KR20230069850A - 연료 활용도가 개선된 연료 전지 시스템 및 방법 - Google Patents

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가스다 마이클
페리 마틴
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Abstract

일 실시 예의 연료 전지 시스템은, 연료 전지 스택을 포함하며 애노드 배출 생성물을 생성하는 적어도 하나의 핫 박스, 적어도 하나의 수소 펌프, 핫 박스의 애노드 배출 생성물 배출구를 적어도 하나의 수소 펌프의 유입구에 유체적으로 연결하는 적어도 하나의 생성물 도관, 적어도 하나의 수소 펌프의 압축 수소 생성물 배출구에 연결된 압축 수소 생성물 도관, 및 적어도 하나의 수소 펌프의 펌핑되지 않은 유출물 배출구에 연결된 적어도 하나의 유출물 도관을 포함한다. 추가적인 실시 예의 연료 전지 시스템에서 애노드 배출 생성물 스트림은 연료 전지 시스템의 적어도 하나의 핫 박스로 재순환될 수 있는 펌핑되지 않은 유출물 및 압축된 이산화탄소 생성물을 생성하도록 적어도 하나의 이산화탄소 펌프에 제공된다. 다양한 실시 예들에서, 연료 전지 시스템은 연료 전지 시스템에 제공되는 입력 연료의 본질적으로 모든 수소 함량 및 본질적으로 모든 탄소 함량을 사용하거나 회수할 수 있다.

Description

연료 활용도가 개선된 연료 전지 시스템 및 방법{FUEL CELL SYSTEMS AND METHODS WITH IMPROVED FUEL UTILIZATION}
본 개시 내용의 양상들은 연료 전지 시스템들 및 연료 전지 시스템의 동작 방법들에 관한 것이다.
고체 산화물 연료 전지와 같은 연료 전지는 연료에 저장된 에너지를 높은 효율로 전기 에너지로 변환할 수 있는 전기화학적 장치이다. 고온 연료 전지들은 고체 산화물 연료 전지 및 용융 탄산염 연료 전지를 포함한다. 이러한 연료 전지들은 수소 및/또는 탄화수소 연료를 사용하여 동작할 수 있다. 전기 에너지를 입력으로 사용하여, 산화된 연료가 산화되지 않은 연료로 다시 환원될 수 있도록 역 동작도 허용하는, 고체 산화물 재생 연료 전지와 같은 연료 전지의 부류들이 있다.
일 실시 예의 연료 전지 시스템은, 연료 전지 스택을 포함하며 애노드 배출 생성물을 생성하는 적어도 하나의 핫 박스, 적어도 하나의 수소 펌프, 핫 박스의 애노드 배출 생성물 배출구를 적어도 하나의 수소 펌프의 유입구에 유체적으로 연결하는 적어도 하나의 생성물 도관, 적어도 하나의 수소 펌프의 압축 수소 생성물 배출구에 연결된 압축 수소 생성물 도관, 및 적어도 하나의 수소 펌프의 펌핑되지 않은 유출물 배출구에 연결된 적어도 하나의 유출물 도관을 포함한다.
추가적인 실시 예의 연료 전지 시스템은, 연료 전지 스택을 포함하며 애노드 배출 생성물을 생성하는 적어도 하나의 핫 박스, 적어도 하나의 이산화탄소 펌프, 핫 박스의 애노드 배출 생성물 배출구를 적어도 하나의 이산화탄소 펌프의 유입구에 유체적으로 연결하는 적어도 하나의 생성물 도관, 적어도 하나의 이산화탄소 펌프의 압축 이산화탄소 생성물 배출구에 연결된 압축 이산화탄소 생성물 도관, 및 적어도 하나의 이산화탄소 펌프의 펌핑되지 않은 유출물 배출구에 연결된 적어도 하나의 유출물 도관을 포함한다.
추가적인 실시 예의 연료 전지 시스템의 동작 방법은, 연료 전지 시스템의 적어도 하나의 핫 박스에 연료 유입 스트림을 제공하는 단계, 연료 전지 시스템의 적어도 하나의 핫 박스로부터 애노드 배출 생성물 스트림을 생성하는 단계, 애노드 배출 생성물 스트림을 적어도 하나의 수소 펌프에 제공하는 단계, 적어도 하나의 수소 펌프에서 압축된 수소 생성물 및 펌핑되지 않은 유출물을 생성하는 단계, 및 압축된 수소 생성물의 적어도 일부를 연료 전지 시스템의 적어도 하나의 핫 박스로 재순환시키는 단계를 포함한다.
추가적인 실시 예의 연료 전지 시스템의 동작 방법은, 연료 전지 시스템의 적어도 하나의 핫 박스에 연료 유입 스트림을 제공하는 단계, 연료 전지 시스템의 적어도 하나의 핫 박스로부터 애노드 배출 생성물 스트림을 생성하는 단계, 애노드 배출 생성물 스트림을 적어도 하나의 이산화탄소 펌프에 제공하는 단계, 적어도 하나의 이산화탄소 펌프에서 압축된 이산화탄소 생성물 및 펌핑되지 않은 유출물을 생성하는 단계, 및 이산화탄소 펌프로부터의 펌핑되지 않은 유출물의 적어도 일부를 연료 전지 시스템의 적어도 하나의 핫 박스로 재순환시키는 단계를 포함한다.
본원에 통합되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부된 도면들은 본 개시 내용의 예시적인 실시 예들을 도시하고, 전술한 일반적인 설명 및 후술되는 상세한 설명과 함께 본 개시 내용의 특징들을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 다양한 실시 예들에 따른 고체 산화물 연료 전지 시스템의 핫 박스를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 개시 내용의 일 실시 예에 따른 연료 전지 시스템의 구성 요소들을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3은 본 개시 내용의 다른 실시 예에 따른 연료 전지 시스템의 구성 요소들을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 본 개시 내용의 또 다른 실시 예에 따른 연료 전지 시스템의 구성 요소들을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 5는 본 개시 내용의 또 다른 실시 예에 따른 연료 전지 시스템의 구성 요소들을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 6은 본 개시 내용의 또 다른 실시 예에 따른 연료 전지 시스템의 구성 요소들을 개략적으로 도시한 블록도이다.
다양한 실시 예들이 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명된다. 가능한 한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 참조 번호를 사용하여 동일하거나 유사한 부품을 나타낼 것이다. 특정 예들 및 구현들에 대해 이루어진 참조들은 예시적인 목적들을 위한 것이며, 본 발명 또는 청구범위의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.
도 1은 본 개시 내용의 다양한 실시 예들에 따른 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell; SOFC) 시스템과 같은 연료 전지 시스템(10)의 핫 박스(hot box; 100)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 핫 박스(100)는 고체 산화물 연료 전지 스택들과 같은 연료 전지 스택들(fuel cell stacks; 102)을 포함할 수 있다(스택의 하나의 고체 산화물 연료 전지는, 이트리아 안정화 지르코니아(yttria stabilized zirconia; YSZ) 또는 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia stabilized zirconia; SSZ)와 같은 세라믹 전해질, 니켈-YSZ 또는 Ni-SSZ 서멧(cermet)과 같은 애노드 전극, 및 란타늄 스트론튬 망가나이트(lanthanum strontium manganite; LSM)와 같은 캐소드 전극을 포함함). 스택들(102)은 복수의 컬럼들(columns)로 서로 중첩되어 배열될 수 있다.
핫 박스(100)는 또한 애노드 복열기(anode recuperator; 110), 캐소드 복열기(cathode recuperator; 120), 애노드 테일 가스 산화기(anode tail gas oxidizer; ATO)(130), 애노드 배출물 냉각기(anode exhaust cooler; 140), 와류 발생기(vortex generator; 550) 및 스팀 발생기(steam generator; 160)를 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템(10)은 시스템 송풍기(system blower; 208)(예를 들어, 공기 송풍기), 물 공급원(water source; 206), 밸브(들)(valve(s); 511) 및/또는 유체 도관들(fluid conduits; 300D, 302A, 304C, 306 및 308G)과 같은 추가적인 구성 요소들뿐만 아니라, 핫 박스(102)의 외부 또는 부분적으로 외부에 위치될 수 있는 연료 전지 시스템(10)의 다른 구성 요소들을 더 포함할 수 있다. 그러나, 본 개시 내용은 핫 박스(102)에 대한 구성 요소들 각각에 대한 어떠한 특정 위치에도 제한되지 않는다.
연료 스트림(fuel stream)은 핫 박스(102)로 유입되어 연료 도관(300D)을 통해 애노드 복열기(110)로 흐를 수 있다. 연료 스트림은 천연 가스와 같은 탄화수소 연료, 연료 전지 시스템(10)의 재순환(recycled) 애노드 배출물(anode exhaust), 및 선택적으로 재순환 수소 생성물의 혼합물을 포함할 수 있으며, 이는 보다 상세히 후술된다. 연료 스트림은 애노드 복열기(110)에서 가열될 수 있고, 연료 도관(300E)을 통해 애노드 복열기(110)로부터 스택들(102)로 흐를 수 있다.
시스템 송풍기(208)는 공기 도관(302A)을 통해 공기 스트림(예를 들어, 공기 유입 스트림)을 애노드 배출물 냉각기(140)에 제공하도록 구성될 수 있다. 공기는 공기 도관(302B)을 애노드 배출물 냉각기(140)로부터 통해 캐소드 복열기로 흐른다. 공기는 공기 도관(302C)을 통해 캐소드 복열기(120)로부터 스택들(102)로 흐른다.
스택들(102)에서 생성된 애노드 배출물은 애노드 배출물 도관(308A)을 통해 애노드 복열기(110)에 제공된다. 애노드 배출물은 미반응(unreacted) 연료를 함유할 수 있으며, 또한 본 명세서에서 연료 배출물(fuel exhaust)로 지칭될 수 있다. 애노드 복열기(110) 내에 위치하는 애노드 배출물은 애노드 복열기(110)를 통해 스택들(102)로 흐르는 유입 연료 스트림에 열을 전달할 수 있다. 애노드 배출물은 애노드 복열기(110)로부터 애노드 배출물 도관(308B)으로 제공될 수 있다. 애노드 배출물은 애노드 배출물 도관(308B)을 통해 애노드 배출물 냉각기(140)로 흐를 수 있다. 애노드 배출물 냉각기(140)로부터의 애노드 배출물은 애노드 배출물 도관(308C)에 의해 핫 박스(100)를 빠져나갈 수 있다. 애노드 배출물 도관(308C)과 유체 연통(fluid communication)하는 애노드 재순환 송풍기(anode recycle blower)(도 1에는 미도시)는 애노드 배출물 도관(308C)을 통해 애노드 배출물을 이동시키도록 구성될 수 있으며, 이는 보다 상세히 후술된다. 일부 실시 예들에서, 분배기(splitter; 511)는 애노드 배출물 도관(308C)으로부터의 애노드 배출물의 일부를 애노드 배출물 도관(308D)으로 선택적으로 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 분배기(511)는 컴퓨터 제어 밸브 또는 조작자 제어 밸브 또는 유체 도관 내의 개구들 또는 슬릿들을 포함하는 수동 분배기와 같은 임의의 다른 적절한 유체 분배 장치일 수 있다. 애노드 배출물 도관(308D)은, 예를 들어 SOFC 시스템(10)의 시동 동안 또는 기타의 과도적인 동작 상태들 동안, 애노드 배출물 도관(308D)을 통해 애노드 배출물 냉각기(140)를 빠져나가는 애노드 배출물의 일부를 ATO(130)로 선택적으로 재지향시킬 수 있다.
도 1에 도시된 실시 예에서, 핫 박스(100) 내의 모든 애노드 배출물은 애노드 배출물 도관(308C)을 통해 핫 박스(100)를 빠져나가기 이전에 애노드 배출물 냉각기(140)를 통과한다. 보다 상세히 후술되는 다른 실시 예들에서, 애노드 배출물의 적어도 일부는 애노드 배출물 냉각기(140)를 통과하기 이전에 핫 박스(100)를 빠져나갈 수 있다. 예를 들어, 애노드 배출물 스트림의 일부는, 애노드 복열기(110)와 애노드 배출물 냉각기(140) 사이에 위치할 수 있는 애노드 배출물 도관(도 1에는 미도시)을 통해 핫 박스(100)를 빠져나갈 수 있다.
스택들(102)에서 발생된 캐소드 배출물(cathode exhaust)은 배출물 도관(304A)을 통해 ATO(130)로 흐른다. 와류 발생기(550)는 배출물 도관(304A) 내에 배치될 수 있고, 캐소드 배출물을 소용돌이치게하도록(swirl) 구성될 수 있다. 애노드 배출물 도관(308D)은 와류 발생기(550)의 하류(downstream)에 있는 캐소드 배출물 도관(304A) 또는 ATO(130)에 유체적으로(fluidly) 연결될 수 있다. 소용돌이친 캐소드 배출물은 ATO(130)에 제공되기 이전에 애노드 배출물 도관(308D)으로부터의 애노드 배출물과 혼합될 수 있다. 이 혼합물은 ATO(130)에서 산화되어 ATO 배출물을 발생시킬 수 있다. ATO 배출물은 배출물 도관(304B)을 통해 ATO(130)로부터 캐소드 복열기(120)로 흐른다. ATO 배출물은 배출물 도관(304C)을 통해 캐소드 복열기로부터 핫 박스(100) 밖으로 흐른다.
물은 물 탱크 또는 송수관과 같은 물 공급원(206)으로부터 물 도관(306)을 통해 스팀 발생기(160)로 흐른다. 스팀 발생기(160)는 애노드 배출물 도관(308B) 내로 물을 주입한다. 애노드 복열기(110)로부터 배출물 도관(308B)에 제공되는 애노드 배출물로부터의 열은 물을 기화시켜 스팀을 발생시킨다. 스팀은 애노드 배출물과 혼합되어 애노드 배출물 냉각기(140)를 통해 애노드 배출물 도관(308B)으로부터 애노드 배출물 도관(308C)으로 흐르는 가습된(humidified) 애노드 배출물 스트림을 제공한다.
시스템(10)은 시스템(10)의 다양한 요소들을 제어하도록 구성된 시스템 제어기(system controller; 225)를 더 포함할 수 있다. 제어기(225)는 저장된 명령어들을 실행하도록 구성된 중앙 처리 유닛을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어기(225)는 연료 조성 데이터에 따라, 시스템(10)을 통한 연료 및/또는 공기 흐름을 제어하도록 구성될 수 있다. 시스템(10)은 또한 하나 이상의 연료 개질 촉매들(fuel reforming catalysts; 112, 114, 116)을 포함할 수 있다.
동작 동안, 스택들(102)은 제공된 연료 및 공기를 이용하여 전기를 발생시키고, 애노드 배출물(즉, 연료 배출물) 및 캐소드 배출물(즉, 공기 배출물)을 생성한다. 애노드 배출물은 수소, 수증기, 일산화탄소, 이산화탄소, 메테인과 같은 일부 미반응 탄화수소 연료, 및 기타 반응 부산물 및 불순물을 포함할 수 있다.
도 2는 본 개시 내용의 실시 예들에 따른 연료 전지 시스템(10)의 구성 요소들을 개략적으로 도시한 블록도이다. 연료 전지 시스템(10)은 도 1을 참조하여 전술한 핫 박스(100)와 같은 적어도 하나의 핫 박스(100)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 시스템(10)은 n개의 핫 박스들(100)을 포함할 수 있으며, 여기서 n은 1 내지 100 사이, 예를 들어 2 내지 10 사이, 예를 들어 4 내지 8 사이의 정수이다. 도 2에 도시된 연료 전지 시스템(10)은 2개의 핫 박스들(100)을 포함하지만, 다양한 실시 예들에 따른 연료 전지 시스템은 더 많거나 더 적은 개수의 핫 박스(100)를 포함할 수 있다.
도 2는 본 개시 내용의 일 실시 예에 따른 연료 전지 시스템(10) 전반에 걸친 연료 및 애노드 배출물의 흐름을 개략적으로 도시한다. 도 2를 참조하면, 시스템(10)은 연료 전지 시스템(10)에 적합한 연료를 제공할 수 있는 연료 공급원(400)에 연결될 수 있다. 연료 공급원(400)은 시스템(10)과 동일한 장소에 위치할 수 있는 하나 이상의 연료 저장 용기(예를 들어, 연료 탱크(들) 또는 이와 유사한 용기들)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 연료 공급원(400)은 가스 유틸리티 라인과 같은 원격 공급원으로부터 시스템(10)에 연료를 제공할 수 있다. 연료 공급원(400)으로부터 연료 전지 시스템(10)에 제공되는 연료는 메테인, 수소 및 기타의 가스와 메테인을 함유하는 천연 가스, 프로페인 또는 기타의 바이오 가스, 또는 일산화탄소와 같은 탄소 연료, 메탄올과 같은 산소화된(oxygenated) 탄소 함유 가스, 또는 기타의 탄소 함유 가스와 수증기, H2 가스 또는 이들의 혼합물과 같은 수소 함유 가스와의 혼합물을 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 임의의 적합한 탄화수소 연료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 혼합물은 석탄 또는 천연 가스 개질로부터 유도된 합성 가스를 포함할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 연료 공급원(400)로부터의 연료는 연료 전지 시스템(10)의 핫 박스들(100)에 제공되기 이전에 하나 이상의 전처리 단계들을 거칠 수 있다. 예를 들어, 연료 공급원(400)에 연결된 연료 유입 도관(fuel inlet conduit; 300A)은 연료 스트림으로부터 황 및/또는 기타의 바람직하지 않은 불순물을 제거하기 위해 하나 이상의 탈황기(desulfurizer)와 같은 하나 이상의 전처리 유닛(400)에 연료를 제공할 수 있다. 이후, 전처리된 연료는 연료 도관들(308B)을 통해 핫 박스들(100) 각각으로 흐를 수 있다.
일부 실시 예들에서, 각각의 핫 박스(100)는 핫 박스(100)의 외부에 배치될 수 있는 촉매 부분 산화(catalytic partial oxidation; CPOx) 반응기(200), 혼합기(210), CPOx 송풍기(204)(예를 들어, 공기 송풍기) 및 애노드 재순환 송풍기(212)를 추가로 포함할 수 있다. 그러나, 본 개시 내용은 핫 박스(100)에 대한 구성 요소들 각각에 대한 임의의 특정 위치에 제한되지 않는다.
다시 도 2를 참조하면, 각각의 핫 박스(100)와 연관된 각각의 CPOx 반응기(200)는 연료 도관(308B)을 통해 유입 연료 스트림을 수용할 수 있다. CPOx 송풍기(204)는 CPOx 반응기(204)에 공기를 제공할 수 있다. CPOx 반응기(200)로부터의 연료 및/또는 공기는 연료 도관(300C)에 의해 혼합기(210)에 제공될 수 있다. 혼합기(210)는 핫 박스(100)로부터의 재순환 애노드 배출물과 연료 스트림을 혼합하도록 구성될 수 있다. 이후, 신선한(fresh) 연료와 재순환 애노드 배출물의 이러한 혼합물은 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이 연료 도관(300D)을 통해 핫 박스(100)에 제공될 수 있다.
각각의 핫 박스(100)로부터의 애노드 배출물(즉, 연료 배출물)은 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이 애노드 배출물 도관(308C)을 통해 핫 박스(100)를 빠져나갈 수 있다. 분배기(511)(도 1 참조)는 애노드 배출물 도관(308C)에 위치하는 애노드 배출물의 일부를 애노드 배출물 도관(308D)을 통해 다시 핫 박스(100) 내부로 선택적으로 재지향시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 애노드 배출물 도관(308D)을 통해 재지향되는 애노드 배출물의 일부는 시동 동안 또는 기타의 과도적인 동작 상태들 동안 핫 박스(100)의 ATO(130)에 제공될 수 있다.
도 2에 도시된 실시 예에서, 애노드 배출물 도관(308C)에 위치하는 나머지 애노드 배출물은 분배기(403)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 분배기(403)는 컴퓨터 제어 밸브 또는 조작자 제어 밸브 또는 유체 도관 내의 개구들 또는 슬릿들을 포함하는 수동 분배기와 같은 임의의 다른 적절한 유체 분배 장치일 수 있다 애노드 배출물의 제 1 부분은 애노드 배출물 도관(308E)을 통해 분배기(403)로부터 애노드 재순환 송풍기(212)로 제공될 수 있다. 애노드 재순환 송풍기(212)는 임의의 적합한 유체(예를 들어, 가스) 송풍기, 펌프, 압축기 등일 수 있다. 애노드 배출물의 제 1 부분은 애노드 배출물 도관(308F)에 의해 애노드 재순환 송풍기(212)로부터 혼합기(210)로 제공될 수 있다. 전술한 바와 같이, 재순환 애노드 배출물은 연료 도관(300D)을 통해 핫 박스(100)로 재진입하기 이전에 혼합기(210)에서 신선한 연료와 혼합될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 애노드 배출물 도관(308C)을 통해 핫 박스(100)를 빠져나가고 애노드 재순환 송풍기(212)에 의해 재순환되어 혼합기(210)에서 신선한 연료와 혼합되며 연료 도관(300D)을 통해 핫 박스(100)로 재진입하는 애노드 배출물의 일부는 "애노드 재순환(anode recycle)"으로 지칭될 수 있으며, 핫 박스(100)의 배출구(outlet)에 있는 애노드 배출물 도관(308C)과 핫 박스(100)의 유입구(inlet)에 있는 연료 도관(300D) 사이의 애노드 재순환의 유체 경로는 "애노드 재순환 루프(anode recycle loop)"로 지칭될 수 있다.
애노드 배출물의 제 2 부분은 애노드 배출물 도관(308G)을 통해 분배기(403)로부터 매니폴드(manifold; 104)에 제공될 수 있다. 매니폴드(104)는 각각의 애노드 배출물 도관(308G)에 의해 시스템(10)의 복수의 핫 박스들(100)에 연결될 수 있으며, 일부 실시 예들에서는 시스템(10)의 모든 핫 박스들(100)에 연결될 수 있다. 대안적으로, 시스템(10)은 복수의 매니폴드들(104)을 포함할 수 있으며, 이 때 각각의 매니폴드(104)는 시스템(10)의 핫 박스들(100)의 서브 세트에 연결될 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 시스템(10)의 복수의 핫 박스들(100)로부터의 애노드 배출물 스트림들은 매니폴드(104)에서 조합될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 일부 실시 예들에서, 핫 박스들(100) 각각은 매니폴드(104)와 유체 연통하는 선택적인 추가 애노드 배출물 도관(308H)을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 선택적인 추가 애노드 배출물 도관(308H)은 핫 박스(100)와 매니폴드(104) 사이에 직접 유체 경로를 제공할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 선택적인 애노드 배출물 도관(308H) 내의 애노드 배출물은 애노드 배출물 냉각기(104)의 상류(upstream)에서 핫 박스(100)를 빠져나갈 수 있다(도 1 참조). 예를 들어, 핫 박스(100)는 도 1에 도시된 핫 박스(100) 내의 애노드 배출물 냉각기(140)와 애노드 복열기(110) 사이에 위치된 애노드 유체 도관(308B) 내에 분배기(예를 들어, 밸브, 수동 분배기 등)를 포함할 수 있다. 분배기는 애노드 배출물 도관(308B)으로부터의 애노드 배출물 스트림의 일부를 선택적인 애노드 배출물 도관(308H)으로 전환시킬 수 있고, 애노드 배출물 스트림의 이 일부는 도 2에 도시된 매니폴드(104)에 직접 제공될 수 있다. 애노드 배출물 스트림의 나머지 부분은 전술한 바와 같이 애노드 배출물 냉각기(140)를 통해 애노드 배출물 도관(308C) 내로 진행할 수 있다.
따라서, 일부 실시 예들에서, 매니폴드(104)에 제공되는 애노드 배출물은, 애노드 배출물 냉각기(140)의 배출구에서 핫 박스(100)를 빠져나와 애노드 배출물 도관(308C), 분배기(들)(511 및/또는 403) 및 애노드 배출물 도관(308G)을 통해 매니폴드(104)로 흐르는 애노드 배출물의 제 1 부분, 및 애노드 배출물 냉각기(140)의 상류에서 핫 박스(100)를 빠져나와 애노드 배출물 도관(308H)을 통해 매니폴드(104)로 흐르는 애노드 배출물의 제 2 부분을 포함할 수 있다. 따라서, 애노드 배출물의 제 2 부분은 애노드 배출물 냉각기(140)를 우회할 수 있으며, 따라서 애노드 배출물 냉각기(140)를 통해 흐르는 애노드 배출물의 제 1 부분보다 더 높은 온도를 가질 수 있다.
일부 실시 예들에서, 매니폴드(104)에 수용되는 애노드 배출물의 혼합물은 가변적일 수 있어서, 특정 시간 동안 하나 이상의 핫 박스(100)로부터 매니폴드(104)에 제공되는 애노드 배출물을 모두 포함하는 애노드 배출물의 더 많은 부분이 애노드 배출물 도관(308G)을 통해 제공되는 애노드 배출물의 제1 부분(즉, 핫 박스(100)의 애노드 배출물 냉각기(140)를 통과한 애노드 배출물)일 수 있고, 다른 시간에서 하나 이상의 핫 박스(100)로부터 매니폴드(104)에 제공되는 애노드 배출물을 모두 포함하는 애노드 배출물의 더 많은 부분이 애노드 배출물 도관(308H)을 통해 제공되는 애노드 배출물 제2 부분(즉, 핫 박스(100)의 애노드 배출물 냉각기(140)를 우회한 애노드 배출물)일 수 있다. 도 1을 참조하여 전술한 시스템 제어기(225)는 핫 박스들(100) 각각으로부터 매니폴드(104)에 제공되는 애노드 배출물의 제 1 및 제 2 부분의 혼합을 제어하는데 사용될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 애노드 배출물 도관(308G)을 통해 매니폴드(104)에 제공되는 애노드 배출물의 제 1 부분(즉, 핫 박스(100)의 애노드 배출물 냉각기(140)를 통과한 애노드 배출물)은 약 100°C 내지 180°C 사이의 온도를 가질 수 있고, 애노드 배출물 도관(308H)을 통해 매니폴드(104)에 제공되는 애노드 배출물의 제 2 부분(즉, 핫 박스(100)의 애노드 배출물 냉각기(140)를 우회한 애노드 배출물)은 약 300°C 내지 500°C 사이의 온도를 가질 수 있다.
따라서, 핫 박스(100)의 애노드 배출물 냉각기(140)를 통과하는 애노드 배출물의 저온의 제 1 부분과 애노드 배출물 냉각기(140)를 우회하는 애노드 배출물의 고온의 제 2 부분의 혼합물을 포함하는 애노드 배출물 스트림을 제공함으로써, 매니폴드(104) 내의 애노드 배출물의 온도는 제어 가능하게 가변될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 매니폴드(104) 내의 애노드 배출물의 온도는 보다 상세히 후술될 바와 같이 후속 H2 회수 및/또는 CO2 분리 공정들에 필요한 것보다 더 많은 열을 포함하도록 제어될 수 있다. 과잉 열을 포함하는 애노드 배출물 스트림을 제공하는 것은, 하나 이상의 후속 공정에 필요한 대로 애노드 배출물을 냉각시키는 것이 이들 동일한 공정에 대해 애노드 배출물을 가열하는 데 필요한 것보다 적은 기생 전력을 소모할 수 있다는 이점을 제공할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 복수의 핫 박스들(100)로부터의 조합된 애노드 배출물 스트림들은, 애노드 배출물 도관(308I)을 통해 매니폴드(104)로부터 애노드 배출물 컨디셔닝 유닛(anode exhaust conditioning unit; 404)으로 제공될 수 있다. 애노드 배출물 컨디셔닝 유닛(404)은 애노드 배출물 컨디셔닝 유닛(404)의 하류에 위치하는 물 가스 전환(water gas shift; WGS) 반응기(405)로의 도입에 적합한 애노드 배출물 스트림을 만들기 위해 애노드 배출물 스트림의 온도를 수정하도록 구성될 수 있다. 애노드 배출물 컨디셔닝 유닛(404)은 하나 이상의 열 교환기 및/또는 응축기와 같은 하나 이상의 열 전달 장치를 포함할 수 있다. 기타의 적절한 열 전달 장치들은 본 개시 내용의 고려된 범위 내에 있다. 애노드 배출물 스트림의 온도가 WGS 반응기의 동작 온도 범위보다 더 높은 일부 실시 예들에서, 하나 이상의 열 전달 장치는, 애노드 배출물 컨디셔닝 유닛(404)을 통해 흐르는 애노드 배출물 스트림의 온도를 감소시키기 위해, 냉각수 및/또는 공기와 같은 냉각 매체에 의해 냉각될 수 있다. 애노드 배출물 스트림의 온도가 WGS 반응기(405)의 동작 온도 범위보다 더 낮은 다른 실시 예들에서, 하나 이상의 열 전달 장치는, 애노드 배출물 컨디셔닝 유닛(404)을 통해 흐르는 애노드 배출물 스트림의 온도를 증가시키기 위해, 애노드 배출물 스트림에 열을 전달할 수 있다. 애노드 배출물 스트림으로의 열 전달은, 애노드 배출물 스트림보다 더 높은 온도를 갖는 유체 매체(예를 들어, 연소 가스)와의 열 교환에 의해, 또는 애노드 배출물 스트림을 직접 가열하기 위해 전기 히터와 같은 히터를 사용함으로써, 이루어질 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 애노드 배출물 컨디셔닝 유닛(404)을 빠져나가는 애노드 배출물의 온도는 약 150°C 내지 300°C 사이, 예를 들어 약 200°C 내지 250°C 사이일 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 애노드 배출물 스트림은 애노드 배출물 도관(308J)을 통해 애노드 배출물 컨디셔닝 유닛(404)으로부터 WGS 반응기(405)로 제공될 수 있다. WGS 반응기(405)는 물-가스 전환 반응을 이용하여 애노드 배출물의 CO 및 H2O를 CO2 및 H2 로 변환하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시 예들에서, WGS 반응기(405)는 저온 WGS 반응기(405)일 수 있고, 약 200°C 내지 250°C 사이의 공칭 동작 온도를 가질 수 있다. 물-가스 전환 반응 이후, 애노드 배출물 스트림은 주로 H2O, CO2 및 H2를 포함할 수 있으며, 더 적은 양의 CO, N2 및 기타 불순물을 포함할 수 있다.
이후, 애노드 배출물 스트림은 애노드 배출물 도관(308K)을 통해 WGS 반응기(405)로부터 응축기(condenser; 406)로 제공될 수 있다. 응축기(406)는 냉각수 및/또는 공기와 같은 냉각 매체에 의해 냉각되어 수증기를 액체 물(liquid water)로 응축시키고 애노드 배출물 스트림의 온도를 100°C 미만으로, 예를 들어 50°C 내지 80°C 사이(예를 들어, ~70°C)로 감소시킬 수 있다. 액체 물은 물 배출 도관(407)을 통해 응축기(406)로부터 제거될 수 있고, 도관(407) 내의 액체 물은 선택적으로 정제 및/또는 재사용될 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 물 녹아웃(water knockout)은 응축기(406)의 설계에 통합되거나 응축기(406)의 하류에 별도의 구성 요소로서 포함될 수 있다. 부분적으로 탈수된(dehydrated) 애노드 배출물 스트림은 애노드 배출물 도관(308L)을 통해 응축기(406)로부터 적어도 하나의 수소 펌프(408)로 제공될 수 있다.
다양한 실시 예들에서, 적어도 하나의 수소 펌프(408)에 제공되는 부분적으로 수소화된(hydrogenated) 애노드 배출물 스트림은 적어도 약 40% 몰 분율의 H2O, 예를 들어 50-60% (예를 들어, ~56%) 몰 분율의 H2O, 적어도 약 20% 몰 분율의 CO2, 예를 들어 25-35% (예를 들어, ~29%) 몰 분율의 CO2, 적어도 약 10% 몰 분율의 H2, 예를 들어 10-20% (예를 들어, ~14%) 몰 분율의 H2, 1% 몰 분율 미만의 CO, and 1% 몰 분율 미만의 N2 를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, CO에 대한 적어도 하나의 수소 펌프(408)의 공차에 따라, 애노드 배출물 스트림 내의 CO의 몰 분율(molar fraction)은 0.5% 내지 1% 사이일 수 있다. 이는 WGS 반응기(405)의 상대적으로 더 높은 온도의 동작을 가능하게 할 수 있고, WGS 반응기(405)에 대한 동작의 더 큰 열적 윈도우(thermal window)를 가능하게 할 수 있다.
적어도 하나의 수소 펌프(408)는 전기화학적 수소 펌프 또는 펌프들을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 전기화학적 수소 펌프(408)는 중합체 막(polymer membrane)에 걸친 전류 또는 전압의 인가에 따라 중합체 막을 통해 순수 수소를 전기화학적으로 펌핑하는 분리기 및 수소 펌프를 포함할 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 적어도 하나의 전기화학적 수소 펌프(408)는, "H2RENEWTM"이라는 품명으로 회사(Skyre, Inc.)로부터 입수 가능한 그리고 미국 특허 제 10,756,361호 및/또는 제 10,648,089호에 개시된, 고압 수소 분리 및 압축 시스템을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 수소 펌프(408)는 수소의 더 높은 전체 회수율 및/또는 더 높은 처리량을 가능하게 하기 위해 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 펌프들(예를 들어, 복수의 분리막 스택들)을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 적어도 하나의 수소 펌프(408)는 적어도 하나의 수소 펌프(408)에 제공되는 탈수된 애노드 배출물 스트림에서 최대 약 1% 몰 분율의 CO를 포함하여 적어도 약 0.5% 몰 분율의 CO에 대해 내성(tolerant)일 수 있다.
일 실시 예에서, 적어도 하나의 수소 펌프(408)는 탈수된 애노드 배출물 스트림에서 수소의 80% 초과를 회수할 수 있고, 압축 수소 생성물 도관(410)을 통해 99% 초과의 순수 압축된 수소 생성물을 출력할 수 있다. 예를 들어, 압축된 수소 생성물은 적어도 99.99% 순수한(즉, 건조한) 수소일 수 있으며, 이는 압력 1 psig 내지 10,000 psig, 예를 들어 15 psig 내지 2,000 psig, 예를 들어 15 psig 내지 150 psig로 가압될 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 적어도 하나의 수소 펌프(408)에 의해 생성된 압축된 수소 생성물은 추가적인 기계적 압축 또는 건조 없이 사용 또는 저장에 적합할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 압축 수소 생성물 도관(410) 내의 압축된 수소 생성물은 분배기(411)로 제공될 수 있다. 예를 들어, 분배기(411)는 컴퓨터 제어 밸브 또는 조작자 제어 밸브 또는 유체 도관 내의 개구들 또는 슬릿들을 포함하는 수동 분배기와 같은 임의의 다른 적절한 유체 분배 장치일 수 있다. 압축된 수소 생성물의 제 1 부분은 연료 전지 시스템(10)에서의 추가적인 사용을 위해 분배기(403)로부터 수소 재순환 도관(412A)으로 제공될 수 있다. 압축된 수소 생성물의 제 2 부분은 압축된 수소 생성물의 저장 및/또는 분배 또는 판매를 위해 분배기(403)로부터 수소 저장 도관(413)으로 제공될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 수소 저장 도관(413)은 압축된 수소 생성물을 수소 저장 도관(413)에 연결된 하나 이상의 수소 저장 용기(414)에 직접 제공할 수 있다. 대안적으로, 하나 이상의 압축기(도 2에는 미도시)가 수소 저장 도관에 연결될 수 있고, 압축된 수소 생성물을 하나 이상의 수소 저장 용기(414) 내의 저장에 적합한 압력으로 추가적으로 압축하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시 예들에서, 수소 재순환 도관(412A)은 압축된 수소 생성물을 연료 전지 시스템(10) 내의 하나 이상의 위치들에 제공하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 수소 재순환 도관(412A)은 압축된 수소 생성물의 적어도 일부를 예를 들어 천연 가스 공급원일 수 있는 연료 공급원(400)에 제공할 수 있다.
대안적으로, 또는 추가적으로, 일부 실시 예들에서, 압축된 수소 생성물의 적어도 일부가 연료 전지 시스템(10)을 위한 유입 연료 스트림에 제공될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 압축된 수소 생성물은 연료 전지 시스템(10)의 하나 이상의 전처리 유닛(400)(예를 들어, 탈황기(들))의 하류 유입 연료에 제공될 수 있다. 도 2에 도시된 일 실시 예에서, 분배기(415)는 압축된 수소 생성물의 적어도 일부를 수소 재순환 도관(412A)으로부터 수소 재순환 도관(412B)으로 지향시킬 수 있으며, 이는 압축된 수소 생성물의 적어도 일부를 연료 유입 도관(300A)으로 제공할 수 있다.
대안적으로, 또는 추가적으로, 일부 실시 예들에서, 압축된 수소 생성물의 적어도 일부가 핫 박스들(100) 중 하나 이상의 핫 박스의 애노드 재순환 루프들에 제공될 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 압축된 수소 생성물은 연료 전지 시스템(10)의 모든 핫 박스들(100)의 애노드 재순환 루프들에 제공될 수 있다. 도 2에 도시된 일 실시 예에서, 하나 이상의 분배기(416)는 압축된 수소 생성물의 적어도 일부를 수소 재순환 도관(412A)으로부터 하나 이상의 수소 재순환 도관(412C)으로 지향시킬 수 있다. 애노드 재순환 도관들(412C) 각각은 각각의 핫 박스(100)의 애노드 재순환 루프에 유체적으로 연결될 수 있다. 핫 박스(100)의 애노드 재순환 루프에 제공되는 압축된 수소 생성물은 애노드 재순환 루프 내의 애노드 재순환 및 신선한 연료 둘 다와 혼합될 수 있고, 연료 도관(300D)을 통해 핫 박스(100) 내로 진입할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 압축된 수소 생성물의 적어도 일부는 연료 전지 시스템(10)의 하나 이상의 핫 박스(100)의 ATO(130)에 제공될 수도 있다. 실시 예들에서, 압축된 수소 생성물은 핫 박스(100)의 시동 동안 또는 다른 과도적인 상태들 동안 ATO(130)에 제공될 수 있고, 핫 박스들(100)의 열 관리를 위해 사용될 수 있다. 도 2에 도시된 실시 예에서, 하나 이상의 수소 재순환 도관(412D)은 압축된 수소 생성물의 일부를 하나 이상의 각각의 핫 박스(100)의 ATO(130)로 선택적으로 재지향시킬 수 있다. 일부 실시 예들에서, 수소 재순환 도관들(412D)은 압축된 수소 생성물을 각각의 ATO들(130)로 지향시키기 위해 애노드 배출물 도관들(308D)에 유체적으로 연결될 수 있다. ATO(130)에 수소를 제공함으로써, 핫 박스(100)의 온도는 거의 일정한 온도로 유지되거나, 또는 실현 가능하거나 실용적인 만큼으로 거의 일정하게 유지된다. 다른 변화(예를 들어, 주변 온도 변화, 의도적인 공기 흐름 변화 등)가 주어지면, ATO(130)에 대한 공급 스트림의 미리 결정된 흐름 제어는 없다. 일부 구성들에서, 흐름을 +/- 3 내지 5%로 제어하기 위해 비례 솔레노이드 밸브가 사용될 수 있다. 기타의 구성들이 흐름의 추가 제어(예를 들어, +/- 0.5%)를 달성할 수 있지만, 그러한 구성들은 비용이 많이 든다.
실시 예들에서, 압축된 수소 생성물은, 어떠한 추가적인 처리 또는 컨디셔닝(conditioning)의 필요 없이, 연료 전지 시스템(10)에서 사용하기 위해 재순환될 수 있을 정도로 충분히 순수(즉, 건조)할 수 있다. 또한, 일부 실시 예들에서, 건조 압축된 수소 생성물은, 압축된 수소 생성물을 운반하는 도관들(412A, 412B, 412C, 412D)이 물 응축을 피하기 위해 절연되고 추적될 필요 없이, 연료 전지 시스템(10)의 다양한 구성 요소들/위치들에 제공될 수 있다. 건조 압축된 수소 생성물은 또한 연료 전지 시스템(10)의 원하지 않는 위치들에서, 예를 들어 탈황 탱크들에서 응축을 생성하지 않을 수 있다.
압축된 수소 생성물이 연료 전지 시스템(10) 또는 이의 구성 요소에서 사용하기에 충분히 건조하지 않은 경우, 압축된 수소 생성물이 연료 전지 시스템(10)에서 사용되기 이전에 압축된 수소 생성물의 물 함량을 더 감소시키기 위해 냉동형(refrigerated) 응축기가 선택적으로 사용될 수 있다
다양한 실시 예들에서, 시스템 제어기(225)(도 1 참조)는 연료 전지 시스템(10) 내의 다양한 위치들 및/또는 하나 이상의 수소 저장 용기들(414)에 제공되는 압축된 수소 생성물의 양을 제어할 수 있다. 비-제한적인 일 예에서, 연료 전지 시스템(10)의 정상 상태 동작 동안, 압축된 수소 생성물의 전부 또는 거의 전부가 연료 전지 시스템(10)의 핫 박스들(100)에 제공될 수 있다. 연료 전지 시스템(10)의 동작에 필요하지 않은 임의의 과잉 압축된 수소 생성물은 하나 이상의 수소 저장 용기(414)에 제공될 수 있다. 압축된 수소 생성물의 대부분을 연료 전지 시스템(10)으로 재순환시키는 것의 이점은, 더 많은 수소 생성물이 연료로서 재순환됨에 따라 연료 전지 시스템(10)에 대한 정확하고 높은 연료 활용 목표를 충족시켜야 할 필요성이 감소될 수 있다는 것이다. 비교적 많은 양의 재순환된 수소 생성물의 제공으로, 패스당(per pass) 활용도가 낮아도 여전히 연료 전지 시스템(10)에 대한 높은 전체 연료 활용도를 지원할 수 있다. 또한, 연료 전지 시스템(10)의 연료 활용도를 원하는 대로 낮춤으로써, 하나 이상의 수소 저장 용기(414)에 제공되는 수소 생성물의 양을 증가시킬 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 적어도 하나의 수소 펌프(408)로부터의 펌핑되지 않은 유출물(effluent)은 주로 물(예를 들어, 수증기 및/또는 액체 물) 및 이산화탄소를 함유할 수 있다. 펌핑되지 않은 유출물은 또한 애노드 배출물로부터 분리되지 않은 소량의 수소뿐만 아니라 더 소량의 일산화탄소, 질소 및 기타의 불순물을 함유할 수 있다. 예를 들어, 펌핑되지 않은 유출물은 10% 몰 분율 미만의 H2, 예를 들어 0 내지 5% 몰 분율의 H2, 0 내지 1% 몰 분율의 CO, 및 0 내지 1% 몰 분율의 질소를 함유할 수 있다. 액체 물은 선택적으로 물 배출 도관(417)을 통해 적어도 하나의 수소 펌프(408)로부터 제거될 수 있고, 도관(417) 내의 액체 물은 선택적으로 정제 및/또는 재사용될 수 있다. 적어도 하나의 수소 펌프(408)로부터의 펌핑되지 않은 가스상(gaseous) 유출물은 적어도 하나의 수소 펌프(408)로부터 유출물 도관(effluent conduit; 418)으로 제공될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 적어도 하나의 수소 펌프로부터의 유출물은 유출물 도관(418)으로부터, 임의의 적절한 유체(예를 들어, 가스) 송풍기, 펌프, 압축기 등일 수 있는 송풍기(419)로 선택적으로 공급될 수 있다. 송풍기(419)는 적어도 하나의 수소 펌프(408)로부터 펌핑되지 않은 유출물을 "끌어낼(pull)" 수 있다. 송풍기(419)는 유출물을, 예를 들어 2 내지 15 psig 사이의 압력으로, 추가로 압축할 수 있다. 펌핑되지 않은 유출물의 압축 열은 펌핑되지 않은 유출물의 온도를 상승시킬 수 있다. 이는, 유출물 내의 잔류 H2 및 CO의 일부 또는 전부를 산화시키도록 구성된 후속 촉매 또는 열 반응을 위해 유출물을 예열할 수 있다. 유출물의 압축은 또한 후속적으로 수행될 수 있는 CO2 압축, 탈수 및/또는 액화 공정으로부터 이 압축을 분리할 수 있다. 선택적인 송풍기(419)가 존재하는 실시 예들에서, 송풍기(419)로부터의 압축된 유출물은 유출물 도관(420)으로 제공될 수 있다. 일부 경우들에서, 높은 압축 비율을 갖는 대형 압축기를 조절하는 것(즉, 압축기 속도를 변화시키는 것)은 어려울 수 있다. 예를 들어, 압축기 속도의 작은 변화는 파이프로부터 가스를 너무 많이 끌어내거나 또는 너무 적게 끌어낼 수 있어 상류의 압력 교란을 일으킬 수 있다. 그러나, 소형 송풍기는 이득(gain)이 낮고, 속도를 조금 조정하면 유속 및 유입구 압력의 변화가 작다. 어떤 경우에는, 송풍기 하류의 작은 저장 체적이 압력 제어를 위해 시스템에 약간의 용량(capacitance)을 제공하는 데 이용될 수 있다. 예를 들어, 하류 저장 체적은 1분 정도의 체류 시간일 수 있다.
다양한 실시 예들에서, 송풍기(419)로부터의 압축된 유출물은 유출물 도관(420)을 통해 산화 반응기(oxidation reactor; 421)에 선택적으로 제공될 수 있다. 산화 반응기(421)는 후속 CO2 처리 단계 이전에 유출물로부터 잔류 H2 및 CO 함량을 감소시키거나 제거하도록 구성될 수 있는 촉매 또는 열 산화 반응기일 수 있다. 산소 공급원(422)은 산화 반응기(421)에 연결되어 산화 반응을 위한 산소를 제공할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 산소 공급원(422)은 공기 송풍기(air blower)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 산소 공급원(422)은 산화 반응을 위한 정제된(purified) 산소를 제공할 수 있는 산소 발생기 또는 산소 저장 장치일 수 있다. 선택적인 산화 반응기(421)가 존재하는 실시 예들에서, 실질적으로 전체가 H2O 및 CO2로 구성될 수 있는 산화 반응기(421)로부터의 유출물은 유출물 도관(423)에 제공될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 시스템(10)은, 적어도 하나의 수소 펌프(408)로부터의 유출물 생성물을 함유하는 유출물 도관(418, 420 및/또는 423)에 동작 가능하게 연결될 수 있는 이산화탄소 처리 장치(424)를 선택적으로 포함할 수 있다. 이산화탄소 처리 장치(424)는, 선택적으로 송풍기(419)에 의한 압축 및/또는 산화 반응기(421)에서의 산화 반응을 거칠 수 있는 적어도 하나의 수소 펌프(408)로부터 수용되는 유출물 스트림을 압축 및/또는 냉각하도록 동작할 수 있다. 선택적인 이산화탄소 처리 장치(424)는 유출물 스트림으로부터 물을 제거하도록 구성된 응축기 및/또는 건조기일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 선택적인 이산화탄소 처리 장치(424)는 또한 유출물 스트림을 액화(liquified) CO2 생성물로 변환할 수 있다. 유출물 스트림으로부터 제거된 물은 선택적으로 정제 및/또는 재사용을 위해 물 배출 도관(425)을 통해 이산화탄소 처리 장치(424)로부터 선택적으로 제거될 수 있다. 정제된 또는 순수한 CO2를 포함할 수 있는 유출물 스트림의 나머지 부분은, CO2의 저장 및/또는 격리(sequestration)를 위해 도관(426)을 통해 하나 이상의 CO2 저장 용기(427)에 제공될 수 있거나, 화학 공정, 음료 탄산화 등에 사용될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 하나 이상의 CO2 저장 용기는 저장을 위해 CO2 를 드라이아이스로 변환하도록 구성된 하나 이상의 극저온 저장 장치를 포함할 수 있다.
도 3은 본 개시 내용의 다른 실시 예에 따른 연료 전지 시스템(20)을 개략적으로 도시한다. 도 3의 연료 전지 시스템(20)은 도 2를 참조하여 전술한 연료 전지 시스템(10)과 유사할 수 있다. 따라서, 간결함을 위해 유사한 구성 요소들에 대한 반복되는 논의는 생략된다. 도 3의 연료 전지 시스템(20)은 수소 생성물을 회수하기 위해 저압 및 고압 수소 펌프들을 사용할 수 있다는 점에서 도 2의 연료 전지 시스템(10)과 상이할 수 있다.
특히, 도 3을 참조하면, 애노드 배출물 도관(308L)에 위치하는 분배기(450)(예를 들어, 밸브, 수동 분배기 등)는 부분적으로 수화된(hydrated) 애노드 배출물 스트림의 일부를 애노드 배출물 도관(451)으로 지향시킬 수 있다. 애노드 배출물 도관(308L) 내의 부분적으로 수화된 애노드 배출물 스트림의 나머지 부분은 적어도 하나의 저압 수소 펌프(452)에 제공될 수 있다. 적어도 하나의 저압 수소 펌프(452)는 애노드 배출물 스트림으로부터 분리되는 수소를 비교적 낮은 압력(예를 들어, 1 내지 150 psig)으로 펌핑하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 적어도 하나의 저압 수소 펌프(452)는 수소를 연료 전지 시스템(20)에서 사용하기에 적합한 압력으로 펌핑할 수 있다. 적어도 하나의 저압 수소 펌프(452)로부터의 압축된 수소 생성물은 도 2를 참조하여 전술한 바와 같은 연료 전지 시스템(20)에서의 추가적인 사용을 위해 수소 재순환 도관(412A)에 제공될 수 있다. 적어도 하나의 저압 수소 펌프(452)로부터의 나머지 유출물은 유출물 도관(418)에 제공될 수 있고, 도 2를 참조하여 전술한 바와 같이 CO2 의 분리를 위해 선택적인 송풍기(419), 선택적인 산화 반응기(421) 및 선택적인 이산화탄소 처리 장치(424)로 진행할 수 있다. 유출물로부터의 액체 물은 선택적으로 물 배출 도관(453)을 통해 회수될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 애노드 배출물 도관(451) 내에 위치하는 부분적으로 수화된 애노드 배출물 스트림의 일부는 적어도 하나의 고압 수소 펌프(454)에 제공될 수 있다. 적어도 하나의 고압 수소 펌프(454)는 애노드 배출물 스트림으로부터 분리되는 수소를 비교적 높은 압력(예를 들어, 200 내지 10,000 psig)으로 펌핑하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 적어도 하나의 고압 수소 펌프(452)는 수소 저장 및/또는 정제된 수소 생성물의 상업적 판매 목적에 적합한 압력으로 수소를 펌핑할 수 있다. 적어도 하나의 고압 수소 펌프(454)로부터의 압축된 수소 생성물은 수소 생성물 도관(456)을 통해 하나 이상의 수소 저장 용기(414)에 제공될 수 있다. 적어도 하나의 고압 수소 펌프(454)로부터의 나머지 가스상 유출물은 유출물 도관(457)에 제공될 수 있고, 이 유출물로부터의 액체 물은 선택적으로 물 배출 도관(453)을 통해 회수될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 유출물 도관(457)은 적어도 하나의 고압 수소 펌프(454)로부터의 유출물을 도 2를 참조하여 전술한 바와 같이 CO2 의 분리를 위해 선택적인 송풍기(419), 선택적인 산화 반응기(421) 및 선택적인 이산화탄소 처리 장치(424)에 제공할 수 있다.
일반적으로, 저장 및/또는 상업적 판매를 목적으로 하는 수소 생성물은 연료 전지 시스템(20)에서의 사용을 위해 재순환되는 수소 생성물보다 더 높은 정도의 가압을 필요로 할 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 애노드 배출물 스트림을 병렬로 처리할 수 있는 적어도 하나의 저압 수소 펌프(452) 및 적어도 하나의 고압 수소 펌프(454)를 제공함으로써, 연료 전지 시스템(20)의 애노드 배출물로부터 회수되는 압축된 수소 생성물은 상이한 용도들에 대해 최적화될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 하나 이상의 완충 탱크들(buffer tanks)(도 3에는 미도시)이, 각각의 수소 펌프들(452, 454)에 공급되는 병렬 애노드 배출물 스트림들의 유속의 변동을 완화하기 위해 적어도 하나의 저압 수소 펌프(452) 및/또는 적어도 하나의 고압 수소 펌프(454)의 상류에 제공될 수 있다.
따라서, 도 1 내지 도 3에 도시된 연료 전지 시스템들(10, 20)은 연료 전지 시스템(10, 20)에 제공되는 입력 연료의 본질적으로 모든 수소 함량 및 본질적으로 모든 탄소 함량을 사용하거나 회수할 수 있다. 이는, 연료 전지 시스템들(10, 20)에 대한 증가된 연료 활용도를 제공할 수 있다.
도 4는 본 개시 내용의 다른 실시 예에 따른 연료 전지 시스템(30)을 개략적으로 도시한다. 도 4의 연료 전지 시스템(30)은 도 2 및 도 3을 참조하여 전술한 연료 전지 시스템들(10, 20)과 유사할 수 있다. 따라서, 간결함을 위해 유사한 구성 요소들에 대한 반복되는 논의는 생략된다. 도 4의 연료 전지 시스템(30)은 이산화탄소 펌프를 사용하여 애노드 배출물 스트림으로부터 CO2 의 적어도 일부를 분리할 수 있다는 점에서 도 2 및 도 3의 연료 전지 시스템(10, 20)과 상이할 수 있다.
도 4를 참조하면, 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)는 연료 전지 시스템(30)의 핫 박스들(100)로부터의 애노드 배출물 스트림에서 물 가스 전환(WGS) 반응기(405) 및 응축기(406)의 하류에 위치할 수 있다. 응축기(406)는, 애노드 배출물 스트림의 온도 및/또는 물 함량이 이산화탄소 펌프(600)의 동작 범위(들) 내에 있도록, 수증기를 액체 물로 응축시키고 애노드 배출물 스트림의 온도를 감소시키도록 구성될 수 있다. 애노드 배출물 스트림으로부터 응축되는 액체 물은 물 배출 도관(407)을 통해 제거될 수 있다. 애노드 배출물 도관(308L)은 응축기(406)로부터의 부분적으로 탈수된 애노드 배출물 스트림을 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)의 유입구에 제공할 수 있다.
적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)는 전기화학적 이산화탄소 펌프 또는 펌프들을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 전기화학적 이산화탄소 펌프(600)는 저압 애노드 배출물 스트림으로부터 물을 함유할 수도 있는 더 고압의 거의 순수한 CO2 생성물로 CO2 를 펌핑하도록 구성될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 적어도 하나의 전기화학적 이산화탄소 펌프는 중합체 막에 걸친 전류 또는 전압의 인가에 따라 중합체 막을 통해 이산화탄소를 전기화학적으로 펌핑하는 분리기(즉, 농축기) 및 스크러버(scrubber)를 포함할 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 적어도 하나의 전기화학적 이산화탄소 펌프(600)는, "CO2RENEWTM"이라는 품명으로 회사(Skyre, Inc.)로부터 입수 가능한 그리고 미국 공개 특허 제 2020/0222852호에 개시된, 고압 이산화탄소 분리 및 압축 시스템을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)는 CO2의 더 높은 전체 회수율 및/또는 더 높은 처리량을 가능하게 하기 위해 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 펌프들(예를 들어, 복수의 분리막 스택들)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)는 탈수된 애노드 배출물 스트림에 존재하는 CO2 의 적어도 70%, 예를 들어 70 내지 90% 이상을 회수할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)는 분리된 CO2 생성물을 1 psig 내지 5,000 psig 사이, 예를 들어 1 내지 5 psig, 5 내지 150 psig, 또는 150 내지 5,000 psig 의 압력으로 가압할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)에 의해 생성된 압축된 CO2 생성물은 추가적인 기계적 압축 없이 사용, 저장 또는 격리에 적합할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)로부터의 압축된 CO2 생성물은 도관(602)을 통해 이산화탄소 처리 장치(424)에 제공될 수 있다. 이산화탄소 처리 장치(424)는, 예를 들어 열 변동 흡착(thermal swing adsorption; TSA) 및/또는 압력 변동 흡착(pressure swing adsorption; PSA)에 의해, 압축된 CO2 생성물로부터 잔류 물을 제거할 수 있다. 압축된 CO2 생성물로부터 제거되는 물은 선택적인 정제 및/또는 재사용을 위해 물 배출 도관(425)을 통해 선택적으로 제거될 수 있다. 압축된 CO2 생성물은 저장, 사용 및/또는 격리에 적합한 압력으로 CO2 생성물을 가압하기 위해 선택적으로 추가 압축을 거칠 수 있다. 일부 실시 예들에서, 압축된 CO2 생성물은 액화되거나 드라이아이스로 고형화될 수 있다. 이산화탄소 처리 장치(424)에 의한 처리 이후, 정제된 또는 순수한 CO2를 포함할 수 있는 압축된 CO2 생성물은 CO2 의 저장 및/또는 격리를 위해 도관(426)을 통해 하나 이상의 CO2 저장 용기(427)에 제공될 수 있거나, 화학 공정, 음료 탄산화 등에 사용될 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)로부터의 펌핑되지 않은 유출물은 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)에 의해 애노드 배출물로부터 분리되지 않은 이산화탄소, 수소, 물(예를 들어, 수증기 및/또는 액체 물) 뿐만 아니라, 소량의 일산화탄소, 질소 및 기타의 불순물을 함유할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 펌핑되지 않은 유출물로부터의 액체 물은 선택적으로 물 배출 도관(601)을 통해 제거될 수 있다. 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)로부터의 나머지 펌핑되지 않은 유출물은 연료 전지 시스템(30)으로의 재순환을 위해 도관(603)에 제공될 수 있다.
다양한 실시 예들에서, 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)로부터의 펌핑되지 않은 유출물은 애노드 배출물 스트림으로부터의 수소 및 일산화탄소를 실질적으로 모두 포함할 수 있다. 애노드 배출물 스트림으로부터의 물의 일부 및 대부분의 이산화탄소가 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)에 의해 제거되기 때문에, 펌핑되지 않은 유출물 스트림 내의 수소 및 일산화탄소의 농도는 일반적으로 애노드 배출물 스트림 내의 그들의 농도보다 높을 것이다. 이는, 스택들(102) 및/또는 ATO들(130)을 위한 보충 연료로서 또는 연료 공급원으로서 사용하는 것을 포함하여, 도관(603) 내의 유출물 스트림을 연료 전지 시스템(30)에서의 사용에 유리하게 만들 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 적어도 하나의 송풍기(604)는 도관(603)과 유체 연통될 수 있다. 적어도 하나의 송풍기(604)는 임의의 적합한 유체(예를 들어, 가스) 송풍기, 펌프, 압축기 등을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 송풍기(604)는 유출물 스트림을 연료 전지 시스템(10)에서의 사용에 적합한 압력으로 압축할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 복수의 송풍기들(604)은 연료 전지 시스템(10)의 상이한 용도들을 위해 유출물 스트림의 부분들을 상이한 압력들로 압축하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 애노드 재순환 도관(들)(412C)과 유체 연통되는 제 1 송풍기(604)는 핫 박스들(100)의 애노드 재순환 루프들에 공급되는 유출물 스트림의 압력을 1 psi 내지 2 psi만큼 증가시키는데 이용될 수 있다. 핫 박스들(100)에 제공되는 유출물의 적어도 일부는 열 관리 및/또는 ATO들(130)로부터의 질소 제거를 위해 핫 박스들(100)의 ATO들(130)에 제공될 수도 있다. 각각의 핫 박스들(100)의 ATO들(130)에 공급되는 유출물의 부분을 제어하기 위해 비례 솔레노이드 밸브가 사용될 수 있다. 애노드 재순환 도관(412B)과 유체 연통되는 추가 송풍기(604)가 연료 전지 시스템(30)의 연료 유입 스트림에 공급되는 유출물 스트림의 압력을 10 psi 내지 15 psi만큼 증가시키는 데 사용될 수 있다.
도 4에 도시된 연료 전지 시스템(30)에서, 거의 모든 연료가 분리된 이산화탄소 생성물로서 및/또는 연료 전지 시스템(30)을 위한 재순환된 연료로서 재순환될 수 있기 때문에, 연료 전지 시스템(30)의 패스당 연료 활용도가 낮아질 수 있다. 또한, 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)로부터의 유출물 스트림 내의 임의의 잔류 CO2는 연료 전지 시스템(30)을 통해 다시 재순환되어 결국 핫 박스들(100)로부터의 애노드 배출물 스트림으로 재순환되기 때문에, 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)는 매우 높은 CO2 회수율을 가질 필요가 없다. 일부 실시 예들에서, 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)의 패스당 CO2 회수율은 70 내지 90% 사이일 수 있다. 이는, 핫 박스들(100)의 ATO들(130)로 재순환되고/되거나 ATO들(130)에 의해 발생될 수 있는 소량의 CO2 를 제외하고, 연료 전지 시스템(30)에 대해 거의 100%의 전체 CO2 회수를 가능하게 할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)의 CO 공차에 따라, WGS 반응기(405) 및 애노드 배출물 컨디셔닝 유닛(404)은 도 4의 연료 전지 시스템(30)으로부터 제거될 수 있다. 따라서, 매니폴드(104)로부터의 애노드 배출물은, 애노드 배출물 스트림의 온도 및/또는 물 함량이 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)의 동작 범위(들) 내에 있도록, 애노드 배출물 스트림을 컨디셔닝하도록 구성될 수 있는 응축기(406)로 공급될 수 있다. 이러한 경우, 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)로부터의 유출물 스트림뿐만 아니라 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)로 진입하는 애노드 배출물 스트림은 상대적으로 더 높은 농도의 H2 및 CO를 가질 수 있다.
도 5는 본 개시 내용의 다른 실시 예에 따른 연료 전지 시스템(40)을 개략적으로 도시한다. 도 5의 연료 전지 시스템(40)은 도 4를 참조하여 전술한 연료 전지 시스템(30)과 유사할 수 있다. 따라서, 간결함을 위해 유사한 구성 요소들에 대한 반복되는 논의는 생략된다. 도 5의 연료 전지 시스템(40)은 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)의 상류에 적어도 하나의 수소 펌프(408)를 추가함으로써 도 4의 연료 전지 시스템(30)과 상이할 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 애노드 배출물 스트림은 애노드 배출물 도관(308L)을 통해 응축기(406)로부터 적어도 하나의 수소 펌프(408)로 제공될 수 있다. 적어도 하나의 수소 펌프(408)는 도관(410)에 제공될 수 있는, 전술한 바와 같은 압축된 수소 생성물을 생성할 수 있다. 적어도 하나의 수소 펌프(408)로부터의 압축된 수소 생성물은 연료 전지 시스템(30)으로 재순환될 수 있고/있거나 저장 및 잠재적인 상업적 판매를 위해 하나 이상의 수소 저장 용기(414)에 제공될 수 있다. 도 5에 도시된 실시 예에서, 분배기(413)는 압축된 수소 생성물의 일부를 수소 저장 도관(413)을 통해 하나 이상의 수소 저장 용기(414)에 제공하는 데 사용될 수 있고, 압축된 수소 생성물의 나머지 부분은 도관(412A)을 통해 연료 전지 시스템에서의 사용을 위해 재순환될 수 있다.
적어도 하나의 수소 펌프(408)로부터의 펌핑되지 않은 유출물은 소량의 수소, 일산화탄소, 질소 및 기타의 불순물과 함께 주로 물(예를 들어, 수증기 및/또는 액체 물) 및 이산화탄소를 포함할 수 있다. 펌핑되지 않은 유출물로부터의 액체 물은 선택적으로 물 배출 도관(417)을 통해 제거될 수 있다. 나머지 유출물 스트림은 도관(308M)을 통해 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)에 제공될 수 있다. 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)는 유출물 스트림으로부터 CO2 의 대부분(예를 들어, 70% 이상)을 분리하고, 도 4를 참조하여 전술한 바와 같이 압축된 CO2 생성물을 제공할 수 있다. 압축된 CO2 생성물은 선택적으로 도관(602)을 통해 CO2 처리 장치(424)에 제공될 수 있다.
적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)로부터의 펌핑되지 않은 유출물은 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)에 의해 분리되지 않은 이산화탄소 및 물(예를 들어, 수증기 및/또는 액체 물) 뿐만 아니라 소량의 수소, 일산화탄소, 질소 및 기타의 불순물을 포함할 수 있다. 펌핑되지 않은 유출물로부터의 액체 물은 선택적으로 물 배출 도관(601)을 통해 제거될 수 있다. 나머지 유출물은 전술한 바와 같이 연료 전지 시스템(40)에서의 사용을 위해 재순환되도록 도관(603)에 제공될 수 있다.
적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)의 상류에 적어도 하나의 수소 펌프(408)를 제공하는 것의 이점은, 적어도 하나의 수소 펌프(408)가 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)에 공급되기 이전에 공정 스트림의 가스 유속을 감소시킬 수 있다는 것이다. 또한, 적어도 하나의 수소 펌프(408)를 이용하여 수소를 제거함으로써, 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)로 공급되는 공정 스트림 내의 CO2 농도가 증가될 수 있다. 도 5의 시스템(40)은 또한 순수하거나 정제된 수소 생성물을 생성할 수 있고, 이는 이후의 사용 및/또는 판매를 위해 저장될 수 있다.
도 6은 본 개시 내용의 다른 실시 예에 따른 연료 전지 시스템(50)을 개략적으로 도시한다. 도 5의 연료 전지 시스템(50)은 도 2를 참조하여 전술한 연료 전지 시스템(10)과 유사할 수 있다. 따라서, 간결함을 위해 유사한 구성 요소들에 대한 반복되는 논의는 생략된다. 도 3의 연료 전지 시스템(50)은 적어도 하나의 수소 펌프(408)의 상류에 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)를 추가함으로써 도 2의 연료 전지 시스템(10)과 상이할 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 애노드 배출물 스트림은 애노드 배출물 도관(308L)을 통해 응축기(406)로부터 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)로 제공될 수 있다. 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)는 애노드 배출물 스트림으로부터 CO2 의 대부분(예를 들어, 70% 이상)을 분리하고, 도 4를 참조하여 전술한 바와 같이 압축된 CO2 생성물을 제공할 수 있다. 압축된 CO2 생성물은 선택적으로 도관(602)을 통해 CO2 처리 장치(424)에 제공될 수 있다.
적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)로부터의 펌핑되지 않은 유출물은 소량의 일산화탄소, 질소 및 기타의 불순물뿐만 아니라, 적어도 하나의 이산화탄소 펌프(600)에 의해 분리되지 않은 이산화탄소, 물(예를 들어, 수증기 및/또는 액체 물) 및 수소를 포함하는 수소가 풍부한 공정 스트림을 포함할 수 있다. 펌핑되지 않은 유출물로부터의 액체 물은 선택적으로 물 배출 도관(601)을 통해 제거될 수 있다. 나머지 유출물은 도관(604)을 통해 적어도 하나의 수소 펌프(408)에 제공될 수 있다.
적어도 하나의 수소 펌프(408)는 도관(410)에 제공될 수 있는, 전술한 바와 같은 압축된 수소 생성물을 생성할 수 있다. 적어도 하나의 수소 펌프(408)로부터의 압축된 수소 생성물은 연료 전지 시스템(30)으로 재순환될 수 있고/있거나 저장 및 잠재적인 상업적 판매를 위해 하나 이상의 수소 저장 용기(414)에 제공될 수 있다. 도 6에 도시된 실시 예에서, 분배기(411)는 압축된 수소 생성물의 일부를 수소 저장 도관(413)을 통해 하나 이상의 수소 저장 용기(414)에 제공하는 데 사용될 수 있고, 압축된 수소 생성물의 나머지 부분은 도관(412A)을 통해 연료 전지 시스템에서의 사용을 위해 재순환될 수 있다.
적어도 하나의 수소 펌프(408)로부터의 펌핑되지 않은 가스상 유출물은 적어도 하나의 수소 펌프(408)로부터 유출물 도관(418)으로 제공될 수 있고, 도 2를 참조하여 전술한 바와 같이 유출물로부터 잔류 H2 및 CO를 감소 또는 제거하도록 구성된 산화 반응기(421) 및 송풍기(419)로 선택적으로 공급될 수 있다. 주로 물 및 CO2를 포함할 수 있는 나머지 유출물은 전술한 바와 같이 나머지 CO2 의 회수, 저장 및/또는 사용을 위해 도관(606)을 통해 CO2 처리 장치(424)에 제공될 수 있다.
개시된 양상들에 대한 전술한 설명은 당업자가 본 개시 내용을 만들거나 이용할 수 있게끔 하기 위해 제공된다. 이러한 양상들에 대한 다양한 변형들은 당업자들에게 용이하게 명백할 것이며, 본 명세서에 정의된 일반적인 원리들은 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않고 다른 양상들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 개시 내용은 본 명세서에 나타난 양상들로 제한되는 것이 아니라, 본 명세서에 개시된 원리들 및 신규 특징들과 일치되는 가장 넓은 범위를 갖도록 의도된다.

Claims (24)

  1. 연료 전지 시스템으로서,
    연료 전지 스택을 포함하며 애노드 배출 생성물(anode exhaust product)을 생성하는 적어도 하나의 핫 박스;
    적어도 하나의 수소 펌프;
    상기 핫 박스의 애노드 배출 생성물 배출구를 상기 적어도 하나의 수소 펌프의 유입구에 유체적으로 연결하는 적어도 하나의 생성물 도관;
    상기 적어도 하나의 수소 펌프의 압축 수소 생성물 배출구에 연결된 압축 수소 생성물 도관; 및
    상기 적어도 하나의 수소 펌프의 펌핑되지 않은 유출물 배출구(unpumped effluent outlet)에 연결된 적어도 하나의 유출물 도관;
    을 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은,
    연료 전지 스택을 각각 포함하며 애노드 배출 생성물을 생성하는 복수의 핫 박스들; 상기 복수의 핫 박스들 각각의 애노드 배출 생성물 배출구를 매니폴드에 유체적으로 연결하는 적어도 하나의 생성물 도관; 및 상기 매니폴드의 배출구를 상기 적어도 하나의 수소 펌프의 유입구에 유체적으로 연결하는 적어도 하나의 생성물 도관; 을 더 포함하는,
    연료 전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 핫 박스들 중 각각의 핫 박스는,
    적어도 하나의 생성물 도관에 의해 상기 매니폴드에 유체적으로 연결된 제 1 애노드 배출물 배출구; 및 적어도 하나의 생성물 도관에 의해 상기 매니폴드에 유체적으로 연결된 제 2 애노드 배출물 배출구를 포함하는,
    연료 전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 애노드 배출물 배출구들을 통해 상기 핫 박스들 각각으로부터 배출되는 애노드 배출 생성물은 상기 핫 박스들 각각의 애노드 배출물 냉각기를 통과한 애노드 배출물을 포함하고,
    상기 제 2 애노드 배출물 배출구들을 통해 상기 핫 박스들 각각으로부터 배출되는 애노드 배출 생성물은 상기 핫 박스들 각각의 애노드 배출물 냉각기를 우회하는 애노드 배출물을 포함하는,
    연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 수소 펌프의 펌핑되지 않은 유출물 배출구로부터의 펌핑되지 않은 유출물 생성물을 압축하도록 구성된, 상기 적어도 하나의 유출물 도관에 유체적으로 연결된 송풍기;
    를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    적어도 하나의 유출물 도관에 의해 상기 송풍기의 배출구에 유체적으로 연결된 산화 반응기를 더 포함하고,
    상기 산화 반응기는 상기 송풍기에 의해 압축되는 펌핑되지 않은 유출물 생성물로부터 잔류 H2 및 CO 함량을 감소 또는 제거하도록 구성되는,
    연료 전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    적어도 하나의 유출물 도관에 의해 상기 산화 반응기의 배출구에 유체적으로 연결된 이산화탄소 처리 장치를 더 포함하고,
    상기 이산화탄소 처리 장치는 상기 펌핑되지 않은 유출물 생성물을 정제된 또는 순수한 CO2 생성물로 변환하도록 구성되는,
    연료 전지 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 수소 펌프는, 99 부피% 초과의 수소를 포함하는 압축된 수소 생성물을 생성하는 전기화학적 수소 펌프를 포함하는,
    연료 전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 압축 수소 생성물 도관은, 상기 연료 전지 시스템에 의한 사용을 위해 상기 압축된 수소 생성물의 적어도 일부를 재순환시키도록 구성된 적어도 하나의 수소 재순환 도관에 유체적으로 연결되는,
    연료 전지 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 압축 수소 생성물 도관은, 상기 연료 전지 시스템의 핫 박스의 애노드 재순환 루프에 유체적으로 연결된 적어도 하나의 수소 재순환 도관에 유체적으로 연결되는,
    연료 전지 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 압축 수소 생성물 도관은, 상기 연료 전지 시스템의 핫 박스의 애노드 테일 가스 산화기(anode tail gas oxidizer; ATO)에 유체적으로 연결된 적어도 하나의 수소 재순환 도관에 유체적으로 연결되는,
    연료 전지 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 압축 수소 생성물 도관은, 상기 연료 전지 시스템의 연료 공급원 및 상기 연료 전지 시스템의 하나 이상의 핫 박스에 대한 연료 유입 도관 중 적어도 하나에 유체적으로 연결된 적어도 하나의 수소 재순환 도관에 유체적으로 연결되는,
    연료 전지 시스템.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 수소 재순환 도관은 상기 연료 전지 시스템에 의한 사용을 위해 상기 압축된 수소 생성물의 제 1 부분을 재순환시키도록 구성되고,
    상기 압축 수소 생성물 도관은, 상기 압축된 수소 생성물의 제 2 부분을 하나 이상의 수소 저장 용기에 제공하도록 구성된 적어도 하나의 수소 저장 도관에 유체적으로 연결되는,
    연료 전지 시스템.
  14. 제 3 항에 있어서,
    물 가스 전환(water gas shift; WGS) 반응기 - 적어도 하나의 생성물 도관이 상기 매니폴드의 배출구를 상기 WGS 반응기의 유입구에 유체적으로 연결함 -; 및
    응축기 - 적어도 하나의 생성물 도관이 상기 WSG 반응기의 배출구를 상기 응축기의 유입구에 유체적으로 연결하고, 적어도 하나의 생성물 도관이 상기 응축기의 배출구를 상기 적어도 하나의 수소 펌프의 유입구에 유체적으로 연결함 -;
    를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 수소 펌프는,
    저압 수소 펌프 - 적어도 하나의 생성물 도관이 상기 애노드 배출 생성물의 제 1 부분을 수용하기 위해 상기 저압 수소 펌프의 유입구에 유체적으로 연결되고, 상기 저압 수소 펌프에 의해 생성되는 압축된 수소 생성물은 상기 연료 전지 시스템에서의 사용을 위해 재순환됨 -; 및
    고압 수소 펌프 - 적어도 하나의 생성물 도관이 상기 애노드 배출 생성물의 제 2 부분을 수용하기 위해 상기 고압 수소 펌프의 유입구에 유체적으로 연결되고, 상기 고압 수소 펌프에 의해 생성되는 압축된 수소 생성물은 하나 이상의 수소 저장 용기에 제공됨 -;
    를 포함하는,
    연료 전지 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell; SOFC) 시스템을 포함하는,
    연료 전지 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 이산화탄소 펌프를 더 포함하고,
    (a) 상기 적어도 하나의 이산화탄소 펌프의 유입구는 적어도 하나의 펌핑되지 않은 유출물 도관에 의해 상기 적어도 하나의 수소 펌프의 펌핑되지 않은 유출물 배출구에 유체적으로 연결되고, 압축 이산화탄소 생성물 도관이 상기 적어도 하나의 이산화탄소 펌프의 압축 이산화탄소 생성물 배출구에 연결되고, 적어도 하나의 펌핑되지 않은 유출물 재순환 도관이 상기 연료 전지 시스템에서의 사용을 위해 상기 적어도 하나의 이산화탄소 펌프로부터의 펌핑되지 않은 유출물을 재순환시키기 위해 상기 적어도 하나의 이산화탄소 펌프의 펌핑되지 않은 유출물 배출구에 연결되거나, 또는
    (b) 적어도 하나의 생성물 도관이 상기 핫 박스의 애노드 배출 생성물 배출구를 상기 적어도 하나의 이산화탄소 펌프의 유입구에 유체적으로 연결하고, 압축 이산화탄소 생성물 도관이 상기 적어도 하나의 이산화탄소 펌프의 압축 이산화탄소 생성물 배출구에 연결되고, 적어도 하나의 펌핑되지 않은 유출물 재순환 도관이 상기 적어도 하나의 이산화탄소 펌프로부터의 펌핑되지 않은 유출물을 상기 적어도 하나의 수소 펌프의 유입구에 제공하기 위해 상기 적어도 하나의 이산화탄소 펌프의 펌핑되지 않은 유출물 배출구에 연결되는,
    연료 전지 시스템.
  18. 연료 전지 시스템으로서,
    연료 전지 스택을 포함하며 애노드 배출 생성물을 생성하는 적어도 하나의 핫 박스;
    적어도 하나의 이산화탄소 펌프;
    상기 핫 박스의 애노드 배출 생성물 배출구를 상기 적어도 하나의 이산화탄소 펌프의 유입구에 유체적으로 연결하는 적어도 하나의 생성물 도관;
    상기 적어도 하나의 이산화탄소 펌프의 압축 이산화탄소 생성물 배출구에 연결된 압축 이산화탄소 생성물 도관; 및
    상기 적어도 하나의 이산화탄소 펌프의 펌핑되지 않은 유출물 배출구에 연결된 적어도 하나의 유출물 도관;
    을 포함하는, 연료 전지 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 이산화탄소 펌프는, 상기 적어도 하나의 이산화탄소 펌프에 제공되는 애노드 배출 생성물로부터 이산화탄소의 적어도 약 70%를 제거하고 압축된 이산화탄소 생성물 및 펌핑되지 않은 유출물을 생성하도록 구성된 전기화학적 이산화탄소 펌프를 포함하는,
    연료 전지 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템에서의 사용을 위해 상기 적어도 하나의 이산화탄소 펌프로부터의 펌핑되지 않은 유출물을 재순환시키도록 구성된, 상기 적어도 하나의 유출물 도관에 유체적으로 연결된 적어도 하나의 송풍기;
    를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  21. 연료 전지 시스템의 동작 방법으로서,
    상기 연료 전지 시스템의 적어도 하나의 핫 박스에 연료 유입 스트림을 제공하는 단계;
    상기 연료 전지 시스템의 적어도 하나의 핫 박스로부터 애노드 배출 생성물 스트림을 생성하는 단계;
    상기 애노드 배출 생성물 스트림을 적어도 하나의 수소 펌프에 제공하는 단계;
    상기 적어도 하나의 수소 펌프에서 압축된 수소 생성물 및 펌핑되지 않은 유출물을 생성하는 단계; 및
    상기 압축된 수소 생성물의 적어도 일부를 상기 연료 전지 시스템의 적어도 하나의 핫 박스로 재순환시키는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 수소 펌프로부터의 펌핑되지 않은 유출물로부터 정제된 또는 순수한 CO2 생성물을 생성하는 단계; 및
    상기 압축된 수소 생성물의 일부를 적어도 하나의 수소 저장 용기에 제공하는 단계;
    중 적어도 하나를 더 포함하는,
    방법.
  23. 연료 전지 시스템의 동작 방법으로서,
    상기 연료 전지 시스템의 적어도 하나의 핫 박스에 연료 유입 스트림을 제공하는 단계;
    상기 연료 전지 시스템의 적어도 하나의 핫 박스로부터 애노드 배출 생성물 스트림을 생성하는 단계;
    상기 애노드 배출 생성물 스트림을 적어도 하나의 이산화탄소 펌프에 제공하는 단계;
    상기 적어도 하나의 이산화탄소 펌프에서 압축된 이산화탄소 생성물 및 펌핑되지 않은 유출물을 생성하는 단계; 및
    상기 이산화탄소 펌프로부터의 펌핑되지 않은 유출물의 적어도 일부를 상기 연료 전지 시스템의 적어도 하나의 핫 박스로 재순환시키는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 이산화탄소 펌프로부터의 압축된 이산화탄소 생성물로부터 정제된 또는 수수한 CO2 생성물을 생성하는 단계;
    를 더 포함하는, 방법.
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