하고, 감소된 음극측 산화를 통해 향상된 성능 보전을 제공하며, 화학양론적 조건에서의 연료 셀 스택 동작을 허용하고, 플랜트 배출을 대기중으로 방출하기 이전에 배출 후처리를 간략화한다.
플랜트(200)와 플랜트(10)(도 1에 도시됨)를 비교하면, 플랜트(200)는 플랜트(10)와 관련하여 보다 우수한 전체 플랜트 성능 및 효율성을 제공하고, 플랜트(10)는 터빈에 대한 냉각을 플랜트(200)보다 많이 제공함을 분석할 수 있다.
본 발명은 다양한 특정 실시예의 관점에서 기술되었지만, 당업자라면, 특허 청구 범위의 정신 및 영역내에서 본 발명을 변형하여 실시할 수 있음을 알 것이다.
본 발명에 따르면, 방출을 감소시키고, 열역학적 효율성을 향상시킨, 저가의 플랜트를 제공할 수 있다.

Claims (9)

  1. 하이브리드 파워 플랜트(hybrid power plant)(10)에 있어서,
    터빈(14)과,
    상기 터빈에 의해 구동되는 압축기(12)와,
    상기 압축기와 흐름 통신(flow communication)하며, 터빈 배출(turbine exhaust)(52)로부터의 열을 압축 공기로 전달하도록 구성되는 복열 장치(recuperator)(20)와,
    상기 복열 장치와 흐름 통신하는 적어도 하나의 연료 셀(72)―상기 복열 장치는 상기 연료 셀에 신선한 공기를 제공함―을 포함하는
    하이브리드 파워 플랜트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 셀(72)은 음극 인렛(cathode inlet)(56) 및 음극 아울렛(cathode outlet)(106)을 포함하고, 상기 음극 인렛은 상기 복열 장치(20)와 흐름 통신하여 압축 공기를 받아들이는 하이브리드 파워 플랜트.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복열 장치(20)와 상기 터빈(14)의 냉각제 흐름 경로(coolant flow path) 사이의 리턴 흐름 경로(22)를 더 포함하되, 상기 복열 장치는 상기 리턴 흐름 경로를 통해 상기 터빈에 냉각 공기를 공급하는 하이브리드 파워 플랜트.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 음극 아울렛(106)은 재순환 흐름 경로(122)를 따라 상기 음극 인렛(16)과 흐름 통신하는 하이브리드 파워 플랜트.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 음극 아울렛(106)과 유체 통신(fluid communication)하고, 상기 재순환 흐름 경로(122)와 유체 통신하며, 상기 음극 아울렛과 상기 재순환 흐름 경로 사이에 위치되는 리포머(reformer)(36)를 더 포함하는 하이브리드 파워 플랜트.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기(12)와 상기 터빈(14) 사이에서 연장되고, 상기 터빈의 냉각제 경로에 압축 공기를 직접 공급하는 복열 장치 바이패스 경로(recuperator bypass path)(26)를 더 포함하는 하이브리드 파워 플랜트.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료 셀(72)은 양극 인렛(anode inlet)(108) 및 양극 아울렛(anode outlet)(110)을 포함하고, 상기 양극 아울렛은 재순환 흐름 경로(136)를 따라 상기 양극 인렛과 흐름 통신하는 하이브리드 파워 플랜트.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 양극 아울렛(110)과 흐름 통신하며, 양극 연료 배출(134)과 공기의 혼합물을 받아들이는 말단 가스 버너(tail gas burner)(38)를 더 포함하는 하이브리드 파워 플랜트.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료 셀(72)은 고체 산화물 연료 셀을 포함하는 하이브리드 파워 플랜트.
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