KR20130132457A - 고체 산화물 연료 전지 시스템과 고체 산화물 연료 전지 시스템을 작동하는 방법 - Google Patents

고체 산화물 연료 전지 시스템과 고체 산화물 연료 전지 시스템을 작동하는 방법 Download PDF

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엘지 퓨얼 셀 시스템즈 인코포레이티드
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Abstract

고체 산화물 연료 전지 시스템(10)은 고체 산화물 연료 전지 스택(12)과 전기 화학 디바이스(14)를 포함한다. 고체 산화물 연료 전지 스택(12)은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)를 포함하고 각각의 고체 산화물 연료 전지(16)는 전해액(18), 양극(20) 및 음극(22)을 포함한다. 산화제 공급부(24)는 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 음극(22)에 산화제를 공급하도록 배열되고 연료 공급부(26)는 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 양극(20)에 연료를 공급하도록 배열된다. 전기 화학 디바이스(14)는 전해액(34), 양극(36) 및 음극(38)을 포함한다. 수단(28, 50, 52)은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 양극(20)으로부터 전기 화학 디바이스(14)의 양극(36)으로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하고, 수단(32, 50, 58)은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 양극(20)으로부터 전기 화학 디바이스(14)의 음극(38)으로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급한다. 사용시에 전기 화학 디바이스(14)는 전기 화학 디바이스(14)의 음극(38)에서의 사용하지 않은 연료로부터 산소를 제거하도록 배열되고 전기 화학 디바이스(14)는 전해액(34)을 통해 전기 화학 디바이스(14)의 음극(38)에서의 사용하지 않은 연료로부터 전기 화학 디바이스(14)의 양극(36)에서의 사용하지 않은 연료로 산소를 이동시키도록 배열된다. 전기 화학 디바이스(14)는 전기 화학 디바이스(14)의 양극(34)에서의 사용하지 않은 연료를 산화시키도록 배열되고 수단(32, 60, 62, 68)은 전기 화학 디바이스(14)의 음극(38)으로부터 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 양극(20)으로 산소 고갈된 사용하지 않은 연료의 일부를 공급한다.

Description

고체 산화물 연료 전지 시스템과 고체 산화물 연료 전지 시스템을 작동하는 방법{A SOLID OXIDE FUEL CELL SYSTEM AND A METHOD OF OPERATING A SOLID OXIDE FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 고온의 연료 전지 시스템, 특히 고체 산화물 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
공지된 고체 산화물 연료 전지 시스템에서, 고체 산화물 연료 전지들의 양극들을 떠나는 배기 가스의 제 1 부분은 새 연료의 처리를 위한 스팀(steam)을 제공하도록 고체 산화물 연료 전지들의 양극들에 공급되는 새 연료와 함께 고체 산화물 연료 전지들의 양극들에 다시 재사용된다. 게다가, 고체 산화물 연료 전지들의 양극들을 떠나는 배기 가스의 제 2 부분은 연소 장치(combustor)에 공급되고 연소 장치에서 연소된다. 연소된 배기 가스는 고체 산화물 연료 전지들 내에서 발생하는 전기 화학 반응들을 위한 적합한 온도로 반응물과 고체 산화물 연료 전지들을 가열하도록 사용된다. 그러나, 발생하는 전기 화학 반응들을 위한 적합한 온도로 반응물들과 고체 산화물 연료 전지들을 가열하도록 요구되는 온도 이상으로 연소 장치에서 연소되는 연료의 양은 전체 변환 효율(global conversion efficiency)을 감소시킨다. 고체 산화물 연료 전지들 내의 연료의 완전한 전기 화학적 변환은 낮은 효율로 수행될 것이다. 고체 산화물 연료 전지들의 배기 시 산화 분위기의 생성은 고체 산화물 연료 전지 시스템의 설계에 대한 문제들을 생성할 것이고 재료들의 선택에 있어서 문제들을 생성할 것인데, 예를 들어, 고체 산화물 연료 전지 시스템에 대해, 내산화성이 있는 재료들을 요구할 것이다.
따라서, 본 발명은 상술된 문제를 감소시키는, 바람직하게는 극복하는, 신규한 고체 산화물 연료 전지 시스템을 제공하고자 한다.
따라서 본 발명은 고체 산화물 연료 전지 스택과 전기 화학 디바이스를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 시스템을 제공하고, 고체 산화물 연료 전지 스택은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지를 포함하고, 각각의 고체 산화물 연료 전지는 전해액, 양극 및 음극을 포함하고, 산화제 공급부는 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 음극에 산화제를 공급하도록 배열되고, 연료 공급부는 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 양극에 연료를 공급하도록 배열되고, 전기 화학 디바이스는 전해액, 양극 및 음극을 포함하고, 수단은 사용하지 않은 연료의 일부를 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 양극으로부터 전기 화학 디바이스의 음극으로 공급하고, 수단은 사용하지 않은 연료의 일부를 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 양극으로부터 전기 화학 디바이스의 양극으로 공급하고, 전기 화학 디바이스는 전기 화학 디바이스의 음극에서의 사용하지 않은 연료로부터 산소를 제거하도록 배열되고, 전기 화학 디바이스는 산소를 전해액을 통해 전기 화학 디바이스의 음극에서의 사용하지 않은 연료로부터 전기 화학 디바이스의 양극에서의 사용하지 않은 연료로 이동시키도록 배열되고, 수단은 산소 고갈된 사용하지 않은 연료의 일부를 전기 화학 디바이스의 음극으로부터 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 양극으로 공급한다.
전기 화학 디바이스의 양극에서의 산소와 사용하지 않은 연료의 일부를 연소 장치로 공급하는 수단이 있을 수 있다.
적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 양극으로부터 연소 장치로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 수단이 있을 수 있고, 전기 화학 디바이스는 산소를 전해액을 통해 전기 화학 디바이스의 음극에서의 사용하지 않은 연료로부터 전기 화학 디바이스의 양극으로 이동시키도록 배열되고 수단은 연소 장치로 전기 화학 디바이스의 양극에서의 산소와 사용하지 않은 연료의 일부를 공급한다.
고체 산화물 연료 전지 시스템은 가스 터빈 엔진을 포함할 수 있고, 가스 터빈 엔진은 압축기와 압축기를 구동하도록 배열되는 터빈을 포함하고, 압축기는 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 음극으로 적어도 산화제의 일부를 공급하도록 배열된다.
산소 고갈된 사용하지 않은 연료의 일부를 전기 화학 디바이스의 음극으로부터 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 양극으로 공급하는 수단은 연료 공급부에 의해 공급되는 연료와 전기 화학 디바이스의 음극으로부터의 산소 고갈된 사용하지 않은 연료의 일부를 혼합하는 수단을 포함할 수 있다.
연료 공급부에 의해 공급되는 연료와 전기 화학 디바이스의 음극으로부터의 산소 고갈된 사용하지 않은 연료의 일부를 혼합하는 수단은 연료 이젝터(ejector)를 포함할 수 있다.
고체 산화물 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 음극으로부터 다시 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 음극으로 사용하지 않은 산화제의 일부를 공급하는 수단을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 음극으로부터 다시 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 음극으로 사용하지 않은 산화제의 일부를 공급하는 수단은 산화제 공급부에 의해 공급되는 산화제와 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 음극으로부터의 사용하지 않은 산화제의 일부를 혼합하는 수단을 포함할 수 있다.
산화제 공급부에 의해 공급되는 산화제와 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지에서의 음극으로부터의 사용하지 않은 산화제의 일부를 혼합하는 수단은 산화제 이젝터를 포함할 수 있다.
고체 산화물 연료 전지 시스템은 사용하지 않은 산화제의 일부를 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 음극으로부터 연소 장치로 공급하는 수단을 포함할 수 있다.
고체 산화물 연료 전지 시스템은 배기 가스를 연소 장치로부터 가스 터빈 엔진의 터빈으로 공급하는 수단을 포함할 수 있다.
배기 가스를 연소 장치로부터 가스 터빈 엔진의 터빈으로 공급하는 수단은 열교환기를 포함할 수 있다.
사용하지 않은 산화제의 일부를 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 음극으로부터 다시 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 음극으로 공급하는 수단은 열교환기를 포함할 수 있다.
고체 산화물 연료 전지 스택은 전기 화학 디바이스에 전기를 공급하도록 배열될 수 있다.
가스 터빈 엔진의 터빈은 전기 발전기를 구동하도록 배열될 수 있다.
전기 발전기는 전기 화학 디바이스에 전기를 공급하도록 배열될 수 있다.
본 발명은 또한 고체 산화물 연료 전지 스택과 전기 화학 디바이스를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 시스템을 제공하고, 고체 산화물 연료 전지 스택은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지를 포함하고, 각각의 고체 산화물 연료 전지는 전해액, 양극 및 음극을 포함하고, 산화제 공급부는 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 음극으로 산화제를 공급하도록 배열되고, 연료 공급부는 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지로의 양극으로 연료를 공급하도록 배열되고, 수단은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 양극으로부터 연소 장치로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하고, 수단은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 양극으로부터 다시 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 양극으로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하고, 전기 화학 디바이스는 전해액, 양극 및 음극을 포함하고, 연소 장치로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 수단은 전기 화학 디바이스의 양극으로 사용하지 않은 연료를 공급하도록 배열되고 다시 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 양극으로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 수단은 전기 화학 디바이스의 음극으로 사용하지 않은 연료를 공급하도록 배열되고 전기 화학 디바이스는 전기 화학 디바이스의 음극에서의 사용하지 않은 연료로부터 산소를 제거하도록 배열되고, 전기 화학 디바이스는 전해액을 통해 전기 화학 디바이스의 음극에서의 사용하지 않은 연료로부터 전기 화학 디바이스의 양극에서의 사용하지 않은 연료로 산소를 이동시키도록 배열되고 전기 화학 디바이스는 전기 화학 디바이스의 양극에서의 사용하지 않은 연료를 산화시키도록 배열된다.
본 발명은 또한 고체 산화물 연료 전지 시스템을 작동하는 방법을 제공하고, 고체 산화물 연료 전지 시스템은 고체 산화물 연료 전지 스택과 전기 화학 디바이스를 포함하고, 고체 산화물 연료 전지 스택은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지를 포함하고, 각각의 고체 산화물 연료 전지는 전해액, 양극 및 음극을 포함하고, 전기 화학 디바이스는 전해액, 양극 및 음극을 포함하고, 방법은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 음극으로 산화제를 공급하는 단계, 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 양극으로 연료를 공급하는 단계, 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 양극으로부터 전기 화학 디바이스의 음극으로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 단계, 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 양극으로부터 전기 화학 디바이스의 양극으로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 단계, 전기 화학 디바이스의 음극에서의 사용하지 않은 연료로부터 산소를 제거하는 단계, 전해액을 통해 전기 화학 디바이스의 음극에서의 사용하지 않은 연료로부터 전기 화학 디바이스의 양극에서의 사용하지 않은 연료로 산소를 이동시키는 단계 및 전기 화학 디바이스의 음극으로부터 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 양극으로 산소 고갈된 사용하지 않은 연료를 공급하는 단계를 포함한다.
방법은 연소 장치로 전기 화학 디바이스의 양극에서의 산소와 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 양극으로부터 연소 장치로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 단계, 전해액을 통해 전기 화학 디바이스의 음극에서의 사용하지 않은 연료로부터 전기 화학 디바이스의 양극으로 산소를 이동시키는 단계 및 연소 장치로 전기 화학 디바이스의 양극에서의 산소와 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
고체 산화물 연료 전지 시스템은 가스 터빈 엔진을 포함할 수 있고, 가스 터빈 엔진은 압축기와 압축기를 구동하도록 배열되는 터빈을 포함하고, 방법은 압축기를 통해 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 음극으로 산화제의 적어도 일부를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 연료 공급부에 의해 공급되는 연료와 전기 화학 디바이스의 음극으로부터의 산소 고갈된 사용하지 않은 연료의 일부를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 연료 이젝터를 사용하여 연료 공급부에 의해 공급되는 연료와 전기 화학 디바이스의 음극으로부터의 산소 고갈된 사용하지 않은 연료의 일부를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 음극으로부터 다시 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 음극으로 사용하지 않은 산화제의 일부를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 산화제 공급부에 의해 공급되는 산화제와 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 음극으로부터의 사용하지 않은 산화제의 일부를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 산화제 이젝터를 사용하여 산화제 공급부에 의해 공급되는 산화제와 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 음극으로부터의 사용하지 않은 산화제의 일부를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 전기 화학 디바이스의 양극으로부터 연소 장치로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 음극으로부터 연소 장치로 사용하지 않은 산화제의 일부를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 연소 장치로부터 가스 터빈 엔진의 터빈으로 배기 가스를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 전기 화학 디바이스로 전기를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 가스 터빈 엔진의 터빈을 사용하여 전기 발전기를 구동하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 전기 발전기로부터 전기 화학 디바이스로 전기를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 고체 산화물 연료 전지 시스템을 작동하는 방법을 제공하고, 고체 산화물 연료 전지 시스템은 고체 산화물 연료 전지 스택과 전기 화학 디바이스를 포함하고, 고체 산화물 연료 전지 스택은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지를 포함하고, 각각의 고체 산화물 연료 전지는 전해액, 양극 및 음극을 포함하고, 전기 화학 디바이스는 전해액, 양극 및 음극을 포함하고, 방법은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 음극에 산화제를 공급하는 단계, 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 양극에 연료를 공급하는 단계, 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 양극으로부터 연소 장치로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 단계, 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 양극으로부터 다시 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 양극으로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 단계, 전기 화학 디바이스의 양극을 통해 연소 장치로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 단계, 전기 화학 디아비스의 음극을 통해 다시 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지의 양극으로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 단계, 전기 화학 디바이스의 음극에서의 사용하지 않은 연료로부터 산소를 제거하는 단계, 전해액을 통해 전기 화학 디바이스의 음극에서의 사용하지 않은 연료로부터 전기 화학 디바이스의 양극에서의 사용하지 않은 연료로 산소를 이동시키는 단계 및 전기 화학 디바이스의 양극에서의 사용하지 않은 연료를 산화시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 수반된 도면들을 참조로 하여 예의 방법으로써 더 완전히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 제 1 고체 산화물 연료 전지 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 제 2 고체 산화물 연료 전지 시스템의 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 제 3 고체 산화물 연료 전지 시스템의 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 제 4 고체 산화물 연료 전지 시스템의 개략도.
도 1에 도시된 바와 같이, 고체 산화물 연료 전지 시스템(10)은 고체 산화물 연료 전지 스택(12)과 전기 화학 디바이스(14)를 포함한다. 고체 산화물 연료 전지 스택(10)은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16), 바람직하게는 복수의 고체 산화물 연료 전지들(16)을 포함하고, 각각의 고체 산화물 연료 전지(16)는 전해액(18), 양극(20) 및 음극(22)을 포함한다. 산화제 공급부(24)는 각각의 고체 산화물 연료 전지(16)의 음극(22)에 산화제를 공급하도록 배열되고 연료 공급부(26)는 각각의 고체 산화물 연료 전지(16)의 양극(20)에 연료를 공급하도록 배열된다. 각각의 고체 산화물 연료 전지(16)의 양극(20)으로부터 연소 장치(30)로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 수단(28)이 있고 각각의 고체 산화물 연료 전지(16)의 양극(20)으로부터 다시 각각의 고체 산화물 연료 전지(16)의 양극(20)으로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 수단(32)이 있다. 전기 화학 디바이스(14)는 전해액(34), 양극(36) 및 음극(38)을 포함한다. 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로부터 연소 장치(30)로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 수단(28)은 전기 화학 디바이스(14)의 양극(36)에 사용하지 않은 연료를 공급하도록 배열되고 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로부터 다시 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 수단(32)은 전기 화학 디바이스(14)의 음극(38)에 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하도록 배열된다. 전기 화학 디바이스(14)는 전기 화학 디바이스(14)의 음극(38)에서의 사용하지 않은 연료로부터 산소를 제거하도록 배열된다. 전기 화학 디바이스(14)는 전해액(34)을 통해 전기 화학 디바이스(14)의 음극(38)에서의 사용하지 않은 연료로부터 전기 화학 디바이스(14)의 양극(36)에서의 사용하지 않은 연료로 산소를 이동시키도록 배열되고 전기 화학 디바이스(14)는 전기 화학 디바이스(14)의 양극(36)에서의 사용하지 않은 연료를 산화시키도록 전해액(34)을 통해 이동되는 산소를 사용하도록 배열된다. 전기 화학 디바이스(14)에는 전기 화학 디바이스(14)의 음극(38)에서의 사용하지 않은 연료로부터 산소를 제거하도록 전기가 공급된다.
고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로부터 연소 장치(30)로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 수단(28)은 양극들(20)로부터 덕트(duct; 50) 및 덕트(52)를 통해 전기 화학 디바이스(14)의 양극(36)으로 사용하지 않은 연료를 공급하도록 배열된다. 덕트(56)는 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로부터의 사용하지 않은 연료와 전기 화학 디바이스(14)의 음극(38) 내의 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로부터 사용하지 않은 연료로부터 이동되는 추가의 산소를 전기 화학 디바이스(14)의 양극(36)으로부터 연소 장치(30)로 수송한다. 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로부터 다시 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 수단(32)은 양극들(20)로부터 덕트(50) 및 덕트(58)를 통해 전기 화학 디바이스(14)의 음극(38)으로 사용하지 않은 연료를 공급하도록 배열된다. 덕트(60)는 전기 화학 디바이스(14)의 음극(38)으로부터 연료 이젝터(62)의 제 2 입구(64)로, 전기 화학 디바이스(14)에 의해 제거되는 산소를 가진, 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들로부터 사용하지 않은 연료를 수송한다. 연료는 연료 공급부(26)로부터 연료 이젝터(62)의 제 1 입구(66)로 공급된다. 연료 이젝터(62)의 출구는 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로부터 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로 덕트(68) 및 리포머(reformer; 69)를 통해 사용하지 않은 연료의 일부와 새 연료를 공급하도록 배열된다. 리포머(69)는 연료를 개질(reform)하도록 배열된다.
고체 산화물 연료 전지 시스템(10)은 가스 터빈 엔진(40)을 포함하고, 가스 터빈 엔진(40)은 압축기(42)와 압축기(42)를 구동하도록 배열되는 터빈(44)을 포함한다. 압축기(42)는 고체 산화물 연료 전지들(16)의 음극들(22)에 산화제의 적어도 일부를 공급하도록 배열된다. 산화제 공급부(24)는 압축기(42)를 통해 고체 산화물 연료 전지들(16)의 음극들(22)로 산화제를 공급하도록 배열된다. 터빈(44)은 전기 발전기(46)를 구동하도록 배열될 수 있다.
고체 산화물 연료 전지 시스템(10)은 또한 고체 산화물 연료 전지들(16)의 음극들(22)로부터 다시 고체 산화물 연료 전지들(16)의 음극들(22)로 사용하지 않은 산화제의 일부를 공급하는 수단(48)을 포함한다. 고체 산화물 연료 전지들(16)의 음극들(22)로부터 다시 고체 산화물 연료 전지들(16)의 음극들(22)로 사용하지 않은 산화제의 일부를 공급하는 수단(48)은 음극들(22)로부터 덕트(70) 및 덕트(74)를 통해 산화제 이젝터(76)의 제 2 입구(78)로 사용하지 않은 산화제를 공급하도록 배열된다. 산화제는 산화제 공급부(24)로부터 가스 터빈 엔진(40)의 압축기(42) 및 덕트(82)를 통해 산화제 이젝터(76)의 제 1 입구(80)로 공급된다. 산화제 이젝터(76)의 출구는 고체 산화물 연료 전지들(16)의 음극들(22)로부터 고체 산화물 연료 전지들(16)의 음극들(22)로 덕트(84)를 통해 사용하지 않은 산화제의 일부와 새 산화제를 공급하도록 배열된다. 리포머(69)는 사용하지 않은 산화제가 리포머(69) 내의 개질 반응을 위한 열을 제공하도록 덕트(70) 내의 음극들(22)로부터의 사용하지 않은 산화제와 열 교환 관계로 배열된다.
고체 산화물 연료 전지들(16)의 음극들(22)로부터의 사용하지 않은 산화제의 일부는 고체 산화물 연료 전지들(16)의 음극들(22)로부터 덕트(70) 및 덕트(72)를 통해 연소 장치(30)로 공급된다. 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로부터 연소 장치(30)로 공급되는 사용하지 않은 연료의 일부는 고온의 가스를 생성하도록 고체 산화물 연료 전지들(16)의 음극들(22)로부터 공급되는 사용하지 않은 산화제의 일부에서 연소되고 이러한 고온의 가스는 덕트(86)를 통해 압축기(42)와 전기 발전기(46)를 구동하는 가스 터빈 엔진(40)의 터빈(44)으로 공급된다. 이어서 고온의 가스는 배기 덕트(88)를 통해 대기로 터빈(44)을 떠난다.
전기 화학 디바이스(14)에는 고체 산화물 연료 전지 스택(12), 전기 발전기(46)에 의해서 또는 예를 들어, 배터리 또는 전기 네트워크와 같은, 다른 적합한 전기 공급부에 의해서 전기가 공급될 수 있다.
본 발명은 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로부터 다시 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로 재사용되는 사용하지 않은 연료로부터 산소, 산화제를 제거하고 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로 다시 재사용되는 연료의 양 또는 비율을 증가시키고 따라서 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)에 연료 공급부(26)에 의해 공급되는 연료의 양 또는 비율의 감소가 허용된다. 이는 연료 공급부(26)에 의해 공급되는 연료의 높은 활용을 제공하고 고체 산화물 연료 전지 스택(12)의 출구에서의 가연성 연료의 상당한 부분 압력을 유지하고 그 결과 고체 산화물 연료 전지 시스템(10)의 전체 효율이 증가된다.
연료 공급부(26)는 연료 이젝터(62)와 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20) 사이에서 덕트(68) 내의 리포머(69)를 필요로 하지 않는 이러한 환경에서 수소의 공급부일 수 있다. 고체 산화물 연료 전지들(16)이 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20) 상의 연료를 개질한다면, 연료 이젝터(62)와 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20) 사이의 덕트(68) 내의 리포머(69)가 불필요할 수 있다. 연료 공급부(26)는 탄화 수소를 개질함으로써 생성되는, 가스의 유사한 혼합물 또는 합성 가스의 공급부일 수 있다. 합성 가스는 수소와 일산화탄소의 혼합물이고 메탄을 함유할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 고체 산화물 연료 전지 시스템(110)은 고체 산화물 연료 전지 스택(12)과 전기 화학 디바이스(14)를 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같은 고체 산화물 연료 전지 시스템(110)은 도 1에 도시된 고체 산화물 연료 전지 시스템과 실질적으로 동일하고 유사 부분들은 동일한 부호들로 표기되어 있다. 도 2는 열교환기(90)가 제공된다는 점에서 다르다. 연소 장치(30)와 가스 터빈 엔진(40)의 터빈(44) 사이의 덕트(86)는 제 1 관, 또는 열교환기(90) 내의 제 1 관들(92)을 통해 연장하고 산화제 이젝터(76)와 고체 산화물 연료 전지들(16)의 음극들(22) 사이의 덕트(84)는 제 2 관, 또는 열교환기(90) 내의 제 2 관들(94)을 통해 연장한다. 열교환기(90)의 제 1 관(92) 및 제 2 관(94)은 고체 산화물 연료 전지들(16)의 음극들(22)에 공급되는 산화제를 예열하도록 제 1 관(들)(92) 내의 고온의 가스로부터 제 2 관(들)(94) 내의 산화제로 열을 이동시키도록 배열된다.
도 3에 도시된 바와 같은, 고체 산화물 연료 전지 시스템(210)은 고체 산화물 연료 전지 스택(12)과 전기 화학 디바이스(14)를 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같은, 고체 산화물 연료 전지 시스템(210)은 도 1에 도시된 고체 산화물 연료 전지 시스템과 실질적으로 동일하고 유사 부분들은 동일한 부호들로 표기되어 있다. 도 3은 또한 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로부터 연소 장치(30)로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 수단(28C)을 포함하고 수단(28C)은 양극들(20)로부터 덕트(50) 및 덕트(52)를 통해 전기 화학 디바이스(14)의 양극(36)으로 사용하지 않은 연료를 공급하도록 배열된다. 덕트(56)는 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로부터의 사용하지 않은 연료, 및 전기 화학 디바이스(14)의 음극(38) 내의 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로부터의 사용하지 않은 연료로부터 이동되는 추가의 산소를 전기 화학 디바이스(14)의 양극(36)으로부터 연소 장치(30)로 수송한다. 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로부터 다시 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 수단(32)은 양극들(20)로부터 덕트(50) 및 덕트(58)를 통해 전기 화학 디바이스(14)의 음극(38)으로 사용하지 않은 연료를 공급하도록 배열된다. 도 3은 덕트(57)가 덕트(52) 내의 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로부터 직접 연소 장치(30)로 덕트(56)를 통해 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하도록 덕트들(52 및 56)을 서로 연결하기 위해 제공된다는 점에서 다르다.
도 4에서 도시된 바와 같이, 고체 산화물 연료 전지 시스템(310)은 고체 산화물 연료 전지 스택(12)과 전기 화학 디바이스(14)를 포함한다. 도 4에 도시된 고체 산화물 연료 전지 시스템(310)은 도 2에 도시된 고체 산화물 연료 전지 시스템과 실질적으로 동일하고 유사 부분들은 동일한 부호들로 표기되어 있다. 도 4는 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로부터 전기 화학 디바이스(14)의 양극(36)에 사용하지 않은 연료를 공급하도록 배열되는 연소 장치(30)로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 수단(28F)을 포함하고 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로부터 다시 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 수단(32F)은 전기 화학 디바이스(14)의 음극(38)에 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하도록 배열된다. 덕트(56F)는 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로부터의 사용하지 않은 연료, 및 전기 화학 디바이스(14)의 음극(38) 내의 고체 산화물 연료 전지들(16)의 양극들(20)로부터의 사용하지 않은 연료로부터 이동되는 추가의 산소를 전기 화학 디바이스(14)의 양극(36)으로부터 연소 장치(30)로 수송한다. 덕트(106)는 연소 장치(30)로부터 이젝터(100)의 제 2 입구(102)로 고온의 배기 가스를 공급하고 이젝터(100)는 연소 장치(30)로부터의 고온의 배기 가스 및 전기 화학 전지(14)의 양극(36)으로부터의 산소를 덕트(108) 및 덕트(72E)를 통해 제 1 관(92)으로 열교환기(90)를 통해 공급한다. 고체 산화물 연료 전지들(16)의 음극들(22)로부터의 사용하지 않은 산화제의 일부는 고체 산화물 연료 전지들(16)의 음극들(22)로부터 덕트(70) 및 덕트(72E)를 통해 열교환기(90) 내의 제 1 관(92)으로 공급된다. 고체 산화물 연료 전지들(16)의 음극들(22)로부터의 사용하지 않은 산화제의 일부는 산화제 이젝터(76)의 제 2 입구(78)로 다시 공급된다. 열교환기(90)를 통해 제 1 관(92)을 떠나는 고온 가스의 제 1 부분은 덕트(112) 및 덕트(114)를 통해 압축기(42) 및 전기 발전기(46)를 구동하는 가스 터빈 엔진(40)의 터빈(44)으로 공급된다. 이어서 고온의 가스는 배기 덕트(88)를 통해 대기로 터빈(44)을 떠난다. 열교환기(90)를 통해 제 1 관(92)을 떠나는 고온 가스의 제 2 부분은 덕트(112) 및 덕트(116)를 통해 연소 장치(30)로 공급된다. 덕트(118)는 압축기(42)에 의해 덕트(82) 내에 공급되는 산화제의 일부를 이젝터(100)의 제 1 입구(104)로 공급한다.

Claims (23)

  1. 고체 산화물 연료 전지 스택(stack)(12)을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 시스템(10)에 있어서,
    상기 고체 산화물 연료 전지 스택(12)은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)를 포함하고, 상기 각각의 고체 산화물 연료 전지(16)는 전해액(18), 양극(20) 및 음극(22)을 포함하고, 산화제 공급부(24)는 상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 음극(22)으로 산화제를 공급하도록 배열되고, 연료 공급부(26)는 상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 양극(20)으로 연료를 공급하도록 배열되고,
    전기 화학 디바이스(14)로서, 전해액(34), 양극(36) 및 음극(38)을 포함하고, 수단(32, 50, 58)은 상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 양극(20)으로부터 상기 전기 화학 디바이스(14)의 상기 음극(38)으로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하고, 수단(28, 50, 52)은 상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 양극(20)으로부터 상기 전기 화학 디바이스(14)의 상기 양극(36)으로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하고, 상기 전기 화학 디바이스(14)는 상기 전기 화학 디바이스(14)의 상기 음극(38)에서의 사용하지 않은 연료로부터 산소를 제거하도록 배열되고, 상기 전기 화학 디바이스(14)는 상기 전해액(34)을 통해 상기 전기 화학 디바이스(14)의 상기 음극(38)에서의 사용하지 않은 연료로부터 상기 전기 화학 디바이스(14)의 상기 양극(36)에서의 사용하지 않은 연료로 산소를 이동시키도록 배열되고, 수단(32, 50, 62, 68)은 상기 전기 화학 디바이스(14)의 상기 음극(38)으로부터 상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 양극(20)으로 산소 고갈된 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 상기 전기 화학 디바이스(14)를 특징으로 하는, 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 화학 디바이스(14)의 상기 양극(36)에서의 산소와 사용하지 않은 연료의 일부를 연소 장치(combustor; 30)로 공급하는 수단(28, 56)을 포함하는, 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 양극(20)으로부터 연소 장치(30)로 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 상기 수단(28)을 포함하고, 상기 전기 화학 디바이스(14)는 상기 전해액(34)을 통해 상기 전기 화학 디바이스(14)의 상기 음극(38)에서의 사용하지 않은 연료로부터 상기 전기 화학 디바이스(14)의 상기 양극(36)으로 산소를 이동시키도록 배열되고, 수단(56)은 상기 연소 장치(30)로 상기 전기 화학 디바이스(14)의 상기 양극(36)에서의 산소와 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는, 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스 터빈 엔진(40)을 포함하고, 상기 가스 터빈 엔진(40)은 압축기(42)와 상기 압축기(42)를 구동하도록 배열되는 터빈(44)을 포함하고, 상기 압축기(42)는 상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 음극(22)으로 적어도 산화제의 일부를 공급하도록 배열되는, 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    사용하지 않은 산화제의 일부를 상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 음극(22)으로부터 다시 상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 음극(22)으로 공급하는 수단(48)을 포함하는, 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 사용하지 않은 산화제의 일부를 상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 음극(22)으로부터 상기 연소 장치(30)로 공급하는 수단(70, 72)을 포함하는, 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    배기 가스를 상기 연소 장치(30)로부터 상기 가스 터빈 엔진(40)의 상기 터빈(44)으로 공급하는 수단(86)을 포함하는, 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 배기 가스를 상기 연소 장치(30)로부터 상기 가스 터빈 엔진(40)의 상기 터빈(44)으로 공급하는 상기 수단은 열교환기(90)를 포함하는, 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 사용하지 않은 산화제의 일부를 상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 음극(22)으로부터 다시 상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 음극(22)으로 공급하는 상기 수단은 열교환기(90)를 포함하는, 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 산화물 연료 전지 스택(12)은 상기 전기 화학 디바이스(14)로 전기를 공급하도록 배열되는, 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 터빈 엔진(40)의 상기 터빈(44)은 전기 발전기(46)를 구동하도록 배열되는, 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전기 발전기(46)는 상기 전기 화학 디바이스(14)에 전기를 공급하도록 배열되는, 고체 산화물 연료 전지 시스템.
  13. 고체 산화물 연료 전지 시스템(10)을 작동하는 방법에 있어서,
    상기 고체 산화물 연료 전지 시스템(10)은 고체 산화물 연료 전지 스택(12)과 전기 화학 디바이스(14)를 포함하고, 상기 고체 산화물 연료 전지 스택(12)은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)를 포함하고, 상기 각각의 고체 산화물 연료 전지(16)는 전해액(18), 양극(20) 및 음극(22)을 포함하고, 상기 전기 화학 디바이스(14)는 전해액(34), 양극(36) 및 음극(38)을 포함하고, 상기 방법은 상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 음극(22)으로 산화제를 공급하는 단계, 상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 양극(20)으로 연료를 공급하는 단계, 사용하지 않은 연료의 일부를 상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 양극(20)으로부터 상기 전기 화학 디바이스(14)의 상기 음극(38)으로 공급하는 단계, 사용하지 않은 연료의 일부를 상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 양극(20)으로부터 상기 전기 화학 디바이스(14)의 상기 양극(36)으로 공급하는 단계, 상기 전기 화학 디바이스(14)의 상기 음극(38)에서 사용하지 않은 연료로부터 산소를 제거하는 단계, 산소를 상기 전해액(34)을 통해 상기 전기 화학 디바이스(14)의 상기 음극(38)에서의 사용하지 않은 연료로부터 상기 전기 화학 디바이스(14)의 상기 양극(36)에서의 사용하지 않은 연료로 이동시키는 단계와 산소 고갈된 사용하지 않은 연료를 상기 전기 화학 디바이스(14)의 상기 음극(38)으로부터 상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 양극(20)으로 공급하는 단계를 포함하는, 고체 산화물 연료 전지 시스템(10)을 작동하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    연소 장치(30)로 상기 전기 화학 디바이스(14)의 상기 양극(36)에서의 산소와 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 단계를 포함하는, 고체 산화물 연료 전지 시스템(10)을 작동하는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    사용하지 않은 연료의 일부를 상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 양극(20)으로부터 연소 장치(30)로 공급하는 단계, 상기 전해액(34)을 통해 상기 전기 화학 디바이스(14)의 상기 음극(38)에서의 사용하지 않은 연료로부터 상기 전기 화학 디바이스(14)의 상기 양극(36)으로 산소를 이동시키는 단계와 상기 연소 장치(30)로 상기 전기 화학 디바이스(14)의 상기 양극(36)에서의 산소와 사용하지 않은 연료의 일부를 공급하는 단계를 포함하는, 고체 산화물 연료 전지 시스템(10)을 작동하는 방법.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 산화물 연료 전지 시스템(10)은 가스 터빈 엔진(40)을 포함하고, 상기 가스 터빈 엔진(40)은 압축기(42)와 상기 압축기(42)를 구동하도록 배열되는 터빈(44)을 포함하고, 상기 방법은 상기 압축기(42)를 통해 상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 음극(22)으로 산화제의 적어도 일부를 공급하는 단계를 포함하는, 고체 산화물 연료 전지 시스템(10)을 작동하는 방법.
  17. 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    사용하지 않은 산화제의 일부를 상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 음극(22)으로부터 다시 상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 음극(22)으로 공급하는 단계를 포함하는, 고체 산화물 연료 전지 시스템(10)을 작동하는 방법.
  18. 제 13 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    사용하지 않은 연료의 일부를 상기 전기 화학 디바이스(14)의 상기 양극(36)으로부터 상기 연소 장치(30)로 공급하는 단계를 포함하는, 고체 산화물 연료 전지 시스템(10)을 작동하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    사용하지 않은 산화제의 일부를 상기 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지(16)의 상기 음극(22)으로부터 상기 연소 장치(30)로 공급하는 단계를 포함하는, 고체 산화물 연료 전지 시스템(10)을 작동하는 방법.
  20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    배기 가스를 상기 연소 장치(30)로부터 상기 가스 터빈 엔진(40)의 상기 터빈(44)으로 공급하는 단계를 포함하는, 고체 산화물 연료 전지 시스템(10)을 작동하는 방법.
  21. 제 13 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 화학 디바이스(14)에 전기를 공급하는 단계를 포함하는, 고체 산화물 연료 전지 시스템(10)을 작동하는 방법.
  22. 제 13 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 터빈 엔진(40)의 상기 터빈(44)을 사용하여 전기 발전기(46)를 구동하는 단계를 포함하는, 고체 산화물 연료 전지 시스템(10)을 작동하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    전기를 상기 전기 발전기(46)로부터 상기 전기 화학 디바이스(14)로 공급하는 단계를 포함하는, 고체 산화물 연료 전지 시스템(10)을 작동하는 방법.
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