KR20220090541A - 연료 전지 시스템 및 테일 가스 버너 어셈블리 및 방법 - Google Patents

Abstract

연료 전지 시스템 및 테일 가스 버너 어셈블리 및 방법
버너 어셈블리(10)를 포함하고, 상기 버너 어셈블리는, 중심축(12')을 따라 연장하고 제1 단부(20) 및 제2 단부(30)를 갖는 중공의 길이 방향으로 세장형인 바디(12); 상기 제1 단부(20) 및 상기 제2 단부(30) 사이에 위치되고, 상기 제1 단부(20)로부터 상기 버너 벽(40)까지의 제1 볼륨(52) 및 상기 버너 벽(40)으로부터 상기 제2 단부(30)까지의 제2 볼륨(62)을 형성하는 버너 벽(40); 이를 통해 산화제 흐름을 제공하기 위한, 상기 제1 볼륨(52) 안으로의 산화제 입구(70); 상기 버너 벽(40)에 인접하거나, 상기 버너 벽(40) 안의 개구를 통해 상기 제1 볼륨(52)으로부터 상기 제2 볼륨(62)으로 연장되는 적어도 하나의 중공의 세장형 버너(100)를 포함하고, 상기 세장형 버너(100)는 상기 제1 볼륨(52) 안으로 개방되는 제1 측 및 상기 제2 볼륨(62) 안으로 개방되는 제2 측을 갖는 버너 플레이트(156) 또는 믹서(150); 제1 연료 통로로부터 상기 제1 볼륨(52)으로 제1 연료를 공급하기 위한 상기 제1 볼륨(52) 안으로의 제1 연료 입구(125); 제2 연료 통로로부터 상기 제2 볼륨(62)으로 제2 연료를 공급하기 위한 상기 제2 볼륨(62) 안으로의 제2 연료 입구(135)를 포함하고, 상기 시스템은, 상기 제1 연료 및 제2 연료의 혼합물을 상기 제2 연료 입구(135)로 전달하기 위해, 상기 제1 연료 통로를 상기 제2 연료 통로에 선택적으로 연결하기 위한 적어도 하나의 커넥션(810, 812)을 더 포함하는, 연료 전지 시스템이 제공된다.

Description

연료 전지 시스템 및 테일 가스 버너 어셈블리 및 방법

본 발명은 테일 가스 버너들, 특히 버너들을 구비한 연료 전지 시스템들 및 다중 연료 공급들로 이를 작동시키는 방법들에 관한 것이다.

연료 전지들, 연료 전지 스택들(fuel cell stacks), 연료 전지 스택 어셈블리들, 및 열 교환기 시스템들의 교시, 배열들 및 방법들은 당업자에게 잘 알려져 있으며, 특히 여기에 그들의 전체에서의 참조로서 여기에 포함되는 WO02/35628, WO03/07582, WO2004/089848, WO2005/078843, WO2006/079800, WO2006/106334, WO2007/085863, WO2007/110587, WO2008/001119, WO2008/003976, WO2008/015461, WO2008/053213, WO2008/104760, WO2008/132493, WO2009/090419, WO2010/020797 및 WO2010/061190를 포함한다.

문맥에서 달리 지시하지 않는 한, "유체"라는 용어는 액체들과 기체들을 모두 포함한다.

개선된 환경적 책임에 대한 법률 및 일반적인 추세는 모든 작업들에서 연료의 연소(combustion) 또는 버닝(burning)에 의해 생산되는 배출량들을 줄이는 데 관심을 갖도록 권장한다. 특히 연료 전지 작동에서는 유럽 표준 EN 50465:2008과 같이 배출 수준들에 대한 최대 제한들을 설정하는 법률이 있으며, 이는 가정용 연료 전지 가스 가열 기기에 적용된다. 배출들을 제어하는 것에서 특히 중요한 것은 일산화탄소(CO) 및 아산화질소(NOx) 배출들의 감소다.

버너 설계는 연소 배출들을 제어할 때 매우 중요하다. 기류(air flow), 반응물들의 믹싱 및 플레임의 위치와 같은 요소들은 연소될 연료의 화학적 조성에 따라 함께 모두 고려되어야 한다. 동일한 버너에서 연소되는 연료 조성의 변화는 매우 다른 배출들을 초래할 수 있다. 따라서 요구되는 배출 제한들을 준수하기 위해(adhere) 특정 연료용 버너를 설계하는 것이 종종 필요하다. 그럼에도 불구하고 버너는 다양한 연료들에 의해 연료를 공급받아야 하고, 이러한 각 모드들에서 연소 안정성 및 배출 제어는 중요하다.

버너들은 종종 연료 전지 시스템들 및 이것의 관련된 시스템 부분들의 온도를 작동 온도로 올리기 위해 열 에너지를 제공하기 위해 연료 전지 시스템들에 사용된다. 연료 전지 시스템은 일반적으로(typically) 적어도 하나의 연료 전지 스택을 포함한다.

연료 전지 시스템들은 수명을 염두에 두고 설계되어야 하고, 즉, 수년에 걸쳐 작동하며, 종종 연속적으로 작동하도록 설계되어야 한다. 이것은 버너가 일부 작동 모드들에서 버너의 연료 공급 튜브들 내에서 코크스(coke)가 형성되는 경향을 가질 수 있기 때문에 이러한 시스템에서 사용하기 위한 버너의 설계를 특히 중요하게 만든다. 특히, 천연가스와 같이 발열량(calorific value)이 높은 연료를 공급하는 공급 튜브에서 코킹(coking)이 발생할 수 있다.

본 명세서에서 연료 전지 또는 연료 전지 시스템이 언급되는 경우, 보다 바람직하게는 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 또는 SOFC 시스템, 보다 바람직하게는 중간 온도 고체 산화물 연료 전지(IT-SOFC) 또는 IT-SOFC 시스템이 언급된다. 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 연료 전지 스택을 포함할 것이며, 각각의 연료 전지 스택은 적어도 하나의 연료 전지를 포함한다. 보다 바람직하게는, 연료 전지 또는 연료 전지 스택의 연료 전지들은 450-650℃더욱 바람직하게는 500-610℃의 작동 온도 범위를 갖는다.

고체 산화물 연료 전지들을 사용할 때 버너는 낮은 발열량(LCV) 연료와 높은 발열량(HCV) 연료 모두에 의해 연료가 공급되는 것이 바람직하다. 이러한 용어들은 예를 들어 "낮은 발열량"("LCV"라고도 함) 및 "높은 발열량"("HCV"라고도 함) - 모든 연료들은 낮은 발열량과 높은 발열량을 모두 가짐 - 과 구별된다는 점에 유의되어야 한다. 낮은 발열량(LCV) 연료의 예들은 H₂, CO의 비율이 높고 선택적으로 CH₄의 비율이 낮은 연료들이다. LCV 연료에 대한 웨버 지수(Wobbe index)는 일반적으로 18에서 35MJ/m³ 사이이다. 높은 발열량(HCV) 연료의 예들은 메탄, 에탄 또는 프로판 또는 이들의 조합을 포함하는 연료이며, HCV 연료에 대한 웨버 지수는 일반적으로 36에서 85 MJ/m³ 사이이다. 천연 가스 또는 연료 가스에 대한 언급은 높은 발열량 연료를 의미하며 일반적으로 연료 전지 스택 내에서 발열량을 줄이기 위한(즉, 가스의 에너지 함량을 줄이기 위한) 프로세스가 발생하지 않았음을 의미한다. 애노드 오프 가스(anode off-gas)에 대한 언급은 낮은 발열량 연료에 대한 것이며 연료 전지 스택을 통과하고 다음과 같이 애노드 오프 가스로부터의 출력과과 같이 연료 전지 시스템에서 처리된 연료(즉, LCV 연료)를 의미한다.

연료 전지 스택은 전기 화학 반응을 위해 수소가 풍부한 HCV 연료를 사용한다. 전기화학 반응의 결과로 연료 가스는 수소가 수증기가 되고 일산화탄소가 이산화탄소가 되는 것과 같이 일부 반응성 요소들이 산화되면서 조성을 변화시킨다. 결과적으로 이 프로세스로부터 발생하는 오프 가스들은 LCV 연료이다. 따라서 HCV 연료는 LCV 연료와 구별되는 것이 명백하다.

전기화학 반응으로부터 형성된 LCV 연료는 버너에서 연소될 수 있다. 그러나 HCV 연료의 연소는 일반적으로 연료 전지가 작동 온도에 도달할 때까지 연료 전지 시스템을 초기에(예: 시동 시) 가열하는 데 요구된다. 따라서 시동 시 HCV 연료를 연소시키는 것이 필요하다. 연료 전지의 정상 상태 작동 중에는 주로 LCV 연료를 연소시키는 것이 필요하다. 연료 전지 작동 지점 상태들 사이의 전환 동안(즉, 연료 전지의 전력 출력이 변화될 때), 연소될 연료의 조성은 그에 따라 변화하고, 정상 상태로부터 정지 상태로 전환하는 동안 유사하게 변화한다. 이러한 각 연료들의 연소로 낮은 배출량들을 유지하기 위해서는, 다양한 버너 구성들이 요구된다. HCV 연료 버너는 연소 전에 산화제와의 상당한 정도의 믹싱을 선호하는 반면, LCV 연료 버너는 연소 전에 산화제와의 낮은 정도의 혼합을 선호한다. 또한, LCV 연료에 비해 HCV 연료의 경우 더 큰 기류가 선호된다. 그러나 연료 전지 스택의 온도를 제어하기 위해 사용되는 산화제 흐름과 같은 시스템에서의 다른 곳에서의 요구들로 인해 연소 제어 목적들로만 버너로의 기류를 제어하는 것은 거의 불가능하다. 따라서 설명된 상황에서 연료들 중 하나 또는 특정 기류를 위해 설계된 버너를 이용하면 다른 연료에 대해 불리한 연소가 발생한다는 것이 분명하다.

따라서 낮은 배출량들을 유지하면서 버너 내에서의 코킹의 가능성(likelihood)을 줄이고 다양한 기류들 그리고 특히 광범위한 공기 대 연료 비율인 람다(lamda)에 대처할 수 있고(coping with), 연소를 분리하거나 복잡한 시스템들을 이용하지 않고도 LCV 및 HCV 연료들 동시에 또는 개별적으로 연소시킬 수 있는 연료 전지 시스템 및 버너를 생산하는 것이 바람직하다.

종래 기술의 장치들은 또한 상이한 람다들을 포함하는 광범위한 작동 조건들에 걸쳐 플레임 안정성의 결여를 겪을 수 있다. 게다가, 제품의 크기를 줄이기 위해 컴팩트한 플레임을 달성하는 것도 바람직하다.

본 발명은 종래 기술의 버너들을 개선하고자 한다. 특히, 종래 기술의 이슈들 중 적어도 하나를 해결, 극복 또는 완화하려고 한다.

본 발명에 따르면, 버너 어셈블리(burner assembly)를 포함하고, 상기 버너 어셈블리는, 중심축을 따라 연장하고 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 중공의 길이 방향으로 세장형인(elongate) 바디(body); 상기 제1 단부 및 상기 제2 단부 사이에 위치되고, 상기 제1 단부로부터 상기 버너 벽까지의 제1 볼륨 및 상기 버너 벽으로부터 상기 제2 단부까지의 제2 볼륨을 형성하는 버너 벽; 이를 통해 산화제 흐름을 제공하기 위한, 상기 제1 볼륨 안으로의 산화제 입구; 상기 버너 벽에 인접하거나, 상기 버너 벽 안의 개구를 통해 상기 제1 볼륨으로부터 상기 제2 볼륨으로 연장되는 적어도 하나의 중공의 세장형 버너를 포함하고, 상기 제1 볼륨 안으로 개방되는 제1 측 및 상기 제2 볼륨 안으로 개방되는 제2 측을 갖는 버너 플레이트(burner plate) 또는 믹서(mixer); 제1 연료 통로로부터 상기 제1 볼륨으로 제1 연료를 공급하기 위한 상기 제1 볼륨 안으로의 제1 연료 입구; 제2 연료 통로로부터 상기 제2 볼륨으로 제2 연료를 공급하기 위한 상기 제2 볼륨 안으로의 제2 연료 입구를 포함하고, 상기 시스템은, 상기 제1 연료 및 제2 연료의 혼합물(mixture)을 상기 제2 연료 입구로 전달하기 위해, 상기 제1 연료 통로를 상기 제2 연료 통로에 선택적으로 연결하기 위한 적어도 하나의 커넥션(connection)을 더 포함하는, 연료 전지 시스템이 제공된다.

본 명세서에서 방법 단계들 또는 특징들에 대한 언급은 또한 그러한 방법 단계들을 수행하도록 적응되거나 구성된 본 발명의 시스템에 대한 언급이다.

제1 단부는 또한 업스트림 단부(upstream end)로 지칭될 수 있고, 제2 단부는 다운스트림 단부(downstream end)로 지칭될 수 있다. "업스트림" 및 "다운스트림"이라는 용어들은 참조된 구성요소들의 상대적 위치들을 반영하기 위한 의도가 있다. 특히, "업스트림" 및 "다운스트림"의 사용은 유체 흐름 경로 또는 프로세스에서의 구성요소들의 상대적 위치들을 반영할 수 있다. (바디 내 특징의 맥락에서) "'특징 X'의 업스트림"이라는 문구는 '특징 X' 로부터 제1 단부를 향해, 즉 제1 단부와 '특징 X' 사이에 위치되는 것을 의미하고, (바디 내 특징의 맥락에서) "'특징 X'의 다운스트림"은 '특징 X'로부터 제2 단부를 향해, 즉 특징 X와 제2 단부 사이에 위치되는 것을 의미한다. 유사하게, 제1 측은 업스트림 측으로 지칭될 수 있고, 제2 측은 다운스트림 측으로 지칭될 수 있다. 제1 연료 입구는 또한 HCV 연료 입구로 지칭될 수 있고, 제2 연료 입구는 또한 LCV 연료 입구로 지칭될 수 있다. 마찬가지로, 제1 연료는 또한 HCV 연료, 연료 가스 또는 천연 가스로 지칭될 수 있고, 제2 연료는 또한 LCV 연료 또는 애노드 오프 가스로 지칭될 수 있다.

적어도 하나의 커넥션(예를 들어, 제1 연료 통로와 제2 연료 통로 사이의 커넥션 또는 제1 연료 공급과 제2 연료 공급을 연결하기 위한 제1 연료 공급 서브시스템과 제2 연료 공급 서브시스템 사이의 연결)의 사용은 일반적으로 버너 플레이트 또는 믹서 이전에 도입되는 제1 연료의 방향 전환(redirecting)을 허용하여 버너 플레이트 또는 믹서 이후에 도입되도록 한다. 예를 들어 바이패스 라인(bypass line)(2개의 개별 공급 라인들을 연결함)과 같은 적어도 하나의 커넥션을 통한 흐름의 방향 전환은 버너 플레이트 또는 믹서의 HCV 다운스트림에 대한 연소 조건들이 이상적이지 않기 때문에 직관적이지 않다. 그러나 그러한 시스템 설계는 연료 라인들, 특히 제1 연료 입구에서, 코크스가 축적되는 경향이 훨씬 높은 작동 조건들(예: 높은 시스템 작동 온도) 동안 시스템의 더 넓은 범위의 작동을 가능하게 하여 원하는 비율로 HCV 연료를 계속 사용할 수 있도록 한다(예: 총 제1 및 제2 연료 섭취량 중 30% 이하 또는 20% 이하의 작은 비율).

일부 버너들에서 제1 연료를 리다이렉트(redirect)할 수 있는 유연성은 연소 특성들에 도움이 될 수 있고, 예를 들어 모드들 간 전환 중에 일시적으로 사용되는 경우 플레임 안정성을 개선하는 데 사용될 수 있다.

바람직하게는, 버너는 버너 어셈블리 내에 일체로 형성될 수 있거나 버너 어셈블리에서 장착된 교체 가능한 별도의 버너 유닛일 수 있다.

바람직하게는, 버너는 상기 제1 볼륨에서 상기 바디의 개구의 외측으로 연장하는 버너 유닛의 제1 단부를 갖는 적어도 하나의 중공의 길이방향으로 세장형인 버너 유닛을 포함하고, 상기 버너 유닛은 상기 제1 볼륨으로부터 버너 유닛의 제2 단부에 상기 제2 볼륨까지 상기 버너 벽의 개구를 통해 연장한다. 시스템이 믹서, 예를 들어 축방향 또는 스월(swirl) 믹서를 포함할 때, 이것은 상기 버너 유닛의 제1 단부와 상기 버너 유닛의 제2 단부 사이에 위치될 수 있다. 시스템이 버너 플레이트를 포함할 때, 이는 상기 버너 유닛 제2 단부에 또는 근처에 위치될 수 있다.

본 명세서에서 '버너 유닛'에 대한 언급은 적절한 경우 교체 가능한 버너 유닛 또는 일체형 버너에 대한 언급이다.

바람직하게는, 중공의 길이 방향으로 세장형인 바디는 내부 공동을 디파인한다. 보다 바람직하게는 바디는 내부 볼륨을 디파인하는 벽 모양이다. 중공의 길이 방향으로 세장형인 바디를 위한 형상들의 예들은 실린더들 및 튜브들, 및 다각형 단면을 갖는 형상들을 포함한다. 다각형 단면들의 예들은 사변형(예: 직사각형), 오각형, 육각형, 칠각형 및 팔각형 단면들을 포함한다. 바디는 상기 중심축을 따라 그리고 중심축 주위로 연장할 수 있다.

위에서 언급했듯이 바디는 중심 축을 따라 확장한다. 특정 실시예들에서, 중심축은 직선축이 아닐 수 있다. 예를 들어, 축은 곡선일 수 있고 계단식일 수 있다.

상기 정의로부터 알 수 있는 바와 같이, 유체 유동 경로는 상기 산화제 입구로부터 상기 제1 볼륨 및 상기 제2 볼륨까지로 디파인된다.

제1 볼륨은 제1 단부, 버너 벽 및 바디 사이에 디파인되는 것으로 고려될 수 있다. 유사하게, 제2 볼륨은 버너 벽, 제2 단부 및 바디 사이에 디파인되는 것으로 고려될 수 있다.

바람직하게는, 바디는 상기 버너 벽으로부터 상기 제2 단부로 연장하는 바디 내부 표면을 포함한다. 바람직하게는, 상기 제2 볼륨은 상기 버너 벽, 상기 바디 내부 표면, 및 상기 제2 단부 사이에 디파인된다.

제2 볼륨은 또한 플레임 관으로 지칭될 수 있고, 두 용어들은 본 명세서에서 상호 교환 가능하게 사용된다.

바람직하게는, 단부 벽은 상기 제1 단부에 위치된다. 이는 단부 벽 통해 구성요소들의 선택적 루팅(routing)을 허용한다. 그러나 입구들은 제1 볼륨에 들어가기 위해 상이한 위치들에 위치될 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 일부 배치들에서, 적어도 하나의 버너 유닛의 제1 단부는 제1 볼륨으로부터 바디의 개구의 외측으로 연장한다. 따라서, 적어도 하나의 버너 유닛의 제1 단부는 바디의 제1 단부에서 단부 벽으로부터 연장할 필요없다. 예를 들어, 적어도 하나의 버너 유닛의 제1 단부는 바디의 측벽으로부터 연장할 수 있다. 버너 어셈블리(burner assembly)가 다수의 버너 유닛들을 포함하는 경우, 일부 실시예들에서 제1 볼륨으로부터 바디의 개구의 외측으로 연장하는 부분은 다수의 버너 유닛들의 공유 또는 공통 부분일 수 있다.

바람직하게는, 시스템은 제1 연료 통로를 제2 연료 통로로의 선택적 연결을 위한 3방향 밸브를 포함한다.

밸브는 유리하게는 제1 연료 입구 또는 제2 연료 입구로 제1 연료의 지향(directing)을 허용한다. 밸브는 필요에 따라 제1 또는 제2 연료 입구로의 흐름의 클로징(closing)을 허용한다. 보다 바람직하게는, 밸브는(예를 들어, 가변 밸브이고) 유동이 제1 연료 입구 및 제2 연료 입구 모두로 지향되도록 선택적으로 작동될 수 있고, 제2 연료 입구에 의해 제1 연료의 일부가 제1 연료 입구로 공급되고 제1 연료의 나머지는 제2 연료 입구로 공급된다. 이것은 버너 어셈블리가 코크스 축적과 같은 원하지 않는 출력들을 줄이기 위해 작동 모드들을 통해 전환하는 연소 특성들의 변화를 허용할할 수 있다.

하나의 배치에서, 제1 연료 공급 서브 시스템(제1 연료 통로) 및 제2 연료 공급 서브 시스템(제2 연료 통로)은 각각 버너의 각 입구들에 연료들을 공급하고 바이패스 라인은 2개의 서브 시스템들 사이에서 연장한다. 그것은 제1 연료 공급 서브 시스템에 제공된 3방향 밸브로부터 제2 연료 공급 서브시스템과의 접합부(junction)까지 연장할 수 있으며, 이 접합부는 개방 커넥션일 수 있다.

대안적으로, 제1 연료 공급 서브시스템은 버너로의 제1 연료 공급 입구로 이어지는 하나의 분기 및 제2 연료 공급 서브시스템으로 이어지는 다른 분기를 갖는 다운스트림 분기들로 나누는 접합부(개방 커넥션)를 포함할 수 있고, 예를 들어 양방향 밸브가 있는 경우(예: 작동 가능한) 온/오프 또는 가변 밸브가 한쪽 또는 양쪽 분기들에 제공된다. 이러한 접합부의 업스트림에서, HCV 연료의 전체 양이 적어도 하나의 커넥션의 업스트림에서 선택적으로 계량될 수 있도록(metered) 추가 가변 또는 온/오프 밸브가 선택적으로 제공될 수도 있다.

따라서, 밸브들(예: 양방향 밸브들)이 제1 연료 흐름을 지향하는 것과 동일한 효과와 함께 사용될 수도 있는 곳에서, 3방향 밸브가 사용될 수 있거나 일부 실시예들에서 3방향 파이프 분기가 사용될 수 있다.

바람직하게는, 믹서를 포함할 때, 믹서는 축방향 스월 믹서며, 상기 제1 볼륨 내로 개방되는 제1 측 및 상기 제2 볼륨 내로 개방되는 제2 측을 갖는 복수의 베인들(vanes)을 포함한다. 축방향 스월 믹싱은 스월 믹서를 통해 제2 볼륨으로 통과하는 흐름(예: 산화제 또는 제1 연료 및 산화제 혼합물)에 스월을 제공한다. 이것은 연소 특성들을 변화시킬 수 있다.

바람직하게는, 버너 플레이트를 포함할 때, 상기 버너 플레이트는 상기 제1 볼륨과 상기 제2 볼륨 사이에서 연장하는 복수의 통로들을 포함한다. 여러 개의 작은 통로들은 여러 개의 작은 플레임들을 생산하여 연소를 버너 플레이트에 가까운 작은 영역으로 제한한다(confining). 플레이트는 버너 벽 또는 그 근처에서 제1 볼륨과 제2 볼륨을 분리하는 디스크로 고려될 수 있다.

스월 믹서와 버너 플레이트는 버너 어셈블리 내에서 교체 가능한 대안들이다. 따라서, 예를 들어 다중 통로들 또는 베인들에 특별히 제한되지 않는 한, 버너 어셈블리의 다른 특징들은 둘 다와 호환된다(compatible). 따라서 문서 전체에서 하나를 참조하면 다른 것을 참조할 수 있다.

바람직하게는 제2 연료 입구는 제1 연료 입구보다 상기 버너 유닛의 제2 단부에 더 근접한다(proximal). 제2 볼륨에서의 제2 연료 입구의 포지셔닝(positioning)은 제2 연료 입구에서 나오는 연료가 버너 플레이트 또는 믹서를 통과하지 않기 때문에 공기(즉, 산화제)와의 믹싱이 감소하는 결과가 된다. 버너 유닛 제2 단부에 근접한 제2 연료 입구를 위치시킴으로써, 버너 플레이트 또는 믹서로부터 연소된 난류 공기/연료 및/또는 제2 볼륨에서의 제2 연료 입구로부터 형성된 플레임의 위치와의 결과적인 믹싱은 연소 특성들을 개선한다.

바람직하게는, 시스템은 연료 전지 스택을 더 포함하고, 제1 연료는 연료 전지 스택을 통과하지 않은 연료 가스를 포함한다. 일반적으로, 제1 연료는 높은 발열량(HCV) 연료를 포함한다. 제1 연료가 제2 연료보다 더 높은 발열량을 가질 때, 제2 연료로의 제1 연료의 선택적인 공급은 혼합물이 제2 연료보다 더 높은 발열량을 갖게 하고, 따라서 제1 연료는 보충 가스가 된다. 특정 모드들에서 더 높은 발열량의 가스, 즉 HCV 연료는 제1 연료 입구(버너 플레이트 또는 믹서 이전)에 공급될 때(fed) HCV 공급 튜브에서 코크스 형성을 초래할 가능성이 더 높다. 이러한 모드들에서, HCV 연료와 LCV 연료의 혼합을 허용한 다음 제2 연료 입구에 공급함으로써, 연료 전지 시스템 수명 동안 코크스 형성 위험을 최소화하면서 연료 전지 시스템에서 HCV를 계속 사용할 수 있다.

바람직하게는, 제2 연료는 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택으로부터의 애노드 오프 가스이다. 이러한 애노드 오프 가스는 (HCV) 연료가 연료전지 스택을 통과하고 리포머(reformer)를 통과하여 화학반응을 일으키기 때문에 발열량이 낮은 연료를 갖는다. 이 애노드 오프 가스는 연료 전지 스택 내의 화학 반응의 결과로 HCV 연료보다 더 높은 습도를 갖는다. 이 습도는 연료가 믹싱되고 제2 연료 입구로 공급될 때 HCV 연료의 코크스 형성 가능성을 낮추는 데 도움이 될 수 있다.

바람직하게는, 연료 전지 시스템은 연료 가스 전지의 애노드 측으로부터 상기 제2 연료 입구로의 애노드 오프 가스의 공급을 위해 연료 전지 스택의 애노드의 출구를 상기 제2 연료 입구에 연결하는 오프 가스 파이프 시스템을 포함한다. 제2 연료 통로는 오프 가스 파이프 시스템의 일부를 형성한다. 오프 가스 파이프 시스템(또는 제2 연료 공급 서브 시스템)은 제2 연료 입구와 유체 연통하는(fluid communication) 연료 전지 스택의 애노드 측 출구를 배치하기 위한 흐름 커넥션이므로 LCV 연료는 오프 가스 파이프 시스템을 통과한다. 오프 가스 파이프 시스템은 버너 어셈블리에 직접적으로 연결할 필요가 없다. 애노드 오프 가스 파이프 시스템은 버너 어셈블리에 도달하기 전에 열교환기와 같은 다양한 구성요소들을 통과할 수 있다.

바람직하게는, 연료 전지 시스템은 제1 연료 가스의 상기 제1 연료 입구로의 공급을 위해 제1 연료 가스 소스를 상기 제1 연료 입구에 연결하는 제1 가스 파이프 시스템(또는 제1 연료 공급 서브시스템)을 포함한다. 제1 연료 통로는 제1 가스 파이프 시스템의 일부를 형성한다. 제1 가스 파이프 시스템은 버너 어셈블리와 유체 연통하는 연료 소스를 배치하기 위한 흐름 연결을 제공한다. 따라서 HCV 연료는 파이프 시스템을 통해 버너 어셈블리에 공급된다. HCV 연료는 리포머 및 연료 전지 스택과 같은 연료 전지 시스템에서의 다양한 다른 구성요소들에 공급될 수 있다. 제1 가스 파이프 시스템은 또한 연료 가스 파이프 시스템으로 지칭된다.

파이프 시스템이 설명되어 있지만, 파이프는 유체, 즉 연료, 오프 가스 또는 산화제가 두 지점들 사이에서 유체 연통할 수 있도록 적합한 임의의 형태를 취할 수 있다.

바람직하게는, 제1 가스는 주 공급 가스, 천연 가스, 시동 연료 또는 보충 연료인 연료 가스이다. 이러한 연료들은 모두 높은 발열량을 가지며 위와 관련된 특성을 가지며, 이들은 연료 전지 스택 및 시스템을 위한 열을 생산하는 고온 연소에 유리하게 사용될 수 있다. 그러나 그들은 또한, (코킹에 대하여 완화하는 증기 함량으로 스택을 떠나는 애노드 오프 가스와 대조적으로) 파이프들의 막힘들을 유발할 수 있는 특정 상황들에서 코크스가 형성되는 결과가 될 수도 있다.

바람직하게는, 커넥션(예: 바이패스 라인)은 제1 연료의 공급을 상기 제1 연료 입구로부터 상기 제2 연료 입구로 선택적으로 우회시키기 위해(diverting) 상기 제1 연료 통로를 상기 제2 연료 통로에 직접 연결한다. 따라서 바이패스 라인은 오프 가스 파이프 시스템과 제1 가스 파이프 시스템 사이에 연결된다. 바이패스 라인은 분기 라인(branched line)이거나 3방향 밸브와 같은 밸브에 의해 연결될 수 있다. 바이패스 라인의 직접적인 연결은 바이패스 라인이 작동될 때, 예를 들어 밸브를 통해, 작동 모드들 사이의 신속한 전환을 보장한다.

사용시, 통로들 사이의 연결이 선택적으로 사용될 수 있고, 즉 연결 또는 바이패스 라인을 통한 제1 연료의 공급은 예를 들어 바이패스 라인의 업스트림에서 또는 바이패스 라인 내에서 작동 밸브에 의해 작동가능하거나 제어가능할 수 있다.

바람직하게는, 복수의 베인들은 내경 및 외경을 갖는다. 바람직하게는, 상기 스월 믹서는 상기 중심축에 수직인 평면과 교차하는 상기 제1 연료 입구와 상기 제2 연료 입구 사이의 지점에 위치되며, 상기 평면은 지점(point)으로부터 복수의 베인들의 하나의 내경과 같거나 내경 내에 있는 상기 중심 축을 따른 지점과 교차하며, 상기 지점에서 상기 중심축에 수직인 평면이 상기 버너 벽과 교차하는 상기 제1 단부로부터 가장 먼 상기 중심축을 따른 지점이다.

특정 실시예들에서, 베인들은 버너 벽의 일부로서 형성되어 버너 벽이 베인 또는 스월 믹서로 제조되거나, 버너 벽이 절단되거나 기계가공되어(machined) 별도 버너 유닛의 추가 없이 버너 벽으로부터 베인들을 형성한다.

바람직하게는, 상기 제1 연료 입구는 상기 복수의 베인들의 상기 외경의 반경방향 안쪽(radially inward)에 위치된다. 베인들의 반경방향 내측으로의 제1 연료 입구의 포지셔닝은 베인들을 통해 끌어당겨지는 제1 연료 입구를 통해 제공되는 연료를 보조한다.

적어도 하나의 버너 유닛이 버너 벽에서의 개구를 통해 연장하기 때문에, 각각의 버너 유닛의 제1 단부는 둘레 또는 제1 볼륨의 일부를 디파인하는 것으로 고려될 수 있다. 유사하게, 각각의 버너 유닛 제2 단부는 제2 볼륨의 둘레의 일부를 디파인하는 것으로 고려될 수 있다. 따라서, 스월 믹서가 제1 볼륨 내에서 제1 단부를 향해 더 위치되면 제1 볼륨은 감소되고, 스월 믹서 제2 측이 제2 볼륨 내에서 제2 단부를 향해 더 위치하면 제2 볼륨이 감소된다.

바람직하게는, 적어도 하나의 버너 유닛은 더 바람직하게는 버너 유닛 내부 볼륨을 디파인하는 버너 유닛 외부 바디를 포함한다. 따라서 내부 볼륨은 제1 볼륨 내에 포함된다(즉, 일부). 바람직하게는, 버너 유닛 외부 바디는 적어도 하나의 개구(적어도 하나의 공기 유입 개구)를 디파인한다. 바람직하게는, 유체 유동 경로는 상기 산화제 입구에서 상기 제1 볼륨, 상기 버너 유닛 내부 볼륨, 상기 제2 볼륨으로(즉, 상기 산화제 입구에서 상기 제1 볼륨의 상기 내부 볼륨 부분을 거쳐 상기 제1 볼륨으로, 상기 제2 볼륨으로) 디파인된다. 바람직하게는, 제1 연료 입구는 내부 볼륨 내에 위치된다.

문맥이 달리 지시하지 않는 한, 본 명세서에서 "단수의(an) 적어도 하나의 버너 유닛" 및 "적어도 하나의 버너 유닛"에 대한 언급은 바람직하게는 각각의 적어도 하나의 버너 유닛 및 적절한 경우 각각의 버너 유닛에 대한 것이다.

바람직하게는, 적어도 하나의 버너 유닛은 상기 버너 벽의 상기 개구를 통해 상기 제1 볼륨으로부터 상기 제2 볼륨을 향해 연장하는 외부 칼라를 포함하고, 상기 외부 칼라는 외경, 내경, 제1 단부 및 제2 단부를 갖는다. 바람직하게는, 상기 외부 직경은 상기 버너 벽의 개구 직경과 동일하다.

바람직하게는, 적어도 하나의 버너 유닛은 상기 버너 벽에서의 상기 개구를 통해 상기 제1 볼륨으로부터 상기 제2 볼륨을 향해 연장하는 내부 칼라(inner collar)를 포함하고, 상기 내부 칼라는 외경, 내경, 제1 단부 및 제2 단부를 갖는다.

바람직하게는, 외부 칼라 및 내부 칼라 제1 단부들은 스월 버너 어셈블리의 제1 단부에 가장 가까운 외부 및 내부 칼라들의 단부들이다. 유사하게, 외부 칼라 및 내부 칼라 제2 단부들은 바람직하게는 스월 버너 어셈블리의 제2 단부에 가장 가까운 외부 및 내부 칼라들의 단부들이다.

보다 바람직하게는, 상기 외부 칼라 제2 단부는 중심축에 수직인 평면과 교차하고 상기 평면은 스월 믹서와 스월 버너 어셈블리의 제2 단부 사이에서 연장하고, 상기 평면은 복수의 베인들의 하나의 내경과 기하학적 중간점으로부터 다운스트림에 있는 복수의 베인들의 내경의 절반과 같거나 그 사이에 있는 상기 중심축을 따른 점과 교차한다.

보다 바람직하게는, 상기 외부 칼라의 제1 단부는 중심축에 수직인 평면과 교차하고, 상기 평면은 스월 믹서와 스월 버너 어셈블리의 제1 단부 사이에서 연장하고, 상기 평면은 상기 외부 칼라 제2 단부의 업스트림에 있는 복수의 베인들의 2개의 외경들과 동일하거나 그 내의 위치에 있는 점과 교차한다.

특정 실시예들에서, 외부 칼라의 일부 또는 전부는 버너 유닛 외부 바디에 의해 형성될 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 내부 칼라의 제2 단부는 중심축에 수직인 평면과 교차하고, 상기 평면은 상기 중심축을 따른 위치에 있는 한 지점과 교차하며, 상기 평면은 스월 믹서와 스월 버너 어셈블리의 제2 단부 사이에서 연장하며, 상기 평면은 기하학적 중간점으로부터 다운스트림에 있는 복수의 베인들의 내부 직경의 절반 이하인 상기 중심축을 따른 점과 교차한다.

더 바람직하게는, 상기 내부 칼라 제1 단부(스월 버너 어셈블리 제1 단부에 가장 가까운 내부 칼라 제1 단부의 부분)는 제1 연료 입구의 다운스트림 및 내부 칼라 제2 단부의 업스트림에 위치된다.

바람직하게는, 상기 내부 칼라의 외부 직경은 상기 외부 칼라의 내부 직경보다 작다. 보다 바람직하게는, 내부 칼라는 상기 외부 칼라의 반경방향 내부(즉, 반경방향 안쪽)에 위치된다.

특정 실시예들에서, 외부 칼라는 버너 벽의 일부로서 형성되는데, 이는 벽에 일체형이다. 그러한 실시예들에서, 외부 칼라는 여전히 바디의 제1 단부 및/또는 제2 단부를 향해 연장할 수 있다. 예를 들어, 외부 칼라는 버너 벽으로부터 돌출(extruded), 형상화(shaped), 가압(pressed) 또는 그렇지 않으면 형성될 수 있다. 유사하게, 내부 칼라는 버너 벽의 일부로서 형성될 수 있다.

바람직하게는, 복수의 베인들이 상기 외부 칼라 내에 위치된다. 더 바람직하게는, 복수의 베인들은 상기 외부 칼라와 상기 내부 칼라 사이에서 반경 방향으로(radially) 연장한다. 바람직하게는, 외부 칼라 내부 직경은 복수의 베인의 외부 직경과 동일하고 내부 칼라 외부 직경은 복수의 베인의 내부 직경과 동일하다.

일부 실시예들에서 복수의 베인들은 단일 칼라에 의해 지지되도록 상기 내부 칼라 또는 상기 외부 칼라 중 하나로부터 연장할 수 있으며, 이러한 실시예에서 복수의 베인들의 외경은 외부 칼라의 내경보다 작을 수 있거나, 복수의 베인들의 내경은 내부 칼라의 외경보다 클 수 있다.

당업자 중 하나에게, 베인들은 내부 칼라의 일부로서, 또는 외부 칼라의 일부로서, 또는 내부 및 외부 칼라들의 일부로서, 또는 외부 칼라 - 상기 외부 칼라는 버너 유닛의 일부, 예를 들어 버너 유닛의 외부 바디의 일부임 - 의 일부로서 제조하는 것이 명백할 것이다.

칼라들은 복수의 베인들보다 더 멀리 제2 볼륨 안으로 연장할 수 있기 때문에 버너 특성들에 영향을 미칠 수 있다.

하나 이상의 버너 유닛이 있는 경우, 바람직하게는 각각의 버너 유닛은 그 버너 유닛용 버너 벽의 개구를 통해 연장하는 내부 칼라 및 외부 칼라를 갖는다.

바람직하게는, 제1 및 제2 연료 입구들은 복수의 베인들의 내경의 반경방향 안쪽에 위치된다.

바람직하게는, 제1 및 제2 연료 입구들은 중심축에 일반적으로 평행한 축을 따라 정렬되거나 중심축에 일반적으로 평행한 축을 따라 독립적으로 정렬된다.

바람직하게는, 복수의 베인들의 외경은 복수의 베인들의 내경보다 2배 내지 4배, 보다 바람직하게는 약 3배 더 크다.

바람직하게는 각각의 적어도 하나의 버너 유닛: (A) 상기 지점에서 상기 중심축에 수직인 평면이 상기 버너 유닛 스월 믹서의 상기 복수의 베인들과 교차하는 상기 제1 단부에 가장 가까운 상기 중심축을 따른 지점인 제1 지점을 디파인한다; (B) 상기 지점에서 상기 중심축에 수직인 평면이 상기 버너 유닛 스월 믹서의 상기 복수의 베인들과 교차하는 상기 제1 단부로부터 가장 먼 상기 중심 축을 따른 지점인 제2 지점을 디파인하고; (C) 상기 제1 지점 및 상기 제2 지점으로부터 등거리에 있는 상기 중심축을 따르는 기하학적 중간점을 디파인한다.

바람직하게는 각각의 제1 연료 입구는 상기 산화제 입구와 상기 중심축에 수직인 평면과 교차하는 상기 스월 믹서 사이의 지점에 위치되며, 상기 평면은 상기 제1 지점으로부터의 상기 제1 연료 입구 유동 영역의 1 내지 2 등가 원형 직경 사이에서 상기 중심 축을 따르는 지점과 교차한다.

바람직하게는, 각각의 제2 연료 입구는 상기 중심축에 수직인 평면과 교차하는 상기 제1 연료 입구와 상기 제2 단부 사이의 지점에 위치되며, 상기 평면은 상기 기하학적 중간점으로부터 상기 복수의 베인들의 상기 내경보다 작거나 같은 상기 중심축을 따른 지점과 교차한다.

이러한 위치들의 정의는 설명된 개선된 버너 성능을 위한 제1 및 제2 연료 입구들의 위치를 디파인하는 것을 허용한다.

바람직하게는, 상기 제1 지점은 상기 지점에서 상기 중심축에 수직인 평면이 상기 복수의 베인들을 따라 흐르는 유체에서 각운동량을 유도하기 위해 적응된 상기 복수의 베인들의 섹션과 교차하는(즉, 한 지점에서 상기 복수의 베인들과 교차하는) 제1 단부에 가장 가까운 상기 중심축을 따른 지점이다. 따라서, 그 위로 흐르는 유체에서 각운동량을 유도하지 않는 섹션을 갖는 복수의 베인들이 있는 버너 유닛(예: 축, 특히 상기 중심축에 대해 일반적으로 평행한 축을 중심으로 반경 방향으로 이동하지 않는 직선 섹션을 갖는 베인들) 및 곡선 섹션에서, 제1 지점은 곡선 단면의 시작 부분으로 고려된다.

본 발명의 정의 내에서, 상기 HCV 입구는 제2 볼륨을 향하거나 또는 상기 LCV 입구가 제1 볼륨을 향하여 위치될 수 있다. 그러한 리포지셔닝이 연소에 부정적인 영향을 미치지 않는 정도까지만 가능한 경우, 즉 스월 버너 어셈블리가 더 이상 그 기능에 효과적이지 않다.

버너 벽과 제2 단부에 의해 디파인되는 제2 볼륨은 플레임 튜브로 지칭될 수 있다. 바람직하게는, 플레임 튜브는 일반적으로 원통형이고 내경 및 외경을 가지며 중심축을 중심으로 배치된다. 더 바람직하게는, 플레임 튜브 내경은 복수의 베인들의 외경의 2배 내지 3배이다. 더욱 바람직하게는, 플레임 튜브 내경은 복수의 베인들의 외경의 2. 5배이다.

바람직하게는, 제1 연료 입구 및 제2 연료 입구 중 적어도 하나는 노즐이다. 각각의 적어도 하나의 노즐은 상기 연료 입구의 적어도 하나의 구멍에 의해 디파인되며, 적어도 하나의 구멍들은 임의의 형상일 수 있다. 적어도 하나의 구멍 면적들의 합은 단일 원형 구멍의 지름과 동일한 원형 지름을 갖는다. 적어도 하나의 구멍의 면적들의 합은 또한 유동 면적(예: 제1 연료 입구 유동 영역 또는 제2 연료 입구 유동 영역, 또는 제1 또는 제2 연료 입구의 유동 영역)으로 지칭될 수 있다.

이러한 입구는 상기 제1 또는 상기 제2 연료 파이프에서의 오리피스일 수 있다. 상기 입구는 상기 제1 또는 상기 제2 파이프의 상기 제2 단부에 위치될 필요는 없지만 상기 파이프를 따라 위치될 수 있다. 상기 제1 또는 제2 연료 입구가 복수의 개구들을 포함하는 경우, 연료 입구의 위치는 바람직하게는 중심축을 따른 유동 면적 가중 평균의 평균인 것으로 디파인된다.

바람직하게는, 버너 어셈블리는 점화기(igniter)를 포함한다. 바람직하게는, 점화기는 제2 볼륨 내에 위치된다. 더 바람직하게는, 점화기는 제2 볼륨으로부터의 바디로부터 외측으로 연장한다. 더 바람직하게는 점화기의 점화 단부는 제2 볼륨 내에 위치된다. 특정 실시예들에서, 점화기는 바디 제2 단부 너머에 위치된다. 특정 실시예들에서, 점화기는 버너 벽을 통해 또는 바디 제2 단부 벽을 통해 연장한다.

문맥이 달리 지시하지 않는 한, 여기에서 개구부에 대한 언급은 구멍, 채널, 개구 또는 구성요소에서의 통로에 대한 것이며 이러한 용어들은 상호 교환 가능하다. 각각의 개구는 구멍, 채널 및 슬롯으로 구성된 그룹으로부터 독립적으로 선택된 형상을 가질 수 있다. 각 개구부는 원형, 계란형(oval), 타원형(ellipse), 사각형, 환형(즉, 신장 모양) 및 반환형(즉, 거의 환형)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 단면 형상을 가질 수 있다.

바람직하게는, 버너 어셈블리는 테일 가스 버너이고, 테일 가스 버너는 연료 전지 스택으로부터 애노드 및 캐소드(cathode) 오프 가스를 버닝하기에 적합한 버너이다.

스월 버너 어셈블리는 연료 전지 어셈블리 또는 시스템, 바람직하게는 고체 산화물 연료 전지 시스템, 더 바람직하게는 여전히 중간 온도 고체 산화물 연료 전지 시스템과 통합한다.

바람직하게는, 산화제 입구는 산화제 소스와 유체 흐름 연통한다. 보다 바람직하게는, 산화제 입구는 적어도 하나의 연료 전지 스택 캐소드 오프 가스 출구와 유체 흐름 연통한다. 바람직하게는, 적어도 하나의 버너 유닛은 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 오프 가스 출구와 유체 흐름 연통한다. 더 바람직하게는 적어도 하나의 버너 유닛의 제1 연료 입구는 연료 전지 시스템을 위한 적어도 하나의 연료 소스와 유체 흐름 연통한다. 바람직하게는 적어도 하나의 버너 유닛의 제2 연료 입구는 적어도 하나의 연료 전지 스택 애노드 오프 가스 출구와 유체 흐름 연통한다.

바람직하게는, 연료 전지 시스템은 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템이다. 보다 바람직하게는 연료 전지 시스템은 중간 온도 솔드(sold) 산화물 연료 전지(IT-SOFC) 시스템이다.

버너 어셈블리는 당업계에 공지된 재료, 예를 들어 파이프 및 벽용 금속 합금 및 튜브용 유리로 형성될 것이다. 고온으로 인해 재료들은 고온 저항을 가져야 한다.

또한, 본 발명에 따라 제공되는 것은 연료 전지 시스템의 작동 방법이고, 방법은 다음 단계를 포함한다: 산화제를 상기 산화제 입구로 지향시키는 단계; 상기 제1 연료를 상기 제1 연료 입구로 선택적으로 지향시키고 상기 제2 연료를 상기 제2 연료 입구로 선택적으로 지향시키는 단계; 및 상기 버너 플레이트 또는 믹서; 상기 제2 연료 입구; 또는 상기 버너플레이트 또는 믹서 및 상기 제2 연료 입구 중 어느 하나를 빠져나온 후 상기 제2 볼륨에서 선택적으로 지향된 연료 또는 연료들을 연소시키는 단계.

바람직하게는, 제1 연료(HCV 연료)가 상기 제1 연료 입구(HCV 연료 입구)에 공급될 때, 상기 산화제 및 상기 HCV 연료 흐름은 제1 연료 입구와 스월 버너 사이의 상기 제1 볼륨으로 수렴하고, 제2 연료(LCV 연료)가 상기 제2 연료 입구(LCV 연료 입구)에 공급될 때, 상기 산화제 및 상기 LCV 연료 흐름은 스월 버너와 제2 단부 사이의 제2 볼륨으로 수렴한다.

바람직하게는, 연결, 예를 들어 바이패스 라인은 두 연료들의 혼합물을 제2 연료 입구로 전달하기 위해 제1 연료 통로를 제2 연료 통로에 연결하는 데 사용되며, 이로써 두 연료들의 혼합물이 상기 제2 연료 입구에서 빠져 나온 후 제2 볼륨에서 연소된다.

상술한 바와 같이, 바람직하게는, HCV 연료는 메탄, 에탄 또는 프로판 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 연료이다. 보다 바람직하게는, HCV 연료는 36 내지 85 MJ/m³ 사이의 웨버 지수를 갖는 연료인 것으로 고려된다. 일반적인 HCV 연료는 천연 가스이고, 천연 가스의 웨버 지수는 48 내지 54 MJ/m³이다.

바람직하게는 LCV 연료는 H₂, CO 또는 CO₂의 높은 비율을 갖는 연료이다. 보다 바람직하게는 LCV 연료에 대한 웨버 지수는 일반적으로 18 내지 35 MJ/m³, 더욱 바람직하게는 22 내지 26. 53 MJ/m³이다.

바람직하게는, 연료 전지 시스템은 제1 모드, 제2 모드, 제3 모드 및 선택적 제4 모드에서 선택적으로 작동 가능하고, 각각의 모드는 다음을 특징으로 한다: 상기 제1 모드는 상기 제1 연료 통로를 통해 상기 제1 연료 입구로 지향되는 상기 제1 연료를 가짐에 따라, 상기 산화제 및 상기 제1 연료는 상기 제1 연료 입구와 상기 버너 플레이트 또는 믹서 사이의 상기 제1 볼륨에서 수렴 및 믹싱하고, 상기 제2 연료는 상기 제2 연료 입구로 공급되지 않는 것을 특징으로 하고, 상기 제2 모드는 상기 제1 연료 통로를 통해 상기 제1 연료 입구로 지향되는 상기 제1 연료를 가짐에 따라, 상기 산화제 및 상기 제1 연료는 상기 제1 연료 입구와 상기 버너 플레이트 또는 믹서 사이의 상기 제1 볼륨에서 수렴 및 믹싱하고, 상기 제2 연료가 상기 제2 연료 입구로 공급됨에 따라 상기 산화제 및 상기 제2 연료는 상기 제2 볼륨 안에서 수렴 및 믹싱하는 것을 특징으로 하고, 상기 제3 모드는 상기 적어도 하나의 커넥션을 통해 상기 제2 연료 입구로 지향되는 상기 제1 연료를 가지고, 상기 제2 연료도 상기 제2 연료 입구로 지향됨에 따라, 상기 제1 연료 및 상기 제2 연료가 상기 두 연료들의 혼합물로서 상기 제2 연료 입구를 빠져나가기 위해 믹싱하고, 그 다음에 상기 산화제 및 상기 혼합물은 연소를 위해 상기 제2 볼륨에서 수렴 및 믹싱하는 것을 특징으로 하고, 상기 선택적 제4 모드는 상기 제2 연료 입구로 공급되는 상기 제2 연료를 가지고, 상기 산화제 및 상기 제2 연료가 연소를 위해 상기 제2 볼륨에서 수렴 및 믹싱하고, 상기 제1 연료가 상기 제1 연료 입구 또는 상기 제2 연료 입구에 공급되지 않는 것을 특징으로 하는, 방법.

모드들은 시작, 워밍업, 정상 상태 및 종료와 같은 다양한 작동 모드들을 참조할 수 있다. 이러한 모드들 내에서 온도 레벨들은 코킹을 방지하기 위한 바이패스 라인 사용과 같은 상이한 요구들을 초래할 수 있다. 따라서 연료 전지 시스템은 연료 전지 시스템에서 요구되는 대로 상이한 모드들에서 바이패스 라인의 사용을 교대로 사용할 수 있다. 이것은 개선된 연소 성능 측면에서 스월 버너 어셈블리의 장점을 제공하지만 또한 코크스 형성의 감소된 위험으로 인해 시스템 수명을 개선한다.

제4 모드는 정상 상태 모드이며 이상적으로는 연료 가스가 소비되지 않는 모드가 사용되고, 즉, 제1 연료가 제1 연료 입구나 제2 연료 입구에 공급되지 않는다. 그러나 연료 가스의 소량(trickle) 공급이 항상 사용되는 것이 바람직한 일부 연료 전지 시스템들이 있을 수 있다.

바람직하게는, 상기 시스템은 선택 가능한 제5 모드를 더 가지고, 상기 제5 모드에서, 상기 제1 연료 및 상기 제2 연료는 둘 다 상기 제2 연료 입구로 공급되고, 따라서 상기 제1 및 제2 연료들은 수렴 및 믹싱하고, 그 다음에 상기 혼합물은 연소를 위해 상기 제2 볼륨에서 상기 산화제와 수렴 및 믹싱하고, 상기 제1 연료 또한 상기 제1 볼륨에서도 상기 산화제와 믹싱하기 위해 상기 제1 연료 입구로 공급된다. 이것은 바이패스 라인이 제2 연료 입구(및 따라서 제1 연료 입구)에 제1 연료의 가변량을 제공할 수 있게 하여, 작동 모드들을 변경할 때와 같이 제1 연료가 전환되는 모드들을 허용한다. 가변 유량은 예를 들어 가변 밸브로 제어될 수 있다.

바람직하게는, 제1 및 제2 연료들의 혼합물의 비율은 가변적이며 프로세서에 의해 제어된다. 이를 통해 흐름이 미리 결정되는 프리셋 레벨들(preset levels)을 허용하거나 센서들과 같은 판독값들(readings)은 요구되는 출력들(required outputs)에 요구되는 흐름을 지시할 수 있다.

바람직하게는, 제1 연료 입구 및 제2 연료 입구에 대한 제1 연료의 유속들의 비율은 가변적이며 프로세서에 의해 제어된다. 이는 연료 및 연소 특성들이 원하는 출력을 허용하도록 변경되는 것을 허용한다.

보다 바람직하게는, 2개의 비율들은 공통 프로세서에 의해 제어될 수 있다. 마찬가지로 모든 연료들과 산화제의 유속들은 프로세서(대개 공통 프로세서)에 의해 제어될 수 있다.

바람직하게는, 산화제는 작동 중인 연료 전지로부터의 공기 또는 캐소드 오프 가스(이러한 산화제는 공기에 비해 부분적으로 산소가 고갈됨)이다. 보다 바람직하게는, 상기 산화제는 작동 중인 고체 산화물 연료 전지, 보다 바람직하게는 작동 중인 중간 온도 고체 산화물 연료 전지로부터의 캐소드 오프 가스이다.

LCV 연료는 HCV 연료와 같은 탄화수소 연료들의 리포밍(reforming)에 의해 형성될 수 있으며 리포밍 프로세스는 공기 또는 증기와 같은 산화제로 처리하는 것을 포함할 수 있다. LCV는 스월 버너 어셈블리에 들어가기 전에 연료 전지에서 전기화학 반응을 겪을 수 있다. SOFC 연료 전지 스택 애노드 오프 가스들은 LCV 연료로 고려될 수 있다.

바람직하게는, 탄화수소 연료들의 리포메이션(reformation)은 연료 전지 시스템에서 일어난다. 더 바람직하게는, 스월 버너 어셈블리는 연료 전지 시스템과 일체이고 연료 전지 시스템에 의해 생산된 애노드 오프 가스들을 태운다(burns).

바람직하게는, HCV 연료 및/또는 LCV 연료는 점화기에 의해 제2 볼륨에서 점화되거나 연소된다. 더 바람직하게는 점화는 복수의 베인들의 다운스트림에서 발생한다. 바람직하게는, 상기 제2 볼륨에서 상기 연료를 연소시키는 단계는 상기 제2 볼륨에서 상기 연료를 점화하고 연소시키는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 제1 볼륨 및 제2 볼륨 중 적어도 하나는 밀봉되거나 밀폐된 볼륨이다. 더 바람직하게는, 버너 유닛은 상기 바디의 개구로부터 외측으로 연장할 때 밀봉을 형성한다.

바람직하게는, 연소된 가스들은 바디의 제2 단부(즉, 다운스트림 단부)를 통해 제2 볼륨에서 흐르거나 배출된다.

버너 벽이 제1 볼륨을 제2 볼륨으로부터 분리시킨다는 사실은 연료의 연소가 발생하도록 하고 제2 볼륨으로 제한되도록(constrained) 하는 것을 허용한다. 이것은 연소 전에 스월 버너 어셈블리의 특정 부분들에서 상이한 연료들의 믹싱의 제어를 허용한다. 이것은 특히 모든 산화제 및 HCV 연료가 제1 연료 유입구에 공급될 때 플레임 튜브에 도달하기 위해 복수의 베인들을 통과해야 하기 때문에 상이한 혼합량 및 상이한 혼합 강도를 허용한다.

복수의 베인을 통한 흐름은 연소가 제한되는 플레임 튜브 이전에 흐름의 추가 혼합을 유발한다.

산화제와 연료 혼합물의 연소는 제2 볼륨에서 발생하며 이 연소로부터의 생산물들은 버너 어셈블리에서 배출된다(exhausted). 바람직하게는, 이 공정에서 생산된 열은 연료 전지 스택 및 연료 전지 시스템을 가열하는 데 사용되며,

바람직하게는, 산화제 및 적어도 하나의 HCV 연료 및 LCV 연료의 흐름은 스월 버너 어셈블리에 대한 가스 흐름의 산화제 대 연료 비율(람다)이 1 내지 20 람다, 보다 바람직하게는 1 내지 18 람다, 보다 바람직하게는 2 내지 18람다가 되도록 한다. 보다 바람직하게는, 스월 버너가 산화제 및 HCV 연료(LCV 연료 없음)의 흐름을 가질 때 스월 버너 어셈블리는 5 람다 미만의 연료 대 산화제 비율로 작동한다.

람다의 관련 측정은 버너 입구들, 즉 산화제, HCV 및 LCV 입구들에서 측정된다.

버너 어셈블리가 연료 전지 시스템과 통합되기 때문에 버너 어셈블리가 산화제 흐름 때문에 큰 람다 범위에 걸쳐 작동할 수 있는 것이 유리하며, 어느 정도 버너 어셈블리로의 LCV 흐름은 연료 전지 스택과 그 위에 흐르는 전류에 의해 지시된다. 이와 같이 버너 어셈블리가 안정적인 연소를 유지하는 큰 람다 작동 범위는 (a) 버너 어셈블리가 산화제 흐름을 제한하여 연료 전지 스택 작동을 지시하는 것을 방지하고, 및/또는 (b) 버너 어셈블리로의 모든 캐소드 및 애노드 오프 가스들의 흐름을 허용한다.

제1 연료 입구 또는 제2 연료 입구의 적어도 하나의 노즐의 등가 직경은 이들을 통과하는 요구 속도에 의해 디파인될 수 있다. 바람직하게는, 적어도 하나의 버너 유닛의 제1 연료 입구를 통한 HCV 연료의 속도는 3 내지 6 m/s이다. 보다 바람직하게는, 적어도 하나의 버너 유닛의 제2 연료 입구를 통한 LCV 연료의 속도는 10 내지 35 m/s이다.

본 발명의 대안적 양태에 따르면, 중심축을 따라 연장하고 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 중공의 길이 방향으로 세장형인 바디; 상기 제1 단부에서의 단부 벽; 상기 제1 단부 및 상기 제2 단부 사이에 위치되고, 상기 제1 단부로부터 상기 버너 벽까지의 제1 볼륨 및 상기 버너 벽으로부터 상기 제2 단부까지의 제2 볼륨을 형성하는 버너 벽; 상기 제1 볼륨 안으로의 산화제 입구; 상기 제1 볼륨으로부터 상기 바디의 개구의 외측으로 연장하는 버너 유닛 제1 단부를 갖고, 상기 제1 볼륨으로부터 상기 제2 볼륨 및 버너 유닛 제2 단부까지 상기 버너 벽에서의 개구를 통해 연장하고, 버너 유닛 내부 볼륨을 디파인하는, 적어도 하나의 중공의 길이방향으로 세장형인 버너 유닛; 그리고 상기 버너 유닛은, 상기 버너 유닛의 안쪽에 위치되고 상기 버너 유닛의 제 1 단부와 상기 버너 유닛의 제 2 단부 사이에 위치된 축방향으로 스월이며, 상기 스월 믹서는 내경과 외경을 갖는 복수의 베인들을 포함하며, 제 1 측은 상기 제1 볼륨을 향하여 위치되고 상기 제1 볼륨 안으로 개방되고, 상기 제2 볼륨을 항하여 위치되고 상기 제2 볼륨 안으로 개방되는 스월 믹서; 상기 산화제 입구와 상기 스월 믹서 사이에 위치되며 상기 복수의 베인들의 외경의 반경방향 안쪽에 위치되는 상기 제1 볼륨 내로의 제1 연료 입구; 및 상기 버너 유닛의 제2 단부에 인접하고 상기 복수의 베인들의 상기 외경의 반경방향 내측으로 인접하는 상기 제 2 볼륨 내로의 제 2 연료 입구를 포함하는 스월 버너 어셈블리가 제공된다.

각각의 적어도 하나의 버너 유닛은 상기 지점에서 상기 중심축에 수직인 평면이 상기 버너 유닛 스월 믹서의 상기 복수의 베인들과 교차하는 상기 제1 단부에 가장 가까운 상기 중심축을 따른 지점인 제1 지점을 디파인하고; 상기 지점에서 상기 중심축에 수직인 평면이 상기 버너 유닛 스월 믹서의 상기 복수의 베인들과 교차하는 상기 제1 단부로부터 가장 먼 상기 중심축을 따른 제2 지점을 디파인하고; 상기 제1 지점 및 상기 제2 지점으로부터 등거리에 있는 상기 중심축을 따른 기하학적 중간점을 디파인한다.

상기 각각의 제1 연료 입구는 상기 중심 축에 수직인 평면과 교차하는 상기 산화제 입구와 상기 스월 믹서 사이의 지점에 위치되며, 상기 평면은 상기 제1 지점으로부터의 상기 제1 연료 입구 유동 면적의 1 내지 2 등가 원형 직경 사이의 상기 중심 축을 따른 지점과 교차하고,

상기 각각의 제2 연료 입구는 상기 중심 축에 수직인 평면과 교차하는 상기 제1 연료 입구와 상기 제2 단부 사이의 지점에 위치되며, 상기 평면은 상기 기하학적 중간점으로부터의 복수의 베인들의 상기 내경보다 같거나 작은 상기 중심 축을 따른 지점과 교차한다.

추가 양태에서, 전술한 바와 같은 연료 전지 시스템을 작동시키는 방법이 제공되며, 이 방법은 상기 산화제 입구에 산화제를 공급하는 단계; 제1 연료를 상기 제1 연료 입구에 선택적으로 공급하고 제2 연료를 상기 제2 연료 입구에 선택적으로 공급하며, 상기 제1 연료와 제2 연료는 서로 다른 발열량을 갖는 단계; 및 스월 믹서 또는 제2 연료 입구 중 하나 또는 둘 모두를 빠져 나온 후 상기 제2 볼륨에서 선택적으로 공급된 연료 또는 연료들을 연소시키는 단계를 포함한다.

구성요소들의 포함을 지정하기 위해 본 명세서에서 사용된 용어 "포함하는"은 또한 추가 구성요소들이 구역재하지 않는 실시예들을 포함한다.

본 발명의 특정하고 바람직한 양태들은 첨부된 독립항들에 기재되어 있다.

도 1은 본 발명에 사용하기에 적합한 스월 버너 어셈블리의 부분 절개 평면 개략도를 도시한다.
도 2는 도 1에서 A'로 표시된 특징의 자세한 개략도를 도시한다.
도 2a는 본 발명에서 사용하기에 적합한 축방향 버너 어셈블리의 개략도를 도시한다.
도 3a는 도 1 내지 2a의 버너 어셈블리를 포함하는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 개략도를 도시하고,
도 3b 내지 도 3d는 도 3a의 것에 대한 대안적인 연료 전지 시스템들의 각각의 개략도들을 도시한다.

당업자에게 본 발명의 최선의 형태를 포함하는 본 발명의 완전하고 가능한 개시는 명세서의 나머지 부분에서 보다 구체적으로 설명된다. 이제 본 발명의 실시예에 대해 상세히 참조할 것이며, 그 중 하나 이상의 예들이 아래에 설명되어 있다. 각각의 예는 본 발명을 제한하는 것이 아니라 본 발명을 설명하기 위해 제공된다.

본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 발명에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 일 실시예의 일부로서 설명된 특징들은 또 다른 실시예 상에서 사용되어 또 다른 실시예를 생성할 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 그 균등물의 범위 내에서 그러한 수정 및 변형을 포함하도록 의도된다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 양태는 명세서의 나머지 부분에 개시되어 있다. 본 논의는 단지 예시적인 실시예의 설명일 뿐이고, 더 넓은 양태들이 예시적인 구성들로 구체화되는 본 발명의 더 넓은 양태들을 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 것이 당업자에 의해 이해되어야 한다.

여기에 사용된 참조 기호들의 목록은 설명 끝에 제공된다. 본 명세서 및 도면에서 참조 기호의 반복 사용은 동일하거나 유사한 특징 또는 요소를 나타내기 위한 것이다.

이 설명의 목적을 위해, 버너, 축방향 버너, 축방향 버너 어셈블리, 스월 버너, 테일 가스 버너 및 스월 버너 어셈블리라는 용어 - 그들은 적절한 경우 쉽게 상호 교환 가능함 - 는, 본 발명의 버너 어셈블리를 지칭하는 것으로 이해되어야 한다.

아래의 특정 실시예들에서, 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 연료 전지 스택을 포함하는 IT-SOFC(중간 온도 고체 산화물 연료 전지) 시스템이며, 여기서 적어도 하나의 연료 전지 스택의 연료 전지들은 일반적으로 450°C-650℃ 범위에서 작동한다.

도 1을 참조하면, 스월 버너 어셈블리(10)가 도시되어 있다. 스월 버너 어셈블리(10)는 중심축(12'), 스월 버너 바디 상단부 벽(16) 및 스월 버너 바디 하단부 벽(14)을 갖는 일반적으로 원통형(즉, 주로 원통형) 스월 버너 바디(12)를 포함하며, 여기서 스월 버너 바디 하단부 벽(14)은 스월 버너 바디 다운스트림 단부(30)를 디파인한다.

스월 버너 어셈블리(10)는 원통형 형상을 가로질러 바디(12)와 교차하는 버너 벽(40)에 의해 분할된다. 버너 벽(40)은 스월 버너 바디 다운스트림 단부(30)와 마주하는 다운스트림 면(42)을 갖는다. 버너 벽(40)은 또한 스월 버너 바디 상단 벽(16)과 마주하는 업스트림 면(44)을 갖는다. 바디 상단부 벽(16)과 버너 벽(40) 사이의 바디(12) 부분은 본 명세서에서 버너 튜브(50)로 지칭되는 제1 섹션을 디파인한다. 버너 벽(40)과 바디 하단부 벽(14) 사이의 바디(12) 부분은 일반적으로 원통형이고 바디 내부 표면(64) 및 바디 외부 표면(66)을 갖는 제2 섹션을 디파인한다.

제1 볼륨(52)은 버너 벽 업스트림 면(44), 스월 버너 바디 상단부 벽(16)의 내부 면(54), 및 버너 튜브 내부 표면(56)에 의해 디파인된다(즉, 사이에 디파인된다). 유사하게, 제2 볼륨(62)은 바디 내부 표면(64), 스월 버너 바디 하단부 벽(14) 및 버너 벽 다운스트림 면(42)에 의해 디파인된다(즉, 그 사이에 정의된다).

버너 유닛(100)은 버너 유닛의 제1 단부(20) 및 버너 유닛의 제2 단부(124)를 갖는다. 버너 유닛 제1 단부(20)(업스트림 단부)는 스월 버너 어셈블리(10)로부터, 특히 제1 볼륨(52)으로부터 스월 버너 바디 상단 단부 벽(16)의 개구(16')를 통해 돌출한다. 버너 유닛 제2 단부(124)(다운스트림 단부)는 버너 벽(40)의 개구(40')를 통해 제1 볼륨(52)으로부터 제2 볼륨(62)으로 돌출한다.

버너 벽(40) 및 스월 버너 바디 상단부 벽(16)은 버너 유닛(100)의 통과 또는 배치를 허용하도록 그들 안에서 디파인된 개구들(각각 개구(40') 및 개구(16'))을 갖는다. 이것은 스월 버너 바디(12)와 분리된 버너 유닛(100)의 제조를 허용한다. 따라서, 어셈블리는 스월 버너 바디 상단 벽(16)의 개구(16') 및 버너 벽(40)의 개구(40')를 통한 버너 유닛(100)의 배치를 요구한다.

버너 유닛(100)의 숄더(112)는 버너 벽(40)과 접하고 버너 유닛(100)이 스월 버너 바디(12) 및 제2 볼륨(62) 내로 더 진행하는 것을 방지한다. 그 다음, 버너 유닛(100)은 용접에 의해 스월 버너 바디 상단부 벽(16)에서 스월 버너 바디(12)에 대한 버너 유닛(100)의 결합에 의해 제자리에 구속된다. 다른 실시예들에서, 솔더링(soldering), 브레이징(brazing), 택킹(tacking) 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 조이닝(joining) 기술들을 포함하는 다른 조이닝 기술들이 사용된다. 이는 제1 볼륨(제1 볼륨(52))이 둘러싸이도록 버너 유닛(100)과 스월 버너 바디 상단부 벽(16) 사이의 밀봉의 생성을 초래한다. 유사하게, 숄더(112)가 버너 벽(40)과 접하면서 그들 사이에 밀봉이 이루어진다(effected).

단일 버너 유닛이 아래에 설명되지만, 다른 실시예들(미도시)에서 다중 버너 유닛들(100) - 상기 다중 버너 유닛들(100)은 스월 버너 바디(12)(예를 들어, 스월 버너 바디 상단부 벽(16)을 통해), 제1 볼륨(52), 버너 벽(40) 및 제2 볼륨(62) 내를 통과함 - 이 사용된다.

도 1에 도시된 스월 버너 어셈블리(10)에서, 버너 유닛(100)은 제1 볼륨(52)을 통과하고 버너 튜브 내부 표면(56)으로부터 대부분 등거리에 위치된다. 버너 튜브 내부 표면(56)의 일부는 공기 입구(70)를 통해 스월 버너 바디(12)를 통해 제1 볼륨(52)으로 공기를 공급할 수 있도록 하는 개구를 갖는다. 유사하게 스월 버너 바디(12)를 통과하는 것은 점화기(80)가 제2 볼륨(62) 내로 돌출하는 점화기 개구(82)다.

점화기(80)와 공기 입구(70)의 위치는 도 1에 스월 버너 바디(12)의 축을 가로질러 서로 대향되도록(opposed) 도시되어 있지만 공기 입구(70)와 점화기(80)의 위치는 변경될 수 있다. 공기는 제1 볼륨(52)으로 공급되고, 점화기(80)의 스파크 때문에 제2 볼륨(62)에서 초기 점화가 발생한다.

제2 볼륨(62)은 가스 연소가 일어날 플레임 튜브를 디파인한다.

스월 버너 바디 배기부는 스월 버너 바디 하단부 벽(14)에 근접하게 위치되고 제2 볼륨(62)으로부터의 배기 가스들은, 즉 유체 흐름 연통에 있지만 단순성과 편의를 위해 도 1에는 도시되어 있지 않다.

도 2를 참조하면, 스월 버너 어셈블리(10) 및 버너 유닛(100)의 보다 상세한 뷰(view)가 도시된다. 제1 볼륨(52)을 통과하는 버너 유닛(100)의 일부는 대부분 원통형이고 스월 버너 바디(12)와 동일한 원통형 방향(중심축(12') 상에서)으로 정렬되는 버너 유닛 외부 바디(110)를 갖는다. 버너 유닛(100)은 버너 벽(40)의 일반적인 방향을 향하는 버너 유닛 상단의 내부 표면(111)을 갖는다. 버너 벽(40)의 개구(40')를 통해 제2 볼륨(62) 내로 통과하는 버너 유닛(100)의 단부는 버너 유닛 제2 단부(124)(즉, 버너 유닛 하단부)이다. 버너 유닛 외부 바디(110)는 벽체(walled body)이며 두께를 갖는다. 버너 유닛 외부 바디(110)의 내부 표면은 내부 면(114)이다. 버너 유닛 내부 볼륨(116)은 내부 면(114), 버너 유닛 상단의 내부 표면(111) 및 버너 유닛 제2 단부(124)에 의해 디파인된다(즉, 사이에 디파인된다).

버너 유닛 외부 바디(110)는 버너 벽(40)의 개구(40')를 통해 제2 볼륨(62)으로 돌출한다. 버너 유닛 외부 바디(110)가 버너 벽(40)을 통해 돌출하는 경우, 버너 유닛 외부 바디(110)는 숄더(112)를 갖는다. 숄더(112)는 버너 유닛 외부 바디(110)의 벽 두께가 감소되도록 버너 유닛 제1 단부(20)로부터 멀리 떨어져 있다(조립된 스월 버너 어셈블리(10)에서, 이것은 버너 유닛(100)이 버너 벽(40)을 통한 돌출 전에 버너 벽 다운스트림 면(42)에 도달하는 지점이다). 감소된 두께의 벽을 갖는 버너 유닛 외부 바디(110)의 일부는 외부 칼라(140)고, 여기서 외부 칼라(140)는 동일한 내부 면(114)을 공유하고 외부 칼라의 외부 표면(144)을 갖는다. 외부 칼라(140)는 버너 유닛 제2 단부(124)까지 버너 벽(40)을 통해 제2 볼륨(62) 내로 돌출한다.

숄더(112)는 버너 벽 다운스트림 면(42)에 대해 구속되며, 이는 유리하게, 버너 유닛(100)이 버너 벽(40) 및 스월 버너 바디 상단부 벽(16)의 개구들을 통해 위치될 때 숄더(112)가 버너 벽 업스트림 면(44)을 통과하는 것을 방지한다. 스월 버너 어셈블리를 조립할 때, 이것은 버너 유닛(100)이 제1 볼륨(52)을 통해 얼마나 멀리 위치되어야 하는지를 측정할 필요 없이 스월 버너 바디(12) 내로의 간단한 삽입을 허용한다. 이것은 버너 유닛(100)의 기계가공 및 숄더(112)의 위치설정이 버너 유닛(100)의 위치를 디파인하는 것을 허용하고 제조되는 스월 버너 어셈블리들(10)의 수에 관계없이 스월 버너 바디(12)보다 버너 유닛들(100)의 균일한 위치설정을 초래한다. 그것은 또한 제조가 균일하다면 버너 유닛(100)을 위치시키기 위해 추가 측정들이 필요하지 않기 때문에 스월 버너 어셈블리(10)의 더 빠른 어셈블리 프로세스를 초래한다.

버너 유닛 외부 바디(110)는 내부 면(114)을 통해 제1 볼륨(52) 및 버너 유닛 내부 볼륨(116)에 인접하는 적어도 하나의 공기 입구 구멍(115)(이 실시예에서, 복수의 공기 입구 구멍들(115))을 갖는다. 이러한 공기 입구 구멍들(115)은 제1 볼륨(52)으로부터 버너 유닛 내부 공간(116) 내로의 가스들의 통과를 허용한다(또는 반대 방향으로의 가스의 통과를 허용하지만, 스월 버너 어셈블리(10)의 작동은 이를 억제해야 한다(discourage)). 공기 입구 구멍들(115)은 형상이 원통형이고 그들은 외부 바디(110)의 원통형 형상의 둘레 주위에 배치된다. 다른 실시예들(미도시)에서 공기 유입 구멍들(115)에 대해 다른 기하학적 형상들이 가능하다.

공기 유입 구멍들(115)을 제외하고, 제1 볼륨(52)은 일반적으로 그 내부의 버너 유닛 내부 볼륨(116)으로부터 밀봉된다. 이것은 공기 입구(70)로부터의 공기가 제2 볼륨(62) 내로 흐르기 전에 공기 입구 구멍들(115)을 통해 이동해야 한다는 것을 보장한다.

버너 유닛 외부 바디(110)와 평행하고 반경 방향으로 내부에 위치되는 것은 HCV 연료 튜브(120)다. HCV 연료 튜브(120)는 버너 유닛(100) 내의 버너 유닛 상단의 내부 표면(111)을 통해 버너 유닛 내부 볼륨(116) 내로 돌출한다. HCV 연료 튜브(120)는 HCV 연료 튜브 내부 표면(121) 및 HCV 연료 튜브 외부 표면(122)을 갖는 벽으로 된 실린더이다. HCV 연료 튜브(120)의 다운스트림 단부에는 HCV 입구(125)가 있다.

HCV 연료 튜브(120)에 평행하게 흐르고 반경방향 내부에 위치된 것은 LCV 연료 튜브(130)다. 핑거들(130')은 LCV 연료 튜브(130)로부터 연장하고 이를 HCV 연료 튜브(120) 내에 중앙 집중화한다(centralise). LCV 연료 튜브(130)는 버너 유닛 상단의 내부 표면(111)을 통해 돌출하고, HCV 튜브 내부 볼륨(123)을 통해, HCV 입구(125)를 통해, 버너 유닛 제2 단부(124)를 통해(버너 벽(40)에서의 개구(40')를 통해) 제2 볼륨(62) 내로 통과한다. LCV 연료 튜브(130)는 주로 내부 표면(131) 및 외부 표면(132)을 갖는 벽으로 된 실린더이다. LCV 연료 튜브(130)의 다운스트림 단부에는 LCV 입구(135)가 있다.

HCV 튜브 내부 볼륨(123)은 HCV 연료 튜브 내부 표면(121), LCV 튜브 외부 표면(132), HCV 입구(125) 및 버너 유닛 제1 단부(20)에 의해 디파인된다(즉, 사이에 정의된다). LCV 튜브 내부 볼륨(133)은 LCV 튜브 내부 표면(131), LCV 입구(135) 및 버너 유닛 제1 단부(20)에 의해 디파인된다(즉, 그 사이에 정의된다). 도면에는 도시되지 않았지만, 업스트림 방향으로 계속되는 HCV 연료 튜브(120)의 단부는 HCV 연료 공급부(HCV fuel supply)에 연결될 것이고; 예를 들어, HCV 연료 튜브(120)는 버너 유닛 제1 단부(20)에 도달하기 전에 버너 유닛(100)에 수직인 방향으로부터 스월 버너 어셈블리(10)에 접근할 수 있다. 마찬가지로, 업스트림 방향으로 계속되는 LCV 연료 튜브(130)의 단부는 LCV 연료 공급부에 연결될 것이다.

HCV 입구(125)는 버너 유닛 내부 볼륨(116) 및 버너 벽(40)의 업스트림 내에 위치되고, LCV 입구(135)는 제2 볼륨(62)에 위치되어 버너 벽(40)의 다운스트림에 위치한다. HCV 입구(125)는 숄더(112)가 있는 방사상 평면, 즉 스월 버너 바디(12)의 실린더 축에 수직인 평면 상에 있다. LCV 입구(135)는 다운스트림 방향으로, 즉 버너 유닛 제2 단부(124)보다 스월 버너 바디 다운스트림 단부(30)를 더 향해 있다.

LCV 연료 튜브(130)는 HCV 연료 튜브 내부 볼륨(123)으로 직접 연결되는 개구부를 갖지 않는다. 즉, HCV 튜브 내부 볼륨(123)은 버너 유닛 내부 볼륨(116)에 대한 개구인 HCV 입구(125)에서의 개구를 제외하고 밀봉된다. 마찬가지로, LCV 연료 튜브(130)용 스월 버너 어셈블리(10) 내의 유일한 개구부는 제2 볼륨(62) 안으로의 LCV 입구(135)의 개구이며, 즉 LCV 튜브 내부 볼륨(133)은 LCV 입구(135)를 제외하고 밀봉된다. 이전에 논의된 바와 같이, 도시되지는 않았지만 업스트림 방향으로 계속되는 HCV 연료 튜브(120) 및 LCV 연료 튜브(130)의 단부들은 적절한 연료 공급 장치들에 연결될 것이다.

이러한 밀봉은 연료 파이프들을 통한 흐름들이나 각 파이프의 내부 볼륨들 내에서 공기가 섞이지 않도록 한다. 작동 중에는 다운스트림 방향으로 파이프들을 통한 흐름이 있을 것이며, 이는 흐름의 압력으로 인해 흐름이 있을 때 연료 또는 공기의 흐름이 파이프들 아래로 역류할 수 없도록 하는 것이다.

HCV 연료 입구(125)의 다운스트림, 즉 스월 버너 바디 다운스트림 단부(30) 쪽으로 더 그리고 LCV 연료 입구(135)의 업스트림, 즉 스월 버너 바디 다운스트림 단부(30)로부터 더 멀리 떨어져 있는 것은 스월 믹서(150)다. 스월 믹서(150)는 이를 통과하는 흐름을 안내하기 위한 베인(155)을 갖는다. 베인들(155)은 외부 칼라(140)의 내부 면(114)으로부터 내부 칼라(160), 보다 구체적으로 내부 칼라 외부 표면(162)으로 연장한다. 내부 칼라(160)는 외부 칼라(140)의 내부, LCV 연료 튜브(130)의 외부에 위치되고 스월 믹서(150)의 중심으로부터 스월 버너 바디 다운스트림 단부(30)를 향한 다운스트림 방향으로 연장한다. 내부 칼라(160)는 외부 칼라(140)와 동일한 버너 유닛 제2 단부(124)보다 다운스트림 방향으로 더 연장되지 않는다. LCV 연료 튜브(130)는 내부 칼라 내부 표면(163) 사이를 통과한다.

스월 믹서(150)는 축방향 스월 믹서이다. 베인들(155)은 축 방향 스월을 일으키도록 그들을 통과하는 흐름에 영향을 주는 임의의 수의 베인들이다. 재순환 영역이 플레임 튜브(즉, 제2 볼륨(62)) 내에 생성되기 때문에 축 방향 스월은 플레임 길이를 줄이는 데 있어서 중요하다.

외부 칼라(140) 및 내부 칼라(160)는 유리하게는 제2 볼륨(62) 내로의 산화제 및 연료의 흐름 및 스월 믹서(150)에 의해 형성된 재순환 구역의 위치에 영향을 미친다. 이는 플레임 길이를 줄이기 위한 개선된 스월을 초래하고 플레임 시트(flame seat)가 스월 믹서(150)에 가깝지만 노출되지 않도록 플레임 시트를 제어한다. 이는 베인들(155) 및 LCV 입구(135)가 직접 연소에 노출되는 것을 방지하여 베인 표면 또는 입구 표면에 구멍이 생기는 것과 같은 변형을 방지한다.

도 2a는 도 1 및 2의 스월 버너 어셈블리(10)의 대안적인 배치를 도시한다. 축방향 버너 어셈블리(10')인 버너 어셈블리가 도시된다. 축 방향 버너 어셈블리(10')는 스월 믹서(150)를 제외하고 스월 버너 어셈블리(10)를 참조하여 상술한 것과 동일한 특징들을 갖는다. 따라서, 축방향 버너 어셈블리(10')를 설명하기 위해 유사한 참조 번호들이 사용되며 스월 버너 어셈블리(10)에 대한 설명은 축방향 버너 어셈블리(10')에 적용된다.

축방향 버너 어셈블리(10')는 제1 볼륨(52) 및 제2 볼륨(62)을 디파인하는 버너 벽(40)을 갖는다. LCV 연료 튜브(130)는 제1 볼륨(52)를 통과하고, 제1 볼륨(52)으로의 연료 도입과 산화제와의 믹싱 없이 제2 볼륨(62)으로 직접적으로 연료를 도입하기 위해 제2 볼륨(62)에 위치된 LCV 입구(135)에 연결된다. 마찬가지로, 산화제 입구 및 HCV 입구는 각각 산화제 및 HCV 연료를 제1 볼륨(52) 내로 각각 도입한다.

버너(100)는 어셈블리 내에 일체로 형성되고 제2 볼륨(62)과 대면하는 제2 단부(124)를 갖는다. 버너 유닛(124)의 제2 단부에는 버너 플레이트(156)가 제공된다. 버너 플레이트(156)는 버너 벽(40)을 가로질러 위치되고, 일 측에서 제1 볼륨(52) 및 다른 측에서 제2 볼륨(62)을 향한다. 따라서, 버너 플레이트(156)는 이전 실시예의 스월 믹서(150)를 대체한다.

버너 플레이트(156)는 제1 볼륨(52)과 제2 볼륨(62) 사이에 버너 플레이트 채널들 또는 통로들(157)을 디파인하는 복수의 개구들(157)을 갖는다. 따라서, 제1 볼륨(52)에서 혼합되는 산화제 및 연료는 복수의 버너 플레이트 통로들(157)을 통과하고 제2 볼륨(62)에서 연소된다.

복수의 버너 플레이트 통로들(157)은 플레임 시트가 버너 유닛(100)의 제2 단부(124)에 매우 근접하도록 허용한다.

도 3a를 참조하면, 이것은 연료 전지 시스템(800)의 배관 및 계장(instrumentation) 다이어그램의 일부의 개략도이다. 이는 앞서 논의된 스월 버너 어셈블리(10)의 특징들을 선택적으로 갖는 테일 가스 버너(400)의 다수의 유체 흐름 입력들 및 출력들 또는 도 2A를 참조하여 논의된 축 방향 버너 어셈블리(10')와 같은 스월 믹서(150)가 없는 버너를 도시한다.

연료 전지 스택(405)이 개략적으로 도시된다. 스택에서의 각 연료 전지는 캐소드 측(60), 애노드 측(401), 및 캐소드 측(60)과 애노드 측(401) 사이의 전해질 층(501)을 갖는다. 연료 전지 스택(405)에는 연료가 제공된다. 제공된 연료는 연료 가스 또는 천연 가스와 같은 HCV 연료일 수 있다. 연료는 연료 전지 스택(405)에 진입하기 전에 리포머를 통해 리포밍될 수 있다(reformed).

연료 전지 스택(405)은 모든 개별 전지들의 캐소드 측들(60) 및 애노드 측들(401)로부터의 공통 출구들을 갖는다. 캐소드 측(60)으로부터의 출구는 캐소드 오프 가스 파이프 시스템(D)이고, 이것은 캐소드 측(60)의 출구와 테일 가스 버너(400)의 캐소드 오프 가스 입구(83) 사이에 캐소드 오프 가스 유체 유동 경로(D)를 제공한다. 캐소드 오프가스 입구(83)는 이전 도면들을 참조하여 위에서 논의된 산화제 입구(70)인 것이 바람직하다는 점이 유의 되어야한다.

캐소드 오프 가스 유체 유동 경로(D)가 캐소드 측(60)과 테일 가스 버너(400) 사이에 직접 연결되는 것으로 도시되어 있지만, 일부 실시예들에서 캐소드 오프 가스 유체 유동 경로(D)는 열교환기들과 같은 추가 시스템들을 통과할 수 있다. 버너로의 공기는 또한 캐소드 오프 가스 유체 유동 경로(D) 이외의 다른 소스들로부터 제공될 수 있다. 예를 들어, 산화제 입구(70) 및 캐소드 오프 가스 입구(83)는 분리될 수있고, 상이한 공기 소스들을 제공할 수 있다.

애노드 측(401)은 애노드 오프 가스 유체 흐름 경로(B)를 형성하는 애노드 오프 가스 파이프 시스템(B)을 통해 애노드 오프 가스 입구(821)와 유체 연통한다. 애노드 오프 가스 입구(821)는 스월 버너 어셈블리(10) 또는 축방향 버너 어셈블리(10')를 참조하여 위에서 논의된 바와 같이 LCV 입구(135)로 이어지는 LCV 연료 튜브(130)에 대한 입구이다. LCV 연료와 애노드 오프 가스 연료 용어들은 상호 교환 가능하다.

연료 가스(즉, HCV 연료)를 위한 연료 소스(250)가 제공된다. 연료 소스(250)는 연료 가스 파이프 시스템(C)인 연료 가스 유체 흐름(C)을 통해 테일 가스 버너(400) 상의 연료 가스 입구(805)에 연결된다. 연료 가스 입구(805)는 스월 버너 어셈블리(10) 및/또는 축방향 버너 어셈블리(10')를 참조하여 위에서 논의된 바와 같이 HCV 입구(125)로 이어지는 HCV 연료 튜브(120)의 입구이다. HCV 연료, 연료 가스 및 천연 가스 용어들은 상호 교환 가능하다.

연료 소스(250)는 연료 전지 스택(405)에 연료를 제공하는 것과 같이 연료 전지 시스템(800)의 다양한 다른 부분들에 제공될 수 있다. 이것은 도 3A의 부분 시스템 뷰에 도시되지 않는다.

연료 가스 파이프 시스템(C)에는 밸브(810)가 제공된다. 밸브(810)는 연료 소스(250), 연료 가스 파이프 시스템(C) 및 바이패스 라인(A)과 연통하는 3방향 밸브이다. 바이패스 라인(A)은 연료 소스(250)와 애노드 오프 가스 파이프 시스템(B) 사이에서 애노드 오프 가스 유체 유동 경로(A)에 연료 가스를 형성한다. 따라서, 바이패스 라인(A)은 연료 가스를 애노드 오프 가스 입구(821)로 전달하는 것을 허용한다.

따라서 바이패스 라인 A와의 연결(즉, 바이패스 라인과 오프 가스 입구(821) 사이)로부터 다운스트림에 있는 애노드 오프 가스 파이프 시스템(B)의 일부는 연료 가스와 애노드 오프 가스의 흐름을 허용할 것이다. 연결의 이 부분은 연료 가스 및 애노드 오프 가스 유체 유동 경로(B')고, 따라서 두 연료들의 믹싱은 애노드 오프 가스 배관 시스템(B')의 이 믹싱 부분에서 발생할 수 있다. 따라서, 바이패스 라인(A)은 LCV 입구(135)로의 연료 가스(즉, HCV 연료)의 전달을 허용한다. 이 전달은 아래에서 상세히 논의되는 바와 같이 제어된다.

연료 가스와 애노드 오프 가스의 믹싱은 애노드 오프 가스 배관 시스템(B')의 믹싱 부분에서 발생하는 것으로 설명되지만, 믹서는 연료들의 믹싱을 허용하도록 제공될 수 있다. 믹서는 난류를 조장하는 파이프 형태, 또는 연료를 보유(containing)하기 위한 더 큰 챔버, 또는 연료들의 믹싱을 초래하는 다른 조합들의 형태일 수 있다.

테일 가스 버너(805)는 연소된 연료, 즉 연료 가스, 애노드 오프 가스 또는 산화제와의 그것의 조합이 테일 가스 버너(805)로부터 배출되는 테일 가스 버너 배기부(81)를 갖는다. 그런 다음 배기 가스는 CHP 시스템들과 같이 연료 전지 시스템 외부에 있을 수 있는 다른 곳에서 사용하기 위해 테일 가스 버너 오프 가스 유체 유동 경로(E)를 통과한다.

위에서 논의된 바와 같이, 3방향 밸브(810)는 연료 흐름을 애노드 오프 가스 파이프 시스템(B) 및 연료 가스 파이프 시스템(C) 및 입구들에 전달할 수 있고, 따라서 이들에 연결된 HCV 입구(125) 및 LCV 입구(135)로 전달할 수 있다. 삼방향 밸브(810)는 항상 작동하지는 않는다. 대신, 모든 연료 가스 흐름을 연료 가스 파이프 시스템 C로 향하게 하거나 모든 흐름을 애노드 오프 가스 파이프 시스템(B)으로 향하게 하도록 작동될 수 있다. 밸브(810)의 작동은 시동, 워밍(warming), 작동(operating), 셧다운과 같이 연료 가스 시스템(800)이 작동하는 모드 및 연료 전지 시스템(800) 및 특히 연료 전지 스택(405)이 어떤 온도에서 작동하는지에 의구역한다.

일부 실시예들에서, 3방향 밸브(810)는 흐름의 일부를 애노드 오프 가스 파이프 시스템(B)으로 전환하도록 작동 가능하여, 연료 가스 입구(805)와 애노드 오프 가스 유입구(821) 모두로의 동시 연료 가스 흐름을 허용한다. 컨트롤러는 그 밸브에 대한 (가변) 유동률을 제어할 수 있다.

도 3A(및 도 3B, 3C 및 3D)는 배관(piping) 및 계장(instrumentation) 다이어그램(P&ID)이므로 이러한 도면들에 도시된 테일 가스 버너(400)로의 입구들은 단지 예시적인 것임을 알 수 있을 것이고, 즉 말하자면, 예를 들어, 애노드 오프 가스 입구(821)가 도 3A의 측면에서 테일 가스 버너로 들어가는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 도 2는 LCV 연료 튜브(130)의 위치로 인해 버너 어셈블리(10)의 제1 단부에 위치되어야 하는 애노드 오프 가스 입구(821)를 요구할 것이다. 따라서 도 3A는 도시된 연결 위치들에 국한되지 않고 구성 요소들이 어떻게 연결되는지를 도시한다. 이는 연료 가스 입구 및 캐소드 오프 가스 입구(83)에도 마찬가지로 적용된다. 마찬가지로, 도 3A의 테일 가스 버너(400)에 사용된 기호는 버너 유닛(100), 스월 믹서(150) 또는 버너 플레이트(156)를 도시하지 않는다. 그러나, 테일 가스 버너(400)는 스월 버너 어셈블리(10) 또는 축방향 버너 어셈블리(10') 또는 이전에 논의된 바와 같은 다른 버너 어셈블리들일 수 있다.

도 3B, 3C 및 3D를 참조하면, 이들은 도 3A의 것보다 작은 수정들을 갖는 대체 연료 전지 시스템들의 개략도들을 각각 도시한다. 모든 참조 번호들은 동일한 장치들 및 파이프 시스템들을 묘사한다(depict). 도 3B는 단지 3방향 밸브(250)의 2방향 온/오프 연료 공급 밸브 업스트림을 도시하지만, 비록 배치가 상이하게 묘사됨에도 불구하고, 다른 점에서는 도 3A와 동일한 레이아웃이다. 도 3C 및 3D는 단지 도 3A의 3방향 밸브(250)를 대체하며, 여기서 파이프 시스템들(A 및 C)은 각각의 파이프 시스템들(A 및 C)에서 각각 하나씩 2방향, 온/오프 밸브들(812)과 함께 연결되며, 여기서 그들은 영구적으로 개방된 조인트 커넥션에서 업스트림에서 만난다. 도 3D는 개방형 조인트 커넥션의 2방향 온/오프 연료 공급 밸브 업스트림을 추가로 갖는다.

설명된 파이프 시스템들은 유체들, 특히 연료들, 공기, 산화제 및 오프 가스들의 전달에 적합한 임의의 형태일 수 있다. 파이프 시스템들은 튜브형(tubular) 파이프들, 유연한 파이프들 등의 형태일 수 있다. 파이프 시스템들은 고온 흐름들을 포함한 온도 변동을 견뎌야 할 수 있다.

연료 전지 시스템에서 테일 가스 버너는 4가지 주요 작동 모드들을 갖는다.

1) 워밍업, 리모핑 없음:

연료 전지 시스템이 차가운 경우 작동 상태에 도달하기 전에 스택을 가열할 필요가 있다. 이 초기 단계는 연료 전지 스택 출구의 온도를 275℃더욱 바람직하게는 300℃ 이상으로 상승시킨다. 연료는 기체이거나 기화될 수 있지만 이 모드에서 이것은 버너에 직접 공급되는 HCV 연료이다.

도 1, 2 및 2a의 버너 어셈블리(10 또는 10')와 도 3A의 연료 전지 시스템(800)을 고려하면, 이 모드에서 HCV 연료(연료 가스)는 버너 유닛(100)의 HCV 연료 튜브(120)를 통해 버너 안으로 공급된다. 따라서, 삼방향 밸브(810)는 연료 소스(250)로부터의 모든 HCV 연료를 연료 가스 파이프 시스템(C)을 통해 연료 가스 입구(805)로 향하게 한다. HCV 연료는 HCV 입구(125)에서 HCV 연료 튜브(120)를 나간다. 이 작동과 동시에 공기는 공기 입구(70)를 통해 제1 볼륨(52)으로 공급되며, 이는 바람직하게는 캐소드 오프 가스 파이프 시스템(D)을 통한 캐소드 오프 가스다. 이 볼륨 내의 공기는 공기 입구 구멍들(115)을 통해 버너 유닛 내부 볼륨(116)으로 통과하고 버너 바디 다운스트림 단부(30)를 향해 다운스트림 방향으로 흐른다.

스월 믹서(150) 또는 버너 플레이트(156), 즉 스월 믹서(150) 또는 버너 플레이트(156)의 업스트림에 도달하기 전에, HCV 연료와 공기는 버너 바디(12)에 들어간 이후 처음으로 서로 노출된다. 여기에서 HCV 연료와 공기의 초기 사전 혼합이 발생한다. HCV 연료 및 공기 혼합물은 스월 믹서(150) 또는 버너 플레이트(156)를 통과한다. HCV 연료와 공기 사이의 가장 큰 믹싱 정도는 스월 믹서(150)를 통해 제2 볼륨(62) 안으로 바로 발생한다. 스월 믹서(150)의 다운스트림에 있는 바로 이 영역이 믹싱 구역(mixing zone)이다. HCV 연료와 공기의 고도의 믹싱은 완전한 연소를 허용하고 CO 및 NO_x와 같은 원치 않는 배출량들을 줄이는 데 중요하다.

'공기'라는 용어가 사용되었지만, '산화제'는 당업계에서 사용되는 다른 용어들과 함께 산소 운반 매체를 설명하기 위해 일반적으로 사용되는 용어다. 이와 같은 공기 및 산화제는 본 명세서의 목적들을 위해 상호 교환 가능하다.

그런 다음 HCV 연료와 공기의 혼합물이 점화기(80)를 통해 점화된다. 스월 믹서(150)는 축 스월형(axial-swirler)이며, 이는 제2 볼륨(62) 내에서 역류 영역 또는 재순환 구역을 초래한다. 재순환 구역은 연소 구역뿐만 아니라 혼합 구역에도 영향을 미치도록 되어 있다. 이것은 여러 가지 이점들 - 혼합이 가장 강렬하기 때문에 이상적으로는 HCV 연료 혼합의 연소가 이 구역에서 발생해야 하고, 또한 이 역류는 플레임의 길이를 줄이는 효과가 있음 - 이 있다. 재순환 구역의 결과로 플레임 시트는 스월 믹서(150)의 바로 다운스트림에 있다. 마찬가지로, 버너 플레이트(156)는 플레임들을 버너 플레이트(156)에 가까운 더 작은 영역으로 제한하는 효과가 있다. 이것은 더 짧은 길이로 플레임들의 수를 증가시키는 복수의 버너 플레이트 통로들(157) 때문이다.

이 작동 모드중에, 공기 유량은 다른 측정들 중에서 버너의 입구 온도를 측정하는 제어 시스템에 의해 제어된다. HCV 연료 흐름은 버너 다운스트림 단부에서의 온도에 따라 HCV 연료 유량을 변화시키는 비례 제어 밸브를 사용하는 제어 시스템에 의해 제어된다. 이 모드에서 버너를 통한 공기 유량은 70에서 116 SLM까지 다양할 수 있다. HCV 연료 유량은 0.8에서 6SLM 사이가 될 것으로 예상된다. 공기 연료 등가 비율(람다)은 4 이하다.

입구에서의 구멍들의 크기와 더불어 HCV 연료 입구(125)의 배치 및 위치를 변경하는 것은 규제된 한계들을 넘어서는 상이한 배출물들을 생산하는 것과 같이 버너의 연소 및 기능에 영향을 미칠 수 있다.

2) 워밍업. 리포밍. 따뜻한 테일 가스 버너 포함.

스월 버너 어셈블리(10) 또는 축방향 버너 어셈블리(10')에 대한 제2 작동 모드는 275℃보다 바람직하게는 300℃보다 높은 연료 전지 스택 온도들에서 발생한다. 이 모드는 직접적으로 공급된 HCV 연료로부터 연료 전지 스택(405)으로부터의 LCV 연료로 연료를 전환한다. 즉, LCV 연료는 연료 전지의 반응으로부터의 개질 가스(reformate gas) 또는 애노드 오프 가스일 수 있다.

LCV 연료(애노드 오프 가스)는 LCV 연료 튜브(130)를 통해 테일 가스 버너(400) 안으로 공급된다. 도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같이, 애노드 오프 가스가 연료 전지 스택(405)의 애노드 측(401)으로부터 애노드 오프 가스 파이프 시스템(B)을 통해 애노드 오프 가스 입구(821)로 공급된다. 이 LCV 연료 튜브(130)는 스월 믹서(150)의 내경의 중심 또는 버너 플레이트(156)의 내부 영역을 통과하여 제2 볼륨(62) 안으로 들어간다. 이 지점에서만 LCV 연료가 LCV 입구(135)를 통해 제2 볼륨(62) 안으로 공급된다. 특히 이것은 HCV 연료의 플레임 시트의 다운스트림이다.

LCV 연료가 스월 믹서(150)를 통과하지 않기 때문에, HCV 연료와 비교될 때 제2 볼륨(62)에서 공기와의 믹싱 영역이 덜 강렬하고 연소 전에 공기와의 소량의 믹싱만 발생한다. 마찬가지로, LCV 연료가 버너 플레이트(156)를 통과하지 않기 때문에 연소 전에 산화제와의 소량의 믹싱만 있다. 그러나, LCV 연료의 경우, 컴포지션(composition)이 CO 및 NOx의 더 낮은 배출들을 초래하는 높은 정도의 믹싱 예비 연소를 선호하지 않기 때문에, 이것이 선호된다.

연소는 LCV 연료 입구(135)의 다운스트림에서 발생한다. 스월 믹서(150)의 보완적인 효과 - LCV 연료의 연소는 일반적으로 더 긴 플레임, 즉 HCV 플레임보다 더 긴 길이를 초래하며, 이는 부분적으로 덜 강한 연소 및 더 큰 볼륨 흐름(volumetric flow)으로 인한 것이며, 스월 믹서(150)로부터의 역류 영역은 LCV 연료 플레임의 플레임 길이를 감소시킴 - 가 있다. 플레임 길이에서의 이러한 감소는 공간 절약에 유용하여 스월 버너 바디(12)를 더 짧고 컴팩트하게 만들 수 있을 뿐만 아니라 스월 버너 어셈블리(10)의 다운스트림 단부를 향하거나 심지어는 스월 버너 어셈블리(10)의 다운스트림 단부(즉, 바디 하단부 벽(14)의 다운스트림)를 지나 계장을 보호할 수 있다.

웜업. 리포밍. 뜨거운 테일 가스 버너 포함.

스택의 온도가 550℃를 향해 증가하고 500℃에서 550℃ 까지의 범위에 있을 때, 이 작동 모드의 서브 모드가 발생한다.

HCV 연료(연료 가스)는 버너 유닛(100)의 LCV 연료 튜브(130)를 통해 방향전환되어 버너로 공급된다. 따라서, 3방향 밸브(810) 또는 2방향 밸브(812)는 연료 소스(250)를 애노드 오프 가스 파이프 시스템(B)에 연결하는 바이패스 라인(A)을 통해 연료 소스(250)로부터 애노드 오프 가스 입구(821)로 모든 HCV 연료를 향하게 하도록 이동된다. 따라서 LCV 연료 및 HCV 연료는 LCV 연료 튜브(130)를 통해 스월 버너 어셈블리(10) 내로 공급된다. 애노드 오프 가스는 연료 전지 스택(405)의 애노드 측(401)으로부터 애노드 오프 가스 파이프 시스템(B)을 통해 애노드 오프 가스 입구(821)로 공급된다. 이 LCV 연료 튜브(130)는 스월 믹서(150)의 내경 중심을 통과하여 제2 볼륨(62)으로 들어간다. 이 지점에서만 HCV 연료 및 LCV 연료가 LCV 입구(135)를 통해 제2 볼륨(62)으로 공급된다.

따라서, HCV 연료 및 LCV 연료는 애노드 오프 가스 파이프 시스템(B')의 믹싱 부분에서 수렴하고 연료들의 믹싱은 이 영역에서 LCV 튜브(130)를 통해 발생한다. HCV 연료와 LCV 연료의 혼합물은 스월 믹서(150)를 통과하지 않기 때문에 제2 볼륨(62)에는 덜 강렬한 공기와의 믹싱 영역이 있고 연소 전에 공기와의 소량의 믹싱만 있다. 그러나 이 서브 모드에서의 고온으로 인해 HCV 연료가 HCV 연료 입구(125) 내로 공급되면 코크스 형성에 대한 경향이 있는 반면, LCV 연료와 HCV 연료의 혼합물을 LCV 입구(135)로 공급하는 것은 (LCV 연료에 수소가 존재하기 때문에) 코크스 형성 가능성을 감소시키고 따라서 HCV 연료 라인들의 블로킹(blocking)에 대한 경향을 감소시킨다.

따라서 바이패스 라인(A)의 프로비전(provision)은 시스템이 작동되는 방식 측면에서 더 많은 유연성을 허용하여 시스템 성능(예: 응답 시간) - HCV 연료와 LCV 연료의 혼합의 이 서브 모드에서의 계속된 사용은, 총 연료 흐름이 증가되기 때문에, 이 모드에서 웜업 시간(warm-up time)을 개선할 수 있음 - 을 개선한다.

설명하자면, 시스템이 웜업의 마지막 단계들에 있을 때 정상 상태 작동 중보다 더 많은 연료를 흐르게 할 필요가 있으며, 연료 전지는 정상 상태에서보다 같거나 더 많은 연료를 소비하지만 더 적은 전력을 생산하고 연료 전지에 대한 열 입력(heat input)은 이것의 온도를 높이기 위해 더 높다. 더 많은 LCV 연료를 제공하는 것이 가능하지만 더 높은 유속과 더 큰 시스템 구성 요소들이 요구되는 가장 빠른 웜업을 위해서는 최적의 선택이 아닐 수 있고, 예를 들어, 동일한 웜업 시간을 달성하기 위해 LCV만 공급된 경우 리포머가 더 커야 할 수도 있다. 게다가, 스택 자체 내에서 리포밍의 흡열 반응으로 인해 연료 전지 안으로의 증가된 연료의 흐름 때문에 웜업이 느려질 수 있다.

연료 전지 스택의 온도가 550℃를 향해 증가함에 따라 제어 시스템은 HCV 흐름을 선택적으로 감소시키고 따라서 연료 전지가 전기화학적 반응들을 수행함(undertakes)에 따라 HCV 및 LCV 연료들의 혼합된 작동이 단독 LCV 연료 작동으로 이동한다.

3) 정상 상태. 풀 파워.

작동의 제3 모드에서 연료 전지 스택은 일반적으로 약 550°C에 있다(개별 연료 전지들 및 개별 연료 전지 구성 요소들의 정확한 온도는 다양할 수 있고 연료 전지 스택의 연료 전지들은 약 500~ 610℃의 범위에서 작동할 것이다). 이것은 주로 LCV 연료 상황이다. 이 모드에서 LCV 연료는 LCV 튜브(130)를 통해 버너 안으로 공급되는 것을 계속한다. 그러나 LCV 연료 유량은 이제 연료 전지 스택 및 연료 전지 시스템에 의해 요구되는 전기 출력에 의해 결정된다.

정상 상태. 저전력

이 작동 서브 모드 동안 연료 전지 시스템을 통한 공기 흐름은 연료 전지 스택의 온도에 의해 제어된다. 버너의 출구 온도가 모니터링되고(monitored) 특정 한계점(threshold) 아래로 떨어지면 연료 전지 스택의 온도를 유지하거나 증가시킬 시스템의 온도를 높이기 위해 부가적인(additional) HCV 연료가 추가된다.

추가 HCV 연료가 요구되는 경우, 이는 버너 유닛(100)의 LCV 연료 튜브(130)를 통해 다시 버너 안으로 공급된다. 그러므로, 3방향 밸브(810) 또는 2방향 밸브들(812)은 연료 소스(250)를 애노드 오프 가스 파이프 시스템(B) 에 연결하는 바이패스 라인(A)을 통해 연료 소스(250)로부터 애노드 오프 가스 입구(821)로 모든 HCV 연료를 향하게 하도록 이동된다. 연료들의 믹싱은 애노드 오프 가스 파이프(B')의 믹싱 부분과 LCV 튜브(130)에서 발생한다.

이 저전력 서브 모드는 또한 더 높은 작동 온도들로 인해 HCV 연료가 HCV 입구(125) 안으로 공급되는 경우 코크스 형성 경향이 있을 수 있는 서브 모드다. 코킹(coking)에 대한 경향은 HCV 연료와 LCV 연료가 믹싱되어 LCV 입구(135)를 통해 공급될 때 감소하는데, 이는 부분적으로 HCV 연료와 혼합될 때 코크스의 감소에 도움이 되는 LCV 연료의 습도 때문이다. 연료 전지 스택(405) 안으로의 흐름인 증기 리포밍에 물이 사용되기 때문에, LCV 연료뿐만 아니라 HCV 연료를 공급하는 것도 리포밍 물 사용을 개선할 수 있다. LCV 연료뿐만 아니라 HCV 연료를 공급하는 것은 전체 연료 흐름이 증가될 수 있기 때문에, 연료 전지 스택(405)이 더 뜨거워지거나 시스템이 더 효율적으로 작동하도록 허용할 수 있다.

따라서 바이패스 라인(A)의 프로비전은 시스템 작동이 어떻게 작동되는지의 측면에서 더 많은 유연성을 허용하여 시스템 성능을 개선한다.

4) 종료(shut down)

작동의 제4 모드에서, LCV 연료 흐름은 연료 전지 스택이 약 450 ℃에 도달할 때까지 연료 전지 스택 및 연료 전지 시스템 온도들을 감소시키기 위해 감소되고, 연료 전지 시스템으로의 HCV 연료 흐름이 중지되고, 이는 차례로 LCV 연료 입구(135)를 통합 LCV 연료의 흐름을 중지시키고 연소가 중단된다. 그런 다음 연료 전지 시스템은 자연스럽게 냉각된다.

아래의 표 1은 본 발명이 4가지 주요 작동 모드들에서 시스템의 작동을 어떻게 개선하는지를 요약하고, 특히, 이것은 탄소 형성 경향을 최소화하기 위해 HCV 연료를 테일 가스 버너 포스트 스월 믹서(또는 포스트 버너 플레이트)로 흐르게 하는 것이 유리한 2개의 서브 모드들을 도시한다. 프리 스월(pre-swirl) 또는 포스트 스월(post-swirl) 믹서 공급은 문제의 연료가 테일 가스 버너로 들어가는 곳(즉, 축 방향의 버너 어셈블리에서의 스월 베인일 또는 버너 플레이트 전 또는 후)을 의미한다.

'뜨거운 TGB'는 일반적으로 테일 가스 버너로의 공기 공급/캐소드 오프 가스(스트림 D)가 500 - 550C보다 큰 때인 반면, '따뜻한 TGB'는 일반적으로 테일 가스 버너로의 공기 입구가 500 - 550C보다 작을 때이다. 모드들 간 전환은 점진적일 수 있으므로 프리 스월 믹서로부터 포스트 스월 믹서(프리 버너 플레이트로부터 포스트 버너 플레이트)까지의 HCV 연료의 점진적인 전환을 갖는 것이 유리할 수 있다.

작동 모드	별도의 HCV 및 LCV 공급 장치가 있는 시스템		HCV 및 LCV 공급 장치가 상호 연결된 시스템
	HCV 연료	LCV 연료	HCV 연료	LCV 연료
리포밍 없는 점화 및 워밍업	프리 스월 믹서	없음	프리 스월 믹서	없음
리포밍 및 '따뜻한 TGB'와의 웜업	프리 스월 믹서	포스트 스월 믹서	프리 스월 믹서	포스트 스월 믹서
리포밍 및 '뜨거운 TGB'와의 웜업	없음	포스트 스월 믹서	포스트 스월 믹서	포스트 스월 믹서
정상상태 - 최대 전력	없음	포스트 스월 믹서	없음	포스트 스월 믹서
정상상태 - 저전력	없음	포스트 스월 믹서	포스트 스월 믹서	포스트 스월 믹서
종료 및 '뜨거운 TGB'	없음	포스트 스월 믹서	없음	포스트 스월 믹서
종료 및 '따뜻한 TGB'	프리 스월 믹서	포스트 스월 믹서	프리 스월 믹서	포스트 스월 믹서

전반적으로 연료 전지 시스템과 스월 버너 어셈블리의 설계 및 작동은 단일 모드 및 혼합된 모드에서 다양한 연료들에 의해 연료 공급될 때 배출량들을 낮추고, 넓은 람다 범위에서 작동하고 작은 플레임 길이를 가지므로 코크스 형성이 감소하여 컴팩트한 설계를 허용한다.

본 발명은 상기 실시예들에만 제한되지 않으며, 다른 실시예들은 첨부된 청구범위들의 범위를 벗어나지 않고 당업자에게 용이하게 명백할 것이다.

10: 스월 버너 어셈블리
10': 축방향 버너 어셈블리
12: 스월 / 축방향 버너 바디
12': 중심축
14: 스월 / 축방향 버너 바디 하단부 벽
15: 스월 / 축방향 버너 바디 배기부
16: 스월 / 축방향 버너 바디 상단부 벽
20: 버너 유닛 제1 단부
30: 스월 / 축방향 버너 바디 다운스트림 단부
40: 버너 벽
42: 버너 벽 다운스트림 면
44: 버너 벽 업스트림 면
50: 버너 튜브
52: 제1 볼륨
54: 내부 면
56: 버너 튜브 내부 표면
60: 캐소드 측
62: 제2 볼륨
64: 바디 내무 표면
66: 바디 외부 표면
70: 공기 입구
80: 점화기
81: 테일 가스 버너 배기부
82: 점화기 개구
83: 캐소드 오프 가스 입구(산화제 입구)
100: 버너 유닛 / 버너
110: 버너 유닛 외부 바디
111: 버너 유닛 상단 내부 표면
112: 숄더
114: 내부 면
115: 공기 입구 구멍들
116: 버너 유닛 내부 볼륨
120: HCV 연료 튜브
121: HCV 연료 튜브 내부 표면
122: HCV 연료 튜브 외부 표면
123: HCV 튜브 내부 볼륨
124: 버너 유닛 제2 단부
125: HCV 입구
130: LCV 연료 튜브
130': 핑거
131: LCV 연료 튜브 내부 표면
132: LCV 연료 튜브 외부 표면
133: LCV 튜브 내부 볼륨
135: LCV 입구
140: 외부 칼라
144: 외부 칼라 외부 표면
150: 스월 믹서
155: 베인들
156: 버너 플레이트
157: 버너 플레이트 통로들
160: 내부 칼라
162: 내부 칼라 외부 표면
163: 내부 칼라 내부 표면
250: 연료 소스
400: 스월 버너 어셈블리 / 테일 가스 버너
401: 애노드 측
405: 연료 전지 스택
501: 전해질 층
800: 연료 전지 시스템
805: 연료 가스(HCV 연료) 입구
810: 3방향 밸브
812: 2방향 밸브
821: 애노드 오프 가스 입구
A: 연료 가스에서 애노드 오프 가스 유체 흐름 경로 - 바이패스 라인
B: 애노드 오프 가스 유체 흐름 경로 - 애노드 오프 가스 파이프 시스템
B': 연료 가스 및 애노드 오프 가스 유체 흐름 경로 - 애노드 오프 가스 파이프 시스템의 믹싱 부분
C: 연료 가스 유체 유동 경로 - 연료 가스 파이프 시스템
D: 캐소드 오프 가스 유체 흐름 경로 - 캐소드 오프 가스 파이프 시스템
E: 테일 가스 버너 오프 가스 유체 흐름 경로

Claims (20)

1. 연료 전지 시스템에 있어서,
   버너 어셈블리를 포함하고,
   상기 버너 어셈블리는,
   중심축을 따라 연장하고 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 중공의 길이 방향으로 세장형인 바디;
   상기 제1 단부 및 상기 제2 단부 사이에 위치되고, 상기 제1 단부로부터 상기 버너 벽까지의 제1 볼륨 및 상기 버너 벽으로부터 상기 제2 단부까지의 제2 볼륨을 형성하는 버너 벽;
   이를 통해 산화제 흐름을 제공하기 위한, 상기 제1 볼륨 안으로의 산화제 입구;
   상기 버너 벽에 인접하거나, 상기 버너 벽 안의 개구를 통해 상기 제1 볼륨으로부터 상기 제2 볼륨으로 연장되는 적어도 하나의 중공의 세장형 버너를 포함하고,
   상기 세장형 버너는 상기 제1 볼륨 안으로 개방되는 제1 측 및 상기 제2 볼륨 안으로 개방되는 제2 측을 갖는 버너 플레이트 또는 믹서;
   제1 연료 통로로부터 상기 제1 볼륨으로 제1 연료를 공급하기 위한 상기 제1 볼륨 안으로의 제1 연료 입구;
   제2 연료 통로로부터 상기 제2 볼륨으로 제2 연료를 공급하기 위한 상기 제2 볼륨 안으로의 제2 연료 입구를 포함하고,
   상기 시스템은,
   상기 제1 연료 및 제2 연료의 혼합물을 상기 제2 연료 입구로 전달하기 위해, 상기 제1 연료 통로를 상기 제2 연료 통로에 선택적으로 연결하기 위한 적어도 하나의 커넥션을 더 포함하는,
   연료 전지 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 시스템은 상기 제1 연료 통로를 상기 제2 연료 통로로의 선택적 연결을 위한 3방향의 밸브를 포함하는,
   시스템.
   
3. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 믹서를 포함할때, 상기 믹서는 상기 제1 볼륨 안으로 개방되는 제1 측 및 상기 제2 볼륨 안으로 개방되는 제2 측을 갖는 복수의 베인들을 포함하는 축 방향의 스월 믹서인,
   시스템.
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 버너 플레이트를 포함할 때, 상기 버너 플레이트는 상기 제1 볼륨과 상기 제2 볼륨 사이에서 연장하는 복수의 통로들을 포함하는,
   시스템.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   연료 전지 스택을 더 포함하고,
   상기 제1 연료는 상기 연료 전지 스택을 통과하지 않은 연료 가스를 포함하는,
   시스템.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제2 연료는 상기 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택으로부터의 애노드 오프 가스인,
   시스템.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제2 연료를 상기 제2 연료 입구로 전달하기 위해 연료 전지 스택의 애노드 출구를 상기 제2 연료 입구에 연결하는 오프 가스 파이프 시스템을 더 포함하고,
   상기 제2 연료 통로는 애노드 오프 가스 파이프 시스템의 일부를 형성하는,
   시스템.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 연료 가스를 상기 제1 연료 입구로 전달하기 위해 연료 가스 소스를 상기 제1 연료 입구에 연결하는 제1 가스 파이프 시스템을 더 포함하고,
   상기 제1 연료 통로는 상기 제1 가스 파이프의 일부를 형성하는,
   시스템.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 제1 연료는 주 공급 가스, 천연 가스, 시동 연료 또는 보충 연료 중 어느 하나 이상인,
   시스템.
   
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커넥션은 상기 제1 연료 입구로부터 상기 제2 연료 입구로 상기 제1 연료를 선택적으로 전환시키기 위해 상기 제1 연료 통로로부터 상기 제2 연료 통로로 연장하는 바이패스 라인을 포함하는,
    시스템.
    
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 연료 입구 및 상기 제2 연료 입구 중 적어도 하나는 노즐인,
    시스템.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 노즐은 이것의 각각의 연료 입구 안의 적어도 하나의 구멍에 의해 디파인 되는,
    시스템.
    
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 연료 입구 및 상기 제2 연료 입구 중 적어도 하나는 각각, 상기 제1 연료 파이프 또는 상기 제2 연료 파이프 안의 오리피스인,
    시스템.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및/또는 제2 연료 입구는 이것의 각각의 연료 통로의 단부에 위치되지 않지만, 이것의 각각의 연료 통로를 따라 위치되는,
    시스템.
    
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 시스템의 작동 방법으로서,
    상기 방법은,
    산화제를 상기 산화제 입구로 지향시키는 단계;
    상기 제1 연료를 상기 제1 연료 입구로 선택적으로 지향시키고 상기 제2 연료를 상기 제2 연료 입구로 선택적으로 지향시키는 단계; 및
    상기 버너 플레이트 또는 믹서;
    상기 제2 연료 입구; 또는
    상기 버너플레이트 또는 믹서 및 상기 제2 연료 입구 중 어느 하나를 빠져나온 후 상기 제2 체적에서 선택적으로 지향된 연료 또는 연료들을 연소시키는 단계를 포함하는,
    제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 시스템의 작동 방법.
    
16. 제15항에 있어서,
    상기 두 연료들의 혼합물을 상기 제2 연료 입구로 전달하기 위해 상기 제1 연료 통로를 상기 제2 연료 통로에 연결하기 위한 상기 커넥션의 사용을 포함하고,
    이로써 상기 두 연료들의 상기 혼합물이 상기 제2 연료 입구를 빠져나온 후, 상기 제2 체적 내에서 연소되는,
    방법.
    
17. 제15항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 제1 모드, 제2 모드, 제3 모드 및 선택적 제4 모드에서 선택적으로 작동 가능하고,
    상기 제1 모드는 상기 제1 연료 통로를 통해 상기 제1 연료 입구로 지향되는 상기 제1 연료를 가짐에 따라, 상기 산화제 및 상기 제1 연료는 상기 제1 연료 입구와 상기 버너 플레이트 또는 믹서 사이의 상기 제1 부피에서 수렴 및 믹싱하고, 상기 제2 연료는 상기 제2 연료 입구로 공급되지 않는 것을 특징으로 하고,
    상기 제2 모드는 상기 제1 연료 통로를 통해 상기 제1 연료 입구로 지향되는 상기 제1 연료를 가짐에 따라, 상기 산화제 및 상기 제1 연료는 상기 제1 연료 입구와 상기 버너 플레이트 또는 믹서 사이의 상기 제1 부피에서 수렴 및 믹싱하고, 상기 제2 연료가 상기 제2 연료 입구로 공급됨에 따라 상기 산화제 및 상기 제2 연료는 상기 제2 볼륨 안에서 수렴 및 믹싱하는 것을 특징으로 하고,
    상기 제3 모드는 상기 적어도 하나의 커넥션을 통해 상기 제2 연료 입구로 지향되는 상기 제1 연료를 가지고, 상기 제2 연료도 상기 제2 연료 입구로 지향됨에 따라, 상기 제1 연료 및 상기 제2 연료가 상기 두 연료들의 혼합물로서 상기 제2 연료 입구를 빠져나가기 위해 믹싱하고, 그 다음에 상기 산화제 및 상기 혼합물은 연소를 위해 상기 제2 볼륨에서 수렴 및 믹싱하는 것을 특징으로 하고,
    상기 선택적 제4 모드는 상기 제2 연료 입구로 공급되는 상기 제2 연료를 가지고, 상기 산화제 및 상기 제2 연료가 연소를 위해 상기 제2 체적에서 수렴 및 믹싱하고, 상기 제1 연료가 상기 제1 연료 입구 또는 상기 제2 연료 입구에 공급되지 않는 것을 특징으로 하는,
    방법.
    
18. 제17항에 있어서,
    상기 시스템은 선택 가능한 제5 모드를 더 가지고,
    상기 선택 가능한 제5 모드에서, 상기 제1 연료 및 상기 제2 연료는 둘 다 상기 제2 연료 입구로 지향되고, 따라서 상기 제1 및 제2 연료들은 수렴 및 믹싱하고, 그 다음에 상기 혼합물은 연소를 위해 상기 제2 체적에서 상기 산화제와 수렴 및 믹싱하고, 상기 제1 연료 또한 상기 제1 볼륨에서도 상기 산화제와 믹싱하기 위해 상기 제1 연료 입구로 지향되는,
    방법.
    
19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 연료들의 상기 혼합물의 비율은 가변적이고 프로세서에 의해 제어되는,
    방법.
    
20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 제1 연료 입구 및 상기 제2 연료 입구에 대한 제1 연료의 유동률들의 비율은 가변적이고 프로세서에 의해 제어되는,
    방법.
    
    

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