KR20230113769A - 탄소 포집 및 증가된 효율을 갖는 고체 산화물 연료 전지 시스템 - Google Patents

탄소 포집 및 증가된 효율을 갖는 고체 산화물 연료 전지 시스템 Download PDF

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Abstract

연료 전지 시스템은 유입구 및 유출구를 갖는 연료 전지 모듈을 포함한다. 연료 전지 모듈은 기체 연료를 포함하는 연료 스트림을 수용하고, 감손된 연료 스트림을 배출한다. 시스템은 또한 연료 전지 모듈로부터의 폐열이 배기물 처리 모듈에 의해 이용 가능하도록 연료 전지 모듈에 대해 배치된 배기물 처리 모듈을 포함한다. 시스템은 감손된 연료 스트림의 제1 부분을 배기물 처리 모듈로 지향시키도록 구성되며, 여기서 감손된 연료 스트림은 감손된 연료 및 산소 및 이산화탄소를 포함하는 적어도 하나의 가스 상태의 부산물을 포함한다. 배기물 처리 모듈은 연료-농후화 스트림을 생산하기 위해 연료 전지 모듈로부터의 폐열을 사용하여 감손된 연료 스트림의 제1 부분을 동시-전기분해하게 한다. 시스템은 연료-농후화 스트림을 연료 전지 모듈의 유입구로 지향시키도록 구성된다.

Description

탄소 포집 및 증가된 효율을 갖는 고체 산화물 연료 전지 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 그 전문이 본원에 참고로 통합되는 2020년 12월 4일에 출원된 미국 가출원 제63/199060호에 대한 이익 및 우선권을 주장한다.
본 출원은 전반적으로 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템의 분야에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 탄소 포집(carbon capture)을 용이하게 하기 위해 고순도 이산화탄소(CO2) 배기 스트림을 갖는 SOFC 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지는 화학 반응을 함께 유도하여 전기를 생산하는 애노드, 캐소드 및 전해질 층을 포함한다. 구체적으로, SOFC는 다공성 애노드와 다공성 캐소드 사이에 개재된 고체, 가스-불투과성 전해질을 포함하는 고체 전기화학 전지이다. 산소는 캐소드를 통해 캐소드/전해질 계면으로 수송되고, 여기서 이는 전해질을 통해 애노드로 이동(migrate)하는 산소 이온으로 환원된다. 애노드에서는, 이온성 산소가 수소나 메탄 등의 연료와 반응하여 전자를 방출한다. 전자는 다시 외부 회로를 통해 캐소드로 이동하여 전력을 생성한다.
증기(steam), 수소, 일산화탄소, 및 이산화탄소의 혼합물을 포함할 수 있는 애노드 배기물(exhaust)은 연료 전지의 애노드로부터 부산물로서 생산된다. 애노드 배기물은 수소 및 일산화탄소와 같은 유용한 부산물 가스를 함유하며, 이는 연료 전지용 연료 또는 다른 화학 반응을 위한 공급물과 같은 다른 용도를 위한 합성가스(syngas)로서 배출될 수 있다. 또한, 배기물 중의 CO2 및 물은 또한 격리(sequestration) 또는 추가의 다운스트림 처리(downstream processing)를 위해 배출될 수 있다. 그러나, 애노드 배기물을 이러한 용도에 적합하도록 준비하기 위해, 애노드 배기물에 존재하는 CO2는 나머지 부산물 가스로부터 분리되어야 한다.
따라서, 시스템 효율을 손상시키거나 과도한 작동 비용을 초래하지 않고 용이한 탄소 포집을 가능하게 하도록 CO2-농후(rich) 배기 스트림을 전달하는 SOFC 시스템을 제공하는 것이 유리할 것이다.
본 발명의 일 양태는 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 시스템은 유입구(inlet) 및 유출구(outlet)를 갖는 연료 전지 모듈을 포함하고, 연료 전지 모듈은 유입구에서 가스 상태의(gaseous) 연료를 포함하는 연료 스트림을 수용하고, 감손된 연료 스트림(depleted fuel stream)을 유출구로부터 배출하도록 구성된다. 상기 시스템은 연료 전지 모듈과 유체 연통하는 배기물 처리 모듈을 더 포함한다. 배기물 처리 모듈은 연료 전지 모듈로부터의 폐열(waste heat)이 배기물 처리 모듈에 의해 이용 가능하도록 연료 전지 모듈에 대해 배치된다. 시스템은 감손된 연료 스트림의 제1 부분을 배기물 처리 모듈로 지향시키도록 구성되며, 여기서 감손된 연료 스트림은 감손된 연료 및 산소 및 이산화탄소를 포함하는 적어도 하나의 가스 상태의 부산물을 포함한다. 배기물 처리 모듈은 연료-농후화(enriched) 스트림을 생산하기 위해 연료 전지 모듈로부터의 폐열을 사용하여 감손된 연료 스트림의 제1 부분을 동시-전기분해(co-electrolysis)하도록 구성된다. 시스템은 연료-농후화 스트림을 연료 전지 모듈의 유입구로 지향시키도록 구성된다.
다양한 실시예에서, 시스템은 또한 감손된 연료 스트림의 조성에 기초하여 연료 전지 모듈 또는 배기물 처리 모듈 중 적어도 하나를 작동시키도록 구성된 제어기를 포함한다. 일부 실시예에서, 연료 전지 모듈은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지를 포함한다. 다른 실시예들에서, 배기물 처리 모듈은 적어도 하나의 고체 산화물 수전해 스택(solid oxide electrolysis stack)을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 배기물 처리 모듈은 연료 전지 모듈 내에 포함된다. 다양한 실시예에서, 연료 전지 모듈은 복수의 연료 전지 스택을 포함하고, 복수의 연료 전지 스택의 제1 서브세트는 고체 산화물 연료 전지이고, 복수의 연료 전지 스택의 제2 서브세트는 고체 산화물 수전해 스택이다. 일부 실시예에서, 배기물 처리 모듈은 연료 전지 모듈로부터 분리된다. 다른 실시예들에서, 배기물 처리 모듈은 전기적으로 병렬로 연결된 복수의 분기(branch)들을 포함하고, 복수의 분기들 각각은 적어도 하나의 고체 산화물 수전해 스택을 갖고, 각각의 고체 산화물 수전해 스택은 복수의 고체 산화물 수전해 전지들을 포함한다.
다양한 실시예에서, 시스템은 연료 전지 모듈과 유체 연통하고, 유출구의 다운스트림에 배치되는 애프터버너(afterburner)를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 애프터버너는 감손된 연료 스트림의 제2 부분을 수용하고 제2 부분 내에서 미반응 연료(unreacted fuel)를 반응시킴으로써 제1 배기 스트림을 생산하도록 구성된다. 다른 실시예들에서, 배기물 처리 모듈은 제1 부분의 동시-전기분해 동안 생산된 산소를 유출 스트림에서 배출하도록 구성된다. 또 다른 실시예에서, 시스템은 유출 스트림을 애프터버너로 지향시키도록 구성되며, 여기서 제1 유출 스트림으로부터의 산소는 제1 부분 내에 포함된 미반응 연료의 연소를 용이하게 한다. 다양한 실시예에서, 애프터버너는 이산화탄소로 구성된 제2 배기 스트림을 배출하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 배기물 처리 모듈은 연료 전지 모듈에 환원 가스를 제공하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 배기물 처리 모듈은 연료 전지 시스템의 셧다운 이벤트 동안 환원 가스를 제공하도록 구성된다.
본 발명의 다른 양태는 연료 전지 시스템의 작동 방법에 관한 것이다. 방법은 연료 전지 모듈에 의해, 감손된 연료 스트림을 유출구로부터 배출하고, 연료 전지 모듈은 유입구에서 가스 연료를 수용하도록 구성된다. 방법은 배기물 처리 모듈에 의해, 감손된 연료 스트림의 제1 부분을 수용하는 단계를 더 포함하고, 제1 부분은 감손된 연료 및 이산화탄소 및 산소를 포함하는 적어도 하나의 가스 상태의 부산물을 포함한다. 방법은 또한, 배기물 처리 모듈에 의해, 연료 전지 모듈로부터의 폐열을 사용하여 제1 부분을 동시-전기분해함으로써 감손된 연료 스트림의 제1 부분으로부터 연료-농후화 스트림을 생산하는 단계를 포함한다. 방법은 연료 전지 시스템에 의해, 배기물 처리 모듈에 의해 생산된 연료-농후화 스트림을 연료 전지 모듈로 지향시키는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 또한 연료 전지 모듈과 유체 연통하는 애프터버너에 의해, 감손된 연료 스트림의 제2 부분을 수용하는 단계, 및 애프터버너에 의해, 제2 부분 내에서 미반응 연료를 반응시킴으로써 제1 배기 스트림을 생성하는 단계를 포함한다. 다양한 실시예에서, 방법은 또한, 배기물 처리 모듈과 유체 연통하는 물 녹아웃 유닛(water knockout unit)에 의해, 연료-농후화 스트림의 적어도 일부로부터 물을 제거하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 방법은 연료 전지 시스템과 통신하는 제어기에 의해, 감손된 연료 스트림의 조성에 기초하여 연료 전지 모듈 또는 배기물 처리 모듈 중 적어도 하나를 작동시키는 단계를 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 제어기는 연료 전지 시스템 내의 가스 상태의 연료의 조성에 기초하여 연료 전지 시스템의 적어도 하나의 작동 조건을 조정하도록 구성된다.
본 개시를 구성하는 이점 및 특징부, 그리고 본 개시가 제공되는 전형적인 메커니즘의 구성 및 작동에 대한 명확한 개념은 첨부된 도면에 도시되고 본 명세서의 일부를 형성하는 비제한적 실시예를 참조함으로써 보다 쉽게 명백해질 것이며, 여기서 동일한 참조 번호는 여러 도면에서 동일한 엘리먼트를 지정한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 포집용 배기물 처리 모듈을 포함하는 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소 포집용 배기물 처리 모듈을 포함하는 연료 전지 시스템의 개략도이다.
본 개시의 전술한 및 다른 특징부들은 첨부된 도면들과 함께 취해진 이하의 설명 및 첨부된 청구항들로부터 명백해질 것이다. 이들 도면들이 본 개시에 따른 단지 몇몇 실시예들만을 도시하고 따라서 그 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않는다는 것을 이해하면, 본 개시는 첨부 도면들의 사용을 통해 추가적인 특이성 및 세부사항으로 설명될 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서, 문맥상 달리 지시되지 않는 한, 유사한 기호는 전형적으로 유사한 컴포넌트를 식별한다. 상세한 설명, 도면들, 및 청구항들에 설명된 예시적인 실시예들은 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 본 명세서에 제시된 주제의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고, 다른 실시예들이 이용될 수 있고, 다른 변경들이 이루어질 수 있다. 본 명세서에서 개괄적으로 설명되고 도면들에 예시된 본 개시의 양태들은 매우 다양한 상이한 구성들로 배열, 치환, 조합 및 설계될 수 있으며, 이들 모두는 본 개시의 일부로서 명시적으로 고려되고 제조된다는 것이 용이하게 이해될 것이다.
본 발명은 효율 패널티를 유도하지 않고 효과적인 CO2 처리 및 후속 탄소 포집을 가능하게 하는 연료 전지 시스템을 제공한다. 또한, 본 발명의 연료 전지 시스템은 탄소 포집을 가능하게 하는 CO2-농후 배기 스트림의 생성을 용이하게 할 뿐만 아니라, 종래의 시스템에 비해 증가된 작동 효율을 제공하기 위한 배기물 처리 모듈을 포함한다. 본 연료 전지 시스템은 애노드 배기 스트림을 재순환(예를 들어, 희석 효과)시키도록 구성된 종래의 연료 전지 시스템과 관련된 공지된 제한을 회피한다.
본 개시의 일 실시예는 연료 공급부, 공기 공급부, 및 가변 로드(load)에 결합된 연료 전지 모듈을 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 연료 전지 모듈은 연료 유입구를 통해 연료 공급부로부터 연료 전극(예를 들어, 애노드)에서 연료를 수용하고 공기 유입구를 통해 공기 공급부로부터 공기 전극(예를 들어, 캐소드)에서 공기를 수용하도록 구성될 수 있다. 연료 전지 시스템은 연료 전지 모듈의 유출구에 유체 흐름가능하게(fluidly) 결합될 수 있는 배기물 처리 모듈 및/또는 연소 컴포넌트(예를 들어, 애프터버너(afterburner))를 더 포함할 수 있다. 배기물 처리 모듈은 연료 전지 모듈의 유출구로부터 배출된 연료 배기물의 적어도 일부를 재순환 스트림으로서 수용하도록 구성될 수 있다. 배기물 처리 모듈은 재순환 스트림을 연료 유입구로 다시 라우팅하기 전에 재순환 스트림 내의 연료 함량을 농후화시키기 하기 위해 수용된 연료 배기물을 처리하도록 추가로 구성될 수 있다.
다양한 실시예에서, 배기물 처리 모듈은 SOEC(Solid Oxide Electrolytic Stack) 모듈로서 구성될 수 있다. 따라서, SOEC 모듈은 연료 전지 배기물의 일부를 수용할 수 있고, 동시-전기분해 프로세스를 통해 연료 함량을 농후화시킬 수 있으며, 이에 의해 연료 전지 시스템에 대한 순 연료 공급 요건을 낮출 수 있다. 다양한 실시예에서, SOEC 모듈은 흡열(endothermic) 영역 내에서의 작동을 용이하게 하기 위해 연료 전지로부터의 폐열을 사용하도록 구성될 수 있고, 이에 의해 SOEC 모듈의 효율을 증가시킨다.
제2 실시예는 연소 컴포넌트(예를 들어, 애프터버너(afterburner))을 위한 산화제로서 전기분해 생산 산소(예를 들어, SOEC 모듈에 의해 생산됨)의 사용에 관한 것이다. 다양한 실시예에서, 산화제로서 전기분해 산물을 사용하는 것은 배기 산물이 최종 유출구가 CO2 및 H2O의 거의 순수한 블렌드(blend)가 되도록 (예를 들어, 공기로부터) 질소를 도입하지 않고 연소되게 한다. 다양한 실시예에서, H2O는 응축을 통해 블렌드로부터 제거되어, 격리 또는 다운스트림 처리에서 사용할 준비가 된 고순도 CO2 스트림을 남길 수 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 연료 전지 시스템(10)의 개략도가 도시되어 있다. 연료 전지 시스템(10)은 공기 공급부(20) 및 연료 공급부(25)에 유체 흐름가능하게 결합되고, 그로부터 전기 형태로 전력을 생성하도록 구성된 SOFC 모듈(15)을 갖는 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템일 수 있다. SOFC 모듈(15)은 고체 전기화학 전지를 포함할 수 있으며, 이는 다공성 애노드(예를 들어, 다공성 세라믹)와 다공성 캐소드(예를 들어, 다공성 세라믹) 사이에 개재된 고체, 가스-불투과성 전해질(예를 들어, 조밀(dense) 세라믹)을 포함한다. 공기 공급부(20)를 통해 SOFC 모듈(15)에 제공되는 산소는 캐소드를 통해 SOFC 모듈(15) 내의 캐소드/전해질 계면으로 이송될 수 있으며, 여기서 산소 이온으로 환원된다. 그런 다음, 산소 이온은 SOFC 모듈(15) 내의 전해질을 통해 애노드로 이동할 수 있다. 애노드에서, 이온성 산소는 유입 매니폴드(35)를 통해 연료 공급부(25)로부터 수용된 입력 연료(30)와 반응할 수 있다. 다양한 실시예에서, 연료는 탄화수소, 합성가스, 또는 이온성 산소와 반응할 때 전자를 방출하기 위해 당업계에 공지된 임의의 적합한 연료일 수 있다. 전력은 전자들이 외부 회로를 통해 캐소드로 다시 이동할 때 생산된다.
이온성 산소(즉, 수용된 공기 공급부(20)로부터 생산됨)를 입력 연료(30)와 반응시킬 때, SOFC 모듈(15)은 산소 감손된 공기(40) 및 감손된 연료(45) 스트림을 출력할 수 있다. 도시된 바와 같이, 감손된 연료 스트림(45)은 출력 매니폴드(50)로 라우팅될 수 있으며, 여기서 감손된 연료(45)의 제1 부분(55)은 유체 흐름가능하게 결합된 연소 컴포넌트("애프터버너")(60)로 보내질 수 있고, 감손된 연료(45)의 제2 부분 또는 재순환 스트림(70)은 연료 유입 매니폴드(35)로 다시 재순환 스트림을 형성할 수 있다. 감손된 공기(40)를 또한 수용할 수 있는 애프터버너(60)는 감손된 공기(40) 및 감손된 연료(45)의 제1 부분(55)으로부터 잔류 산화제의 연소를 가능하게 하여, CO2, 아산화질소(NOx), 질소(N2), 및 H2O를 포함하는 배기 스트림(65)을 생산하도록 구성된다. 배기 스트림(65)은 시스템(10)이 과잉의 공기와 함께 작동할 때 산소(O2)를 더 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, SOFC 모듈(15)은 단일 SOFC 전지를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, SOFC 모듈(15)은 연료 전지 스택을 형성하기 위해 다수의 조립된 연료 전지를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, SOFC 모듈(15)은 다수의 연료 전지 스택을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, SOFC 모듈(15)은 하나 이상의 가변 로드로부터의 수요에 기초하여 전기를 출력하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템(10) 내의 SOFC 모듈(15) 및/또는 결합된 컴포넌트는 작동을 용이하게 하기 위해 하나 이상의 제어기에 통신 가능하게 결합될 수 있다.
연료 전지 시스템(10)은 감손된 연료(45)를 SOFC 모듈 유입구(30)로 다시 재순환시키기 위한 재순환 스트림을 포함한다. 연료 재순환 스트림(70)과 같은 연료 재순환 스트림이 두 가지 이점을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 탄화수소 연료의 경우, 감손된 연료 스트림(45) 내의 생성수(product water)는 연료(25)의 증기 개질을 지원할 수 있어, 별도의 물 공급에 대한 요건을 제거함으로써 전체 시스템을 단순화한다. 또한, 연료 재순환 스트림(70)은 연료 입력부(30)에서 연료 농도를 불리하게 감소시키면서 총 연료 함량을 유리하게 증가시킬 수 있다. 최고의 전체 시스템 수명 및 효율을 위해, 과잉의 연료가 전형적으로 요구된다는 것이 최신 기술에 의해 인식된다. 특히, 연료 공급부(25)에 의해 제공되는 과잉의 연료 없이, SOFC 모듈(15)과 같은 SOFC 모듈을 작동시키는 것은 실용적이지 않다는 것이 인식된다. 예를 들어, SOFC 모듈(15)이 연료 공급부(25)로부터 화학량론적 연료 입력만으로 작동되는 경우, 결과는 완전히 감손된 유출구 연료(예를 들어, 감손된 연료 스트림(45))일 것이며, 이는 잠재적으로 탄소 포집에 유리하지만, SOFC 모듈(15)을 불안정하게 만들고 그것의 수명 및 효율 둘 모두에 부정적인 영향을 미칠 것이다. 따라서, 연료 공급부(25)에 의해 공급되는 필요한 연료의 양은 전형적으로 SOFC 모듈(15) 내에서 전기화학적으로 반응한 연료의 양의 적어도 10% 초과일 수 있다. 또한, 연료 전지 시스템(10)이 다양한 온실 가스 및 임의의 미반응 연료를 포함하는 다수의 부산물을 갖는 배기 스트림(65)을 생성함에 따라, 이러한 배기 스트림(65)은 다양한 사용 애플리케이션을 위한 분배 이전에 또는 배기 스트림(65) 내의 가스의 비오염 제거 이전에 다운스트림 처리를 위해 배출되어야 한다. 이러한 추가 처리는 연료 전지 시스템(10)의 효능을 추가로 감소시킨다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 개략도를 도시한다. 다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템(100)의 엘리먼트들(115 내지 170)은 연료 전지 시스템(10)의 대응하는 엘리먼트들(15 내지 70)과 동일하거나 등가이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템(100)은 감손된 연료(145)의 제2 부분(170)에 유체 흐름가능하게 결합되는 배기물 처리 모듈(175)을 더 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 배기물 처리 모듈(175)은 SOEC 모듈일 수 있다. SOEC 모듈(175)은 전기적으로 병렬 연결된 복수의 분기(branch)를 포함할 수 있으며, 각각의 분기는 적어도 하나의 고체 산화물 수전해 전지 스택을 포함하고, 각각의 고체 산화물 수전해 전지 스택은 복수의 고체 산화물 수전해 전지를 포함한다. 다양한 실시예에서, SOEC 모듈(175)은 애노드, 전해질 층 및 캐소드를 포함하고, 전해질 층은 전자를 생성하여 전기를 생성하는 반응을 용이하게 하기 위해 애노드와 캐소드 사이에 이온을 전달하는 역할을 한다.
도시된 바와 같이, SOEC 모듈(175)은 SOFC 모듈(115)로부터의 폐열(180)이 SOEC 모듈(175)에 의해 작동을 지지하기 위해 사용될 수 있도록 SOEC 모듈(115)에 대해 배치될 수 있다. SOEC 모듈(175)은 감손된 연료(145)의 제2 부분(170)을 수용할 수 있으며, 이는 SOFC 모듈(115)로부터 미반응된 채로 남아 있는 연료, 및 CO2 및 H2O와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 다양한 가스 상태의 부산물을 함유할 것이다. SOEC 모듈(175)은 수용된 제2 부분(170)에 의존하고, 폐열(180)에 의해 촉진되는 동시-전기분해 프로세스(즉, H2O 및 CO2 둘 모두의 전기분해)를 거칠 수 있으며, 여기서, 가스 상태의 부산물들이 반응되어 연료 및 산소를 형성할 수 있다. 따라서, SOEC 모듈(175)은 연료-농후화 재순환 스트림(185)을 출력할 수 있고, 이는 그런 다음 SOFC 모듈(115)을 통한 재순환을 위해 입력 매니폴드(135)로 라우팅될 수 있다. SOEC 모듈(175)에 의해 생산된 산소는 유출 스트림(190)에서 SOEC 모듈(175)로부터 제거될 수 있으며, 이는 감손된 연료(145)의 제1 부분(155)에 남아 있는 미반응 연료의 연소를 용이하게 하기 위해 애프터버너(160)에 산화제로서 공급될 수 있다. 도시된 바와 같이, SOEC 모듈(175)로부터의 유출 스트림(190)을 애프터버너(160)에 대한 산화제로서 구현하는 것은 애프터버너로부터의 최종 배기 스트림(165)이 거의 배타적으로 CO2 및 H2O로 구성되도록 제1 부분(155) 내의 연료의 완전한 연소를 가능하게 할 수 있다.
연료 전지 시스템(100)이 SOEC 모듈(175) 내에서 연료를 재생하여 SOFC 모듈(115)로부터의 감손된 연료(145)의 제2 부분(170)으로부터 농후화된 재순환 스트림(185)을 생산하기 때문에, 연료 전지 시스템(100)은 (예를 들어, 연료 전지 시스템(10)과 비교하여) 연료 전지 시스템(100)을 작동시키는데 필요한 순 연료 공급(125)을 감소시킬 수 있다. SOEC 모듈(175)의 작동에 기인하는 효율 손실은 유입 연료 요건(125)의 저하, 폐열(180)의 사용, 및/또는 유입구(130)에서의 개선된 가스 조성(즉, 농후화된 재순환 스트림(185)으로 인한 더 높은 연료 함량)으로 인한 증가된 효율을 위해 보상될 수 있으며, 이들 중 후자는 연료 전지 시스템(100) 내의 더 낮은 상대 기생을 가능하게 할 수 있고 및/또는 SOFC 모듈(115)의 더 높은 작동 전압을 가능하게 할 수 있다(예를 들어, 연료 전지 시스템(10)의 것과 비교하여).
다양한 실시예에서, SOEC 모듈(175)은 SOFC 모듈(115)과는 별개의 모듈로서 구성될 수 있고, 하나 이상의 가스 스트림을 통해 그와 열을 교환할 수 있다. 다른 실시예에서, SOFC 모듈(115)은 다수의 스택을 포함할 수 있고, 각각의 스택은 다수의 전지를 포함하고, 각각의 스택 내의 전지의 일부는 SOEC 전지일 수 있다. 또 다른 실시예에서, SOFC 모듈(115) 및 SOEC 모듈(175)은 집합적으로 복수의 스택들을 형성할 수 있고, 여기서 SOEC 모듈(175)은 복수의 스택들 중 하나 내에 포함된다.
다양한 실시예에서, SOEC 모듈(175)은 로드 흡수 및/또는 전력 방출을 보조함으로써 연료 전지 시스템(100)의 작동 후에 플랜트(plant) 및/또는 로드의 균형에 기여하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예에서, SOEC 모듈(175)은 셧다운 이벤트 동안 연료 전지 시스템(100) 컴포넌트의 보존을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예에서, SOEC 모듈(175)은 SOFC 모듈(115)의 애노드를 보호하기 위한 환원 가스 공급원으로서 작용하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예들에서, SOEC 모듈(175)은 셧다운 이벤트 동안 또는 그 직후에 일정 기간에 걸쳐 환원 가스를 도입하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템(100)은 하나 이상의 제어기에 동작 가능하게 결합될 수 있고, 하나 이상의 제어기는 연료 전지 시스템(100) 내에 포함된 SOFC 모듈(115), SOEC 모듈(175) 및/또는 다른 컴포넌트의 작동을 제어하도록 구성된다. 따라서, 다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템(100)은 SOFC 모듈(115)(예를 들어, 입력 연료(130)) 및/또는 SOEC 모듈(175)(예를 들어, 감손된 연료 부분(170)) 내의 연료 가스 입력의 조성을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템(100)은 SOFC 모듈(115)(예를 들어, 감손된 연료(145)) 및/또는 SOEC 모듈(175)(예를 들어, 농후화된(enriched) 재순환 스트림(185))로부터 출력된 연료 가스의 조성을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 따라서, 제어기는 시스템(100) 내의 모니터링된 연료 가스 조성에 기초하여 연료 전지 시스템(100)의 하나 이상의 작동 조건을 설정 및/또는 조정하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템(100)은 프로토콜에 따라 연료 가스 조성을 구현하도록 구성될 수 있으며, 여기서 연료 가스 조성이 하나 이상의 미리 결정된 임계치를 만족시키지 못한다는 결정 시에(예를 들어, 제어기에 의해), SOFC 모듈(115) 및/또는 SOEC 모듈(175)은 연료 가스 조성을 만족스러운 레벨로 복귀시키도록(즉, 시스템(100) 내의 유입구 및/또는 유출구에서) 작동을 협력적으로 또는 상보적으로 조정할 수 있다. 다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템(100)은 (예를 들어, 제어기에 의한) 연료 가스 결정에 기초하여 연료 공급부(125)에 의해 제공되는 연료 가스의 양을 조정하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템(100)은 유입 연료 유동(125)이 SOFC 모듈(115)에서 전기화학적으로 소비된 연료와 대략 일치하도록 설정될 수 있는 작동 조건(즉, 100% 연료 이용 조건으로서 당업계에 공지된 조건)에서 또는 그 주위에서 작동될 수 있다. 따라서, 실질적으로 모든 유입 연료가 SOFC 모듈(115)에서 전기화학적으로 소모되도록 유입 연료 유동(125)이 제어될 때, 감손된 연료 스트림(145)의 제1 부분(155)에서 미반응 연료의 양은 대부분 SOEC 모듈(175)의 작동 조건에 의해 결정될 수 있다. 순수 반응물(예를 들어, 순수 메탄)의 경우, 이러한 제어는 작동 전류에 비례하는 유입 연료 유동(125)을 스케일링하는 것을 필요로 할 수 있다. 다양한 조성을 갖는 연료(예를 들어, 천연 가스)에 대해, 유입 연료 유동(125)의 직접적인 스케일링은 최상의 CO2 포집을 용이하게 하기 위한 조성 측정과 함께 유입 연료 및/또는 배기물의 조성을 고려해야만 가능할 수 있다. 예시적인 조성 측정은 가스 크로마토그래피 또는 유사한 분석을 사용하는 유입 연료 유동(125) 또는 배기물(예를 들어, 감손된 연료 스트림(145), 배기 스트림(165))의 특성화를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 배기 스트림(예를 들어, 감손된 연료 스트림(145), 배기 스트림(165)) 내의 산소 농도의 측정은 예를 들어, 하나 이상의 산소 센서를 사용하여 수행될 수 있다. 따라서, 유출 스트림(190) 내의 산소의 양은 SOEC 모듈(175)이 화학량론적 조건에서 작동될 때 감손된 연료 스트림(145)의 제1 부분(155) 내의 과잉 연료와 대략 일치할 수 있어서, 실질적으로 완전한 반응의 경우에, 애프터버너(160)는 잔류하는 미반응 연료를 H2O 및/또는 CO2로 변환할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 연료 공급부(125)에 의해 공급되는 연료 대 SOFC 모듈(115) 출력의 비율을 1.0 초과 및 미만으로 변화시킴으로써, 애프터버너(160)에서의 화학량론은 각각 희박(lean)에서 농후(rich)로 상응하여 변화할 수 있다. 연료 공급부(25)로부터의 과잉의 연료가 항상 요구되는 연료 전지 시스템(10)과 같은 종래의 시스템과는 달리, 연료 전지 시스템(200)에서 SOEC 모듈(175)에 의해 제공되는 연료 농후화는 대신에 SOFC 모듈(115)의 전기화학적 전력 생산을 지원하는데 요구되는 레벨 이하에서 연료 공급부(125)로부터의 유입 연료로 안정적인 작동을 가능하게 할 수 있다.
다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템은 그 안의 공기 및/또는 연료 가스의 유동을 증가 및/또는 조절하기 위한 하나 이상의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 도 3은 종래의 연료 전지 시스템(200)의 개략도를 도시한다. 연료 전지 시스템(200)은 공기 공급부(220) 및 연료 공급부(225)에 유체 흐름가능하게 결합되고 가변 로드(217)를 지지하기 위해 전력을 생성하도록 구성된 SOFC 모듈(215)을 갖는 SOFC 시스템일 수 있다. SOFC 모듈(215)에 의해 생성된 열은 폐열(waste heat)(219)로 방출될 수 있다. 도시된 바와 같이, 공기 공급부(220)로부터의 공기는 공기 유입 매니폴드(221)를 통해 연료 전지 시스템(200)으로 유입될 수 있고, 공기 유입 라인(227)에 유체 흐름가능하게 결합된 하나 이상의 송풍기(blower)(224)를 통해 SOFC 모듈(215)로 순환될 수 있다. 유사하게, 연료 공급부(224)로부터의 연료는 연료 가스 유입 매니폴드(235)를 통해 연료 전지 시스템(200)으로 유입될 수 있고, 연료 가스 유입 라인(230)에 유체 흐름가능하게 결합된 하나 이상의 송풍기(237)를 통해 SOFC 모듈(215)로 순환될 수 있다. 도시된 바와 같이, 산소가 감손된 공기는 감손된 공기 스트림(240)을 통해 SOFC 모듈(215)로부터 멀리 흐를 수 있다. 유사하게, 연료가 감손된 연료 가스는 감손된 연료 가스 스트림(245)을 통해 SOFC 모듈 (215)로부터 멀리 흐를 수 있다. 감손된 연료 가스 스트림(245)은 연료 출력 매니폴드(250)에 유체 흐름가능하게 결합될 수 있으며, 여기서 감손된 연료 가스 스트림(245)은 제1 감손된 스트림(255) 및 제2 감손된 스트림(270)으로 분할될 수 있다. 도시된 바와 같이, 제1 감손된 스트림(255)은 감손된 공기 스트림(240)과 함께, 제1 감손된 스트림(255)으로부터의 나머지 연료를 감손된 공기 스트림(240)으로부터의 산소와 연소시키도록 구성된 애프터버너(260)로 라우팅될 수 있다. 다양한 실시예에서, 애프터버너(260)는 연소 산물을 처리하고 복수의 가스 상태의 부산물 및 물을 함유하는 배기 스트림(265)으로서 출력할 수 있는 하나 이상의 처리 유닛(263)에 유체 흐름가능하게 결합될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제2 감손된 연료 스트림(270)은 연료 유출구 매니폴드(250)로부터 연료 유입 매니폴드(235)를 향해 재순환 스트림으로서 유동할 수 있어서, 감손된 연료는 연료 가스 유입 라인(230)을 통해 송풍기(blower)(237)를 거쳐 SOFC 모듈(215)로 다시 순환될 수 있다. 다양한 실시예에서, 감손된 연료 스트림(270)은 증기(H2O)와 같은 산물에 추가하여 SOFC 모듈(215)에 추가 연료를 (더 낮은 농도로) 동시에 제공하여, 별도의 물 공급을 필요로 하지 않고 증기 개질을 지원할 수 있다.
따라서, 연료 공급부(225)는 SOFC 모듈(215)의 작동을 용이하게 하기 위해 연료 가스 유입 라인(230)에 연료 가스의 양을 계속 공급해야 한다. 예시된 바와 같이, 연료 전지 시스템(200)은 각각의 공기 유입 라인(227), 연료 가스 유입 라인(230), 감손된 공기 스트림(240), 및 개개의 제1 및 제2 감손된 연료 가스 스트림들(255 및 270)의 각각 내에 배치된 복수의 제어가능한 밸브 컴포넌트들(267 및 268)(예를 들어, 솔레노이드 밸브들, 포핏 밸브(poppet valve)들 등)을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템(200)은 복수의 방출 유동 라인(269)을 포함할 수 있으며, 이는 공기 유입 라인(227), 연료 가스 유입 라인(230), 및 제2 감손된 연료 가스 스트림(270)에 유체 흐름가능하게 연결되어 그 내부의 압력의 방출을 용이하게 할 수 있다(예를 들어, 셧다운 이벤트 동안). 설명된 바와 같이, 배기 스트림(265)은 CO2, NOx, N2, 및 H2O를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는 복수의 가스 상태의 부산물을 함유할 수 있다.
다양한 실시예에서, SOFC 모듈(215)은 단일 SOFC 전지를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, SOFC 모듈(215)은 연료 전지 스택을 형성하기 위해 다수의 조립된 연료 전지를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템(200) 내의 SOFC 모듈(215) 및/또는 결합된 컴포넌트는 그 작동을 용이하게 하기 위해 하나 이상의 제어기에 통신 가능하게 결합될 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 주로 CO2 및 H20으로 이루어지는 통합된 최종 배기 스트림을 유리하게 생산하고, 전체 시스템 효율 시스템을 증가시키고, 연료 공급부로부터 요구되는 연료의 양을 감소시키기 위해, 연료 전지 시스템은 감손된 공기 및/또는 연료 가스를 재순환시키고 탄소 포집을 용이하게 하기 위해 처리하기 위한 하나 이상의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 도 4는 예시적인 실시예에 따른 배기물 처리 모듈(375)을 포함하는 연료 전지 시스템(300)의 개략도를 도시한다. 다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템(200)의 엘리먼트들(215 내지 270)은 연료 전지 시스템(300)의 대응하는 엘리먼트들(315 내지 370)과 동일하거나 등가이다. 따라서, 연료 전지 시스템(300)은 제2 감손된 연료 가스 스트림(370) 및 연료 가스 유입 매니폴드(335) 모두에 유체 흐름가능하게 결합되는 배기물 처리 모듈(375)을 더 포함한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 배기물 처리 모듈(375)은 연료 가스 유출구 매니폴드(350)(예를 들어, 애노드 배기물)를 통해 SOFC 모듈(315)로부터 배기되는 감손된 연료 가스 스트림(370)으로부터 감손된 연료 가스를 수용하도록 구성된다. 감손된 연료 가스 스트림(370)으로부터 수용된 감손된 연료 가스는 SOEC 모듈(395)로 입력된다. 다양한 실시예에서, 배기물 처리 모듈(375)은 SOEC 모듈일 수 있다. SOEC 모듈(395)은 전기적으로 병렬로 연결된 다수의 분기를 포함할 수 있으며, 각각의 분기는 적어도 하나의 고체 산화물 수전해 전지 스택을 포함하고, 각각의 고체 산화물 수전해 전지 스택은 다수의 고체 산화물 수전해 전지를 포함한다. 다양한 실시예에서, SOEC 모듈(395)은 애노드, 전해질 층 및 캐소드를 포함하고, 전해질 층은 전기를 생산하기 위해 전자를 생성하는 반응을 용이하게 하기 위해 애노드와 캐소드 사이에 이온을 전달하는 역할을 한다.
다양한 실시예에서, SOEC 모듈(395)은 SOFC 모듈(315)로부터의 폐열이 그 작동을 지지하기 위해 SOEC 모듈(395)에 의해 사용될 수 있도록 SOFC 모듈(315)에 대해 배치될 수 있다. SOEC 모듈(395)은 감손된 연료(345)의 제2 부분(370)을 수용할 수 있으며, 이는 SOFC 모듈(315)로부터 CO2 및 H2O와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 다양한 가스 상태의 부산물에 추가하여 미반응으로 남아 있는 연료를 함유할 것이다. SOEC 모듈(395)은 수용된 제2 부분(370)에 의존할 수 있고, 폐열에 의해 촉진되는 동시-전기분해 프로세스(예를 들어, H2O 및 CO2 둘 모두의 전기분해)를 거칠수 있고, 여기서, 가스 상태의 부산물이 반응되어 연료와 산소를 형성할 수 있다. 따라서, SOEC 모듈(395)은 연료-농후화 스트림(385)을 출력할 수 있으며, 이는 결국 SOFC 모듈(315)을 통해 재순환될 수 있다. SOEC 모듈(395)에 의해 생산된 산소는 유출 스트림(390)에서 SOEC 모듈(395)로부터 제거될 수 있으며, 이는 감손된 연료(345)의 제1 부분(355)에 남아 있는 미반응 연료의 연소를 용이하게 하기 위해 애프터버너(360)에 산화제로서 공급될 수 있다. 도시된 바와 같이, SOEC 모듈(395)로부터의 유출 스트림(390)을 애프터버너(360)에 대한 산화제로서 구현하는 것은 애프터버너로부터의 최종 배기 스트림(365)이 거의 배타적으로 CO2 및 H2O로 구성되도록 제1 부분(355)에서 연료의 완전한 연소를 가능하게 할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템(300)은 제1 및 제2 매니폴드들(400 및 405)에 각각 유체 흐름가능하게 결합된 응축기(410)를 포함하는 물 녹아웃 유닛(403)을 더 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 물 녹아웃 유닛(403)은 SOEC 모듈(395)로부터 출력된 농후화 스트림(385)을 수용하도록 구성될 수 있다. 농후화 스트림(385)은 제1 매니폴드(400)에 의해 수용될 수 있으며, 이는 제1 부분(413)의 일부가 분할되어 응축기(410)로 순환되도록 스트림을 분할하며, 여기서 과잉의 물은 농후화 스트림(385)의 제1 부분(413)으로부터 제거될 수 있다. 이러한 프로세스는 최종적인 재순환 스트림의 조성을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 연료 유입 라인(330) 내의 연료 가스를 SOFC 모듈(315)로 순환시키도록 구성된 송풍기(337)를 위한 냉각 메커니즘으로서 작용할 수도 있다. 다양한 실시예에서, 제1 부분(413)은 농후화 스트림(385) 내의 전체 가스의 20% 미만을 포함할 수 있다. 과량의 물이 제1 부분(413)으로부터 제거되면, 이는 제2 매니폴드(405)로 순환되어 재순환된 스트림(420)으로서 연료 가스 유입 매니폴드(335)로 재순환될 수 있다. 농후화 스트림(385) 내의 가스의 나머지를 포함하는 농후화 스트림(385)의 제2 부분(415)은 제2 매니폴드(405)로 직접 순환되며, 여기서 제2 부분(415) 내의 가스는 재순환 스트림(420)을 통해 연료 가스 유입 매니폴드(335)로 재순환될 때 건조된 제1 부분(413)과 혼합될 수 있다. 다양한 실시예에서, 물 녹아웃 유닛(403)은 (예를 들어, SOEC 모듈(395)에서) 감소된 유입 연료 유동과 결합된 재순환 스트림(420)의 구현으로부터 초래되는 과잉 증기의 공급을 통한 스택 전압의 억제를 방지하기 위해 연료 전지 시스템(300) 내에 포함될 수 있다. 따라서, SOEC 모듈(395)을 빠져나가는 농후화 스트림(385)의 적어도 일부로부터 물을 제거하는 것은 SOEC 모듈(395) 스택의 효율을 유지하는 것을 용이하게 할 수 있다. 연료 전지 시스템(200)과 같은 종래의 시스템과 유사하게, 연료 전지 시스템(300)의 재순환 스트림(예를 들어, 스트림(370))은 가스 유입 라인(330)에서 연료를 증가시킬 수 있고, 증기 개질을 지원하는 데 필요한 물(예를 들어, 증기의 형태)을 제공하면서 (예를 들어, 가스 유입 라인(330)에서) 유입 연료의 개질을 지원할 수 있는 산물(예를 들어, 일차적으로 증기, H2O)을 제공할 수 있다. 그러나, 종래의 시스템(예를 들어, 연료 전지 시스템(200))과 달리, 연료 가스 유입 매니폴드(335)에서의 유입 연료는 상당히 감소될 수 있고, 따라서 개질 및 탄소 침적(deposition)에 대한 보호를 위해 더 적은 증기(H2O)을 필요로 한다.
연료 전지 시스템(300)이 SOEC 모듈(395) 내에서 연료를 재생하여 SOFC 모듈(315)로부터의 감손된 연료(345)의 제2 부분(370)으로부터 농후화된 재순환 스트림(385)을 생성하기 때문에, 연료 전지 시스템(300)은 (예를 들어, 연료 전지 시스템(200)과 비교하여) 연료 전지 시스템(300)을 작동시키는데 필요한 순 연료 공급(325)을 감소시킬 수 있다. 또한, SOEC 모듈(375)의 작동에 기인하는 효율 손실은 유입 매니폴드(335)에서 폐열의 사용 및 개선된 가스 조성(즉, 농후화되고 건조된 재순환 스트림(420)으로 인한 더 높은 연료 함량)으로 인한 증가된 효율을 위해 보상될 수 있으며, 이들 중 후자는 연료 전지 시스템(300) 내의 더 낮은 상대 기생 및/또는 SOFC 모듈(315)의 더 높은 작동 전압(예를 들어, 연료 전지 시스템(200)의 것과 비교하여)을 가능하게 할 수 있다.
다양한 실시예에서, SOEC 모듈(395)은 SOFC 모듈(315)과는 별개의 모듈로서 구성될 수 있고, 하나 이상의 가스 스트림을 통해 열을 교환할 수 있다. 다른 실시예에서, SOFC 모듈(315)은 다수의 스택을 포함할 수 있고, 각각의 스택은 다수의 전지를 포함하고, 각각의 스택 내의 전지의 일부는 SOEC 전지일 수 있다. 또 다른 실시예에서, SOFC 모듈(315) 및 SOEC 모듈(395)은 집합적으로 복수의 스택들을 형성할 수 있고, 여기서 SOEC 모듈(395)은 복수의 스택들 중 하나 내에 포함된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템(300)은 각각의 공기 유입 라인(327), 연료 가스 유입 라인(330), 감손된 공기 스트림(340), 및 개개의 제1 및 제2 감손된 연료 가스 스트림들(355 및 370)의 각각 내에 배치된 복수의 열 교환 컴포넌트들(427 및 428)을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템(300)은 시스템(300) 내에서 열 관리 및 열 보호를 용이하게 하기 위해 공기 유입 라인(327), 연료 가스 유입 라인(330), 및 제2 감손된 연료 가스 스트림(370)에 열적으로 결합될 수 있는 복수의 열 결합 경로(429)를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, SOEC 모듈(395)은 로드 흡수 및/또는 전력 방출을 보조함으로써 연료 전지 시스템(300)의 작동 후에 플랜트(plant) 및/또는 로드의 균형에 기여하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 일반적으로 (SOEC 모듈(395)과 같은) 전해조 시스템(electrolyzer system)은 비교적 큰 전력 입력을 안전하게 흡수하면서, 로드를 신속하게 스위치 온 및 스위치 오프할 수 있기 때문에, SOEC 모듈(395)은 셧다운 이벤트 동안 연료 전지 시스템(300) 컴포넌트의 보존을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 일반적으로, (예를 들어, SOEC 모듈(395)과 같은) 고체 산화물 전해조는 넓은 전류 밀도 범위에 걸쳐 흡열적으로 작동하는 경향이 있다. 따라서, 이러한 시스템들의 전기화학적 효율은 그것들의 작동 윈도우의 대부분에 대해 100%를 초과할 수 있으며, 이는 시스템의 지속 작동을 위해 외부 열을 필요로 할 수 있다. 결과적으로, SOEC 모듈(예를 들어, SOEC 모듈(395))은 전형적으로, 안정한 동작 동안 SOFC 모듈(예를 들어, SOFC 모듈(315))로부터 추출될 수 있는 최대 열에 의해 결정되는, 열 한계치에 도달하기 전에 동등한 SOFC 모듈(예를 들어, SOFC 모듈(315))에 비해 더 높은 반응 속도에서 동작할 수 있다. 따라서, SOEC 모듈(예를 들어, SOEC 모듈(395))이 열적으로 제한되는 전기분해 전력 정격은 동등한 SOFC 모듈(예를 들어, SOFC 모듈(315))의 정격과 비교하여 5x 이상일 수 있다. 따라서, 제어 및 안정성 관점에서, SOEC 모듈(예를 들어, SOEC 모듈(395))의 전력 레벨을 동등한 SOFC 모듈(예를 들어, SOFC 모듈(315))의 전력 레벨보다 빠르게 변화시키는 것이 일반적으로 더 용이하다.
예를 들어, SOEC 모듈(395)과 같은 전해조는 발열적으로 작동하면서 대략 0.25 W/cm2를 생산할 수 있는 SOFC 모듈(315)과 같은 표준 연료 전지와 비교하여 열적으로 중성인 조건 근처에서 작동하면서 대략 1.3 W/cm2(즉, SOEC 모듈(395) 내의 전지의 단위 활성 면적당 전력) 이상을 흡수하도록 구성될 수 있다. 따라서, 배기물 처리 모듈(375) 내에 SOEC(395)의 통합은 연료 전지 시스템(300)이 종래의 시스템(예를 들어, 연료 전지 시스템(200))에 비해 더 빠른 속도로 그리드 안정화(grid stabilization)에 기여할 수 있게 한다. 다양한 실시예에서, SOFC 모듈(315)은 시간 평균 로드 조건 또는 요건에 따라 작동될 수 있는 반면, SOEC 모듈(395)은 평균 조건(예를 들어, +/- 10%) 이상 또는 이하의 고속 변조를 제공할 수 있다.
다양한 실시예에서, SOEC 모듈(395)은 SOFC 모듈(315)의 애노드를 보호하기 위한 환원 가스 공급원으로서 작용하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예에서, SOEC 모듈(395)은 셧다운 이벤트 동안 또는 그 직후에 또는 시동 동안 일정 기간에 걸쳐 환원 가스를 도입하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예에서, SOEC 모듈(395)은 SOFC 모듈(315)이 전력을 생성하지 않을 때 연료 함량(예를 들어, 네른스트 식(Nernst equation)에 의해 정의된)에 비례하는 전압을 생성하는 SOFC 모듈(315) 내의 전지 전압을 모니터링함으로써 SOEC 모듈(395) 내의 환원 가스의 생성을 제어하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템(300)은 하나 이상의 제어기에 동작 가능하게 결합될 수 있고, 하나 이상의 제어기는 연료 전지 시스템(300) 내에 포함된 SOFC 모듈(315), SOEC 모듈(395) 및/또는 다른 컴포넌트의 동작을 제어하도록 구성된다. 따라서, 다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템(300)은 SOFC 모듈(315) 내(예를 들어, 입력 연료 라인(330) 내) 및/또는 SOEC 모듈(395)(예를 들어, 감손된 연료 스트림 부분(370)) 내의 연료 가스 입력의 조성을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템(300)은 (예를 들어, 감손된 연료 가스 스트림(345) 내의) SOFC 모듈(315) 및/또는 SOEC 모듈(395)(예를 들어, 농후화된 스트림(385) 및/또는 재순환 스트림(420))로부터 출력된 연료 가스의 조성을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 따라서, 제어기는 시스템(300) 내의 모니터링된 연료 가스 조성에 기초하여 연료 전지 시스템(300)의 하나 이상의 작동 조건을 설정 및/또는 조정하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템(300)은 프로토콜에 따라 연료 가스 조성을 구현하도록 구성될 수 있으며, 여기서 연료 가스 조성이 하나 이상의 미리 결정된 임계치를 만족시키지 못한다는 결정 시에(예를 들어, 제어기에 의해), SOFC 모듈(315) 및/또는 SOEC 모듈(395)은 연료 가스 조성을 만족스러운 레벨로 복귀시키도록(즉, 시스템(300) 내의 유입구 및/또는 유출구에서) 작동을 협력적으로 또는 상보적으로 조정할 수 있다. 다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템(300)은 (예를 들어, 제어기에 의한) 연료 가스 결정에 기초하여 연료 공급부(325)에 의해 제공되는 연료 가스의 양을 조정하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템(300)은 모듈로의 연료 가스의 양 그리고 과도 이벤트 동안 SOFC 모듈(315) 내의 스택 상의 개질의 양을 조정하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 연료 전지 시스템(300)이 그렇지 않으면 시스템 응답 속도를 초과할 수 있는 로드 전이(load transition)를 따르도록 하기 위해, 연료 전지 시스템(300)은 이러한 과도상태 동안 환경에 일부 CO2를 방출할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 플랜트가 급속한 언로드를 겪어야 하는 경우, 연료 전지 시스템이 스택에서 가스 유동을 감소시킬 시간을 갖기 전에 개질되지 않은 연료 가스가 부분적으로 또는 완전히 언로딩된 스택 내로 유동할 수 있기 때문에 (예를 들어, 연료 전지 시스템(200)과 같은) 종래의 시스템은 (예를 들어, SOFC 모듈(215) 내의) SOFC 스택을 상당한 흡열에 노출시킬 수 있다. 대조적으로, 연료 전지 시스템(300)은 SOFC 모듈(315)을 언로딩하지 않고 순 플랜트 언로드 프로세스를 시작하기 위해 SOEC 모듈(395)에서의 수요를 빠르게 증가시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 연료 전지 시스템(300) 프로세스 제어가 (예를 들어, 제어기를 통해) 연료 가스의 공급을 감소시키도록 (예를 들어, 공급원(325)으로부터) 조절함에 따라, SOEC(395)는 재순환 스트림(420)에 수소를 계속 첨가하면서 SOFC 모듈(315) 언로드 프로파일을 따를 수 있다. 재순환 스트림(420)으로의 이러한 수소 첨가는 연료 전지 시스템(300)에 대한 전력 수요가 빠르게 증가하면 연료가 농후화된 환경을 유지하는 것에 더하여, 더 긴 언로드 이벤트의 경우에 SOFC 모듈(315)을 감소된 상태로 유지하는 것을 도울 수 있다. 다양한 실시예에서, 전력 수요가 빠르게 증가하면, SOEC 모듈(395) 전력이 감소될 수 있고, 동시에 연료 전지 시스템(300)의 순 전력 출력을 증가시키고 SOFC 모듈(315) 로딩 속도를 감소시킨다.
CO2 포집-가능 연료 전지 시스템(300) 대 종래의 연료 전지 시스템(200)의 계산 모델링 데이터는 작동 실행가능성을 보여주었으며, 배기물 처리 모듈(375) 내의 SOEC 모듈(395) 및 물 녹아웃 유닛(303)의 구현으로 인해 개선된 성능을 나타내었다. 요약하면, 아래의 표 1은 종래의 연료 전지 시스템(200)과 비교하여 연료 전지 시스템(300)의 상대적 성능 파라미터를 도시한다.
표 1
Figure pct00001
표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, SOEC 모듈(395)과 SOFC 모듈의 통합은 배기 스트림(365) 내의 단지 5 건조%에서 임의로 100 건조%에 가깝게 배기 CO2 농도를 증가시키면서 효율의 순 증가를 가능하게 한다.
또한, SOFC 모듈(315)에 의한 생산 및 SOEC 모듈(395)에 의한 소비 둘 모두를 포함하는 연료 전지 시스템(300)의 주어진 순 전력 출력에 대해, 연료 전지 시스템(300)은 더 큰 SOFC 모듈(15)을 필요로 할 수 있다(즉, SOFC 모듈(315)에 의한 더 높은 기여를 용이하게 하기 위해, 예컨대, 베이스라인 량보다 16% 더 높다). 다양한 실시예에서, SOEC 모듈(395)은 종래의 연료 전지 시스템(예를 들어, 연료 전지 시스템(200))과 비교하여 더 높은 전류에서 작동하도록 구성될 수 있으며, 이는 탄소 포집 기능(예를 들어, 전체 20 내지 25% 증가)을 제공하기 위해 연료 전지 시스템(300)에 포함되어야 하는 전지(또는 총 전지 활성 면적)의 순 증가를 감소시킬 수 있다. 다양한 실시예에서, 시스템(300)의 연료 공급은 SOEC 모듈(395)에 의한 14% 더 큰 SOFC 모듈(315) 기여 및 20-25% 전지의 증가에도 불구하고 종래의 시스템(예를 들어, 연료 전지 시스템(200))에 비해 대략 3-5% 더 클 수 있다.
더욱이, 탄소 포집을 가능하게 하는 경쟁 접근법들이 존재함에도 불구하고, 연료 전지 시스템(300)과 같은 연료 전지 시스템은 비교적으로 우수한 동작 특성을 제공한다. 요약하면, 아래의 표 2는 베이스라인 종래의 시스템(예를 들어, 연료 전지 시스템(200)) 및 CO2 분리에 관한 대안 경쟁 시스템과 비교하여 연료 전지 시스템(300)의 동작 파라미터를 예시한다.
표 2
Figure pct00002
표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 계산 모델링 방법(즉, HYSYS 화학 프로세스 시뮬레이션)을 사용하여 수집되고, 단일 전지 테스팅에 의해 지지된 데이터는 SOEC 모듈(395)을 SOFC 모듈(315)과 통합하는 것은 더 높은 시스템 연료 이용률 및 (SOFC 모듈(315) 내의) SOFC 스택 연료 이용률과 함께 SOFC 모듈(315)에 의한 더 높은 총 전력 출력을 요구한다. 또한, 연료 전지 시스템(300)은 더 높은 효율로 작동하고 소량의 불순물만으로 더 높은 순도를 갖는 CO2 출력(즉, 배기 스트림(365) 내)을 생산할 수 있다. 또한, 산소-연소에 기초한 최신 경쟁 시스템과 비교하여, 연료 전지 시스템(300)은 거의 순수한 CO2 출력 배기를 생산하면서 다른 프로세스 장비(예를 들어, 공기 송풍기, 연료 송풍기)에서의 적당한 증가 및 적당한 전지 카운트 증가(예를 들어, +20%)를 요구하며, 이는 추가적인 처리 없이 다운스트림 사용 애플리케이션을 위해 용이하게 재지향될 수 있다. 경쟁적인 최신 기술의 산소- 연소 기반 시스템들은 더 낮은 전체 효율 및 더 낮은 순도의 고갈된 CO2를 제공하며, 이는 상업적 적용성을 제한하면서, 또한 더 높은 자본 비용을 갖고 감소된 동작 유연성을 제공한다. 또한, 경쟁의 아민 흡수 CO2 포집 기술이 비교적 잘 이해될 수 있지만, 이들 기술은 높은 자본 및 운영 비용 과제를 제공한다. 예를 들어, US DOE는 연소 후 탄소 포집이 전기 비용을 80% 증가 유도 및 20% 내지 30%의 효율 패널티 부과를 시사한다. https://www.energy.gov-/fe/science-innovation/carbon-capture-and-storage-research/carbon-capture-rd/post-combustion-carbon에서 볼 수 있는 2020년 11월 30일 최종 접속된 "연소 후 탄소 포집 연구" 제목의 페이지 미국의 에너지국 웹 사이트 참조. 어떠한 경쟁 탄소 포집 접근법도 연료 전지 시스템(300)으로서 높은 효율, 비교적 낮은 자본 비용, 및 높은 CO2 순도의 조합을 제공하지 않는다.
도 1 내지 도 4에서 상기 설명된 실시예들에도 불구하고, 이들 실시예들에 대한 다양한 수정들 및 포괄들이 본 개시의 범위 내에서 고려되고 간주된다.
또한, 대표적인 실시예들에 도시된 바와 같은 시스템들 및 방법들의 엘리먼트들의 구성 및 배열은 단지 예시적인 것으로 이해되어야 한다. 본 개시의 단지 몇몇 실시예들이 상세히 설명되었지만, 본 개시를 검토하는 당업자들은 개시된 주제의 신규한 교시들 및 이점들로부터 크게 벗어나지 않고 많은 수정예들(예를 들어, 다양한 엘리먼트들의 크기들, 치수들, 구조들, 형상들 및 비율들의 변화들, 파라미터들의 값들, 장착 배열들, 재료들의 사용, 컬러들, 배향들 등)이 가능하다는 것을 쉽게 인식할 것이다.
따라서, 이러한 모든 수정은 본 개시의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 임의의 기능식 청구항(means-plus-function clause)은 인용된 기능을 수행하는 것으로 본 명세서에 설명된 구조들 및 구조적 등가물뿐만 아니라 동등한 구조물들을 포함하도록 의도된다. 본 개시의 범위로부터 또는 첨부된 청구항들의 범위로부터 벗어나지 않고, 바람직한 그리고 다른 예시적인 실시예들의 설계, 동작 조건들, 및 배열에서 다른 대안들, 수정들, 변경들, 및 생략들이 이루어질 수 있다.
또한, 위에서 설명된 기능 및 절차는 특정 기능 및 절차를 수행하도록 설계된 특수 장비에 의해 수행될 수 있다. 기능은 기능 및 절차와 관련된 명령을 실행하는 범용 장비에 의해 수행될 수도 있고, 각 기능 및 절차는 하나의 장비가 제어부로서 역할을 하는 다른 장비에 의해 수행되거나 별도의 제어 디바이스로 수행될 수 있다.
본 명세서에 설명된 주제는 때때로 상이한 다른 컴포넌트들 내에 포함되거나 다른 컴포넌트들과 연결된 상이한 컴포넌트들을 예시한다. 그러한 묘사된 아키텍처들은 단지 예시이며, 사실상 동일한 기능을 달성하는 많은 다른 아키텍처들이 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 개념적인 의미에서, 동일한 기능을 달성하기 위한 컴포넌트들의 임의의 배열은 원하는 기능이 달성되도록 효과적으로 "연관"된다. 따라서, 특정 기능을 달성하기 위해 조합된 본 명세서의 임의의 2개의 컴포넌트는 원하는 기능이 달성되도록 아키텍처 또는 중간 컴포넌트에 관계없이 서로 "연관"되는 것으로 볼 수 있다. 마찬가지로, 그렇게 연관된 임의의 2개의 컴포넌트들은 또한 원하는 기능을 달성하기 위해 서로 "동작 가능하게 연결" 또는 "동작 가능하게 결합"되는 것으로 볼 수 있고, 그렇게 연관될 수 있는 임의의 2개의 컴포넌트들은 또한 원하는 기능을 달성하기 위해 서로 "동작 가능하게 결합 가능"되는 것으로 볼 수 있다. 동작 가능하게 결합 가능한 것의 특정 예들은 물리적으로 짝을 이룰 수 있는(mateable) 및/또는 물리적으로 상호작용하는 컴포넌트들 및/또는 무선으로 상호작용가능한 및/또는 무선으로 상호작용하는 컴포넌트들 및/또는 논리적으로 상호작용하는 및/또는 논리적으로 상호작용가능한 컴포넌트들을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
본원의 실질적으로 임의의 복수 및/또는 단수 용어의 사용과 관련하여, 당업자는 문맥 및/또는 애플리케이션에 적절한 대로 복수로부터 단수로 및/또는 단수로부터 복수로 변환할 수 있다. 다양한 단수/복수 치환은 명확성을 위해 본 명세서에서 명시적으로 설명될 수 있다.
본 기술 분야의 당업자라면, 일반적으로 본 명세서에 그리고 특히 첨부된 청구항들(예를 들어, 첨부된 청구항들의 본문들)에서 사용되는 용어들은 일반적으로 "개방(open)" 용어들로 의도된다는 것을 이해할 것이다(예를 들어, 용어 "포함하는(including)"은 "포함되지만 이에 제한되지 않는" 것으로 해석되어야 하고, 용어 "갖는(having)"은 "적어도 갖는(having)"으로 해석되어야 하고, 용어 "포함하다(includes)"은 "포함하지만 이에 제한되지 않는" 등으로 해석되어야 한다). 특정 수의 도입된 청구항 인용이 의도되는 경우, 그러한 의도는 청구항에서 명시적으로 언급될 것이고, 그러한 인용이 없는 경우 그러한 의도는 존재하지 않는다는 것을 당업자는 추가로 이해할 것이다. 예를 들어, 이해를 돕기 위해, 이하의 첨부된 청구항들은 청구 인용들을 도입하기 위한 소개 문구들 "적어도 하나" 및 "하나 이상"의 사용을 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 문구의 사용은, 동일한 청구항이 도입구 "하나 이상" 또는 "적어도 하나" 및 부정관사 예컨대, "a" 또는 "an"를 포함하는 경우에도(예를 들어, "a" 및/또는 "an"은 일반적으로 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다), 부정관사 "a" 또는 "an"에 의한 청구항 인용의 도입이 이러한 도입된 청구항 인용을 포함하는 임의의 특정 청구항을 단지 하나의 이러한 인용을 포함하는 발명으로 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며; 청구항 인용을 도입하기 위해 사용되는 정관사의 사용에 대해서도 동일하게 적용된다. 또한, 도입된 청구항의 특정 번호가 명시적으로 열거되더라도, 당업자는 이러한 언급이 전형적으로 적어도 열거된 번호를 의미하는 것으로 해석되어야 함을 인식할 것이다(예를 들어, 다른 수정자 없이, 전형적으로 적어도 2개의 인용, 또는 2개 이상의 인용을 의미하는 다만 "2개의 인용"의 인용). 유사하게, 달리 특정되지 않는 한, "에 기초한"이라는 문구는 제한적인 방식으로 해석되어서는 안되며, 따라서 "적어도 부분적으로 에 기초한"으로 이해되어야 한다. 또한, "A, B, 및 C 등 중 적어도 하나"와 유사한 관례가 사용되는 경우에, 일반적으로 이러한 구성은 당업자가 관례를 이해할 것이라는 의미에서 의도된다(예를 들어, "A, B, 및 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 A 단독, B 단독, C 단독, A와 B 함께, A와 C 함께, B와 C 함께, 및/또는 A, B, 및 C 함께 등을 갖는 시스템들을 포함할 것이지만 이에 제한되지 않는다). 이러한 경우에, "A, B, 또는 C 등 중 적어도 하나"와 유사한 관례가 사용되는 경우에, 일반적으로 이러한 구성은 당업자가 관례를 이해할 것이라는 의미에서 의도된다(예를 들어, "A, B, 또는 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 A 단독, B 단독, C 단독, A와 B 함께, A와 C 함께, B와 C 함께, 및/또는 A, B와 C 함께, 및 C 함께, 및/또는 A, B, 및 C 함께 등을 갖는 시스템들을 포함할 것이지만 이에 제한되지 않는다). 상세한 설명, 청구범위 또는 도면에 있든 관계없이 두 개 이상의 대체 용어를 제시하는 사실상 모든 택일적 단어 및/또는 문구는 용어 중 하나, 용어 중 어느 것 또는 둘 모두 용어를 포함할 가능성을 고려하는 것으로 이해되어야 한다는 것을 당업자는 추가로 이해할 것이다. 예를 들어 "A 또는 B"라는 문구는 "A" 또는 "B" 또는 "A 및 B"의 가능성을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한, 달리 언급되지 않는 한, "근사적", "약", "대략", "실질적으로" 등의 단어의 사용은 플러스 또는 마이너스 10 퍼센트를 의미한다. 더욱이, 도면들이 방법 동작들의 특정 순서를 도시하지만, 동작들의 순서는 도시된 것과 상이할 수 있다. 또한, 둘 이상의 동작이 동시에 또는 부분적으로 동시에 수행될 수 있다. 이러한 변형은 선택된 소프트웨어 및 하드웨어 시스템에 따라 그리고 설계자의 선택에 따라 달라질 것이다. 이러한 모든 변형들은 본 개시의 범위 내에 있다. 마찬가지로, 소프트웨어 구현예들은 다양한 연결 동작들, 프로세싱 동작들, 비교 동작들, 및 결정 동작들을 달성하기 위해 규칙 기반 로직 및 다른 로직을 갖는 표준 프로그래밍 기법들로 달성될 수 있다.

Claims (20)

  1. 연료 전지 시스템에 있어서,
    유입구 및 유출구를 갖는 연료 전지 모듈로서, 상기 연료 전지 모듈은 상기 유입구에서 가스 상태의(gaseous) 연료를 포함하는 연료 스트림(fuel stream)을 수용하고, 감손된(depleted) 연료 스트림을 상기 유출구로부터 배출하도록 구성된, 상기 연료 전지 모듈; 및
    상기 연료 전지 모듈과 유체 연통하는 배기물 처리 모듈;를 포함하되,
    상기 배기물 처리 모듈은 상기 연료 전지 모듈로부터의 폐열(waste heat)이 상기 배기물 처리 모듈에 의해 이용 가능하도록 상기 연료 전지 모듈에 대해 배치되고;
    상기 연료 전지 시스템은 상기 감손된 연료 스트림의 제1 부분을 상기 배기물 처리 모듈로 지향시키도록 구성되고, 상기 감손된 연료 스트림은 감손된 연료 및 산소 및 이산화탄소를 포함하는 적어도 하나의 가스 상태의 부산물을 포함하고;
    상기 배기물 처리 모듈은 연료-농후화 스트림(fuel-enriched stream)을 생산하기 위해 상기 연료 전지 모듈로부터의 폐열을 사용하여 상기 감손된 연료 스트림의 제1 부분을 동시-전기분해(co-electrolysis)하도록 구성되고;
    상기 연료 전지 시스템은 상기 연료-농후화 스트림을 상기 연료 전지 모듈의 상기 유입구로 지향시키도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 제어기를 더 포함하고, 상기 제어기는 상기 감손된 연료 스트림의 조성에 기초하여 상기 연료 전지 모듈 또는 상기 배기물 처리 모듈 중 적어도 하나를 작동시키도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지 모듈은 적어도 하나의 고체 산화물 연료 전지를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 배기물 처리 모듈은 적어도 하나의 고체 산화물 수전해 스택(solid oxide electrolysis stack)을 포함하는, 연료 전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 배기물 처리 모듈은 상기 연료 전지 모듈 내에 포함되는, 연료 전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 연료 전지 모듈은 복수의 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 복수의 연료 전지 스택의 제1 서브세트는 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell)이고, 상기 복수의 연료 전지 스택의 제2 서브세트는 고체 산화물 수전해 스택(solid oxide electrolysis stack)인, 연료 전지 시스템.
  7. 제4항에 있어서, 상기 배기물 처리 모듈은 상기 연료 전지 모듈과 별개인, 연료 전지 시스템.
  8. 제4항에 있어서, 상기 배기물 처리 모듈은 전기적으로 병렬 연결된 복수의 분기(branch)를 포함하고, 상기 복수의 분기 각각은 적어도 하나의 고체 산화물 수전해 스택을 포함하고, 각각의 고체 산화물 수전해 스택은 복수의 고체 산화물 수전해 전지를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지 모듈과 유체 연통하고 상기 유출구의 다운스트림에 배치되는 애프터버너(afterburner)를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 애프터버너는 상기 감손된 연료 스트림의 제2 부분을 수용하고, 상기 제2 부분 내에서 미반응 연료를 반응시킴으로써 제1 배기 스트림을 생산하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 배기물 처리 모듈은 상기 제1 부분의 동시-전기분해 동안 생산된 산소를 유출 스트림(outlet stream)에 배출하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은 상기 유출 스트림을 상기 애프터버너로 지향시키도록 구성되고, 상기 제1 유출 스트림으로부터의 산소는 상기 제1 부분 내에 포함된 상기 미반응 연료의 연소를 용이하게 하는, 연료 전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 애프터버너는 이산화탄소로 이루어진 제2 배기 스트림을 배출하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 배기물 처리 모듈은 상기 연료 전지 모듈에 환원 가스를 제공하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 배기물 처리 모듈은 상기 연료 전지 시스템의 셧다운 이벤트(shutdown event) 동안 상기 환원 가스를 제공하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  16. 연료 전지 시스템의 작동 방법에 있어서,
    연료 전지 모듈에 의해, 감손된 연료 스트림을 유출구로부터 배출하는 단계로서, 상기 연료 전지 모듈은 유입구에서 가스 연료를 수용하도록 구성된, 상기 배출 단계;
    배기물 처리 모듈에 의해, 감손된 연료 스트림의 제1 부분을 수용하는 단계로서, 상기 제1 부분은 감손된 연료 및 이산화탄소 및 산소를 포함하는 적어도 하나의 가스 상태의 부산물을 포함하는, 상기 수용하는 단계;
    상기 배기물 처리 모듈에 의해, 상기 연료 전지 모듈로부터의 폐열을 사용하여 상기 제1 부분을 동시-전기분해함으로써 상기 감손된 연료 스트림의 상기 제1 부분으로부터 연료-농후화 스트림을 생산하는 단계; 및
    상기 연료 전지 시스템에 의해, 상기 배기물 처리 모듈에 의해 생산된 상기 연료- 농후화 스트림을 상기 연료 전지 모듈로 지향시키는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 연료 전지 모듈과 유체 연통하는 애프터버너에 의해, 상기 감손된 연료 스트림의 제2 부분을 수용하는 단계; 및
    상기 애프터버너에 의해, 상기 제2 부분 내에서 미반응 연료를 반응시킴으로써 제1 배기 스트림을 생산하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 배기물 처리 모듈과 유체 연통하는 물 녹아웃 유닛(water knockout unit)에 의해, 상기 연료-농후화 스트림의 적어도 일부로부터 물을 제거하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템과 통신하는 제어기에 의해, 상기 감손된 연료 스트림의 조성에 기초하여 상기 연료 전지 모듈 또는 상기 배기물 처리 모듈 중 적어도 하나를 작동시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제어기는 상기 연료 전지 시스템 내의 가스 연료의 조성에 기초하여 상기 연료 전지 시스템의 적어도 하나의 작동 조건을 조정하도록 구성되는, 방법.
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