KR20170096135A - 고-효율 용융 탄산염 연료 전지 시스템 및 방법 - Google Patents

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매튜 렘브렉
모하메드 파루크
칼라 니더호퍼
프레드 씨. 장케
라마크리쉬난 벤카타라만
마이클 엘. 쿠어타넨스
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퓨얼 셀 에너지, 인크
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Abstract

고 효율 연료 전지 시스템은 토핑 공기극 부분 및 토핑 연료극 부분을 가진 토핑 연료 전지 어셈블리(topping fuel cell assembly); 및 보터밍 공기극 부분 및 보터밍 연료극 부분을 가진 보터밍 연료 전지 어셈블리(bottoming fuel cell assembly)를 포함한다. 보터밍 연료극 부분은 토핑 연료극 부분으로부터 출력된 연료극 배출을 수신하며 토핑 공기극 부분은 보터밍 공기극 부분으로부터 공기극 배출을 수신한다. 토핑 연료 전지 어셈블리는 토핑 연료 전지 어셈블리가 보터밍 연료 전지 어셈블리보다 많은 연료를 이용하도록 보터밍 연료 전지 어셈블리보다 많은 수의 연료 전지들을 갖는다.

Description

고-효율 용융 탄산염 연료 전지 시스템 및 방법{HIGH-EFFICIENCY MOLTEN CARBONATE FUEL CELL SYSTEM AND METHOD}
관련 특허 출원들에 대한 상호-참조
본 출원은 그 전체 개시 내용(명세서, 도면들, 청구항들 및 요약을 포함한)이 여기에서 참조로서 통합되는, 2014년 12월 19일에 출원된, 미국 특허 출원 번호 제14/578,077호의 이득 및 그것에 대한 우선권을 주장한다.
본 발명은 연료 전지 전력 생성 시스템들에 관한 것이며, 특히 다중-스택 고-효율 연료 전지 시스템 및 이를 동작시키는 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 전기 반응에 의해 탄화수소 연료에 저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 디바이스이다. 일반적으로, 연료 전지는 전기적으로 하전 이온들을 전도시키는, 전해질 지지체에 의해 분리된 연료극(anode) 및 공기극(cathode)을 포함한다. 유용한 전력 레벨을 생성하기 위해, 다수의 개개의 연료 전지들이 각각의 셀 사이에서 전기적 전도성 분리기 판과 직렬로 적층된다.
건물 연료 전지 시스템들에서, 개개의 연료 전지들은 연료 전지 스택을 형성하기 위해 함께 적층된다. 연료 전지들의 수는 연료 전지 스택의 전력 정격을 결정한다. 보다 높은 전력 정격들을 시스템들에 제공하기 위해, 다수의 연료 전지 스택들이 이용되며 연료 전지 스택들의 출력들은 원하는 전력 출력을 제공하기 위해 조합된다. 특정한 연료 전지 시스템들에서, 연료 전지 스택(들)은 하나 이상의 연료 전지 스택 모듈들에서 조직될 수 있으며, 그 각각은 엔클로저 또는 격납 구조에 하우징된 하나 이상의 연료 전지 스택들을 포함한다.
다중-스택 연료 전지 시스템은 공통 엔클로저 내에 하우징된 다수의 연료 전지 스택들을 가진 연료 전지 스택 모듈을 포함할 수 있다. 고온 연료 전지 스택들을 위해 및 특히, 용융 탄산염 연료 전지 스택들을 위해 개발된 이러한 설계의 시스템에서, 박스-형 격납 구조가 엔클로저로서 이용되며 연료 전지 스택들은 격납 구조의 길이를 따라 배열될 수 있다. 연료 전지 모듈 내에서의 각각의 연료 전지 스택은 연료 전지 스택을 동작시키기 위해 요구된 연료 및 산화 가스를 수신하기 위한 유입 매니폴드들 및 연료 전지 스택으로부터 연료극 및 공기극 배출들로서 소비된 연료 및 산화 가스들을 출력하기 위한 유출 매니폴드들을 갖는다. 연료 전지 모듈의 격납 구조는 덕트들을 통해 연료 전지 스택들의 각각의 연료 및 산화 가스 유입 매니폴드들과 통신하는 연료 및 산화 가스 유입 포트들, 및 덕트들을 통해 산화 및 연료 가스 유출 매니폴드들과 통신하는 연료 및 산화 가스 유출 포트들을 포함한다.
내부 개질 연료 전지들에서, 개질 촉매는, 값비싸고 복잡한 외부 개질 장비에 대한 요구 없이, 파이프라인 천연 가스, 액화 천연 가스(LNG), 액화 석유 가스(LPG), 바이오-가스, 메탄 함유 석탄 가스 등과 같은 탄화수소 연료들의 직접적인 사용을 허용하기 위해 연료 전지 스택 내에 위치된다. 내부 개질기에서, 연료 전지에 의해 생성된 물 및 열은 개질 반응에 의해 사용되며, 개질 반응에 의해 생성된 수소는 연료 전지에서 사용된다. 연료 전지 반응에 의해 생성된 열은 흡열성 개질 반응을 위한 열을 공급한다. 따라서, 내부 개질은 연료 전지 스택을 냉각시키기 위해 사용된다.
두 개의 상이한 유형들의 내부 개질 연료 전지 설계들이 개발되고 사용되어 왔다. 내부 개질 연료 전지의 제 1 유형은 직접 내부 개질(DIR) 연료 전지 모듈이며, 여기에서 직접 내부 개질은 연료 전지의 활성 연료극 구획 내에 개질 촉매를 위치시킴으로써 성취된다. 직접 내부 개질의 이점은 이러한 개질을 통해 생성된 수소가 연료극으로 직접 제공된다는 것이다. 내부 개질 연료 전지의 제 2 유형은 간접 내부 개질(IIR)을 이용하며, 이것은 연료 전지 스택 내에서의 격리 챔버에 개질 촉매를 위치시키고 이러한 챔버로부터의 개질 가스를 연료 전지의 연료극 구획으로 라우팅함으로써 성취된다. 간접 내부 개질의 이점은 개질 촉매가 연료 전지의 전해질에 의해 오염되는 것으로부터 보호된다는 것이다. 3개의 유형들의 내부 개질 스택 설계들이 가능하다: (1) 단지 DIR만을 통합, (2) 단지 IIR만을 통합, 및 (3) DIR 및 IIR 양쪽 모두를 통합.
DIR 및 IIR 양쪽 모두를 통합한, 또한 직접 연료 전지(DFC)로 불리우는, 내부 개질 용융 탄산염 연료 전지 시스템은 환경 친화적 전력 발생으로서 진화되어 왔으며 녹색 전력을 위한 선두적인 상업적 옵션이다. 탄산염 발전소들은 종래의 연소-기반 발전소들보다 낮은 온실 가스들 및 입자상 물질의 방출들을 갖는다. 탄산염 발전소들은 적은 NOx 가스, SOx 가스, 또는 입자상 물질을 방출한다. 탄산염 발전소들은 캘리포니아 대기 위원회(CARB)에 의해 "초-청정(ultra-clean)"으로 지정되어 왔다.
현재의 탄산염 연료 전지 발전소들은 300kW, 1.4MW, 및 2.8MW 크기들에서 이용 가능하다. 이들 시설들은 전세계적으로 설치되며 2014년, 8월부터 시간당 대략 2.8 기가와트의 청정 전기를 전달하여 왔다. 현재 탄산염 연료 전지 발전소들은 단순 사이클 구성에서 45% 내지 50%의 전기 변환 효율을 보여준다. 탄산염 연료 전지 발전소들은 고온, 대략 600℃에서 동작하여, 전력 발생과 같은, 폐열 재순환 애플리케이션들을 위해 이용되기에 충분히 높은 온도에서 부산물 열을 야기한다.
현재의 탄산염 연료 전지 발전소들은 고 등급 및 저 등급 열 양쪽 모두가 이용될 때 90%(저열 값 또는 LHV)의 전체 열 변환 효율을 달성한다. 열의 이러한 이용은, 예를 들면, 병원들 및 대학 기숙사들에서 발생하며, 여기에서 온수 난방 부하는 높다. 그러나, 대부분의 애플리케이션들에 대해, 및 특히 보다 큰 시설들에 대해, 열 부하는 보다 낮다. 낮은 열 부하 애플리케이션들에 대해, 증기-기관 발전기 시스템들에서의 폐열 이용 및 베이스라인 발전소로 이루어진 조합된 사이클 구성은 몇 % 포인트만큼 효율을 올린다.
미국 특허 번호 제6,365,290호는 탄산염 연료 전지로부터의 열이 가스 터빈에서 사용되는 교번 사이클을 갖는, DFC 터빈(DFC-T) 시스템으로서 알려진, 연료 전지 시스템을 개시한다. 미국 특허 번호 제6,365,290호의 시스템은 60%에 근접하는 전기 변환 효율을 달성한다. 이러한 효율을 달성하기 위해, 시스템은 터빈 크기가 이용 가능한 연료 전지 열과 매칭됨을 요구한다. 그러므로, 각각의 크기의 발전소는 고유한 크기 터빈을 요구한다. 부가적으로, 이러한 시스템은 고온 공기-대-공기 열 교환기를 요구하여 재료 및 비용 단점들을 야기한다.
대안적인 시스템은 연료 흐름에 대하여 직렬로 연결된 두 개의 연료 전지 스택들을 이용하며, 이것은 전기 효율을 올릴 수 있다. 연료는 먼저 제 1 (토핑) 스택 및 제 1 스택으로부터의 연료극 배출로 흐르며 그 후 유사한 구성을 가진 제 2 (보터밍) 스택을 통해 제 1 스택으로 흐른다. 이러한 2 스택 시스템은 대략 80%의 개선된 연료 이용을 허용하여, 베이스라인 단순 사이클 연료 전지 시스템보다 대략 7% 더 높은 전체 시스템 에너지 변환 효율을 제공한다. 2 스택 시스템은 미국 특허 번호 제8,062,799호 및 제8,236,458호에서 설명된다. 미국 특허 번호 제8,062,799호 및 제8,236,458호의 다양한 특징들의 요약에 대해 이하에서 표 1을 참조하자.
특징들 미국 특허 번호 제8,062,799호 미국 특허 번호 제8,236,458호
이중 스택들: 제 1 스택은 제 2 스택으로부터 산화체를 수신하며 제 2 스택은 제 1 스택으로부터 연료를 수신한다. X X
제 1 스택으로부터 제 2 스택으로의 신선한 연료의 제어된 우회 X X
제 1 및 제 2 스택들은 각각 IIR 및 DIR이다. X
제 1 스택은 IIR 및 DIR이며 제 2 스택은 DIR이다. X
일산화탄소 시프팅, 물 회수, 및 제 1 연료극 배출의 메탄화 X X
산화기 출력(신선한 것으로 제 2 스택 연료극 배출을 산화시키며 제 2 스택으로 공급한다)은 부분적으로 제 1 스택으로 우회된다. X
연료극 측 압력 제어를 위한 연료극 부스터 송풍기 X
도 1은 '458 특허에서 설명된 바와 같이 종래의 연료 전지 시스템을 도시하며, 이것은 토핑 연료 전지 스택 A로부터의 부분적으로-소비된 연료 배출을 보터밍 연료 전지 스택 B로 출력한다. 스택 A는 제 1 공기극 측(100) 및 제 1 연료극 측(105)을 포함한다. 스택 B는 제 2 공기극 측(110) 및 제 2 연료극 측(115)을 포함한다. 제 1 연료극 측(105)은 토핑 스택 A의 제 1 연료극 측(105)으로부터의 수소 풍부 배출의 압력을 증가시키며 그것을 보터밍 스택 B의 제 2 연료극 측(115)으로 운반하는 연료극 부스터 송풍기(120)에 결합된다. 스택 B는 스택 B에 의한 전기 전력 발생을 증가시키기 위해 연료 소스로부터의 신선한 연료로 보충될 수 있다. 스택 A는 65% 내지 75%의 연료 이용 시 가장 효율적으로 작동하기 때문에, 스택 B는 원래 연료의 25% 내지 35%를 공급받으며, 따라서 연료 소스로부터 스택 B로 부가적인 신선한 연료의 입력을 요구한다.
상기 설명된 연료 전지 시스템을 이용하여, 열 및 질량 연구들은 스택 B에서의 연료 이용이 열 평형 고려사항으로 인해 약 60% 내지 70%로 제한될 필요가 있음을 나타낸다. 이들 연구들은 또한 전체 연료 이용이 열 관리 고려사항들에 대해 약 80%로 제한될 필요가 있음을 나타낸다. 그러므로, 이러한 시스템은 현재의 연료 전지 스택들을 갖고 파이프라인 천연 가스 상에서 대략 55%(LHV)의 전체 시스템 효율을 달성한다.
본 발명의 목적은 비용-효율적인, 모듈식 연료 전지 시스템을 제공하는 것이며, 여기에서 연료 전지들 내에서 열 평형을 유지하면서 80% 이상의 보다 높은 전체 연료 이용 및 55% 이상의 보다 높은 전기 및 변환 시스템 효율이 달성된다.
본 발명의 목적은 또한 토핑 연료 전지 모듈(들)의 배출로부터 부분적으로 소비된 연료가 보터밍 연료 전지 모듈(들)에 공급되는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들에서의 연료 이용이 시스템의 전체 연료 이용 및 전기 효율을 증가시키도록 제어되는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 토핑 연료 전지 모듈(들)에 공급된 보터밍 연료 전지 모듈(들)로부터의 공기극 배출의 압력을 증가시키기 위해 공기극 압력 부스터를 제공하며 연료극 및 공기극 스트림들 사이에서의 차압을 제어하는 것이다.
상기 및 다른 목적들은 고 효율 연료 전지 시스템에 의해 달성되며, 상기 고 효율 연료 전지 시스템은: 토핑 공기극 부분 및 토핑 연료극 부분을 포함한 토핑 연료 전지 어셈블리; 및 보터밍 공기극 부분 및 보터밍 연료극 부분을 포함한 보터밍 연료 전지 어셈블리를 포함하며, 상기 보터밍 연료극 부분은 토핑 연료극 부분으로부터 출력된 연료극 배출을 수신하며 상기 토핑 공기극 부분은 상기 보터밍 공기극 부분으로부터 공기극 배출을 수신하고, 상기 토핑 연료 전지 어셈블리는 상기 토핑 연료 전지 어셈블리가 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리보다 많은 연료를 이용하도록 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리보다 많은 수의 연료 전지들을 갖는다. 특정한 실시예들에서, 상기 토핑 연료 전지 어셈블리는 복수의 토핑 연료 전지 모듈들을 포함하고, 상기 토핑 연료 전지 모듈들의 각각은 적어도 하나의 연료 전지 스택을 포함하며, 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리는 하나 이상의 보터밍 연료 전지 모듈들을 포함하고, 상기 하나 이상의 보터밍 연료 전지 모듈들의 각각은 적어도 하나의 연료 전지 스택을 포함하며, 상기 토핑 연료 전지 모듈들의 수는 상기 하나 이상의 보터밍 연료 전지 모듈들의 수보다 크다. 몇몇 실시예들에서, 상기 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들의 각각은 공통 격납 구조 내에 하우징된 복수의 연료 전지 스택들을 포함한다. 동작 동안 상기 토핑 연료 전지 모듈들은 상기 고 효율 연료 전지 시스템에 공급된 연료 함량의 약 2/3을 이용할 수 있으며 상기 하나 이상의 보터밍 연료 전지 모듈들은 상기 고 효율 연료 전지 시스템에 공급된 연료 함량의 약 1/3을 포함한 토핑 연료 전지 모듈들로부터 출력된 연료극 배출을 수신한다. 게다가, 상기 하나 이상의 보터밍 연료 전지 모듈은 상기 토핑 연료 전지 모듈들보다 낮은 전류 밀도에서 동작한다.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 상기 보터밍 연료극 부분은 보충 연료를 추가로 수신하며, 상기 고 효율 연료 전지 시스템은 상기 보터밍 연료극 부분으로 운반된 보충 연료의 양을 제어하기 위한 제어기를 추가로 포함한다. 상기 제어기는 상기 보터밍 연료극 부분으로 운반된 보충 연료의 양에 기초하여 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리에서 발생된 전류의 양을 제어한다. 상기 제어기는 또한 고 효율 연료 전지 시스템의 동작 시간이 증가함에 따라, 토핑 연료 전지 어셈블리들에 의해 발생된 전류의 양이 감소하며 보터밍 연료 전지 어셈블리들에 의해 발생된 전류의 양이 증가하도록 상기 토핑 및 보터밍 연료 전지 어셈블리들에서 발생된 전류의 양을 제어한다. 게다가, 상기 제어기는 보터밍 연료 전지 어셈블리에서 발생된 전류의 양이 전기가 증가를 요구할 때 증가되도록 전기 수요에 기초하여 보터밍 연료 전지 어셈블리에서 발생된 전류의 양을 제어한다.
몇몇 실시예들에서, 상기 고 효율 연료 전지 시스템은 또한: 토핑 연료극 부분으로부터 출력된 연료극 배출, 보터밍 연료극 부분으로부터 출력된 연료극 배출 및 토핑 공기극 부분으로부터 출력된 공기극 배출 중 하나 이상으로부터 물을 회수하기 위한 물 회수 어셈블리를 포함한다.
특정한 실시예들에서, 상기 고 효율 연료 전지 시스템은: 연료극 배출이 보터밍 연료극 부분으로 운반되기 전에 토핑 연료극 부분으로부터 출력된 연료극 배출의 압력을 증가시키기 위한 연료극 압력 부스터; 및
공기극 배출이 토핑 공기극 부분으로 운반되기 전에 보터밍 공기극 부분으로부터 출력된 공기극 배출의 압력을 증가시키기 위한 공기극 압력 부스터, 중 하나 이상을 추가로 포함한다. 상기 고 효율 연료 전지 시스템은 또한 토핑 모듈들 또는 연료 전지 어셈블리들에서 연료극 및 공기극 가스 스트림들 사이에서의 차압을 제어하도록 연료극 압력 부스터 및 공기극 압력 부스터 중 하나 이상의 동작을 제어하기 위한 제어기를 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 상기 토핑 연료 전지 어셈블리는 직접 내부 개질을 포함하며 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리는 직접 내부 개질을 포함한다. 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리의 연료 전지들에서 직접 내부 개질 촉매의 양 및 공간 분포는 상기 토핑 연료 전지 어셈블리의 연료 전지들에서 직접 내부 개질 촉매의 양 및 공간 분포와 상이하다. 게다가, 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리의 연료 전지들에서 직접 내부 개질 촉매의 하중 밀도는 연료 전지의 연료극 유입 영역으로부터 연료극 유출 영역으로 점진적으로 증가한다. 몇몇 실시예들에서, 토핑 연료 전지 어셈블리 및 보터밍 연료 전지 어셈블리는 각각의 연료 전지 스택에서 셀들 사이에 위치된 간접 내부 개질(IIR)을 포함한다. 보터밍 연료 전지 어셈블리의 간접 내부 개질기들에서의 간접 내부 개질 촉매의 양 및 공간 분포는 토핑 연료 전지 어셈블리의 간접 내부 개질기들에서의 간접 내부 개질 촉매의 양 및 공간 분포와 상이하다. 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리의 연료 전지들에서 간접 내부 개질기들의 수는 상기 토핑 연료 전지 어셈블리의 연료 전지들에서 간접 내부 개질기들의 수와 상이하다.
토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들의 연료 전지 스택들의 각각은 대향 연료극 유입 및 유출 면들 및 대향 공기극 유입 및 유출 면들을 포함하며, 연료 전지들 내에서 열 균일성을 개선하기 위한 설계 특징들을 갖는다. 이들 설계 특징들은: (a) 보터밍 연료 전지 모듈의 각각의 연료 전지 스택은 공기극 유입 가스의 온도가 연료 전지 스택의 연료극 유출 면 가까이에서보다 연료 전지 스택의 연료극 유입 면 가까이에서 더 높도록 연료 전지 스택의 공기극 유입 면에 인접한 구역에서 온도 기울기를 생성하도록 구성된다; (b) 보터밍 연료 전지 모듈의 각각의 연료 전지 스택은 연료극 유입 가스의 온도가 스택의 공기극 유출 면 가까이에서보다 연료 전지 스택의 공기극 유입 면 가까이에서 더 높도록 연료 전지 스택의 연료극 유입 면에 인접한 구역에서 온도 기울기를 생성하도록 구성된다; 및 (c) 토핑 연료 전지 모듈의 각각의 연료 전지 스택은 공기극 유입 가스의 온도가 연료 전지 스택의 연료극 유입 면 가까이에서보다 연료 전지 스택의 연료극 유출 면 가까이에서 더 높도록 연료 전지 스택의 공기극 유입 면에 인접한 구역에서 온도 기울기를 생성하도록 구성된다, 중 하나 이상을 포함한다. 이러한 경우들에서, 온도 기울기는 10 및 20 ℉ 사이에 있으며; 및/또는 각각의 연료 전지 스택은 온도 기울기를 형성하도록 가스 흐름을 제어하기 위해 하나 이상의 대략적으로 위치된 배플(baffle)들을 포함한다.
특정한 실시예들에서, 보터밍 연료 전지 어셈블리는 보터밍 공기극 부분에서의 사용을 위해 연료극 배출 산화기 어셈블리 및 보터밍 공기극 부분의 배출 출력 양쪽 모두로부터의 열을 사용하여 공기를 가열하기 위한 열 교환기를 포함한다. 상기 고 효율 연료 전지 시스템은 토핑 공기극 부분으로 운반되는 보터밍 공기극 부분으로부터 출력된 공기극 배출의 온도를 제어하도록 열 교환기에 공급된 공기의 양을 조정하기 위한 제어기를 추가로 포함한다.
상기 특징들을 가진 고 효율 연료 전지 시스템을 사용하여 높은 효율을 갖고 전기를 발생시키기 위한 방법이 이하에서 추가로 설명된다.
본 발명의 상기 및 다른 특징들 및 양상들은 수반되는 도면들과 함께 다음의 상세한 설명을 판독할 때 보다 분명해질 것이다.
도 1은 종래의 연료 전지 시스템을 도시한다;
도 2는 제 1 토핑 연료 전지 모듈, 제 2 토핑 연료 전지 모듈, 및 보터밍 연료 전지 모듈을 포함한 모듈식 연료 전지 시스템을 도시한다;
도 3은 공기극 유입 배플을 포함하는 보터밍 연료 전지 스택의 예를 도시한다;
도 4는 연료극 유입 배플을 포함하는 보터밍 연료 전지 스택의 예를 도시한다; 및
도 5는 공기극 유입 배플을 포함하는 토핑 연료 전지 스택의 예를 도시한다.
이하에서 도시되고 설명되는 바와 같이, 본 발명은 비용-효율적, 모듈식 연료 전지 시스템을 제공하며, 여기에서 연료 전지들 내에서 열 평형을 유지하면서 보다 높은 전체 연료 이용 및 보다 높은 전기 전력 출력 및 변환 시스템 효율이 달성된다. 본 발명에 따르면, 연료 전지 시스템은 토핑 스택(들) 또는 토핑 스택 모듈(들) 및 보터밍 스택(들) 또는 보터밍 스택 모듈(들)을 포함한 복수의 연료 전지 스택들 또는 복수의 연료 전지 스택 모듈들을 포함하며, 여기에서 토핑 스택(들)/모듈(들)은 신선한 연료를 수신하며 토핑 연료 전지 스택(들)/모듈(들)의 배출로부터 부분적으로 소비된 연료가 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)에 공급된다. 본 발명의 시스템의 구성에서, 토핑 및 보터밍 연료 전지 스택들/모듈들에서의 연료 이용은 시스템의 전체 연료 이용 및 전기 효율을 여전히 증가시키면서 원하는 제한들 내에서 제어된다. 구체적으로, 토핑 연료 전지 스택(들)/모듈(들)의 크기 및 연료 이용은 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)의 크기보다 크게 만들어진다. 본 발명의 특정한 실시예들에서, 시스템은 둘 이상의 스택들을 가진 토핑 연료 전지 스택 또는 모듈 및 둘 이상의 스택들을 가진 보터밍 연료 전지 스택 또는 모듈을 포함하며, 여기에서 토핑 연료 전지 스택은 토핑 스택이 보터밍 스택보다 연료 피드에서 보다 많은 연료를 이용하도록 보터밍 연료 전지 스택보다 많은 수의 직렬로 적층된 연료 전지들을 갖는다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 시스템은 다수의 토핑 연료 전지 모듈들 및 하나 이상의 보터밍 연료 전지 모듈들을 포함하며, 여기에서 각각의 연료 전지 모듈은 둘 이상의 연료 전지 스택들을 포함하며, 토핑 연료 전지 모듈들의 수는 보터밍 연료 전지 모듈들의 수보다 크다. 몇몇 실시예들에서, 토핑 연료 전지 스택/모듈들은 연료의 약 2/3을 소비하며 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)은 연료 피드에서 연료의 남아있는 약 1/3을 소비한다. 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)은 부가적인 신선한 연료를 수신할 수 있으며, 이것은 수증기와 사전 혼합될 수 있거나 또는 건식 연료일 수 있다. 또한, 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)에서의 전류 밀도는 토핑 연료 전지 스택/모듈들에서의 전류 밀도보다 낮다.
본 발명에서, 토핑 스택(들)/모듈(들)에서 및 보터밍 스택(들)/모듈(들)에서 발생된 전류는 시스템의 동작 시간에 걸쳐 제어된다. 구체적으로, 시간에 걸쳐, 토핑 스택(들)/모듈(들)에서 발생된 전류는 감소되는 반면 보터밍 스택(들)/모듈(들)에서 발생된 전류는 증가된다. 보터밍 스택(들)/모듈(들)에서, 발생된 전류는 보터밍 스택(들)/모듈(들)에 공급된 메탄 또는 다른 신선한 연료의 양에 기초하여 변경된다. 게다가, 보터밍 스택(들)/모듈(들)에서 발생된 전류는 열 및 전기에 대한 고객 요구들에 적응시키기 위해 조정 가능할 수 있다. 예를 들면, 전기에 대한 고객 요구가 더 클 때, 보터밍 스택(들)/모듈(들)의 출력은 증가된다. 또한, 보터밍 스택(들)/모듈(들)로부터 출력된 연료극 배출을 산화시키는 연료극 배출 산화기는 보터밍 모듈의 다양한 출력 레벨들에서 보터밍 스택(들)/모듈(들)로부터의 연료극 배출의 프로세싱을 허용하는 설계 특징들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 보터밍 스택(들)/모듈(들)이 보다 적은 전력을 발생시킬 때, 연료극 배출에서 연료극 배출 산화기로 공급된 보다 많은 과잉 연료가 있을 것이며, 따라서, 연료극 배출 산화기는 많은 양의 이용되지 않은 연료를 다룰 수 있도록 설계된다. 특정한 실시예들에서, 시스템은 압력이 터빈을 통해 내려가게 되기 전에 에너지 회수 발생 시스템에서의 가스 분배 시스템으로부터 고압 천연 가스를 가열하기 위한 고 효율 연료 전지 시스템의 발전소 배출에서의 열을 사용하도록 적응될 수 있다. 가스 분배 시스템으로부터의 고압 천연 가스를 가열하기 위한 연료 전지 발전소로부터의 열의 사용은 여기에서 동일한 양수인에게 양도된, 미국 특허 번호 제8,080,344호에서 논의된다.
이하에서 또한 설명되는 바와 같이, 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)로 공급된 토핑 연료 전지 스택(들)/모듈(들)로부터의 연료극 배출의 압력은 연료극 압력 부스터를 사용하여 제어될 수 있으며, 토핑 연료 전지 스택(들)/모듈(들)로 공급된 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)로부터의 공기극 배출의 압력은 공기극 압력 부스터를 사용하여 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 토핑 모듈에서 연료극 및 공기극 스트림들 사이에서의 압력 차가 연료극 압력 부스터 및/또는 공기극 압력 부스터를 사용하여 제어될 수 있다.
본 발명은 시스템의 연료 전지들에서, 특히 보터밍 스택(들)/모듈(들)의 연료 전지들에서 개선된 열 균일성을 추가로 제공한다. 몇몇 실시예들에서, 보터밍 스택(들)/모듈(들)에서의 전지들은 보터밍 스택(들)/모듈(들)에서의 전지들의 열 균일성을 개선하기 위해 토핑 스택(들)/모듈(들)에서의 셀들과 상이한 양 및 상이한 분포의 직접 내부 개질(DIR) 촉매를 사용한다. 구체적으로, 보터밍 스택(들)/모듈(들)에서의 전지들은 연료극 유입 영역으로부터 연료극 유출 영역으로 점진적으로 증가하는 직접 내부 개질 촉매 하중을 갖는다. 반대로, 토핑 스택(들)/모듈(들)에서의 전지들은 연료극 유입에서 유출 영역으로 균일하게 분포된 DIR 촉매들을 갖는다. 게다가, 보터밍 스택(들)/모듈(들)은 전지들에서 열 균일성을 개선하기 위해 각각의 스택의 공기극 유입구에서 온도 기울기를 생성하기 위해 특정한 내장 설계 특징들을 갖는다. 특히, 각각의 보터밍 스택에서, 공기극 유입 온도 기울기는 10 내지 20F이며 공기극 유입 가스 온도는 연료극 유입 영역 가까이에서 더 따뜻하며 연료극 유출 영역에서 더 차갑다. 또한, 보터밍 스택(들)/모듈(들)에서의 설계 특징들은 공기극 유입 면의 연료극 유출 영역으로 공기극 유입 가스를 향하게 하도록 연료극 유출구 가까이에서의 영역을 제외하고 전체 공기극 유입 면을 커버하는 공기극 유입 면으로부터 3 내지 5"의 공기극 유입 면에서 배플들을 사용하는 것을 포함한다. 연료극 유출구 가까이에서의 영역에 들어가는 공기극 유입 가스는 온도가 더 낮을 것이다. 이러한 가스는 공기극 유입 면의 다른 영역들에 들어가기 전에 연료 전지들로부터 열을 얻을 것이다. 배플 방위를 조정하기 위해 외부 레버들 또는 유사한 디바이스들과 같은 부가적인 설계 특징들이 보터밍 스택(들)/모듈(들)의 공기극 유입구에서의 온도 기울기를 조정 가능하게 하기 위해 제공될 수 있다.
본 발명의 보터밍 스택(들)/모듈(들)은 또한 연료 전지들에서 열 균일성을 개선하기 위해 스택들의 연료극 유입구에 온도 기울기를 생성하기 위해 특정한 내장 설계 특징들을 포함할 수 있다. 구체적으로, 각각의 보터밍 스택에서, 연료극 유입 온도 기울기는 10 내지 20F이며 연료극 유입 온도는 공기극 유입 영역들 가까이에서 더 따뜻하며 스택의 공기극 유출 영역에서 더 차갑다. 또한, 보터밍 스택(들)/모듈(들)에서의 설계 특징들은 연료극 유입 면의 공기극 유출 영역으로 연료극 유입 가스를 향하게 하도록 공기극 유출구 가까이에 있는 영역을 제외하고 전체 연료극 유입 면을 커버하는 연료극 유입 면으로부터 1 내지 3"의 연료극 유입 면에서 배플들의 사용을 포함한다. 공기극 유출구 가까이에 있는 영역에 들어가는 연료극 유입 가스는 온도가 보다 낮을 것이다. 이러한 가스는 연료극 유입 면의 다른 영역들에 들어가기 전에 연료 전지들로부터 열을 얻을 것이다.
본 발명의 토핑 스택(들)/모듈(들)은 또한 전지들에서 열 균일성을 개선하도록 각각의 토핑 스택의 공기극 유입구에서 온도 기울기를 생성하기 위해 내장된 설계 특징들을 포함한다. 구체적으로, 각각의 토핑 스택에서 공기극 유입 기울기는 10 내지 20F이며 공기극 유입 가스 온도는 연료극 유출 영역 가까이에서 더 따뜻하며 연료극 유입 영역에서 더 차갑다. 토핑 스택(들)/모듈(들)에서의 설계 특징들은 공기극 유입 면의 연료극 유입 영역으로 공기극 유입 가스를 향하게 하도록 연료극 유입구 가까이에 있는 영역을 제외하고 전체 공기극 유입 면을 커버하는 공기극 유입 면으로부터 3 내지 5"의 공기극 유입 면에서 배플들을 포함할 수 있다. 연료극 유입구 가까이에 있는 영역에 들어가는 공기극 유입 가스는 온도가 더 낮을 것이다. 이러한 가스는 공기극 유입 면의 다른 영역들에 들어가기 전에 연료 전지들로부터 열을 얻을 것이다. 배플 방위를 조정하기 위해 외부 레버들 또는 유사한 디바이스들과 같은 부가적인 설계 특징들이 보터밍 스택/모듈(들)의 공기극 유입구에서의 온도 기울기를 조정 가능하게 하기 위해 제공될 수 있다.
본 발명은 또한 보터밍 스택 공기극 유입구로 운반되는 신선한 공기를 또한 수신하는 열 교환기에서 보터밍 스택(들)/모듈(들)의 공기극 배출 가스를 냉각시킴으로써 토핑 스택(들)/모듈(들)에서의 공기극 유입 가스의 온도를 제어하기 위해 제공한다. 특정한 실시예들에서, 보터밍 스택(들)/모듈(들)로부터 출력된 연료극 배출을 산화시키는, 연료극 배출 산화기로부터의 배출의 일 부분은 보터밍 모듈의 공기극 측을 우회하며 보터밍 모듈(들)의 공기극 배출로 직접 운반된다. 이것은 보터밍 스택(들)/모듈(들)의 공기극 유입구의 이산화탄소의 농도를 제어하기 위해 행해지며, 따라서 보터밍 스택(들)/모듈(들)의 공기극들에서 Ni 용해가 최소화된다. 특정한 실시예들에서, 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)로부터 출력된 공기극 배출의 온도는, 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)로부터 출력된 공기극 배출을 냉각시키는, 열 교환기로 공급된 공기의 양을 제어함으로써 제어된다. 연료극 배출 산화기로부터 출력된 배출과 조합된 예열된 공기는 보터밍 스택(들)/모듈(들)의 공기극 측으로 공급된다.
도 2는 본 발명의 모듈식 연료 전지 시스템(200)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 2에 도시된 연료 전지 시스템(200)은 개선된 성능 효율들, 및 특히 종래의 연료 전지 시스템들에 비교하여 보다 높은 연료 이용 및 전력 출력을 가지며, 또한 종래 기술에서 설명된 종래의 연료 전지 시스템들에 비교하여 제조 및 동작 비용 효율들을 제공한다. 연료 전지 시스템(200)의 개선된 성능 및 비용 효율들은 이하에서 보다 상세히 설명된다.
도 2의 연료 전지 시스템(200)은 토핑 연료 전지 어셈블리 및 보터밍 연료 전지 어셈블리를 포함한다. 도 2에서, 토핑 연료 전지 어셈블리는 제 1 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈들(202, 212)을 포함하는 반면, 보터밍 연료 전지 어셈블리는 보터밍 연료 전지 모듈(222)을 포함한다. 제 1 토핑 연료 전지 모듈(202)은 하나 이상의 제 1 연료 전지 스택들(202a)을 포함하며, 각각의 연료 전지 스택은 둘 이상의 전지들을 가지며 제 1 토핑 공기극 부분(204) 및 제 1 토핑 연료극 부분(206)을 갖는다. 도 2에서, 제 1 토핑 연료 전지 모듈(202)이 하나의 연료 전지 스택을 갖는 것으로 도시되지만, 몇몇 실시예들에서, 제 1 연료 전지 토핑 모듈(202)은 유사한 구성들을 가지며 공통 격납 구조 내에 배치되는 둘 이상의 연료 전지 스택들을 포함한다는 것이 이해된다. 제 1 토핑 연료 전지 모듈(202)에서 연료 전지 스택들은 고온 용융 탄산염 연료 전지 스택들을 포함할 수 있다. 각각의 스택(202a)의 각각의 전지에서, 제 1 토핑 공기극 부분(204) 및 제 1 토핑 연료극 부분(206)은 전해질 지지체에 저장된 용융 탄산염 전해질(도시되지 않음)에 의해 분리된다.
도 2에서, 제 1 토핑 연료 전지 스택(202a)은 내부 개질 연료 전지 스택이며 직접 내부 개질, 간접 내부 개질 또는 직접 및 간접 내부 개질 모두의 조합을 포함한다. 현재의 예시적인 실시예에서, 제 1 토핑 연료 전지 스택(202a)은 연료 피드의 일 부분을 수신하며 수소 및 일산화탄소를 포함한 개질된 또는 부분적으로 개질된 연료를, 연료가 제 1 토핑 공기극 부분(204)을 통과하는 산화 가스와의 전기화학 반응을 겪는 스택의 전지들의 제 1 토핑 연료극 부분(206)으로 연료를 향하게 하는, 연료 전환 매니폴드(206a)로 출력하는 하나 이상의 내부 개질 유닛들(248)을 포함한다. 도 2의 예시적인 실시예에서, 제 1 토핑 공기극 부분(204)은 개방 스택 면을 통해 공통 격납 구조에 제공된 산화 가스를 수신한다. 그러나, 다른 실시예들에서, 산화 가스는 공기극 유입 매니폴드(도 2에 도시되지 않음)를 통해 제 1 토핑 공기극 부분(204)으로 공급될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 토핑 공기극 부분(204)은 공기극 배출을 공기극 유출 매니폴드(208)로 출력한다. 공기극 배출은 그 후 적절한 덕팅을 통해 공기극 유출 매니폴드(208)로부터 제 1 토핑 연료 전지 모듈(202)의 안쪽 또는 바깥쪽에 제공될 수 있는 열 교환기(236)로 출력된다. 제 1 토핑 연료극 부분(206)은 연료극 배출을 연료극 유출 매니폴드로 출력한다. 연료극 배출은 그 후 보터밍 연료 전지 모듈(222)에서의 사용을 위해 연료극 유출 매니폴드(210)로부터 제 1 토핑 연료 전지 모듈(202)의 바깥쪽으로 운반된다.
상기 언급된 바와 같이, 제 1 토핑 스택(202a)은 하나 이상의 내부 개질 유닛들(248)을 포함한다. 수소, 이산화탄소 및 일산화탄소는 하나 이상의 내부 개질 유닛들(248)을 통과하는 연료로부터 생성된다. 개질된 또는 부분적으로 개질된 연료는 그 후 연료 전환 매니폴드(206a)를 통해 스택의 제 1 토핑 연료극 부분(206)으로 공급된다. 스택의 제 1 토핑 연료극 부분(206)에서, 수소는 전기화학적으로 물을 생성하기 위해 반응하고, 일산화탄소는 이산화탄소를 형성하기 위해 전기화학적으로 또는 수소 및 이산화탄소를 생성하기 위해 물과 화학적으로 반응한다. 직접 내부 개질(DIR)은 또한 제 1 토핑 연료극 부분(206)의 연료극 구획(들)에 개질 촉매를 위치시킴으로써, 및 특히 스택에서의 각각의 전지의 연료극 구획(들)의 연료극 전류 수집기의 파상 마모(corrugation)들에 개질 촉매를 위치시킴으로써 제 1 토핑 스택(202a)의 각각의 전지에서 제공될 수 있다.
상기 논의된 바와 같이, 제 1 토핑 연료 전지 모듈(202)은 다수의 제 1 토핑 연료 전지 스택들을 포함할 수 있다. 각각의 연료 전지 모듈에서 연료 전지 스택들의 수는 원하는 전력 출력을 제공하기 위해 요구된 수에 기초하여 결정된다. 각각의 연료 전지 스택에서 연료 전지들의 수는 스택들의 요구된 출력, 크기 및 무게 및 수송의 용이함에 의해 결정될 수 있다.
연료 전지 시스템(200)의 토핑 연료 전지 어셈블리는 또한 제 2 토핑 연료 전지 모듈(212)을 포함하며, 이것은 하나 이상의 제 2 연료 전지 스택(212)을 포함한다. 제 1 토핑 연료 전지 모듈(202)과 마찬가지로, 도 2는 제 2 토핑 연료 전지 모듈(212)에 포함되는 단일 연료 전지 스택(212a)을 도시하지만, 둘 이상의 제 2 토핑 연료 전지 스택들(212a)이 제 2 연료 전지 모듈(212)에 포함되며 동일한 격납 구조에 하우징될 수 있다는 것이 고려된다. 제 2 토핑 연료 전지 모듈(212)에서의 제 2 토핑 연료 전지 스택들은 고온 용융 탄산염 연료 전지들을 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제 2 토핑 연료 전지 스택(212a)은 스택의 각각의 전지에서 그 안에 용융 탄산염 전해질(도시되지 않음)을 저장한 전해질 지지체에 의해 분리되는 제 2 토핑 공기극 부분(214) 및 제 2 토핑 연료극 부분(216)을 포함한다. 제 2 토핑 연료극 부분(216)에 들어가는 연료는 수소 및 일산화탄소를 포함한 부분적으로 또는 완전히 개질된 연료를 생성하기 위해 내부적으로 개질되며, 이것은 그 후 제 2 토핑 공기극 부분(214)을 통과하는 산화 가스와의 전기화학 반응을 겪는다. 스택의 제 2 토핑 연료극 부분(216)에서, 수소는 물을 생성하기 위해 전기화학적으로 반응하며, 일산화탄소는 이산화탄소를 형성하기 위해 전기화학적으로 또는 수소 및 이산화탄소를 생성하기 위해 물과 화학적으로 반응한다. 제 2 토핑 연료 전지 스택(212a)은 간접 내부 개질, 직접 내부 개질 또는 직접 및 간접 내부 개질 모두의 조합을 포함한다. 현재의 예시적인 실시예에서, 제 2 토핑 연료 전지 스택(212a)은 연료 피드의 일 부분을 수신하며, 수소 및 일산화탄소를 포함한 개질된 또는 부분적으로 개질된 연료를, 연료가 산화 가스와의 전기화학 반응을 겪는 스택의 제 2 토핑 연료극 부분(216)으로 연료를 향하게 하는 연료 전환 매니폴드(216a)로 출력하는 하나 이상의 개질 유닛들(250)을 포함한다. 도 2에서, 제 2 토핑 공기극 부분(214)은 개방 공기극 유입 스택 면을 통해 공통 격납 구조에 제공된 산화 가스를 수신한다. 그러나, 다른 실시예들에서, 산화 가스는 공기극 유입 매니폴드(도 2에 도시되지 않음)를 통해 제 2 토핑 공기극 부분(214)으로 공급될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제 2 토핑 공기극 부분(214)은 공기극 배출을 공기극 유출 매니폴드(218)로 출력한다. 공기극 배출은 그 후 적절한 덕팅을 통해 공기극 유출 매니폴드(218)로부터 제 2 토핑 연료 전지 모듈(212)의 안쪽에 또는 바깥쪽에 제공될 수 있는 열 교환기(238)로 출력된다. 제 2 토핑 연료극 부분(216)은 연료극 배출을 연료극 유출 매니폴드(220)로 출력한다. 연료극 배출은 그 후 보터밍 연료 전지 모듈(222)에서의 사용을 위해 연료극 유출 매니폴드(220)로부터 제 2 토핑 연료 전지 모듈(212)의 바깥쪽으로 운반된다.
상기 언급된 바와 같이, 제 2 토핑 연료 전지 스택(212a)은 하나 이상의 내부 개질 유닛들(250)을 포함한다. 수소, 이산화탄소 및 일산화탄소는 하나 이상의 내부 개질 유닛들(250)을 통과하는 연료로부터 생성된다. 개질된 또는 부분적으로 개질된 연료는 그 후 연료 전환 매니폴드(216a)를 통해 스택의 제 2 토핑 연료극 부분(216)으로 공급된다. 직접 내부 개질(DIR)은 또한 제 2 토핑 연료극 부분(216)의 연료극 구획(들)에 개질 촉매를 위치시킴으로써, 및 특히 제 2 토핑 스택(212a)의 각각의 전지에서의 연료극 구획(들)의 연료극 전류 수집기의 파상 마모들에 개질 촉매를 위치시킴으로써 제 2 토핑 스택(212a)에서 제공될 수 있다.
제 1 토핑 연료 전지 모듈(202)에 대하여 상기 설명된 것과 유사하게, 제 2 토핑 연료 전지 모듈(212)은 유사한 구성을 가진 다수의 제 2 토핑 연료 전지 스택들을 포함할 수 있다. 모듈당 연료 전지 스택들의 수는 원하는 전력 출력을 제공하기 위해 요구된 수에 기초하여 결정된다. 각각의 연료 전지 스택에서 연료 전지들의 수는 스택들의 요구된 출력, 크기 및 무게 및 수송의 용이함에 의해 결정될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템(200)은 도 2에서 공통 격납 구조에 의해 하우징된 하나 이상의 연료 전지 스택들(222a)을 포함한, 보터밍 연료 전지 모듈(222)을 포함하는 보터밍 연료 전지 어셈블리를 포함한다. 각각의 보터밍 연료 전지 스택(222a)은 스택의 각각의 전지에서 그 안에 용융 탄산염 전해질(도시되지 않음)을 저장한 전해질 지지체에 의해 분리되는 보터밍 공기극 부분(224) 및 보터밍 연료극 부분(226)을 포함한다.
보터밍 연료 전지 스택(222a)은 내부 개질 연료 전지 스택이며 직접 내부 개질, 간접 내부 개질 또는 직접 및 간접 내부 개질 양쪽 모두의 조합을 포함한다. 도 2의 실시예에서, 보터밍 연료 전지 스택(222a)은 보터밍 연료극 부분(226)의 연료극 구획(들)에, 및 특히 제 2 토핑 스택(222a)의 각각의 전지에서 연료극 구획(들)의 연료극 전류 수집기의 파상 마모들에 위치된 직접 내부 개질 촉매를 포함한다. 도 2에 도시된 실시예에서, 보터밍 연료 전지 스택(222a)은 간접 내부 개질을 포함하지 않지만, 다른 실시예들에서, 보터밍 연료 전지 스택은 개질된 연료극 배출이 보터밍 연료극 부분(226)으로 운반되기 전에 제 1 및 제 2 토핑 모듈들로부터 수신된 연료극 배출을 추가로 개질하기 위한 하나 이상의 개질 유닛들을 포함할 수 있다.
도 2에서, 보터밍 공기극 부분(224)은 개방 공기극 유입 스택 면을 통해 공통 격납 구조로 제공된 산화 가스를 수신한다. 그러나, 다른 실시예들에서, 산화 가스는 공기극 유입 매니폴드를 통해 보터밍 공기극 부분(224)으로 공급될 수 있다. 도 2에서의 산화 가스는 예열되며 보터밍 공기극 부분으로 공급되는 신선한 공기를 포함한다. 예열된 신선한 공기의 제 1 부분은, 그 후 예열된 신선한 공기의 제 2 부분과 함께 보터밍 공기극 부분으로 운반되는 가열된 산화 가스를 생성하기 위해 연료극 산화기 어셈블리(231, 233)에서 보터밍 연료극 부분으로부터 출력된 연료극 배출로 연소될 수 있다.
보터밍 공기극 부분(224)은 CO2가 풍부한 공기극 배출을 공기극 유출 매니폴드(228)로 출력한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 공기극 유출 매니폴드(228)에서 수집된 공기극 배출은 그 후 적절한 덕팅(263)을 통해 보터밍 연료 전지 모듈(222)로부터 제 1 및 제 2 토핑 공기극 부분들(204 및 214)로 출력된다. 도 2의 실시예에서, 보터밍 연료 전지 모듈(222)로부터 출력된 공기극 배출은 제 1 및 제 2 토핑 공기극 부분들 사이에서 대략 균등하게 분리된다. 그러나, 다른 실시예들에서, 제 1 및 제 2 토핑 공기극 부분들에 제공된 공기극 배출의 상대적인 양들은 원하는 시스템 동작에 기초하여 제어될 수 있다. 보터밍 모듈에서의 공기극 배출 덕팅(263)은 또한 그것이 제 1 및 제 2 토핑 공기극 부분들(204 및 214)로 운반되기 전에 보터밍 모듈로부터의 공기극 배출을 냉각시키기 위해 열 교환기(264)를 포함한다. 이것은 제 1 및 제 2 토핑 공기극 부분들(204 및 214)의 공기극 유입 온도를 제어하기 위해 행해진다.
일 실시예에서, 그것이 예열된 신선한 공기의 제 2 부분과 혼합되기 전에 산화기 어셈블리(231, 233)에 의해 공급된 가열된 산화 가스의 일 부분은 보터밍 모듈에서 공기극 배출 덕팅(263)으로 우회된다. 이것은 보터밍 공기극 부분(224)으로 공급되는 가열된 산화 가스에서 CO2의 농도를 제어하기 위해 행해진다. 보터밍 연료 전지 모듈로의 공기극 유입구가 CO2가 너무 풍부해지면, 보터밍 연료 전지 모듈들로 공급된 공기극 유입 가스에서의 CO2 농도는 예열된 신선한 공기의 제 2 부분을 증가시킴으로써 Ni 용해를 최소화하기 위해 조절될 수 있다. 보터밍 연료 전지 모듈로의 공기극 유입의 온도는 예열된 신선한 공기의 온도를 조절함으로써 제어된다.
본 발명에서, 제 1 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈(202, 212) 및 보터밍 모듈(222)로 운반된 유입 산화 가스의 CO2의 농도 및 온도는 조정되며 조절될 수 있다. 이들 조정들의 제어는 프로그램 가능한 제어기(252) 또는 유사한 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 예를 들면, 보터밍 연료 전지 모듈(222)의 공기극 배출은 제 1 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈들로 운반된 유입 산화 가스에서 온도 및 CO2의 농도를 제어하기 위해 신선한 공기로 희석될 수 있다. 보터밍 연료 전지 모듈로부터의 공기극 배출이 CO2가 너무 풍부하게 되면, 제 1 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈들로 공급된 공기극 유입 가스에서의 CO2 농도는 신선한 공기로 보터밍 연료 전지 모듈의 공기극 배출을 희석시키며 및/또는 산화기 어셈블리(231, 233)로 공급된 신선한 공기의 양 및 보터밍 연료 전지 모듈로 공급된 산화기(233)에 의해 생성된 산화 가스의 양을 제어함으로써 Ni 용해를 최소화하기 위해 조절될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 공기극 부스터 송풍기(242)는 각각 제 1 및 제 2 토핑 모듈들(202 및 212)에서 연료극 및 공기극 부분들 사이에서의 요구된 차압을 유지하도록 제 1 및 제 2 토핑 공기극 부분들(204 및 214)의 압력을 올리기 위해 보터밍 모듈(222)로부터의 공기극 배출을 운반하는 공기극 배출 덕팅(263)에 위치된다.
제 1 토핑 연료 전지 모듈(202)에 대하여 상기 설명된 것과 유사하게, 보터밍 연료 전지 모듈(222)은 각각이 공기극 부분 및 연료극 부분을 갖는, 다수의 보터밍 연료 전지 스택들을 포함할 수 있다. 모듈당 연료 전지 스택들의 수는 원하는 전력 출력 및 효율을 제공하기 위해 요구된 수에 기초하여 결정된다. 보터밍 연료 전지 모듈(222)에서 연료 전지 스택들(222a)은 고온 용융 탄산염 연료 전지들을 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 보터밍 연료 전지 모듈(222)의 보터밍 연료극 부분(226)은 보터밍 연료극 부분(226)이 제 1 및 제 2 토핑 연료극 부분들(206 및 216) 양쪽 모두로부터 출력된 연료극 배출을 수신하도록 제 1 토핑 연료극 부분(206) 및 제 2 토핑 연료극 부분(216)의 각각에 동작 가능하게 결합된다. 제 1 토핑 연료극 부분(206) 및 제 2 토핑 연료극 부분(216)은 그러므로 보터밍 연료극 부분(226)과 2-대-1 비로 구성된다. 더욱이, 제 1 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈들(202 및 212)의 연료 전지 스택들의 총 수는 보터밍 연료 전지 모듈(222)의 연료 전지 스택들의 수와 2-대-1 비로 구성된다. 다른 실시예들에서, 토핑 모듈들 및 보터밍 모듈들의 수는 달라질 것이며, 토핑 연료 전지 스택들 및 보터밍 연료 전지 스택들의 총 수가 또한 달라질 수 있다. 증가된 효율을 위해, 특정한 실시예들에서, 토핑 모듈들의 수는 보터밍 모듈들의 수보다 크며, 및/또는 토핑 연료 전지 스택들의 총 수는 보터밍 연료 전지 스택들의 총 수보다 크다. 토핑 모듈들 또는 스택들은 보터밍 모듈들 또는 스택들보다 높은 전류 밀도(보다 양호한 연료 품질 때문에) 및 연료 이용을 갖는다.
상기 언급된 바와 같이, 각각의 스택에서의 연료 전지들의 수, 및 그에 따라, 각각의 스택의 높이는, 만일을 대비해 수송성 제약들에 의해 제어된다. 토핑 모듈(들)에서 표준 토핑 연료 전지 스택들은, 간접 내부 개질 유닛들을 포함하여, 약 400개의 연료 전지들을 포함한다. 그러나, 보터밍 모듈(들)에서의 보터밍 연료 전지 스택들은 어떤 개질 유닛들도 없거나 또는 토핑 연료 전지 스택들보다 상당히 더 적은 수의 개질 유닛들을 갖는다. 그 결과, 보터밍 연료 전지 스택들에 부가적인 연료 전지들을 포함하기 위해 보다 많은 공간이 이용 가능하다. 예를 들면, 어떤 개질 유닛들도 보터밍 연료 전지 스택들에서 사용되지 않는다면, 스택에 32개의 연료 전지들을 추가하기 위한 룸이 있다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 토핑 모듈(들)은 보터밍 모듈(들)보다 많은 연료 전지 스택들의 총 수를 포함할 수 있지만, 각각의 보터밍 연료 전지 스택에 포함된 연료 전지들의 수는 각각의 토핑 연료 전지 스택에 포함된 연료 전지들의 수보다 클 수 있다. 이러한 스택 설계는 시스템의 전력 출력을 최대화하도록 돕는다.
도 2의 특정 구성에서, 토핑 연료 전지 모듈들의 수 및 토핑 연료 전지 스택들의 총 수는 보터밍 연료 전지 모듈(들)의 수 및/또는 보터밍 연료 전지 스택(들)의 총 수보다 크지만, 다른 구성들에서, 토핑 연료 전지 모듈(들)의 수는 보터밍 연료 전지 모듈(들)의 수와 동일할 수 있으며, 및/또는 토핑 연료 전지 스택(들)의 총 수는 보터밍 연료 전지 스택(들)의 총 수와 동일할 수 있다는 것이 이해된다. 이러한 다른 구성들에서, 토핑 연료 전지 모듈(들) 및 토핑 연료 전지 스택(들)은 보터밍 연료 전지 모듈(들) 및 보터밍 연료 전지 스택(들)보다 많은 연료 전지들의 총 수를 가질 것이다. 예를 들면, 시스템이 하나의 토핑 연료 전지 스택을 가진 하나의 토핑 모듈 및 하나의 보터밍 연료 전지 스택을 가진 하나의 보터밍 모듈을 포함하며, 토핑 연료 전지 스택에서의 연료 전지들의 총 수가 보터밍 연료 전지 스택에서의 연료 전지들의 총 수보다 크도록 시스템을 구성하는 것이 가능하다.
도 2에 도시된 시스템의 동작이 이제 설명될 것이다. 동작 동안, 제 1 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈들(202, 212) 각각은 연료 공급 장치로부터, 메탄, 천연 가스, 또는 다른 적절한 연료와 같은, 연료 피드의 일 부분을 수신한다. 토핑 연료 전지 모듈들(202, 212)로 운반되기 전에, 연료 피드는 예열되고 및/또는 프로세싱될 수 있다. 예를 들면, 가습기가 연료 피드를 가습하기 위해 사용될 수 있으며 프리컨버터(234)는 토핑 연료 전지 모듈들의 연료 피드의 일 부분을 외부적으로 부분 개질하기 위해 사용될 수 있다. 게다가, 연료 피드는 탈산제에서 환원되고, 탈황기(도시되지 않음)에서 탈황되며 및/또는 순도를 위해 연료 전지 규격들을 충족시키도록 요구될 수 있는 바와 같이 다른 프로세싱을 겪을 수 있다. 예열된 및/또는 프로세싱된 연료 피드는 그 후 제 1 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈들(202, 212) 사이에서 분할되며, 상기 제 1 토핑 연료 전지 모듈(202)은 연료 피드의 제 1 부분을 수신하고 제 2 토핑 연료 전지 모듈(212)은 연료 피드의 제 2 부분을 수신하며, 연료 피드의 제 1 및 제 2 부분들은 양이 대략 동일하거나 또는 상이하도록 제어될 수 있다. 제어기(252)는 제 1 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈들(202, 212)로 공급된 제 1 및 제 2 연료 피드들의 각각의 양들을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 제 1 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈들(202, 212)의 각각에서 수신된 연료 피드 부분들은 그 후 각각, 제 1 및 제 2 열 교환기들(236, 238)에서 각각의 토핑 연료 전지 모듈로부터 출력된 공기극 배출 열을 사용하여 예열된다. 몇몇 실시예들에서, 열 교환기들(236 및 238)은 하나의 열 교환기로 조합될 수 있다. 제 1 및 제 2 연료 전지 모듈들(202, 212)의 각각에서, 예열된 연료 피드 부분은 그 후 각각의 토핑 모듈의 하나 이상의 연료 전지 스택들의 토핑 연료극 부분(206, 216)으로 운반되며 각각의 토핑 연료극 부분(206, 216)으로 운반되기 전에 간접 내부 개질기(248, 250)에서 개질될 수 있다.
제 1 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈들(202, 212)은 토핑 연료 전지 모듈로 운반된 각각의 연료 피드 부분들에 포함된 연료의 일 부분을 소비하며, 따라서 제 1 및 제 2 토핑 모듈들(202, 212)로부터 출력된 연료극 배출은 그 안에 남아있는 연료 부분을 포함한다. 도 2의 실시예에서, 제 1 및 제 2 연료 전지 모듈들(202, 212)은 연료 피드에서 연료의 약 2/3을 소비하며, 연료 피드에서 초기 연료의 약 1/3인, 연료의 남아있는 부분을 포함한 연료극 배출을 출력한다. 도 2에서, 연료 전지 시스템(200)은 제 1 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈들(202, 212)로부터 아래쪽으로 및 보터밍 연료 전지 모듈(222)의 위쪽으로 배치되는 연료극 부스터 송풍기(232)를 포함한다. 연료극 부스터 송풍기(232)는 제 1 및 제 2 토핑 연료극 부분들(206, 216)로부터 출력된 연료극 배출을 수신하며 그것이 보터밍 연료 전지 모듈(222)로 운반되기 전에 연료극 배출 압력을 증가시킨다. 연료극 부스터 송풍기(232)는 낮은 압력 증가로 동작하여, 낮은 압축 전력 및 낮은 비용을 야기한다. 연료극 부스터 송풍기(232) 동작은 각각 제 1 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈들(202 및 212)의 연료극 및 공기극 부분들 사이에서의 차압을 제어하도록 제어기(252)에 의해 제어될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 연료극 부스터 송풍기(232)에 의해 보터밍 연료 전지 모듈(222)로 공급된 연료극 배출은 신선한 연료(251)로 보충될 수 있다. 보충의 신선한 연료는 제 1 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈들(202, 212)로부터의 연료극 배출 스트림이 적절한 양의 물을 포함하므로 연료를 가습하기 위해 임의의 부가적인 물을 요구하지 않고 연료극 배출과 혼합될 수 있다. 보터밍 연료 전지 모듈로 공급된 신선한 연료의 양은 보터밍 연료 전지 모듈에서 원하는 연료 이용 및 전류 발생을 달성하도록 제어기(252)에 의해 제어될 수 있다. 보충의 신선한 연료는 토핑 연료 전지 모듈들과 동일한 연료 공급 장치로부터 공급될 수 있거나, 또는 상이한 연료 공급 장치로부터 공급될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 보충의 신선한 연료는 메탄과 같은 개질 가능한 연료를 포함한다.
여기에서 상기 언급된 바와 같이, 몇몇 실시예들에서, 보터밍 연료 전지 모듈의 보터밍 연료 전지 스택들은 간접 내부 개질기들 포함한다. 이러한 실시예들에서, 보충 연료는 보터밍 연료 전지 스택의 간접 내부 개질기들에 제공되며, 개질된 또는 부분적으로 개질된 보충 연료는 그 후 간접 내부 개질기들로부터 보터밍 스택의 보터밍 연료극 부분들로 공급된다. 몇몇 실시예들에서, 단지 보충 연료만이 보터밍 연료 전지 스택의 간접 내부 개질기들에 공급되는 반면, 제 1 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈들(202, 212)로부터의 연료극 배출은 간접 내부 개질기들을 통해 운반되지 않고, 보터밍 스택의 연료 전환 매니폴드로 직접 제공된다. 이러한 구성은 보터밍 스택들의 열 프로파일을 개선하며 보터밍 스택들로부터의 전력 출력을 최대화한다.
토핑 연료 전지 모듈들로부터의 연료극 배출을 포함한 연료극 유입 가스 및 선택적으로 보충의 신선한 연료는 보터밍 연료 전지 모듈(222)에서 수신되며 보터밍 연료 전지 모듈에서 연료 전지 스택(들)의 보터밍 연료극 부분(226)으로 운반된다. 상기 논의된 바와 같이, 연료극 유입 가스는 보터밍 연료극 부분에서 직접 내부 개질을 통해 개질될 수 있으며, 보터밍 연료극 부분에 의해 생성된 연료극 배출은 연료극 유출 매니폴드(230)를 통해 보터밍 연료 전지 스택(들)으로부터 출력된다. 보터밍 연료 전지 모듈(222)로부터 출력된 연료극 배출은 믹서/이덕터(231) 및 산화기(233)를 포함하는 연료극 산화기 어셈블리로 운반된다. 믹서/이덕터(231)는 또한 시스템으로 입력된 예열된 공기의 제 1 부분을 수신하며 예열된 공기와 연료극 배출을 혼합하고, 산화기(233)는 연료 전지 공기극에서의 사용에 적합한 고온 산화 가스를 출력하기 위해 예열된 공기로 연료극 배출을 산화시킨다. 도 2에 도시된 바와 같이, 산화기(233)로부터 출력된 고온 산화 가스는 그 후 보터밍 모듈(222)의 보터밍 공기극 부분(224)으로 입력되는 공기극 유입 가스를 형성하기 위해 예열된 공기의 제 2 부분과 조합된다. 믹서/이덕터(231)에 제공된 예열된 공기의 제 1 부분의 양은 제어기(252)에 의해 제어된다. 믹서/이덕터(231)에 제공된 예열된 공기의 양은 보터밍 공기극 부분(224)으로의 유입 산화 가스의 온도를 제어하도록 및 보터밍 공기극 부분(224)으로부터 출력된 공기극 배출의 온도를 제어하도록 제어된다.
일 실시예에서, 그것이 예열된 신선한 공기의 제 2 부분과 혼합되기 전에 산화기 어셈블리(231, 233)에 의해 공급된 가열된 산화 가스의 일 부분은 덕팅(265)을 통해 보터밍 모듈에서의 공기극 배출 덕팅(263)으로 우회된다. 이것은 보터밍 공기극 부분(224)으로 공급되는 가열된 산화 가스에서의 CO2의 농도를 제어하기 위해 행해진다. 보터밍 연료 전지 모듈로의 공기극 유입이 CO2가 너무 풍부하게 된다면, 보터밍 연료 전지 모듈들로 공급된 공기극 유입 가스에서의 CO2 농도는 예열된 신선한 공기의 제 2 부분을 증가시킴으로써 Ni 용해를 최소화하기 위해 조절될 수 있다. 보터밍 연료 전지 모듈로의 공기극 유입의 온도는 예열된 신선한 공기의 온도를 조절함으로써 제어된다.
보터밍 모듈에서, 공기극 배출 덕팅(263)은 또한 그것이 제 1 및 제 2 토핑 공기극 부분들(204 및 214)로 운반되기 전에 보터밍 모듈로부터의 공기극 배출을 냉각시키기 위해 열 교환기(264)를 포함한다. 이것은 제 1 및 제 2 토핑 공기극 부분들(204 및 214)의 공기극 유입 온도를 제어하기 위해 행해진다.
도 2에서 보여질 수 있는 바와 같이, 신선한 공기는 송풍기(245)를 사용하여 시스템(200)으로 공급된다. 송풍기(245)에 의해 공급된 공기의 모두 또는 일 부분을 포함할 수 있는, 공기의 제 1 부분은 가열을 위해 열 교환기(246)로 운반된다. 각각 제 1 및 제 2 토핑 모듈들(202 및 212)로부터의 공기극 배출(208 및 218)은 열 교환기(246)에서 공기의 제 1 부분을 가열하기 위해 사용된다. 몇몇 실시예들에서, 제 1 공기 부분의 일부 또는 모두는 우회 라인(246a)을 통해 열 교환기(246) 주위에서 우회될 수 있으며, 열 교환기(246) 주위에서 우회된 공기의 양은 제어기(252)에 의해 제어될 수 있고 보터밍 공기극 부분(224)으로 입력된 유입 산화 가스의 원하는 온도 및 토핑 공기극 부분들(202 및 212)의 공기극 유입의 원하는 온도에 의존할 것이다. 공기 가열기(266)는, 시스템이 뜨거워지거나 또는 전력을 생성하지 않거나 또는 낮은 출력에 있을 때와 같은, 동작의 특정한 모드들에서 공기의 제 1 부분을 가열하기 위해 열 교환기(246)의 아래쪽으로 배치된다. 공기 가열기(266)는 천연 가스 가열로 또는 전기 가열기일 수 있다. 공기 가열기(266)의 출력은 보터밍 공기극 부분(224)으로 입력된 유입 산화 가스의 원하는 온도 및 토핑 공기극 부분들(202 및 212)의 공기극 유입의 원하는 온도에 의존하여 제어기(252)에 의해 제어된다. 이러한 방식으로, 제어기(252)는 보터밍 공기극 부분(224)으로 운반된 유입 산화 가스의 온도 및 토핑 공기극 부분들(204 및 214)로 운반된 공기극 유입 산화 가스의 온도, 및 그에 따라 각각 토핑 모듈들(202, 212) 및 보터밍 모듈(222)의 연료 전지 스택들(202a, 212a, 및 222a)에서의 온도를 제어할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 공기 가열기(266)로부터 출력된 예열된 공기의 제 1 부분은 상기 논의된 바와 같이, 연료극 배출을 산화시키기 위해 연료극 산화 어셈블리(231, 233)로 운반되며, 예열된 신선한 공기의 제 2 부분은 보터밍 공기극 부분(224)으로 운반된다. 상기 도시되고 논의된 바와 같이, 남아있는 예열된 공기는 보터밍 공기극 부분(224)으로 입력되기 전에 산화기(233)로부터 출력된 산화 가스와 조합된다. 산화기(233)로부터 출력된 산화 가스가 예열된 신선한 공기의 제 2 부분과 혼합하기 전에, 산화기(233)로부터 출력된 산화 가스의 일 부분은 우회 덕트(265)를 통해 보터밍 모듈들로부터 공기극 배출 덕트(263)로 운반된다. 이것은 보터밍 공기극 부분(224)으로 입력된 산화 유입 가스에서의 CO2의 농도를 감소시키기 위해 행해진다. 산화기(233)로부터 토핑 모듈들로의 산화 가스의 전환은 제어기(252) 또는 유사한 디바이스에 의해 제어된다.
산화기(233)로부터 출력된 산화 가스가 예열된 신선한 공기의 제 2 부분과 혼합하기 전에, 보터밍 모듈로부터의 공기극 배출 부분은, 예열된 신선한 공기의 제 2 부분을 사용하여, 열 교환기(264)에서 냉각된다. 이것은 각각, 제 1 및 제 2 토핑 모듈들의 공기극 유입 부분(204 및 214)의 공기극 유입 온도를 제어하기 위해 행해진다.
이러한 실시예들에서, 보터밍 모듈(222)로부터 출력된 공기극 배출의 모두 또는 일 부분은 열 교환기(264)를 통해 운반될 것이며 공기극 배출에서의 열의 일 부는 연료극 배출 산화기(233)의 출력과 함께 보터밍 모듈(222)의 공기극 부분(224)의 유입구로 운반되는 예열된 신서한 공기의 제 2 부분을 예열하기 위해 사용될 것이다. 열 교환기(264)로 공급된 공기의 양은 제 1 및 제 2 토핑 모듈들의 공기극 유입 온도를 제어하기 위해 제어기(252)에 의해 조정 가능하다. 열 교환기(264)로 운반된 공기극 배출의 양은 또한 토핑 모듈들에 들어가는 산화 가스의 공기극 유입 온도를 제어하도록 밸브(264a)를 제어함으로써 제어기(252) 또는 유사한 디바이스에 의해 제어될 수 있다. 열 교환기는 보터밍 모듈(222)에 위치될 수 있다.
보터밍 공기극 부분(224)으로부터 출력된 공기극 배출은 그 후 제 1 및 제 2 토핑 공기극 부분들(204, 214)에서 산화 가스로서의 사용을 위해 제 1 및 제 2 토핑 모듈들(202, 212)로 운반된다. 시스템(200)은 또한 토핑 모듈들로 운반되기 전에 보터밍 모듈(222)로부터 출력된 공기극 배출의 압력을 증가시키기 위해 보터밍 모듈(222)로부터 아래쪽으로 및 토핑 모듈들(202, 212)로부터 위쪽으로 공기극 측 상에 제공된 공기극 배출 부스터(242)를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 토핑 모듈들에서 연료극 측 및 공기극 측 사이에서의 압력 차가 공기극 및 연료극 측들 사이에서의 낮은 차압을 유지하도록 조정되며 제어될 수 있다. 제어기(252) 또는 유사한 제어 디바이스는 연료극 및 공기극 측들 사이에서의 차압을 제어하도록 공기극 배출 부스터의 동작을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
보터밍 공기극 부분(224)으로부터 출력된 공기극 배출은 제 1 및 제 2 토핑 공기극 부분들(204, 214) 사이에서 대략 동일하게 분할될 수 있다. 그러나, 몇몇 실시예들에서, 제 1 및 제 2 토핑 공기극 부분들(204, 214)의 각각에 의해 수신된 보터밍 공기극 부분(224)으로부터의 공기극 배출의 양은 토핑 제 1 및 제 2 토핑 모듈들(202, 212)에서 원하는 동작 및 연료 이용에 기초하여 변경되고 제어될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 송풍기(245)에 의해 공급된 공기의 일부는 보터밍 연료 전지 모듈(222) 주위에서 우회될 수 있으며 보충 산화 가스로서 제 1 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈들(202, 212)로 공급될 수 있다. 구체적으로, 송풍기(245)로부터의 공기의 제 3 부분이 제 1 토핑 공기극 부분(204)에서의 사용을 위해 우회 덕트(262)를 통해 제 1 토핑 연료 전지 모듈(202)로 운반되며, 송풍기(245)로부터의 공기의 제 4 부분은 우회 덕트(261)를 통해 제 2 토핑 공기극 부분(214)으로 운반된다. 도시된 바와 같이, 제 3 공기 부분은 제 1 토핑 공기극 부분(204)으로 입력되기 전에 보터밍 공기극 부분(224)으로부터의 공기극 배출의 일 부분과 조합되는 반면, 제 4 공기 부분은 제 2 토핑 공기극 부분(214)으로 입력되기 전에 보터밍 공기극 부분(224)으로부터의 공기극 배출의 남아있는 부분과 조합된다. 각각, 제 1 및 제 2 토핑 공기극 부분들로 운반된 제 3 및 제 4 공기 부분들의 양들은 토핑 모듈들에 들어간 유입 산화 가스의 공기극 유입 온도를 제어하도록 적절한 백브들(262a, 261a)을 통해 제어기(252)에 의해 제어된다.
토핑 연료 전지들에서 전기화학 반응을 겪은 후, 소비된 산화체는 공기극 배출로서 제 1 및 제 2 토핑 공기극 부분들(204, 214)로부터 출력된다. 상기 논의된 바와 같이, 제 1 토핑 공기극 부분(204)으로부터 출력된 공기극 배출로부터의 폐열은 열 교환기(236)에서 연료 피드의 일 부분을 예열하기 위해 사용되며, 제 2 토핑 공기극 부분(214)으로부터 출력된 공기극 배출로부터의 폐열은 열 교환기(238)에서 연료 피드의 다른 부분을 예열하기 위해 사용된다. 제 1 및 제 2 토핑 모듈들(202, 212)로부터 출력된 후, 공기극 배출 스트림들은 조합되며 연료 가습기(도시되지 않음)로 운반될 수 있고, 이것은 또한 연료 피드 및 물을 수신하며 여기에서 공기극 배출로부터의 폐열은 증기를 형성하기 위해 및 증기로 연료 피드를 가습하기 위해 사용된다. 공기극 배출은 또한 공기극 배출에서 남아있는 폐열이 인입하는 공기를 예열하기 위해 사용되도록 열 교환기(246)로 운반될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예에서, 시스템(200)은 공기극 배출로부터의 물을 회수하기 위한 물 회수 어셈블리(260)를 포함한다. 공기극 배출에서의 폐열이 열 교환기들(236, 238), 연료 가습기(도 2에 도시되지 않음) 및/또는 열 교환기(246)에서 회수된 후, 냉각된 공기극 배출이 물 회수 어셈블리(260)로 운반될 수 있으며, 이것은 공기극 배출로부터 물을 회수한다. 연료 전지 시스템(200)으로부터 물을 회수하는 물 회수 어셈블리(260)의 상세한 구성은 도 2에 도시되지 않는다. 물 회수 어셈블리(260)에서 회수된 물은 연료 피드를 가습하기 위해 연료 전지 시스템(200)에서 재-사용될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 물 분리된 공기극 배출은 그 후 통기 등에 의해 시스템(200)으로부터 출력된다. 도 2에 도시되지 않지만, 동일한 또는 별개의 물 회수 어셈블리가 보터밍 연료극 부분(226)으로부터 출력된 연료극 배출의 일 부분에서 물을 또한 회수하기 위해 사용될 수 있다. 여기에서 동일한 양수인에 양도되며 참조로서 여기에 통합된, 미국 특허 번호 제8,367,256호는 물 회수 어셈블리(260)로서 사용될 수 있는 대표적인 물 회수 어셈블리를 개시한다.
상기 논의된 바와 같이, 연료 전지 시스템(200)은 연료 전지 시스템(200)의 다양한 구성요소들 및 동작들을 제어하도록 프로그램된 제어기(252)를 포함한다. 제어기(252)는 다음 중 하나 이상을 제어하도록 프로그램된다:
(1) 신선한 공기로 보터밍 연료 전지 모듈(222)의 공기극 배출을 희석시키도록 및 제 1 및 제 2 토핑 모듈들로 운반된 유입 산화 가스에서 CO2의 농도 및 온도를 제어하도록 제 1 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈들(202, 212)로 공급된 보충 공기(신선한 공기)의 양;
(2) 보터밍 모듈로 운반된 산화 가스에서 CO2 농도를 제어하도록 토핑 모듈들(202, 212)로 우회된 산화기(233)로부터 출력된 산화 가스의 양;
(3) 제 1 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈들(202 및 212)의 연료극 및 공기극 부분들 사이에서의 차압을 제어하며 낮은 차압을 유지하도록 하는 연료극 부스터 송풍기(232)의 동작;
(4) 토핑 연료 전지 모듈들의 연료극 및 공기극 부분들 사이에서의 차압을 유지하며 낮은 차압을 유지하도록 하는 공기극 배출 부스터의 동작;
(5) 보터밍 연료 전지 모듈에서 원하는 연료 이용 및 전류 발생을 달성하도록 보터밍 연료 전지 모듈로 공급된 보충 연료의 양;
(6) 보터밍 연료 전지 모듈(222)로의 유입 산화 가스의 온도를 제어하도록 열 교환기(246) 주위에서 우회된 공기의 양;
(7) 연료극 배출의 산화를 위해 믹서/이덕터(231)로 운반된 예열된 공기 부분의 양;
(8) 제 1 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈들의 각각에 제공된 보터밍 연료 전지 모듈로부터 출력된 공기극 배출의 양;
(9) 제 1 및 제 2 토핑 모듈들의 공기극 유입 온도를 제어하기 위해 열 교환기(264)로 공급된 보터밍 연료 전지 모듈로부터의 가열된 공기 및/또는 공기극 배출의 양;
(10) 보터밍 연료 전지 모듈로 입력된 유입 산화 가스의 온도 및 토핑 연료 전지 모듈들로의 공기극 유입의 온도를 제어하기 위한 공기 가열기(266)의 출력;
(11) 제 1 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈들의 각각에 제공된 연료 피드의 양;
(12) 최하부 스택들로부터 보충 연료를 점진적으로 빼내며 토핑 스택들로 연료를 전달하고 스택들이 노화됨에 따라 토핑 모듈들로부터 보터밍 모듈로의 출력의 시프팅.
제어기에 의한 상기 동작들 중 하나 이상의 제어는 시스템의 실제 동작 조건들 및 원하는 동작, 동작의 길이, 및 다른 인자들에 의존한다. 예를 들면, 보터밍 연료 모듈(222)에 의해 발생된 전류는 전기 수요, 예로서 전기에 대한 고객 수요에 기초하여 제어되며, 따라서 전기 수요가 낮을 때, 제어기(252)는 보다 작은 양의 연료가 보터밍 연료 전지 모듈들에 공급되거나 또는 어떤 보충 연료도 공급되지 않도록 제어하며, 전기 수요가 증가할 때, 제어기(252)는 보터밍 연료 전지 모듈로 공급된 보충 연료의 양이 증가되도록 제어한다. 특정한 실시예들에서, 제어기(252)는 압력이 터빈을 통해 내려가게 되기 전에 에너지 회수 발생 시스템에서의 가스 분배 시스템으로부터 고압 천연 가스를 가열하기 위해 열을 제공하도록 열 교환기(도 2에 도시되지 않음)로 고 효율 연료 전지 시스템의 발전소 배출을 향하게 할 수 있다. 가스 분배 시스템으로부터의 고압 천연 가스를 가열하기 위한 연료 전지 발전소로부터의 열의 사용은 여기에서 동일한 양수인에 양도되며 참조로서 통합된, 미국 특허 번호 제8,080,344호에서 논의된다. 도 2에 도시된 예시적인 시스템에서, 토핑 모듈들로부터 출력된 공기극 배출은 가스 분배 시스템으로부터의 고압 천연 가스를 가열하기 위해 열을 제공하도록 열 교환기(도시되지 않음)로 운반된다. 고압 천연 가스로 열을 제공하기 위한 열 교환기는 입력 공기를 가열하기 위해 사용된 열 교환기(246)의 위쪽으로 또는 아래쪽으로 제공될 수 있다.
게다가, 본 발명에서, 제 1 토핑 연료 전지 모듈(202) 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈(212)의 개질 레이트들이 시스템의 노화에 따라 감소함에 따라, 제어기(252)는 보터밍 모듈(222)로 운반된, 메탄 풍부 연료인 보충 연료가 제 1 및 제 2 토핑 모듈들(202, 212)로 점진적으로 우회되도록 제어한다. 즉, 시스템이 계속해서 동작하며 토핑 모듈들(202, 212)에서의 개질 레이트들이 감소함에 따라, 보다 적은 보충 연료가 보터밍 모듈(222)로 전송되며 보다 많은 연료가 제 1 및 제 2 토핑 모듈들(202, 212)로 전송된다. 이러한 방식으로, 토핑 모듈들의 메탄 냉각 부하의 손실이 메탄을 포함한 보다 많은 연료의 부가에 의해 보상된다. 그 결과, 토핑 모듈들에서 발생된 전류는 동작 시간에 따라 감소되며 보터밍 모듈(들)에서 발생된 전류는 토핑 모듈(들)로부터 보터밍 모듈(들)로 공급된 개질되지 않은 연료의 양에 기초하여 동작 시간에 따라 증가된다. 게다가, 이러한 제어는 보터밍 모듈이 감소된 개질 레이트들을 갖는 토핑 모듈들로부터, 변환되지 않은 메탄을 포함한, 변환되지 않은 연료를 수신하므로 보터밍 모듈(222)의 냉각에 영향을 주지 않는다.
상기 설명된 시스템 및 시스템의 동작에 따르면, 연료는 먼저 두 개의 평행한 토핑 연료 전지 모듈들(202 및 212)로 공급되며, 이것은 동작 조건들에 의존하여 연료의 약 65% 내지 75%를 전기화학적으로 소비한다. 토핑 연료 전지 모듈들(202 및 212)로부터의 연료 배출은 그 후, 또한 부가적인 신선한 연료(보충 연료)를 수신할 수 있는, 보터밍 연료 전지 모듈(222)로 공급된다. 보터밍 연료 전지 모듈(222)은 그것이 전기화학적 변환 반응에서 수신하는 연료의 약 60 내지 70%를 소비한다. 따라서, 연료 전지 시스템(200)은 90%에 도달하는 전기로의 전체 연료 변환을 달성하며 60%보다 높은 전기 변환 효율을 달성한다.
시뮬레이션은 본 발명의 시스템(200)과 비교하여 다양한 종래의 시스템들의 네트 전력 출력, 전체 연료 이용, 전기 효율, 연료 사용, 및 생성된 전력의 킬로와트당 비용을 측정하기 위해 수행되었다. 시뮬레이션의 결과들은 표 2 및 표 3에서 요약된다. 표 2는 다음의 연료 전지 시스템들의 비교를 제공한다: (1) 두 개의 MW-클래스 스택 모듈들을 가진 베이스라인 단순 사이클 시스템; (2) 두 개의 MW-클래스 스택 모듈들을 가진 연료 전지-터빈 시스템(미국 특허 제6,365,290호에서 설명된 시스템과 유사한); (3) 직렬로 두 개의 MW-클래스 모듈들을 갖는 시스템(미국 특허 제8,062,799호 및 제8,236,458호에서 설명된 시스템과 유사한); 및 (4) 도 2에 도시된 바와 같이 3개의 MW-클래스 모듈들을 사용한 본 발명의 연료 전지 시스템(HEFC).
연료 전지 시스템 (1) (2) (3) (4)
네트 AC 출력 (kW) 2.8 3.4 2.4 3.7
전체 연료 이용 69% 85%* 81% 87%
전기 효율 (LHV) 47% 57.60% 55% 60%
연료 사용 LHV (MMBTU/MWh) 8.03 6.55 6.86 6.29
자본 비용 ($000s/kW) 4942 5876 5765 4684
* 600kW 터빈 출력과 동등한 연료 이용.
표 2에서의 결과들에 의해 표시된 바와 같이, 연료 전지 시스템(200)은 생성된 전력의 킬로와트당 최저 연료 사용 및 비용뿐만 아니라 최고 네트 출력, 연료 이용, 및 전기 효율을 가진다. 본 발명의 시스템(200)이 현재 이용 가능한 MW-클래스 모듈들을 사용하여 구성될 수 있으므로, 본 발명은 kW 비용 당 최저 비용을 갖고 최고 시스템 효율을 달성할 수 있다.
상기 논의된 바와 같이, 본 발명에서, 보터밍 연료 전지 모듈(222)은 제 1 토핑 연료 전지 모듈(202) 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈(212)의 각각보다 낮은 전류 밀도를 가진다. 표 3은 시스템(200)의 시뮬레이션 테스트의 결과들을 제공하며 제 1 및 제 2 토핑 연료 전지 모듈들(202 및 212) 및 보터밍 연료 전지 모듈(222)에 대한 전력 출력(kW), 전류 밀도(C.D. mA/㎠) 및 연료 이용(Uf)의 비교를 도시한다.
모듈 출력 파괴 출력 (kW) 전류 밀도 (mA/㎠) Uf
토핑 모듈들(모듈 당) 1410 156.2 69%
보터밍 모듈 880 92 66%
표 2로부터 보여질 수 있는 바와 같이, 보터밍 연료 전지 모듈(222)의 전력 출력, 전류 밀도 및 연료 이용은 연료 희석 및 감소된 개질-냉각 때문에 토핑 연료 전지 모듈들(202 및 212)의 각각의 전력 출력, 전류 밀도 및 연료 이용보다 낮다.
제어기(252)는 GE에 의해 만들어진 종래의 PLC(프로그램 가능한 로직 제어기)일 수 있다. 사용된 제어 프로그램은, 결과적으로 산업 자동화를 위해 GE PLC들에서 구현 가능한 GE 제품인, "Versapro"로 불리우는 소프트웨어 제품일 수 있다. 다른 실시예들에서, 제어기는 Foxboro에 의해 제조된 종래의 DCS(분산 제어 시스템)일 수 있으며 제어 프로그램은 또한 Foxboro에 의해 제조된, 산업 자동화를 위해 DCS에서 구현된 소프트웨어일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제어기는 종래의 PLC-기반 "아이코닉스(Iconics)" 시스템일 수 있다.
본 발명은 또한 도 2에 도시된 시스템의 토핑 및 보터밍 모듈들의 연료 전지 스택들에서 열 조건들을 제어하는 것을 고려한다. 상기 논의된 바와 같이, 토핑 및 보터밍 모듈들의 연료 전지 스택들은 내부 개질 및 특히 직접 내부 개질을 포함하며 여기에서 개질 촉매는 스택들의 연료극 구획들 내에 분포된다. 연료 전지들의 열 균일성을 개선하기 위해, 특히 보터밍 모듈의 스택(들)에서, 보터밍 모듈에서의 연료 전지들은 토핑 모듈들에서의 연료 전지들과 상이한 양 및 공간 분포의 직접 내부 개질 촉매를 사용한다. 구체적으로, 보터밍 모듈들의 연료 전지들에서, 직접 내부 개질 촉매의 하중 밀도는 전지들의 열 균일성을 제공하기 위해 연료 전지들의 연료극 유입 영역으로부터 연료극 유출 영역으로 점진적으로 증가한다. 반대로, 토핑 모듈들의 연료 전지들에서, 직접 내부 개질 촉매의 하중 밀도는 연료 흐름 및 공기 흐름 방향들 양쪽 모두에서 균일하게 분포된다.
보터밍 모듈의 연료 전지들에서 직접 내부 개질 촉매 하중 및 보터밍 모듈에서의 다른 설계 특징들은 스택들의 공기극 유입구에서 온도 기울기를 또한 생성하며, 이것은 전지들의 열 균일성을 개선한다. 구체적으로, 공기극 유입 온도 기울기는 약 10 내지 20F이며 공기극 유입 가스 온도는 연료극 유입 영역 가까이에서 더 따뜻하며 연료극 유출 영역에서 더 차갑다. 이러한 온도 기울기는 스택의 공기극 유입 면에 하나 이상의 배플들을 포함함으로써 달성될 수 있다. 도 3은 공기극 유입 면(300a), 공기극 유출 면(300b), 연료극 유입 면(300c) 및 연료극 유출 면(300d)을 가진 연료 전지 스택(300), 및 공기극 유입 면(300a)으로부터 약 3 내지 5"에서 제공된 배플(302)의 예시적인 구성을 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 배플(302)은 연료극 유출구 가까이에 있는 영역을 제외하고 전체 공기극 유입 면을 커버하며 공기극 유입 면(300a)의 연료극 유출 영역으로 산화 유입 가스를 향하게 하기 위해 사용된다. 연료극 유출 영역 가까이에서의 부가적인 산화 가스 흐름은 공기극 유입 면(300a)의 연료극 유입 영역 가까이에서의 온도들에 비교하여 이러한 영역에서 보다 낮은 온도들을 야기한다. 연료극 유출구 가까이에 있는 영역에 들어간 공기극 유입 가스는 온도가 더 낮을 것이다. 이러한 가스는 공기극 유입 면(300a)의 다른 영역들에 들어가기 전에 연료 전지들로부터 열을 얻을 것이다. 게다가, 보터밍 연료 전지 스택의 공기극 유입구에서의 온도 기울기는 배플 방위를 조정하기 위해 하나 이상의 외부 레버들(304)에 의해 조절되거나 또는 조정될 수 있다. 공기극 유입 면(300a)으로부터 멀리 배플(302)을 이동시킴으로써, 온도 기울기는 보다 작아질 수 있다. 보터밍 연료 전지 스택의 공기극 유입구에서 온도 기울기의 조정은 제어기(252) 또는 유사한 디바이스에 의해 제어될 수 있다.
게다가, 특정한 실시예들에서, 보터밍 모듈의 연료 전지들에서의 직접 내부 개질 촉매 하중 및 보터밍 모듈에서의 다른 설계 특징들은 또한 보터밍 스택들의 연료극 유입구에서 온도 기울기를 생성하며, 이것은 전지들의 열 균일성을 추가로 개선한다. 구체적으로, 연료극 유입 온도 기울기는 약 10 내지 20F이며 연료극 유입 가스 온도는 공기극 유입 영역 가까이에서 더 따뜻하며 공기극 유출 영역 가까이에서 더 차갑다. 이러한 온도 기울기는 스택의 연료극 유입 면에 하나 이상의 배플들을 포함함으로써 달성될 수 있다. 도 4는 공기극 유입 면(400a), 공기극 유출 면(400b), 연료극 유입 면(400c) 및 연료극 유출 면(400d)을 가진 연료 전지 스택(400), 및 연료극 유입 면(400c)으로부터 약 1 내지 3"에서 제공된 배플(402)의 예시적인 구성을 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 배플(402)은 공기극 유출구 가까이에 있는 영역을 제외한 전체 연료극 유입 면을 커버하며 연료극 유입 면(400c)의 공기극 유출 영역으로 연료극 유입 가스를 향하게 하기 위해 사용된다. 공기극 유출 영역을 향해 연료극 유출구에 들어간 가스는 더 차가울 것이다. 이러한 가스는 연료극 유입 면(400c)의 다른 영역들에 들어가기 전에 연료 전지들로부터 열을 얻을 것이다. 게다가, 보터밍 연료 전지 스택의 연료극 유입구에서의 온도 기울기는 보터밍 모듈(222)로의 입력 연료 가스의 온도를 조절함으로써 조절되거나 또는 조정될 수 있다. 예시적인 예에서, 열 교환기는 각각, 제 1 및 제 2 토핑 모듈들(202 및 212)로부터 연료극 배출 가스를 냉각시키기 위해 사용될 수 있다. 입력 연료 가스의 온도를 낮춤으로써, 온도 기울기가 증가될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 제 1 및 제 2 토핑 모듈들은 토핑 모듈들의 전지들의 열 균일성을 개선하기 위해 스택들의 공기극 유입구에 온도 기울기를 생성하는 내장된 설계 특징들을 포함한다. 구체적으로, 공기극 유입구 온도 기울기는 약 10 내지 20F이며 공기극 유입 가스 온도는 연료극 유출 영역 가까이에서 더 따뜻하며 연료극 유입 영역 가까이에서 더 차갑다. 이러한 온도 기울기는 스택의 공기극 유입 면에 하나 이상의 배플들을 포함함으로써 달성될 수 있다. 도 5는 공기극 유입 면(500a), 공기극 유출 면(500b), 연료극 유입 면(500c) 및 연료극 유출 면(500d)을 가진 연료 전지 스택(500), 및 공기극 유입 면(500a)으로부터 약 3 내지 5"에 제공된 배플(502)의 예시적인 구성을 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 배플(502)은 연료극 유입구 가까이에 있는 영역을 제외한 전체 공기극 유입 면(500a)을 커버하며 공기극 유입 면(500a)의 연료극 유입 영역으로 공기극 유입 가스를 향하게 하기 위해 사용된다. 연료극 유입구 가까이에 있는 영역에 들어간 공기극 유입 가스는 온도가 더 낮을 것이다. 이러한 가스는 공기극 유입 면(500a)의 다른 영역들에 들어가기 전에 연료 전지들로부터 열을 얻을 것이다. 게다가, 토핑 연료 전지 스택의 공기극 유입구에서의 온도 기울기는 배플 방위를 조정하기 위해 외부 레버(504)에 의해 조절되거나 또는 조정될 수 있다. 공기극 유입 면으로부터 멀리 배플을 이동시킴으로써, 온도 기울기는 더 작아질 수 있다. 토핑 연료 전지 스택의 공기극 유입구에서 온도 기울기의 조정은 제어기(252) 또는 유사한 디바이스에 의해 제어될 수 있다.
도 2에 도시된 시스템은 모듈(들)의 형태에 있을 수 있는 하나 이상의 토핑 스택(들) 및 모듈(들)의 형태에 있을 수 있는 하나 이상의 보터밍 스택(들)을 사용하는 본 발명의 시스템의 예시적인 예이며, 여기에서 토핑 스택(들)으로부터의 연료극 배출은 보터밍 스택(들)으로 운반되며 보터밍 스택(들)으로부터의 공기극 배출은 토핑 스택(들)으로 운반되고, 토핑 스택(들) 및 보터밍 스택(들)은 시스템 내에서 연료 이용, 연료 효율, 열 균일성을 개선하며 전기의 비용을 낮추기 위해, 토핑 스택들에서 시스템 전류들의 ~2/3 및 보터밍 스택(들)에서의 시스템 전류의 ~1/3을 발생시키도록 구성된다.
모든 경우들에서 상기 설명된 배열들은 단지 본 발명의 애플리케이션들을 나타내는 많은 가능한 특정 실시예들을 예시한다는 것이 이해된다. 다수의 및 변경된 다른 배열들이 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 본 발명의 원리들에 따라 쉽게 고안될 수 있다.

Claims (16)

  1. 고 효율 연료 전지 시스템에 있어서,
    토핑 공기극 부분 및 토핑 연료극 부분을 포함한 토핑 연료 전지 어셈블리(topping fuel cell assembly) ; 및
    보터밍 공기극 부분 및 보터밍 연료극 부분을 포함한 보터밍 연료 전지 어셈블리(bottoming fuel cell assembly)를 포함하며,
    상기 보터밍 연료극 부분은 상기 토핑 연료극 부분으로부터 출력된 연료극 배출을 수신하고 상기 토핑 공기극 부분은 상기 보터밍 공기극 부분으로부터 공기극 배출을 수신하며;
    상기 토핑 연료 전지 어셈블리는 상기 토핑 연료 전지 어셈블리가 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리보다 많은 연료를 이용하도록 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리보다 많은 수의 연료 전지들을 갖는, 고 효율 연료 전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 토핑 연료 전지 어셈블리는 복수의 토핑 연료 전지 모듈들을 포함하고, 상기 토핑 연료 전지 모듈들의 각각은 적어도 하나의 연료 전지 스택을 포함하며, 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리는 하나 이상의 보터밍 연료 전지 모듈들을 포함하고, 상기 하나 이상의 보터밍 연료 전지 모듈들의 각각은 적어도 하나의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 토핑 연료 전지 모듈들의 수는 상기 하나 이상의 보터밍 연료 전지 모듈들의 수보다 큰, 고 효율 연료 전지 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    동작 동안, 상기 토핑 연료 전지 모듈들은 상기 고 효율 연료 전지 시스템으로 공급된 연료 함량의 약 2/3을 이용하며 상기 하나 이상의 보터밍 연료 전지 모듈들은 상기 고 효율 연료 전지 시스템으로 공급된 상기 연료 함량의 약 1/3을 포함한 상기 토핑 연료 전지 모듈들로부터 출력된 연료극 배출을 수신하는, 고 효율 연료 전지 시스템.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 하나 이상의 보터밍 연료 전지 모듈들은 상기 토핑 연료 전지 모듈들보다 낮은 전류 밀도에서 동작하는, 고 효율 연료 전지 시스템.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보터밍 연료극 부분은 보충 연료를 추가로 수신하며,
    상기 고 효율 연료 전지 시스템은 상기 보터밍 연료극 부분으로 운반된 보충 연료의 양을 제어하기 위해 제어기를 더 포함하고,
    상기 제어기는 상기 보터밍 연료극 부분으로 운반된 보충 연료의 양을 제어함으로써 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리에서 발생된 전류의 양을 제어하는, 고 효율 연료 전지 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    (a) 상기 제어기는 상기 고 효율 연료 전지 시스템의 동작 시간이 증가함에 따라, 상기 토핑 연료 전지 어셈블리들에 의해 발생된 전류의 양은 감소하며 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리들에 의해 발생된 전류의 양은 증가하도록 상기 토핑 및 보터밍 연료 전지 어셈블리들에서 발생된 전류의 양을 제어하며;
    (b) 상기 제어기는 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리에서 발생된 전류의 양이 전기 수요가 증가할 때 증가되도록 상기 전기 수요에 기초하여 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리에서 발생된 전류의 양을 제어하는 것 중 하나 이상인, 고 효율 연료 전지 시스템.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 보터밍 연료 전지 어셈블리는 하나 이상의 간접 내부 개질기들을 포함하고;
    상기 보충 연료는 먼저 상기 하나 이상의 간접 내부 개질기들로 그리고 그 후 상기 보터밍 연료극 부분으로 운반되며,
    상기 토핑 연료극 부분으로부터 출력된 상기 연료극 배출은 상기 하나 이상의 간접 내부 개질기들을 통해 운반되지 않고 상기 보터밍 연료극 부분으로 직접 운반되는, 고 효율 연료 전지 시스템.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고 효율 연료 전지 시스템은 배출을 출력하도록 적응되며, 상기 고 효율 연료 전지 시스템으로부터 출력된 상기 배출의 적어도 일 부분은 고압 가스가 터빈을 사용하여 압력이 감소되기 전에 가스 분배 시스템으로부터의 상기 고압 가스를 가열하기 위해 에너지 회수 발생 시스템으로 제공되는, 고 효율 연료 전지 시스템.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 토핑 연료극 부분으로부터 출력된 연료극 배출, 상기 보터밍 연료극 부분으로부터 출력된 연료극 배출 및 상기 토핑 공기극 부분으로부터 출력된 공기극 배출 중 하나 이상으로부터 물을 회수하기 위해 물 회수 어셈블리를 더 포함하는, 고 효율 연료 전지 시스템.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료극 배출이 상기 보터밍 연료극 부분으로 운반되기 전에 상기 토핑 연료극 부분으로부터 출력된 상기 연료극 배출의 압력을 증가시키기 위한 연료극 압력 부스터; 및
    상기 공기극 배출이 상기 토핑 공기극 부분으로 운반되기 전에 상기 보터밍 공기극 부분으로부터 출력된 상기 공기극 배출의 압력을 증가시키기 위한 공기극 압력 부스터 중 하나 이상을 더 포함하는, 고 효율 연료 전지 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    연료극 및 공기극 가스 스트림들 사이에서의 차압을 제어하도록 상기 연료극 압력 부스터 및 상기 공기극 압력 부스터 중 하나 이상의 동작을 제어하기 위한 제어기를 더 포함하는, 고 효율 연료 전지 시스템.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 토핑 연료 전지 어셈블리는 직접 내부 개질을 위해 구성되며 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리는 직접 내부 개질을 위해 구성되고, 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리의 연료 전지들에서 직접 내부 개질 촉매의 양 및 공간 분포는 상기 토핑 연료 전지 어셈블리의 연료 전지들에서 직접 내부 개질 촉매의 양 및 공간 분포와 상이하며,
    상기 보터밍 연료 전지 어셈블리의 연료 전지들에서 상기 직접 내부 개질 촉매의 하중 밀도는 상기 연료 전지의 연료극 유입 영역에서 연료극 유출 영역으로 점진적으로 증가하는, 고 효율 연료 전지 시스템.
  13. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 토핑 연료 전지 모듈 및 보터밍 연료 전지 모듈의 각각의 연료 전지 스택은 대향 연료극 유입 면 및 연료극 유출 면 및 대향 공기극 유입 면 및 공기극 유출 면을 포함하며,
    (a) 상기 보터밍 연료 전지 모듈의 각각의 연료 전지 스택은 공기극 유입 가스의 온도가 상기 연료 전지 스택의 상기 연료극 유출 면 가까이에서보다 상기 연료 전지 스택의 상기 연료극 유입 면 가까이에서 더 높도록 상기 연료 전지 스택의 상기 공기극 유입 면에 인접한 구역에서 온도 기울기를 생성하도록 구성되고;
    (b) 상기 보터밍 연료 전지 모듈의 각각의 연료 전지 스택은 연료극 유입 가스의 온도가 상기 스택의 상기 공기극 유출 면 가까이에서보다 상기 연료 전지 스택의 상기 공기극 유입 면 가까이에서 더 높도록 상기 연료 전지 스택의 상기 연료극 유입 면에 인접한 구역에서 온도 기울기를 생성하도록 구성되며;
    (c) 상기 토핑 연료 전지 모듈의 각각의 연료 전지 스택은 공기극 유입 가스의 온도가 상기 연료 전지 스택의 상기 연료극 유입 면 가까이에서보다 상기 연료 전지 스택의 상기 연료극 유출 면 가까이에서 더 높도록 상기 연료 전지 스택의 상기 공기극 유입 면에 인접한 구역에서 온도 기울기를 생성하도록 구성되는 것 중 하나 이상인, 고 효율 연료 전지 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    각각의 연료 전지 스택은 상기 온도 기울기를 형성하도록 가스 흐름을 제어하기 위해 하나 이상의 배플들을 포함하는, 고 효율 연료 전지 시스템.
  15. 청구항 13 또는 청구항 14에 있어서,
    상기 온도 기울기는 10℉ 내지 20℉ 사이에 있는, 고 효율 연료 전지 시스템.
  16. 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보터밍 연료극 부분으로부터 출력된 연료극 배출을 산화시키기 위해 연료극 배출 산화기 어셈블리를 더 포함하며,
    상기 보터밍 연료 전지 어셈블리는, 가열된 공기가 상기 연료극 배출 산화기 어셈블리로부터 출력된 산화된 연료극 배출 가스와 조합되며 상기 조합된 가스가 상기 보터밍 공기극 부분으로 운반되기 전에, 상기 보터밍 공기극 부분으로부터 출력된 상기 공기극 배출로부터의 열을 사용하여 공기를 가열하기 위한 열 교환기를 포함하며;
    상기 고 효율 연료 전지 시스템은 상기 토핑 공기극 부분으로 운반되는 상기 보터밍 공기극 부분으로부터 출력된 상기 공기극 배출의 온도를 제어하도록 상기 열 교환기로 공급된 공기의 양을 조정하기 위해 제어기를 더 포함하는, 고 효율 연료 전지 시스템.
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