KR102177183B1 - 직렬접속 연료 전지를 이용한 발전 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

제1 애노드 테일 가스 스트림을 생성하도록 구성된 제1 연료 전지를 포함한 발전 시스템이 제공된다. 이 시스템은 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림을 수신하여 리폼된 스트림을 형성하기 위해 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림을 리포머 연료 스트림과 혼합하도록 구성된 적어도 하나의 연료 리포머와; 상기 리폼된 스트림을 제1 부분과 제2 부분으로 분할하는 분할 메카니즘과; 상기 제1 연료 전지가 적어도 부분적으로 상기 제1 부분을 연료로서 이용하여 제1 전력을 생성하도록 구성되게끔, 상기 제1 연료 전지의 애노드 입구로 상기 제1 부분을 순환시키도록 구성된 연료 경로를 포함한다. 상기 시스템은 상기 제2 부분을 수신하고, 적어도 부분적으로 상기 제2 부분을 연료로서 이용하여 제2 전력을 생성하도록 구성된 제2 연료 전지를 포함한다.

Description

직렬접속 연료 전지를 이용한 발전 시스템 및 방법{POWER GENERATION SYSTEMS AND METHODS UTILIZING CASCADED FUEL CELLS}
본 발명의 실시형태는 일반적으로 발전 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 실시형태는 전체적인 발전 효율을 개선할 수 있는, 재순환 사이클을 포함한 직렬접속 연료 전지 시스템 기반 발전 시스템 및 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 발전시에 비교적 높은 효율 및 낮은 공해 가능성을 나타내는 전기화학 에너지 변환 장치이다. 연료 전지는 일반적으로 예를 들면 인버터에 의해 교류(alternating current; ac)로 변환될 수 있는 직류(direct current; dc)를 제공한다. dc 또는 ac 전압은 모터, 전등, 및 임의 수의 전기 장치 및 시스템에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다. 연료 전지는 고정식, 반고정식 또는 휴대용 기기에서 동작할 수 있다.
고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell; SOFC)와 같은 소정의 연료 전지는 산업상 및 도시 필요성을 만족시키는 전기를 제공하는 대규모 전원 시스템에서 동작할 수 있다. 다른 연료 전지들은 예를 들면 파워링 카(powering car)와 같은 더 작은 휴대용 기기에 유용할 수 있다. 일반적인 연료 전지의 유형은 인산(phosphoric acid; PAFC), 용융 탄산염(molten carbonate; MCFC), 양자 교환 막(proton exchange membrane; PEMFC) 및 고체 산화물(SOFC)을 포함하고, 이들은 모두 일반적으로 그 전해질 뒤에 이름이 붙여진다.
실제로, 연료 전지들은 전형적으로 유용한 전압 또는 전류로 전력을 생성하기 위해 연료 전지 조립체(연료 전지)에 전기적 시리즈(electrical series)로 축적된다. 그러므로, 인접 연료 전지들을 직렬 또는 병렬로 접속 또는 결합하기 위해 상호접속 구조를 사용할 수 있다. 일반적으로, 연료 전지의 컴포넌트들은 전해질과 2개의 전극을 포함한다. 전기를 생성하는 반응은 일반적으로 전극에서 발생되고, 이때 반응을 가속화하기 위해 전형적으로 촉매가 배치된다. 전극들은 화학 반응이 발생하는 표면적을 증대시키기 위해 채널, 다공성 층 등으로서 구성될 수 있다. 전해질은 하전 입자를 하나의 전극으로부터 다른 전극으로 운반하고, 다른 점에서는 연료 및 산화제 둘 다에 대하여 불침투성이다.
전형적으로, 연료 전지는 수소(연료)와 산소(산화제)를 전기를 생성하기 위해 물(부산물)로 변환한다. 부산물인 물은 고온 동작에서 스팀으로서 연료 전지를 빠져나갈 수 있다. 수소 연료는 더 쉽게 이용할 수 있는 천연가스의 리포밍과 같은 탄소 기반 공급원료(feedstock) 물질, 및 다른 탄화수소 연료 및 공급원료 물질의 국소 리포밍(예를 들면, 현장(on-site) 스팀 리포밍)에 의해 제공될 수 있다. 탄화수소 연료의 예로는 천연가스, 메탄, 에탄, 프로판, 메탄올, 합성가스(syngas) 및 다른 탄화수소가 있다.
전기화학 반응을 촉진하는 수소를 생성하기 위한 탄화수소 연료의 리포밍은 연료 전지의 동작에 통합될 수 있다. 더욱이, 이러한 리포밍은 연료 전지의 내부에서 및/또는 외부에서 발생할 수 있다. 연료 전지의 외부에서 수행되는 탄화수소의 리포밍을 위하여, 관련된 외부 리포머가 상기 연료 전지로부터 원격지에 또는 상기 연료 전지 인근에 배치될 수 있다.
상기 연료 전지의 내부 및/또는 인근에서 탄화수소를 리폼할 수 있는 연료 전지 시스템은 뒤에서 설명하는 바와 같은 장점들을 제공할 수 있다. 예를 들면, 탄화수소의 스팀 리포밍 반응은 전형적으로 흡열성이고, 따라서 연료 전지 내에서의 내부 리포밍 또는 인근 리포머에서의 외부 리포밍은 연료 전지의 전형적으로 발열성인 전기화학 반응에서 생성된 열을 활용할 수 있다. 더욱이, 전기를 생성하기 위한 연료 전지 내에서의 수소와 산소의 전기화학 반응에서 활성인 촉매는 탄화수소 연료의 내부 인포밍을 또한 촉진할 수 있다. 예를 들면, SOFC에서, 만일 전기화학 반응을 지속하기 위해 니켈 촉매가 전극(예를 들면, 애노드)에 배치되면, 활성 니켈 촉매는 탄화수소 연료를 수소와 일산화탄소(CO)로 또한 리폼할 수 있다. 더욱이, 수소와 CO는 둘 다 탄화수소 공급원료를 리포밍할 때 생성될 수 있다. 따라서, (수소 외에) 연료로서 CO를 이용할 수 있는 SOFC와 같은 연료 전지는 일반적으로 리폼된 탄화수소를 이용하기 위한, 및 탄화수소 연료의 내부 및/또는 인근 리포밍을 위한 일반적으로 더 매력적인 후보이다.
고온에서 동작하는 연료 전지로부터의 배기 성분은 일반적인 결합형 순환 시스템의 일부로서 터빈 및 다른 유형의 엔진으로 지향될 수 있다. 비록 이러한 시스템이 발전을 위해 매력적인 방법일 수 있지만, 이 방법은 대규모 구현을 금지할 수 있는 일부 단점들이 여전히 존재한다. 단순 순환 모드에서 동작하는 오늘날의 연료 전지 예 중의 일부는 약 50%에 불과한 변환 효율을 일상적으로 달성한다. 따라서, 연료 전지를 통합한 더 효율적인 발전 시스템의 필요성이 있다.
본 발명의 각종 실시형태는 전술한 필요성 및 다른 필요성을 충족시킨다.
발전 시스템의 일 실시형태는,
(i) 제1 애노드 테일 가스 스트림 및 제1 캐소드 테일 가스 스트림을 생성하도록 구성된 제1 연료 전지와;
(ii) 상기 제1 연료 전지의 하류에 위치되고, 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림을 수신하여 리폼된 스트림을 형성하기 위해 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림을 리포머 연료 스트림과 혼합하도록 구성된 적어도 하나의 연료 리포머와;
(iii) 상기 리폼된 스트림을 제1 부분과 제2 부분으로 분할하는 분할 메카니즘과;
(iv) 상기 제1 연료 전지가 적어도 부분적으로 상기 제1 부분을 연료로서 이용하여 제1 전력을 생성하도록 구성되게끔, 상기 제1 연료 전지의 애노드 입구로 상기 제1 부분을 순환시키도록 구성된 연료 경로와;
(v) 상기 제2 부분을 수신하고, 적어도 부분적으로 상기 제2 부분을 연료로서 이용하여 제2 전력을 생성하도록 구성되며, 제2 애노드 테일 가스 스트림 및 제2 캐소드 테일 가스 스트림을 생성하도록 또한 구성된 제2 연료 전지를 포함한다.
일 실시형태는 발전 방법에 관한 것이고, 이 발전 방법은,
제1 연료 전지에서 제1 애노드 테일 가스 스트림 및 제1 캐소드 테일 가스 스트림을 생성하는 단계와;
상기 제1 연료 전지의 하류에 위치된 외부 리포머에서 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림을 수신하고 리폼된 스트림을 형성하기 위해 상기 리포머에서 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림을 리포머 연료 스트림과 혼합하는 단계와;
상기 리폼된 스트림을 제1 부분과 제2 부분으로 분할하고 상기 제1 부분을 상기 제1 연료 전지의 애노드 입구로 순환시키는 단계와;
적어도 부분적으로 상기 제1 부분을 연료로서 이용하여 상기 제1 연료 전지에서 제1 전력(즉, 소정 양의 전력)을 생성하는 단계와;
제2 연료 전지에서 상기 제2 부분을 수신하고 상기 제2 연료 전지에서 제2 애노드 테일 가스 스트림 및 제2 캐소드 테일 가스 스트림을 생성하는 단계와;
적어도 부분적으로 상기 제2 부분을 연료로서 이용하여 제2 전력을 생성하는 단계를 포함한다.
일 실시형태는 발전 시스템에 관한 것이고, 이 발전 시스템은,
(vi) 제1 애노드 테일 가스 스트림 및 제1 캐소드 테일 가스 스트림을 생성하도록 구성된 제1 연료 전지와;
(vii) 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림을 제1 부분과 제2 부분으로 분할하는 분할 메카니즘과;
(viii) 상기 제1 연료 전지가 적어도 부분적으로 상기 제1 부분을 연료로서 이용하여 제1 전력을 생성하도록 구성되게끔, 상기 제1 연료 전지의 애노드 입구로 상기 제1 부분을 순환시키도록 구성된 연료 경로와;
(ix) 상기 제2 부분을 수신하고, 적어도 부분적으로 상기 제2 부분을 연료로서 이용하여 제2 전력을 생성하도록 구성되며, 제2 애노드 테일 가스 스트림 및 제2 캐소드 테일 가스 스트림을 생성하도록 또한 구성된 제2 연료 전지를 포함한다.
전체적인 발전 효율을 개선할 수 있는, 재순환 사이클을 포함한 직렬접속 연료 전지 시스템 기반 발전 시스템 및 방법이 제공된다.
본 발명의 상기 및 다른 특징, 양태 및 장점들은 이하의 상세한 설명을 첨부 도면을 참조하면서 읽을 때 더 잘 이해할 수 있을 것이다. 도면 전체에 걸쳐서, 동일한 참조 번호는 동일한 부품을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 발전 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 발전 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 발전 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 발전 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 발전 시스템의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 발전 시스템의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 발전 시스템의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 발전 시스템의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 발전 시스템의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 발전 시스템의 개략도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 발전 시스템의 개략도이다.
여기에서 설명하는 일부 실시형태는 재순환 특징을 이용하는 특정 실시형태에서 증가된 공장 효율(예를 들면, 65% 이상)을 유리하게 제공할 수 있다.
명세서 및 특허 청구범위 전반에 걸쳐 여기에서 사용하는 언어의 근사화는 관계된 기본 기능의 변화를 야기하지 않고 허용 가능하게 변화할 수 있는 임의의 정량적 표시를 수정하는데 적용될 수 있다. 따라서, "약" 및 "실질적으로"와 같은 용어에 의해 수정된 값은 특정된 정확한 값으로 제한되지 않는다. 일부 예에 있어서, 언어의 근사화는 값을 측정하기 위한 도구의 정밀도에 대응할 수 있다. 여기에서 및 명세서와 특허 청구범위 전반에 걸쳐서, 범위 제한은 결합 및/또는 상호교환될 수 있고, 그러한 범위는 문맥 또는 언어로 다르게 표시되지 않는 한 그 내포된 모든 하위 범위를 식별하고 포함한다.
이하의 명세서 및 특허 청구범위에 있어서, 단수 형태의 표현은 문맥에서 명확히 다르게 표시하지 않는 한 복수의 지시 대상물을 포함한다. 여기에서 사용하는 용어 "또는"은 문맥에서 명확히 다르게 표시하지 않는 한 배타적인 의미로 사용되지 않고, 인용된 컴포넌트 중 적어도 하나가 존재하는 것을 나타내고 인용된 컴포넌트의 조합이 존재할 수 있는 예를 포함한다.
여기에서 사용하는 용어 "할 수 있는" 및 "가능한"은 일련의 환경 내에서 발생할 가능성; 특유의 속성, 특성 또는 기능의 소유; 및/또는 자격 동사(qualified verb)와 관련된 능력, 재능 또는 가능성 중의 하나 이상을 표현함으로써 다른 동사에 자격을 부여하는 것을 표시한다. 따라서, "할 수 있는" 및 "가능한"의 사용은 일부 환경에서는 수정된 용어가 가끔 적당하거나 가능하거나 적절하지 않을 수 있다는 것을 고려하면서, 그 수정된 용어가 표시된 능력, 기능 또는 사용에 외견상으로 적당하거나 가능하거나 적절하다는 것을 표시한다.
일부 실시형태에 있어서, 발전 시스템이 제공된다. 도 1은 제1 애노드 테일 가스 스트림(22) 및 제1 캐소드 테일 가스 스트림(24)을 생성하도록 구성된 제1 연료 전지(200)를 포함한 발전 시스템(100)의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 연료 전지(200)는 애노드(220), 캐소드(240) 및 전해질(260)을 포함한다. 이 기술에 숙련된 사람이라면 연료 전지의 일반적인 구조 및 기능을 이해할 것이다. 이 명세서의 다른 곳에서 설명하는 바와 같이, 제1 연료 전지(200)는 소정의 실시형태에 있어서 SOFC 장치일 수 있다. 이러한 유형의 발전 시스템에서는 SOFC 장치를 사용하는 것과 관련된 많은 장점이 있다.
계속하여 도 1을 참조하면, 연료 스트림(10)은 일반적으로 임의의 종래의 라우팅 메카니즘에 의해 상기 제1 연료 전지의 애노드(220)의 입구(221)로 지향된다. 연료 스트림(10)은 임의의 적당한 연료, 비제한적인 예를 들자면, 메탄, 에탄, 프로판, 메탄올, 합성가스, 천연가스, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 연료 스트림(10)은 연료로서 메탄을 포함한다. 뒤에서 자세히 설명하는 바와 같이, 연료 전지 스트림은 리폼된 스트림의 일부와 추가로 결합되고, 애노드(220)의 입구(221)로 지향된다. 따라서, 애노드 입구 스트림은 연료와, 수소, 물, 이산화탄소 및 산화탄소 중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 산화제 스트림(예를 들면, 산소 또는 임의의 적당한 산화제)(14)이 또한 임의의 종래 기술에 의해 제1 연료 전지(200)의 캐소드 입구(241)로 지향될 수 있다.
제1 연료 전지(200)의 연료 전지 반응은 연료를 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 포함한 혼합물로 부분적으로 또는 전체적으로 변환한다. 이러한 가스는 임의의 적당한 경로를 통하여 상기 제1 연료 전지(200)의 애노드(220)를 빠져나가고 가끔 "제1 애노드 테일 가스 스트림"(22)이라고 부르는 애노드 배기의 적어도 일부를 구성한다. 물은 스팀 형태 또는 액체 형태의 다른 하나의 부산물이다. 따라서, 애노드 테일 가스 스트림은 또한 H2 및 CO 외에, 물, 스팀, 메탄 및 이산화탄소와 같은 각종의 다른 성분들을 포함할 수 있다. 비록 각종의 인수들이 그 조성에 영향을 줄 수 있지만, 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림은 적어도 약 10 체적비의 H2 및 CO로 구성되고, 일부 실시형태에서는 적어도 약 20%, 예를 들면 약 40%까지의 H2 및 CO로 구성될 수 있다.
이 기술에 숙련된 사람이라면 전기 즉 전력(101)이 연료 전지 반응으로 또한 생성되고, 적당한 전기 회로(여기에서는 구체적으로 도시되지 않음)를 통하여 상기 제1 연료 전지(200)의 밖으로 라우트된다는 것을 이해할 것이다.
계속하여 도 1을 참조하면, 발전 시스템(100)은 상기 제1 연료 전지(200)의 하류에 위치된 적어도 하나의 연료 리포머(300)를 또한 포함하고, 상기 연료 리포머(300)는 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림(22)을 수신하여 리폼된 스트림(30)을 형성하기 위해 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림(22)을 리포머 연료 스트림(12)과 혼합하도록 구성된다. 일부 실시형태에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림(22)은 리포머(300)에 진입하기 전에 혼합 연료 스트림(20)을 형성하도록 상기 리포머 연료 스트림(12)과 결합된다. 일부 다른 실시형태(도시 생략됨)에서는 2개의 스트림이 리포머(300)에 진입된 후에 혼합될 수 있다.
여기에서 사용하는 용어 "하류"는 리포머(300)가 제1 연료 전지(220)로부터 제1 애노드 테일 가스 스트림(22)을 수신하도록 구성되었다는 것을 의미한다. 이것은 외부 리포머가 연료 전지의 "상류"에 위치되고 전형적으로 리포머의 배기가 연료 전지의 입구로 지향되도록 구성된 전형적인 연료 전지 어셈블리와 대조적이다. 이러한 시스템의 연료 전지로부터의 애노드 테일 가스는 리포머 대신에 테일 가스 버너로 지향된다. 연료 전지의 하류에 위치된 외부 리포머를 사용하면 흡열성 스팀 리포밍 처리를 통하여 애노드 테일 가스 스트림을 풍부하게 하는 장점이 있고, 상기 애노드 테일 가스 스트림의 일부는 분할 후에 제2 연료 전지로 지향된다.
위에서 언급한 바와 같이, 리포머 연료 스트림(12)(예를 들면, 메탄)은 리포머(300)에서 애노드 테일 가스 스트림(22)과 결합된다. 유입 연료 스트림(12)과 애노드 테일 가스 스트림(22)의 적어도 일부와의 결합은 일부 실시형태에 있어서 메탄의 리포밍을 위해 연료 전지에서 생성된 스팀을 사용하기 때문에 바람직한 특징이다. 2개의 스트림의 결합은 리포머에서 코킹을 방지하기 위해 필요한 충분히 높은 스팀대 탄소비를 추가로 제공한다. 이것은 유입 연료가 리포밍 단계 전에 물 또는 스팀과만 결합되었던 종래의 일부 시스템과 대조적이다. 외부 리포밍 전에 생성되는 애노드 테일 가스 스트림과 연료의 결합은 일부 실시형태에서 다른 중요한 특징을 나타낸다.
리포머 연료 스트림(12)과 애노드 테일 가스 스트림(22)은 전술한 리포밍 반응에 따라서 리포머(300) 내에서 리폼된 스트림(30)(예를 들면, H2와 CO를 포함함)으로 부분적으로 또는 전체적으로 변환된다. 상기 리포밍 반응은 일부 실시형태에 있어서 제1 연료 전지(200)에 의해 방출된 열의 일부에 의해 또한 촉진될 수 있다.
시스템(100)은 또한 도 1에 도시된 바와 같이 상기 리폼된 스트림(30)을 제1 부분(40)과 제2 부분(50)으로 분할하는 분할 메카니즘(400)을 포함한다. 사용되는 분할 메카니즘의 유형에는 제한이 없고, 여기에서의 설명은 임의 유형의 표준 분할 메카니즘, 예를 들면 밸브 또는 파이프 메카니즘을 커버한다는 점에 주목하여야 한다. 더욱이, 본 발명의 일부 실시형태에 있어서, 가스 및 혼합 가스 스트림의 이동 및/또는 분할을 다루는 발전 시스템(100)의 특징은 막(membrane) 또는 막 구조물이 없다. 막 또는 막 구조물의 부재는 특히 대규모 산업 시스템에서 유리할 수 있다.
계속하여 도 1을 참조하면, 발전 시스템(100)은 상기 리폼된 스트림(30)의 제1 부분(40)을 상기 제1 연료 전지(200)의 애노드 입구(221)로 순환시키도록 구성된 연료 경로(410)를 또한 포함한다. 일부 실시형태에 있어서, 상기 제1 부분(40)은 애노드(220)의 입구(221)로 재순환되어 상기 제1 연료 전지(200)에 대한 추가의 연료를 제공한다. 이 입구는 연료 스트림(10)에 대하여 사용된 것과 동일한 통로 또는 다른 통로일 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 제1 연료 전지(200)는 적어도 부분적으로 상기 제1 부분(40)을 연료로서 이용함으로써 제1 전력(101)을 생성하도록 구성된다. 전술한 바와 같이, 리폼된 스트림(30)은 수소와 일산화탄소를 내포한다. 리포밍 후에, 재순환된 가스 스트림(40)(이제 애노드 테일 가스와 리폼된 연료를 둘 다 포함함)은 적어도 약 35 체적비, 예를 들면 40-45 체적비의 수소와 일산화탄소를 내포할 수 있다.
수소 성분을 제1 연료 전지(200)로 재순환시킴으로써 제1 연료 전지(200)의 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 여기에서 설명하는 재순환 특징에 의해 제공되는 장점들은 제한 없이 외부 리포머에 대한 자동 물 공급을 포함하고 별도의 물 공급 필요조건을 부정한다. 제1 연료 전지의 애노드 입구에 대한 리폼된 스트림의 일부의 재순환은 연료 스트림 내에서 스팀 및 열 에너지의 보유를 돕고, 따라서 효율성이 더 높은 시스템을 만든다.
계속하여 도 1을 참조하면, 시스템(100)은 리폼된 스트림의 제2 부분(50)을 수신하도록 구성된 제2 연료 전지(500)를 또한 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 연료 전지(500)는 애노드(520), 캐소드(540) 및 전해질(560)을 포함한다. 제1 연료 전지(200)와 관련하여 위에서 설명한 바와 같이, 제2 연료 전지(500)도 또한 SOFC 장치일 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 리폼된 스트림(30)의 제2 부분(50)은 종래의 임의의 라우팅 메카니즘에 의해 제2 연료 전지(500)의 애노드(520)의 입구(521)로 지향된다. 산화제 스트림(예를 들면, 산소 또는 임의의 적당한 산화제)도 또한 종래의 임의 기술에 의해 제2 연료 전지(500)로 지향될 수 있다(도면에는 도시 생략됨). 일부 실시형태에 있어서, 추가의 연료 스트림(도시 생략됨)이 상기 제2 연료 전지(500)의 애노드(520)의 입구(521)로 또한 지향될 수 있다.
제2 연료 전지(500)는 리폼된 스트림(30)의 제2 부분(50)을 수신하고, 적어도 부분적으로 상기 제2 부분(50)을 연료로서 이용하여 제2 전력(102)을 생성하도록 구성된다. 따라서, 상기 리폼된 스트림(30)의 제2 부분(50)에 의해 공급되는 제2 SOFC 기반 사이클은 상기 리폼된 스트림(30)의 상기 제1 부분(40)의 재순환 외에 발전시에 제2 사이클을 나타낸다. 상기 제2 연료 전지(500)는 도 1에 도시된 바와 같이 제2 애노드 테일 가스 스트림(52) 및 제2 캐소드 테일 가스 스트림(54)을 생성하도록 또한 구성된다.
일부 실시형태에 있어서, 리폼된 스트림(30)의 각 부분(40, 50)은 실질적으로 동일한 조성을 가질 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 리폼된 스트림(30)의 제2 부분(50)에 대한 리폼된 스트림(30)의 제1 부분(40)의 비율은 약 0.4 내지 약 0.95의 범위이다. 일부 실시형태에 있어서, 리폼된 스트림(30)의 제2 부분(50)에 대한 리폼된 스트림(30)의 제1 부분(40)의 비율은 약 0.6 내지 약 0.95의 범위이다. 일부 실시형태에 있어서, 총 리폼된 스트림(30)의 적어도 약 50 체적비가 상기 제1 연료 전지(200)의 애노드(220)로 재순환되고, 나머지(제2 부분(50))의 대부분 또는 전부가 제2 연료 전지(500)로 지향된다. 일부 실시형태에 있어서, 총 리폼된 스트림(30)의 적어도 약 75 체적비가 상기 애노드(220)로 재순환되고, 일부 예에서는 총 리폼된 스트림(30)의 적어도 약 85 체적비 이상이 상기 애노드(220)로 재순환된다.
도 1의 실시형태 및 다른 실시형태에 있어서, 적어도 2개의 발전원이 존재한다. 앞에서 언급한 바와 같이, 제1 연료 전지(200) 자체는 제1 전력(101)을 소정의 위치, 예를 들면 외부 회로로 전달하는 제1 전기 생산 장치이다. 제2 전기 생산 장치는 역시 제2 전력(102)을 소정의 위치로 제공하는 제2 연료 전지(500)이다. 상기 제1 연료 전지(200)에 공급하는 재순환 사이클에 의해 발원하는 "부스트"와 함께 2개의 전력원을 제공하는 전체 발전 시스템(100)의 능력은 각종 산업상의 운용에서 별도의 장점이 될 수 있다.
또한, 2개 이상의 연료 전지를 결합함으로써, 65% 이상의 전기적 효율이 쉽게 달성될 수 있다. 더 나아가, 연료 전지가 전력을 생성하기 위한 전기화학 변환 처리를 이용할 때, NOx 방출이 실질적으로 제거되고, 이것은 내부/외부 연소 처리에 의존하는 종래의 결합형 사이클 시스템에서는 불가능한 것이다.
본 발명의 일부 실시형태는 또한 상기 제1 연료 전지(200)와 상기 리포머(300) 중의 어느 하나 또는 둘 다에서 생성된 열을 이용하여 하나 이상의 스트림을 가열하고, 이것에 의해 효율성을 더 높이고 에너지 비용을 더 낮추는 장점이 있다.
도 2는 제1 폐열회수기(recuperator)(800)가 추가된, 도 1에 도시된 시스템과 유사한 발전 시스템(100)의 개략도이다. 제1 폐열회수기(800)는 제1 캐소드 테일 가스 스트림(24) 및 제2 캐소드 테일 가스 스트림(54)의 적어도 일부를 수신하여 그로부터 열을 추출하도록 구성된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 캐소드 테일 가스 스트림(24) 및 제2 캐소드 테일 가스 스트림(54)은 함께 결합되어 결합형 캐소드 테일 가스 스트림(82)을 형성하고, 상기 폐열회수기(800)는 상기 결합형 캐소드 테일 가스 스트림(82)으로부터 열을 추출하도록 구성된다. 상기 폐열회수기(800)는 추출된 열의 적어도 일부를, 도 2에 도시된 바와 같이, 리폼된 스트림의 제1 부분(40)으로 전달하도록 또한 구성된다. 따라서, 상기 제1 부분(40)은 상기 제1 연료 전지(200)의 애노드 입구(221)(도시 생략됨)에 진입하기 전에 가열된 재순환 스트림(81)을 형성하도록 상기 폐열회수기에서 가열된다. 상기 폐열회수기(800)는 도 2에 도시된 바와 같이 냉각된 캐소드 테일 가스 스트림(84)을 형성하도록 또한 구성된다.
도 2에 도시된 실시형태에서는 상기 폐열회수기(800)에 진입하기 전에 결합형 캐소드 테일 가스 스트림(82)을 형성하기 위해 제1 캐소드 테일 가스 스트림(24)이 제2 캐소드 테일 가스 스트림(54)과 결합된다는 점에 주목하여야 한다. 일부 다른 실시형태(도면에는 도시 생략됨)에서는 상기 2개의 스트림이 상기 폐열회수기(800)에 진입한 후에 혼합될 수 있다.
도 3은 시스템이 재순환 루프(810)를 추가로 포함하는, 도 2에 도시된 시스템과 유사한 발전 시스템(100)의 개략도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 재순환 루프는 상기 냉각된 캐소드 테일 가스 스트림(84)의 적어도 일부를 상기 제1 연료 전지(200)의 캐소드 입구(241)로 순환시키도록 구성된다. 따라서, 도 3에 도시된 실시형태에서는 캐소드 입구 스트림(14)이 차가운 캐소드 테일 가스 스트림(84)의 적어도 일부와 추가로 혼합되고, 이것에 의해 열 교환기(900)의 크기를 줄일 수 있고 비용 및 공간을 절약할 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 상기 냉각된 캐소드 테일 가스 스트림(84)의 적어도 일부는 캐소드 입구 스트림(94)을 가열하기 위해 또한 사용될 수 있다. 도 3을 다시 참조하면, 일부 실시형태에 있어서, 발전 시스템은 상기 냉각된 캐소드 테일 가스 스트림(84)의 적어도 일부로부터 열을 추출하여 상기 추출된 열의 적어도 일부를 상기 제1 연료 전지(200)의 캐소드 입구 스트림(94)에 전달하도록 구성된 공기 예열기(900)를 또한 포함한다.
이제, 도 4를 참조하면, 발전 시스템(100)의 다른 실시형태가 도시되어 있다. 도 4에 도시된 발전 시스템은 도 1에 도시된 시스템과 유사하지만, 시스템이 제2 폐열회수기(600)를 추가로 포함하고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 폐열회수기(600)는 리포머(300)의 하류 및 분할 메카니즘(400)의 상류에 위치된다. 제2 폐열회수기(600)는 냉각된 리폼된 스트림(32)을 형성하기 위해 상기 리폼된 스트림(30)으로부터 열을 추출하고, 상기 추출된 열의 적어도 일부를 리폼된 스트림(40)의 제1 부분에 전달하여 가열된 재순환 스트림(41)을 형성하도록 구성된다. 이러한 예에서, 상기 리포머(300)에서 생성된 열은 제1 연료 전지(200)의 애노드 입구(221)에서 재순환되는(즉 도 1에 도시된 것처럼) 리폼된 스트림 부분(40)을 추가로 가열하기 위해 사용된다.
일부 실시형태에 있어서, 도 4에 도시된 것처럼, 발전 시스템(100)은 제2 폐열회수기(600)의 하류 및 상기 분할 메카니즘(400)의 상류에 위치된 제1 물 분리 유닛(700)을 또한 포함한다. 상기 제1 물 분리 유닛(700)은 상기 냉각된 리폼된 스트림(32)으로부터 물(70)의 적어도 일부를 분리하도록 구성된다. 상기 제1 물 분리 유닛(700)은 제2 연료 전지(500)에 대한 애노드 입구 스트림에 소정의 스팀 대 탄소비를 제공하기 위해 충분한 양의 수증기를 보유하도록 설계될 수 있다. 이것은 상기 제1 물 분리 유닛(700)의 출구 온도를 제어함으로써 달성될 수 있다.
이제, 도 5를 참조하면, 발전 시스템(100)의 다른 실시형태가 도시되어 있다. 도 5에 도시된 발전 시스템은 도 4에 도시된 시스템과 유사하지만, 리포머(300)의 하류 및 제2 폐열회수기(600)의 상류에 위치된 제1 연료 예열기(610)를 추가로 포함하고 있다. 제1 연료 예열기(610)는 냉각된 리폼된 스트림(31)을 형성하기 위해 상기 리폼된 스트림(30)으로부터 열을 추출하고, 상기 추출된 열의 적어도 일부를 리포머(300)로 진입하는 연료 스트림(11)에 전달하도록 구성된다. 이러한 예에서, 상기 리포머에서 생성된 열은 상기 리포머(300)에 진입하는 입구 연료 스트림 부분을 더욱 가열하기 위해 또한 사용된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시형태를 보인 것으로, 발전 시스템은 도 5에 도시된 시스템과 유사하지만, 제2 연료 예열기(620)가 추가되어 있다. 제2 예열기(620)는 도 6에 도시된 것처럼 상기 분할 메카니즘(400)의 하류 및 상기 제2 연료 전지(500)의 상류에 위치된다. 제2 예열기(620)는 냉각된 제2 애노드 테일 가스 스트림(53)을 형성하기 위해 상기 제2 애노드 테일 가스 스트림(52)으로부터 열을 추출하고, 상기 추출된 열의 적어도 일부를 가열된 스트림(51)을 형성하기 위해 상기 리폼된 스트림(30)의 제2 부분(50)에 전달하도록 구성된다. 이러한 예에서, 상기 제2 연료 전지(500)에서 생성된 열은 상기 제2 연료 전지(500)에 진입하는 애노드 입구 스트림을 더욱 가열하기 위해 사용된다.
이제, 도 7을 참조하면, 제1 폐열회수기(800)와 제2 폐열회수기(600)를 둘 다 포함한 발전 시스템(100)이 도시되어 있다. 이 시스템은 도 1에 도시된 시스템과 유사하지만, 리포머(300)의 하류 및 분할 메카니즘(400)의 상류에 위치된 제2 폐열회수기(600)를 추가로 포함하고 있다. 제2 폐열회수기(600)는 냉각된 리폼된 스트림(32)을 형성하기 위해 상기 리폼된 스트림(30)으로부터 열을 추출하고, 상기 추출된 열의 적어도 일부를 리폼된 스트림(40)의 제1 부분에 전달하여 가열된 재순환 스트림(41)을 형성하도록 구성된다. 이러한 예에서, 상기 리포머(300)에서 생성된 열은 제1 연료 전지(200)의 애노드 입구(221)로 재순환되는(도 1 참조) 리폼된 스트림 부분(40)을 더욱 가열하기 위해 사용된다. 도 7에 도시된 것처럼, 이 실시형태에 있어서, 시스템(100)은 제1 폐열회수기(800)를 추가로 포함하고 있다. 제1 폐열회수기(800)는 제1 캐소드 테일 가스 스트림(24)과 제2 캐소드 테일 가스 스트림(54)의 적어도 일부를 수신하여 그로부터 열을 추출하도록 구성된다. 폐열회수기(800)는 상기 추출된 열의 적어도 일부를 가열된 재순환 스트림(41)에 전달하도록 또한 구성된다. 그러므로, 상기 가열된 재순환 스트림(41)은 상기 제1 폐열회수기(800)에서 추가로 가열되어, 상기 제1 연료 전지(200)의 애노드 입구(221)에 진입하기 전에 가열된 재순환 스트림(81)을 형성한다. 이러한 예에 있어서, 애노드 입구 스트림은 상기 제1 연료 전지(200)의 애노드 입구 스트림을 가열하기 위해 2개의 상이한 열원(리포머 배기 열 및 캐소드 테일 가스 열)을 이용하여 가열된다.
이제, 도 8을 참조하면, 도 7에 도시된 시스템과 유사하지만, 재순환 루프(810)를 추가로 포함한 발전 시스템이 도시되어 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 재순환 루프(810)는 냉각된 캐소드 테일 가스 스트림(84)(폐열회수기(800)에서 형성된 것)의 적어도 일부를 상기 제1 연료 전지(200)의 캐소드 입구로 순환시키도록 구성된다. 일부 실시형태에 있어서, 상기 냉각된 캐소드 테일 가스 스트림(84)의 적어도 일부는 캐소드 입구 스트림을 가열하기 위해 또한 사용될 수 있다. 도 8을 다시 참조하면, 일부 실시형태에 있어서, 발전 시스템(100)은 상기 냉각된 캐소드 테일 가스 스트림(84)의 적어도 일부로부터 열을 추출하여 상기 추출된 열의 적어도 일부를 상기 제1 연료 전지(200)의 캐소드 입구 스트림(94)에 전달하도록 구성된 공기 예열기(900)를 또한 포함한다.
이제, 도 9를 참조하면, 도 8에 도시된 시스템과 유사하지만, 제1 연료 예열기(610)와 제2 연료 예열기(620)를 포함한 발전 시스템이 도시되어 있다. 제1 연료 예열기(610)는 리포머(300)의 하류 및 제2 폐열회수기(600)의 상류에 위치된다. 제1 연료 예열기(610)는 리폼된 스트림(30)으로부터 열을 추출하고, 상기 추출된 열의 적어도 일부를 리포머(300)에 진입하기 전에 상기 연료 스트림(11)에 전달하도록 구성된다. 이러한 예에서, 상기 리포머(300)에서 생성된 열은 리포머(300)에 진입하기 전에 상기 리포머 연료 스트림(12)을 추가로 가열하기 위해 사용된다.
제2 연료 예열기(620)는 도 9에 도시된 바와 같이 분할 메카니즘(400)의 하류 및 제2 연료 전지(500)의 상류에 위치된다. 제2 연료 예열기(620)는 냉각된 제2 애노드 테일 가스 스트림(53)을 형성하기 위해 상기 제2 애노드 테일 가스 스트림(52)의 적어도 일부로부터 열을 추출하고, 상기 추출된 열의 적어도 일부를 리폼된 스트림(30)의 제2 부분(50)에 전달하도록 구성된다. 이러한 예에서, 상기 제2 연료 전지(500)에서 생성된 열은 상기 제2 연료 전지(500)에 진입하기 전에 상기 애노드 입구 스트림(51)을 추가로 가열하기 위해 사용된다.
도 9를 다시 참조하면, 일부 실시형태에 있어서, 시스템(100)은 제2 캐소드 입구 스트림(57)으로서 제2 연료 전지(500)의 캐소드 입구에 진입하기 전에 산소 또는 산화제 스트림을 가열하기 위한 버너(630)를 선택적으로 추가로 포함할 수 있다. 도 9에 도시된 것처럼, 이러한 예에 있어서, 제2 애노드 테일 가스 스트림(52)의 일부(58)는 버너(630) 내의 산소 또는 산화제 스트림(56)을 가열하기 위해 사용될 수 있다.
이제, 도 10을 참조하면, 3개의 전력원을 포함한 발전 시스템(100)이 도시되어 있다. 도 10에 도시된 발전 시스템(100)은 도 9에 도시된 것과 유사하지만, 시스템(100)이 외부 연소 엔진(2000)을 추가로 포함하고 있다. 시스템(100)은 또한 냉각된 제2 애노드 테일 가스 스트림(53)으로부터 물(71)의 적어도 일부를 추출하도록 구성된 제2 물 분리 유닛(710)을 포함하고, 적어도 일부 물이 추출된 상기 냉각된 제2 애노드 테일 가스 스트림(53)은 그 다음에 도 10에 도시된 것처럼 연소 유닛(1000)에 의해 수신될 수 있다. 상기 연소 유닛(1000)은 상기 냉각된 제2 애노드 테일 가스 스트림(53)의 적어도 일부 및 상기 냉각된 캐소드 테일 가스 스트림(92)의 적어도 일부를 수신하도록 구성된다.
도 10에 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 상기 연소 유닛(1000)으로부터의 배기(93)를 수신하여 제3 전력(103)을 생성하도록 구성된 외부 연소 엔진(2000)을 또한 포함한다. 적당한 외부 연소 엔진의 비제한적인 예로는 스털링(Sterling) 엔진, 유기 랭킨 사이클(organic Rankine cycle, ORC), 터빈 발전기 등이 있다. 일부 실시형태에 있어서, 스트림(93)은 공정 또는 공간 가열 필요조건(결합형 열 및 파워 모드)을 충족시키기 위한 열원으로서, 또는 예를 들면 증기 흡수 시스템과 결합된 때 공간 냉각을 제공하기 위하여 (엔진(2000) 없이) 사용될 수 있다.
발전 방법이 또한 제공된다. 이 방법은 도 1을 참조하면서 설명하고, 제1 연료 전지(200)에서 제1 애노드 테일 가스 스트림(22) 및 제1 캐소드 테일 가스 스트림(24)을 생성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 제1 연료 전지(200)의 하류에 위치된 외부 리포머(300)에서 제1 애노드 테일 가스 스트림(22)을 수신하는 단계와, 리폼된 스트림(30)을 형성하기 위해 리포머(300)에서 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림(22)과 연료 스트림(12)을 혼합하는 단계를 또한 포함한다.
계속하여 도 1을 참조하면, 상기 방법은 리폼된 스트림(30)을 제1 부분(40)과 제2 부분(50)으로 분할하는 단계와, 상기 제1 부분(40)을 제1 연료 전지(200)의 애노드 입구(221)로 순환시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 적어도 부분적으로 상기 제1 부분(40)을 연료로 사용하여 상기 제1 연료 전지(200)에서 제1 양의 전력(101)을 생성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 제2 연료 전지(500)에서 상기 제2 부분(50)을 수신하고, 상기 제2 연료 전지(500)에서 제2 애노드 테일 가스 스트림(52)과 제2 캐소드 테일 가스 스트림(54)을 생성하는 단계를 또한 포함한다. 상기 방법은 또한 적어도 부분적으로 상기 제2 부분(50)을 연료로 사용하여 제2 전력(102)을 생성하는 단계를 포함한다.
이제, 도 2를 참조하면, 상기 방법은 제1 폐열회수기(800)에서 제1 캐소드 테일 가스 스트림(24) 및 제2 캐소드 테일 가스 스트림(54)의 적어도 일부로부터 열을 추출하는 단계와, 상기 추출된 열의 적어도 일부를 리폼된 스트림의 제1 부분(40)으로 전달하는 단계를 또한 포함할 수 있다.
이제, 도 3을 참조하면, 상기 방법은 상기 제1 폐열회수기(800)에서 냉각된 캐소드 테일 가스 스트림(84)를 형성하는 단계와, 상기 냉각된 캐소드 테일 가스 스트림(84)의 적어도 일부를 상기 제1 연료 전지(200)의 캐소드 입구(241)로 순환시키는 단계를 또한 포함할 수 있다. 계속하여 도 3을 참조하면, 상기 방법은 공기 예열기(900)에서 상기 냉각된 캐소드 테일 가스 스트림(84)의 적어도 일부로부터 열을 추출하는 단계와, 상기 추출된 열의 적어도 일부를 상기 제1 연료 전지(200)의 캐소드 입구 스트림(94)에 전달하는 단계를 또한 포함할 수 있다.
이제, 도 4를 참조하면, 상기 방법은 제2 폐열회수기(600)에서 냉각된 리폼된 스트림(32)을 형성하기 위해 상기 리폼된 스트림(30)으로부터 열을 추출하는 단계와, 상기 추출된 열의 적어도 일부를 상기 리폼된 스트림(30)의 제1 부분(40)에 전달하는 단계를 또한 포함할 수 있다. 계속하여 도 4를 참조하면, 상기 방법은 제1 물 분리 유닛(700)에서 상기 냉각된 리폼된 스트림(32)으로부터 물(70)의 적어도 일부를 분리하는 단계를 또한 포함할 수 있다.
이제, 도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 방법은 제1 연료 예열기(610)에서 상기 리폼된 스트림(30)으로부터 열을 추출하는 단계와, 상기 추출된 열의 적어도 일부를 리포머(300)로 진입하는 리포머 연료 스트림(11)에 전달하는 단계를 또한 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 제2 연료 예열기(620)에서 냉각된 제2 애노드 테일 가스 스트림(53)을 형성하기 위해 상기 제2 애노드 테일 가스 스트림(52)으로부터 열을 추출하는 단계와, 상기 추출된 열의 적어도 일부를 상기 리폼된 스트림(30)의 제2 부분(50)에 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
이제, 도 10을 참조하면, 일부 실시형태에 있어서, 상기 방법은 연소 유닛(1000)에서 상기 냉각된 제2 애노드 테일 가스 스트림(53)의 적어도 일부를 연소시키는 단계와; 적어도 부분적으로 상기 연소 유닛(1000)으로부터의 배기(93)를 연료로 사용하여 외부 연소 엔진에서 제3 양의 전력(103)을 생성하는 단계를 또한 포함할 수 있다.
전술한 실시형태들은 2개의 연료 전지 사이에 위치된 외부 리포머를 포함한 직렬 접속된 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 일부 실시형태에 있어서, 내부 리포밍 기능이 있는 연료 전지를 포함한 발전 시스템이 또한 제공된다. 도 11은 이러한 실시형태에 따른 발전 시스템(100)을 보인 것이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 연료 전지(200)는 내부 리포머(300)를 포함한다. 리포머는 도 11에서 단순히 특징(300)으로서 도시되어 있고, 이것은 이러한 유형의 연료 전지의 리포밍 동작을 나타내는 것을 의미한다. 전술한 바와 같이, 이러한 리포머는 연료 전지의 발열성 전기화학 반응에 의해 생성된 열을 이용하여 기능할 수 있다. 또한, 연료 전지 시스템은 일부 경우에 전술한 바와 같이 내부 리포밍을 또한 촉진하는 촉매를 포함할 수 있다. 내부 리포머의 사용은 일부 상황에서, 설계 및 동작의 간편성과 관련해서, 및 전술한 일부 열역학 고려사항의 관점에서 유리할 수 있다.
도 1을 참조하여 위에서 언급한 바와 같이, 제1 연료 전지(200)는 제1 애노드 테일 가스 스트림(22) 및 제1 캐소드 테일 가스 스트림(24)을 생성하도록 구성된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 연료 전지(200)는 애노드(220), 캐소드(240) 및 전해질(260)을 포함한다. 계속하여 도 11을 참조하면, 연료 스트림(10)은 일반적으로 임의의 종래의 라우팅 메카니즘에 의해 상기 제1 연료 전지(200)의 애노드(220)의 입구(221)로 지향된다. 산화제 스트림(예를 들면, 산소 또는 임의의 적당한 산화제)(14)이 또한 임의의 종래 기술에 의해 제1 연료 전지(200)의 캐소드 입구(241)로 지향될 수 있다.
제1 연료 전지(200)의 리포밍 반응은 연료를 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 포함한 혼합물로 부분적으로 또는 전체적으로 변환하고, (다른 성분과 함께) 제1 애노드 테일 가스 스트림(22)을 구성한다. 다시 도 11을 참조하면, 시스템(100)은 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림(22)을 제1 부분(40)과 제2 부분(50)으로 분할하는 분할 메카니즘(400)을 포함한다. 발전 시스템(100)은 상기 제1 부분(40)을 상기 제1 연료 전지(200)의 애노드 입구(221)로 순환시키도록 구성된 연료 경로(410)를 또한 포함한다. 일부 실시형태에 있어서, 상기 제1 부분(40)은 애노드(220)의 입구(221)로 재순환되어 상기 제1 연료 전지(200)에 대한 추가의 연료를 제공한다. 이 입구는 연료 스트림(10)에 대하여 사용된 것과 동일한 통로 또는 다른 통로일 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 상기 제1 연료 전지(200)는 적어도 부분적으로 상기 제1 부분(40)을 연료로 이용함으로써 제1 전력(101)을 생성하도록 구성된다.
계속하여 도 11을 참조하면, 시스템(100)은 상기 제2 부분(50)을 수신하도록 구성된 제2 연료 전지(500)를 또한 포함한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 제2 연료 전지(500)는 애노드(520), 캐소드(540) 및 전해질(560)을 포함한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 제2 부분(50)은 종래의 임의의 라우팅 메카니즘에 의해 제2 연료 전지(500)의 애노드(520)의 입구(521)로 지향된다. 산화제 스트림(예를 들면, 산소 또는 임의의 적당한 산화제)도 또한 종래의 임의 기술에 의해 제2 연료 전지(500)로 지향될 수 있다(도면에는 도시 생략됨). 일부 실시형태에 있어서, 추가의 연료 스트림(도시 생략됨)이 상기 제2 연료 전지(500)의 애노드(520)의 입구(521)로 또한 지향될 수 있다.
도 11에 도시된 시스템(100)은 도 2 내지 도 10과 관련하여 위에서 설명한 실시형태를 추가로 포함할 수 있고, 여기에서 상기 제1 연료 전지(200)와 상기 리포머(300) 중의 어느 하나 또는 둘 다에서 생성된 열은 하나 이상의 스트림을 가열하기 위해 사용될 수 있고, 이것에 의해 더 높은 효율성 및 더 낮은 에너지 비용을 제공할 수 있다.
여기에서 설명한 일부 실시형태에 있어서, 흐름을 애노드 배기로부터 애노드 입구로 재순환시킴으로써 65% 이상의 전체적인 연료 활용도가 달성될 수 있다. 더 나아가, 재순환 루프에 리포밍 단계를 포함시킴으로써, 전체적인 시스템에 추가적인 물을 도입할 필요 없이 애노드 배기 흐름에 포함된 물만을 이용하여 리포머 물 필요조건을 충족시킬 수 있다.
더욱이, 여기에서 설명한 실시형태(즉, 외부 리포머를 이용하는 실시형태)는 제1 연료 전지의 하류에서 리포밍을 구현하는 장점이 있다. 상기 리포밍 단계는 제1 연료 전지 배기와 제2 연료 전지 입구 사이의 지점에서 발생하기 때문에, 리폼된 연료의 일부가 제2 연료 전지에 직접 공급될 수 있다. 일 양태에 따르면, 상기 리포머는 현재의 최신식 연료 전지 시스템에서 가능한 것보다 연료를 풍부하게 하기 위해 제1 연료 전지의 과잉 열을 더 많이 이용할 수 있고, 그에 따라서 전체적인 시스템 효율성을 증가시킬 수 있다. 여기에서 설명한 직렬 접속된 연료 전지 구성의 다른 장점은 kW에서 MW에까지 이르는 모든 규모에서의 높은 시스템 효율성; 재순환 블로워(blower) 및 분할기에서 재료 필요조건을 완화시키는 애노드 재순환 지점에서의 낮은 온도; 및 네른스트 전위(Nernst potential)를 부양하는 연료 스트림에서의 부산물인 물의 제거 중의 하나 이상을 포함한다.
이 기술에 숙련된 사람이라면 상이한 실시형태로부터의 각종 특징의 상호교환성을 인식할 것이고, 여기에서 설명한 각종 특징뿐만 아니라 각 특징에 대한 다른 공지의 균등물이 본 발명의 원리에 따라서 추가의 시스템 및 기술을 구성하기 위해 이 기술에 숙련된 사람에 의해 혼합 및 매칭될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 그러므로, 첨부된 특허 청구범위는 발명의 진정한 정신 내에 있는 한 이러한 모든 수정 및 변경을 포괄하도록 의도된다는 것을 이해하여야 한다.
지금까지 발명의 소정 특징만을 도시하고 설명하였지만, 이 기술에 숙련된 사람이라면 많은 수정 및 변경을 생각할 수 있을 것이다. 그러므로, 첨부된 특허 청구범위는 발명의 진정한 정신 내에 있는 한 이러한 모든 수정 및 변경을 포괄하도록 의도된다는 것을 이해하여야 한다.

Claims (21)

  1. 발전 시스템(100)에 있어서,
    (i) 제1 애노드 테일(anode tail) 가스 스트림(22)과 제1 캐소드 테일(cathode tail) 가스 스트림(24)을 생성하도록 구성된 제1 연료 전지(200);
    (ii) 상기 제1 연료 전지의 하류에 위치된 적어도 하나의 연료 리포머(300) - 상기 연료 리포머는, 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림(22)을 수신하고, 리폼된(reformed) 스트림(30)을 형성하기 위해 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림(22)을 리포머 연료 스트림(12)과 혼합하도록 구성됨 -;
    (iii) 상기 리폼된 스트림(30)을 제1 부분과 제2 부분으로 분할하는 분할 메카니즘(400);
    (iv) 상기 제1 연료 전지(200)가 적어도 부분적으로 상기 제1 부분을 연료로서 사용함으로써 제1 전력을 생성하도록 구성되게끔, 상기 제1 연료 전지(200)의 애노드 입구(221)로 상기 제1 부분을 순환(circulate)시키도록 구성된 연료 경로; 및
    (v) 상기 제2 부분(50)을 수신하고, 적어도 부분적으로 상기 제2 부분을 연료로서 사용함으로써 제2 전력을 생성하도록 구성된 제2 연료 전지(500) - 상기 제2 연료 전지(500)는 또한 제2 애노드 테일 가스 스트림(52)과 제2 캐소드 테일 가스 스트림(54)을 생성하도록 구성됨 -
    를 포함하고,
    상기 발전 시스템(100)은, 상기 제1 캐소드 테일 가스 스트림(24)과 상기 제2 캐소드 테일 가스 스트림(54)의 적어도 일부를 수신하고 이로부터 열을 추출하며, 상기 추출된 열의 적어도 일부를 상기 리폼된 스트림의 제1 부분에 전달하도록 구성된 제1 폐열회수기(recuperator)(800)를 더 포함하며, 상기 제1 폐열회수기는 또한 냉각된 캐소드 테일 가스 스트림(24)을 형성하도록 구성되며, 상기 발전 시스템은 상기 냉각된 캐소드 테일 가스 스트림의 적어도 일부를 상기 제1 연료 전지의 캐소드 입구로 순환시키도록 구성된 재순환 루프를 더 포함한 것을 특징으로 하는 발전 시스템(100).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연료 전지(200)는 고체 산화물 연료 전지이고, 상기 제2 연료 전지는 고체 산화물 연료 전지인 것인 발전 시스템(100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 리폼된 스트림(30)의 제2 부분에 대한 상기 리폼된 스트림(30)의 제1 부분의 비율은 0.6 내지 0.95의 범위 내에 있는 것인 발전 시스템(100).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 냉각된 캐소드 테일 가스 스트림의 적어도 일부로부터 열을 추출하고, 상기 추출된 열의 적어도 일부를 상기 제1 연료 전지의 캐소드 입구 스트림에 전달하도록 구성된 공기 예열기
    를 더 포함하는 발전 시스템(100).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료 리포머의 하류와 상기 분할 메카니즘(400)의 상류에 위치된 제2 폐열회수기
    를 더 포함하고,
    상기 제2 폐열회수기는 냉각된 리폼된 스트림을 형성하기 위해 상기 리폼된 스트림(30)으로부터 열을 추출하고, 상기 추출된 열의 적어도 일부를 상기 리폼된 스트림의 제1 부분에 전달하도록 구성된 것인 발전 시스템(100).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 폐열회수기의 하류와 상기 분할 메카니즘(400)의 상류에 위치된 제1 물 분리 유닛
    을 더 포함하고,
    상기 제1 물 분리 유닛은 상기 냉각된 리폼된 스트림(30)으로부터 물의 적어도 일부를 분리하도록 구성된 것인 발전 시스템(100).
  7. 제5항에 있어서,
    상기 연료 리포머의 하류와 상기 제2 폐열회수기의 상류에 위치된 제1 연료 예열기
    를 더 포함하고,
    상기 제1 연료 예열기는 상기 리폼된 스트림으로부터 열을 추출하고, 상기 추출된 열의 적어도 일부를 상기 연료 리포머에 진입하는 연료 스트림(30)에 전달하도록 구성된 것인 발전 시스템(100).
  8. 제7항에 있어서,
    상기 분할 메카니즘(400)의 하류와 상기 제2 연료 전지(500)의 상류에 위치된 제2 연료 예열기
    를 더 포함하고,
    상기 제2 연료 예열기는 냉각된 제2 애노드 테일 가스 스트림을 형성하기 위해 상기 제2 애노드 테일 가스 스트림으로부터 열을 추출하고, 상기 추출된 열의 적어도 일부를 상기 리폼된 스트림의 제2 부분에 전달하도록 구성된 것인 발전 시스템(100).
  9. 제8항에 있어서,
    상기 냉각된 제2 애노드 테일 가스 스트림으로부터 물의 적어도 일부를 분리하도록 구성된 제2 물 분리 유닛;
    상기 냉각된 제2 애노드 테일 가스 스트림의 적어도 일부를 수신하도록 구성된 연소 유닛; 및
    제3 전력을 생성하기 위해 상기 연소 유닛으로부터의 배기를 수신하도록 구성된 외부 연소 엔진
    을 더 포함하는 발전 시스템(100).
  10. 발전 방법에 있어서,
    제1 연료 전지(200)에서 제1 애노드 테일 가스 스트림(22)과 제1 캐소드 테일 가스 스트림(24)을 생성하는 단계;
    상기 제1 연료 전지(200)의 하류에 위치된 외부 리포머(300)에서 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림(22)을 수신하고, 리폼된 스트림(30)을 형성하기 위해 상기 외부 리포머(300)에서 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림(22)을 리포머 연료 스트림(20)과 혼합하는 단계;
    상기 리폼된 스트림(30)을 제1 부분과 제2 부분으로 분할하고, 상기 제1 부분을 상기 제1 연료 전지(200)의 애노드 입구로 순환시키는 단계;
    적어도 부분적으로 상기 제1 부분을 연료로서 사용함으로써 상기 제1 연료 전지(200)에서 제1 전력을 생성하는 단계;
    제2 연료 전지(500)에서 상기 제2 부분을 수신하고, 상기 제2 연료 전지(500)에서 제2 애노드 테일 가스 스트림(52)과 제2 캐소드 테일 가스 스트림(54)을 생성하는 단계; 및
    적어도 부분적으로 상기 제2 부분을 연료로서 사용함으로써 제2 전력을 생성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 방법은,
    제1 폐열회수기(800)에서 상기 제1 캐소드 테일 가스 스트림(24)과 상기 제2 캐소드 테일 가스 스트림(54)의 적어도 일부로부터 열을 추출하는 단계;
    상기 추출된 열의 적어도 일부를 상기 리폼된 스트림(30)의 제1 부분에 전달하는 단계; 및
    상기 제1 폐열회수기에서 냉각된 캐소드 테일 가스 스트림을 형성하고, 상기 냉각된 캐소드 테일 가스 스트림(24)의 적어도 일부를 상기 제1 연료 전지(200)의 캐소드 입구로 순환시키는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    제2 폐열회수기에서 냉각된 리폼된 스트림을 형성하기 위해 상기 리폼된 스트림(30)으로부터 열을 추출하고, 상기 추출된 열의 적어도 일부를 상기 리폼된 스트림의 제1 부분에 전달하는 단계; 및
    제1 물 분리 유닛에서 상기 냉각된 리폼된 스트림(30)으로부터 물의 적어도 일부를 분리하는 단계
    를 더 포함하는 발전 방법.
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