KR20180026395A - 이산화탄소 포집 어셈블리를 갖는 고효율 연료 전지 시스템 및 방법 - Google Patents

이산화탄소 포집 어셈블리를 갖는 고효율 연료 전지 시스템 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20180026395A
KR20180026395A KR1020177036720A KR20177036720A KR20180026395A KR 20180026395 A KR20180026395 A KR 20180026395A KR 1020177036720 A KR1020177036720 A KR 1020177036720A KR 20177036720 A KR20177036720 A KR 20177036720A KR 20180026395 A KR20180026395 A KR 20180026395A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
topping
fuel
anode
cathode
Prior art date
Application number
KR1020177036720A
Other languages
English (en)
Inventor
모하마드 파루큐
칼라 유하스
라마크리슈난 벤카타라만
Original Assignee
퓨얼 셀 에너지, 인크
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 퓨얼 셀 에너지, 인크 filed Critical 퓨얼 셀 에너지, 인크
Publication of KR20180026395A publication Critical patent/KR20180026395A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0668—Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04895—Current
    • H01M8/04902—Current of the individual fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/14—Fuel cells with fused electrolytes
    • H01M2008/147—Fuel cells with molten carbonates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04783—Pressure differences, e.g. between anode and cathode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04895—Current
    • H01M8/0491—Current of fuel cell stacks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

고효율 연료 전지 시스템은 토핑 캐소드 부분 및 토핑 애노드 부분을 포함하는 토핑 연료 전지 어셈블리, 보터밍 캐소드 부분 및 보터밍 애노드 부분을 포함하는 보터밍 연료 전지 어셈블리로서, 보터밍 애노드 부분은 토핑 애노드 부분에서 배출되는 애노드 배기물을 수용하는, 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리, 및 이산화탄소 함유 배기물을 수용하도록 그리고 이산화탄소 함유 배기물에서 이산화탄소를 분리하도록 구성된 분리 어셈블리를 포함하되, 토핑 캐소드 부분 및 보터밍 캐소드 부분 중 적어도 하나는 연료 기체 생성 장치에서 배출되는 연료 기체의 적어도 일부를 수용하며, 그리고 토핑 연료 전지 어셈블리는 토핑 연료 전지 어셈블리가 보터밍 연료 전지 어셈블리보다 많은 연료를 이용하도록 보터밍 연료 전지 어셈블리보다 많은 수의 연료 전지를 갖는다.

Description

이산화탄소 포집 어셈블리를 갖는 고효율 연료 전지 시스템 및 방법
관련 특허 출원과의 상호 참조
본 출원은 2015년 6월 5일에 출원된 미국 출원 14/732,032의 혜택 및 그에 대한 우선권을 주장하며, 이의 전문이 본 명세서에 참조로 편입된다.
본 출원은 연료 전지 전력 생산 시스템들 및 특히, 이산화탄소 포집 능력을 갖는 멀티-스택 고효율 연료 전지 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것이다. 본 출원의 시스템들은 임의의 유형들의 연료 전지들 및 특히, 용융 탄산염 연료 전지들 및 고체 산화물 연료 전지들과 사용될 수 있다.
국제 에너지 기구(IEA, International Energy Agency)에 따르면 세계 에너지 소비량은 평균 에너지 사용이 2040년까지 매년 약 1.1%로 증가하면서 늘고 있다. 현재, 85%를 초과하는 에너지가 화석 연료에서 공급된다. 전기, 운송 및 난방을 위해 사용되는 화석 연료는 연소를 필요로 하여, 이산화탄소를 지구 대기로 배출시킨다. 사람들이 화석 연료를 사용하기 시작한 이후 대기 내 이산화탄소 농도는 거의 두 배가 되었고 대기 내 이산화탄소 농도 증가는 지구 온난화 추세의 주요한 원인으로 고려된다. 실제로, 세계는 대기 내 총 이산화탄소가 2040년까지 20%만큼 증가 가도를 달리고 있어, 전세계 3.6 C의 온도 상승이 예상된다. 지속될 수 있는 그리고 효율적인 화석 연료의 사용, 뿐만 아니라 배출된 이산화탄소의 포집은 지구 대기의 이산화탄소 농도의 증가를 늦추는 데 도움이 될 것이다. 종래 화석 연료 기반 연력 발전소들에 대한 난방 및 전기 생산의 대체 방법으로서, 보다 낮은 수준의 배출을 내는 연료 전지들의 개발이 진행 중이다.
연료 전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학 에너지를 전기적 반응에 의해 전기 에너지로 직접 변환시키는 디바이스이다. 일반적으로, 연료 전지는 전기적으로 대전된 이온들을 전도하는, 전해질 지지체에 의해 분리되는 애노드 및 캐소드를 포함한다. 유용한 전력 수준을 생산하기 위해, 다수의 각각의 연료 전지가 각 전지 사이 전기적으로 전도성인 분리판과 일렬로 적층된다.
건물의 연료 전지 시스템들에서, 각가의 연료 전지들은 연료 전지 스택을 형성하기 위해 함께 적층된다. 연료 전지들의 수는 연료 전지 스택의 전력 등급을 결정한다. 시스템들에 보다 높은 전력 등급들을 제공하기 위해, 다수의 연료 전지 스택이 이용되고 목적하는 전력 출력을 제공하기 위해 연료 전지 스택들의 출력들이 결합된다. 특정 연료 전지 시스템들에서, 연료 전지 스택(들)은 각각이, 인클로저 또는 격납 구조물 내에 하우징되는 하나 이상의 연료 전지 스택을 포함하는, 하나 이상의 연료 전지 모듈로 구성될 수 있다.
멀티-스택 연료 전지 시스템은 공통 인클로저 내에 하우징되는 다수의 연료 전지 스택을 갖는 연료 전지 스택 모듈을 포함할 수 있다. 고온 연료 전지 스택들 및 특히, 용융 탄산염 연료 전지 스택들을 위해 개발되는 이러한 디자인의 시스템에서는, 인클로저로서 박스형 격납 구조물이 채용되고 격납 구조물의 길이를 따라 연료 전지 스택들이 배열될 수 있다. 연료 전지 모듈 내 각 연료 전지 스택은 연료 전지 스택을 작동하는 데 필요한 연료 및 산화 기체를 수용하기 위한 유입 매니폴드들 및 애노드 및 캐소드가 연료 전지 스택에서 소모됨에 따른 폐 연료 및 산화 기체를 전달하기 위한 유출구 매니폴드들을 가질 수 있다. 연료 전지 모듈의 격납 구조물은 연료 전지 스택들의 각각의 연료 및 산화 기체 유입 매니폴드들과 덕트들을 통해 연통하는 연료 및 산화 기체 유입 포트들, 및 산화제 및 연료 기체 유출구 매니폴드들과 덕트들을 통해 연통하는 연료 및 산화 기체 유출구 포트들을 포함한다. 유입 및 유출 매니폴드들을 필요로 하지 않는 격납 구조물 내 연료 전지 스택들의 대안적인 배열체는 본 출원에서의 동일한 양수인에게 양도된, 미국 특허 번호 8,962,210에서 설명된다.
내부 개질 연료 전지들에서, 개질 촉매는 값비싸고 복잡한 외부 개질 장비 없이 탄화수소 연료 이를테면 파이프 라인 천연 가스, 액화 천연 가스(LNG), 액화 석유 가스(LPG), 바이오 가스, 메탄 함유 석유 가스 등의 직접 사용을 가능하게 하기 위해 연료 전지 스택 내에 배치된다. 내부 개질기에서, 연료 전지에 의해 생성되는 물 및 열은 개질 반응에 의해 사용되고, 개질 반응에 의해 생성되는 수소는 연료 전지에 사용된다. 연료 전지 반응에 의해 생성되는 열은 흡열 개질 반응에 열을 공급한다. 따라서, 연료 전지 스택을 냉각시키기 위해 내부 개질이 사용된다.
내부 개질 연료 전지 디자인들의 두 개의 상이한 유형이 개발되고 사용되어져 왔다. 내부 개질 연료 전지의 제1 유형은 직접 내부 개질(DIR, Direct Internally Reforming) 연료 전지 모듈이며, 여기서 직접 내부 개질은 연료 전지의 활성 애노드 컴파트먼트 내에 개질 촉매를 배치함으로써 실현된다. 내부 개질 연료 전지의 제2 유형은 간접 내부 개질(IIR, Indirect Internal Reforming)을 이용하며, 이는 연료 전지 스택 내 분리된 챔버에 개질 촉매를 배치함으로써 그리고 개질 기체를 이러한 챔버로부터 연료 전지의 애노드 컴파트먼트 내로 보냄으로써 실현된다. DIR 및 IIR 양자를 통합하는, 직접 연료 전지(DFC, Direct Fuel Cell)로도 불리우는, 내부 개질 용융 탄산염 연료 전지 시스템은 친환경 전력 생산을 위한 선택으로서 진전됐고 환경 보호 전력에 대한 주요한 옵션이다. 탄산염 발전소들은 종래의 연소 기반 발전소들보다 온실 기체 및 미세 먼지를 보다 적게 배출한다. 탄산염 발전소들은 NOx 기체, SOx 기체, 도는 미세 먼지를 거의 배출하지 않는다. 탄산염 발전소들은 캘리포니아 대기 자원 위원회(CARB, California Air Resources Board)에 의해 "초 청정"으로 지정되었다.
본 출원의 목적은 연료 기체 생산 시스템에서 배출되는 연료 기체를 이용하기 위한 그리고 이산화탄소가 용이하게 분리 및 포획될 수 있는 배기 가스를 배출하기 위한 연료 전지들을 포함하는 고효율 시스템를 제공하는 것이다. 보다 구체적으로, 본 출원은 연료 기체 생산 시스템에서 배출되는 연료 기체를 이용하고 CO2 농도가 건조 기준 90%에 임박한 CO2 짙은 기류를 생산하기 위해 연료 기체에서 CO2를 분리하고 이송하기 위해 제공하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
또한 본 출원의 목적은 연료 전지들 내 열적 균형을 유지하면서 80% 이상의 전체 연료 이용률 및 55% 이상의 전기 및 변환 시스템 효율이 달성되는, 비용 효율적인 모듈식 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 추가 목적은 시스템에 제공되는 연료의 약 80% 내지 100%를 이용하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 추가 목적은 토핑 연료 전지 모듈(들)의 배기물로부터 부분적으로 소모된 연료가 보터밍 연료 전지 모듈(들)에 공급되는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 출원의 추가 목적은 애노드 압력 부스터 및/또는 캐소드 압력 부스터의 필요를 제거하기 위해 연료 전지 모듈(들)의 캐소드 부분 및 애노드 부분 사이 압력의 균형을 맞추는 제어기를 연료 전지 시스템에 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 추가 목적은 토핑 연료 전지 모듈(들) 및 보터밍 연료 전지 모듈(들)에서 고 전기 출력을 유지하면서, 이산화탄소 이용률을 90% 초과까지 조정하는 제어기를 연료 전지 시스템에 지공하는 것이다.
이들 및 다른 목적들은 토핑 연료 전지 스택(들) 및 보터밍 연료 전지 스택(들)을 포함하고 작동 동안 고 연료 이용률을 가지며 보터밍 연료 전지 스택(들)의 애노드 배기물로부터의 CO2의 효율적인 농축 및 분리를 위해 제공하는 고효율 연료 전지 시스템에 의해 달성된다. 본 출원은 고효율 연료 전지 시스템의 배기물로부터의 효율적인 CO2 농축 및 분리를 위해 적어도 두 개의 가능한 구성을 갖는다. 시스템의 하나의 구성에서, 연료 기체 생성 장치, 이를테면 화석 연료 발전소 또는 화학 처리 시설으로부터의 연료 기체는 추가 공기를 부가하지 않고 또는 추가 공기를 부가하여, 유입 산화 기체로서 시스템의 캐소드들에 부분적으로 또는 전체로 공급된다. 이러한 시스템의 연료 전지들은 용융 탄산염 연료 전지들이고 연료 기체에 존재하는 CO2의 상당 부분은 전기화학적 연료 전지 반응에 의해 애노드 측에 수송되고 연료에 이미 존재하던 CO2와 결합된다. 보터밍 연료 전지 스택들로부터 매출되는 애노드 배기물에 존재하는 고도로 농축된 CO2는 분리 어셈블리에서 분리되고 저장 또는 다른 공정에서 사용을 위해 배출된다. 나머지 CO2 감손 애노드 배기물은 연료로서 연료 전지에 환류되거나 열 생성을 위해 또는 다른 화학 공정에 사용된다.
시스템의 다른 구성에서, 외부로부터의 공기 또는 건조 공기가 유입 산화 기체로서 시스템의 캐소드들에 공급된다. 이러한 시스템 구성의 연료 전지들은 고체 산화물 연료 전지들일 수 있다. 대안적으로, 인산 연료 전지들 또는 임의의 다른 유형의 연료 전지들이 이러한 시스템 구성에서 사용될 수 있다. 이러한 구성에서, CO2 농도는 높은 연료 이용률(약 80% 이상)로 인해 보터밍 연료 전지 스택(들)의 애노드 배기물에서 매우 높고 애노드 배기물에 존재하는 CO2는 분리 어셈블리에 의해 분리되고 저장 또는 다른 공정에서 사용을 위해 배출된다. 나머지 CO2 감손 배기물은 연료로서 연료 전지에 환류되거나 열 생성을 위해 또는 다른 화학 공정에 사용된다.
본 출원의 몇몇 실시예는 연료 기체 생성 장치로부터 연료 기체를 수용하도록 그리고 상기 연료 기체로부터 이산화탄소를 포집하도록 적응된 고효율 연료 전지 시스템에 의해 특징 지어지며, 상기 고효율 연료 전지 시스템은: 토핑 캐소드 부분 및 토핑 애노드 부분을 포함하는 토핑 연료 전지 어셈블리; 보터밍 캐소드 부분 및 보터밍 애노드 부분을 포함하는 보터밍 연료 전지 어셈블리로서, 상기 보터밍 애노드 부분은 상기 토핑 애노드 부분에서 배출되는 애노드 배기물을 수용하는, 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리; 및 이산화탄소 함유 배기물을 수용하도록 그리고 상기 이산화탄소 함유 배기물에서 이산화탄소를 분리하도록 구성된 분리 어셈블리를 포함한다. 상기 시스템에서, 상기 이산화탄소 함유 배기물은 상기 보터밍 애노드 부분에서 배출되는 애노드 배기물 및 상기 보터밍 애노드 부분에서 배출되는 상기 애노드 배기물에서 얻어지는 기체 중 하나이고, 상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분 중 적어도 하나는 상기 연료 기체 생성 장치에서 배출되는 상기 연료 기체의 적어도 일부를 수용한다.
본 출원의 상기 시스템에서, 상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분 각각은 병렬적으로 상기 연료 기체 생성 장치에서 배출되는 상기 연료 기체의 일부를 수용한다. 대안적으로, 상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분 중 하나는 상기 연료 기체 생성 장치에서 배출되는 상기 연료 기체의 적어도 일부를 수용하고 캐소드 배기물을 생성하며, 상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분 중 다른 하나는 상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분 중 상기 하나에 의해 생성되는 상기 캐소드 배기물을 수용한다. 예를 들어, 상기 토핑 캐소드 부분은 상기 연료 기체 생성 장치에서 배출되는 상기 연료 기체의 적어도 일부를 수용하고 캐소드 배기물을 생성하며, 상기 보터밍 캐소드 부분은 상기 토핑 캐소드 부분에 의해 생성되는 상기 캐소드 배기물을 수용한다. 몇몇 실시예에서, 상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분은 병렬적으로 또는 직렬적으로 상기 연료 기체를 수용하도록 적응된다. 상기 시스템은 상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분으로의 상기 연료 기체의 흐름이 병렬적이게 또는 직렬적이게 제어하기 위한 제어기를 더 포함한다.
몇몇 실시예에서, 상기 이산화탄소 함유 배기물은 상기 보터밍 애노드 부분으로부터 배출되는 애노드 배기물이고, 상기 분리 어셈블리는 분리된 이산화탄소를 배출하고 별도로 이산화탄소의 양이 감소된 분리된 애노드 배기물을 배출하며, 분리된 상기 애노드 배기물은 연료로서 사용하기 위해 상기 토핑 애노드 부분으로 환류된다. 상기 시스템은 또한 나머지 상기 분리된 애노드 배기물을 상기 토핑 애노드 부분에 환류시키기 전에 불활성 기체를 제거하기 위해 분리된 상기 애노드 배기물의 소량을 빼내기 위한 도관 및 흐름 제어 부재를 더 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 시스템은 상기 연료 기체가 상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분 중 상기 적어도 하나에 제공되기 전에 상기 연료 기체를 가열하기 위해 폐열을 생성하기 위해 그리고 상기 이산화탄소 함유 배기물을 생성하기 위해 공기 및 산소 중 하나 이상으로 상기 보터밍 애노드 부분에서 배출되는 애노드 배기물을 산화시키기 위한 산화기 어셈블리를 더 포함하고, 상기 분리 어셈블리는 분리된 이산화탄소를 배출하고 별도로 이산화탄소의 양이 감소된 분리된 기체를 배출한다.
특정 실시예들에서, 상기 분리 어셈블리는: 상기 이산화탄소 함유 배기물에서 물을 분리하기 위해 그리고 물이 분리된 이산화탄소 함유 배기물을 배출하기 위해 상기 이산화탄소 함유 배기물을 냉각시키기 위한 콘덴서, 및 이산화탄소 함유량이 감소된 분리된 기체를 배출하기 위해 그리고 별도로 격리 및 외부 사용 중 하나 이상에 적합한 이산화탄소를 배출하기 위해 상기 물이 분리된 이산화탄소 함유 배기물에서 이산화탄소를 분리하기 위한 이산화탄소 분리기를 포함한다. 상기 이산화탄소 분리기는 액체 이산화탄소를 생성하기 위한 압축 및 극저온 냉각공정, 용매 세척공정, 및 막 처리법 중 하나 이상을 사용하여 상기 이산화탄소를 분리한다.
상기 시스템은 제어기를 더 포함한다. 몇몇 실시예에서, 상기 제어기는 상기 토핑 연료 전지 어셈블리 및 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리의 각각에서의 연료 전지 캐소드 측 전기화학적 반응을 지지하게 그리고 미리 결정된 전체 CO2 이용률을 달성하게 상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분 중 상기 하나 이상으로의 상기 연료 기체의 유량을 제어하기 제어한다. 미리 결정된 전체 CO2 이용률은 50% 이상이고, 몇몇 실시예에서는 85% 이상이다. 몇몇 실시예에서, 상기 제어기는 상기 토핑 애노드 부분 및 상기 토핑 캐소드 부분 사이 압력의 균형이 맞춰지도록 그리고 상기 보터밍 애노드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분 사이 압력의 균형이 맞춰지도록 상기 토핑 연료 전지 어셈블리 및 보터밍 연료 전지 어셈블리를 통한 연료 기체 및 연료의 유량을 제어한다. 몇몇 실시예에서, 상기 보터밍 애노드 부분은 추가 연료를 수용하고, 상기 제어기는 상기 보터밍 애노드 부분으로 전달되는 추가 연료량을 제어하되, 상기 제어기는 상기 보터밍 애노드 부분에 전달되는 추가 연료량을 제어함으로써 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리에서 생성되는 전류량을 제어한다. 특정 실시예들에서, 상기 제어기는 다음:
(a) 상기 고효율 연료 전지 시스템의 작동 시간이 증가함에 따라, 상기 토핑 연료 전지 어셈블리들에 의해 생성되는 전류량이 감소하고 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리들에 의해 생성되는 전류량이 증가하도록 상기 토핑 연료 전지 어셈블리 및 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리에서 생성되는 전류량;
(b) 연료량량이 증가할 때 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리에서 생성되는 전류량이 증가되도록 연료량량에 기초하여 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리에서 생성되는 전류량;
(c) 상기 토핑 연료 전지 어셈블리에 그리고 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리에 병렬적으로 또는 직렬적으로 전달될 상기 연료 기체의 흐름;
(d) 미리 결정된 전체 CO2 이용률을 달성하기 위한 상기 토핑 연료 전지 어셈블리에 그리고 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리로의 연료 기체의 유량;
(e) 압력의 균형이 맞춰지도록 하는 상기 토핑 연료 전지 모듈들 및 상기 보터밍 연료 전지 모듈 사이 압력;
(f) 제1 및 제2의 상기 토핑 연료 전지 모듈들의 각각에 제공되는 연료 공급량;
(g) 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리에 제공되는 추가 연료량;
(h) 상기 분리 어셈블리로부터 상기 토핑 애노드 부분으로 배출되는 분리된 배기물의 환류; 및
(i) 상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분 중 하나 이상에 전달되는 캐소드 유입 기체 내 이산화탄소의 온도 및 농도를 제어하기 위해 상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분 중 상기 하나 이상에 공급되는 추가 공기량 중 하나 이상을 제어한다.
특정 실시예들에서, 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 전지를 갖되, 상기 연료 전지 시스템에 의한 전체 연료 이용률은 80% 이상이다.
특정 실시예들에서, 고효율 연료 전지 시스템은 연료 기체 생성 장치로부터의 연료 기체를 수용 및 사용하는 대신 토핑 캐소드 및 보터밍 캐소드에서 새로운 또는 건조된 새로운 공기를 사용할 것이다. 이러한 작동 모드에서, 보터밍 연료 전지들의 애노드들로부터의 배기물은 이산화탄소 및 물이 이용되지 않은 연료에서 분리되는 기체 분리 어셈블리에 전달된다. 분리된 이산화탄소는 격리 또는 다른 애플리케이션들을 위해 사용될 수 있다. 이산화탄소 및 물이 감소된, 분리된 이용되지 않은 연료는 가압되고 토핑 모듈로 공급되는 연료와 조합된다. 이러한 시스템에서의 연료 전지들은 고체 산화물 연료 전지들일 수 있다. 그러나, 이러한 시스템은 또한 인산 연료 전지들을 포함하여, 다른 유형들의 연료 전지들과 사용될 수도 있다.
본 출원의 상기한 그리고 다른 특징들 및 측면들이 첨부한 도면들과 함께 다음 상세한 설명을 읽을 때 보다 분명해질 것이며, 여기서:
도 1은 제1 토핑 연료 전지 모듈, 제2 토핑 연료 전지 모듈, 보터밍 연료 전지 모듈, 및 탄소 포집 어셈블리 를 포함하는 고효율 연료 전지 시스템을 도시한다; 그리고
도 2는 도 1의 고효율 연료 전지 시스템의 대안 실시예를 도시한다.
도시된 바와 같이 그리고 아래에 설명될 바와 같이, 본 출원은 보다 높은 전체 연료 이용률, 보다 높은 전력 출력 및 개선된 변환 시스템 효율을 유지하면서, 과잉 이산화탄소의 포집이 달성되는, 비용 효율적인 모듈식 연료 전지 시스템을 제공한다. 본 출원에 따르면, 연료 전지 시스템 하나 이상의 토핑 스택(들) 또는 토핑 스택 모듈(들) 및 하나 이상의 보터밍 스택(들) 또는 보터밍 스택 모듈(들)을 포함하는 복수의 연료 전지 스택 또는 복수의 연료 전지 스택 모듈을 포함하고, 여기서 하나 이상의 토핑 스택(들)/모듈(들)은 새 연료를 수용하고 하나 이상의 토핑 연료 전지 스택(들)/모듈(들)의 배기물로부터 부분적으로 소모된 연료가 하나 이상의 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)에 공급된다. 또한 연료 전지 시스템은 하나 이상의 연료 기체 생성 장치에서 배출되는 이산화탄소 함유 연료 기체를 수용 및 유입 산화 기체로서 이용하며, 이는 병렬적으로 도는 직렬적으로 하나 이상의 토핑 스택(들)/모듈(들) 및/또는 하나 이상의 보터밍 스택(들)/모듈(들)의 캐소드들에 제공될 수 있다. 시스템의 연료 전지 스택들에서의 전기화학적 반응들 동안, 연료 기체에 함유된 이산화탄소의 대부분이 추출되고 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)로부터의 애노드 배기물과 배출된다. 본 출원에서, 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)로부터의 애노드 배기물은 이산화탄소가 분리 및 포집되는 이산화탄소 포집 어셈블리에 전달되고, 사용되지 않는 연료를 포함하는 나머지 기류는 새 연료와 혼합되고 하나 이상의 토핑 연료 전지 스택(들)/모듈(들)에 공급될 수 있다. 특정 대안 실시예들에서, 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)로부터의 애노드 배기물은 애노드 배기물 산화기(AGO)에서 산화되고 그 후에 이산화탄소 포집 어셈블리에 전달되며, 여기서 이산화탄소는 AGO 배기물에서 분리되어 비축되거나 외부에서 사용된다. 본 출원의 실시예들 양자에서, 시스템에 공급되는 90%까지의 이산화탄소가 애노드 배기물에 분리 및 농축되고, 이산화탄소는 포집 및 격리를 위해 애노드 배기물에서 분리된다. 또한, 토핑 및 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)에서의 이산화탄소 이용률은 계속해서 토핑 및 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)에서의 고 전압을 유지하면서, 50% 이상 그리고 몇몇 실시예에서는 85% 이상, 또는 90%에 임박하는 전체 이산화탄소 이용률을 유지하도록 제어 및 조정된다.
본 출원의 시스템의 구성에서, 토핑 및 보터밍 연료 전지 스택들/모율들에서의 연료 이용률은 계속해서 시스템의 전체 연료 이용률 및 전기 효율을 증가시키면서 목적하는 한도 내에서 제어된다. 구체적으로, 토핑 연료 전지 스택(들)/모듈(들) 및 이용되는 연료의 크기가 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)의 크기보다 크게 만들어진다. 특정 대표적인 실시예들에서, 시스템은 두 개 이상의 스택을 갖는 토핑 연료 전지 스택 또는 모듈 및 두 개 이상의 스택을 갖는 보터밍 연료 전지 스택을 포함하되, 여기서 토핑 연료 전지 스택은 토핑 스택이 보터밍 스택보다 연료 공급에서 많은 연료를 이용하도록 보터밍 연료 전지 스택보다 직렬적으로 적층되는 많은 수의 연료 전지를 갖는다. 다른 대표적인 실시예들에서, 시스템은 다수의 토핑 연료 전지 모듈 및 하나 이상의 보터밍 연료 전지 모듈을 포함하되, 여기서 각 연료 전지 모듈은 하나 이상의 연료 전지 스택을 포함하고, 토핑 연료 전지 모듈들의 수가 보터밍 연료 전지 모듈들의 수보다 크다. 몇몇 실시예에서, 토핑 연료 전지 스택/모듈들은 연료의 약 2/3를 소모하고 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)은 연료 공급에서의 연료의 나머지 약 1/3을 소모한다. 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)은 추가 새 연료를 수용할 수 있으며, 이는 건조 연료일 수 있거나 미리 수증기와 혼합된 것일 수 있다. 또한, 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)에서의 전류 밀도는 토핑 연료 전지 스택/모듈들에서의 전류 밀도보다 낮다.
본 출원에서, 토핑 스택(들)/모듈(들)에서 그리고 보터밍 스택(들)/모듈(들)에서 생성되는 전류는 시스템의 작동 시간이 흐름에 따라 제어될 수 있다. 구체적으로, 시간이 흐름에 따라, 보터밍 스택(들)/모듈(들)에서 생성되는 전류는 증가되면서 토핑 스택(들)/모듈(들)에서 생성되는 전류는 감소될 수 있다. 보터밍 스택(들)/모듈(들)에서, 생성되는 전류는 보터밍 스택(들)/모듈(들)에 공급되는 메탄 또는 다른 새 연료의 양에 기초하여 변한다. 또한, 보터밍 스택(들)/모듈(들)에서 생성되는 전류는 고객의 열 및 연료량에 적응하도록 조정가능할 수 있다. 예를 들어, 고객의 연료량이 보다 클 때, 보터밍 스택(들)/모듈(들)의 출력은 증가될 수 있다. 또한, 보터밍 스택(들)/모듈(들)로부터 전달되는 애노드 배기물을 산화시키는 산화기는 보터밍 모듈의 다양한 출력 수준으로 보터밍 스택(들)/모듈(들)로부터의 애노드 배기물을 처리할 수 있게 하는 디자인 특징들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 보터밍 스택(들)/모듈(들)이 보다 적은 전력을 생성할 때, 애노드 배기물 산화기로의 애노드 배기물에 공급되는 과잉 연료는 보다 많을 것이고, 그에 따라 애노드 배기물 산화기는 다량의 이용되지 않은 연료를 핸들링할 수 있도록 디자인된다. 특정 실시예들에서, 시스템은 압력이 터빈을 통해 낮아지기 전에 에너지 재생 생성 시스템(Energy Recovery Generation System)에서의 기체 분배 시스템으로부터의 고압 천연 가스를 가열하기 위해 고효율 연료 전지 시스템의 시설 배기물의 열을 사용하도록 적응될 수 있다. 기체 분배 시스템으로부터의 고압 천연 가스를 가열하기 위한 연료 전지 발전소로부터의 열의 사용은 본 출원에서의 동일한 양수인에게 양도된, 미국 특허 번호 8,080,344에서 논의된다.
몇몇 실시예에서, 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)에 공급되는 토핑 연료 전지 스택(들)/모듈(들)로부터의 애노드 배기물의 압력은 애노드 압력 부스터를 사용하여 제어될 수 있고, 토핑 연료 전지 스택(들)/모듈(들)에 공급되는 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)로부터의 캐소드 배기물의 압력은 캐소드 압력 부스터를 사용하여 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 토핑 모듈에서의 애노드 및 캐소드 스트림들 사이 차압이 애노드 압력 부스터 및/또는 캐소드 압력 부스터를 사용하여 제어될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 토핑 및 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)에서의 애노드들 및 캐소드들 사이 압력들은 애노드 압력 부스터 및 캐소드 압력 부스터 중 하나 이상이 시스템으로부터 제거되도록 균형이 맞춰진다.
본 출원은 시스템의 연료 전지들에서, 특히 보터밍 스택(들)/모듈(들)의 연료 전지들에서, 연료 전지들에서의 개선된 열적 균일성을 더 제공한다. 몇몇 실시예에서, 보터밍 스택(들)/모듈(들)에서의 전지들은 보터밍 스택(들)/모듈(들)에서의 전지들의 열적 균일성을 개선하기 위해 토핑 스택(들)/모듈(들)에서의 전지들과 상이한 양 및 상이한 분배의 직접 내부 개질(DIR) 촉매를 사용한다. 구체적으로, 보터밍 스택(들)/모듈(들)에서의 전지들은 애노드 유입 영역으로부터 애노드 유출 영역으로 로딩되면서 점증하는 직접 내부 개질 촉매를 갖는다. 그에 반해, 토핑 스택(들)/모듈(들)에서의 전지들은 애노드 유입으로부터 유출 영역으로 균일하게 분배되는 DIR 촉매를 갖는다.
본 출원의 그리고 아래에서 보다 상세하게 설명될 시스템들은 특히 용융 탄산염 연료 전지 스택들과 사용하기에 적합하다. 그러나, 이들 시스템은 고체 산화물 연료 전지 스택들가 그리고 다른 유형들의 연료 전지들과 사용하기 위해 적응될 수 있다. 예를 들어, 본 출원의 시스템은 시스템이 병렬적으로 또는 직렬적으로 하나 이상의 토핑 스택(들)/모듈(들) 및/또는 하나 이상의 보터밍 스택(들)/모듈(들)의 캐소드들에 제공되는, 유입 산화 기체로서 새로운 공기 또는 건조된 새로운 공기를 수용하도록 고체 산화물 연료 전지들 및/또는 인산 연료 전지들과 사용하기 위해 적응될 수 있다. 시스템의 연료 전지 스택들에서의 전기화학적 반응 동안, 연료 전지들이 탄산염 연료 전지들일 때 연료에 그리고 유입 산화 기체에 합유되는 이산화탄소의 대부분은 애노드 배기물로서 보터밍 스택(들)/모듈(들)의 애노드들로부터 배출되며, 이는 이산화탄소가 분리 및 포집되는, 이산화탄소 포집 어셈블리(기체 분리 어셈블리)에 전달되고, 사용되지 않는 연료를 포함하는 나머지 기류는 새 연료와 혼합되고 하나 이상의 토핑 연료 전지 스택(들)/모듈(들)에 공급될 수 있다. 몇몇 대안 실시예에서, 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)로부터의 애노드 배기물은 애노드 배기물 산화기(AGO)에서 산소로 산화되고 그 후에 이산화탄소 포집 어셈블리에 전달되며, 여기서 이산화탄소는 AGO 배기물에서 분리되어 비축되거나 외부에서 사용된다. 이들 시스템은 시스템 배기물로부터의 이산화탄소를 분리 및 포획하면서도 고효율 연료 이용률을 내기 위해 토핑 및 보터밍 연료 전지 스택(들)/모듈(들)에서 고체 산화물 연료 전지들과 사용하기에 적합하다. 또한, 이들 시스템은 인산 연료 전지들 또는 다른 유형들의 연료 전지들을 대용할 수 있다.
도 1은 본 출원의 모듈식 연료 전지 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 1에 도시된 연료 전지 시스템(100)은 종래 연료 전지 시스템들에 비해 개선된 수행 효율 및 특히, 보다 높은 연료 이용률 및 전력 출력을 갖고, 종래 기술에 설명된 종래 연료 전지 시스템들에 비해 제조 및 운영 비용 효율을 제공한다. 시스템(100)은 시스템에 의해 생성되는 배기물로부터 이산화탄소를 포집하여, 시스템(100)의 전체 탄소 발자국을 감소시킨다. 연료 전지 시스템(100)의 개선된 성능, 비용 효율 및 탄소 포집 능력은 본 명세서 아래에서 보다 상세하게 설명된다.
도 1의 연료 전지 시스템(100)은 토핑 연료 전지 어셈블리 및 보터밍 연료 전지 어셈블리를 포함한다. 도 1에서, 토핑 연료 전지 어셈블리는 제1 및 제2 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112)을 포함하는 한편 보터밍 연료 전지 어셈블리는 보터밍 연료 전지 모듈(122)을 포함한다. 제1 토핑 연료 전지 모듈(102)은 하나 이상의 제1 연료 전지 스택들(102A)을 포함하고, 각 연료 전지 스택은 두 개 이상의 전지를 갖고 제1 토핑 캐소드 부분(104) 및 제1 토핑 애노드 부분(106)을 갖는다. 도 1에, 제1 토핑 연료 전지 모듈(102)이 하나의 연료 전지 스택을 갖는 것으로 도시되지만, 몇몇 실시예에서는, 제1 연료 전지 토핑 모듈(102)이 유사한 구성들을 갖고 공통 격납 구조물 내에 배치되는 두 개 이상의 연료 전지 스택을 포함한다는 것이 이해된다. 제1 토핑 연료 전지 모듈(102)에서의 연료 전지 스택들은 고온 용융 탄산염 연료 전지 스택들을 포함할 수 있다. 각 스택(102A)의 각 전지에서, 제1 토핑 캐소드 부분(104) 및 제1 토핑 애노드 부분(106)은 전해질 지지체에 저장된 용융 탄산염 전해질(미도시)에 의해 분리된다.
도 1에서, 제1 토핑 연료 전지 스택(102A)은 내부 개질 연료 전지 스택이고 직접 내부 개질, 간접 내부 개질 또는 직접 및 간접 내부 개질 양자의 조합 중 어느 하나를 포함한다. 본 예시적인 실시예에서, 제1 토핑 연료 전지 스택(102A)은 연료 공급의 일부를 수용하고 수소 및 일산화탄소를 포함하는, 개질된 또는 부분적으로 개질된 연료를 연료 턴 매니폴드(106A)에 전달하는 하나 이상의 내부 개질 유닛(148)을 포함하며, 이는 연료를 연료가 제1 토핑 캐소드 부분(104)을 통과하는 산화 기체와 전기화학적 반응을 일으키는 스택의 전지들의 제1 토핑 애노드 부분(106)으로 보낸다. 도 1의 예시적인 실시예에서, 제1 토핑 캐소드 부분(104)은 개방 스택 면을 통해 공통 격납 구조물에 제공되는 산화 기체, 예를 들어, 연료 기체 생성 장치에 의해 생성되는 연료 기체를 수용한다. 그러나, 다른 실시예들에서, 산화 기체는 캐소드 유입 매니폴드(미도시)를 통해 제1 토핑 캐소드 부분(104)에 공급될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 토핑 캐소드 부분(104)은 캐소드 유출 매니폴드(cathode outlet manifold, 108)에 캐소드 배기물을 전달한다. 그 후 캐소드 배기물은 제1 토핑 연료 전지 모듈(102) 내부 또는 외부 중 어느 하나에 제공될 수 있는 열 교환기(136)로 캐소드 유출 매니폴드(108)로부터 적합한 덕팅을 통해 전달된다. 제1 토핑 애노드 부분(106)은 애노드 배기물을 애노드 유출 매니폴드(anode outlet manifold, 110)에 전달한다. 그 후 애노드 배기물은 보터밍 연료 전지 모듈(122)에 사용하기 위해 애노드 유출 매니폴드(110)로부터 제1 토핑 연료 전지 모듈(102)의 외부로 전달된다.
위에서 언급된 바와 같이, 제1 토핑 스택(102A)은 하나 이상의 내부 개질 유닛(148)을 포함한다. 수소, 이산화탄소 및 일산화탄소는 하나 이상의 내부 개질 유닛(148)을 통과하는 연료로부터 생성된다. 그 후 개질된 또는 부분적으로 개질된 연료는 연료 턴 매니폴드(106A)를 통해 스택의 제1 토핑 애노드 부분(106)으로 공급된다. 스택의 제1 토핑 애노드 부분(106)에서, 수소는 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하고, 일산화탄소는 전기화학적으로 반응하여 이산화탄소를 형성하거나 또는 물과 전기화학적으로 반응하여 수소 및 이산화탄소를 생성한다. 또한 직접 내부 개질(DIR)은 제1 토핑 애노드 부분(106)의 애노드 컴파트먼트(들)에 개질 촉매를 배치함으로써 그리고 특히, 스택에서의 각 전지의 애노드 컴파트먼트(들)의 애노드 집전기의 코루게이션들(corrugations)에 개질 촉매를 배치함으로써 제1 토핑 스택(102A)의 각 전지에 제공될 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 제1 토핑 연료 전지 모듈(102)은 다수의 제1 토핑 연료 전지 스택을 포함할 수 있다. 각 연료 전지 모듈에서의 연료 전지 스택들의 수는 목적하는 전력 출력을 제공하는 데 필요한 수에 기초하여 결정된다. 각 연료 전지 스택에서의 연료 전지들의 수는 요청된 출력, 스택들의 크기 및 무게 및 운반의 용이함에 의해 결정될 수 있다.
또한 연료 전지 시스템(100)의 토핑 연료 전지 어셈블리는 제2 토핑 연료 전지 모듈(112)을 포함하며, 이는 하나 이상의 연료 전지 스택을 포함한다. 제1 토핑 연료 전지 모듈(102)과 같이, 도 1은 단일 연료 전지 스택(112A)이 제2 토핑 연료 전지 모듈(112)에 포함되는 것으로 도시하나, 두 개 이상의 제2 토핑 연료 전지 스택(112A)이 제2 토핑 연료 전지 모듈(112)에 포함될 수 있고 동일한 격납 구조물에 하우징될 수 있다. 제2 토핑 연료 전지 모듈(112)에서의 제2 토핑 연료 전지 스택들은 고온 용융 탄산염 연료 전지들을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제2 토핑 연료 전지 스택(112A)은 스택의 각 전지에서 그 안에 용융 탄산염 전해질(미도시)을 저장한 전해질 지지체에 의해 분리되는 제2 토핑 캐소드 부분(114) 및 제2 토핑 애노드 부분(116)을 포함한다. 제2 토핑 애노드 부분(116)으로 들어가는 연료는 부분적으로 또는 완전히 개질된 수소 및 일산화탄소를 포함하는 연료를 생산하기 위해 내부에서 개질되며, 이는 그 후 제2 토핑 캐소드 부분(114)을 통과하는 산화 기체와 전기화학적 반응을 일으킨다. 스택의 제2 토핑 애노드 부분(116)에서, 수소는 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하고, 일산화탄소는 전기화학적으로 반응하여 이산화탄소를 형성하거나 또는 물과 전기화학적으로 반응하여 수소 및 이산화탄소를 생성한다. 제2 토핑 연료 전지 스택(112A)은 간접 내부 개질, 직접 내부 개질 또는 직접 및 간접 내부 개질 양자의 조합을 포함한다. 본 예시적인 실시예에서, 제2 토핑 연료 전지 스택(112A)은 연료 공급의 일부를 수용하고 수소 및 일산화탄소를 포함하는, 개질된 또는 부분적으로 개질된 연료를 연료 턴 매니폴드(116A)에 전달하는 하나 이상의 내부 개질 유닛(150)을 포함하며, 이는 연료를 연료가 산화 기체와 전기화학적 반응을 일으키는 스택의 제2 토핑 애노드 부분(116)으로 보낸다. 도 1에서, 제2 토핑 캐소드 부분(114)은 개방 캐소드 유입 스택 면을 통해 공통 격납 구조물에 제공되는 산화 기체, 예를 들어, 연료 기체 생성 장치에 의해 생성되는 연료 기체를 수용한다. 그러나, 다른 실시예들에서, 산화 기체는 캐소드 유입 매니폴드(미도시)를 통해 제2 토핑 캐소드 부분(114)에 공급될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제2 토핑 캐소드 부분(114)은 캐소드 유출 매니폴드(118)에 캐소드 배기물을 전달한다. 그 후 캐소드 배기물은 제2 토핑 연료 전지 모듈(112) 내부 또는 외부 중 어느 하나에 제공될 수 있는 열 교환기(138)로 캐소드 유출 매니폴드(118)로부터 적합한 덕팅을 통해 전달된다. 제2 토핑 애노드 부분(116)은 애노드 배기물을 애노드 유출 매니폴드(120)에 전달한다. 그 후 애노드 배기물은 보터밍 연료 전지 모듈(122)에 사용하기 위해 애노드 유출 매니폴드(120)로부터 제2 토핑 연료 전지 모듈(112)의 외부로 전달된다.
위에서 언급된 바와 같이, 제2 토핑 연료 전지 스택(112A)은 하나 이상의 내부 개질 유닛(150)을 포함한다. 수소, 이산화탄소 및 일산화탄소는 하나 이상의 내부 개질 유닛(150)을 통과하는 연료로부터 생성된다. 그 후 개질된 또는 부분적으로 개질된 연료는 턴 매니폴드(116A)를 통해 스택의 제2 토핑 애노드 부분(116)으로 공급된다. 또한 직접 내부 개질(DIR)은 제2 토핑 애노드 부분(116)의 애노드 컴파트먼트(들)에 개질 촉매를 배치함으로써 그리고 특히, 제2 토핑 스택(112A)의 각 전지에서의 애노드 컴파트먼트(들)의 애노드 집전기의 코루게이션들에 개질 촉매를 배치함으로써 제2 토핑 스택(112A)에 제공될 수 있다.
제1 토핑 연료 전지 모듈(102)에 대하여 위에서 설명된 바와 유사하게, 제2 토핑 연료 전지 모듈(112)은 유사한 구성을 갖는 다수의 제2 토핑 연료 전지 스택을 포함할 수 있다. 모듈당 연료 전지 스택들의 수는 목적하는 전력 출력을 제공하는 데 필요한 수에 기초하여 결정된다. 각 연료 전지 스택에서의 연료 전지들의 수는 요청된 출력, 스택들의 크기 및 무게 및 운반의 용이함에 의해 결정될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템(100)은 보터밍 연료 전지 어셈블리를 포함하며, 이는 도 1에서, 공통 격납 구조물에 의해 하우징되는 하나 이상의 연료 전지 스택(112A)을 포함하는, 보터밍 연료 전지 모듈(122)을 포함한다. 보터밍 연료 전지 스택(122A)에서의 각 연료 전지는 보터밍 캐소드 부분(124) 및 보터밍 애노드 부분(126)을 포함하며, 이들은 스택의 각 전지에서 그 안에 용융 탄산염 전해질(미도시)을 저장한 전해질 지지체에 의해 분리된다.
제2 보터밍 연료 전지 스택(122A)은 내부 개질 연료 전지 스택이고 직접 내부 개질, 간접 내부 개질 또는 직접 및 간접 내부 개질 양자의 조합을 포함한다. 도 1의 실시예에서, 보터밍 연료 전지 스택(122A)은 보터밍 애노드 부분(126)의 애노드 컴파트먼트(들)에 그리고 특히, 보터밍 연료 전지 스택(122A)의 각 전지에서의 애노드 컴파트먼트(들)의 애노드 집전기의 코루게이션들에 배치되는 직접 내부 개질 촉매를 포함한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 보터밍 연료 전지 스택(122A)은 간접 내부 개질은 포함하지 않지만, 다른 실시예들에서는, 보터밍 연료 전지 스택은 개질된 애노드 배기물이 보터밍 애노드 부분(126)에 전달되기 전 제1 및 제2 토핑 모듈들로부터 수용되는 애노드 배기물을 추가로 개질하기 위해 하나 이상의 개질 유닛을 포함할 수 있다.
도 1에서, 보터밍 캐소드 부분(124)은 개방 캐소드 유입 스택 면을 통해 공통 격납 구조물에 제공되는 산화 기체, 예를 들어, 연료 기체 생성 장치에 의해 생성되는 연료 기체를 수용한다. 그러나, 다른 실시예들에서, 산화 기체는 캐소드 유입 매니폴드를 통해 보터밍 캐소드 부분(124)에 공급될 수 있다. 보터밍 캐소드 부분(124)은 캐소드 유출 매니폴드(128)에 캐소드 배기물을 전달한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 그 후 캐소드 유출 매니폴드(128)에 수집되는 캐소드 배기물은 캐소드 유입 산화 기체로서 시스템으로 입력되는 연료 기체를 예열하기 위해 적절한 덕팅을 통해 보터밍 연료 전지 모듈(122)로부터 연료 기체 가열기(166)로 전달된다.
제1 토핑 연료 전지 모듈(102, 112)에 대하여 위에서 설명된 바와 유사하게, 보터밍 연료 전지 모듈(122)은 각각 캐소드 부분 및 애노드 부분을 갖는, 다수의 보터밍 연료 전지 스택을 포함할 수 있다. 모듈당 연료 전지 스택들의 수는 목적하는 전력 출력 및 효율을 제공하는 데 필요한 수에 기초하여 결정된다. 보터밍 연료 전지 모듈(122)에서의 연료 전지 스택들(122A)은 고온 용융 탄산염 연료 전지 스택들을 포함할 수 있다.
각 스택에서의 연료 전지들의 수, 및 그에 따른, 각 스택의 높이는 사례에서 운반 제약에 의해 제어된다. 토핑 모듈(들)에서의 표준 토핑 연료 전지 스택들은 간접 내부 개질 유닛들을 포함하여, 약 400개의 연료 전지를 포함한다. 그러나, 보터밍 모듈(들)에서의 보터밍 연료 전지 스택들은 어떠한 개질 유닛도 갖지 않거나 토핑 연료 전지 스택들보다 훨씬 더 적은 수의 개질 유닛을 갖는다. 그 결과, 보터밍 연료 전지 스택들에는 추가 연료 전지들을 포함할 보다 많은 공간이 이용가능하다. 예를 들어, 어떠한 개질 유닛도 보터밍 연료 전지 스택들에 사용되지 않는다면, 스택에 32개의 연료 전지를 추가할 공간이 있다. 그에 따라, 몇몇 실시예에서, 토핑 모듈(들)은 보터밍 모듈(들)보다 많은 전체 수의 연료 전지 스택을 포함할 수 있으나, 각 보터밍 연료 전지 스택에 포함되는 연료 전지들의 수는 각 토핑 연료 전지 스택에 포함되는 연료 전지들의 수보다 클 수 있다. 이러한 스택 디자인은 시스템의 전력 출력을 최대화하는 데 도움이 된다.
본 출원 및 도 1의 실시예에서, 토핑 및 보터밍 캐소드 부분들(104, 114, 124)은 외부 연료 기체 생성 시스템으로부터 생성 및 배출되는, 캐소드 유입 산화 기체로서 연료 기체를 수용한다. 연료 기체 생성 시스템은 에너지 및/또는 열 생산의 부산물로서 이산화탄소를 생성하는 발전소, 이를테면 화석 연료 연소 발전소, 철 및 강 처리 시설, 시멘트 제조 시설, 및/또는 암모니아 생산 시설일 수 있고, 대표적인 실시예에서, 시스템(100)은 그러한 연료 기체 생성 시스템의 위치에 또는 그 부근에 위치될 수 있다. 연료 기체 생성 시스템으로부터 배출되고 이산화탄소 및 산소를 함유하는 연료 기체는 캐소드 유입 산화 기체로서 시스템(100)으로 공급되고 송풍기(145)를 사용하여 연료 기체 입력부(168)를 통해 연료 기체 가열기(166)에 수용된다. 송풍기(145)는 연료 기체의 압력을 증가시키고 연료 기체를 연료 기체 가열기(166)에 전달한다. 몇몇 실시예에서, 산화 기체에서 목적하는 산소량을 얻기 위해 그리고 캐소드들에 공급되는 산화 기체에서의 CO2 농도를 제어하기 위해, 공기 또는 산소가 연료 기체에 추가된다. 연료 기체 가열기(166)는 토핑 및/또는 보터밍 연료 전지 모듈들로부터의 캐소드 배기물에서의 열을 사용하여 수용된 연료 기체를 가열하고, 그 후 토핑 및/또는 보터밍 연료 전지 모듈들에 사용하기 위해 가열된 연료 기체를 배출한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 연료 기체 가열기는 연료 기체를 가열하기 위해 캐소드 배기물에서의 폐열을 사용하기 위해 열 교환기로서 동작한다. 도시된 바와 같이, 연료 기체 가열기(166)를 통과한 후, 냉각된 캐소드 배기물이 배기 유출구(192)를 통해 시스템 밖으로 배출 및 배기된다.
대표적인 실시예에서, 가열된 연료 기체는 적합한 덕팅에 의해 병렬적으로 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들에 전달될 수 있다. 대안적으로, 가열된 연료 기체는 직렬적으로 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들에 전달될 수 있되, 여기서 가열된 연료 기체는 먼저 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들 중 하나에 전달되고 그 후 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들 중 하나로부터의 캐소드 배기물이 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들 중 다른 하나에 전달된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 시스템(100)은 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈 사이 연료 기체의 병렬 흐름 또는 그것들 사이 직렬 흐름으로 작동될 수 있고, 선택된 작동 모드 뿐만 아니라 연료 기체의 유량에 따라 연료 기체의 흐름들 제어하기 위해 프로그램가능 제어기(152) 또는 유사한 장치가 사용될 수 있다. 또한, 제어기(152)는 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들의 목적하는 동작 및 전체 CO2 이용률 및 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들에서의 목적하는 작동 전지 전압에 기초하여 병렬로부터 직렬 동작으로의 전환을 제어한다. 예를 들어, CO2 제거 타겟들, 시스템 보온, 압력 균형, 보터밍 모듈 열 관리 및 연료 전지 성능을 충족하기 위해서는 병렬 동작 또는 병렬 구성보다 시스템의 직렬 동작 또는 직렬 구성이 선택될 수 있다.
토핑 연료 전지 모듈들(102, 112) 및 보터밍 연료 전지 모듈(122) 사이 병행 구성에서, 제어기(152)는 흐름 제어 부재들 또는 밸브들(170, 172, 174 및 175)을 개방하도록 그리고 흐름 제어 부재 또는 밸브(176)를 폐쇄하도록 제어한다. 그러한 동작 시, 밸브(175)의 개방은 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112)의 캐소드들 및 보터밍 연료 전지 모듈(122)의 캐소드 사이 압력 균형을 위해 제어기(152)에 의해 제어된다. 또한, 제어기(152)는 흐름 제어 부재들(170, 172, 174 및 175)을 통해, 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들의 각각에 전달될 가열된 연료 기체의 양, 즉 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들 사이 가열된 연료 기체의 분배를 제어한다. 가열된 연료 기체가 제1 및 제2 토핑 연료 전지 모듈들에 전달되고 그 후 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112)로부터의 캐소드 배기물이 보터밍 연료 전지 모듈(122)에 전달되는, 토핑 연료 전지 모듈(들)(102, 112) 및 보터밍 연료 전지 모듈(122) 사이 직렬 구성에서, 제어기(152)는 밸브들(174 및 175)을 폐쇄하도록 그리고 밸브(176)를 개방하도록 제어한다. 그러한 구성에서, 보터밍 연료 전지 모듈로부터 배출되는 캐소드 배기물에서의 열이 토핑 연료 전지 모듈들(도 1에 도시되지 않은 열 교환기)에 공급되는 연료 기체를 가열하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 직렬 흐름 구성을 사용하여, 고효율 연료 전지 시스템은 애노드 또는 캐소드 부스터 송풍기에 대한 필요를 제거함으로써 단순화될 수 있고 또한 토핑 연료 전지 모듈들에서 적정한 CO2 이용률을 가능하게 할 수 있으며, 그에 따라 토핑 연료 전지 모듈들이 보다 고전압 및 고효율로 작동할 수 있게 한다.
보터밍 연료 전지 모듈(122) 및 토핑 연료 전지 모듈(102, 112) 사이 다른 직렬 구성(미도시)은 가열된 연료 기체가 먼저 보터밍 연료 전지 모듈에 전달되고 보터밍 연료 전지 모듈로부터의 캐소드 배기물이 토핑 연료 전지 모듈들에 전달되는 것을 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 시스템은 그러한 구성에 보터밍 연료 전지 모듈(122)의 캐소드 배기물 및 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112)의 캐소드 유입물 사이 적합한 덕팅 및 제어기(152)에 의해 제어되는 적합한 흐름 제어 부재들을 제공하도록 적합하게 조정가능할 수 있다.
병렬 또는 직렬 구성들 및 동작들 중 어느 하나에서, 제어기(152)는 보터밍 연료 전지 모듈(122) 및 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112) 중 하나 이상에 공급되는 연료 기체의 유량 및 양을 제어한다. 구체적으로, 제어기(152)는 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들(102, 112, 122)의 각각에서의 탄산염 연료 전지 캐소드 측 전기화학적 반응을 지지하기 위해 그리고 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들(102, 112, 122)에서의 미리 결정된, 바람직하게는 85%만큼 높은 전체 CO2 이용률을 달성하기 위해 연료 기체의 유량을 제어한다. 두 개의 토핑 연료 전지 모듈(102, 112) 및 하나의 보터밍 연료 전지 모듈(122)을 포함하는 도 1의 예시적인 구성에서, 또한 연료 전지 스택들로의 캐소드 기체 흐름은 탄산염 연료 전지 캐소드 측 전기화학적 반응을 지지하기 위해 CO2 대 산소 이용률 비가 2:1 이상이게 제어된다.
본 출원에서, 추가 공기(새로운 공기)는 이산화탄소 또는 산소의 농도 또는 유입 산화 기체의 온도를 제어하기 위해 토핑 모듈들 및/또는 보터밍 모듈들에 공급되는 유입 산화 기체에 추가될 수 있다(미도시). 추가 공기의 부가 및 추가 공기의 유량은 모듈들의 각각 내 목적하는 열 프로파일을 제어 및 유지하기 위해 제어기(152)(도시되지 않은 추가 공기 공급장치 즉, 송풍기 및 제어 장치들 즉, 흐름 제어 밸브들)에 의해 조정 및 조절된다. 예를 들어, 추가 공기는 캐소드 유입 기체의 온도를 낮추기 위해 그리고 캐소드 유입 기체 내 이산화탄소 또는 산소의 농도를 제어하기 위해 토핑 및/또는 보터밍 연료 전지 모듈들에 공급되는 연료 기체를 희석하기 위해 부가될 수 있다. 토핑 모듈들 및/또는 보터밍 모듈들에서의 캐소드 유입구 온도가 목적하는 값보다 높다면, 제어기(152)는 캐소드 유입구 온도를 감소시키기 위해, 각각, 토핑 모듈들 및/또는 보터밍 모듈들로의 추가 공기 공급을 증가시킬 것이다. 토핑 모듈들 및/또는 보터밍 모듈들 내 이산화탄소의 농도가 너무 높거나 산소 농도가 너무 낮다면, 제어기(152)는 이산화탄소 농도를 감소시키거나 산소 농도를 증가시키기 위해 토핑 모듈들 및/또는 보터밍 모듈들로의 추가 공기 공급을 증가시킬 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 보터밍 연료 전지 모듈(122)의 보터밍 애노드 부분(126)은 보터밍 애노드 부분(126)이 제1 및 제2 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112)의 제1 및 제2 토핑 애노드 부분들(106 및 116) 양자로부터 전달되는 애노드 배기물을 수용하도록 제1 토핑 애노드 부분(106) 및 제2 토핑 애노드 부분(116)의 각각에 작동가능하게 연결된다. 도 1의 예시적인 실시예에서, 제1 토핑 애노드 부분(106) 및 제2 토핑 애노드 부분(116)은 보터밍 애노드 부분(126)과 2 대 1 비로 구성되고, 제1 및 제2 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112)의 연료 전지 스택들의 전체 수는 보터밍 연료 전지 모듈(122)의 연료 전지 스택들의 수와 2 대 1 비로 구성된다. 다른 실시예들에서, 토핑 모듈들 및 보터밍 모듈들의 수는 다양할 수 있고, 토핑 연료 전지 스택들 및 보터밍 연료 전지 스택들의 전체 수도 또한 다양할 수 있다. 효율 증가를 위해, 특정 실시예들에서, 토핑 모듈들의 수가 보터밍 모듈들의 수보다 크고/거나, 토핑 연료 전지 스택들의 수가 보터밍 연료 전지 스택들의 전체 수보다 크다. 토핑 모듈들 또는 스택들은 보터밍 모듈들 또는 스택들보다 높은 전류 밀도(보다 양호한 연료 품질로 인해) 및 연료 이용률을 갖는다.
도시된 바와 같이, 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112)의 애노드 부분들로부터의 그리고 이용되지 않은 연료를 포함하는 애노드 배기물은 보터밍 연료 전지 모듈(122)에 사용하기 위해 전달된다. 구체적으로, 도 1에서, 토핑 연료 전지 모듈(들)로부터 보터밍 연료 전지 모듈(122)에 수용되는 애노드 배기물은 애노드 측 입력 기체로서 사용하기 위해 보터밍 연료 전지 모듈(122)의 각 스택의 연료 턴 매니폴드(126A)에 공급된다. 연료 턴 매니폴드(126A)는 애노드 측 입력 기체를 애노드 측 입력 기체 내 이용되지 않은 연료가 보터밍 캐소드 부분(124)에 공급되는 산화 기체(예를 들어, 가열된 연료 기체)와 전기화학적 반응을 일으키는 스택의 보터밍 애노드 부분(126)으로 보낸다. 몇몇 실시예에서, 추가 연료(151)가 또한 이를테면 추가 연료를 그것이 보터밍 연료 전지 모듈에 전달될 때 토핑 연료 전지 모듈들로부터의 애노드 배기물에 부가함으로써, 보터밍 애노드 부분(126)에 제공될 수 있다. 보터밍 애노드 부분(126)에 제공되는 추가 연료(151)의 양은 목적하는 연료 이용률 및 보터밍 연료 전지 모듈에서의 전류 생성을 달성하기 위해 제어기(152)에 의해 제어된다.
보터밍 애노드 부분(126)에서 생성되는 애노드 배기물은 애노드 유출 매니폴드(130)를 통해 보터밍 연료 전지 모듈로부터 배출되고 그 후 보터밍 연료 전지 모듈(122)의 애노드 배기물에서 CO2를 분리하기 위해 분리 어셈블리(177)에 전달된다. 보터밍 애노드 부분(126)으로부터의 애노드 배기물은 토핑 애노드 부분들(106 및 116)에 그리고 보터밍 애노드 부분(126)에 제공되는 애노드 측 입력 기체로부터의 CO2 전부 그리고 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들의 캐소드 산화 기류로부터 추출되는 CO2 전부를 포함한다. 보터밍 애노드 부분(126)으로부터 배출되는 애노드 배기물에 존재하는 CO2의 양은 시스템(100)에 공급되는 전체 CO2의 90%만큼 높을 수 있다. 예를 들어, 보터밍 애노드 부분으로부터 배출되는 애노드 배기물은 약 53%의 이산화탄소, 42%의 수증기, 및 약 5%의 수소 및 일산화탄소 혼합물 예를 들어, 합성 가스를 함유랄 수 있다. 분리 어셈블리(177)는 애노드 배기물의 상이한 성분들을 분리하고 도 1의 예시적인 구성에서, 콘덴서(178) 및 CO2 포집 어셈블리(180)를 포함한다.
콘덴서(178)는 보터밍 연료 전지 모듈(122)로부터의 애노드 배기물에서 물을 분리하기 위해 그것을 냉각 및 응결시킨다. 콘덴서(178)는 CO2 포집 어셈블리(180)에 건조한 애노드 배기물(물이 분리된 애노드 배기물)을 배출한다. 예를 들어, 건조한 애노드 배기물은 약 90%의 이산화탄소 및 9%의 수증기, 뿐만 아니라 추가 불활성 기체를 함유할 것이다. CO2 포집 어셈블리(180)는 결과적인 건조 분리된 애노드 배기물이 상당히 감소된 양의 이산화탄소를 갖도록 그리고 제1 및 제2 토핑 애노드 부분들(106, 116)로의 개질된 연료 입력의 조성과 유사한 조성을 갖도록 건조한 애노드 배기물에서 이산화탄소를 제거한다. CO2 포집 어셈블리(180)는 하나 이상의 분리 공정 이를테면 압축공정 및 극저온 이산화탄소로의 냉각공정, 용매 세척공정, 또는 막 처리법을 사용하여 건조한 애노드 배기물에서 이산화탄소를 제거한다. 건조한 분리된 애노드 배기물은 환류 스트림으로서 CO2 포집 어셈블리(180)로부터 그것이 연료 공급(186)으로부터 시스템(100)으로의 새 연료 입력과 혼합되게 제어 밸브(188)를 통해 전달되기 전 환류 스트림의 압력을 증가시키는, 애노드 압력 부스터(182)로 전달된다. 몇몇 실시예에서, 환류 스트림의 일부 또는 전부는 대신 프리컨버터(134)로부터 배출되는 부분적으로 개질된 연료와 혼합되게 우회 밸브(190)를 통해 전달될 수 있다. 제어기(152)는 새 연료에 부가되는 환류 스트림의 양 및 부분적으로 개질된 연료에 부가되는 환류 스트림의 양을 조정하기 위해 밸브들(188 및 190)을 조정할 수 있다. 이들 실시예에서, 환류된 연료 스트림으로, 시스템(100)은 매우 높은 연료 이용률 및 효율을 달성할 수 있다.
도 1의 실시예에서, 밸브(184) 또는 유사한 장치가 CO2 포집 어셈블리(180) 및 애노드 압력 부스터(182) 사이 덕팅에 제공될 수 있다. 제어기(152)는 불활성 기체, 이를테면 질소의 일부가 이러한 불활성 기체의 축적을 방지하기 위해 환류 스트림에서 빠져 나가도록 환류 스트림의 일부를 빼내도록 밸브(184)를 조정할 수 있다.
도 1에 도시된 시스템의 동작이 이제 설명될 것이다. 동작 동안, 연료 기체 생성 시스템으로부터 생성 및 배출되는 연료 기체가 연료 기체 입력부(168)를 통해 시스템(100)으로 공급된다. 연료 기체는 연료 기체 가열기(166)에서의 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들로부터 배출되는 캐소드 배기물로부터의 폐열을 사용하여 가열된다. 그 후 가열된 연료 기체는 캐소드 산화 기체로서 사용하기 위해 병렬적으로 또는 직렬적으로 중 어느 하나로 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들(102, 112, 122)에 제공된다. 본 명세서 아래에서 설명될 바와 같이, 시스템(100)의 동작 동안, 캐소드 산화 기체로서 사용되는 연료 기체 내 이산화탄소는 이산화탄소가 분리 및 포집될 수 있도록 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들에서 추출되고 보터밍 연료 전지 모듈로부터 애노드 배기물과 배출된다.
또한 도 1의 시스템의 동작 동안, 제1 및 제2 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112) 각각은 연료 공급장치(186)로부터 연료 공급물, 이를테면 메탄, 천연 가스, 또는 다른 적합한 연료의 일부를 수용한다. 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112)에 전달되기 전, 연료 공급물은 예열 및/또는 처리될 수 있다. 예를 들어, 연료 공급물에 습기를 가하기 위해 가습기가 사용될 수 있고 토핑 연료 전지 모듈들의 외부에서 연료 공급물 중 일부를 부분적으로 개질시키기 위해 프리컨버터(134)가 사용될 수 있다. 또한, 연료 공급물은 순도에 대한 연료 전지 사양을 충족하기 위해 요구될 수 있음에 따라 환원기에서 환원, 탈황기에서 탈황(미도시) 및/또는 다른 처리 공정을 거치게 될 수 있다. 그 후 예열 및/또는 처리된 연료 공급물은 제1 및 제2 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112) 사이에 분배되며, 제1 토핑 연료 전지 모듈(102)이 연료 공급물의 제1 부분을 수용하고 제2 토핑 연료 전지 모듈(112)이 연료 공급물의 제2 부분을 수용하며, 연료 공급물의 제1 및 제2 부분들은 양이 대략 동일하거나 상이하게 제어될 수 있다. 제어기(152)는 제1 및 제2 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112)에 공급되는 제1 및 제2 연료 공급 부분들의 각각의 양들을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 그 후 제1 및 제2 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112)의 각각에 수용되는 연료 공급 부분들은 각각, 제1 및 제2 열 교환기들(136, 138)에서 각각의 토핑 연료 전지 모듈로부터 전달되는 캐소드 배기물 열을 사용하여 예열된다. 예들에서 연료 과열기들(136 및 138)은 스택 별개의 내에 위치되고 별개의 유닛들이다. 몇몇 실시예에서 열 교환기들(136, 138)은 모듈 인클로저 외부에 위치되고 하나의 열 교환기로 결합될 수 있다. 제1 및 제2 연료 전지 모듈들(102, 112)의 각각에서, 그 후 예열된 연료 공급 부분은 각각의 토핑 모듈의 하나 이상의 연료 전지 스택의 토핑 애노드 부분(106, 116)에 전달되고 각각의 토핑 애노드 부분(106, 116)에 전달되기 전 간접 내부 개질기(148, 150)에서 개질될 수 있다.
제1 및 제2 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112)은 토핑 연료 전지 모듈에 전달되는 각각의 연료 공급 부분들에 함유된 연료의 부분을 소모하며, 그에 따라 제1 및 제2 토핑 모듈들(102, 112)로부터 전달되는 애노드 배기물이 그 안에 나머지 연료 부분을 함유하게 된다. 제1 및 제2 연료 전지 모듈(102, 112)은 연료 공급물 내 연료의 약 2/3를 소모하고, 연료 공급물 내 초기 연료의 약 1/3인, 연료의 나머지 부분을 함유하는 애노드 배기물을 전달한다. 제1 및 제2 연료 전지 모듈들(102, 112)에서의 전기화학적 반응 동안, 각각의 토핑 캐소드 부분들(104, 114)을 통해 전달되는 캐소드 산화제 스트림(연료 기체)에 존재하는 CO2는 추출되고 전해질 지지체를 거쳐 각각의 토핑 애노드 부분들에 전달된다. 그 결과, 애노드 토핑 부분들로부터 배출되는 애노드 배기물은 나머지 이용되지 않은 연료 뿐만 아니라 토핑 캐소드 부분들(104, 114)의 캐소드 산화제 스트림으로부터 추출된 CO2도 포함한다.
도 1에서, 연료 전지 시스템(100)은 제1 및 제2 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112)로부터의 하류에 그리고 보터밍 연료 전지 모듈(122)의 상류에 배치되는 애노드 부스터 송풍기(132)를 포함할 수 있다. 애노드 부스터 송풍기(132)는 제1 및 제2 토핑 애노드 부분들(106, 116)로부터 전달되는 애노드 배기물을 수용하고 그것이 보터밍 연료 전지 모듈(122)에 전달되기 전 애노드 배기물의 압력을 증가시킨다. 애노드 부스터 송풍기(132)는 저압 증가로 작동하여, 낮은 압축 전력 및 낮은 비용을 초래한다. 애노드 부스터 송풍기(132) 동작은 각각, 제1 및 제2 토핑 연료 전지 모듈들 및 보터밍 연료 전지 모듈(102, 112, 및 122)의 애노드 및 캐소드 부분들 사이 차압을 제어하기 위해 제어기(152)에 의해 제어될 수 있다. 이러한 시스템에서, 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들(102, 112 및 122) 양자의 애노드 대 캐소드 차압은 부스터 송풍기(132)에 영향을 받을 수 있다. 토핑 연료 전지 모듈(들) 및 보터밍 연료 전지 모듈의 애노드 및 캐소드 부분들 간 차압이 제어기(152)에 의해 균형이 맞춰질 때, 애노드 부스터 송풍기(132)는 시스템(100)에서 제거될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 애노드 부스터 송풍기(132)에 의해 보터밍 연료 전지 모듈(122)에 공급되는 애노드 배기물은 새 추가 연료(151)로 보충될 수 있다. 추가 새 연료는 제1 및 제2 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112)로부터의 애노드 배기 스트림이 적절한 양의 물을 포함하기 때문에 연료에 습기를 가하기 위해 어떠한 부가적인 물을 필요로 하지 않고 애노드 배기물과 혼합될 수 있다. 보터밍 연료 전지 모듈에 공급되는 새 연료의 양은 목적하는 연료 이용률 및 보터밍 연료 전지 모듈에서의 전류 생성을 달성하기 위해 제어기(152)에 의해 제어된다. 추가 새 연료는 토핑 연료 전지 모듈들과 동일한 연료 공급장치로부터 공급받을 수 있거나, 상이한 연료 공급장치로부터 공급받을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 추가 새 연료는 개질가능한 연료 이를테면 메탄을 포함한다.
본 명세서 위에서 언급된 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 보터밍 연료 전지 모듈의 보터밍 연료 전지 스택들은 간접 내부 개질기들을 포함한다. 그러한 실시예들에서, 추가 연료는 보터밍 연료 전지 스택의 간접 내부 개질기들에 제공되고, 그 후 개질된 또는 부분적으로 개질된 추가 연료는 간접 내부 개질기들로부터 보터밍 스택의 보터밍 애노드 부분들로 공급된다. 몇몇 실시예에서, 단지 추가 연료가 보터밍 연료 전지 스택의 간접 내부 개질기들에 공급되는 한편, 제1 및 제2 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112)로부터의 애노드 배기물이 간접 내부 개질기들을 통해 전달되지 않고, 보터밍 스택의 연료 턴 매니폴드(126A) 내로 직접 제공된다. 이러한 구성은 보터밍 스택들의 열 프로파일을 개선하고 보터밍 스택들로부터의 전력 출력을 최대화한다.
토핑 연료 전지 모듈들로부터의 애노드 배기물을 포함하는 애노드 유입 기체 및 임의로 추가 새 연료는 보터밍 연료 전지 모듈(122)에 수용되고 연료 턴 매니폴드(126A)를 통해 보터밍 연료 전지 모듈에서의 연료 전지 스택(들)의 보터밍 애노드 부분(126)에 전달된다. 위에서 논의된 바와 같이, 애노드 유입 기체는 보터밍 애노드 부분 내 직접 내부 개질을 통해 개질될 수 있다. 보터밍 연료 전지 모듈에서의 전기화학적 반응 동안, 애노드 유입 기체 내 연료는 보터밍 캐소드 부분을 통해 전달되는 캐소드 산화 기체(연료 기체의 일부)와 반응하고, 캐소드 산화 기체에 존재하는 CO2는 추출되어 전해질 지지체를 통해 보터밍 애노드 부분에 전달된다. 그 결과, 보터밍 애노드 부분에 의해 생산되고 그로부터 배출되는 애노드 배기물은 애노드 유입 기체에 이미 존재하던 CO2 뿐만 아니라 캐소드 산화 기체로부터 추출된 CO2를 포함할 것이다. 즉, 보터밍 애노드 부분(126)으로부터 배출되는 애노드 배기물은 연료 공급물에 초기에 존재하던 CO2, 토핑 캐소드 부분들(104, 114)을 통해 전달되는 캐소드 산화 기체에서 추출되고 보터밍 애노드 부분(126) 내로의 애노드 유입 기체에 존재하는 CO2, 및 보터밍 캐소드 부분(124)을 통해 전달되는 캐소드 산화 기체에서 추출되는 CO2를 포함할 것이다. 보터밍 애노드 부분(126)으로부터의 애노드 배기물은 물 및 이용되지 않은 연료를 더 포함한다.
위에서 논의된 바와 같이, 보터밍 애노드 부분에 의해 생산되는 애노드 배기물은 보터밍 연료 전지 스택(들)으로부터 애노드 유출 매니폴드(130)를 통해 전달되고 보터밍 연료 전지 모듈(122)로부터 분리 어셈블리(177)로 배출된다. 도 1의 분리 어셈블리(177)에서, 애노드 배기물은 애노드 배기물에서 물을 제거하여 건조한 애노드 배기물을 탄소 포집 어셈블리(180)에 전달하는 콘덴서(178)에 전달된다. 탄소 포집 어셈블리(180)는 건조한 애노드 배기물에서 이산화탄소의 대부분을 분리 및 제거하고 애노드 압력 부스터(182)를 통해 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112)에서 사용하기 위해 감소된 양의 이산화탄소를 갖는 건조한 분리된 애노드 배기물을 환류시킨다. 또한, 건조한 분리된 애노드 배기물의 적은 일부는 건조한 분리된 애노드 배기물이 애노드 압력 부스터(182)에 제공되기 전 불활성 기체의 축적을 방지하기 위해 밸브(184)를 통해 빼내어진다. 애노드 압력 부스터(182)는 환류된 건조한 분리된 애노드 배기물의 압력을 증가시키고 그것을 연료 공급장치(186)에 의해 공급되는 새 연료와 혼합되게 전달한다. 대안적으로, 환류된 건조한 분리된 애노드 배기 스트림은 프리컨버터로부터 배출되는 부분적으로 개질된 연료와 혼합되게 프리컨버터(134) 주위로 우회된다. 이들 실시예에서, 환류된 연료 스트림으로, 시스템(100)은 매우 높은 연료 이용률 및 효율을 달성할 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지 시스템(100)의 다양한 구성요소 및 동작을 제어하도록 프로그램된 제어기(152)를 포함한다. 제어기(152)는 다음 중 하나 이상을 제어하도록 프로그램된다:
(1) 새로운 공기로 연료 기체/캐소드 산화 기체를 희석시키기 위해 그리고 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들에 전달되는 유입 산화 기체 내 이산화탄소 및 산소의 온도 및 농도를 제어하기 위해 제1 및 제2 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112) 그리고/또는 보터밍 연료 전지 모듈(122)에 공급되는 추가 공기(새로운 공기)의 양 및 유량;
(2) 제1 및 제2 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112), 및 보터밍 연료 전지 모듈(122)의 애노드 및 캐소드 부분들 사이 차압을 제어하기 위한 낮은 차압을 유지하기 위한 애노드 부스터 송풍기(132)의 동작;
(3) 목적하는 연료 이용률 및 보터밍 연료 전지 모듈에서의 전류 생성을 달성하기 위해 보터밍 연료 전지 모듈에 공급되는 추가 연료의 양 및 유량;
(4) 병렬적으로 또는 직렬적으로 토핑 연료 전지 어셈블리에 그리고 보터밍 연료 전지 어셈블리에 전달될 연료 기체의 흐름;
(5) 미리 결정된, 바람직하게는 50% 이상의, 그리고 몇몇 실시예에서는 85% 이상의, 전체 CO2 이용률을 달성하기 위해 그리고 토핑 및 보터밍 연료 전지 어셈블리들의 각각에서의 연료 전지 캐소드 측 전기화학적 반응을 지지하기 위해 하나 이상의 토핑 연료 전지 어셈블리 및 보터밍 연료 전지 어셈블리에 제공되는 연료 기체의 유량;
(6) 압력의 균형이 맞춰지도록 하는 토핑 연료 전지 모듈의 그리고 보터밍 연료 전지 모듈의 애노드 및 캐소드 측들 사이 압력;
(7) 제1 및 제2 토핑 연료 전지 모듈들의 각각에 제공되는 연료 공급량;
(8) 보텀 스택들로부터 추가 연료를 점차 빼내어 연료를 토핑 스택들에 전달하고 스택들이 노후함에 따른 토핑 모듈들로부터 보터밍 모듈로의 배출의 전환;
(9) 새 연료와 혼합되는 환류된 건조한 분리된 애노드 배기물의 양 및 프리컨버터를 우회하는 환류된 건조한 분리된 애노드 배기물의 양.
제어기에 의한 상기한 동작들 중 하나 이상의 제어는 실제 작동 조건 및 목적하는 시스템의 동작, 동작의 길이, 및 다른 요인들에 따른다. 예를 들어, 보터밍 연료 전지 모듈(122)에 의해 생성되는 전류는 연료량 예를 들어, 고객의 연료량에 기초하여 제어되며, 그에 따라 연료량이 낮을 때, 제어기(152)는 보다 적은 양의 연료가 보터밍 연료 전지 모듈에 공급되게 또는 어떠한 연료도 보터밍 연료 전지 모듈에 공급되지 않도록 제어하고, 연료량이 증가할 때, 제어기(152)는 보터밍 연료 전지 모듈에 공급되는 추가 연료의 양이 증가되도록 제어한다.
또한, 본 출원에서, 제1 토핑 연료 전지 모듈(102) 및 제2 토핑 연료 전지 모듈(112)의 개질율들이 시스템의 노화로 감소함에 따라, 제어기(152)는 보터밍 모듈(122)에 전달되는, 메탄 짙은 연료인, 추가 연료가 제1 및 제2 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112)로 점차 전환되도록 제어한다. 즉, 시스템이 계속해서 작동하고 토핑 모듈들(102, 112)에서의 개질율들이 감소함에 따라, 적은 추가 연료가 보터밍 모듈(122)에 보내지고 보다 많은 연료가 제1 및 제2 토핑 모듈들(102, 112)로 보내어진다. 이러한 방식으로, 토핑 모듈들의 메탄 냉각 부하의 손실은 메탄을 포함하는 보다 많은 연료의 부가에 의해 보상된다. 그 결과, 토핑 모듈들에서 생성되는 전류는 작동 시간에 따라 감소되고 보터밍 연료 전지 모듈(들)에서 생성되는 전류는 작동 시간에 따라 토핑 연료 전지 모듈(들)로부터 보터밍 연료 전지 모듈(들)로 공급되는 개질되지 않은 연료의 양에 기초하여 증가된다. 또한, 그러한 제어는 보터밍 모듈이 감소된 개질율들을 갖는 토핑 모듈들로부터, 변환되지 않은 메탄을 포함하는, 변환되지 않은 연료를 수용하기 때문에 보터밍 모듈(122)의 냉각에 영향을 미치지 않는다.
시스템 및 위에서 설명된 시스템의 동작에 따르면, 연료는 먼저 두 개의 병렬 토핑 연료 전지 모듈(102, 112)에 공급되며, 이들은 작동 조건에 따라 연료의 약 65% 내지 75%를 전기화학적으로 소모한다. 그 후 토핑 연료 전지 모듈들(102, 112)로부터의 연료 배기물은 보터밍 연료 전지 모듈(122)에 공급되며, 이는 또한 부가 새 연료(추가 연료)를 수용할 수도 있다. 보터밍 연료 전지 모듈(122)은 전기화학적 변환 반응 시 그것이 수용하는 연료의 약 60% 내지 70%를 소모한다. 그에 따라, 토핑 연료 전지 어셈블리 및 보터밍 연료 전지 어셈블리는 시스템(100)에 제공되는 연료의 약 80% 내지 100%를 이용하고 시스템(100)은 60%보다 높은 전기 변환 효율을 달성한다.
제어기(152)는 GE에 의해 만들어진 종래의 PLC(프로그램가능 로직 제어기)일 수 있다. 결과적으로 사용되는 제어 프로그램은 산업 자동화를 위해 GE PLC들로 구현가능한 GE 제품, "Versapro"라 불리우는 소프트웨어 제품일 수 있다. 다른 실시예들에서, 제어기는 Foxboro가 제조한 종래의 DCS(분산 제어 시스템)일 수 있고, 제어 프로그램은 또한 Foxboro가 제조한, 산업 자동화를 위해 DCS로 구현되는 소프트웨어일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제어기는 종래의 PLC 기반 "Iconics" 시스템일 수 있다. 제어기(152)가 위에서 언급된 다양한 구성요소를 제어하는 것으로 설명되었지만, 제어기(152)는 구체적으로 구술되든 아니든, 본 명세서에 개시된 구성요소들 중 임의의 구성요소를 제어할 수 있다는 것이 이해된다.
또한 본 출원은 도 1에 도시된 시스템의 토핑 및 보터밍 모듈들의 연료 전지 스택들에서의 열적 조건을 제어하는 것을 고려한다. 위에서 논의된 바와 같이, 토핑 및 보터밍 모듈들의 연료 전지 스택들은 내부 개질 및 특히, 개질 촉매가 스택들의 애노드 컴파트먼트들 내에 분배되는 직접 내부 개질을 포함한다. 특히 보터밍 모듈의 스택(들)에서, 연료 전지들의 열적 균일성을 개선하기 위해, 보터밍 모듈에서의 연료 전지들은 토핑 모듈들에서의 연료 전지들과 상이한 양 및 공간 분포의 직접 내부 개질 촉매를 사용한다.
다른 실시예에서, 도 1의 고효율 연료 전지 시스템(100)은 연료 기체 생성 장치로부터의 연료 기체 대신 토핑 및/또는 보터밍 연료 전지 캐소드 부분들에 유입 산화 기체로서 새로운 공기 또는 건조된 새로운 공기와 사용하기 위해 적응된다. 이러한 작동 모드에서, 보터밍 연료 전지들의 애노드들로부터의 배기물은 도 1에 도시된 시스템과 유사하게 애노드 배기물 내 이용되지 않은 연료에서 이산화탄소 및 물이 분리되는 기체 분리 어셈블리에 전달된다. 분리된 이산화탄소는 격리 또는 다른 애플리케이션들을 위해 사용될 수 있다. 이산화탄소 및 물이 감소된, 분리된 이용되지 않은 연료는 가압되고 토핑 모듈로 공급되는 연료와 조합된다. 이러한 시스템에서의 연료 전지들은 고체 산화물 연료 전지들, 또는 인산 연료 전지들을 포함하여, 임의의 다른 연료 전지들일 수 있다.
또 다른 실시예에서, 토핑 및/또는 보터밍 캐소드 부분들은 연료 기체 생성 장치로부터의 연료 기체를 단독으로 또는 추가 공기와 혼합하여, 또는 새로운 공기 또는 건조된 새로운 공기 중 어느 하나를, 시스템의 작동 모드에 따라, 유입 산화 기체로서 선택적으로 수용할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 적합한 덕팅 및 흐름 제어 부재들 또는 밸브들은 토핑 및/또는 보터밍 캐소드들에 연료 기체 또는 공기의 그러한 선택적 공급을 제공받고, 제어기(152)가 흐름 제어 부재들 또는 밸브들의 개폐를 제어함으로써 캐소드 부분들에 공급되는 유입 산화 기체(즉, 연료 기체 또는 공기)의 유형을 제어한다.
도 2는 도 1의 고효율 연료 전지 시스템(200)의 대안 실시예를 도시한다. 도 2에 의해 예시된 대표적인 실시예는 보터밍 연료 전지 모듈(122)로부터 전달되는 애노드 배기물 및 캐소드 배기물을 제외하고는 위에서 설명된 바와 유사하게 구성된다. 도 2에서, 시스템(200)의 같은 구성요소들은 도 1에서의 시스템(100)과 같은 참조 부호들로 라벨링되고 그의 상세한 설명은 생략된다. 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 연료 기체 생성 장치로부터의 연료 기체는 병렬적으로 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들에 전달되고, 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들의 각각에 의해 배출되는 캐소드 배기물이 캐소드 배기물에서의 폐열을 회수 및 사용하기 위해 그리고 그 후 시스템(200)으로부터 배기물(208)을 배출하기 위해 열 회수 유닛(미도시)에 전달된다. 캐소드 배기물은 먼저 시스템(200)으로부터 배출되고 그 후 폐열을 회수하기 위해 외부 열 회수 유닛에 제공될 수 있다. 도 2의 시스템은 연료 기체 생성 장치로부터의 연료 기체가 직렬적으로 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들에 전달되도록, 연료 기체가 먼저 토핑 연료 전지 모듈들 및 보터밍 연료 전지 모듈들 중 하나에 전달되도록, 그리고 그 후 토핑 연료 전지 모듈들 및 보터밍 연료 전지 모듈들 중 하나에 의해 생성되는 캐소드 배기물이 토핑 연료 전지 모듈들 및 보터밍 연료 전지 모듈들 중 다른 하나에 전달되도록 변경될 수 있다는 것이 이해된다. 예를 들어, 도 1의 구성과 같이, 시스템(200)은 토핑 연료 전지 모듈들이 먼저 연료 기체 생성 장치에 의해 생성되는 연료 기체를 수용하도록 그리고 그 후 토핑 연료 전지 모듈들로부터의 캐소드 배기물이 보터밍 연료 전지 모듈에 산화 기체로서 사용하기 위해 전달되도록 구성될 수 있다. 또한 시스템(200)은 연료 기체를 직렬적으로 그리고 병렬적으로 토핑 및 보터밍 연료 전지 모듈들에 전달하도록 구성될 수 있고 제어기(152)는 시스템이 연료 기체의 병렬 흐름을 갖는 병렬 모드 또는 연료 기체의 직렬 흐름을 갖는 직렬 모드로 작동되도록 시스템(200)의 작동 모드를 제어하기 위해 제공된다.
도 2의 실시예에서, 연료 기체 가열기는 높은 CO2 함유량 및 폐열을 갖는 연소 기체를 생성하기 위해 공기 또는 산소로 보터밍 연료 전지 모듈(122)로부터 배출되는 애노드 배기물을 촉매 반응으로 산화시키는 결합된 산화기 및 연료 기체 가열기(202)로 대체된다. 애노드 배기물을 산화시키기 위해 산소가 사용될 때, 연소 기체는 대체로 CO2 및 물 전부를 포함한다. 결합된 산화기 및 연료 기체 가열기(202)에 의해 생성되는 폐열은 연료 기체 생성 장치에 의해 생성되고 연료 기체 유입구(168)를 통해 시스템(200) 내로 입력되는 연료 기체를 가열하기 위해 사용된다. 제어기(152)는 산화기 및 연료 기체 가열기(202) 내 온도를 제어하기 위해 결합된 산화기 및 연료 기체 가열기(202)에 공급되는 공기/산소의 양을 제어한다.
결합된 산화기 및 연료 기체 가열기(202)로부터 배출되는 연소 기체는 분리 어셈블리(277)에 전달되며, 이는 도 2의 실시예에서 콘덴서/열 회수 유닛(HRU, 278) 및 CO2 분리기(280)를 포함한다. 콘덴서/HRU(178)는 물을 응축시키기 위해 연소 기체를 냉각시키고 물이 분리된 또는 건조한 연소 기체를 CO2 분리기(280)에 배출하며, 이는 저장 또는 다른 사용을 위해 건조한 연소 기체에서 CO2를 분리하고 시스템 밖으로 배기될 나머지 연소 기체를 배출한다. 도 2의 실시예에서의 CO2 분리기(280)는 도 1의 CO2 분리기(180)와 동일한 또는 유사한 구성을 가질 수 있고 CO2를 분리하기 위해 동일한 또는 유사한 기술들을 사용할 수 있다.
도 2에 의해 예시된 대표적인 실시예는 보터밍 연료 전지 모듈(122)로부터 전달되는 애노드 배기물 및 캐소드 배기물을 제외하고는, 도 1에 대하여 위에서 설명된 바와 유사하게 작동한다. 도 2의 실시예에서, 보터밍 애노드 부분(126)은 애노드 배기물을 결합된 산화기 및 연료 기체 가열기(202)에 전달하며, 여기서 애노드 배기물은 입력 연료 기체를 가열하기 위해 연소 기체 및 폐열을 생성하기 위해 공기 또는 산소로 산화된다. 연소 기체는 산화기 및 연료 기체 가열기(202)로부터 분리 어셈블리(277)의 콘덴서(278)로 전달된다. 콘덴서(278)는 결합된 산화기 및 연료 기체 가열기(202)로부터 수용되는 연소 기체에서 물을 응축시키고 건조한 연소 기체를 CO2 포집 어셈블리(280)에 전달한다. CO2 포집 어셈블리(280)는 나머지 배기물로부터 이산화탄소를 분리하기 위해 건조한 연소 기체를 처리하고 사용을 위해 분리된 이산화탄소를 배출하며 별도로 시스템 밖으로 배기될 나머지 연소 기체를 배출한다. 시스템(200)의 구성 및 동작의 결과, 도 1에 대하여 위에서 설명된 동일한 이유들로, 연료 기체 및 연료를 통해 시스템(200) 내로 입력되는 이산화탄소의 90%를 초과하는 이산화탄소가 본 출원의 시스템(200)에 의해 제거 및 분리될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 시스템들은 모듈(들)의 형태일 수 있는 하나 이상의 토핑 스택(들) ?? 모듈(들)의 형태일 수 있는 하나 이상의 보터밍 스택(들)을 사용하는 본 출원의 시스템의 예시적인 예들이고, 여기서 토핑 스택(들)로부터의 애노드 배기물은 보터밍 스택(들)에 전달되고 토핑 스택(들)로부터의 캐소드 배기물은 보터밍 스택(들)에 전달될 수 있으며, 여기서 토핑 스택(들) 및 보터밍 스택(들)은 연료 이용률, 연료 효율, 시스템 내 열적 균일성 및 보다 낮은 전기비를 개선하기 위해, 보터밍 스택(들)에서 시스템 전류의 ~2/3를 생성하고 보터밍 스택(들)에서 시스템 전류의 ~1/3을 생성하도록 구성된다. 또한, 도 1 및 도 2의 시스템들은 캐소드 산화 기체로서 외부 연료 기체 생성 장치로부터 공급되는 연료 기체를 사용하고 연료 기체 내 CO2는 CO2가 포집 및 비축되거나 다른 사용에 용이하게 제공될 수 있도록 추출되어 보터밍 연료 전지 모듈로부터 배출되는 애노드 배기물에 배출된다. 그에 따라, 도 1 및 도 2의 시스템들은 증가된 효율 및 낮아진 전체 배출로 전기를 생성할 뿐만 아니라, 연료 기체 생성 장치로부터 배출되는 CO2를 포집 및 분리할 수 있으며, 그에 따라 훨씬 더 낮은 전체 CO2 배출 실현할 수 있다.
다른 실시예에서, 도 2의 고효율 연료 전지 시스템은 연료 기체 생성 장치로부터의 연료 기체 대신 토핑 및/또는 보터밍 연료 전지 캐소드 부분들에 유입 산화 기체로서 새로운 공기 또는 건조된 새로운 공기와 사용하기 위해 적응된다. 그러한 실시예에서, 보터밍 연료 전지들의 애노드들로부터의 배기물은 도 2의 결합된 산화기 및 연료 기체 가열기(202)의 구성와 유사한 구성을 갖는, 결합된 산화기 및 연료 기체 가열기에 전달된다. 결합된 산화기 및 연료 기체 가열기에서, 애노드 배기물은 유입 산화 기체(새로운 공기 또는 건조된 새로운 공기)를 가열하기 위해 연소 기체 및 폐열을 생성하기 위해 공기 또는 산소로 산화된다. 그 후 연소 기체는 분리 어셈블리에 전달되며, 이는 도 2에서의 콘덴서와 유사한 구성을 갖고 연소 기체에서 물을 응축시키기 위한 콘덴서 및 저장 또는 다른 사용을 위해 이산화탄소를 분리하기 위해 건조한 연소 기체를 처리하기 위한 CO2 포집 어셈블리를 포함한다. 나머지 CO2 감손 연소 기체는 분리 어셈블리로부터 배출되어 시스템 밖으로 배기된다. 도 2의 시스템에서와 같이, 토핑 및 보터밍 연료 전지들에서의 높은 연료 이용률을 유지하면서도, 유입 산화 기체(공기/건조된 공기)를 통해 시스템 내로 입력되는 이산화탄소의 대부분이 제거 및 분리될 수 있다.
모든 경우, 위에서 설명된 배열들은 단지 본 출원의 적용예들을 나타내는 많은 가능한 구체적인 실시예에 대한 예시라는 것이 이해된다. 예를 들어, 도 1 및 도 2의 구체적인 구성들에서, 토핑 연료 전지 모듈들의 수 및 토핑 연료 전지 스택들의 전체 수는 보터밍 연료 전지 모듈(들)의 수 및/또는 보터밍 연료 전지 스택(들)의 전체 수보다 크지만, 다른 구성들에서는, 토핑 연료 전지 모듈(들)의 수가 보터밍 연료 전지 모듈(들)의 수와 동일할 수 있고/거나, 토핑 연료 전지 스택(들)의 전체 수가 보터밍 연료 전지 스택(들)의 전체 수와 동일할 수 있다는 것이 이해된다. 그러한 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 큰 전체 수의 연료 전지를 가질 수 있다. 많은 그리고 다양한 다른 배열이 본 개시 내용의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 본 출원의 원리들을 따라 용이하게 고안될 수 있다.

Claims (15)

  1. 연료 기체 생성 장치로부터 연료 기체를 수용하도록 그리고 상기 연료 기체로부터 이산화탄소를 포집하도록 구성된 고효율 연료 전지 시스템으로서, 상기 고효율 연료 전지 시스템은:
    토핑 캐소드 부분(topping cathode portion) 및 토핑 애노드 부분을 포함하는 토핑 연료 전지 어셈블리;
    보터밍 캐소드 부분(bottoming cathode portion) 및 보터밍 애노드 부분을 포함하는 보터밍 연료 전지 어셈블리로서, 상기 보터밍 애노드 부분은 상기 토핑 애노드 부분에서 배출되는 애노드 배기물을 수용하는, 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리; 및
    이산화탄소 함유 배기물을 수용하도록 그리고 상기 이산화탄소 함유 배기물에서 이산화탄소를 분리하도록 구성된 분리 어셈블리를 포함하되;
    상기 이산화탄소 함유 배기물은 상기 보터밍 애노드 부분에서 배출되는 애노드 배기물 및 상기 보터밍 애노드 부분에서 배출되는 상기 애노드 배기물에서 얻어지는 기체 중 하나이고;
    상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분 중 적어도 하나는 상기 연료 기체 생성 장치에서 배출되는 상기 연료 기체의 적어도 일부를 수용하며; 그리고
    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 전지를 갖는, 고효율 연료 전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 토핑 연료 전지 어셈블리는 두 개 이상의 토핑 연료 전지 모듈을 포함하되;
    상기 토핑 연료 전지 모듈들의 각각은 토핑 애노드 부분을 포함하며; 그리고
    상기 시스템은 상기 토핑 연료 전지 모듈들의 상기 토핑 애노드 부분들의 각각으로부터의 애노드 배기물이 각각의 상기 토핑 애노드 부분을 빠져 나온 후 결합되도록, 결합된 상기 애노드 배기물이 상기 보터밍 애노드 부분에 의해 수용되도록 구성되는, 고효율 연료 전지 시스템.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분의 각각은 병렬적으로 상기 연료 기체 생성 장치에서 배출되는 상기 연료 기체의 일부를 수용하는, 고효율 연료 전지 시스템.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분 중 하나는 상기 연료 기체 생성 장치에서 배출되는 상기 연료 기체의 적어도 일부를 수용하고 캐소드 배기물을 생성하며; 그리고
    상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분 중 다른 하나는 상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분 중 상기 하나에 의해 생성되는 상기 캐소드 배기물을 수용하는, 고효율 연료 전지 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 토핑 캐소드 부분은 상기 연료 기체 생성 장치에서 배출되는 상기 연료 기체의 일부를 수용하고 캐소드 배기물을 생성하며; 그리고
    상기 보터밍 캐소드 부분은 상기 토핑 캐소드 부분에 의해 생성되는 상기 캐소드 배기물을 수용하는, 고효율 연료 전지 시스템.
  6. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분은 병렬적으로 또는 직렬적으로 상기 연료 기체를 수용하도록 구성되며; 그리고
    상기 시스템은 상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분으로의 상기 연료 기체의 흐름이 병렬적이게 또는 직렬적이게 제어하기 위한 제어기를 더 포함하는, 고효율 연료 전지 시스템.
  7. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 이산화탄소 함유 배기물은 상기 보터밍 애노드 부분에서 배출되는 애노드 배기물이되;
    상기 분리 어셈블리는 분리된 이산화탄소를 배출하고 별도로 이산화탄소의 양이 감소된 분리된 애노드 배기물을 배출하며; 그리고
    분리된 상기 애노드 배기물은 연료로서 사용하기 위해 상기 토핑 애노드 부분으로 환류되는, 고효율 연료 전지 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서, 나머지 상기 분리된 애노드 배기물을 상기 토핑 애노드 부분에 환류시키기 전에 불활성 기체를 제거하기 위해 분리된 소량의 상기 애노드 배기물을 빼내기 위한 도관 및 흐름 제어 부재를 더 포함하는, 고효율 연료 전지 시스템.
  9. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 연료 기체가 상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분 중 상기 적어도 하나에 제공되기 전 상기 연료 기체를 가열하기 위해 폐열을 생성하기 위해 그리고 상기 이산화탄소 함유 배기물을 생성하기 위해 공기 및 산소 중 하나 이상으로 상기 보터밍 애노드 부분에서 배출되는 애노드 배기물을 산화시키기 위한 산화기 어셈블리를 더 포함하되;
    상기 분리 어셈블리는 분리된 이산화탄소를 배출하고 별도로 이산화탄소의 양이 감소된 분리된 기체를 배출하는, 고효율 연료 전지 시스템.
  10. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 분리 어셈블리는:
    상기 이산화탄소 함유 배기물에서 물을 분리하기 위해 그리고 물이 분리된 이산화탄소 함유 배기물을 배출하기 위해 상기 이산화탄소 함유 배기물을 냉각시키기 위한 콘덴서; 및
    이산화탄소 함유량이 감소된 분리된 기체를 배출하기 위해 그리고 별도로 저장 및 외부 사용 중 하나 이상에 적합한 이산화탄소를 배출하기 위해 상기 물이 분리된 이산화탄소 함유 배기물에서 이산화탄소를 분리하기 위한 이산화탄소 분리기를 포함하는, 고효율 연료 전지 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 이산화탄소 분리기는 액체 이산화탄소를 생성하기 위한 압축 및 극저온 냉각공정, 용매 세척공정, 및 막 처리법 중 하나 이상을 사용하여 상기 이산화탄소를 분리하는, 고효율 연료 전지 시스템.
  12. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 토핑 연료 전지 어셈블리 및 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리의 각각에서의 연료 전지 캐소드 측 전기화학적 반응을 지지하게 그리고 50% 이상의 전체 CO2 이용률을 달성하게 상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분 중 상기 적어도 하나로의 상기 연료 기체의 유량을 제어하기 제어기를 더 포함하는, 고효율 연료 전지 시스템.
  13. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 토핑 애노드 부분 및 상기 토핑 캐소드 부분 사이 압력의 균형이 맞춰지도록 그리고 상기 보터밍 애노드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분 사이 압력의 균형이 맞춰지도록 상기 토핑 연료 전지 어셈블리 및 보터밍 연료 전지 어셈블리를 통한 연료 기체 및 연료의 유량을 제어하기 위한 제어기를 더 포함하는, 고효율 연료 전지 시스템.
  14. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 보터밍 애노드 부분은 추가 연료를 더 수용하며; 그리고
    상기 고효율 연료 전지 시스템은 상기 보터밍 애노드 부분에 전달되는 추가 연료량을 제어하기 위한 제어기를 더 포함하되;
    상기 제어기는 상기 보터밍 애노드 부분에 전달되는 추가 연료량을 제어함으로써 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리에서 생성되는 전류량을 제어하는, 고효율 연료 전지 시스템.
  15. 청구항 1 또는 2에 있어서, 제어기를 더 포함하되, 상기 제어기는 다음 중 하나 이상:
    (a) 상기 고효율 연료 전지 시스템의 작동 시간이 증가함에 따라, 상기 토핑 연료 전지 어셈블리들에 의해 생성되는 전류량이 감소하고 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리들에 의해 생성되는 전류량이 증가하도록 상기 토핑 연료 전지 어셈블리 및 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리에서 생성되는 전류량
    (b) 연료량이 증가할 때 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리에서 생성되는 전류량이 증가되도록 연료량에 기초하여 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리에서 생성되는 전류량;
    (c) 병렬적으로 또는 직렬적으로 상기 토핑 연료 전지 어셈블리에 그리고 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리에 전달될 상기 연료 기체의 흐름;
    (d) 미리 결정된 전체 CO2 이용률을 달성하기 위한 상기 토핑 연료 전지 어셈블리로의 그리고 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리로의 연료 기체의 유량;
    (e) 압력의 균형이 맞춰지도록 하는 상기 토핑 연료 전지 모듈들 및 상기 보터밍 연료 전지 모듈 내 상기 애노드 부분 및 캐소드 부분 사이 압력;
    (f) 제1 및 제2의 상기 토핑 연료 전지 모듈들의 각각에 제공되는 연료 공급량;
    (g) 상기 보터밍 연료 전지 어셈블리에 제공되는 추가 연료량;
    (h) 상기 분리 어셈블리로부터 상기 토핑 애노드 부분으로 배출되는 이산화탄소 농도가 감소된 나머지 배기물의 환류; 및
    (i) 상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분 중 하나 이상에 전달되는 캐소드 유입 기체 내 이산화탄소 및 산소의 온도 및 농도를 제어하기 위해 상기 토핑 캐소드 부분 및 상기 보터밍 캐소드 부분 중 상기 하나 이상에 공급되는 추가 공기량을 제어하는, 고효율 연료 전지 시스템.
KR1020177036720A 2015-06-05 2016-06-03 이산화탄소 포집 어셈블리를 갖는 고효율 연료 전지 시스템 및 방법 KR20180026395A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/732,032 2015-06-05
US14/732,032 US9502728B1 (en) 2015-06-05 2015-06-05 High-efficiency molten carbonate fuel cell system with carbon dioxide capture assembly and method
PCT/US2016/035745 WO2016196952A1 (en) 2015-06-05 2016-06-03 High-efficiency fuel cell system with carbon dioxide capture assembly and method

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197003291A Division KR102100956B1 (ko) 2015-06-05 2016-06-03 이산화탄소 포집 어셈블리를 갖는 고효율 연료 전지 시스템 및 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20180026395A true KR20180026395A (ko) 2018-03-12

Family

ID=56133105

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177036720A KR20180026395A (ko) 2015-06-05 2016-06-03 이산화탄소 포집 어셈블리를 갖는 고효율 연료 전지 시스템 및 방법
KR1020197003291A KR102100956B1 (ko) 2015-06-05 2016-06-03 이산화탄소 포집 어셈블리를 갖는 고효율 연료 전지 시스템 및 방법

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197003291A KR102100956B1 (ko) 2015-06-05 2016-06-03 이산화탄소 포집 어셈블리를 갖는 고효율 연료 전지 시스템 및 방법

Country Status (7)

Country Link
US (2) US9502728B1 (ko)
EP (2) EP3304629B1 (ko)
JP (1) JP6527966B2 (ko)
KR (2) KR20180026395A (ko)
CN (2) CN107690722B (ko)
CA (1) CA2988295C (ko)
WO (1) WO2016196952A1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102153552B1 (ko) * 2019-07-19 2020-09-08 (주)에프씨아이 다단형 연료전지 시스템
KR20220034160A (ko) * 2019-07-15 2022-03-17 블룸 에너지 코퍼레이션 Ato 인젝터를 포함하는 연료 전지 시스템 및 그 작동 방법
KR20240055618A (ko) 2022-10-20 2024-04-29 (주)에프씨아이 순산소 및 이산화탄소 입력의 고체산화물 연료전지

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9502728B1 (en) * 2015-06-05 2016-11-22 Fuelcell Energy, Inc. High-efficiency molten carbonate fuel cell system with carbon dioxide capture assembly and method
US11094952B2 (en) 2016-04-21 2021-08-17 Fuelcell Energy, Inc. Carbon dioxide removal from anode exhaust of a fuel cell by cooling/condensation
US11309563B2 (en) * 2016-04-21 2022-04-19 Fuelcell Energy, Inc. High efficiency fuel cell system with hydrogen and syngas export
KR102326948B1 (ko) 2016-04-21 2021-11-16 퓨얼 셀 에너지, 인크 이산화탄소 포획을 위해 용융 탄산염 연료 전지 애노드 배기를 후가공처리하는 방법
US10840530B2 (en) * 2016-04-21 2020-11-17 Fuelcell Energy, Inc. High efficiency fuel cell system with intermediate CO2 recovery system
KR102372516B1 (ko) 2016-04-29 2022-03-10 퓨얼 셀 에너지, 인크 이산화탄소 포집을 증진시키기 위한 애노드 배기가스의 메탄화
US10541433B2 (en) 2017-03-03 2020-01-21 Fuelcell Energy, Inc. Fuel cell-fuel cell hybrid system for energy storage
US10573907B2 (en) 2017-03-10 2020-02-25 Fuelcell Energy, Inc. Load-following fuel cell system with energy storage
AT521068B1 (de) * 2018-03-15 2020-11-15 Avl List Gmbh Modulares Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellensystems mit mehreren Modulen
WO2020053793A2 (en) * 2018-09-12 2020-03-19 Fuelcell Energy, Inc. System including fuel cell assembly voltage monitor
WO2020112812A1 (en) 2018-11-30 2020-06-04 Exxonmobil Research And Engineering Company Operation of molten carbonate fuel cells with enhanced co 2 utilization
WO2020170063A1 (en) * 2019-02-18 2020-08-27 Fuelcell Energy, Inc. Energy storage for combustion turbine using molten carbonate electrolyzer cell
EP4000118A1 (en) * 2019-07-19 2022-05-25 Bloom Energy Corporation Integrated power generation, carbon dioxide separation and downstream processing system and method
WO2021107935A1 (en) 2019-11-26 2021-06-03 Exxonmobil Research And Engineering Company Operation of molten carbonate fuel cells with high electrolyte fill level
KR20230011914A (ko) 2020-03-11 2023-01-25 퓨얼셀 에너지, 인크 탄소 포집을 위한 증기 메탄 개질 유닛
JP2023531937A (ja) * 2020-06-22 2023-07-26 フュエルセル エナジー， インコーポレイテッド ガス注入を使用して燃料電池内の圧力差を再平衡させるためのシステム
EP4214782A1 (en) * 2020-09-16 2023-07-26 Fuelcell Energy, Inc. Carbon dioxide production from carbonate fuel cells
US11978931B2 (en) 2021-02-11 2024-05-07 ExxonMobil Technology and Engineering Company Flow baffle for molten carbonate fuel cell
CN114649548B (zh) * 2022-03-11 2024-03-01 广东电网有限责任公司广州供电局 一种多级燃料电池系统及其能量转换方法
CN114883614B (zh) * 2022-07-11 2022-09-27 佛山市清极能源科技有限公司 一种燃料电池系统的自适应排气方法
CN116544449B (zh) * 2023-07-03 2023-09-15 磐动(浙江)电气科技有限公司 一种低碳排放的燃料电池系统及热量管理方法

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07123050B2 (ja) * 1989-04-21 1995-12-25 株式会社日立製作所 溶融炭酸塩型燃料電池発電プラント
US5518828A (en) * 1994-07-21 1996-05-21 Bechtel Group, Inc. Thermal integration of an air-cooled fuel cell stack
JP2004186074A (ja) * 2002-12-05 2004-07-02 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 溶融炭酸塩型燃料電池を用いた二酸化炭素回収方法
JP2004235027A (ja) * 2003-01-30 2004-08-19 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
US7087333B2 (en) * 2003-02-26 2006-08-08 General Motors Corporation Hydrogen recirculation without a pump
US7396603B2 (en) * 2004-06-03 2008-07-08 Fuelcell Energy, Inc. Integrated high efficiency fossil fuel power plant/fuel cell system with CO2 emissions abatement
FI120476B (fi) * 2004-10-28 2009-10-30 Waertsilae Finland Oy Polttokennopinojen virtausjärjestely
FR2884305A1 (fr) * 2005-04-08 2006-10-13 Air Liquide Procede de recuperation et liquefaction du co2 contenu dans un gaz pauvre en co2
US8097374B2 (en) * 2005-11-16 2012-01-17 Bloom Energy Corporation System and method for providing reformed fuel to cascaded fuel cell stacks
US8080344B2 (en) 2006-05-16 2011-12-20 Fuelcell Energy, Inc. Fuel cell hybrid power generation system
US7883803B2 (en) 2007-03-30 2011-02-08 Bloom Energy Corporation SOFC system producing reduced atmospheric carbon dioxide using a molten carbonated carbon dioxide pump
EP2297811B1 (en) 2008-06-06 2018-11-21 Fuelcell Energy, Inc. Modular fuel cell stack assembly including anode gas oxidizer and integrated external manifolds for use in fuel cell stack modules
US8062799B2 (en) * 2008-08-19 2011-11-22 Fuelcell Energy, Inc. High-efficiency dual-stack molten carbonate fuel cell system
JP2010055927A (ja) * 2008-08-28 2010-03-11 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
CA2764117A1 (en) * 2009-06-16 2010-12-23 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Systems and processes of operating fuel cell systems
DE102009031774B4 (de) * 2009-06-30 2012-02-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Hochtemperaturbrennstoffzellensystem
US20130014484A1 (en) * 2009-12-21 2013-01-17 Luciano Caprile System and method for separating co2 from combustion exhaust gas by means of mcfc multistacks
ITMI20111161A1 (it) 2011-06-24 2012-12-25 Ansaldo Fuel Cells Spa Sistema mcfc multi-stack e metodo per separare co2 da fumi di combustione contenenti nox e sox
US20130259780A1 (en) * 2012-03-30 2013-10-03 Alstom Technology Ltd Method for controlling solvent emissions from a carbon capture unit
MY175798A (en) * 2012-05-08 2020-07-09 Petroliam Nasional Berhad Petronas Method and system for removing carbon dioxide from hydrocarbons
JP6312793B2 (ja) * 2013-03-15 2018-04-18 エクソンモービル リサーチ アンド エンジニアリング カンパニーＥｘｘｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ 燃料電池を使用する集積化された発電および炭素捕捉
JP2015015100A (ja) * 2013-07-03 2015-01-22 三菱重工業株式会社 ガス化燃料電池複合発電システム
US9502728B1 (en) * 2015-06-05 2016-11-22 Fuelcell Energy, Inc. High-efficiency molten carbonate fuel cell system with carbon dioxide capture assembly and method

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220034160A (ko) * 2019-07-15 2022-03-17 블룸 에너지 코퍼레이션 Ato 인젝터를 포함하는 연료 전지 시스템 및 그 작동 방법
KR102153552B1 (ko) * 2019-07-19 2020-09-08 (주)에프씨아이 다단형 연료전지 시스템
KR102153551B1 (ko) * 2019-07-19 2020-09-08 (주)에프씨아이 다단형 연료전지 시스템
KR20240055618A (ko) 2022-10-20 2024-04-29 (주)에프씨아이 순산소 및 이산화탄소 입력의 고체산화물 연료전지

Also Published As

Publication number Publication date
CN107690722B (zh) 2020-04-21
CN107690722A (zh) 2018-02-13
US20160359182A1 (en) 2016-12-08
CA2988295A1 (en) 2016-12-08
KR20190016126A (ko) 2019-02-15
EP3457479A1 (en) 2019-03-20
EP3304629A1 (en) 2018-04-11
EP3457479B1 (en) 2020-05-20
EP3304629B1 (en) 2018-10-24
JP2018521464A (ja) 2018-08-02
CN111261908B (zh) 2022-11-04
US10170782B2 (en) 2019-01-01
US20170040629A1 (en) 2017-02-09
KR102100956B1 (ko) 2020-04-16
JP6527966B2 (ja) 2019-06-12
US9502728B1 (en) 2016-11-22
CA2988295C (en) 2019-05-21
WO2016196952A1 (en) 2016-12-08
CN111261908A (zh) 2020-06-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102100956B1 (ko) 이산화탄소 포집 어셈블리를 갖는 고효율 연료 전지 시스템 및 방법
CA2971427C (en) High efficiency fuel cell system
JP6397502B2 (ja) 水素製造のための改質装置・電解装置・精製装置（ｒｅｐ）組立体、同組立体を組み込むシステムおよび水素製造方法
US20200176795A1 (en) Anode exhaust processing for molten carbonate fuel cells
EP3053217B1 (en) Fuel cell integration within a heat recovery steam generator
US11309563B2 (en) High efficiency fuel cell system with hydrogen and syngas export
US10840530B2 (en) High efficiency fuel cell system with intermediate CO2 recovery system
WO2020112774A1 (en) Elevated pressure operation of molten carbonate fuel cells with enhanced co2 utilization
TW202337064A (zh) 具改良燃料利用率的燃料電池系統及方法
JPH04206158A (ja) 溶融炭酸塩型燃料電池を用いる発電プラント
JP2023552768A (ja) 炭素捕捉及び効率化の増加を有する固体酸化物燃料電池システム
KR20170140300A (ko) 다중 연료 전지 스택을 위한 하우징

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
A302 Request for accelerated examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application
J201 Request for trial against refusal decision
J301 Trial decision

Free format text: TRIAL NUMBER: 2019101000349; TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20190131

Effective date: 20190628