KR102511826B1 - 캐스케이드형 연료 전지를 사용하는 발전 시스템 및 그 연계된 방법 - Google Patents

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Abstract

캐스케이드형 연료 전지를 사용하여 전력을 발생하기 위한 발전 시스템 및 연계된 방법이 제공된다. 발전 시스템은 제1 연료 전지, 제2 연료 전지, 분할 기구, 제1 연료 경로, 및 제2 연료 경로를 포함할 수도 있다. 제1 연료 전지는 제1 애노드 및 제1 캐소드 테일 가스 스트림을 발생하도록 구성된다. 분할 기구는 제1 애노드 테일 가스 스트림을 제1 및 제2 부분으로 분할하도록 구성된다. 제1 연료 경로는 분할 기구의 하류측에서 탄화수소 연료 스트림을 수용하고, 제1 부분과 혼합하여 혼합된 스트림을 형성하고, 혼합된 스트림을 제1 연료 전지에 순환하도록 구성된다. 제2 연료 경로는 제2 부분을 제2 연료 전지에 이송하도록 구성된다. 제1 및 제2 연료 전지는 혼합된 스트림 및 제2 부분을 각각 사용함으로써 전력을 발생하도록 구성된다.

Description

캐스케이드형 연료 전지를 사용하는 발전 시스템 및 그 연계된 방법 {POWER GENERATION SYSTEM USING CASCADED FUEL CELLS AND ASSOCIATED METHODS THEREOF}
본 개시의 실시예는 발전 시스템에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 캐스케이드형 연료 전지(cascaded fuel cells) 기반 발전 시스템 및 그 연계된 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 발전 시스템에 채용되는 동안 더 높은 효율 및 더 낮은 오염의 견지에서 잠재력을 나타내고 있는 전기화학적 에너지 변환 디바이스이다. 일반적으로, 연료 전지는 예를 들어, 인버터를 거쳐 교류(alternating current: AC)로 변환될 수도 있는 직류(direct current: DC)를 발생한다. 통상의 유형의 연료 전지는 인산형 연료 전지(phosphoric acid fuel cell: PAFC), 용융 탄산염 연료 전지(molten carbonate fuel cell: MCFC), 양성자 교환막 연료 전지(proton exchange membrane fuel cell: PEMFC), 및 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell: SOFC)를 포함한다. SOFC와 같은 연료 전지는 산업 및 시정(municipal) 요구를 만족하기 위해 대규모 발전 시스템에서 동작할 수도 있다. 다른 유형의 연료 전지가 예를 들어 자동차 전력 공급과 같은 더 소형의 휴대형 용례를 위해 유용할 수도 있다. 실제로, 연료 전지는 요구 전압 또는 전류에서 전기를 발생하기 위해 직렬로 또는 병렬로 전기 시스템 내에 배열될 수도 있다.
일반적으로, 연료 전지는 2개의 전극 및 그 사이에 배치된 전해질을 포함한다. 동작 중에, 전기화학적 반응이 연료 전지 내에서 발생하여 수소(연료)와 산소(산화제)를 물 또는 증기(부산물)로 변환하고 전기를 발생한다. 통상적으로, 전기화학적 반응은 촉매가 종종 이러한 반응을 가속화하도록 배치되어 있는 전극에서 발생한다. 전극은 전기화학적 반응이 발생하게 하기 위한 증가된 표면적을 제공한다. 전해질은 전기적으로 하전된 입자를 일 전극으로부터 다른 전극으로 전달하고, 그렇지 않으면 연료 및 산화제의 모두에 실질적으로 불투과성이다. 부산물은 높은 동작 온도에서 연료 전지를 나올 수도 있다. 부산물은 수소, 일산화탄소, 메탄, 및 이산화탄소와 같은, 다양한 다른 성분을 증기 또는 물에 추가하여 포함할 수도 있다.
일반적으로, 발전 시스템은 상당한 양의 수소를 함유하는 개질된 증기를 생성하기 위해 연료 전지의 부산물(들)을 사용함으로써 탄화수소 연료를 개질하기 위한 개질기를 더 포함한다. 개질된 증기는 이어서 연료 전지로 순환되어 연료 전지의 효율을 더 향상시킬 수도 있다. 그러나, 이러한 시스템 내의 개질된 증기의 질량은 종종 상당히 높아지고 따라서 취급이 어렵게 된다. 또한, 개질된 증기 내의 증기-대-탄소비는 마침내 원하는 값을 넘게 될 수도 있고, 따라서 연료로서 개질된 증기의 품질(예를 들어, 발열량)을 저하시키고 이에 의해 연료 전지의 전체 효율을 감소시킨다. 또한, 발전 시스템은 연료 전지로부터의 고온 부산물을 취급하기 위해 고온 열교환 물질을 요구할 수도 있는데, 이는 시스템의 전체 비용을 더 증가시킬 수도 있다. 따라서, 더 효율적인 연료 전지를 구비한 더 효율적인 발전 시스템에 대한 요구가 존재한다.
일 예시적인 실시예에 따르면, 캐스케이드형 연료 전지를 갖는 발전 시스템이 개시된다. 발전 시스템은 제1 연료 전지, 제2 연료 전지, 분할 기구, 제1 연료 경로, 및 제2 연료 경로를 포함한다. 각각의 연료 전지는 애노드 입구, 애노드 출구, 캐소드 입구 및 캐소드 출구를 포함한다. 제1 연료 전지는 제1 애노드 테일 가스 스트림 및 제1 캐소드 테일 가스 스트림을 발생하도록 구성된다. 제2 연료 전지는 제2 애노드 테일 가스 스트림 및 제2 캐소드 테일 가스 스트림을 발생하도록 구성된다. 분할 기구는 제1 애노드 테일 가스 스트림을 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하도록 구성된다. 제1 연료 경로는 탄화수소 연료 입구 채널을 통해 분할 기구의 하류측에서 탄화수소 연료 스트림을 수용하고 탄화수소 연료 스트림을 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제1 부분과 혼합하여 제1 혼합된 스트림을 형성하도록 구성된다. 제1 연료 경로는 제1 혼합된 스트림을 제1 연료 전지의 애노드 입구로 순환시키도록 또한 구성되고, 여기서 제1 연료 전지는 적어도 부분적으로, 연료로서 제1 혼합된 스트림을 사용함으로써 제1 전력을 발생하도록 또한 구성된다. 제2 연료 경로는 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분을 제2 연료 전지로 이송하도록 구성되고, 여기서 제2 연료 전지는 적어도 부분적으로, 연료로서 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분을 사용함으로써 제2 전력을 발생하도록 또한 구성된다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 캐스케이드형 연료 전지를 갖는 발전 시스템을 사용하여 전력을 발생하기 위한 방법이 개시된다. 방법은 제1 연료 전지 내에 애노드 테일 가스 스트림을 발생하는 단계 및 분할 기구를 사용하여 애노드 테일 가스 스트림을 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하는 단계를 수반한다. 방법은 탄화수소 연료 입구 채널을 통해 분할 기구의 하류측에서 탄화수소 연료를 수용하는 단계 및 탄화수소 연료를 애노드 테일 가스 스트림의 제1 부분과 혼합하여 제1 혼합된 스트림을 형성하는 단계를 수반한다. 또한, 방법은 제1 혼합된 스트림을 제1 연료 경로를 거쳐 제1 연료 전지에 이송하는 단계 및 적어도 부분적으로, 연료로서 제1 혼합된 스트림을 사용함으로써, 제1 연료 전지 내에 제1 전력을 발생하는 단계를 수반한다. 방법은 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분을 제2 연료 경로를 거쳐 제2 연료 전지에 이송하는 단계 및 적어도 부분적으로, 연료로서 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분을 사용함으로써, 제2 연료 전지 내에 제2 전력을 발생하는 단계를 또한 수반한다.
본 발명의 실시예의 이들 및 다른 특징 및 양태는 유사한 도면 부호가 개별 도면 내에서 유사한 부분을 표현하고 있는 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명을 숙독할 때 더 양호하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 일 예시적인 실시예에 따른 발전 시스템의 개략도.
도 2는 본 개시의 일 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 내에 배치된 개질기를 포함하는 발전 시스템의 개략도.
도 3은 본 개시의 다른 예시적인 실시예에 따른 분할 기구의 하류측에 배치된 적어도 하나의 외부 개질기를 포함하는 발전 시스템의 개략도.
도 4는 적어도 하나의 외부 개질기로부터 도 2의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지로부터 연장하는 연료 경로까지의 슬립-스트립 채널을 포함하는 발전 시스템의 개략도.
도 5는 일 예시적인 실시예에 따른 캐스케이드형 연료 전지를 갖는 발전 시스템을 사용하여 전력을 발생하기 위한 방법의 흐름도.
요지를 더 명백하고 더 간명하게 설명하고 지적하기 위해, 특정 실시예에 관하여 구체적으로 달리 나타내지 않으면, 이하의 상세한 설명 및 첨부된 청구범위 전체에 걸쳐 사용된 특정 용어에 대해 이하의 정의가 제공된다. 용어 "제1 혼합된 스트림"은 문맥에서 사용될 때, 애노드 테일 가스 스트림과 탄화수소 연료 스트림의 혼합물을 칭한다. 용어 "개질된 스트림"은 본 명세서에 사용될 때, 개질기 내에 증기를 사용하여 탄화수소 연료 스트림의 개질로부터 유도된 생성물을 포함하는 연료를 칭한다. 개질된 스트림 내의 생성물은, 이에 한정되는 것은 아니지만, 일반적으로 수소(H2)와 일산화탄소(CO)의 혼합물을 포함한다.
본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예는 캐스케이드형 연료 전지를 포함하는 발전 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 발전 시스템은 제1 연료 전지, 제2 연료 전지, 분할 기구, 제1 연료 경로, 및 제2 연료 경로를 포함한다. 각각의 연료 전지는 애노드 입구, 애노드 출구, 캐소드 입구 및 캐소드 출구를 포함한다. 제1 연료 전지는 제1 애노드 테일 가스 스트림 및 제1 캐소드 테일 가스 스트림을 발생하도록 구성된다. 제2 연료 전지는 제2 애노드 테일 가스 스트림 및 제2 캐소드 테일 가스 스트림을 발생하도록 구성된다. 분할 기구는 제1 애노드 테일 가스 스트림을 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하도록 구성된다. 제1 연료 경로는 탄화수소 연료 입구 채널을 통해 분할 기구의 하류측에서 탄화수소 연료 스트림을 수용하고 탄화수소 연료 스트림을 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제1 부분과 혼합하여 제1 혼합된 스트림을 형성하도록 구성된다. 제1 연료 경로는 제1 혼합된 스트림을 제1 연료 전지의 애노드 입구로 순환시키도록 또한 구성되고, 여기서 제1 연료 전지는 적어도 부분적으로, 그 연료로서 제1 혼합된 스트림을 사용함으로써 제1 전력을 발생하도록 또한 구성된다. 제2 연료 경로는 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분을 제2 연료 전지로 이송하도록 구성되고, 여기서 제2 연료 전지는 적어도 부분적으로, 그 연료로서 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분을 사용함으로써 제2 전력을 발생하도록 또한 구성된다.
몇몇 실시예에서, 발전 시스템은 제1 연료 전지 내에 배치되고 연료 전지 내에 개질된 스트림을 발생하기 위해 증기를 사용하여 제1 혼합된 스트림을 개질하도록 구성된 내부 연료 개질기를 더 포함한다. 개질된 증기는 H2와 CO의 혼합물을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 제1 혼합된 스트림은 증기를 함유한다. 몇몇 다른 실시예에서, 증기는, 예를 들어 발전 시스템의 시동과 같은 동작 조건에 따라 애노드 입구를 거쳐 적어도 하나의 내부 연료 개질기에 공급된다. 몇몇 다른 실시예에서, 발전 시스템은 분할 기구의 하류측에 배치되고 제1 연료 경로에 결합된 적어도 하나의 외부 연료 개질기를 더 포함한다. 이러한 실시예에서, 적어도 하나의 외부 연료 개질기는 H2와 CO의 혼합물을 포함하는 개질된 스트림을 발생하도록 증기를 사용하여 제1 혼합된 스트림을 개질한다. 몇몇 실시예에서, 제1 혼합된 스트림은 증기를 함유한다. 몇몇 다른 실시예에서, 증기는, 예를 들어 발전 시스템의 시동과 같은 동작 조건에 따라 애노드 입구를 거쳐 적어도 하나의 외부 연료 개질기에 공급된다. 또한, 증기를 함유하는 제1 애노드 테일 가스 스트림은 탄화수소 연료와 혼합하여 혼합된 증기를 적어도 하나의 연료 개질기 또는 내부 연료 개질기에 이송하기 전에 분할되기 때문에, 개질된 스트림의 증기-대-탄소비는 원하는 값으로 제어될 수도 있다. 증기-대-탄소비를 제어하는 능력은 연료로서 개질된 스트림의 품질(예를 들어, 발열량)을 향상시키고 따라서 연료 전지의 전체 효율을 증가시킨다. 또한, 증기를 함유하는 제1 애노드 테일 가스 스트림은 탄화수소 연료 스트림과 혼합하여 혼합된 스트림을 형성하기 전에 분할된다. 따라서, 형성되어 적어도 하나의 내부 개질기로 순환되어 제1 연료 전지 내에 개질된 스트림을 발생하는 혼합된 스트림의 품질은 실질적으로 더 적어지고 취급이 더 용이해진다. 유사하게, 형성되어 적어도 하나의 외부 개질기에 공급되어 개질된 스트림을 발생하는 혼합된 스트림의 품질은 실질적으로 더 적어지고 취급이 더 용이해진다. 또한, 분할 기구가 제1 애노드 테일 가스 스트림(즉, 부산물)을 애노드 테일 가스 스트림의 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하도록 구성되고, 제1 연료 경로가 애노드 테일 가스 스트림의 단지 제1 부분만을 순환시키도록 구성되기 때문에, 제1 연료 경로는 제1 연료 전지로부터 제1 애노드 테일 가스 스트림의 전체 품질을 취급할 필요가 없다. 발전 시스템에 의해 취급되고/순환될 필요가 있는 애노드 테일 가스 스트림의 질량의 이러한 감소는 또한 발전 시스템의 전체 비용을 감소시키는 것을 돕는다.
도 1은 일 예시적인 실시예에 따른 발전 시스템(100)의 개략도이다. 발전 시스템(100)은 제1 연료 전지(102), 제2 연료 전지(104), 분할 기구(106), 제1 연료 경로(108), 및 제2 연료 경로(110)를 포함한다. 특정 실시예에서, 발전 시스템(100)은 제1 유체 경로(114), 제1 애노드 출구 채널(116), 제1 캐소드 출구 채널(118), 제2 유체 경로(120), 제2 애노드 출구 채널(122), 제2 캐소드 출구 채널(124), 탄화수소 연료 소스(126), 및 탄화수소 연료 입구 채널(128)을 더 포함한다.
분할 기구(106)는 제1 연료 전지(102)에 대해 하류측에 배치되고, 제1 애노드 출구 채널(116)을 거쳐 제1 연료 전지(102)에 결합된다. 분할 기구(106)는 또한 제1 연료 경로(108)를 거쳐 제1 연료 전지(102)의 애노드 입구(130)에 그리고 제2 연료 경로(110)를 거쳐 제2 연료 전지(104)의 애노드 입구(132)에 결합된다. 탄화수소 연료 입구 채널(128)은 분할 기구(106)의 하류측에서 제1 연료 경로(108)에 결합된다.
일 실시예에서, 제1 연료 전지(102)는 애노드(134), 캐소드(136), 및 애노드(134)와 캐소드(136) 사이에 배치된 전해질(138)을 포함한다. 당 기술 분야의 숙련자들은 연료 전지의 일반적인 구조 및 기능을 이해한다. 특정 실시예에서, 제1 연료 전지(102)는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)이다. 예시된 실시예에서, 시동 동작 중에, 제1 연료 전지(102)는 제1 연료 경로(108)를 거쳐 탄화수소 연료 스트림(10)을 수용한다. 구체적으로, 탄화수소 연료 스트림(10)은 탄화수소 연료 소스(126)로부터 탄화수소 연료 입구 채널(128) 및 제1 연료 경로(108)를 거쳐 애노드 입구(130) 내로 유도된다. 몇몇 다른 실시예에서, 시동 동작 중에, 탄화수소 연료 스트림(10)은 탄화수소 연료 공급 채널(도시 생략)을 거쳐 애노드 입구(130)에 직접 공급될 수도 있다. 제1 연료 전지(102)는 또한 제1 연료 경로(114)를 거쳐 제1 산화제 스트림(12)을 수용한다. 구체적으로, 제1 산화제 스트림(12)은 산화제 소스(도시 생략)로부터 제1 유체 경로(114)를 거쳐 제1 연료 전지(102)의 캐소드 입구(140)로 유도된다. 탄화수소 연료 스트림(10)은 임의의 적합한 연료를 포함할 수도 있는데, 그 비한정적인 예는 메탄, 에탄, 프로판, 메탄올, 신가스(syngas), 천연 가스, 또는 이들의 조합을 포함한다. 특정 실시예에서, 탄화수소 연료 스트림(10)은 연료로서 메탄을 포함한다. 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 예를 들어, 발전 시스템(100)의 연속적인 동작 중에, 탄화수소 연료 스트림(10)은 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제1 부분과 조합되어 제1 혼합된 스트림을 형성하고, 제1 혼합된 스트림은 이어서 제1 연료 전지(102)의 애노드 입구(130) 내로 유도된다. 제1 산화제 스트림(12)은 산소 또는 공기를 포함할 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 제1 산화제 스트림(12)은 공기를 포함한다. 전해질(138)은 고체 산화물 전해질 또는 세라믹 전해질일 수도 있다.
일 실시예에서, 제1 연료 전지(102)는 탄화수소 연료 스트림(10) 내의 탄화수소 연료를 수소(H2)와 일산화탄소(CO)의 혼합물로 변환한다. H2와 산소 이온의 전기화학적 반응이 애노드(134)에서 발생하여, 물(종종 증기의 형태의)과 전자를 발생한다. 전자는 애노드(134)로부터 외부 전기 회로(도시 생략)를 거쳐 캐소드(136)로 운반된다. 또한, 제1 산화제 스트림(12)은 캐소드(136)에서 전자를 흡수하여, 캐소드(136)로부터 전해질(138)을 통해 애노드(134)로 운반되어 전지 사이클을 완성하는 산소 이온을 발생한다. 특정 실시예에서, 외부 전기 회로를 통해 운반된 전자는 전기 또는 제1 전력(101) 또는 제1 전력량 또는 제1 전력 부하를 발생한다. 특정 실시예에서, CO와 산소 이온의 전기화학적 반응이 또한 애노드(134)에서 발생할 수도 있어, 이산화탄소(CO2)의 형성을 야기한다. 이러한 실시예에서, 애노드(134)는 탄화수소 연료 스트림(10) 및 H2, CO, 증기, 및 이산화탄소 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 이들 성분은 임의의 적합한 경로를 통해 애노드(134)를 빠져나올 수도 있고, 본 명세서에서 "제1 애노드 테일 가스 스트림"(14)이라 칭하는 애노드 배기물의 적어도 일부를 구성한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 애노드 테일 가스 스트림(14)은 H2, CO, 물, 증기, CO2 및 비개질된 탄화수소 연료(예를 들어, 메탄)를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 애노드 테일 가스 스트림(14)은 적어도 10 중량 %의 H2 및 CO를 포함할 수도 있다. 몇몇 다른 실시예에서, 제1 애노드 테일 가스 스트림(14)은 적어도 20 중량 %의 H2 및 CO를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 제1 애노드 테일 가스 스트림(14)은 최대 40 중량 %의 H2 및 CO를 포함한다. 비흡수된 제1 산화제 스트림은 종종 "제1 캐소드 테일 가스 스트림"(16)이라 칭하는 캐소드 배기물의 적어도 일부를 구성한다.
분할 기구(106)는 제1 애노드 출구 채널(116)을 거쳐 제1 애노드 테일 가스 스트림(14)을 수용한다. 분할 기구(106)는 제1 애노드 테일 가스 스트림(14)을 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제1 부분(18)과 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)으로 분할한다. 사용된 분할 기구의 유형에는 제한이 없고, 예시는 예를 들어 밸브 또는 파이핑 기구와 같은 임의의 유형의 표준 분할 기구를 커버하도록 의도된다는 것이 주목되어야 한다. 일 실시예에서, 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)에 대한 제1 애노드 테일 가스 스트림(18)의 제1 부분의 비는 약 6 내지 약 1.7의 범위(즉, 약 85 체적 퍼센트 내지 약 15 체적 퍼센트)이다. 구체적으로, 특정 실시예에서, 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)에 대한 제1 애노드 테일 가스 스트림(18)의 제1 부분의 비는 약 2 내지 약 0.5의 범위(즉, 약 67 체적 퍼센트 내지 약 33 체적 퍼센트)이다. 몇몇 실시예에서, 애노드 테일 가스 스트림의 제1 및 제2 부분(18, 20)의 각각은 H2, CO, 물, 증기, 비개질된 메탄, 및 CO2의 실질적으로 동일한 조성을 가질 수도 있다.
제1 연료 경로(108)는 분할 기구(106)로부터 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제1 부분(18)을, 그리고 탄화수소 연료 입구 채널(128)을 통해 분할 기구(106)의 하류측에서 탄화수소 연료 스트림(10)을 수용한다. 탄화수소 연료 스트림(10)은 이어서 제1 연료 경로(108) 내의 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제1 부분(18)과 혼합되어 제1 혼합된 스트림(22)을 형성한다. 제1 연료 경로(108)는 제1 혼합된 스트림(22)을 제1 연료 전지(102)의 애노드 입구(130)로 순환시키도록 구성된다. 또한, 제1 혼합된 스트림(22)의 전기화학적 반응(즉, H2와 O2 사이의 반응)이 애노드(134)에서 발생하여, 이에 의해 연료로서 제1 혼합된 스트림(22)을 적어도 부분적으로 사용함으로써, 제1 애노드 테일 가스 스트림(14), 제1 캐소드 테일 가스 스트림(16), 및 제1 전력(101)의 발생을 야기한다.
특정 실시예에서, 제1 애노드 테일 가스 스트림(14)을 분할하는 것, 제1 혼합된 스트림(22)을 발생하는 것, 및 혼합된 스트림(22)을 제1 연료 전지(102)로 순환하는 것은, 제1 연료 전지(102)에 공급되는 제1 혼합된 스트림(22)의 양 및 발전 시스템 내에서 순환되는 제1 애노드 테일 가스 스트림(14)의 양을 효율적으로 취급하는 것을 가능하게 한다. 또한, 혼합된 스트림(22)을 순환시키는 것은 또한 제1 연료 전지(102)의 효율을 향상시킨다. 본 명세서에 설명된 순환 특징부에 의해 제공된 다른 장점은 개질된 스트림을 발생하기 위한 적어도 하나의 내부 연료 개질기 또는 외부 연료 개질기로의 물(증기)의 자동 공급부를 포함하여, 별도의 물 공급부의 요구를 무효로 한다. 몇몇 실시예에서, 혼합된 스트림(22)을 제1 연료 전지(102)에 직접 이송하는 것은 혼합된 스트림(22) 내에 품질(예를 들어, 발열량) 및 열에너지를 유지하는 것을 가능하게 하여, 이에 의해 제1 연료 전지(102)의 더 높은 전체 효율을 야기한다. 또한, 제1 애노드 테일 가스 스트림(14)의 분할은 전기화학 반응이 애노드(134)에서 발생하게 하기 위한 실질적으로 높은 증기-대-탄소비를 갖도록 혼합된 스트림(22)을 개질하고/변환하기 위해 충분한 양의 증기를 제1 연료 전지(102)에 제공한다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같은 제2 연료 전지(104)는 제1 연료 전지(102)와 실질적으로 유사할 수도 있다. 이에 따라, 제2 연료 전지(104)는 애노드(144), 캐소드(146), 및 애노드(144)와 캐소드(146) 사이에 배치된 전해질(148)을 또한 포함한다. 몇몇 실시예에서, 제1 연료 전지(102), 및 제2 연료 전지(104)의 모두는 SOFC일 수도 있다. 제2 연료 경로(110)는 분할 기구(106)로부터 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)을 수용하고, 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)을 제2 연료 전지(104)의 애노드 입구(132)로 이송한다. 특정 실시예에서, 애노드(144)는 선택적으로 탄화수소 연료 소스(126)로부터의 탄화수소 연료 스트림(10)을 수용할 수도 있다. 제2 연료 전지(104)는 또한 산화제 소스(도시 생략)로부터 제2 산화제 스트림(26)을 수용하고, 제2 산화제 스트림(26)을 제2 연료 전지(104)의 캐소드 입구(150)로 이송한다. 동작 중에, 제1 연료 전지(102)에 관하여 본 명세서에 설명된 바와 같이, 제2 연료 전지(104)는 제2 애노드 테일 가스 스트림(28), 제2 캐소드 테일 가스 스트림(30), 및 전기 또는 제2 전력(103) 또는 제2 전력량 또는 제2 전력 부하를 발생한다. 구체적으로, 제2 연료 전지(104)는 적어도 부분적으로, 연료로서 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)을 사용함으로써, 제2 전력(103)을 발생한다. 몇몇 실시예에서, 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)을 제2 연료 전지(104)에 직접 이송하는 것은 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20) 내에 품질(예를 들어, 발열량) 및 열에너지를 유지하는 것을 가능하게 하여, 이에 의해 제2 연료 전지(104)의 더 높은 전체 효율을 야기한다. 제1 및 제2 전력(101, 103)을 발생하기 위한, 캐스케이드형 연료 전지 시스템 내의 제1 및 제2 연료 전지(102, 104) 각각으로의 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제1 및 제2 부분(18, 20)의 순환은 발전 시스템(100)의 전체 효율을 증가시킬 수도 있다.
도 1의 실시예, 뿐만 아니라 다른 실시예에 있어서, 적어도 2개의 연료 전지 및 이에 의해 적어도 2개의 발전의 소스가 존재한다. 제1 연료 전지(102) 자체는 제1 전력(101)을 원하는 위치, 예를 들어 외부 전기 회로에 전달하는 제1 전기 생성 디바이스이다. 제2 전기 생성 디바이스는 제2 전력(103)을 원하는 위치에 발생하는 제2 연료 전지(104)이다. 제1 애노드 테일 가스 스트림(14)을 분할하고 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제1 부분(18)을 제1 연료 전지(102) 및 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)으로 순환시킴으로써 기원하는 "부스트(boost)"를 갖고, 2개의 전력 소스를 제공하는 발전 시스템(100)의 능력은 다양한 산업 동작에서 뚜렷한 장점일 수도 있다.
또한, 2개 이상의 연료 전지를 조합함으로써, 65% 초과의 전기 효율이 용이하게 성취될 수도 있다. 더욱이, 제1 및 제2 연료 전지(102, 104)는 전력을 발생하기 위한 전기화학적 반응 프로세스를 이용하기 때문에, NOx 배출물이 실질적으로 제거될 수도 있는데, 이는 내부/외부 연소 프로세스에 의존하는 종래의 조합형 사이클 시스템에서는 가능하지 않을 수도 있다. 본 발명의 몇몇 실시예는 또한 하나 이상의 다른 스트림(예를 들어, 제1 또는 제2 산화제 스트림)을 가열하기 위해 제1 및 제2 연료 전지(102, 104) 중 어느 하나 또는 모두에서 발생된 열의 사용을 유리하게 제공하여, 이에 의해 전체 발전 시스템의 더 큰 효율 및 더 낮은 에너지 비용을 제공한다.
도 2는 본 개시의 일 예시적인 실시예에 따른 발전 시스템(200)의 개략도이다. 발전 시스템(200)은 제1 연료 전지(202), 제2 연료 전지(204), 분할 기구(206), 제1 연료 경로(208), 및 제2 연료 경로(210)를 포함한다. 발전 시스템(200)은 제1 유체 경로(214), 제1 애노드 출구 채널(216), 제1 캐소드 출구 채널(218), 제2 유체 경로(220), 제2 애노드 출구 채널(222), 제2 캐소드 출구 채널(224), 탄화수소 연료 소스(226), 및 탄화수소 연료 입구 채널(228)을 더 포함한다.
제1 연료 전지(202)는 제1 애노드 출구 채널(216)을 거쳐 분할 기구(206)에 결합된다. 분할 기구(206)는 제1 연료 전지(202)에 대해 하류측에 배치된다. 또한, 분할 기구(206)는 제1 연료 경로(208)를 거쳐 제1 연료 전지(202)에 결합되고[제1 연료 전지(202)에 연료를 제공하기 위해], 제2 연료 경로(210)를 거쳐 제2 연료 전지(204)에 결합된다[제2 연료 전지(204)에 연료를 제공하기 위해]. 탄화수소 연료 입구 채널(228)은 분할 기구(206)의 하류측에서 제1 연료 경로(208)에 결합된다.
특정 실시예에서, 발전 시스템(200)은 제1 애노드 출구 채널(216) 및 제1 연료 경로(208)에 결합된 제1 복열기(recuperator)(252)를 더 포함한다. 예시된 실시예에서, 제1 복열기(252)는 저온 복열기(252a) 및 고온 복열기(252b)를 포함한다. 저온 복열기(252a)는 제1 혼합된 스트림(22)의 유동에 대해 고온 복열기(252b)의 상류측에 배치되어 있다. 또한, 발전 시스템(200)은 제1 연료 경로(208)에 결합된 연료 냉각기(254) 및 연료 송풍기(256)를 포함한다. 구체적으로, 제1 송풍기(256)는 연료 냉각기(254)에 대해 하류측에 배치되어 있다. 또한, 연료 냉각기(254) 및 제1 송풍기(256)는 탄화수소 연료 입구 채널(228)에 대해 하류측에 그리고 제1 복열기(252)에 대해 상류측에 배치되어 있다. 특정 실시예에서, 발전 시스템(200)은 제1 캐소드 출구 채널(218) 및 제1 유체 경로(214)에 결합된 제2 복열기(258)를 더 포함한다. 예시된 실시예에서, 제2 복열기(258)는 저온 복열기(258a) 및 고온 복열기(258b)를 포함한다. 저온 복열기(258a)는 제1 산화제 스트림(12)의 유동에 대해 고온 복열기(258b)의 상류측에 배치되어 있다. 또한, 발전 시스템(200)은 매니폴드(276)를 거쳐 제1 유체 경로(214)에 결합된 제2 송풍기(260)를 포함한다. 도 1의 실시예와 유사하게, 발전 시스템(200)은 제1 연료 전지(202) 내에 배치된 내부 연료 개질기(262)를 더 포함한다. 구체적으로, 내부 연료 개질기(262)는 제1 연료 전지(202)의 애노드(도시 생략) 내에 배치된다.
발전 시스템(200)은 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)을 반송하는 제2 애노드 출구 채널(222) 및 제2 연료 경로(210)에 결합된 제3 복열기(264)를 더 포함할 수도 있다. 예시된 실시예에서, 제3 복열기(264)는 저온 복열기(264a) 및 고온 복열기(264b)를 포함한다. 저온 복열기(264a)는 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)의 유동에 대해 고온 복열기(258b)의 상류측에 배치되어 있다. 발전 시스템(200)은 제2 캐소드 출구 채널(224) 및 제2 유체 경로(220)에 결합된 제4 복열기(266)를 더 포함할 수도 있다.
특정 실시예에서, 발전 시스템(200)은 제2 연료 전지(204)의 하류측에 배치된 촉매 산화기(268)를 포함한다. 촉매 산화기(268)는 제2 애노드 출구 채널(222), 제2 캐소드 출구 채널(224), 및 제3 유체 경로(270)에 결합된다. 발전 시스템(200)은 촉매 산화기(268)의 산화기 출구 채널(274) 및 제2 유체 경로(220)에 결합된 제5 복열기(272)를 더 포함한다. 이러한 실시예에서, 산화기 출구 채널(274)은 또한 제2 복열기(258)의 상류측의 제1 캐소드 출구 채널(218)에 결합될 수도 있다. 일 실시예에서, 제2 송풍기(260)는 매니폴드(276)를 거쳐 제1, 제2, 및 제3 유체 경로(214, 220, 270)에 결합된다. 발전 시스템(200)은 분할 기구(206)의 하류측에 배치되고 제2 연료 경로(210)에 결합된 선택적 물 분리 유닛(278)을 더 포함할 수도 있다.
하나 이상의 실시예에서, 제1, 제2, 제3, 제4, 및 제5 복열기(252, 258, 264, 266, 272)는 당 기술 분야에 공지되어 있는 다관 원통형 열교환기(shell and tube heat exchanger)일 수도 있다. 유사하게, 제1 및 제2 송풍기(256, 260)는 압축기일 수도 있다. 분할 기구(206)는 밸브 또는 파이핑 기구일 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 연료 전지(202, 204)는 SOFC이다. 물 분리 유닛(278)은 중력 기반 분리기 또는 위어 분리기(weir separator)일 수도 있다. 특정 실시예에서, 제1 연료 전지(202) 및 제2 연료 전지(204)는 제1 탄화수소 연료 공급 채널 및 제2 탄화수소 연료 공급 채널(도시 생략) 각각을 거쳐 다른 탄화수소 연료 소스(도시 생략)에 결합될 수도 있다. 이러한 실시예에서, 다른 탄화수소 연료 소스는 특정 동작 조건, 예를 들어 발전 시스템(200)의 시동 중에 제1 및 제2 연료 전지(202, 204)에 탄화수소 연료 스트림(10)을 이송하도록 구성될 수도 있다.
동작 중에, 제1 연료 전지(202)는 분할 기구(206)로부터 제1 연료 경로(208)를 거쳐 제1 혼합된 스트림(22)을 수용한다. 제1 혼합된 스트림(22)은 탄화수소 연료 스트림(10)과 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제1 부분(18)의 혼합물을 포함한다. 제1 연료 전지(202)는 또한 제2 송풍기(260)로부터 제1 연료 경로(214) 및 매니폴드(276)를 거쳐 제1 산화제 스트림(12)을 수용한다. 제1 산화제 스트림(12)은 공기 스트림일 수도 있다. 내부 연료 개질기(262)는 혼합된 스트림(22)을 사용하여 개질된 스트림(24)을 발생하도록 구성된다. 개질된 스트림(24)은 도 1의 실시예에 설명된 바와 같은 다른 성분과 함께 H2 및 CO를 포함한다. 도 1의 실시예에서 설명된 바와 같이, 제1 연료 전지(202)는 적어도 부분적으로, 연료로서 제1 혼합된 스트림(22)으로부터 발생된 제1 산화제 스트림(12) 및 개질된 스트림(24)을 사용함으로써, 제1 애노드 테일 가스 스트림(14), 제1 캐소드 테일 가스 스트림(16), 및 제1 전력(101)을 발생하도록 구성된다.
분할 기구(206)는 제1 애노드 출구 채널(216)을 거쳐 제1 애노드 테일 가스 스트림(14)을 수용한다. 분할 기구(206)는 이어서 제1 애노드 테일 가스 스트림(14)을 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제1 부분(18)과 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)으로 분할한다. 제1 연료 경로(208)는 분할 기구(206)로부터 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제1 부분(18)을, 그리고 탄화수소 연료 소스(226)로부터 탄화수소 연료 입구 채널(228)을 통해 분할 기구(206)의 하류측에서 탄화수소 연료 스트림(10)을 수용한다. 탄화수소 연료 스트림(10)은 이어서 제1 연료 경로(208) 내의 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제1 부분(18)과 혼합되어 제1 혼합된 스트림(22)을 형성하고, 제1 혼합된 스트림(22)을 제1 연료 전지(202)로 순환한다. 제1 연료 전지(202)는 적어도 부분적으로 제1 혼합된 스트림(22)을 사용함으로써 제1 전력(101)을 발생한다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 제1 연료 전지(202)는 따라서 제1 애노드 테일 가스 스트림(14), 제1 캐소드 테일 가스 스트림(16), 및 제1 전력(101)을 발생한다.
도 2에 도시되어 있는 예시적인 실시예에서, 연료 냉각기(254)는 제1 혼합된 스트림(22)을 수용하고 제1 혼합된 스트림(22)을 냉각한다. 제1 송풍기(256)는 제1 혼합된 스트림(22)을 수용하고, 제1 혼합된 스트림(22)을 제1 복열기(252)에 이송하기 전에 제1 혼합된 스트림(22)의 압력을 증가시킨다. 일 실시예에서, 제1 복열기(252)는 제1 애노드 테일 가스 스트림(14)으로부터 열을 추출하고, 추출된 열을 제1 혼합된 스트림(22)에 전달한다. 구체적으로, 저온 복열기(252a)는 고온 복열기(252b)와 비교하여 제1 애노드 테일 가스 스트림(14)으로부터 실질적으로 적은 양의 열을 추출하고, 추출된 열을 제1 혼합된 스트림(22)에 전달한다. 제2 복열기(258)는 제1 캐소드 테일 가스 스트림(16)으로부터 열을 추출하고, 추출된 열을 제1 산화제 스트림(12)에 전달한다. 구체적으로, 저온 복열기(258a)는 고온 복열기(258b)와 비교하여 제1 캐소드 테일 가스 스트림(16)으로부터 실질적으로 적은 양의 열을 추출하고, 추출된 열을 제1 산화제 스트림(12)에 전달한다. 일반적으로, 하나 이상의 실시예에 관하여, 저온 복열기는 유동 경로 내의 저온 복열기의 위치 및/또는 특유한 특성, 예를 들어 저온 복열기 내에 사용된 재료에 기인하여 적은 양의 열을 추출하도록 구성된다.
도 2에 도시되어 있는 실시예에서, 제2 연료 경로(210)는 분할 기구(206)로부터 제1 애노드 테일 가스의 제2 부분(20)을 수용하고, 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)을 물 분리 유닛(278)으로 이송한다. 이러한 실시예에서, 물 분리 유닛(278)은 제2 연료 경로(210)를 거쳐 제2 연료 전지(204)에 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)을 또한 이송하기 전에, 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)으로부터 물의 적어도 일부를 분리한다. 제2 연료 전지(204)는 또한 제2 송풍기(260)로부터 제2 연료 경로(220) 및 매니폴드(276)를 거쳐 제2 산화제 스트림(26)을 수용한다. 제2 산화제 스트림(26)은 공기의 스트림을 포함할 수도 있다. 도 1의 실시예에서 설명된 바와 같이, 제2 연료 전지(204)는 적어도 부분적으로, 연료로서 제2 산화제 스트림(26) 및 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)을 사용함으로써, 제2 애노드 테일 가스 스트림(28), 제2 캐소드 테일 가스 스트림(30), 및 제2 전력(103)을 발생하도록 구성된다.
도 2의 제3 복열기(264)는 제2 애노드 테일 가스 스트림(28)으로부터 열을 추출하고, 추출된 열을 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)에 전달한다. 구체적으로, 저온 복열기(264a)는 고온 복열기(264b)와 비교하여 제2 애노드 테일 가스 스트림(28)으로부터 실질적으로 적은 양의 열을 추출하고, 추출된 열을 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)에 전달한다. 제4 복열기(266)는 제2 캐소드 테일 가스 스트림(30)으로부터 열을 추출하고, 추출된 열을 제2 산화제 스트림(26)에 전달한다. 촉매 산화기(268)는 제3 유체 경로(270)를 거쳐 제2 애노드 테일 가스 스트림(28), 제2 캐소드 테일 가스 스트림(30), 및 제3 산화제 스트림(31)을 수용하고, 제2 애노드 테일 가스 스트림(28)과 제2 캐소드 테일 가스 스트림(30)을 산화하여 산화된 스트림(32)을 발생한다. 또한, 촉매 산화기(268)는 산화된 스트림(32)을 산화기 출구 채널(274)을 거쳐 제1 캐소드 출구 채널(218)에 이송한다. 제5 복열기(272)는 산화된 스트림(32)으로부터 열을 추출하고, 산화된 스트림(32)을 제1 캐소드 출구 채널(218)에 유도하기 전에 추출된 열을 제2 산화제 스트림(26)에 전달한다. 특정 실시예에서, 제2 복열기(258)는 제1 캐소드 테일 가스 스트림(16) 및 산화된 스트림(32)으로부터 열을 더 추출하고, 제1 캐소드 테일 가스 스트림(16) 및 산화된 스트림(32)을 환경으로 배출하기 전에 추출된 열을 제1 산화제 스트림(12)에 전달하도록 구성된다. 특정 실시예에서, 제1 복열기(252)는 제1 캐소드 테일 가스 스트림(16) 및 제2 캐소드 테일 가스 스트림(30)을 수용하고, 제1 캐소드 테일 가스 스트림(16) 및 제2 캐소드 테일 가스 스트림(30)으로부터 열을 추출하고, 제1 캐소드 테일 가스 스트림(16) 및 제2 캐소드 테일 가스 스트림(30)을 환경으로 배출하기 전에 추출된 열을 제1 혼합된 스트림(22)에 전달하도록 또한 구성될 수도 있다.
도 3은 본 개시의 다른 예시적인 실시예에 따른 발전 시스템(300)의 개략도이다. 도 3의 발전 시스템(300)은 제1 연료 전지(302), 제2 연료 전지(304), 분할 기구(306), 제1 연료 경로(308), 및 제2 연료 경로(310)를 포함한다. 발전 시스템(300)은 제1 유체 경로(314), 제1 애노드 출구 채널(316), 제1 캐소드 출구 채널(318), 제2 유체 경로(320), 제2 애노드 출구 채널(322), 제2 캐소드 출구 채널(324), 탄화수소 연료 소스(326), 탄화수소 연료 입구 채널(328), 및 적어도 하나의 외부 연료 개질기(362)를 더 포함한다.
제1 연료 전지(302)는 제1 애노드 출구 채널(316)을 거쳐 분할 기구(306)에 결합된다. 분할 기구(306)는 제1 연료 전지(302)에 대해 하류측에 배치된다. 또한, 분할 기구(306)는 제1 연료 경로(308)를 거쳐 제1 연료 전지(302)에 그리고 제2 연료 경로(310)를 거쳐 제2 연료 전지(304)에 결합된다. 탄화수소 연료 입구 채널(328)은 분할 기구(306)의 하류측 및 적어도 하나의 연료 개질기(362)의 상류측의 제1 연료 경로(308)에 결합된다. 적어도 하나의 연료 개질기(362)는 분할 기구(306) 및 탄화수소 연료 입구 채널(328)의 하류측에 배치되어 있다.
특정 실시예에서, 발전 시스템(300)은 제1 캐소드 출구 채널(318) 및 제1 연료 경로(308)에 결합된 제1 복열기(352)를 더 포함한다. 발전 시스템(300)은 제1 연료 경로(308)에 결합된 열교환기, 연료 냉각기(354), 및 제1 송풍기(356)를 더 포함한다. 구체적으로, 제1 송풍기(356)는 연료 냉각기(354)에 대해 하류측에 배치되어 있다. 열교환기(353)는 제1 연료 경로(308)의 루프에 결합된다. 구체적으로, 루프는 적어도 하나의 연료 개질기(362) 및 연료 냉각기(354)로부터 연장하는 제1 연료 경로(308)의 제1 섹션 및 제1 송풍기(356)로부터 제1 복열기(352)로 연장하는 제1 연료 경로(308)의 섹션에 대응한다. 예시된 실시예에서, 열교환기(353), 연료 냉각기(354), 및 제1 송풍기(356)는 제1 혼합된 스트림의 유동의 방향에서 적어도 하나의 연료 개질기(362)에 대해 하류측에 그리고 제1 복열기(352)에 대해 상류측에 배치된다. 특정 실시예에서, 발전 시스템(300)은 제1 캐소드 출구 채널(318) 및 제1 유체 경로(314)에 결합된 제2 복열기(358)를 더 포함한다. 예시된 실시예에서, 제2 복열기(358)는 저온 복열기(358a) 및 고온 복열기(358b)를 포함한다. 저온 복열기(358a)는 제1 산화제 스트림(12)의 유동에 대해 고온 복열기(358b)의 상류측에 배치되어 있다. 또한, 발전 시스템(300)은 매니폴드(376)를 거쳐 제1 유체 경로(314)에 결합된 제2 송풍기(360)를 포함한다.
발전 시스템(300)은 제2 캐소드 출구 채널(324) 및 제2 유체 경로(320)에 결합된 제3 복열기(364)를 더 포함한다. 예시된 실시예에서, 제3 복열기(364)는 저온 복열기(364a) 및 고온 복열기(364b)를 포함한다. 저온 복열기(364a)는 제2 산화제 스트림(26)의 유동에 대해 고온 복열기(358b)의 상류측에 배치되어 있다. 발전 시스템(300)은 제1 연료 예열기(380), 제3 송풍기(382), 선택적 물 분리 유닛(378), 및 제2 연료 예열기(384)를 더 포함한다. 제1 연료 예열기(380)는 제2 연료 경로(310) 및 탄화수소 연료 입구 채널(328)에 결합된다. 제3 송풍기(382)는 제1 연료 예열기(380)에 대해 하류측에 배치되고 제2 연료 경로(310)에 결합된다. 물 분리 유닛(378)은 분할 기구(306)의 하류측에 배치되고 제2 연료 경로(310)에 결합된다. 구체적으로, 물 분리 유닛(378)은 제3 송풍기(382)의 하류측에 배치된다. 제2 연료 예열기(384)는 물 분리 유닛(378)에 대해 하류측에 배치되고 제2 애노드 출구 채널(322) 및 제2 연료 경로(310)에 결합된다.
특정 실시예에서, 발전 시스템(300)은 제2 연료 전지(304)의 하류측에 배치된 촉매 산화기(368)를 포함한다. 촉매 산화기(368)는 제2 애노드 출구 채널(322), 제2 캐소드 출구 채널(324), 및 제3 유체 경로(370)에 결합된다. 발전 시스템(300)은 촉매 산화기(368) 및 제1 캐소드 출구 채널(318)에 결합된 산화기 출구 채널(374)을 더 포함한다. 일 실시예에서, 제2 송풍기(360)는 매니폴드(376)를 거쳐 제1, 제2, 및 제3 유체 경로(314, 320, 370)에 결합된다.
하나 이상의 실시예에서, 제1, 제2, 및 제3 복열기(352, 358, 364)는 당 기술 분야에 공지되어 있는 다관 원통형 열교환기일 수도 있다. 유사하게, 제1 및 제2 연료 예열기(380, 384)는 당 기술 분야에 공지되어 있는 다관 원통형 열교환기일 수도 있다. 제1 및 제2 송풍기(356, 360)는 압축기일 수도 있다. 분할 기구(306)는 밸브 또는 파이핑 기구일 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 연료 전지(302) 및 제2 연료 전지(304)의 모두는 SOFC이다. 물 분리 유닛(378)은 중력 기반 분리기 또는 위어 분리기일 수도 있다. 특정 실시예에서, 제1 연료 전지(302) 및 제2 연료 전지(304)는 제1 탄화수소 연료 공급 채널 및 제2 탄화수소 연료 공급 채널(도시 생략) 각각을 거쳐 다른 탄화수소 연료 소스(도시 생략)에 결합될 수도 있다. 이러한 실시예에서, 다른 탄화수소 연료 소스는 특정 동작 조건, 예를 들어 발전 시스템(300)의 시동 중에 제1 및 제2 연료 전지(302, 304)에 탄화수소 연료 스트림(10)을 이송하도록 구성될 수도 있다.
동작 중에, 제1 연료 전지(302)는 적어도 하나의 연료 개질기(362)로부터 제1 연료 경로(308)를 거쳐 개질된 스트림(24)을 수용한다. 적어도 하나의 연료 개질기(362)는 혼합된 스트림(22)을 사용하여 개질된 스트림(24)을 발생하도록 구성된다. 이러한 실시예에서, 개질된 스트림(24)은 일반적으로 H2와 CO의 혼합물을 포함한다. 제1 연료 전지(302)는 또한 제2 송풍기(360)로부터 제1 연료 경로(314) 및 매니폴드(376)를 거쳐 제1 산화제 스트림(12)을 수용한다. 제1 산화제 스트림(12)은 산화제로서 공기를 포함할 수도 있다. 제1 연료 전지(302)는 적어도 부분적으로, 연료로서 제1 산화제 스트림(12) 및 개질된 스트림(24)을 사용함으로써, 제1 애노드 테일 가스 스트림(14), 제1 캐소드 테일 가스 스트림(16), 및 제1 전력(101)을 발생하도록 구성된다.
분할 기구(306)는 제1 애노드 출구 채널(316)을 거쳐 제1 애노드 테일 가스 스트림(14)을 수용한다. 분할 기구(306)는 제1 애노드 테일 가스 스트림(14)을 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제1 부분(18)과 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)으로 분할한다. 제1 연료 경로(308)는 분할 기구(306)로부터 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제1 부분(18)을, 그리고 탄화수소 연료 소스(326)로부터 탄화수소 연료 입구 채널(328)을 통해 분할 기구(306)의 하류측에서 탄화수소 연료 스트림(10)을 수용한다. 탄화수소 연료 스트림(10)은 이어서 제1 연료 경로(308) 내의 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제1 부분(18)과 혼합되어 제1 혼합된 스트림(22)을 형성하고, 제1 혼합된 스트림(22)을 적어도 하나의 연료 개질기(362)로 이송한다. 적어도 하나의 연료 개질기(362)는 제1 혼합된 스트림(22)을 사용하여 개질된 스트림(24)을 발생하도록 구성된다. 이러한 실시예에서, 개질된 스트림(24)은 일반적으로 H2 및 CO를 포함한다. 제1 연료 경로(308)는 또한 개질된 스트림(24)을 제1 연료 전지(302)로 순환한다. 제1 연료 전지(302)는 또한 적어도 부분적으로, 연료로서 개질된 스트림(24)을 사용함으로써, 제1 애노드 테일 가스 스트림(14), 제1 캐소드 테일 가스 스트림(16), 및 제1 전력(101)을 발생한다.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 냉각기(354)는, 개질된 스트림으로부터 열을 추출하도록 구성된 열교환기(353)를 거쳐 적어도 하나의 연료 개질기(362)로부터 개질된 스트림(24)을 수용한다. 또한, 연료 냉각기(354)는 개질된 스트림(24)을 냉각하고, 개질된 스트림(24)의 압력을 증가시키도록 구성된 제1 송풍기(356)로 개질된 스트림(24)을 이송한다. 이러한 실시예에서, 열교환기(353)는 또한 제1 송풍기(356)로부터 수용된 개질된 스트림에 추출된 열을 전달하도록 구성된다. 개질된 스트림(24)은 이어서 열교환기(353)로부터 제1 복열기(352)로 이송된다. 일 실시예에서, 제1 복열기(352)는 제1 캐소드 테일 가스 스트림(16)으로부터 열을 추출하고, 추출된 열을 개질된 스트림(24)에 전달한다. 제2 복열기(358)는 제1 캐소드 테일 가스 스트림(16)으로부터 열을 추출하고, 추출된 열을 제1 산화제 스트림(12)에 전달한다. 구체적으로, 저온 복열기(358a)는 고온 복열기(358b)와 비교하여 제1 캐소드 테일 가스 스트림(16)으로부터 실질적으로 적은 양의 열을 추출하고, 추출된 열을 제1 산화제 스트림(12)에 전달한다.
제2 연료 경로(310)는 분할 기구(306)로부터 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)을 수용하고, 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)을 제1 연료 예열기(380)로 이송한다. 이러한 실시예에서, 제1 연료 예열기(380)는 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)으로부터 열을 추출하고, 추출된 열을 탄화수소 연료 스트림(10)에 전달한다. 제1 연료 예열기(380)는 또한 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)을 제3 송풍기(382)에 이송한다. 이러한 실시예에서, 제3 송풍기(382)는 제1 애노드 테일 가스 스트림(20)의 제2 부분의 압력을 증가시키고, 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)을 물 분리 유닛(378)에 이송한다. 이러한 실시예에서, 물 분리 유닛(378)은 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)을 제2 연료 예열기(384)에 이송하기 전에, 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)으로부터 물의 적어도 일부를 분리한다. 이러한 실시예에서, 제2 연료 예열기(384)는 제2 애노드 테일 가스 스트림(28)으로부터 열을 추출하고, 추출된 열을 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)에 전달한다. 제2 연료 예열기(384)는 또한 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)을 제2 연료 경로(310)를 거쳐 제2 연료 전지(304)에 이송한다. 제2 연료 전지(304)는 또한 제2 송풍기(360)로부터 제2 연료 경로(320) 및 매니폴드(376)를 거쳐 제2 산화제 스트림(26)을 수용한다. 제2 산화제 스트림(26)은 공기를 포함한다. 도 1의 실시예와 유사하게, 도 3의 제2 연료 전지(304)는 적어도 부분적으로, 연료로서 제2 산화제 스트림(26) 및 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)을 사용함으로써, 제2 애노드 테일 가스 스트림(28), 제2 캐소드 테일 가스 스트림(30), 및 제2 전력(103)을 발생한다.
제3 복열기(364)는 제2 캐소드 테일 가스 스트림(30)으로부터 열을 추출하고, 추출된 열을 제2 산화제 스트림(26)에 전달한다. 구체적으로, 저온 복열기(364a)는 고온 복열기(364b)와 비교하여 제2 캐소드 테일 가스 스트림(30)으로부터 실질적으로 적은 양의 열을 추출하고, 추출된 열을 제2 산화제 스트림(26)에 전달한다. 촉매 산화기(368)는 제3 유체 경로(370)를 거쳐 제2 애노드 테일 가스 스트림(28), 제2 캐소드 테일 가스 스트림(30), 및 제3 산화제 스트림(31)을 수용하고, 제2 애노드 테일 가스 스트림(28)과 제2 캐소드 테일 가스 스트림(30)을 산화하여 산화된 스트림(32)을 발생한다. 또한, 촉매 산화기(368)는 산화된 스트림(32)을 산화기 출구 채널(374)을 거쳐 제1 캐소드 출구 채널(318)에 이송한다. 특정 실시예에서, 제2 복열기(358)는 제1 캐소드 테일 가스 스트림(16) 및 산화된 스트림(32)으로부터 열을 더 추출하고, 제1 캐소드 테일 가스 스트림(16) 및 산화된 스트림(32)을 환경으로 배출하기 전에 추출된 열을 제1 산화제 스트림(12)에 전달하도록 구성된다.
특정 실시예에서, 제1 애노드 테일 가스 스트림(14)을 분할하는 것은 약 2 내지 약 3의 범위인 실질적으로 더 높은 증기-대-탄소비를 유지하는 것을 가능하게 한다. 또한, 제1 애노드 테일 가스 스트림(14)의 이러한 분할 프로세스는 제1 및 제2 연료 전지(302, 304)에 이송된 연료의 품질(즉, 발열량)을 향상시키고, 이에 의해 발전 시스템(300)의 전체 효율을 향상시킨다.
도 4는 도 2의 예시적인 실시예에 따른, 슬립-스트립 채널(386)을 포함하는 발전 시스템의 개략도이다. 제1 연료 경로(308)는 적어도 하나의 연료 개질기(362)로부터 개질된 스트림의 제1 부분(34)을 수용하고, 개질된 스트림의 제1 부분(34)을 제1 연료 전지(302)로 순환한다. 제1 연료 전지(302)는 적어도 부분적으로, 연료로서 개질된 스트림의 제1 부분(34)을 사용함으로써, 제1 애노드 테일 가스 스트림(14), 제1 캐소드 테일 가스 스트림(16), 및 제1 전력(101)을 발생한다. 예시된 실시예에서, 슬립-스트림 채널(386)은 적어도 하나의 연료 개질기(362)로부터 제2 연료 경로(310)로 연장한다. 구체적으로, 슬립-스트림 채널(386)은 제1 연료 예열기(380)의 상류측 및 제3 송풍기(382)의 하류측에서 제2 연료 경로(310)에 결합된다. 이러한 실시예에서, 제2 연료 경로(310)는 개질된 스트림의 제2 부분(36)을 적어도 하나의 연료 개질기(362)로부터 슬립-스트림 채널(386)을 거쳐 수용하고, 개질된 스트림의 제2 부분(36)을 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)과 혼합하여 제2 혼합된 스트림(38)을 형성하고, 제2 혼합된 스트림(38)을 제2 연료 전지(304)로 순환시킨다. 이러한 실시예에서, 제3 송풍기(382)는 제2 연료 경로(310)로부터 제2 혼합된 스트림(38)을 수용하고, 제2 혼합된 스트림(38)의 압력을 증가시키고, 제2 혼합된 스트림(38)을 물 분리 유닛(378)으로 이송한다. 물 분리 유닛(378)은 제2 혼합된 스트림(38)을 제2 연료 예열기(384)에 이송하기 전에, 제2 혼합된 스트림(38)으로부터 물의 적어도 일부를 분리한다. 제2 연료 예열기(384)는 제2 애노드 테일 가스 스트림(28)으로부터 열을 추출하고, 추출된 열을 제2 혼합된 스트림(38)에 전달한다. 제2 연료 예열기(384)는 또한 제2 혼합된 스트림(38)을 제2 연료 경로(310)를 거쳐 제2 연료 전지(304)에 이송한다. 제2 연료 전지(304)는 또한 제2 송풍기(360)로부터 제2 연료 경로(320) 및 매니폴드(376)를 거쳐 제2 산화제 스트림(26)을 수용한다. 제2 연료 전지(304)는 적어도 부분적으로, 연료로서 제2 산화제 스트림(26) 및 제2 혼합된 스트림(38)을 사용함으로써, 제2 애노드 테일 가스 스트림(28), 제2 캐소드 테일 가스 스트림(30), 및 제2 전력(103)을 발생한다. 특정 실시예에서, 개질된 스트림(36)의 제2 부분을 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분(20)에 혼합하는 것은 제2 연료 전지(304)에 이송된 연료[즉, 제2 혼합된 스트림(38)]의 품질을 향상시키고, 이에 의해 발전 시스템(300)의 전체 효율을 향상시킨다.
도 5는 설명된 바와 같은 캐스케이드형 연료 전지를 갖는 발전 시스템을 사용하여 전력을 발생하기 위한 방법(400)의 일 예시적인 실시예의 흐름도이다. 방법(400)은 단계 402에서 제1 연료 전지 내에 애노드 테일 가스 스트림을 발생하는 것을 수반한다. 특정 실시예에서, 제1 연료 전지는 제1 산화제 스트림 및 제1 혼합된 스트림 또는 개질된 스트림을 수용하여 애노드 테일 가스 스트림을 발생하도록 구성된다. 방법(400)은 또한 단계 404에서 분할 기구를 사용하여 애노드 테일 가스 스트림을 제1 부분과 제2 부분으로 분할하는 것을 수반한다. 또한, 방법(400)은 단계 406에서 탄화수소 연료 입구 채널을 거쳐 분할 기구의 하류측에서 탄화수소 연료를 수용하는 것 및 단계 408에서 탄화수소 연료를 애노드 테일 가스 스트림의 제1 부분과 혼합하여 제1 혼합된 스트림을 형성하는 것을 수반한다. 하나 이상의 실시예에서, 단계 406, 408은 제1 연료 경로에서 수행된다. 방법(400)은 또한 단계 410에서 제1 혼합된 스트림을 제1 연료 경로를 거쳐 제1 연료 전지에 이송하는 것 및 단계 412에서 적어도 부분적으로, 연료로서 제1 혼합된 스트림 또는 개질된 스트림을 사용함으로써, 제1 연료 전지 내에 제1 전력을 발생하는 것을 수반한다. 특정 실시예에서, 제1 연료 전지는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)이다. 또한, 방법(400)은 단계 414에서 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분을 제2 연료 경로를 거쳐 제2 연료 전지에 이송하는 것 및 단계 416에서 적어도 부분적으로, 연료로서 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분을 사용함으로써, 제2 연료 전지 내에 제2 전력을 발생하는 것을 수반한다. 몇몇 실시예에서, 제2 연료 전지는 또한 SOFC이다.
일 실시예에서, 단계 410, 412는 i) 제1 연료 전지 내에 배치된 적어도 하나의 내부 연료 개질기에 제1 혼합된 스트림을 공급하는 하위 단계, ii) 적어도 하나의 내부 연료 개질기를 사용하여 개질된 스트림을 발생하는 하위 단계, 및 ii) 개질된 스트림을 사용함으로써 제1 연료 전지 내에 제1 전력을 발생하는 하위 단계를 수반한다.
다른 실시예에서, 단계 410, 412는 i) 분할 기구의 하류측에 위치되고 제1 연료 경로에 결합된 적어도 하나의 연료 개질기에 제1 혼합된 스트림을 공급하는 하위 단계, ii) 적어도 하나의 연료 개질기를 사용하여 개질된 스트림을 발생하는 하위 단계, iii) 적어도 하나의 연료 개질기로부터 제1 연료 전지로 개질된 스트림을 공급하는 하위 단계, 및 iv) 개질된 스트림을 사용함으로써 제1 연료 전지 내에 제1 전력을 발생하는 하위 단계를 수반한다.
또 다른 실시예에서, 단계 410, 412, 414, 416은 i) 분할 기구의 하류측에 위치되고 제1 연료 경로에 결합된 적어도 하나의 연료 개질기에 제1 혼합된 스트림을 공급하는 하위 단계, ii) 적어도 하나의 연료 개질기를 사용하여 개질된 스트림을 발생하는 하위 단계, iii) 적어도 하나의 연료 개질기로부터 제1 연료 전지로 개질된 스트림의 부분을 공급하는 하위 단계, iv) 개질된 스트림의 제1 부분을 사용함으로써 제1 연료 전지 내에 제1 전력을 발생하는 하위 단계, v) 적어도 하나의 연료 개질기로부터 제2 연료 경로로 연장하는 슬립-스트림 채널을 거쳐 적어도 하나의 연료 개질기로부터 제2 연료 경로로 개질된 스트림의 제2 부분을 공급하는 하위 단계, vi) 개질된 스트림의 제2 부분을 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분과 혼합하여 제2 연료 경로 내에 제2 혼합된 스트림을 형성하는 하위 단계, vii) 제2 연료 전지에 제2 혼합된 스트림을 공급하는 하위 단계, 및 viii) 제2 혼합된 스트림을 사용함으로써 제2 연료 전지 내에 제2 전력을 발생하는 하위 단계를 수반한다.
본 명세서에 설명된 하나 이상의 실시예에 따르면, 예시적인 발전 시스템이 연료 전지의 효율을 향상시키도록 구성된다. 특정 실시예에서, 제1 애노드 테일 가스 스트림을 분할하는 것은 발전을 위해 제1 연료 전지에 공급된 혼합된 스트림의 양을 효율적으로 취급하는 것을 가능하게 한다. 또한, 혼합된 스트림을 순환시키는 것은 또한 제1 및 제2 연료 전지의 효율을 향상시킨다. 또한, 제1 및 제2 연료 전지에 혼합된 스트림을 이송하는 것은 품질(예를 들어, 발열량) 및 열에너지를 유지하는 것을 가능하게 하고, 이에 의해 발전 시스템의 전체 효율을 향상시키는 것을 야기한다. 또한, 제1 애노드 테일 가스 스트림을 분할하는 것은 전기화학 반응이 각각의 연료 전지의 애노드에서 발생하게 하기 위한 실질적으로 높은 증기-대-탄소비를 유지하는 것을 가능하게 한다. 유사하게, 슬립-스트림을 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분과 혼합하는 것은 실질적으로 더 높은 증기-대-탄소비를 제공하고, 제2 연료 전지에 공급된 연료의 품질을 향상시킨다.
도 1 내지 도 4의 실시예에 설명된 바와 같은 발전 시스템은 전체 효율을 향상시키기 위해 다수의 캐스케이드형 연료 전지를 포함할 수도 있다. 달리 말하면, 도 1 내지 도 4의 실시예는 전력을 발생하기 위해 2개의 연료 전지를 사용하는 것을 교시하고 있지만, 발전 시스템을 더욱 더 효율적이게 하는 2개 초과의 연료 전지가 존재할 수도 있다. 본 개시내용은 단지 2개의 연료 전지만을 갖는 것에 한정되도록 해석되어서는 안 된다.
개시된 발명은 그 사상 또는 본질적인 특성으로부터 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 실시될 수도 있다. 상기 실시예는 모든 가능한 실시예 또는 예의 매니폴드로부터 선택된 실시예 또는 예이다. 따라서, 상기 실시예는 모든 관점에서 본 명세서에 설명된 발명에 대한 한정보다는 예시적인 것으로서 고려되어야 한다. 본 발명의 단지 특정 특징이 예시되고 본 명세서에 설명되었지만, 당 기술 분야의 숙련자는, 본 개시내용의 이익이 주어지면, 이들 및 다른 유형의 용례를 위해 적합한, 본 발명의 원리에 따른 방법을 사용하기 위한 적합한 조건/파라미터를 식별하고, 선택하고, 최적화하거나 또는 수정하는 것이 가능할 것이라는 것이 이해되어야 한다. 분할 기구의 위치의 선택, 적어도 하나의 내부 또는 외부 연료 개질기를 갖는 것의 선택, 적어도 하나의 외부 연료 개질기에 결합된 슬립 스트림을 갖는 것의 선택 등에 의한 발전 시스템의 정확한 사용은 이것이 의도되는 특정 용례에 상당 부분 의존할 수도 있다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 사상 내에 있는 모든 이러한 수정 및 변경을 커버하도록 의도된다. 또한, 청구범위의 등가물의 의미 및 범위 내에 있는 모든 변경은 거기에 포함되는 것으로 의도된다.
100: 발전 시스템 102: 제1 연료 전지
104: 제2 연료 전지 106: 분할 기구
108: 제1 연료 경로 110: 제2 연료 경로
114: 제1 유체 경로 116: 제1 애노드 출구 채널
118: 제1 캐소드 출구 채널 120: 제2 유체 경로
122: 제2 애노드 출구 채널 124: 제2 캐소드 출구 채널
126: 탄화수소 연료 소스 128: 탄화수소 연료 입구 채널

Claims (23)

  1. 제1 캐소드 출구 채널을 포함하는 제1 연료 전지로서, 제1 애노드 테일 가스 스트림 및 제1 캐소드 테일 가스 스트림을 발생시키고 상기 제1 캐소드 출구 채널을 사용하여 상기 캐소드 테일 가스 스트림을 배출하도록 구성된 제1 연료 전지;
    제2 애노드 테일 가스 스트림 및 제2 캐소드 테일 가스 스트림을 발생시키도록 구성된 제2 연료 전지;
    상기 제1 애노드 테일 가스 스트림을 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하도록 구성된 분할 기구;
    탄화수소 연료 입구 채널을 통해 상기 분할 기구의 하류측에서 탄화수소 연료 스트림을 수용하고, 상기 탄화수소 연료 스트림을 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제1 부분과 혼합하여 제1 혼합된 스트림을 형성하고, 상기 제1 혼합된 스트림을 상기 제1 연료 전지의 애노드 입구로 순환시키도록 구성된 제1 연료 경로로서, 상기 제1 연료 전지는 적어도 부분적으로, 연료로서 상기 제1 혼합된 스트림을 사용함으로써 제1 전력을 발생시키도록 또한 구성되는 것인, 제1 연료 경로;
    상기 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분을 상기 제2 연료 전지로 이송하도록 구성되는 제2 연료 경로로서, 상기 제2 연료 전지는 적어도 부분적으로, 연료로서 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분을 사용함으로써 제2 전력을 발생시키도록 또한 구성되는 것인, 제2 연료 경로; 및
    상기 제2 연료 전지의 하류측에 배치된 촉매 산화기로서, 상기 촉매 산화기는 (i) 상기 제2 애노드 테일 가스 스트림, 상기 제2 캐소드 테일 가스 스트림, 및 제3 산화제 스트림을 수용하고, (ii) 상기 제2 애노드 테일 가스 스트림과 상기 제2 캐소드 테일 가스 스트림을 산화시켜 산화된 스트림을 발생시키고, (iii) 상기 산화된 스트림을 산화기 출구 채널을 거쳐 상기 제1 캐소드 출구 채널에 이송하도록 구성되는 것인, 촉매 산화기
    를 포함하는 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림을 상기 분할 기구로 이송하기 위한 제1 애노드 출구 채널, 상기 제2 애노드 테일 가스 스트림을 배출하기 위한 제2 애노드 출구 채널, 상기 제2 캐소드 테일 가스 스트림을 배출하기 위한 제2 캐소드 출구 채널, 제1 산화제 스트림을 상기 제1 연료 전지로 이송하도록 구성된 제1 유체 경로, 및 제2 산화제 스트림을 상기 제2 연료 전지로 이송하도록 구성된 제2 유체 경로를 더 포함하는 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 연료 전지는 적어도 하나의 내부 연료 개질기를 포함하고, 적어도 하나의 내부 연료 개질기는 상기 제1 혼합된 스트림을 수용하고, 개질된 스트림을 발생시키도록 구성되어, 상기 제1 전력이 상기 개질된 스트림을 사용함으로써 발생되는 것인 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 애노드 출구 채널 및 상기 제1 연료 경로에 결합된 제1 복열기를 더 포함하고, 상기 제1 복열기는 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림으로부터 열을 추출하고 상기 추출된 열을 상기 제1 혼합된 스트림에 전달하도록 구성되는 것인 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 캐소드 출구 채널 및 상기 제1 유체 경로에 결합된 제2 복열기를 더 포함하고, 상기 제2 복열기는 상기 제1 캐소드 테일 가스 스트림으로부터 열을 추출하고 상기 추출된 열을 상기 제1 산화제 스트림에 전달하도록 구성되는 것인 발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 애노드 출구 채널 및 상기 제2 연료 경로에 결합된 제3 복열기를 더 포함하고, 상기 제3 복열기는 상기 제2 애노드 테일 가스 스트림으로부터 열을 추출하고 상기 추출된 열을 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분에 전달하도록 구성되는 것인 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 캐소드 출구 채널 및 상기 제2 유체 경로에 결합된 제4 복열기를 더 포함하고, 상기 제4 복열기는 상기 제2 캐소드 테일 가스 스트림으로부터 열을 추출하고 상기 추출된 열을 상기 제2 산화제 스트림에 전달하도록 구성되는 것인 발전 시스템.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서, 상기 산화기 출구 채널 및 상기 제2 유체 경로에 결합된 제5 복열기를 더 포함하고, 상기 제5 복열기는 상기 산화된 스트림으로부터 열을 추출하고 상기 추출된 열을 상기 제2 산화제 스트림에 전달하도록 구성되는 것인 발전 시스템.
  10. 제2항에 있어서, 상기 분할 기구의 하류측에 배치되고 상기 제2 연료 경로에 결합된 물 분리 유닛을 더 포함하고, 상기 물 분리 유닛은 상기 제2 연료 전지에 이송하기 전에 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분으로부터 물의 적어도 일부를 분리하도록 구성되는 것인 발전 시스템.
  11. 제2항에 있어서, 상기 분할 기구의 하류측에 배치되고 상기 제1 연료 경로에 결합된 적어도 하나의 연료 개질기를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 연료 개질기는 상기 제1 혼합된 스트림을 수용하고, 개질된 스트림을 발생시키고, 상기 개질된 스트림의 제1 부분을 상기 제1 연료 전지로 순환시키도록 구성되어 상기 제1 전력이 상기 개질된 스트림의 제1 부분을 사용함으로써 발생되는 것인 발전 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 연료 개질기로부터 상기 제2 연료 경로로 연장하는 슬립-스트림 채널을 더 포함하고, 상기 제2 연료 경로는 상기 슬립-스트림 채널을 거쳐 상기 개질된 스트림의 제2 부분을 수용하고, 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분과 혼합하여 제2 혼합된 스트림을 형성하고, 상기 제2 혼합된 스트림을 상기 제2 연료 전지로 순환시키도록 구성되어 상기 제2 전력이 상기 제2 혼합된 스트림을 사용함으로써 발생되는 것인 발전 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 캐소드 출구 채널 및 상기 제1 유체 경로에 결합된 제1 복열기를 더 포함하고, 상기 제1 복열기는 상기 제1 캐소드 테일 가스 스트림으로부터 열을 추출하고 상기 추출된 열을 상기 개질된 스트림의 제1 부분에 전달하도록 구성되는 것인 발전 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 캐소드 출구 채널 및 상기 제1 유체 경로에 결합된 제2 복열기를 더 포함하고, 상기 제2 복열기는 상기 제1 캐소드 테일 가스 스트림으로부터 열을 추출하고 상기 추출된 열을 상기 제1 산화제 스트림에 전달하도록 구성되는 것인 발전 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제2 캐소드 출구 채널 및 상기 제2 유체 경로에 결합된 제3 복열기를 더 포함하고, 상기 제3 복열기는 상기 제2 캐소드 테일 가스 스트림으로부터 열을 추출하고 상기 추출된 열을 상기 제2 산화제 스트림에 전달하도록 구성되는 것인 발전 시스템.
  16. 삭제
  17. 제12항에 있어서, 상기 제2 연료 경로 및 상기 탄화수소 연료 입구 채널에 결합된 제1 연료 예열기를 더 포함하고, 상기 제1 연료 예열기는 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분으로부터 열을 추출하고 상기 추출된 열을 상기 탄화수소 연료 스트림에 전달하도록 구성되는 것인 발전 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 분할 기구의 하류측에 배치되고 상기 제2 연료 경로에 결합된 물 분리 유닛을 더 포함하고, 상기 물 분리 유닛은 상기 제2 연료 전지에 이송하기 전에 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분 또는 상기 제2 혼합된 스트림으로부터 물의 적어도 일부를 분리하도록 구성되는 것인 발전 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 물 분리 유닛의 하류측에서 상기 제2 애노드 출구 채널 및 상기 제2 연료 경로에 결합된 제2 연료 예열기를 더 포함하고, 상기 제2 연료 예열기는 상기 제2 애노드 테일 가스 스트림으로부터 열을 추출하고 상기 추출된 열을 상기 제1 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분 또는 상기 제2 혼합된 스트림에 전달하도록 구성되는 것인 발전 시스템.
  20. 제1항의 발전 시스템을 사용하여 전력을 발생시키는 방법에 있어서,
    제1 연료 전지 내에 애노드 테일 가스 스트림을 발생시키는 단계;
    상기 애노드 테일 가스 스트림을 분할 기구를 사용하여 제1 부분과 제2 부분으로 분할하는 단계;
    탄화수소 연료 입구 채널을 통해 상기 분할 기구의 하류측에서 탄화수소 연료 스트림을 수용하는 단계;
    상기 탄화수소 연료 스트림과 상기 애노드 테일 가스 스트림의 제1 부분을 혼합하여 제1 혼합된 스트림을 형성하는 단계;
    상기 제1 혼합된 스트림을 제1 연료 경로를 거쳐 상기 제1 연료 전지에 이송하는 단계;
    적어도 부분적으로, 연료로서 상기 제1 혼합된 스트림을 사용함으로써 상기 제1 연료 전지 내에 제1 전력을 발생시키는 단계;
    상기 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분을 제2 연료 경로를 거쳐 제2 연료 전지에 이송하는 단계; 및
    적어도 부분적으로, 연료로서 상기 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분을 사용함으로써, 상기 제2 연료 전지 내에 제2 전력을 발생시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제1 혼합된 스트림을 제1 연료 전지에 이송하는 단계 및 상기 제1 연료 전지 내에 제1 전력을 발생시키는 단계는,
    상기 제1 연료 전지 내에 배치된 적어도 하나의 내부 연료 개질기에 상기 제1 혼합된 스트림을 공급하는 단계;
    상기 적어도 하나의 내부 연료 개질기를 사용하여 개질된 스트림을 발생시키는 단계; 및
    상기 개질된 스트림을 사용함으로써 상기 제1 연료 전지 내에 제1 전력을 발생시키는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  22. 제20항에 있어서, 상기 제1 혼합된 스트림을 제1 연료 전지에 이송하는 단계 및 상기 제1 연료 전지 내에 제1 전력을 발생시키는 단계는,
    상기 분할 기구의 하류측에 배치되고 상기 제1 연료 경로에 결합된 적어도 하나의 연료 개질기에 상기 제1 혼합된 스트림을 공급하는 단계;
    상기 적어도 하나의 연료 개질기를 사용하여 개질된 스트림을 발생시키는 단계;
    상기 적어도 하나의 연료 개질기로부터 상기 제1 연료 전지에 상기 개질된 스트림을 공급하는 단계; 및
    상기 개질된 스트림의 제1 부분을 사용함으로써 상기 제1 연료 전지 내에 제1 전력을 발생시키는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  23. 제20항에 있어서, 상기 제1 혼합된 스트림을 제1 연료 전지에 이송하는 단계, 상기 제1 연료 전지 내에 제1 전력을 발생시키는 단계, 상기 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분을 제2 연료 전지에 이송하는 단계, 및 상기 제2 연료 전지 내에 제2 전력을 발생시키는 단계는,
    상기 분할 기구의 하류측에 배치되고 상기 제1 연료 경로에 결합된 적어도 하나의 연료 개질기에 상기 제1 혼합된 스트림을 공급하는 단계;
    상기 적어도 하나의 연료 개질기를 사용하여 개질된 스트림을 발생시키는 단계;
    상기 적어도 하나의 연료 개질기로부터 상기 제1 연료 전지에 상기 개질된 스트림의 제1 부분을 공급하는 단계;
    상기 개질된 스트림의 제1 부분을 사용함으로써 상기 제1 연료 전지 내에 제1 전력을 발생시키는 단계;
    상기 적어도 하나의 연료 개질기로부터 상기 제2 연료 경로로 연장하는 슬립-스트림 채널을 거쳐 상기 적어도 하나의 연료 개질기로부터 상기 제2 연료 경로로 상기 개질된 스트림의 제2 부분을 공급하는 단계;
    상기 개질된 스트림의 제2 부분을 상기 애노드 테일 가스 스트림의 제2 부분과 혼합하여 상기 제2 연료 경로 내에 제2 혼합된 스트림을 형성하는 단계;
    상기 제2 혼합된 스트림을 상기 제2 연료 전지에 공급하는 단계; 및
    상기 제2 혼합된 스트림을 사용함으로써 상기 제2 연료 전지 내에 제2 전력을 발생시키는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
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