KR20190077052A - 블록-내 연료 전지 개질화를 위한 개량된 연료 전지 사이클을 갖춘 통합형 연료 전지 블럭 - Google Patents

블록-내 연료 전지 개질화를 위한 개량된 연료 전지 사이클을 갖춘 통합형 연료 전지 블럭 Download PDF

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로버트 커닝햄
에릭 딘
게리 애그뉴
마이클 보졸로
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엘지 퓨얼 셀 시스템즈 인코포레이티드
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Abstract

캐소드, 애노드 및 보조 루프를 갖는 연료 전지 시스템이 제공된다. 애노드 루프는 개질된 연료 및 미개질된 연료를 연료 전지에 전달하도록 구성될 수 있다. 연료의 일부가 개질기를 우회함으로써 미개질된 연료가 연료 전지들에 제공될 수 있다. 미개질된 연료는 연료 전지 블록 내에서 개질될 수 있다. 캐소드 루프는 상기 연료 전지로부터 배출된 산화제의 일부를, 캐소드 이젝터를 통해서, 상기 연료 전지로 다시 향하게 할 수 있다. 캐소드 이젝터에 들어가기 전에 가열될 수 있는 가압된 산화제가 상기 이젝터에 공급될 수 있다. 보조 루프는 산화제가 캐소드 루프에 들어가기 전에 산화제에 전달된 열을 제공하도록, 미사용 연료 및 산화제를 연소시킬 수 있다.

Description

블록-내 연료 전지 개질화를 위한 개량된 연료 전지 사이클을 갖춘 통합형 연료 전지 블럭
본 발명는 전반적으로 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 블록-내 연료 전지 개질화를 위해서 최적화된 개량된 연료 전지 시스템 사이클들을 실현하는 연료 전지 시스템 및 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 연료(예 : 수소)가 고온에서 산화제(예 : 산소)와 반응하여 전기를 발생시키는 전기 화학 시스템이다. 연료 전지는 통상적으로 개질기, 열 교환기, 이젝터, 연소기, 연료 공급원 및 산화제 공급원 및 다른 구성요소와 같은 구성요소들로 구성된 시스템에 의해 지원된다. 예를 들어, 미개질된 연료의 공급원의 연료는 연료 이젝터를 통해 연료 전지 시스템 개질기에 공급될 수 있다. 개질기는 증기, 건조 또는 다른 개질 방법에 의해 연료를 부분적으로 또는 완전히 개질하여 연료 전지의 애노드에 공급되는 개질물을 생성할 수 있다. 연료 전지는 애노드로부터 미사용 연료를 배출하고 미사용 연료를 연료 이젝터의 흡입측 또는 보조 시스템에 공급할 수 있다.
미개질된 연료의 개질을 실현하기 위해, 연료 전지 시스템은 캐소드 배가스 또는 다른 고온 유체를 개질기에 공급함으로써 개질기에 열 입력을 제공할 수 있다. 개질 연료로 자신의 열을 전달한 후에, 캐소드 배가스는 보조 시스템에 공급되거나, 산화제 공기 이젝터를 통해 캐소드 입구로 재순환되거나, 또는 둘 모두될 수 있다.
캐소드에 공급되는 재생되고 새로운 산화제의 온도는 산화제가 연료 전지 스택을 통과할 때 증가할 것이지만, 캐소드 플로우로의 열 입력은, 탄화수소 연료의 개질을 지원하는데 필요한 큰 열 입력이 주어지면, 열 평형 상태로 캐소드 루프를 유지하기에는 불충분할 수 있다. 캐소드 루프를 열적으로 밸런싱하기 위해, 열교환기를 캐소드 루프 내에, 통상적으로, 캐소드 입구의 상류에 도입할 수 있다. 이 열 교환기는 미사용 연료와 보조 시스템에 공급되는 캐소드 배가스의 반응으로부터 연소 생성물을 공급 받는다. 이러한 반응은 열 교환기 또는 예를 들어, 열교환기의 상류의 연소기와 같은 구성요소에서 발생할 수 있다.
캐소드 루프는 정상 동작 중에 열 평형 상태로 유지된다. 연료 전지 스택 내에서 발생된 열, 개질기 내에서 연료로 전달된 열, 캐소드 이젝터에서의 산화제 혼합의 냉각 효과 및 열 교환기로부터의 열 입력은, 이러한 열 평형을 유지하도록 균형을 이룰 것이다; 실제로, 캐소드 입구의 상류의 열 교환기는 단지 이러한 목적을위한 크기로 되어 있다.
연료 전지의 일 유형은 고체 산화물 연료 전지(SOFC)이다. SOFC의 기본 구성요소는 애노드, 캐소드, 고체 전해질 및 상호 연결부를 포함할 수 있다. 연료는 애노드에 공급될 수 있고, 산화제는 연료 전지의 캐소드에 공급될 수 있다. 캐소드에서 전자는 산화제를 이온화할 수 있다. 전해질은 이온화된 산화제가 자신을 통과하여서 애노드로 가게 하며 동시에 유체 연료 및 산화제에 불투과성인 재료를 포함할 수 있다. 애노드에서, 연료는 상호 연결부를 통해 캐소드로 다시 전도되는 전자를 방출하는 반응에서 상기 이온화된 산화제와 결합된다. 오믹 손실로부터 발생된 열은 애노드 또는 캐소드 배가스 흐름에 의해 연료 전지로부터 제거되거나 주변 환경으로 방출된다. 이러한 전기적 손실로 인한 열은 연료 전지 스택 내의 탄화수소 연료의 개질에 사용될 수 있다.
SOFC는 예를 들어, 개개의 셀들의 분절 직렬 배열 또는 면내 직렬 배열로 구성될 수 있다. 산화제는 일반적으로 일련의 셀들의 한쪽 끝에서 도입되고 캐소드 배가스 출구에 도달할 때까지 나머지 셀들을 따라서 유동한다. 각 연료 전지는 산화제로 열을 전달하여 그 온도를 상승시키고 산화제 입구에서 출구로 증가하는 온도 구배를 형성한다. 산화제 입구에서부터 산화제 배기구까지 증가하는 온도 구배가 또한 연료 전지에서도 발생할 수도 있다. 이러한 온도 구배는 재료의 열화 또는 연료 전지 구성요소의 고장을 유발하거나 연료 전지 성능을 저하시킬 수 있는 열 응력을 유발한다.
SOFC의 애노드는 니켈 및 지르코니아(예컨대 이트리아 안정화된 지르코니아(YSZ)) 또는 니켈 및 세리아(예컨대 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC))를 포함하는 혼합된 서멧(cermet)일 수 있다. 니켈 및 다른 물질들은 연료와 이온화된 산화제 사이의 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 개질 반응, 즉 흡열 반응(식 1)이다:
CH4 + H2O→ CO + 3H2 ΔΗ° = 206.2 kJ/mol (식 1).
다른 개발 방법도 가능하다. 예를 들어, 탄화수소 연료는 이산화탄소 개질(또한 건식 개질이라고도 함)에 의해 개질될 수도 있다(식 2):
CO2 + CH4 → 2H2 +2CO (식 2)
메탄 개질에 필요한 열은 스택 내에서 발생된 열로부터 직접 공급될 수 있다. 이러한 직접 열전달은 스택 냉각, 열 응력 감소 및 전체 스택 성능 향상에 도움이 될 수 있다.
또한, 이러한 직접 열 전달은 개질기에서 탄화수소 연료의 개질에 필요한 열량을 제거하거나 감소시킬 수 있다. 캐소드 루프에서 이러한 큰 열 방출량을 제거하면, 캐소드 루프를 열 평형 상태로 유지하면서 연료 전지 시스템 효율을 향상시키는 개량된 연료 전지 사이클이 가능해질 수 있다.
내부 블록 개질을 위해 구성된 연료 전지에 대한 개량된 연료 전지 열역학 사이클이 필요하다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 연료 전지 사이클이 제공된다. 이 사이클은 캐소드 루프의 전체 열 밸런스를 유지할 수 있다. 이 사이클은 미개질된 연료의 촉매 개질을 용이하게 하기 위해 캐소드 배가스로부터 개질기로 열 전달을 요구하지 않을 수 있다. 연료는 전부 또는 일부가 습식 또는 건식 개질에 의해 내부적으로 개질될 수 있으며, 개질되지 않은 탄화수소 연료의 개질에 필요한 열은 연료 전지 스택에서 발생된 열로부터 전달된다. 외부 개질기는 연료 전지의 전부 또는 대부분이 연료 전지 블록의 외부에서 개질되는 연료 전지 사이클에 사용되는 개질기와 비교할 때 크기가 감소될 수 있다. 캐소드 입구의 상류에 있는 열 교환기는 제거될 수 있다. 일부 실시예에서, 연료 전지 사이클은 보조 루프를 포함하지 않을 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 연료 전지 시스템이 제공된다. 연료 전지 시스템은 미개질된 연료의 공급원 및 산화제의 공급원을 포함할 수 있다. 상기 시스템은 연료 전지 스택, 애노드 이젝터, 개질기, 보조 이젝터 및 캐소드 이젝터를 더 포함할 수 있다. 연료 전지 스택은 애노드, 캐소드 및 전해질을 각각 갖는 복수의 연료 전지를 포함할 수 있다. 연료 전지는 SOFC일 수 있다. 상기 스택은 개질물 및 미개질된 연료를 수용하고 상기 개질물 및 미개질된 연료를 상기 연료 전지에 공급하도록 구성된 연료 공급 매니폴드, 상기 연료 전지 스택으로부터의 미사용된 연료를 배출하도록 구성된 연료 배출 매니폴드, 산화제를 수용하여 상기 연료 전지에 상기 산화제를 공급하도록 구성된 산화제 공급 매니폴드, 및 상기 연료 전지 스택으로부터의 상기 산화제를 배출하도록 구성된 산화제 배기 매니폴드를 포함한다애노드 이젝터는 연료 공급원으로부터 미개질된 연료를 수용하고 연료 전지 스택으로부터 배출된 미사용 연료의 일부를 수용하도록 구성될 수 있다. 개질기는 복수의 저온 측 채널 및 복수의 고온 측 채널을 포함할 수 있으며, 애노드 이젝터로부터 연료를 수용하고 연료를 복수의 저온 측 채널에 공급하도록 구성된 연료 공급 매니폴드, 상기 복수의 저온 측 채널로부터의 개질물을 배출하고 상기 개질물을 상기 연료 전지 스택의 상기 연료 공급 매니폴드에 공급하도록 구성된 연료 배출 매니폴드와, 연료 전지 스택으로부터 배출된 산화제의 일부를 수용하고 상기 복수의 고온 측 채널에 상기 산화제를 공급하도록 구성된 산화제 유입 매니폴드, 및 상기 복수의 고온 측 채널로부터의 상기 산화제를 배출하도록 구성된 산화제 배기 매니폴드를 포함한다. 보조 이젝터는 연료 전지 스택으로부터 배출된 미사용 연료의 일부를 수용하고 개질기의 복수의 고온 측 채널로부터 배출된 산화제를 수용하도록 구성될 수 있다. 보조 이젝터는 산화제 공급원으로부터의 산화제 및 재순환된 보조 플로우의 일부를 추가로 수용할 수 있다. 캐소드 이젝터는 압축기로부터 산화제를 수용하고 연료 전지 스택의 산화제 배기 매니폴드로부터 배출된 산화제를 수용하고 산화제를 연료 전지 스택의 산화제 유입 매니폴드에 공급하도록 구성될 수 있다. 상기 연료 전지 시스템은 상기 보조 이젝터로부터 배출된 미사용 연료 및 산화제를 수용하도록 구성된 연소기, 상기 연소기로부터의 배기 가스를 수용하도록 구성된 터빈, 및 상기 산화제 공급원으로부터 산화제를 수용하도록 구성된 압축기를 더 포함할 수 있다. 상기 시스템은 고온 측 채널들 및 저온 측 채널들을 갖는 열 교환기를 더 포함할 수 있다. 열교환기는 그의 저온 측 채널에서는 산화제 공급원으로부터 산화제를 수용하고 그의 고온 측 채널에서는 연소기로부터 배가스를 수용할 수 있다. 열교환기는 캐소드 이젝터의 상류에 위치할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 연료 전지 시스템이 제공된다. 연료 전지 시스템은 SOFC 시스템일 수 있다. 상기 시스템은 연료 전지 스택, 개질기, 애노드 루프, 캐소드 루프 및 보조 루프를 포함할 수 있다. (고체 산화물) 연료 전지 스택은 적어도 하나의 (고체 산화물) 연료 전지를 포함하고, 각각의 (고체 산화물) 연료 전지는 애노드, 캐소드 및 전해질을 포함한다. 개질기는 고온 측 채널 및 저온 측 채널들을 포함할 수 있다. 애노드 루프는 각각의 (고체 산화물) 연료 전지의 애노드에 연료 및 개질물을 공급할 수 있고, 각 연료 전지의 애노드에 개질물 및 연료를 공급하도록 구성된 연료 전지 스택 내의 연료 유입 매니폴드, 각각의 고체 산화물 연료 전지의 애노드로부터 미사용 연료를 수용하도록 구성된 연료 배출 매니폴드와, 연료 공급원 및 연료 배출 매니폴드로부터 연료를 수용하도록 구성된 애노드 이젝터와, 상기 애노드 이젝터로부터 연료를 수용하도록 구성된 상기 개질기의 저온 측 채널을 포함함 수 있다. 캐소드 루프는 각각의 (고체 산화물) 연료 전지의 캐소드에 산화제를 공급할 수 있고, 각 (고체 산화물) 연료 전지의 캐소드에 산화제를 공급하도록 구성된 연료 전지 스택 내의 산화제 유입 매니폴드, 각 (고체 산화물) 연료 전지의 캐소드로부터 미사용 산화제를 수용하도록 구성된 연료 전지 스택 내의 산화제 배기 매니폴드, 및 상기 산화제 공급원 및 상기 산화제 배기 매니폴드로부터 산화제를 수용하고 산화제를 상기 산화제 유입 매니폴드에 공급하도록 구성된 캐소드 이젝터를 포함할 수 있다. 보조 루프는 연료 배출 매니폴드로부터의 미사용 연료의 일부, 및 산화제 배기 매니폴드로부터의 미사용 산화제의 일부를 연소시키는 구성을 실현할 수 있으며, 상기 보조 루프는 개질기의 고온 측 채널로부터 산화제의 일부, 산화제 공급원으로부터의 산화제의 일부, 및 연료 배출 매니폴드로부터의 미사용 연료의 일부를 수용하도록 구성된 보조 이젝터 및 상기 보조 이젝터로부터 배가스를 수용하도록 구성된 연소기를 포함할 수 있다. 보조 이젝터는 산화제 배기 매니폴드로부터 미사용 산화제의 일부를 수용하도록 구성된 개질기의 고온 측 채널로부터 미사용 산화제를 수용할 수 있다. 상기 시스템은 열 교환기를 더 포함할 수 있으며, 이 열교환기는 상기 캐소드 이젝터의 상류에 위치된 고온 측 채널 및 저온 측 채널을 포함하며, 여기서 저온 측 채널은 산화제의 공급원으로부터 산화제를 수용하고, 고온 측 채널은 보조 루프에서 연소 생성물을 수용한다. 상기 애노드 루프 내의 상기 미개질 연료 및 미사용 연료의 일부는 상기 개질기의 저온 측 채널을 우회할 수 있다. 캐소드 루프는 산화제 유입 매니폴드와 산화제 배기 매니폴드 사이에 위치된 촉매성 시동 연소기 유닛(catalytic start combustor unit)을 더 포함할 수 있으며, 상기 연료 전지의 상류에 위치된 크롬 포획 유닛(chrome capture unit)과, 상기 보조 루프의 하류 및 터빈의 상류에 위치된 연소기를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 연료 전지 시스템이 제공되며 이 시스템은 적어도 하나의 연료 전지 및 동일한 연료 전지에서 재사용하기 위해 연료 전지로부터의 미사용 산화제의 일부를 재순환시키기 위한 캐소드 루프를 갖는다. 캐소드 루프는 연료 전지에 산화제를 공급하도록 구성된 연료 전지 내의 산화제 유입 매니폴드, 연료 전지로부터 미사용 산화제를 수용하도록 구성된 연료 전지 내의 산화제 배기 매니폴드, 및 산화제 공급원 및 상기 산화제 배기 매니폴드로부터 산화제를 수용하고 산화제를 상기 산화제 유입 매니폴드에 공급하도록 구성된 캐소드 이젝터를 포함하며, 상기 미사용 산화제의 일부는 상기 캐소드 이젝터를 통해 상기 산화제 배기 매니폴드로부터 상기 산화제 유입 매니폴드에 직접 공급된다.
본 발명의 이들 및 다른 많은 이점은 청구 범위, 첨부된 도면 및 실시예에 대한 다음의 상세한 설명을 정독하면, 본 기술 분야의 당업자에게는 용이하게 명백할 것이다.
도 1a 및 도 1b는 연료 전지 시스템을 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일부 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 일부 구성요소를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일부 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일부 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일부 실시예에 따른 통합형 연료 전지 블록의 다양한 도면들이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일부 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 비제한적인 예들의 일부 양태들이 개략적으로 도시되어있다. 도면들에서, 본 발명의 실시예의 양태들의 다양한 특징들, 구성요소들 및 이들 간의 상호 관계가 도시된다. 그러나, 본 발명은 도면들에 도시되고 본 명세서에서 기술된 바와 같은, 제시된 특정 실시예 및 구성요소들, 특징들 및 이들 사이의 상관 관계로 한정되지 않는다.
청구된 청구 대상의 목적 및 이점은 첨부된 도면과 관련하여 본 발명의 바람직한 실시예들의 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1a는 연료 전지 시스템(100)을 도시한다. 시스템(100)은 연료 전지 스택(102)(연료 전지 블록으로도 알려짐), 개질기(104), 열교환기(106), 산화제 공급원(108), 연료 공급원(110), 애노드 이젝터(112)(연료 이젝터로 지칭됨), 캐소드 이젝터(114)(산화제 이젝터라고도 함) 및 보조 이젝터(116)를 포함한다. 시스템(100)은 압축기(134), 터빈(136), 발전기(138) 및 리쿠퍼레이터(recuperator)(142)와 같은 보조 장비 및 구성요소를 더 포함할 수 있다.
연료 전지 스택(102)은 복수의 개별 연료 전지(미도시)를 포함할 수 있다. 개별 연료 전지는 각각 애노드, 캐소드 및 전해질을 포함할 수 있다.
연료 전지 스택(102)은 개질기(104)로부터 개질물을 수용하도록 구성된 연료 공급 매니폴드(120)(연료 유입 매니폴드로도 알려짐)를 더 포함할 수 있다. 연료 공급 매니폴드(120)는 미개질된 연료를 수용하도록 구성될 수도 있다. 미개질된 연료는 개질기(104)의 개질부를 통과하였으나 미개질된 연료, 개질기(104)의 개질부를 우회하는 연료 또는 둘 모두 일 수 있다. 연료 공급 매니폴드(120)는 개질물, 미개질된 연료 또는 이들 모두를 연료 전지 스택(102)의 복수의 애노드에 공급하도록 더 구성된다.
연료 전지 스택(102)은 연료 전지 스택(102)으로부터 미사용 연료(예를 들어, 산화제와 반응하지 않는 미개질된 연료 또는 개질물), 연료 전지 반응 생성물 또는 이 둘을 배출하도록 구성된 연료 배출 매니폴드(118)를 더 포함할 수 있다. 미사용 연료는 애노드 이젝터(112)의 흡입부, 보조 이젝터(116)의 흡입부, 주변 환경과 연통하는 연소기와 같은 다른 보조 장비(도시되지 않음) 또는 이들의 임의의 조합으로 공급될 수 있다.
연료 전지 스택(102)은 산화제 공급 매니폴드(122)(산화제 유입 매니폴드로 지칭될 수 있음) 및 산화제 배기 매니폴드(124)를 더 포함할 수 있다. 산화제 공급 매니폴드(122)는 캐소드 이젝터(114)로부터 산화제를 수용하도록 구성된다. 캐소드 이젝터(114)로부터의 산화제는 연료 전지 스택(102)으로부터 배출되는 산화제와 결합될 수 있다. 산화제는 산화제 공급 매니폴드(122)에서 수용되기 전에 열이 산화제로 전달되는 열 교환기(106)의 저온 측 채널을 통과할 수 있다. 산화제 공급 매니폴드(122)는 연료 전지 스택(102) 내의 복수의 캐소드에 산화제를 전달하도록 구성된다.
산화제 배기 매니폴드(124)는 개질기(104) 또는 일부 다른 구성요소로의 전달을 위해 연료 전지 스택(102)으로부터 산화제를 배출하도록 구성된다. 개질기에서, 산화제 배가스는 개질기(104)의 고온 측 채널을 통과하여 미개질된 연료 및 미개질된 연료의 개질을 돕는 미사용 연료 스트림으로의 열 전달에 영향을 미친다. 개질기(104)를 나온 후에, 산화제 배가스는 캐소드 이젝터(114)의 흡입 측, 보조 이젝터(116)의 흡입 측, 주변 환경에 연통되는 연소기와 같은 일부 다른 구성요소(도시되지 않음), 또는 이들의 임의의 조합으로 공급될 수도 있다.
캐소드 이젝터(114)의 흡입 측으로 공급되는 산화제 배가스는 캐소드 루프의 일부분을 통해 흐른다. 캐소드 루프는 캐소드 이젝터(114)로부터, 열 교환기(106)의 저온 측 채널을 통해, 산화제 공급 매니폴드(122)로 되는 유동 경로로 구성되며, 상기 산화제 공급 매니폴드로부터, 산화제가 연료 전지 스택(102) 내의 캐소드에 공급되고, 산화제 배기 매니폴드(124) 밖으로 배출되어 개질기(104)의 고온 측 채널로 들어가고 캐소드 이젝터(114)의 흡입측으로 되돌아 간다. 도시된 바와 같이, 산화제가 산화제 공급원(108)으로부터 상기 루프로 들어가고 상기 루프를 나와서 상기 이젝터(116)(또는 일부 다른 구성요소)의 흡입 측으로 배출하기 때문에, 캐소드 루프는 폐쇄된 시스템이 아니다. 또한, 산화제의 일부는 이온화되어 연료 전지 전해질을 통해 확산된다.
개질기(104)는 복수의 저온 채널 및 복수의 고온 채널(미도시)을 포함할 수 있다. 개질기(104)는 연료 공급 매니폴드(126), 연료 배출 매니폴드(128), 산화제 유입 매니폴드(130) 및 산화제 배기 매니폴드(132)를 더 포함할 수 있다. 연료 공급 매니폴드(126)는 애노드 이젝터(112)로부터 연료를 수용하고 개질기(104)의 저온 측 채널에 연료를 공급하도록 구성된다. 저온 측 채널은 연료를 개질시키는 촉매를 포함할 수 있다. 연료 배출 매니폴드(128)는 복수의 저온 측 채널로부터 개질물을 배출하고 연료 전지 스택(102)의 연료 공급 매니폴드(120)에 개질물를 공급하도록 구성된다. 산화제 유입 매니폴드(130)는 연료 전지 스택(102)의 배기 매니폴드(124)로부터 배출된 산화제를 수용하고 배출된 산화제를 개질기(104)의 고온 측면 채널에 공급하도록 구성된다. 배출된 산화제는 미개질된 연료의 촉매 전환을 돕기 위해 그 열을 복수의 저온 측 채널 내의 연료로 전달할 것이다. 그 다음, 산화제는 산화제 배기 매니폴드(132)로 유동하며, 여기서 산화제는 개질기(104)로부터 제거되어 애노드 이젝터(114)의 흡입 측으로, 또는 보조 이젝터(116), 대기와 연통하는 일부 다른 구성요소, 또는 이들의 임의의 조합으로 공급될 수 있다.
산화제 공급 매니폴드(122) 내로 유동하기 전에, 산화제는 열교환기(106)의 저온 측 채널을 통해 유동할 수 있다. 열교환기(106)의 고온 측 채널에는 애노드로부터의 배기 가스, 캐소드로부터의 배기 가스 또는 다른 온열(warm) 유체와 같은 고온 유체의 공급원이 제공될 수 있다. 상기 온열 유체는, 연소기로부터의 연소 생성물일 수 있으며, 상기 연소기는 보조 이젝터(116)에 통합될 수 있으며 연료 전지 스택의 애노드로부터 배출된 미사용 연료의 일부, 연료 전지 스택(102)의 캐소드 측으로부터 배출된 미사용 산화제, 압축기(134)로부터의 산화제, 또는 이들 유체의 조합을 연소할 수 있다. 상기 온열 유체는 고온 측 채널을 통과한 후에, 보조 이젝터(116)의 흡입 측에 공급되거나 시스템으로부터 배기될 수 있다.
(보조 이젝터(116)에 통합될 수 있는) 연소기는 또한 보조 이젝터(116)에 전력을 공급하는데 사용되는 에너지를 제공할 수 있는 새로운 산화제를 공급받을 수 있다. 보조 이젝터(116)는 연료 배출 매니폴드(118)로부터의 미사용 연료의 일부, 및 산화제 배기 매니폴드(132)로부터의 산화제의 일부를 흡입하며, 또한 이들 가스가 열교환기(106)를 통과한 후에 연소 가스를 흡입할 수 있다.
애노드 이젝터(112)는 미개질된 연료(110)의 공급원으로부터 미개질된 연료를 수용하여 개질기(104)의 연료 공급 매니폴드(126)에 공급하도록 구성된다. 애노드 이젝터(112)는 연료 배출 매니폴드(118)로부터 배출된 미사용 연료의 일부를 흡입할 수도 있다.
일부 실시예에서, 연료 전지 시스템(100)의 부분은 애노드 루프로 불릴 수 있다. 이 루프는 연료 유입 매니폴드(120), 연료 배출 매니폴드(118), 애노드 이젝터(112) 및 개질기(104)의 저온 측 채널을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이 루프는 예비-개질기(pre-reformer)(144) 및 연료 공급원(110)을 더 포함할 수 있다.
캐소드 이젝터(114)는 산화제(108)로부터 새로운 산화제를 수용하도록 구성되며, 개질기(104)의 산화제 배기 매니폴드(132)로부터 배출된 미사용 산화제의 일부를 수용하도록 더 구성될 수 있다. 캐소드 이젝터(114)는 열교환기(106)의 고온 측 채널에 산화제를 공급한다.
미개질된 연료의 공급원(110)은 탄화수소 또는 다른 유형의 연료의 공급원 일 수 있다. 산화제의 공급원(108)은 예를 들어, 순수 산소, 대기 공기와 같은 산화제로 충전된 저장 탱크 일 수 있거나, 다른 산화제 공급원 또는 산화제의 공급원을 생성하도록 설계된 시스템일 수도 있다.
연료 전지 시스템은 압축기(134), 터빈(136), 발전기(138) 및 리쿠퍼레이터(142)를 더 포함할 수 있다. 상기 리쿠퍼레이터(142)는 압축기(134)로부터 자신의 저온 측 채널들의 세트로 산화제가 공급될 수 있으며, 터빈(136)의 배기 가스가 자신의 한 세트의 고온 측 채널에 공급될 수도 있다. 리쿠퍼레이터(142)는 터빈(136) 배기 가스와 압축기(134)에 의해 공급되는 산화제 사이에서 열을 전달하는 기능을 한다. 터빈(136)은 예를 들어 열 교환기(106)로부터 연소 생성물을 수용할 수 있다. 이들 연소 생성물은 압축기(134) 및 발전기(138)를 구동시키는 터빈(136)을 통해 팽창할 수 있다. 터빈(136)의 배 가스는 대기로 배출될 수 있고, 도 1a에 도시된 바와 같이 대기로 배출되기 전에 리쿠퍼레이터(142) 내에서의 열교환을 수행하도록 리쿠퍼레이터(142)에 공급될 수 있다. 발전기(138)는 추가적인 전력을 공급할 수 있다. 압축기(134)는 산화제의 공급원(108)의 하류에 배치될 수 있다. 압축기(134)는 캐소드 이젝터(114) 및 보조 이젝터(116)를 구동시키는데 사용되는 산화제를 흡인하여 압축할 수 있다. 일부 실시예에서, 터빈(136)의 배기 가스 및 압축기(134)의 출구로부터의 열을 전달되는 리쿠퍼레이터가 제공될 수 있다. 이러한 리쿠퍼레이터는 캐소드 이젝터(114) 및 보조 이젝터(116)의 상류에 있을 수 있다.
일부 실시예에서, 연료 전지 시스템(100)은 복수의 통합형 연료 전지 시스템 중 하나일 수 있다. 도 1a의 우측에서 볼 수 있는 바와 같이, 캐소드 이젝터(114) 아래의 우측 화살표는 산화제를 해당 시스템의 캐소드 이젝터 및 보조 이젝터에 공급하기 위해 다른 통합형 연료 전지 시스템을 향해 진행할 수 있다. 이러한 실시예에서, 압축기(134)는 복수의 통합형 연료 전지 시스템들에 압축된 산화제를 제공할 수 있다. 유사하게, 열 교환기(106), 보조 이젝터(116) 또는 이들 모두로부터의 배기 가스는 터빈(136)으로 공급되는 공통 배가스 헤더에 공급될 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 터빈 및 압축기가 복수의 통합형 연료 전지 시스템들 간에 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 연료 전지 시스템(100)은 애노드 이젝터(112)의 출구와 개질기(104) 사이에 배치된 예비 개질기(144)를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 예비-개질기는 바이패스 라인(도 1b에 도시된 바이패스 라인(140)과 같음)의 상류에도 있을 수 있다. 예비-개질기(144)는 연료 공급원(110)으로부터의 연료 스트림으로부터 고급 탄화수소를 제거하고, 애노드 이젝터(112)로 재순환되는 애노드 배가스에서 존재할 수 있는 임의의 고급 탄화수소를 제거하는 기능을 한다. 예비-개질기(144)는 공급원(110)로부터의 연료로부터의 열 이외의 그리고 애노드 배가스(118)로부터 재활용되는 열 이외의, 열 입력없이, 고급 탄화수소를 제거할 수 있는 단열 촉매 컨버터일 수 있다.
도 1b는 전술한 것과 유사한 연료 전지 시스템(100)을 도시한다. 그러나, 이 시스템(100)은 미개질된 연료에 대한 유동 경로를 제공하는 바이패스(140)를 포함할 수 있고, 이 바이패스를 통해서, 애노드 배가스(118)는 개질기(104)를 바이패스하도록 유동한다. 바이패스(140)는 바이패스 라인 또는 덕트로 지칭될 수 있다. 바이패스는 연료 전지 스택(102)에서 발생할 수 있는 내부 개질 양을 제어하는데 도움을 줄 수 있다. 연료 전지 스택(102)은 건식 또는 습식 개질을 위해 구성될 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 공급원(110)으로부터의 연료의 10 내지 90 %는 바이패스 덕트(140)를 통해 개질기(104)를 우회할 수 있다. 일부 실시예에서, 공급원(110)으로부터의 연료의 20 내지 70 %는 바이패스 덕트(140)를 통해 개질기(104)를 바이패스할 수 있다. 일부 실시예에서, 공급원(110)으로부터의 연료의 25 내지 50 %는 바이패스 덕트(140)를 통해 개질기(104)를 바이패스할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 연료 전지 스택(102) 및 시스템(100)은 미개질된 연료의 공급원(110)으로부터의 상당한 부분 또는 실질적으로 모든 연료가 연료 전지 스택 내에서 개질되도록 내부 개질을 하도록 구성될 수 있다. 이러한 내부 개질은 건식 또는 습식 개질일 수 있다. 연료 전지 스택(102) 내에서 일어나는 연료 개질의 일부 또는 전부로 인해서, 시스템은 연료 전지 스택 외부의 개질기를 필요로 하지 않을 수도 있거나, 보다 작은 개질기를 필요로 할 수도 있다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 일부 실시예에 따른 연료 전지 시스템(200)이 제공된다. 연료 전지 시스템(200)은 연료 전지 스택(102), 구성요소(204), 산화제 공급원(108), 미개질된 연료 공급원(110), 애노드 이젝터(112), 캐소드 이젝터(114) 및 보조 이젝터(116)를 포함한다. 시스템(200)은 압축기(134), 터빈(136), 발전기(138) 및 리쿠퍼레이터(142)를 더 포함할 수 있다. 참조 부호가 유사한 구성요소는 위에서 설명한 구성요소와 유사할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 연료 전지 스택(102) 및 시스템(200)은 미개질된 연료의 공급원(110)으로부터의 상당한 부분 또는 실질적으로 모든 연료가 연료 전지 스택 내에서 개질되도록 내부 개질을 하도록 구성될 수 있다. 이러한 내부 개질은 건식 또는 습식 개질일 수 있다. 연료 전지 스택(102) 내부에서 일어나는 연료 개질의 일부 또는 전부로 인해서, 시스템은 연료 전지 스택 외부의 개질기를 필요로하지 않을 수도 있거나, 보다 작은 개질기를 필요로 할 수도 있다. 일부 실시예에서, 공급원(110)으로부터 연료의 전부 또는 적어도 일부의 블록-내 개질은 개질기(104)를 캐소드 루프 외부로 이동시키는 것을 용이하게 한다. 개질기(104)의 이러한 제거로 인해서, 산화제 배기 매니폴드(124)로부터 배출된 미사용 산화제가 임의의 열교환기를 통과하지 않고 연료 전지 스택의 산화제 입구(122)로 돌아가도록재순환되게 된다.
일부 실시예에서, 개질기(104)는 역류, 교차 흐름, 평행 또는 다른 열교환기와 같은 열교환기일 수 있는 구성요소(204), 또는 감소된 크기의 개질기로 대체된다. 구성요소(204)는 또한 도 3에 도시된다. 도 2a,도 2b 및 도 3을 참조하면, 구성요소(204)는 복수의 저온 측 및 고온 측 채널들(302, 304), 연료 공급 매니폴드(226), 연료 배출 매니폴드(228), 산화제 유입 매니폴드(230) 및 산화제 배기 매니폴드(232)를 포함할 수 있다. 연료 공급 매니폴드(226)는 애노드 이젝터(112)로부터 연료를 수용하고 저온 측 채널(302)에 연료를 공급하도록 구성될 수 있다. 저온 측 채널(302)은 연료의 일부 또는 전부를 개질하기 위한 촉매를 포함할 수도 있거나 포함하지 않을 수도 있다. 연료는, 복수의 저온 측 채널로부터 연료를 제거하고 개질되거나 미개질된 연료를 연료 전지 스택(102)의 연료 공급 매니폴드(120)에 공급하는 배기 매니폴드(228)로부터, 배출된다. 산화제 유입 매니폴드(230)는 산화제 배기 매니폴드(124)로부터 배출된 산화제의 일부분을 수용하고 이 산화제를 고온 측 채널(304)에 공급하도록 구성된다. 산화제 배기 매니폴드(232)는 보조 이젝터(116)의 흡입 측, 또는 예를 들어 연소기(도시되지 않음)와 같은 일부 다른 구성요소에 산화제를 공급하도록 구성되거나 배기된다.
연료 전지 스택(102) 내에 블록-내 개질을 도입함으로써, 구성요소(204) 내의 산화제(예를 들어, 캐소드 배가스)의 고온 측 채널 유동에 대한 필요성이 감소되어, 개질기(104)에 비해서, 구성요소(204)의 크기가 크게 저감된다. 또한, 구성요소(204)는 연료 전지 스택(102)으로부터 더 멀리 배치될 수 있으며, 구성요소(204)에서 발생하는 임의의 연료 개질을 실현하기 위해 높은 플로우 레이트의 캐소드 배가스를 필요로 하지 않을 수 있다
일부 실시예에서, 연료 공급 매니폴드(226) 또는 저온 측 채널(302) 이전의 다른 구성요소는 구성요소(204) 내의 미개질된 연료의 일부의 단열 개질을 실현하는 예비 개질부를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 캐소드 루프는 캐소드 이젝터(114)로부터, 연료 전지 스택(102)의 산화제 공급 매니폴드(122)로, 그리고, 산화제 배기 매니폴드(124)를 통해 연료 전지 스택(102) 외부로, 그리고 캐소드 이젝터(114)의 흡입 측으로 복귀하는, 산화제의 흐름을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 루프는 캐소드 이젝터(114)로부터, 연료 전지 스택(102)의 산화제 공급 매니폴드(122)로, 그리고, 산화제 배기 매니폴드(124)를 통해 연료 전지 스택(102) 외부로, 그리고 캐소드 이젝터(114)의 흡입 측으로 복귀하는, 산화제의 흐름을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐소드 루프가 산화제의 공급원(108) 및 본 명세서에서 기술된 바와 같은, 산화제 공급원(108)과 연료 전지 스택(102) 사이에 도시된 추가적인 구성요소들을 포함하는 구성도 고려될 수 있다. 일부 실시예에서, 배기 매니폴드(124)에서 수용된 미사용 산화제의 일부는 공기 이젝터를 통해 유입 매니폴드(122)로 직접 공급될 수 있다.
구성요소(204)를 향한 캐소드 루프에 존재하는 공기의 용적 플로우 레이트(volumetric flow rate)는 캐소드 루프를 통해 흐르는 공기의 10 내지 33 %일 수 있다. 일부 실시예에서, 캐소드 루프를 통한 캐소드 배가스의 용적 플로우 레이트는 캐소드 루프를 떠나서 구성요소(204)로 공급될 캐소드 배가스의 플로우 레이트보다 2 배 내지 8 배 더 크다. 일부 실시예에서, 캐소드 루프를 통한 캐소드 배가스의 용적 플로우 레이트는 캐소드 루프를 떠나서 구성요소(204)로 공급될 캐소드 배가스의 플로우 레이트보다 4 배 내지 7 배 더 크다. 일부 실시예에서, 캐소드 배가스로부터의 미사용 산화제의 2/3 이상이 연료 전지 스택의 산화제 유입 매니폴드(122)로 재순환될 수 있다.
본 기술 분야의 당업자는, 구성요소(204)에 공급되는 캐소드 배가스의 양이, 구성요소(204) 내에서 원하는 양의 개질을 지원하기 위해 구성요소(204)에서 충분한 양의 열이 교환되는 것을 보장하도록 상기 구성요소(204) 내에서 개질된 연료의 양과 균형을 가져야 한다는 것을 이해할 것이다.
도 2b는 전술한 것과 유사한 연료 전지 시스템(200)을 도시한다. 그러나, 시스템(200)은 미개질된 연료에 대한 유동 경로를 제공하는 바이패스(240)를 포함할 수 있고, 이 바이패스를 통해서 애노드 배가스(118)는 구성요소(204)를 바이패스하도록 유동한다. 바이패스(240)는 연료 전지 스택(102) 내에서 발생할 수 있는 내부 개질의 양을 제어하는데 도움을 줄 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 산화제 배기 매니폴드(124)로부터의 산화제 배가스의 일부는 화살표(306)로 나타낸 바와 같이, 구성요소(204)의 산화제 유입 매니폴드(230)에 공급된다. 산화제 배가스의 나머지 부분은 화살표(308)에 의해 도시된 바와 같이 캐소드 이젝터(114)로 다시 흡인된다. 이러한 구성에서, 구성요소(204)를 통해 흐르는 산화제는 캐소드 루프를 떠난 산화제이다.
일부 실시예에 따르면, 산화제 내로 열을 전달하도록 구성되며 캐소드 이젝터(114)와 연료 전지 스택(102) 사이에 위치하는 어떠한 구성요소도 존재하지 않는다. 대형 열-싱크 개질기(104)가 캐소드 루프로부터 분리되기 때문에, 캐소드 루프가 열 평형 상태로 유지되는 동안에, 열교환기가 제거될 수 있다. 이는 또한 캐소드 루프 온도의 약간의 감소를 가능하게 하여, 연료 전지 스택(102)으로부터의 작은 전력 증가가 실현된다. 또한, 열교환기(106)를 제거함으로써, 보조 루프(보조 이젝터(116)에 의해 제공되는 루프) 및 연소기에 대한 필요성이 제거될 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 소형 열교환기가 연료 전지 시스템(200)의 웜업을 위해 연료 전지 스택(102)의 상류에 배치될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 연료 전지 시스템(400)이 도 4에 제공된다. 동일한 참조 부호를 갖는 구성요소는 위에서 설명한 구성요소와 유사할 수 있다. 시스템(400)은 캐소드 이젝터(114)의 상류에 배치된 열 교환기(106)를 포함할 수 있다. 이 열 교환기는 새로운 산화제의 흐름으로 열을 전달할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 연료 전지 시스템(500)이 도 5에 제공된다. 동일한 참조 부호를 갖는 구성요소는 위에서 설명한 구성요소와 유사할 수 있다. 시스템(500)은 캐소드 이젝터(114)의 하류 및 연료 전지 스택(102)의 상류에 배치된 열 교환기(106)를 포함할 수 있다. 이러한 열 교환기는 열을, 새로운 산화제와 애노드 루프에서 재순환된 산화제의 혼합물로 전달할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 미개질된 연료 공급원(110), 애노드 이젝터(112), 구성요소(204) 또는 이들의 조합은, 미개질된 연료를 연료 전지 스택(102)의 연료 공급 매니폴드(120)에 공급하도록 구성된다. 이 미개질된 연료는 연료 공급 매니폴드(120)로의 공급되기 이전에 개질물에 합류할 수 있다.
일부 실시예에 따라, 연료 전지 시스템의 정상 상태 동작 중에 캐소드 루프에서의 열전달을 밸런싱하는 방법이 제공된다. 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택을 통해 산화제를 순환시키기 위한 캐소드 루프를 포함할 수 있으며, 상기 연료 전지 스택으로, 열이 개질기 내의 캐소드 루프로부터 전달된다. 열은 개질기의 캐소드 루프 출구와 연료 전지 스택의 캐소드 루프 입구 사이에 위치된 유입 열 교환기 내의 캐소드 루프로 전달된다. 방법은 연료 전지 스택 내의 연료를 개질하는 단계, 캐소드 루프로부터 개질기를 제거하는 단계, 및 캐소드 루프로부터 유입 열 교환기를 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 연료 전지 스택로부터 배출된 산화제의 일부만이 개질기에 제공될 수 있다.
일부 실시예들에 따라서, 연료 전지 시스템(600)은 전술한 구성요소와 유사한 기능을 갖는 유사한 구성요소들을 포함할 수 있으며, 상기 설명한 구성요소들에 대응하는 구성요소들에는 동일한 참조 부호가 부여된다. 또한, 연료 전지 시스템(600)은 예를 들어, 촉매성 시동 연소기 유닛(또는 "촉매성 연소기 유닛")과 같은 시동 연소기 유닛(148) 및 연소기(146)를 더 포함할 수 있다. 시동 연소기 유닛(148)은 시동, 셧다운 동안 또는 연료 전지 시스템(600)이 연소기 유닛(148) 없이 원하는 동작을 유지하기에 충분한 열을 발생시키지 않을 수 있는 다른 동작 중에 사용될 수 있다. 도 8에서보다 상세히 도시된 바와 같이, 연소기(148)는 연소 촉매에 의해 후속하여 점화되는 연료를 캐소드 루프 내로 분사하는 연료 공급 매니폴드를 포함할 수 있다. 캐소드 루프 유체 플로우, 즉, 캐소드 루프 공기 플로우와 직접 접촉하는 성분, 또는 이 둘 모두가 충분히 높은 온도에 도달할 때, 캐소드 루프에 공급되는 연료는 연소기 유닛(148)에 도달하기 전에 자동 점화될 수 있다. 연소기 유닛(148)은 또한 히터로 지칭될 수 있다.
연소기(146)는 터빈(136)을 충분히 회전시키고 연료 전지 시스템(600)이 유체를 공급할 수 없을 때 필요한 작업 출력을 제공하기 위해 해당 유체의 온도 및 압력을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 연소기(146)는 또한 연소를 통해 이러한 목적을 달성하기 위해 새로운 산화제, 연료(개질된 것 또는 그렇지 않은 것) 또는 둘 모두를 수용하도록 작동될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 연소기(146)는 또한 보조 루프로부터 배기 가스의 일부를 수용할 수 있다. 이 배기 가스는 터빈(136)을 통한 유체의 팽창을 통해 압축기(134)를 회전시키기 위해 필요한 에너지를 공급하기에 충분한 온도 및 압력의 유체를 제공하도록, 연소기(146) 내에서 반응할 수 있는 미연소 연료 및 산화제를 함유할 수 있다.
구성요소들(146 및 148)이 도 6의 실시예에 도시되어 있지만, 당업자는 이들 구성요소가 본 명세서에 설명된 임의의 실시예에서 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어,도 7은 시동 연소기 유닛(148) 및 연소기(146)를 갖는 추가의 실시예를 도시한다. 도 6과 비교하여, 도 7에서, 구성요소(204)는 개질기(104)를 대체하고, 바이패스(240)가 추가되며, 캐소드 루프 재순환 라인(즉, 캐소드 이젝터(114)의 흡입측으로 복귀하는 구성요소(204)의 상류에 있는 라인)이 추가된다. 부가적으로, 도 7은 또한 이 도면에 도시되지 않았지만 다른 도면들에 도시된 구성요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 7의 보조 루프는 캐소드 열교환기(106)를 포함할 수 있다. 이 열교환기(106)는 캐소드 공기 이젝터(114)의 하류에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 열교환기(106)는 (예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이) 캐소드 이젝터(114)의 상류에 있는 고압 산화제 공급 라인에 위치될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 통합형 연료 전지 블록(800)의 측면도가 도 8에 도시되어 있다. 이 도면은 전술한 연료 전지 시스템들 중 하나 이상의 시스템의 캐소드 루프와 관련된 다양한 흐름들을 도시한다. 도 8에 도시된 통합형 연료 전지 블록(800)은 전술한 것과 유사한 구조 및 기능을 갖는 구성요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 통합형 연료 전지 블록(800)은 연료 전지 블록(102), 열 교환기(106), 캐소드 이젝터(114), 산화제 공급 매니폴드(122), 산화제 배기 매니폴드(124), 개질기(104) 또는 구성요소(204), 연소기(148), 산화제 공급 매니폴드(230), 산화제 배기 매니폴드(232), 복귀(또는 재순환) 산화제 플로우(308), 및 화살표(306)로 나타낸 구성요소(204)/개질기(104)에 공급된 산화제 플로우를 포함한다. 상기 다양한 도면들과 관련하여 설명된 바와 같이, 이들 구성요소들 중 일부, 예를 들어, 열교환기(106) 및 구성요소(204)는 통합형 블록(800)에 존재하지 않을 수 있는데, 그 이유는 이들의 기능이 연료 전지 블록(102) 내에서의 블록-내 개질화의 정도 및 온도 균형에 따라 요구되지 않을 수도 있기 때문이다. 통합형 연료 전지 블록(800)은 연료 공급 매니폴드(850), 촉매 시동 연소기 유닛(852), 크롬 포획 유닛(854), 캐소드 주 유동 공기 파이프(cathode primary flow air pipe)(856) 및 연료 예열기 유닛(858)을 더 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 산화제 배기 매니폴드(124)는 연료 전지 블록(102)의 연료 전지에 보다 균일한 캐소드/산화제 플로우를 제공하도록 구성된 압력 제어 플레이트를 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 열교환기(106)는 캐소드 이젝터(114) 및 캐소드 주 유동 공기 파이프(856)의 상류에 위치할 수 있다. (압축기(134) 및 열교환기(142)를 통과한 후에), 산화제 공급원(108)로부터의 새로운 산화제는 캐소드 루프에 들어가기 전에 열교환기(106)에 의해 예열될 수 있다. 또한, 이러한 열교환기(106)의 위치 설정으로 인해서, 이 열 교환기가 캐소드 루프에 충분한 근접성으로 위치될 때 캐소드 루프에 어느 정도의 양의 복사 열을 전달할 수 있다.
연료 공급 매니폴드(850) 및 촉매성 시동 연소기 유닛(852)은 모두 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 연소기 유닛(148)의 일부일 수 있다. 연료 공급 매니폴드(850)는 연료, 예를 들어 수소 또는 천연 가스를 캐소드 루프 유체 플로우에 직접 공급할 수 있다. 캐소드 루프 공기 온도가 매니폴드(850)로부터 공급되는 연료를 자동 점화 시키기에는 너무 낮지만, 연료는 촉매성 시동 연소기 유닛(852)과 접촉 한 후에 연료가 점화될 수 있다. 연료의 연소에 따라, 캐소드 루프 공기 플루의의 온도가 상승되고, 이어서, 통합형 블록 연료 전지 시스템(800)은 연료 전지 전기 화학 반응이 효율적으로 유지될 수 있는 동작 온도로 상승될 수 있다.
캐소드 주 공기 유동 파이프(856)를 통해 캐소드 루프로 들어가는 산화제 플로우는 압축기(134)(다른 도면들에 도시됨)에 의한 산화제의 압축 및 열 교환기(142)(존재하는 경우)로부터의 열 유입으로 인해 400 내지 500℃의 온도를 가질 수 있다. 그러나, 이러한 온도는 800 내지 900℃의 통상적인 SOFC 동작 범위보다 수백도 낮다. 캐소드 루프 플로우의 온도를 상승시키기 위해, 산화제는 열교환기(106)(도 9에 또한 도시됨)를 통과할 수 있다. 정상 작동 동안, 열교환기(106)는 보조 루프로부터의, 연료 전지 블록(102)에 의해 사용되지 않은 연료의 연소 생성물을 제공받을 수 있다. 그런 다음, 이러한 고온 유체는 새로운 산화제로 열을 전달하여, 캐소드 루프의 온도가 균형을 유지하도록 산화제의 온도를 충분히 올릴 수 있다. 그러나, 시동, 셧다운 또는 기타 동작 단계에서 연료가 애노드 루프(도 10)에 흐르지 않을 수 있다. 애노드 루프에서 연료가 없으면, 보조 루프는 연료 전지 블록(102)에 의해 사용되지 않는 연소할 연료를 가지지 않을 것이다. 이러한 상황에서, 연소기(148)는 캐소드 루프를 작동 온도까지 올리기 위해 필요한 열 입력을 제공할 수 있다.
촉매성 시동 연소기 유닛(148)의 가열 기능은, 통합형 연료 전지 블록(800)이 전력을 생산하기까지 제공될 수 있다. 연료 전지 블록(102)에 의해 전력이 생성될 때, 연료 전지 시스템에서의 전기 손실은 상당한 양의 열을 제공한다. 이러한 열은 부분적으로 캐소드 루프 산화제 유체에 포획될 수 있다. 전체 캐소드 루프 공기 플로우의 상당 부분이 재활용되므로, 캐소드 루프 플로우는 통합형 블록을 원하는 온도로 유지시키는 기능을 한다.
크롬 포획 유닛(854)은 크롬 포획 유닛(854)의 하류에 위치한 연료 전지들을 보호하는 역할을 하도록 제공될 수 있다. 보호성 크롬 산화물 층은 효율적인 고체 산화물 연료 전지 작동에 요구되는 고온에서 잘 기능하기 때문에, 이러한 층은 통합형 연료 전지 블럭(800)의 구성요소들의 표면 상에 형성될 수 있다. 그러나, 크롬이 연료 전지 전극을 포지셔닝하기 때문에, 이러한 구성요소들로부터 크롬이 방출되면 동작 중인 연료 전지 시스템에 해를 끼칠 수 있다. 따라서, 크롬 포획 유닛(854)은 방출된 크롬을 포획하기 위해 연료 전지 블록(102)의 상류에 제공된다.
캐소드 산화제 플로우의 일부는 연료 예열기 유닛(858) 및 개질기(104)/구성요소(204)로 방향 전환될 수 있다. 이 방향 전환된 산화제는 화살표(306)로 표시된다. 캐소드 루프 측 상에서, 연료 예열기 유닛(858)은 개질기(104)/구성요소(204)의 상류에 위치될 수 있다. 애노드 루프에서의 연료의 개질은 열 입력을 필요로 한다. 이러한 열 입력은, 개질기(104)(또는 구성요소(204))에 들어가기 전에 연료의 온도를 상승시키기 위해서, 예열 수단으로서 캐소드 루프 플로우를 사용함으로써 부분적으로 달성된다. 부가적으로, 화살표(306)로 나타낸 캐소드 루프 플로우는 또한 연료 예열기 유닛(858)의 하류에서 사용되어, 개질기(104)/구성요소(204) 내의 연료의 개질(전체 개질 또는 부분 개질)을 위한 열 입력을 제공한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 캐소드 루프 플로우의 일부는 재순환되어 캐소드 이젝터(114)의 흡입측으로 복귀할 수 있다. 특히, 화살표(308b)에 의해 표시된 캐소드 루프 재순환 플로우의 일부는 연료 예열기 유닛(858) 및/또는 개질기(104)/구성요소(204)의 외측을 따라서 유동할 수 있다. 산화제 플로우(308b)는 개질기(104)/구성요소(204)로의 열 전달을 수행하기 위해 개질기(104)/구성요소(204)에 충분히 근접할 수 있다. 일부 실시예에서, 화살표(308b)로 나타낸 캐소드 재순환 플로우는 개질기(104)/구성요소(204)를 "세정"할 수 있으며, 상기 캐소드 플로우는 캐소드 이젝터 리사이클 흡입측으로 복귀하기 전에 상기 구성요소들과 접촉하면서 이들 주위를 유동한다.
재순화된 캐소드 루프 플로우의 일부는 화살표(308a)로 나타낸 바와 같이 캐소드 공기 이젝터(114)의 흡입측에 보다 곧바로 진행될 수 있다. 이와 같이, 캐소드 루프 내의 산화제의 일부분은 화살표(308a 및 308b)에 의해 도시된 경로에 의해 재순환되고, 산화제의 다른 일부는 산화제 공급 매니폴드(230)를 통해 캐소드 루프를 떠나고, 산화제 배기 매니폴드(232)를 통해 보조 이젝터(116)로 공급된다.
화살표(308a) 및 화살표(308b)로 표시된 경로로 흐르는 재순환된 캐소드 루프 플로우의 비율은 주로, 개질기(104) 또는 구성요소(204)에서 발생하는 개질량의 함수이며, 결과적으로, 이러한 구성요소들로의 필요한 열의 투입량의 함수일 것이다. 일부 실시예에서, 개질기(104)/구성요소(204)는 자신을 통과하는 연료의 완전한 개질이 존재하지 않는 평형 상태로 동작하도록 설계될 수 있다. 이러한 "불완전한" 개질 평형은, 연료의 일부가 후속하여서 연료 전지 블록(102) 내에서 개질될 수 있도록 사용되고, 여기서 개질을 위한 열 입력은 연료 전지 내 및 연료 전지들 사이의 전기 손실로부터 비롯될 수 있다. 부가적으로, 개질기(104)/구성요소(204)에서 일어나는 개질량을 제어함으로써, 이들 구성요소 내의 임의의 촉매를 장시간 동안 지속시켜서 이들 구성요소의 수명을 연장시킬 수 있다. 온도 제어를 통해 개질기(104)/구성요소(204)를 평형 상태로 유지하기 위해서, 따라서, 개질기(104)/구성요소(204) 주위를 유동하는 캐소드 루프를 나가는 플로우(306) 및 재순환된 산화제(주로 (308b))로부터의 열 입력은, 연료의 부분적 개질을 달성하기 위해 목표 온도 및 결과적인 개질 평형을 달성하도록 설계될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 도 8에 도시된 일체형 연료 전지 블록(800)의 다른 측면도가 도 9에 도시되어 있다. 도 9는 전술한 하나 이상의 연료 전지 시스템의 보조 루프와 관련된 다양한 흐름을 도시한다. 보조 루프는 연료 전지 블록(102), 열교환기(106) 및 보조 이젝터(116)를 갖는다. 도시된 각 구성요소는 전술한 바와 유사한 구성요소들의 기능을 수행하고 구조를 가질 수 있다.
보조 이젝터(116)는 화살표(960)에 의해 도시된 바와 같이 압축기(134)로부터의 가압된 산화제 플로우에 의해 구동된다. 이러한 가압된 산화제 플로우는, 화살표(964)로 표시된 연료 배출 매니폴드(118)로부터의 미사용 연료 플로우의 일부; 화살표(962)로 표시된, 개질기(104) 또는 구성요소(204)로부터의 산화제 배기 매니폴드(232)로부터의 비-재순환 캐소드 루프 플로우의 일부; 및 화살표(966)로 나타낸 바와 같으며 보조 유체 플로우의 재순환된 일부로서 간주될 수 있는, 보조 유체 플로우의 일부를 포함하는 다양한 플로우들을 흡입하는 저압 영역을 생성한다. 전술한 바와 같이, 이젝터(116)는 결합된 유체 플로우(968) 내의 미사용 연료 및 산화제 플로우을 점화시키는데 사용되는 통합형 연소기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 연소기는 이젝터(116)의 외부에 위치될 수 있다. 이어서, 연소된 유체(968)는 열교환기(106)로 유동하여 캐소드 이젝터(114)의 상류에 있는 새로운 산화제로의 열 입력을 제공한다. 이러한 새로운 산화제는 캐소드 이젝터(114)에 공급되기 이전에, 972에서 유입되고 974에서 배출될 수도 있다. 냉각된 결합 플로우(968)는 보조 루프 복귀 공급 플레넘/매니폴드(972)로 복귀한다. 보조 플로우의 일부는 966에서 재순환되어, 보조 루프를 완성할 수 있다. 보조 플로우의 일부는, 970에서 보조 루프를 빠져 나와서, 예를 들어, 터빈(136)에 직접 또는 간접적으로 공급될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 재순환된 보조 플로우 및 배기된 보조 플로우(966 및 970) 모두는, 보조 이젝터(116) 주위를 따라서 유동하거나 이를 세정하여, 연소 이전에 보조 이젝터(116)에서 유동하는 유체 내로의 열 전달을 일으킬 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 도 8 및 도 9에 도시된 통합형 연료 전지 블록(800)의 다른 측면도가 도 10에 도시된다. 이 도면은 전술한 바와 같이 하나 이상의 연료 전지 시스템의 애노드 루프와 관련된 다양한 흐름을 도시한다. 통합형 연료 전지 블록 시스템(800)은 애노드 이젝터(112), 예비-개질기(144), 개질기(104)/구성요소(204), 예비 가열기(858), 및 각각에 대한 유사한 구성요소에 대해 전술한 바와 같은 구조를 가지며 기능을 각각 수행할 수 있는 다른 구성요소들을 포함할 수도 있다.
미개질된 연료는 1074에서 연료 공급원(110)으로부터 애노드 이젝터(112)로 진입할 수 있다. 이젝터(112)에서 유동하는 가압 연료는 흡입력을 생성하고, 이 흡입력은 1076에서 연료 배출 매니폴드(118)로부터 배출된 미사용 연료의 일부를 흡인할 수 있다. 그 다음, 미사용 연료 및 신규 연료의 결합된 플로우(1078)는 예비 개질 유닛(144)으로 유동하고, 상기 결합된 플로우(1078)는 상기 예비 개질 유닛을 통과하고 이로써 고급 탄화수소가 제거된다. 그 다음, 예비-개질된 결합된 플로우(1078)는 연료 예비-가열기(858) 아래로 그리고 주위로 유동한다. 결합된 플로우(1078)의 일부는 1080에서 바이패스(240)로 흐를 수 있다. 결합된 플로우(1078)의 나머지 부분은 개질기(104)/구성요소(204)로 들어가서 1082에서, 개질되거나 가열되거나 또는 개질/가열된다. 연료 플로우(1082)에 입력된 열은 캐소드 공기(306)에 의해 제공된다. 개질기(104)/구성요소(204)로 유입되는 플로우(1082)에 대한 바이패스 플로우(1080)의 비율은 바이패스 라인(240)의 오리피스에 의해 제어될 수 있다. 그 후, 플로우들(1080 및 1082)은 1084에서 재결합되고 예열기 열 교환기(858)로 들어가며, 캐소드 플로우(306)로부터의 열이 결합된 플로우(1084)로 전달된다. 가온된 미개질 연료 및 개질된 연료의 결합된 플로우는 연료 전지 블록(102)의 연료 공급 매니폴드(120)에 제공된다. 캐소드 배가스 플로우(306)는 캐소드 배기 매니폴드(232)를 통해 배출된다.
1086에서 부분(예를 들어, 배관, 덕트, 등일 수 있음)은 탄소 형성을 방지하는 물질로 코팅될 수 있다. 특히, 애노드 이젝터(112) 배기 노즐과 예비-개질기(144) 사이의 모든 노출된 표면은 코팅, 가열 또는 코팅/가열되어 후술되는 바와 같이 탄소 퇴적을 방지할 수 있다. 코팅 또는 가열은 처리로서 지칭될 수 있다. 일부 실시예에서, 애노드 이젝터(112)와 예비-개질기(144) 사이에 위치된 연료 매니폴드의 모든 내부 표면은, 매니폴드의 내부 표면 상의 탄소 형성을 방지하기 위한 코팅 또는 다른 수단에 의해 보호되어야 한다. 주 연료 흐름 스트림이 매니폴드 표면과 직접 접촉하지 않는 것이 중요하다. 이러한 보호코팅은 매니폴드 표면에 직접 도포되거나, 매니폴드 표면에 가까운 매니폴드 내에 위치한 별도의 얇은 금속 인서트 형태일 수 있다. 코팅이 직접 도포되는 경우에, 이러한 코팅은 불활성 코팅 또는 활성 코팅일 수 있다. 별도의 인서트가 사용되는 경우, 이러한 인서트는 비활성 또는 활성인 보호 재료로 코팅될 것이다. 불활성 코팅은 알루미나와 같은 내화성 산화물 재료일 수 있으며, 이러한 알루미나는 표면에 직접 도포되거나 알루미늄의 화학 기상 증착 및 후속 산화를 통해 생성될 수 있다. 활성 코팅은 수증기 개질에 적합한 촉매를 포함하고, Rh 또는 Pt를 함유할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 연료 전지 시스템(1100)이 도 11a 내지 도 11b에 도시되어 있다. 이 연료 전지 시스템(1100)은 다양한 구성요소를 포함할 수 있으며, 여기서 유사한 참조 부호의 구성요소는 전술한 바와 동일하거나 유사한 참조 번호를 갖는 구성요소의 구조와 유사한 구조를 가지며 유사한 기능을 수행할 수 있다. 부가적으로, 구성요소(142)는 이젝터(116)의 하류에 위치될 수 있으며, 이로써 보조 플로우는 터빈(136) 배가스로부터의 열 입력을 수용한다. 또한, 도 11의 연료 전지 시스템은 활성 물질, 특히 금속에 악영향을 미칠 수 있는 탄소 형성을 피하기 위해, 애노드 이젝터(112)의 출구에 근접하게 코팅된 물질을 가질 수 있다. 이러한 코팅은 예비-개질기(144)까지 연장될 수 있다.
도 11a는 캐소드 루프 재순환 라인(산화제 공급 매니폴드로부터 캐소드 이젝터(114)로 복귀하도록 방향전환된 산화제 플로우의 일부분)과 개질기(104)/구성요소(204) 간의 복사 열 전달, 및 연료 공급 매니폴드(120)로 연료를 공급하기 전에, 연료 예열기(858)로의 복사 열 전달을 도시한다. 도시된 바와 같이, 도 8을 참조하면, 캐소드 재순환 라인의 일부는, 열 전달을 수행하기 위해 개질기(104)/구성요소(204) 및 연료 예열기(858)의 외측 면들에 충분히 근접하여 있고 개질기(104)/구성요소(204) 및 연료 예열기(858)를 세정할 수 있다. 재순환된 산화제와 연료 예열기(858)(미도시) 사이에서 전달되는 열은 화살표(1188)로 표시된다. 재순환된 산화제와 개질기(104)/구성요소(204) 사이에서 전달되는 열은 화살표(1190)로 표시된다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 연료 전지 시스템(1100)이 도 11b에 도시되어 있다. 도 11b는 재순환되지 않은 캐소드 플로우와 연료 예열기(858)(도시되지 않음) 사이에서 발생하는 열 전달을 도시한다. 이러한 열 전달은 화살표(1192)로 표시된다.
본 발명의 바람직한 실시예가 설명되었지만, 설명된 실시예는 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 범위는, 청구 범위의 전체 균등 범위가 주어질 때에 이러한 첨부된 청구 범위에 의해서만 정의된다는 것을 이해해야한다. 당해 기술 분야의 당업자는 본 명세서를 독해한 후에 많은 변형 및 수정을 달성할 수 있다.

Claims (20)

  1. 연료 전지 시스템으로서,
    미개질된 연료의 공급원;
    산화제의 공급원;
    복수의 연료 전지들을 포함하는 연료 전지 스택으로서, 각각의 연료 전지는 애노드, 캐소드 및 전해질을 포함하며, 상기 연료 전지 스택은,
    개질물 및 미개질된 연료를 수용하고 상기 개질물 및 미개질된 연료를 상기 복수의 애노드에 공급하도록 구성된 연료 공급 매니폴드;
    상기 연료 전지 스택으로부터의 미사용 연료를 배출하도록 구성된 연료 배출 매니폴드;
    산화제를 수용하고 상기 산화제를 상기 복수의 캐소드에 공급하도록 구성된 산화제 공급 매니폴드; 및
    상기 연료 전지 스택으로부터의 상기 산화제를 배출하도록 구성된 산화제 배기 매니폴드를 포함하는, 상기 연료 전지 스택;
    상기 연료 공급원으로부터 미개질 연료를 수용하고 상기 연료 전지 스택으로부터 배출된 미사용 연료의 일부분을 수용하도록 구성된 애노드 이젝터;
    복수의 저온 측 채널 및 복수의 고온 측 채널을 포함하는 개질기로서, 상기 개질기는,
    상기 애노드 이젝터로부터의 연료를 수용하고 상기 복수의 저온 측 채널에 상기 연료를 공급하도록 구성된 연료 공급 매니폴드;
    상기 복수의 저온 측 채널로부터의 개질물을 배출하고 상기 연료 전지 스택의 상기 연료 공급 매니폴드에 상기 개질물을 공급하도록 구성된 연료 배출 매니폴드;
    상기 연료 전지 스택으로부터 배출된 산화제의 일부분을 수용하고 상기 복수의 고온 측 채널에 상기 산화제를 공급하도록 구성된 산화제 유입 매니폴드; 및
    상기 복수의 고온 측 채널로부터의 산화제를 배출하도록 구성된 산화제 배기 매니폴드를 포함하는, 상기 개질기;
    상기 산화제 공급원으로부터 산화제를 수용하고 상기 연료 전지 스택으로부터 배출된 미사용 연료의 제 2 부분을 수용하고 상기 복수의 고온 측 채널로부터 배출된 산화제를 수용하고 재순환된 보조 플로우(recycled auxiliary flow)의 일부를 수용하도록 구성된 보조 이젝터;
    상기 보조 이젝터로부터 배출된 미사용 연료 및 산화제를 수용하고 연소 생성물을 배출하도록 구성된 연소기;
    상기 연소기로부터의 배기 가스를 수용하도록 구성된 터빈;
    상기 산화제 공급원으로부터 산화제를 수용하도록 구성된 압축기;
    상기 압축기로부터 산화제를 수용하고 상기 연료 전지 스택의 상기 산화제 배기 매니폴드로부터 배출된 산화제를의 제 2 부분을 수용하며 상기 연료 전지 스택의 상기 산화제 유입 매니폴드에 산화제를 공급하도록 구성된 캐소드 이젝터; 및
    복수의 저온 측 채널 및 복수의 고온 측 채널을 포함하는 열 교환기로서, 상기 열교환기의 상기 저온 측 채널은 상기 연소기로부터의 산화제를 수용하고, 상기 열교환기의 상기 고온 측 채널은 상기 연소기로부터의 배가스를 수용하도록 구성된, 상기 열 교환기를 포함하는,
    연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드 이젝터로부터 배출된 미개질된 연료를 수용하고 상기 미개질된 연료와, 상기 연료 전지 스택의 상기 연료 공급 매니폴드의 상류에 있는 상기 개질기의 상기 저온 측 채널들로부터 배출된 개질물을 결합시키도록 구성된 바이패스 덕트를 더 포함하는,
    연료 전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 애노드 이젝터에 의해 배출된 상기 연료의 적어도 10 %가 상기 바이패스 덕트를 통과하는,
    연료 전지 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 애노드 이젝터로부터 배출된 상기 연료의 10 % 내지 90 %가 상기 바이패스 덕트를 통과하는,
    연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드 이젝터로부터 배출된 산화제는 열교환기를 통과하지 않고 상기 연료 전지 스택의 상기 산화제 유입 매니폴드에 공급되는,
    연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택의 상기 산화제 배기 매니폴드로부터 배출된 산화제의 33 % 이하가 상기 개질기의 고온 측 채널을 통과하는,
    연료 전지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택의 상기 산화제 배기 매니폴드로부터 배출된 산화제의 10 % 내지 33 %가 상기 개질기의 고온 측 채널을 통과하는,
    연료 전지 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은 복수의 저온 측 채널 및 복수의 고온 측 채널을 포함하는 제 2 열 교환기를 더 포함하며,
    상기 제 2 열교환기의 상기 저온 측 채널에서 상기 압축기로부터의 산화제를 수용하고 상기 열교환기의 상기 고온 측 채널에서 상기 터빈으로부터의 배가스를 수용하도록 상기 열교환기는 구성된,
    연료 전지 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 캐소드 이젝터와 상기 연료 전지 블록의 상기 연료 전지들 사이에 위치된 연소기 유닛을 더 포함하며,
    상기 연소기 유닛은 연료를 상기 산화제에 주입하고 촉매성 연소기 유닛으로 상기 제 2 연료를 연소시키도록 구성된,
    연료 전지 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료는 천연 가스인,
    연료 전지 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료는 수소인,
    연료 전지 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소기는 상기 연료 공급원으로부터의 연료 및 상기 산화제 공급원으로부터의 산화제를 직접 수용하도록 구성된,
    연료 전지 시스템.
  13. 연료 전지 시스템으로서,
    적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택으로서, 각각의 연료 전지는 애노드, 캐소드 및 전해질을 포함하는, 상기 연료 전지 스택;
    저온 측 채널들 및 고온 측 채널들을 포함하는 개질기;
    연료 공급원;
    각 연료 전지의 애노드에 연료 및 개질물을 공급하는 애노드 루프로서, 상기 애노드 루프는,
    각 연료 전지의 애노드에 연료 및 개질물을 공급하도록 구성된 상기 연료 전지 스택 내의 연료 유입 매니폴드;
    각 연료 전지의 애노드로부터 미사용 연료를 수용하도록 구성된 연료 배출 매니폴드;
    상기 연료 공급원 및 상기 연료 배출 매니폴드로부터 연료를 수용하도록 구성된 애노드 이젝터; 및
    상기 애노드 이젝터로부터 연료를 수용하도록 구성된 상기 개질기의 저온 측 채널들을 포함하는, 상기 애노드 루프;
    산화제 공급원;
    각 연료 전지의 캐소드에 산화제를 공급하는 캐소드 루프로서, 상기 캐소드 루프는,
    각 연료 전지의 캐소드에 산화제를 공급하도록 구성된 상기 연료 전지 스택 내의 산화제 유입 매니폴드;
    상기 연료 전지의 각 캐소드로부터 미사용 산화제를 수용하도록 구성된 상기 연료 전지 스택 내의 산화제 배기 매니폴드; 및
    상기 산화제 공급원 및 상기 산화제 배기 매니폴드로부터 산화제를 수용하고 상기 산화제 유입 매니폴드에 산화제를 공급하도록 구성된 캐소드 이젝터를 포함하며,
    상기 연료 전지 스택의 상기 산화물 배기 매니폴드로부터 배출된 산화물의 일부는 상기 개질기의 고온 측 채널들을 통과하는, 상기 캐소드 루프; 및
    상기 캐소드 이젝터의 상류에 위치된 고온 측 채널들 및 저온 측 채널들을 포함하는 열 교환기로서, 상기 산화물 공급원으로부터의 산화물은 상기 저온 측 채널들을 통과하는, 상기 열 교환기; 및
    상기 연료 배출 매니폴드로부터의 미사용 연료의 일부 및 상기 산화제 배기 매니폴드로부터의 미사용 산화제의 일부를 연소시키기 위한 보조 루프로서, 상기 상기 보조 루프는,
    상기 개질기의 고온 측 채널로부터의 산화제, 상기 산화제 공급원으로부터의 산화제의 일부, 및 상기 연료 배출 매니폴드로부터의 미사용 연료의 일부를 수용하도록 구성된 보조 이젝터;
    상기 보조 이젝터로부터 상기 배기 가스를 연소하도록 구성된 연소기; 및
    상기 연소기로부터의 연소된 배가스를 수용하도록 구성된 상기 열 교환기의 고온 측 채널들을 포함하는, 상기 보조 루프를 포함하는,
    연료 전지 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 산화제 공급원으로부터 산화제를 수용하도록 구성된 압축기를 더 포함하는,
    연료 전지 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 연소기로부터의 연소된 배가스를 수용하도록 구성된 터빈을 더 포함하는,
    연료 전지 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 시스템은 고온 측 채널들 및 저온 측 채널들을 갖는 열 교환기를 더 포함하며,
    상기 열교환기의 상기 저온 측 채널은 상기 캐소드 루프 내에 배치되고 상기 산화제 공급원으로부터 산화제를 수용하고 산화제를 상기 캐소드 이젝터에 공급하도록 구성되며,
    상기 열교환기의 고온 측 채널은 상기 터빈으로부터 배가스를 수용하도록 구성되는,
    연료 전지 시스템.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 애노드 루프는, 상기 애노드 이젝터에 의해 공급되는 연료의 일부가 상기 개질기의 상기 저온 측 채널들을 우회하도록 하게 구성된 바이패스 라인을 더 포함하는,
    연료 전지 시스템.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 캐소드 루프는 상기 산화물 유입 매니폴드 및 상기 산화제 배기 매니폴드 간의 연소기 유닛을 더 포함하는,
    연료 전지 시스템.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 보조 루프로부터의 배가스를 수용하도록 구성된 제 2 연소기를 더 포함하는,
    연료 전지 시스템.
  20. 연료 전지 시스템으로서,
    적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택으로서, 각 연료 전지는 애노드, 캐소드 및 전해질을 포함하는, 연료 전지 스택;
    저온 측 채널들 및 고온 측 채널들을 포함하는 개질기;
    연료 공급원;
    각 연료 전지의 애노드에 연료 및 개질물를 공급하는 애노드 루프로서, 상기 애노드 루프는,
    각각의 연료 전지의 애노드에 연료 및 개질물을 공급하도록 구성된 상기 연료 전지 스택 내의 연료 유입 매니폴드;
    각 연료 전지의 애노드로부터 미사용 연료를 수용하도록 구성된 연료 배출 매니폴드;
    상기 연료 공급원 및 상기 연료 배출 매니폴드로부터 연료를 수용하도록 구성된 애노드 이젝터;
    상기 연료 공급원 및 상기 연료 배출 매니폴드로부터의 연료로부터보다 고급 탄화수소를 제거하도록 구성된 예비-개질기; 및
    상기 애노드 이젝터에 의해서 배출된 연료의 일부가 상기 개질기의 저온 측 채널들을 우회하도록 상기 연료의 일부를 바이패스시키도록 구성된 바이패스 라인을 포함하며,
    상기 애노드 이젝터와 상기 예비-개질기 사이의 상기 연료 덕트는 탄소 형성을 방지하도록 처리되는, 상기 애노드 루프;
    산화제 공급원;
    상기 산화제 공급원으로부터 산화제를 수용하도록 구성된 압축기;
    각 연료 전지의 캐소드에 산화제를 공급하는 캐소드 루프로서, 상기 캐소드 루프는,
    각각의 연료 전지의 캐소드에 산화제를 공급하도록 구성된 상기 연료 전지 스택 내의 산화제 유입 매니폴드;
    상기 연료 전지의 각 캐소드로부터 미사용 산화제를 수용하도록 구성된 상기 연료 전지 스택 내의 산화제 배기 매니폴드;
    상기 산화제 공급원 및 상기 산화제 배기 매니폴드로부터 산화제를 수용하고 상기 산화제 유입 매니폴드에 산화제를 공급하도록 구성된 캐소드 이젝터; 및
    상기 산화제 유입 매니폴드와 상기 산화제 배기 매니폴드 간에 배치된 촉매성 시동 연소기 유닛을 포함하며,
    상기 연료 전지 스택의 상기 산화제 배기 매니폴드로부터 배출된 산화제의 일부는 상기 개질기의 고온 측 채널을 통과하는, 상기 캐소드 루프;
    상기 캐소드 이젝터의 상류에 위치된 고온 측 채널들 및 저온 측 채널들을 포함하는 열 교환기로서, 상기 산화제 공급원으로부터의 산화제는 상기 저온 측 채널들을 통과하는, 상기 열 교환기;
    상기 연료 배출 매니폴드로부터의 미사용 연료의 일부 및 상기 산화제 배기 매니폴드로부터의 미사용 산화제의 일부를 연소시키기 위한 보조 루프로서, 상기 보조 루프는,
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    상기 연소기로부터의 배가스를 수용하도록 구성된 터빈을 포함하는,
    연료 전지 시스템.
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