KR20110135945A - 고온 연료 전지 시스템에서의 향상된 연료 유연성 구성 - Google Patents

고온 연료 전지 시스템에서의 향상된 연료 유연성 구성 Download PDF

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낌 오스트룀
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Abstract

본 발명의 관심은 고온 연료 전지 시스템에서 전기를 생산하는 방법이고, 이 방법에서 가스는 연료 전지들의 애노드 측 (100) 에서 순환된다. 애노드 측 (100) 에서의 가스 조성은 조성 정보를 제공하기 위해 결정되고, 연료 전지로 전기를 생산하기 위해 원하는 온도 컨디션들이 배열된다. 이 방법에서, 연료 전지 시스템의 정격 출력은, 고온 연료 전지 시스템에서 연료로서 사용된 가스에 대해 실질적으로 최적의 전기 생산 컨디션을 유지하기 위해 연료 전지 시스템의 정격 출력을 변화시키도록, 필요할 때 물 공급을 변화시킴으로써 조성 정보를 이용함으로써 연료 전지 시스템으로 제어된 보조의 물 공급을 수행하고, 필요할 때 가스 재순환을 변화시킴으로써 조성 정보를 이용함으로써 애노드 측 (100) 에서 제어된 가스 재순환을 수행하며, 필요할 때 가스 공급을 변화시킴으로써 조성 정보를 이용함으로써 연료 전지 시스템 내로 제어된 가스 공급을 수행함으로써 제어된다.

Description

고온 연료 전지 시스템에서의 향상된 연료 유연성 구성{IMPROVED FUEL FLEXIBILITY CONFIGURATION IN HIGH TEMPERATURE FUEL CELL SYSTEMS}
세계의 에너지의 대부분은 오일, 석탄, 천연 가스 또는 원자력에 의해 생성된다. 이들 제조 방법들 모두는, 예를 들어 환경에 대한 이용성 및 친화성이 고려되는 한 그 특정 문제들을 갖는다. 환경이 고려되는 한, 특히 오일 및 석탄은 그들이 연소될 때 오염물질을 야기한다. 원자력 이용에서의 문제는 적어도 사용된 연료의 저장이다.
특히 환경적 문제 때문에, 보다 환경 친화적인, 그리고 예를 들어 전술된 에너지 원들보다 더욱 효율적인 새로운 에너지원이 개발되고 있다. 연료 전지 디바이스는, 연료, 예를 들어 바이오 가스가 친 환경적인 프로세스에서 화학적 반응을 통해 전기로 직접 변형되는 것에 의해 미래의 에너지 전환 디바이스로 촉망된다.
도 1 에 나타난 바와 같이, 연료 전지는 애노드 측 (100) 및 캐소드 측 (102) 및 그들 사이의 전해액 재료 (104) 를 포함한다. 고체 산화물 연료 전지 (solid oxide fuel cell; SOFC) 에서, 캐소드 측 (102) 으로 산소가 공급되고, 산소는 캐소드로부터 전자를 받음으로써 음의 산소 이온들로 환원된다. 음의 산소 이온은 전해액 재료 (104) 를 통과하여 애노드 측 (100) 으로 가고, 여기서 산소는 사용된 연료와 반응하여 물 및 또한 통상적으로 이산화탄소 (CO2) 를 생성한다. 애노드 (100) 와 캐소드 (102) 간에는 연료 전지에 대한 로드 (110) 를 포함하는 외부 전기 회로 (111) 가 있다.
도 2 에는 고온의 연료 전지 디바이스의 예로서 SOFC 디바이스가 제시된다. SOFC 디바이스는, 예를 들어 중성 가스, 바이오 가스, 메탄올 또는 탄화수소 혼합물을 함유하는 다른 화합물을 연료로서 이용할 수 있다. 도 2 의 SOFC 디바이스는 스택 형상 (103)(SOFC 스택) 으로 1 초과의, 통상적으로 복수의 연료 전지들을 포함한다. 각각의 연료 전지는 도 1 에 제시된 바와 같은 애노드 (100) 및 캐소드 (102) 를 포함한다. 사용된 연료의 일부분은 각각의 애노드를 지나 피드백 장치 (109) 에서 순환된다. 도 2 의 SOFC 디바이스는 또한, 연료 열 교환기 (105) 및 리포머 (reformer; 107) 를 포함한다. 열 교환기는 연료 전지 프로세스에서의 열 컨디션을 제어하기 위해 사용되고, SOFC 디바이스의 상이한 로케이션들에서 1 보다 많은 위치들에 위치할 수 있다. 재순환 가스에서 여분의 열 에너지는 하나 이상의 열 교환기 (105) 에서 복구되어 SOFC 디바이스 내 또는 열 복구 장치 밖에서 이용된다. 리포머 (107) 는, 예를 들어 중성 가스와 같은 연료를 연료 전지에 적합한 조성물, 예를 들어 수소 및 메탄, 이산화탄소, 이산화탄소 및 불활성 가스들을 함유하는 조성물로 변환하는 디바이스이다. 그러나, 각각의 SOFC 디바이스에서 반드시 리포머를 구비해야 하는 것은 아니다.
(연료 흐름 미터, 전류 미터 및 온도 미터와 같은) 측정 수단 (115) 을 사용함으로써 통과하는 애노드 재순환 가스로부터 SOFC 디바이스의 동작을 위해 필요한 측정들을 수행한다. 애노드 (100) 에서 사용된 가스의 단지 일부가 애노드를 통과하여 피드백 장치 (109) 에서 재순환되고, 가스의 다른 부분 (114) 이 애노드 (100) 로부터 배기된다.
고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 디바이스는 연료를 산화하는 것으로부터 직접 전기를 생산하는 전기화학적 변환 디바이스이다. SOFC 디바이스의 이점은 높은 효율성, 장기 안정성, 낮은 에미션, 및 비용을 포함한다. 주요 단점은, 긴 스타트업 시간과, 기계적 및 화학적 호환성 이슈들 양자 모두를 초래하는 높은 동작 온도이다.
대형의 고체 산화물 연료 전지 시스템은, 통상의 동작 포인트에 대해 사이징되어야 하는, 블로어 (blower), 리액터, 및 열 교환기와 같은 많은 컴포넌트들을 구비한다. 특히, 열 교환기의 경우에서, 흐름이 사이징 값과 매우 많이 상이할 때 효율성이 급진적으로 변경된다. 또한, 대형 시스템에서, 컴포넌트들의 열용량은 높아서 느린 온도 레벨 안정을 야기하고, 이는 또한 연료 전지 스택 및 리포머와 같은 온도 민감형 연료 전지 시스템 컴포넌트들의 기능에 영향을 준다. 이들 효과는, 통상의 사이징 포인트보다 몇몇 다른 동작 포인트에서 고체 산화물 연료 전지 시스템의 동작이 상이해질 수도 있음을 야기하고, 또는 적어도 시스템 효율성에서의 저하를 야기한다. 상이한 동작 포인트들은, 예를 들어 여러 바이오 가스들에서의 경우인 연료 품질에서의 가능한 변동, 필요한 전력 출력에서의 변형을 포함할 수도 있고, SOFC 시스템을 위해 설계된 연료 외의 몇몇 다른 연료를 이용하여 SOFC 시스템을 동작시킬 필요가 있다. 이는, 타당한 효율성으로 종래 기술의 해결책에서 도달되지 않는 소위 듀얼-연료 역량에 필요하다.
본 발명의 목적은 시스템 구성에서의 최소의 변화를 갖는 상이한 상황에서 메탄의 퍼센티지와 같이 연료 조성에서의 큰 차이를 가질 수도 있는 가스를 이용할 수 있는 연료 전지 시스템을 달성하기 위한 것이다. 이는 연료 전지로 전기를 생산하기 위한 고온 연료 전지 시스템에 의해 달성될 수 있고, 각 연료 전지는 애노드 측, 캐소드 측, 애노드 측과 캐소드 측 사이의 전해질을 포함하고, 연료 전지 시스템은 애노드 측에서 가스를 순환시키기 위한 수단을 포함한다. 고온 연료 전지 시스템은, 조성 정보를 제공하기 위해 애노드 측에서의 가스 조성을 결정하기 위한 수단, 상기 조성 정보를 이용함으로써 애노드 측에서 제어된 가스 재순환을 수행하기 위한 수단, 상기 조성 정보를 이용함으로써 연료 전지 시스템으로 제어된 보조의 물 공급을 수행하기 위한 수단, 연료 전지 시스템 내에 원하는 온도 컨디션들을 배열하기 위한 적어도 하나의 열 교환기, 상기 조성 정보를 이용함으로써 연료 전지 시스템 내로 제어된 가스 공급을 수행하기 위한 수단, 및 고온 연료 전지 시스템에서 연료로서 사용된 가스에 대해 실질적으로 최적의 전기 생산 컨디션들을 유지하기 위해 연료 전지 시스템의 정격 출력 (rated power) 을 변화시키도록, 필요할 때 물 공급을 변화시킴으로써 상기 조성 정보를 이용하여 연료 전지 시스템으로 제어된 보조의 물 공급을 수행하기 위한 수단을 제어하고, 필요할 때 상기 가스 재순환을 변화시킴으로써 상기 조성 정보를 이용하여 애노드 측에서 제어된 가스 재순환을 수행하기 위한 수단을 제어하며, 필요할 때 상기 가스 공급을 변화시킴으로써 상기 조성 정보를 이용하여 상기 연료 전지 시스템 내로 제어된 가스 공급을 수행하기 위한 수단을 제어함으로써 연료 전지 시스템의 정격 출력을 제어하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명의 목적은 또한, 고온 연료 전지 시스템에서 전기를 생산하는 방법이고, 이 방법에서 가스는 연료 전지들의 애노드 측에서 순환된다. 이 방법에서, 조성 정보를 제공하기 위한 애노드 측에서의 가스 조성이 결정되고, 연료 전지들로 전기를 생산하기 위한 원하는 온도 컨디션들이 배열되며, 연료 전지 시스템의 정격 출력은, 고온 연료 전지 시스템에서 연료로서 사용된 가스에 대해 실질적으로 최적의 전기 생산 컨디션들을 유지하기 위해 연료 전지 시스템의 정격 출력을 변화시키도록, 필요할 때 물 공급을 변화시킴으로써 조성 정보를 이용하여 연료 전지 시스템으로 제어된 보조의 물 공급을 수행하고, 필요할 때 가스 재순환을 변화시킴으로써 조성 정보를 이용하여 애노드 측에서 제어된 가스 재순환을 수행하며, 필요할 때 가스 공급을 변화시킴으로써 조성 정보를 이용하여 연료 전지 시스템 내로 제어된 가스 공급을 수행함으로써 제어된다.
본 발명은, 보조의 물 공급 시스템과 애노드 가스 재순환 시스템 간의 애노드 흐름 특징이, 연료 전지 시스템에서 사용된 가스가 실질적으로 상이한 타입의 가스로 변화될 때에도 실질적으로 최적의 전기 생산 컨디션을 확보하기 위해 연료 전지 시스템의 정격 출력을 변화시키도록, 이러한 필요에 따라 상기 보조의 물 공급을 변화시킴으로써 애노드 가스 조성 정보를 이용하고, 이러한 필요에 따라 상기 가스 재순환을 변화시키며, 이러한 필요에 따라 연료 전지 시스템 내로의 가스 공급을 변화시킴으로써 제어된다는 것에 기초한다.
본 발명의 이점은, 고온 연료 전지 시스템에서 사용된 통상의 가스가 시스템 구성에서의 최적의 변화로 변화될 수 있다는 것이다. 이는, 상이한 가스들에 대해 병렬의 연료 전지 디바이스를 구축할 필요 없이 메탄의 퍼센티지와 같은 연료 조성에서의 매우 큰 차이를 갖는 가스들에 동일한 연료 디바이스가 사용되도록 달성될 수 있다.
도 1 은 단일의 연료 전지 구조를 나타낸다.
도 2 는 SOFC 디바이스의 예를 나타낸다.
도 3 은 본 발명에 따른 바람직한 실시형태를 나타낸다.
고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 는 다수의 지오메트리를 가질 수 있다. 평면의 지오메트리 (도 1) 는 연료 전지들의 대부분의 타입들에 의해 이용된 통상적인 샌드위치 타입 지오메트리이고, 여기서 전극들, 애노드 (100) 와 캐소드 (102) 사이에는 전해질 (104) 이 샌드위치된다. SOFC 는 또한, 관형 (tubular) 지오메트리로 이루어질 수 있는데, 여기서 예를 들어 공기 또는 연료는 튜브의 내부를 통과하고, 다른 가스는 튜브의 외부를 따라 패스된다. 이는, 또한 연료로서 사용된 가스가 튜브의 내부를 통과하고, 공기가 튜브의 외부를 따라 패스되도록 배열될 수도 있다. 관형 설계는 연료로부터 공기를 밀봉하는데 더 좋다. 그러나, 평면 설계는 비교적 낮은 저항을 갖기 때문에 평면 설계의 성능이 관형 설계의 성능보다 더 좋다.
다른 지오메트리의 SOFC 는 변형된 평면 셀 (MPC 또는 MPSOFC) 을 포함하고, 여기서 파상 (wave-like) 구조가 평면 셀의 전통적인 평평한 구성을 대체한다. 이러한 설계는, 평면 셀 (낮은 저항) 과 관형 셀 양자 모두의 이점을 공유하기 때문에 촉망된다.
SOFC 에 사용된 세라믹은, 이들이 매우 고온에 도달할 때까지 이온으로 활성화되지 않고, 이 때문에 스택들은 600 ℃ 내지 1,000 ℃ 의 범위에 이르는 온도에서 가열되어야 한다. 산소 이온으로의 산소의 환원 (도 1) 은 캐소드 (102) 에서 발생한다. 이들 이온들은 그 다음에, 고체 산화물 전해질 (104) 을 통해 애노드 (100) 로 트랜스퍼될 수 있고, 애노드에서 이온들은 연료로서 사용된 가스를 전기화학적으로 산화시킬 수 있다. 이 반응에서, 물 및 이산화탄소 부산물이 게다가 2 개의 전자들을 발산한다. 이들 전자들은 그 다음에, 외부 회로 (111) 를 통해 흐르고 이 회로에서 전자들이 이용될 수 있다. 이 사이클은 그 다음에, 이들 전자들이 캐소드 재료 (102) 로 다시 들어감에 따라 반복된다.
대형의 고체 산화물 연료 전지 시스템에서, 통상적인 연료는 중성 가스 (주로 메탄), 상이한 바이오 가스들 (주로 질소 및/또는 이산화탄소 희석된 메탄), 및 알콜을 포함하는 연료를 함유하는 다른 고급 탄화수소 (higher hydrocarbon) 이다. 메탄 및 고급 탄화수소는 연료 전지 스택에 들어가기 전에 리포머 (107)(도 2) 내에서 또는 (부분적으로) 스택 (103) 내부에서 리포밍될 필요가 있다. 이 리포밍 반응은 소정 양의 물을 필요로 하고, 고급 탄화수소에 의해 야기된 가능한 탄소 형성 (코킹, coking) 을 방지하기 위해 추가의 물이 또한 필요하다. 이 물은, 연료 전지 반응에서 초과량으로 물이 생성되기 때문에 애노드 가스 배출 흐름을 순환시킴으로써 내부에서, 그리고/또는 보조의 물 공급 (feed)(예를 들어, 다이렉트 담수 공급 또는 배출 응축액의 순환) 를 이용하여 제공될 수 있다. 애노드 재순환 장치에 의해, 사용되지 않은 연료의 일부분 및 애노드 가스의 희석액이 또한 프로세스에 다시 공급되는 한편, 보조의 물 공급 장치에서 프로세스에 대한 첨가제는 단지 물이다.
도 3 은 본 발명에 따른 예시적인 바람직한 실시형태를 나타내고, 여기서 애노드 재순환 및 보조의 물 공급 간의 비율 및 동작 모드, 가스 프로세싱 리액터를 통한 애노드 흐름 특징, 열 교환기 및 연료 전지 스택들은 리포밍 반응에 적합한 물의 양을 확보하고 동시에 코킹을 방지하면서 대략 일정하게 유지될 수 있다. 이 고체 산화물 연료 전지 시스템은 조성 정보를 제공하기 위해 애노드 측 (100) 에서의 가스 조성을 결정하기 위한 수단 (120) 을 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 이 조성 정보는 산소와 탄소 간의 관계, 즉 O/C 관계이고, 이 가스가 연료로서 사용된다. 조성 정보는 또한, 물 체적 정보 및/또는 수소와 탄소 간의 관계, 즉 H/C 관계를 포함할 수도 있다. O/C 관계 및/또는 물 체적 정보 및/또는 H/C 관계 모두는 바람직하게 계산 프로세스에 의해 결정되고, 이에 따라 상기 가스 조성을 결정하기 위한 수단 (120) 은 예를 들어 컴퓨터 (126) 또는 몇몇 다른 디바이스 내에 위치한 계산 프로세서이다. 물론, 상기 수단 (120) 은 또한 가스 흐름으로부터 원하는 값을 측정하기 위한 측정 장비일 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 고체 산화물 연료 전지 시스템 (도 3) 은 연료 전지 시스템에서 원하는 온도 컨디션을 배열하기 위한 적어도 하나의 열 교환기 (105) 를 더 포함한다. 조성 정보는 또한, 적어도 하나의 열 교환기의 동작을 다이렉팅하기 위해 패싱 (passing) 장치를 사용함으로써 열 교환기에 이용될 수 있다. 적어도 하나의 열 교환기의 효율성은 조성 정보를 이용하는 상기 패싱 장치를 사용함으로써 또한 제어 가능할 수도 있다. 이 패싱 장치는 다이렉트 스팀 흐름 또는 애노드 재순환 공급 또는 이들의 조합을 통과시키는 하나 이상의 파이프(들)을 포함한다.
상기 조성 정보는 가스의 양 및/또는 온도를 변화시킴으로써 애노드 측 (100) 에서 제어된 가스 재순환을 수행하기 위한 수단 (122) 에 의해 이용된다. 상기 조성 정보는 또한, 물의 양 및/또는 온도를 변화시킴으로써 연료 전지 시스템으로 제어된 보조의 물 공급을 수행하기 위한 수단 (124) 에 의해 이용된다. 본 발명에 따른 실시형태들은 또한, 가스의 양 및/또는 온도를 변화시킴으로써 상기 조성 정보를 이용함으로써 연료 전지 시스템 내로 제어된 가스 공급을 수행하기 위한 수단 (123) 을 포함한다. 제어하기 위한 이들 모든 수단들 (122, 123, 124) 은 예를 들어 동일한 제어 컴퓨터 (126) 내에 또는 도 3 에 나타난 수단들 (122, 123, 124) 과 같이 개별적으로 위치한 하나 이상의 제어 프로세서(들)을 포함한다.
연료로서 사용된 가스가, 예를 들어 중성 가스로부터 바이오 가스로 교환될 때, 연료 전지 시스템의 정격 출력이 변화되어 고체 산화물 연료 전지 시스템에서 연료로서 사용된 가스에 대해 실질적으로 최적의 전기 생산 컨디션을 유지한다. 이는, 설명된 바와 같이 조성 정보를 이용함으로써 연료 전지 시스템으로 제어된 보조의 물 공급을 수행하기 위한 수단 (124) 을 제어하고, 설명된 바와 같이 조성 정보를 이용함으로써 애노드 측 (100) 에서 제어된 가스 재순환을 수행하기 위한 수단 (122) 을 제어하고, 설명된 바와 같이 조성 정보를 이용함으로써 연료 전지 시스템 내로 제어된 가스 공급을 수행하기 위한 수단 (123) 을 제어함으로써, 고체 산화물 연료 전지 시스템의 정격 출력을 제어하기 위한 수단 (126) 에 의해 달성된다. 또한, 고체 산화물 연료 전지 시스템의 정격 출력을 제어하기 위한 수단 (126) 은 도 3 에 나타난 바와 같이 예를 들어 제어 컴퓨터 (126) 내에 위치한 하나 이상의 제어 프로세서(들)을 포함한다. 수단 (126) 이 컴퓨터로서 명명되지만, 본 발명은, 예를 들어 단지 하나의 제어 로직 회로 또는 등가물을 포함하는 수단 (126) 으로 달성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 제어 수단 (126) 을 이용한 정격 출력의 제어는 설명된 바와 같이 제어 수단들 (122 및/또는 123 및/또는 124) 을 사용하고 가스 조성을 결정하기 위한 수단 (120) 을 사용하여 애노드 측에서의 가스 재순환과 보조의 물 공급 간의 애노드 흐름 특징을 제어함으로써 달성된다. 도 3 에서 2 방향 화살표로 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 설명된 제어 장치가 연료 전지 시스템에서의 제어 프로세스의 스테이트를 능동적으로 따르도록 제어 수단 (126) 에 피드백 정보를 제공하기 위한 제어 수단들 (122, 123, 124 및 126) 간의 2 방향 제어 정보 흐름이 존재할 수 있다.
SOFC 를 이용하여 또한 설명된 바와 같이, 본 발명은 또한 MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) 및 400 ℃ 및 더 높은 온도에서 동작하는 다른 고온의 연료 전지들과 이용될 수 있다. MCFC 는 다공성으로 부유된 용융 탄산염 혼합물로 이루어진 전해질, BASE 의 화학적으로 불활성 세라믹 매트릭스, 베타-알루미나 고체 전해질 (Beta-Alumina Solid Electrolyte) 을 사용하는 고온의 연료 전지이다.
본 발명은, 동일한 SOFC (또는 MCFC 또는 다른) 시스템 파트들 및 컴포넌트들이 듀얼 연료 (예를 들어, 중성 가스, 바이오 가스) 동작 시스템에서 성공적으로 사용되는 것을 가능하게 한다. 시스템은 사용될 가스에 따라 동작 모드를 선택하기 위한 스위치를 포함하는 온/오프 타입일 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시형태 (도 3) 에서, 시스템은 바람직하게, 설명된 바와 같이 가스 조성에서의 변화 다음에 그 동작 모드를 변화시키는 자동 제어 시스템이다. 가스에 사용된 메탄 성분은 거의 100% (중성 가스) 에서 30% 만큼 낮은 또는 보다 낮은 ("더티" 바이오 가스) 사이에서 변하도록 허용된다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, SOFC 시스템 파트들 및 컴포넌트들 중 많은, 또는 거의 모두가 연료로서 사용된 상이한 가스 타입들에 대해 일반적이다. 그래도, 어떻게든 타당하다면, 본 발명은 또한 SOFC 시스템 파트들 및 컴포넌트들의 단지 몇몇이 연료로서 사용된 상이한 가스 타입에 대해 일반적이도록 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 이들의 달성은 특히, 종래 기술에 따른 애노드 재순환이 불활성 성분으로 하여금 적당한 양의 물을 제공하기 위해 매우 높은 애노드 재순환 흐름을 야기하는 루프로 만들어지게 하기 때문에, 희석된 바이오 가스를 연료로서 사용할 때 기본적으로 중요하다. 이는, 종래 기술에 따라 바이오 가스 적용으로부터 중성 가스 적용으로 변할 때 가스 프로세싱 컴포넌트들 및 파트들로 하여금 오버 디멘젼 (over-dimension) 되게 한다. 본 발명에 따른 애노드 재순환과 보조의 물 공급 간의 비율을 변화시킴으로써, 동일한 시스템 파트들 및 컴포넌트들이 상이한 가스 동작에서 사용될 수 있고, 시스템 전력 및 기본적으로 효율성이 우수한 또는 적어도 타당한 값들을 유지한다.
본 발명은 전력 출력을 제어하고, 이에 따라 높은 효율성을 유지하기 위해 필요한 유입구 연료 흐름을 제어하는데 가능한 필요성에 대해 유사하게 적용된다. 본 발명은 또한, 예를 들어 통상적인 바이오 가스 애플리케이션의 경우 연료 품질에서의 가능한 변동에 대해 유사하게 적용된다. 높은 변동을 갖는 종래의 시스템에서는, 코킹을 방지하기 위해 높은 안전성 (safety margin) 이 존재해야 한다. 애노드 측에서의 실질적으로 일정한 흐름 특징을 여전히 유지하면서 필요한 물의 양을 제어하기 위해 본 발명에 따른 연료 조성의 간접 또는 직접적인 온-라인 측정이 적용될 때, 상당히 낮은 안정성도 코킹을 방지하기에 충분하다.
본 발명은 첨부된 도면 및 상세한 설명을 참조하여 제시되었으나, 본 발명은 청구범위에 의해 허용되는 범위 내에서 본 발명이 변형의 대상이 되는 것과 같이 본 발명에 제한되지 않는다.

Claims (14)

  1. 연료 전지들로 전기를 생산하기 위한 고온 연료 전지 시스템으로서,
    각 연료 전지는 애노드 측 (100), 캐소드 측 (102), 상기 애노드 측과 상기 캐소드 측 사이의 전해질 (104) 을 포함하고, 상기 연료 전지 시스템은 애노드 측에서 가스를 순환시키기 위한 수단 (109) 을 포함하고,
    상기 고온 연료 전지 시스템은,
    - 조성 정보를 제공하기 위해 애노드 측 (100) 에서의 가스 조성을 결정하기 위한 수단 (120),
    - 상기 조성 정보를 이용하여 상기 애노드 측 (100) 에서 제어된 가스 재순환을 수행하기 위한 수단 (122),
    - 상기 조성 정보를 이용하여 상기 연료 전지 시스템으로 제어된 보조의 물 공급을 수행하기 위한 수단 (124),
    - 상기 연료 전지 시스템 내에 원하는 온도 컨디션들을 배열하기 위한 적어도 하나의 열 교환기 (105),
    - 상기 조성 정보를 이용하여 상기 연료 전지 시스템 내로 제어된 가스 공급을 수행하기 위한 수단 (123), 및
    - 상기 고온 연료 전지 시스템에서 연료로서 사용되는 가스에 대해 실질적으로 최적의 전기 생산 컨디션들을 유지하기 위해 상기 연료 전지 시스템의 정격 출력을 변화시키도록, 필요할 때 상기 물 공급을 변화시킴으로써 상기 조성 정보를 이용하여 상기 연료 전지 시스템으로 제어된 보조의 물 공급을 수행하기 위한 수단 (124) 을 제어하고, 필요할 때 상기 가스 재순환을 변화시킴으로써 상기 조성 정보를 이용하여 애노드 측에서 제어된 가스 재순환을 수행하기 위한 수단 (122) 을 제어하며, 필요할 때 상기 가스 공급을 변화시킴으로써 상기 조성 정보를 이용하여 상기 연료 전지 시스템 내로 제어된 가스 공급을 수행하기 위한 수단 (123) 을 제어함으로써, 상기 연료 전지 시스템의 정격 출력을 제어하기 위한 수단 (126) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 상기 조성 정보를 이용하여 물의 양 및/또는 온도를 변화시켜 제어된 보조의 물 공급을 수행하기 위한 수단 (124) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 상기 조성 정보를 이용하여 가스의 양 및/또는 온도를 변화시켜 제어된 가스 재순환을 수행하기 위한 수단 (122) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 상기 조성 정보를 이용하여 상기 적어도 하나의 열 교환기 (105) 의 동작을 다이렉팅하기 위한 패싱 (passing) 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 상기 조성 정보를 이용하여 상기 적어도 하나의 열 교환기 (105) 의 효율성을 제어하기 위한 패싱 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 상기 가스에서의 산소 및 탄소 간의 관계 (O/C 관계) 를 조성 정보로서 제공하기 위해 애노드 측에서의 가스 조성을 결정하기 위한 수단 (120) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 애노드 측 (100) 에서의 가스 재순환과 보조의 물 공급 간의 애노드 흐름 특성들을 제어함으로써 상기 연료 전지 시스템의 정격 출력을 제어하기 위한 수단 (126) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템.
  8. 고온 연료 전지 시스템에서 전기를 생산하는 방법으로서,
    상기 방법에서, 연료 전지들의 애노드 측 (100) 에서 가스가 순환되고,
    상기 방법에서,
    - 조성 정보를 제공하기 위해 애노드 측 (100) 에서의 가스 조성이 결정되고,
    - 연료 전지들로 전기를 생산하기 위해 원하는 온도 컨디션들이 배열되며,
    - 상기 연료 전지 시스템의 정격 출력은, 상기 고온 연료 전지 시스템에서 연료로서 사용되는 가스에 대해 실질적으로 최적의 전기 생산 컨디션들을 유지하기 위해 상기 연료 전지 시스템의 정격 출력을 변화시키도록, 필요할 때 상기 물 공급을 변화시킴으로써 상기 조성 정보를 이용하여 상기 연료 전지 시스템으로 제어된 보조의 물 공급을 수행하고, 필요할 때 상기 가스 재순환을 변화시킴으로써 상기 조성 정보를 이용하여 애노드 측 (100) 에서 제어된 가스 재순환을 수행하며, 필요할 때 상기 가스 공급을 변화시킴으로써 상기 조성 정보를 이용하여 상기 연료 전지 시스템 내로 제어된 가스 공급을 수행함으로써, 제어되는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 전기를 생산하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 물 공급은 상기 조성 정보를 이용하여 물의 양 및/또는 온도를 변화시킴으로써 변화되는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 전기를 생산하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 가스 재순환은 상기 조성 정보를 이용하여 가스의 양 및/또는 온도를 변화시킴으로써 변화되는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 전기를 생산하는 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 원하는 온도 컨디션들을 배열하는 동작은 상기 조성 정보를 이용하여 패싱 (passing) 장치에 의해 다이렉팅되는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 전기를 생산하는 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 원하는 온도 컨디션들을 배열하는데 있어서의 효율성은 상기 조성 정보를 이용하여 패싱 장치에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 전기를 생산하는 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 가스에서의 산소 및 탄소 간의 관계 (O/C 관계) 를 조성 정보로서 제공하기 위해 애노드 측 (100) 에서의 가스 조성이 결정되는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 전기를 생산하는 방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 정격 출력의 제어는 상기 애노드 측 (100) 에서의 가스 재순환과 상기 보조의 물 공급 간의 애노드 흐름 특성들을 제어함으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 고온 연료 전지 시스템에서 전기를 생산하는 방법.
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