KR20230087405A - 연료 활용도가 100 퍼센트에 가까운 연료 전지 시스템 및 이의 동작 방법 - Google Patents

연료 활용도가 100 퍼센트에 가까운 연료 전지 시스템 및 이의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

연료 전지 시스템은 연료 배출물 스트림으로부터 수소 및 이산화탄소를 분리하기 위한 적어도 하나의 전기화학적적 펌프 분리기를 포함한다.

Description

연료 활용도가 100 퍼센트에 가까운 연료 전지 시스템 및 이의 동작 방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATING THEREOF AT NEAR ONE HUNDRED PERCENT FUEL UTILIZATION}
본 발명은 가스의 분리 분야에 관한 것으로서, 더욱 특히 전기화학적 연료 배기 연료 회수(fuel exhaust fuel recovery)를 갖는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 연료에 저장된 에너지를 고효율로 전기 에너지로 변환할 수 있는 전기화학적 디바이스다. 고온 연료 전지는 고체 산화물 및 용융 탄산염 연료 전지를 포함한다. 이 연료 전지는 수소 및/또는 탄화수소 연료를 사용하여 작동할 수 있다. 산화된 연료가, 입력으로서 전기 에너지를 사용하여 산화되지 않은 연료로 다시 환원될 수 있는 역동작을 또한, 허용하는, 가령 고체 산화물 재생 연료 전지와 같은 연료 전지의 유형이 존재한다.
본 개시내용의 다양한 실시예에 따르면, 연료 전지 시스템은: 연료 전지 스택; 애노드 테일 가스 산화기(anode tail gas oxidizer; ATO); 각각 캐소드 및 애노드 사이에 배치된 전해질을 포함하는, 제1 및 제2 전기화학 펌프 분리기; 상기 연료 전지 스택의 연료 배기구를 스플리터(splitter)에 유체 연결하는 연료 배기 도관; 상기 스플리터의 배출구를 제1 수소 펌프 분리기의 애노드 유입구에 유체 연결하는 제1 분리 도관; 제1 수소 펌프 분리기의 애노드 배출구를 제2 펌프 분리기의 애노드 유입구에 유체 연결하는 제2 분리 도관; 제1 전기화학 펌프 분리기의 캐소드 배출구(cathode outlet)를 애노드 테일 가스 산화기에 유체 연결하는 ATO 유입 도관; 제2 전기화학 펌프 분리기의 캐소드 배출구를 연료 전지 스택의 연료 유입구에 유체 연결하는 수소 도관; 및 제2 전기화학 펌프 분리기의 애노드 배출구를 이산화탄소 사용 또는 저장 장치에 유체 연결하는 부산물 도관(byproduct conduit)을 포함한다.
본 개시내용의 다양한 실시예에 따르면, 연료 전지 시스템은: 고온 박스(hot box); 상기 고온 박스에 배치된 연료 전지 스택; 상기 고온 박스에 배치된 애노드 테일 가스 산화기(ATO); 연료원을 연료 전지 스택의 유입구에 유체 연결하는 연료 유입 도관; 상기 고온 박스로부터 출력되고 연료 전지 스택에 의해 생성된 연료 배기로부터의 물을 응축시키도록 구성된, 고온 박스 외부에 배치된 연료 배기 응축기(condenser); 상기 연료 배기 응축기로부터 받은 연료 배기로부터의 액상의 물을 제거하도록 구성된 연료 배기 분리기; 상기 연료 전지 스택의 연료 배기구를 연료 배기 응축기에 유체 연결하는 연료 배기 도관; 연료 배기 분리기를 연료 유입 도관에 유체 연결하는 재순환 도관(recycling conduit); 상기 재순환 도관을 ATO에 유체 연결하는 ATO 유입 도관; 및 상기 재순환 도관을 통과하고, ATO 유입 도관 내로 향하는 연료 배기 흐름을 선택적으로 제어하도록 구성된 재순환 밸브를 포함한다.
본 개시내용의 다양한 실시예에 따르면, 연료 전지 시스템은: 고온 박스; 상기 고온 박스에 배치된 연료 전지 스택; 상기 고온 박스에 배치된 애노드 테일 가스 산화기(ATO); 연료원을 상기 연료 전지 스택의 유입구에 유체 연결하는 연료 유입 도관; 상기 고온 박스 외부에 위치하는 외부 애노드 배기 냉각기; 상기 연료 전지 스택의 연료 배기구(fuel exhaust outlet)를 외부 애노드 배기 냉각기에 유체 연결하는 연료 배기 도관; 상기 외부 애노드 배기 냉각기를 연료 유입 도관에 유체 연결하는 재순환 도관; 상기 재순환 도관에 유체 연결된 연료 배기 처리 도관; 및 상기 연료 배기 처리 도관에 유체 연결되고, 상기 연료 배기 처리 도관으로부터 수용된 연료 배기를 액체인 물, 이산화탄소 및 수소의 스트림들로 분리하도록 구성된 가스 분리기를 포함한다.
도 1 및 2는 연료 전지 시스템의 제1 및 제2 비교 실시예의 연료 전지 시스템에 대한 개략도이다.
도 3, 4, 5a, 5b, 5c, 6 및 7은, 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 8은, 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 수성-가스 전환 반응기(water-gas shift reactor)의 사시도이다.
도 9a, 9b 및 9c는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 상면도, 측단면도, 및 사시도이다.
본 명세서에서 기재되는 바와 같이, 본 개시내용의 다양한 양태는 예시적인 실시예들 및/또는 본 발명의 예시적인 실시예들이 도시되는 첨부 도면을 참조하여 설명된다. 하지만, 본 발명은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있고, 도면에 도시되거나 본 명세서에 기술된 바와 같은 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 다양한 개시된 실시예들이 특정 실시예와 연계하여 설명된 특정 특징, 구성요소 또는 단계들을 수반할 수 있다고 인식될 것이다. 또한, 하나의 특정 실시예와 관련하여서만 특정 특징, 구성요소 또는 단계가 설명된다 하더라도, 이들은 다양하게 도시되지 않은 조합이나 순열의 대안적 실시예들과 상호교환되거나 조합될 수 있음이 인식될 것이다.
또한, 구성요소나 층(layer)이 다른 구성요소나 층에 대하여 "위(on)"에 있거나 "연결된(connected to)" 것으로 지칭되는 경우, 이들은 다른 구성요소나 층 바로 위에 있거나 이에 직접 연결될 수 있거나, 또는 중간에 간섭되는 구성요소 또는 층이 존재할 수 있는 것으로 이해될 것이다. 반면에, 구성요소가 다른 구성요소 또는 층에 대하여 "바로 위에(directly on)" 또는 "직접 연결된" 것으로 지칭되는 경우, 중간의 구성요소나 층이 존재하지 않는다. 본 개시내용의 목적을 위하여, "X, Y 및 Z 중 적어도 하나"는, 오로지 X, 오로지 Y, 오로지 Z 또는 둘 이상의 항목들 X, Y 및 Z의 임의의 조합(예컨대, XYZ, XYY, YZ, ZZ)으로 해석될 수 있음이 이해될 것이다.
본 명세서에서 범위는, 가령 "약(about)" 하나의 특정값 내지 "약" 다른 특정값에 이르는 것으로 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현되는 경우, 예시들은 하나의 특정값 및/또는 다른 특정값에 이르는 것을 포함한다. 유사하게, 값들이 접두사 "약(about)"이나 "실질적으로"를 사용하여 근사값으로 표현되는 경우, 특정 값이 다른 양태를 형성하는 것으로 이해될 것이다. 일부 실시예에서, "약 X"인 값은, X의 +/- 1%를 포함할 수 있다. 추가로, 각 범위의 종점(endpoint)은 다른 종점에 대하여 그리고 다른 종점과 독립적으로 중요한 것으로 이해될 것이다.
본 명세서에서 용어 "연료 배기(fuel exhaust)"는, 연료 전지 스택의 애노드로부터 출력된 배기를 지칭할 수 있고, 스택에 제공된 미반응 연료를 포함할 수 있다. 용어 "공기 배기(air exhaust)"는 연료 전지 스택의 캐소드로부터 출력되거나 및/또는 애노드 테일 가스 산화기로부터 출력된 배기를 지칭할 수 있다.
본 발명의 제1 및 제2 비교 실시예는 전기화학 펌프 분리기(electrochemical pump separator)가 연료 전지 시스템, 가령 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템과 함께 어떻게 사용되는지를 나타낸다. 다른 연료 전지 시스템들이 또한, 사용될 수 있음을 유의해야 한다.
제1 실시예의 시스템에서, 연료 가습기(fuel humidifier)는 연료 전지 스택 내에 제공되는 연료 유입 스트림을 가습하는데 사용된다. 제2 실시예의 시스템에서, 연료 가습기는 생략될 수 있다. 연료 전지 스택 연료 배기 스트림의 일부는, 연료 유입 증기(steam)를 가습하기 위해 연료 유입 스트림으로 직접 재순환된다. 연료 전지 스택 연료 배기 스트림의 다른 부분은 분리기 내에 제공되고, 분리된 수소는 이후 연료 유입 스트림 내에 제공된다.
도 1은 본 명세서에 전문이 참조로 통합되는 미국특허공보 8,101,307 B2에 설명된 연료 전지 시스템(100)의 개략도이다. 시스템(100)은 가령, 고체 산화물 연료 전지 스택과 같은 연료 전지 스택(101)을 포함한다(가령, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와 같은 세라믹 전해질, 애노드 전극 니켈-YSZ 서멧(cermet), 및 란탄 스트론튬 망가나이트(lanthanum strontium manganite)와 같은 캐소드 전극을 포함하는, 스택의 하나의 고체 산화물 연료 전지를 나타내도록 개략적으로 도시됨).
시스템(100)은 또한, 연료 배기 스트림으로부터 수소를 전기화학적으로 분리하는 전기화학 펌프 분리기(150)를 포함한다. 펌프 분리기(150)는, 중합체 전해질을 포함하는 임의의 적합한 양성자 교환 멤브레인 장치(proton exchange membrane device)를 포함할 수 있다. 수소는 전해질의 양측 중 하나에 위치한 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이의 전위차의 인가 하에 중합체 전해질을 통해 확산된다. 바람직하게는, 펌프 분리기(150)는, 가령 고온, 저수화(low-hydration) 이온 교환 멤브레인 전지의 스택과 같은, 일산화탄소 내성 전기화학 전지의 스택을 포함한다. 이러한 유형의 전지는, 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는, 예를 들어 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole; PBI) 멤브레인과 같은, 비-플루오르화 이온 교환 이오노머 멤브레인을 포함한다. 멤브레인은, 황산 또는 인산과 같은 산으로 도핑된다. 이러한 전지의 예는 미국특허출원공보 US 2003/0196893 A1에 개시되어 있으며, 그 전문은 본 명세서에 참고로 포함된다. 이러한 전지는 일반적으로 100°C 이상 내지 약 200°C 사이의 온도 범위에서 작동한다. 따라서, 시스템(100)의 열교환기는, 가령 약 160°C 내지 약 190°C와 같은 약 120°C 내지 약 200°C의 온도로 연료 배기 스트림을 유지한다.
시스템(100)은 또한, 연료 전지 스택(101)의 연료 배기구(103)를 펌프 분리기(150)의 애노드 유입구(151)에 유체(fluidly) 연결하는, 제1 연료 배기 도관(153)을 포함한다. 시스템(100)은 또한, 펌프 분리기(150)의 캐소드 배출구(158)를 연료 유입 도관(111)에 유체 연결하는 생성물 도관(157)을 포함하며, 상기 연료 유입 도관(111)은, 스택(101)의 연료 유입구(105)를 외부 연료원에 유체 연결한다. 시스템(100)은 또한, 펌프 분리기(150)의 애노드 배출구(152)를 애노드 테일 가스 산화기(ATO; 140) 또는 대기 벤트(vent)에 유체 연결하는 분리기 배기 도관(159)을 포함한다. 바람직하게는, 시스템(100)은, 동작시 연료 배기를 압축하여 압축된 연료 배기 스트림이 펌프 분리기(150)에 제공되도록 하는 압축기가 없다.
시스템(100)은 연료 유입 도관(111) 및 분리기 배기 도관(159)에 동작가능하게 연결된 연료 가습기(119)를 더 포함한다. 작동시, 연료 가습기(119)는, 분리기 배기 도관(159)으로 분리기 배기 출력에 함유된 수증기를 사용하여, 재활용된 수소를 포함하는 연료 유입 도관(111)의 연료를 가습한다. 연료 가습기(119)는, 예를 들어 본 명세서에 전체가 통합되는 미국특허 제6,106,964호 및 10/368,425에 기술된 바와 같은 Nafion® 멤브레인 가습기, 엔탈피 휠(enthalpy wheel) 또는 복수의 수분 흡착제 베드와 같은, 고분자 멤브레인 가습기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 적합한 유형의 가습기는, Perma Pure LLC에서 입수할 수 있는, 수증기 및 엔탈피 전달 Nafion® 기반의, 투수성 멤브레인을 포함한다. 연료 가습기(119)는, 연료 유입 스트림에서 2 대 2.5의 증기 대 탄소의 비율을 제공하기 위해, 연료 유입 스트림 내로 연료 배기 스트림으로부터 수증기 및 엔탈피를 수동적으로 전달한다. 연료 유입 도관(111) 내의 연료의 온도는 연료 가습기(119)에 의해 약 80°C 내지 약 90°C까지 상승될 수 있다.
시스템(100)은 또한, 연료 유입 도관(111) 및 연료 배기 도관(153)에 동작가능하게 연결된 복열식 열교환기(121)(예컨대, 애노드 복열기)를 포함한다. 열교환기(121)는 연료 배기 도관(103) 내 연료 배기로부터 추출된 열을 사용하여 연료 유입 도관(111) 내 연료를 가열한다. 열교환기(121)는, 유입 연료의 온도를 상승시키고 연료 배기의 온도를 감소시키는 것을 보조하여서, 이것이 컨덴서에서 추가적으로 냉각되며, 연료 가습기(119)에 손상을 입히지 않도록 할 수 있다.
연료 전기가 외부 연료 개질 타입 전지인 경우, 이후 시스템(100)은 연료 개질기(123)를 포함한다. 개질기(123)는, 탄화수소 연료 유입 스트림을 수소 및 일산화탄소 함유 연료 스트림으로 개질하고, 이는 이후 스택(101)으로 제공된다. 개질기(123)는, 본 명세서에 전체가 통합되는, 2004년 12월 2일자로 출원된 미국특허출원 제11/002,681호에 기술된 바와 같은, 선택적인 ATO(140)에서 생성된 열에 의해 및/또는 연료 전지 스택(101)에 생성된 열에 의해 복사적으로(radiatively), 대류적으로(convectively) 및/또는 전도성으로 가열될 수 있다. 대안으로, 외부 연료 개질기(123)는 스택(101)이 내부 개질 유형의 셀을 포함하는 경우 생략될 수 있고, 여기서 개질은 주로 스택의 연료 전지들 내에서 발생한다.
시스템(100)은 또한, 스택(101)의 공기 유입구(107)에 유체 연결된 공기 유입 도관(130)을 포함한다. 선택적으로, 시스템(100)은 공기 유입 도관(130)에 동작가능하게 연결되고, 연료 배기 도관(153) 내 연료 배기로부터 추출된 열을 사용하여 공기 유입 도관(130) 내 공기를 예열하도록 구성되며, 애노드 배기 냉각기로도 또한, 지칭될 수 있는, 공기 예열 열교환기(air preheater heat exchanger; 125)를 포함한다. 필요한 경우, 이 열교환기(125)는 생략될 수 있다.
시스템(100)은 또한, 스택(101)의 공기 배기구(109)를 ATO(140)에 유체 연결하는 공기 배기 도관(132)을 포함한다. 시스템(100)은 바람직하게는 공기 배기 도관(132) 및 공기 유입 도관(130)에 동작가능하게 연결된 공기 열교환기(127)를 포함한다. 이 열교환기(127)는, 공기 배기 도관(132) 내 연료 전지 스택 공기 배기(즉, 산화기 또는 캐소드 배기)로부터 추출된 열을 사용하여 공기 유입 도관(130) 내 공기를 더 가열한다. 예열 열교환기(125)가 생략되는 경우, 이후 공기는 송풍기(air blower) 또는 다른 공기 흡기 장치에 의해 열교환기(127) 내로 직접 제공된다.
시스템(100)은 또한, 생성물 도관(157) 및 공기 유입 도관(130)에 동작가능하게 연결된 수소 냉각 열교환기(129)를 포함한다. 열교환기(129)는, 공기 유입 도관(130)을 통해 유동하는 공기를 사용하여 펌프 분리기(150)로부터 출력된 분리된 수소로부터 열을 추출한다.
시스템(100)은 또한, 연료 배기 도관(153)에 동작가능하게 연결된 선택적인 WGS 반응기(128)를 포함할 수 있다. WGS 반응기(128)는, 연료 배기 내의 물의 적어도 일부를 자유 수소(H2)로 변환하는 임의의 적절한 장치일 수 있다. 예컨대, WGS 반응기(128)는 연료 배기 스트림 내의 수증기 및 일산화탄소의 일부 또는 전부를 일산화탄소 및 수소로 변환하는 촉매를 포함하는 튜브나 도관을 포함할 수 있다. 촉매는 임의의 적절한 촉매, 가령 산화철 또는 크롬 촉진 산화철 촉매일 수 있다. WGS 반응기(128)는, 연료 열교환기(121) 및 공기 예열 열교환기(125) 사이에, 연료 배기 도관(153)에 동작가능하게 연결될 수 있다.
시스템(100)은 다음과 같이 동작할 수 있다. 연료는 연료 유입 도관(111)을 통해 연료 전지 스택(101)에 제공된다. 연료는, 메탄, 수소 및 다른 가스를 갖는 메탄을 함유하는 천연 가스, 프로판 또는 다른 바이오가스, 또는 탄소 연료의 혼합물, 가령 일산화탄소, 산소화된 탄소 함유 가스, 가령 메탄올, 또는 수소 함유 가스를 갖는 다른 탄소 함유 가스, 가령 수증기, H2 가스 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으나, 이들로 제한되지 않는 임의의 적절한 탄화수소 연료를 포함할 수 있다. 예컨대, 혼합물은 석탄이나 천연 가스 개질로부터 유래된 합성가스(syngas)를 포함할 수 있다.
연료 스트림이 가습기(119)를 통과함에 따라, 연료 스트림이 가습된다. 가습된 연료 스트림은 이후 연료 열교환기(121)를 통과하며, 여기서 가습된 연료는 연료 전지 스택 연료 배기에 의해 가열된다. 가열 및 가습된 연료는 이후, 바람직하게는 외부 개질기인 연료 개질기(123) 내로 제공된다. 예컨대, 연료 개질기(123)는, 전체가 참조로 본 명세서에 통합되는 2004년 12월 2일자 출원된 미국특허출원 제11/002,681호에 개시된 개질기를 포함할 수 있다.
연료 개질기(123)는, 탄소를 함유하고 자유 수소를 함유하는 연료를 형성하기 위해 탄화수소 연료를 부분적 또는 전체적으로 개질할 수 있는 임의의 적절한 장치일 수 있다. 예컨대, 연료 개질기(123)는, 탄화수소 가스를 자유 수소 및 탄소 함유 가스의 가스 혼합물로 개질할 수 있는 임의의 적절한 장치일 수 있다. 예컨대, 연료 개질기(123)는, 천연 가스와 같은 가습된 바이오가스가 자유 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 수증기 및 선택적으로 잔량의 개질되지 않은 바이오가스를 형성하도록 증기-메탄 개질 반응을 통해 개질되는 촉매 코팅된 통로(catalyst coated passage)를 포함할 수 있다. 자유 수소 및 일산화탄소는 이후 연료 전지 스택(101)의 연료(즉, 애노드) 유입구(105) 내에 제공된다. 따라서, 연료 유입 도관(111) 내의 연료 유동 방향과 관련하여, 가습기(119)는, 스택(101)의 상류에 위치한 개질기(123)의 상류에 위치한 열교환기(121)의 상류에 위치한다.
공기 유입 도관(130)을 통해 스택(101)에 제공되는 공기 또는 다른 산소 함유 가스(즉, 산화기)는, 공기 배기 도관(132) 내 캐소드 배기를 사용하여 공기 열교환기(127)에 의해 가열된다. 필요한 경우, 공기 유입 도관(130) 내 공기는 또한, 공기를 스택(101) 내에 제공하기 이전에 공기 스트림의 온도를 더 증가시키기 위해, 수소 냉각 열교환기(129) 및/또는 공기 예열 열교환기(125)를 통과할 수 있다.
동작 동안에, 스택(101)은 제공된 연료 및 공기를 사용하여 전력을 생성하고, 연료 배기 및 공기 배기를 생성한다. 연료 배기는 수소, 수증기, 일산화탄소, 이산화탄소, 일부 미반응 탄화수소 연료 가령 메탄 및 다른 반응 부산물과 불순물을 포함할 수 있다. 연료 배기는 스택(101)에 제공된 연료의 대략 25%를 포함할 수 있다.
연료 배기는 연료 배기구(103)로부터 출력되어 연료 배기 도관(153)에 의해 펌프 분리기(150)에 제공된다. 펌프 분리기(150)는 연료 배기 내에 함유된 수소(H2)의 적어도 일부를 전기화학적으로 분리한다. 분리된 수소는 캐소드 배기구(158)로부터 출력되어 생성물 도관(157)에 의해 연료 유입 도관(111)에 제공되며, 여기서 수소는, 유입되는 새로운 연료와 혼합된다. 바람직하게는, 수소는 가습기(119) 상류의 연료 유입 도관(111)에 제공된다.
이 연료 배기 스트림은 우선 열교환기(121)로 제공되며, 여기서 그것의 온도가 바람직하게는 200°C 미만으로 감소되는 한편, 유입 연료의 온도가 상승된다. WGS 반응기(128) 및 공기 예열 열교환기(125)가 존재하는 경우, 이후 연료 배기는 잔존하는 일산화탄소의 대부분 및 수증기의 적어도 일부를 일산화탄소 및 수소로 변환하기 위해 WGS 반응기(128)를 통해 제공된다. 연료 배기의 온도는, 공기 유입 도관(130) 내의 공기로 열을 전달함으로써, 열교환기(125)를 통과하는 동안에 추가로 감소된다. 연료 배기의 온도는 예컨대, 대략 90°C 내지 110°C로 감소될 수 있다.
연료 배기는 이후 도관(153)을 통해 펌프 분리기(150)의 애노드 유입구(151)에 제공된다. 펌프 분리기(150)는, 가령 연료 배기 스트림 내 수소의 대략 85%와 같이, 연료 배기로부터 수소의 대부분을 분리하도록 구성될 수 있다. 특히, 수소는 펌프 분리기(150) 내 전지의 전해질을 통해 확산되는 한편, 연료 배기 내 수증기, 일산화탄소, 이산화탄소 및 잔존하는 탄화수소 가스를 배기 도관(159)에 의해 가습기(119)로 제공되도록 한다.
연료 가습기(119)에서, 연료 배기의 수증기의 일부가 연료를 가습하기 위해, 연료 유입 도관(111) 내 연료로 전달된다. 연료는 80°C 내지 90°C 이슬점으로 가습될 수 있다. 연료 배기 스트림의 나머지는 이후 스택(101)으로부터 공기(즉, 캐소드) 배기와 함께 ATO(140) 내로 제공되며, 여기서 가스들은 연소(burn)되어 저품질의 열을 제공하게 된다. ATO(140)로부터의 열은, 개질기(123)를 가열하는데 사용되거나, 시스템(100)의 다른 부분에 제공되거나, 또는 시스템(100) 외부의 장치, 가령 빌딩 난방 시스템으로 제공될 수 있다.
펌프 분리기(150)에 의해 분리된 수소는 캐소드 배출구(158)로부터 출력되고, 생성물 도관(157)에 의해 연료 유입 도관(111)으로 제공되며, 여기서 유입 연료와 혼합된다. 필요한 경우, 연료 유입 도관(111)에 제공되기 이전에, 수소는 열교환기(129) 내에서 냉각될 수 있고, 여기서 수소 스팀은 공기 유입 도관(130) 내 공기와 열을 교환한다. 수소의 온도는 연료 유입 도관(111) 내에 제공되기 이전에 열교환기(129)에서 하강된다. 따라서, 탄화수소 연료는 외기 온도 근처의 낮은 이슬점(dew point)으로 혼합되며, 펌프 분리기(150)로 애노드 배기 가스로부터 복원된 수소를 재활용한다.
따라서, 연료 배기의 유동 방향과 관련하여, 열교환기(121)는, 가습기(119) 및 연료 유입 도관(111)의 상류에 위치한, 펌프 분리기(150)의 상류에 위치한, 열교환기(125)의 상류에 위치한, 반응기(128)의 상류에 위치한다.
도 2는 미국특허 제8,101,307 B2에 기재된 연료 전지 시스템(200)의 개략도이다. 시스템(200)은 시스템(100)과 유사하며, 다수의 공통 컴포넌트를 포함한다. 양 시스템(100, 200)에 공통인 이들 컴포넌트는 도 1 및 2에서 동일한 숫자가 매겨지며, 추가로 설명되지는 않을 것이다.
시스템들(100, 200) 사이의 하나의 차이점은, 시스템(200)이 필수적이지는 않으나 바람직하게는 가습기(119)가 결여된다는 것이다. 그 대신, 수증기 함유 스택 연료 배기 스트림의 일부가 스택 연료 유입 스트림 내로 직접 재순환된다. 연료 배기 스트림 내 수증기는 연료 유입 스트림을 가습하는데 충분하다.
시스템(200)은 연료 배기 스플리터(201), 재순환 도관(203), 송풍기 또는 컴프레서(205) 및 혼합기(207)를 포함할 수 있다. 스플리터(201)는 컴퓨터 또는 오퍼레이터에 의해 제어되는 다방향 밸브, 예컨대, 3방향 밸브나 다른 유체 분할 장치일 수 있다. 스플리터(201)는, 연료 배기 도관(153) 및 재순환 도관(203)에 동작가능하게 연결될 수 있다. 특히, 스플리터(201)는 연료 배기 도관(153) 내 연료 배기의 전부 또는 일부를 재순환 도관(203)으로 우회(divert)시키도록 구성될 수 있다.
혼합기(207)는, 연료 유입 도관(111), 재순환 도관(203) 및 생성물 도관(157)에 동작가능하게 연결될 수 있다. 재순환 도관(203)은, 스플리터(201)를 혼합기(207)에 유체 연결할 수 있다. 혼합기(mixer; 207)는, 재순환 도관(203)에 의해 제공된 연료 배기 및/또는 생성물 도관(157)에 의해 제공된 수소와 신선한 연료를 혼합하도록 구성될 수 있다.
송풍기 또는 컴프레서(205)는 재순환 도관(203)에 동작가능하게 연결될 수 있다. 송풍기 또는 컴프레서(205)는, 재순환 도관(203)을 통해 연료 배기를 혼합기(207)로 이동시키도록 구성될 수 있다. 동작시, 송풍기나 컴프레서(205)는, 혼합기(207)를 통해 연료 유입 도관(111)으로 소정량의 연료 배기를 제어가능하게 제공한다.
시스템(200)을 동작시키는 방법은 시스템(100)의 동작 방법과 유사하다. 한가지 차이점은 연료 배기가 스플리터(201)에 의해 적어도 2개의 스트림으로 분리된다는 것이다. 제1 연료 배기 스트림은 연료 유입 스트림으로 재순환되는 한편, 제2 스트림은 펌프 분리기(150) 안으로 지향되며, 여기서 제2 연료 배기 스트림 내에 함유된 수소의 적어도 일부가 제2 연료 배기 스트림으로부터 전기화학적으로 분리된다. 제2 연료 배기 스트림으로부터 분리된 수소는 이후 생성물 도관(157)에 의해 연료 유입 도관(111) 내에 제공된다. 예컨대, 50% 및 70% 사이, 가령 대략 연료 배기의 대략 60%가 송풍기나 컴프레서(205)에 제공될 수 있는 한편, 그 나머지는 펌프 분리기(150)를 향해 제공될 수 있다.
바람직하게는, 연료 배기는 스플리터(201) 내에 제공되기 이전에, 우선 열교환기(121, 125) 및 WGS 반응기(128)를 통해 유동한다. 연료 배기는, 스플리터(201) 내에 제공되기 이전에 대략 200°C 미만, 가령 대략 120°C 내지 대략 180°C로, 열교환기(125) 내에서 냉각될 수 있고, 상기 스플리터(201)에서 배기는 2개의 스트림으로 분할된다. 이는, 저온 송풍기(205)를 제어가능하게 원하는 양의 연료 배기 스트림을 연료 유입 도관(111)으로 재순환하는데 사용하는 것을 허용하며, 이는 이러한 송풍기가 대략 200°C 미만의 온도를 갖는 가스 스트림을 이동하도록 구성될 수 있기 때문이다.
송풍기 또는 컴프레서(205)는 컴퓨터나 오퍼레이터로 제어될 수 있고, 후술할 조건에 따라 연료 유입 스트림 내에 제공되는 연료 배기 스트림의 양을 다양하게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템(200)은 생성물 도관(157)에 동작가능하게 연결된 선택기 밸브(210)를 선택적으로 포함할 수 있다. 선택기 밸브(210)는, 보조 디바이스(212), 가령 수소 저장 장치, 수소 사용 장치, 가령 차량 내 PEM 연료 전지 또는 다른 수소 사용 장치나 수소 저장 베셀(vessel)에 유체 연결될 수 있다. 선택기 밸브(210)는, 보조 장치(212)로, 생성물 도관(157) 내 수소의 선택된 양을 우회시키도록 구성될 수 있다. 예컨대, 수소의 전부 또는 일부는 보조 장치(212)나 혼합기(207)로 제공될 수 있거나, 수소는 대안으로 혼합기(207) 및 보조 장치(212)에 제공될 수 있다.
송풍기나 컴프레서(205) 및 선택적인 선택기 밸브(210)는, 다음의 조건들 중 하나 이상에 기초하여 가스 흐름을 제어가능하게 변화시키도록 컴퓨터나 오퍼레이터에 의해 동작될 수 있다: i) 시스템(100)의 검출되거나 관측된 조건들(즉, 연료 유입 스트림 내 수소의 양을 변화시키는 것을 요구하는 시스템 동작 조건의 변화); ii) 연료 유입 스트림 내 수소의 일시적인 조정을 요구하는, 오퍼레이터에게 알려진 조건이나 컴퓨터에 제공된 이전의 계산내용; iii) 스택(101)의 동작 파라미터의 바람직한 미래의 변화, 현재 발생하는 변화 또는 최근 과거의 변화, 가령 스택에 의해 생성된 전력의 사용자에 의한 전력 수요의 변화, 수소 가격에 비한 탄화수소 연료 또는 전기에 대한 가격의 변화 등, 및/또는 iv) 수소 사용자, 가령 수소 사용 장치에 의한 수소에 대한 수요의 변화, 전력의 가격에 비한 수소나 탄화수소 연료의 가격의 변화 등.
연료 유입 도관(111) 내로 연료 배기(즉, 테일) 가스로부터 분리된 수소의 적어도 일부를 재순환시킴으로써, 연료 전지 시스템의 고효율 동작이 획득되는 것으로 보여진다. 추가로, 전체 연료 이용이 증가된다. 전력 효율(즉, AC 전력 효율)은, 패스당 연료 이용률(per pass fuel utilization rate)이 대략 75%(즉, 대략 75%의 연료가 각 패스 동안에 스택을 통해 이용됨)인 경우 제1 및 제2 실시예의 방법에 대하여 대략 50% 및 대략 60% 사이, 가령 대략 54% 및 약 60%의 범위에 있을 수 있다. 대략 94% 내지 95%의 효율적인 연료 이용은, 패스당 연료 이용이 대략 75%인 경우 획득되며, 연료 배기 가스 수소의 대략 85%가 분리기(150)에 의해 연료 전지 스택으로 다시 재순환된다. 심지어 더 높은 효율이, 퍼 패스(per pass) 연료 이용률이 75% 초과, 가령 대략 76-80%로 증가시킴으로써 획득될 수 있다. 정상 상태에서, 제1 및 제2 실시예의 방법은, 스팀 메탄 개질이 연료 전지에 대한 공급 가스를 생성하는데 사용되는 경우 증기 생성의 필요를 제거한다. 연료 배기 스트림은, 증기 대 탄소 비율이 2 대 2.5인 비율에서, 스택에 대해 연료 유입 스트림을 가습하기 위한 충분한 수증기를 포함한다. 순 연료 이용의 증가 및 증기를 생성하기 위한 열 요구사항의 제거는, 전체 전력 효율을 증가시킨다. 대조적으로, 수소를 재순환하지 않고는, AC 전력 효율이 대략 75% 내지 80%의 스택 내 연료 이용률에 대해 대략 45%이다.
도 3은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 연료 전지 시스템(300)을 도시하는 개략도이다. 도 1 및 2와 관련하여 상술한 것과 동일한 번호를 갖는 도 3의 구성요소는, 도 3과 관련하여 다시 설명되지 않을 것이다. 시스템(300)은, 연료 전지 스택(예컨대, SOFC 스택)(101)을 포함하는 고온 박스(302), 연료 열교환기(121), 공기 예열 열교환기(125), 공기 열교환기(127), 공기 유입 송풍기(304), 애노드 재순환 송풍기(330), 및 연료 배기 도관(312)에 동작가능하게 연결될 수 있는 스플리터(332)를 포함할 수 있다. 시스템(300)은 또한, 제1 및 제2 수소 펌프 분리기(350A, 350B)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템(300)은, 재순환 도관(314)(즉, 애노드 배기 재순환 도관)에 동작가능하게 연결될 수 있는, 벤투리(Venturi) 장치(334)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템(300)은 또한, 믹서(336)를 포함할 수 있다.
시스템(300)은, 도 1 및 2의 시스템(100, 200)과 관련하여 상술한 바와 같이, 가령 연료 개질기(123), 도관(예컨대, 130, 132) 등의 추가적인 시스템 컴포넌트를 포함할 수 있다.
펌프 분리기(350A, 350B)는, 전술한 전기화학 수소 펌프 분리기(150)와 같은 임의의 적절한 유형의 전기화학 수소 분리기일 수 있다. 예컨대, 펌프 분리기(350A, 350B) 각각은, 애노드(354) 및 캐소드(356) 사이에 배치된 양성자 전도 전해질(352)을 포함하는 임의의 적절한 수소 펌프를 포함할 수 있다. 수소 함유 가스 스트림, 가령 연료 전지 연료 배기 스트림은 애노드에 공급되며, 여기서 수소는 애노드의 촉매 물질에 의해 양성자와 전자로 해리(dissociate)된다. 전자는 인가된 전압에 의해 캐소드로 이동되며(driven), 양성자를 캐소드로 이동시키고 순수한 수소 가스를 발생시킨다.
예컨대, 적절한 전해질 물질은: 임의의 적절한 양성자 전도체, 가령 PEM(proton exchange membrane) 또는 중합체 전해질 멤브레인, 가령 화학식: C7HF13O5SC2F4(브랜드명 Nafion®으로 판매됨)을 갖는 설폰화된 테트라플루오로에틸렌계 플루오로중합체-공중합체(sulfonated tetrafluoroethylene based fluoropolymer-copolymer), (폴리-인산 및 폴리벤조미다졸 중합체를 포함하는 PBI 기반 인산 멤브레인을 포함하는) 이전의 실시예에 기술된 인산 멤브레인을 포함하고, 양성자 전도성 산화물은: LaPO4와 같은 포스페이트(phosphate), 고체 산(예컨대, 인산이수소세슘, CsH2PO4), 및 특정 페로브스카이트(ABO3) 재료, 가령 페로브스카이트 세레이트, 니오베이트, 인산염, 갈레이트 또는 지르코네이트, 가령 BaCeYO (BCO), BaZrYO (BZO), LaSrPO, BaCaNbO (BCN), LaCaNbO, 또는 LaBaGaO (LBGO)를 포함하고, 이는 전체가 참조로 본 명세서에 통합되는, Chem. Soc. Rev., 2010, 39, 4370-4387에 기술된다.
송풍기(blower; 330)는, 임의의 적절한 유체(예컨대, 가스) 송풍기, 펌프, 압축기 등일 수 있다. 스플리터(332)는 예컨대, 컴퓨터 또는 오퍼레이터에 의해 제어되는 다방향 밸브, 가령 4방향 밸브일 수 있거나, 가령 유체 도관에 개구 또는 슬릿(slit)을 포함하는 패시브 스플리터와 같은 임의의 다른 적절한 유체 분할 장치일 수 있다.
연료 유입 도관(310)은, 스택(101)을 탄화수소 연료원, 가령 천연 가스원, 프로판 소스 등(예컨대, 천연 가스 라인이나 프로판 탱크)에 유체 연결하도록 구성될 수 있다. 연료 유입 도관(310)은, 또한, 다른 시스템 컴포넌트, 가령 CPOx 반응기, 연료 열교환기(121), 개질기(123) 등에 유체 연결될 수 있다. 연료 배기 도관(312)은, 스택(101)의 애노드 배기 방출구를 스플리터(332)에 유체 연결하도록 구성될 수 있다. 재순환 도관(314)은, 스플리터(332)의 방출구를 연료 전지 스택(101)의 유입구에 믹서(336)를 통해 유체 연결하도록 구성될 수 있다. 제1 분리 도관(316)은, 스플리터(332)의 방출구를 제1 펌프 분리기(350A)의 유입구에 유체 연결하도록 구성될 수 있다. 믹서(336) 및 벤투리 장치(334)는 재순환 도관(314)에 동작가능하게 연결될 수 있다.
ATO 유입 도관(320)은, 제1 펌프 분리기(350A)의 캐소드 방출구를 ATO(140)의 유입구에 유체 연결하도록 구성될 수 있다. 제2 분리 도관(322)은, 제1 분리기(350A)의 애노드 방출구를 제2 펌프 분리기(350B)의 유입구에 유체 연결하도록 구성될 수 있다. 부산물 도관(324)은, 제2 펌프 분리기(350B)의 애노드 방출구를 선택적인 CO2 저장 시스템 또는 장치(340)에 유체 연결할 수 있다. 수소 도관(326)은, 제2 펌프 분리기(350B)의 캐소드 방출구를 믹서(336)의 유입구에 유체 연결할 수 있다. 배기 도관(328)은, ATO의 방출구에 유체 연결될 수 있다. 선택적인 시동(start-up) 도관(329)은 스플리터(332)를 ATO 유입 도관(320)에 연결할 수 있다. 스플리터(332)가 4방향 밸브인 경우, 이후 밸브는 시스템(300)의 시동 모드 동안에 연료 배기 도관(312)과 시동 도관(329) 사이에서 개방되어서, 연료를 도관들(312, 329, 320)을 통해 ATO(140)에 제공하도록 한다. 밸브는, 수소 펌프 분리기(350A)가 연료를 ATO 유입 도관(320)을 통해 ATO(140)에 제공하기 때문에 시스템(300)의 정상 상태 모드 동안에 연료 배기 도관(312)과 시동 도관(329) 사이에서 폐쇄된다.
벤투리 장치(334)는 이를 통과하는 유체의 속도를 변경하도록 구성될 수 있다. 벤투리 장치(334)는, 재순환 도관(314) 내 애노드 재순환 스트림 흐름을 측정하는데 사용될 수 있다. 수소 펌프 분리기(350B)로부터의 수소 도관(326) 내 수소 흐름은, 수소 펌프 분리기(350B)에 인가된 전류로부터 계산될 수 있다. 스트림(326)의 전체 흐름은, 수소 펌프 내 물의 이송이 특징화될 수 있는 경우 계산될 수 있다. 따라서, 믹서(336)에 제공되는 수소 및 애노드 재순환 스트림의 유속은 위에서 논의되는 바와 같이 결정될 수 있다. 믹서(336)는, 2개의 유체 스트림을 단일 유체 스트림으로 조합하도록 구성된 임의의 적절한 장치일 수 있다. 일실시예로, 믹서(336)는, 수소 도관(326)으로부터의 수소 스트림을 재순환 도관(314)으로부터의 연료 재순환 스트림과 혼합하도록, 송풍기(330)의 하류에서 고온 박스(302) 외부에 위치할 수 있다.
시스템(300)은, 연료 배기 도관(312)에 동작가능하게 연결된 선택적인 WGS 반응기(128)를 포함할 수 있다. WGS 반응기(128)는, 연료 배기 내의 CO 및 H2O를 CO2 및 H2로 전환하도록 구성될 수 있다. WGS 반응기(128)는 연료 열교환기(121) 및 스플리터(332) 사이에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, WGS 반응기(128)는, 고온 박스(302) 내부에 배치되거나, 제1 펌프 분리기(350A) 내부에 인시츄(in-situ)로 배치되거나, 또는 스택(101) 및 제1 펌프 분리기(350A) 사이의 임의의 곳에서 애노드 배기 도관 상에 위치할 수 있다. 일실시예에서, 고온 수성-가스 전환 촉매는, 고온 박스(302) 내부에서 연료 열교환기(121) 내에 위치할 수 있고, 중간 또는 저온 수성-가스 전환 촉매는 재순환 도관(316) 내에 위치할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서, WGS 반응기(128)의 제1 부분은 연료 열교환기(121) 내로 통합되는 한편, WGS 반응기의 제2 부분은 재순환 도관(316) 내로 통합된다.
동작 시에 스택(101)으로부터 출력된 연료 배기는, 송풍기(330)에 의해 연료 배기 도관(312)을 통해 펌프되고, 스플리터(332)에 제공된다. 스플리터(332)는, 연료 배기의 제1 부분(예컨대, 제1 연료 배기 스트림)을 능동적으로 또는 수동적으로 재순환 도관(314)에 제공하고, 연료 배기의 제2 부분(예컨대, 제2 연료 배기 스트림)을 제1 분리 도관(316)에 선택적으로 제공하도록 구성될 수 있다.
재순환 도관(314)은, 믹서(336)를 통해 연료 전지 스택(101)에 스플리터(332)로부터 출력된 제1 연료 배기 스트림을 제공하도록 구성될 수 있다. 벤투리 장치(334)는, 재순환 도관(314) 내 제1 연료 배기 스트림의 유량(flow rate)을 증가시키도록 동작할 수 있다.
제1 분리 도관(316)은, 스플리터(332)로부터 수용된 제2 배기 스트림을 제1 펌프 분리기(350A)에 제공하도록 구성될 수 있다. 제1 펌프 분리기(350A)는 연료 배기로부터 수소 가스를 바람직하게 분리할 수 있다. 이와 같이, 펌프 분리기(350A)는, ATO 유입 도관(320)을 통해 ATO(140)에 수소(예컨대, ATO 연료 스트림)을 출력할 수 있다. 제1 펌프 분리기(350A)는 일정한 전류 모드로 동작할 수 있다. 이는, ATO(140)로 향하는 수소의 흐름을 제어하는데 도움을 줄 수 있다. 스택(101) 캐소드 배기는 또한, ATO(140)에 제공될 수 있다. ATO 배기(즉, 산화된 애노드 배기 및 캐소드 배기)는, ATO 연료가 수소로 구성되기 때문에, (예컨대, 캐소드 배기를 포함하는 공기 내에 존재하는 임의의 CO2를 제외하고는) 완전히 또는 실질적으로 CO2가 없을 수 있다.
ATO의 수소에 대한 수요는, 스택(101)의 수소 출력보다 적을 수 있기 때문에, 제1 펌프 분리기(350A)는, 제2 연료 배기 스트림으로부터 오로지 수소의 일부만을 제거하도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 제2 연료 배기 스트림의 나머지는, 수소를 포함할 수 있고, 제1 펌프 분리기(350A)의 애노드 출력으로부터 출력될 수 있으며, 제2 분리 도관(322)에 의해 제2 펌프 분리기(350B)의 유입구에 제공될 수 있다. ATO 연료가 고온 박스 내에서 열적 균형(thermal balance)을 유지하도록 요구되지 않는 경우(예컨대, 시스템(300)의 수명에 있어서 이후에), 재순환 도관(316)은, 제1 수소 펌프 분리기(350A)를 우회하도록 구성될 수 있거나, 제1 수소 펌프 분리기(350)로 임의의 전류가 인가되지 않고 제1 수소 펌프 분리기를 통과할 수 있어서, ATO 유입 도관(320) 내 수소 흐름을 0으로 만든다. 본 실시예에서, 외부 연료가 그 대신 ATO에 제공될 수 있으며, 이는 도 7과 관련하여 하기에서 논의될 것이다.
제2 펌프 분리기(350B)는 제2 연료 배기 스트림으로부터 수소를 분리하고, 그럼으로써 기체의 물과 이산화탄소를 주로 포함하는 부산물 스트림 및 수소 스트림을 생성하도록 구성될 수 있다.
일양태에서, 제1 펌프 분리기(350A)는 일정한 전류 모드에서 동작할 수 있어서 ATO(140)로의 연료 흐름을 제어하는 한편, 제2 펌프 분리기(350B)는, 일정한 전압 모드에서 동작할 수 있고, 애노드 재순환 스트림의 일부로서 수소를 다시 스택(101)으로 재순환시킬 수 있다. 제1 및 제2 펌프(350A, 350B)는, 성능 및 동작 조건에 따라서, 고온 멤브레인(예컨대, 약 160°C) 또는 저온 멤브레인(예컨대, 약 80°C) 화학물 또는 이 둘의 조합에 기초할 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템(300)은, 제2 펌프 분리기(350B)의 애노드 방출구에 유체 연결된 부산물 도관(324)에 동작가능하게 연결될 수 있는 이산화탄소 저장 장치(340) 및 이산화탄소 처리 장치(338)를 선택적으로 포함할 수 있다. 처리 장치(338)는, 제2 펌프 분리기(350B)로부터 수용된 이산화탄소 스트림을 압출 및/또는 냉각하도록 동작할 수 있다. 선택적인 이산화탄소 처리 장치(338)는, 이산화탄소 부산물 스트림으로부터 물을 제거하도록 구성된 응축기 및/또는 건조기일 수 있다. 저장 장치(340)로 이산화탄소 스트림이 제공한 생성물은, 기체, 액체, 고체 또는 초임계 이산화탄소의 형태일 수 있다.
잔존하는 정제되거나 순수한 CO2는, 저장 장치(340)에 저장/격리될 수 있거나, 화학 공정, 음료 탄산화 등에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 저장 장치(340)는 CO2를 저장을 위해 드라이아이스로 변환하도록 구성된 극저온 저장 장치일 수 있다.
수소 스트림은, 수소 도관(326)에 의해 제2 펌프 분리기(350B)의 캐소드 방출구로부터 믹서(336)로 출력될 수 있다. 수소는 믹서(336)에서 재순환 도관에 의해 제공되는 제1 연료 배기 스트림과 혼합될 수 있어서, 애노드 재순환 스트림을 형성한다. 수소 도관(326) 내의 수소 스트림의 일부 또는 전부는, 또한 재순환 도관(314)으로 재순환되기 보다는, 수소 생성물로서 제거될 수 있다. 이 실시예에서, 믹서(336)는 생략될 수 있다. 제거된 수소 생성물은, 압축, 건조 및 저장될 수 있다.
애노드 재순환 스트림은, 믹서(336)로부터 연료 전지 스택(101) 또는 연료 입구 도관(310)으로 제공될 수 있고, 여기서 스택(101)으로 다시 재순환되기 전에 연료 공급원으로부터 제공된 유입 연료와 혼합될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 연료 배기 스트림의 유량은, 스택(101)에 제공된 연료의 O:C의 비율(산소:탄소 비율)이 고온 박스 내의 임의의 온도에서 코킹(coking)을 억제하기에 충분한 산소 함량을 제공하도록 제어될 수 있다.
수소 스트림은 건조 기준으로 약 95% 내지 약 100% H2와 같이, 적어도 95%의 H2를 함유할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 펌프 분리기(350A, 350B)를 동시에 사용함으로써, 시스템은 스택(101)에 의해 생성된 연료 배기로부터 고순도 수소 가스를 생성할 수 있다. 따라서 시스템(300)은, 2개의 펌프 분리기(350A, 350B)를 사용하여 연료 전지 스택(101) 애노드 배기로부터 배출되는 CO2의 95 내지 100%와 같은, 95% 이상의 이산화탄소(CO2)를 제거하도록 구성될 수 있다.
또한, ATO 배기(즉, 산화된 애노드 배기 및 캐소드 배기)는, ATO(140)가 연료로 H2와 함께 제공되기 때문에, (예를 들어, 캐소드 배기 가스를 포함하는, 공기 중에 존재하는 임의의 CO2 제외하고는) 완전히 또는 실질적으로 CO2가 없을 수 있다.
일산화탄소(CO) 축적(buildup) 및/또는 물 막힘은, 펌프 분리기(350A, 350B)와 같은 수소 펌프 분리기에서 발생할 수 있으며, 이는 분리 효율을 감소시킬 수 있다. 이와 같이, 일부 실시예에서, AC 임피던스(예를 들어, 그 전체가 참조로 포함된 미국 특허 제9,461,320호에 설명됨)를 사용하여, 임의의 적절한 주파수에서 펌프 분리기(350A, 350B)에 연결된 DC/DC 전력원으로부터의 전압 리플을 사용하여 CO의 축적 및/또는 물 차단을 검출할 수 있다. 예를 들어, 1Hz의 주파수는 액체 물의 범람을 감지하는 데 사용할 수 있는 반면, 1kHz의 주파수는 CO의 축적을 감지하는 데 사용할 수 있다. 하나의 분리기의 리플(ripple)은, 다른 분리기의 리플을 상쇄하거나, 통합 연료 전지 시스템의 다른 리플에 의해 리플이 상쇄될 수 있다. AC 임피던스 신호는, CO가 검출되는 경우, 펌핑 전위를 증가시키거나 펌프 분리기(350A, 350B)의 애노드 또는 캐소드를 퍼지(purge)하는 것과 같은, 문제를 해결하기 위해, 시스템 응답을 트리거하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 물 막힘이 검출되는 경우, 퍼징은, 분리기에 대한 유입구 압력을 증가시키거나, 방출구 압력을 낮추거나, 분리기 작동 온도를 증가시키는 것을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 펌프 분리기(350A, 350B)는, 애노드(354)의 가스 확산층의 일부로서 탄소 미세층(microlayer)을 포함할 수 있다. 그러나, 탄소 미세층이 분리기 작동 동안 산화될 수 있다고 결정되었다. 따라서, 일부 실시예에서, 애노드(354)는, 유입되는 연료 스트림에 대면하는, 테플론(폴리테트라플루오로에틸렌) 결합된 제1 전극과, 양성자 교환 멤브레인일 수 있는 전해질(352)에 대면하는 이오노머(ionomer) 결합된 전극인 제2 전극을 포함하는, 이중층 전극 구조를 포함할 수 있다.
전기화학 펌프에서, 전극 구조용 탄소 지지체는 전해질을 분해하는 과산화물 생성을 유발할 수 있다. 일실시예에서, Pt 또는 Pt-Ru와 같은 고표면적 촉매는, 펌프 분리기(350A, 350B)에서 탄소 지지체 없이 전극으로서 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 티타늄 산화물 또는 이리듐 산화물과 같은 도체성 또는 반-도체성 금속 산화물 촉매는, 과산화물 생성을 감소시키기 위해 펌프 분리기(350A, 350)에서 전극으로서 사용될 수 있다.
100ppm을 초과하는 CO 수준은 펌프 분리기 성능 및 신뢰성에 영향을 미칠 수 있는 것으로 또한, 판단되었다. 이와 같이, Cu/ZnO/Al2O3 촉매를 포함하지만 이에 제한되지 않는 WGS 촉매는, 펌프 분리기(350A, 350B)의 애노드 가스 확산 층 및/또는 애노드 유동장 플레이트(anode flow field plate)의 일부로서 포함될 수 있다.
일부 예시에서, 통합된 WGS 촉매는 저온에서 동작하는 펌프 분리기의 CO 중독(poisoning)을 충분히 완화시키지 못할 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 공기 배출 도관(air bleed conduit)이 이산화탄소를 형성하기 위해 내부적으로 CO를 산화시키도록, 펌프 분리기(350A, 350B) 내로 통합될 수 있다. 이 구성에서, 선호되는 산화제 촉매, 가령 Au/FeOx - TiO2가, 펌프 분리기(350A, 350B)의 애노드 가스 확산층, 애노드 플레이트, 및/또는 애노드 메니폴드의 일부로서 포함될 수 있다.
다양한 실시예에서 그리고 도 4, 5a, 6 및 7에 도시된 바와 같이, 연료로서 오로지 수소만을 사용하는 연료 전지 스택에서의 연료 이용률은, 정상 상태 동안에 애노드 배기로부터 ATO로 향하는 연료 흐름을 제거하는 것(예컨대, 도 3에 도시된 ATO 유입 도관을 제거 또는 폐쇄하는 것), 애노드 배기에서 H2/H2O 혼합물로부터 물을 응축하는 것, 및 응축되지 않은 H2를 연료 전지 스택(101)에 제공된 연료 유입 스트림에 다시 되돌려보내는 것에 의해, 95% 초과, 예컨대, 100%에 가깝게, 가령 96 내지 99.9%까지 증가될 수 있다. 예컨대, 도 1과 2에 도시된 분리기 배기 도관(159) 또는 도 3에 도시된 ATO 유입 도관(320)은, 오로지 시스템 시동 동안에만 사용될 수 있고, 이후 시스템이 700°C 초과의 동작 온도에 도달하면, 시스템의 정상 상태 동작 동안에 밸브로 폐쇄될 수 있다.
전체 연료 이용률은, 스택(101) 애노드 배기로부터 ATO(140)로 향하는 유동 경로를 차단함으로써(예컨대, 각각의 도관(159)을 제거 또는 폐쇄함으로써) 본질적으로 100%까지 증가될 수 있다. 모든 스택 애노드 배기는 고온 박스를 떠나게 되고, 여기서 물은 응축 및 제거된다(주변 온도에 따라서, 열교환기 내 물의 이슬점(dew point), 예컨대 40-80 oC까지 응축). 패스당 연료 이용은 이제 자유도가 되며, 패스당 50 내지 70%까지 쉽게 이루어질 수 있다.
수소 연료는 코킹을 방지하기 위한 물을 필요로 하지 않기 때문에, 연료 내에서 물은 오로지 재순환된 H2 내 잔존하는 물에서만 오게 된다. 이는, 12% 미만, 잠재적으로는 혼합된 H2의 습기가 4 내지 6%로 제한될 수 있다. 이렇게 낮은 습도 및 높은 H2 농도에서, 전류에서의 셀 전압은 훨씬 더 높을 것이다. 시스템 효율은 약 55 내지 60% LHV일 수 있다.
시스템 비용은 또한, (예를 들어, 전체가 본원에 참조로 포함되는 미국특허 제9,287,572호 및 제9,190,673호에 기술된 시스템과 같은) 천연 가스 연료 시스템에 사용되는 다수의 컴포넌트에 사용되는 구성요소가 수소에 대한 스택을 실행하는 데 필요하지 않기 때문에 감소될 수 있다: 탈황 탱크 및 촉매, 탈황 탱크 교체에 사용되는 밸브, CPOx 반응기 및 CPOx 송풍기, 증기 발생기를 포함하는 물-관련 컴포넌트, 물의 동결을 방지하는 히터, 및 다른 기타 수계 컴포넌트 및 부분 개질기와 촉매를 보유하는 내부 실린더. 또한, 연료 사용을 위한 정확한 제어가 더 이상 필요하지 않기 때문에, 질량 흐름 제어기 밸브를, 비례 솔레노이드 밸브로 교체할 수 있다. 또한, 시스템은 축소된 크기의 ATO 촉매, 축소되거나 생략된 캐소드 복열식 열교환기(127) 열 차폐물을 포함할 수 있으며, ATO(140)와 애노드 복열식 열교환기(121) 사이의 절연이 제거될 수 있다. 전력 전자부품이, 건조 수소의 개방 회로 전압을 견딜 수 없는 경우, 시스템에 물을 공급하여 전력 전자 장비에 대한 접촉기를 폐쇄할 수 있다.
효과적인 시스템 효율은 또한, 외부 열 수요(열병합 전력(CHP))와의 열 통합을 위하여, 캐소드 배기 및/또는 애노드 배기를 사용함으로써 증가될 수 있다.
도 4는 수소 연료를 사용하고, 95% 초과(예를 들어, 100%에 가까운) 연료 이용률에서 동작하는 연료 전지 시스템(400)의 개략도이다. 시스템은, 시스템(100, 200, 300)에 포함된 것과 유사한 컴포넌트를 포함할 수 있다. 따라서, 앞서 설명된 컴포넌트는, 동일한 참조 번호로 식별되고, 이들 간의 차이점에 대해서만 상세히 논의될 것이다.
도 4를 참조하면, 시스템(400)은 고온 박스(302), 하나 이상의 연료 전지 스택(예를 들어, SOFC 스택)(101), 연료 열교환기(121)(예를 들어, 애노드 복열기), 선택적인 공기 예열식 열교환기(125)(예를 들어, 애노드 배기 냉각기), ATO(140), 공기 열교환기(예를 들어, 캐소드 복열기)(127), 공기 송풍기(404), 연료 제어 밸브(411), 우회 밸브(413), 블리드 밸브(bleed valve; 417), 및 재순환 밸브(419)를 포함할 수 있다.
시스템(400)은 또한, 외부 H2 공급원으로부터 스택(101)에 H2를 제공하도록 구성된 연료 유입 도관(410), 스택(101)으로부터 출력된 연료 배기를 수용하도록 구성된 연료 배기 도관(412), 공기 송풍기(404)로부터 스택(101)으로 공기를 제공하도록 구성된 공기 유입 도관(430), 및 스택(101)으로부터의 배기 출력을 ATO(140)로 제공하도록 구성된 공기 배기 도관(432)을 포함할 수 있다. 시스템(400)은, ATO(140)를 캐소드 복열기(127)에 유체 연결하는 ATO 배기 도관(424)을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 선택적인 외부 연료 개질기(423)는 연료 입구 도관(410)에 동작가능하게 연결될 수 있고, 연료 유입 도관(410)에 제공되는 수소 가스를 생성하도록 구성될 수 있다. 연료 개질기(423)는, 외부 연료 공급원으로부터 받은 탄화수소 연료(예컨대, 천연 가스)를 사용하여 수소를 생성하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 수소 저장 용기 또는 다른 수소 공급원으로부터의 순수한 수소를 연료로 사용할 수 있다. 개질물(reformate)은 다른 종(species)(미도시)으로부터 순수한 생성물로서의 수소를 분리하기 위해 처리될 수 있다.
연료 열교환기(121)는, 연료 유입 도관(410) 및 연료 배기 도관(412)에 동작가능하게 연결될 수 있고, 연료 배기 도관(412) 내 연료 배기로부터의 열을 연료 유입 도관(410) 내 H2 연료로 전달하도록 구성될 수 있다. 연료 열교환기(121)로부터의 냉각된 연료 배기 출력은 애노드 배기 냉각기(125)에 제공될 수 있다. 애노드 배기 냉각기(125)는, 연료 배기로부터의 열을 공기 유입 도관(430) 내 공기로 전달하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 애노드 배기 냉각기(125)는, 가령 연료 배기가 조합된 열 및 전력을 제공하는데 사용되는 경우에 생략될 수 있다.
우회 도관(415)은 배기 도관(412)을 ATO(140)에 유체 연결할 수 있다. 우회 도관(415)은, 연료 열교환기(121) 및 애노드 배기 냉각기(125) 사이에서 배기 도관(412)에 연결될 수 있다. 우회 밸브(413)는 연료 배기 도관(412)에 동작가능하게 연결될 수 있다. 우회 밸브(413)는 우회 도관(415)을 통해, 연료 배기의 적어도 일부를 ATO(140)로 선택적으로 전환(divert)하도록 구성된 수동 제어 또는 자동 제어 밸브일 수 있다. 우회 밸브(413)는 ATO를 직접 공급하고, 도 4에 도시되는 것처럼 고온 박스(302) 내에 위치할 수 있거나, 고온 박스(302) 외부에 있을 수 있다.
연료 배기는, 연료 배기 도관(412)을 통해, 고온 박스(302) 내 애노드 배기 냉각기(125)로부터 외부 연료 배기 응축기(460)에 출력될 수 있다. 연료 배기 응축기(460)는, 연료 배기 내 수증기를 응축하거나 및/또는 애노드 재순환 송풍기(434)를 열 손상으로부터 보호하기 위해 충분한 온도로 연료 배기를 냉각하도록 구성된 열교환기 및/또는 공냉식 또는 물강화, 공냉식 응축기일 수 있다. 예컨대, 연료 배기 응축기(460)는, 연료 배기 응축기(460)가 약 50°C 및 약 1 대기압(atm)에서 동작하는 경우, 연료 배기의 수분 함량을 약 12% 이하로 감소시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 연료 배기 응축기(460)는 외부 냉각 타워를 통해 재순환되는 물을 사용하여 냉각될 수 있다. 일부 실시예에서, 연료 배기 응축기(460)의 일부는, 열병합 발전 시스템의 부분으로 이용될 수 있다. 예컨대, 연료 배기 응축기(460)에 의해 가열된 물은, 외부 온수원 또는 설비 열원으로 이용될 수 있다.
시스템(400)은, 연료 배기 응축기(460)를 연료 유입 도관(410)에 유체 연결하는 재순환 도관(414)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 재순환 도관(414) 및 연료 유입 도관(410)은, 연료 개질기(423) 또는 다른 수소 공급원으로부터 받은 수소 연료를 연료 배기와 혼합하도록 구성된 믹서(422)에 유체 연결될 수 있다. 연료 배기 분리기(462)(예를 들어, 건조기 또는 녹아웃 포트(knockout pot)), 블리드 밸브(417), 재순환 밸브(419), 및 애노드 재순환 송풍기(434)는, 재순환 도관(414)에 동작가능하게(operatively) 연결될 수 있다.
연료 배기 스트림은, 재순환 도관(414)을 통해 연료 배기 응축기(460)로부터 분리기(462)로 출력될 수 있다. 분리기(462)는 연료 배기로부터 액체 물을 분리하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 액체 물은, 선택적으로, 분리기(462)를 연료 배기 응축기(460) 및/또는 냉각탑 등과 같은 외부 수냉 시스템에 유체 연결하는 물 도관(464)을 통해 연료 배기 콘덴서(460)로 복귀될 수 있다. 연료 배기 응축기(460)는 또한, 재순환 도관(414)에서 스트림의 이슬점을 추가로 낮추기 위해, 냉각되는 단계 또는 고체인 물의 흡착종(solid water adsorbing species)을 포함할 수 있다.
ATO 유입 도관(420)은, 재순환 밸브(419)를 ATO(140)에 유체 연결할 수 있다. 블리드 도관(416)은 재순환 도관(414)을 ATO 유입 도관(420)에 유체 연결할 수 있다. 블리드 밸브(417)는 블리드 도관(416) 및 재순환 도관(417)에 동작가능하게 연결될 수 있다.
블리드 밸브(417)는 연료 배출구로부터 불순물을 퍼지(purge)하도록 구성된 자동 또는 수동 제어 밸브일 수 있다. 일부 실시예에서, 블리드 밸브(417)는 스택(101)에 유체 연결될 수 있고, 애노드 및 캐소드 압력을 균등화(equalize)하기 위해 스택(101)의 연료 전지에 배압(back pressure)을 제공하도록 구성될 수 있다.
재순환 밸브(419)는, 믹서(mixer; 422)를 통해, 연료 배기의 전부 또는 일부를 ATO 유입 도관(420) 또는 연료 유입 도관(410)으로 선택적으로 지향(direct)하도록 구성된 수동 또는 자동식 제어 3방향 밸브일 수 있다. 예를 들어, 재순환 밸브(419)는 시스템(400)의 시동 동안 연료 배기를 ATO(140)로 지향시키도록 구성될 수 있지만, 시스템(400)의 정상 상태 작동 동안(예컨대, 시스템(400)이 700oC 이상의 정상 상태 작동 온도에 도달한 후) 연료 유입 도관(410)으로 연료 배기의 전부 또는 실질적으로 전부를 지향시킬 수 있다. 연료 배기는, 연료 유입 도관(410)을 통한 연료 흐름을 제어하도록 구성될 수 있는, 연료 제어 밸브(411)의 상류에 있는 연료 유입 도관(410)으로 복귀될 수 있다. 일부 실시예에서, 연료 제어 밸브는, 수소 가스를 연료로 사용하여 작동하는 시스템에서 높은 연료 이용률을 달성하기 위해 질량 유량 제어 밸브에 의해 제공되는 정밀한 유량 제어가 필요하지 않을 수 있기 때문에 기존의 질량 유량 제어 밸브가 아닌 비례 솔레노이드 밸브일 수 있다.
공기 송풍기(404), 애노드 배기 냉각기(125), 및 캐소드 복열기(127)는 공기 유입 도관(430)에 동작가능하게 연결될 수 있다. 캐소드 복열기(127)는 또한, ATO 배기 도관(424)에 동작가능하게 연결될 수 있다. 공기 송풍기(404)는 공기 유입 도관(430)을 통해 스택(101)으로 공기 또는 산화제 가스를 강제로 공급하도록 구성된다. 공기 유입 도관(430) 내 공기 스트림은, 애노드 배기 냉각기(125)로부터 출력된 연료 배기에 의해 가열될 수 있고, ATO(140)로부터 출력된 ATO 배기(예컨대, 연소 배기)를 사용하여 추가적으로 가열될 수 있다. 공기 유입 스트림은 또한, ATO(140)가 동작하지 않는 경우(예컨대, 시스템(400)의 정상 상태 동작 동안에), 캐소드 배기 도관(432)을 통해 스택(101)으로부터 ATO(140)로 출력된 캐소드 배기를 사용하여 캐소드 복열기(127) 내에서 가열될 수 있다. 캐소드 및/또는 ATO 배기는, 캐소드 복열기(127)로부터 대기로 배출(vent)될 수 있거나, ATO 배기 도관(424)에 유체 연결된 선택적인 외부 열병합(CHP) 열교환기(436)에 제공될 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, ATO(140)로의 연료 흐름은 시동 동안 제공되지만 정상 상태 동안에는 제공되지 않을 수 있다. 연료 배기 응축기(460)는, 전지(cell)에서 생성된 물로부터 재순환을 위한 H2의 용이한 분리를 제공할 수 있다. 애노드 재순환 송풍기(434)는, 연료 배기 스트림으로부터 물의 제거로 인해 과열될 가능성이 더 낮다. 일부 실시예에서, 분리기(462)로부터의 물은 또한, CHP 열교환기(436)에 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 분리기(462)로부터의 물은 WGS 반응기일 수 있는 연료 개질기(423)에 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 분리기(462)는 생략될 수 있고, 물은 연료 배기 응축기(460)로부터 직접 출력될 수 있다. 일실시예에서, 분리기는 액체 물이 증기 스트림으로부터 분리되는 공간을 제공하는 녹아웃 포트(knock pot)이다.
다양한 실시예는 또한, CO2 격리를 위한 방법(들)을 제공한다. 천연 가스는 수소 연료를 생성하기 위해 현장(onsite) 개질기에 공급될 수 있는 반면, CO2는 개질 과정에서 격리될 수 있다. 천연 가스 연료를 사용하는 시스템에도 유사한 구성을 사용할 수 있다. 천연 가스의 경우, 수소 연료 실시예를 위한 공냉식 응축기는, 극저온, 멤브레인 기반, PSA, TSA 또는 애노드 배기를 3개의 분리된 스트림들로 분리하도록 설계된 분리를 할 수 있는 임의의 다른 기존의 상업적인 공정으로 대체될 수 있으며, 이는: 비현장(offsite) CO2 사용 또는 격리를 위한 선적가능한 액체 또는 드라이아이스로서의 CO2(또는 실린더 또는 파이프라인으로 선적하기 위한 고압 가스/초임계 가스); 액체 물 생성물; H2와 CO의 기체 혼합물. 혼합물의 대부분은, 각 고온 박스에 도입되는 경우, 천연 가스 공급물(MFC 밸브 이후)과 혼합될 연료로 재순환되거나, 현장 수준에서(MFC 밸브 이전) 천연 가스와 혼합될 수 있고, 혼합물의 작은 부분이 고온 박스를 위한 열 균형을 유지하기 위해 ATO에 직접 공급될 수 있다(필요한 경우, 이는 시스템의 수명에 있어서 이후에 0까지 떨어질 수 있다).
임의의 적합한 극저온 식물 기술이 사용될 수 있다. 대안적으로, 극저온 분리는, 단일 또는 다단계 수소 펌프(예컨대, 위에서 설명한 PEM 또는 PBI 유형)로 대체될 수 있다. 수소 펌프의 사용은, CO2와 H2O의 기체 혼합물을 잠재적으로 미량의 CO 및 H2와 함께 생성한 다음, 운송 또는 사용을 위한 액체 CO2 생성물을 생성하기 위한 추가 처리를 수행한다.
도 5a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료 전지 시스템(500)을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5b는 도 5a의 가능한 가스 분리기의 컴포넌트의 개략도이다. 시스템(500)은 시스템(400)과 유사하다. 따라서, 이들 간의 차이점에 대해서만 상세히 논의될 것이다. 도시되지는 않았지만, 시스템(500)은 도 1 내지 3의 시스템에 도시된 컴포넌트와 같은 추가 컴포넌트를 포함할 수 있다. 시스템(500)은 수소 또는 탄화수소 연료로 작동할 수 있다.
도 5a를 참조하면, 시스템(500)은 고온 박스(302) 내에 배치된 내부 연료 개질기(123)를 포함할 수 있다. 시스템(500)은 또한, 벤츄리 장치(334), 애노드 재순환 송풍기(434), 가스 분리기(570), 및 연료 배기 스플리터(558)를 포함할 수 있다.
스플리터(558)는, 연료 배기 도관(412), 재순환 도관(414), 및 연료 배기 처리 도관(516)에 유체 연결될 수 있다. 스플리터(558)는 재순환 도관(414) 및 처리 도관(516)을 통한 연료 배기의 흐름을 선택적으로 제어하도록 구성된 수동 또는 자동 제어 3방향 밸브일 수 있다. 대안적으로, 스플리터(558)는 패시브(passive) 스플리터일 수 있다.
애노드 재순환 송풍기(434), 벤츄리 장치(334), 및 연료 배기 스플리터(558)는 재순환 도관(414)에 동작가능하게 연결될 수 있다. 시스템은, 고온 박스(302)에 배치된 애노드 배기 냉각기(125)에 추가로 또는 그 대신에 외부 애노드 배기 냉각기(560)를 선택적으로 포함할 수 있다. 예컨대, 외부 애노드 배기 냉각기(560)는, 외부 공기, 물 및/또는 CHP를 위한 다른 냉각 유체를 사용하여 연료 배기를 냉각하도록 구성된 응축기 및/또는 열교환기일 수 있다. 외부 애노드 배기 냉각기(560)가 응축기를 포함하거나 응축기인 경우, 이는 연료 배기로부터 물을 제거할 수 있다. 애노드 재순환 송풍기(434)는 재순환 도관(414) 및 벤츄리 장치(334)를 통해 연료 유입 도관(410)으로 연료 배기를 강제하도록 구성될 수 있다.
가스 분리기(570)는 연료 배기를, 물, 이산화탄소, 및 수소와 일산화탄소의 혼합물의 개별 스트림으로 분리하도록 구성될 수 있다. 수소와 이산화탄소의 혼합물은 또한, 시스템에 공급된 천연 가스가 질소 및/또는 아르곤을 포함하는 경우 미량의 질소 및/또는 아르곤을 포함할 수 있다. 가스 분리기(570)는, 극저온 분리기, 압력 변동 흡착 분리기(pressure swing adsorption separator), 멤브레인 분리기, 아민 스크러빙 분리기(amine scrubbing separator), 셀렉솔 분리기(selexol separator), 또는 이들의 임의의 조합과 같은 임의의 적합한 유형의 가스 분리기를 포함할 수 있다. 물 스트림은 애노드 배기 냉각기(560)를 위한 냉각수로 이용되기에 충분히 순수할 수 있다. 다수의 고온 박스(302)에 대해 단지 하나의 가스 분리기(570)가 있을 수 있거나, 또는 각 고온 박스(302)에 대해 하나의 가스 분리기(570)가 있을 수 있다.
도 5b를 참조하면, 가스 분리기(570)는 열교환기(572), 주 압축기(574), 물 분리기(576), CO2 응축기(578) 및 증류 칼럼(distillation column; 580)을 포함할 수 있다. 열교환기(572)는 연료 배기의 온도를 감소시키도록 구성될 수 있다.
주 압축기(574)는 냉각된 연료 배기를 압축하고 그럼으로써 제2 물 스트림을 생성하도록 구성될 수 있다. 연료 배기는 이후, 연료 배기로부터 잔류하는 물을 제거하도록 구성된 건조기 또는 물 분리기(576)에 제공될 수 있다. 물 분리기(576)는 재생가능한 물 흡착제, 예컨대 온도 변동 흡착이나 다른 적절한 방법으로 물을 흡착하는 재생가능한 물 흡수제를 포함할 수 있다.
건조된 연료 배기는 이후 액체 CO2를 생성하기에 충분한 온도로 연료 배기를 냉각시키도록 구성될 수 있는 CO2 응축기(578)에 제공될 수 있다. 예컨대, 응축기(578)는 연료 배기를 약 -20°C 내지 약 -30°C 범위의 온도로 냉각하도록 구성될 수 있다.
액체 CO2 및 임의의 잔존하는 CO2 가스를 포함하는 연료 배기는 이후 증류 칼럼(distillation column; 580)에 제공될 수 있다. 증류 칼럼(580)은 다수의 단계들, 응축기 및/또는 리보일러(reboiler)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 증류 칼럼은 약 -50°C 내지 약 90°C 범위의 온도로 연료 배기를 냉각하도록 구성될 수 있다. 증류 칼럼(580)은, 수소 스트림과 액체 CO2 스트림을 출력하도록 구성될 수 있다. 스트림은 또한, CO, CO2 및 N2의 잔류량을 포함할 수 있다. 증류 칼럼으로부터의 증기는 칼럼에 대한 공급물 내 모든 H2, CO, N2를 본질적으로 포함할 수 있다. 증기 내 CO2는 증류 칼럼을 위한 응축기 내의 온도와 압력에 의존할 것이고, 5% 내지 50%의 CO2 범위에 있을 수 있다.
일부 실시예에서, 이산화탄소 스트림은 드라이 아이스로 저장될 수 있다. 다양한 실시예에서, 물은 CHP 열교환기(436)에 제공될 수 있다. 수소 및 일산화탄소는 스택(101) 및/또는 ATO(140)에 제공될 수 있고, 이는 도 6과 관련하여 더 상세히 기술될 것이다. 다른 실시예에서, 수소 및 일산화탄소는 물 분리기에서 흡착제 물질에 흡수된 물을 제거하는 스트리핑(stripping) 가스로서 사용되도록 물 분리기(576)에 제공될 수 있다. 물이 이들의 작동을 방해하지 않기 때문에, 수소 및 일산화탄소를 포함하는 물은 이후 스택(101) 및/또는 ATO(140)로 제공될 수 있다.
일부 실시예에서, DC 전력을 요구하는 가스 분리기(570)의 컴포넌트들은 스택(101)으로부터 출력된 DC 전력에 의해 직접 전력을 공급받을 수 있다.
추가적인 열은 물을 기화시키도록 제공될 수 있거나 및/또는 추가적인 외부 연료가 ATO에 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, WGS 반응기(128)는 연료 배기 도관(412)에 동작가능하게 연결될 수 있다.
시스템은, SOFC 스택(101)의 연료 배기와 열적으로 통합될 수 있는 연료 개질기(123)를 포함할 수 있다. 개질 및/또는 수성-가스 전환 반응을 위한 물은, 가스 분리기(570)로부터 응축된 물로부터 제공될 수 있다.
도 5c는 도 5a 및 5b에 도시된 연료 전지 시스템(500)의 대안적 실시예에 대한 개략도이다. 본 대안적 실시예에서, 연료 배기 처리 도관(516)은 애노드 배기 냉각기(125)로부터 상류의 스플리터(413)에 유체 연결된다. 따라서, 연료 배기의 일부는, 애노드 배기 냉각기(125)에 도달하지 않고 스플리터(413)로부터 직접 가스 분리기(570)에 제공된다. 본 대안적 실시예에서, 스플리터(558)는 생략될 수 있고, 연료 배기의 잔존 부분은 애노드 배기 냉각기(125)로부터 외부 냉각기(560)로 직접 제공된다.
도 6은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 연료 전지 시스템(600)의 개략도이다. 시스템(600)은 시스템(500)과 유사하다. 따라서, 이들 간의 차이점에 대해서만 상세히 논의될 것이다. 도시되지는 않았지만, 시스템(600)은 도 1 내지 4의 시스템에 도시된 컴포넌트와 같은 추가 컴포넌트를 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 시스템(600)은 수소 재순환 도관(602), ATO 유입 도관(604), 및 스플리터(610)를 포함할 수 있다. 재순환 도관(602)은 분리기(570)를 연료 유입 도관(410) 및/또는 믹서(422)에 유체 연결하도록 구성될 수 있다. 스플리터(610)는 재순환 도관(602)에 동작가능하게 연결될 수 있다. ATO 유입 도관(604)은 스플리터(610)의 배기구를 ATO(140)에 유체 연결할 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템(600)은, ATO(140) 및 도관(415, 432, 및/또는 604)에 유체 연결된 ATO 믹서(650)를 포함할 수 있다. ATO 믹서(650)는, 도관(415)으로부터의 공기 배기를, 도관(415)으로부터의 연료 배기 및/또는 도관(604)으로부터의 수소 및 일산화탄소 혼합물과 혼합하도록 구성될 수 있다. 하지만, 일부 실시예에서 우회 도관(415) 및 우회 밸브(413)는 생략될 수 있다.
수소 스트림은 가스 분리기(570)에서 출력 도관(602)으로 출력될 수 있다. 수소 스트림은, 일부 실시예에서 소량의 일산화탄소를 포함할 수 있다. 스플리터(610)는, 수동 또는 자동으로 제어되는 3방향 밸브 또는 수소 스트림의 적어도 일부를 재순환 도관(602)으로부터 ATO 유입 도관(604)으로 선택적으로 전환(divert)시키도록 구성된 수동 스플리터일 수 있다. 따라서, 스플리터(610)는 연료 유입 도관(410) 및 ATO(140)로의 수소 흐름을 선택적 또는 비선택적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 스플리터(610)는, 시스템(600)의 정상 상태 작동 동안 고온 박스의 동작 온도를 유지하기 위해, ATO 믹서(650)를 통해 ATO(140)에 충분한 양의 가스 혼합물을 지향시키도록 구성될 수 있다. 최대 출력에서, 열 안정성은 ATO에 연료를 보낼 것을 요구하지 않는다. 연료는, 천연 가스 내 질소로부터 질소 가스가 축적되는 것을 방지하기 위해, 도관(604)을 통해 ATO로 보내진다. 시스템 시동 동안, 연료 배기는 도관(415)을 통해 ATO(140)에 제공될 수 있다. 대안적으로, 도관(415)은 생략될 수 있고, ATO 유입 도관(420)은 도 4에 도시된 바와 같이, 재순환 밸브(419)를 통해 재순환 도관(414)을 ATO(140)에 유체 연결할 수 있다. ATO 유입 도관(420) 및 재순환 밸브(419)는, 송풍기(434)의 상류 또는 하류이지만, 벤츄리 장치(334)의 상류에서 재순환 도관(414)에 연결될 수 있다.
추가로, 잔존하는 수소 및 일산화탄소 재순환 스트림은, 재순환 도관(602) 및 믹서(422)를 통해, 연료 유입 도관(410) 안으로 제공되어, 연료 유입 스트림(예를 들어, 천연 가스 등)과 혼합된다. 일실시예에서, 재순환 도관(602)을 통해 믹서(422)로 제공되는 수소 및 일산화탄소 재순환 스트림은, 믹서에 제공되는 연료 유입 스트림보다 더 높은 압력에 있을 수 있다. 수소 및 일산화탄소 재순환 스트림은 연료 유입 스트림보다 더 높은 압력에서 제공되기 때문에, 수소 및 일산화탄소 재순환 스트림은 스택(101)에서 먼저 사용되며, 연료 유입 스트림은 필요한 연료의 총량을 충족시키기 위해 혼합된다. 연료 유입 스트림의 유속(flow rate), 수소 및 일산화탄소 재순환 스트림의 유속 및 조성을 측정함으로써, 시스템(600) 현장으로의 혼합된 연료 스트림의 전체 조성이 계산되고, 이는 제어를 위해 시스템(600)의 각 전력 모듈로 전달된다. 위에서 논의된 바와 같이, 각각의 가스 분리기(570)를 위한 하나 이상의 고온 박스(302)가 있을 수 있다.
도 7은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 연료 전지 시스템(700)의 개략도이다. 시스템(700)은 시스템(600)과 유사하다. 따라서, 이들 간의 차이점만이 상세히 설명될 것이다. 도시되지는 않았지만, 시스템(600)은, 가령 도 1 내지 5에 도시된 시스템 컴포넌트와, 도 6에 도시된 연료 처리 컴포넌트와 같은 추가 컴포넌트를 포함할 수 있다.
도 7을 참조하면, 시스템(700)은, 애노드 복열기(anode recuperator; 121) 및 선택적인 애노드 배기 냉각기(125) 사이에, 연료 배기 도관(412)에 동작가능하게 연결된 WGS 반응기(128)를 포함할 수 있다. WGS 반응기(128) 및 애노드 배기 냉각기(125)의 조합은, 격리를 위하여 도 5a, 5b 및 6에 도시된 가스 분리기(570)에 의해 추출될 수 있는 CO2의 양을 증가시키도록 동작할 수 있다. 시스템(700)은 또한, 연료 열교환기(121) 및 스택(101) 사이에, 연료 유입 도관에 동작가능하게 연결된 연료 개질기(123)를 포함할 수 있다.
시스템(700)은 또한, 외부 연료 공급원으로부터 ATO 믹서(650)에 연료를 제공하도록 구성된 ATO 유입 도관(702)을 포함할 수 있다. 시스템(700)은 바이오가스를 사용하여 동작을 용이하게 하도록 구성된 컴포넌트를 더 포함할 수 있다. 특히, 시스템은, 바이오가스 유입 도관(704) 및 바이오가스 예열식 열교환기(706)를 포함할 수 있다. 바이오가스 유입 도관(704)은 바이오가스 공급원을 믹서(422)에 유체 연결할 수 있다. 바이오가스 예열식 열교환기(706)는 ATO 배기 도관(424) 내 ATO 배기를 사용하여 유입 도관(704) 내 바이오가스를 가열하도록 구성될 수 있다.
시스템(700)은 또한, 스택 배기 열교환기(708)를 포함할 수 있다. 스택 배기 열교환기(708)는, ATO 배기 도관(424) 내의 ATO 배기를 사용하여, 공기 유입 도관(430) 내의 공기를 예열하도록 구성될 수 있다. 따라서, 스택은 배기 열교환기(708)는, 공기 유입 스트림을 가열하여 공기 유입 스트림의 온도가 캐소드 복열기(127)에 들어갈 때 증가되도록 한다. 따라서, ATO 배기로부터 더 적은 열이 캐소드 복열기 내 공기 유입 스트림을 가열하는데 필요하게 되며, 이는 캐소드 복열기(127)로부터 열교환기(708)에 제공되는 ATO 배기의 온도를 증가시킨다. 따라서, 바이오가스는 바이오가스 예열식 열교환기(706) 내 더 고온의 ATO 배기에 의해 더 높은 온도로 가열될 수 있다.
일부 실시예에서, 스플리터(413) 및 도관(414)은, ATO(140)가 도관(702)을 통해 외부 연료 공급원으로부터 연료를 받기 때문에 시스템(700)에서 생략될 수 있다.
도 8은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 고온 박스 내부에 위치할 수 있는 WGS(128)의 사시도를 도시한다. 이 실시예에서, 수성 가스 전환 반응기는, 애노드 복열기(즉, 연료 열교환기)(121)에 위치한 수성 가스 전환 촉매 코팅을 포함한다. 예를 들어, 촉매는 열교환기(121)의 하나 이상의 온도 구역의 핀(fin)/주름(corrugation)을 코팅할 수 있다. 예를 들어, WGS 반응기(128) 촉매는, 열교환기(121)의 핀/주름의 상부에 코팅될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 수성 가스 전환 촉매를 함유하는 추가 구성요소는, 독립형 하위조립체(stand-alone subassembly)로서 열교환기(121)의 하류에 위치할 수 있다. 이 조립체는, ATO(140)의 그것과 유사한 촉매 코팅된 핀 섹션(fin section)으로 구성된 고리(annulus)를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 외부 연료 배기 응축기(460) 및/또는 외부 애노드 배기 냉각기(560)가 공냉식 응축기 또는 열교환기를 포함하는 경우, 공기는 시스템 하우징으로부터 제공될 수 있다. 즉, 고온 박스 및/또는 전력 조절 시스템(예컨대, DC/AC 인버터 등과 같은 시스템 출력 전자부품)을 포함하는 캐비닛(들)은, 주변 공기가 송풍기 또는 팬(fan)을 통해 순환하는 공냉식 캐비닛(air cooled cabinet)을 포함할 수 있다. 이 순환하는 캐비닛 공기는, 외부 연료 배기 응축기(460) 및/또는 외부 애노드 배기 냉각기(560)를 통과하는 연료 배기를 냉각하는데 사용될 수 있다. 순환하는 캐비닛 공기는, 캐소드 배기 및 ATO 배기와 분리되어 유지된다. 연료 배기에 의해 가열된 순환하는 캐비닛 공기는, 건물 난방 시스템과 같은 CHP 시스템에 제공될 수 있다.
시스템(400-700)은: 전력 모듈당 더 많은 전력, 더 높은 효율 및 잠재적으로 더 낮은 자본 비용과 같은 비-제한적인 이점을 제공한다.
아래에 기술된 추가 실시예는, 전술한 시스템들 중 임의의 것, 가령 (예컨대, 도 3과 관련하여) 전술한 하나 이상의 수소 펌프(350A, 350B)에 의한 수소 및/또는 이산화탄소 회수를 갖는 연료 전지 시스템, 또는 CO2 및 H2O로부터 CO+H2를 분리하기 위한 응집된 애노드 배기를 갖는 천연 가스 기반 연료 전지 시스템과 함께 사용될 수 있다.
하나의 추가 실시예에서, 천연 가스로 작동하는 연료 전지 시스템에서, 스플리터(예를 들어, 전술한 스플리터(332))는, 애노드 복열기(121) 및 애노드 배기 냉각기(125) 사이에서 고온 박스(302) 밖으로 애노드 배기의 일부를 유도하기 위해, 고온 박스(302) 내부에 위치한다. 도 9a 내지 9c는, 적어도 하나의 수소 펌프(350A 및/또는 350B)로의 애노드 배기 냉각기 바이패스를 통해 애노드 복열기(121)와 애노드 배기 냉각기(125) 사이에서 고온 박스로부터 나오는 애노드 배기를 갖는 고온 박스(302)를 도시한다.
애노드 배기 스플리터는, 애노드 복열기(121)와 애노드 배기 냉각기(125) 사이의 고온 박스(302) 외부로 애노드 배기의 일부를 유도한다. 이 스트림은, 가령 400 내지 450℃와 같은 고온에서 고온 박스를 빠져나갈 것이다. 이것은 애노드 재순환에 필요한 흐름만이 애노드 배기 냉각기를 통과하기 때문에 애노드 배기 냉각기가 접촉되지 않게 할 수 있다. 이는 또한, 애노드 배기가 (가열되지 않고) 냉각되어서, 더 낮은 온도(예컨대, 180 내지 250℃)로 수성 가스 전환 반응기를 통과하여 CO를 크게 줄이고 H2 및 CO2 농도를 증가시킬 수 있다. CO 농도의 감소는, 수소 펌프(350A, 350B) 작동에 유리하다. 또한, CO2의 회수가 증가될 수 있다.
또 다른 추가 실시예에서, 수소 연료로 작동하는 연료 전지 시스템에서, 수소는 애노드 재순환물로서 각각의 전력 모듈로(예를 들어, 각각의 고온 박스로) 반환되거나, 또는 수소와 현장 수준에서 혼합되게끔 사이트로 반환된다. 전술한 바와 같이, 사후(post) 응축기 애노드 배기 스트림으로부터 재순환된 수소는, 고온 박스로 반환된다. 대안으로, 수소는 또한, 사이트 레벨로(예컨대, 전체 발전 시스템의 사이트로), 또는 동일한 입력/출력 모듈에 연결되는 전력 모듈들의 세트(예컨대, 고온 박스들)의 레벨로 반환될 수 있다. 재순환된 수소가 임의의 공급물 수소 스트림과 혼합되는 경우, 이는 적절한 전달 압력, 예컨대 15 psig로 압축되어야 한다. 그러나, 수소가 고온 박스 수준으로 반환되면, 압력은 애노드 재순환에 필요한 수준(0 내지 2 psig)까지만 증가하면 된다. 애노드 재순환 송풍기(330)에서 물을 응축시키는 임의의 문제를 피하기 위해, 사후 응축기 수소를 적당히(예를 들어, 20 내지 30℃) 재가열하는 것이 바람직할 수 있다. 애노드 재순환 송풍기(330)는, 사이트 레벨에 있거나, 동일한 입력/출력 모듈 레벨 또는 고온 박스 레벨로 연결되는 전력 모듈들의 세트이다.
시스템은 거의 100%의 연료 이용률로 작동할 것이고, 코킹을 피하기 위해 원하는 수분 함량을 유지할 필요가 없기 때문에, 각 고온 박스 레벨에 대한 애노드 재순환의 정확한 계량을 필요로 하지 않는다. 다양한 고온 박스로의 수소 분배는 적절한 배관 제한(예컨대, 오리피스)을 도입하여 간접적으로 제어되거나, 제어 가능한 요소(예컨대, 비례 솔레노이드 밸브)로 직접 제어될 수 있다.
또 다른 추가 실시예에서, 천연 가스 연료로 작동하는 연료 전지 시스템은 분리를 위해 CO2를 응축하기 위해 극저온 기술을 사용할 수 있다. 회수된 CO+H2는 극저온 CO2의 분리 전에 물을 제거하기 위해 흡착제 기반의 건조기의 스트리핑 가스(stripping gas)로 사용될 수 있다.
CO2 응축에 의존하는 극저온 기반 가스 분리 시스템의 경우, 극저온 열교환기의 튜브 벽들 상에 물이 어는 것을 피해야 한다. 얼어붙는 물은 아래의 내용과 같이 회피될 수 있다:
(a) 가스 스트림을 0 C보다 약간 높은 온도(예컨대, 0 내지 3 C)로 냉각하여 가능한 한 많은 액체 물을 응축 및 제거하는 것.
(b) 실질적으로 모든 물을 제거하기 위해 다수의 흡착제 베드 중 하나를 통해 잔류 저습도 가스를 통과시키는 것.
(c) 물을 제거하기 위해, 한 번에 하나 또는 여러 개의 다중 흡착제 베드를 재생시키는 것. 일반적으로 이것은 가열된 가스를 베드(bed)에 통과시켜 물을 제거함으로써 수행된다.
(d) 회수된 CO+H2는 단계 (c)의 가스로 사용될 수 있다. 그렇게 하려면 재생을 위해 흡착제 베드에 도입하기 전에 가열해야 할 수 있다. 이 가열은 가스 분리 영역 프로세스 영역으로의 고온의 애노드 배기의 유입 열에 의해 직접 수행되거나 간접적으로 수행될 수 있다.
대안적으로, 위의 단계 (b)에서, 가스는 액체 기반 흡수제/스트리퍼(예를 들어, 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜의 올리고머)에 의해 건조될 수 있다. 스트리퍼에 필요한 열은 단계(d)에서 논의된 바와 같이 제공될 수 있다.
CO2는 CO2, CO, 및 H2의 스트림을 반환하면서, 생성물로서 액체 CO2를 제공하기 위해 압축, 건조, 및 극저온 분리될 수 있다. 반환 가스 스트림(return gas stream)은 시스템의 모든 고온 박스로 갈 필요가 없다. 이들은 그들의 일부로 반환될 수 있다. 필요한 경우, 가스 저장 용기가 추가될 수 있고, 반환 라인을 위한 버퍼로 사용될 수 있다.
본 명세서에 개시된 연료 전지 시스템은, 필요에 따라 다른 실시예 및 구성을 가질 수 있다. 필요에 따라, 예컨대, 전문이 본 명세서에 참조로 통합되는, 2002년 11월 20일에 출원된 미국특허출원 제10/300,021호, 2003년 4월 9일에 출원된 미국임시특허출원 제60/461,190호 및 2003년 5월 29일에 출원된 미국특허출원 제10/446,704호에 기술된 것과 같은 다른 컴포넌트들이 추가될 수 있다. 또한, 본 명세서의 임의의 도면에 도시되거나 및/또는 임의의 실시예에서 설명된 임의의 시스템 구성 또는 방법의 단계가 또한, 사용이 명시적으로 설명되지 않을 지라도, 상술한 다른 적절한 실시예의 시스템 및/또는 방법에서 사용될 수 있다.
상기의 본 발명에 대한 설명은 예시 및 설명의 목적을 위해 제시되었다. 이는 본 발명을 개시된 정확한 형태로 한정하거나 온전한 것으로 의도되지 않았으며, 위의 교시내용에 따른 수정사항 및 변경이 가능하거나, 본 발명의 실시로부터 획득될 수 있다. 발명의 설명은, 본 발명의 원리 및 그것의 실용적인 적용을 설명하기 위하여 선택된 것이다. 본 발명의 범위는 첨부되는 청구범위 및 이의 등가물에 의해 정의되는 것으로 의도된다.

Claims (14)

  1. 연료 전지 시스템으로서,
    고온 박스;
    상기 고온 박스 내에 배치된 연료 전지 스택;
    상기 연료 전지 스택에 의해 출력되는 연료 배기를 수용하는 연료 배기 도관;
    상기 연료 배기로부터 액체를 분리하는 연료 배기 분리기; 및
    상기 연료 배기를 연료 유입 도관에 유체 연결하는 재순환 도관;
    을 포함하는, 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 배기의 액체 함량을 감소시키는 연료 배기 응축기(condenser)를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    액체는, 상기 연료 배기 분리기 및 상기 연료 배기 응축기를 유체 연결하는 물 도관을 통해 상기 연료 배기 응축기로 복귀되는, 연료 전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료 배기로부터 불순물들을 제거하는 밸브를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 재순환 도관 및 상기 연료 유입 도관을 유체 연결하는 혼합기를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  6. 연료 전지 시스템을 작동시키는 방법으로서,
    연료 배기 도관에서, 고온 박스 내에 배치된 연료 전지 스택에 의해 출력되는 연료 배기를 수용하는 단계;
    연료 배기 분리기에서, 상기 연료 배기로부터 액체를 분리하는 단계; 및
    재순환 도관에서, 상기 연료 배기와 연료 유입 도관을 유체 연결하는 단계;
    를 포함하는, 연료 전지 시스템을 작동시키는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    연료 배기 응축기에서, 상기 연료 배기의 액체 함량을 감소시키는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 시스템을 작동시키는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    액체는, 상기 연료 배기 분리기 및 상기 연료 배기 응축기를 유체 연결하는 물 도관을 통해 상기 연료 배기 응축기로 복귀되는, 연료 전지 시스템을 작동시키는 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    밸브에서, 상기 연료 배기로부터 불순물을 제거하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 시스템을 작동시키는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    혼합기가 상기 재순환 도관과 상기 연료 유입 도관을 유체 연결하는, 연료 전지 시스템.
  11. 연료 전지 시스템으로서,
    고온 박스;
    상기 고온 박스 내에 배치되는 연료 전지 스택;
    상기 연료 전지 스택에 의해 출력된 연료 배기를 수용하는 연료 배기 도관;
    연료 배기를 재순환 도관 및 처리 도관으로 유체 분리하는 연료 배기 스플리터;
    를 포함하고,
    상기 재순환 도관은 상기 연료 배기를 연료 유입 도관에 유체 연결하며, 상기 처리 도관은 가스 분리기에 유체 연결되는, 연료 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 가스 분리기는: 증기, 이산화탄소, 및 수소와 일산화탄소의 혼합물의 스트림들을 분리하는, 연료 전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    이산화탄소가 가스 저장 디바이스에 저장되는, 연료 전지 시스템.
  14. 연료 전지 시스템으로서,
    연료 전지 스택;
    애노드 복열 열교환기;
    애노드 배기 냉각 열교환기;
    상기 애노드 복열 열교환기 및 상기 애노드 배기 냉각 열교환기 사이에 위치하는 스플리터;
    적어도 하나의 전기화학 수소 펌프 분리기; 및
    상기 스플리터를 상기 적어도 하나의 수소 펌프 분리기에 유체 연결하는 애노드 배기 냉각기 우회부(anode exhaust cooler bypass);
    를 포함하는, 연료 전지 시스템.
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