KR20150079444A - 고체 산화물 연료 전지 시스템 - Google Patents

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매튜 조셉 알링거
앤드류 필립 샤피로
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Abstract

본 출원은 테일 가스를 발생시키는 애노드 및 캐소드 배기물을 발생시키는 캐소드를 포함하는, 고체 산화물 연료 전지(SOFC)와 같은 연료 전지를 포함하는 복합 사이클 연료 전지 시스템을 제공한다. 시스템 또는 설비는 처리된 또는 정제된 테일 가스와 같은 연료를 개질기의 입력 공기 스트림에 첨가하여 개질기를 가열하는 것을 포함할 수도 있다. 시스템 또는 설비는 테일 가스로부터 물을 제거하는 것과 제거된 물을 입력 연료 스트림 내로 리사이클링하는 것을 포함할 수도 있다. 입력 공기 스트림은 연료 전지의 캐소드 배기 스트림일 수도 있고, 입력 연료 스트림은 개질기에 유도되어 수소-농후 개질물을 생성하는 입력 탄화수소 연료일 수도 있다. 시스템 또는 설비는 처리된 또는 정제된 테일 가스의 일부를 하부 사이클로 유도할 수도 있다.

Description

고체 산화물 연료 전지 시스템 {SOLID-OXIDE FUEL CELL SYSTEMS}
본 발명은 일반적으로 복합 사이클(combined cycle) 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 종래의 복합 사이클 시스템을 사용하여 성취 가능한 것보다 더 높은 연료 전지 변환 효율을 성취하는 고효율 고체-산화물 연료 전지(solid-oxide fuel cell: SOFC) 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 전력 발생 시에 비교적 높은 효율 및 낮은 오염의 가능성을 나타내는 전기화학적 에너지 변환 디바이스이다. 연료 전지는 일반적으로 예를 들어 인버터를 거쳐 교류(ac)로 변환될 수도 있는 직류(dc)를 제공한다. dc 전압 또는 ac 전압은 모터, 라이트, 통신 장비 및 임의의 수의 전기 디바이스 및 시스템에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 연료 전지는 고정형, 반-고정형 또는 휴대형 용례에서 작동할 수도 있다. 고체 산화물 연료 전지(SOFC)와 같은 특정 연료 전지는 산업적 요구 및 시정(municipal) 요구를 만족하기 위해 전기를 제공하는 대형 전력 시스템에서 작동할 수도 있다. 다른 것들은 예를 들어 차량에 전력을 공급하는 것과 같은 더 소형의 휴대형 용례에 유용할 수도 있다.
연료 전지는 이온성 도전층을 가로질러 연료와 산화제를 전기화학적으로 조합함으로써 전기를 생성한다. 연료 전지의 전해질이라고도 불리는 이러한 이온성 도전층은 액체 또는 고체일 수도 있다. 통상의 유형의 연료 전지는 모두 일반적으로 이들의 전해질에 따라 명명되는 인산(PAFC), 용융 카보네이트(MCFC), 양성자 교환 멤브레인(PEMFC), 및 고체 산화물(SOFC)을 포함한다. 실제로, 연료 전지는 통상적으로 유용한 전압 또는 전류에서 전력을 생성하기 위해 연료 전지의 조립체 내에 전기적 직렬로 축적된다.
일반적으로, 연료 전지의 구성 요소는 전해질 및 2개의 전극을 포함한다. 전기를 생성하는 반응은 일반적으로, 촉매가 통상적으로 반응을 가속하도록 배치되어 있는 전극에서 발생한다. 전극은 채널, 다공성 층 등으로서 구성될 수도 있어, 화학 반응이 발생하도록 하기 위한 표면적을 증가시킨다. 전해질은 일 전극으로부터 다른 전극으로 전기적으로 하전된 입자를 운반하고, 다른 방식으로 연료 및 산화제 모두에 대해 실질적으로 불투과성이다.
통상적으로, 연료 전지는 수소(연료) 및 산소(산화제)를 물(부산물)로 변환하여 전기를 생성한다. 부산물인 물은 고온 작동에 있어서 증기로서 연료 전지를 빠져나올 수도 있다. 이 배출된 증기(및 다른 고온 배기 성분)는 터빈 및 다른 용례에서 이용될 수도 있어 부가의 전기 또는 전력을 발생시켜, 전력 발생의 증가된 효율을 제공한다. 공기가 산화제로서 이용되면, 공기 중의 질소는 실질적으로 불활성이고 통상적으로 연료 전지를 통해 통과한다. 수소 연료는 탄소계 공급원료(feedstock)의 국지적 개질(reforming)(예를 들어, 현장 증기 개질) 또는 원거리 개질, 예를 들어 더 즉시 입수 가능한 천연 가스와 다른 탄화수소 연료 및 공급원료의 개질을 거쳐 제공될 수도 있다. 탄화수소 연료의 예는 천연 가스, 메탄, 에탄, 프로판, 메탄올, 및 다른 탄화수소를 포함하지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
복합 사이클 연료 전지 시스템의 현재의 예들은 일상적으로 적어도 50% 변환 효율을 성취한다. 탄화수소 연료를 전기 에너지로 변환하는 데 있어서 복합 사이클 연료 전지 시스템의 효율은 열을 발생시키거나 손실시키는 시스템 내의 손실 메커니즘에 의해 그리고 연료의 부분 이용에 기인하는 연료 전지의 손실에 의해 제한된다. 낮은 연료 이용에서 복합 사이클 연료 전지 시스템의 성능 또는 효율을 향상시키기 위한 전형적인 또는 통상의 시도는 연료 및/또는 공기-리사이클링(recycling)을 수반하고 있다. 그러나, 복합 사이클 연료 전지 시스템에서의 연료 리사이클링은 고비용의 기술적으로 어려운 대형 개질기 및 대형 고온 송풍기를 필요로 한다. 유사하게, 복합 사이클 연료 전지 시스템에서 공기 리사이클링은 비용-효과적이지 않은 고온 송풍기를 필요로 한다.
전술한 점의 견지에서, 고가의 고온 송풍기 및 잠재적으로는 열교환기를 필요로 하는 연료 및/또는 공기 리사이클링의 요구를 제거하는, 증가된 연료 전지 효율을 통해 복합 사이클 연료 전지 시스템의 설비 효율을 증가시키는 비용-감소 기술을 제공할 필요성이 존재한다.
일 양태에서, 복합 사이클 연료 전지 시스템의 제1 예시적인 실시예가 개시된다. 시스템은 고체 산화물 연료 전지, 개질 시스템, 물 분리기, 하부 사이클(bottoming cycle) 및/또는 잔류 테일 가스(tail gas) 경로를 포함할 수도 있다. 고체 산화물 연료 전지는 테일 가스를 발생시키도록 구성된 애노드, 및 캐소드 배기 스트림을 발생시키도록 구성된 캐소드를 포함할 수도 있다. 개질 시스템은, 캐소드 배기 스트림의 적어도 일부를 수용하여 출력하고 입력 탄화수소 연료와 입력 증기의 혼합물의 적어도 일부를 수소-농후 개질물로 변환하도록 구성될 수도 있다. 수소-농후 개질물은 연료 전지의 애노드에 의해 이용될 수도 있다. 물 분리기는 연료 전지의 테일 가스를 수용하고 테일 가스로부터 물을 제거하여 잔류 테일 가스를 형성하도록 구성될 수도 있다. 테일 가스로부터 제거된 물은 증기로서 개질 시스템에 유도되어 입력 증기의 적어도 일부를 형성할 수도 있다. 하부 사이클은 연소 엔진을 포함할 수도 있다. 잔류 테일 가스 경로는, 잔류 테일 가스의 제1 부분을 하부 사이클로 전환하여 하부 사이클을 구동하도록, 그리고 잔류 테일 가스의 제2 부분을 캐소드 배기 스트림으로 전환하도록 구성될 수도 있다.
다른 양태에서, 복합 사이클 연료 전지 시스템의 제2 예시적인 실시예가 개시된다. 시스템은 고체 산화물 연료 전지, 개질 시스템 및/또는 하부 사이클을 포함할 수도 있다. 고체 산화물 연료 전지는, 캐소드 배기물을 발생시키도록 구성된 캐소드, 및 테일 가스를 발생시키도록 구성된 애노드를 포함할 수도 있다. 개질 시스템은, 입력 탄화수소 연료와 입력 증기의 혼합물의 적어도 일부를 수소-농후 개질물로 변환하도록, 그리고 수소-농후 개질물을 연료 전지의 애노드로 출력하도록 구성될 수도 있다. 시스템은 테일 가스가 연료 전지의 애노드 및 캐소드 내로 입력되는 것이 방지되도록 구성될 수도 있다. 시스템은 테일 가스의 제1 부분을 하부 사이클에 유도하여 하부 사이클을 구동하도록 구성될 수도 있다. 개질 시스템은, 캐소드 배기물 내의 테일 가스의 제2 부분을 연소시킴으로써 형성된 가열된 캐소드 배기물의 적어도 일부를 개질 시스템을 통해 유도함으로써 입력 탄화수소 연료와 입력 증기의 수소-농후 개질물로의 변환을 용이하게 하도록 가열될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 고가의 고온 송풍기 및 잠재적으로는 열교환기를 필요로 하는 연료 및/또는 공기 리사이클링의 요구를 제거하는, 증가된 연료 전지 효율을 통해 복합 사이클 연료 전지 시스템의 설비 효율을 증가시키는 비용-감소 기술을 획득할 수 있다.
본 발명의 전술한 다른 특징, 양태 및 장점 그리고 다른 특징, 양태 및 장점은 첨부 도면과 함께 취한 본 발명의 다양한 양태의 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질된 연료(예를 들어, 수소-농후 개질물)로 운전하는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)를 이용하는 복합 사이클 발전 설비 또는 시스템을 도시하고 있는 다이어그램.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 및 부분 산화 개질기를 이용하는 복합 사이클 발전 설비 또는 시스템을 도시하고 있는 다이어그램.
이하에 제시되어 있는 각각의 실시예는 본 발명의 특정 양태의 설명을 용이하게 하고, 본 발명의 범주를 한정하는 것으로서 해석되어서는 안 된다. 더욱이, 상세한 설명 및 청구범위 전체에 걸쳐 본 명세서에 사용될 때, 근사 용어가 그가 관련되는 기본 기능의 변화를 야기하지 않고 허용 가능하게 변할 수 있는 임의의 정량적 표현을 수식하기 위해 적용될 수도 있다. 이에 따라, "약"과 같은 용어 또는 용어들에 의해 수식된 값은 지정된 정밀한 값에 한정되는 것은 아니다. 몇몇 경우에, 근사 언어는 값을 측정하기 위한 도구의 정밀도에 대응할 수도 있다. 다양한 실시예의 요소를 소개할 때, 단수 표현의 단어는 하나 이상의 요소들이 존재하는 것을 의미하도록 의도된다. 용어 "포함하는", "구비하는" 및 "갖는"은 포괄적이며, 열거된 요소 이외의 부가의 요소들이 존재할 수도 있다는 것을 의미하도록 의도된다. 본 명세서에 사용될 때, 용어 "~할 수도 있다" 및 "~일 수도 있다"는 상황의 세트 내의 발생의 가능성, 지정된 특성, 특징 또는 기능의 소유를 지시하고, 수식된 동사와 연계된 능력, 성능 또는 가능성 중 하나 이상을 표현함으로써 다른 동사를 수식한다. 이에 따라, "~할 수도 있다" 및 "~일 수도 있다"의 사용은, 수식된 용어가 때때로 적절하고, 가능하거나 적합하지 않을 수도 있는 것을 고려하면서, 수식된 용어가 지시된 능력, 기능 또는 사용에 명백하게 적절하고, 가능하거나 적합한 것을 지시한다. 작동 파라미터의 임의의 예는 개시된 실시예의 다른 파라미터를 배제하는 것은 아니다. 임의의 특정 실시예와 관련하여 본 명세서에 설명되고, 도시되어 있거나 또는 다른 방식으로 개시되어 있는 구성 요소, 양태, 특징, 구성, 장치, 사용 등은 본 명세서에 개시된 임의의 다른 실시예에 유사하게 적용될 수도 있다.
도면을 참조하여 본 명세서에 설명된 실시예(및 그 변형예)는 유리하게는 종래의 설비 실시예에 비교할 때, 연료 및/또는 공기 리사이클 루프를 이용하지 않고 증기 개질을 가능하게 하거나 제공하면서, 적어도 50%, 및 잠재적으로는 약 50% 내지 약 65%의 범위 이내, 및 잠재적으로 바람직하게는 약 55% 내지 약 65%의 범위 이내의 증가된 설비 효율을 제공한다. 이에 의해, 본 명세서에 설명된 특징들에 의해 제공된 장점은 비한정적으로, 연료 및/또는 공기 사이클 루프의 결여, 연료 전지(예를 들어, SOFC 적층체)를 가로지르는 최소 온도차, 및 비교적 낮은 연료 이용율에서 비교적 높은 시스템 효율을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는 또한 설명에 언급된 바와 같이 고려된다. 본 발명의 도시되어 있는 예시적인 실시예가 고체 산화물 연료 전지를 참조하여 도시되어 있고 설명되지만, 본 명세서에 설명된 원리는 상응하는 연료 전지 기술(당 기술 분야에 알려진 바와 같음)에 적용될 수도 있다. 또한, 광범위한 폐열 및/또는 연료 회수 사이클 및 이들 사이클을 통합하는 방법도 역시 본 명세서에 설명된 원리를 사용하여 가능하고 이에 따라 본 명세서에 의해 고려된다.
도 1은 이하에 더 설명되는 바와 같이, 재순환(recirculation) 없이 개질된 연료로 운전하는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)(26)를 이용하는, 본 발명에 따른 예시적인 복합 사이클 발전 설비 또는 연료 전지 시스템(10)을 도시하고 있는 개략 다이어그램이다. 더 구체적으로, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 소스로부터의 입력 연료(12)는 설비 또는 시스템(10) 내로 입력된다. 입력 연료(12)는 설비 또는 시스템(10) 내로 얻어지고, 제공되고, 제조되고, 정제되거나 다른 방식으로 투입될 수도 있다. 입력 연료(12)는 설비 또는 시스템(10)의 연료 전지(26)를 거쳐 전력 발생 시에 효과적인 임의의 연료일 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 입력 연료(12)는 탄화수소 연료 또는 탄화수소 연료의 혼합물일 수도 있다. 이러한 몇몇 실시예에서, 입력 연료(12)는 실질적으로 CH4(예를 들어, 천연 가스 또는 메탄)일 수도 있다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 입력 연료(12)는 제1 경로(14)를 따라 하나 이상의 연료 예열기(18) 내로 또는 연료 예열기(18)로 이동될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 경로(14)를 포함하는 설비 또는 시스템(10)의 경로 또는 통로는, 입력 연료(12) 및 다른 액체 및/또는 가스가 그를 통해 유동하는 파이프 또는 다른 도관일 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 설비 또는 시스템(10)은 제1 경로(14)를 따라[그리고 잠재적으로 연료 송풍기(16)의 하류측에 위치되거나 배치된 설비 또는 시스템(10)의 다른 경로 또는 양태를 통해] 연료 예열기(18)로 특정량 또는 특정 유량의 입력 연료(12)를 압축하거나 다른 방식으로 이동시키는 데 효과적인 하나 이상의 연료 송풍기(16)를 포함할 수도 있다. 그러나, 몇몇 실시예에서, 연료 송풍기(16)는 이용되지 않을 수도 있다. 예를 들어, 입력 연료(12)의 소스 또는 기원은, 충분한 유량 또는 양의 입력 연료(12)가 설비 또는 시스템(10) 내로[예를 들어, 연료 예열기(18) 및 그 하류측의 양태 또는 구성 요소로] 공급되거나 이동되도록 충분한 압력 또는 유량을 포함하거나, 규정할 수도 있다. 따라서, 연료 송풍기(16)는 입력 연료(12)의 자연적인 조건 또는 소스 조건(예를 들어, 유량) 및/또는 설비 또는 시스템(10)의 작동 파라미터 또는 요건[예를 들어, 입력 연료(12)의 공급 압력]에 좌우될 수도 있다.
연료 예열기(18)에서 또는 연료 예열기 이후에, 입력 물(20)이 입력 연료(12)에 첨가되거나 혼합될 수도 있다. 예를 들어, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 물(20)은 연료 예열기(18)에서 입력 연료(12)와 혼합되거나 입력 연료에 첨가될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 물(20)은 제2 경로(22)를 따라 연료 예열기(18) 다음에서(즉, 하류측에서) 입력 연료(12)와 혼합되거나 입력 연료에 첨가될 수도 있다. 연료 예열기(18)에서 또는 연료 예열기 이후에 입력 연료(12)와 혼합된 물(20)은 증기일 수도 있다(즉, 약 섭씨 100도 이상임). 이하에 더 설명되는 바와 같이, 입력 연료(12)에 첨가된 물(20)(예를 들어, 증기)은 설비 또는 시스템(10)의 연료 전지(26)의 애노드 배기 또는 테일 가스(24)로부터 제거되거나 분리되었던, 제거된 물(28)일 수도 있다(또는 적어도 제거된 물을 포함함). 몇몇 실시예에서, 입력 연료(12)에 첨가된 물(20) 전체는 연료 전지(26)의 애노드 배기 또는 테일 가스(24)로부터 제거되거나 분리되었던 물(28)일 수도 있다. 입력 연료(12)와 물(20)(예를 들어, 증기)[입력 연료(12)에 첨가될 때]의 비는 설비 또는 시스템(10)의 원하는 작동 파라미터(예를 들어, 원하는 출력 부하)에 따라 변할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 입력 연료(12)와 첨가된 물(20)(예를 들어, 증기)의 혼합물의 몰 분율은 약 2/3의 물(20)(예를 들어, 증기)과 1/3의 입력 연료(12)(예를 들어, CH4)일 수도 있다.
연료 예열기(18)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 경로(14)로부터 입력 연료(12)를 수용하도록 구성될 수도 있다. 전술된 바와 같이, 제1 연료 예열기(18)는 또한, 물(20)(예를 들어, 증기)을 수용하고 잠재적으로는 입력 물(20)과 입력 연료(12)를 혼합하도록 구성될 수도 있다. 연료 예열기(18)는 입력 연료(12)[및 잠재적으로는, 첨가된 물(20)]를 가열하는 데 효과적인 임의의 연료 예열기일 수도 있다. 연료 예열기(18)에 의해 입력 연료(12)[또는, 잠재적으로, 물(20)과 입력 연료(14)의 혼합물]에 인가된 열의 양은 설비 또는 시스템(10)의 원하는 작동 파라미터(예를 들어, 원하는 출력 부하)에 따라 변할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 연료 예열기(18)는 적어도 약 섭씨 500도로 입력 연료(12)[또는, 잠재적으로, 물(20)과 입력 연료(14)의 혼합물]를 가열하도록 구성될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 연료 예열기(18)는 적어도 약 섭씨 700도로 입력 연료(12)[또는, 잠재적으로, 물(20)과 입력 연료(14)의 혼합물]를 가열하도록 구성될 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 연료 예열기(18)는 복열 장치(recuperator) 또는 열교환기일 수도 있다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 예열기(18)는 입력 연료(12)[및 잠재적으로, 첨가된 물(20)]를 가열하기 위해 설비 또는 시스템(10)의 연료 전지(26)의 애노드 배기 또는 테일 가스(24)의 적어도 일부를 이용할 수도 있다. 연료 예열기(18)는 테일 가스(24)와 입력 연료(12)[및 잠재적으로 첨가된 물(20)]를 서로 분리하여 별개로 유지하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 연료 예열기(18)는 테일 가스와 입력 연료(12)[또는, 물(20)과 입력 연료(14)의 혼합물]를 혼합하지 않고 전도 및/또는 대류를 거쳐 비교적 더 저온인 입력 연료(12)[또는, 잠재적으로 물(20)과 입력 연료(14)의 혼합물]를 가열하도록 고온 테일 가스(24)를 이용할 수도 있다. 연료 예열기(18)와 함께, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 설비 또는 시스템(10)의 다른 구성 요소 또는 양태는 테일 가스(24)와 입력 연료(12)[및 잠재적으로, 첨가된 물(20)]를 서로 분리하여 별개로 유지하도록 구성될 수도 있다. 이 방식으로, 설비 또는 시스템(10)은 애노드 배기 또는 테일 가스(24)가 입력 연료(12)[및 잠재적으로, 첨가된 물(20)]와 혼합되는 것이 방지되도록 구성될 수도 있다. 달리 말하면, 설비 또는 시스템(10)은 설비 또는 시스템(10)의 연료 전지(26)의 애노드 배기 또는 테일 가스(24)가 입력 연료(12)와 혼합되고 연료 전지(26)(예를 들어, 그 애노드)에 의해 이용되는 연료 리사이클 루프가 없을 수도 있다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 입력 연료(12)[또는, 잠재적으로, 물(20)과 입력 연료(14)의 혼합물]가 연료 예열기(18)를 거쳐 가열된 후에, 물(20)(예를 들어, 증기)과 입력 연료(14)(예를 들어, CH4)의 혼합물은 제2 경로(22)를 따라 하나 이상의 개질기(30)로 이동할 수도 있다. 개질기(30)는 가열된 입력 연료(12)와 첨가된 물(20)(예를 들어, 증기)의 혼합물의 적어도 일부를 수소-농후 개질물(33) 또는 수소와 하나 이상의 부산물의 신가스(syngas) 혼합물로 변환하도록 구성될 수도 있다. 개질기(30)를 빠져나오거나 개질기에 의해 출력되는 수소-농후 개질물(33) 또는 신가스는 개질기(30)에 진입하거나 입력되는 물(20)과 입력 연료(14)의 혼합물보다 저온일 수도 있다. 개질기(30)로부터의 수소-농후 개질물(33)은 제3 경로(32)를 따라 출력될 수도 있다. 개질기(30)는 물(20)과 입력 연료(14)의 혼합물로부터 수소-농후 개질물(33)을 생성하는 데 효과적인 임의의 개질기일 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 개질기(30)는 입력 연료(12)와 고온에서 증기(20)를 반응시키도록 구성된 증기 개질기일 수도 있다. 이러한 몇몇 실시예에서, 개질기(30)는 메탄 개질기일 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 개질기(30)는, 비교적 고온(예를 들어, 적어도 약 섭씨 500도)으로 가열되고 일산화탄소와 같은 하나 이상의 부산물 및 수소의 수소-농후 개질물(33)을 산출하도록 금속계 촉매(예를 들어, 니켈)의 존재하에 입력 연료(12)와 증기(20)를 반응시키도록 구성될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 수소-농후 개질물(33)의 부산물[즉, 수소(H2) 이외의 부산물]은 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2)를 포함할 수도 있다. 이하에 더 설명되는 바와 같이, 개질기(30)는 연료 전지(26)의 캐소드 배기 스트림 내의 연료 전지(26)의 테일 가스(24)를 연소하고 가열된 결과물을 개질기(30)를 통해 통과시키는 것으로부터 개질 프로세스를 용이하게 하도록 가열될 수도 있다.
도 1에 도시되어 있는 예시적인 설비 또는 시스템(10) 실시예와 같은 몇몇 실시예에서, 개질기(30)는 물(20)(예를 들어, 증기)과 입력 연료(14)(예를 들어, CH4)의 혼합물의 단지 일부 또는 부분만을 수소-농후 개질물(33)(즉, H2 및 하나 이상의 부산물)로 변환할 수도 있다. 이러한 실시예에서, 수소-농후 개질물(33)의 부산물은 개질기(30)에 의해 형성된 임의의 다른 잠재적인 부산물(예를 들어, CO 및 CO2)에 추가하여 비이용 물(20) 및 비이용 연료(12)를 포함할 수도 있다.
개질기(30)는 개질 반응(이하에 더 설명되는 바와 같음)을 촉진하기 위해 연료 전지(12)에 의해 방출된 애노드 배기 또는 테일 가스(24)의 적어도 일부를 이용하거나 사용하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 전지(12)의 애노드 배기 스트림 또는 테일 가스(24)의 적어도 일부는 설비 또는 시스템(10)의 연료 전지(12)의 캐소드 배기 스트림(34) 내에서 연소되고, 점화되거나 다른 방식으로 반응하여 열을 생성할 수도 있다[즉, 캐소드 배기 스트림(34)의 열 회수]. 열은 이어서 개질기(30)에 의해 이용되어(즉, 개질기가 가열됨) 개질 반응을 촉진할 수도 있다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 개질기(30)에 의해 출력된 수소-농후 개질물(33)은 제3 경로(32)를 따라 설비 또는 시스템(10)의 연료 전지(26)의 입구로 이동할 수도 있다. 예를 들어, 수소-농후 개질물(33)은 연료 전지(26)의 애노드의 입구로 출력될 수도 있다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 전지(26)는 개질기(30)로부터 이격하여 또는 개질기에 인접하여 위치될 수도 있다[즉, 개질기(30)는 연료 전지(26)의 외부에 있을 수도 있음]. 예를 들어, 연료 전지(26)는 하우징 내에 제공될 수도 있고, 개질기(30)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 연료 전지(26)의 하우징의 외부에 위치될 수도 있다. 달리 말하면, 개질기(30)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 연료 전지(26)의 하우징으로부터 외부에 또는 이격하여 위치될 수도 있다.
연료 전지(26)는 개질기(30)에 의해 출력된 수소-농후 개질물(33) 및 입력 공기(70)로부터, 직류와 같은 전기를 발생시키도록 구성될 수도 있다. 연료 전지(26)는 산소 또는 다른 산화제와의 화학 반응을 통해 수소-농후 개질물(33)의 화학 에너지를 전기로 변환할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 연료 전지(26)는 애노드(네거티브측), 캐소드(포지티브측) 및 연료 전지(26)의 양측 사이로 전하가 이동하게 하는 전해질을 포함할 수도 있다. 전자는 외부 회로를 통해 애노드로부터 캐소드로 유인될 수도 있어, 직류 전기를 발생시킨다.
몇몇 실시예에서, 연료 전지(26)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 고체 산화물 또는 세라믹 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)일 수도 있다. 이러한 몇몇 실시예에서, 애노드는 개질기(30)에 의해 출력된 수소-농후 개질물(33)을 산화시키도록 전해질을 통해 확산하는 산소 이온을 사용할 수도 있다. 산소 이온과 개질기(30)에 의해 출력된 수소-농후 개질물(33)의 수소 사이의 산화 반응은 열, 물 및 전기를 발생시킬 수도 있다. 연료 전지(26)의 전해질은 산소 이온을 인도하는 조밀한 세라믹층일 수도 있다. 연료 전지(26)의 애노드는 애노드 배기 스트림 또는 테일 가스(24)를 발생시킬 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 애노드 배기 스트림 또는 테일 가스(24)는 수소 및 CO를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 애노드 배기 스트림 또는 테일 가스(24)는 물, 수소, CO2,CO 및/또는 CH4를 포함할 수도 있다. 연료 전기(26)의 캐소드는 산소 환원이 발생하는 전해질 상의 다공성층일 수도 있다. 캐소드는 캐소드 배기 스트림(34)을 생성할 수도 있다. 캐소드 배기 스트림(34)은 실질적으로 N2를 포함할 수도 있다. 전술한 바와 같이, 테일 가스(24)의 일부는, 캐소드 배기 스트림(34) 내에서 연소되어 캐소드 배기 스트림(34)을 가열하고, 이에 의해 개질기(30)를 가열할 수도 있다[가열된 캐소드 배기 스트림(34)이 개질기(30)로 안내됨에 따름]. 이하에 더 설명되는 바와 같이, 가열된 캐소드 배기 스트림(34)은 또한 적어도 하나의 열교환기(80)를 거쳐 연료 전지(26)의 입력 공기(70)를 가열하는 데 사용될 수도 있다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 연료 전지(26)의 테일 가스(24)는 제4 경로(36)를 따라 연료 예열기(18)로 유도될 수도 있다. 테일 가스(24)는 적어도 약 섭씨 850도와 같이 비교적 고온일 수도 있다. 전술한 바와 같이, 연료 예열기(18)는 비교적 고온의 테일 가스(24)를 복열하여 입력 연료(12)[또는 입력 물(20)과 입력 연료(12)의 혼합물]를 가열할 수도 있다. 더욱이, 또한 전술한 바와 같이, 제4 경로(36) 및 연료 예열기(18)[뿐만 아니라 잠재적으로 설비 또는 시스템(10)의 다른 구성 요소 또는 양태]는 테일 가스(24)가 입력 연료(12)[또는 입력 물(20)과 입력 연료(12)의 혼합물]와 혼합되거나 또는 다르게는 연료 전지(26) 내에(예를 들어, 그 애노드 또는 캐소드에) 진입하거나 입력되는 것을 실질적으로 방지할 수도 있다.
연료 예열기(18)를 빠져나올 때, 설비 또는 시스템(10)은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 예를 들어 제5 통로(38)의 사용 등을 통해, 공기 예열기(40)의 입구로 테일 가스(24)를 유도할 수도 있다. 연료 예열기(28)와 같이, 공기 예열기(40)는 복열 장치 또는 열교환기일 수도 있다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 공기 예열기(40)는 입력 공기(70)를 가열하기 위해 설비 또는 시스템(10)의 연료 전지(26)의 애노드 배기 또는 테일 가스(24)를 이용할 수도 있다. 공기 예열기(40)는 테일 가스(24) 및 입력 공기(70)를 서로로부터 분리하여 별개로 유지하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 연료 예열기(18)는 테일 가스와 입력 공기(70)를 혼합하지 않고 전도 및/또는 대류를 거쳐 비교적 더 저온의 입력 공기(70)를 가열하기 위해 고온 테일 가스(24)를 이용할 수도 있다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 설비 또는 시스템(10)은 테일 가스(24)로부터 물(H2O)을 제거하도록 구성된 물 분리기 또는 응축기(44)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 도 1의 전형적인 예시적 실시예에 도시되어 있는 바와 같이, 설비 또는 시스템(10)은 공기 예열기(40)의 출력으로부터 물 분리기 또는 응축기(44)의 입력으로 테일 가스(24)를 유도하는 제6 통로(42)를 포함할 수도 있다. 물 분리기 또는 응축기(44)는 테일 가스(24)로부터 H2O를 제거하는 데 효과적인 임의의 메커니즘 또는 구성일 수도 있다. 테일 가스(24)가 테일 가스(24) 내의 물의 비등점을 초과하는 실시예에서, 설비는 테일 가스(24)로부터 물을 응축하여 제거된 액체 물(28)로서 제거하기 위한 응축기(44)를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 테일 가스(24)로부터 물 분리기(44)를 거쳐 분리된, 제거된 물(28)의 적어도 일부는 개질기(30) 및/또는 연료 전지(26)에 앞서 입력 연료(12)에 첨가되었던 입력 물(20)일 수도 있다. 물 분리기 또는 응축기(44)는 테일 가스(24) 내에 함유된 물의 실질적으로 전체 또는 단지 일부만을 제거할 수도 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 설비 또는 시스템(10)은 물 분리기 또는 응축기(44)가 테일 가스(24) 내에 함유된 물의 적어도 약 75 퍼센트를 제거하도록 구성될 수도 있다. 다른 예로서, 설비 또는 시스템(10)은 물 분리기 또는 응축기(44)가 테일 가스(24) 내에 함유된 물의 적어도 약 95 퍼센트를 제거하도록 구성될 수도 있다.
물 분리기 또는 응축기(44)는 분리기 또는 응축기(44)에 입력된(즉, 상류측에 있는) 미처리 테일 가스(24)와 비교할 때, 그 내부에 적은 물을 함유하는 잔류 테일 가스(46)를 출력할 수도 있다(즉, 하류측에 제공함). 잔류 테일 가스(46)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 잔류 테일 가스(46)를 2개 이상의 부분으로 전환하거나, 분할하거나 다른 방식으로 분리하는 제7 경로 또는 잔류 테일 가스 경로(48)를 따라 유도될 수도 있다. 도 1을 참조하면, 설비 또는 시스템(10)은 잔류 테일 가스(46)의 제1 부분(50) 및 잔류 테일 가스(46)의 제2 부분(52)으로 전환하도록 구성될 수도 있다. 잔류 테일 가스(46)의 제1 부분(50) 및 제2 부분(52) 각각의 양 또는 비율은 스케일, 원하는 작동 파라미터 등에 따라 변할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 부분(50)은 잔류 테일 가스(46)의 대부분(즉, 50% 초과)을 함유할 수도 있다. 이러한 몇몇 실시예에서, 제1 부분(50)은 잔류 테일 가스(46)의 적어도 75%를 함유할 수도 있다. 몇몇 다른 실시예에서, 제2 부분(52)은 잔류 테일 가스(46)의 대부분(즉, 50% 초과)을 함유할 수도 있다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 잔류 테일 가스(46)의 제1 부분(50)은 예를 들어 통로를 거쳐 적어도 하나의 하부 사이클(54)에 입력될 수도 있다. 하부 사이클(54)은 연료 전지(26)에 추가하여 부가의 전기 에너지를 발생시키기 위해 잔류 테일 가스(46)를 이용하도록 구성될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 잔류 테일 가스(46)는 하부 사이클(54)의 연소 엔진의 연소기를 구동할 수도 있다. 연소 엔진은 부가의 전기를 발생시키기 위해 발전기 또는 유사 메커니즘과 함께 이용될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 하부 사이클의 연소 엔진은 왕복 엔진, 랜킨 사이클(Rankine cycle), 브레이톤 사이클(Brayton cycle) 및/또는 스털링 사이클(Sterling cycle)일 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 왕복 엔진은 왕복 4-행정, 왕복 2-행정, 대향 피스톤 2-행정 및/또는 가스 터빈일 수도 있다. 다른 실시예에 따르면, 하부 사이클(54) 배기물로부터의 열은 복귀 경로를 거쳐 제1 테일 가스부(50)로 전달되어 하부 사이클(54)에 의해 제공된 전력의 발생을 더 부스팅(boosting)할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 시스템 또는 설비(10)는 연소 엔진의 입력과 같은 하부 사이클(54)의 입력 전에 잔류 테일 가스(46)의 제1 부분(50)으로부터 CO2를 제거하도록 구성된 CO2 분리 메커니즘을 포함할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 도 1의 전형적인 예시적 실시예에 도시되어 있는 바와 같이, 잔류 테일 가스(46)의 제2 부분(52)은 설비 또는 시스템(10)의 연료 전지(12)의 캐소드 배기 스트림(34)에 첨가될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 잔류 테일 가스(46)의 제2 부분(52)은 개질기(30)의 상류측의 연료 전지(12)의 캐소드 배기 스트림(34)에 첨가될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 잔류 테일 가스(46)의 제2 부분(52)은 설비 또는 시스템(10)의 연료 전지(12)의 캐소드 배기 스트림(34) 내에서 연소되거나, 점화되거나 다른 방식으로 반응하여 열을 발생시킬 수도 있다[즉, 캐소드 배기 스트림(34)의 열 회수]. 예를 들어, 제8 통로(58)는 잔류 테일 가스(46)의 제2 부분(52)을 연료 전지(26)의 하류측 및 적어도 하나의 열교환기(80) 및 잠재적으로 개질기(30)의 상류측에 위치된 캐소드 배기 스트림(34)을 따라 연소점(56)에 유도할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 캐소드 배기 스트림(34)은 실질적으로 N2를 포함할 수도 있다. 연료 전지(26)의 하류측 및 적어도 하나의 열교환기(80)와 개질기(30) 중 적어도 하나의 상류측의 캐소드 배기 스트림(34) 내의 잔류 테일 가스(46)의 제2 부분(52)의 연소점(56)은, 캐소드 배기 스트림(34) 내의 잔류 테일 가스(46)의 제2 부분(52)을 연소하는 데 효과적인 임의의 장치 또는 구성을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 캐소드 배기 스트림(34)의 온도는 잔류 테일 가스(46)의 제2 부분(52)을 점화시키거나 연소시키기에 충분할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 설비 또는 시스템(10)은 캐소드 배기 스트림(34) 내의 잔류 테일 가스(46)의 제2 부분(52)을 연소하기 위한 점화 메커니즘을 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 잔류 테일 가스(46)의 제2 부분(52)의 연소로부터의 열은 개질기(30)로 유도되어(즉, 개질기가 가열됨) 입력 물(20)과 입력 연료(12)의 혼합물의 개질 반응을 촉진할 수도 있다. 이 방식으로, 연료 전지(26)의 테일 가스(24)는 수소-농후 개질물(33) 내로의 입력 연료(12)를 개질(예를 들어, 증기 개질)하기 위한 촉매로서 이용될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 열교환기(80)의 상류측의 캐소드 배기 스트림(34)에 잔류 테일 가스(46)의 제2 부분(52)을 입력하는 것은, 연료 전지(26)의 캐소드의 입구에 잔류 테일 가스(46)(즉, 연료 또는 연소 생성물)를 첨가하지 않고 잔류 테일 가스(46)가 복열되게 한다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 몇몇 대안적인 실시예에서, 잔류 테일 가스(46)의 제2 부분(52)은 개질기(30)의 하류측 및 적어도 하나의 열교환기(80)의 상류측의 연료 전지(12)의 캐소드 배기 스트림(34)에 첨가될 수도 있다. 이러한 몇몇 실시예에서, 잔류 테일 가스(46)의 제2 부분(52)은 개질기(30)의 상류측 및 하류측 모두에 첨가될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 잔류 테일 가스(46)의 제2 부분(52)은 설비 또는 시스템(10)의 연료 전지(12)의 캐소드 배기 스트림(34) 내에서 연소되거나, 점화되거나 다른 방식으로 반응하여 열을 발생시킬 수도 있다[즉, 캐소드 배기 스트림(34)의 열 회수]. 예를 들어, 대안적인 제8 통로(58')가 연료 전지(26) 및 개질기(30)의 하류측 및 적어도 하나의 열교환기(80)의 상류측에 위치된 캐소드 배기 스트림(34)을 따라 연소점(56')으로 잔류 테일 가스(46)의 제2 부분(52)을 유도할 수도 있다. 연료 전지(26) 및 개질기(30)의 하류측과 적어도 하나의 열교환기(80)의 상류측의 캐소드 배기 스트림(34) 내의 잔류 테일 가스(46)의 제2 부분(52)의 연소점(56')은, 캐소드 배기 스트림(34) 내의 잔류 테일 가스(46)의 제2 부분(52)을 연소시키는 데 효과적인 임의의 장치 또는 구성을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 캐소드 배기 스트림(34)의 온도는 잔류 테일 가스(46)의 제2 부분(52)을 점화시키거나 연소시키기에 충분할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 설비 또는 시스템(10)은 캐소드 배기 스트림(34) 내의 잔류 테일 가스(46)의 제2 부분(52)을 연소시키기 위한 점화 또는 산화 메커니즘을 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 설비 또는 시스템(10)은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 입력 공기(70)를 포함할 수도 있다. 입력 공기(70)는 연료 전지(26)에, 예를 들어 연료 전지(26)의 캐소드에 공급될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 설비 또는 시스템(10)은 제9 경로(74)를 따라[그리고 잠재적으로는 공기 송풍기(72)의 하류측에 위치되거나 배치된 설비 또는 시스템(10)의 다른 경로 또는 양태를 통해] 특정량 또는 유량의 입력 공기(70)를 압축하거나 다른 방식으로 이동시키는 데 효과적인 하나 이상의 공기 송풍기(72)를 포함할 수도 있다. 공기 송풍기(72)의 작동 파라미터는 설비 또는 시스템(10)의 요구 또는 작동 파라미터(예를 들어, 에너지 출력)에 의존할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 공기 송풍기(72)는, 공기(70)를 출력하고 입력 공기(72)의 압력[예를 들어, 출력 제9 통로(74) 내에서의 압력]을 적어도 약 2 기압으로 증가시키도록 구성될 수도 있다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 그리고 전술한 바와 같이, 입력 공기(72)는 공기 예열기(40)로 유도될 수도 있다. 공기 예열기(40)는 송풍기(72)의 하류측의 입력 공기(70)를 가열하기 위해 테일 가스(36)를 이용할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 입력 공기(72)는 [테일 가스(36)를 통해] 공기 예열기(40)에 의해 적어도 약 섭씨 100도로 가열될 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 설비 또는 시스템(10)은 캐소드 배기 스트림(34)의 열을 복열하여 입력 공기(70)를 가열하도록 구성된 하나 이상의 공기간(air-to-air) 열교환기(80)를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 도 1에 도시되어 있는 전형적인 예시적 실시예에 제시된 바와 같이, 적어도 하나의 공기간 열교환기(80)는 공기 예열기(40)의 바로 하류측에 위치될 수도 있다. 통로(76)는 공기 예열기(40)의 출구와 적어도 하나의 열교환기(82) 사이로 연장되어, 예열된 입력 공기(70)를 적어도 하나의 열교환기(80)로 유도할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 공기간 열교환기(80)[및 캐소드 배기 스트림(34)]는 입력 공기(70)를 적어도 약 섭씨 500도로 가열하도록 구성될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 공기간 열교환기(80)[및 캐소드 배기 스트림(34)]는 입력 공기(70)를 적어도 약 섭씨 700도로 가열하도록 구성될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 공기간 열교환기(80)[및 캐소드 배기 스트림(34)]는 단일의 또는 단일형 공기간 열교환기일 수도 있다.
도 1에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 설비 또는 시스템(10)은 제1 저온 열교환기(82)와 제2 고온 열교환기(84)와 같은, 직렬로 결합된 다수의 공기간 열교환기를 포함할 수도 있다. 제1 저온 열교환기(82)와 제2 고온 열교환기(84) 각각은 입력 공기(70)를 가열하기 위해 비교적 고온의 캐소드 배기 스트림(34)을 이용할 수도 있다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 제2 고온 열교환기(84)는 입력 공기(70)의 유동 방향에서 제1 저온 열교환기(82)의 상류측 그리고 캐소드 배기물(34)의 유동 방향에서 하류측에 위치될 수도 있다. 이 방식으로, 제2 고온 열교환기(84)는 제1 저온 열교환기(82)와 비교할 때 더 고온에서 작동할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 저온 열교환기(82) 및 제2 고온 열교환기(84)는 캐소드 배기 스트림(34)과 입력 공기(70) 사이에 열을 전달하는 데 효과적인 그 구성 요소와 같은 상이한 재료로 제조될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제2 고온 열교환기(84)는 제1 저온 열교환기(82)와 비교할 때 캐소드 배기물(34)로부터 입력 공기(70)로 열을 더 효율적으로 전달하도록 구성될 수도 있다.
적어도 하나의 열교환기(80)에 의해 가열된 입력 공기(70)는 연료 전지(26)의 입구로 출력될 수도 있다. 예를 들어, 통로(86)가 적어도 하나의 열교환기(80)의 출구와 연료 전지(26)의 캐소드 입구 사이로 연장될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 열교환기(80)에 의해 가열된 입력 공기(70)는 연료 전지(26)의 상류측의 입력 연료(12)와 혼합될 수도 있다. 가열된 입력 공기(70)는 적어도 부분적으로는, 연료 전지가 효율적으로 작동할 수 있도록 연료 전지(26)를 가열하는 데 유효할 수도 있다. 예를 들어, 연료 전지(26)는 SOFC 연료 전지일 수도 있고, 가열된 입력 공기(70)는 적어도 부분적으로는[예를 들어, 가열된 입력 연료(12)와 함께] SOFC 연료 전지를 적어도 약 섭씨 500도로 가열하는 데 유효할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 연료 전지(26)는 SOFC 연료 전지일 수도 있고, 가열된 입력 공기(70)는 적어도 부분적으로는[예를 들어, 가열된 입력 연료(12)와 함께] SOFC 연료 전지를 적어도 약 섭씨 800도로 가열하는 데 유효할 수도 있다.
캐소드 배기 스트림(34)은, 전술되고 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 전지(26)를 빠져나오고 연소점(56)으로 유도될 수도 있다. 또한 전술한 바와 같이, 결과적인 가열된 조성물은 연료 전지(26)에 의해 이용되는 수소-농후 개질물(33) 내로 입력 연료(12)의 개질을 용이하게 하도록 개질기(30)로 그리고 개질기(30)를 통해 유도될 수도 있다. 캐소드 배기 스트림(34)이 개질기로의 열을 손실할 수도 있지만, 개질기(30)를 빠져나오는 캐소드 배기 스트림(34)은 여전히 비교적 고온일 수도 있다. 예를 들어, 개질기(30)를 빠져나오는 캐소드 배기 스트림(34)은 공기 예열기(40)에 의해 출력된 가열된 입력 공기(70)보다 비교적 더 고온일 수도 있다. 이와 같이, 몇몇 실시예에서, 개질기(30)를 빠져나오는 캐소드 배기 스트림(34)은 적어도 하나의 열교환기(80)로 유도되어, 연료 전지(26)에 진입하기 전에 공기 예열기(40)에 의해 출력된 가열된 입력 공기(70)를 가열할 수도 있다. 이 방식으로, 개질기(30)를 가열하기 위해 연료 전기(26)의 테일 가스(24)의 제2 부분(52)을 연소시킴으로써 제공된 열은, 복열되어 입력 공기(70)를 가열할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 개질기(30)를 빠져나오는 캐소드 배기 스트림(34)은 적어도 약 섭씨 800도일 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 개질기(30)를 빠져나오는 캐소드 배기 스트림(34)은 적어도 약 섭씨 850도일 수도 있다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 설비 또는 시스템(10)은 개질기(30)에 의해 출력된 캐소드 배기 스트림(34)을 적어도 하나의 열교환기(80)의 입력에 유도하는 제10 통로(88)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제10 통로(88)는 개질기(30)에 의해 출력된 캐소드 배기 스트림(34)을 고온 열교환기(84)의 입력에 유도할 수도 있다. 고온 열교환기(84)로부터, 캐소드 배기 스트림(34)은 저온 열교환기(82)로 유도되거나 유동할 수도 있다.
몇몇 대안적인 실시예에서, 설비 또는 시스템(10)은 캐소드 배기 스트림(34)의 적어도 일부(87)를 입력 연료(12)로 유도하도록 구성될 수도 있다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 캐소드 배기 스트림(34)의 적어도 일부(87)는 연료 전지(26)의 상류측의 입력 연료(12)에 첨가될 수도 있다. 도 1에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 캐소드 배기 스트림(34)의 적어도 일부(87)는 [예를 들어, 연료 전지(26) 및 개질기(30)가 서로로부터 이격될 때] 연료 전지(26)의 상류측 및 개질기(30)의 하류측에서 입력 연료(12)에 첨가될 수도 있다. 몇몇 실시예에서(예를 들어, 도 2 참조), 캐소드 배기 스트림(34)의 적어도 일부(87)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 개질기(30)와 연료 전지(26) 모두 내로 또는 이들의 상류측으로[또는 개질기(30) 내로] 입력 연료(12)에 첨가될 수도 있다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 설비 또는 시스템(10)은 캐소드 배기 스트림(34)을 보일러(92)에 유도하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 제11 통로(90)는, 적어도 하나의 열교환기(80)에 의해 출력된 캐소드 배기 스트림(34)을 보일러(92)의 입력에 유도할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 열교환기(80)에 의해 출력된 캐소드 배기 스트림(34)은 적어도 약 섭씨 100도일 수도 있다. 적어도 하나의 열교환기(80)에 의해 출력된 캐소드 배기 스트림(34)은 이에 의해 입력 액체 물을 가열하여 증기(20)를 생성하도록 보일러(92)에 의해 이용될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 보일러(92)에 의해 생성된 증기는, 입력 연료(12)와 혼합되어 수소-농후 개질물(33)로부터 개질기(30) 내로 최종적으로 입력되는 입력 스트림(또는 물)(20)일 수도 있다. 입력 스트림 또는 물(20)을 형성하기 위해 보일러(92)에 의해 이용된 후에, 보일러(92)에 의해 출력된 캐소드 배기 스트림(34)은 설비 또는 시스템(10)으로부터 대기로 통기되거나(94) 또는 다른 방식으로 제거될 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 보일러(92)에 의해 가열되고 비등되는 물은 적어도 부분적으로 애노드 배기 스트림 또는 테일 가스(24)로부터 제거된 물(28)일 수도 있다. 예를 들어, 물 분리기 또는 응축기(44)를 거쳐 애노드 배기 스트림 또는 테일 가스(24)로부터 제거된 물(28)의 적어도 일부는 보일러(92)의 입구로 유도될 수도 있다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 애노드 배기 스트림 또는 테일 가스(24)로부터 제거되거나 분리된 물(28)은, 제1 부분이 보일러(92)로 유도되고 나머지 부분이 설비 또는 시스템(10)으로부터 배수되거나 다른 방식으로 제거되도록, 분할되거나 분배될 수도 있다. 예를 들어, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 설비 또는 시스템(10)은, 물(28)의 제1 부분을 분리기 또는 응축기(44)의 출구로부터 보일러(92)로 유도하기 위한 제12 통로(98)와, 물(28)의 제2 부분을 분리기 또는 응축기(44)의 출구로부터 대기로 혹은 설비 또는 시스템(10)으로부터 이격된 다른 위치로 유도하기 위한 제13 통로(96)를 포함할 수도 있다.
본 명세서에 설명된 실시예는 유리하게는 개질기(30)의 입력 공기 스트림에[예를 들어, 캐소드 배기 스트림(34)에] 연료를 첨가하고 테일 가스(24)로부터 물을 제거하며 제거된 물(20)을 연료 입력 스트림(12)으로 리사이클링함으로써 65% 더 크거나 높은 전체 연료 이용을 성취하였다. 몇몇 실시예에서, 이러한 유리한 연료 이용은 공기[예를 들어, 캐소드 배기 스트림(34)]를 연료 스트림[예를 들어, 개질기(30)에 의해 출력된 수소-농후 개질물(33)]에 첨가하고 테일 가스(24)로부터 물을 제거하며 제거된 물(20)을 연료 입력 스트림(12) 내로 리사이클링함으로써 성취된다.
전력 발생을 위한 복합 사이클 시스템 또는 설비의 제2의 전형적인 예시적 실시예가 도 2에 도시되어 있고 일반적으로 도면 부호 110으로 나타낸다. 예시적인 시스템 또는 설비(110)는, 도 1에 도시되어 있고 전술한 예시적인 시스템 또는 설비(10)와 유사하고, 따라서 숫자 "1"을 앞에 붙인 유사한 도면 부호가 유사한 요소를 지시하는 데 사용된다. 대안적인 실시예(즉, 수정예, 변형예 등)에 관한 설명을 포함하는, 시스템 또는 설비(10)와 관련한 전술한 설명은 시스템 또는 설비(110)(및 그 임의의 대안적인 실시예)에 동등하게 적용된다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 도 1의 예시적인 시스템 또는 설비(10)와 도 2의 예시적인 시스템 또는 설비(110)의 차이점은 개질기(130) 및 연료 전지(126)의 구성, 배치 및/또는 배향을 포함한다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 개질기(130)는 연료 전지(126) 내에 또는 내부에 위치될 수도 있다. 예를 들어, 연료 전지(126)는 하우징 내에 제공될 수도 있고, 개질기(130)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 전지(126)의 하우징의 경계 내에 위치될 수도 있다. 달리 말하면, 개질기 또는 입력 연료(12)의 개질 프로세스는, 연료 전지(126)의 외부에서 발생하고 그로부터 발생하는 수소-농후 개질물(33)이 연료 전지(126)에 입력되는 것에 대조적으로, 연료 전지(126) 자체 내에서 발생할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 개질기(130)는 연료 전지(126)의 적어도 하나의 구성 요소 또는 양태를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 개질기(130)는 연료 전지(126)의 애노드를 포함하거나 이용할 수도 있고, 증기 개질 프로세스는 연료 전지(126)의 애노드에서 발생할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 개질기(130) 및/또는 개질 프로세스는 연료 전지(126)의 SOFC 적층체 내부에서 실시된다.
몇몇 실시예에서, 개질기(130)는 부분 산화 개질기(130)일 수도 있다. 이러한 몇몇 실시예에서, 시스템(110)은 개질기(130)에 입력되는[또는 개질기(130) 내에서, 입력 연료(112), 또는 연료(112)와 물(120)의 혼합물 내로 도입되는] 입력 연료(112)와 물(120)의 혼합물을 공기(또는 산소의 다른 소스)의 적어도 일부에 도입하거나 혼합하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 적어도 하나의 열교환기(180)에 의해 출력된[즉, 적어도 하나의 열교환기(180)에 의해 가열된] 입력 공기(170)의 일부(189)는 개질기(130)의 상류측에 또는 개질기(130) 내에서 입력 연료(112)[또는 연료(112)와 물(120)의 혼합물] 내에 도입될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 개질기(130) 내의 또는 상류측의 입력 연료(112)[또는 연료(112)와 물(120)의 혼합물]와 혼합된 공기 또는 산소 소스[예를 들어, 적어도 하나의 열교환기(180)에 의해 출력된 입력 공기(170)]는 수소-농후 개질물(133) 내에 그리고 결국에는 연료 전지(126)의 테일 가스(124) 내에 출력될 수도 있다.
몇몇 대안적인 실시예에서, 개질기(130) 내에 또는 상류측에서 입력 연료(112)[또는 연료(112)와 물(120)의 혼합물]와 혼합된 입력 공기(170)의 부분(189)은 캐소드 배기물(134)의 부분(187)일 수도 있다. 몇몇 대안적인 실시예에서, 개질기(130) 내의 또는 상류측의 입력 연료(112)[또는 연료(112)와 물(120)의 혼합물]와 혼합된 입력 공기(170)의 부분(189)은 적어도 하나의 열교환기(180)의 상류측의 입력 공기(170)일 수도 있다. 몇몇 대안적인 실시예에서, 개질기(130) 내에 또는 상류측에서 입력 연료(112)[또는 연료(112)와 물(120)의 혼합물]와 혼합된 입력 공기(170)의 부분(189)은 공기 예열기(140)의 상류측의 입력 공기(170)일 수도 있다. 몇몇 대안적인 실시예에서, 개질기(130) 내의 또는 상류측에서 입력 연료(112)[또는 연료(112)와 물(120)의 혼합물]와 혼합된 공기(189)는 시스템의 외부의 소스[즉, 시스템(110)의 다른 구성 요소로부터 공급되지 않음]로부터 얻어진 공기일 수도 있다.
전술한 설명은 한정적인 것이 아니라 예시적인 것으로 의도된다는 것이 이해되어야 한다. 수많은 변경 및 수정은, 이하의 청구범위 및 그 등가물에 의해 규정된 바와 같은 본 발명의 일반적인 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 당 기술 분야의 숙련자에 의해 본원에 대해 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 전술된 실시예(및/또는 그 양태)는 서로 조합하여 사용될 수도 있다. 게다가, 다수의 수정이 그 범주로부터 벗어나지 않고 다양한 실시예의 교시에 특정 상황 또는 재료를 적응시키도록 이루어질 수도 있다. 본 명세서에 설명된 재료의 치수 및 유형은 다양한 실시예의 파라미터를 규정하도록 의도되지만, 이들은 결코 한정적인 것은 아니고 단지 예시일 뿐이다. 전술한 설명을 고려할 때 다수의 다른 실시예가 당 기술 분야의 숙련자들에게 명백할 것이다. 따라서, 다양한 실시예의 범주는 이러한 청구범위가 자격을 부여받는 등가물의 전체 범주와 함께 첨부된 청구범위를 참조하여 결정되어야 한다. 첨부된 청구범위에서, 용어 "구비하는" 및 "여기에서"는 각각의 용어 "포함하는" 및 "여기서"의 평이한 영어 등가표현으로서 사용된다. 더욱이, 이하의 청구범위에서, 용어 "제1", '제2" 및 "제3" 등은 단지 라벨로서만 사용되고, 이들의 대상에 수치적인 요건을 부여하도록 의도되는 것은 아니다. 또한, 용어 "작동적으로"는 결합된, 접속된, 연결된, 밀봉된 등과 같은 용어와 함께, 개별의 별개의 구성 요소가 직접적으로 또는 간접적으로 결합되는 것과 구성 요소들이 일체로 형성되는 것(즉, 단일편, 일체형 또는 모노리식인 것)으로부터 유래하는 접속들 모두를 칭하기 위해 본 명세서에 사용된다. 또한, 이하의 청구범위의 한정은, 기능식 청구항(means-plus-function format)으로 기록되지 않고, 이러한 청구항 한정이 다른 구조체가 없는 기능의 진술로 이어지는 구문 "~을 위한 수단"을 명시적으로 사용하지 않으면 또는 사용할 때까지, 35 U.S.C. §112 6항에 기초하여 해석되도록 의도되지 않는다. 전술한 이러한 모든 목적 또는 장점은 반드시 모두 임의의 특정 실시예에 따라 성취될 수도 있는 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 예를 들어, 당 기술 분야의 숙련자들은 본 명세서에 설명된 시스템 및 기술이 본 명세서에 교시되거나 제안될 수도 있는 바와 같은 다른 목적 또는 장점을 반드시 성취하지 않으면서 본 명세서에 교시된 바와 같은 하나의 장점 또는 장점의 그룹을 성취하거나 최적화하는 방식으로 구체화되거나 수행될 수도 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.
본 발명이 단지 제한된 갯수의 실시예와 관련하여 상세히 설명되었지만, 본 발명은 이러한 개시된 실시예에 한정되는 것은 아니라는 것이 즉시 이해되어야 한다. 오히려, 본 발명은 전술되어 있지 않지만 본 발명의 사상 및 범주에 따른 임의의 갯수의 변형, 변경, 치환 또는 등가 구성을 구비하도록 수정될 수도 있다. 부가적으로, 본 발명의 다양한 실시예가 설명되었지만, 본 발명의 양태는 단지 설명된 실시예의 일부만을 포함할 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 이에 따라, 본 발명은 이상의 설명에 의해 한정되는 것으로서 간주되어서는 안 되고, 단지 첨부된 청구범위의 범주에 의해서만 한정된다.
이 기록된 설명은 최선의 모드를 포함하여 본 발명을 개시하고, 또한 임의의 디바이스 또는 시스템을 구성하고 사용하는 것과 임의의 구체화된 방법을 수행하는 것을 포함하여 당 기술 분야의 숙련자가 본 발명을 실시하는 것을 가능하게 하도록 하기 위해 예를 사용한다. 본 발명의 특허 가능 범주는 청구범위에 의해 규정되고, 당 기술 분야의 숙련자들에게 발생하는 다른 예들을 포함할 수도 있다. 이러한 다른 예는, 이들 예가 청구범위의 문자 언어와 상이하지 않은 구조적 요소를 가지면 또는 이들 예가 청구범위의 문자 언어와 비실질적인 차이를 갖는 등가의 구조적 요소를 포함하면, 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.
10: 연료 전지 시스템 12: 입력 연료
14: 제1 경로 16: 연료 송풍기
18: 연료 예열기 20: 물
22: 제2 경로 24: 테일 가스
26 연료 전지 28: 물
30: 개질기 32: 제3 경로
33: 수소-농후 개질물 34: 캐소드 배기 스트림

Claims (20)

  1. 테일 가스를 발생시키도록 구성된 애노드, 및 캐소드 배기 스트림을 발생시키도록 구성된 캐소드를 포함하는 고체 산화물 연료 전지;
    상기 캐소드 배기 스트림의 적어도 일부를 수용하여 출력하고 입력 탄화수소 연료와 입력 스트림의 혼합물의 적어도 일부를 수소-농후 개질물로 변환하도록 구성된 개질 시스템으로서, 수소-농후 개질물이 상기 연료 전지의 애노드에 의해 이용되는 것인 개질 시스템;
    상기 연료 전지의 테일 가스를 수용하고 상기 테일 가스로부터 물을 제거하여 잔류 테일 가스를 형성하도록 구성된 물 분리기로서, 상기 테일 가스로부터 제거된 물은 증기로서 상기 개질 시스템에 유도되어 입력 증기의 적어도 일부를 형성하는 것인 물 분리기;
    연소 엔진을 포함하는 하부 사이클; 및
    상기 잔류 테일 가스의 제1 부분을 상기 하부 사이클로 전환하여 상기 하부 사이클을 구동하고, 상기 잔류 테일 가스의 제2 부분을 상기 캐소드 배기 스트림으로 전환하도록 구성된 잔류 테일 가스 경로
    를 포함하는 복합 사이클 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 개질 시스템은 상기 연료 전지의 외부에 있는 것인 복합 사이클 연료 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 개질 시스템은 상기 연료 전지 내에 적어도 부분적으로 수납되는 복합 사이클 연료 전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 잔류 테일 가스의 제2 부분은 상기 개질 시스템의 상류측의 상기 캐소드 배기 스트림으로 유도되고 캐소드 배기 스트림 내에서 연소되어 상기 개질 시스템을 가열하는 것인 복합 사이클 연료 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 캐소드 배기물의 일부는 상기 연료 전지의 상류측의 수소-농후 개질물과 입력 탄화수소 연료 중 적어도 하나와 혼합되는 것인 복합 사이클 연료 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 시스템은, 상기 물 분리기에 의해 상기 테일 가스로부터 제거된 물을 수용하고 입력 증기를 생성하도록 구성된 보일러를 포함하는 것인 복합 사이클 연료 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 개질 시스템에 의해 출력된 캐소드 배기 스트림의 적어도 일부는 상기 보일러로 유도되어, 상기 물 분리기에 의해 상기 테일 가스로부터 제거된 물을 가열하여 입력 증기를 생성하는 것인 복합 사이클 연료 전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 개질 시스템에 의해 출력되어 상기 보일러로 유도된 캐소드 배기 스트림의 적어도 일부는 상기 보일러의 상류측에 위치된 적어도 하나의 열교환기를 통해 통과하는 것인 복합 사이클 연료 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 잔류 테일 가스의 제2 부분은 상기 적어도 하나의 열교환기의 상류측의 캐소드 배기 스트림으로 유도되어 캐소드 배기 스트림 내에서 연소되는 것인 복합 사이클 연료 전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 고체 산화물 연료 전지는 입력 공기를 수용하고, 상기 입력 공기는 상기 적어도 하나의 열교환기를 거쳐 가열되는 것인 복합 사이클 연료 전지 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 고체 산화물 연료 전지는 입력 공기를 수용하고, 상기 시스템은, 입력 공기와 테일 가스를 혼합하지 않으면서 상기 연료 전지의 테일 가스로부터 입력 공기로 열을 전달하도록 구성된 공기 예열기를 포함하는 것인 복합 사이클 연료 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 시스템은, 입력 공기를 적어도 상기 공기 예열기로 그리고 상기 공기 예열기로부터 상기 연료 전지로 전달하도록 구성된, 공기 예열기의 상류측의 공기 송풍기를 포함하는 것인 복합 사이클 연료 전지 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 시스템은, 상기 연료 전지의 테일 가스로부터 입력 탄화수소 연료 또는 입력 탄화수소 연료와 입력 증기의 혼합물로 열을 전달하도록 구성된 연료 예열기를 포함하는 것인 복합 사이클 연료 전지 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 연료 리사이클 루프 또는 공기 리사이클 루프 중 적어도 하나가 존재하지 않는 것인 복합 사이클 연료 전지 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 테일 가스와 잔류 테일 가스가 상기 연료 전지의 애노드와 캐소드 내로 입력되는 것을 방지하도록 구성되는 것인 복합 사이클 연료 전지 시스템.
  16. 캐소드 배기물을 발생시키도록 구성된 캐소드, 및 테일 가스를 발생시키도록 구성된 애노드를 포함하는 고체 산화물 연료 전지;
    입력 탄화수소 연료와 입력 증기의 혼합물의 적어도 일부를 수소-농후 개질물로 변환하고, 수소-농후 개질물을 상기 연료 전지의 애노드로 출력하도록 구성된 개질 시스템; 및
    하부 사이클
    을 포함하고,
    상기 테일 가스는 상기 연료 전지의 애노드 및 캐소드 내로 입력되는 것이 방지되고,
    상기 테일 가스의 제1 부분은 상기 하부 사이클에 유도되어 상기 하부 사이클을 구동하고,
    상기 개질 시스템은, 상기 캐소드 배기물 내의 테일 가스의 제2 부분을 연소시킴으로써 형성된 가열된 캐소드 배기물의 적어도 일부를 상기 개질 시스템을 통해 유도함으로써 입력 탄화수소 연료와 입력 증기의 수소-농후 개질물로의 변환을 용이하게 하도록 가열되는 것인 복합 사이클 연료 전지 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 캐소드 배기물의 일부는 상기 연료 전지의 상류측에서 입력 탄화수소 연료와 수소-농후 개질물 중 적어도 하나와 혼합되는 것인 복합 사이클 연료 전지 시스템.
  18. 제16항에 있어서, 상기 시스템은 상기 캐소드 배기물로부터 물을 제거하도록 구성된 물 분리기를 포함하고, 상기 캐소드 배기물로부터 제거된 물은 증기로서 상기 개질 시스템에 유도되어 입력 증기의 적어도 일부를 형성하는 것인 복합 사이클 연료 전지 시스템.
  19. 제16항에 있어서, 상기 고체 산화물 연료 전지는 입력 공기를 수용하고, 상기 개질 시스템으로부터 출력된 가열된 캐소드 배기물은 열교환기를 거쳐 입력 공기를 가열하는 데 사용되는 것인 복합 사이클 연료 전지 시스템.
  20. 제16항에 있어서, 상기 하부 사이클은 연소 엔진을 포함하고, 상기 잔류 테일 가스의 제1 부분은 연소 엔진을 구동하는 것인 복합 사이클 연료 전지 시스템.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102153552B1 (ko) * 2019-07-19 2020-09-08 (주)에프씨아이 다단형 연료전지 시스템

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10654023B2 (en) * 2016-08-30 2020-05-19 Fuelcell Energy, Inc. System and method for increasing a carbon monoxide content of syngas produced by a steam methane reformer
US10347924B2 (en) * 2016-09-13 2019-07-09 General Electric Company Integrated fuel cell systems
CN108301924A (zh) * 2017-01-13 2018-07-20 华北电力大学（保定） 基于燃气轮机和固体氧化物燃料电池的混合供能***
JP7155241B2 (ja) * 2018-03-07 2022-10-18 大阪瓦斯株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法
EP3609006A1 (en) * 2018-08-09 2020-02-12 SOLIDpower SA Sofc system with anode off-gas recirculation
JP6615299B1 (ja) * 2018-10-12 2019-12-04 日本碍子株式会社 燃料電池装置
CN113811512A (zh) * 2019-01-02 2021-12-17 撒马利亚艾瑞尔大学 产生副产品氨并将氨用作二次燃料的固体氧化物燃料电池装置
KR102288572B1 (ko) * 2019-03-27 2021-08-11 (주)에프씨아이 고체산화물 연료전지의 스택 모듈
CN112151831B (zh) * 2019-06-27 2022-11-22 国家能源投资集团有限责任公司 重整器及其燃料电池发电***
CN110356216A (zh) * 2019-07-04 2019-10-22 广东索特能源科技有限公司 一种燃料电池与汽缸发动机的混合动力***及方法
CN112983645A (zh) * 2019-12-12 2021-06-18 哈尔滨工业大学 一种带有阴阳极再循环的燃料电池无涡轮喷气发动机
CN111453697B (zh) * 2020-04-09 2023-11-10 宁波圣龙新能源汽车动力有限公司 用于sofc的多燃料通用型重整制氢***及方法
CN112290055B (zh) * 2020-10-28 2021-12-10 中国科学技术大学 一种燃料电池***的自加湿阳极燃料循环***及方法
CN113346117B (zh) * 2021-05-12 2023-01-20 东方电气集团东方锅炉股份有限公司 一种固体氧化物燃料电池分布式供能***
CN114132469A (zh) * 2021-11-29 2022-03-04 哈尔滨工程大学 一种联合布雷顿循环与sofc的新型混合动力装置
CN114583222A (zh) * 2022-03-11 2022-06-03 吉林大学 一种基于固体氧化物燃料电池和内燃机的联合发电***
CN115172798A (zh) * 2022-06-24 2022-10-11 天津大学 一种sofc-pdc联合循环***及其控制方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000228208A (ja) * 1999-02-05 2000-08-15 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 燃料電池とガスタービンの複合装置
JP2008030990A (ja) * 2006-07-28 2008-02-14 Toyota Motor Corp 改質システム及び燃料電池システム
JP2010508633A (ja) * 2006-11-01 2010-03-18 セレス インテレクチュアル プラパティ コンパニー リミテッド 燃料電池の熱交換システム及び方法
JP2010518559A (ja) * 2007-02-05 2010-05-27 フュエルセル エナジー， インコーポレイテッド 高効率発電のために一体化された燃料電池と熱エンジンのハイブリッドシステム

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5482791A (en) * 1993-01-28 1996-01-09 Fuji Electric Co., Ltd. Fuel cell/gas turbine combined power generation system and method for operating the same
DE19928102B4 (de) 1999-06-19 2005-06-02 Daimlerchrysler Ag Fahrzeug mit einem Antriebs-Verbrennungsmotor und mit einem Brennstoffzellensystem zur Stromversorgung elektrischer Verbraucher des Fahrzeugs und Verfahren zum Betrieb eines derartigen Fahrzeugs
EP1500156B1 (en) 2002-03-14 2007-09-12 QuestAir Technologies Inc. Hydrogen recycle for solid oxide fuel cell
US7285350B2 (en) 2002-09-27 2007-10-23 Questair Technologies Inc. Enhanced solid oxide fuel cell systems
US6924053B2 (en) 2003-03-24 2005-08-02 Ion America Corporation Solid oxide regenerative fuel cell with selective anode tail gas circulation
WO2005050768A1 (en) 2003-11-19 2005-06-02 Questair Technologies Inc. High efficiency load-following solid oxide fuel cell systems
US20050242588A1 (en) 2004-04-30 2005-11-03 Washington Krik B Integrated fuel cell and additive gas supply system for a power generation system including a combustion engine
US7695359B2 (en) * 2004-07-30 2010-04-13 Igt “Buy a peek” gaming methods and devices
KR20080108145A (ko) * 2005-01-24 2008-12-11 올림푸스 가부시키가이샤 생화학 검사 장치 및 생화학 검사 방법
WO2007087305A2 (en) * 2006-01-23 2007-08-02 Bloom Energy Corporation Integrated solid oxide fuel cell and fuel processor
CN100424445C (zh) 2006-11-09 2008-10-08 上海交通大学 质子交换膜燃料电池-内燃机联合驱动空调***
WO2009079437A1 (en) * 2007-12-17 2009-06-25 Shell Oil Company Fuel cell-based process for generating electrical power
US20090208785A1 (en) 2008-02-20 2009-08-20 Bloom Energy Cororation SOFC electrochemical anode tail gas oxidizer
JP2009206005A (ja) * 2008-02-29 2009-09-10 Panasonic Corp 燃料電池システムおよびその運転方法
FI123690B (fi) 2009-10-30 2013-09-30 Convion Oy Menetelmä ja järjestely anoditakaisinkierrätyksen ohjaamiseksi
US20120251899A1 (en) 2011-03-31 2012-10-04 General Electric Company Solid-oxide fuel cell high-efficiency reform-and-recirculate system
US9038579B2 (en) 2011-05-11 2015-05-26 Korea Institute Of Machinery & Materials Fuel cell-engine hybrid system
JP5626111B2 (ja) * 2011-05-16 2014-11-19 株式会社デンソー 燃料電池システム
CN102820480A (zh) 2011-06-09 2012-12-12 通用电气公司 燃料电池-燃机混合发电***及通过其发电方法
US9118052B2 (en) 2011-09-27 2015-08-25 Philips 66 Company Integrated natural gas powered SOFC systems
KR102080819B1 (ko) 2011-11-21 2020-02-24 사우디 아라비안 오일 컴퍼니 석유 연료를 사용한 화합된 수소 및 전기 생산 방법 및 그 시스템
CN202855854U (zh) 2012-09-05 2013-04-03 北京斯塔能源科技有限公司 一种固体氧化物燃料电池***

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000228208A (ja) * 1999-02-05 2000-08-15 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 燃料電池とガスタービンの複合装置
JP2008030990A (ja) * 2006-07-28 2008-02-14 Toyota Motor Corp 改質システム及び燃料電池システム
JP2010508633A (ja) * 2006-11-01 2010-03-18 セレス インテレクチュアル プラパティ コンパニー リミテッド 燃料電池の熱交換システム及び方法
JP2010518559A (ja) * 2007-02-05 2010-05-27 フュエルセル エナジー， インコーポレイテッド 高効率発電のために一体化された燃料電池と熱エンジンのハイブリッドシステム

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102153552B1 (ko) * 2019-07-19 2020-09-08 (주)에프씨아이 다단형 연료전지 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
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