KR20060044624A - 통합형 연료 전지-가스 터빈 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고체 산화물 연료 전지(102)와, 공기 압축기(106)와, 연료 프로세서(110)와, 배출 가스를 발생시키는 시동 연소기(112)와, 공기 압축기(106)로부터 시동 연소기(112) 및 고체 산화물 연료 전지(102)로 압축 공기의 흐름을 지향시키는 제 1 제어 수단과, 압축 연료의 흐름을 시동 연소기(112) 및 연료 프로세서(110)로 지향시키는 제 2 제어 수단을 구비할 수 있는 통합형 연료 전지-가스 터빈 시스템(100)을 제공할 수 있다. 제 1 제어 수단과 제 2 제어 수단은 시동 연소기(112)로의 압축 공기 흐름 및 압축 연료 흐름의 전달을 제어하여, 압축 연료 흐름이 상기 연료 프로세서(110)에 전달되고 압축 공기 흐름이 고체 산화물 연료 전지(102)에 전달되기 전에, 상기 시동 연소기(112)의 배출 가스가 상기 연료 프로세서(110)를 소정 온도로 가열할 수 있다.
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 통합 고체 산화물 연료 전지-가스 터빈 시스템의 개략적인 다이어그램.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
100 : 고체 산화물 연료 전지-가스 터빈 시스템
102 : 고체 산화물 연료 전지 104 : 터빈
106 : 압축기 108 : 발전기
110 : 연료 프로세서 112 : 시동 연소기
114 : 압축 공기 밸브 116 : 시동 밸브
118 : 흐름 제어 밸브 122 : 연료 예열기/스팀 발생기
124 : 열회수기 126 : SOFC 연소기
본 발명은 일반적으로 통합 고체 산화물 연료 전지-가스 터빈 시스템과 같은 발전용 통합 연료 전지-가스 터빈 시스템(integrated fuel cell-gas turbine system)에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 통합 연료 전지-가스 터빈 시스템의 시동 및 전이 동작(startup and transient operation)용 시스템 및 방법에 관한 것이다.
연료 전지 발생기(fuel cell generator)를 가스 터빈과 통합하는 것이 제안되고 있다. 가스 터빈 압축기는 연료 전지에 의해 필요한 압축 공기를 공급하여 상승된 압력에서 작동하고, 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell: SOFC)와 같은 고온 연료 전지일 수 있는 연료 전지는 터빈내의 팽창용 고온 가스를 발생시킬 수 있다. 이와 같이 하여, 연료 전지 발생기와 터빈 양자에 의해 전력이 발생된다.
이러한 다수의 시스템은 천연 가스와 같은 연료를 수소 함유 가스로 전환가시 위한 연료 프로세서(fuel processor)를 이용한다. 연료 프로세서내에서 발생하는 화학 반응 물질의 특성 때문에, 전형적으로 이러한 구성요소에 열이 공급되어야 한다. 통상적인 작동시, 연료 전지내에서 부산물인 열이 발생된다. 더욱이, 연료 전지로부터의 미반응된 연료 및/또는 신규 연료 및 공기가 연소되어 추가적인 열에너지를 제공할 수 있다. 연료 전지로부터의 부산물인 열 및/또는 연소된 여분의 연료 및 공기는 연료 프로세서에 필요한 열을 공급하는데 이용될 수 있다.
연료 전지, 특히 고체 산화물 연료 전지는 일반적으로 고온에서 작동한다. 이에 따라, 전지는 일반적으로 시동시 주위 온도로부터 긴 가열 시간을 필요로 한 다. 연료 전지 및 외부 연료 프로세서는 상당한 열 관성(thermal inertia)을 나타내고 시스템 시동 및 급속 전이시에 온도 램프 레이트(temperature ramp rate)를 제어하는 것이 요구된다.
따라서, 연료 전지-가스 터빈 하이브리드 시스템(furl cell-gas turbine hybrid system)의 시동 및 전이 동작을 개선하는데 유익할 것이다. 특히, 고체 산화물 연료 전지, 가스 터빈 및 추가적인 열원의 열 통합(thermal integration)은 보다 높은 시스템 피킹 능력(system peaking capability)으로 보다 효율적인 시동 및 전이 동작을 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명은 연료 전지와, 공기 압축기와, 연료 압축기와, 연료 프로세서와, 배출 가스를 발생시키는 시동 연소기와, 공기 압축기로부터 시동 연소기 및 연료 전지로 압축 공기의 흐름을 지향시키는 제 1 제어 수단과, 압축 연료의 흐름을 시동 연소기 및 연료 프로세서로 지향시키는 제 2 제어 수단을 포함할 수 있는 통합 연료 전지-가스 터빈 시스템을 제공할 수 있다. 제 1 제어 수단과 제 2 제어 수단은 시동 연소기로의 압축 공기 흐름 및 압축 연료 흐름의 전달을 제어하여, 시동 압축기의 배출 가스는 압축 연료 흐름이 연료 프로세서에 전달되고 압축 공기 흐름이 연료 전지에 전달되기 전에, 연료 프로세서를 소정 온도로 가열한다. 연료 전지는 고체 산화물 연료 전지일 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 제 1 제어 수단은 초기에 시동 연소기로 모든 압축 공기 흐름을 지향시킬 수 있고, 제 2 제어 수단은 시동 연소기로 모든 압축 연료 흐름을 지향시킬 수 있다. 연료 프로세서가 소정 온도에 도달할 때, 제 1 제어 수단은 모든 압축 공기 흐름이 고체 산화물 연료 전지에 전달될 때까지 고체 산화물 연료 전지로 압축 공기 흐름은 증대하는 부분을 지향시킬 수 있고, 제 2 제어 수단은 모든 압축 연료 흐름이 연료 프로세서에 전달될 때까지 연료 프로세서로 압축 연료 흐름은 증대하는 부분을 지향시킬 수 있다. 소정 온도는 연료 프로세서의 소망된 작동 온도일 수 있다.
제 1 제어 수단은 3방향 밸브일 수 있거나, 또는 다른 실시예에 있어서, 2개의 2방향 밸브일 수 있다. 제 2 제어 수단은 시동 밸브 및 흐름 제어 밸브일 수 있다. 시동 밸브는 시동 연소기로 압축 연료 흐름의 전달을 제어하는 2방향 밸브일 수 있다. 흐름 제어 밸브는 연료 프로세서로의 압축 연료 흐름의 전달을 제어하는 2방향 밸브일 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 고체 산화물 연료 전지는 연료 프로세서로 열을 제공하는데 이용되는 배출 가스를 발생시킬 수 있다. 시동시, 고체 산화물 연료 전지로 지향된 압축 공기 흐름이 증대되는 부분은 제 1 결정 속도(first determined rate)로 증대되어, 압축 공기의 모든 흐름이 고체 산화물 연료 전지로 지향될 때까지, 제 1 결정 속도는 고체 산화물 연료 전지의 배출 가스가 연료 프로세서에 의해 이용된 모든 열을 공급하기에 충분하게 할 수 있다. 유사하게, 연료 프로세서로 지향된 압축 연료 흐름이 증대되는 부분은 제 2 결정 속도로 증대되어, 압축 연료의 모든 흐름이 연료 프로세서로 지향될 때까지, 제 2 결정 속도는 고체 산화물 연 료 전지의 배출 가스가 연료 프로세서에 의해 이용된 모든 열을 공급하기에 충분하게 할 수 있다.
시스템은 SOFC 연소기를 구비할 수 있다. SOFC 연소기는 고체 산화물 연료 전지로부터 미반응된 연료 및 여분의 공기를 공급받을 수 있고, 여분의 공기와 미반응된 연료를 연소시켜 고체 산화물 연료 전지의 배출 가스의 열을 증가시킬 수 있다. 시스템은 SOFC 연소기의 하류에 위치된 SOFC 체크 밸브를 더 구비할 수 있다.
통합 고체 산화물 연료 전지-가스 터빈 시스템의 터빈은 배출 가스를 발생시킬 수 있다. 시스템은 연료 프로세서로 증기를 공급하기 위해 터빈의 배출 가스와 공급된 물 사이의 열교환으로 연료 예열기/증기 발생기를 더 구비할 수 있다. 또한, 연료 예열기/증기 발생기는 터빈의 배출 가스와 압축 연료 흐름 사이의 열교환으로 연료 프로세서로 가열된 압축 연료 흐름을 전달할 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 연료 프로세서가 소정 온도에 도달할 때, 고체 산화물 연료 전지의 배출 가스가 연료 프로세서에 의해 이용된 모든 열을 공급하기에 충분할 때까지, 제 1 제어 수단은 고체 산화물 연료 전지로 압축 공기 흐름이 증대되는 부분을 지향할 수 있고, 제 2 제어 수단은 연료 프로세서로 압축 연료 흐름이 증대되는 부분을 지향시킬 수 있다. 고체 산화물 연료 전지의 배출 가스가 연료 프로세서에 의해 이용된 모든 열을 공급하기에 충분한 지점에 도달했을 때, 제 1 제어 수단은 고체 산화물 연료 전지로 압축 공기의 모든 흐름을 지향시키고, 제 2 제어 수단은 연료 프로세서로 압축 연료의 모든 흐름을 지향시킨다.
또한, 본 발명은 고체 산화물 연료 전지와, 연료 프로세서와, 압축기와, 연료 압축기와, 시동 연소기를 갖는 통합 고체 산화물 연료 전지-가스 터빈 시스템의 시동 작동하는 방법을 제공할 수 있다. 상기 방법은 공기 압축기로부터 시동 연소기로의 압축 공기 흐름을 지향시키는 단계와, 시동 연소기로의 압축 연료 흐름을 지향시키는 단계와, 시동 연소기로 지향된 압축 공기 흐름 및 압축 연료 흐름을 연소시켜 배출 가스를 발생시키는 단계와, 시동 연소기의 배출 가스로 연료 프로세서를 가열하는 단계와, 연료 프로세서가 소정 온도에 도달할 때 시동 연소기로부터 고체 산화물 연료 전지로 압축 공기 흐름을 전이시키는 단계와, 시동 연소기로부터 연료 프로세서로 압축 연료 흐름을 전이시키는 단계를 포함할 수 있다. 시동 연소기로부터 고체 산화물 연료 전지로 압축 공기 흐름을 전이시키는 단계는, 압축 공기의 모든 흐름이 고체 산화물 연료 전지로 지향될 때까지 시동 연소기로부터 고체 산화물 연료 전지로 압축 공기 흐름이 증대되는 부분을 지향시키는 단계를 포함할 수 있다. 유사하게, 시동 연소기로부터 연료 프로세서로 압축 연료 흐름을 전이시키는 단계는, 압축 공기의 모든 흐름이 연료 프로세서로 지향될 때까지 시동 연소기로부터 연료 프로세서로 압축 연료 흐름이 증대되는 부분을 지향시키는 단계를 포함할 수 있다. 연료 프로세서의 소정 온도는 연료 프로세서의 소망된 작동 온도일 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 상기 방법은 고체 산화물 연료 전지의 배출 가스로 연료 프로세서를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우에 있어서, 고체 산화물 연료 전지로 지향된 압축 공기 흐름이 증대되는 부분은 제 1 결정 속도로 증 대되어, 압축 공기의 모든 흐름이 고체 산화물 연료 전지로 지향될 때까지, 제 1 결정 속도는 고체 산화물 연료 전지의 배출 가스가 연료 프로세서에 의해 이용된 모든 열을 공급하기에 충분하게 할 수 있다. 유사하게, 연료 프로세서로 지향된 압축 연료 흐름이 증대되는 부분은 제 2 결정 속도로 증대되어, 압축 연료의 모든 흐름이 연료 프로세서로 지향될 때까지, 제 2 결정 속도는 고체 산화물 연료 전지의 배출 가스가 연료 프로세서에 의해 이용된 모든 열을 공급하기에 충분하게 할 수 있다.
압축 공기 흐름은 3방향 밸브에 의해 고체 산화물 연료 전지와 시동 연소기 사이로 지향될 수 있다. 압축 연료 흐름은 시동 밸브와 흐름 제어 밸브에 의해 연료 프로세서와 시동 연소기 사이로 지향될 수 있다. 시동 밸브는 시동 연소기로 압축 연료 흐름의 전달을 제어하는 2방향 밸브를 구비할 수 있다. 흐름 제어 밸브는 연료 프로세서로 압축 연료 흐름의 전달을 제어하는 2방향 밸브를 구비할 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 상기 방법은 미반응된 연료 공급분을 고체 산화물 연료 전지로부터 여분의 공기 공급분과 연소시켜서 고체 산화물 연료 전지의 배출 가스의 열을 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 상기 방법은 터빈으로부터 배출 가스를 발생시키는 단계와, 터빈의 배출 가스와 공급된 물 사이의 열교환으로 연료 프로세서에 증기를 공급하는 단계와, 터빈의 배출 가스와 압축 연료 흐름 사이의 열교환으로 연료 프로세서로 가열된 압축 연료 흐름을 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 고체 산화물 연료의 배출 가스로 연료 프로세서를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우에 있어서, 시동 연소기로부터 고체 산화물 연료 전지로 압축 공기 흐름을 전이시키는 단계는, 고체 산화물 연료 전지의 배출 가스가 연료 프로세서에 의해 이용된 모든 열을 공급하기에 충분할 때까지 시동 연소기로부터 고체 산화물 연료 전지로 압축 공기 흐름이 증대되는 부분을 지향시키는 단계를 포함할 수 있다. 유사하게, 시동 연소기로부터 연료 프로세서로 압축 연료 흐름을 전이시키는 단계는, 고체 산화물 연료 전지의 배출 가스가 연료 프로세서에 의해 이용된 모든 열을 공급하기에 충분할 때까지 시동 연소기로부터 연료 프로세서로 압축 연료 흐름이 증대되는 부분을 지향시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 고체 산화물 연료 전지와, 연료 프로세서와, 터빈과, 압축기와, 연료 압축기와 시동 연소기를 갖는 통합 고체 산화물 연료 전지-가스 터빈 시스템으로서, 압축기로부터 시동 연소기 및 고체 산화물 연료 전지로 압축 공기 흐름을 지향시키는 단계와, 시동 연소기 및 연료 프로세서로 압축 연료 흐름을 지향시키는 단계와, 시동 연소기의 배출 가스 및 고체 산화물 연료 전지의 배출 가스로 연료 프로세서를 가열하는 단계를 구비하는 통합 고체 산화물 연료 전지-가스 터빈 시스템의 작동 방법을 더 제공할 수 있다. 시스템의 정상 상태 작동시, 압축 공기의 모든 흐름은 고체 산화물 연료 전지로 지향될 수 있고, 압축 연료의 모든 흐름은 연료 프로세서로 지향될 수 있다. 시스템의 전이 작동시, 압축 연료 흐름이 증가될 수 있고 압축 공기 흐름이 증가될 수 있어서, 압축 연료의 증가된 흐름의 일부 및 압축 공기의 증가된 흐름의 일부는 연소용 시동 연소기로 지향될 수 있다.
상기 방법은 기계 에너지를 발생시키도록 터빈을 통해 시동 연소기의 배출 가스 및 고체 산화물 연료 전지의 배출 가스를 팽창시켜서, 전이 동작시 시동 연소기의 배출 가스를 증가시키는 것이 터빈에 의해 발생된 기계 에너지의 양을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 증가된 양의 기계 에너지는 발전기로 지향될 수 있다. 변형예로서, 증가된 양의 기계 에너지는 압축기로 지향될 수 있어서 압축기가 증가된 양의 기계 에너지를 이용하여 압축 공기 흐름을 더욱 증가시킬 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 방법은 고체 산화물 연료 전지로 압축 공기의 증가된 흐름의 일부를 지향시키는 단계와, 연료 프로세서로 추가적인 열을 제공하도록 시동 연소기의 배출 가스의 증가를 이용하는 단계와, 고체 산화물 연료 전지로 전달되는 개질(reform)된 연료의 증가된 공급분을 제공하도록 추가적인 열을 이용하는 단계와, 고체 산화물 연료 전지내의 개질된 연료의 증가된 공급분 및 압축 공기의 증가된 흐름을 반응시키는 단계를 포함할 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 상기 방법은 고체 산화물 연료 전지에 전달되는 개질된 연료의 증가된 공급분 및 압축 공기의 증가된 흐름에 기인하여 고체 산화물 연료 전지로부터 배출 가스의 증가된 공급분을 발생시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 고체 산화물 연료 전지로부터의 배출 가스의 증가된 공급분이 개질된 연료의 증가된 공급분을 생성하도록 연료 프로세서에 의해 이용된 모든 열을 공급하기에 충분하기만 하면, 시동 연소기로부터 고체 산화물 연료 전지로의 압축 공기 흐름을 전이시키고, 시동 연소기로부터 연료 프로세서로의 압축 연료 흐름을 전이시킨다. 이 경우, 시동 연소기로부터 고체 산화물 연료 전지로의 압축 공기 흐름을 전이시 키는 단계는 압축 공기의 모든 흐름이 고체 산화물 연료 전지로 지향될 때까지 시동 연소기로부터 고체 산화물 연료 전지로의 압축 공기 흐름이 증대되는 부분을 지향하는 단계를 포함할 수 있다. 유사하게, 시동 연소기로부터 연료 프로세서로의 압축 연료 흐름을 전이시키는 단계는 압축 연료의 모든 흐름이 연료 프로세서로 지향될 때까지 시동 연소기로부터 연료 프로세서로의 압축 연료 흐름이 증대되는 부분을 지향하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 특징은 도면 및 첨부된 특허청구범위와 함께 취해진 본 발명의 실시예의 하기의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도면을 참조하면, 몇몇 도면을 통해 동일 부품을 다양한 참조부호로 나타내고 있는데, 도 1은 본 발명의 예시적인 실시예의 고체 산화물 연료 전지-가스 터빈 시스템(100)을 도시하고 있다. 다른 고온 연료 전지를 이와 같은 시스템에 이용할 수 있고 고체 산화물 연료 전지를 사용하는 것은 예시에 불과한 것으로 당업자는 이해할 것이다. 고체 산화물 연료 전지-가스 터빈 시스템(100)의 주요 구성요소로는 고체 산화물 연료 전지(102), 터빈(104), 압축기(106), 발전기(108), 연료 프로세서(110), 시동 연소기(112), 3방향 밸브 또는 2방향 밸브로 이루어질 수 있는 압축 공기 밸브(114), 시동 밸브(116) 및 흐름 제어 밸브(118)를 들 수 있다. 또한, 고체 산화물 연료 전지-가스 터빈 시스템(100)내의 시스템의 전체 효율을 증대시키기 위한 다른 구성요소로는, 연료 예열기/스팀 발생기(fuel preheater/steam generator)(122), 열회수기(recuperator)(124), SOFC 연소기(126) 및 연료 전지 공기 예열기(128)가 있다.
일반적으로 통상적인 정상 상태 작동시, 고체 산화물 연료 전지(102)의 배출 가스로부터의 고온 가스의 공급분은 터빈(104)을 통해 팽창될 수 있다. 터빈(104)은 교대로 압축기(106) 및 발전기(108)를 구동할 수 있다. 압축기(106)는 고체 산화물 연료 전지(102)에 압축 공기를 공급할 수 있어서 상승된 압력으로 작동될 수 있다. 고체 산화물 연료 전지(102)는 연료 프로세서(110)로부터 개질된 연료의 공급분을 압축 공기의 공급분과 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생성한다. 고체 산화물 연료 전지(102)는 고온 가스의 배출 공급분을 생성할 수 있다. 고체 산화물 연료 전지(102)의 배출 가스내에 포함된 미반응된 연료 및 공기는 SOFC 연소기(126)내에서 연소되어서 배출 가스에 추가적인 열 에너지를 제공할 수 있다. 또한, 특정 실시예에 있어서, 연료 및 공기의 신규의 공급분은 SOFC 연소기(126)를 통과한 후에 고체 산화물 연료 전지(102)의 배출 가스의 열을 증가시키기 위해 SOFC 연소기(126)에서 고체 산화물 연료 전지(102)로부터의 연료 및 공기의 미반응된 공급분에 추가될 수 있다. 고체 산화물 연료 전지(102)의 배출 가스로부터의 열은 천연 가스와 같은 가스상의 연료의 개질을 위한 연료 프로세서(110)로의 열을 제공하는데 이용될 수 있다. 연료 프로세서(110)는 가압된 가스상의 연료의 공급분을 수용할 수 있다. 사이클을 완료했을 때, 고체 산화물 연료 전지(102)로부터의 배출 가스는 터빈을 통해 팽창될 수 있다. 이에 따라, 고체 산화물 연료 전지(102) 및 터빈(104)은 전력을 생성할 수 있다.
시동 작동시, 고체 산화물 연료 전지-가스 터빈 시스템(110)은 하기와 같이 작동할 수 있다. 시동 밸브(116) 및 흐름 제어 밸브(118)는 연료 공급부(129)로부터 가압 연료의 공급분을 수용할 수 있다. 가압 연료의 공급분은 반경방향 연료 압축기(도시하지 않음)를 구비한 본 기술에 통상적으로 공지된 방법을 통해 연료 공급부(129)에 공급될 수 있다. 연료는 천연 가스 또는 석탄 유도된 연료(coal derived fuel)일 수 있다. 예를 들면, 천연 가스, 나프타, 프로판, JP-8, 메탄, 가솔린 또는 다른 타입의 유사한 가스를 이용할 수 있다.
시동 공정의 초기에서의 시동 밸브(116)는 개방될 수 있어서, 압축 연료의 공급분을 시동 연소기(112)에 도달시킬 수 있다. 시동 공정의 초기에서의 흐름 제어 밸브(118)는 폐쇄될 수 있어서, 압축 연료의 공급분을 연료 프로세서(110), 고체 산화물 연료 전지(102) 및 다른 하류 구성요소에 도달시킬 수 있다. 시동 밸브(116) 및 흐름 제어 밸브(118)는 본 기술에 공지된 상업적으로 유용한 임의의 유형의 밸브가 적합할 수 있다. 예를 들면, 볼 밸브(ball valve), 나비형 밸브(butterfly valve) 또는 다른 유사한 밸브를 이용할 수 있다. 변형 실시예에 있어서, 단일의 3방향 밸브는 시동 밸브(116)와 흐름 제어 밸브(118)를 대체할 수 있다.
압축 연료의 공급분이 시동 연소기(112)내에 주입될 수 있고 압축 공기의 공급분으로 시동 연소기(112)내에서 혼합될 수 있어서, 보다 상세히 후술하는 바와 같이 압축기(106)로부터 공급될 수 있다. 그 결과, 혼합물은 발열 반응을 초래하는 점화기에 의해 점화되어서, 연소된 가스상의 열 에너지의 공급분을 형성할 수 있다. 시동 연소기(112)는 본 기술에 공지된 적당한 유형의 연소기일 수 있다. 상업적으로 유용한 연소기의 예로는, 저 NOx 연소기, 촉매 연소기 또는 다른 유사한 연소기가 있다. 연소된 가스상의 열 에너지의 공급분은 시동 연소기로부터 연소점(130)까지 이동할 수 있는데, 이 연소점에서 시동 연소기(112)로부터의 연소된 가스상의 열 에너지가 고체 산화물 연료 전지(102)로부터의 배출 가스의 공급분과 결합될 수 있다. 시동 공정의 초기 단계에서, 고체 산화물 연료 전지로부터의 배출 가스의 공급분은 흐름 제어 밸브(118)가 폐쇄된 상태로 유지될 때 존재하지 않아서, (연료의 공급분이 고체 산화물 연료 전지(102)에 도달하는 것을 방지할 것이다). SOFC 체크 밸브(131)는 고체 산화물 연료 전지(102)로부터의 배출 가스를 전달하는 라인상에서 연소점(130)의 상류에 위치될 수 있다. SOFC 체크 밸브(131)는 시동 연소기(112)로부터 고체 산화물 연료 장치(102)를 구비한 상류 구성요소까지의 가스상의 열 에너지의 공급분의 역류를 방지할 수 있다.
그 후, 시동 연소기와 고체 산화물 연료 전지의 배출 가스의 혼합된 공급분은 연료 프로세서(110)를 통해 연소점(130)으로부터 지향될 수 있다. 연료 프로세서(110)내에서, 혼합된 흐름은 하나 또는 그 이상의 열교환기를 통해 지향되어 연료 프로세서(110)에 열을 제공한다. 시동시 주위 온도에서, 연료 프로세서(110)는 연료 개질이 일어할 수 있기 전에 충분한 온도로 가열되어야 한다. 일단 가열되면, 연료 프로세서(106)는 스팀 개질 공정(steam reforming), 자동 열 개질 공정9auto-thermal reforming), 부분 산화 개질 공정(partial-oxidation reforming) 또는 다른 공정을 이용하여, 연료를 수소 함유한 가스로 부분적으로 변환할 수 있다. 단지 예이지만, 도 1은 스팀 개질 장치(steam reformer)를 이용하는 시스템을 설명하고 있으며, 가스상의 탄화수소는 수소 및 탄소 일산화물을 본질적으로 함유한 가스내에 스팀 및 촉매가 존재하여 개질된다. 연료는 예열될 수 있어서, 스팀은 보다 상세히 후술하는 바와 같이 연료 예열기/스팀 발생기(122)에 의해 연료 프로세서(110)에 제공될 수 있다. 본 기술에 공지된 상업적으로 유용한 연료 프로세서의 예로는 스팀 개질 장치, 자동 열 개질 장치 또는 다른 유사한 프로세서가 있다. 혼합된 배출 흐름으로부터 연료 프로세서(110)까지의 열교환은 본 기술에 공지된 열교환 방법으로 성취될 수 있다.
시동 연소기(112)로부터의 연소된 가스상의 열 에너지 및 고체 산화물 연료 전지(102)의 배출 가스의 혼합된 공급분은 연료 프로세서(110)로부터 배출되어 터빈(104)으로 지향될 수 있다. 혼합된 흐름은 터빈(104)을 통해 팽창되어서 터빈 전력을 형성할 수 있다. 본 기술에 공지된 상업적으로 유용한 터빈의 예로는 원심 터빈(centrifugal turbine) 또는 축방향 터빈(axial turbine) 또는 다른 유사한 터빈을 이용할 수 있다. 터빈 전력은 교대로 압축기(106) 및 발전기(108)를 구동할 수 있다. 발전기(108)는 인버터(invertor)(132)에 의해 교류로 변환되어서 동력망(power grid)으로 공급될 수 있는 전력을 생성할 수 있다.
압축기(106)는 공기 공급부(135)로부터의 공기 공급분을 수용하고 압축 공기의 공급분을 생성할 수 있다. 압축 공기의 공급분은 압축 공기 밸브(114)에 전달될 수 있다.
열회수기(124)는 압축 공기 밸브(114)의 상류에 위치되어 시스템의 전체 효 율을 증대시킬 수 있다. 열회수기(124)는 터빈(104)으로부터의 배출 가스의 공급분으로부터 압축기(106)로부터의 압축 공기의 공급분으로의 열을 전달할 수 있다. 본 방식으로 압축 공기의 공급분을 예열하는 단계는 시스템(100)의 연료 소비를 감소시킬 수 있고 그의 전체 효율을 증대시킬 수 있다. 압축 공기는 열회수기(124)의 냉각측 통로를 통해 순환될 수 있고 고온측 통로를 통해 순환될 수 있는 터빈 배출 가스로부터 열을 흡수할 수 있다. 이에 따라, 열회수기(124)가 시스템(100)내에 존재하는 경우, 압축 공기의 공급분은 가열된 압축 공기가 압축된 공기 밸브(114)로 지향될 수 있도록 가열될 수 있다.
3방향 밸브로 도시된 압축 공기 밸브(114)에서, 압축 공기의 공급분 (또는 가열된 압축 공기의 공급분)은 시동 연소기(112) 또는 고체 산화물 연료 전지(102)로 지향될 수 있고, 압축 공기의 공급분은 분할되어 양자의 구성요소로 보내어질 수 있다. 시동 작동시, 압축 공기 밸브(114)는 압축 공기 흐름이 시동 연소기(112)만으로 지향되도록 초기로 설정될 수 있다. 압축 공기 밸브(114)는 본 기술에 공지된 적당한 3방향 밸브중 임의의 유형일 수 있고, 예컨대 볼 타입 밸브 또는 다른 유사한 밸브가 이용될 수 있다. 변형 실시예에 있어서, 교차점 및 2개의 분리형 2방향 밸브는 3방향 압축 공기 밸브(114)의 기능을 성취할 수 있다.
그 후, 압축 공기의 공급분은 가스상의 압축 연료의 공급분으로 연소될 수 있는 시동 연소기(112)로 전달될 수 있다. 기술한 바와 같이, 시동 연소기(112)로부터의 배출 가스는 시동 공정의 초기 단계시 연료 프로세서(110)를 가열하는데 이용될 수 있다. 그 후, 압축 공기 밸브(114), 시동 밸브9116), 흐름 제어 밸브 (118) 및 SOFC 체크 밸브(131)는 공기 및 연료 흐름으로부터의 고체 산화물 연료 전지(102)뿐만 아니라 시동 공정시 시동 연소기(112)의 배출 가스의 역류를 격리하여 연료 전지 구성요소를 보호할 수 있다. 예를 들면, SOFC 체크 밸브(131)는 고체 산화물 연료 전지(102) 및 그의 구성요소를 손상시킬 수 있는 시동 연소기(112)로부터의 연소된 가스의 역류를 방지할 수도 있다.
시동 공정을 계속할 때, 연료 프로세서의 온도는 연료 개질을 위한 소망 온도로 상승될 수 있다. 예를 들면, 연료 개질을 효율적으로 개시하는 스팀 연료 프로세서용 온도는 대략 450℃(840℉)일 수 있다. 이 온도에 도달할 때, 흐름 제어 밸브(118)는 개질을 개시하기 위한 연료 프로세서(110)로의 압축 연료의 공급분의 일부를 제공하도록 개방될 수 있다. 시스템의 전체 효율을 증대시키기 위해, 압축 연료의 공급분은 우선 연료 예열기/스팀 발생기(122)를 통과할 수 있다. 연료 예열기/스팀 발생기(122)는 터빈(104)의 배출 가스와 압축 연료의 공급분 사이의 열교환을 제공할 수 있다. 또한, 연료 예열기/스팀 발생기(122)는 터빈(104)의 배출 가스와 물의 공급분 사이의 열교환을 제공할 수 있다. 연료 예열기/스팀 발생기(122)는 단독 또는 양자의 기능을 제공할 수 있거나, 또는 각각의 이들 기능은 시스템의 구성 및 필요에 따라서 복합된 구성요소 대신에 분리형 구성요소에 의해 제공될 수 있다. 물은 스팀을 생성하도록 물 공급부(136)를 통해 연료 예열기/스팀 발생기(122)로 공급된 후, 압축 연료 공급분의 스팀 개질을 위한 연료 프로세서(110)에 공급될 수 있다. 변형 실시예에 있어서, 연료 개질의 다른 유형은 그러한 스팀이 반드시 필요하지 않도록 이용될 수 있다. 터빈(104)의 배출 가스와 연료 예열기/스팀 발생기(122)내의 압축 연료/물의 공급분 사이의 열교환은 본 기술에 공지된 열교환 방법을 통해 성취될 수 있다. 터빈(104)의 배출 가스가 연료 예열기/스팀 발생기(122)로부터 배출된 후, 시스템 배출구(137)를 거쳐서 시스템(100)으로부터 배출될 수 있다.
그 후, 압축 연료의 공급분은 기술한 바와 같이 연료 프로세서(110)내에서 개질되어서, 수소 함유 가스를 생성할 수 있다. 개질된 연료의 공급분은 연료 프로세서(110)로부터 고체 산화물 연료 전지(102)로 공급될 수 있다. 기술한 바와 같이, 고체 산화물 연료 전지(102)는 압축 공기 밸브(들)(114)를 거쳐서 압축 공기 흐름으로 공급될 수도 있다. 개질된 연료의 공급분이 고체 산화물 연료 전지(102)에 공급되도록 흐름 제어 밸브(118)가 개방될 때, 압축 공기 밸브(들)(114)는 압축 공기의 적절한 공급분이 고체 산화물 연료 전지(102)에 공급되어 개질된 연료의 공급분을 전기화학적으로 반응하도록 개방될 수 있다. 시스템의 전체 효율을 증대하기 위해, 고체 산화물 연료 전지(102)로 전달된 압축 공기는 연료 전지 공기 예열기(128)에 의해 가열될 수 있다. 연료 전지 공기 예열기(128)는 보다 상세히 후술하는 바와 같이 고체 산화물 연료 전지(102)의 배출 가스로부터 열을 수용할 수 있다.
고체 산화물 연료 전지(102) 내부에, 개질된 연료 및 압축 공기의 공급분은 본 기술에 공지된 방법에 따라 전기를 생성하도록 전기화학적으로 반응할 수 있다. 예를 들면, 고체 산화물 연료 전지(102)는 다공성 공기 전극(porous air electrode), 기밀성 전해질(air-tight electrolyte) 및 연료 전극을 구비할 수 있 다. 압축 공기의 공급분은 공기 전극, 또는 예로서 스트론튬 도핑된 란탄 아망간산염(strontium-doped lanthanum manganite)으로 이루어질 수 있는 캐소드에 도입된다. 전해질은 이트리아 안정화된 지르코니아(yttria-stabilized zirconia)로 이루어지고 얇은 스트립을 제외한 공기 전극의 전체 활성 길이를 피복할 수 있다. 공기 전극의 얇은 스트립은 전지 상호연결부를 형성하는 마그네슘 도핑된 란탄 아크롬산염(magnesium-doped lanthanum chromite)의 기밀층에 의해 피복될 수 있다. 개질된 연료는 니켈-지르코니아 서멧(nickel-zirconia cermet)으로 이루어질 수 있는 애노드로서도 공지된 연료 전지에 도입되고 상호연결 영역을 제외한 전해질을 피복할 수 있다. 적당한 고체 산화물 연료 전지의 예는 미국 특허 제 4,490,444 호(이센버그), 미국 특허 제 4,547,437 호(이센버그 등), 미국 특허 제 4,597,170 호(이센버그) 및 미국 특허 제 4,728,584 호(이센버그)에 개시되어 있으며, 이들 각각은 전체적으로 본원에 참고로 인용되어 있다. 적당한 고체 산화물 연료 전지의 상업적으로 유용한 예로는 관형, 평면형 또는 다른 유사한 고체 산화물 연료 전지를 이용할 수 있다.
이에 따라, 개질된 연료는 전해질로부터 산소 이온과 반응할 수 있는 애노드에 도달하여, 외부 회로에 전자를 해제시킬 수 있다. 연료 전지의 다른 측상에, 외부 회로로부터 전자를 수용함으로써 전해질에 산소 이온을 공급할 수 있는 캐소드에 공기가 공급될 수 있다. 전해질은 전극 사이의 이들 이온을 안내하여 전체 전하 밸런스를 유지할 수 있다. 외부 회로내의 전자 흐름은 유용한 전력을 제공할 수 있다. 고체 산화물 연료 전지(102)는 각각이 인접한 연료 전지에 전기적으로 연결되도록 어레이내에 배치될 수 있다. 그 결과, 교류로 변환되어 동력망(134)에 공급될 수 있는 제 2 인버터(138)에 직류가 공급될 수 있다.
고체 산화물 연료 전지(102)는 전형적으로 대략 650℃ 내지 1000℃(1200℉ 내지 1832℉)의 정상 상태 작동 온도 범위를 갖는다. 그 정상 상태 작동 온도에 도달하기 위해서, 시동 작동시의 고체 산화물 연료 전지(102)는 연료 프로세서로부터의 개질된 연료 흐름으로부터, 연료 전지 공기 예열기(128) 및/또는 열회수기(124)로부터의 가열된 압축 공기 흐름으로부터, 그리고 그내에서 일어나는 전기화학적 발열 반응으로부터 열을 수용할 수 있다.
고체 산화물 연료 전지(102)의 애노드측상에서의 전기화학적 반응으로부터의 생성물에는 CO2, H2O 및 미반응된 가스상의 연료가 있다. 전형적으로 미반응된 가스상의 연료는 애노드의 반응 생성물내에 남겨지는데, 그 이유는 일반적으로 연료 프로세서(110)내의 개질 공정이 모든 공급된 연료를 개질하지 않기 때문이다. 또한, 고체 산화물 연료 전지(102)는 일반적으로 애노드측에 공급된 모든 연료를 반응시키지 않는다. 이에 따라, 애노드 반응 생성물(140)의 공급분은 SOFC 연소기(126)에 공급될 수 있다. 변형 실시예에 있어서, 미반응된 가스상의 연료의 일부는 보다 많은 전력을 생성하도록 생성물인 물과 내부적으로 보다 개질될 수 있다. 고체 산화물 연료 전지(102)가 일반적으로 캐소드측에 공급된 모든 공기를 반응하지 않기 때문에, 캐소드측으로부터의 생성물은 과잉 공기를 포함한다. 또한, 캐소드 반응 생성물(142)의 공급분은 SOFC 연소기(126)에 공급될 수 있다. 애노드 반 응 생성물(140)의 공급분 및 캐소드 반응 생성물(142)의 공급분은, 과잉 공기가 미반응된 가스상의 연료를 연소시키는데 이용되는 SOFC 연소기(126)내에서 혼합되어, 고체 산화물 연료 전지(102)의 온도를 상승시킬 수 있다. 변형 실시예에 있어서, SOFC 연소기(126)는 고체 산화물 연료 전지(102)에 내부적으로 이루어질 수 있다.
그 후, [SOFC 연소기(126)로부터 배출된 후의] 고체 산화물 연료 전지(102)로부터의 배출 가스는 압축기(106)로부터의 압축 공기의 공급분으로 열교환하도록 연료 전지 공기 예열기(128)를 통해 공급될 수 있다. 이러한 열교환은 본 기술에 공지된 방법 및 시스템에 의해 성취될 수 있다. 이와 같이 하여, 고체 산화물 연료 전지(102)로의 압축 공기의 공급분은 SOFC 연소기(126)를 거쳐 고체 산화물 연료 전지(102)의 배출 가스에 의해 가열될 수 있다. 그 다음, 고체 산화물 연료 전지(102)의 배출 가스는, 상술한 바와 같이 연료 전지 공기 예열기(128)로부터 배출되고, SOFC 체크 밸브(131)를 통과하고, 연소점(130)에 도달하며, 시동 연소기(112)의 배출 가스와 혼합될 수 있다. 그 다음, 시동 연소기(112)와 SOFC 연소기(126)의 혼합된 배출 가스는, 터빈 전력을 생성하도록 배출 가스를 팽창할 수 있는 터빈(104)으로 지향되기 전에 그 요구된 온도까지 연료 프로세서(110)를 가열하는데 이용될 수 있다. 변형 실시예에 있어서, 고체 산화물 연료 전지(102)와 시동 연소기(112)의 배출 가스는 혼합되지 않을 수 있고, 연료 프로세서(110) 및/또는 터빈(104)에 독립적으로 공급될 수 있다.
시동 공정은 결정 속도로 계속될 수 있는데, 여기서 시동 밸브(116)와 흐름 제어 밸브(118)의 설정은 보다 많은 압축 연료가 [연료 프로세서(110)를 거쳐] 고 체 산화물 연료 전지(102)쪽으로 그리고 시동 연소기(112)로부터 멀어지게 지향되도록 제어될 수 있다. 압축 연료의 공급분이 본 방식으로 지향되기 때문에, 압축 공기 밸브(들)(114)의 설정은 고체 산화물 연료 전지(102)에서 압축 공기의 증가 수요 및 시동 연소기(112)에서 압축 공기의 감소 수요가 만족되도록 제어될 수 있다. 이에 따라, 시동 공정이 계속되기 때문에, 압축 공기의 보다 많은 공급분은 고체 산화물 연료 전지(102)쪽으로 지향될 수 있다. 고체 산화물 연료 전지-가스 터빈 시스템(100)을 위한 소망의 정상 상태 조건에 도달할 때, 시스템 밸브[흐름 제어 밸브(118), 시동 밸브(116) 및 압축 공기 밸브(114)]의 설정은 이러한 소망의 조건이 유지되도록 제어될 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 소망의 정상 상태 작동 조건은, 일단 고체 산화물 연료 전지(102)/SOFC 연소기(126)의 배출 가스가 계속적인 필요한 연료 개질을 위한 연료 프로세서(110)에 의해 필요한 열을 제공하기에 충분하다면 발생할 수 있다. 이에 따라, 압축 공기 흐름을 시동 연소기(112)로부터 고체 산화물 연료 전지(102)까지 전이하는 속도는, 모든 압축 공기가 고체 산화물 연료 전지(102)로 지향될 때까지, 고체 산화물 연료 전지(102)의 배출 가스가 연료 프로세서(110)로 모든 필요한 열을 공급하기에 충분하도록 결정된 점차적인 속도일 수 있다. 유사하게, 압축 연료 흐름을 시동 연소기(112)로부터 연료 프로세서(110)까지 전이하는 속도는 또한, 모든 압축 연료가 연료 프로세서(110)로 지향될 때까지, 고체 산화물 연료 전지(102)의 배출 가스가 연료 프로세서(110)로 모든 필요한 열을 공급하기에 충분하도록 결정된 점차적인 속도일 수 있다. 변형 실시예에 있어서, 모든 연료 공기가 고체 산화물 연료 전지(102)로 지향되거나 모든 압축 연료가 연료 프로세서(110)로 지향되기 전에 고체 산화물 연료 전지(102)의 배출 가스가 연료 프로세서(110)를 가열하기에 충분하도록 정상 상태 작동 조건이 달성될 수 있다. 이 경우, 시동 밸브(116)는 폐쇄 위치에서 설정되어, 시동 연소기(112)내의 연소를 중지하고 그로부터의 배출 가스 흐름을 중지할 수 있다. 흐름 제어 밸브(118)는 압축 연료의 전체 공급분이 연료 프로세서(110) 그리고 교대로 고체 산화물 연료 전지(102)로 지향될 수 있도록 개방 위치에 설정될 수 있다. 압축 공기 밸브(114)는 압축 공기의 모든 공급분이 고체 산화물 연료 전지(102)로 지향되도록 설정될 수 있다. 기술한 바와 같이, 고체산화물 연료 전지(102)/SOFC 연소기(126)의 배출 가스는 연료 프로세서(110)에 모든 필요한 열을 제공할 수 있고, 필요한 터빈 전력을 생성하도록 터빈(104)내에서 팽창된 가스상의 열 에너지의 요구된 흐름을 제공할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 시스템 밸브[흐름 제어 밸브(118), 시동 밸브(116) 및 압축 공기 밸브(114)]는 보다 효율적인 방식으로 시스템 전이 동작을 완료하거나 전력 수요가 급속히 증가될 때 시스템 용량을 증대시키도록 제어될 수 있다. 예를 들면, 고체 산화물 연료 전지-가스 터빈 시스템(100)은 정상 상태 작동 조건으로부터 발전을 증대시키는데 요구될 수 있다. 상술한 바와 같이, 정상 상태 작동 조건은 시동 연소기(112)가 작동을 중지한 것을 의미할 수 있고, 이것은 이러한 예를 위해서 가정될 것이다. 이에 따라, 새로운 수요를 만족시키기 위해, 압축 연료의 공급분이 증대될 수 있다. 또한, 압축 공기의 공급분은 발전기(108)로부터 압축기(106)까지의 터빈 전력을 변환함으로써 증대될 수 있다. 정상 상태 작동에 서 폐쇄될 수 있는 시동 밸브(116)는 압축 연료의 증대된 흐름의 일부를 수용하도록 개방될 수 있다. 또한, 압축 공기 밸브(114)는 시동 연소기(112)로 압축 공기의 적절한 흐름을 지향하도록 제어될 수 있다. 시동 연소기(112)는 압축 연료의 공급분을 연소시켜서, 연료 프로세서(110)의 혼합된 흐름을 증대시키고 연료 프로세서(110)에 추가적인 열을 제공할 수 있다. 추가적인 열은 연료 프로세서(110)내의 보다 큰 연료 개질 용량(fuel reformation capacity) 그리고 교대로 터빈(104)내에서 팽창되는 추가적인 가스상의 에너지를 고려할 수 있다. 터빈(104)으로부터의 추가적인 전력은 고체 산화물 연료 전지(102)에 여분의 공기흐름을 제공하는데 이용될 수 있어서, 압축 연료 흐름의 증가 및 개질된 연료의 공급분의 증가로 혼합될 때, 고체 산화물 연료 전지(102)내에 보다 많은 전기를 생성하도록 사용될 수 있다. 변형적으로, 터빈(104)내의 추가적인 전력은 발전기(108)내에서 발전을 증대시키는데 이용될 수 있다.
이에 따라, 증가된 전력 수요는 고체 산화물 연료 전지(102)로의 압축 공기 및 개질된 연료의 공급분을 증가시키도록 시동 연소기(112)를 이용함으로써 만족되어, 고체 산화물 연료 전지(102)의 전력 출력을 증대시킬 수 있다. 이 경우, 일단 고체 산화물 연료 전지(102)를 위한 전력 출력의 증가된 레벨이 성취되면, 시동 연소기(112)는 다시 차단될 수 있고, 고체 산화물 연료 전지(102)로부터의 배출 가스의 증가된 양은 새로운 출력 레벨을 지속하도록 압축 공기 및 개질된 연료의 필요한 양을 공급하기에 충분할 수 있다. 변형예로서, 증가된 전력 수요는 터빈(104)으로의 가스상의 열 에너지를 증대시키도록 시동 연소기(112)를 이용함으로써 만족 될 수 있다. 증가된 터빈 전력은 발전을 증대시키도록 발전기(108)로 지향될 수 있다. 이 경우, 피크 시스템 발전 용량은 시동 연소기(112)의 통합에 의해 증대될 수 있다.
따라서, 전술한 것은 본 발명의 원리만을 예시한 것으로 고려된다. 본 발명의 특징 및 관점은 예로서만 기술 또는 서술된 것으로 본 발명의 필수 또는 본질적인 요소로서 해석되지 않는다. 전술한 것은 본 발명의 단지 특정 예시적인 실시예에 관한 것이고, 첨부된 특허청구범위에 의해 규정된 바와 같이 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 다수의 변경 및 추가가 이루어질 수 있음이 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지-가스 터빈 시스템을 이용하면, 보다 효율적인 시동 및 전이 동작을 제공할 수 있으므로, 보다 높은 시스템 피킹 능력을 제공할 수 있다.
Claims (10)
- 연료 전지와, 공기 압축기(106)와, 연료 프로세서(110)를 구비한 통합형 연료 전지-가스 터빈 시스템(100)에 있어서,배출 가스를 발생시키는 시동 연소기(112)와,상기 공기 압축기(106)로부터 상기 시동 연소기(112) 및 연료 전지로 압축 공기의 흐름을 지향시키는 제 1 제어 수단과,압축 연료의 흐름을 상기 시동 연소기(112) 및 연료 프로세서(110)로 지향시키는 제 2 제어 수단을 포함하며,상기 제 1 제어 수단과 제 2 제어 수단은 상기 시동 연소기로의 압축 공기 흐름 및 압축 연료 흐름의 전달을 제어하여, 압축 연료 흐름이 상기 연료 프로세서(110)에 전달되고 압축 공기 흐름이 연료 전지에 전달되기 전에, 상기 시동 압축기(112)의 배출 가스가 상기 연료 프로세서(110)를 소정 온도로 가열시키게 하는통합형 연료 전지-가스 터빈 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 연료 전지는 고체 산화물 연료 전지(102)를 포함하는통합형 연료 전지-가스 터빈 시스템.
- 제 2 항에 있어서,상기 제 1 제어 수단은 초기에 상기 시동 연소기(112)로 압축 공기의 모든 흐름을 지향시키고, 상기 제 2 제어 수단은 초기에 상기 시동 연소기(112)로 압축 연료의 모든 흐름을 지향시키며,상기 연료 프로세서(110)가 상기 소정 온도에 도달할 때, 상기 제 1 제어 수단은 압축 공기의 모든 흐름이 상기 고체 산화물 연료 전지(102)에 전달될 때까지 상기 고체 산화물 연료 전지(102)로 압축 공기 흐름이 증대되는 부분을 지향시키고, 상기 제 2 제어 수단은 압축 연료의 모든 흐름이 상기 연료 프로세서(110)에 전달될 때까지 상기 연료 프로세서(110)로 압축 연료 흐름이 증대되는 부분을 지향시키는통합형 연료 전지-가스 터빈 시스템.
- 제 3 항에 있어서,상기 소정 온도는 상기 연료 프로세서(110)의 소망의 작동 온도를 포함하는통합형 연료 전지-가스 터빈 시스템.
- 제 3 항에 있어서,상기 제 2 제어 수단은 시동 밸브(116) 및 흐름 제어 밸브(118)를 포함하며, 상기 시동 밸브(116)는 상기 시동 연소기(112)로 압축 연료 흐름의 전달을 제어하는 2방향 밸브를 포함하고, 상기 흐름 제어 밸브(118)는 상기 연료 프로세서(110)로 압축 연료 흐름의 전달을 제어하는 2방향 밸브를 포함하는통합형 연료 전지-가스 터빈 시스템.
- 제 2 항에 있어서,상기 고체 산화물 연료 전지(102)는 배출 가스를 발생시키는데, 상기 고체 산화물 연료 전지(102)로부터 발생되는 배출 가스는 상기 연료 프로세서(110)에 열을 제공하고,상기 고체 산화물 연료 전지(102)에 지향된 압축 공기 흐름이 증대되는 부분이 제 1 결정 속도로 증가되어서, 압축 공기의 모든 흐름이 상기 고체 산화물 연료 전지(102)에 지향될 때까지, 상기 제 1 결정 속도는 상기 고체 산화물 연료 전지(102)의 배출 가스를 상기 연료 프로세서(110)에 의해 이용되는 모든 열을 제공하기에 충분하게 하는통합형 연료 전지-가스 터빈 시스템.
- 제 6 항에 있어서,상기 연료 프로세서(110)에 지향된 압축 연료 흐름이 증대되는 부분이 제 2 결정 속도로 증가되어서, 압축 연료의 모든 흐름이 상기 연료 프로세서(110)에 지향될 때까지, 상기 제 2 결정 속도는 상기 고체 산화물 연료 전지(102)의 배출 가스를 상기 연료 프로세서(110)에 의해 이용되는 모든 열을 제공하기에 충분하게 하는통합형 연료 전지-가스 터빈 시스템.
- 제 7 항에 있어서,상기 SOFC 연소기(126)를 더 포함하며, 상기 SOFC 연소기(126)는 상기 고체 산화물 연료 전지(102)로부터 미반응된 연료 및 과잉 공기의 공급분을 수용하고, 상기 SOFC 연소기(126)는 상기 미반응된 연료를 상기 과잉 공기와 반응시켜 상기 고체 산화물 연료 전지(102)의 배출 가스의 열을 증대시키는통합형 연료 전지-가스 터빈 시스템.
- 제 2 항에 있어서,상기 연료 프로세서(110)가 상기 소정 온도에 도달할 때, 상기 고체 산화물 연료 전지(102)의 배출 가스가 상기 연료 프로세서(110)에 의해 이용되는 모든 열을 공급하기에 충분할 때까지, 상기 제 1 제어 수단은 상기 고체 산화물 연료 전지(102)로 압축 공기 흐름이 증대되는 부분을 지향시키고, 상기 제 2 제어 수단은 상기 연료 프로세서(110)로 압축 연료 흐름이 증대되는 부분을 지향시키는통합형 연료 전지-가스 터빈 시스템.
- 제 9 항에 있어서,상기 고체 산화물 연료 전지(102)의 배출 가스가 상기 연료 프로세서(110)에 의해 이용되는 모든 열을 공급하기에 충분한 지점에 도달할 때, 상기 제 1 제어 수단은 상기 고체 산화물 연료 전지(102)로 압축 공기의 모든 흐름을 지향시키고, 상 기 제 2 제어 수단은 상기 연료 프로세서로 압축 연료의 모든 흐름을 지향시키는통합형 연료 전지-가스 터빈 시스템.
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