KR102436677B1 - Rep 및 pem 기술을 이용한 부하 추종 전력 생성 및 전력 저장 - Google Patents

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퓨얼 셀 에너지, 인크
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Abstract

수소 및 전력을 생성하기 위한 수소 생성 시스템은 전원 공급 장치, 전해질 매트릭스에 의해 분리된 애노드 및 캐소드를 포함하는 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 개질기-전해조-정제기(REP) 어셈블리, 적어도 하나의 저온 연료 전지 및 수소 저장소를 포함한다. 적어도 하나의 연료 전지는 전원 공급 장치에 의해 공급된 역 전압을 수신하고 적어도 하나의 연료 전지의 애노드에서 수소 함유 가스를 생성하도록 구성된다. 적어도 하나의 저온 연료 전지는 REP 어셈블리로부터 출력된 수소 함유 가스를 수용하도록 구성된다. 적어도 하나의 저온 연료 전지는 수소 함유 가스가 전력을 생성하는 데 사용되는 전력 생성 모드 및 수소 함유 가스가 압축되고 수소 저장소에 저장되는 전력 저장 모드로 선택적으로 동작하도록 구성된다.

Description

REP 및 PEM 기술을 이용한 부하 추종 전력 생성 및 전력 저장
관련 출원들에 대한 상호 참조
이 출원은 2017년 11월 16일자로 출원된 미국 출원 번호 제15/815,556호의 이익 및 우선권을 주장하며, 그 내용은 그 전체가 참조로서 본원에 통합된다.
정부 권리에 대한 성명
본 발명은 미국 에너지부가 수여한 협정 DE-EE0006669 하에서 정부의 지원으로 만들어졌다. 정부는 본 출원에서 특정 권리를 갖는다.
이 출원은 천연 가스, 메탄, ADG 소화 가스 등과 같은 연료로부터의 수소의 생성에 관한 것으로, 특히 수소 생성을 위한 연료 개질기-전해조-정제기(reformer-electrolyzer-purifier) 어셈블리를 사용하는 것에 관한 것이다. 이 출원은 또한 연료 개질기-전해조-정제기 어셈블리 및 연료 개질기-전해조-정제기 어셈블리가 통합된 연료 전지 시스템들과 같은 시스템들의 적용에 관한 것이다.
메탄, 프로판, 천연 가스, 석탄 가스 등과 같은 탄화수소 연료들은 에너지 소비 장치들은 물론 에너지 생성에도 널리 사용된다. 연료 전지들을 포함하여 탄화수소 연료를 이용하는 많은 장치들 및 시스템들은 수소(H2)를 생성하기 위해 연료를 개질해야 한다. 물 또는 탄화수소로부터 H2를 생성시킴으로써 에너지 저장이 수행될 수 있다. 개질기-전해조-정제기(reformer-electrolyzer-purifier; "REP")는 H2를 생성하는 데 사용될 수 있다. REP들 및 이들을 포함하는 시스템들의 예들은 본 출원의 양수인에게 양도된 PCT 공개 번호 제WO 2015/116964호에 기술되어 있다.
일반적으로, 순 전력 생성과 수요의 균형을 맞추기 위해, 전력망(power grids)과 같은 전력 공급 시스템들은 재생 가능 생성기들로부터 고전력 생성 기간 동안 초과 전력을 저장하고 재생 가능 공급원으로부터 저전력 생성 기간 동안 전력을 그리드로 반환해야 한다. 초과 전력 저장을 위한 종래의 솔루션들은 배터리, 저효율 전해조, 압축된 공기 에너지 저장 및 펌핑된 수력 발전 시스템을 사용하는 것이었으며, 이들 모두는 비싸거나 저장 용량이 제한적이거나 왕복 에너지 손실이 높다. 에너지 저장의 문제점들 중 하나는 저장 장비가 에너지 저장소가 필요하지 않은 대부분의 시간 동안 아이들(idle) 상태로 있다는 것이다. 마찬가지로, 부하 추종 전력 생성은 일반적으로 시스템이 최적의 발생 지점에서 벗어나 동작될 때 상대적으로 낮은 효율을 갖는다.
에너지 저장 및 부하 추종 전력 생성을 처리하는 개선된 시스템 및 방법이 필요하다.
적어도 하나의 실시예에서, 수소 및 전력을 생성하기 위한 수소 생성 시스템은 전원 공급 장치, 전해질 매트릭스에 의해 분리된 애노드 및 캐소드를 포함하는 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 개질기-전해조-정제기(REP) 어셈블리, 적어도 하나의 저온 연료 전지 및 수소 저장소를 포함한다. 적어도 하나의 연료 전지는 전원 공급 장치에 의해 공급된 역 전압을 수신하고, 적어도 하나의 연료 전지의 애노드에서 수소 함유 가스를 생성하도록 구성된다. 적어도 하나의 저온 연료 전지는 REP 어셈블리로부터 출력된 수소 함유 가스를 수용하도록 구성된다. 적어도 하나의 저온 연료 전지는 수소 함유 가스가 전력을 생성하는 데 사용되는 전력 생성 모드 및 수소 함유 가스가 수소 저장 시스템에서 압축되고 저장되는 전력 저장 모드로 선택적으로 동작하도록 구성된다.
일 양태에서, 전원 공급 장치는 역 전압을 인가하여, REP 어셈블리로부터 출력된 수소 함유 가스가 95% 이상의 수소를 포함하도록 구성된다.
일 양태에서, REP 어셈블리는 수소 생성 모드 및 전력 생성 모드로 선택적으로 동작하도록 구성되며; REP 어셈블리는 적어도 하나의 연료 전지가 수소 함유 가스를 생성하도록 REP 어셈블리가 수소 생성 모드로 동작할 때 적어도 하나의 연료 전지에 역 전압을 인가하도록 전원 공급 장치를 제어하고, 적어도 하나의 연료 전지가 연료로부터 전력을 생성하도록 REP 어셈블리가 전력 생성 모드로 동작할 때 적어도 하나의 연료 전지에 역 전압을 인가하지 않도록 전원 공급 장치를 제어하도록 프로그래밍된 컨트롤러를 더 포함한다.
일 양태에서, 적어도 하나의 연료 전지에 의해 생성된 전력은 전원 공급 장치로 출력되도록 구성된다.
일 양태에서, 적어도 하나의 저온 연료 전지가 전력 생성 모드로 동작하는 동안, 적어도 하나의 저온 연료 전지는 생성된 전력을 전원 공급 장치, REP 어셈블리 또는 이들의 조합으로 출력한다.
일 양태에서, 수소 생성 시스템은 제2 저온 연료 전지를 더 포함한다. 수소 저장소는 적어도 미리 저장된 양의 수소 함유 가스를 포함한다. 적어도 하나의 저온 연료 전지가 전력 생성 모드로 동작하는 동안, 제2 저온 연료 전지는 수소 저장소로부터 수소 함유 가스를 수용하고 생성된 전력을 전원 공급 장치로 출력하도록 구성된다.
일 양태에서, 전원 공급 장치가 상기 적어도 하나의 연료 전지에 역 전압을 인가할 때, 적어도 하나의 연료 전지의 상기 애노드에서 전기 분해 반응을 사용하여 수소 함유 가스로부터 이산화탄소가 분리되어, 적어도 하나의 연료 전지가 수소 함유 가스를 출력하고 별도로 이산화탄소 및 산소를 포함하는 산화제 가스를 출력한다.
일 양태에서, 수소 생성 시스템은 탄화수소 연료를 개질하고 개질된 연료를 가스 공급물로서 적어도 하나의 연료 전지로 출력하도록 구성된 하나 이상의 개질기들을 더 포함한다. 적어도 하나이 연료 전지는 메탄을 물과 반응시켜 수소 및 이산화탄소를 생성하는 단계, 및 일산화탄소와 물을 시프팅(shifting)시켜 수소 및 이산화탄소를 생성하는 단계 중 하나 이상을 수행하도록 더 구성된다.
일 양태에서, REP 어셈블리의 적어도 하나의 연료 전지는 용융 카보네이트 연료 전지를 포함하고 적어도 하나의 저온 연료 전지는 양성자 교환막 연료 전지(proton exchange membrane fuel cell)를 포함한다. 제2 저온 연료 전지는 양성자 교환막 연료 전지를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 수소 및 전력을 생성하기 위한 수소 생성 시스템은 전원 공급 장치, 전해질 매트릭스에 의해 분리된 애노드 및 캐소드를 포함하는 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 개질기-전해조-정제기(REP) 어셈블리, 압축기, 열 교환기 및 수소 저장소를 포함한다. 적어도 하나의 연료 전지는 전원 공급 장치에 의해 공급된 역 전압을 수신하고, 적어도 하나의 연료 전지의 애노드에서 수소 함유 가스를 생성하도록 구성된다. 수소 생성 시스템은 전력 저장 모드 및 전력 생성 모드로 선택적으로 동작하도록 구성된다. 수소 생성이 전력 저장 모드로 동작하는 동안, 압축기는 REP 어셈블리로부터 출력된 수소 함유 가스를 수용 및 압축하고, 열 교환기는 압축기로부터 출력된 압축된 수소 함유 가스를 수용하고, 수소 저장소는 열 교환기로부터 출력된 압축된 수소 함유 가스를 수용한다.
일 양태에서, 수소 생성 시스템은 전원 공급 장치로부터 전력을 수신하고 압축기를 구동시키도록 구성된 모터를 더 포함한다.
일 양태에서, 수소 생성 시스템은 제1 온도를 갖는 물을 수용하고, 저장하고, 출력하도록 구성된 온수 저장소, 및 제1 온도보다 더 작은 제2 온도를 갖는 물을 수용하고, 저장하고, 출력하도록 구성된 냉수 저장소를 더 포함한다. 수소 생성 시스템이 전력 저장 모드로 동작하는 동안, 열 교환기는 물을 온수 저장소로 출력하고, 냉수 저장소는 물을 열 교환기의 주입구로 출력한다.
일 양태에서, 수소 생성 시스템은 팽창기를 더 포함한다. 전력 생성 시스템이 전력 생성 모드로 동작하는 동안, 열 교환기는 온수 저장소로부터의 물 및 수소 저장소로부터의 수소 함유 가스를 수용하고, 팽창기는 열 교환기로부터 출력된 수소 함유 가스를 수용하고 수소 저장소에서 저장을 위해 수소 함유 가스를 압축하는 데 사용된 에너지의 적어도 일부를 회수하도록 수소 함유 가스를 팽창시킨다.
일 양태에서, 수소 생성 시스템은 팽창기로부터 출력된 수소 함유 가스 및 REP 어셈블리로부터 출력된 수소 함유 가스를 수신하고, 전력을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 저온 연료 전지를 더 포함한다.
일 양태에서, 적어도 하나의 저온 연료 전지에 의해 생성된 전력은 전원 공급 장치, REP 어셈블리 또는 이들의 조합으로 출력되도록 구성된다.
다른 실시예에서, 수소 및 전력을 생성하는 방법은 전해질 매트릭스에 의해 분리된 애노드 및 캐소드를 포함하는 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 개질기-전해조-정제기(REP) 어셈블리에서 연료 가스를 수용하는 단계; 적어도 하나의 연료 전지에 역 전압을 인가하는 단계로서, 역 전압은 전원 공급 장치에 의해 생성되는, 상기 인가하는 단계; 적어도 하나의 연료 전지의 애노드에서 수소 함유 가스를 생성하는 단계; 수소 함유 가스를 REP 어셈블리로부터 적어도 하나이 저온 연료 전지로 출력하는 단계; 수소 함유 가스가 전력을 생성하는 데 사용되는 전력 생성 모드로 적어도 하나의 저온 연료 전지를 동작시키는 단계; 및 수소 함유 가스가 압축되고 수소 저장소에 저장되는 전력 저장 모드로 적어도 하나이 저온 연료 전지를 동작시키는 단계를 포함한다.
당업자는 상기에 설명된 양태들이 상호 배타적이지 않고 조합될 수 있음을 이해할 것이다.
상기 및 다른 특징들 및 양태들은 첨부 도면들과 함께 다음의 상세한 설명을 읽을 때 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 REP 어셈블리를 포함하는 개질기-전해조-정제기(REP) 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 REP 시스템의 보다 상세한 도면을 도시한다.
도 3은 REP 어셈블리에서 발생하는 반응들을 도시한다.
도 4a 내지 4f는 수소 생성 시스템의 예시적인 구성들을 도시하는 것으로, 이들 각각은 하나 이상의 양성자 교환막(PEM) 전력 생성 시스템들에 사용하기 위한 수소를 생성하는 도 1의 REP 어셈블리를 포함한다. 도 4a 내지 4f의 구성들은 주로 공기가 수소 생성 시스템에 제공되는 방식, REP 어셈블리로부터 출력된 CO2/O2 혼합물이 이용되는 방식, CO2 포집의 제공 및/또는 수소 저장소의 제공에 있어 다르다.
도 5는 모드 1A - 부하 추종 전력 생성을 위한 전력 저장 모드의 수소 생성 시스템의 동작을 예시한다.
도 6은 모드 1B - 압축기(및 CO2/O2 열병합 발전)를 사용한 부하 추종 전력을 위한 전력 저장 모드의 수소 생성 시스템의 동작을 예시한다.
도 7은 모드 2A - 부하 추종 전력 생성을 위한 피크 전력 모드의 수소 생성 시스템의 동작을 예시한다.
도 8은 모드 2B - 팽창기(및 CO2/O2 열병합 발전)를 사용한 부하 추종 전력을 위한 피크 전력 모드의 수소 생성 시스템의 동작을 예시한다.
일반적으로 도면들을 참조하면, 이하에 설명되는 실시예들은 개질기-전해조-정제기(reformer-electrolyzer-purifier; REP) 어셈블리, 제1 저온 연료 전지, 제2 저온 연료 전지 및 수소 저장소를 포함하는 수소 발생 시스템에 관한 것이다. 제1 저온 연료 전지 및 제2 저온 연료 전지는 REP 어셈블리의 일부가 아니다. 추가로, 제1 저온 연료 전지 및 제2 저온 연료 전지는 동일한 연료 전지 스택에 포함되지 않는다. 즉, 제1 저온 연료 전지 및 제2 저온 연료 전지는 개별적으로 제공된다.
도 1은 REP 어셈블리(100)의 예를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 천연 가스, ADG 소화제 가스 또는 기타 적절한 연료와 같은 연료는 예열기(102)에서 낮은 레벨의 폐열(waste heat)을 사용하여 예열된 후, REP 어셈블리(100)에 공급된다. 연료는 예열 전 또는 후에 가습되거나 혼합될 수 있다. REP 어셈블리(100)에서, 연료는 증기와 반응하여 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소를 생성함으로써 개질되고, 수소는 다른 반응 생성물로부터 (CO3 이온으로) CO2를 분리함으로써 고온(예를 들어, 개질 온도)에서 정제되고, 완료를 위해 개질 반응을 촉진시킨다. REP 어셈블리(100)는 낮은 순도의 수소(대략 95 내지 98%)를 출력하고, 산소 및 이산화탄소를 포함하는 다른 반응 생성물을 개별적으로 출력한다. 도시된 바와 같이, 높은 레벨의 폐열은 REP 어셈블리(100)에 공급되어 모든 연료가 수소로 변환되도록 흡열성 개질 반응을 촉진시켜, 수소로의 메탄의 불완전 변환으로 인한 CO2 배출량을 감소시킨다.
도 2는 REP 스택(200) 및 전원 공급 장치(230)을 포함하는 REP 어셈블리(100)의 보다 상세한 도면을 도시한다. 하기의 예들에서, 전원 공급 장치(230)는 전력 그리드(power grid)이지만, 다른 양태들에서는, 전원 공급 장치(230)는 배터리, 전력 생성 모드에서 동작하는 다른 연료 전지 또는 연료 전지 어셈블리, 또는 임의의 다른 전력 저장 또는 전원 공급 장치일 수 있다. REP 스택(200)은 하나 이상의 개질 유일 전지들(202) 및 하나 이상의 REP 연료 전지들(204)를 포함하며, 이들 각각은 전해질 매트릭스에 의해 분리된 애노드(204a) 및 캐소드(204b)를 포함한다. 도 2에 예시된 바와 같이, 개질 유일 전지들(202)은 REP 스택(200)이 간접적인 내부 개질 스택이 되도록, 연료 전지 스택의 일부일 수 있다. 다른 예들에서, 연료를 개질하기 위해 내부 개질 유일 전지들(202) 대신에 또는 외에 외부 개질기가 사용될 수 있다. REP 연료 전지들(204)은 전원 공급 장치(230)에 의해 공급된 역 전압을 인가함으로써 역으로 동작될 때 개질된 공급물로부터 CO2를 펌핑할 수 있는 용융 카보네이트 연료 전지(molten carbonate fuel cell)들이다. 인가된 역 전압은 1.0 볼트보다 클 수 있는데, 예를 들어, 1.15 내지 1.5 볼트 범위에 있을 수 있다. 개질 유일 전지들(202) 및 REP 연료 전지들(204)은 연료가 먼저 개질 유일 전지들(202)을 통해 운반된 후, REP 연료 전지들(204)의 애노드들(204a)를 통해 운반되도록 스택으로 조립되고 직렬로 연결된다. 캐소드들(204b)은 시스템에 공급된 공기와 같은 고온 가스 및 REP 연료 전지들(204)의 애노드(204a)로부터 정제 동작으로 생성된 CO2/O2 가스 혼합물을 수용할 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, REP 어셈블리(100)는 REP 어셈블리의 전지들(204)로부터의 폐열을 이용하고/하거나 REP 어셈블리(100) 외부의 다른 장치들에 의해 생성되고/되거나 REP 어셈블리(100)와 통합된 하나 이상의 예열기들을 포함할 수 있다. 예열기(102)는 개질 유일 전지들(202)에 연료를 공급하기 전에 물과 혼합되거나 가습된 연료를 예열하기 위해 연료 전지(204) 및 개질 유일 전지들(202)로부터의 폐열을 사용한다. 다른 예열기(들)(104)는 전력을 생성하는데 사용되는 고온 연료 전지와 같은 다른 장치들로부터의 폐열을 사용하여 REP 어셈블리(100)에 공급되는 가스를 예열하기 위해 사용될 수 있다. 게다가, 도 2에 도시된 바와 같이, 산화제(106)는 보충 연료를 공기로 산화시킴으로써 보충 연료를 사용하여 REP 스택(200)으로 열을 증가시킨 다음, 캐소드(204b)에 공급되는 고온 산화제를 생성하기 위해 제공될 수 있다.
REP 연료 전지 스택(200)은 정제 개질 전해조로서, 정제 모드 또는 수소 생성 모드로 동작될 수 있다. 이러한 동작 동안, REP 어셈블리는 시스템으로부터 거의 모든 탄소를 CO3 이온으로 제거하고, 개질된 메탄으로부터 거의 순수한 수소를 생성한다. 동시에, REP 연료 전지 스택(200)은 증기의 해리(전기 분해)에 의해 추가 수소를 효율적으로 생성한다. CO2와의 전기분해 반응으로부터의 산소는 CO3 이온을 형성한다. 따라서, 천연 가스가 REP 어셈블리에 공급될 때, 수소 출력의 약 80%가 천연 가스 개질로부터 생성되며 수소의 나머지 20%가 전기분해 반응에 의해 제공된다. REP 어셈블리는 효율적이고 최소한의 CO2 배출로 수소를 생성한다.
도 2에서, 먼저 연료 가스는 개질 유일 전지(202)에서 부분적으로 개질된다. 개질 유일 전지(202)에서 물과 메탄 사이에 발생하는 반응은 도 3에 도시된다. 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 개질 유일 전지(202)로부터의 부분적으로 개질된 가스는 그런 다음 정제 모드(수소 생성 모드)로 동작하는 연료 전지(204)의 애노드 측(204a)에 전해조로서 공급된다. 연료 전지(204)에서, 물은 수소와 산소로 해리되고, 산소는 개질된 가스의 이산화탄소와 결합하여 CO3 이온을 생성한다. CO3 이온은 용융된 카보네이트 막(carbonate membrane)에 걸쳐 전기 화학적으로 제거된다. 연료 전지(204)의 애노드 측에서의 이러한 반응들이 도 3에 도시된다. 연료 전지(204)에서의 이러한 동작은 시스템 내의 거의 모든 탄소를 제거하고 평형 개질 및 시프트 반응을 강제하여 본질적으로 CH4 및 CO을 수소로 완전히 전환시킨다. 따라서, 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 배출 수소 함유 가스 스트림은 소량의 CO2와 CH4및 미량의 CO를 갖는 거의 순수한 수소(대략 95 내지 98%)이다. 이러한 소량의 CO2와 CH4는 수소가 고순도 수소를 필요로 하는 시스템들을 위해 가압될 때 쉽게 제거될 수 있다. 그러나, 많은 시스템들은 소량의 불순물들을 제거할 필요 없이 저순도 수소를 직접 사용할 수 있다. 미량의 CO2는 수소가 냉각될 때 CO(CO +3 H2 CH4 + H2O)를 메탄화함으로써 제거될 수 있다. 미량의 CO는 PEM 연료 전지 성능을 저하시킬 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전해조로서의 REP 연료 전지(204)의 동작은 컨트롤러(250)에 의해 제어될 수 있다. 컨트롤러(250)는 연료 전지(204)에 대한 반응 가스의 공급 또는 유량을 제어하도록 프로그래밍된다. 컨트롤러(250)는 또한 전원 제공 장치(230)으로부터 공급되는 연료 전지(204)에 인가된 전압 및 전류를 제어하여, 이온 전달이 정상 연료 전지 동작(전력 생성 모드)의 역 방향으로 되도록 프로그래밍된다. REP 어셈블리(100)의 연료 전지에서 발생하는 반응은 도 3에 도시된다. 컨트롤러(250)는 전해조로서의 동작과 정상 전력 생성 동작 사이에서 연료 전지(204)의 동작 모드들의 전환을 더 제어할 수 있다. 이러한 동작은 아래에 보다 상세히 설명된다. CO2와 산소(66/34%)가 바람직한 부산물인 경우, REP는 캐소드의 공기 스윕(sweep) 없이 동작될 수 있다. 공기 스윕이 사용될 때, REP 전압 및 전력 요구량은 공기가 REP로부터의 CO2/O2를 희석시키므로 감소된다.
도 4a 내지 4f는 수소 생성 시스템(4000)의 예시적인 구성들을 도시하며, 이들 각각은 하나 이상의 저온 연료 전지들(420)에 사용하기 위한 수소를 생성하는 REP 어셈블리(400)(예를 들어, 상기에 설명된 REP 스택(200)을 포함하는 REP 어셈블리(100))를 포함한다. 저온 연료 전지들은, 예를 들어, 양성자 교환막(PEM) 전력 생성 시스템들 또는 PEM 연료 전지들(420)일 수 있다. 다른 유형의 연료 전지들이 사용될 수 있지만, 고온 연료 전지들은 수소를 필요로 하지 않으며 부하 추종에 사용하기가 더 어렵다. PEM 전력 생성 시스템 또는 PEM 연료 전지(420)는 압축된 수소를 정제하고 전력을 생성하기 위한 둘 다를 위해 동작될 수 있다. 일반적으로, PEM 연료 전지는 애노드, 캐소드 및 그들 사이에 샌드위치된 고분자 전해질 막을 갖는 막 전극 어셈블리(membrane electrode assembly)를 포함한다. 막 전극 어셈블리는 수소를 연료 전지의 한 면에 애노드로, 산소를 연료 전지의 다른 면에 캐소드로 채널링하도록 구성된 한 쌍의 플로우 필드 플레이트들에 의해 샌드위치된다. 애노드는 촉매, 예를 들어, 수소 가스가 양성자(양으로 하전된 수소 이온) 및 전자(음으로 하전)로 분열되게 하는 백금 촉매를 포함할 수 있다. 고분자 전해질 막은 양성자가 단지 캐소드로 통과하게 할 뿐이며, 여기서 전력 생성 모드에서, 양성자는 캐소드에 공급된 산소와 결합하여 물을 형성한다. 전자는 외부 회로를 따라 캐소드로 이동하여(즉, 전자는 고분자 전해질 막을 통과하지 않음), 전류를 생성(즉, 전기 에너지를 생성)한다. 정제 모드의 PEM 연료 전지는 H2를 가압하는 것은 물론이고 이를 정제하는 데도 사용될 수 있다. 이 모드에서, 저순도 수소는 애노드에 공급되고 순수한 수소는 캐소드를 떠난다.
도 4a 내지 4f의 예시적인 시스템들은 또한 천연 가스와 같은 연료를 증기 형태의 물로 부분적으로 개질하기 위한 외부 개질기(430), 및 개질기(430)를 위해 하이 레벨 열을 생성하는 버너와 같은 하이 레벨 히터(440)를 포함한다.
도 4a 내지 4f에 도시된 바와 같이, 천연 가스 및 물과 같은 연료는 물을 기화시키기 위해, 외부 소스로부터 나오는 로우 레벨 폐열을 사용하여 열 교환기(450)에서 예열된다. 그런 다음, 결과적으로 생긴 증기와 연료의 혼합물은 개질기(430)로 운반되며, 여기서 연료는 하이 레벨 히터(440)에 의해 제공된 하이 레벨 열을 사용하여 부분적으로 개질된다. 버너일 수 있는 하이 레벨 히터(440)는 산화제 가스 및 연료와 범(bums)의 슬립스트림을 수용하거나 연료를 산화시켜 개질기(430)의 개질 반응을 위해 하이 레벨 열을 발생시킨다. 그런 다음, 개질기로부터 출력된 부분적으로 개질된 연료는 REP 어셈블리(400)의 애노드 측(412)에 공급되며, 이는 일반적으로 95% 이상의 순도를 갖는 수소 함유 가스 스트림을 생성한다. REP 어셈블리(400)는 전해조와 반대로 동작되는 MCFC 연료 전지 스택을 포함하며, 상기에 설명된 REP 스택(200)과 동일하거나 유사한 구성 및 동작을 갖는다. REP 어셈블리(400)는 또한 연료 전지 스택에 역 전압을 인가하기 위한 전원 공급 장치(예를 들어, 상기에 설명된 전원 공급 장치(230))를 포함한다. REP 어셈블리(400)는 또한 REP 어셈블리(400)에서의 반응 결과의 결과로서 생성된 CO2/O2 혼합물을 포함하는 산화제 가스를 캐소드 측(414)으로부터 별도로 출력한다. REP 어셈블리(400)에서 발생하는 반응은 상기에 설명되어 있으며, 도 3에 도시된다.
도 4a 내지 4f의 시스템에서, REP 어셈블리(400)에 의해 생성된 수소 함유 가스 스트림은 냉각되어 처리될 수 있으며, 그 후 하나 이상의 PEM 연료 전지들을 포함하는 하나 이상의 PEM 전력 생성 시스템(420)에 공급된다. 냉각 공정 동안 또는 후에, 부분적으로 냉각된 수소 함유 가스는 수소 가스 스트림의 모든 CO 및 대부분의 CO2를 메탄과 물로 전환시키는 개질 촉매(도시되지 않음)와 접촉되어, 95% 이상의 수소, 5% 이하의 메탄 + CO2, 및 1 ppm 미만의 CO의 혼합물이 하나 이상의 PEM 전력 생성 시스템들(420)의 애노드 측(422)으로 운반된다. 도 4a 내지 4f의 예시적인 구성들에서, PEM 연료 전지(들)의 애노드 측(422)으로부터의 블로우 다운(blow down)은 연료 전지의 메탄 농도를 낮게 유지하는 데 사용된다. 구체적으로, PEM 연료 전지(들)의 애노드 측(422)으로부터 출력된 메탄 및 수소를 포함하는 애노드 배기 가스는 연료의 100 %가 사용되고 PEM 연료 전지(들)의 애노드 측(422)에 공급된 연료 가스의 메탄 농도가 낮도록 애노드 배기물 리사이클 경로(426)를 통해 개질 시스템으로 다시 리사이클링되고 시스템으로 유입되는 연료 및 물과 혼합된다. REP 시스템에 공급하기 위해 필요한 가스 압력을 제공하기 위해 리사이클 송풍기 어셈블리(recycle blower assembly)(425)가 리사이클 경로에 제공된다.
도 4a 내지 4f의 구성들은 주로 공기가 수소 생성 시스템(4000)에 제공되는 방식, REP 어셈블리(400)로부터 출력된 CO2/O2 혼합물이 이용되는 방식, CO2 포집의 프로비전 및/또는 수소 저장소의 프로비전이 다르다. 도 4a 내지 4f의 수소 생성 시스템(4000)의 서로 다른 구성들이 이제 설명될 것이다.
도 4a에서, 수소 생성 시스템(4000)에 공급된 공기는 하이 레벨 히터(440) 및 PEM 전력 생성 시스템(420)에 사용된다. 도시된 바와 같이, 공기의 제1 부분(462)은 연료의 슬립스트림으로 연소하기 위해 하이 레벨 히터(440)로 운반되고, 공기의 제2 부분(464)은 PEM 전력 생성 시스템(420)의 캐소드 측(424)으로 운반된다. 송풍기(466) 또는 유사한 장치는 제2 공기 부분(464)를 PEM 전력 생성 시스템(420)의 캐소드 측(424)로 공급하는 데 사용될 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 공기는 REP 어셈블리(400)의 캐소드 측(414)으로 공급되지 않는다. 이 구성은 REP 어셈블리(400)를 동작시키기 위해 보다 많은 전력을 필요로 하지만, REP 어셈블리(400)는 캐소드 측(414)으로부터 30% 초과의 산소를 갖는 산화제 가스를 출력한 다음, 제2 공기 부분과 함께 PEM 전력 생성 시스템(420)의 캐소드 측(424)으로 운반된다. PEM 전력 생성 시스템(420)으로 이러한 충분한 산화제 가스의 공급은 PEM 전력 생성 시스템(420)의 동작 성능을 향상시킨다. 도 4a의 예시적인 구성에서, PEM 전력 생성 시스템(420)의 캐소드 측(424)으로부터 출력된 캐소드 배기물은 수소 생성 시스템(4000) 밖으로 배출된다.
도 4b는 도 4a의 구성과 유사한 구성을 도시하지만, 제2 공기 부분(464)은 PEM 전력 생성 시스템(420)의 캐소드 측(424)으로 직접 공급되는 대신 REP 어셈블리(400)의 캐소드 측(414)으로 운반된다. 유사하고 유사한 기능들을 갖는 모든 구성 요소들은 유사한 참조 번호들로 표시되며 이에 대한 상세한 설명은 생략된다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 공기의 제2 부분(464)는 REP 어셈블리(400)의 캐소드 측(414)로부터 출력된 산화제 배기물의 열을 사용하여 열 교환기(428)에서 예열된 다음, 예열된 제2 공기 부분은 REP 어셈블리(400)의 캐소드 측(414)으로 운반된다. 이 예시적인 구성은 요구되는 더 낮은 전압으로 인해 REP 어셈블리(400)의 전력 소모를 감소시키지만, 열 교환기를 추가해야 한다.
도 4a 내지 4b의 시스템들은 수소 저장소를 추가함으로써 피킹 시스템(peaking system)으로 동작하도록 쉽게 구성될 수 있다. 도 4c는 수소 저장소(480)를 갖는 피킹 시스템으로 구성된 도 4a의 수소 발생 시스템(4000)의 예시적인 구성을 도시한다. 수소는 전형적으로 1000 내지 2000 psig로 저장되지만, 일부 예들에서, 수소는 50psig 내지 10,000 psig로 저장될 수 있다. 유사하고 유사한 기능들을 갖는 모든 구성 요소들은 유사한 참조 번호들로 표시되며 이에 대한 상세한 설명은 생략된다.
도 4c에서, 선택형 수소 발생 시스템(4000)은 저장을 위해 압축된 후 REP 어셈블리(400)에 의해 생성된 수소 함유 가스의 전부 또는 일부를 정제하기 위한 수소 정제 어셈블리(470) 및 수소 정제 어셈블리(470)로부터 출력된 정제되고 압축된 수소를 저장하기 위한 수소 저장 어셈블리(480)를 포함한다. 도 4c의 수소 발생 시스템(4000)은 REP 어셈블리(400)가 수소 함유 가스를 지속적으로 생성하기 위해 지속적으로 동작될 수 있게 하는 한편, PEM 에너지 생성 시스템(420) 및 수소 저장 어셈블리(480)는 외부 전력 요구에 기초하여 동작될 수 있다. 구체적으로, REP 어셈블리(400)에 의해 생성된 수소 함유 가스는 PEM 에너지 생성 시스템(420)에 대한 외부 전력 요구에 따라 수소 저장 어셈블리(480)에 저장되거나 PEM 에너지 생성 시스템(420)에서 직접 전력으로 변환될 수 있다. 추가로, PEM 에너지 생성 시스템(420)으로 운반되는 수소 함유 가스의 양 및 수소 저장 어셈블리(480)로 운반되는 수소 함유 가스의 양은 PEM 에너지 생성 시스템(420)의 작동 조건 및/또는 PEM 에너지 생성 시스템(420)에 대한 전력 요구에 기초하여 컨트롤러(490)에 의해 제어된다.
도 4c에 도시된 바와 같이, REP 어셈블리(400)로부터 출력된 수소 함유 가스의 전부 또는 일부는 전력을 생성하기 위한 PEM 에너지 생성 시스템(420)으로 및/또는 수소 함유 가스가 압축기(472)를 사용하여 압축된 다음, 압력 변동 흡착기(pressure swing adsorber; PSA) 또는 전기 화학적 수소 압축기(electrochemical hydrogen compressor; EHC)와 같은 선택형 정제 장치(474)에서 수소 정제되는 수소 저장 어셈블리(470)로 운반될 수 있다. EHC가 압축기(427)로 사용되는 경우, 추가 정제가 필요하지 않을 수 있다. 전력 생성에는 정제가 필요하지 않지만, 수소가 다른 용도를 위해 내보내지는 경우에는 필요할 수 있다. 수소 함유 가스가 압축기(472)에서 압축된 후, 정제 장치(474)에서의 정제는 가스 내 낮은 레벨의 오염 물질로 인해 상대적으로 달성하기기가 쉽다. 그런 다음, 정제 장치(474)로부터 출력된 정제된 가압된 수소 가스는 피크 전력 생성 동안 PEM 전력 생성 어셈블리(420)에서 향후 사용을 위해 및/또는 외부 장치로의 출력을 위해 저장하기 위해 수소 저장 어셈블리(480)로 운반된다. 도 4c에 도시되지 않았지만, 수소 저장소(480)에 저장하기 위해 수소를 압축하는 데 사용된 에너지의 일부를 회수하도록 수소 저장소(480)로부터 PEM 전력 생성 시스템(420)으로 운반된 가압된 수소를 팽창시키는 수소 팽창기가 제공될 수 있다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 시스템은 또한 불순물들(주로 CH4)을 정제 장치(474)로부터 개질기(430)에 사용하기 위해 PEM 전력 생성 시스템(420)에 의해 생성된 애노드 배기물을 리사이클링하는 PEM 애노드 배기물 리사이클 경로(426)로 운반하기 위한 수소 바이패스 경로(476)를 포함한다. 상기에 논의된 바와 같이, 수소 생성 시스템(4000)은 또한 수소 생성 시스템(4000)의 동작을 제어하고, 특히 REP 어셈블리(400)에 의해 생성된 수소 함유 가스의 사용 및 라우팅을 제어하기 위한 컨트롤러(490)를 포함한다. 구체적으로, 컨트롤러(490)는 REP 어셈블리(400)로부터 PEM 전력 생성 시스템(420)으로 운반되는 수소 함유 가스의 양, REP 어셈블리(400)로부터 수소 정제 어셈블리(470)로 운반되는 수소 함유 가스의 양, 수소 정제 어셈블리(470)로부터 수소 저장 어셈블리(480)로 운반되는 정제된 수소의 양, 수소 저장 어셈블리(480)로부터 PEM 전력 생성 시스템(420)으로 운반되는 수소의 양 및 수소 저장 어셈블리(480)로부터 출력되는 수소의 양을 제어하도록 프로그래밍된다. 이러한 제어들은 REP 어셈블리 및 PEM 전력 생성 시스템의 동작 모드, PEM 전력 생성 시스템에 대한 외부 전력 요구, 수소 저장 어셈블리의 용량 및 연료 공급의 구성을 포함하여, 많은 요인들에 기초한다. 따라서, 예를 들어, 외부 전력 요구가 낮을 때 및/또는 PEM 전력 생성 시스템이 전력을 생성하지 않거나 낮은 전력일 때, 컨트롤러(490)는 REP 어셈블리에 의해 생성된 더 많은 양의 수소 함유 가스, 또는 모든 수소 함유 가스가 수소 정제 어셈블리(470)로 운반되고 수소 저장 어셈블리(480)에 저장되도록 제어한다. 그러나, PEM 전력 생성 어셈블리(420)의 피크 전력 동작 동안과 같이, 전력 요구가 높을 경우, 컨트롤러(490)는 REP 어셈블리에 의해 생성된 수소 함유 가스의 전부 또는 더 많은 일부가 수소 정제 어셈블리(470)로 운반되는 수소 함유 가스가 거의 없거나 전혀 없는 PEM 전력 생성 시스템(420)의 애노드 측(422)으로 운반되도록 제어한다. 이러한 높은 전력 요구 동안, 컨트롤러(490)는 또한 추가 전력을 생성하기 위해 수소가 수소 저장 어셈블리(480)로부터 PEM 전력 생성 시스템(420)으로 운반되도록 제어할 수 있다. 게다가, 수소 저장 어셈블리(480)의 저장 용량이 낮아질 경우, 컨트롤러(490)는 수소가 수소 저장 어셈블리(480)로부터 출력되고/되거나 PEM 전력 생성 시스템(420)에 공급되도록 제어할 수 있다. 동일한 컨트롤러(490) 또는 다른 제어 장치는 또한 제1 공기 부분(462)이 하이 레벨 히터(440)에 제공되는 공기의 양 및 제2 공기 부분(464)이 PEM 전력 생성 시스템(420)의 캐소드 측(424)에 제공되는 공기의 양을 제어한다는 것이 더 고려된다. 유사한 컨트롤러가 도 4a 및 4b에 도시된 시스템들에 제공될 수 있다.
도 4d는 도 4c의 수소 생성 시스템(4000)의 변형된 구성을 도시한다. 유사하고 유사한 기능들을 갖는 모든 구성 요소들은 유사한 참조 번호들로 표시되며 이에 대한 상세한 설명은 생략된다. 도 4d에 도시된 구성에서, REP 어셈블리(400)로부터 출력된 CO2/O2 혼합물을 포함하는 산화제 가스는 개질기(430) 내 개질 반응을 위해 히터(440)에서 하이 레벨 열을 생성하는 데 필요한 연료를 산화시키는 데 사용된다. 도 4d의 수소 생성 시스템(4000)에서, 모든 공기(460)는 송풍기(466) 등을 통해 PEM 전력 생성 시스템(420)의 캐소드 측(424)으로 운반되고, REP 어셈블리(400)에는 공기가 공급되지 않는다. 도시된 바와 같이, REP 어셈블리(400)의 캐소드 측(414)은 CO2/O2 혼합물을 포함하는 산화제 가스를 연료의 슬립스트림을 산화시키고 개질기(430)를 위한 하이 레벨 열을 발생시키는 데 사용되는 하이 레벨 히터(440)로 출력한다. 하이 레벨 히터(440)는 주로 CO2 및 소량의 미반응 산소를 갖는 물을 포함하고, CO2 포집을 위해 처리될 수 있는 연도 가스 배기물(flue gas exhaust)을 출력한다. 구체적으로, 히터(440)로부터의 연도 가스 배기물은 물을 응축시키기 위해 냉각되며, 그 결과로 생긴 가스는 저장 또는 다른 용도를 위해 쉽게 포집될 수 있는 거의 순수한 CO2이다. 도 4d의 수소 생성 시스템(4000)의 장점들 중 하나는 입력 CO2/O2 혼합물 및 산화 반응에 질소가 존재하지 않기 때문에 하이 레벨 히터(440)에 의해 NOx가 생성되지 않는다는 것이다. 따라서, 이 시스템은 CO2 포집 유무에 관계없이 환경에 민감한 영역들에서도 쉽게 설치될 수 있다. 도 4d의 시스템의 또 다른 이점은 상기에 설명된 바와 같이, 히터 배기물로부터 CO2의 쉬운 포집이다.
도 4e는 도 4d에 도시된 수소 생성 시스템(4000)의 변형된 구성을 도시하며, 두 개의 PEM 연료 전지들(420a 및 420b)을 포함하는데, 여기서 제1 PEM 연료 전지(420a)는 전력 생성에 사용되고 제2 PEM 연료 전지(420b)는 추가 전력을 생성하면서 CO2 포집을 용이하게 하도록 REP 어셈블리(400)에 의해 생성된 CO2/O2 혼합물로부터 산소를 산화 및 제거하기 위해 추가된다. 유사하고 유사한 기능들을 갖는 모든 구성 요소들은 유사한 참조 번호들로 표시되며 이에 대한 상세한 설명은 생략된다.
도 4e에 도시된 바와 같이, 공기(460)가 시스템에 공급되는데, 공기의 제1 부분(462)은 하이 레벨 히터(440)에 제공되고 공기의 제2 부분(464)이 송풍기(466) 또는 유사한 장치를 사용하여 제1 PEM 연료 전지(420a)의 캐소드 측(424a)에 제공된다. 도 4e의 예시적인 실시예에서, 공기는 REP 어셈블리(400)의 캐소드 측(414)으로 공급되지 않는다. 제1 공기 부분(462)의 양과 제2 공기 부분(464)의 양은 컨트롤러(490) 또는 별도의 제어 장치일 수 있는 컨트롤러에 의해 제어된다.
도 4e에서, REP 어셈블리(400)의 애노드 측(412)으로부터 출력되는 수소 함유 가스의 제1 부분(416a)은 제1 PEM 연료 전지(420a)의 애노드 측(422a)으로 운반되고, REP 어셈블리(400)의 애노드 측(412)으로부터 출력되는 수소 함유 가스의 제2 부분(416b)은 제2 PEM 연료 전지(420b)의 애노드 측(422b)으로 운반된다. 게다가, REP 어셈블리(400)로부터 출력된 수소 함유 가스의 전부 또는 일부를 포함할 수 있는 수소 함유 가스의 제3 부분(418)은 수소 저장 어셈블리(480)에 저장하고/하거나 바이패스 경로(476)를 통해 리사이클링하기 위해 수소 정제 어셈블리(470)로 운반될 수 있다. REP 어셈블리(400)로부터 제1 및 제2 PEM 연료 전지들(420a, 420b)로 및/또는 수소 정제 어셈블리(470)로 운반되는 수소 함유 가스의 양은 PEM 연료 전지들(420a, 420b)에 대한 외부 전력 요구들, REP 어셈블리(400)에 의해 생성된 CO2/O2 혼합물의 양, 수소 저장 어셈블리(480)의 저장 용량 및 다른 요인들에 기초하여 컨트롤러(490)에 의해 제어된다. 정제 어셈블리(470)로부터 수소 저장 어셈블리(480)로 및/또는 수소 바이패스 경로(476)로 운반되는 정제되고 가압된 수소의 양도 컨트롤러(490)에 의해 제어된다.
도 4e에서, REP 어셈블리(400)의 캐소드 측(414)으로부터 출력된 CO2/O2 혼합물은 애노드 크기(422b)에 공급되는 수소 가스와 전기 화학적으로 반응되는 제2 연료 전지(420b)의 캐소드 측(424b)으로 운반된다. 제2 PEM 연료 전지 어셈블리의 캐소드 측(424b)은 대부분 소량의 잔류 산소를 갖는 CO2 및 물을 포함하는 캐소드 배기물을 출력한다. 이 캐소드 배기물은 냉각되어 물을 응축시킨 후 저장 또는 다른 용도를 위한 CO2 포집을 위해 제공될 수 있다. REP 어셈블리(400)에 의해 생성된 CO2/O2 혼합물을 수용하고 반응시키기 위한 제2 PEM 연료 전지(420b)의 사용은 어떠한 CO도 생성하지 않고 캐소드 배기물 내 산소의 농도가 낮아진다. 그 결과, 제2 PEM 연료 전지(420b)의 캐소드 배기물로부터의 CO2 포집이 단순화된다. 예시되지 않았지만, 다른 양태들에서, 수소 정제 어셈블리(470)는 REP 어셈블리(400)로부터 출력된 수소 함유 가스가 제1 PEM 연료 전지(420a) 및/또는 제2 PEM 연료 전지(420b)로 직접 운반되고, 제1 PEM 연료 전지(420a) 및/또는 제2 PEM 연료 전지(420b)로부터 출력된 수소 함유 가스는 수소 저장소(480)로 운반되고/되거나 애노드 배기물 리사이클 경로(426)를 통해 개질 시스템으로 다시 리사이클링된다.
도 4f는 시스템(4000)의 추가적인 잠재적 구성을 도시한다. 유사하고 유사한 기능들을 갖는 모든 구성 요소들은 유사한 참조 번호들로 표시되며 이에 대한 상세한 설명은 생략된다. 도 4f에서, 공기(460)는 송풍기(466) 또는 유사한 장치를 사용하여 시스템에 공급된다. 공기의 제1 부분(462)은 하이 레벨 히터 (440)로 운반되기 전에 REP 어셈블리(400)의 캐소드 측(414)으로부터 출력된 공기/CO2/O2 혼합물로부터의 열을 사용하여 열 교환기(428)에서 예열된다. 공기의 제2 부분(464)는 PEM 전력 생성 시스템(420)의 캐소드 측(424)에 제공된다. 도 4f의 시스템에서, 히터(440)에서의 산화 반응에 의해 생성된 연도 가스는 히터로부터 출력되며, REP 어셈블리(400)의 캐소드 측(414)으로 운반된다. 이 연도 가스는 REP 동작 온도로 가열되며, 연도 가스로 REP 캐소드를 스윕함으로써 REP 전압 및 필요한 전력 입력이 감소될 것이다. REP 어셈블리(400)에 의해 생성된 CO2/O2 혼합물은 연도 가스와 혼합되어 REP 어셈블리의 캐소드 측(414)으로부터 출력되고, 열 교환기(428)를 통해 운반되어 시스템으로부터 출력된다.
또한 도 4f에 도시된 바와 같이, REP 어셈블리(400)에 의해 생성된 수소 함유 가스는 그 애노드 측(412)으로부터 출력되며 PEM 전력 생성 시스템(420)의 애노드 측(422)로 운반된다. PEM 시스템(420)의 애노드 측(422)으로부터 출력되고 수소 및 메탄을 포함하는 애노드 배기물은 REP 어셈블리(400)의 애노드 측(412)으로 리사이클링된다. PEM 애노드 배기물을 재순환시키는데 필요한 압력을 제공하기 위해 애노드 배기물 리사이클 경로(426)에 송풍기를 포함하는 리사이클 송풍기 어셈블리(425)가 사용될 수 있다. 리사이클 송풍기 어셈블리(425)는 또한 REP에서 리사이클링된 메탄을 수소로 전환함으로써 PEM 연료 전지의 메탄 농도를 낮게 유지한다. 개질기 연료(도시되지 않음)로의 리사이클 스트림의 작은 블로우 다운을 사용하여 REP 수소에서 불활성 성분(inerts)(예컨대, N2)의 형성을 방지할 수 있다. 개질기(440)로부터의 배기 가스로 REP 어셈블리(400)의 캐소드 측을 스윕하는 것은 REP 어셈블리에 의해 요구되는 전압 및 전력을 감소시킬 것이다. REP 어셈블리(400)는 또한 개질기(440) 배기물 중 NOx를 감소시킬 것으로 예상된다.
상기에 설명된 수소 생성 시스템(4000)의 다양한 예들의 작동 모드들이 이제 상세히 논의될 것이다. 간략화를 위해, REP 어셈블리 및 PEM 전력 생성 시스템이 개략적으로 예시되어 있지만, 상기에 설명된 REP 어셈블리 또는 PEM 전력 생성 시스템(또는 PEM 연료 전지) 중 어느 것도 사용될 수 있는 것으로 이해된다. 본 출원에 설명된 임의의 수소 생성 시스템은 하기에 설명된 바와 같이, REP 어셈블리로부터 출력된 수소가 궁극적으로 수소 저장소에 저장되는 전력 저장 모드 및 수소 저장소로부터의 수소가 전력을 생성하는 데 사용되는 피크 전력 모드로 동작될 수 있다.
전력 저장 모드
모드 1A - 가역 EHC를 사용하는 부하 추종 전력 생성을 위한 전력 저장 모드
그리드에 대해 생성된 전력의 양과 그리드로부터의 전력에 대한 요구를 일치시키기 위해서는 부하 추종 전력 생성이 필요하다. 이는 전력 생성이 제어될 수 없기 때문에, 재생 가능한 전력 생성이 증가함에 따라 더욱 중요해지고 있다. 현재는, 저효율 부하 추종 전력 생성이 사용된다. 그러나, 향후에는, 그리드에 대한 전력과 전력 요구를 일치시키기 위해 전력 저장은 물론, 전력 생성이 필요해질 것이다.
도 5는 모드 1A - 부하 추종 전력 생성을 위한 전력 저장 모드의 수소 생성 시스템의 동작을 예시한다. 모드 1A에서, 전력 그리드(530)(또는 임의의 다른 전원, 예를 들어 상기에 설명된 전원 공급 장치(230))로부터의 초과 전력은 REP 어셈블리(500) 및 EHC 모드로 동작하는 제1 PEM 시스템 또는 PEM 연료 전지(520a)를 동작시키는 데 사용된다. 천연 가스와 물 및 전력은 REP 어셈블리(500)로 공급되는데, 이 REP 어셈블리는 수소(대략 95 내지 98% 순도)를 생성하고, EHC 모드로 동작하는 제1 PEM 시스템 또는 PEM 연료 전지(520a)에 수소를 공급한다. 제1 PEM 시스템 또는 PEM 연료 전지(520a)는 역으로 전기 화학 수소 정제기 및 압축기로 동작되고, 압축되고 정제된 수소를 수소 저장소(580)(예를 들어, 상기에 설명된 수소 저장소(480)) 및 애노드 배기물 리사이클 경로(526)(예를 들어, 상기에 설명된 애노드 배기물 리사이클 경로(426))로 출력한다. 리사이클은 수소로 전환하기 위해 비전환된 메탄을 다시 REP로 보낸다. 제1 PEM 전력 생성 시스템 또는 PEM 연료 전지(520a)는 제1 PEM 전력 생성 시스템 또는 PEM 연료 전지(520a)가 저장을 위해 수소 가스를 가압하므로 전기 화학적 수소 압축(electrochemical hydrogen compression; EHC) 모드로 동작하고 있다. 이 예에서, 제1 PEM 전력 생성 시스템 또는 PEM 연료 전지(520a)는 가역적이며, 필요할 때 전력을 생성하도록 동작될 수 있다. 수소 저장소(580) 내의 수소는 예를 들어 피크 전력이 필요할 때 사용될 수 있다. 제2 PEM 전력 생성 시스템 또는 PEM 연료 전지(520b)는 모드 1A 동작 동안 아이들(idle) 상태이다.
모드 1B - 압축기를 사용한(또한 CO 2 /O 2 생성을 이용한) 부하 추종 전력을 위한 전력 저장 모드
도 6은 모드 1B - 부하 추종 전력 및 CO2/O2 생성을 위한 전력 저장 모드의 수소 생성 시스템의 동작을 예시한다. 모드 1B에서, 전력 그리드(530)(또는 임의의 다른 전원, 예를 들어 상기에 설명된 전원 공급 장치(230))로부터의 전력은 REP 어셈블리(500) 및 압축기/팽창기(571)를 구동시키도록 구성된 모터/생성기(motor/generator)(595)를 동작시키는 데 사용된다. 이 경우는 EHC를 사용한 모드 1A와 유사하지만, 이 예는 기계식 압축기를 사용하며 저장된 수소를 정제하지 않는다. 천연 가스와 물 및 전력은 REP 어셈블리(500)로 공급되며, 이 REP 어셈블리는 수소(대략 95 내지 98% 순도)를 생성하고, 수소를 압축하고 수소를 열 교환기(596)으로 출력하는 압축기(572)에 수소를 공급한다. 압축기가 수소를 가열하기 때문에, 수소를 저장소로 보내기 전에 수소를 냉각시키는 것이 보다 효율적이다. 이 예에서, 수소는 열 교환기(596)에서 냉수(냉수 저장소(597)에 의해 공급됨)를, 예를 들어 미리 결정된 온도로, 가열하고, 가열된 물은 온수 저장소(598)에 출력되어 저장된다. 이는 시스템이 압축 시스템에 의해 생성된 열을 회수할 수 있게 한다. 피크 전력 모드에서 온수를 사용하여 팽창기 전력 출력을 증가시키는 팽창기로 가는 수소를 예열하고 가습할 수 있다. 수소는 열 교환기(596)로부터 출력되어 추후 사용을 위해 수소 저장소(580)에 저장된다. 제2 PEM 전력 생성 시스템 또는 PEM 연료 전지(520b)는 모드 1B 동작 동안 아이들(idle) 상태이다. REP 어셈블리(500)로부터 출력된 CO2/O2 혼합물을 포함하는 산화제 가스는 CO2 포집 및/또는 O2 출력에 사용된다. EHC보다는 압축기를 사용하는 것이 대형 시스템에 더 경제적(cost-effective)이다.
피크 전력 모드
모드 2A - 가역 EHC를 사용한 부하 추종 전력 생성을 위한 피크 전력 모드
도 7은 모드 2A - 부하 추종 전력 생성을 위한 피크 전력 모드의 도 5의 시스템의 동작을 예시한다. 모드 2A에서, 전력은 여전히 REP 어셈블리(500)를 동작시키는 데 사용된다. 천연 가스와 물 및 전력은 REP 어셈블리(500)로 공급되며, 이 REP 어셈블리는 수소(대략 95 내지 98% 순도)를 생성하고, 제1 가역 PEM 연료 전지(520a)에 수소를 공급한다. 전력 생성 모드로 제1 PEM 연료 전지(520a)의 동작 동안, 제1 PEM 연료 전지(520a)는 생성된 전력을 전원 공급 장치, REP 어셈블리(500) 또는 이들의 조합으로 출력하도록 구성된다. 예를 들어, 제1 PEM 연료 전지(520a)는 전력 생성 모드로 동작되어 REP 어셈블리(500)를 위한 전력을 생성하고 전력 그리드(530)로 전력을 출력할 수 있다. 일부 예들에서, PEM으로부터의 전원의 약 30%가 REP 어셈블리에 공급되고 약 70%가 그리드에 공급된다. 수소 저장소(580)로부터의 수소는 제2 PEM 전력 생성 시스템 또는 PEM 연료 전지(520b)로 운반되며, 이는 또한 전력을 전력 생성 모드로 동작되어 전력을 생성하고 전원 공급 장치, REP 어셈블리(500) 또는 이들의 조합으로 출력한다. 일부 예들에서, 제2 PEM 연료 전지(520b)에 의해 생성된 모든 전력은 그리드로 보내지고, 출력은 그리드 수요(부하 추종)를 충족시키도록 조정된다.
모드 2B - 팽창기를 사용한(CO 2 생성을 이용한) 부하 추종 전력을 위한 피크 전력 모드
도 8은 모드 2B - 부하 추종 전력을 위한 피크 전력 모드의 시스템의 동작을 예시한다. 이 예에서, 도 4d에 도시된 바와 같은 CO2 생성/포집은 또한 제로 CO2 전력을 생성하도록 통합된다. 모드 2B에서, 수소 저장소(580)로부터의 수소는 온수 저장소(598)로부터 출력된 물도 수용되는 열 교환기 (596)로 운반된다. 온수는 팽창기 전력 생성을 증가시키기 위해 팽창기 이전에 수소를 가습하고 가열하는 데 사용될 수 있다. REP 시스템으로부터의 폐열도 수소를 가열하는 데 사용될 수 있을 것이다. 열 교환이 발생한 후, 열 교환기(596)로부터 출력된 가압된 수소는 모드 1A에서 저장 어셈블리(580)에 저장하기 위해 수소를 압축하는 데 사용된 에너지의 일부를 회수하기 위해 가압된 수소를 팽창시키도록 구성된 수소 팽창기(571)로 운반되고, 열 교환기(596)로부터 출력된 물은 냉수 저장소(597)로 운반된다. 수소 팽창기(571)는 생성기/모터(573)를 구동시킨다. 저압, 일반적으로 3 내지 15 psig의 팽창된 수소는 수소 팽창기(571)로부터 전력 생성 모드로 동작되는 제1 PEM 전력 생성 시스템 또는 PEM 연료 전지(520a)로 운반된다. PEM 연료 전지의 팽창기로부터의 전력은 REP 어셈블리(500)를 동작시키는 데 사용된다. 천연 가스, 물 및 전력은 REP 어셈블리(500)로 공급되며, 이 REP 어셈블리는 수소(대략 95 내지 98% 순도)를 생성하고, PEM 전력 생성 시스템 또는 PEM 연료 전지(520a)에 수소를 공급한다. 전력 생성 모드로 PEM 전력 생성 시스템 또는 PEM 연료 전지(520a)의 동작 동안, PEM 전력 생성 시스템 또는 PEM 연료 전지(520a)는 생성된 전력을 전원 공급 장치, REP 어셈블리(500) 또는 이들의 조합으로 출력하도록 구성된다. 예를 들어, PEM 전력 생성 시스템 또는 PEM 연료 전지(520a)는 전력 생성 모드로 동작되어 REP 어셈블리(500)를 위한 전력을 생성하고 전력 그리드(530)로 전력을 출력할 수 있다. REP 어셈블리(500) 전력 사용 후 제1 PEM 전력 생성 시스템 또는 PEM 연료 전지(520a)에 의해 생성된 순 전력(net power)은 전력 그리드(530)로 출력된다. REP 어셈블리(500)로부터 출력된 CO2/O2 혼합물을 포함하는 산화제 가스는 예를 들어, 모드 1B에서 설명된 바와 같이, CO2 포집 및/또는 O2 출력에 사용된다.
모드 1B 및 2B는 REP 어셈블리(500)로부터 출력된 CO2/O2 혼합물을 포함하는 산화제 가스가 CO2 포집 및/또는 O2 출력에 사용된다는 점에서 모드 1A 및 2A와 상이하다. REP 어셈블리는 REP 어셈블리(500)로부터 출력된 CO2를 효율적으로 포집하기 위해 개질기와 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 4c를 참조하여 상기에 설명된 바와 같이, REP 어셈블리(500)로부터 출력된 CO2/O2 혼합물은 개질기에서 개질 반응을 위해 히터에서 하이 레벨 열을 발생시키는 데 필요한 연료를 산화시키는 데 사용될 수 있다. 히터는 주로 CO2 및 소량의 미반응 산소를 갖는 물을 포함하고, CO2 포집을 위해 처리될 수 있는 연도 가스 배기물을 출력할 수 있다. 구체적으로, 히터로부터의 연도 가스 배기물은 물을 응축시키기 위해 냉각되며, 그 결과로 생긴 가스는 저장 또는 다른 용도를 위해 쉽게 포집될 수 있는 거의 순수한 CO2이다. 예를 들어, REP 어셈블리로부터 출력된 CO2는 애노드 가스 산화제(AGO)와 같은 산화제 가스를 수용하는 장치에 사용될 수 있다. 또한, 모드 1B 및 2B는 가역 전기 화학적 수소 압축기(EHC)가 아닌 수소 저장을 위한 압축기/팽창기를 포함하며, 이는 모드 1A에서는 압축 및 정제에 사용되고 모드 1B에서는 전력 생성에 사용된다.
도 5 내지 8에서 보이는 바와 같이, 시스템의 대부분의 장비는(전력 생성 및 전력 저장 동안) 항상 동작되고 있으며, 피크 전력이 효율적으로 생성된다. 제2 PEM 전력 생성 시스템 또는 PEM 연료 전지가 전력 저장 모드 동안 아이들 상태이지만, PEM 전지는 PEM 전지를 아이들 상태로 하는 것이 전체 전력 생성 비용에 상대적으로 적은 영향을 미치도록 상대적으로 낮은 자본 비용을 갖는다. 시스템은 대략 40%의 어느 정도의 전력 생성 효율을 상기에 설명하며, 이는 부하 추종 전력 시스템에 대해 일반적으로 20 내지 30% 효율의 개선이다. 40 % 전력 생성 효율은 천연 가스로부터의 전력에 대한 전체 시스템 효율이다. 이 시스템을 사용할 경우, 저장 압력에 따라 달라지는 (EHC 또는 압축기에서의) 압축 전력으로부터 전력 저장에 대한 유일한 손실이 발생한다. 추가로, REP 어셈블리에 공급된 전력은 수소를 생성하는 것은 물론, 전력 저장 모드에서 많은 전력이 저장을 위해 수소로 변환되도록 천연 가스를 정제하는 데 사용된다.
상기에 설명된 동작 모드 외에 또는 이에 대한 대안으로서, 일부 예들에서는, 저장되는 전력의 값이 0 또는 음(negative)에 가까운 경우, 더 높은 탄소 함량 및/또는 CO2를 갖는 보다 저렴한 공급 원료가 전력 저장 모드 동안 사용될 수 있다. 이 전력 가격에서, REP의 전기 분해에 의해 생성된 수소는 천연 가스로부터의 H2보다 저렴할 것이다.
다양한 예시적인 실시예들에 도시된 바와 같은 REP 어셈블리가 통합된 REP 어셈블리 및 시스템들의 구성 및 배열들은 단지 예시일 뿐이다. 몇몇 실시예들만이 본 개시에서 상세히 설명되었지만, 본원에 설명된 주제의 신규한 교시 및 장점을 실질적으로 벗어나지 않으면서 많은 수정들 및 조합들(예를 들어, 다양한 요소들의 크기, 치수, 구조, 형태 및 비율의 변화, 파라미터 값, 장착 배열, 재료의 사용, 컬러, 배향, 이미지 처리 및 세그멘테이션 알고리즘 등)이 가능하다. 일체로 형성된 것으로 도시된 일부 요소들은 다수의 부분들 또는 요소들로 구성될 수 있으며, 요소들의 위치가 반대로 되거나 아니면 변경될 수 있고, 개별 요소들 또는 위치들의 특성이나 수가 변경되거나 달라질 수 있다. 임의의 프로세스, 논리적 알고리즘 또는 방법 단계들의 순서 또는 시퀀스는 대안적인 실시예들에 따라 변하거나 다시 시퀀싱될 수 있다. 또한, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 예시적인 실시예들의 설계, 동작 조건들 및 배열에서 다른 대체들, 수정들, 변경들 및 생략들이 이루어질 수 있다.
상기에 설명된 시스템들 중 어느 것도 또한 디스플레이 또는 출력 장치, 키보드, 마우스, 터치 스크린과 같은 입력 장치 또는 다른 입력 장치를 포함할 수 있으며, 논리적 네트워크를 통해 추가 시스템들에 연결될 수 있다. 본원에 설명된 많은 실시예들은 프로세서들을 갖는 하나 이상의 원격 컴퓨터들에 대한 논리적 연결들을 사용한 네트워크 환경에서 실시될 수 있다. 논리적 연결들은 제한이 아닌 예시로서 본원에 제시된 근거리 통신망(LAN) 및 광역 통신망(WAN)을 포함할 수 있다. 이러한 네트워킹 환경들은 사무실 전체 또는 기업 전체 컴퓨터 네트워크들, 인트라넷들 및 인터넷에서 일반적이며, 다양한 통신 프로토콜을 사용할 수 있다. 당업자는 이러한 네트워크 컴퓨팅 환경이 일반적으로 개인용 컴퓨터, 핸드 헬드 장치, 멀티 프로세서 시스템, 마이크로 프로세서 기반 또는 프로그램 가능 가전, 네트워크 PC, 미니 컴퓨터, 메인 프레임 컴퓨터 등을 포함하여, 많은 유형의 컴퓨터 시스템 구성들을 포함할 수 있음을 이해할 수 있다. 실시예들은 또한 태스크가 통신 네트워크를 통해 (하드 와이어드 링크, 무선 링크, 또는 하드 와이어드 또는 무선 링크들의 조합에 의해) 링크된 로컬 및 원격 처리 장치들에 의해 수행되는 분산 컴퓨팅 환경들에서 실시될 수 있다. 분산 컴퓨팅 환경에서, 프로그램 모듈들은 로컬 및 원격 메모리 저장 장치들 둘 다에 위치될 수 있다.
다양한 실시예들은 방법 단계들의 일반적인 맥락에서 설명되며, 이는 네트워크 환경의 컴퓨터들에 의해 실행되는 프로그램 코드와 같은, 컴퓨터 실행 가능 인스트럭션들을 포함하는 프로그램 제품에 의해 일 실시예에서 구현될 수 있다. 일반적으로, 프로그램 모듈들은 특정 태스크들을 수행하거나 특정 추상적인 데이터 유형을 구현하는 루틴, 프로그램, 객체, 구성 요소, 데이터 구조 등을 포함한다. 컴퓨터 실행 가능 인스트럭션들, 관련 데이터 구조들 및 프로그램 모듈들은 본원에 개시된 방법들의 단계들을 실행하기 위한 프로그램 코드의 예를 나타낸다. 이러한 실행 가능한 인스트럭션들 또는 관련 데이터 구조들의 특정 시퀀스는 이러한 단계에서 설명된 기능들을 구현하기 위한 대응되는 행동들의 예들을 나타낸다.
실시예들의 소프트웨어 및 웹 구현들은 다양한 데이터베이스 검색 단계들, 상관 단계들, 비교 단계들 및 결정 단계들을 달성하기 위해 규칙 기반 로직 및 다른 로직을 갖는 표준 프로그래밍 기술들로 달성될 수 있을 것이다. 또한, 본원 및 청구 범위에 사용된 "구성 요소" 및 "모듈"이라는 단어들은 하나 이상의 소프트웨어 코드 라인들을 사용한 구현들, 및/또는 하드웨어 구현들, 및/또는 수동 입력들을 수신하기 위한 장비를 포함하도록 의도된다.
본원에 사용된 바와 같이, "대략", "약", "실질적으로"라는 용어들 및 유사한 용어들은 본 개시의 주제가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 일반적이고 용인되는 사용법과 조화를 이루는 넓은 의미를 갖는 것으로 의도된다. 본 개시를 검토하는 당업자는 이러한 용어들이 이러한 특징들의 범위를 제공된 정확한 수치 범위로 제한하지 않으면서 기술되고 청구된 특정 특징들의 설명을 허용하도록 의도된다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 이러한 용어들은 설명되고 청구된 주제의 비현실적이거나 중요하지 않은 수정들 또는 변경들이 첨부된 청구 범위에 인용된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주됨을 나타내는 것으로 해석되어야 한다.
본원에서 요소들의 위치들(예를 들어, "상단(top)", "하단(bottom)", "위(above)", "아래(below)" 등)에 대한 언급은 단지 도면들에서 다양한 요소들의 배향을 설명하는데 사용된다. 다양한 요소들의 배향은 다른 예시적인 실시예들에 따라 다를 수 있으며, 이러한 변동들은 본 개시에 포함되도록 의도된다는 것에 유의해야 한다.
본원에서 실질적으로 임의의 복수 및/또는 단수 용어들의 사용에 대해, 당업자는 문맥 및/또는 적용에 적절한 것과 같이 복수에서 단수로 및/또는 단수에서 복수로 번역할 수 있다. 다양한 단수/복수 순열은 명확성을 위해 본원에 명시적으로 제시될 수 있다.

Claims (15)

  1. 수소 및 전력을 생성하기 위한 수소 생성 시스템으로서,
    상기 수소 생성 시스템은,
    전원 공급 장치;
    전해질 매트릭에 의해 분리된 애노드 및 캐소드를 포함하는 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 개질기-전해조-정제기(reformer-electrolyzer-purifier; REP) 어셈블리로서, 상기 적어도 하나의 연료 전지는 상기 전원 공급 장치에 의해 공급된 역 전압을 수신하고 상기 적어도 하나의 연료 전지의 상기 애노드에서 수소 함유 가스를 생성하도록 구성된, 상기 REP 어셈블리;
    제 1 온도를 갖는 물(water)을 수용, 저장 및 출력하도록 구성된 온수 저장소;
    상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도를 갖는 물을 수용, 저장 및 출력하도록 구성된 냉수 저장소;
    열 교환기; 및
    수소 저장소 또는 적어도 하나의 저온 연료 전지 중 적어도 하나
    를 포함하며;
    상기 REP 어셈블리는 상기 수소 함유 가스를 상기 수소 저장소 또는 상기 적어도 하나의 저온 연료 전지 중 적어도 하나로 출력하도록 구성되고,
    상기 수소 생성 시스템은 전력 저장 모드 및 전력 생성 모드에서 선택적으로 동작하도록 구성되며,
    상기 전력 저장 모드에서 상기 수소 생성 시스템의 작동 동안, 상기 열 교환 기는 물을 상기 온수 저장소로 출력하고, 상기 냉수 저장소는 상기 열 교환기의 주입구로 물을 출력하는 것인,
    수소 생성 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 저온 연료 전지는 상기 수소 함유 가스가 전력을 생성하는 데 사용되는 상기 전력 생성 모드 및 상기 수소 함유 가스가 압축되고 수소 저장 시스템에 저장되는 상기 전력 저장 모드로 선택적으로 동작하도록 구성되는, 수소 생성 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 REP 어셈블리로부터 출력된 상기 수소 함유 가스는 95% 이상의 수소를 포함하는, 수소 생성 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 REP 어셈블리는,
    상기 적어도 하나의 연료 전지가 상기 수소 함유 가스를 생성하도록 상기 REP 어셈블리가 상기 수소 생성 모드로 동작할 때 상기 적어도 하나의 연료 전지에 상기 역 전압을 인가하도록 상기 전원 공급 장치를 제어하고,
    상기 적어도 하나의 연료 전지가 연료로부터 전력을 생성하고 선택적으로 상기 생성된 전력을 상기 전원 공급 장치로 출력하도록 상기 REP 어셈블리가 상기 전력 생성 모드로 동작할 때 상기 적어도 하나의 연료 전지에 상기 역 전압을 인가하지 않도록 상기 전원 공급 장치를 제어하도록 프로그래밍된 컨트롤러를 더 포함하는, 수소 생성 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 저온 연료 전지가 상기 전력 생성 모드로 동작하는 동안, 상기 적어도 하나의 저온 연료 전지는 상기 생성된 전력을 상기 전원 공급 장치, 상기 REP 어셈블리 또는 이들의 조합으로 출력하도록 구성되는, 수소 생성 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    제2 저온 연료 전지를 더 포함하며,
    상기 수소 저장소는 적어도 미리 저장된 양의 상기 수소 함유 가스를 포함하고;
    상기 적어도 하나의 저온 연료 전지가 상기 전력 생성 모드로 동작하는 동안, 상기 제2 저온 연료 전지는 상기 수소 저장소로부터 상기 수소 함유 가스를 수용하고 상기 생성된 전력을 상기 전원 공급 장치로 출력하도록 구성되는, 수소 생성 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전원 공급 장치가 상기 적어도 하나의 연료 전지에 상기 역 전압을 인가할 때, 상기 적어도 하나의 연료 전지의 상기 애노드에서 전기 분해 반응을 사용하여 상기 수소 함유 가스로부터 이산화탄소가 분리되어, 상기 적어도 하나의 연료 전지가 상기 수소 함유 가스를 출력하고 별도로 이산화탄소 및 산소를 포함하는 산화제 가스를 출력하는, 수소 생성 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    탄화수소 연료를 개질하고 개질된 연료를 가스 공급물로서 상기 적어도 하나의 연료 전지로 출력하도록 구성된 하나 이상의 개질기들을 더 포함하며,
    상기 하나 이상의 연료 전지는,
    메탄을 물과 반응시켜 수소 및 이산화탄소를 생성하는 단계; 및
    일산화탄소와 물을 시프팅시켜 수소 및 이산화탄소를 생성하는 단계
    중 하나 이상을 수행하도록 더 구성되는, 수소 생성 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 REP 어셈블리로부터 출력된 상기 수소 함유 가스를 압축하도록 구성된 압축기를 더 포함하며,
    상기 열 교환기는 상기 압축기로부터 출력된 상기 압축된 수소 함유 가스를 수용하도록 구성되고;
    상기 수소 저장소는 상기 열 교환기로부터 출력된 냉각되고 압축된 수소 함유 가스를 수용하도록 구성되는, 수소 생성 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전력 생성 모드에서 상기 수소 생성 시스템의 작동 동안, 상기 열 교환기는 상기 온수 저장소 및 상기 수소 함유 가스로부터 물을 수용하여 상기 수소 함유 가스를 예열 및 가습하기 위해 열 교환을 수행하는 것인, 수소 생성 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    팽창기를 더 포함하며;
    상기 수소 저장 시스템이 상기 전력 생성 모드로 동작하는 동안, 상기 팽창기는 상기 열 교환기로부터 출력된 상기 수소 함유 가스를 수용하고, 상기 수소 저장소에 저장하기 위해 상기 수소 함유 가스를 압축하는 데 사용된 에너지의 적어도 일부를 회수하도록 상기 수소 함유 가스를 팽창시키는, 수소 생성 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 하나 이상의 저온 연료 전지는,
    상기 팽창기로부터 출력된 수소 함유 가스 및 상기 REP 어셈블리로부터 출력된 수소 함유 가스를 수용하고,
    전력을 생성하도록 구성되는, 수소 생성 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 REP 어셈블리의 상기 적어도 하나의 연료 전지는 용융 카보네이트 연료 전지를 포함하고;
    상기 적어도 하나의 저온 연료 전지는 양성자 교환막 연료 전지를 포함하는, 수소 생성 시스템.
  14. 제1항의 상기 수소 생성 시스템을 사용하여 수소 및 전력을 생성하는 방법으로서, 상기 방법은,
    상기 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 상기 REP 어셈블리에서 연료 가스를 수용하는 단계;
    상기 전원 공급 장치에 의해 공급된 상기 역 전압을 상기 적어도 하나의 연료 전지에 인가하는 단계;
    상기 적어도 하나의 연료 전지의 상기 애노드에서 상기 수소 함유 가스를 생성하는 단계; 및
    상기 수소 함유 가스를 상기 REP 어셈블리로부터
    상기 수소 저장소, 또는
    상기 적어도 하나의 저온 연료 전지
    중 적어도 하나로 출력하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저온 연료 전지가 상기 전력 생성 모드로 동작하는 동안, 제2 저온 연료 전지는 상기 REP 어셈블리로부터 상기 수소 함유 가스의 또 다른 일부를 수용하고 전력을 생성하는, 방법.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11745891B2 (en) * 2020-04-14 2023-09-05 Raytheon Technologies Corporation Aircraft fuel system with electrochemical hydrogen compressor
CA3173708A1 (en) * 2020-12-04 2022-07-14 Versa Power Systems Ltd Solid oxide fuel cell system with carbon capture and increased efficiency

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040202914A1 (en) 2003-04-09 2004-10-14 Ion America Corporation Co-production of hydrogen and electricity in a high temperature electrochemical system
WO2015116964A1 (en) 2014-01-31 2015-08-06 Fuelcell Energy, Inc. Reformer-electrolyzer-purifier (rep) assembly for hydrogen production, systems incorporating same and method of producing hydrogen

Family Cites Families (97)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3094390A (en) 1958-07-09 1963-06-18 Air Prod & Chem Production and storage of converted hydrogen
US3180813A (en) 1961-05-31 1965-04-27 Consolidation Coal Co Electrolytic process for producing hydrogen from hydrocarbonaceous gases
IT1020634B (it) 1974-06-11 1977-12-30 Shell Bv Motore a combustione interna con riciclo dei gas di scarico
CA1242985A (en) 1984-02-08 1988-10-11 William P. Hegarty Method for controlling fluidized catalytic cracker regenerator temperature and velocity with carbon dioxide
JPS60235893A (ja) 1984-05-09 1985-11-22 Osaka Gas Co Ltd Ｃｏ及びｈ↓２を含むガスのメタン化方法
US4849091A (en) 1986-09-17 1989-07-18 Uop Partial CO combustion with staged regeneration of catalyst
DK162961C (da) 1989-11-20 1992-05-25 Haldor Topsoe As Braendselscellekraftvaerk
JP3407747B2 (ja) 1992-06-19 2003-05-19 石川島播磨重工業株式会社 水分分離器を備えた燃料電池発電装置
US5346778A (en) 1992-08-13 1994-09-13 Energy Partners, Inc. Electrochemical load management system for transportation applications
US5346613A (en) 1993-09-24 1994-09-13 Uop FCC process with total catalyst blending
US5413878A (en) 1993-10-28 1995-05-09 The United States Of America As Represented By The Department Of Energy System and method for networking electrochemical devices
US5711770A (en) 1996-01-04 1998-01-27 Malina; Mylan Energy conversion system
US5928806A (en) 1997-05-07 1999-07-27 Olah; George A. Recycling of carbon dioxide into methyl alcohol and related oxygenates for hydrocarbons
US6187465B1 (en) 1997-11-07 2001-02-13 Terry R. Galloway Process and system for converting carbonaceous feedstocks into energy without greenhouse gas emissions
JPH11169661A (ja) 1997-12-12 1999-06-29 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 二酸化炭素回収装置
JP4100479B2 (ja) 1998-02-04 2008-06-11 信行 神谷 二酸化炭素分解方法
CN1360556A (zh) 1999-07-09 2002-07-24 株式会社荏原制作所 通过可燃物气化制造氢的方法和装置及燃料电池发电方法和燃料电池发电系统
WO2002005363A2 (en) 2000-07-10 2002-01-17 Global Thermoelectric Inc. Integrated module for solid oxide fuel cell systems
JP2002319428A (ja) 2001-04-19 2002-10-31 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 溶融炭酸塩型燃料電池発電設備
US20060248800A1 (en) 2002-09-05 2006-11-09 Miglin Maria T Apparatus and process for production of high purity hydrogen
JP4103510B2 (ja) 2002-09-05 2008-06-18 株式会社Ｉｈｉ 酸素及び二酸化炭素の精製と高濃度化処理方法
AU2003286064A1 (en) * 2002-11-27 2004-06-18 Hydrogenics Corporation An electrolyzer module for producing hydrogen for use in a fuel cell power unit
US7070874B2 (en) 2002-12-24 2006-07-04 Fuelcell Energy, Inc. Fuel cell end unit with integrated heat exchanger
US7276306B2 (en) 2003-03-12 2007-10-02 The Regents Of The University Of California System for the co-production of electricity and hydrogen
US7014932B2 (en) 2003-03-19 2006-03-21 Proton Energy Systems, Inc. Drainage system and process for operating a regenerative electrochemical cell system
US7045238B2 (en) 2003-03-24 2006-05-16 Ion America Corporation SORFC power and oxygen generation method and system
JP2004311159A (ja) 2003-04-04 2004-11-04 Central Res Inst Of Electric Power Ind 高圧水素製造方法および装置並びに燃料電池自動車
US7878280B2 (en) 2003-04-09 2011-02-01 Bloom Energy Corporation Low pressure hydrogen fueled vehicle and method of operating same
US7364810B2 (en) 2003-09-03 2008-04-29 Bloom Energy Corporation Combined energy storage and fuel generation with reversible fuel cells
US7575822B2 (en) 2003-04-09 2009-08-18 Bloom Energy Corporation Method of optimizing operating efficiency of fuel cells
US7150927B2 (en) 2003-09-10 2006-12-19 Bloom Energy Corporation SORFC system with non-noble metal electrode compositions
US6896988B2 (en) 2003-09-11 2005-05-24 Fuelcell Energy, Inc. Enhanced high efficiency fuel cell/turbine power plant
WO2005028715A1 (en) 2003-09-22 2005-03-31 Hydrogenics Corporation System and method for alarm recovery for an electrolyzer cell module
US20050112425A1 (en) 2003-10-07 2005-05-26 Ztek Corporation Fuel cell for hydrogen production, electricity generation and co-production
US20050123810A1 (en) 2003-12-09 2005-06-09 Chellappa Balan System and method for co-production of hydrogen and electrical energy
US7422810B2 (en) 2004-01-22 2008-09-09 Bloom Energy Corporation High temperature fuel cell system and method of operating same
JP5138219B2 (ja) 2004-03-30 2013-02-06 浜松ホトニクス株式会社 レーザ加工方法
JP4751580B2 (ja) 2004-03-31 2011-08-17 東京瓦斯株式会社 発電装置
US7396603B2 (en) 2004-06-03 2008-07-08 Fuelcell Energy, Inc. Integrated high efficiency fossil fuel power plant/fuel cell system with CO2 emissions abatement
US7323270B2 (en) 2004-08-11 2008-01-29 Fuelcell Energy, Inc. Modular fuel-cell stack assembly
US7381487B2 (en) 2004-12-27 2008-06-03 Fuelcell Energy, Inc. In-situ removal of electrolyte from gas oxidizer
US8691462B2 (en) 2005-05-09 2014-04-08 Modine Manufacturing Company High temperature fuel cell system with integrated heat exchanger network
WO2007014127A2 (en) 2005-07-25 2007-02-01 Ion America Corporation Fuel cell system with partial recycling of anode exhaust
GB0524486D0 (en) 2005-12-01 2006-01-11 Rolls Royce Fuel Cell Systems An electrolysis apparatus
JP4813887B2 (ja) 2005-12-12 2011-11-09 三菱重工業株式会社 ガスタービンプラント
JP5237829B2 (ja) 2006-01-23 2013-07-17 ブルーム エナジー コーポレーション モジュール式燃料電池システム
WO2008033452A2 (en) 2006-09-13 2008-03-20 Ceramatec, Inc. High purity hydrogen and electric power co-generation apparatus and method
JP2008084698A (ja) 2006-09-27 2008-04-10 Toshiba Corp 燃料改質装置及び燃料電池システム
CA2569006C (en) 2006-11-20 2013-12-24 Jose Lourenco Method to condense and recover carbon dioxide from fuel cells
US8435689B2 (en) 2006-10-23 2013-05-07 Bloom Energy Corporation Dual function heat exchanger for start-up humidification and facility heating in SOFC system
US20080155984A1 (en) 2007-01-03 2008-07-03 Ke Liu Reforming system for combined cycle plant with partial CO2 capture
US7862938B2 (en) 2007-02-05 2011-01-04 Fuelcell Energy, Inc. Integrated fuel cell and heat engine hybrid system for high efficiency power generation
US9557057B2 (en) 2007-02-09 2017-01-31 Dale Robert Lutz Reliable carbon-neutral power generation system
US7833668B2 (en) 2007-03-30 2010-11-16 Bloom Energy Corporation Fuel cell system with greater than 95% fuel utilization
US7846599B2 (en) 2007-06-04 2010-12-07 Bloom Energy Corporation Method for high temperature fuel cell system start up and shutdown
US8852820B2 (en) 2007-08-15 2014-10-07 Bloom Energy Corporation Fuel cell stack module shell with integrated heat exchanger
WO2009031747A1 (en) 2007-09-06 2009-03-12 Korea Institute Of Machinery And Materials Power plant having pure oxygen combustor
US8062804B2 (en) 2007-10-31 2011-11-22 Fuelcell Energy, Inc. Flow control assembly for use with fuel cell systems operating on fuels with varying fuel composition
US7935245B2 (en) 2007-12-21 2011-05-03 Uop Llc System and method of increasing synthesis gas yield in a fluid catalytic cracking unit
US8652694B2 (en) 2008-03-04 2014-02-18 Fuelcell Energy, Inc. Water recovery assembly for transferring water from fuel cell cathode exhaust
US8366902B2 (en) 2008-03-24 2013-02-05 Battelle Energy Alliance, Llc Methods and systems for producing syngas
CA2727766C (en) 2008-07-07 2013-10-08 Osum Oil Sands Corp. Carbon removal from an integrated thermal recovery process
JP5137199B2 (ja) 2008-07-07 2013-02-06 東京瓦斯株式会社 大気中二酸化炭素の分離回収処理装置
US8062799B2 (en) * 2008-08-19 2011-11-22 Fuelcell Energy, Inc. High-efficiency dual-stack molten carbonate fuel cell system
JP5496494B2 (ja) 2008-11-26 2014-05-21 中国電力株式会社 発電システム
AU2009332961A1 (en) 2008-12-31 2011-07-14 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Process for producing a methane-rich gas
JP2010212141A (ja) 2009-03-11 2010-09-24 Fuji Electric Systems Co Ltd 燃料電池発電装置
JP5106461B2 (ja) 2009-03-27 2012-12-26 中国電力株式会社 二酸化炭素回収装置
US20100266923A1 (en) 2009-04-15 2010-10-21 Bloom Energy Corporation Fuel cell system with electrochemical hydrogen pump and method of operating same
IT1394308B1 (it) 2009-05-21 2012-06-06 Genport S R L Gruppo di generazione elettrica di tipo trasportabile/carrellabile e metodo impiegante tale gruppo di generazione elettrica.
US8153309B2 (en) 2009-05-27 2012-04-10 GM Global Technology Operations LLC Apparatus and method using hydrogen pressure in fuel cell electric vehicle
US8632922B2 (en) 2009-06-16 2014-01-21 Shell Oil Company Systems and processes for operating fuel cell systems
US8563186B2 (en) 2009-06-16 2013-10-22 Shell Oil Company Systems and processes of operating fuel cell systems
KR20110114816A (ko) 2010-04-14 2011-10-20 삼성중공업 주식회사 연료전지 발전시스템을 이용한 이산화탄소 포집장치 및 그 방법
WO2011137916A1 (en) 2010-05-05 2011-11-10 Topsoe Fuel Cell A/S Process for operating a high temperature fuel cell stack
US9819038B2 (en) 2011-03-31 2017-11-14 General Electric Company Fuel cell reforming system with carbon dioxide removal
ES2553082T3 (es) 2011-08-29 2015-12-04 Karl-Hermann Busse Sistema de suministro de potencia, en particular para el sector de la tecnología de edificios
US9190685B2 (en) 2011-10-27 2015-11-17 Bloom Energy Corporation SOFC system with selective CO2 removal
FR2982422B1 (fr) 2011-11-09 2013-11-15 Saint Gobain Substrat conducteur pour cellule photovoltaique
SG11201402220UA (en) 2011-11-21 2014-06-27 Saudi Arabian Oil Co Method and a system for combined hydrogen and electricity production using petroleum fuels
DE102012206541A1 (de) 2012-04-20 2013-10-24 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und Anordnung für die Hochtemperaturelektrolyse
US9664385B2 (en) 2012-09-17 2017-05-30 Phillips 66 Company Process for enabling carbon-capture from existing combustion processes
US9190676B2 (en) 2012-09-28 2015-11-17 Fuelcell Energy, Inc. Flame stabilized mixer-eductor-oxidizer for high temperature fuel cells
US20140234735A1 (en) * 2013-02-18 2014-08-21 Gong Zhang High temperature fuel cell/electrolyzer system with energy storage media and auxiliaries outside the fuel cell power generator
US20140272618A1 (en) 2013-03-15 2014-09-18 Exxonmobil Research And Engineering Company Integrated power generation and carbon capture using fuel cells
EP2784187A1 (en) 2013-03-25 2014-10-01 Helmut-Schmidt-Universität/ Universität der Bundeswehr Hamburg High efficiency fuel cell
JP2014198789A (ja) 2013-03-29 2014-10-23 大阪瓦斯株式会社 メタンリッチガス製造システム
WO2015153064A1 (en) 2014-04-01 2015-10-08 Mclarty Dustin Poly-generating fuel cell with thermally balancing fuel processing
KR20160011463A (ko) 2014-07-22 2016-02-01 롬엔드하스전자재료코리아유한회사 유기 전계 발광 화합물로서의 퀴놀린 또는 퀴녹살린이 융합된 피롤-카바졸 유도체 및 그 제조 방법
US10096840B1 (en) 2014-12-15 2018-10-09 Bloom Energy Corporation High temperature air purge of solid oxide fuel cell anode electrodes
US9478819B2 (en) 2014-12-19 2016-10-25 Fuelcell Energy, Inc. High-efficiency molten carbonate fuel cell system and method
EP3054519B1 (en) * 2015-02-03 2017-11-08 Technische Universität München Reversible fuel cell system and method for operating a fuel cell system
CN104847424B (zh) 2015-05-05 2016-05-18 华北电力大学 用熔融碳酸盐燃料电池捕获燃煤电厂co2的系统及方法
JP6534116B2 (ja) * 2015-05-22 2019-06-26 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体酸化物形燃料電池システム
CN108604697B (zh) 2015-11-16 2021-06-04 燃料电池能有限公司 从燃料电池捕集co2的系统
US10361442B2 (en) 2016-11-08 2019-07-23 Bloom Energy Corporation SOFC system and method which maintain a reducing anode environment
US10581090B2 (en) 2017-11-03 2020-03-03 Bloom Energy Corporation Fuel cell system containing humidity sensor and method of operating thereof

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040202914A1 (en) 2003-04-09 2004-10-14 Ion America Corporation Co-production of hydrogen and electricity in a high temperature electrochemical system
WO2015116964A1 (en) 2014-01-31 2015-08-06 Fuelcell Energy, Inc. Reformer-electrolyzer-purifier (rep) assembly for hydrogen production, systems incorporating same and method of producing hydrogen

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CN111448340B (zh) 2023-04-04
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US10897055B2 (en) 2021-01-19

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