DE102020124072A1 - Verfahren zum Betreiben einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung, Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug mit einer solchen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1), umfassend die Schritte:
- Verwendung von der bei dem Betrieb der Festoxid-Brennstoffzelle entstehenden Abwärme zur Erzeugung von Kälte mittels einer in einem Kältekreislauf integrierten Kältemaschine zur Kühlung des anodenseitigen Abgases,
- Kondensation des Wassers im anodenseitig entstandenen Abgas mit Hilfe der Kältemaschine durch einen ersten Wasserkondensator (14),
- Abscheiden des Wassers durch einen Wasserabscheider (16),
- Verdichtung des anodenseitigen CO2-Abgasstroms, wobei die durch die Kältemaschine entstandene Kühlleistung zur Kühlung des CO2-Abgasstroms eingesetzt wird,
- Speicherung des verdichteten CO2 in einem CO2-Speicher (19).
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1) sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend die Schritte:
    • - Verwendung von der bei dem Betrieb der Festoxid-Brennstoffzelle entstehenden Abwärme zur Erzeugung von Kälte mittels einer in einem Kältekreislauf integrierten Kältemaschine zur Kühlung des anodenseitigen Abgases,
    • - Kondensation des Wassers im anodenseitig entstandenen Abgas mit Hilfe der Kältemaschine durch einen ersten Wasserkondensator,
    • - Abscheiden des Wassers durch einen Wasserabscheider,
    • - Verdichtung des anodenseitigen CO2-Abgasstroms, wobei die durch die Kältemaschine entstandene Kühlleistung zur Kühlung des CO2-Abgasstroms eingesetzt wird,
    • - Speicherung des verdichteten CO2 in einem CO2-Speicher.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung.
  • Brennstoffzellen dienen dazu, in einer chemischen Reaktion zwischen einem wasserstoffhaltigen Brennstoff und einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel, in der Regel Luft, elektrische Energie bereitzustellen. Bei einer Festoxid-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell SOFC) besteht dabei eine Elektrolytschicht aus einem namensgebenden festen Werkstoff, z.B. keramischen yttriumdotierten Zirkoniumdioxid, der in der Lage ist, Sauerstoffionen zu leiten, während Elektronen nicht geleitet werden. Die Elektrolytschicht ist zwischen zwei Elektrodenschichten aufgenommen, nämlich der Kathodenschicht, der die Luft zugeführt wird, und der Anodenschicht, die mit dem Brennstoff versorgt wird, der durch H2, CO, CH4, C3H8 oder ähnliche Kohlenwasserstoffe gebildet sein kann. Wird die Luft durch die Kathodenschicht zu der Elektrolytschicht geführt, nimmt der Sauerstoff zwei Elektronen auf und die gebildeten Sauerstoffionen O2" bewegen sich durch die Elektrolytschicht zu der Anodenschicht, wobei die Sauerstoffionen dort mit dem Brennstoff reagieren unter Bildung von Wasser und CO2. Kathodenseitig findet die folgende Reaktion statt: ½ O2 + 2e- → 202- (Reduktion/Elektronenaufnahme). An der Anode erfolgen die folgenden Reaktionen: H2 + O2- → H2O + 2 e- sowie CO + O2- → CO2 + 2e- (Oxidation/Elektronenabgabe).
  • Festoxid-Brennstoffzellen benötigen hohe Temperaturen meist über 700°C, bei denen sie betrieben werden, so dass auch die Verwendung der Bezeichnung Hochtemperatur-Brennstoffzelle üblich ist.
  • Bei der Verwendung von CH4 oder einem anderen Kohlenwasserstoff als Brennstoff entstehen CO2-Emissionen. Diese Emissionen können in einem CO2-Speicher gespeichert werden und bei der Verwendung der Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise beim Tanken für die erneute Erzeugung von Methan in einem Power-to-Gas-Verfahren verwendet werden. Da das Anodenabgas aber nicht ausschließlich aus CO2, sondern auch zu einem Teil aus Wasser besteht, ist es zuvor nötig, dass das Wasser in einem Kondensator kondensiert und abgeschieden wird. Durch das Abscheiden des Wassers wird ein Massenanteil des CO2 von über 90 % erwirkt. Weiterhin ist es möglich, dass das Anodenabgas durch Wärmeübertrager gekühlt wird. Der Kondensator kann mittels eines Kühlkreislaufes gekühlt werden. Dieser Kühlkreislauf nimmt die aufgenommene Wärme des Anodenabgases auf und gibt diese an die Umgebung ab. Dadurch ist allerdings das erreichbare Temperaturminimum des Anodenabgases stromab des Kondensators von der Umgebungstemperatur abhängig. Bei höheren Temperaturen wird das im Anodenabgas enthaltene Wasser folglich nicht vollständig kondensiert. In den anschließenden Verdichterstufen wird dieses Restwasser durch den erhöhten Druck kondensiert und schädigt somit den Verdichter.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem es ermöglicht wird, den anodenseitigen Abgasstrom bis unterhalb der Umgebungstemperatur abzukühlen, sodass die Wasserkondensation verbessert wird. Aufgabe ist weiterhin, eine verbesserte Festoxid-Brennstoffzellen-vorrichtung und ein effizienteres Kraftfahrzeug mit einer Festoxid-Brennstoff-zellenvorrichtung bereit zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 und durch ein Kraftfahrzeug mit einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ohne zusätzlichen Einsatz externer Energie, nur durch Nutzung der beim Betrieb der Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung entstehenden Abwärme das Anodenabgas aktiv bis unterhalb der Umgebungstemperatur gekühlt werden kann, so dass die Kondensation des Wassers verbessert ist und der mindestens eine Verdichter besser geschützt ist. Bevorzugt ist weiterhin, wenn das Wasser im anodenseitig entstandenen Abgas mittels eines ersten Temperaturniveaus einer ersten Stufe des Kältekreislaufes vollständig kondensiert wird, und dass in einer zweiten Stufe des Kältekreislaufes mittels eines zweiten Temperaturniveaus, das geringer ist als das der ersten Stufe, das CO2 im anodenseitig entstandenen Abgas nach einer ersten und/oder einer zweiten Verdichterstufe verflüssigt und somit weiter verdichtet wird. Durch das Verflüssigen des CO2 werden größere Verdichtungsverhältnisse mit einer gleichzeitig geringeren Verdichterleistung erzielt.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, dass mindestens ein Ventil zur Versorgung von mindestens einem Gaskühler in dem Kältekreislauf angeordnet ist, und dass über das mindestens eine Ventil die Leistung zur Kühlung des CO2 eingestellt wird.
  • Vorgesehen ist weiterhin eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel, einem Methantank, einem CO2-Speicher, einem Wasserabscheider, mindestens einem Verdichter und einer in einen Kältekreislauf integrierten Kältemaschine zur Kühlung des anodenseitigen Abgases. Durch die Kühlung des anodenseitigen Abgases wird eine effektivere Kondensation des Wasseranteils erreicht, wodurch der Restwassergehalt im Anodenabgas reduziert wird und dadurch die stromab des Wasserabscheiders angeordneten Verdichtereinheiten vor einem Wasserschaden geschützt werden. Auch bietet die verringerte Temperatur den Vorteil, dass das Verdichtungsverhältnis erhöht werden kann.
  • Es ist auch vorteilhaft, wenn die Kältemaschine durch eine Absorptionskälteanlage zur Erzeugung von Kälte aus der kathodenseitigen Abwärme in einem Kältekreislauf gebildet ist. Absorptionskälteanlagen zeichnen sich durch eine effiziente Abwärmenutzung und eine geringe Störanfälligkeit aus.
  • Weiterhin ist es möglich, wenn die Kältemaschine durch einen Thermokompressor mit mindestens einer Strahlpumpe zur Erzeugung von Kälte aus der Abwärme in einem Kältekreislauf gebildet ist. Auch ein Thermokompressor zeichnet sich durch eine geringe Störanfälligkeit und damit durch einen langlebigen Betrieb aus. Auch weist er eine hohe Betriebssicherheit auf.
  • Auch ist es möglich, dass die Abgasenergie zum Betrieb des Kältekreislaufes verwendet wird. Dabei wird das Anodenabgas zunächst in einem ersten Wasserkondensator mit dem Kühlmittel auf Umgebungstemperatur abgekühlt, und dann durch einen zweiten Wasserkondensator mittels dem Kältemittel aus dem Kältekreislauf weiter herabgekühlt. Durch diese zwei Wasserkondensatorstufen kann die Kälteleistung des Kältekreislaufes reduziert werden, wodurch die Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung effizienter betrieben werden kann. Dadurch, dass die zwei Wasserkondensatoren auch in einer Baukomponente vereint werden können, kann Bauraum innerhalb der Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung eingespart werden.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, dass stromab des Wasserabscheiders mindestens ein Verdichter und stromab des mindestens einen Verdichters ein Gaskühler angeordnet sind, wobei mindestens ein Gaskühler an den Kältekreislauf angeschlossen ist. Dabei wird der CO2-Abgasstrom nach jeder Verdichterstufe zunächst durch das Kühlmittel, das aus Wasser oder Glykol bestehen kann, gekühlt und anschließend durch das Kältemittel aus dem Kältekreislauf erneut gekühlt. Durch diesen Aufbau kann die Verdichter-Eintrittstemperatur des CO2-Abgasstroms reduziert und so der Abstand zur maximalen Verdichteraustrittstemperatur vergrößert werden. Es ist also eine stärkere Verdichtung ermöglicht. Bei der Verwendung von mehreren Verdichterstufen kann durch das erneute Kühlen nach der Verdichtung das Verdichtungsverhältnis erneut erhöht werden. Durch die effizientere Arbeitsweise der einzelnen Verdichterstufen kann die Verdichterarbeit weiterhin reduziert werden. Auch ist es möglich, durch diese effizientere Arbeitsweise Verdichterstufen einzusparen, wodurch weniger Bauraum in Anspruch genommen wird.
  • Für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer derartigen erfindungsgemäßen Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung gelten die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gleichermaßen.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung mit an einer Kältemaschine angeschlossenen Gaskühlern, und
    • 2 eine schematische Darstellung einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung mit einem zweistufigen Kältekreislauf.
  • Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einer integrierten Kältemaschine. Über einen Methantank 2 wird Methan als Brennstoff mittels einer Brennstoffleitung 3 zum Brennstoffzellenstapel 29 geleitet. Bei der chemischen Brennstoffzellenreaktion entsteht kathodenseitig Sauerstoff, wobei anodenseitig Wasser und Kohlenstoffdioxid als Abgas überwiegen. Nicht abreagierter Brennstoff wird über eine Rezirkulationsleitung rezirkuliert. Das restliche Anodenabgas wird über eine Anodenabgasleitung 5 zu einem ersten Wärmetauscher 7 geleitet, der die durch einen kathodenseitigen Verdichter 18 bereit gestellte verdichtete und erwärmte Luft weiter erwärmt. Das Kathodenabgas wird über eine Kathodenabgasleitung 6 zu einem zweiten Wärmetauscher 8 geleitet, der die Luft stromauf des Brennstoffzellenstapels 29 weiter erwärmt, also die kathodenseitige Abwärme nutzt zur Temperierung der Frischluft. Die Temperatur des Kathodenabgases beträgt nach dem Durchlaufen des zweiten Wärmetauschers 8 noch immer über 300 °C und wird als Wärmequelle 22 für die Kältemaschine genutzt. Die Kältemaschine kann sowohl durch eine Absorptionskälteanlage als auch durch einen Thermokompressor (1) gebildet sein. Bei dem Thermokompressor wird das Kältemittel 27 in einem Kondensator 10 kondensiert, woraufhin ein Teil des Kältemittels 27 durch die Drosselung mittels einem Ventil 13 abgekühlt wird. In einem Verdampfer 30 wird das Kältemittel 27 verdampft, wodurch die Kühlleistung bereitgestellt wird. Anschließend wird das Kältemittel in der Strahlpumpe 11 erneut verdichtet. Der andere Teil des flüssigen Kältemittels 27 wird stromab des Kondensators 10 mittels einer Pumpe 9 verdichtet und anschließend durch die Abwärme des Brennstoffzellenstapels 29 erwärmt. Das Kältemittel 27 wird daraufhin in der Treibdüse der Strahlpumpe 11 entspannt und dient als Antriebsenergie für den Saugmassenstrom.
  • Mit einer derartigen Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 1 ermöglicht, das die nachfolgenden Schritte umfasst:
    • - Verwendung von der bei dem Betrieb der Festoxid-Brennstoffzelle entstehenden Abwärme, insbesondere der kathodenseitigen, zur Erzeugung von Kälte mittels der in den Kältekreislauf integrierten Kältemaschine zur Kühlung des anodenseitigen Abgases, und zwar bis zur Unterschreitung der Umgebungstemperatur,
    • - Kondensation des Wassers im anodenseitig entstandenen Abgas mit Hilfe der Kältemaschine durch einen ersten Wasserkondensator 14,
    • - Abscheiden des Wassers durch einen Wasserabscheider 16,
    • - Verdichtung des anodenseitigen CO2-Abgasstroms, wobei die durch die Kältemaschine entstandene Kühlleistung auch zur Kühlung des CO2-Abgasstroms eingesetzt wird,
    • - Speicherung des verdichteten CO2 in einem CO2-Speicher 19.
  • Es ist anhand der 1 ersichtlich, dass stromab des Kondensators 10 ein weiteres Ventil 13 zur Versorgung von mindestens einem Gaskühler 17 mit dem Kältemittel 27 angeordnet ist. Durch den Einbau von mindestens einem dieser Ventile 13 kann die Kälteleistung zur Kühlung des CO2-Stroms gesteuert werden. Durch einen zweiten Wasserkondensator 15, der auch mit dem ersten Wasserkondensator 14 zu einer Baukomponente vereint sein kann, kann das Anodenabgas in einem ersten Schritt durch den ersten Wasserkondensator 14 und dem Kühlmittel 28 auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden. In einem zweiten Schritt wird das Anodenabgas durch das Kältemittel 27 in dem zweiten Wasserkondensator 15 weiter abgekühlt, sodass das Restwasser auch noch kondensiert. Nach dem Abscheiden des Wassers aus dem Anodenabgas wird der verbleibende CO2-Gasstrom über mehrere Verdichterstufen 25, 26 verdichtet. Zwischen den Verdichterstufen 25, 26 wird der CO2-Gasstrom durch Gaskühler 17, die mit dem Kältekreislauf der Kältemaschine verbunden sind, gekühlt, sodass das Verdichtungsverhältnis erhöht wird, wodurch Verdichterarbeit der einzelnen Verdichterstufen 25, 26 und/oder die Anzahl der Verdichterstufen 25, 26 reduziert werden kann.
  • Die 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einem zweistufigen Kältekreislauf. Durch diesen zweistufigen Kältekreislauf ist es möglich, dass das Wasser im anodenseitig entstandenen Abgas mittels eines ersten Temperaturniveaus einer ersten Stufe des Kältekreislaufes vollständig kondensiert wird, und dass in einer zweiten Stufe des Kältekreislaufes mittels eines zweiten Temperaturniveaus, das geringer ist als das der ersten Stufe, das CO2 im anodenseitig entstandenen Abgas nach einer ersten und/oder einer zweiten Verdichterstufe 25, 26 verflüssigt und somit weiter verdichtet wird. Dadurch werden größere Verdichtungsverhältnisse bei geringerer Verdichterleistung erhalten, wodurch gegebenenfalls Verdichterstufen 25, 26 eingespart werden können. Für den zweistufigen Kältekreislauf werden zwei Strahlpumpen 11, 12 benötigt. Die erste Strahlpumpe 11 verdichtet das Kältemittel 27 vom geringeren Verdampfungstemperaturniveau auf das Druckniveau des zweiten Wasserkondensators 15. Daraufhin wird das Kältemittel 27 in einem Wärmetauscher 7 gekühlt und anschließend in der zweiten Strahlpumpe 12 weiter verdichtet.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung
    2
    Methantank
    3
    Brennstoffleitung
    4
    Rezirkulationsleitung
    5
    Anodenabgasleitung
    6
    Kathodenabgasleitung
    7
    erster Wärmetauscher
    8
    zweiter Wärmetauscher
    9
    Pumpe
    10
    Kondensator
    11
    erste Strahlpumpe
    12
    zweite Strahlpumpe
    13
    Ventil
    14
    erster Wasserkondensator
    15
    zweiter Wasserkondensator
    16
    Wasserabscheider
    17
    Gaskühler
    18
    Verdichter
    19
    CO2-Speicher
    20
    Reformer
    21
    Kontrollventil
    22
    Wärmequelle
    25
    erste Verdichterstufe
    26
    zweite Verdichterstufe
    27
    Kältemittel
    28
    Kühlmittel
    29
    Brennstoffzellenstapel
    30
    Verdampfer

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1), umfassend die Schritte: - Verwendung von der bei dem Betrieb der Festoxid-Brennstoffzelle entstehenden Abwärme zur Erzeugung von Kälte mittels einer in einem Kältekreislauf integrierten Kältemaschine zur Kühlung des anodenseitigen Abgases, - Kondensation des Wassers im anodenseitig entstandenen Abgas mit Hilfe der Kältemaschine durch einen ersten Wasserkondensator (14), - Abscheiden des Wassers durch einen Wasserabscheider (16), - Verdichtung des anodenseitigen CO2-Abgasstroms, wobei die durch die Kältemaschine entstandene Kühlleistung zur Kühlung des CO2-Abgasstroms eingesetzt wird, - Speicherung des verdichteten CO2 in einem CO2-Speicher (19).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser im anodenseitig entstandenen Abgas mittels eines ersten Temperaturniveaus einer ersten Stufe des Kältekreislaufes vollständig kondensiert wird, und dass in einer zweiten Stufe des Kältekreislaufes mittels eines zweiten Temperaturniveaus, das geringer ist als das der ersten Stufe, das CO2 im anodenseitig entstandenen Abgas nach einer ersten und/oder einer zweiten Verdichterstufe (25, 26) verflüssigt und somit weiter verdichtet wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ventil (13) zur Versorgung von mindestens einem Gaskühler (17) in dem Kältekreislauf angeordnet ist, und dass über das mindestens eine Ventil (13) die Leistung eingestellt wird.
  4. Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel (29), einem Methantank (2), einem CO2-Speicher (19), einem Wasserabscheider (16), mindestens einem Verdichter (18) und einer in einen Kältekreislauf integrierten Kältemaschine zur Kühlung des anodenseitigen Abgases.
  5. Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemaschine durch eine Absorptionskälteanlage zur Erzeugung von Kälte aus der kathodenseitigen Abwärme in dem Kältekreislauf gebildet ist.
  6. Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemaschine durch einen Thermokompressor mit mindestens einer Strahlpumpe (11, 12) zur Erzeugung von Kälte aus der kathodenseitigen Abwärme in dem Kältekreislauf gebildet ist.
  7. Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Wasserkondensator (14) und zweiter Wasserkondensator (15) im Kältekreislauf angeordnet sind.
  8. Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Wasserkondensatoren (14, 15) in einer Baukomponente vereint sind.
  9. Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Wasserabscheiders (16) mindestens ein Verdichter (18) und stromab des mindestens einen Verdichters (18) ein Gaskühler (17) angeordnet ist, wobei der mindestens eine Gaskühler (17) an den Kältekreislauf angeschlossen ist.
  10. Kraftfahrzeug mit einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 9.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2017059515A1 (en) * 2015-10-08 2017-04-13 1304338 Alberta Ltd. Method of producing heavy oil using a fuel cell
KR102372516B1 (ko) * 2016-04-29 2022-03-10 퓨얼 셀 에너지, 인크 이산화탄소 포집을 증진시키기 위한 애노드 배기가스의 메탄화

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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