KR20170140300A - 다중 연료 전지 스택을 위한 하우징 - Google Patents

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KR20170140300A
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티모시 에이 발크홀츠
폴 제이 벌로위츠
샌디판 케이 다스
토마스 에이 뱃지웰
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엑손모빌 리서치 앤드 엔지니어링 컴퍼니
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Abstract

물질 전달 및/또는 열 전달 공정의 일부로서 유체 유동의 공정 처리를 위해 공정 처리 유닛들을 공통 부피 내에 배치하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 별도의 유동 경로 사이에 물질 전달 및/또는 열 전달을 통해 두 개의 입력 유체 유동을 공정 처리하기 위한 별도의 유동 경로를 포함하는 공정 처리 장치의 예는 연료 전지이다. 본원에 기술된 장치는 기상 유체 유동이 공통 부피 내의 공정 처리 유닛의 제 1 공정 유동 경로로 전달되도록 할 수 있다. 기상 유체 유동은, 개재된 매니폴드의 사용 없이 비교적 균일한 방식으로 전달되어 공통 부피로부터 공정 처리 유닛으로 가스를 분배할 수 있다.

Description

다중 연료 전지 스택을 위한 하우징
다양한 양태에서, 본 발명은 용융 카보네이트 연료 전지를 사용하여 전기를 발생시키고 CO2-함유 가스 유동으로부터 CO2를 제거하는 것에 관한 것이다.
용융 카보네이트 연료 전지는 수소 및/또는 다른 연료를 사용하여 전기를 발생시킨다. 연료 전지 상류에 있거나 연료 전지 내에 있는 증기 개질기에서 메탄 또는 다른 개질가능한 연료를 개질시킴으로써 수소를 제공할 수 있다. 개질가능한 연료는 승온 및/또는 승압에서 수증기 및/또는 산소와 반응하여 수소를 포함하는 기체 생성물을 생성시킬 수 있는 탄화수소계 물질을 포괄할 수 있다. 특히, 개질가능한 연료는 알칸, 알켄, 알코올, 방향족 화합물 및/또는 개질되어 H2와 탄소 산화물(CO 또는 CO2)을 발생시킬 수 있는 다른 탄소질 및 유기 화합물을 포함할 수 있으나, 이들로 국한되지는 않는다. 다르게는 또는 추가적으로, 용융 카보네이트 연료 전지(이는 애노드에서 연료를 개질시키는데 적합한 조건을 형성하도록 작동될 수 있음)의 애노드 셀(cell)에서 연료를 개질시킬 수 있다. 다르게는 또는 추가적으로, 연료 전지 외부 및 내부 둘 다에서 개질이 이루어질 수 있다.
다양한 양태에서, 물질 전달 및/또는 열 전달 공정의 일부로서 유체 유동의 공정 처리를 허용하기 위해 공통 부피 내에 공정 처리 유닛들을 배치하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 연료 전지는 별도의 유동 경로 사이에 물질 전달 및/또는 열 전달을 통해 두 개의 입력 유체 유동을 공정 처리하기 위한 별도의 유동 경로를 포함하는 공정 처리 장치의 예이다. 연료 전지의 경우, 상기 공정 처리는 전력 생산을 초래할 수 있지만, 다른 유형의 공정 처리 유닛이 또한 사용될 수 있다. 본원에 기술된 장치는 기상 유체 유동이 공통 부피 내의 공정 처리 유닛의 제 1 공정 유동 경로로 전달되도록 허용할 수 있다. 기상 유체 유동은 개재된 매니폴드의 사용을 감소, 최소화 및/또는 제거하면서 비교적 균일한 방식으로 전달되어 공통 부피로부터 공정 처리 유닛으로 가스를 분배할 수 있다.
도 1은 공통 부피 내에 연료 전지 스택의 배열을 개략적으로 도시한다.
도 2는 공통 부피 내에 연료 전지 스택의 다른 배열을 개략적으로 도시한다.
도 3은 다양한 연료 전지 스택 배열에 대한 공통 부피 및 대응 전이 영역에 대한 둘레 표면적 값을 도시한다.
도 4는 다양한 연료 전지 스택 배열에 대한 공통 부피 및 대응 전이 영역에 대한 둘레 표면적 값을 도시한다.
개요
다양한 양태에서, 산업용 터빈 또는 노로부터의 배기 스트림과 같은 대규모 CO2-함유 스트림을 공정 처리하기 위해 용융 카보네이트 연료 전지(MCFC)를 사용하는 방법 및 구성이 제공된다. 용융 카보네이트 연료 전지의 현재 스택 크기는 소규모 산업용 터빈의 출력 유동보다 공정 처리 용량이 현저히 적다. 이러한 대규모 CO2-함유 스트림을 다수의 연료 전지 스택에 분배하기 위해 매니폴드를 사용하려고 시도하는 대신, 연료 전지 스택을 공통 부피 내에 위치시킬 수 있다. 연료 전지 스택의 적절한 배열을 함유하기에 적합한 형상을 갖는 공통 부피를 선택하고, CO2-함유 스트림을 전달하는 도관과 공통 부피 사이의 전이를 위한 적절한 기하구조를 선택함으로써, CO2-함유 스트림은 실질적으로 균일한 방식으로 연료 전지 스택의 캐쏘드에 분포될 수 있다. 이는 CO2-함유 스트림에서의 CO2의 효율적인 공정 처리뿐만 아니라 연료 전지 스택 전반에 걸쳐 비교적 균일한 전력 발생을 제공할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 적절한 공통 부피, 적절한 연료 전지 스택 배열 및 전이를 위한 적절한 기하구조는 공통 부피 및 전이로부터의 열 손실을 감소시키거나 최소화시킬 수 있다. 본원에 기술된 연료 전지 스택의 배열은 적어도 약 8개의 연료 전지 스택(또는 다른 공정 처리 유닛), 또는 약 20개 이상의 연료 전지 스택/공정 처리 유닛, 또는 적어도 약 25개, 또는 적어도 약 35개, 또는 적어도 약 50개, 또는 적어도 약 100개, 및 임의적으로는 수백 또는 심지어 수천의 연료 전지 스택, 예컨대 약 5000개 이하의 연료 전지 스택을 함유하는 공통 부피에 적합할 수 있다.
용융 카보네이트 연료 전지는 전기를 생성하는 것 외에도 저농도 입력 스트림에서 고농도 출력 스트림으로 CO2를 운반하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 가스 동력 터빈으로부터의 배기 가스와 같은 저 CO2 농도 스트림은 용융 카보네이트 연료 전지의 캐쏘드 입구 공급물의 일부로서 사용될 수 있다. CO2는 전기를 발생시키는 연료 전지에서 반응 과정 중에 연료 전지의 용융 카보네이트 전해질을 가로질러 이송될 수 있다. 이어서, 연료 전지로부터 생성된 애노드 출력물 스트림은 원래의 터빈 배기 가스 및/또는 캐쏘드 유입 스트림을 위해 사용되는 다른 소스보다 실질적으로 높은 CO2 농도를 가질 수 있다. 저농도 스트림에서 고농도 스트림으로 CO2를 이송하는 방식은 CO2 배출량을 줄이는 것이 바람직한 상황에서 다양한 잠재적 이점을 제공할 수 있다.
CO2 발생 전원을 용융 카보네이트 연료 전지와 쌍으로 결합시키는 것이 바람직할 수 있지만, 이러한 쌍은 다양한 문제점을 나타낼 수 있다. 문제 중 일부는 전형적인 상용 규모의 발전 소스와 상용 규모의 용융 카보네이트 연료 전지 스택의 일반적인 용량 사이의 불일치와 관련될 수 있다. 예를 들어 상대적 발전 기준에서 보면, 대규모 상업용 가스 터빈(일반적으로 100 내지 400 MW)은 현재 상용 규모인 MCFC 스택 또는 스택 어레이(300kW 내지 1.4MW)보다 2 내지 3배 더 많은 전력을 생성한다. 이는 현재 상업적으로 이용가능한 MCFC 스택 또는 스택 어레이의 공정 처리 능력에 비해 전형적인 상업용 규모의 가스 터빈의 배기 가스에서 생성되는 CO2 양과 유사한 유형의 불일치를 초래한다. 22MW 터빈과 같은 소규모 가스 터빈조차도 CO2 제거를 위해 터빈 배기 가스를 공정 처리하기 위해 24개의 통상적인 MCFC 스택을 필요로 할 수 있다.
이러한 불일치를 해결하기 위한 하나의 옵션은 터빈으로부터의 배출물을 공정 처리하기에 충분히 많은 수의 MCFC 스택을 제공하는 것일 수 있다. 그러나, 상대적 크기의 잠재적으로 2 내지 3차의 차수에 기인하여, 충분한 수의 연료 전지 스택을 제공하는 것은 수십, 수백 또는 심지어 수천 개의 연료 전지 스택을 단일 발전 소스로부터의 배기 가스를 공정 처리하는 것에 상응할 수 있다.
CO2-함유 배기 가스를 공정 처리하기 위해 다수의 연료 전지 스택을 사용하는 것이 바람직한 경우, 연료 전지 스택이 존재할뿐만 아니라 발전 소스로부터의 연료를 연료 전지 시스템으로 비교적 동등한 방식으로 분배하는 추가의 어려움이 있을 수 있다. 그렇지 않으면, 연료 전지의 일부가 비효율적인 모드로 작동할 수 있고/있거나 CO2-함유 배기 가스의 공정 처리에 효과적으로 기여하지 못할 수 있다. 종래의 방법을 사용하여 CO2-함유 배기 가스의 실질적으로 균일한 분포를 수행하기 위해, 복수의 MCFC 시스템을 CO2-발전 소스와 짝을 이룰 때 크고 복잡한 매니폴드 유형의 파이프, 밸브, 상호연결부, 덕트 및/또는 배기 가스의 일부를 다양한 MCFC 시스템의 캐쏘드로 전달하기 위한 다른 특징부를 필요로 할 수 있다. 이러한 가스 공급 네트워크가 잠재적으로 구축될 수 있지만, 이러한 네트워크는 상당한 추가 설치 면적 및 건설 비용을 요구할 수 있다.
CO2-함유 가스를 다수의 MCFC 캐쏘드 스택에 분배하기 위한 또 다른 종래의 해결책은 둘레 연료 전지 스택의 수가 적은 인클로저(enclosure)의 중간 부에 CO2-함유 가스를 도입하는 것일 수 있다. 예를 들어, CO2-함유 가스는 상부 또는 하부 중앙의 도관을 사용하여 엔클로저의 상부 또는 하부를 통해 엔클로저 내로 도입될 수 있다. 4개 정도의 소수의 MCFC가 개구부 주위에 등간격으로 배치될 수 있다. 이는 캐쏘드 입구로의 가스의 비교적 균일한 분포를 생성할 수 있지만, 다수의 MCFC로의 스케일링에는 실용적이지 않다.
배기 가스(또는 다른 CO2-함유 스트림)에서 CO2를 제거하기 위해 MCFC를 사용하는 것에 있어 여전히 더 복잡한 것은 둘레 환경으로의 열 손실을 줄이거나 최소화하는 것과 관련될 수 있다. MCFC를 CO2 분리에 사용하면 얻을 수 있는 이점 중 하나는 전기 에너지도 생성된다는 점이다. 그러나, 전형적인 MCFC의 작동 온도는 일반적으로 약 600℃이다. 발전 소스로부터의 배기 가스는 종종 유사한(또는 더 큰) 온도를 가질 수 있기 때문에, 배기 가스를 MCFC로 이송하는 동안 배기 가스의 온도를 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 그렇지 않으면, CO2-함유 배기 가스를 MCFC의 작동에 필요한 온도로 재가열하는 데 추가 에너지가 필요할 수 있다. 불행하게도, 배기 가스를 MCFC에 분배하기 위한 다수의 파이프, 밸브, 상호연결부 및 MCFC에 배기 가스를 분배하기 위한 다른 매니폴드 부품은 운송 중 표면적 및 상응하는 열 손실을 크게 증가시킬 수 있다. 이러한 열 손실을 대체해야 하는 필요성 때문에 MCFC의 작동 중에 발생하는 순 전력이 크게 감소될 수 있다.
다양한 양태에서, 매니폴드-유형의 가스 전달 네트워크의 사용 및/또는 필요는 큰 배기 가스 소스를 공통 부피에 위치한 복수의 MCFC 시스템에 유체 연결시킴으로써 감소되거나 최소화될 수 있다. 매니폴드-유형의 네트워크를 사용하여 비례 방식으로 CO2-함유 가스를 다양한 MCFC 캐쏘드에 분배하려고 시도하는 대신에, CO2-함유 가스는 공통 부피로 들어가기 전에 공통 부피의 영역의 단면적을 대략 일치시키기 위해 CO2 함유 기체를 함유하는 도관(또는 가능하게는 복수의 도관 예를 들어 약 5개 미만의 도관)의 폭을 확장시킴으로써 공통 부피 내로 도입될 수 있다. CO2-함유 가스가 공통 부피 내에 있으면, CO2-함유 가스는 연료 전지 스택의 캐쏘드 및/또는 공통 부피로부터 직접 연료 전지 스택을 둘러싸는 인클로저로 들어갈 수 있다. 이는 CO2-함유 가스가 개재된 매니폴드를 갖지 않고 연료 전지 스택(캐쏘드 또는 둘레 인클로저)으로 통과하여 CO2-함유 가스의 특정 분포를 연료 전지 스택에 가할 수 있음을 의미한다. 그 대신, 공통 부피 내의 유동 특성은 공통 부피 내의 다양한 연료 전지 스택에 대한 캐쏘드 입구 압력에 대한 변동 계수가 임계 값보다 작도록 하여, 유사한 양의 CO2-함유 가스가 압력의 유사성에 기초하여 각각의 연료 전지 스택에 유입되도록 할 수 있다. 편의상, 연료 전지 스택을 에워싸는 인클로저에 들어가거나 공통 부피에 노출된 연료 전지 스택의 캐쏘드에 직접 들어감으로써 연료 전지 스택에 유입되는 압력을 본원에서는 캐쏘드 입구 압력이라 칭한다.
몇몇 양태에서, 공통 부피 내의 복수의 연료 전지 스택으로 CO2-함유 가스의 특정 분포를 강제하는 개재된 매니폴드의 사용을 회피하는 것은 하나 이상의 매니폴드를 갖는 것에 상응할 수 있으며, 여기서 상기 매니폴드는 공통 부피 내의 연료 전지 스택의 서브세트와만 유체 연통된다. 이러한 유형의 양태에서, 가스를 공통 부피로 전달하는 도관으로부터 초기에 가스를 수용하는 임의의 개재된 매니폴드는 복수의 연료 전지 스택 전부보다 적은 수의 연료 전지 스택과 직접 유체 연통될 수 있다. 공통 부피로 가스를 전달하는 도관으로부터 가스를 초기에 수용하는 매니폴드는 공통 부피 내에 존재할 수 있는 매니폴드와 대조적이며 공통 부피 내부의 위치로부터 가스의 유입 유동을 수용한다. 매니폴드와 연료 전지 스택 사이의 직접 유체 연통은 매니폴드와 연료 전지 스택 사이의 유동 경로의 일부로서 공통 부피를 통과하는 것을 포함하지 않는, 매니폴드와 연료 전지 스택 사이의 유체 연통으로서 정의된다. 예를 들어, 하나 이상의 매니폴드가 CO2-함유 가스를 운반하는 도관에서 연료 전지의 선택된 그룹으로 CO2-함유 가스를 전달하는 데 사용될 수 있다. 이러한 유형의 양태에서의 하나의 옵션은 공통 부피 내의 복수의 연료 전지 스택 내의 모든 연료 전지 스택과 직접 유체 연통하는 단일 매니폴드의 사용을 피하는 것일 수 있다. 다른 옵션은 공통 부피 내의 적어도 약 75%, 또는 적어도 약 50%, 또는 적어도 약 33%, 또는 적어도 약 25%의 연료 전지 스택과 직접 유체 연통하는 단일 매니폴드의 사용을 회피하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 유형의 양태에서의 또 다른 옵션은 가스 유동을 함유하는 도관과 공통 부피의 모든 연료 전지 스택 사이에 직접적인 유체 연통을 제공하는 복수의 매니폴드의 사용을 피하는 것일 수 있다. 또 다른 옵션은 공통 부피 내의 적어도 약 75%, 또는 적어도 약 50%, 또는 적어도 약 33%, 또는 적어도 약 25%의 연료 전지 스택과 직접 유체 연통하는 복수의 매니폴드의 사용을 회피하는 것을 포함할 수 있다.
도관 단면적의 이러한 팽창이 바람직한 방식으로 수행되는 양태들에서, MCFC로의 배기 가스의 분배는 개선될 수 있으며 임의적으로 또한 전이시의 열 손실을 감소시키거나 최소화한다. 따라서, 복잡한 매니폴드-유형의 네트워크를 제공하는 대신에, 배출 가스는 단일의 (또는 대안적으로는 다소 복수의) 공통 덕트 또는 도관을 사용하여 공통 부피의 MCFC 캐쏘드로 전달될 수 있다. 임의적으로 그러나 바람직하게는, 공통 부피로 전달된 가스는 전달되어 상기 전이 영역이 공통 부피의 상부 표면 또는 하부 표면과 달리 공통 부피의 측면과의 계면을 갖도록 전달될 수 있다. 이 점에서, 공통 부피의 측면은 아래에서 더 정의되는 바와 같이 연료 전지 스택 평면과 교차하는 표면으로 정의된다. 공통 부피의 상부 또는 하부를 통해 가스 유동을 도입하는 것은 가스 유동에 대한 연료 전지 스택의 위치에서 방사상 대칭을 생성하기 위한 노력에 유익할 수 있다. 그러나, 스택 수가 증가함에 따라, 이러한 방사상 대칭을 만들려고 하면 인클로저 부피가 상당히 커질 수 있다.
복수의 연료 전지 스택에 의한 공정 처리를 위해 공통 부피 내로 CO2-함유 가스를 도입하는 또 다른 이점은 CO2-함유 가스의 공탑 속도의 감소일 수 있다. 열 관리의 관점에서 보면, 실제와 같이 작은 표면적을 갖는 도관을 사용하여 공정 처리를 위해 연소 소스(예컨대 터빈)로부터 MCFC로 배기 가스를 이송하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 도관 내에서 더 높은 속도의 가스 유동을 야기할 수 있는 보다 작은 직경의 도관(또는 복수의 더 작은 직경의 도관)을 사용하는 것에 상응할 수 있다. 예를 들어, 도관 내의 가스 속도는 적어도 약 10m/s, 또는 적어도 약 15m/s, 또는 적어도 약 20m/s, 예컨대 최대 약 40m/s일 수 있다. 공통 부피는 도관(들)보다 실질적으로 더 큰 단면적을 가질 수 있기 때문에, CO2-함유 기체가 전이 영역을 통과하여 공통 부피로 도입됨에 따라, 기체의 공탑 속도가 감소될 수 있다. 결과적으로, 공통 부피 내의 CO2-함유 기체의 공탑 속도는 약 10.0 m/s 이하, 또는 약 5.0 m/s 이하, 또는 약 3.0 m/s 이하, 또는 약 2.0 m/s 이하 또는 약 1.0 m/s 이하일 수 있다.
보다 일반적으로, 본원에 기술된 공통 부피 내의 구성은 복수의 공정 처리 유닛에 의해 공정 처리되는 가스 유동을 갖는 것이 바람직한 다양한 상황에서 사용될 수 있으며, 여기서 가스 유동은 매니폴드를 사용하지 않고 비교적 균일한 방식으로 복수의 공정 처리 유닛으로 분재된다. 예를 들어, 다른 유형의 연료 전지가 전해질을 통해 CO2를 수송하지 않을 수 있지만, 고체 산화물 연료 전지와 같은 연료 전지는 고체 산화물 연료 전지의 캐쏘드에서 수용되는 O2의 입력 유동을 공정 처리할 수 있다. 매니폴드를 사용하여 개별 연료 전지 스택에 O2를 공급하기보다는 고체 산화물 연료 전지를 사용하는 대규모 발전의 경우, 고체 산화물 연료 전지는 공통 부피로 전달되는 O2-함유 스트림의 유동을 공정 처리하기 위해 본원에 기술된 바와 같이 배열될 수 있다.
보다 더 일반적으로, 비-연료 전지 관련 적용례에 있어서, 본원에 기술된 구성은 공정 처리 유닛 내에 별도의 유동 경로를 사용하여 상이한 조성을 갖는 2개의 입력 유체 유동을 공정 처리하는 데 사용되는 공정 처리 장치에 임의적으로 사용될 수 있지만 바람직하게 사용될 수 있다. 공정 처리 장치는 예를 들어 2개의 개별적인 유동 사이에서 열 및/또는 질량 교환을 수행하기 위한 장치일 수 있다. 공정 처리 장치가 유동 간에 질량 교환을 수행할 수있는 양태에서, 공정 처리 유닛 내의 개별적인 유동 경로는 임의적으로 연료 전지의 전해질을 가로질러 이온을 수송하는 것에 상응하는 부분 유체 연통과 같은 부분적 유체 연통일 수 있다. 선택적으로 투과성인 멤브레인을 통한 유체 연통은 부분 유체 연통에서의 유동 경로의 다른 예일 수 있다. 본원에서 기술된 구성은 개재된 매니폴드 없이 공통 부피를 통해 하나의 유동 경로에 대한 기상 생성물이 전달되는 것을 허용할 수 있는 반면, 제 2 유동 경로에 대한 입력 유체(가스 또는 액체)는 별도의 매니폴드를 통해 전달될 수 있다.
다양한 양태들의 설명을 용이하게 하기 위해, 하기 정의가 제공된다.
공통 부피: 공통 부피는 본원에서 용융 카보네이트 연료 전지 스택과 같은 복수의 연료 전지 스택을 함유하는 인클로저로서 정의된다. 이 정의에서, 인클로저는 인클로저로의 유동을 확장시키기 위한 적절한 팽창 반각(half-angle)을 갖는 계면 영역을 통해 인클로저에 연결된 하나 이상의 도관을 통해 CO2-함유 스트림을 수용한다. 일부 양태에서, CO2-함유 스트림 모두는 캐쏘드 배출 가스 또는 애노드 배출 가스 스트림의 일부로서 공통 부피를 빠져나갈 수 있다. 다른 양태에서, CO2-함유 스트림의 일부는 캐쏘드 배출 가스 스트림 또는 애노드 배출 가스 스트림으로부터 분리된 스트림의 일부로서 공통 부피를 빠져나갈 수 있다.
팽창 반각 및 전이 영역: 본원에서 팽창 반각은 공통 부피와의 계면을 위해 도관을 팽창하기 위한 전이 영역을 특성화하는 경우에 종래의 반각에 대한 정의에 따라 정의된다. 이 점에서, 팽창 반각은 공통 부피의 측면 또는 폭 방향으로의 팽창에 상응한다. 가스를 공통 부피에 전달하기 위한 전형적인 도관의 직경은 약 0.2 미터 내지 약 3.0 미터 또는 약 0.3 미터 내지 약 2.0 미터의 직경과 같은 임의의 편리한 크기일 수 있다. 전형적인 연료 전지 스택의 높이는 4 미터 이하일 수 있다. 전형적인 연료 전지 스택의 높이가 전형적인 도관 직경보다 클 수 있지만, 실질적으로 균일한 유동을 유지하면서 수직 방향으로의 가스의 팽창에 대해서는 그 차이가 크지 않다. 연료 전지의 다중 층이 수직(높이) 방향으로 제공되지 않는다면, 수직 방향으로의 가스 유동의 균일성은 보다 낮거나 최소한의 문제일 수 있다.
팽창 반각은 도관이 부피와 인터페이스하기 전에 CO2-함유 스트림을 운반하기 위한 제 1 크기로부터 제 2 크기로 크기가 증가함에 따른 평균 팽창 각도의 절반에 해당한다. 부피의 팽창에 상응하는 도관의 부분은 전이 영역으로 언급될 수 있다. 일부 바람직한 양태에서, 전이 영역은 평균 팽창 각과 실질적으로 동일한 균일한 팽창 각을 가질 수 있다. 다른 양태에서, 전이 영역에서의 팽창 각은 달라질 수 있다.
전이 영역은 도관을 공통 부피의 전체 측면 범위 또는 폭보다 작은 양만큼 도관을 확장시킬 수 있다. 연료 전지 스택의 행 및 열 배치에 따라, 공통 부피와의 계면에서 공통 부피의 폭은 적어도 25%, 또는 적어도 약 50%, 또는 적어도 약 50%, 또는 적어도 약 60%, 또는 적어도 약 70%, 또는 적어도 약 80%, 또는 적어도 약 90%, 또는 적어도 약 99%의 폭(즉, 공통 부피의 폭과 실질적으로 유사한 폭)을 갖는 전이 영역을 가짐으로써 충분한 유동 균일성을 달성하는 것이 가능할 수 있다. 이 점에서, 공통 부피의 폭은 전이 영역과의 계면을 형성하는 공통 부피 측면 표면의 폭으로서 정의될 수 있다.
연료 전지 및 연료 전지 구성요소: 본 논의에서, 연료 전지는 전해질에 의해 분리된 애노드와 캐쏘드를 갖는 단일 전지에 상응할 수 있다. 애노드와 캐쏘드는 투입 가스 유동을 받아들여 전해질을 가로지르는 전하 수송 및 발전을 위한 개별적인 애노드 및 캐쏘드 반응을 용이하게 할 수 있다. 연료 전지 스택은 통합된 단위체에서의 복수개의 전지를 나타낼 수 있다. 연료 전지 스택이 다수개의 연료 전지를 포함할 수 있기는 하지만, 연료 전지는 전형적으로 (유동에 대해) 병렬 연결될 수 있으며 (거의) 전체가 더 큰 크기의 단일 연료 전지인 것처럼 작용할 수 있다. 출력 유동이 연료 전지 스택의 애노드 또는 캐쏘드로 전달될 때, 연료 전지 스택은 스택의 각 전지 사이에서 입력 유동을 분할하기 위한 유동 채널 및 개별적인 전지로부터의 출력 유동을 합치기 위한 유동 채널을 포함할 수 있다. 이 논의에서는, 연료 전지 어레이를 사용하여 직렬로, 병렬로, 또는 임의의 다른 편리한 방식으로(예를 들어, 직렬과 병렬의 조합으로) 배열되는 복수개의 연료 전지(예컨대, 복수개의 연료 전지 스택)를 가리킬 수 있다. 연료 전지 어레이는 연료 전지 및/또는 연료 전지 스택의 하나 이상의 스테이지를 포함할 수 있으며, 이 때 제 1 스테이지로부터의 애노드/캐쏘드 출력물은 제 2 스테이지의 애노드/캐쏘드 입력물로서의 역할을 할 수 있다. 공통 인클로저 내의 연료 전지 스택은 단일 캐쏘드 스테이지 내에 존재하는 것으로 간주된다. 연료 전지 어레이의 애노드는 어레이의 캐쏘드와 동일한 방식으로 연결될 필요가 없음에 주목한다. 편의상, 연료 전지 어레이의 제 1 애노드 스테이지로의 입력은 어레이의 애노드 입력물로서 일컬어질 수 있고, 연료 전지 어레이의 제 1 캐쏘드 스테이지로의 입력은 어레이의 캐쏘드 입력물로서 일컬어질 수 있다. 유사하게, 최종 애노드/캐쏘드 스테이지로부터의 출력은 어레이로부터의 애노드/캐쏘드 출력물로 일컬어질 수 있다.
본원에서 연료 전지의 사용에 대한 인용은 전형적으로 개별적인 연료 전지로 구성된 "연료 전지 스택"을 가리키고, 더욱 일반적으로는 유체 연통되는 하나 이상의 연료 전지 스택의 사용을 가리킨다는 것을 알아야 한다. 개별적인 연료 전지 요소(플레이트)는 전형적으로 "연료 전지 스택"으로 일컬어지는 직사각형 어레이로 함께 "적층"될 수 있다. 이 연료 전지 스택은 전형적으로 공급물 스트립을 가질 수 있고, 개별적인 연료 전지 요소 모두 사이에 반응물을 분배할 수 있으며, 이들 각 요소로부터 생성물을 수집할 수 있다. 단위체로서 보는 경우, 작동되는 연료 전지 스택은 다수개(흔히 수십개 또는 수백개)의 개별적인 연료 전지 요소로 구성됨에도 불구하고 전체로서 취해질 수 있다. 이들 개별적인 연료 전지 요소는 전형적으로 유사한 전압을 가질 수 있고(왜냐하면, 반응물 및 생성물 농도가 유사하기 때문에), 총 전력 산출량은 요소가 직렬로 전기적으로 연결되는 경우 모든 전지 요소에서의 모든 전류의 합으로부터 발생될 수 있다. 스택은 또한 높은 전압을 생성시키도록 직렬 배열로 배열될 수도 있다. 병렬 배열은 전류를 승압시킬 수 있다.
본 발명의 목적을 위해, 달리 명시되지 않는 한, 용어 "연료 전지"는 단일 입력물 및 출력물이 존재하는 하나 이상의 개별적인 연료 전지 요소의 세트로 구성된 연료 전지 스택에 대한 인용을 가리키고/가리키거나 이러한 인용을 포함하는 것으로 정의됨을 알아야 한다(왜냐하면, 이것이 연료 전지가 전형적으로 실제로 사용되는 방식이기 때문이다). 유사하게, 용어 연료 전지(복수개)는 달리 명시되지 않는 한 복수개의 별도의 연료 전지 스택을 가리키고/가리키거나 이들을 포함하는 것으로 정의됨을 알아야 한다. 달리 말해, 본원 내에서의 모든 인용은 달리 구체적으로 표시되지 않는 한 연료 전지 스택의 "연료 전지"로서의 작동을 호환성있게 가리킬 수 있다.
변동 계수( CV ): 변동 계수(CV)는 일련의 값들의 표준 편차를 이러한 일련의 값들의 평균으로 나눈 것으로 당업계에 공지되어 있다. 빈도는 보통 퍼센트(평균의 밴분율로서의 표준 편차)로 표시된다.
연료 전지 스택의 행과 열
이 점에서, 공통 부피 내의 연료 전지 스택은 공통 부피 내의 가스 유동의 방향에 대해 행 및 열을 기초로 특성화될 수 있다. 몇몇 양태에서, 공통 부피 내의 가스 유동의 순 방향은 실질적으로 가스 유동의 대부분을 공정 처리하는 연료 전지의 캐쏘드 내에서의 가스 유동 방향에 따라 정렬될 수 있다. 다른 양태에서, 캐쏘드 내의 가스 유동의 방향은 공통 부피 내의 가스 유동의 순 방향에 직각 및/또는 독립적일 수 있고, 심지어 스택마다 다를 수도 있다.
도 1은 행과 열에 연료 전지를 배치하는 이상화된 버전을 도시한다. 도 1에는 공통 부피(100)가 도시되어 있다. 유동(120)의 평균 방향이 또한 도시되어 있다. 도 2에 도시된 구성에서, 연료 전지 스택은 행(131 내지 134)으로 정렬되고 열(141 내지 144)로 정렬된다. 이 점에서, 연료 전지 스택은 라인이 연료 전지 스택의 평균 기하구조 중심을 연결하는 경우에 정렬되는 것으로 간주될 수 있다. 이러한 라인은 전형적으로 (도 1에서와 같이) 평균 유동 방향에 실질적으로 평행하거나 수직이다. 몇몇 양태에서, 정렬 선들은 일정 각도로 흐를 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 공통 부피 내의 연료 전지 스택을위한 인클로저가 실질적으로 동일하다면, 2개 이상의 인클로저의 에지가 기체 유동의 평균 방향에 실질적으로 평행한 라인에 의해 연결될 수 있을 때 연료 전지 스택이 정렬된 것으로 간주될 수 있다. 도 1과 같은 구성에서, 행과 열이 정렬되어 쉽게 식별할 수 있다. 본원에서 기호 R 및 C로 각각 표시된 행 및 열의 수는 검사에 의해 할당될 수 있다.
전형적으로, 스택은 비슷한 높이로 인클로저 내에 배치될 수 있으며, 즉, 각 스택의 기하구조의 중심이 인클로저 내에서 대략 수평면에 위치하도록 배치될 수 있다. 이러한 "연료 전지 스택 평면"을 결정하기 위한 확실한 방법을 제공하기 위해, 연료 전지 스택 평면은 연료 전지 스택에 대한 기하학적 중심을 사용하여 결정된 평균에 기초하여 정의될 수 있다. 첫째, 연료 전지 스택의 기하학적 중심의 평균 위치가 결정될 수 있다. 이러한 평균 기하학적 중심 위치는 공통 부피 내의 한 지점에 해당한다. 연료 전지 스택 평면은 a) 평균 기하학적 중심 위치를 통과하는 조건 및 b) 각 기하학적 중심으로부터 평면까지의 거리의 제곱의 합에 대한 최소값을 갖는 조건을 만족시키는 평면을 기준으로 결정된다.　
연료 전지 스택 평면을 결정한 후에, 연료 전지 스택 평면과 공통 부피를 한정하는 벽과의 교차점은 공통 부피 윤곽 형상으로 지칭될 수 있다. 전형적으로 이러한 공통 부피 윤곽 형상은 직사각형일 수 있지만 반드시 필요한 것은 아니다. 공통 부피 윤곽 형상은 평행사변형, 절두 원뿔 또는 다른 적절한 형상일 수 있다. 직사각형 공통 부피의 규칙적으로 이격 된 스택의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 예를 들어 검사에 의한 것만으로 간단히 행과 열의 수를 확인할 수 있다. 보다 일반적인 경우에는 하기 절차를 사용할 수 있다.　
일반적인 경우, x-축은 유동의 원점에 가장 가까운 스택의 기하학적 중심을 통과하고 평균 유동 방향에 수직이 되도록 연료 전지 스택 평면 상에 배치될 수 있다. y-축은 입력 유동의 관점에서 가장 왼쪽(최저 x)인 스택의 기하학적 중심을 통과하도록 연료 전지 스택 평면에 배치될 수 있다. 각 스택 (i)에 대해, x-축에서 스택의 기하학적 중심까지 연료 전지 스택 평면과 교차할 때까지의 거리를 yi로 정의하고 y-축으로부터의 해당 거리를 xi로 정의할 수 있다. 상기 정의된 축의 경우, 모든 yi ≥ 0 및 모든 xi ≥ 0이다.　
행/열이 일반적인 절차를 사용하여 결정되는 양태에서, 각 스택 (i)의 경우, 열 방향 최단 인접 스택(Column Direction Nearest Neighbor Stack)은 xj > xi인 가장 가까운 인접 스택 (j)으로 식별될 수 있고, y-축으로부터의 거리의 절대값이 x-축으로부터의 거리의 절대값보다 큰지 여부를 식별할 수 있다. 축으로부터 절대 거리를 비교할 때, 이는 위의 xi 및 yi에 대한 정의를 기초로 |xj-xi| > |yj-yi|로서 수학적으로 나타낼 수 있다. 일반적으로, 가장 가까운 이웃은 최소 거리로 떨어져 있는 스택이며, 여기서 두 스택 i와 j 사이의 거리는 ((xj-xi)2 + (yj-yi)2)의 제곱근으로 계산될 수 있다. 열 방향 최단 인접 스택의 경우, 이는 xj > xi 및 |xj-xi| > |yj-yi|의 두 제약 조건을 만족하는 가장 가까운 스택이다. 이는 스택 (i)의 우측(유동 방향을 보았을 때)에서 사분면에 가장 가까운 스택이다. 이 스택에 대해, Δxi를 (xj-xi)로 계산한다. 상기 정의한 바와 같이, 이 값은 양수이어야 한다. 인클로저의 오른쪽 근처(유동 방향으로 보았을 때)의 하나 이상의 스택에 대해 열 방향 최단 인접 스택이 없을 수 있다. 특성 열 간격(Characteristic Column Spacing, CCS)은 평균 Δxi로 정의할 수 있으며, 여기서 평균은 열 방향 최단 인접 스택이 있는 스택만 고려한다. 이어서, (최대) 행 너비를 xMAX로 정의될 수도 있으며, 여기서 xMAX는 xi의 최대값(유동 방향에서 가장 먼 오른쪽)을 갖는 스택의 xi이다.
유사한 방식으로, 각각의 스택 (i)에 대해, 행 방향 최단 인접 스택은 yk > yi 및 |yk-yi| > |xk-xi|에 대한 가장 가까운 이웃 스택 (k)으로 식별될 수 있다. Δyi를 (yk-yi)로 계산한다. 정의된 바와 같이, 이 값은 양수일 수 있다. 인클로저의 하류 단부 근처의 하나 이상의 스택에 대한 행 방향 최단 인접 스택은 없을 수 있다. 특성 행 간격(CRS)은 평균 Δyi로 정의할 수 있으며, 여기서 평균은 행 방향 최단 인접 스택이 있는 스택만을 고려한다. (최대) 열 길이는 yMAX로 정의될 수도 있으며, 여기서 yMAX는 yi의 최대값(평균 유동 방향에서 가장 먼 하류)을 갖는 스택의 yi이다.
상기에 기초하여, 행의 특성 수(RC)는 (yMAX/CRS)+1로 정의될 수 있다. 열의 특성 수(CC)는 유사하게 (xMAX/CCS)+1로 정의될 수 있다. 스택에 열 방향 최단 인접 스택이 없는 경우, 이는 단일 열만 있다는 표시이며 따라서 CC를 1로 설정할 수 있다. 유사하게, 스택에 행 방향 최단 인접 스택이 없는 경우, 이는 단일 행만 있다는 표시이며 RC는 1로 설정할 수 있다. 검사에 의해 명백한 R 및 C가 없다면, 상기 방법이 본 발명의 목적을 대신할 수 있다.
상기 정의된 바와 같이 RC 및 CC를 계산하기 위한 다양한 양을 결정하는 방법의 예는 도 2에 도시된다. 도 2에서, 공통 부피(200)가 도관(210) 및 전이 영역(215) 및 유동(220)의 평균 방향과 함께 도시되어 있다. 전이 영역(215)에 대해, 팽창 반각(217)이 또한 도시된다. 도 2에서, 연료 전지 스택(251)은 도관(210)이 전이 영역(215)과 만나는 계면에 가장 가까운 스택이다. 따라서, 연료 전지 스택(251)은 공통 부피 내의 유동의 기원에 가장 가깝다. 상기 기재된 일반적인 방법을 사용하여, x-축(231)은 a) x-축을 연료 전지 스택 평면(도시되지 않음)에 배치하하고; b) x-축 상에 연료 전지 스택(251)의 기하학적 중심을 포함하고; c) 평균 유동 방향(220)에 수직이 되도록 x-축을 배치함으로써 정의된다. 유사하게, y-축(232)은 연료 전지 스택(252)을 가장 왼쪽(최저 x) 스택으로 식별한 다음 y-축(232)을 연료 전지 스택(252)의 기하학적 중심을 통과하여 연료 전지 스택 평면에 상주하는 x-축(231)에 수직 인 축으로서 그려냄으로써 도시될 수 있다. 연료 전지 스택(253, 254 및 255)은 상술한 최단 인접 계산을 설명하기 위한 연료 전지 스택의 편리한 예이다. 최단 인접 계산을 위해, 연료 전지 스택(253)은 상기 스택 (i)으로 지정된 스택에 상응할 수 있고, 연료 전지 스택(254)은 열 방향 최단 인접 스택(상기 스택 (j)로 지정됨)에 대응할 수 있고, 연료 전지 스택(255)은 행 방향 최단 인접 스택(상기 스택 (k)로 지정됨)에 대응할 수 있다. 연료 전지 스택(253)과 관련된 대각선은 스택의 기하학적 중심이 스택(254)와 같은 열 방향 최단 인접 스택의 경우 조건 |xj-xi| > |yj-yi|를 만족하거나 또는 스택(255)와 같은 행 방향 최단 인접 스택의 경우 조건 |yk-yi| > |xk-xi|를 만족하면서 스택의 기하학적 중심을 위치시킬 수 있는 경계를 개략적으로 도시하고 있다. 연료 전지 스택(256)은 최대 y 값을 갖는 스택이며 따라서 ymax를 결정한다. 유사하게, 연료 전지 스택(257)은 최대 x 값을 갖는 스택이며 따라서 xmax를 결정한다.　
단일 연료 전지 스택의 작동
다양한 양태에서, 연료 전지 스택 내의 연료 전지의 캐쏘드에 CO2-함유 가스를 전달하기 위해 매니폴드가 공통 부피 내에 사용되지 않는다. 공통 부피 및 MCFC 내의 가스 유동을 명확히 하기 위해, 단일 연료 전지 스택 내의 가스 유동에 대한 설명이 기재된다.
MCFC의 캐쏘드를 위한 유동 경로는 공통 부피 내의 가스 유동의 주요 방향으로 실질적으로 정렬될 수 있다; 가스 유동의 주요 방향에 실질적으로 수직이거나; 가스 유동의 방향에 대해 실질적으로 랜덤하거나; 또는 임의의 다른 편리한 배향이다. 일부 양태에서, 각각의 연료 전지 스택에 대한 캐쏘드 유동 경로의 배향은 독립적으로 배향될 수 있고, 이때 하나 이상의 복수의 연료 전지 스택은 캐쏘드 유동 경로에 대한 공통 정렬을 공유하거나, 가능하게는 어떠한 연료 전지 스택조차도 캐쏘드 유동 경로를 위한 공통 정렬을 공유하지 않는다.
캐쏘드 배출 가스는 공통 부피로부터 캐쏘드 배출 가스를 제거할 수 있는 매니폴드 또는 복수의 매니폴드 내로 배출될 수 있다. 다양한 스택을 위한 캐쏘드 배출 가스를 위한 매니폴드는 예를 들어 추가 공정 처리를 위해 공통 부피 외부에서 결합될 수 있다. 캐쏘드 배출 가스는 매니폴드에 의해 임의의 편리한 방향으로 공통 부피의 외부로 이송될 수 있다.
MCFC용 애노드 유동 경로는 캐쏘드 유동 경로에 대해 임의의 편리한 방향으로 존재할 수 있다. 예를 들어, 캐쏘드 유동 경로에 직각인 애노드 유동 경로를 갖는 것은 MCFC용 애노드 입력물 유동 매니폴드(들) 및 애노드 출력물 유동 매니폴드(들)의 위치설정에 편리할 수 있다. 다양한 스택을 위한 애노드 배출 가스를 위한 매니폴드는 예를 들어 추가 공정 처리를 위해 공통 부피 외부에서 결합될 수 있다. 애노드 배출 가스는 매니폴드에 의해 임의의 편리한 방향으로 공통 부피의 외부로 이송될 수 있다.
연료 전지 스택 및 전이 영역의 배치
공통 부피 내에서 용융 카보네이트 연료 전지의 배열은 다양한 고려사항을 기초로 할 수 있다. 연료 전지 스택을 구성하는 임의의 편리한 방법이 사용될 수 있지만, 대부분의 양태에서 연료 전지 스택을 행 및 열로 구성하는 것이 바람직할 수 있다.
또 다른 고려사항은 공통 부피의 크기를 줄이거 나 최소화하는 것일 수 있으며, 이는 열 손실에 사용할 수 있는 둘레 표면적을 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 이러한 고려사항에 기초하여, 인접한 연료 전지 스택들 사이의 행과 열의 거리를 최소화하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 공통 부피 내의 모든 MCFC에 대해 유사한 캐쏘드 입구 압력을 갖는 것이 바람직할 수도 있다. 하나의 열 내의 연료 전지 스택들 사이의 간격이 너무 작 으면, 이것은 스택들 사이의 하류 위치로 통과하는 가스에 대한 압력 강하를 증가시킬 수 있다. 이러한 추가적인 압력 강하는 부가적인 압력 강하로부터 상류에 있는 캐쏘드로 추가의 가스를 통과시키려는 경향이 있다.
고려해야 할 또 다른 그룹은 연료 전지의 구성 및 유지관리와 관련될 수 있다. 인클로저의 부피를 줄이는 것이 열 관리의 관점에서 유익할 수 있지만, 공통 부피 내에서 연료 전지 스택에 쉽게 접근할 수 있는 능력에 대해 약간의 효율을 교환하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 유지관리 비히클이 스택들 사이를 통과할 수 있도록 연료 전지 스택들 사이에 충분한 공간을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 다른 고려사항은 스택들 사이의 간격을 더 크게하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 고려사항 중 하나 이상에 기초하여, 연료 전지 스택은 공통 부피 내 다양한 스택의 캐쏘드 입구로 전달되는 압력의 균일성을 향상시킬 수 있는 방식으로 구성될 수 있다; 공통 부피의 크기를 줄이거나 최소화고; 고르지 않은 유동을 피하기 위해 연료 전지들 사이에 충분한 거리를 유지하고; 및/또는 다른 고려사항들에 기초하여 원하는 거리를 결정할 수 있다. 연료 전지 스택은 행 수와 열 수의 비율이 소정의 범위 내에 있도록 배열될 수 있다. 소정의 범위의 행 대 열 비율(또는 R/C)은 연료 전지들이 연료 전지들 사이에 원하는 양의 유동 균일성을 갖도록 배열하는 데 유익할 수 있는 한편 공통 부피 및 전이 영역의 노출된 표면적으로 인한 열 손실을 줄이거나 최소화하려는 욕구를 균형있게 유지할 수 있다.
다양한 양태에서, 행들의 수 및 열들의 수는 검사에 의해 결정될 수 있거나, 보다 일반적으로 행들의 수 및 열의 수는 상기 기술한 바와 같이 특성 행들의 수(RC) 및 특성 열들의 수(CC)에 대한 값에 대응할 수 있다. 결정된 행 및 열의 수에 기초하여, 공통 부피 내의 연료 전지 스택에 대한 행 대 열의 비(R/C)는 약 0.1 내지 약 5.0, 또는 약 0.1 내지 약 4.0, 또는 약 0.2 내지 약 5.0, 또는 약 0.2 내지 약 4.0, 또는 약 0.2 내지 약 3.0, 또는 약 0.2 내지 약 2.0, 또는 약 0.3 내지 약 5.0, 또는 약 0.3 내지 약 4.0, 또는 약 0.3 내지 약 3.0, 또는 약 0.3 내지 약 2.0일 수 있다.
상기 행 대 열 비는 약 15° 내지 약 80°의 전이 영역에서의 팽장 반각과 조합되어 유용할 수 있다. 통상적으로, 도관으로부터 보다 큰 인클로저로 전달되는 가스에 대해 균일한 유동을 생성하는 것이 바람직한 경우, 상응하는 길고 좁은 공통 부피를 갖는 약 7.5°의 팽창 반각이 권장될 것이다. 불행하게도, 이러한 종래의 선택은 또한 표면적을 최대화시킨다. (열 손실을 줄이기 위해) 표면적을 감소시키거나 최소화시키는 데 도움을 줄 수 있는 통상적인 부피 형태에 의해, 다른 팽창 각도가 연료 전지 스택의 캐쏘드에 개선된 유동 균일성을 제공할 수 있다는 것이 예기치 않게 결정되었다. 다양한 양태에서, 전이 영역의 팽창 반각은 약 15° 내지 약 80°, 또는 약 20° 내지 약 80°, 또는 약 25° 내지 약 80°, 또는 약 30° 내지 약 80°, 또는 약 35° 내지 약 80°, 또는 약 40° 내지 약 80°, 또는 약 15° 내지 약 75°, 또는 약 20° 내지 약 75°, 또는 약 25° 내지 약 75°, 또는 약 30° 내지 약 75°, 또는 약 35° 내지 약 75°, 또는 약 40° 내지 약 75°, 또는 15° 내지 약 70°, 또는 약 20° 내지 약 70°, 또는 약 25° 내지 약 70°, 또는 약 30° 내지 70°, 또는 35° 내지 70°, 또는 40° 내지 70°일 수 있다.
전이 영역을 위한 적절한 팽창 반각과 조합하여, 연료 전지 스택의 행 및 열의 적절한 배열을 사용함으로써, 공통 부피 내의 연료 전지 스택의 캐쏘드는 상기 정의된 바와 같이 감소 또는 최소화된 변동 계수(CV)를 제공하면서도 열 손실에 사용할 수 있는 인클로저의 주위 표면적을 줄이거나 최소화할 수 있는 캐쏘드 입구 압력으로 작동될 수 있다. 일부 양태에서, 공통 부피 내의 연료 전지 스택(또는 다른 공정 처리 유닛)에 대한 캐쏘드 입구 압력에 대한 CV는 약 8.0% 이하, 또는 약 6.0% 이하, 또는 약 5.0% 이하, 또는 약 4.0% 이하일 수 있다.
부가적으로 또는 대안적으로, 특정 행 대 열 비율을 갖는 연료 전지 스택 구성에 있어서, 캐쏘드 입구 압력에 대한 변동 계수는 전이 영역의 팽창 반각에 의존할 수 있다. 몇몇 양태에서, 공통 부피에서 캐쏘드 입구 압력에 대한 변동 계수를 최소화할 수 있는 팽창 반각과는 상이한 전이 영역에 대한 팽창 반각을 선택하는 것이 바람직할 수 있다. CV를 최소화하는 팽창 반각에서 CV에 대해 선택된 팽창 반각에서 CV의 비율을 결정할 수 있다. 이러한 양태에서, CV 값의 비(선택 대 최소)는 약 2.0 이하, 또는 약 1.8 이하, 또는 약 1.6 이하, 또는 약 1.5 이하, 또는 약 1.4 이하일 수 있다.
공통 부피 및 전이 영역의 둘레 표면적
이 예에서는, 본원에 설명된 원리에 따른 종래의 설계 원리 및 연료 전지 스택 구성에 기초하여 선택될 공통 부피(따라서 상응하는 연료 전지 스택의 배열)에 대한 형상 간의 차이를 설명한다. 도 3에서, 다수의 연료 전지 스택을 포함하는 공통 부피에 대한 외부 둘레 면적은 곡선(310)에 의해 도시된다. 전이 영역이 없는 공통 부피만 고려되는 경우, 최소 둘레 면적은 정사각형 구성에 해당할 수 있다. 예를 들어, 4개의 스택을 함유하는 부피의 경우, 인클로저 내의 각 스택이 길이와 너비가 1 길이 단위인 공간을 차지하므로, 스택은 8 길이 단위의 둘레를 가진 부피에 함유될 수 있다. 이러한 정사각형 구성에서, 연료 전지 스택에 대한 행 대 열 비율(R/C)은 약 1 일 수 있다. 이것은 모든 연료 전지 스택을 한 줄로 묶는 것과 같은 다른 배열과는 대조적이다. 4개의 스택을 함유하는 부피의 경우, 4개의 행과 1개의 열 또는 1개의 행과 4개의 열로 정렬하는 것은 10의 둘레 면적이 된다. 상응하는 R/C 비는 각각 4.0 또는 0.25일 것이다.
둘레 면적 계산에 전이 영역을 추가하면 공통 부피에 대한 최소 둘레 모양이 변경될 수 있다. 공통 부피 및 7.5°의 팽창 반각을 갖는 상응하는 전이 영역 모두에 대한 조합된 둘레 면적이 곡선(320)으로 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 7.5°의 팽창 반각은 도관 또는 파이프와 더 큰 부피 사이의 전이 영역에 대한 종래의 선택에 상응한다. 더 좁은 공통 부피는 전이 영역의 길이를 감소시킬 수 있고, 따라서 둘레 면적의 전체 양을 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 곡선(320)으로 도시된 바와 같이, 최소의 조합된 둘레 면적은 더 좁은 공통 부피(더 높은 R/C)에 대응한다. 종래의 이해에 따르면, 곡선(320)에 도시된 최소 둘레는 최적화된 유동 균일성과 최소 열 손실 면적의 조합을 생성할 것이다.
유동의 균일성을 향상시키기 위한 종래의 팽창 반각은 상대적으로 동일한 개수의 행과 열로 배열된 연료 전지 스택의 더 많은 수의 캐쏘드 입구 압력의 변화를 감소시키거나 최소화시키는 것과 그렇게 상관관계가 없다는 것이 예기치 않게 발견되었다. 대신에, 더 큰 팽창 반각에서, 약 0.2 내지 약 5.0의 행 대 열 비율을 갖는 연료 전지 스택의 배열은 연료 전지 스택들 사이의 캐쏘드 입구 압력의 변동 계수를 감소시키거나 최소화하는 것을 도울 수 있는 것으로 결정되었다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이러한 결정은 또한 조합된 공통 부피와 전이 영역의 둘레 면적을 감소시키거나 최소화하기 위한 팽창 반각의 다른 선택을 초래할 수 있다.
캐쏘드 입구 압력 변화
도 4는 연료 전지 스택의 배열에 대한 행 대 열 비율과 연료 전지 스택의 배열을 함유하기 위해 조합된 공통 부피 및 전이 영역에 대한 둘레 표면적 사이의 관계를 고려하기 위한 다른 옵션을 제공한다. 도 4에 도시된 예는 360개의 연료 전지 스택의 배열에 상응한다. 이 곡선에서, 팽창 반각 및 R/C 비에 대한 각각의 값에 대해, 상기 계산은 공통 부피의 길이에 걸쳐 약 2"H2O(약 0.5 kPa) 미만의 압력 강하 규격을 여전히 충족시키면서 달성할 수 있는 최소 연료 전지 스택 간격을 찾는다. 이러한 연료 전지 스택 간격을 사용하여, 공통 부피 및 전이 영역에 해당하는 인클로저에 대해 둘레 표면적을 계산할 수 있다. 도 4에 도시된 곡선은 7.5°(415), 15°(425), 30°(435), 45°(445), 60°(455), 75°(465) 및 90°(475)의 전이 영역 반각에 해당한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 7.5°의 팽창 반각에서, 전이 영역에 의해 요구되는 추가적인 둘레 표면적은 연료 전지에 대한 행 대 열 비에 관계없이 실질적으로 더 큰 표면적을 초래한다. 팽창 반각이 증가함에 따라, 낮은 표면적이 달성될 수 있다.
도 4는 연료 전지의 배열을 수용하기 위한 총 인클로저(공통 부피 + 전이 영역)에 대한 상대적 크기에 관한 정보를 제공한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 전산 유체 역학을 사용하는 것과 같은 구성에서 연료 전지 스택에 대한 캐쏘드 입구 압력의 변화가 또한 결정될 수 있다. 하기 표 1은 연료 전지 스택에 대한 최대 및 최소 캐쏘드 입구 압력 간의 차이를 결정하기 위해 연료 전지 스택의 다양한 배치 및 팽창 반각 값의 전산 유체 역학 모델링을 수행한 결과를 제공한다. 이러한 시뮬레이션에서, 28 또는 30개의 연료 전지 스택이 공통 부피 내에 배치되어 있다. 스택은 인접한 연료 전지 스택들 사이를 통과하는 가스에 대해 의미있는 압력 강하를 피하기 위해 충분한 간격을 두고 행과 열로 배열되지만 인접 연료 전지 스택 사이의 거리는 감소되었거나 최소화되었다. 연료 전지 스택은 정렬된 행과 열로 배열되었다. 시뮬레이션에서의 가스 유동에 대해, 전이 영역은 가스 유동을 초기 도관 크기에서 공통 부피의 전체 폭으로 확장시켰다. 연료 전지 스택을 위한 캐쏘드 입구는 캐쏘드 유동이 가스 유동의 평균 방향에 평행하고, 여기서 입구는 스택의 하류 측에 있다(스택 대 인클로저의 유동 방향은 이 예에서 반대이다). 모든 캐쏘드 배출구에서의 압력은 공통 하류 배기 가스 매니폴드를 나타내는 일정한 값으로 유지된다.
시뮬레이션에 기초하여, 공통 부피 내의 각 연료 전지 스택에 대한 캐쏘드 유량이 결정되고, 일련의 스택 유량에 대한 변동 계수가 결정된다. 상술한 바와 같이, 변동 계수(CV)는 일련의 값들의 표준 편차를 이러한 일련의 값들의 평균으로 나눈 것으로 당업계에 공지되어 있다. 빈도는 보통 퍼센트(평균의 밴분율로서의 표준 편차)로 표시된다.
표 1 - 캐쏘드 입구 압력 변동 계수
Figure pct00001
표 1 또는 도 4를 개별적으로 평가하는 것은 표 1 및 도 4를 함께 평가하는 것보다 덜 유리한 결과를 초래하는 경향이 있다. 예를 들어, 표 1에 나타낸 바와 같이, R/C 비가 0.2 미만인 경우, 7.5°의 팽창 반각은 공통 부피에서의 캐쏘드 입구 압력에 대해 낮은 CV를 초래할 수 있다. 그러나, 도 4에 도시된 바와 같이, 낮은 R/C 비를 갖는 작은 팽창 반각은 보다 큰 팽창 반각에서 그리고 R/C 비가 약 0.2 내지 약 0.5인 둘레 표면적보다 적어도 약 3배 큰 최소 둘레 표면적을 초래할 수 있다. 따라서, 표 1은 0.2 미만의 R/C 비가 캐쏘드 입구 압력의 차이를 감소시키는 데 유리할 수 있음을 나타내지만, 도 4는 이러한 R/C 비가 과도한 인클로저 크기를 초래할 수 있으므로 열 손실을 최소화하는 어려움을 증가시킨다는 것을 보여준다. 대조적으로, 도 4의 최소 둘레 면적에서, 7.5° 팽창 반각에 대해, 7.5° 팽창 반각은 다른 많은 옵션보다 캐쏘드 입구 압력에서 더 큰 CV를 유도할 것이다. 도 4는 R/C 비가 약 1인 7.5° 팽창 반각에 대한 최소 둘레 면적을 도시한다. 1에 가까운 R/C 값에서, 표 1은 최소 CV가 약 45°와 약 65° 사이의 팽창 반각에서 발생함을 보여준다.
또 다른 예로서, 도 4의 둘레 표면적 값은 낮은 R/C 비가 가능하게는 90°에 접근하는 큰 팽창 반각과 관련하여 유리함을 암시할 수 있다. 그러나, 표 1에 나타낸 바와 같이, 큰 팽창 반각을 갖는 작은 R/C 비를 선택하면 최소 CV가 7.5° 근처의 R/C 값에서 발생하기 때문에 캐쏘드 입구 압력에 대해 큰 CV를 초래할 가능성이 높다.
서로에 대해 표 1 및 도 4를 평가하면 연료 전지 스택에 대해 개선된 배열을 선택할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 보다 큰 팽창 반각을 선택하면 연료 전지 스택 인클로저(공통 부피 및 전이 영역)에 필요한 둘레 표면적을 감소시키는 경향이 있다. 표 1은 약 0.2 내지 약 5.0 예컨대 약 0.5 내지 약 2.0과 같은 R/C 값이 하기와 같은 팽창 반각이 선택되는 경우에 캐쏘드 입구 압력에서 CV를 감소시키거나 최소화하는 데 적합할 수 있음을 입증한다: 약 15° 내지 약 80°, 또는 약 15° 내지 약 70°, 또는 약 20° 내지 약 80°, 또는 약 20° 내지 약 70°, 또는 약 30° 내지 약 80°, 또는 약 30° 내지 약 70°.
애노드 입력물 및 출력물
본 발명의 다양한 양태에서, MCFC 어레이에는, 예를 들어 수소 및 메탄(또는 다르게는 C 및 H가 아닌 헤테로원자를 함유할 수 있는 탄화수소계 또는 탄화수소 같은 화합물) 같은 탄화수소 둘 다를 포함하는, 애노드 입구에서 받아들여지는 연료가 공급될 수 있다. 애노드로 공급되는 메탄(또는 다른 탄화수소계 또는 탄화수소 같은 화합물)의 대부분은 전형적으로 새로운 메탄일 수 있다. 이 기재에서, 새로은 메탄 같은 새로운 연료는 다른 연료 전지 공정으로부터 재순환되지 않은 연료를 말한다. 예를 들어, 애노드 출구 스트림으로부터 애노드 입구로 다시 재순환된 메탄은 "새로운" 메탄으로 생각될 수 없고, 대신 재생된 메탄으로 기재될 수 있다. 사용되는 연료 공급원은, 연료 공급원의 일부를 사용하여 캐쏘드 입력물에 CO2-함유 스트림을 제공하는 터빈 같은 다른 구성요소와 공유될 수 있다. 연료 공급원 입력은 수소를 발생시키는 개질 구역에서 탄화수소(또는 탄화수소 같은) 화합물을 개질시키는데 적절한 연료에 비례하여 물을 포함할 수 있다. 예를 들어, H2를 발생시키는 개질에 대한 연료 입력이 메탄인 경우, 물 대 연료의 몰비는 약 1:1 내지 약 10:1, 예를 들어 적어도 약 2:1일 수 있다. 외부 개질에는 4:1 이상의 비가 전형적이지만, 내부 개질에는 더 낮은 값이 전형적일 수 있다. H2가 연료 공급원의 일부인 정도까지, 일부 임의적인 양태에서는, 연료에 추가적인 물을 필요로 하지 않을 수 있는데, 왜냐하면 애노드에서 H2의 산화가 연료의 개질에 사용될 수 있는 H2O를 생성하는 경향이 있을 수 있기 때문이다. 연료 공급원은 또한 임의적으로 연료 공급원에 부수적인 성분을 함유할 수 있다(예를 들어, 천연 가스 공급물은 추가적인 성분으로서 약간의 CO2 함량을 함유할 수 있다). 예를 들어, 천연 가스 공급물은 CO2, N2, 및/또는 추가 성분으로서 다른 불활성 가스(영족 가스)를 함유할 수 있다. 임의적으로는, 몇몇 양태에서, 연료 공급원은 애노드 배출 가스의 재순환된 부분으로부터의 CO 같은 CO를 또한 함유할 수 있다. 연료 전지 어셈블리 내로의 연료중 CO의 추가적인 또는 다른 가능한 공급원은 연료 전지 어셈블리에 들어가기 전에 연료 상에서 수행되는 탄화수소 연료의 증기 개질에 의해 발생되는 CO일 수 있다.
더욱 일반적으로는, 다양한 유형의 연료 스트림이 용융 카보네이트 연료 전지의 애노드의 입력 스트림으로서 사용하기에 적합할 수 있다. 일부 연료 스트림은 탄화수소 및/또는 C 및 H와는 상이한 헤테로원자를 또한 포함할 수 있는 탄화수소 같은 화합물을 함유하는 스트림에 상응할 수 있다. 이 논의에서는, 달리 명시되지 않는 한, MCFC 애노드를 위한 탄화수소를 함유하는 연료 스트림에 대한 인용은 이러한 탄화수소 같은 화합물을 함유하는 연료 스트림을 포함하는 것으로 정의된다. 탄화수소(탄화수소 같은 화합물 포함) 연료 스트림의 예는 천연 가스, C1-C4 탄소 화합물(예컨대, 메탄 또는 에탄)을 함유하는 스트림, 및 더욱 중질의 C5+ 탄화수소(탄화수소 같은 화합물 포함)를 함유하는 스트림뿐만 아니라 이들의 조합을 포함한다. 애노드 입력물에 사용하기 위한 연료 스트림의 또 다른 추가적인 또는 다른 예는 유기 물질의 천연(생물학적) 분해로부터 생성되는 메탄 같은 바이오 가스-유형의 스트림을 포함할 수 있다.
일부 양태에서는, 용융 카보네이트 연료 전지를 사용하여 희석제 화합물의 존재로 인해 낮은 에너지 함량을 갖는 천연 가스 및/또는 탄화수소 스트림 같은 입력 연료 스트림을 공정 처리할 수 있다. 예를 들어, 메탄 및/또는 천연 가스의 몇몇 공급원은 상당량의 CO2 또는 다른 불활성 분자(예컨대, 질소, 아르곤 또는 헬륨)를 포함할 수 있는 공급원이다. 많아진 양의 CO2 및/또는 불활성 화합물의 존재로 인해, 공급원에 기초한 연료 스트림의 에너지 함량이 감소될 수 있다. 연소 반응에(예를 들어, 연소에 의해 전력을 얻는 터빈에 전력을 제공하는데) 에너지 함량이 낮은 연료를 사용하는 데에는 어려움이 있을 수 있다. 그러나, 용융 카보네이트 연료 전지는 연료 전지의 효율에 영향을 적게 또는 최소한으로 끼치면서 에너지 함량이 낮은 연료 공급원에 기초하여 전력을 발생시킬 수 있다. 추가적인 가스 부피의 존재는 연료의 온도를 개질 및/또는 애노드 반응의 온도까지 높이기 위해 추가적인 열을 필요로 할 수 있다. 또한, 연료 전지 애노드 내에서의 수성 가스 전화 반응의 평형상태 특성으로 인해, 추가적인 CO2의 존재는 애노드 출력물에 존재하는 H2와 CO의 상대적인 양에 대해 영향을 끼칠 수 있다. 그러나, 불활성 화합물은 개질 및 애노드 반응에 대해 직접적인 영향을 최소한으로만 가질 수 있다. 존재하는 경우, 용융 카보네이트 연료 전지의 연료 스트림중 CO2 및/또는 불활성 화합물의 양은 약 1부피% 이상, 예를 들어 약 2부피% 이상, 또는 약 5부피% 이상, 또는 약 10부피% 이상, 또는 약 15부피% 이상, 또는 약 20부피% 이상, 또는 약 25부피% 이상, 또는 약 30부피% 이상, 또는 약 35부피% 이상, 또는 약 40부피% 이상, 또는 약 45부피% 이상, 또는 약 50부피% 이상, 또는 약 75부피% 이상일 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 용융 카보네이트 연료 전지의 연료 스트림중 CO2 및/또는 불활성 화합물의 양은 약 90부피% 이하, 예컨대 약 75부피% 이하, 또는 약 60부피% 이하, 또는 약 50부피% 이하, 또는 약 40부피% 이하, 또는 약 35부피% 이하일 수 있다.
애노드 입력물 스트림에 가능한 공급원의 또 다른 예는 정련 및/또는 다른 산업상의 공정 출력 스트림에 상응할 수 있다. 예를 들면, 코크스화는 중질 화합물을 저비등 범위로 전환시키기 위해 다수의 정련에서 통상적인 공정이다. 코크스화는 전형적으로 CO 및 다양한 C1-C4 탄화수소를 비롯한, 실온에서 기체인 다양한 화합물을 함유하는 오프-가스(off-gas)를 생성시킨다. 이 오프-가스를 애노드 입력물 스트림의 적어도 일부로서 사용할 수 있다. 분류 또는 다른 정련 공정 동안 발생되는 경질 말단(C1-C4) 같은 다른 정련 오프-가스 스트림이 추가로 또는 다르게는 애노드 입력물 스트림에 포함시키는데 적합할 수 있다. 또 다른 적합한 정련 스트림은 추가로 또는 다르게는 H2 및/또는 개질가능한 연료 화합물도 함유하는 CO 또는 CO2 함유 정련 스트림을 포함할 수 있다.
애노드 입력물의 다른 가능한 공급원은 추가로 또는 다르게는 물 함량이 높은 스트림을 포함할 수 있다. 예를 들어, 에탄올 플랜트(또는 다른 유형의 발표 공정)로부터의 에탄올 출력 스트림은 최종 증류 전에 상당량의 H2O를 포함할 수 있다. 이러한 H2O는 전형적으로 연료 전지의 작동에 최소한의 영향만을 야기할 수 있다. 그러므로, 알코올(또는 다른 발효 생성물)과 물의 발효 혼합물을 애노드 입력물 스트림의 적어도 일부로서 사용할 수 있다.
바이오가스, 또는 소화조(digester) 가스는 애노드 입력물의 추가적인 또는 다른 가능한 공급원이다. 바이오가스는 주로 메탄과 CO2를 포함할 수 있고, 전형적으로는 유기 물질의 파괴 또는 소화에 의해 생성된다. 혐기성 세균을 이용하여 유기 물질을 소화시키고 바이오가스를 생성시킬 수 있다. 애노드 입력물로서 사용하기 전에, 황-함유 화합물 같은 불순물을 바이오가스로부터 제거할 수 있다.
MCFC 애노드로부터의 출력 스트림은 H2O, CO2, CO 및 H2를 포함할 수 있다. 임의적으로는, 애노드 출력물 스트림은 또한 추가적인 출력 성분으로서 공급물 중에 미반응 연료(예컨대, H2 또는 CH4), 또는 불활성 화합물을 가질 수 있다. 개질 반응을 위한 열을 제공하는 연료 공급원으로서 또는 전지를 가열하기 위한 연소 연료로서 이 출력 스트림을 사용하는 대신, 애노드 출력물 스트림 상에서 하나 이상의 분리를 수행하여, H2 또는 CO 같은 다른 공정으로의 입력로서의 기대 가치를 갖는 성분으로부터 CO2를 분리할 수 있다. H2 및/또는 CO를 화학적 합성을 위한 합성 가스로서, 화학적 반응을 위한 수소 공급원으로서, 및/또는 온실 가스 배출이 감소된 연료로서 사용할 수 있다.
다양한 양태에서, 애노드로부터의 출력 스트림의 조성은 몇 가지 인자에 의해 영향을 받을 수 있다. 애노드 출력물 조성에 영향을 끼칠 수 있는 인자는 애노드로의 입력 스트림의 조성, 연료 전지에 의해 발생되는 전류의 양, 및/또는 애노드의 출구에서의 온도를 포함할 수 있다. 애노드 출구에서의 온도는 수성 가스 전화 반응의 평형상태 특성으로 인해 관련될 수 있다. 전형적인 애노드에서는, 애노드의 벽을 형성하는 플레이트중 하나 이상이 수성 가스 전화 반응을 촉진시키는데 적합할 수 있다. 그 결과, a) 애노드 입력물 스트림의 조성을 알고, b) 애노드 입력물 스트림중 개질가능한 연료의 개질 정도를 알고, c) 캐쏘드로부터 애노드로 수송되는 카보네이트의 양(발생되는 전류의 양에 상응함)을 알면, 수성 가스 전화 반응의 평형 상수에 기초하여 애노드 출력물의 조성을 결정할 수 있다:
Keq=[CO2][H2]/[CO][H2O]
상기 식에서, Keq는 소정 온도 및 압력에서 반응의 평형 상수이고, [X]는 성분 X의 분압이다. 수성 가스 전화 반응에 기초하여, 애노드 입력물중 증가된 CO2 농도가 추가적인 CO 형성(H2를 소비하면서)을 야기하는 경향이 있을 수 있는 한편, 증가된 H2O 농도가 추가적인 H2 형성(CO를 소비하면서)을 야기하는 경향이 있을 수 있음을 알 수 있다.
애노드 출력물에서의 조성을 결정하기 위하여, 애노드 입력물의 조성을 출발 지점으로서 사용할 수 있다. 이어, 애노드 내에서 일어날 수 있는 임의의 개질가능한 연료의 개질 정도를 반영하도록 이 조성을 변화시킬 수 있다. 이러한 개질은 수소 및 CO2 증가 대신 애노드 입력물의 탄화수소 함량을 감소시킬 수 있다. 이어, 생성되는 전류의 양에 기초하여, 추가적인 H2O 및 CO2 대신 애노드 입력물중 H2의 양을 감소시킬 수 있다. 이어, 수성 가스 전화 반응의 평형 상수에 기초하여 이 조성을 조정함으로써, H2, CO, CO2 및 H2O의 출구 농도를 결정할 수 있다.
표 2는 전형적인 유형의 연료의 상이한 연료 이용률에서의 애노드 배출 가스 조성을 보여준다. 애노드 배출 가스 조성은 애노드 개질 반응, 수성 가스 전화 반응 및 애노드 산화 반응의 합쳐진 결과를 반영할 수 있다. 약 2:1의 증기(H2O) 대 탄화수소(개질가능한 연료) 비를 갖는 것으로 애노드 입력물 조성을 추정함으로써, 표 1의 출력 조성 값을 계산하였다. 개질가능한 연료는 메탄인 것으로 추정하였고, 이는 100% 수소로 개질되는 것으로 추정하였다. 애노드 입력물중 최초 CO2 및 H2 농도는 무시할만한 것으로 추정한 한편, 입력 N2 농도는 약 0.5%였다. 표에서 보이는 바와 같이 연료 이용률 Uf(본원에 정의된 바와 같음)는 약 35%에서 약 70%까지 변화될 수 있었다. 연료 전지 애노드의 출구 온도는 올바른 평형 상수 값을 결정하기 위하여 약 650℃인 것으로 추정하였다.
표 2 - 애노드 배출 가스 조성
Figure pct00002
표 2는 특정 조건 세트 및 애노드 입력물 조성에 있어서의 애노드 출력물 조성을 보여준다. 더욱 일반적으로는, 다양한 양태에서, 애노드 출력물은 약 10부피% 내지 약 50부피%의 H2O를 포함할 수 있다. H2O의 양은 크게 변할 수 있는데, 왜냐하면 애노드중의 H2O는 애노드 산화 반응에 의해 생성될 수 있기 때문이다. 개질에 필요한 것보다 과량의 H2O가 애노드 내로 도입되면, 과량의 H2O는 전형적으로 연료 개질 및 수성 가스 전화 반응으로 인해 소비되는(또는 발생되는) H2O를 제외하고는 대부분 반응하지 않은 채로 통과할 수 있다. 애노드 출력물중 CO2 농도는 광범위하게, 예를 들어 CO2 약 20부피% 내지 약 50부피%로 변할 수 있다. CO2의 양은 발생되는 전류의 양뿐만 아니라 애노드 입력물 유동중 CO2의 양에 의해 영향을 받을 수 있다. 애노드 출력물중 H2의 양은 추가로 또는 다르게는 애노드에서의 연료 이용률에 따라 H2 약 10부피% 내지 H2 약 50부피%일 수 있다. 애노드 출력물에서, CO의 양은 약 5부피% 내지 약 20부피%일 수 있다. 소정 연료 전지의 애노드 출력물중 H2의 양에 대한 CO의 양은 연료 전지에 존재하는 온도 및 압력에서 수성 가스 전화 반응의 평형 상수에 의해 부분적으로 결정될 수 있음에 주목한다. 애노드 출력물은 추가로 또는 다르게는 N2, CH4(또는 다른 미반응 탄소-함유 연료) 및/또는 다른 성분 같은 다양한 다른 성분을 5부피% 이하로 포함할 수 있다.
임의적으로는, 요구되는 경우, 애노드 출력물 후에 하나 이상의 수성 가스 전화 반응를 포함시켜 애노드 출력물 중의 CO 및 H2O를 CO2 및 H2로 전환시킬 수 있다. 애노드 출력물에 존재하는 H2의 양은 예를 들어 더욱 저온에서 수성 가스 전화 반응을 이용하여 애노드 출력물에 존재하는 H2O 및 CO를 H2 및 CO2로 전환시킴으로써 증가될 수 있다. 다르게는, 온도를 상승시킬 수 있고 수성 가스 전화 반응을 역전시켜, H2와 CO2로부터 더 많은 CO와 H2O를 생성시킬 수 있다. 물은 애노드에서 이루어지는 반응의 예측되는 출력이고, 따라서 애노드 출력물은 전형적으로 애노드 출력물에 존재하는 CO의 양에 비해 과량의 H2O를 가질 수 있다. 다르게는, 애노드 출구 후에, 그러나 수성 가스 전화 반응 전에, H2O를 스트림에 첨가할 수 있다. CO는 개질 동안 불완전한 탄소 전환으로 인해 및/또는 개질 조건 또는 애노드 반응 동안 존재하는 조건 하에서 H2O, CO, H2 및 CO2 사이에서의 반응의 평형상태 균형(즉, 수성 가스 전화 평형)으로 인해 애노드 출력물에 존재할 수 있다. 수성 가스 전화 반응은 CO와 H2O를 소비하면서 CO2와 H2를 형성시키는 방향으로 평형상태를 더 이동시키도록 하는 조건 하에서 작동될 수 있다. 더 높은 온도는 CO와 H2O의 형성에 바람직한 경향이 있을 수 있다. 그러므로, 수성 가스 전화 반응을 작동시키기 위한 하나의 옵션은 적합한 온도, 예를 들어 약 190℃ 내지 약 210℃에서 애노드 출력물 스트림을 산화철, 산화아연, 산화아연 상의 구리 등을 비롯한 촉매 같은 적합한 촉매에 노출시키는 것일 수 있다. 임의적으로는, 수성 가스 전화 반응기는 애노드 출력물 스트림중 CO 농도를 감소시키기 위한 두 스테이지를 포함할 수 있는데, 더욱 고온의 제 1 스테이지는 약 300℃ 내지 약 375℃에서 작동되고, 더욱 저온의 제 2 스테이지는 약 225℃ 이하, 예컨대 약 122℃ 내지 약 210℃에서 작동된다. 애노드 출력물에 존재하는 H2의 양을 증가시키는 것 이외에, 수성 가스 전화 반응은 또한 또는 다르게는 CO를 소비하고 CO2의 양을 증가시킬 수 있다. 이는 제거하기 어려운 일산화탄소(CO)를 응축(예컨대, 극저온 제거), 화학 반응(예컨대, 아민 제거) 및/또는 다른 CO2 제거 방법에 의해 더욱 용이하게 제거될 수 있는 이산화탄소로 바꿀 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 목적하는 H2 대 CO 비를 획득하기 위하여 애노드 배출 가스에 존재하는 CO 함량을 증가시키는 것이 바람직할 수 있다.
임의적인 수성 가스 전화 반응 스테이지를 통해 통과시킨 후, 애노드 출력물 스트림으로부터 물 및/또는 CO2를 제거하기 위하여 하나 이상의 분리 스테이지를 통해 애노드 출력물을 통과시킬 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 방법을 개별적으로 또는 함께 이용하여 애노드 출력물에 대해 CO2 분리를 수행함으로써 하나 이상의 CO2 산출 스트림을 형성시킬 수 있다. 이러한 방법을 이용하여, 90부피% 이상, 예를 들어 95부피% 이상 또는 98부피% 이상의 CO2 함량을 갖는 CO2 출력 스트림(들)을 생성시킬 수 있다. 이러한 방법은 애노드 출력물의 CO2 함량의 약 70% 이상, 예를 들어 애노드 출력물의 CO2 함량의 약 80% 이상, 또는 약 90% 이상을 회수할 수 있다. 다르게는, 몇몇 양태에서는, 애노드 출력물 스트림 내에서 CO2의 적어도 일부만을 회수하는 것이 바람직할 수 있는데, 회수되는 CO2 부분은 애노드 출력물중 CO2의 약 33% 내지 약 90%, 예를 들어 약 40% 이상, 또는 약 50% 이상이다. 예를 들면, 후속 수성 가스 전화 스테이지에서 목적하는 조성이 달성될 수 있도록 애노드 출력물 유동에 일부 CO2를 보유하는 것이 바람직할 수 있다. 적합한 분리 방법은 물리적 용매[예를 들어, 셀렉솔(Selexol)™ 또는 렉티솔(Rectisol)™]; 아민 또는 다른 염기(예를 들어, MEA 또는 MDEA); 동결(예를 들어, 극저온 분리); 압력 변동 흡착; 진공 변동 흡착; 및 이들의 조합의 이용을 포함할 수 있다. 극저온 CO2 분리기가 적합한 분리기의 일례일 수 있다 애노드 출력물이 냉각됨에 따라, 애노드 출력물중 물의 대부분이 응축된 (액체) 상으로서 분리될 수 있다. 물이 고갈된 애노드 출력물 유동을 추가로 냉각 및/또는 가압하면 고순도 CO2 를 분리시킬 수 있는데, 왜냐하면 애노드 출력물 유동의 다른 잔류 성분(예컨대, H2, N2, CH4)은 용이하게 응축된 상을 형성하지 않는 경향이 있기 때문이다. 극저온 CO2 분리기는 작동 조건에 따라 유동에 존재하는 CO2의 약 33% 내지 약 90%를 회수할 수 있다.
CO2 분리 전에, CO2 분리 동안 또는 CO2 분리를 수행한 후에, 애노드 배출 가스로부터 물을 제거하여 하나 이상의 물 출력 스트림을 형성하는 것이 또한 유리할 수 있다. 애노드 출력물중 물의 양은 선택되는 작동 조건에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 애노드 입구에서 확립된 증기 대 탄소 비는 애노드 배출 가스중 물 함량에 영향을 끼칠 수 있는데, 높은 증기 대 탄소 비는 전형적으로 미반응인 채로 및/또는 애노드에서 수성 가스 전화 평형으로 인해 반응한 채로 애노드를 통해 통과할 수 있는 물을 다량 생성시킨다. 양태에 따라, 애노드 배출 가스중 물 함량은 애노드 배출 가스의 부피의 약 30% 이상에 상응할 수 있다. 또한 또는 다르게는, 물 함량은 애노드 배출 가스의 부피의 약 80% 이하일 수 있다. 압축 및/또는 생성되는 응축으로 인한 냉각에 의해 이러한 물을 제거할 수 있으나, 이러한 물의 제거는 추가의 압축기 전력 및/또는 열교환 표면적 및 과도한 냉각수를 필요로 할 수 있다. 이 과량의 물의 일부를 제거하는 한 가지 유리한 방법은, 애노드 공급물에 추가적인 물을 제공하기 위하여, 다습한 애노드 유출물로부터 습기를 포획할 수 있고 건조 애노드 공급물 가스를 이용하여 '재생'될 수 있는 흡착제 상의 사용에 기초할 수 있다. HVAC-스타일(가열, 통기 및 공기 컨디셔닝) 흡착 휠 디자인을 적용할 수 있는데, 왜나하면 애노드 배출 가스 및 입구는 압력 면에서 유사할 수 있고, 하나의 스트림으로부터 다른 스트림으로의 미소한 누출은 전체 공정에 최소한의 영향을 가질 수 있기 때문이다. 극저온 공정을 이용하여 CO2 제거를 수행하는 실시양태에서는, 트라이에틸렌글라이콜(TEG) 시스템 및/또는 건조제에 의한 제거를 비롯한, CO2 제거 전 또는 동안의 물의 제거가 바람직할 수 있다. 대조적으로, CO2 제거에 아민 세척을 이용하는 경우에는, CO2 제거 스테이지 하류에서 애노드 배출 가스로부터 물을 제거할 수 있다.
CO2 출력 스트림 및/또는 물 출력 스트림과는 달리 또는 추가적으로, 애노드 출력물을 사용하여 목적하는 화합물 또는 연료 생성물을 함유하는 하나 이상의 생성물 스트림을 형성시킬 수 있다. 이러한 생성물 스트림 또는 스트림들은 합성 가스 스트림, 수소 스트림, 또는 합성 가스 생성물과 수소 생성물 스트림 둘 다에 상응할 수 있다. 예를 들어, 약 70부피% 이상의 H2, 예를 들어 약 90부피% 이상의 H2 또는 약 95부피% 이상의 H2를 함유하는 수소 생성물 스트림을 형성시킬 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 합쳐서 약 70부피% 이상의 H2와 CO, 예를 들어 약 90부피%의 H2와 CO를 함유하는 합성 가스 스트림을 형성시킬 수 있다. 하나 이상의 생성물 스트림은 애노드 출력물중 합쳐진 H2와 CO 기체 부피의 약 75부피% 이상, 예를 들어 합쳐진 H2와 CO 기체 부피의 약 85% 이상 또는 약 90% 이상에 상응하는 기체 부피를 가질 수 있다. 생성물 스트림중 H2와 CO의 상대적인 양은 생성물 사이에서 전환시키기 위한 수성 가스 전화 반응 스테이지의 사용에 기초한 애노드 출력물 중의 H2 대 CO 비와 상이할 수 있음에 주목한다.
일부 양태에서는, 애노드 출력물에 존재하는 H2의 일부를 제거 또는 분리하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 일부 양태에서 애노드 배출 가스중 H2 대 CO 비는 적어도 약 3.0:1일 수 있다. 대조적으로, 피셔-트롭쉬 합성 같은 합성 가스를 사용하는 공정은 2:1에 근접하는 비 같은 상이한 비로 H2와 CO를 소비할 수 있다. 한 가지 대안은 수성 가스 전화 반응을 이용하여 목적하는 합성 가스 조성에 더욱 근접한 H2 대 CO 비를 갖도록 애노드 출력물의 함량을 변화시키는 것일 수 있다. 다른 대안은 막 분리를 이용하여 목적하는 H2 대 CO 비를 획득하도록 애노드 출력물에 존재하는 H2의 일부를 제거하거나, 또는 다르게는 막 분리와 수성 가스 전화 반응의 조합을 이용하는 것일 수 있다. 애노드 출력물에서 H2의 일부만을 제거하는데 막 분리를 이용하는 한 가지 이점은 비교적 온화한 조건 하에서 목적하는 분리를 수행할 수 있는 것일 수 있다. 한 가지 목적이 여전히 상당한 H2 함량을 갖는 보유물(retentate)를 생성하는 것일 수 있기 때문에, 극심한 조건을 필요로 하지 않으면서 막 분리에 의해 고순도 수소의 투과물(permeate)을 생성시킬 수 있다. 예를 들면, 막의 투과물 측에 약 100kPa 이하(예컨대, 주위 압력)의 압력을 갖기보다는, 막 분리를 수행하기에 충분한 구전력을 여전히 가지면서 투과물 측이 주위 압력보다는 승압에 있을 수 있다. 추가적으로 또는 다르게는, 메탄 같은 스윕(sweep) 가스를 사용하여 막 분리를 위한 구전력을 제공할 수 있다. 이는 H2 투과물 스트림의 순도를 감소시킬 수 있으나, 투과물 스트림의 목적하는 용도에 따라 유리할 수 있다.
본 발명의 다양한 양태에서는, 애노드 배출 가스 스트림의 적어도 일부(바람직하게는 CO2 및/또는 H2O의 분리 후)를 연료 전지 외부의 공정 및 수반되는 개질 스테이지의 공급물로서 사용할 수 있다. 다양한 양태에서, 애노드 배출 가스는 약 1.5:1 내지 약 10:1, 예를 들어 적어도 약 3.0:1, 또는 적어도 약 4.0:1, 또는 적어도 약 5.0:1의 H2 대 CO의 비를 가질 수 있다. 애노드 배출 가스로부터 합성 가스 스트림을 발생시키거나 회수할 수 있다. 임의적으로는 CO2 및/또는 H2O의 분리 후, 또한 임의적으로는 수성 가스 전화 반응 및/또는 막 분리를 수행하여 과량의 수소를 제거한 후, 애노드 배출 가스는 상당량의 H2 및/또는 CO를 함유하는 스트림에 상응할 수 있다. H2 대 CO의 비가 적어도 약 3:1인 스트림 같은 비교적 낮은 CO 함량을 갖는 스트림의 경우에는, 애노드 배출 가스가 H2 공급물로 사용하기에 적합할 수 있다. H2 공급물로부터의 이점을 취할 수 있는 공정의 예는 정련 공정, 암모니아 합성 플랜트, 또는 (상이한) 발전 시스템에서의 터빈, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니다. 용도에 따라, 더 낮은 CO2 함량이 바람직할 수 있다. 약 2.2 미만:1 및 약 1.9 초과:1의 H2 대 CO 비를 갖는 스트림의 경우, 스트림은 합성 가스 공급물로 사용하기에 적합할 수 있다. 합성 가스 공급물의 이점을 취할 수 있는 공정의 예는 가스 액화 연료 플랜트(예를 들어, 비-전화 촉매를 갖는 피셔-트롭쉬 공정을 이용하는 플랜트) 및/또는 메탄올 합성 플랜트를 포함할 수 있으나, 이들로 한정되지는 않는다. 외부 공정의 공급물로서 사용되는 애노드 배출 가스의 양은 임의의 편리한 양일 수 있다. 임의적으로는, 애노드 배출 가스중 일부를 외부 공정의 공급물로서 사용하는 경우, 애노드 배출 가스의 제 2 부분을 애노드 입력물로 재순환시키고/시키거나 연소에 의해 전력을 얻는 제너레이터의 연소 대역으로 재순환시킬 수 있다.
캐쏘드 입력물 및 출력물
용융 카보네이트 연료 전지에서, 연료 전지의 전해질을 가로지르는 카보네이트 이온의 수송은 CO2를 제 1 유동 경로로부터 제 2 유동 경로로 수송하는 방법을 제공할 수 있으며, 이 때 수송 방법은 더 낮은 농도(캐쏘드)로부터 더 높은 농도(애노드)로의 수송을 가능케 하며, 이는 따라서 CO2의 포획을 용이하게 할 수 있다. CO2 분리를 위한 연료 전지의 선택성의 일부는 전지가 전력을 발생시키도록 하는 전기화학적 반응에 기초할 수 있다. 연료 전지 내에서 전기화학적 반응에 효과적으로 참여하지 않는 비반응성 물질(예컨대, N2)의 경우, 반응 및 캐쏘드로부터 애노드로의 수송이 미미한 양으로 존재할 수 있다. 대조적으로, 캐쏘드와 애노드 사이의 포텐셜(전압) 차이는 연료 전지를 가로지르는 카보네이트 이온의 수송에 대한 강력한 구전력을 제공할 수 있다. 그 결과, 용융 카보네이트 연료 전지에서 카보네이트 이온의 수송은 비교적 높은 선택성으로 CO2를 캐쏘드(더 낮은 CO2 농도)로부터 애노드(더 높은 CO2 농도)로 수송하도록 할 수 있다. 그러나, 이산화탄소 제거를 위해 용융 카보네이트 연료 전지를 이용함에 있어서의 난점은 연료 전지가 비교적 묽은 캐쏘드 공급물로부터 이산화탄소를 제거하는 능력이 제한된다는 것일 수 있다. 카보네이트 연료 전지에 의해 발생되는 전압 및/또는 전력은 CO2 농도가 약 2.0부피% 미만으로 떨어짐에 따라 급락하기 시작할 수 있다. 일부 지점에서 CO2 농도가 더, 예를 들어 약 1.0부피% 미만으로 하락함에 따라, 연료 전지를 가로지르는 전압은 카보네이트의 추가적인 수송이 거의 또는 전혀 이루어지지 않고 연료 전지가 작동을 중지할 정도로 충분히 낮아질 수 있다. 그러므로, 적어도 일부 CO2는 상업적으로 가능성 있는 작동 조건 하에서 연료 전지의 캐쏘드 스테이지로부터의 배기 가스에 존재할 것이다.
연료 전지 캐쏘드(들)에 전달되는 이산화탄소의 양은 캐쏘드 입구의 공급원의 CO2 함량에 기초하여 결정될 수 있다. 캐쏘드 입력물 유동으로서 사용하기 적합한 CO2-함유 스트림의 일례는 연소 공급원으로부터의 출력 또는 배기 가스 유동일 수 있다. 연소 공급원의 예는 천연 가스의 연소, 석탄의 연소, 및/또는 다른 탄화수소-유형의 연료(생물로부터 유도되는 연료 포함)의 연소에 기초한 공급원을 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다. 추가적인 또는 다른 공급원은 다른 유형의 보일러, 연소식 히터, 로, 및/또는 다른 성분(예컨대, 물 또는 공기)을 가열하기 위하여 탄소-함유 연료를 태우는 다른 유형의 장치를 포함할 수 있다. 대략, 연소 공급원으로부터의 출력 유동의 CO2 함량은 유동중 소량일 수 있다. 석탄 연소식 연소 공급원 같은 더 높은 CO2 함량의 배기 가스 유동의 경우에도, 대부분의 상업적인 석탄 연소식 발전소로부터의 CO2 함량은 약 15부피% 이하일 수 있다. 더욱 일반적으로, 연소 공급원으로부터의 출력 또는 배기 가스 유동중 CO2 함량은 약 1.5부피% 이상, 또는 약 1.6부피% 이상, 또는 약 1.7부피% 이상, 또는 약 1.8부피% 이상, 또는 약 1.9부피% 이상, 또는 2부피% 이상, 또는 약 4부피% 이상, 또는 약 5부피% 이상, 또는 약 6부피% 이상, 또는 약 8부피% 이상일 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 연소 공급원으로부터의 출력 또는 배기 가스의 CO2 함량은 약 20부피% 이하, 예를 들어 약 15부피% 이하, 또는 약 12부피% 이하, 또는 약 10부피% 이하, 또는 약 9부피% 이하, 또는 약 8부피% 이하, 또는 약 7부피% 이하, 또는 약 6.5부피% 이하, 또는 약 6부피% 이하, 또는 약 5.5부피% 이하, 또는 약 5부피% 이하, 또는 약 4.5부피% 이하일 수 있다. 상기 주어진 농도는 건조 기준이다. 배기 가스 재순환 루프에 포함될 수 있거나 포함되지 않을 수 있는 발전 시스템의 일부인 제너레이터 같은 일부 천연 가스 또는 메탄 연소 공급원으로부터의 배기 가스에는 더 낮은 CO2 함량 값이 존재할 수 있음에 주목한다.
캐쏘드 입력물 스트림의 다른 가능한 공급원은 추가로 또는 다르게는 생물-생성된 CO2의 공급원을 포함할 수 있다. 이는 예를 들어 에탄올 생성 동안 발생되는 CO2 같이 생물-유도되는 화합물의 가공 동안 발생되는 CO2를 포함할 수 있다. 추가적인 또는 다른 예는 리그노셀룰로즈의 연소 같은 생물-생성된 연료의 연소에 의해 발생되는 CO2를 포함할 수 있다. 또 다른 추가적인 또는 다른 가능한 CO2 공급원은 강, 시멘트 및/또는 종이를 제조하기 위한 플랜트에 의해 발생되는 CO2-함유 스트림 같은 다양한 산업상의 공정으로부터의 출력 또는 배기 가스 스트림에 상응할 수 있다.
CO2의 또 다른 추가적인 또는 다른 가능한 공급원은 연료 전지로부터의 CO2-함유 스트림일 수 있다. 연료 전지로부터의 CO2-함유 스트림은 상이한 연료 전지로부터의 캐쏘드 출력물 스트림, 상이한 연료 전지로부터의 애노드 출력물 스트림, 연료 전지의 캐쏘드 출력물로부터 캐쏘드 입력물로의 재순환 스트림, 및/또는 연료 전지의 애노드 출력물로부터 캐쏘드 입력물로의 재순환 스트림에 상응할 수 있다. 예를 들면, 종래의 조건 하에 독립 방식으로 작동되는 MCFC는 약 5부피% 이상의 CO2 농도를 갖는 캐쏘드 배출 가스를 생성시킬 수 있다. 이러한 CO2-함유 캐쏘드 배출 가스를 본 발명의 양태에 따라 작동되는 MCFC의 캐쏘드 입력물로서 사용할 수 있다. 더욱 일반적으로는, 캐쏘드 배출 가스로부터 CO2 출력을 발생시키는 연료 전지의 다른 유형뿐만 아니라 "연소" 반응에 의해 및/또는 연소에 의해 전력을 받는 제너레이터에 의해 발생되지 않는 CO2-함유 스트림의 다른 유형을 추가로 또는 달리 사용할 수 있다. 임의적이지만 바람직하게는, 다른 연료 전지로부터의 CO2-함유 스트림은 다른 용융 카보네이트 연료 전지로부터일 수 있다. 예를 들면, 캐쏘드와 관련하여 직렬로 연결되는 용융 카보네이트 연료 전지의 경우, 제 1 용융 카보네이트 연료 전지의 캐쏘드로부터의 출력을 제 2 용융 카보네이트 연료 전지의 캐쏘드로의 입력로서 사용할 수 있다.
연소 공급원 외의 공급원으로부터의 다양한 유형의 CO2-함유 스트림에 있어서, 스트림의 CO2 함량은 광범위하게 변할 수 있다. 캐쏘드로의 입력 스트림중 CO2 함량은 약 2부피% 이상, 예컨대 약 4부피% 이상, 또는 약 5부피% 이상, 또는 약 6부피% 이상, 또는 약 8부피% 이상의 CO2를 함유할 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 캐쏘드로의 입력 스트림중 CO2 함량은 약 30부피% 이하, 예컨대 약 25부피% 이하, 또는 약 20부피% 이하, 또는 약 15부피% 이하, 또는 약 10부피% 이하, 또는 약 8부피% 이하, 또는 약 6부피% 이하, 또는 약 4부피% 이하일 수 있다. 일부 더 높은 CO2 함량의 스트림에 있어서, CO2 함량은 잔량의 다른 화합물과 CO2로 실질적으로 구성되는 스트림와 같이 약 30부피%보다 더 클 수 있다. 예로서, 배기 가스 재순환이 없는 가스 연소식 터빈은 약 4.2부피%의 CO2 함량을 갖는 배기 가스 스트림을 생성시킬 수 있다. EGR을 이용하여, 가스 연소식 터빈은 약 6 내지 8부피%의 CO2 함량을 갖는 배기 가스 스트림을 생성시킬 수 있다. 메탄의 화학량론적 연소는 약 11부피%의 CO2 함량을 갖는 배기 가스 스트림을 생성시킬 수 있다. 석탄의 연소는 약 15 내지 20부피%의 CO2 함량을 갖는 배기 가스 스트림을 생성시킬 수 있다. 정련 오프-가스를 사용하는 연소식 히터는 약 12 내지 15부피%의 CO2 함량을 갖는 배기 가스 스트림을 생성시킬 수 있다. 임의의 EGR 없이 낮은 BTU 가스 상에서 작동되는 가스 터빈은 약 12부피%의 CO2 함량을 갖는 배기 가스 스트림을 생성시킬 수 있다.
CO2 이외에, 캐쏘드 입력물 스트림은 캐쏘드 반응에 필요한 성분을 제공하기 위하여 O2를 포함할 수 있다. 일부 캐쏘드 입력물 스트림은 구성성분으로서 공기를 가짐에 기초할 수 있다. 예를 들어, 공기의 존재하에서 탄화수소 연료를 연소시킴으로써 연소 배기 가스 스트림을 형성시킬 수 있다. 이러한 연소 배기 가스 스트림 또는 공기의 포함에 기초한 산소 함량을 갖는 다른 유형의 캐쏘드 입력물 스트림은 약 20부피% 이하, 예컨대 약 15부피% 이하, 또는 약 10부피% 이하의 산소 함량을 가질 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 캐쏘드 입력물 스트림의 산소 함량은 약 4부피% 이상, 예컨대 약 6부피% 이상, 또는 약 8부피% 이상일 수 있다. 더욱 일반적으로, 캐쏘드 입력물 스트림은 캐쏘드 반응을 수행하는데 적합한 산소 함량을 가질 수 있다. 일부 양태에서, 이는 약 5부피% 내지 약 15부피%, 예를 들어 약 7부피% 내지 약 9부피%의 산소 함량에 상응할 수 있다. 많은 유형의 캐쏘드 입력물 스트림에 있어서, CO2와 O2의 합쳐진 양은 입력 스트림의 약 21부피% 미만, 예컨대 스트림의 약 15부피% 미만, 또는 스트림의 약 10부피% 미만에 상응할 수 있다. 산소를 함유하는 공기 스트림을, 낮은 산소 함량을 갖는 CO2 공급원과 합칠 수 있다. 예를 들어, 석탄을 태움으로써 발생되는 배기 가스 스트림은 공기와 혼합하여 캐쏘드 입구 스트림을 형성할 수 있는 낮은 산소 함량을 포함할 수 있다.
CO2 및 O2 이외에, 캐쏘드 입력물 스트림은 또한 N2, H2O, 및 다른 전형적인 산화제(공기) 성분 같은 불활성/비반응성 물질로 구성될 수 있다. 예를 들면, 연소 반응으로부터의 배기 가스로부터 유도되는 캐쏘드 입력물의 경우, 공기를 연소 반응의 산화제 공급원의 일부로서 사용하면, 배기 가스는 N2, H2O, 및 공기에 존재하는 미량의 다른 화합물 같은 공기의 전형적인 성분을 포함할 수 있다. 연소 반응의 연료 공급원의 특성에 따라, 연료 공급원에 기초한 연소 후 존재하는 추가적인 물질은 H2O, 질소의 산화물(NOx) 및/또는 황의 산화물(SOx), 및 CO 같은 연료에 존재하고/하거나 연료에 존재하는 화합물의 부분 또는 완전 연소 생성물인 다른 화합물중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이들 물질은 전체적인 캐쏘드 활성을 감소시킬 수 있으나 캐쏘드 촉매 표면을 오염시키지 않는 양으로 존재할 수 있다. 성능의 이러한 차이는 허용될 수 있거나, 또는 캐쏘드 촉매와 상호작용하는 물질을 공지의 오염물질 제거 기법에 의해 허용되는 수준까지 감소시킬 수 있다.
캐쏘드 입력물 스트림(예를 들어, 연소 배기 가스에 기초한 캐쏘드 입력물 스트림)에 존재하는 O2의 양은 유리하게는 연료 전지의 캐쏘드 반응에 필요한 산소를 제공하기에 충분할 수 있다. 그러므로, O2의 부피 백분율은 유리하게는 배기 가스중 CO2 양의 0.5배 이상일 수 있다. 임의적으로는, 필요에 따라, 추가적인 공기를 캐쏘드 입력물에 첨가하여 캐쏘드 반응에 충분한 산화제를 제공할 수 있다. 일부 유형의 공기를 산화제로서 사용하는 경우, 캐쏘드 배출 가스중 N2의 양은 약 78부피% 이상, 예를 들어 약 88부피% 이상, 및/또는 약 95부피% 이하일 수 있다. 일부 양태에서, 캐쏘드 입력물 스트림은 추가로 또는 다르게는 통상 오염물질로 보여지는 성분(예컨대, H2S 또는 NH3)을 함유할 수 있다. 다른 양태에서는, 캐쏘드 입력물 스트림을 세정하여 이러한 오염물질의 함량을 감소시키거나 최소화할 수 있다.
전해질을 가로질러 수송하기 위한 카보네이트 이온을 형성하는 반응 이외에, 캐쏘드의 조건은 또한 질소 산화물의 나이트레이트 및/또는 나이트레이트 이온으로의 전환에도 적합할 수 있다. 이후, 편의상 나이트레이트 이온만 일컫는다. 생성되는 나이트레이트 이온도 애노드에서의 반응을 위해 전해질을 가로질러 수송될 수 있다. 캐쏘드 입력물 스트림중 NOx 농도는 전형적으로 ppm의 수준일 수 있으며, 따라서 이 나이트레이트 수송 반응은 전해질을 가로질러 수송되는 카보네이트의 양에 대해 최소한의 영향을 가질 수 있다. 그러나, 이 NOx 제거 방법은 가스 터빈으로부터의 연소 배기 가스에 기초한 캐쏘드 입력물 스트림에 유리할 수 있는데, 왜냐하면 이는 NOx 배출을 감소시키기 위한 메카니즘을 제공할 수 있기 때문이다. 캐쏘드의 조건은 추가로 또는 다르게는 미연소 탄화수소(캐쏘드 입력물 스트림중 O2와 함께)의 전형적인 연소 생성물(예컨대, CO2 및 H2O)로의 전환에 적합할 수 있다.
MCFC의 작동에 적합한 온도는 약 450℃ 내지 약 750℃, 예컨대 약 500℃ 이상일 수 있으며, 입구 온도는 약 550℃이고, 출구 온도는 약 625℃이다. 캐쏘드에 들어가기 전에, 필요한 경우 연소 배기 가스에 열을 가하거나 연소 배기 가스로부터 열을 제거하여, 애노드의 연료 입력의 개질 같은 다른 공정을 위한 열을 제공할 수 있다. 예를 들어, 캐쏘드 입력물 스트림의 공급원이 연소 배기 가스 스트림인 경우, 연소 배기 가스 스트림은 캐쏘드 입구의 목적하는 온도보다 더 높은 온도를 가질 수 있다. 이러한 양태에서는, 캐쏘드 입력물 스트림으로서 사용하기 전에 연소 배기 가스로부터 열을 제거할 수 있다. 다르게는, 연소 배기 가스는 예를 들어 석탄 연소식 보일러 상에서의 습윤 기체 스크러버 후에 매우 낮은 온도일 수 있는데, 이 경우 연소 배기 가스는 약 100℃ 미만일 수 있다.
추가적인 실시양태
실시양태 1. 복수의 공정 처리 유닛에서 가스를 공정 처리하는 방법으로서, 상기 공정 처리 유닛은 임의적으로 복수의 연료 전지들을 포함하고, 임의적으로 도관으로부터 임의적인 전이 영역으로 가스를 통과시키는 단계로서, 이때 상기 임의적인 전이 영역은 임의적으로 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 가지며, 상기 임의적인 전이 영역은 상기 도관과 유체 연통하고 공통 부피와 유체 연통하며, 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 임의적인 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 25%인, 단계; 상기 가스의 적어도 일부를 상기 도관 및/또는 상기 임의적인 전이 영역으로부터 상기 공통 부피 내로 도입시키는 단계로서, 이때 상기 공통 부피는 복수의 공정 처리 유닛을 포함하고, 상기 복수의 공정 처리 유닛은 a) 적어도 약 20개의 공정 처리 유닛 또는 b) 적어도 약 8개의 공정 처리 유닛을 포함하고, 상기 임의적인 전이 영역과 상기 공통 부피의 계면은 상기 공통 부피의 측면에 있고, 상기 복수의 공정 처리 유닛은 임의적으로 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되고,　상기 복수의 공정 처리 유닛 각각은 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로 및 상기 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로와 하나 이상의 제 2 공정 유동 경로 사이의 질량 교환 및 임의적으로 열교환을 수행하기 위한 하나 이상의 제 2 공정 유동 경로를 구비하며, 상기 공정 처리 유닛은 임의적으로 복수의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택이고, 상기 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로는 임의적으로 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로를 포함하는, 단계; 및 상기 복수의 공정 처리 유닛의 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로에서 도입된 가스의 적어도 일부를 공정 처리하기 위해 복수의 공정 처리 유닛을 작동시키는 단계로서, 이때 상기 복수의 공정 처리 유닛 각각은 상기 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로에 대한 공정 유동 경로 입구 압력을 가지며, 상기 복수의 공정 처리 유닛의 유 동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 임의적으로 약 8.0% 미만이고, 상기 복수의 공정 처리 유닛의 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로에서 공정 처리되는 도입된 가스의 적어도 일부는 개재된 매니폴드를 통과하지 않고 상기 공통 부피로부터 상기 복수의 공정 처리 유닛으로 통과되는, 단계를 포함한다.
실시양태 2. 복수의 공정 처리 유닛에서 가스를 공정 처리하는 방법으로서, 상기 공정 처리 유닛은 임의적으로 복수의 연료 전지들을 포함하고, 임의적으로 도관으로부터 임의적인 전이 영역으로 가스를 통과시키는 단계로서, 이때 상기 임의적인 전이 영역은 임의적으로 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 가지며, 상기 임의적인 전이 영역은 상기 도관과 유체 연통하고 공통 부피와 유체 연통하며, 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 임의적인 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 25%인, 단계; 상기 가스의 적어도 일부를 상기 도관 및/또는 상기 임의적인 전이 영역으로부터 상기 공통 부피 내로 도입시키는 단계로서, 이때 상기 공통 부피는 복수의 공정 처리 유닛을 포함하고, 상기 복수의 공정 처리 유닛은 a) 적어도 약 20개의 공정 처리 유닛 또는 b) 적어도 약 8개의 공정 처리 유닛을 포함하고, 상기 임의적인 전이 영역과 상기 공통 부피의 계면은 상기 공통 부피의 측면에 있고, 상기 복수의 공정 처리 유닛은 임의적으로 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되고,　상기 복수의 공정 처리 유닛 각각은 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로 및 상기 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로와 하나 이상의 제 2 공정 유동 경로 사이의 질량 교환 및 임의적으로 열교환을 수행하기 위한 하나 이상의 제 2 공정 유동 경로를 구비하며, 상기 공정 처리 유닛은 임의적으로 복수의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택이고, 상기 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로는 임의적으로 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로를 포함하는, 단계; 및 상기 복수의 공정 처리 유닛의 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로에서 도입된 가스의 적어도 일부를 공정 처리하기 위해 복수의 공정 처리 유닛을 작동시키는 단계로서, 이때 상기 복수의 공정 처리 유닛 각각은 상기 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로에 대한 공정 유동 경로 입구 압력을 가지며, 상기 복수의 공정 처리 유닛의 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 임의적으로 약 8.0% 미만이고, i) 가스의 적어도 제 2 부분은 상기 복수의 공정 처리 유닛 중 하나 이상의 공정 처리 유닛의 제 1 공정 유동 경로에서 공정 처리되고, 상기 가스의 적어도 제 2 부분은 상기 도관으로부터 하나 이상의 개재된 매니폴드를 통과하여 상기 복수의 공정 처리 유닛 중 하나 이상의 공정 처리 유닛으로 통과되고, 상기 하나 이상의 개재된 매니폴드는 상기 복수의 공정 처리 유닛 내의 모든 공정 처리 유닛보다 적은 수의 유체와 직접 유체 연통하거나, ii) 복수의 공정 처리 유닛의 제 1 공정 유동 경로에서 공정 처리되는 도입된 가스의 적어도 일부는 상기 복수의 공정 처리 유닛중의 모든 공정 처리 유닛과 직접 유체 연통하는 개재된 매니폴드를 통과하지 않고 공통 부피로부터 복수의 공정 처리 유닛으로 통과하거나, 또는 iii) i)과 ii)의 조합인, 단계를 포함한다.
실시양태 3. 복수의 공정 처리 유닛에서 가스를 공정 처리하는 방법으로서, 도관으로부터 전이 영역으로 가스를 통과시키는 단계로서, 이때 상기 전이 영역은 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 가지며, 상기 전이 영역은 상기 도관과 유체 연통하고 공통 부피와 유체 연통하며, 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 25%인, 단계; 상기 가스의 적어도 일부를 상기 전이 영역으로부터 상기 공통 부피 내로 도입시키는 단계로서, 이때 상기 공통 부피는 복수의 공정 처리 유닛을 포함하고, 상기 복수의 공정 처리 유닛 각각은 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로 및 상기 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로와 하나 이상의 제 2 공정 유동 경로 사이의 질량 교환 및 임의적으로 열교환을 수행하기 위한 하나 이상의 제 2 공정 유동 경로를 구비하며, 상기 복수의 공정 처리 유닛은 적어도 약 20개의 공정 처리 유닛을 포함하고, 상기 복수의 공정 처리 유닛은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되는, 단계; 및 상기 복수의 공정 처리 유닛의 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로에서 도입된 가스의 적어도 일부를 공정 처리하기 위해 복수의 공정 처리 유닛을 작동시키는 단계로서, 이때 상기 복수의 공정 처리 유닛 각각은 상기 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로에 대한 공정 유동 경로 입구 압력을 가지며, 상기 복수의 공정 처리 유닛의 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 약 8.0% 미만이고, 상기 복수의 공정 처리 유닛의 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로에서 공정 처리되는 도입된 가스의 적어도 일부는 개재된 매니폴드를 통과하지 않고 상기 공통 부피로부터 상기 복수의 공정 처리 유닛으로 통과되는, 단계를 포함한다.
실시양태 4. 복수의 공정 처리 유닛에서 가스를 공정 처리하는 방법으로서, 도관으로부터 전이 영역으로 가스를 통과시키는 단계로서, 이때 상기 전이 영역은 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 가지며, 상기 전이 영역은 상기 도관과 유체 연통하고 공통 부피와 유체 연통하며, 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 25%이고, 상기 전이 영역과 상기 공통 부피와의 계면은 상기 공통 부피의 측면에 있는, 단계; 상기 가스의 적어도 일부를 상기 전이 영역으로부터 상기 공통 부피 내로 도입시키는 단계로서, 이때 상기 공통 부피는 복수의 공정 처리 유닛을 포함하고, 상기 복수의 공정 처리 유닛 각각은 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로 및 상기 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로와 하나 이상의 제 2 공정 유동 경로 사이의 질량 교환 및 임의적으로 열교환을 수행하기 위한 하나 이상의 제 2 공정 유동 경로를 구비하며, 상기 복수의 공정 처리 유닛은 적어도 약 8개의 공정 처리 유닛을 포함하고, 상기 복수의 공정 처리 유닛은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되는, 단계; 및 상기 복수의 공정 처리 유닛의 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로에서 도입된 가스의 적어도 일부를 공정 처리하기 위해 복수의 공정 처리 유닛을 작동시키는 단계로서, 이때 상기 복수의 공정 처리 유닛 각각은 상기 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로에 대한 공정 유동 경로 입구 압력을 가지며, 상기 복수의 공정 처리 유닛의 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 약 8.0% 미만이고, 상기 복수의 공정 처리 유닛의 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로에서 공정 처리되는 도입된 가스의 적어도 일부는 개재된 매니폴드를 통과하지 않고 상기 공통 부피로부터 상기 복수의 공정 처리 유닛으로 통과되는, 단계를 포함한다.
실시양태 5. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하는 방법으로서, 도관으로부터 전이 영역으로 가스를 통과시키는 단계로서, 이때 상기 전이 영역은 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 가지며, 상기 전이 영역은 상기 도관과 유체 연통하고 공통 부피와 유체 연통하며, 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 25%인, 단계; 상기 가스의 적어도 일부를 상기 전이 영역으로부터 상기 공통 부피 내로 도입시키는 단계로서, 이때 상기 공통 부피는 복수의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 복수의 연료 전지를 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 20개 이상의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되는, 단계; 및 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 도입된 가스의 적어도 일부를 공정 처리하기 위해 복수의 연료 전지 스택을 작동시키는 단계로서, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 공정 유동 경로 입구 압력을 가지며, 상기 복수의 연료 전지 스택의 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 약 8.0% 미만이고, 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 공정 처리되는 도입된 가스의 적어도 일부는 개재된 매니폴드를 통과하지 않고 상기 공통 부피로부터 상기 복수의 연료 전시 스택으로 통과되는, 단계를 포함한다.
실시양태 6. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하는 방법으로서, 도관으로부터 전이 영역으로 가스를 통과시키는 단계로서, 이때 상기 전이 영역은 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 가지며, 상기 전이 영역은 상기 도관과 유체 연통하고 공통 부피와 유체 연통하며, 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 25%이고, 상기 공통 부피와의 전이 영역의 계면은 상기 공통 부피의 측면에 있는, 단계; 상기 가스의 적어도 일부를 상기 전이 영역으로부터 상기 공통 부피 내로 도입시키는 단계로서, 이때 상기 공통 부피는 복수의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 복수의 연료 전지를 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 적어도 약 8개의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되는, 단계; 및 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 도입된 가스의 적어도 일부를 공정 처리하기 위해 복수의 연료 전지 스택을 작동시키는 단계로서, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 공정 유동 경로 입구 압력을 가지며, 상기 복수의 연료 전지 스택의 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 약 8.0% 미만이고, 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 공정 처리되는 도입된 가스의 적어도 일부는 개재된 매니폴드를 통과하지 않고 상기 공통 부피로부터 상기 복수의 연료 전시 스택으로 통과되는, 단계를 포함한다.
실시양태 7. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하는 방법으로서, 도관으로부터 전이 영역으로 가스를 통과시키는 단계로서, 이때 상기 전이 영역은 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 가지며, 상기 전이 영역은 상기 도관과 유체 연통하고 공통 부피와 유체 연통하며, 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 25%인, 단계; 상기 가스의 적어도 일부를 상기 전이 영역으로부터 상기 공통 부피 내로 도입시키는 단계로서, 이때 상기 공통 부피는 복수의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 복수의 연료 전지를 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 20개 이상의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되는, 단계; 및 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 도입된 가스의 적어도 일부를 공정 처리하기 위해 복수의 연료 전지 스택을 작동시키는 단계로서, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 공정 유동 경로 입구 압력을 가지며, 상기 복수의 연료 전지 스택의 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 약 8.0% 미만이고, 가스의 적어도 제 2 부분은 상기 복수의 연료 전지 스택 중 하나 이상의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 공정 처리되고, 가스의 적어도 제 2 부분은 상기 도관으로부터 하나 이상의 개재된 매니폴드를 통과함으로써 복수의 연료 전지 스택의 하나 이상의 연료 전지 스택으로 통과되고, 상기 하나 이상의 개재된 매니폴드는 조합되어 상기 복수의 연료 전지 스택 내의 모든 연료 전지 스택과 적은 연료 전지 스택과 직접 유체 연통되는, 단계를 포함한다.
실시양태 8. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하는 방법으로서, 도관으로부터 전이 영역으로 가스를 통과시키는 단계로서, 이때 상기 전이 영역은 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 가지며, 상기 전이 영역은 상기 도관과 유체 연통하고 공통 부피와 유체 연통하며, 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 25%이고, 상기 전이 영역과 상기 공통 부피와의 계면은 상기 공통 부피의 측면에 있는, 단계; 상기 가스의 적어도 일부를 상기 전이 영역으로부터 상기 공통 부피 내로 도입시키는 단계로서, 이때 상기 공통 부피는 복수의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 복수의 연료 전지를 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 적어도 약 8개의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되는, 단계; 및 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 도입된 가스의 적어도 일부를 공정 처리하기 위해 복수의 연료 전지 스택을 작동시키는 단계로서, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 공정 유동 경로 입구 압력을 가지며, 상기 복수의 연료 전지 스택의 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 약 8.0% 미만이고, 가스의 적어도 제 2 부분은 상기 복수의 연료 전지 스택 중 하나 이상의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 공정 처리되고, 가스의 적어도 제 2 부분은 상기 도관으로부터 하나 이상의 개재된 매니폴드를 통과함으로써 복수의 연료 전지 스택의 하나 이상의 연료 전지 스택으로 통과되고, 상기 하나 이상의 개재된 매니폴드는 조합되어 상기 복수의 연료 전지 스택 내의 모든 연료 전지 스택보다 적은 연료 전지 스택과 직접 유체 연통되는, 단계를 포함한다.
실시양태 9. 실시양태 2, 7 또는 8 중 어느 하나에 있어서, 상기 개재된 매니폴드는 상기 복수의 연료 전지 스택 내의 약 75% 이하, 또는 약 50% 이하, 또는 약 33% 이하, 또는 약 25% 이하의 연료 전지 스택과 유체 연통되는, 방법.
실시양태 10. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하는 방법으로서, 도관으로부터 전이 영역으로 가스를 통과시키는 단계로서, 이때 상기 전이 영역은 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 가지며, 상기 전이 영역은 상기 도관과 유체 연통하고 공통 부피와 유체 연통하며, 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 25%인, 단계; 상기 가스의 적어도 일부를 상기 전이 영역으로부터 상기 공통 부피 내로 도입시키는 단계로서, 이때 상기 공통 부피는 복수의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 복수의 연료 전지를 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 20개 이상의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되는, 단계; 및 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 도입된 가스의 적어도 일부를 공정 처리하기 위해 복수의 연료 전지 스택을 작동시키는 단계로서, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 공정 유동 경로 입구 압력을 가지며, 상기 복수의 연료 전지 스택의 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 약 8.0% 미만이고, 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 공정 처리되는 도입된 가스의 적어도 일부는 상기 복수의 연료 전지 스택의 모든 연료 전지 스택과 직접 유체 연통되는 개재된 매니폴드를 통과하지 않고 상기 공통 부피로부터 상기 복수의 연료 전시 스택으로 통과되는, 단계를 포함한다.
실시양태 11. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하는 방법으로서, 도관으로부터 전이 영역으로 가스를 통과시키는 단계로서, 이때 상기 전이 영역은 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 가지며, 상기 전이 영역은 상기 도관과 유체 연통하고 공통 부피와 유체 연통하며, 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 25%이고, 상기 전이 영역과 상기 공통 부피와의 계면은 상기 공통 부피의 측면에 있는, 단계; 상기 가스의 적어도 일부를 상기 전이 영역으로부터 상기 공통 부피 내로 도입시키는 단계로서, 이때 상기 공통 부피는 복수의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 복수의 연료 전지를 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 적어도 약 8개의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되는, 단계; 및 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 도입된 가스의 적어도 일부를 공정 처리하기 위해 복수의 연료 전지 스택을 작동시키는 단계로서, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 공정 유동 경로 입구 압력을 가지며, 상기 복수의 연료 전지 스택의 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 약 8.0% 미만이고, 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 공정 처리되는 도입된 가스의 적어도 일부는 상기 복수의 연료 전지 스택의 모든 연료 전지 스택과 직접 유체 연통되는 개재된 매니폴드를 통과하지 않고 상기 공통 부피로부터 상기 복수의 연료 전시 스택으로 통과되는, 단계를 포함한다.
실시양태 12. 실시양태 2, 8 또는 9 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 공정 처리되는 도입된 가스의 적어도 일부는 상기 복수의 연료 전지 스택의 연료 전지 스택의 적어도 약 75%, 또는 적어도 약 50%, 또는 적어도 약 33%, 또는 적어도 약 25%와 직접 유체 연통되는 개재된 매니폴드를 통과하지 않고 상기 공통 부피로부터 상기 복수의 연료 전시 스택으로 통과되는, 방법.
실시양태 13. 상기 실시양태들 중 어느 하나에 있어서, 상기 전이 영역의 팽창 반각에서의 변동 계수 대 최소 반각에서의 변동 계수의 비가 약 2.0 이하, 또는 약 1.8 이하, 또는 약 1.6 이하인, 방법.
실시양태 14. 상기 실시양태들 중 어느 하나에 있어서, 상기 전이 영역과 상기 공통 부피와의 계면에서의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 50%, 또는 적어도 약 70%, 또는 적어도 약 80%, 또는 적어도 약 90%, 또는 적어도 약 99%인, 방법.
실시양태 15. 상기 실시양태들 중 어느 하나에 있어서, 상기 행 대 열 비가 약 0.5 내지 약 2.0이거나, 또는 상기 전이 영역의 팽창 반각이 약 30° 내지 약 70°, 또는 이들의 조합인, 방법.
실시양태 16. 상기 실시양태들 중 어느 하나에 있어서, 상기 전이 영역과 상기 공통 부피와의 계면에서의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 50%, 또는 적어도 약 70%, 또는 적어도 약 80%, 또는 적어도 약 90%, 또는 적어도 약 99%인, 방법.
실시양태 17. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하는 방법으로서, 가스의 적어도 일부를 도관으로부터 공통 부피 내로 도입시키는 단계로서, 이때 상기 공통 부피는 복수의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 복수의 연료 전지를 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 20개 이상의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되는, 단계; 및 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 도입된 가스의 적어도 일부를 공정 처리하기 위해 복수의 연료 전지 스택을 작동시키는 단계로서, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 공정 유동 경로 입구 압력을 가지며, 상기 복수의 연료 전지 스택의 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 약 8.0% 미만이고, 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 공정 처리되는 도입된 가스의 적어도 일부는 개재된 매니폴드를 통과하지 않고 상기 공통 부피로부터 상기 복수의 연료 전시 스택으로 통과되는, 단계를 포함하는, 방법.
실시양태 18. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하는 방법으로서, 가스의 적어도 일부를 도관으로부터 상기 공통 부피의 측면에 있는 공통 부피 내로 도입시키는 단계로서, 이때 상기 공통 부피는 복수의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 복수의 연료 전지를 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 적어도 약 8개의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되는, 단계; 및 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 도입된 가스의 적어도 일부를 공정 처리하기 위해 복수의 연료 전지 스택을 작동시키는 단계로서, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 공정 유동 경로 입구 압력을 가지며, 상기 복수의 연료 전지 스택의 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 약 8.0% 미만이고, 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 공정 처리되는 도입된 가스의 적어도 일부는 개재된 매니폴드를 통과하지 않고 상기 공통 부피로부터 상기 복수의 연료 전시 스택으로 통과되는, 단계를 포함하는, 방법.
실시양태 19. 상기 실시양태들 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수의 공정 처리 유닛 또는 연료 전지 스택의 유동 경로 입구 압력에 대한 상기 변동 계수는 약 6.0% 미만 또는 약 5.0% 미만인, 방법.
실시양태 20. 실시양태 1,2 또는 5 내지 19 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로는 연료 전지 캐쏘드를 포함하는, 방법.
실시양태 21. 실시양태 1, 2 또는 5 내지 20 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수의 연료 전지 스택의 각각은 복수의 용융 카보네이트 연료 전지를 포함하는, 방법.
실시양태 22. 실시양태 1, 2 또는 5 내지 21 중 어느 하나에 있어서, 상기 도입된 가스는 CO2-함유 가스를 포함하는, 방법.
실시양태 23. 실시양태 22에 있어서, 상기 도입된 CO2-함유 가스의 실질적으로 전부가 상기 복수의 연료 전지 스택의 캐쏘드에서 공정 처리되는, 방법.
실시양태 24. 실시양태 22 또는 23에 있어서, 상기 CO2-함유 가스가 연소 소스로부터의 배기 가스를 포함하는, 방법.
실시양태 25. 상기 실시양태들 중 어느 하나에 있어서, 상기 도관 내의 가스가 적어도 약 10.0 m/s, 또는 적어도 약 15.0 m/s, 또는 적어도 약 20.0 m/s의 속도를 갖는, 방법.
실시양태 26. 상기 실시양태들 중 어느 하나에 있어서, 상기 공동 부피 내의 도입된 가스가 약 5.0 m/s 이하, 또는 약 3.0 m/s 이하, 또는 약 2.0 m/s 이하의 공탑 속도를 갖는, 방법.
실시양태 27. 상기 실시양태들 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수의 공정 처리 유닛 또는 상기 복수의 연료 전지 스택은 적어도 2행의 공정 처리 유닛 또는 연료 전지 스택, 또는 적어도 3행의 공정 처리 유닛 또는 연료 전지 스택, 또는 적어도 4행의 공정 처리 유닛 또는 연료 전지 스택을 갖도록 배열되거나, 상기 복수의 공정 처리 유닛 또는 상기 복수의 연료 전지 스택은 적어도 약 25개의 공정 처리 유닛 또는 연료 전지 스택, 또는 적어도 약 35개의 공정 처리 유닛 또는 연료 전지 스택, 또는 적어도 약 45개의 공정 처리 유닛 또는 연료 전지 스택을 포함하거나, 또는 이들의 조합인, 방법.
실시양태 28. 실시양태 1, 2 또는 5 내지 27 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수의 연료 전지 스택의 상기 캐쏘드에서의 가스 유동의 평균 방향은 상기 공통 부피 내의 가스 유동의 평균 방향에 따라 실질적으로 정렬되는, 방법.
실시양태 29. 복수의 공정 처리 유닛에서 가스를 공정 처리하기 위한 시스템으로서, 가스를 전달하기 위한 하나 이상의 도관; 상기 하나 이상의 도관과 유체 연통하는 임의적인 전이 영역으로서, 상기 임의적인 전이 영역은 임의적으로 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 갖는, 영역; 상기 도관 및/또는 상기 임의적인 전이 영역과 유체 연통하는 공통 부피로서, 이때 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 임의적인 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 25%인, 공통 부피; 상기 공통 부피 내에 배열된 복수의 공정 처리 유닛으로서, 이때 상기 복수의 공정 처리 유닛은 임의적으로 복수의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 공정 처리 유닛은 개재된 매니폴드 없이 상기 공통 부피와 유체 연통되고, 상기 복수의 공정 처리 유닛은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비를 갖도록 배열되는, 공정 처리 유닛; 상기 공통 부피 외부의 상기 복수의 공정 처리 유닛 중 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로로부터 제 1 공정 유동 배기 스트림을 통과시키기 위한 복수의 제 1 공정 유동 매니폴드; 및 제 2 공정 유동 입력 스트림을 상기 다수의 공정 처리 유닛 중 하나 이상의 제 2 유동 경로에 전달하고 제 2 공정 유동 배기 스트림을 상기 공통 부피의 외부로 통과시키기 위한 복수의 제 2 공정 유동 도관을 포함하는, 시스템.
실시양태 30. 복수의 공정 처리 유닛에서 가스를 공정 처리하기 위한 시스템으로서, 가스를 전달하기 위한 하나 이상의 도관; 상기 하나 이상의 도관과 유체 연통되는 임의적인 전이 영역으로서, 상기 임의적인 전이 영역은 임의적으로 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 갖는, 전이 영역; 상기 도관 및/또는 상기 임의적인 전이 영역과 유체 연통되는 공통 부피로서, 이때 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 임의적인 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 25%인, 공통 부피; 상기 도관 및 상기 복수의 공정 처리 유닛 중 하나 이상의 공정 처리 유닛과 유체 연통되는 하나 이상의 임의적인 개재된 매니 폴드로서, 상기 하나 이상의 임의적인 개입된 매니폴드는 임의적으로 상기 복수의 연료 전지의 연료 전지 스택의 약 75% 이하, 또는 약 50% 이하, 또는 약 33% 이하, 또는 약 25% 이하와 같은 상기 복수의 연료 전지 스택 내의 모든 연료 전지 스택보다 적은 수의 연료 전지 스택과 직접 유체 연통되는, 매니폴드; 상기 공통 부피 내에 배치된 복수의 공정 처리 유닛으로서, 상기 복수의 공정 처리 유닛은 임의적으로 복수의 연료 전지 스택을 포함하고, 임의적으로 상기 공정 처리 유닛의 적어도 일부는 복수의 공정 처리 유닛 내의 공정 처리 유닛의 적어도 약 25%, 적어도 약 33%, 또는 적어도 약 50%, 또는 적어도 약 75%와 같은 개재된 매니폴드 없이 공통 부피와 유체 연통되고, 상기 복수의 공정 처리 유닛은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비를 갖도록 배열되는, 공정 처리 유닛; 상기 공통 부피 외부의 상기 복수의 공정 처리 유닛 중 하나 이상의 제 1 공정 유동 경로로부터 제 1 공정 유동 배기 스트림을 통과시키기 위한 복수의 제 1 공정 유동 매니폴드; 및 제 2 공정 유동 입력 스트림을 상기 복수의 공정 처리 유닛 중 하나 이상의 제 2 유동 경로에 전달하고 제 2 공정 유동 배기 스트림을 상기 공통 부피 외부로 통과시키기 위한 복수의 제 2 공정 유동 도관을 포함하는, 시스템.
실시양태 31. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하기 위한 시스템으로서, 가스를 전달하기 위한 하나 이상의 도관; 상기 하나 이상의 도관과 유체 연통하는 전이 영역으로서, 상기 전이 영역은 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 갖는, 전이 영역; 상기 전이 영역과 유체 연통하는 공통 부피로서, 이때 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 25%인, 공통 부피; 상기 공통 부피 내에 배열된 복수의 연료 전지 스택으로서, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택은 개재된 매니폴드 없이 상기 공통 부피와 유체연통되고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비를 갖도록 배열되고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 복수의 용융 카보네이트 연료 전지를 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택의 각각에서 상기 복수의 용융 카보네이트 연료 전지의 상기 캐쏘드는 상기 공통 부피 내의 평균 유동 방향에 따라 실질적으로 정렬되는, 연료 전지 스택; 애노드 입력물 스트림을 상기 복수의 연료 전지 스택의 애노드에 전달하고 상기 애노드 배출 스트림을 상기 공통 부피 외부로 통과시키기 위한 복수의 애노드 유동 도관; 및 상기 복수의 연료 전지 스택으로부터의 캐쏘드 배출 스트림을 상기 공통 부피 외부로 통과시키기 위한 복수의 캐쏘드 배출 매니폴드를 포함하는, 시스템.
실시양태 32. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하기 위한 시스템으로서, 가스를 전달하기 위한 하나 이상의 도관; 상기 하나 이상의 도관과 유체 연통하는 공통 부피, 상기 공통 부피 내에 배치된 복수의 연료 전지 스택으로서, 상기 연료 전지 스택은 개재된 매니폴드 없이 상기 공통 부피와 유체 연통되고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비를 갖도록 배열되고, 상기 복수의 연료 전지 스택의 각각은 복수의 연료 전지를 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 a) 약 20개 이상의 연료 전지 스택, 또는 b) 약 8개 이상의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 전이 영역과 상기 공통 부피와의 계면은 상기 공통 부피의 측면에 있는, 연료 전지 스택; 애노드 입력물 스트림을 상기 복수의 연료 전지 스택의 애노드에 전달하고 상기 애노드 배출 스트림을 상기 공통 부피 외부로 통과시키기 위한 복수의 애노드 유동 도관; 및 상기 복수의 연료 전지 스택으로부터의 캐쏘드 배출 스트림을 상기 공통 부피 외부로 통과시키기 위한 복수의 캐쏘드 배출 매니폴드를 포함하는, 시스템.
실시양태 33. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하기 위한 시스템으로서, 가스를 전달하기 위한 하나 이상의 도관; 상기 하나 이상의 도관과 유체 연통하는 전이 영역으로서, 상기 전이 영역은 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 갖는, 전이 영역; 상기 전이 영역과 유체 연통하는 공통 부피로서, 이때 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 25%인, 공통 부피; 상기 도관 및 상기 복수의 연료 전지 스택의 하나 이상의 연료 전지 스택과 유체 연통하는 하나 이상의 개재된 매니폴드로서, 조합되는 상기 하나 이상의 개입된 매니폴드는 복수의 연료 전지 스택 내의 연료 전지 스택의 약 75% 이하, 또는 약 50% 이하, 또는 약 33% 이하, 또는 약 25% 이하와 같이 복수의 연료 전지 스택 내의 모든 연료 전지 스택보다 적은 연료 전지 스택과 직접 유체 연통되는, 매니폴드; 상기 공통 부피 내에 배치된 복수의 연료 전지 스택으로서, 이때 상기 연료 전지 스택의 적어도 일부는 상기 공통 부피와 유체 연통되고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비를 갖도록 배열되고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 복수의 연료 전지를 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 a) 약 20개 이상의 연료 전지 스택, 또는 b) 약 8개 이상의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 전이 영역과 상기 공통 부피와의 계면은 상기 공통 부피의 측면에 있는, 연료 전지 스택; 애노드 입력물 스트림을 상기 복수의 연료 전지 스택의 애노드에 전달하고 상기 애노드 배출 스트림을 상기 공통 부피 외부로 통과시키기 위한 복수의 애노드 유동 도관; 및 상기 복수의 연료 전지 스택으로부터의 캐쏘드 배출 스트림을 상기 공통 부피 외부로 통과시키기 위한 복수의 캐쏘드 배출 매니폴드를 포함하는, 시스템.
실시양태 34. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하기 위한 시스템으로서, 가스를 전달하기 위한 하나 이상의 도관; 상기 하나 이상의 도관과 유체 연통하는 전이 영역으로서, 상기 전이 영역은 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 갖는, 전이 영역; 상기 전이 영역과 유체 연통하는 공통 부피로서, 이때 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 25%인, 공통 부피; 상기 공통 부피 내에 배치된 복수의 연료 전지 스택으로서, 상기 연료 전지 스택의 적어도 일부는 개재된 매니폴드 없이 상기 복수의 연료 전지 스택 내의 연료 전지 스택의 약 25% 이상, 또는 약 33% 이상, 또는 약 50% 이상, 또는 약 75% 이상과 같은 상기 공통 부피와 유체 연통되고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비를 갖도록 배열되고, 상기 복수의 연료 전지 스택의 각각은 복수의 연료 전지를 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 a) 약 20개 이상의 연료 전지 스택, 또는 b) 약 8개 이상의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 전이 영역과 상기 공통 부피와의 계면은 상기 공통 부피의 측면에 있는, 연료 전지 스택; 애노드 입력물 스트림을 상기 복수의 연료 전지 스택의 애노드에 전달하고 상기 애노드 배출 스트림을 상기 공통 부피 외부로 통과시키기 위한 복수의 애노드 유동 도관; 및 상기 복수의 연료 전지 스택으로부터의 캐쏘드 배출 스트림을 상기 공통 부피 외부로 통과시키기 위한 복수의 캐쏘드 배출 매니폴드를 포함하는, 시스템.
실시양태 35. 실시양태 29 내지 34 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수의 공정 처리 유닛의 제 1 공정 유동 경로 입구 압력 또는 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 약 8.0% 미만, 또는 약 6.0% 미만, 또는 약 5.0% 미만인, 시스템.
실시양태 36. 실시양태 35에 있어서, 최소 반각에서의 변동 계수에 대한 상기 팽창 반각에서의 변동 계수의 비가 약 2.0 이하, 또는 약 1.8 이하, 또는 약 1.6 이하인, 시스템.
실시양태 37. 실시양태 35 또는 36에 있어서, 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 50%, 또는 적어도 약 70%, 또는 적어도 약 80%, 또는 적어도 약 90%, 또는 적어도 약 99%인, 시스템.
실시양태 38. 실시양태 29 내지 31 또는 33 내지 37 중 어느 하나에 있어서, 상기 행 대 열 비가 약 0.5 내지 약 2.0이거나, 또는 상기 전이 영역의 팽창 반각이 약 30° 내지 약 70°, 또는 이들의 조합인, 시스템.
실시양태 39. 실시양태 29 내지 31 또는 33 내지 38에 있어서, 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 50%, 또는 적어도 약 70%, 또는 적어도 약 80%, 또는 적어도 약 90%, 또는 적어도 약 99%인, 시스템.
실시양태 40. 실시양태 30 내지 39 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로가 연료 전지 캐쏘드를 포함하는, 시스템.
실시양태 41. 실시양태30 내지 40 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수의 연료 전지 스택의 각각은 복수의 용융 카보네이트 연료 전지를 포함하는, 시스템.
실시양태 42. 실시양태 29 내지 41 중 어느 하나에 있어서, 상기 도입된 가스가 CO2-함유 가스를 포함하는, 시스템.
실시양태 43. 실시양태 42에 있어서, 상기 도입된 CO2-함유 가스의 실질적으로 전부가 상기 복수의 연료 전지 스택의 연료 전지 캐쏘드에서 공정 처리되는, 시스템.
실시양태 44. 실시양태 42 또는 43에 있어서, 상기 CO2-함유 가스가 연소 소스로부터의 배기 가스를 포함하는, 시스템.
실시양태 45. 실시양태 29 내지 44 중 어느 하나에 있어서, 상기 도관 내의 가스가 적어도 약 10.0 m/s, 또는 적어도 약 15.0 m/s, 또는 적어도 약 20.0 m/s의 속도를 갖는, 시스템.
실시양태 46. 실시양태 29 내지 45 중 어느 하나에 있어서, 상기 공동 부피 내의 상기 도입된 가스가 약 5.0 m/s 이하, 또는 약 3.0 m/s 이하, 또는 약 2.0 m/s 이하의 공탑 속도를 갖는, 시스템.
실시양태 47. 실시양태 29 내지 46 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수의 공정 처리 유닛 또는 상기 복수의 연료 전지 스택은 적어도 2행의 공정 처리 유닛 또는 연료 전지 스택, 또는 적어도 3행의 공정 처리 유닛 또는 연료 전지 스택, 또는 적어도 4행의 공정 처리 유닛 또는 연료 전지 스택을 갖도록 배열되거나, 상기 복수의 공정 처리 유닛 또는 상기 복수의 연료 전지 스택은 적어도 약 25개의 공정 처리 유닛 또는 연료 전지 스택, 또는 적어도 약 35개의 공정 처리 유닛 또는 연료 전지 스택, 또는 적어도 약 45개의 공정 처리 유닛 또는 연료 전지 스택을 포함하거나, 또는 이들의 조합인, 시스템.
실시양태 48. 실시양태 30 내지 47 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수의 연료 전지 스택의 상기 캐쏘드에서의 평균 가스 유동 방향은 상기 공통 부피 내의 평균 가스 유동 방향에 따라 실질적으로 정렬되는, 시스템.
본 발명이 특정 실시양태를 참조하여 기술되고 예시되었지만, 당업자는 본 발명이 그 자체로 본원에서 필수적으로 도시되지 않은 변형예를 제공함을 인식할 것이다. 이러한 이유로, 본 발명의 진정한 범주를 결정하기 위해 첨부된 청구범위만을 참조해야 한다.

Claims (32)

  1. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하는 방법으로서,
    도관으로부터 전이 영역으로 가스를 통과시키는 단계로서, 이때 상기 전이 영역은 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각(expansion half-angle)을 가지며, 상기 전이 영역은 상기 도관과 유체 연통하고 공통 부피와 유체 연통하고, 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 25%인, 단계;
    상기 가스의 적어도 일부를 상기 전이 영역으로부터 상기 공통 부피 내로 도입하는 단계로서, 이때 상기 공통 부피는 복수의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 복수의 연료 전지를 포함하며, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 20개 이상의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(row to column ratio)(R/C)를 갖도록 배열되는, 단계; 및
    상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 상기 도입된 가스의 적어도 일부를 공정 처리하기 위해 상기 복수의 연료 전지 스택을 작동시키는 단계로서, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 공정 유동 경로 입구 압력을 가지며, 상기 복수의 연료 전지 스택의 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 약 8.0% 미만인, 단계
    를 포함하고, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 공정 처리되는 도입된 가스의 적어도 일부는, 개재된 매니폴드를 통과하지 않고 상기 공통 부피로부터 상기 복수의 연료 전지 스택으로 통과되는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 연료 전지 스택의 상기 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 약 6.0% 미만 또는 약 5.0% 미만인, 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    최소 반각에서의 변동 계수에 대한 상기 팽창 반각에서의 변동 계수의 비가 약 2.0 이하, 또는 약 1.8 이하, 또는 약 1.6 이하인, 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 연료 전지 스택의 상기 공정 유동 경로가 연료 전지 캐쏘드를 포함하는, 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 연료 전지 스택 각각이 복수의 용융 카보네이트 연료 전지를 포함하는, 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 도입된 가스가 CO2-함유 가스를 포함하는, 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 도입된 CO2-함유 가스의 실질적으로 전부가 상기 복수의 연료 전지 스택의 캐쏘드에서 공정 처리되는, 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 CO2-함유 가스가 연소 소스(source)로부터의 배기 가스를 포함하는, 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 도관 내의 상기 CO2-함유 가스가 약 10.0 m/s 이상, 또는 약 15.0 m/s 이상, 또는 약 20.0 m/s 이상의 속도를 갖는, 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 공동 부피 내의 상기 CO2-함유 가스가 약 5.0 m/s 이하, 또는 약 3.0 m/s 이하, 또는 약 2.0 m/s 이하의 공탑 속도(superficial velocity)를 갖는, 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭이 상기 공통 부피의 폭의 약 50% 이상, 또는 약 70% 이상, 또는 약 80% 이상, 또는 약 90% 이상, 또는 약 99% 이상인, 방법.
  12. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하는 방법으로서,
    도관으로부터 전이 영역으로 가스를 통과시키는 단계로서, 이때 상기 전이 영역은 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 가지며, 상기 전이 영역은 상기 도관과 유체 연통하고 공통 부피와 유체 연통하고, 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 약 25% 이상이고, 상기 전이 영역과 상기 공통 부피와의 계면은 상기 공통 부피의 측면(side surface)에 있는, 단계;
    상기 가스의 적어도 일부를 상기 전이 영역으로부터 상기 공통 부피 내로 도입하는 단계로서, 이때 상기 공통 부피는 복수의 연료 전지 스택을 함유하고, 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 복수의 연료 전지를 포함하며, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 8개 이상의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되는, 단계; 및
    상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 상기 도입된 가스의 적어도 일부를 공정 처리하기 위해 상기 복수의 연료 전지 스택을 작동시키는 단계로서, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 공정 유동 경로 입구 압력을 가지며, 상기 복수의 연료 전지 스택의 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 약 8.0% 미만인, 단계
    를 포함하고, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 공정 처리되는 도입된 가스의 적어도 일부는, 개재된 매니폴드를 통과하지 않고 상기 공통 부피로부터 상기 복수의 연료 전지 스택으로 통과되는, 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    a) 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로가 연료 전지 캐쏘드를 포함하거나, b) 상기 복수의 연료 전지 스택이 복수의 용융 카보네이트 연료 전지를 포함하거나, c) 상기 도입된 가스가 CO2-함유 가스를 포함하거나, d) 상기 도입된 가스의 실질적으로 전부가 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 공정 처리되거나, e) 상기 a) 내지 d) 중 둘 이상의 조합이거나, 또는 f) 상기 a) 내지 d) 모두의 조합인, 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 연료 전지 스택이 2행(row) 이상의 연료 전지 스택, 또는 3행 이상의 연료 전지 스택, 또는 4행 이상의 연료 전지 스택을 갖도록 배열되는, 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 연료 전지 스택이 약 25개 이상의 연료 전지 스택, 또는 약 35개 이상의 연료 전지 스택, 또는 약 45개 이상의 연료 전지 스택을 포함하는, 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 행/열 비가 약 0.5 내지 약 2.0인, 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 전이 영역의 상기 팽창 반각이 약 30° 내지 약 70°인, 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭이 상기 공통 부피의 폭의 약 50% 이상, 또는 약 70% 이상, 또는 약 80% 이상, 또는 약 90% 이상, 또는 약 99% 이상인, 방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 연료 전지 스택의 상기 캐쏘드에서의 평균 가스 유동 방향이 상기 공통 부피 내의 평균 가스 유동 방향에 따라 실질적으로 정렬되는, 방법.
  20. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하기 위한 시스템으로서,
    가스를 전달하기 위한 하나 이상의 도관;
    상기 하나 이상의 도관과 유체 연통되며 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 갖는 전이 영역;
    상기 전이 영역과 유체 연통되는 공통 부피로서, 이때 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭이 상기 공통 부피의 폭의 약 25% 이상인, 공통 부피;
    상기 공통 부피 내에 배치된 복수의 연료 전지 스택으로서, 상기 연료 전지 스택은 개재된 매니폴드 없이 상기 공통 부피와 유체 연통되고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되고, 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 복수의 연료 전지를 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 a) 약 20개 이상의 연료 전지 스택을 포함하거나, 또는 b) 약 8개 이상의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 전이 영역과 상기 공통 부피와의 계면이 상기 공통 부피의 측면에 있는, 복수의 연료 전지 스택;
    애노드 입력물 스트림을 상기 복수의 연료 전지 스택의 애노드에 전달하고 애노드 배출 스트림을 상기 공통 부피 외부로 통과시키기 위한 복수의 애노드 유동 도관; 및
    상기 복수의 연료 전지 스택으로부터의 캐쏘드 배출 스트림을 상기 공통 부피 외부로 통과시키기 위한 복수의 캐쏘드 배출 매니폴드
    를 포함하는, 시스템.
  21. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하는 방법으로서,
    가스의 적어도 일부를 도관으로부터 공통 부피 내로 도입하는 단계로서, 이때 상기 공통 부피는 복수의 연료 전지 스택을 함유하고, 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 복수의 연료 전지를 포함하며, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 20개 이상의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되는, 단계; 및
    상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 상기 도입된 가스의 적어도 일부를 공정 처리하기 위해 상기 복수의 연료 전지 스택을 작동시키는 단계로서, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 공정 유동 경로 입구 압력을 가지며, 상기 복수의 연료 전지 스택의 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 약 8.0% 미만인, 단계
    를 포함하고, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 공정 처리되는 도입된 가스의 적어도 일부는, 개재된 매니폴드를 통과하지 않고 상기 공통 부피로부터 상기 복수의 연료 전지 스택으로 통과되는, 방법.
  22. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하는 방법으로서,
    가스의 적어도 일부를 도관으로부터 공통 부피의 측면에서 상기 공통 부피 내로 도입하는 단계로서, 이때 상기 공통 부피는 복수의 연료 전지 스택을 함유하고, 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 복수의 연료 전지를 포함하며, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 8개 이상의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되는, 단계; 및
    상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 상기 도입된 가스의 적어도 일부를 공정 처리하기 위해 상기 복수의 연료 전지 스택을 작동시키는 단계로서, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 공정 유동 경로 입구 압력을 가지며, 상기 복수의 연료 전지 스택의 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 약 8.0% 미만인, 단계
    를 포함하고, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 공정 처리되는 도입된 가스의 적어도 일부는, 개재된 매니폴드를 통과하지 않고 상기 공통 부피로부터 상기 복수의 연료 전지 스택으로 통과되는, 방법.
  23. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하는 방법으로서,
    도관으로부터 전이 영역으로 가스를 통과시키는 단계로서, 이때 상기 전이 영역은 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 가지며, 상기 전이 영역은 상기 도관과 유체 연통하고 공통 부피와 유체 연통하고, 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 25%인, 단계;
    상기 가스의 적어도 일부를 상기 전이 영역으로부터 상기 공통 부피 내로 도입하는 단계로서, 이때 상기 공통 부피는 복수의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 복수의 연료 전지를 포함하며, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 20개 이상의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되는, 단계; 및
    상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 상기 도입된 가스의 적어도 일부를 공정 처리하기 위해 상기 복수의 연료 전지 스택을 작동시키는 단계로서, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 공정 유동 경로 입구 압력을 가지며, 상기 복수의 연료 전지 스택의 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 약 8.0% 미만인, 단계
    를 포함하고, 이때 가스의 적어도 제 2 부분은 상기 복수의 연료 전지 스택 중의 하나 이상의 공정 유동 경로에서 공정 처리되고, 상기 가스의 적어도 제 2 부분은 상기 도관으로부터 하나 이상의 개재된 매니폴드를 통과함으로써 상기 복수의 연료 전지 스택 중 상기 하나 이상의 연료 전지 스택 내로 통과되고, 조합되는 상기 하나 이상의 개재된 매니폴드는 상기 복수의 연료 전지 스택 내의 모든 연료 전지 스택보다 적은 연료 전지 스택과 직접 유체 연통되는, 방법.
  24. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하는 방법으로서,
    도관으로부터 전이 영역으로 가스를 통과시키는 단계로서, 이때 상기 전이 영역은 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 가지며, 상기 전이 영역은 상기 도관과 유체 연통하고 공통 부피와 유체 연통하고, 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 약 25% 이상이고, 상기 전이 영역과 상기 공통 부피와의 계면은 상기 공통 부피의 측면에 있는, 단계;
    상기 가스의 적어도 일부를 상기 전이 영역으로부터 상기 공통 부피 내로 도입하는 단계로서, 이때 상기 공통 부피는 복수의 연료 전지 스택을 함유하고, 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 복수의 연료 전지를 포함하며, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 8개 이상의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되는, 단계; 및
    상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 상기 도입된 가스의 적어도 일부를 공정 처리하기 위해 상기 복수의 연료 전지 스택을 작동시키는 단계로서, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 공정 유동 경로 입구 압력을 가지며, 상기 복수의 연료 전지 스택의 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 약 8.0% 미만인, 단계
    를 포함하고, 이때 가스의 적어도 제 2 부분은 하나 이상의 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 공정 처리되고, 상기 가스의 적어도 제 2 부분은 상기 도관으로부터 하나 이상의 개재된 매니폴드를 통과함으로써 상기 복수의 연료 전지 스택 중 하나 이상의 연료 전지 스택 내로 통과되고, 조합되는 상기 하나 이상의 개재된 매니폴드는 상기 복수의 연료 전지 스택 내의 모든 연료 전지 스택보다 적은 연료 전지 스택과 직접 유체 연통되는, 방법.
  25. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 개재된 매니폴드는 상기 복수의 연료 전지 스택 중의 약 75% 이하, 또는 약 50% 이하, 또는 약 33% 이하, 또는 약 25% 이하의 연료 전지 스택과 유체 연통되는, 방법.
  26. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하는 방법으로서,
    도관으로부터 전이 영역으로 가스를 통과시키는 단계로서, 이때 상기 전이 영역은 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 가지며, 상기 전이 영역은 도관과 유체 연통하고 공통 부피와 유체 연통하고, 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 적어도 약 25%인, 단계;
    상기 가스의 적어도 일부를 상기 전이 영역으로부터 상기 공통 부피 내로 도입하는 단계로서, 이때 상기 공통 부피는 복수의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 복수의 연료 전지를 포함하며, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 20개 이상의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되는, 단계; 및
    상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 상기 도입된 가스의 적어도 일부를 공정 처리하기 위해 상기 복수의 연료 전지 스택을 작동시키는 단계로서, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 공정 유동 경로 입구 압력을 가지며, 상기 복수의 연료 전지 스택의 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 약 8.0% 미만인, 단계
    를 포함하고, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 공정 처리되는 도입된 가스의 적어도 일부는, 상기 복수의 연료 전지 스택의 모든 연료 전지 스택과 직접 유체 연통되는 개재된 매니폴드를 통과하지 않고 상기 공통 부피로부터 상기 복수의 연료 전지 스택으로 통과되는, 방법.
  27. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하는 방법으로서,
    도관으로부터 전이 영역으로 가스를 통과시키는 단계로서, 이때 상기 전이 영역은 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 가지며, 상기 전이 영역은 상기 도관과 유체 연통하고 공통 부피와 유체 연통하고, 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭은 상기 공통 부피의 폭의 약 25% 이상이고, 상기 전이 영역과 상기 공통 부피와의 계면은 상기 공통 부피의 측면에 있는, 단계;
    상기 가스의 적어도 일부를 상기 전이 영역으로부터 상기 공통 부피 내로 도입하는 단계로서, 이때 상기 공통 부피는 복수의 연료 전지 스택을 함유하고, 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 복수의 연료 전지를 포함하며, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 8개 이상의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되는, 단계; 및
    상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 상기 도입된 가스의 적어도 일부를 공정 처리하기 위해 상기 복수의 연료 전지 스택을 작동시키는 단계로서, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 공정 유동 경로 입구 압력을 가지며, 상기 복수의 연료 전지 스택의 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수는 약 8.0% 미만인, 단계
    를 포함하고, 이때 상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 공정 처리되는 도입된 가스의 적어도 일부는, 상기 복수의 연료 전지 스택의 모든 연료 전지 스택과 직접 유체 연통되는 개재된 매니폴드를 통과하지 않고 상기 공통 부피로부터 상기 복수의 연료 전지 스택으로 통과되는, 방법.
  28. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,
    상기 복수의 연료 전지 스택의 공정 유동 경로에서 공정 처리되는 도입된 가스의 적어도 일부는, 상기 복수의 연료 전지 스택 중의 약 75% 이상, 또는 약 50% 이상, 또는 약 33% 이상, 또는 약 25% 이상의 연료 전지 스택과 직접 유체 연통되는 개재된 매니폴드를 통과하지 않고 상기 공통 부피로부터 상기 복수의 연료 전지 스택으로 통과되는, 방법.
  29. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하기 위한 시스템으로서,
    가스를 전달하기 위한 하나 이상의 도관;
    상기 하나 이상의 도관과 유체 연통되는 공통 부피;
    상기 공통 부피 내에 배치된 복수의 연료 전지 스택으로서, 상기 연료 전지 스택은 개재된 매니폴드 없이 상기 공통 부피와 유체 연통되고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되고, 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 복수의 연료 전지를 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 a) 약 20개 이상의 연료 전지 스택을 포함하거나, 또는 b) 약 8개 이상의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 전이 영역과 상기 공통 부피와의 계면이 상기 공통 부피의 측면에 있는, 복수의 연료 전지 스택;
    애노드 입력물 스트림을 상기 복수의 연료 전지 스택의 애노드에 전달하고 애노드 배출 스트림을 상기 공통 부피 외부로 통과시키기 위한 복수의 애노드 유동 도관; 및
    상기 복수의 연료 전지 스택으로부터의 캐쏘드 배출 스트림을 상기 공통 부피 외부로 통과시키기 위한 복수의 캐쏘드 배출 매니폴드
    를 포함하는, 시스템.
  30. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하기 위한 시스템으로서,
    가스를 전달하기 위한 하나 이상의 도관;
    상기 하나 이상의 도관과 유체 연통되며 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 갖는 전이 영역;
    상기 전이 영역과 유체 연통되는 공통 부피로서, 이때 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭이 상기 공통 부피의 폭의 약 25% 이상인, 공통 부피;
    상기 도관 및 상기 복수의 연료 전지 스택 중의 하나 이상의 연료 전지 스택과 유체 연통되는 하나 이상의 개재된 매니폴드로서, 조합되는 상기 하나 이상의 개재된 매니폴드는 상기 복수의 연료 전지 스택 중의 모든 연료 전지 스택보다 적은 연료 전지 스택과 직접 유체 연통되는, 하나 이상의 개재된 매니폴드;
    상기 공통 부피 내에 배치된 복수의 연료 전지 스택으로서, 상기 연료 전지 스택의 적어도 일부는 상기 공통 부피와 유체 연통되고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되고, 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 복수의 연료 전지를 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 a) 약 20개 이상의 연료 전지 스택을 포함하거나, 또는 b) 약 8개 이상의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 전이 영역과 상기 공통 부피와의 계면이 상기 공통 부피의 측면에 있는, 복수의 연료 전지 스택;
    애노드 입력물 스트림을 상기 복수의 연료 전지 스택의 애노드에 전달하고 애노드 배출 스트림을 상기 공통 부피 외부로 통과시키기 위한 복수의 애노드 유동 도관; 및
    상기 복수의 연료 전지 스택으로부터의 캐쏘드 배출 스트림을 상기 공통 부피 외부로 통과시키기 위한 복수의 캐쏘드 배출 매니폴드
    를 포함하는, 시스템.
  31. 복수의 연료 전지에서 가스를 공정 처리하기 위한 시스템으로서,
    가스를 전달하기 위한 하나 이상의 도관;
    상기 하나 이상의 도관과 유체 연통되며 약 15° 내지 약 80°의 팽창 반각을 갖는 전이 영역;
    상기 전이 영역과 유체 연통되는 공통 부피로서, 이때 상기 공통 부피와의 계면에서의 상기 전이 영역의 폭이 상기 공통 부피의 폭의 약 25% 이상인, 공통 부피;
    상기 공통 부피 내에 배치된 복수의 연료 전지 스택으로서, 상기 연료 전지 스택의 적어도 일부는 개재된 매니폴드 없이 상기 공통 부피와 유체 연통되고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 약 0.2 내지 약 5.0의 행/열 비(R/C)를 갖도록 배열되고, 상기 복수의 연료 전지 스택 각각은 복수의 연료 전지를 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택은 a) 약 20개 이상의 연료 전지 스택을 포함하거나, 또는 b) 약 8개 이상의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 전이 영역과 상기 공통 부피와의 계면은 상기 공통 부피의 측면에 있는, 복수의 연료 전지 스택;
    애노드 입력물 스트림을 상기 복수의 연료 전지 스택의 애노드에 전달하고 애노드 배출 스트림을 상기 공통 부피 외부로 통과시키기 위한 복수의 애노드 유동 도관; 및
    상기 복수의 연료 전지 스택으로부터의 캐쏘드 배출 스트림을 상기 공통 부피 외부로 통과시키기 위한 복수의 캐쏘드 배출 매니폴드
    를 포함하는, 시스템.
  32. 제 20 항 및 제 29 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 연료 전지 스택의 유동 경로 입구 압력에 대한 변동 계수가 약 8.0% 미만, 또는 약 6.0% 미만, 또는 약 5.0% 미만인, 시스템.
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