KR20190046706A - 블록-내 개질된 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템 및 이에 상응하는 방법들이 제공된다. 상기 연료 전지 시스템은 블록-내 개질뿐만 아니라 예비-개질기를 위해 구성된 연료 전지 스택을 포함한다. 상기 연료 전지 스택은 복수의 연료 전지들을 포함할 수 있다. 상기 연료 전지 스택은 또한 연료 공급 매니폴드, 연료 배출 매니폴드, 산화제 공급 매니폴드 및 산화제 배출 매니폴드를 포함할 수 있다. 상기 연료 공급 매니폴드는 연료를 수용하고 블록-내 개질을 위해 연료 전지 스택에 연료를 공급하도록 구성될 수 있다. 상기 연료 배출 매니폴드는 연료 전지 스택으로부터 연료 배출물을 배출하도록 구성될 수 있다. 상기 산화제 공급 매니폴드는 연료를 수용하고 블록-내 개질을 위해 연료 전지 스택에 산화제를 공급하도록 구성될 수 있다. 상기 산화제 배출 매니폴드는 연료 전지 스택으로부터 산화제 배출물을 배출하도록 구성될 수 있다.

Description

블록-내 개질된 연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEMS WITH IN-BLOCK REFORMING}
본원은 대리인 참조번호 G3541-00229/FCA11906으로 식별되는 2017년 10월 26일자로 출원된 미국 특허 출원 제 15/794,222 호(발명의 명칭: "블록-내 개질된 연료 전지 시스템")와 관련되며 본원에 참고로 인용된다.
본 발명은 일반적으로 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료의 블록-내 개질된 연료 전지 시스템 및 이에 상응하는 방법에 관한 것이다.
연료 전지 스택은 연료(예컨대, 수소)가 고온에서 산화제(예컨대, 산소)와 반응하여 전기를 생성하는 전기화학 시스템이다. 연료 전지 스택은 각각의 연료 전지가 애노드, 캐쏘드 및 전해질을 갖는 다수의 연료 전지들을 포함할 수 있다. 연료 전지 스택은 전형적으로 개질기, 열 교환기, 이젝터(ejector), 연소기, 연료 및 산화제 공급원, 및 기타 구성요소들과 같은 구성요소들의 시스템에 의해 지지된다. 예를 들어, 비-개질된 연료의 공급원은 연료 이젝터를 통해 연료 전지 시스템 개질기에 공급될 수 있다. 개질기는 스팀 방법, 건식 방법 또는 다른 개질 방법을 사용하여 연료 전지의 애노드에 공급되는 개질물을 생성하기 위해 연료를 부분적으로 또는 완전히 개질할 수 있다. 예를 들어, 때로는 스팀 메탄 개질(SMR)이라고도 하는 천연 가스의 스팀 개질에서, 고온(600°C 내지 1100°C)에서 금속-계 촉매의 존재하에 스팀이 메탄과 반응하여 일산화탄소 및 수소를 생성한다(CH4 + H2O ↔CO + 3H2). 스팀 개질은 또한 다른 고급 탄화수소가, 이미 다른 공정(예를 들어, 예비-개질)에 의해 공정 가스 스트림으로부터 제거되지 않는 한, 동일한 공정(C2H6 + 2H20 ↔2CO + 5H2)에 의해 고급 탄화수소를 전환시킬 수 있다. 연료 전지는 애노드로부터의 연료 배출물을 배출할 수 있고 상기 연료 배출물을 연료 이젝터 또는 보조 시스템의 흡입부 중 하나에 공급할 수 있다.
또한, 산화제 공급은 연료 전지의 캐쏘드에 산화제를 제공한다. 연료 전지는 미사용 산화제와 같은 산화제 배출물을 캐쏘드로부터 배출할 수 있다. 비-개질된 연료의 개질을 용이하게 하기 위해, 연료 전지 시스템은 캐쏘드 배출물 또는 일부 다른 고온 유체를 개질기에 공급함으로써 개질기에 열 입력을 제공할 수 있다. 열을 개질 연료 내로 전달한 후, 캐쏘드 배출물은 보조 시스템에 공급되거나, 산화제 공기 이젝터를 통해 연료 전지의 캐쏘드로 재순환되거나, 또는 둘 모두일 수 있다.
캐쏘드에 공급되는 재순환되는 새로운 산화제의 온도는 연료 전지 스택을 통과함에 따라 열 입력으로 인해 증가할 것이다. 그러나, 산화제 내로의 열 입력은 산화제가 연료 전지 시스템을 통해 유동함에 따라 열 평형 상태로 산화제를 유지하기에 불충분할 수 있다. 이는 예를 들어 탄화수소 연료의 개질을 지원하는 데 필요한 상대적으로 많은 양의 열 입력 때문이다. 산화제가 연료 전지 스택을 통해 유동함에 따라 산화제를 열적으로 균형을 맞추기 위해, 열 교환기가 연료 전지 시스템, 전형적으로 캐쏘드 입구의 상류에 도입될 수 있다. 열 교환기는 연소 생성물을 공급받아 열을 발생시키는 반응을 일으킬 수 있다. 연소 생성물은 연료 배출물 예컨대 미사용 연료, 및 캐쏘드 배출물을 포함할 수 있다. 상기 반응은 열 교환기에서 또는 예를 들어 열교환 기의 상류에 위치된 연소기와 같은 다른 구성요소에서 발생할 수 있다.
이러한 구성에서, 산화제는 전형적으로 정상 작동 중에 연료 전지 시스템을 통해 유동함에 따라 열적 평형 상태로 유지된다. 연료 전지 스택 내에서 발생된 열, 개질기에서 연료로 전달된 열, 캐쏘드 이젝터에서의 산화제 혼합의 냉각 효과 및 열 교환기로부터의 열 입력은 상기 열적 평형을 유지하기 위해 균형을 이룰 것이고; 실제로, 캐쏘드 입구의 상류의 열 교환기는 이러한 목적을 위해 사이징된다(sized).
연료 전지의 한 유형은 고체 산화물 연료 전지(SOFC)이다. SOFC의 기본 구성요소는 애노드, 캐쏘드, 고체 전해질 및 상호연결부를 포함할 수 있다. 연료는 애노드에 공급될 수 있고, 산화제는 연료 전지의 캐쏘드에 공급될 수 있다. 캐쏘드에서, 전자들은 산화제를 이온화시킨다. 전해질은 이온화된 산화제가 애노드로 통과함과 동시에 유체 연료 및 산화제에 불투과성이도록 하는 물질을 포함할 수 있다. 애노드에서, 연료는 상호연결부를 통해 캐쏘드로 다시 전도되는 전자들을 방출하는 반응에서 이온화된 산화제와 조합된다. 오믹 손실(ohmic loss)로부터 발생된 열은 연료(즉, 애노드) 배출물 또는 산화제(즉, 캐쏘드) 배출물에 의해 연료 전지로부터 제거되거나, 열은 환경으로 방출된다.
SOFC의 애노드는 니켈 및 지르코니아(예를 들어, 이트리아 안정화된 지르코니아(YSZ)) 또는 니켈 및 세리아(예를 들어, 가돌리니아 도프 세리아(GDC))를 포함하는 혼합된 서멧(cermet)일 수 있다. 니켈 및 다른 물질은 연료와 이온화된 산화제 간의 화학 반응을 지원하도록 작용할 뿐만 아니라 애노드가 연료 전지 내에서 탄화수소 연료를 개질할 수 있게 하는 촉매적 특성을 가질 수 있다. 탄화수소 연료를 개질하는 한 가지 방법은 메탄(CH4)의 스팀 개질로서, 흡열 반응(식 1)이다:
CH4 + H2O → CO + 3H2 *?*H° = 206.2 kJ/mol (식 1)
대안적인 개질 방법이 또한 가능하다. 예를 들어, 탄화수소 연료는 이산화탄소 개질(또한 건식 개질이라고도 함)에 의해 개질될 수 있다(식 2):
CO2 + CH4 → 2H2 +2CO (식 2)
SOFC는 예를 들어 개개의 셀들의 세그먼트-인-시리즈(segment-in-series) 또는 인-플레인(in-plane) 시리즈 배치로 구조화될 수 있다. 산화제는 전형적으로 산화제 입구를 통해 일련의 연료 전지들의 일 단부에 도입되고, 캐쏘드 배출물 출구에 도달할 때까지 나머지 연료 전지들 위로 유동한다. 각각의 연료 전지는 산화제 내로 열을 전달하여 그 온도를 상승시킨다. 산화제 입구로부터 산화제 출구로 증가하는 온도 구배가 연료 전지에서 발생할 수 있다. 이러한 온도 구배는 연료 전지에 열적 응력을 유발하여 연료 전지 구성요소들의 물질 열화 또는 고장을 초래할 수 있다. 또한, 연료 전지에 대한 열적 응력은 연료 전지 성능을 감소시킬 수 있다. 일부 연료 전지 시스템들은 연료의 일부가 연료 전지 스택 내에서 개질되는 블록-내 개질(IBR)의 사용에 의해 이러한 문제들을 완화하려고 시도한다. 그러나, 이들 시스템은 전형적으로 여전히 개질기 뿐만 아니라 열 교환기를 필요로 한다.
본 발명은 내부 블록 개질을 위해 구성된 연료 전지 시스템을 개선할 수 있는 블록-내 개질된 연료 전지 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일부 구현예들에 따르면, 연료 전지 시스템이 제공된다. 연료 전지 시스템은 연료의 공급원 및 산화제의 공급원을 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템은 또한 IBR, 애노드 이젝터 및 예비-개질기를 위해 구성된 연료 전지 스택을 포함한다. 연료 전지 스택은 각각의 연료 전지가 애노드, 캐쏘드 및 전해질을 포함하는 복수의 연료 전지들을 포함할 수 있다. 연료 전지는 SOFC일 수 있다. 연료 전지 스택은 또한 연료 공급 매니폴드, 연료 배출 매니폴드, 산화제 공급 매니폴드 및 산화제 배출 매니폴드를 포함할 수 있다. 연료 공급 매니폴드는 연료를 수용하고 복수의 연료 전지의 애노드들에 연료를 공급하도록 구성될 수 있다. 연료 배출 매니폴드는 연료 전지 스택으로부터 연료 배출물을 배출하도록 구성될 수 있다. 산화제 공급 매니폴드는 산화제를 수용하고 산화제를 복수의 연료 전지의 캐소드들에 공급하도록 구성될 수 있으며, 산화제 배출 매니폴드는 연료 전지 스택으로부터 산화제 배출물을 배출하도록 구성될 수 있다.
연료 전지 시스템의 애노드 이젝터는 연료 공급원으로부터 연료를 수용하고, 연료 전지 스택으로부터 배출물의 일부를 수용하고, 하나 또는 그 초과의 수용된 연료 및 수용된 배출물 부분 중 적어도 일부를 포함하는 연료 스트림을 공급하도록 구성될 수 있다. 일부 예에서, 애노드 이젝터는 적어도 7.5(즉, 750%)의 재순환 비에 기초하여 연료 스트림을 공급하도록 구성된다. 재순환 비는 연료의 스트림으로서 제공되는 수용된 연료의 양에 대한 재생된 연료의 수용된 부분의 양(이 예에서는 연료 배출물)의 비(질량 기준)이다. 일부 예들에서, 애노드 이젝터는 4.5 내지 15(즉, 450% 내지 1500%)의 재순환 비에 기초하여 연료 스트림을 공급하도록 구성된다. 일부 예들에서, 애노드 이젝터는 6 내지 8(즉, 600% 내지 800%)의 재순환 비에 기초하여 연료 스트림을 공급하도록 구성된다. 일부 예들에서, 애노드 이젝터는 열 교환기를 통과하지 않고 연료 전지 스택으로부터 연료 배출물의 일부를 수용하도록 구성된다.
전술한 바와 같이, 연료 전지 시스템은 또한 예비-개질기를 포함할 수 있다. 예비-개질기는 애노드 이젝터의 출구와 연료 공급 매니폴드 사이에 배치될 수 있고, 애노드 이젝터로부터 수용된 연료의 스트림으로부터 보다 고급의 탄화수소를 제거하도록 구성될 수 있다. 예비-개질기는 또한 예비-개질된 연료를 연료 공급 매니폴드에 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 예비-개질기는 예비-개질된 연료를 연료 공급 매니폴드에 직접 공급한다. 일부 예들에서, 예비-개질기는 애노드 이젝터로부터의 연료 스트림으로부터 열 이외의 다른 열 입력없이 더 고급의 탄화수소를 제거하도록 구성된 단열 촉매 전환기일 수 있다.
일부 구현예들에서, 연료 전지 시스템은 또한 보조 이젝터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 보조 이젝터는 연료 전지 스택으로부터 연료 배출물의 일부를 수용하고 산화제 배출 매니폴드로부터 산화제 배출물을 수용하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예들에서, 연료 전지 시스템은 또한 보조 이젝터로부터의 산화제 배출물뿐만 아니라 연료 전지 스택으로부터의 연료 배출물을 수용하도록 구성된 연소기를 포함한다. 일부 구현예들에서, 연료 전지 시스템은 또한 연소기로부터 배출물을 수용하도록 구성된 터빈을 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 연료 전지 시스템은 캐쏘드 이젝터의 상류 또는 하류에 위치된 열 교환기를 포함한다. 열 교환기는 보조 이젝터의 배출물로부터 산화제 공급원으로 열을 전달할 수 있다. 일부 예들에서, 연료 전지 시스템은 열 교환기들을 포함하지 않는다.
일부 구현예들에서, 연료 전지 시스템은 산화제 공급원으로부터 산화제를 수용하도록 구성된 압축기를 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, 연료 전지 시스템은 캐쏘드 이젝터를 또한 포함할 수 있으며, 여기서 캐쏘드 이젝터는 압축기로부터 산화제를 수용하고, 연료 전지 스택의 산화제 배출 매니폴드로부터 산화제 배출물을 수용하고, 수용된 산화제들을 다양한 비율로 연료 전지 스택의 산화제 유입 매니폴드에 공급하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 캐쏘드 이젝터로부터의 산화제 배출물은 열 교환기를 통과하지 않고 연료 전지 스택의 산화제 유입 매니폴드로 공급된다.
본 발명의 일부 구현예들에 따르면, 고체 산화물 연료 전지 시스템이 제공된다. 고체 산화물 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지를 포함하는 IBR 용으로 구성된 고체 산화물 연료 전지 스택을 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 고체 산화물 연료 전지는 애노드, 캐쏘드 및 전해질을 포함한다.
고체 산화물 연료 전지 시스템은 또한 연료 및 개질물을 각각의 고체 산화물 연료 전지의 애노드에 공급하기 위한 애노드 루프(loop)를 포함할 수 있다. 애노드 루프는 연료 유입 매니폴드, 연료 배출 매니폴드, 연료 공급원, 애노드 이젝터 및 예비-개질기를 포함할 수 있다. 연료 유입 매니폴드는 각각의 고체 산화물 연료 전지의 애노드에 연료를 공급하도록 구성될 수 있다. 연료 배출 매니폴드는 각각의 고체 산화물 연료 전지의 애노드로부터 미사용 연료 또는 부분적으로 고갈된 개질된 연료와 같은 연료 배출물을 수용하도록 구성될 수 있다. 애노드 이젝터는 연료 공급원 및 연료 배출 매니폴드로부터 연료를 수용하고, 연료 공급원 및 연료 배출 매니폴드로부터의 하나 또는 그 초과의 수용된 연료들 중 적어도 일부를 포함하는 연료 스트림을 공급하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 애노드 이젝터는 적어도 7.5의 재순환 비에 기초한 연료 스트림을 공급하도록 구성된다. 일부 예들에서, 예를 들어 7.5와 같은 재순환 비에 기초하여, 애노드 이젝터는 약 11% 미만의 메탄을 함유하는 연료 스트림을 공급한다. 예비-개질기는 애노드 이젝터의 출구와 고체 산화물 연료 전지 스택 사이에 배치될 수 있고, 애노드 이젝터로부터 수용된 연료의 스트림으로부터 보다 고급의 탄화수소들을 제거하도록 구성될 수 있다.
고체 산화물 연료 전지 시스템은 또한 산화제를 각각의 고체 산화물 연료 전지의 캐쏘드에 공급하기 위한 캐쏘드 루프를 포함할 수 있다. 캐쏘드 루프는 산화제 유입 매니폴드, 산화제 배출 매니폴드 및 산화제 공급원을 포함할 수 있다. 산화제 유입 매니폴드는 각각의 고체 산화물 연료 전지의 캐쏘드에 산화제를 공급하도록 구성될 수 있고, 산화제 배출 매니폴드는 고체 산화물 연료 전지들의 각각의 캐쏘드로부터 산화제 배출물을 수용하도록 구성될 수 있다.
일부 구현예들에서, 고체 산화물 연료 전지 시스템은 산화제의 공급원으로부터 산화제를 수용하도록 구성된 압축기를 포함한다. 일부 예들에서, 캐쏘드 루프는 또한 캐쏘드 이젝터를 포함할 수 있다. 캐쏘드 이젝터는 압축기로부터 산화제를 수용하고, 연료 전지 스택의 산화제 배출 매니폴드로부터 산화제 배출물을 수용하고, 수용된 산화제들을 다양한 비율로 연료 전지 스택의 산화제 유입 매니폴드에 공급하도록 구성될 수 있다.
고체 산화물 연료 전지 시스템은 또한 연료 배출 매니폴드로부터의 연료 배출물의 일부 및 산화제 배출 매니폴드로부터의 산화제 배출물의 일부를 연소시키기 위한 보조 루프를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 보조 루프는 보조 이젝터 및 연소기를 포함할 수 있다. 보조 이젝터는 산화제 배출 매니폴드로부터의 산화제 배출물의 일부를 수용하고, 산화제 공급원으로부터 산화제의 일부를 수용하고, 연료 배출 매니폴드로부터 연료 배출물의 일부를 수용하도록 구성될 수 있다. 연소기는 보조 이젝터로부터 배출물을 수용하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예들에서, 고체 산화물 연료 전지 시스템은 연소기로부터 배출물을 수용하도록 구성된 터빈을 포함한다.
일부 구현예들에서, 연료 전지 블록, 블록-외(out-of-block) 산화제 유로 및 블록-외 연료 유로를 포함하는 연료 전지 시스템이 제공된다. 연료 전지 블록은 복수의 고체 산화물 연료 전지들을 포함하는 연료 전지 스택을 포함하며, 여기서 각각의 고체 산화물 연료 전지는 애노드, 캐쏘드 및 전해질을 포함한다. 연료 전지 블록은 또한 연료 공급 매니폴드, 연료 배출 매니폴드, 및 연료 공급 매니폴드 및 연료 배출 매니폴드와 유체 연통되는 하나 또는 그 초과의 연료 공급 채널들을 포함하는 블록-내 연료 공급 유로를 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 애노드는 하나 또는 그 초과의 연료 공급 채널들에서 유동하는 연료에 노출된다. 연료 전지 블록은 또한 산화제 공급 매니폴드, 산화제 배출 매니폴드, 및 산화제 공급 매니폴드 및 산화제 배출 매니폴드와 유체 연통되는 하나 또는 그 초과의 산화 채널들을 포함하는 블록-내 산화 유로를 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 캐쏘드는 하나 또는 그 초과의 산화 채널들에서 유동하는 산화제에 노출된다.
블록-외 산화제 유로는 산화제 공급 입력, 산화제 재순환 입력 및 조합된 산화제 출력을 갖는 캐쏘드 이젝터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 조합된 산화제 출력은 산화제 공급 입력을 통해 수용된 산화제와 산화제 재순환 입력을 통해 수용된 재순환된 산화제의 혼합물을 제공할 수 있다. 블록-외 산화제 유로는 또한 캐쏘드 이젝터 산화제 공급 입력과 유체 연통되는 산화제 공급 도관, 산화제 공급 도관과 유체 연통되는 산화제 공급원, 캐쏘드 이젝터 산화제 재순환 입력 및 블록-내 산화 유로 산화제 배출 매니폴드와 유체 연통되는 산화제 재순환 도관을 포함할 수 있다. 블록-외 유로는 또한 캐쏘드 이젝터 조합된 산화제 출력 및 블록-내 산화 유로 산화제 공급 매니폴드와 유체 연통되는 조합된 산화제 공급 도관을 포함할 수 있다.
블록-외 연료 유로는 연료 공급 입력, 연료 재순환 입력 및 조합된 연료 출력을 갖는 애노드 이젝터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 조합된 연료 출력은 연료 공급 입력을 통해 수용된 연료와 연료 재순환 입력을 통해 수용된 재순환된 연료에 기초한 조합된 연료를 제공할 수 있다. 블록-외 유로는 또한 애노드 이젝터 연료 공급 입력과 유체 연통되는 연료 공급 도관, 연료 공급 도관과 유체 연통되는 연료 공급원, 애노드 이젝터 연료 재순환 입력과 블록-내 연료 공급 유로 연료 배출 매니폴드와 유체 연통되는 연료 재순환 도관, 및 애노드 이젝터 조합된 연료 출력 및 블록-내 연료 공급 유로 연료 공급 매니폴드와 유체 연통되는 조합된 연료 공급 도관을 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 블록-내 연료 공급 유로와 함께 블록-외 연료 유로는 애노드 이젝터 연료 재순환 입력 내로 유동하는 연료의 질량 대 애노드 이젝터 연료 공급 입력 내로 유동하는 연료의 질량의 범위의 재순환 비 6:1 내지 8:1을 달성하도록 구성된다. 다른 예들에서, 블록-내 연료 공급 유로와 함께 블록-외 연료 유로는 애노드 이젝터 연료 재순환 입력 내로 유동하는 연료의 질량 대 애노드 이젝터 연료 공급 입력 내로 유동하는 연료의 질량의 범위의 재순환 비 4.5:1 내지 15:1을 달성하도록 구성된다. 또 다른 예들에서, 블록-내 연료 공급 유로와 함께 블록-외 연료 유로는 애노드 이젝터 연료 재순환 입력 내로 유동하는 연료의 질량 대 애노드 이젝터 연료 공급 입력 내로 유동하는 연료의 질량의 재순환 비 약 7.5:1을 달성하도록 구성된다.
일부 예들에서, 블록-내 연료 공급 유로와 함께 블록-외 연료 유로는 블록-내 연료 공급 유로 연료 공급 매니폴드 내로 유동하는 유체 내의 메탄의 중량%를 11% 이하로 달성하도록 구성된다. 일부 예들에서, 블록-내 연료 공급 유로와 함께 블록-외 연료 유로는 블록-내 연료 공급 유로 연료 공급 매니폴드 내로 유동하는 유체 내의 메탄의 중량%를 0 내지 11% 범위로 달성하도록 구성된다.
일부 예들에서, 연료 전지 시스템은 산화제 공급 입력, 연료 배출 입력, 산화제 배출 입력, 재순환 입력 및 출력을 갖는 보조 이젝터를 포함하는 블록-외 보조 유로를 포함한다. 보조 유로는 보조 이젝터 산화제 공급 입력 및 산화제 공급원과 유체 연통되는 산화제 공급 도관; 상기 보조 이젝터 연료 배출 입력 및 상기 블록-내 연료 공급 유로 연료 배출 매니폴드와 유체 연통되는 연료 배출 도관; 상기 보조 이젝터 산화제 배출 입력 및 상기 블록-내 산화 유로 산화제 배출 매니폴드와 유체 연통되는 산화제 배출 도관; 상기 보조 이젝터 출력과 유체 연통되는 보조 배출 도관; 및 상기 보조 이젝터 재순환 입력 및 상기 보조 배출 도관과 유체 연통되는 재순환 도관을 추가로 포함한다.
일부 예들에서, 보조 유로는 연소기를 포함한다. 일부 예들에서, 연료 전지 시스템은 연소기의 유체 출력과 조합된 산화제 공급 도관에서 유동하는 유체 사이에서 열 에너지를 전달하기 위한 열 교환기를 포함한다. 일부 예들에서, 열 교환기는 연소기의 유체 출력과 산화제 공급 도관에서 유동하는 유체 사이에 위치한다.
본 발명의 일부 구현예들에 따르면, 연료 전지 시스템은 다중 구획들(예를 들어, 세그먼트들)을 포함하는 IBR 용으로 구성된 연료 전지 스택을 포함한다. 연료 전지 시스템은 또한 다중 애노드 이젝터들 및 예비-개질기들을 사용할 수 있다. 연료 전지 시스템은 또한 연료의 공급원 및 산화제의 공급원을 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템은 또한 제 1 애노드 이젝터, 제 2 애노드 이젝터, 제 1 예비-개질기 및 제 2 예비-개질기를 포함할 수 있다. 연료 전지 스택은 각각의 연료 전지가 애노드, 캐쏘드 및 전해질을 포함하는 복수의 연료 전지들을 포함할 수 있다. 연료 전지들은 SOFC일 수 있다.
연료 전지 스택의 각 구획은 연료 공급 매니폴드 및 연료 배출 매니폴드를 포함할 수 있다. 연료 전지 스택의 하나의 구획은 산화제 공급 매니폴드를 포함할 수 있으며, 여기서 연료 전지 스택의 또 다른 구획은 산화제 배출 매니폴드를 포함한다. 각각의 연료 전지 스택의 연료 공급 매니폴드는 연료를 수용하고 복수의 연료 전지들의 애노드들에 연료를 공급하도록 구성될 수 있다. 각각의 연료 전지 스택의 연료 배출 매니폴드는 연료 전지 스택으로부터 연료 배출물을 배출하도록 구성될 수 있다. 연료 전지 스택의 하나의 구획의 산화제 공급 매니폴드는 산화제를 수용하고 산화제를 복수의 연료 전지들의 캐소드들에 공급하도록 구성될 수 있으며, 연료 전지 스택의 또 다른 구획의 산화제 배출 매니폴드는 연료 전지 스택으로부터 산화제를 배출하도록 구성될 수 있다.
연료 전지 시스템의 제 1 애노드 이젝터는 연료 공급원으로부터 연료를 수용하고, 연료 전지 스택의 하나의 구획로부터 연료 배출물의 일부를 수용하고, 하나 또는 그 초과의 상기 수용된 연료 및 상기 수용된 연료 배출물 부분 중 적어도 일부를 포함하는 제 1 연료 스트림을 공급하도록 구성될 수 있다. 제 1 연료 스트림은 예를 들어 제 1 예비-형성기(pre-former)에 공급될 수 있다. 일부 예들에서, 제 1 애노드 이젝터는 열 교환기를 통과하지 않고 연료 전지 스택의 구획으로부터 연료 배출물의 일부를 수용하도록 구성된다.
제 1 예비-개질기는 제 1 애노드 이젝터의 출구와 연료 공급 매니폴드 사이에 배치될 수 있고, 제 1 애노드 이젝터로부터 수용된 제 1 연료 스트림으로부터 보다 고급의 탄화수소를 제거하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 제 1 예비-형성기는 제 1 애노드 이젝터로부터의 연료 스트림으로부터 열 이외의 다른 열 입력없이 더 고급의 탄화수소를 제거하도록 구성된 단열 촉매 전환기일 수 있다.
연료 전지 시스템의 제 2 애노드 이젝터는 연료 공급원으로부터 연료를 수용하고, 연료 전지 스택의 또 다른 구획로부터 연료 배출물의 일부를 수용하고, 하나 또는 그 초과의 상기 수용된 연료 및 상기 수용된 연료 배출물 부분의 적어도 일부를 포함하는 연료의 제 2 스트림을 공급하도록 구성될 수 있다. 연료의 제 2 스트림은 예를 들어 제 2 예비-형성기에 공급될 수 있다. 일부 예들에서, 제 2 애노드 이젝터는 열 교환기를 통과하지 않고 연료 전지 스택의 다른 구획으로부터 연료 배출물의 일부를 수용하도록 구성된다.
제 2 예비-개질기는 제 2 애노드 이젝터의 출구와 연료 공급 매니폴드 사이에 배치될 수 있고, 제 2 애노드 이젝터로부터 수용된 연료의 제 2 스트림으로부터 보다 고급의 탄화수소를 제거하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 제 2 예비-형성기는 제 2 애노드 이젝터로부터의 연료 스트림으로부터 열 이외의 다른 열 입력없이 더 고급의 탄화수소를 제거하도록 구성된 단열 촉매 전환기일 수 있다.
일부 예들에서, 제 1 애노드 이젝터는 적어도 7.5의 재순환 비에 기초하여 제 1 연료 스트림을 공급하도록 구성된다. 일부 예들에서, 제 1 애노드 이젝터는 7.5 내지 15 범위의 재순환 비에 기초하여 제 1 연료 스트림을 공급하도록 구성된다. 유사하게, 일부 예들에서, 제 2 애노드 이젝터는 적어도 7.5의 재순환 비에 기초하여 연료의 제 2 스트림을 공급하도록 구성된다. 일부 예들에서, 제 2 애노드 이젝터는 7.5 내지 15 범위의 재순환 비에 기초하여 연료의 제 2 스트림을 공급하도록 구성된다.
일부 구현예들에서, 제 1 애노드 이젝터 및 제 2 애노드 이젝터는 각각의 재순환 비의 제 1 연료 스트림 및 제 2 연료 스트림을 공급하도록 구성되어, 제 1 연료 스트림 및 제 2 연료 스트림이 약 11% 미만의 메탄을 함유하는 조합된 연료를 제공한다. 예를 들어, 제 1 애노드 이젝터는 수용된 연료에 대한 수용된 제 1 배출물 부분의 제 1 비율에 기초하여 제 1 연료 스트림을 공급하도록 구성될 수 있고, 제 2 애노드 이젝터는 수용된 연료에 대한 상기 수용된 부분의 제 2 비율에 기초하여 제 2 연료 스트림을 공급하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 각각의 상기 제 1 비율 및 제 2 비율은 7.5 내지 15의 범위일 수 있다.
일부 구현예들에서, 연료 전지 시스템은 또한 보조 이젝터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 보조 이젝터는 연료 전지 스택으로부터 연료 배출물의 일부를 수용하고 산화제 배출 매니폴드로부터 배출된 산화제를 수용하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예들에서, 연료 전지 시스템은 또한 보조 이젝터로부터 배출된 산화제뿐만 아니라 연료 전지 스택으로부터의 연료 배출물을 수용하도록 구성된 연소기를 포함한다. 일부 구현예들에서, 연료 전지 시스템은 또한 연소기로부터 배출물을 수용하도록 구성된 터빈을 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 연료 전지 시스템은 캐쏘드 이젝터의 상류 또는 하류에 위치된 열 교환기를 포함한다. 열 교환기는 보조 이젝터의 배출물로부터 산화제 공급물로 열을 전달할 수 있다. 예를 들어, 열 교환기는 보조 이젝터의 배출물을 수용하고 캐쏘드 이젝터로부터 공급되는 산화제를 수용하도록 구성될 수 있다. 열 교환기는 이어서 보조 이젝터의 배출물로부터 산화제 공급물로 열을 전달하고 이를 연료 전지 스택의 산화제 유입 매니폴드에 제공할 수 있다. 대안적으로, 열 교환기는 산화제의 공급원으로부터 산화제를 수용하고, 보조 이젝터의 배출물로부터 산화제로 열을 전달하고, 산화제를 캐쏘드 이젝터에 제공하도록 구성될 수 있다.
일부 예들에서, 연료 전지 블록, 블록-외 산화제 유로, 제 1 블록-외 연료 유로 및 제 2 블록-외 연료 유로를 포함하는 연료 전지 시스템이 제공된다. 연료 전지 블록은 제 1 및 제 2 세그먼트를 갖는 연료 전지 스택을 포함할 수 있으며, 각각의 세그먼트는 복수의 고체 산화물 연료 전지들을 포함하고, 각각의 고체 산화물 연료 전지는 애노드, 캐쏘드 및 전해질을 포함한다. 연료 전지 블록은 또한 제 1 연료 공급 매니폴드, 제 1 연료 배출 매니폴드, 및 제 1 연료 공급 매니폴드 및 제 1 연료 배출 매니폴드와 유체 연통되는 하나 또는 그 초과의 연료 공급 채널들을 포함하는 제 1 블록-내 연료 공급 유로를 포함할 수 있으며, 여기서 제 1 세그먼트 내의 각각의 애노드는 하나 또는 그 초과의 제 1 연료 공급 채널들에서 유동하는 연료에 노출된다. 연료 전지 블록은 또한 제 2 연료 공급 매니폴드, 제 2 연료 배출 매니폴드, 및 제 2 연료 공급 매니폴드 및 제 2 연료 배출 매니폴드와 유체 연통되는 하나 또는 그 초과의 제 2 연료 공급 채널들을 포함하는 제 2 블록-내 연료 공급 유로를 포함할 수 있으며, 여기서 제 2 세그먼트 내의 각각의 애노드는 하나 또는 그 초과의 제 2 연료 공급 채널들에서 유동하는 연료에 노출된다. 연료 전지 블록은 또한 산화제 공급 매니폴드, 산화제 배출 매니폴드, 및 산화제 공급 매니폴드 및 산화제 배출 매니폴드와 유체 연통되는 하나 또는 그 초과의 산화 채널들을 포함하는 블록-내 산화 유로를 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 캐쏘드는 하나 또는 그 초과의 산화 채널들에서 유동하는 산화제에 노출된다.
블록-외 산화 유로는 산화제 공급 입력, 산화제 재순환 입력 및 조합된 산화제 출력을 갖는 캐쏘드 이젝터를 포함할 수 있다. 블록-외 산화 유로는 또한 캐쏘드 이젝터 산화제 공급 입력과 유체 연통되는 산화제 공급 도관, 산화제 공급 도관과 유체 연통되는 산화제 공급원, 캐쏘드 이젝터 산화제 재순환 입력 및 블록-내 산화 유로 산화제 배출 매니폴드와 유체 연통되는 산화제 재순환 도관을 포함할 수 있다. 블록-외 산화 유로는 또한 캐쏘드 이젝터 조합된 산화제 출력 및 블록-내 산화 유로 산화제 공급 매니폴드와 유체 연통되는 조합된 산화제 공급 도관을 포함할 수 있다.
제 1 블록-외 연료 유로는 연료 공급 입력, 연료 재순환 입력 및 조합된 연료 출력을 갖는 제 1 애노드 이젝터를 포함할 수 있다. 제 1 블록-외 연료 유로는 또한 제 1 애노드 이젝터 연료 공급 입력과 유체 연통되는 제 1 연료 공급 도관, 제 1 연료 공급 도관과 유체 연통되는 연료의 공급원, 및 상기 제 1 애노드 이젝터 연료 재순환 입력 및 상기 제 2 블록-내 연료 공급 유로 연료 배출 매니폴드와 유체 연통되는 제 1 연료 재순환 도관을 포함할 수 있다. 제 1 블록-외 연료 유로는 또한 제 1 애노드 이젝터 조합된 연료 출력 및 제 1 블록-내 연료 공급 유로 연료 공급 매니폴드와 유체 연통되는 제 1 조합된 연료 공급 도관을 포함할 수 있다.
제 2 블록-외 연료 유로는 연료 공급 입력, 연료 재순환 입력 및 조합된 연료 출력을 갖는 제 2 애노드 이젝터를 포함할 수 있다. 제 2 블록-외 연료 유로는 또한 제 2 애노드 이젝터 연료 공급 입력과 유체 연통되는 제 2 연료 공급 도관, 제 2 연료 공급 도관과 유체 연통되는 연료의 공급원, 및 상기 제 2 애노드 이젝터 연료 재순환 입력 및 상기 제 1 블록-내 연료 공급 유로 연료 배출 매니폴드와 유체 연통되는 제 2 연료 재순환 도관을 포함할 수 있다. 제 2 블록-외 연료 유로는 또한 제 2 애노드 이젝터 조합된 연료 출력 및 제 2 블록-내 연료 공급 유로 연료 공급 매니폴드와 유체 연통되는 제 2 조합된 연료 공급 도관을 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 각각의 제 1 및 제 2 블록-외 연료 유로 및 제 1 및 제 2 블록-내 연료 공급 유로는 애노드 이젝터 연료 재순환 입력 내로 유동하는 연료의 질량 대 애노드 이젝터 연료 공급 입력 내로 유동하는 연료의 질량의 범위의 재순환 비 7.5 내지 15를 달성하도록 구성된다.
일부 예들에서, 제 1 및 제 2 세그먼트를 포함하는 연료 전지 스택을 갖는 연료 전지 시스템 연료 전지 블록은 산화제 공급 입력, 연료 배출 입력, 산화제 배출 입력, 재순환 입력 및 출력을 갖는 보조 이젝터를 포함하는 블록-외 보조 유로를 포함한다. 보조 유로는 또한 보조 이젝터 산화제 공급 입력 및 산화제 공급원과 유체 연통되는 산화제 공급 도관(예를 들어, 공급 라인)을 포함할 수 있다. 보조 유로는 또한 보조 이젝터 연료 배출 입력 및 제 1 블록-내 연료 공급 유로 연료 배출 매니폴드와 유체 연통되는 연료 배출 도관, 및 상기 보조 이젝터 산화제 배출 입력 및 상기 제 2 블록-내 산화 유로 산화제 배출 매니폴드와 유체 연통되는 산화제 배출 도관을 포함할 수 있다. 보조 유로는 또한 보조 이젝터 출력과 유체 연통되는 보조 배출 도관, 및 상기 보조 이젝터 재순환 입력 및 상기 보조 배출 도관과 유체 연통되는 재순환 도관을 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 연료 전지 시스템은 각각 애노드, 캐쏘드 및 전해질을 갖는 복수의 고체 산화물 연료 전지들을 포함하는 연료 전지 스택을 포함한다. 연료 전지 시스템은 또한 연료 공급 매니폴드, 연료 배출 매니폴드, 및 상기 연료 공급 매니폴드와 상기 연료 배출 매니폴드 사이에 유로를 제공하는 하나 또는 그 초과의 연료 공급 채널들을 포함할 수 있다. 하나 또는 그 초과의 연료 공급 채널들은 복수의 연료 전지들의 애노드들과 유체 연통된다. 연료 전지 시스템은 또한 비-개질된 연료의 공급원 및 상기 연료 공급원으로부터 비-개질된 연료의 입력을 갖는 이젝터를 포함하는 연료 공급 시스템, 상기 연료 배출 매니폴드로부터의 재순환 연료의 입력, 및 상기 연료 공급 매니폴드에 제공되는 입력들로부터의 조합된 연료들의 출력을 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 연료 전지 시스템은 재순환 연료의 질량 대 비-개질된 연료의 질량의 재순환 비가 4.5:1 내지 15:1의 범위 내에 있도록 구성될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 연료 전지 시스템은 연료 공급 매니폴드에 제공되는 조합된 연료들의 출력이 11 중량% 이하의 메탄을 포함하도록 구성될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 연료 전지 시스템은 연료 공급 매니폴드에 유입되는 유체의 온도가 이젝터로부터의 조합된 연료들 출력의 온도보다 크지 않도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 시스템은 이젝터의 출력과 다르게는 연료 공급 매니폴드 내로 유동하는 연료에 열 에너지(즉, 열)를 제공하는 연료 공급 매니폴드 사이에 열 교환기를 포함하지 않을 수 있다.
상응하는 방법들이 또한 고려된다. 일부 예들에서, 연료 전지 시스템은 블록-내 개질을 위해 구성된 연료 전지 스택을 포함한다. 상기 방법은 연료 전지 스택의 연료 공급 매니폴드에 의해 연료 공급원으로부터 연료를 수용하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 연료 전지 스택의 산화제 공급 매니폴드에 의해 산화제 공급원으로부터 산화제를 수용하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 연료 전지 스택에 의해 상기 수용된 연료를 상기 수용된 산화제로 개질하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 연료 전지 시스템의 모든 연료 개질은 연료 전지 스택에 의해 수행된다(즉, 100% 블록-내 개질). 상기 방법은 또한 연료 전지 스택에 의해 연료 전지 스택으로부터 연료 배출물을 배출하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 연료 전지 스택의 산화제 배출 매니폴드에 의해 산화제와 같은 캐쏘드 배출물을 배출하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 애노드 이젝터에 의해 연료 공급원으로부터 연료를 수용하는 단계, 및 애노드 이젝터에 의해 연료 배출 매니폴드로부터 연료 배출물의 제 1 부분을 수용하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 애노드 이젝터에 의해 하나 또는 그 초과의 상기 수용된 연료 및 상기 수용된 연료 배출물의 제 1 부분의 적어도 일부를 포함하는 연료의 스트림을 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 애노드 이젝터로부터의 연료 스트림으로부터 보다 고급의 탄화수소를 예비-개질기에 의해 제거하는 단계; 및 상기 예비-개질기에 의해 상기 블록-내 개질을 위해 상기 연료 스트림을 상기 연료 전지 스택의 상기 연료 공급 매니폴드에 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 예에서, 고체 산화물 연료 전지 스택의 애노드들에 연료를 제공하는 방법은, 연료 공급원으로부터 비-개질된 연료를 추출하는 단계; 상기 비-개질된 연료를 연료 전지 스택으로부터 배출된 연료의 적어도 일부와 조합하는 단계; 상기 조합된 비-개질된 연료 및 배출된 연료를 예비-개질하는 단계; 및 상기 비-개질된 연료를 개질하는 단계를 포함하고, 이때 개선점은 상기 연료 전지 스택 내의 상기 비-개질된 연료 모두를 개질하는 것을 포함한다.
또 다른 예에서, 연료 전지 시스템에서의 방법은, 연료 전지 스택의 연료 배출 매니폴드에 의해 연료 배출물을 배출하는 단계; 연료 전지 스택의 산화제 배출 매니폴드에 의해 산화제 배출물을 배출하는 단계; 애노드 이젝터에 의해 연료 공급원으로부터 연료를 수용하는 단계; 상기 연료 배출 매니폴드로부터 연료 배출물의 제 1 부분을 애노드 이젝터에 의해 수용하는 단계; 애노드 이젝터에 의해, 하나 또는 그 초과의 상기 수용된 연료 및 상기 수용된 연료 배출물의 제 1 부분의 적어도 일부를 포함하는 연료의 스트림을 예비-개질기에 공급하는 단계; 상기 예비-개질기에 의해 상기 애노드 이젝터로부터의 연료 스트림으로부터 더 고급의 탄화수소를 제거하는 단계; 상기 예비-개질기에 의해 상기 연료 스트림을 상기 블록-내 개질을 위해 상기 연료 전지 스택의 연료 공급 매니폴드에 제공하는 단계; 상기 연료 전지 스택의 산화제 공급 매니폴드에 의해 산화제 공급원으로부터의 산화제를 수용하는 단계; 및 연료 전지 스택에 의해 상기 수용된 산화제에 의해 연료 스트림을 블록-내 개질시키는 단계를 포함하고, 이때 상기 연료 전지 시스템의 모든 연료 개질은 상기 연료 전지 스택에 의해 수행된다.
일부 예들에서, 애노드 이젝터는 하나 또는 그 초과의 수용된 연료 및 수용된 연료 배출물의 제 1 부분의 적어도 일부를 포함하는 연료의 스트림을, 재순환 비 범위, 예컨대 7.5 내지 15의 연료 배출 매니폴드로부터의 연료 배출물의 제 1 부분의 질량 대 연료 공급원으로부터의 연료의 질량의 비의 범위에 기초하여 예비-개질기에 공급한다. 또 다른 예에서, 애노드 이젝터는 하나 또는 그 초과의 수용된 연료 및 수용된 연료 배출물의 제 1 부분의 적어도 일부를 포함하는 연료의 스트림을 예비-개질기에 공급하고, 여기서 애노드 이젝터에 의해 공급되는 연료 스트림의 메탄의 중량%는 11% 이하이다. 본원의 개시에 따른 다른 상응하는 방법이 또한 고려된다.
다른 장점들 중, 본 발명은 블록-내 개질을 위해 구성된 연료 전지 스택들을 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다. 연료 전지 시스템은 유입되는 연료가 보다 고급의 탄화수소를 제거하기 위해 예비-개질되고 나머지 연료가 외부 개질기를 필요로 하지 않고 연료 전지 스택에서 직접 개질되는 예비-개질기를 포함한다. 이러한 방식으로, 연료 전지 스택의 출구에서의 연료 전지 스택(캐쏘드) 공기 온도와 연료 전지 스택의 입구 사이의 차이는 상당히 감소된다. 그 결과, 연료 전지 스택 입구로 유입되는 연료의 온도는 증가한다. 또한, 연료 전지 스택을 빠져나가는 연료의 온도가 감소되어, 연료 전지 스택 출구 열화를 감소시킨다. 또 다른 이점은 연료 전지 스택 내의 보다 균일한 전류 분포이며, 결과적으로 연료 전지 스택을 장기간 지속시킨다. 예를 들어, 연료 전지의 내부 전기 저항은 온도에 따라 변한다.　 이와 같이, 연료 전지가 전달할 수 있는 전류의 양은 온도에 따라 변한다.　 연료 전지 스택 전체에 걸쳐 보다 균일한 온도는 모든 셀이 더 좁은 범위의 내부 저항을 가지게 되므로 더 좁은 전류 범위를 생성함을 의미한다.　 이는 적어도 연료 전지 스택이 얼마나 많은 전류를 소모하는지에 따라 열화되는 경향이 있기 때문에 장점이다. 일부 연료 전지들이 다른 연료 전지들보다 빠르게 열화되면, 연료 전지 스택은 일부 전지들이 여전히 유용할지라도 연료 전지 스택의 수명은 다해갈 수 있다. 이 시스템에는 또한 연료 전지 시스템에 외부 개질기가 필요 없기 때문에 비용 이점도 있다. 본 발명의 다른 이점들은 본원이 청구범위, 첨부 도면 및 구현예에 대한 상세한 설명을 열람함으로써 얻어지는 것으로 당업자에게는 용이하게 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 일부 구현예들에 따른 연료 전지 시스템을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일부 구현예들에 따른 다른 연료 전지 시스템을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일부 구현예들에 따른 또 다른 연료 전지 시스템을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일부 구현예들에 따른 또 다른 연료 전지 시스템을 도시한다.
본 발명은 다양한 수정 및 대안적인 형태가 가능하지만, 구체적인 구현예들은 도면에서 예시하는 방식으로 도시되었으며 본원에서 상세히 기술될 것이다. 청구된 발명의 목적 및 이점들은 첨부된 도면들과 관련하여 그 바람직한 구현예들에 대한 하기 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다. 그러나, 본 발명은 개시된 특정 형태들에 한정되는 것으로 의도되지 않음을 이해해야 한다. 오히려, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의의 취지 및 범주 내에 속하는 모든 수정, 등가물 및 대안을 포함하는 것이다.
도 1은 연료 전지 스택(102), 산화제 공급원(108), 연료 공급원(110), 애노드 이젝터(112)(연료 이젝터라고도 함), 캐쏘드 이젝터(114)(산화제 이젝터라고도 함), 예비-개질기(144), 및 보조 이젝터(116)를 포함하는 연료 전시 시스템(100)을 예시한다. 이 시스템에는 연료의 IBR이 포함된다. 예를 들어, 일부 예들에서 모든 연료 개질(즉, 100%)이 연료 전지 스택(102)에서 발생한다. IBR은 건식 또는 습식 개질을 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템(100)은 또한 보조 장치 및 구성요소들을 포함할 수 있다. 이 예에서, 연료 전지 시스템(100)은 압축기(134), 터빈(136), 발전기(138) 및 복열기(recuperator)(142)를 포함한다.
연료 전지 스택(102)은 복수의 개별 연료 전지들(미도시)을 포함할 수 있다. 개개의 연료 전지들은 각각 애노드, 캐쏘드 및 전해질을 포함할 수 있다. 연료 전지 스택(102)은 또한 예비-개질기(144)로부터 연료의 스트림을 수용하도록 구성된 연료 공급 매니폴드(120)(연료 유입 매니폴드로서 공지되어 있음)를 포함할 수 있다.
연료 전지 스택(102)은 또한 연료 스택(102)으로부터 연료 배출물, 특히 미사용 연료(예를 들어, 개질된 연료(개질물)), 연료 전지 반응 생성물, 또는 둘 다를 배출하도록 구성된 연료 배출 매니폴드(118)를 포함할 수 있다. 연료 배출물은 애노드 이젝터(112)의 흡입부, 보조 이젝터(116)의 흡입부 또는 예를 들어 연소기(미도시)와 같은 다른 보조 장치에 공급될 수 있다. 연료 배출 매니폴드(118)는 또한 연료 배출물을 환경으로 배출하도록 구성될 수 있거나, 또는 이들 옵션의 임의의 조합을 사용하여 연료 배출물을 공급 또는 배출하도록 구성될 수 있다.
애노드 이젝터(112)는 연료 공급원(110)으로부터 연료의 공급원을 수용할 수 있고, 또한 상기한 바와 같이 애노드 이젝터(112)로 다시 재순환되는 연료 전지 스택(102)으로부터의 연료 배출 매니폴드(118)로부터 연료 배출물을 수용할 수 있다. 애노드 이젝터(112)는 연료를 예비-개질기(104)에 공급하도록 구성된다. 일부 예들에서, 애노드 이젝터(112)는 높은 재순환 비에 기초하여 연료를 공급하도록 구성된다. 예를 들어, 애노드 이젝터(112)는 7.5 내지 15 범위의 재순환 비에 기초하여 연료를 공급하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 애노드 이젝터(112)는 이를 위해 구성되는 재순환 비에 기초하여 연료를 11% 미만의 메탄으로 예비-개질기에 공급한다.
예비-개질기(144)는 애노드 이젝터(112)의 출구와 연료 공급 매니폴드(120) 사이에 배치될 수 있다. 예비-개질기(144)는 애노드 이젝터(112)의 출구로부터의 연료 스트림으로부터 더 고급의 탄화수소를 제거하고, 애노드 이젝터(112)로 재순환되는 연료 배출물 내에 존재할 수 있는 임의의 더 고급의 탄화수소를 제거하는 기능을 한다. 예비-개질기(144)는 공급원(110)으로부터의 연료로부터 열 및 연료 배출물(118)로부터 재순환되는 열 이외의 다른 열 입력없이 보다 고급의 탄화수소를 제거할 수 있는 단열 촉매 전환기일 수 있다.
일부 예들에서, 연료 공급원(110)은 애노드 이젝터(112)에 탈황 천연 가스를 제공한다. 애노드 이젝터(112)를 빠져나가는 메탄 가스는 스팀 개질을 통해 연료 전지 스택(102)에서 합성 가스로 전환된다. 생성된 합성 가스는 연료 전지 스택(102)의 전기화학적 공정을 통해 이산화탄소 및 물로 전환된다.
연료 전지 스택(102)은 또한 산화제 공급 매니폴드(122)(이는 산화제 유입 매니폴드로 지칭될 수 있음) 및 산화제 배출 매니폴드(124)를 포함할 수 있다. 산화제 공급 매니폴드(122)는 캐쏘드 이젝터(114)로부터 산화제를 수용하도록 구성된다. 캐쏘드 이젝터(114)는 또한 연료 전지 스택(102)의 산화제 배출 매니폴드(124)로부터 배출되는 산화제를 수용하도록 구성된다. 캐쏘드 이젝터(114)는 또한 수용된 산화제를 연료 전지 스택(102) 내의 복수의 캐쏘드에 제공하도록 구성된다.
산화제 배출 매니폴드(124)는 캐쏘드 이젝터(114)의 흡입 측, 보조 이젝터(116)의 흡입 측, 또는 예를 들어 연소기(미도시)와 같은 일부 다른 구성요소 중 하나 또는 그 초과의 구성요소들로의 전달을 위해 연료 전지 스택(102)으로부터 산화제를 배출하도록 구성될 수 있다. 산화제 배출 매니폴드(124)는 또한 산화제를 환경으로 배기하도록 구성되거나, 또는 이들 옵션의 임의의 조합으로 산화제를 배출 또는 배기하도록 구성될 수 있다.
캐쏘드 이젝터(114)의 흡입 측에 공급되는 산화제 배출물은 캐쏘드 루프의 일부를 통해 유동한다. 이러한 예에서, 캐쏘드 루프는 캐쏘드 이젝터(114)로부터 산화제가 연료 전지 스택(102) 내의 캐쏘드들에 공급되고 산화제 배출 매니폴드(124) 밖으로 배출되고 캐쏘드 이젝터(114)의 흡입 측으로 되돌아가는 산화제 공급 매니폴드(122) 내로의 산화제의 유로로 구성된다. 도시된 바와 같이, 캐쏘드 루프는 산화제가 산화제 공급원(108)으로부터 루프 내로 들어가고 이젝터(116)의 흡입부를 통해 루프를 빠져나오기 때문에 폐쇄 시스템이 아니다. 예를 들어, 일부 구현예들에서, 캐쏘드 루프는 산화제 공급원(108) 및 산화제 공급원(108)과 연료 전지 스택(102) 사이에 도시된 추가적인 구성요소들을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 또한, 일부 구현예들에서, 캐쏘드 루프는 연료 전지 스택(102)의 하나 또는 그 초과의 연료 전지 전해질을 통해 이온화되고 확산되는 산화제의 흐름을 포함할 수 있다.
보조 이젝터(116)에 통합될 수 있는 연소기(미도시)는 보조 이젝터(116)에 전력을 공급하는 데 사용되는 에너지를 제공할 수 있는 새로운 산화제를 공급받을 수 있다. 보조 이젝터(116)는 연료 배출 매니폴드(118)로부터의 연료 배출물의 일부, 산화제 배출 매니폴드(124)로부터의 산화제의 일부를 배출할 수 있고, 또한 보조 이젝터(116)에 의해 생성된 연소 가스를 배출할 수 있다.
이러한 예에서, 연료 전지 시스템(100)의 일부는 애노드 루프를 포함한다. 애노드는 예비-개질기(144)로부터 연료 유입 매니폴드(120) 내로, 연료 배출 매니폴드(118) 밖으로, 애노드 이젝터(112) 내로, 및 예비-개질기(144) 내로 다시 회귀하는 연료의 유로를 포함한다. 애노드 루프는 또한 연료 공급원(110)으로부터 애노드 이젝터(112) 내로의 연료의 유로를 포함할 수 있다.
연료 공급원(110)은 탄화수소 연료, 탈황 천연 가스 또는 임의의 다른 유형의 연료와 같은 연료 공급원일 수 있다. 산화제 공급원(108)은 순수한 산소, 대기, 또는 다른 산화제 공급원과 같은 산화제로 채워진 저장 탱크들, 또는 산화제 공급을 위해 설계된 시스템을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 연료 전지 시스템(100)은 압축기(134), 터빈(136), 발전기(138) 및 복열기(142)를 포함한다. 복열기(142)는 그 내부에 일련의 저온-측 채널들에서 압축기(134)로부터의 산화제를 공급받을 수 있다. 유사하게, 복열기(142)은 일련의 고온-측 채널들에 터빈(136)의 배출물을 공급받을 수 있다. 복열기(142)는 캐쏘드 이젝터(114) 및 보조 이젝터(116)의 상류에 있고, 터빈(136) 배출물과 압축기(134)에 의해 공급된 산화제 사이에서 열을 전달하는 기능을 한다.
발전기(138)는 터빈(136)에 전력을 공급할 수 있다. 터빈(136)은 압축기(134) 및 발전기(138)를 구동하고, 예를 들어 보조 이젝터(116)로부터 연소 생성물들을 수용할 수 있다. 연소 생성물들은 터빈(136)을 통과할 때 팽창할 수 있다. 터빈(136)의 배출물은 대기로 배출되기 전에 복열기(142)에 공급되어 열 교환을 수행할 수 있다. 터빈(136)은 또한 배출물을 대기로 배기하도록 구성될 수 있다.
압축기(134)는 산화제의 공급원(108)으로부터 하류에 배치될 수 있다. 압축기(134)는 캐쏘드 이젝터(114) 및 보조 이젝터(116)를 구동시키는 데 사용되는 산화제를 흡입하여 압축할 수 있다. 이러한 예에서, 압축기(134)는 압축된 산화제를 복열기(142)에 제공하도록 구성된다.
일부 구현예들에서, 연료 전지 시스템(100)은 복수의 통합된 연료 전지 시스템들 중 하나일 수 있다. 도 1의 우측에서 볼 수 있는 바와 같이, 캐쏘드 이젝터(114) 바로 아래 "추가적인 통합 블록으로"라고 표시된 우측 화살표는 산화제가 그 시스템의 캐쏘드 이젝터 및 보조 이젝터에 산화제를 공급하기 위해 또 다른 통합된 연료 전지 시스템을 향해 유동할 수 있음을 나타낸다. 이러한 구현예에서, 압축기(134)는 복수의 통합된 연료 전지 시스템을 위해 압축된 산화제를 제공할 수 있다. 유사하게, "추가적인 통합 블록으로부터"라는 화살표로 표시된 바와 같이, 보조 이젝터(116)로부터의 배출물은 터빈(136)으로 공급되는 공통의 배출물 헤더에 공급될 수 있다. 일부 구현예들에서, 다중 터빈들 및 압축기들이 복수의 통합된 연료 전지 시스템들 사이에서 사용될 수 있다.
도 2는 도 1과 관련하여 전술한 것들과 유사한 구성요소들을 포함하는 연료 전지 시스템(200)을 도시한다. 1. 도 1의 연료 전지 시스템(100)과 유사하게, 이 시스템에는 연료의 IBR이 포함된다. 예를 들어, 일부 예들에서 모든 연료 개질이 연료 전지 스택(102)에서 발생한다. 그러나, 이러한 예에서, 연료 전지 스택(102)은 두 개의 구획, 즉 제 1 구획(103) 및 제 2 구획(104)을 포함한다. 연료 전지 시스템(200)은 또한 애노드 이젝터(112) 및 애노드 이젝터(113)를 포함하는 2개의 애노드 이젝터뿐만 아니라 예비-개질기(144) 및 예비-개질기(145)를 포함하는 2개의 예비-개질기를 포함한다.
애노드 이젝터(112)는 연료 공급원(110)으로부터 연료의 공급원을 수용할 수 있고, 또한 연료 전지 스택(102)의 구획(104)으로부터의 연료 배출 매니폴드(118)로부터 연료 배출물을 수용할 수 있다. 애노드 이젝터(112)는 연료를 예비-개질기(144)에 공급하도록 구성된다.
예비-개질기(144)는 애노드 이젝터(112)의 출구와 연료 전지 스택(102)의 구획(103)의 연료 공급 매니폴드(120) 사이에 배치될 수 있다. 예비-개질기(144)는 애노드 이젝터(112)의 출구로부터의 연료 스트림으로부터 더 고급의 탄화수소를 제거하고, 애노드 이젝터(112)로 재순환되는 연료 배출물 내에 존재할 수 있는 임의의 더 고급의 탄화수소를 제거하는 기능을 한다. 예비-개질기(144)는 연료 전지 스택(102)의 구획(103)의 연료 공급 매니폴드(120)에 연료 스트림을 공급한다.
유사하게, 애노드 이젝터(113)는 연료 공급원(110)으로부터 연료의 공급원을 수용할 수 있고, 또한 연료 전지 스택(102)의 구획(103)으로부터의 연료 배출 매니폴드(128)로부터 연료 배출물을 수용할 수 있다. 애노드 이젝터(113)는 연료를 예비-개질기(145)에 공급하도록 구성된다.
예비-개질기(145)는 애노드 이젝터(113)의 출구와 연료 전지 스택(102)의 구획(14)의 연료 공급 매니폴드(130) 사이에 배치될 수 있다. 예비-개질기(145)는 애노드 이젝터(113)의 출구로부터의 연료 스트림으로부터 더 고급의 탄화수소를 제거하고, 애노드 이젝터(113)로 재순환되는 연료 배출물 내에 존재할 수 있는 임의의 더 고급의 탄화수소를 제거하는 기능을 한다. 예비-개질기(145)는 연료 전지 스택(102)의 구획(104)의 연료 공급 매니폴드(130)에 연료 스트림을 공급한다
일부 예들에서, 연료 공급원(110)은 애노드 이젝터(112) 및 애노드 이젝터(113)에 탈황 천연 가스를 제공한다. 애노드 이젝터(112)를 빠져나갈 수 있는 메탄은 스팀 개질을 통해 연료 전지 스택(102)의 구획(103)에서 합성 가스로 전환된다. 생성된 합성 가스는 연료 전지 스택(102)의 전기화학적 공정을 통해 이산화탄소 및 물로 전환된다. 유사하게, 애노드 이젝터(113)를 빠져나가는 모든 메탄은 스팀 개질을 통해 연료 전지 스택(102)의 구획(104)에서 합성 가스로 전환된다. 생성된 합성 가스는 연료 전지 스택(102)의 전기화학적 공정을 통해 이산화탄소 및 물로 전환된다. 이와 같이, 이러한 예에서 2개의 애노드 이젝터의 사용은 단지 하나의 애노드 이젝터를 사용할 수 있는 일부 시스템에서보다 낮은 메탄 농도로 연료 전지 스택(102)에 대한 연료의 전달을 허용한다. 일부 예들에서, 애노드 이젝터들은 조합되어 11% 이하의 메탄 농도를 갖는 연료를 전달한다.
도 3은 도 2의 연료 전지 시스템(200)과 유사한 연료 전지 시스템(300)을 도시하지만, 열 교환기(306)를 또한 포함한다. 이러한 예에서, 연료 전지 스택(102)의 산화제 공급 매니폴드(122) 내로 유동하기 전에, 산화제는 열 교환기(306)의 저온-측 채널들을 통해 유동한다. 이러한 예에서, 캐쏘드 이젝터(114)는 산화제의 공급원(108)으로부터 새로운 산화제를 수용하도록 구성되고 상기 산화제를 열 교환기(306)의 고온-측 채널들에 공급한다.
열 교환기(306)의 고온-측 채널들에는, 이 예에서는, 보조 이젝터(116)로부터의 배출물과 같은 고온 유체의 공급원이 공급된다. 다른 예들에서는, 또 다른 따뜻한 유체가 사용될 수 있다. 예를 들어, 따뜻한 유체는 보조 이젝터(116) 내로 통합될 수 있고, 연료 전지 스택(102)의 애노드들로부터의 연료 배출물의 일부, 연료 전지 스택(102)의 캐쏘드들로부터의 산화제 배출물, 압축기(134)로부터의 산화제, 또는 이들 유체의 조합을 연소시키는 연소기로부터의 연소 생성물들일 수 있다. 열 교환기(306)의 고온-측 채널들을 통과한 후에, 따뜻한 유체는, 이 예에서와 같이, 보조 이젝터(116)의 흡입 측으로 공급될 수 있다. 일부 예들에서, 따뜻한 유체는 환경으로 배기될 수 있다.
도 4는 도 3의 연료 전지 시스템(300)과 유사한 연료 전지 시스템(400)을 도시한다. 그러나, 이 예에서, 열 교환기(306)는 캐쏘드 이젝터(114)의 상류가 아닌 하류에 있다. 이와 같이, 이러한 예에서, 열 교환기(306)의 저온-측 채널들은 산화제 공급원(108)으로부터 산화제를 수용한다. 열 교환기(306)를 통과한 후에, 산화제는 캐쏘드 이젝터(114)에 제공된다. 도 3의 연료 전지 시스템(300)에서와 같이, 열 교환기(306)의 고온-측 채널들에는, 이 예에서는, 보조 이젝터(116)로부터의 배출물과 같은 고온 유체의 공급원이 공급된다. 열 교환기(306)의 고온-측 채널들을 통과한 후에, 따뜻한 유체는, 이 예에서와 같이, 보조 이젝터(116)의 흡입 측으로 공급될 수 있다. 일부 예들에서, 따뜻한 유체는 환경으로 배기될 수 있다.
다른 장점들 중, 본 발명은 블록-내 개질을 위해 구성된 연료 전지 스택들을 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다. 연료 전지 시스템은 유입되는 연료가 보다 고급의 탄화수소를 제거하기 위해 예비-개질되고 나머지 연료가 외부 개질기를 필요로 하지 않고 연료 전지 스택에서 직접 개질되는 예비-개질기를 포함한다. 이러한 방식으로, 연료 전지 스택의 출구에서의 연료 전지 스택(캐쏘드) 공기 온도와 연료 전지 스택의 입구 사이의 차이는 상당히 감소된다. 그 결과, 연료 전지 스택 입구로 유입되는 연료의 온도는 증가한다. 또한, 연료 전지 스택을 빠져나가는 연료의 온도가 감소되어, 연료 전지 스택 출구 열화를 감소시킨다. 또 다른 이점은 연료 전지 스택 내의 보다 균일한 전류 분포이며, 결과적으로 연료 전지 스택을 장기간 지속시킨다. 이 시스템에는 또한 연료 전지 시스템에 외부 개질기가 필요 없기 때문에 비용 이점도 있다. 본 발명의 다른 이점들은 본원이 청구범위, 첨부 도면 및 구현예에 대한 상세한 설명을 열람함으로써 얻어지는 것으로 당업자에게는 용이하게 명백할 것이다.
본 발명의 바람직한 구현예들이 기술되었지만, 기술된 구현예들은 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 범주는 모든 범위의 등가물이 부여되는 경우에 첨부된 청구범위에 의해서만 정의되어야 하고 본원의 열람으로부터 당업자에 의해 자연적으로 발생하는 많은 변형 및 수정을 포함함을 이해해야 한다.

Claims (5)

  1. 고체 산화물 연료 전지 스택(stack)의 애노드들에 연료를 제공하는 방법으로서,
    연료 공급원으로부터 비-개질된 연료를 추출하는 단계;
    상기 비-개질된 연료를 상기 연료 전지 스택으로부터 배출된 연료의 적어도 일부와 조합하는 단계;
    상기 조합된 비-개질된 연료 및 배출된 연료를 예비-개질하는 단계; 및
    상기 연료 전지 스택 내의 상기 비-개질된 연료 모두를 개질하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 연료 전지 시스템에서의 방법으로서,
    연료 전지 스택의 연료 배출 매니폴드에 의해, 연료 배출물을 배출시키는 단계;
    상기 연료 전지 스택의 산화제 배출 매니폴드에 의해, 산화제 배출물을 배출시키는 단계;
    애노드 이젝터(ejector)에 의해, 연료 공급원으로부터 연료를 수용하는 단계;
    상기 애노드 이젝터에 의해, 상기 연료 배출 매니폴드로부터의 연료 배출물의 제 1 부분을 수용하는 단계;
    상기 애노드 이젝터에 의해, 하나 또는 그 초과의 상기 수용된 연료 및 상기 수용된 상기 연료 배출물의 제 1 부분의 적어도 일부를 포함하는 연료 스트림을 예비-개질기에 공급하는 단계;
    상기 예비-개질기에 의해, 상기 애노드 이젝터로부터의 연료 스트림으로부터 보다 더 고급의 탄화수소를 제거하는 단계;
    상기 예비-개질기에 의해, 상기 연료 스트림을 블록-내(in-block) 개질을 위해 상기 연료 전지 스택의 연료 공급 매니폴드에 제공하는 단계;
    상기 연료 전지 스택의 산화제 공급 매니폴드에 의해, 산화제 공급원으로부터 산화제를 수용하는 단계; 및
    상기 연료 전지 스택에 의해, 상기 수용된 산화제로 상기 연료 스트림을 블록-내 개질하는 단계를 포함하고,
    이때 상기 연료 전지 시스템의 모든 연료 개질은 상기 연료 전지 스택에 의해 수행되는, 방법.
  3. 연료 전지 시스템에서의 방법으로서,
    연료 전지 스택의 연료 배출 매니폴드에 의해, 연료 배출물을 배출시키는 단계;
    상기 연료 전지 스택의 산화제 배출 매니폴드에 의해, 산화제 배출물을 배출시키는 단계;
    애노드 이젝터에 의해, 연료 공급원으로부터 연료를 수용하는 단계;
    상기 애노드 이젝터에 의해, 상기 연료 배출 매니폴드로부터의 연료 배출물의 제 1 부분을 수용하는 단계;
    상기 애노드 이젝터에 의해, 상기 연료 공급원으로부터의 연료의 질량에 대한 상기 연료 배출 매니폴드로부터의 연료 배출물의 제 1 부분의 질량의 재순환 비 4.5 내지 15의 범위에 기초하여, 하나 또는 그 초과의 상기 수용된 연료 및 상기 수용된 연료 배출물의 제 1 부분의 적어도 일부를 포함하는 연료 스트림을 예비-개질기에 공급하는 단계;
    상기 예비-개질기에 의해, 상기 애노드 이젝터로부터의 연료 스트림으로부터 보다 더 고급의 탄화수소들을 제거하는 단계; 및
    상기 예비-개질기에 의해, 상기 연료 스트림을 상기 연료 전지 스택의 연료 공급 매니폴드에 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 애노드 이젝터에 의해, 상기 연료 공급원으로부터의 연료의 질량에 대한 상기 연료 배출 매니폴드로부터의 연료 배출물의 제 1 부분의 질량의 재순환 비 6 내지 8의 범위에 기초하여, 하나 또는 그 초과의 상기 수용된 연료 및 상기 수용된 연료 배출물의 제 1 부분의 적어도 일부를 포함하는 연료 스트림을 예비-개질기에 공급하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 연료 전지 시스템에서의 방법으로서,
    연료 전지 스택의 연료 배출 매니폴드에 의해, 연료 배출물을 배출시키는 단계;
    상기 연료 전지 스택의 산화제 배출 매니폴드에 의해, 산화제 배출물을 배출시키는 단계;
    애노드 이젝터에 의해, 연료 공급원으로부터 연료를 수용하는 단계;
    상기 애노드 이젝터에 의해, 상기 연료 배출 매니폴드로부터의 연료 배출물의 제 1 부분을 수용하는 단계;
    상기 애노드 이젝터에 의해, 하나 또는 그 초과의 상기 수용된 연료 및 상기 수용된 연료 배출물의 제 1 부분의 적어도 일부를 포함하는 연료 스트림을 예비-개질기에 공급하되, 이때 상기 애노드 이젝터에 의해 공급되는 연료 스트림 내의 메탄의 중량%가 11% 이하인, 단계;
    상기 예비-개질기에 의해, 상기 애노드 이젝터로부터의 연료 스트림으로부터 보다 더 고급의 탄화수소들을 제거하는 단계; 및
    상기 예비-개질기에 의해, 상기 연료 스트림을 상기 연료 전지 스택의 연료 공급 매니폴드에 제공하는 단계를 포함하는, 방법.

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