KR20110042120A - 고효율 이중 스택 용융 탄산염 연료전지 시스템 - Google Patents

고효율 이중 스택 용융 탄산염 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

이중 스택 연료전지 시스템은 연료를 수취하고 제1아노드 배기를 배출하도록 적용된 제1아노드측과 제1캐소드측을 포함하는 제1연료전지 스택과, 상기 아노드 배기로부터 유도된 처리된 아노드 배기를 수취하고 제2아노드 배기를 배출하도록 적용된 제2아노드측과 옥시던트 가스를 수취하고 제1캐소드 배기를 배출하도록 적용된 제2캐소드측을 구비하는 제2연료전지 스택을 포함하며; 상기 제1캐소드측은 적어도 상기 제2캐소드측으로부터 배출된 상기 제1캐소드 배기를 수취하며, 상기 제1연료전지 스택은 간접 내부 리포밍을 포함하고, 상기 제2연료전지 스택은 간접 내부 리포밍을 포함하지 않는다.

Description

고효율 이중 스택 용융 탄산염 연료전지 시스템{HIGH-EFFICIENCY DUAL-STACK MOLTEN CARBONATE FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 생산 시스템에 관한 것으로서, 특히 이중 스택 용융 탄산염 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학 에너지를 전기반응에 의해 전기 에너지로 직접 변환하는 장치이다. 일반적으로, 연료전지는 하전된 이온을 전기적으로 도전시키는 전해질에 의해 분리되는 아노드 및 캐소드를 포함한다. 유용한 파워 레벨을 생산하기 위해, 다수의 연료전지는 각각의 전지 사이에 전기적으로 도전성인 분리기 판(separator plate)과 직렬로 적층된다.
내부 리포밍(internally reforming) 연료전지에 있어서, 스팀 리포밍 촉매는 고가의 복잡한 외부 리포밍 설비를 필요로 하지 않고 메탄, 석탄 가스 등과 같은 탄화수소 연료의 직접적인 사용을 허용하기 위해 연료전지 스택내에 배치된다. 리포밍 반응에 있어서, 연료전지가 생산한 물과 열은 리포밍 반응에 의해 사용되며, 연료는 연료전지에 사용하기 위한 수소를 생산하기 위해 내부 리포밍된다. 따라서, 연료전지 스택의 냉각을 돕기 위해 흡열성 리포밍 반응이 유리하게 사용될 수 있다.
2개의 다른 형식의 내부 리포밍 연료전지 조립체가 개발되어 통상적으로 사용되고 있다. 첫번째 형식의 내부 리포밍 연료전지 조립체는 직접적인 내부 리포밍 연료전지 조립체로서, 리포밍 촉매를 활성 아노드 격실내에 배치함으로써 직접적인 내부 리포밍이 달성된다. 직접적인 내부 리포밍의 장점은 이런 리포밍을 통해 생산된 수소가 아노드에 직접 제공된다는 점이다. 두번째 형식의 내부 리포밍 연료전지 조립체는 리포밍 촉매를 스택내의 격리된 챔버에 배치하고 리포밍된 가스를 상기 챔버로부터 연료전지의 아노드 격실로 지향시킴으로써 달성되는 간접 내부 리포밍을 이용한다. 간접 내부 리포밍의 장점은 리포밍 촉매가 연료전지의 전해질에 의한 해독으로부터 보호된다는 점이다.
종래기술의 현재 상태는 직접 및 간접 내부 리포밍을 갖는 하이브리드 연료전지를 이용하고 있다. 예를 들어, 미국특허 제6,200,696호는 리포밍된 가스를 간접 리포밍 챔버로부터 아노드 흐름 필드로 배출하는 직접 및 간접 내부 리포밍을 사용하는 하이브리드 연료전지를 개시하고 있다.
인식할 수 있는 바와 같이, 연료전지에 의해 구동된 가변형 부하는 그 작동중 연료전지에 변화하는 파워를 요구하고 있다. 따라서, 연료전지는 상기 요구를 만족시키기에 충분한 파워를 생산하면서 상기 변화하는 파워 요구를 효과적으로 다루어야만 한다. 그 결과, 연료전지 효율을 높이고 높은 파워 요구 및 낮은 파워 요구의 취급을 개량하기 위해, 아노드 배기(예를 들어, 용융 탄산염 연료전지에서 연료의 약 10 내지 50% 가 아노드 배기 가스로서 전지를 빠져나간다)의 과잉 수소 연료가 가열용이나 냉각용으로 사용하기 위해 연소되거나, 또는 연료전지나 다른 장치에 의해 사용되기 위해 수소가 분리되거나, 또는 상기 배기가 다른 연료전지 또는 내연기관과 같은 희석된 수소를 사용하는 다른 장치를 통과하는 연료전지 시스템이 제안되어 왔다. 또한, 효율을 개량시키기 위해, 일부 연료전지 시스템은 아노드 배기로부터 수소의 일부 또는 전부를 추출하고, 그 추출된 수소 연료를 연료전지의 아노드 입력부로 다시 재순환시킨다.
윌리엄스 등에 허여된 미국특허 제5,413,878호에는 분리된 전극 흐름이 직렬 병류(co-current), 직렬 역전류(countercurrent), 또는 직렬 및 병렬 흐름의 조합으로 네트워크를 이루도록, 직렬로 연결된 다수의 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템이 개시되어 있다. 상기 윌리엄스 등에 허여된 특허에서, 각각의 연료전지 스택은 내부 리포밍 용융 탄산염 연료전지 스택이며, 연료전지 스택의 아노드는 제1연료전지 스택으로부터의 아노드 배기가 제2연료전지 스택의 아노드를 통과하고 제2연료전지 스택으로부터의 아노드 배기는 제3연료전지 스택의 아노드 배기를 통과하도록 직렬로 연결된다.
동일한 양수인에게 양도된 미국특허 제4,917,971호 및 미국 특허출원 제10/560,740호는 고온 연료전지로부터의 아노드 배기는 부가의 파워를 발생시키고 효율을 높이기 위해 저온 연료전지로 이송되도록 용융 탄산염 연료전지와 같은 고온 연료전지와, 직렬로 연결된 저온 연료전지를 포함하는 다른 파워 생산 시스템을 서술하고 있다. 상기 미국특허 제4,917,971호에서, 고온 연료전지로부터의 아노드 배기는 아노드 배기의 CO 및 물을 CO2 및 H2 로 변환하기 위해 냉각 및 이송되며, 미국 특허출언 제10/860,740호에서는 아노드 배기를 저온 연료전지를 통과시키기 전에 연료의 농축을 증가시키기 위해 물이 아노드 배기로부터 제거된다.
미국특허 제4,917,971호 및 미국 특허출원 제10/560,740호에 게재된 시스템은 연료전지 시스템의 연료 활용 및 이에 따른 작동 효율을 증가시킨다. 그러나, 제1연료전지 스택의 아노드 배기에서 소비되지 않은 연료를 활용하기 위해 이런 시스템에 사용되는 부가적인 연료전지 스택은 설비 및 유비보수 비용의 상당한 증가를 초래한다. 단일 스택 대신에 미국특허 제4,917,971호 및 미국 특허출원 제10/560,740호에서 저온 연료전지 스택을 사용하는 설비 비용은 멀티 스택 조립체의 작동 및 연료 활용 효율 보다 뛰어나다.
따라서, 본 발명의 목적은 효율이 개량된 개량형 이중 스택 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 작동 효율이 높고 개량된 파워 출력을 갖는 이중 스택 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적 및 다른 목적은 연료를 수취하고 제1아노드 배기를 배출하도록 적용된 제1아노드측과 제1캐소드측을 구비한 제1연료전지 스택과, 제1아노드 배기로부터 유도된 처리된 아노드 배기를 수취하고 제2아노드 배기를 배출하도록 적용된 제2아노드측과 옥시던트 가스를 수취하고 제1캐소드 배기를 배출하도록 적용된 제2캐소드측을 구비한 제2연료전지 스택을 포함하며, 상기 제1캐소드측은 적어도 제2캐소드측으로부터 배출된 제1캐소드 배기를 수취하는 이중 스택 연료전지 시스템에 의해 실현된다. 이런 실시예에서, 제1연료전지 스택은 간접 내부 리포밍을 포함하며, 제2연료전지 스택은 그 어떤 간접 내부 리포밍을 포함하지 않는다. 다른 실시예에서, 제1연료전지 스택은 제1간접 내부 리포머를 포함하며, 제2연료전지 스택은 제2간접 내부 리포머를 포함하며, 상기 연료전지 시스템은 제2간접 내부 리포머 주위의 처리된 아노드 배기를 제2아노드측의 아노드 격실로 바이패스하기 위한 리포머 바이패스를 부가로 포함한다.
이런 실시예에서, 이중 스택 연료전지 시스템은 제1아노드 배기를 냉각하기 위한 적어도 하나의 냉각 부재를 포함하는 적어도 하나의 냉각 조립체와, 제1아노드 배기의 일산화탄소를 메탄 및 수소중 적어도 하나로 각각 변환하기 위한 시프트 반응기(shift reactor)와 메탄화 반응기중 적어도 하나를 포함하는 반응기 조립체 및 제1아노드 배기로부터 물을 회수하기 위한 물 회수 조립체중 적어도 하나를 포함하며; 상기 처리된 아노드 배기는 냉각 조립체의 제1아노드 배기의 냉각과, 상기 반응기 조립체의 제1아노드 배기의 반응과, 물 회수 조립체의 제1아노드 배기로부터의 물 회수중 적어도 하나에 의해 유도된다. 이런 실시예에서, 처리된 아노드 배기는 물분리된(water separated) 아노드 배기를 포함한다.
상기 시스템은 제1 및 제2연료전지 스택을 위한 온도 제어부를 구비하는 열관리부를 부가로 포함한다. 일실시예에서, 이중 스택 연료전지 시스템은 연료를 수취하고 제1아노드 배기를 배출하도록 적용된 제1아노드측과 제1캐소드측을 포함하는 제1연료전지 스택과, 제1아노드 배기로부터 유도된 처리된 아노드 배기를 수취하고 제2아노드 배기를 배출하도록 적용된 제2아노드측과 제2아노드 배기로부터 유도된 옥시던트 가스의 제1부분을 수취하고 제1캐소드 배기를 배출하도록 적용된 제2캐소드측을 포함하는 제2연료전지 스택을 포함하며; 상기 제1캐소드측은 제1캐소드 배기와, 옥시던트 가스의 제2부분과, 외부 소스로부터의 부가적인 공기를 수취하며; 상기 제1연료전지 스택의 온도는 제1캐소드측에 수취된 추가적인 공기량을 제어함으로써 제어되며, 제2연료전지 스택의 온도는 상기 제2캐소드측에 수취된 옥시던트 가스의 제1부분의 양과 상기 제1캐소드측에 수취된 옥시던트 가스의 제2부분의 양중 적어도 하나를 제어함으로써 제어된다. 상기 시스템은 제2아노드측으로부터의 제2아노드 배기와 인입 공기를 수취하고 제2아노드 배기를 인입 공기로 산화하여 옥시던트 가스를 생산하도록 적용된 옥시다이저(oxidizer) 조립체도 포함한다.
본 발명의 상술의 특징 및 다른 특징은 첨부된 도면을 참조한 하기의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
도1은 제2용융 탄산염 연료전지 스택에 직렬로 연결된 제1용융 탄산염 연료전지 스택을 포함하는 이중 스택 용융 탄산염 연료전지 시스템을 도시한 도면.
도2a는 제1연료전지 스택이 간접 내부 리포밍을 포함하고 제2연료전지 스택이 간접 내부 리포밍을 포함하지 않는, 도1의 이중 스택 용융 탄산염 연료전지 시스템의 간략화된 배치를 도시한 도면.
도2b는 연료전지 스택 모두가 간접 내부 리포밍을 포함하는, 도1의 이중 스택 용융 탄산염 연료전지 시스템의 또 다른 간략화된 배치를 도시한 도면.
도1은 직렬로 연결된 2개의 용융 탄산염 연료전지 스택을 포함하는 이중 스택 연료전지 시스템(1)을 도시하고 있다. 도1에 도시된 시스템(1)은 종래의 단일-스택 시스템에 비해 개량된 성능 효율을 가지며, 특히 높은 연료 활용 및 파워 출력을 가지며, 종래의 멀티-스택 연료전지 시스템에 비해 제조비 및 운영비 효율성을 제공한다. 상기 시스템(1)의 개량된 성능 및 비용 효율성이 하기에 상세히 서술될 것이다.
도시된 바와 같이, 상기 시스템(1)은 용융 탄산염 전해질(도시않음)에 의해 분리되는 제1아노드측(102) 및 제1캐소드측(104)을 구비하는 제1용융 탄산염 연료전지 스택(100)과, 용융 탄산염 전해질(도시않음)에 의해 분리되는 제2아노드측(112) 및 제2캐소드측(114)을 구비하는 제2용융 탄산염 연료전지 스택(110)을 포함한다. 제1아노드측(102)은 연료를 수취하고 제1아노드 배기를 배출하도록 적용되며, 제2아노드측(112)은 제1아노드배기로부터 유도된 처리된 아노드 배기를 수취하고 제2아노드 배기를 배출하도록 적용된다. 제2캐소드측(114)은 제2아노드 배기로부터 유도된 옥시던트 가스를 수취하고 제1캐소드측(104)으로 이송되는 제1캐소드 배기를 배출하도록 적용된다. 제1연료전지 스택(100)은 직접 내부 리포밍 및 간접 내부 리포밍중 어느 하나를 포함하거나 또는 이들 모두를 포함하며, 아노드측에 인입된 인입 연료를 리포밍할 수 있는 내부 리포밍 연료전지 스택이다. 하기에 상세히 서술되는 바와 같이, 제2연료전지 스택(110)은 오직 직접 내부 리포밍만을 포함하는 내부 리포밍 연료전지 스택이거나 또는 비 리포밍 연료전지이다. 또한, 하기에 서술되는 바와 같이, 일부 예시적인 실시예에서 제2연료전지 스택(110)은 간접 내부 리포밍과, 내부 리포밍을 바이패스하기 위한 바이패스 라인을 포함한다.
도1에 도시된 바와 같이, 연료는 연료 인입라인(106)을 통해 시스템(1)에 공급되며, 가습기/열교환기(107)로 이송된다. 물 공급부로부터의 물 및/또는 아노드 배기로부터 회수된 재순환된 물은 하기에 더욱 상세히 서술되는 바와 같이 연료 인입라인(106)에 공급되며, 가습기/열교환기(107)로 이송된다. 열교환기(107)에서, 연료 인입라인(106)으로부터의 연료 및 물은 혼합되며 예열되고 가습기 연료를 생산하기 위해 제1캐소드(104)를 떠나가는 배기 가스로부터의 열을 사용하여 예열된다. 예열된 그리고 가습된 연료는 가습된 연료의 다른 처리를 위해 프리컨버터(pre-converter)/탈산기와 같은 전처리(pre-processing) 조립체(108)로 공급된다. 상기 전처리 조립체(108)로부터, 연료를 제1연료전지 스택(100)의 제1아노드측(102)으로 공급하기 전에, 연료는 제1연료전지 스택(100)으로부터의 캐소드 배기를 이용하여 더욱 가열되는 열교환기(109)를 통해 이송된다.
제1연료전지 스택(100)의 제1아노드측(102)에 유입되는 연료는 수소 및 일산화탄소를 생산하기 위해 스택의 내부에서 리포밍되며, 제1스택(100)의 제1캐소드측(104)을 통과하는 옥시던트 가스와 전기화학 반응을 하게 된다. 제1아노드측(102)에서 생산된 아노드 배기 가스를 포함하는 제1아노드 배기는 제1연료전지 스택(100)으로부터 아노드 출구를 통해 아노드 배기 통로(115)로 배출된다. 배기 통로(115)의 제1아노드 배기는 약 1150 ℉ 의 온도를 가지며, 반응되지 않은 수소, 일산화탄소, 수증기, 이산화탄소, 및 소량의 다른 가스를 포함한다. 제1아노드 배기는 열교환기(116, 118, 119)를 사용하여 냉각되며; 아노드 배기로부터의 열은 상기 처리된 아노드 배기가 제2연료전지 스택(1110)의 제2아노드측(112)에 공급되기 전에 상기 처리된 아노드 배기를 예열하도록 열교환기(116)에서 사용되며, 또한 시스템(1)에 공급된 인입 공기를 예열하기 위해 열교환기(118, 119)에서 사용된다.
도1에 도시된 바와 같이, 열교환기(116, 118)에서 냉각된 제1아노드 배기는 열교환기(119)에서 더욱 냉각되기 전에 반응기 조립체(117, 120)에서도 냉각된다. 도1에 도시된 시스템의 하나의 예시적인 실시예에서, 반응기 조립체(117, 120)는 시프트 반응기를 포함하며, 제1아노드 배기는 열교환기(116, 118)에서 냉각된 후 그리고 열교환기(119)에서 더욱 냉각되기 전에 상기 시프트 반응기(117, 1420)로 시프트된다. 시프트 반응기(117, 120)는 시프트 촉매를 사용하여 아노드 배기의 일산화탄소(CO)를 수소로 변환시킨다. 일산화 탄소는 제1아노드 배기에서 오직 잠재적인 검댕(soot) 형성 화합물이기 때문에, 제1아노드 배기의 시프팅(shifting)은 제2연료전지 스택(110)에서의 검댕 형성을 억누르는데 사용되는 제1아노드 배기에서의 물에 대한 필요성을 제거한다. 또한, 제1아노드 배기의 시프팅은 제1아노드 배기의 수소 농도를 증가시키며; 반응물의 높은 부분 압력으로 인해, 특히 수소의 높은 부분 압력으로 인해 제2연료전지 스택(110)의 성능을 개량시킨다.
도1에 도시된 시스템(1)의 다른 예시적인 실시예에서, 반응기(117, 120)는 시프트 반응기 대신에 제1아노드 배기를 반응시키는데 사용되는 메탄화 반응기(117, 120)이다. 메탄화 반응기(117, 120)에서, 제1아노드 배기의 일산화탄소 및 이산화탄소는 메탄 및 물을 생산하기 위해 배기내의 소비되지 않은 수소와 반응된다. 어떤 실시예에서, 메탄화 반응기(117, 120)는 다수의 메탄화 스테이지를 포함하는 멀티 스테이지 메탄화 반응기이다. 멀티 스테이지 메탄화 반응기의 예는 본 발명의 양수인에게 양도된 미국특허 제7,247,281호에 개시되어 있다.
메탄화의 결과, 제1아노드 배기 스트림은 CO2, CO, H2, H2O 를 포함하는 가스로부터 CO2, H2CH4, H2O 를 포함하는 가스로 변환된다. 시프트 반응 및 메탄화 반응은 발열성이며, 또 다른 냉각에 의해 시스템으로부터 제거되는 열을 방출한다. 그렇지 않을 경우 이런 열은 제2스택(110)에서 방열될 것이다. 또한, 제1아노드 배기로부터 유도된 처리된 아노드 배기의 메탄(CH4)은 제2연료전지(110)에서 리포밍되며, 열은 제2연료전지 스택(110)으로부터 제거된다. 제2스택(110)에서 방출된 열의 양의 감소는 제2스택(110)으로 하여금 과열없이 높은 전류밀도 및 이에 따른 높은 파워로 작동될 수 있게 한다. 그 결과, 제2연료전지 스택(110)에 의해 더욱 많은 파워가 생산될 수 있어서, 시스템(1)의 $/kW 작동비용을 상당히 절감시키며, 시스템의 작용 효율을 개량시킨다.
도1에 도시된 바와 같이, 상술한 바와 같이 반응기(117, 120), 즉 시프트 반응기 또는 메탄화 반응기에서 반응된 후, 아노드 배기는 열교환기(119)에서 더욱 냉각되며, 그후 아노드 배기로부터 물이 회수되는 물 회수 조립체(121)를 통해 이송된다. 도1에 도시된 물 회수 조립체(121)는 열교환기(119)에 의해 냉각된 제1아노드 배기를 수취하고 제1아노드 배기의 적어도 일부의 물을 응축시키도록 적용된 패킹된 타워 조립체(122)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 제1아노드 배기는 열교환기(119)로부터 상기 패킹된 타워 조립체(122)의 한쪽 단부로 이송되며, 냉각된 재순환된 물은 물 재순환 통로(123)로부터 상기 패킹된 타워 조립체(122)의 반대쪽 단부로 이송되므로, 아노드 배기 및 냉각된 재순환된 물은 서로 반대쪽 방향으로 흐른다. 패킹된 타워(122)에서, 제1아노드 배기는 재순환된 물과의 직접 접촉에 의해 냉각되며, 이에 따라 제1아노드 배기의 적어도 일부의 물을 응축시킨다. 아노드 배기로부터 응축된 물은 패킹된 타워(122)를 통해 이동될 때 재순환된 물과 혼합된다. 재순환된 물과 상기 아노드 배기로부터 응축된 물의 혼합물을 포함하는 응축된 물은 패킹된 타워(122)의 바닥에 수집된다. 패킹된 타워의 바닥에 수집된 응축된 물의 제1부분은 패킹된 타워 조립체(122)에서 재순환된 물로서 사용되기 위해 공기팬(airfan)과 같은 물 재순환 통로(123)로 이송되며, 응축된 물의 제2부분은 물 회수 조립체(121)로부터 배출되고 인입 연료를 가습하기 위해 연료 인입라인(106)으로 재순환된다. 본 발명의 양수인에게 양도되고 본 발명에 참조인용된 된 미국 특허출원 제11/971,663호에는 제1아노드 배기로부터의 물을 회수하기 위해 도1의 시스템(1)에 사용된 적절한 물 회수 조립체가 개시되어 있다. 도1에 도시된 바와 같이, 물 회수 조립체(121)의 제1아노드 배기로부터 물의 적어도 일부가 제거된 후, 물분리된 아노드 배기는 패킹된 타워(122)로부터 제2연료 인입 통로(126)로 배출된다.
상술한 실시예에서, 처리된 아노드 배기는 제2연료 인입 통로에 의해 제2연료전지 아노드측(112)으로 이송되는 물분리된 배기를 포함한다. 도시된 바와 같이, 블로어(blower)(125)는 처리된 아노드 배기의 제2연료 인입 통로(126)를 통한 이송을 돕기 위해 제2연료 인입 통로(126)의 처리된 아노드 배기의 압력을 증가시키는데 사용된다. 상기 블로어(125)는 저온에서 낮은 압력 증가에 의해 작동되며, 이에 따라 낮은 압축력 및 저렴한 비용을 유발시킨다. 블로어(125)는 제1캐소드측(104)과 제1아노드측(102)의 압력 차이를 최적화하여 이들 사이의 누설을 최소화하도록 제어된다.
도1에 도시된 바와 같이, 이런 실시예에서 제2연료 인입 통로(126)의 처리된 아노드 배기의 일부는 제1아노드측(102)에서 사용하기 위해 재순환 라인(126b)을 통해 연료 인입라인(106)으로 재순환된다. 처리된 아노드 배기의 재순환된 일부는 인입 연료와 혼합되며, 제1아노드측(102)으로 이송되기 전에 열교환기(109)에서 예열된다. 또한, 일부 예시적인 실시예에서 보충 연료는 인입 통로(126a)를 통해 제2연료 인입 통로(126)에 추가되며, 이런 실시예에서 처리된 아노드 배기는 물분리된 아노드 배기와 보충 연료의 혼합물을 포함한다. 처리된 아노드 배기를 제2아노드측(112)에 연료로서 공급하기 전에, 처리된 아노드 배기는 제1아노드 배기로부터 열을 이용하여 열교환기(116)에서 또한 제2캐소드측(114)으로부터 배출된 제1캐소드 배기로부터의 열을 이용하여 열교환기(127)에서 예열된다. 도1에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서 연료 인입라인으로 공급된 연료의 일부는 보충 연료로서 제2아노드측(112)에도 제공된다. 이런 실시예에서, 연료 인입라인(106)의 연료의 일부는 연료 바이패스 라인(106a)을 통해 처리된 아노드 배기와 조합되는 제2연료 인입 통로(126)로 이송되며, 제2아노드측(112)으로 공급되기 전에 열교환기(127)에서 예열된다. 연료 바이패스 라인을 통한 연료의 일부의 바이패스는 시스템(1)의 작동에 추가적인 융통성을 제공한다.
일부 예시적인 실시예에서, 상기 보충 연료는 메탄을 포함하며, 라인(126a)을 통해 외부 소스로부터 공급되거나 또는 제1연료전지 스택 주위에서 연료 바이패스 라인(106a)을 통해 바이패스된다. 이런 실시예에서, 제2아노드측(112)의 작동 온도는 제2아노드측(112)으로 공급된 보충 메탄 연료의 양을 조정함으로써 제어될 수 있다. 특히, 제2아노드측(112)에 제공된 보충 메탄 연료의 양은 제2연료전지측의 온도를 낮추기 위해 증가되고, 제2연료전지 시스택의 온도를 높이기 위해 감소된다.
제2연료전지 스택(110)의 제2아노드측(112)에 유입되는 처리된 아노드 배기는 수소 및 일산화탄소를 생산하기 위해 직접 내부 리포밍을 사용하여 내부에서 리포밍되며, 그후 연료전지 스택(110)의 제2캐소드측(114)을 통과하는 옥시던트 가스와 전기화학 반응을 수행한다. 제2아노드 배기는 제2아노드측(112)으로부터 제2아노드 배기 통로(128)내로 배출되며, 제2아노드 배기 통로(128)에 의해 옥시다이저(129)로 이송된다. 옥시다이저(129)는 압축기(131)에 의해 압축된 인입 공기를 수취하며, 공기 인입 통로(131c)를 통해 열교환기(118, 119)에 의해 예열된다.
옥시다이저(129)에서, 제2아노드 배기의 연소되지 않은 탄화수소는 CO2 및 O2 가 풍부한 옥시던트 가스를 생산하기 위해 공기의 존재하에 산화된다. 옥시다이저(129)로부터 배출된 옥시던트 가스는 옥시던트 가스로서 사용되기 위해 제2캐소드측(14)으로 이송된다. 제2연료전지 스택(110)의 제2캐소드측(114)에 사용된 후, 부분적으로 소비된 옥시던트 가스를 포함하는 제1캐소드 배기는 제2캐소드측(114)으로부터 배출되며, 처리된 아노드 배기 가스를 예열하는 동안 열교환기(127)에서 냉각된다. 그후, 제1캐소드 배기는 제1연료전지 스택(100)의 제1캐소드측(104)으로 이송된다. 도시된 바와 같이, 옥시다이저(129)로부터 배출된 옥시던트 가스의 일부는 제2캐소드측(114)을 바이패스하고 제1캐소드측(104)으로 이송된 부분적으로 소비된 옥시던트 가스를 보충하기 위해, 옥시던트 바이패스 라인(132)를 통해 제1캐소드측(104)으로 이송된다. 또한, 보충 공기는 배기 및 공기 혼합물을 제1캐소드측(104)으로 이송하기 전에 에열된 제1캐소드 배기에 추가되어 이와 함께 혼합된다. 도1에 도시된 바와 같이, 보충 공기는 압축기(131)에 의해 압축된 압축 공기의 일부분으로서 라인(131b)을 통해 제공되어 열교환기(118, 119)에서 예열되거나, 또는 예열없이 압축기(131)에 의해 압축된 압축 공기의 일부분으로서 라인(131a)을 통해 제공된다. 이런 실시예에서, 라인(131a)의 압축된 보충 공기의 전부 또는 일부는 제1캐소드측(104)을 통과한 보충 공기의 양을 제어하고 및/또는 공기 인입 통로(131c)의 공기 온도를 제어하기 위해 공기 인입 통로(131c)로 이송된다. 도시된 바와 같이, 소비된 옥시던트 가스를 포함하는 제2캐소드 배기는 제1연료전지 스택(100)의 제1캐소드측(104)으로부터 배출되며, 연료전지 시스템(1)으로부터 배기되기 전에 인입 연료를 예열하기 위해 열교환기(109, 107)를 통과한다.
상술한 바와 같이, 제1연료전지 스택(100)은 인입 연료를 리포밍할 수 있고 직접 내부 리포밍(DIR)이나 간접 내부 리포밍(IIR) 또는 이 모두를 포함하는 내부 리포밍 연료전지 스택이며, 제2연료전지 스택(110)은 오직 직접 내부 리포밍(DIR)만을 포함하는 내부 리포밍 연료전지 또는 비 리포밍 연료전지이다. 인식할 수 있는 바와 같이, 간접 내부 리포밍(IIR)은 제1연료전지 스택(100)내로 인입된 연료를 연료가 리포밍되는 내부 리포머를 통과시키고 그후 리포밍된 연료를 아노드측(102)의 아노드 격실을 통과시킴으로써 달성된다. 제1연료전지 스택(100)에 사용하기 적절한 내부 리포머의 예는 양도된 미국 특허출원 제10/269,481호 및 제11/030,747호에 개시되어 있으며, 이들 특허출원은 본 발명에 참조인용되었다. 직접 내부 리포밍(DIR)은 리포밍 촉매를 연료전지 스택의 아노드 격실(들)에 배치함으로써, 특히 리포밍 촉매를 아노드 격실(들)의 아노드 전류 콜렉터의 주름부(corrugation)에 배치함으로써 달성된다. 리포밍 촉매와 이를 아노드 전류 콜렉터내에 배치하는 예는 양도된 미국 특허출원 제11/280,633호에 개시되어 있으며, 상기 특허출원은 본 발명에 참조인용되었다.
도2a는 도1의 이중 스택 용융 탄산염 연료전지 시스템의 단순화된 배치를 도시한 도면으로서, 제1연료전지 스택(100)은 IIR 및 IIR-DIR 연료전지 스택이고 제2연료전지 스택(110)은 IIR 을 포함하지 않고 있다. 이런 예시적인 실시예에서, 제2연료전지 스택(110)은 오직 직접 연료전지 리포밍만을 포함하는 DIR 연료전지이며, 다른 예시적인 실시예에서 제2연료전지 스택(110)은 리 비포밍 연료전지이다.
도2a에 도시된 바와 같이, 예열된 그리고 프리컨버터와 같은 전처리 유니트로부터의 전처리된 연료는 제1연료전지 스택(100)의 제1아노드측(102)에 공급된다. 제1아노드측(102)은 아노드측(102)에 공급된 연료를 수취 및 리포밍하는 적어도 하나의 간접 리포머(102a)와, 상기 간접 리포머(102a)에 의해 리포밍된 연료를 수취하는 적어도 하나의 전극을 포함하는 아노드 격실(102b)을 포함한다. 이런 예시적인 실시예에서, 아노드 격실(102b)은 간접 리포머(102a)에 의해 리포밍된 연료가 아노드 격실(102b)내에서 계속 리포밍되도록 연료의 직접 리포밍을 위해 그 내부에 배치되는 리포밍 촉매를 포함한다.
도시된 바와 같이, 리포밍된 연료가 제1캐소드측(104)을 통과한 옥시던트 가스와 전기화학 반응을 거친 후, 제1아노드 배기는 제1연료전지 스택(100)의 아노드측(102)으로부터 배출된다. 상술한 바와 같이, 제1아노드 배기는 아노드 배기의 냉각과, 제1아노드 배기의 일산화탄소의 양을 감소시키기 위해 시프트 반응기나 메탄화 반응기와 같은 반응기에서 제1아노드 배기와의 반응과, 물 회수 조립체의 제1아노드 배기로부터의 물 회수중 적어도 하나에 의해 처리된 아노드 배기를 생산하기 위해 처리 조립체(150)에서 처리된다. 그러나, 이런 예시적인 실시예에서 아노드 배기의 처리 조립체(150)는 연료전지 시스템의 형상 및 요구사항에 따라 냉각단계, 반응단계, 및 물 회수단계중 적어도 하나 이상을 생략하기 위해 변화된다.
처리된 아노드 배기는 제2연료전지 스택(110)의 제2아노드측(112)으로 이송된다. 이런 실시예에서, 시스템에 공급된 연료의 일부는 제2스택(110)의 아노드측(112)에 제공되기 전에 상기 처리된 아노드 배기와 조합되도록 연료 바이패스 라인(106a)을 통해 제1연료전지 스택(100) 주위로 바이패스된다. 이런 방식으로, 상기 바이패스된 연료는 제2연료전지 스택(110)에서 보충 연료로서 사용되며, 시스템의 작동에 더욱 큰 융통성을 제공한다. 도1에 대해 서술한 바와 같이, 일부 실시예에서 보충 연료는 메탄 보충 연료를 포함하며, 외부 소스로부터 제공될 수 있다.
도2a에 도시된 바와 같이, 제2연료전지 스택(110)의 아노드측(112)은 아노드 격실(112a)을 포함하고 간접 리포머를 포함하지 않으며, 이에 따라 상기 처리된 아노드 배기는 먼저 리포밍되지 않고 아노드측(112)의 아노드 격실(112a)로 직접 이송된다. 상술한 바와 같이, 이런 실시예에서 제2연료전지 스택(110)은 DIR 연료전지 스택이며, 제2아노드측(112)의 아노드 격실(112a)은 상기 처리된 아노드 배기의 직접 리포밍을 위해 거기에 저장된 리포밍 촉매를 포함한다. DIR 연료전지 스택의 사용은 처리 조립체(150)가 상술한 바와 같이 메탄화 반응기를 포함할 때 특히 바람직하므로, 메탄화 반응기에서 메탄화 반응에 의해 생산된 메탄은 리포밍될 수 있으며 아노드 격실(112a)에서 연료로 사용될 수 있다.
도2a에 도시된 바와 같이 그리고 서술한 바와 같이, 제2아노드측(112)에 의해 배출된 제2아노드 배기는 공기 인입 통로(131c)를 통해 및/또는 보충 공기 라인(131a)으로부터 예열된 인입 공기도 수취하는 옥시다이저(129)로 이송된다. 상기 옥시다이저는 옥시던트 가스를 생산하기 위해 제2아노드 배기에서 연소되지 않은 탄화수소를 산화시킨다. 또한, 도시된 바와 같이 옥시다이저(129)로부터 배출된 옥시던트 가스는 제2연료전지 스택(110)의 제2캐소드측(114)으로 이송되며, 부분적으로 소비되지 않은 옥시던트 가스를 포함하는 제1캐소드 배기는 캐소드측(114)으로부터 배출된 후 제1연료전지 스택(100)의 제1캐소드측(104)으로 이송된다. 이런 실시예에서, 옥시던트 가스 바이패스 라인(132)은 옥시던트 가스를 제1스택(100)의 제1캐소드측(104)으로 이송하기 위해 옥시던트 가스의 일부를 옥시다이저(129)로부터 제2캐소드측(114) 주위로 바이패스하도록 포함된다. 또한, 상술한 바와 같이 일부 실시예에서 제1캐소드 배기를 더욱 냉각시키기 위해 보충 공기가 라인(131a)을 통해 제1캐소드 배기에 추가되며, 상기 제1캐소드 배기와 공기의 혼합물은 제1캐소드측(104)으로 이송된다. 다른 실시예에서 도1에 대해 서술한 바와 같이, 보충 공기는 라인(131b)을 통해 공기 인입 통로(131c)로부터 이송되는 시스템(1)에 인입되는 압축되고 예열된 공기의 일부를 포함한다.
도1 및 도2a에 도시된 바와 같이 시스템의 형상은 부분적으로는 간접 내부 리포밍을 포함하지 않는 제2연료전지 스택(110)을 사용함으로써, 또한 제1아노드 배기로부터 물을 회수하는 물 회수부를 사용함으로써, 또한 하기에 상세히 서술되는 바와 같이 시스템의 열 관리에 의해 상당한 효율을 제공한다. 먼저, 간접 내부 리포밍을 포함하지 않는 제2연료전지 스택(110)의 사용은 공간 및 설비비의 효율로 나타난다. 특히, 이런 실시예에서 간접 내부 리포머가 없는 제2연료전지 스택(110)은 동일한 체적의 IIR 연료전지 스택 보다 더 많은 각각의 연료전지 유니트를 유지할 수 있으며, 이것은 스택(110)의 파워 출력을 증가시킨다. 제1아노드 배기로부터의 물 회수는 인입 연료를 가습하기 위한 물을 제공하고 이에 따라 시스템을 물로부터 독립시킬 뿐만 아니라 처리된 아노드 배기의 소비되지 않은 연료 반응물, 예를 들어 H2 및/또는 CH4 를 증가시킴으로써 제2연료전지 스택의 성능을 개량시킨다.
제1연료전지스택 및 제2연료전지 스택과 이에 따른 시스템의 성능은 각각의 스택(100, 110)의 작동 온도를 제어함으로써 달성되는 시스템의 열 관리를 통해 더욱 개량된다. 제1스택의 온도는 시스템으로의 공기 흐름을 제어함으로써 제어되며, 제2스택의 온도는 옥시다이저(129)에 공급되는 옥시던트 가스의 양을 제어함으로써 및/또는 바이패스 라인(132)을 통해 제2스택의 제2캐소드측(114) 주위로 바이패스된 옥시던트 가스의 양을 제어함으로써 제어된다.
특히, 제1연료전지 스택(100)에 추가의 냉각이 필요할 때, 예를 들어 제1연료전지 스택(100)의 온도가 1200 ℉ 와 같은 설정된 온도 이상으로 증가될 때, 시스템(1)으로의 공기 흐름은 시스템에 더 많은 공기를 제공함으로써, 특히 제2캐소측(114)으로부터 배출된 제1캐소드 배기와 혼합될 더 많은 공기를 제공하여 제1캐소측(104)으로의 증가된 공기 흐름을 제공함으로써 제어된다. 이런 방식으로, 제2캐소드측(114)으로부터 배출된 제1캐소드 배기에 추가된 추가적인 공기 또는 보충 공기는 제1캐소드 배기를 제1스택(100)의 제1캐소드측(104)에 공급하기 전에 제1캐소드 배기를 냉각시키는데 사용된다. 제2스택(110)의 온도는 제2스택(110)에서 더 많은 냉각이 필요할 때, 예를 들어 제2스택(110)의 온도가 1200 ℉ 와 같은 설정된 온도 이상일 때, 공기 인입라인(131c)이 부가의 공기를 옥시다이저(129)를 통해 제2스택(110)의 제2캐소드측(114)에 제공하도록 제어된다.
또한, 제2스택(110)의 온도는 특히 반응기 조립체(120)가 메탄화 반응기를 포함하는 도1 및 도2a의 실시예에서 제2스택(110)의 제2아노드측(112)의 리포밍의 양을 제어함으로써 제어된다. 특히, 제2스택(110)의 제2아노드측(112)의 리포밍의 양은 예를 들어 제2스택(110)의 제2아노드측(112)을 통해 상기 처리된 아노드 배기의 흐름율을 제어함으로써 제어되므로, 처리된 아노드 배기의 흐름율이 감소되어 스택(110)이 더 많이 냉각될 때 더 많은 연료가 리포밍될 수 있다. 또한, 제2아노드측(112)의 리포밍의 양은 연료 입구 바이패스 라인(106a)을 통해 제1아노드측(102) 주위로 바이패스된 연료의 양을 제어함으로써 제어된다. 보충 연료가 메탄을 포함하는 상술한 일부 실시예에서, 제2아노드측(112)의 온도는 제2아노드측(112)에 제공된 보충 연료의 양을 제어함으로써 제어된다.
온도의 제어와 제1 및 제2연료전지 스택으로부터의 열의 제거는 스택이 광범위한 파워 출력으로 작동되게 한다. 그 결과, 각각의 스택(100, 110)의 온도 프로필은 매우 균일하게 되어, 스택의 열화를 방지한다. 이런 방식으로, 추가적인 작동 및 유지보수 효율이 달성된다. 또한, 제1 및 제2연료전지 스택의 연료 활용 및 이에 따른 파워 출력은 제1아노드 배기로부터 유도된 상기 처리된 아노드 배기의 소비되지 않은 연료를 가능한 가장 높은 전압으로 소비할 수 있도록 조정될 수 있으므로, 더욱 효율적이게 한다. 도1 및 도2에 도시된 시스템에서, 연료 활용은 최종적인 전체 연료 활용율이 90% 정도로 높도록 제어된다.
도2b는 제2연료전지 스택(210)이 간접 내부 리포밍을 포함하는 도1에 도시된 시스템(2)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도2b의 시스템(2)의 실시예의 구성은 도2a에 도시된 시스템(1)과 유사하다. 도시된 바와 같이, 시스템(2)은 IIR 또는 IIR-DIR 연료전지 스택인 제1연료전지 스택(200)과 DIR 또는 IIR-DIR 연료전지 스택인 제2연료전지 스택(210)을 포함한다.
제1연료전지 스택(200)의 제1아노드측(202)은 프리컨버터와 같은 전처리 유니트로부터 예열 및 전처리된 연료를 수취하고 적어도 하나의 간접 리포머(202a)를 사용하여 상기 연료를 리포밍한다. 리포머(202a)에서 리포밍된 연료는 리포밍 촉매를 사용하여 연료가 더욱 리포밍되는 제1아노드측(202)의 아노드 격실(202b)을 통과하며, 제1캐소드측(204)의 옥시던트 가스와 전기화학 반응을 거치게 된다. 제1연료전지 스택(200)의 제1아노드측(202)으로부터 배출된 제1아노드 배기는 적어도 제1아노드 배기의 적어도 하나의 냉각단계에 의해 처리된 아노드 배기를 생산하기 위해 처리 조립체(250)에서 처리되고, 그후 제1아노드 배기에서 일산화탄소의 양을 감소시키기 위해 시프트 반응기 또는 메탄화 반응기와 같은 반응기에서 제1아노드 배기와 반응하며, 도1에 대해 서술한 바와 같이 물 회수 조립체의 제1아노드 배기로부터 물을 회수한다. 도2a의 제1실시예에서와 같이, 제1아노드 배기의 처리는 연료전지 시스템의 형상 및 요구사항에 따라 냉각단계, 반응단계, 및 물 회수단계중 적어도 하나 이상을 생략하기 위해 변화된다.
도2b에 도시된 바와 같이, 처리된 아노드 배기는 처리 조립체(250)로부터 제2연료전지 스택(210)의 제2아노드측(212)으로 이송된다. 도2b에 도시된 바와 같이, 제2연료전지 스택(210)의 아노드측(212)은 내부 리포밍 조립체(212a) 및 아노드 격실(212b)을 포함한다. 상술한 바와 같이, 이런 실시예에서 아노드 격실(212a)은 상기 처리된 아노드 배기의 직접 리포밍을 위해 그 내장된 리포밍 촉매를 포함한다. 또한, 도2b의 시스템은 처리된 아노드 배기의 전부 또는 일부가 아노드 격실(212b)에 직접 공급될 수 있도록 제2아노드측(212)의 내부 리포밍 조립체(212a) 주위로 상기 처리된 아노드 배기를 바이패스하는데 사용되는 바이패스 라인(213)을 포함한다. 바이패스 라인(213)은 아노드측 압력강하를 감소시키고 제2연료전지 스택(210)의 온도 프로필을 제어하는데 사용될 수 있다. 상기 처리된 아노드 배기 가스가 입력 연료 보다 낮은 연료밀도를 갖기 때문에, 만일 모든 처리된 아노드 배기 가스가 제2스택(210)의 간접 리포밍(IIR) 조립체(212a)에 공급된다면 과도한 압력강하가 발생될 것이다.
또한, 일부 실시예에서 시스템에 공급된 연료의 일부는 제2스택(210)의 아노드(212b)에 공급되기 전에 라인(226)의 상기 처리된 아노드 배기와 조합되기 위해 또한 제2스택(210)의 간접 내부 리포밍 조립체(212a)로 이송되기 위해 연료 바이패스 라인(206a)을 통해 제1연료전지 스택(200) 주위로 바이패스된다. 바이패스된 연료는 제2연료전지 스택(210)에서 보충 연료로서 사용될 수 있으며, 시스템의 작동 및 온도 제어에 더욱 큰 융통성을 제공한다. 도1에 대해 서술한 바와 같이, 일부 실시예에서 보충 연료는 메탄 보충 연료를 포함하며, 외부 소스로부터 제공될 수 있다. 예를 들어, 연료 바이패스 라인(206a)을 통해 바이패스된 연료의 흐름은 높은 온도의 작동이 요구될 때 증가되고 또한 낮은 온도의 작동이 요구될 때 감소되거나 멈추도록 제어된다.
일반적으로, 연료 바이패스 라인(206a)을 통해 바이패스된 연료는 아노드측(212b)으로 바이패스되기 전에 메탄의 수소로의 변환을 증가시키기 위해 간접 내부 리포밍(IIR)이 실행된다. 또한, 도2b에 도시되지는 않았지만, 메탄을 포함하는 보충 연료의 일부 또는 전부는 제2아노드측(212)의 아노드에 직접 제공된다. 도1에 대해 서술한 바와 같이, 리포밍 조립체에 제공된 보충 메탄 연료의 양은 간접 내부 리포밍 조립체(212a)의 리포밍의 양과 아노드측(212b)의 직접 내부 리포밍의 양 및 이에 따른 제2연료전지 스택(210)의 온도를 제어하는데 사용된다.
도2b에 도시된 바와 같이, 제2아노드측(212)으로부터 배출된 제2아노드 배기는 공기 인입 통로(131c)를 통해 및/또는 라인(131a)을 통해 예열된 공기를 수취하는 옥시다이저(229)로 이송된다. 상기 옥시다이저(229)는 옥시던트 가스를 생산하기 위해 아노드 배기의 연소되지 않은 탄화수소를 산화시킨다. 옥시다이저로부터 배출된 옥시던트 가스 또는 그 일부는 제2연료전지 스택의 제2캐소드측(214)으로 이송된다. 제2캐소드측(214)으로부터 배출된 부분적으로 소비된 옥시던트 가스를 포함하는 제1캐소드 배기는 제1연료전지 스택(100)의 제1캐소드측(204)으로 이송된다. 도시된 바와 같이 그리고 도1 및 도2a에 대해 서술한 바와 같이, 옥시다이저(229)에 의해 생산된 옥시던트 가스의 일부는 옥시던트 가스 바이패스 라인(232)을 사용하여 제2스택의 캐소드측(214)으로 바이패스됨으로, 바이패스된 옥시던트 가스의 일부는 제1스택(200)의 제1캐소드측(204)으로 이송된다. 추가 연료 또는 보충 연료는 라인(131a) 및/또는 라인(131b)을 통해 제1스택(200)의 제1캐소드측(204)에 제공되며, 옥시던트 가스 및/또는 부분적으로 소비된 옥시던트 가스와 혼합된다. 도2a에 도시된 실시예와 유사하게, 이런 실시예의 옥시던트 바이패스 라인(232)은 제2연료전지 스택(210)의 온도를 제어하기 위해 사용될 수 있으며, 제1캐소드측(204)에 공급된 추가적인 공기는 제1연료전지 스택(200)의 온도를 제어하기 위해 사용될 수 있다.
도2a의 실시예와 마찬가지로, 도2b에 도시된 실시예는 부분적으로는 아노드 배기로부터 물을 회수하는 물 회수부를 사용함으로써, 또한 시스템의 열 관리로부터, 또한 제1아노드 배기를 제2연료전지 스택의 내부 리포밍 조립체 주위로 바이패스하기 위한 바이패스 라인(213)을 사용함으로써 상당한 효율을 제공한다. 특히, 바이패스 라인(213)의 사용은 제2스택(210)의 작동 압력 및 온도의 부가적 제어를 제공하며, 내부 리포밍 조립체의 리포밍 촉매의 작동 효율 및 작동 수명을 증가시킬 수 있다. 도2a의 실시예에서, 도2b의 제1아노드 배기로부터의 물 회수는 인입 연료를 가습하기 위한 물을 제공함으로써 시스템을 물로부터 독립적이게 하며, 예를 들어 H2 및/또는 CH4 와 같은 상기 처리된 아노드 배기의 소비되지 않은 연료 반응물의 부분 압력을 증가시킴으로써 제2연료전지 스택의 성능을 개량시킨다. 또한, 도2a에서처럼, 제1 및 제2연료전지 스택(200, 210)과 도2b의 시스템의 성능은 각각의 스택(200, 210)의 작동 온도를 제어함으로써 달성되는 열 관리를 통해 더욱 개량된다. 상술한 바와 같이, 제1 및 제2스택의 온도는 시스템의 공기 흐름을 제어함으로써 제어되며, 제2스택의 온도는 내부 리포밍 조립체(212a) 및 제2아노드측(212b)의 리포밍의 양을 제어함으로써 더욱 제어된다. 내부 리포밍 조립체(212a)의 리포밍의 양은 바이패스 라인(213)을 통해 리포밍 조립체를 바이패스하는 상기 처리된 아노드 배기의 양을 조정함으로써 및/또는 내부 리포밍 조립체(212a)에 제공된 보충 메탄 연료의 양을 제어함으로써 제어될 수 있다. 제2스택의 온도는 라인(206a)을 통해 제1연료전지 스택(200)을 바이패스하는 연료의 양을 제어함으로써 더욱 제어될 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 및 제2연료전지 스택(200, 210)은 온도의 제어와 제1 및 제2연료전지 스택(200, 210)으로부터의 열 제거로 인해 광범위한 파워 출력으로 작동될 수 있다. 그 결과, 제1 및 제2스택의 연료 활용 및 파워 출력은 제1스택으로부터의 소비되지 않은 연료가 제2연료 스택에서 가능한 가장 높은 전압으로 소모되도록 조정될 수 있다.
모든 경우에 있어서, 상술한 설비는 본 발명의 적용을 제공하는 많은 가능한 특정 실시예를 단순히 나타내고 있음을 인식해야 한다. 본 발명은 양호한 실시예를 참조로 서술되었기에 이에 한정되지 않으며, 본 기술분야의 숙련자라면 첨부된 청구범위로부터의 일탈없이 본 발명에 다양한 변형과 수정이 가해질 수 있음을 인식해야 한다.
102: 제1아노드측 104: 제1캐소드측
106: 연료 인입라인 107: 가습기/열교환기
112: 제2아노드측 114: 제2캐소드측
115: 배기 통로 117, 120: 시프트 반응기
122: 타워 조립체

Claims (26)

  1. 이중 스택 연료전지 시스템에 있어서,
    연료를 수취하고 제1아노드 배기를 배출하도록 적용된 제1아노드측과 제1캐소드측을 포함하는 제1연료전지 스택과,
    상기 아노드 배기로부터 유도된 처리된 아노드 배기를 수취하고 제2아노드 배기를 배출하도록 적용된 제2아노드측과 옥시던트 가스를 수취하고 제1캐소드 배기를 배출하도록 적용된 제2캐소드측을 구비하는 제2연료전지 스택을 포함하며,
    상기 제1캐소드측은 적어도 상기 제2캐소드측으로부터 배출된 상기 제1캐소드 배기를 수취하며, 상기 제1연료전지 스택은 간접 내부 리포밍을 포함하고, 상기 제2연료전지 스택은 긴접 내부 리포밍을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2연료전지 스택은 비 리포밍 연료전지 스택 및 직접 내부 리포밍(DIR) 연료전지 스택중 하나인 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1연료전지 스택은 직접 내부 리포밍(DIR)을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1아노드 배기를 냉각하기 위해 적어도 하나의 냉각부재를 포함하는 냉각 조립체와, 제1아노드 배기의 일산화탄소를 메탄 및 수소중 적어도 하나로 각각 변환하기 위해 시프트 반응기 및 메탄화 반응기중 적어도 하나를 포함하는 반응기 조립체와, 상기 제1아노드 배기로부터 물을 회수하기 위해 물 회수 조립체중 적어도 하나를 포함하며; 상기 처리된 아노드 배기는 상기 냉각 조립체에서의 제1아노드 배기의 냉각과, 상기 반응기 조립체에서의 제1아노드 배기의 반응과, 상기 물 회수 조립체에서 상기 제1아노드 배기로부터의 물 회수중 적어도 하나에 의해 유도되는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 옥시던트 가스를 생산하기 위해 상기 제2아노드측으로부터 제2아노드 배기 및 인입 공기를 수취하고 상기 제2아노드 배기를 상기 인입 공기로 산화시키도록 적용된 옥시다이저 조립체를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 냉각 조립체는 제1아노드 배기로부터의 열을 상기 처리된 아노드 배기로 전달함으로써 상기 제1아노드 배기를 냉각하기 위한 제1열교환기 조립체와, 상기 인입 공기가 옥시다이저로 이송되기 전에 상기 제1아노드 배기로부터의 열을 인입 공기로 전달함으로써 상기 제1아노드 배기를 더욱 냉각하는 제2열교환기 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  7. 제4항에 있어서, 상기 물 회수 조립체는 상기 냉각 조립체에 의해 냉각되고 반응기 조립체에서 반응된 상기 제1아노드 배기를 수취하도록 적용되며; 상기 물 회수 조립체는 제1아노드 배기의 물의 적어도 일부를 응축시키고 물분리된 아노드 배기와 상기 상기 제1아노드 배기로부터 회수된 물과 재순환 물을 포함하는 응축된 물을 배출하기 위해 상기 제1아노드 배기와 재순환 물을 수취하도록 적용된 패킹된 타워 조립체와, 재순환 물로서 사용하기 위해 상기 응축된 물의 제1부분을 패킹된 타워 조립체로 냉각 및 이송하는 재순환 통로를 포함하며; 상기 응축된 물의 제2부분은 물 회수 조립체로부터 배출되고 상기 연료를 제1아노드측으로 이송하기 전에 상기 연료를 가습하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 처리된 아노드 배기는 상기 물분리된 아노드 배기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 보충 연료는 상기 물분리된 아노드 배기에 추가되고, 상기 처리된 아노드 배기는 상기 물분리된 아노드 배기 및 상기 보충 연료를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  10. 제5항에 있어서, 상기 옥시다이저에 의해 생산된 옥시던트 가스의 제1부분은 제2캐소드측으로 이송되고, 상기 옥시던트 가스의 제2부분은 제2캐소드측으로부터의 제1캐소드 배기와 혼합되어 제1캐소드측으로 이송되는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1캐소드측은 외부 소스로부터 보충 공기를 수취하도록 적용되며, 상기 제1연료전지 스택의 온도는 제1연료전지 스택의 온도를 감소시키도록 제1캐소드측으로의 보충 공기의 흐름의 양을 증가시키기 위해 또한 상기 제1연료전지 스택의 온도를 증가시키도록 상기 제1캐소드측으로의 보충 공기의 흐름의 양을 감소시키기 위해 상기 제1캐소드측으로의 보충 공기의 흐름을 조정함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  12. 제5항에 있어서, 상기 처리된 아노드 배기의 일부를 상기 제1연료전지 스택을 통과시키기 위해 아노드 배기 재순환 통로를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1캐소드측은 제2캐소드 배기를 배출하며, 상기 제2캐소드 배기로부터의 열은 상기 제1아노드측에 공급된 연료를 예열하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  14. 제4항에 있어서, 상기 제1아노드 배기의 압력을 증가시키기 위해 또한 상기 제1연료전지 스택의 아노드측 압력을 제어하기 위해 블로어를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  15. 제12항에 있어서, 상기 아노드 배기 재순환 통로는 상기 물 회수 조립체로부터 제1아노드측으로 배출된 상기 처리된 아노드 배기의 일부를 통과시키는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 상기 연료의 바이패스된 부분을 제1아노드 배기와 조합하기 위해 상기 연료의 일부를 제1연료전지 스택의 주위로 바이패스하기 위한 인입 연료 바이패스 통로를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제2연료전지 스택의 파워 출력은 변화되며, 상기 인입 연료 바이패스 통로를 통한 연료의 흐름은 파워 출력에 대응하여 조정되는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  18. 이중 스택 연료전지 시스템에 있어서,
    연료를 수취하고 제1아노드 배기를 배출하도록 적용된 제1아노드측과 제1캐소드측을 포함하는 제1연료전지 스택과,
    상기 제1아노드 배기로부터 유도된 처리된 아노드 배기를 수취하고 제2아노드 배기를 배출하도록 적용된 제2아노드측과 옥시던트 가스를 수취하고 제1캐소드 배기를 배출하도록 적용된 제2캐소드측을 구비하는 제2연료전지 스택을 포함하며,
    상기 제1캐소드측은 적어도 상기 제2캐소드측으로부터 배출된 상기 캐소드 배기를 수취하며, 상기 제1연료전지 스택은 제1간접 내부 리포머를 포함하고, 상기 제2연료전지 스택은 제2간접 내부 리포머를 포함하며, 상기 연료전지 시스템은 상기 제2간접 내부 리포머 주위의 상기 처리된 아노드 배기의 일부 또는 전부를 상기 제2아노드측의 아노드 격실로 바이패스하기 위한 리포머 바이패스 라인을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제1연료전지 스택 및 제2연료전지 스택은 직접 내부 리포밍을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  20. 제18항에 있어서, 상기 제1아노드 배기를 냉각하기 위한 적어도 하나의 냉각부재를 포함하는 냉각 조립체와, 상기 제1아노드 배기의 일산화탄소를 메탄 및 수소중 적어도 하나로 각각 변환하기 위해 시프트 반응기 및 메탄화 반응기중 적어도 하나를 포함하는 반응기 조립체와, 상기 제1아노드 배기로부터 물을 회수하기 위한 물 회수 조립체중 적어도 하나를 부가로 포함하며; 상기 처리된 아노드 배기는 상기 냉각 조립체의 제1아노드 배기의 냉각과, 상기 반응기 조립체의 제1아노드 배기의 반응과, 상기 물 회수 조립체의 제1아노드 배기로부터의 물 회수중 적어도 하나에 의해 유도되는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제2아노드 배기를 상기 인입 공기와 산화시켜 옥시던트 가스를 생산하기 위해 상기 제2아노드 배기 및 인입 공기를 수취하도록 적용된 옥시다이저 조립체를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  22. 이중 스택 연료전지 시스템에 있어서,
    연료를 수취하고 제1아노드 배기를 배출하도록 적용된 제1아노드측과 제1캐소드측을 포함하는 제1연료전지 스택과,
    상기 제1아노드 배기로부터 유도된 처리된 아노드 배기를 수취하고 제2아노드 배기를 배출하도록 적용된 제2아노드측과 상기 제2아노드 배기로부터 유도된 옥시던트 가스의 제1부분을 수취하고 제1캐소드 배기를 배출하도록 적용된 제2캐소드측을 구비하는 제2연료전지 스택을 포함하며,
    상기 제1캐소드측은 상기 제1캐소드 배기와, 상기 옥시던트 가스의 제2부분과, 외브 소스로부터의 추가적인 공기를 수취하며; 상기 제1연료전지 스택의 온도는 제1캐소드측에 수취된 추가적인 공기의 양을 제어함으로써 제어되고; 상기 제2연료전지 스택의 온도는 제2캐소드측에 수취된 옥시던트 가스의 제1부분의 양과, 상기 제1캐소드측에 수취된 옥시던트 가스의 제2부분의 양중 적어도 하나를 제어함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  23. 이중 스택 연료전지 시스템에 있어서,
    연료를 수취하고 제1아노드 배기를 배출하도록 적용된 제1아노드측과 제1캐소드측을 포함하는 제1연료전지 스택과,
    상기 아노드 배기로부터 유도된 처리된 아노드 배기를 수취하고 제2아노드 배기를 배출하도록 적용된 제2아노드측과 상기 제2아노드 배기로부터 유도된 옥시던트 가스의 제1부분을 수취하고 제1캐소드 배기를 배출하도록 적용된 제2캐소드측을 구비하는 제2연료전지 스택과,
    상기 제1아노드 배기의 일산화탄소를 메탄으로 변환하기 위한 메탄화 반응기를 구비하는 반응기 조립체를 포함하며,
    상기 제1캐소드측은 제1캐소드 배기와, 상기 옥시던트 가스의 제2부분과, 외부 소스로부터의 추가적인 공기를 수취하며; 상기 제1아노드 배기의 적어도 일부는 상기 메탄화 반응기를 통해 이송되며; 상기 제2연료전지 스택의 온도는 메탄화 반응기를 통해 이송된 제1아노드 배기의 양을 제어함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 메탄화 반응기를 통해 이송된 제1아노드 배기의 양은 상기 제2연료전지 스택의 온도를 낮추기 위해 증가되고, 상기 메탄화 반응기를 통해 이송된 제1아노드 배기의 양은 상기 제2연료전지 스택의 온도를 높이기 위해 감소되는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  25. 제23항에 있어서, 상기 메탄화 반응기는 다수의 메탄화 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
  26. 제24항에 있어서, 보충 메탄 연료는 제2연료전지 스택의 온도를 낮추기 위해 상기 제2연료전지 스택으로 이송되는 것을 특징으로 하는 이중 스택 연료전지 시스템.
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