KR102643791B1 - 용융 탄산염 연료 전지 캐쏘드용 유동 장 배플 - Google Patents
용융 탄산염 연료 전지 캐쏘드용 유동 장 배플 Download PDFInfo
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Abstract
캐쏘드 가스 수집 용적 내에 하나 이상의 배플 구조체를 포함하는 용융 탄산염 연료 전지 구성이 제공된다. 상기 배플 구조체는 캐쏘드 가스 수집 용적의 비차단 유동 단면을 10% 내지 80% 감소시킬 수 있다. CO₂이용률을 높이기 위한 조건 하에서 용융 탄산염 연료 전지를 작동시킬 때 배플의 존재는 증가된 전달율 및/또는 증가된 작동 전압을 제공하는 형태로 예상치 못한 이점을 제공할 수 있다는 것이 발견되었다.
Description
용융 탄산염 연료 전지 캐쏘드를 위한 배플 구조체 및 이러한 연료 전지를 작동시키는 방법이 제공된다.
본 출원은 엑손모빌 리서치 앤 엔지니어링 컴퍼니와 퓨얼셀 에너지 인코포레이티드(FuelCell Energy, Inc.) 간의 공동 연구 계약의 범위 내에서 본 출원의 유효 출원일 또는 그 이전에 수행된 활동의 결과로 이루어진 주제를 공개하고 주장한다.
용융 탄산염 연료 전지는 수소 및/또는 기타 연료를 사용하여 전기를 생성한다. 수소는, 스팀 개질기(steam reformer), 예컨대 연료 전지의 상류에 위치하거나 연료 전지 내에 통합된 스팀 개질기에서, 메탄 또는 다른 개질가능 연료를 개질함으로써 제공될 수 있다. 연료는 또한, 용융 탄산염 연료 전지 내의 애노드 전지에서 개질될 수 있으며, 이는 애노드에서 연료를 개질하기에 적합한 조건을 생성하도록 작동될 수 있다. 또다른 옵션은, 연료 전지의 외부 및 내부 모두에서 일부 개질을 수행하는 것일 수 있다. 개질가능 연료는, 높은 온도 및/또는 압력에서 스팀 및/또는 산소와 반응하여 수소를 포함하는 기체 생성물을 생성할 수 있는 탄화수소 재료를 포함할 수 있다.
용융 탄산염 연료 전지의 기본 구조는 캐쏘드, 애노드, 및 전해질 역할을 하는 하나 이상의 용융 탄산염 염을 포함하는, 캐쏘드와 애노드 사이의 매트릭스를 포함한다. 용융 탄산염 연료 전지의 통상적인 작동 중에, 용융 탄산염 염은 부분적으로 캐쏘드의 기공 내로 확산된다. 용융 탄산염 염의 캐쏘드의 기공 내로의 이러한 확산은, CO2를 CO3 2-로 전환시켜 전해질을 가로질러 애노드로 수송할 수 있는 인터페이스 영역을 제공한다.
이러한 기본 구조 외에도 애노드 및 캐쏘드에 인접한 용적(volume)이 일반적으로 연료 전지에 포함된다. 이것은, 애노드 가스 유동과 캐쏘드 가스 유동이 각각 애노드와 캐쏘드로 전달되도록 한다. 연료 전지의 외부 경계를 한정하는 분리판과 캐쏘드 사이에 전기적 접촉을 여전히 제공하면서 캐쏘드 가스 유동을 위한 용적을 제공하기 위해 캐쏘드 콜렉터 구조체(cathode collector structure)가 사용될 수 있다. 유사하게 애노드 가스 유동을 위한 용적을 제공하기 위해 애노드 콜렉터가 사용될 수 있다.
미국 특허 6,509,113은 고체 산화물 연료 전지의 전극에 사용하기 위한 배플을 기술한다. 상기 배플은, 연료 농도가 최대일 때 애노드에 접근할 수 있는 연료의 양을 줄이고 연료 농도가 최소일 때 애노드에 연료의 최대 노출을 허용하는 것으로 기술되어 있다.
일 양태에서, 용융 탄산염 연료 전지에서 전기를 생성하는 방법이 제공된다. 이 방법은 H2, 개질가능 연료 또는 이들의 조합물을 포함하는 애노드 유입 스트림을 애노드 가스 수집 용적(collection volume)에 도입하는 것을 포함할 수 있다. 애노드 가스 수집 용적은, 애노드 표면, 제 1 분리판, 및 애노드 표면과 분리판 사이의 지지를 제공하는 애노드 콜렉터에 의해 한정될 수 있다. 상기 방법은 O₂및 CO₂를 포함하는 캐쏘드 유입 스트림을 캐쏘드 가스 수집 용적으로 도입하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 상기 캐쏘드 가스 수집 용적은, 캐쏘드 표면, 제 2 분리판, 및 캐쏘드 표면과 제 2 분리판 사이의 지지를 제공하는 캐쏘드 콜렉터에 의해 한정될 수 있다. 상기 용융 탄산염 연료 전지는 0.97 이하의 전달율(transference) 및 60mA/㎠ 이상의 평균 전류 밀도에서 작동시켜 전기, H2, CO 및 CO₂를 포함하는 애노드 배기 가스 및 2.0 부피% 이하의 CO2를 포함하는 캐쏘드 배기 가스를 생성할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 캐쏘드 가스 수집 용적은, 제 2 분리판과 접촉하는 하나 이상의 배플에 의해 추가로 한정될 수 있다. 하나 이상의 배플은 캐쏘드 가스 수집 용적의 비차단 유동 단면(unblocked flow cross-section)을 10% 이상 감소시킬 수 있다.
또다른 양태에서, 용융 탄산염 연료 전지가 제공된다. 상기 용융 탄산염 연료 전지는 애노드, 제 1 분리판, 및 애노드 및 제 1 분리판과 접촉하여 애노드와 제 1 분리판 사이에 애노드 가스 수집 용적을 한정하는 애노드 콜렉터를 포함한다. 상기 용융 탄산염 연료 전지는 캐쏘드, 제 2 분리판, 및 캐쏘드의 캐쏘드 표면 및 제 2 분리판과 접촉하여 캐쏘드와 제 2 분리판 사이에 캐쏘드 가스 수집 용적을 한정하는 캐쏘드 콜렉터를 추가로 포함한다. 상기 용융 탄산염 연료 전지는, 제 2 분리판과 접촉하는 하나 이상의 배플을 추가로 포함할 수 있다. 하나 이상의 배플은 캐쏘드 가스 수집 용적의 비차단 유동 단면을 10% 이상 감소시킬 수 있다. 상기 용융 탄산염 연료 전지는, 애노드와 캐쏘드 사이에 전해질을 포함하는 전해질 매트릭스를 추가로 포함할 수 있다.
도 1은 캐쏘드 콜렉터 구조체의 예를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 캐쏘드 콜렉터 구조체를 나타내는데 사용될 수 있는 반복 패턴 유닛의 예를 도시한다.
도 3은 복수의 배플 구조체를 포함하는 캐쏘드 가스 수집 용적의 예를 도시한다.
도 4는 루프 구조체가 캐쏘드 표면과 접촉하는 캐쏘드 콜렉터 구성의 예를 도시한다.
도 5는 용융 탄산염 연료 전지의 예를 도시한다.
도 6은 캐쏘드 유동 방향에 대략 수직으로 정렬된 애노드 유동 방향을 갖는 용융 탄산염 연료 전지에 대한 유동 패턴 예를 도시한다.
도 7은 상승된 CO₂이용율 조건에서 배플 구조체가 있거나 없는 용융 탄산염 연료 전지를 작동시킨 결과를 보여준다.
도 8은 상승된 CO₂이용율 조건에서 배플 구조체가 있거나 없는 용융 탄산염 연료 전지를 작동시킨 결과를 보여준다.
도 9는 압력 강하와 캐쏘드 입구 가스 속도 사이의 관계의 예를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 캐쏘드 콜렉터 구조체를 나타내는데 사용될 수 있는 반복 패턴 유닛의 예를 도시한다.
도 3은 복수의 배플 구조체를 포함하는 캐쏘드 가스 수집 용적의 예를 도시한다.
도 4는 루프 구조체가 캐쏘드 표면과 접촉하는 캐쏘드 콜렉터 구성의 예를 도시한다.
도 5는 용융 탄산염 연료 전지의 예를 도시한다.
도 6은 캐쏘드 유동 방향에 대략 수직으로 정렬된 애노드 유동 방향을 갖는 용융 탄산염 연료 전지에 대한 유동 패턴 예를 도시한다.
도 7은 상승된 CO₂이용율 조건에서 배플 구조체가 있거나 없는 용융 탄산염 연료 전지를 작동시킨 결과를 보여준다.
도 8은 상승된 CO₂이용율 조건에서 배플 구조체가 있거나 없는 용융 탄산염 연료 전지를 작동시킨 결과를 보여준다.
도 9는 압력 강하와 캐쏘드 입구 가스 속도 사이의 관계의 예를 도시한다.
다양한 양태에서, 캐쏘드 가스 수집 용적 내에 하나 이상의 배플 구조체를 포함하는 용융 탄산염 연료 전지 구성이 제공된다. 상기 배플 구조체는, 캐쏘드 가스 수집 용적의 비차단 유동 단면을, 배플 구조체가 없을 때 존재할 수 있는 비차단 유동 단면에 비해 10% 내지 80%, 예컨대 50% 내지 80% 만큼 줄일 수 있다. 이러한 이점은, 캐쏘드 표면에 대한 개방 영역을 50% 이하 생성하는 캐쏘드 콜렉터 구조체와 같은 다양한 캐쏘드 콜렉터 구조체에 대해 달성될 수 있다. 이러한 캐쏘드 콜렉터 구조체는 일반적으로, 판-유사 구조체가 캐쏘드 표면과 접촉하는 구조체에 상응한다. CO₂이용률을 높이는 조건 하에서 용융 탄산염 연료 전지를 작동시킬 때 배플의 존재는 증가된 전달율 및/또는 증가된 작동 전압을 제공하는 형태로 예상치 못한 이점을 제공할 수 있다는 것이 발견되었다. 이러한 이점은, 부분적으로는, 높은 CO₂이용률 조건에서 발생하는 대체 이온 수송량의 감소 또는 최소화로 인해 달성될 수 있다.
하나 이상의 배플 구조체는, 단일 연료 전지의 경계를 한정하는 분리판(예를 들면, 이극성(bipolar) 판)과 접촉할 수 있다. 하나 이상의 배플 구조체는 임의적으로 분리판에 부착될 수 있다. 상기 배플 구조체는, 분리판과 접촉하지만 캐쏘드의 캐쏘드 표면과는 접촉하지 않는 배플 구조체에 기반하는 캐쏘드 콜렉터와는 차별화될 수 있다. 그 대신에, 배플 구조체와 캐쏘드 표면 사이에 적어도 약간의 개방 용적이 남아 있다. 상기 캐쏘드 콜렉터에 의해 덮이는 캐쏘드 표면 부분의 경우, 남아있는 개방 용적은 상기 배플 구조체와 캐쏘드 콜렉터 사이에 위치할 수 있다.
하나 이상의 배플 구조체는, 산화 조건 하에서 650℃에서 안정하고, 전해질에 의한 부식에 저항성이 있으며, 캐쏘드 콜렉터 및 분리판(예를 들면, 이극성 판) 재료와 상용성인 열팽창 계수를 갖는 임의의 재료로 구성될 수 있다. 스테인리스 강이 배플 구조체에 적합한 재료의 예이다.
도 3은 복수의 배플(330)을 포함하는 캐쏘드 가스 수집 용적(320)의 측면도(310) 및 평면도(370)의 예를 도시한다. 도 3의 측면도(310)에서는, 캐쏘드 유입 가스(325)가 캐쏘드(340)와 분리판(350)(예컨대 이극성 판) 사이의 간격 또는 갭에 의해 한정되는 캐쏘드 가스 수집 용적(320)으로 도입된다. 물론, 캐쏘드(340)의 대향 면(opposing side)은 전해질(341)에 인접해 있다. 캐쏘드 콜렉터(360)는 캐쏘드 가스 수집 용적(320)에 상응하는 상기 갭을 유지하기 위해 구조적 지지를 제공한다. 상기 구조적 지지는 캐쏘드 콜렉터(360)의 부분(322)에 의해 제공된다. 도 3의 측면도(310)에 도시된 바와 같이, 상기 부분(322)은 솔리드(solid) 부분들에 상응하지만, 다양한 양태에서, 캐쏘드 콜렉터에 의해 제공되는 구조적 지지는, 상기 구조로 인한 비차단 유동 단면의 감소를 감소시키거나 또는 최소화하는 중공(hollow) 구조 또는 쉘(shell) 구조에 의해 제공될 수도 있다. 도 3의 평면도(370)에 도시된 바와 같이, 배플(330)은 캐쏘드 가스 수집 용적(320) 내의 캐쏘드 유입 가스(325)의 유동 방향에 대략 직교하도록 배향될 수 있다. 따라서, 배플(330)은 캐쏘드 유입 가스의 유동 방향을 따라 캐쏘드 가스 수집 용적(320)의 비차단 유동 단면의 양을 감소시킨다.
일부 양태에서, 상기 하나 이상의 배플 구조체를 포함하는 캐쏘드 가스 수집 용적은, 캐쏘드를 통한 실질적인 확산을 필요로 하지 않으면서 CO₂가 효과적으로 도달할 수 있는 캐쏘드 표면의 백분율에 기초하여 특성화될 수 있다. 특성화의 한 유형은 캐쏘드의 개방 영역을 기초로 할 수 있다. 이것은 캐쏘드 콜렉터와 접촉하지 않는 캐쏘드 표면의 부분에 상응한다.
통상적인 용융 탄산염 연료에서 캐쏘드 표면의 개방 영역에 대한 일반적인 값은 약 33%이다. 도 1은, 통상적인 구성에서 사용되는 경우 33%의 개방 영역을 초래하는 캐쏘드 콜렉터 구성의 예를 도시한다. 도 1에서, 콜렉터의 표면(110)은 규칙적인 패턴의 개구(115)를 포함하는 판-유사 표면에 상응한다. 표면(110) 내의 개구(115)는, 표면을 펀칭하여 표면(110)의 평면 아래로 연장되는 루프 구조체(120)를 형성함으로써 형성되었다. 통상적인 구성에서, 표면(110)은 캐쏘드 표면과 접촉하여 배치되는 반면, 루프 구조체(120)는 위쪽으로 연장되어 이극성 판, 분리판, 또는 캐쏘드 유입 가스를 수용하기 위한 용적을 한정하는데 사용되는 다른 판 구조체를 지지한다. 상기 판 구조체는 루프 구조의 기저부 엣지(122)에서 루프 구조체(120)와 접촉할 것이다. 도 1에서, 개구(120) 사이의 간격(140)은 개구(120)의 길이(124)와 대략 동일한 거리이다. 도 1에서, 개구 사이의 간격(160)은 개구(120)의 폭(126)의 대략 절반이다. 이러한 상대적 거리 관계에 기초하여, 이러한 유형의 반복 패턴은 대략 33%의 개방 영역을 생성한다. 길이(124)의 일반적인 값은 대략 2.0mm일 수 있고, 폭(126)의 일반적인 값은 대략 6.0mm일 수 있다. 도 1의 장방형 패턴은 예시를 위한 편리한 패턴을 나타내며, 임의의 다른 편리한 유형의 패턴 및/또는 불규칙한 배열의 개구도 사용될 수 있음에 유의한다.
일부 양태에서, 캐쏘드 콜렉터의 판-유사 구조는, 캐쏘드 표면보다는 분리판과 접촉할 수 있다는 점에 주목한다. 이러한 양태에서, 캐쏘드 표면의 개방 영역은 일반적으로 50%보다 클 것이다. 이러한 양태에서, 배플 구조체는 캐쏘드 콜렉터에 부착될 수 있다. 이러한 배플 구조체는, 캐쏘드 콜렉터의 부분이 캐쏘드 표면과 접촉하여 구조적 지지를 제공하고 전기적 접촉을 이루는 것과 대조적으로, 배플과 캐쏘드 표면 사이에 개방 용적이 남아있는 구조를 특징으로 할 수 있다.
또다른 유형의 특성화는, 배플 구조로 인해 야기된 압력 강하를 기초로 할 수 있다. 일반적으로, 캐쏘드 가스 수집 용적에 대한 비차단 유동 단면을 줄이면 캐쏘드 전체에 걸친 압력 강하가 증가할 수 있다. 용융 탄산염 연료 전지는 종종 주변 압력에 가까운 압력에서 작동하기 때문에, 캐쏘드 가스 수집 용적에 걸친 단지 몇 kPa의 압력 강하는 연료 전지의 적절한 작동에 대해 잠재적으로 중요할 수 있다. 예를 들어, 도 9는 캐쏘드 유입 가스의 속도에 대한 캐쏘드 가스 수집 용적에 걸친 압력 강하의 예를 도시한다. 도 9에 도시된 예에서, 캐쏘드 가스 수집 용적의 높이는 0.58 인치(약 1.5cm)이다. 캐쏘드 가스 수집 용적의 길이는 27 인치(68.5cm)이다. 따라서, 도시된 압력 강하는 캐쏘드 길이(즉, 캐쏘드 가스 수집 용적의 길이) 68.5cm를 통과한 후 가스에 대한 압력 강하에 상응한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 압력 강하는 저속에서 1 kPa 미만이지만, 캐쏘드 유입 가스의 속도가 증가함에 따라 포물선 형으로 증가한다. 발전(power generation)을 위한 통상적인 용융 탄산염 연료 전지 작동의 경우, 캐쏘드 유입 가스 유속의 전형적인 값은 대략 5m/s 이하임에 주목한다. 대조적으로, 탄소 포집을 위해 연료 전지를 작동시킬 때 캐쏘드 유입 가스 유속은 5m/s 내지 15m/s 또는 가능하게는 그 이상일 수 있다. 캐쏘드 유입 가스 유속의 그러한 더 높은 값에서, 도 9의 압력 강하는 유동 채널의 10% 만 차단된 상태에서 2kPa 내지 5kPa 정도일 수 있다. 캐쏘드 가스 수집 용적에 하나 이상의 배플 구조체를 도입하면 비차단 유동 단면을 줄일 수 있으며, 이는 압력 강하 곡선에서 상응하는 증가를 유발한다. 결과적으로, 적절한 배플 구조체를 선택하는 것은, 연료 전지 작동에서의 다른 개선과, 캐쏘드 가스 수집 용적에 걸친 압력 강하량의 균형을 맞추는 것을 포함할 수 있다. 특히, 캐쏘드 가스 수집 용적의 비차단 유동 단면의 감소로 인해 발생하는 압력 강하를 수용하기 위해서는, 캐쏘드 유입 가스 유동 내의 충분한 압력을 얻을 수 있어야 한다.
본원에 기술된 배플 구조체는, 향상된 CO₂이용률을 갖도록 MCFC를 작동시킬 때, 예를 들어 0.97 이하 또는 0.95 이하의 전달율을 포함하는 작동 조건에서 연료 전지를 작동시킬 때, 추가적인 이점을 제공할 수 있다. CO₂이용률을 높이기 위해 MCFC를 사용하는데 있어 한 가지 어려움은, 연료 전지 작동에 필요한 반응물의 하나 이상이 소량으로 존재하는 경우 연료 전지의 작동이 잠재적으로 동역학적으로(kinetically) 제한될 수 있다는 것이다. 예를 들어, CO₂함량이 4.0 부피% 이하인 캐쏘드 유입 스트림을 사용하는 경우, 75% 이상의 CO₂이용률을 달성하는 것은 1.0 부피% 이하의 캐쏘드 배출물 농도에 상응한다. 그러나, 1.0 부피% 이하의 캐쏘드 배출물 농도는 반드시 CO₂가 캐쏘드 전체에 고르게 분포되어 있음을 의미하지는 않는다. 상기 농도는 일반적으로, 애노드 및 캐쏘드의 유동 패턴과 같은 다양한 요인으로 인해 캐쏘드 내에서 다양할 것이다. CO₂농도의 편차는, 실질적으로 1.0 부피% 미만의 CO₂농도가 존재하는 캐쏘드 부분을 초래할 수 있다.
용융 탄산염 연료 전지의 통상적인 작동 조건은 일반적으로, 대체 이온 수송의 양이 감소하거나 최소화되거나 존재하지 않는 조건에 상응한다. 대체 이온 수송의 양은 연료 전지의 전달율을 기초로 정량화될 수 있다. 상기 전달율은, 수산화 이온 및/또는 다른 이온이 아닌 탄산 이온에 상응하는, 용융 탄산염 전해질을 가로질러 수송되는 이온의 분율로 정의된다. 전달율을 결정하는 편리한 방법은, a) 캐쏘드 유입물 대 캐쏘드 배출물에서 측정된 CO₂농도의 변화를 b) 연료 전지에 의해 생성되는 전류 밀도를 달성하는데 필요한 탄산 이온 수송량과 비교하는 것이다. 전달율에 대한 이 정의는 애노드에서 캐쏘드로의 CO₂역수송이 최소량이라고 가정한 것에 유의한다. 그러한 역수송은 본원에 기술된 작동 조건에서 최소량인 것으로 여겨진다. CO₂농도 측정을 위해, 캐쏘드 유입 스트림 및/또는 캐쏘드 배출 스트림이 샘플링될 수 있으며, 이때 샘플은 CO₂함량 측정을 위해 가스 크로마토그래프로 보내진다. 연료 전지의 평균 전류 밀도는 편리한 방법으로 측정될 수 있다.
통상적인 작동 조건 하에서, 상기 전달율은 1.0에 비교적 가까워, 예컨대 0.98 이상이고/이거나 대체 이온 수송이 실질적으로 없을 수 있다. 0.98 이상의 전달율은, 전해질을 통해 수송되는 이온 전하의 98% 이상이 탄산 이온에 해당함을 의미한다. 수산화 이온은 -1의 전하를 갖는 반면 탄산 이온은 -2의 전하를 갖기 때문에, 하나의 탄산 이온의 수송과 동일한 전하 전달을 일으키기 위해서는 전해질을 가로질러 2 개의 수산화 이온이 수송되어야 함에 유의한다.
통상적인의 작동 조건과 대조적으로, 전달율 0.95 이하(또는 증가된 개방 영역 및/또는 감소된 비차단 유동 단면으로 작동시키는 경우 0.97 이하)로 용융 탄산염 연료 전지를 작동시키면, 비록 연료 전지에 의해 생성되는 전류 밀도의 일부가 탄산 이온 이외의 이온의 수송에 기인한다 해도, 달성되는 탄산 이온 수송의 유효량을 증가시킬 수 있다. 0.97 이하 또는 0.95 이하의 전달율로 연료 전지를 작동시키기 위해서는 연료 전지 캐쏘드 내에서 CO₂고갈이 발생해야 한다. 이러한 캐쏘드내 CO₂고갈은 국소화되는 경향이 있음이 발견되었다. 결과적으로, 연료 전지 캐쏘드 내의 많은 영역은 정상적인 작동을 위해 충분한 CO₂를 가질 수 있다. 이러한 영역은, 예컨대 탄소 포집을 위해, 전해질을 통해 수송하는데 바람직한 추가적인 CO₂를 포함한다. 그러나, 이러한 영역 내의 CO₂는 일반적으로, 통상적인 조건에서 작동시킬 때 전해질에 걸쳐 수송되지 않는다. 0.97 이하 또는 0.95 이하의 전달율로 작동 조건을 선택하면 충분한 CO₂가 있는 영역을 사용하여 추가적인 CO₂를 수송할 수 있으면서 고갈된 영역은 대체 이온 수송을 기반으로 작동될 수 있다. 이것은 캐쏘드 유입 스트림으로부터 포집된 CO₂양에 대한 실용적인 한계를 증가시킬 수 있다.
전해질을 통해 대체 이온을 수송하는 이점 중 하나는, 충분한 수의 CO₂분자가 동역학적으로 얻어지지 않더라도 연료 전지가 계속 작동될 수 있다는 것이다. 이것은, 캐쏘드에 존재하는 CO₂의 양이 통상적으로 정상적인 연료 전지 작동에 불충분한 것으로 간주되더라도 추가적인 CO₂가 캐쏘드에서 애노드로 전달되게 할 수 있다. 이를 통해, 연료 전지는 100%에 더 가까운 측정된 CO₂이용률로 작동될 수 있으며, 계산된 CO₂이용률(전류 밀도 기준)은 측정된 CO₂이용률보다 3% 이상 더 높거나 5% 이상, 10% 이상, 또는 20% 이상 더 높을 수 있다. 대체 이온 수송은 연료 전지로 하여금 100% 초과의 계산된 CO₂이용률에 상응하는 전류 밀도로 작동되게 할 수 있음에 주목한다.
대체 이온의 수송은 연료 전지가 목표(target) 전류 밀도를 유지하도록 할 수 있지만, 전해질에 걸친 대체 이온의 수송은 또한 용융 탄산염 연료 전지의 수명을 감소시키거나 최소화할 수 있다는 것이 발견되었다. 따라서, 연료 전지 수명의 이러한 손실을 완화하는 것이 바람직하다. 캐쏘드 표면의 개방 영역을 증가시키고/거나 비차단 유동 단면을 감소시키면 증가된 CO₂포집을 달성하면서도 대체 이온 수송의 양을 감소시키거나 최소화할 수 있다는 것이 예기치 않게 발견되었다.
일부 양태에서, 증가된 CO₂포집은, 0.97 이하, 0.95 이하, 0.93 이하, 또는 0.90 이하의 전달율와 같이, 전달율의 정도를 기초로 한정될 수 있다. 0.97 이하의 전달율로 작동 조건을 유지하면, 일반적으로 캐쏘드 배출 스트림 중의 CO₂농도가 2.0 부피% 이하, 1.5 부피% 이하 또는 1.0 부피% 이하가 될 수 있다. 캐쏘드 배출 스트림 중의 더 높은 CO₂농도에서는, 일반적으로 CO₂의 국소적 고갈이 충분하지 않아 더 낮은 전달율 값을 초래할 수 있다.
증가된 CO₂포집의 존재는 또한 다른 요인에 의해 나타날 수 있지만, 그러한 다른 요인은 그 자체로는 일반적으로 증가된 CO₂포집을 나타내는 충분한 조건이 아니다. 예를 들어, 더 낮은 CO₂농도 캐쏘드 유입 스트림을 사용할 때, 증가된 CO₂포집은 일부 양태에서 70% 이상, 75% 이상 또는 80% 이상, 예를 들어 95%까지 또는 가능하게는 그보다 더 높은 CO₂이용률에 상응할 수 있다. 더 낮은 농도의 CO₂공급원의 예는, 5.0 부피% 이하 또는 4.0 부피% 이하, 예를 들어 1.5 부피%까지, 가능하게는 더 낮은 CO₂를 함유하는 캐쏘드 유입 스트림을 생성하는 CO₂공급원에 상응할 수 있다. 천연 가스 터빈에서 나오는 배기 가스는, CO₂함량이 5.0 부피% 이하 또는 4.0 부피% 이하인 CO₂함유 스트림의 예이다. 추가적으로 또는 대안적으로, 증가된 CO₂포집은, 용융 탄산염 연료 전지를 사용하여 60mA/㎠ 이상, 또는 80mA/㎠ 이상 또는 100mA/㎠ 이상, 또는 120mA/㎠ 이상, 또는 150mA/㎠ 이상, 또는 200mA/㎠ 이상, 예를 들면 최대 300mA/㎠까지, 또는 가능하게는 더 높은 값과 같이 상당한 양의 전류 밀도를 생성하는 작동 조건에 상응할 수 있다. 대체 이온 수송을 위한 반응 경로는 탄산 이온을 사용하는 반응 경로보다 더 낮은 이론적 전압을 갖기 때문에, 대체 이온 수송은 연료 전지에 대한 감소된 작동 전압을 나타낼 수도 있다는 점에 유의해야 한다.
통상적으로, 용융 탄산염 연료 전지의 캐쏘드 배기 가스 중의 CO₂농도는 5 부피% 이상의 CO₂, 10 부피% 이상의 CO₂또는 가능하게는 더 높은 값과 같이 비교적 높은 값으로 유지된다. 또한, 용융 탄산염 연료 전지는 일반적으로 70% 이하의 CO₂이용률 값에서 작동된다. 이러한 조건 중 어느 것이 존재할 때, 용융 탄산염 전해질에 걸친 전하 수송의 지배적인 메커니즘은 탄산 이온의 수송이다. 전해질에 걸친 대체 이온(예를 들면, 수산화 이온)의 수송은 이러한 통상적인 조건에서 발생하는 것이 가능하지만, 대체 이온 수송의 양은 미미하여 전류 밀도의 2% 이하 (또는 동등하게는 0.98 이상의 전달율)에 상응한다.
전달율 면에서 작동 조건을 설명하는 대신에, 측정된 CO₂이용률 및 평균 전류 밀도를 기반으로 한 "계산된" CO₂이용률을 기초로 작동 조건을 설명할 수 있다. 이 논의에서는, 상기 측정된 CO₂이용률은 캐쏘드 유입 스트림으로부터 제거되는 CO2의 양에 상응한다. 이는, 예를 들어, 가스 크로마토그래피를 사용하여 캐쏘드 유입 스트림 및 캐쏘드 배출 스트림 중의 CO₂농도를 결정함으로써 결정될 수 있다. 이는 또한, 실제 CO₂이용률 또는 간단히 CO₂이용률이라고도 한다. 이 논의에서, 상기 계산된 CO₂이용률은, 연료 전지에서 생성된 모든 전류 밀도가 전해질에 걸친 CO3 2- 이온의 수송 (즉, CO2를 기초로 한 이온의 수송)을 기초로 생성된 경우에 발생하는 CO₂이용률로서 정의된다. 상기 측정된 CO₂이용률과 상기 계산된 CO₂이용률 간의 차이를 개별적으로 사용하여 대체 이온 수송의 양을 특성화할 수 있고/있거나 위에서 설명한 바와 같이 이러한 값을 사용하여 전달율을 계산할 수 있다.
일부 양태에서, 용융 탄산염 연료 전지의 작동에 적합한 임의의 편리한 유형의 전해질이 사용될 수 있다. 많은 통상적인 MCFC는 탄산염 전해질로서 공융(eutectic) 탄산염 혼합물, 예컨대 탄산 리튬 62 몰%와 탄산 칼륨 38 몰%의 공융 혼합물(62% Li2CO3/38% K2CO3) 또는 탄산 리튬 52 몰%와 탄산 나트륨 48 몰%의 공융 혼합물(52% Li2CO3/48% Na2CO3)의 공융 혼합물을 사용한다. 다른 공융 혼합물, 예컨대 40 몰%의 탄산 리튬과 60 몰%의 탄산 칼륨의 공융 혼합물(40% Li2CO3/60% K2CO3)도 사용될 수 있다. 다양한 이유로 전해질로서 탄산염의 공융 혼합물이 편리할 수 있지만 탄산염의 비-공융 혼합물도 적합할 수 있다. 일반적으로, 이러한 비-공융 혼합물은 탄산 리튬, 탄산 나트륨 및/또는 탄산 칼륨의 다양한 조합물을 포함할 수 있다. 임의적으로, 더 적은 양의 다른 금속 탄산염, 예를 들어 다른 알칼리 탄산염(탄산 루비듐, 탄산 세슘) 또는 다른 유형의 금속 탄산염, 예컨대 탄산 바륨, 탄산 비스무트, 탄산 란탄 또는 탄산 탄탈이 첨가제로서 전해질에 포함될 수 있다.
정의
개방 영역: (캐쏘드 전류 콜렉터에 인접한) 캐쏘드 표면의 개방 영역은, 캐쏘드 전류 콜렉터와 접촉하지 않는 캐쏘드 표면의 백분율로 정의된다. 도 2는, 캐쏘드 콜렉터의 판-유사 표면과 접촉하는 캐쏘드 표면에 대한 개방 영역을 나타내는데 사용될 수 있는 반복 유닛(즉, 유닛 전지)의 예를 도시한다. 도 2에 도시된 반복 유닛은 도 1에 도시된 구조를 나타내는데 사용될 수 있는 반복 패턴(유닛 전지)에 상응한다. 도 2에서, 어두운 영역은 캐쏘드 콜렉터가 캐쏘드 표면과 접촉하는 영역에 상응하고, 밝은 영역은 가스가 캐쏘드 표면과 캐쏘드 콜렉터 사이를 통과할 수 있는 영역에 상응한다.
개방 영역을 결정하기 위한 계산의 예로서, 도 2에서의 거리(126)는 3.0으로 설정될 수 있고, 거리(266)는 0.75로 설정될 수 있고, 거리(124)는 1.0으로 설정될 수 있고, 거리(244)는 0.5로 설정될 수 있다. 거리(244) 둘다를 더하면 도 1로부터의 거리(140)의 값(1.5)이 된다는 점에 유의한다. 유사하게, 두 거리(266)를 더하면 도 1로부터의 거리(160)의 값(1.0)이 된다. 도 2에서의 거리를 기초로, 도 2에 도시된 구성에 대한 개방 영역(210)은 33%이다. 이는, 예를 들어, 개방 영역(210)의 면적이 3.0 * 1.0 = 3.0이고 전체 반복 유닛의 면적이 (0.75 + 3.0 + 0.75) * (0.5 + 1.0 + 0.5) = 9.0이라는 점에 유의하여 결정할 수 있다. 따라서, 개방 영역 %는 3.0/9.0 또는 33%이다. 도 2에서의 거리는 정규화된 것이고 따라서 자유 길이 단위임에 유의한다.
비차단 유동 단면: 다양한 양태에서, 캐쏘드 콜렉터 구조체는, 캐쏘드 표면과, 연료 전지의 단부(end)에 상응하는 분리판(예를 들면, 이극성 판) 사이의 거리 또는 간격을 유지하기 위한 구조적 지지를 제공할 수 있다. 캐쏘드와 분리판 사이의 이 간격은, 캐쏘드 유입 가스를 수용할 수 있는 캐쏘드 가스 수집 용적에 상응한다. 비차단 유동 단면은 상기 캐쏘드 가스 수집 용적 내의 캐쏘드 유입 가스의 유동 방향을 기반으로 한정될 수 있다.
이 논의에서, 상기 유동 방향은 캐쏘드 가스 입구와 캐쏘드 가스 출구 사이의 평균 경로에 상응한다. 상기 캐쏘드 가스 수집 용적의 중심 축은, 유동 방향과 거의 평행한 상기 캐쏘드 가스 수집 용적의 기하학적 중심을 통과하는 선으로서 정의된다. 상기 유동 단면은, 상기 중심 축에 수직인 단면을 기준으로 유동 방향을 따른 상기 캐쏘드 가스 수집 용적의 평균 단면에 상응한다. 상기 캐쏘드 가스 수집 용적은 일반적으로 평행 파이프형(parallelpiped)에 상응하므로, 상기 중심 축은 직선에 상응할 것이다. 그러나, 다른 형태의 캐쏘드 가스 수집 용적의 경우, 상기 중심 축은 잠재적으로 곡선에 상응할 수 있다.
상기 유동 단면은 잠재적으로, 차단된 유동 단면과 비차단 유동 단면을 모두 포함할 수 있다. 잠재적인 차단 구조체의 예는 배플 구조체 및/또는 캐쏘드 콜렉터 구조체를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 차단된 유동 단면은, 중심 축에 평행한 선이 캐쏘드 가스 수집 용적 내의 솔리드(solid) 구조체와 교차하는 유동 단면의 부분(백분율)으로 정의된다. 비차단 유동 단면은, 그러한 평행선이 캐쏘드 가스 수집 용적 내의 솔리드 구조체와 교차하지 않는 유동 단면의 부분으로 정의된다.
다양한 양태에서, 하나 이상의 배플 구조체가 또한 상기 캐쏘드 가스 수집 용적 내에 포함될 수 있다. 이러한 배플 구조체는 구조적 지지를 제공하지 않으며, 따라서 캐쏘드 콜렉터의 일부가 아니다. 그러나, 배플 구조체는 추가적인 차단된 유동 단면을 나타낸다. 따라서, 배플 구조체의 존재는, 캐쏘드 콜렉터만 존재하는 경우에 존재하는 "비차단" 영역에 비해 비차단 유동 단면을 감소시킨다. 이 논의에서, 배플의 존재로 인한 비차단 유동 단면의 감소량은 배플이 있거나 없는 비차단 유동 단면의 차이로 정의된다.
배플의 존재로 인한 비차단 유동 단면의 감소량은 10% 내지 80%일 수 있다. 일부 양태에서, 상기 감소량은 10% 내지 50%, 또는 25% 내지 50%, 또는 10% 내지 80%, 또는 25% 내지 80%, 또는 50% 내지 80%일 수 있다. 전형적인 캐쏘드 콜렉터 구조체는 배플의 존재 없이 일부의 차단된 유동 단면을 제공한다는 점에 주목한다. 일부 캐쏘드 콜렉터 구조체로 인해 차단된 유동 단면은 10% 정도일 수 있다. 배플 구조체에 의한 비차단 유동 단면의 감소량은 연료 전지에서 캐쏘드 콜렉터 구조체의 존재로 인한 임의의 감소에 추가된다.
통상적으로, 도 1에 도시된 구조체와 같은 캐쏘드 콜렉터 구조체는, 판-유사 표면(110)이 캐쏘드 표면과 접촉하도록 배향될 것이다. 다양한 양태에서, 통상적인 구성을 사용하는 대신에, 루프 구조체(120)의 기저부 엣지(122)가 캐쏘드 표면과 접촉하면서 판-유사 표면(110)이 분리판과 접촉하도록 캐쏘드 콜렉터(예를 들어, 도 1에 도시된 구조체)가 배향될 수 있다. 이러한 유형의 구성은 잠재적으로, 캐쏘드 표면에 45% 이상, 50% 이상 또는 60% 이상, 예를 들면, 90%까지 또는 가능하게는 그 이상의 개방 영역을 제공할 수 있다. 배플 구조체는 또한, 캐쏘드 표면에서의 개방 영역이 50%를 초과하는 구성에 효과적일 수 있지만, 이러한 이점의 양은 캐쏘드 표면에서의 개방 영역이 50% 미만인 구성에 비해 감소될 수 있다.
도 4는, 루프 구조체(120)의 기저부 엣지(122)가 캐쏘드 표면(730)과 접촉하는, 이러한 유형의 구성의 예를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 캐쏘드 표면과의 접촉점으로서 루프 구조체(120)의 기저부 엣지(122)를 갖는 것은 캐쏘드 표면상의 개방 영역을 실질적으로 증가시킬 수 있다. 유사하게, 평균 캐쏘드 가스 측방향 확산 길이는 도 4와 유사한 구성에 의해 감소되거나 최소화될 수 있다. 그러나, 캐쏘드 표면과 콜렉터 사이의 전기적 접촉의 더 제한적인 특성으로 인해 평균 접촉 면적 확산 길이가 증가할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 캐쏘드 콜렉터는, 루프 구조체(120)의 기저부 엣지(122)가 캐쏘드 표면(730)과 접촉하는 구성에 사용될 수 있다. 도 4는 또한, 캐쏘드 표면과의 전기적 접촉을 개선하기 위해 도 4에 도시된 구성으로 캐쏘드 콜렉터와 함께 사용될 수 있는 임의적인 개방 메쉬 구조체(750)를 도시한다.
대체 이온 수송을 갖는 용융 탄산염 연료 작동 조건
다양한 양태에서, 용융 탄산염 연료 전지(예를 들면, 연료 전지 스택의 일부인 전지)의 작동 조건은 0.97 이하의 전달율에 상응하도록 선택될 수 있으며, 이로써 상기 전지는 탄산 이온 및 하나 이상의 유형의 대체 이온을 전해질을 가로질러 수송하게 된다. 전달율 외에도, 용융 탄산염 연료 전지가 대체 이온의 수송으로 작동하고 있음을 나타낼 수 있는 작동 조건에는, 캐쏘드 유입 스트림의 CO₂농도, 캐쏘드에서의 CO₂이용률, 연료 전지의 전류 밀도, 캐쏘드에 걸친 전압 강하, 애노드에 걸친 전압 강하, 및 캐쏘드 유입 스트림 중의 O₂농도가 포함되지만, 이에 국한되지는 않는다. 추가적으로, 애노드 유입 스트림 및 애노드에서의 연료 이용률은 일반적으로 원하는 전류 밀도를 제공하도록 선택될 수 있다.
일반적으로, 대체 이온 수송을 일으키기 위해서는, 충분히 높은 전류 밀도를 제공하기 위해 연료 전지를 작동시키는 동안 캐쏘드의 적어도 일부에서의 CO₂농도가 충분히 낮아야 한다. 캐쏘드에서 충분히 낮은 CO₂농도를 갖는 것은 일반적으로 캐쏘드 유입 유동에서의 낮은 CO₂농도, 높은 CO₂이용률 및/또는 높은 평균 전류 밀도의 일부 조합에 상응한다. 그러나, 이러한 조건만으로는 0.97 이하 또는 0.95 이하의 전달율을 나타내기에 충분하지 않다.
예를 들어, 캐쏘드 개방 영역이 약 33%인 용융 탄산염 연료 전지가 19 부피%의 캐쏘드 유입물 CO₂농도, 75%의 CO₂이용률 및 160mA/㎠의 평균 전류 밀도로 작동되었다. 이러한 조건은 계산된 CO₂이용률과 측정된 CO₂이용률 간의 차이가 1% 미만인 것에 상응하였다. 따라서, 상당한 대체 이온 수송/0.97 이하 또는 0.95 이하의 전달율의 존재는 단순히 높은 CO₂이용률 및 높은 평균 전류 밀도의 존재만으로는 추론될 수 없다.
다른 예로서, 캐쏘드 개방 영역이 50% 내지 60%인 용융 탄산염 연료 전지가 4.0 부피%의 캐쏘드 유입물 CO₂농도, 89%의 CO₂이용률 및 100 mA/㎠의 전류 밀도로 작동되었다. 이러한 조건은 0.97 이상의 전달율에 상응하였다. 따라서, 0.95 이하의 전달율/상당한 대체 이온 수송의 존재는 단순히 캐쏘드 유입 스트림에서의 낮은 CO₂농도와 조합된 높은 CO₂이용률의 존재만으로 추론될 수는 없다.
또다른 예로서, 캐쏘드 개방 영역이 50% 내지 60%인 용융 탄산염 연료 전지가 13 부피%의 캐쏘드 유입물 CO₂농도, 68%의 CO₂이용률 및 100 mA/㎠의 전류 밀도로 작동되었다. 이러한 조건은 적어도 0.98의 전달율에 상응하였다.
이 논의에서, 전해질을 가로질러 대체 이온을 수송하도록 MCFC를 작동시키는 것은 최소량 초과의 대체 이온이 수송되도록 MCFC를 작동시키는 것으로 정의된다. 다양한 통상적인 조건에서 MCFC 전해질에 걸쳐 소량의 대체 이온이 수송되는 것이 가능하다. 통상적인 조건 하에서의 이러한 대체 이온 수송은 0.98 이상의 전달율에 상응할 수 있으며, 이는, 연료 전지에 대한 전류 밀도의 2.0% 미만에 상응하는 대체 이온의 수송에 상응한다.
이 논의에서, 대체 이온 수송을 유발하도록 MCFC를 작동시키는 것은, 전류 밀도의 5.0% 이상(또는 계산된 CO₂이용률의 5.0% 이상) 또는 10% 이상, 또는 20% 이상, 예를 들어 35%까지 또는 가능하게는 그 이상이 대체 이온의 수송에 기초한 전류 밀도에 상응하도록 0.95 이하의 전달율로 MCFC를 작동시키는 것으로 정의된다. 일부 양태에서, 증가된 개방 영역 및/또는 감소된 비차단 유동 단면으로 작동시키는 것은, 0.95 이하의 전달율을 초래할 조건 하에서 대체 이온 수송의 양을 감소시키거나 최소화할 수 있다는 점에 주목한다. 따라서, 증가된 개방 영역 및/또는 감소된 비차단 유동 단면으로 작동시킴으로써, 증가된 CO₂포집/상당한 대체 이온 수송을 갖는 일부 작동 조건은 0.97 이하의 전달율에 상응할 수 있다.
이 논의에서, 상당한 대체 이온 수송을 유발하도록 (즉, 0.95 이하 또는 0.97 이하의 전달율과 증가된 개방 영역 및/또는 감소된 비차단 유동 단면으로 작동하도록) MCFC를 작동시키는 것은 추가로, 전력 생성에 적합한 애노드와 캐쏘드에 걸친 전압 강하로 MCFC를 작동시키는 것에 상응하는 것으로 정의된다. 용융 탄산염 연료 전지의 반응을 위한 총 전기화학적 전위차는 약 1.04V이다. 실용적 고려 사항으로 인해, MCFC는 일반적으로 거의 0.7V 또는 약 0.8V의 전압으로 전류를 생성하도록 작동된다. 이는 캐쏘드, 전해질 및 애노드에 걸친 총 전압 강하가 대략 0.34V인 것에 상응한다. 안정적인 작동을 유지하기 위해, 캐쏘드, 전해질 및 애노드에 걸친 총 전압 강하는 약 0.5V 미만일 수 있으며, 따라서 결과적으로 연료 전지에 의해 생성되는 전류는 0.55V 이상 또는 0.6V 이상의 전압으로 생성된다.
애노드와 관련하여, 상당한 대체 이온 수송으로 작동시키기 위한 한 가지 조건은, 상기 상당한 대체 이온 수송이 발생하는 영역에서 8.0 부피% 이상 또는 10 부피% 이상의 H₂농도를 갖도록 하는 것일 수 있다. 상기 양태에 따라, 이는, 애노드 유입물 근처의 영역, 캐쏘드 출구 근처의 영역, 또는 이들의 조합에 상응할 수 있다. 일반적으로, 애노드 영역에서의 H₂농도가 너무 낮으면, 상당한 대체 이온 수송을 생성하기에 구동력이 충분하지 않다.
애노드에 적합한 조건은 또한, 애노드에 H2, 개질가능 연료 또는 이들의 조합을 제공하고, 원하는 전류 밀도를 생성하는 임의의 편리한 연료 이용률, 예컨대 20% 내지 80% 범위의 연료 이용률로 작동시키는 것을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 이것은 전통적인 연료 이용률 양, 예컨대 60% 이상, 또는 70% 이상, 예컨대 85%까지 또는 가능하게는 이보다 더 높은 연료 이용률에 상응할 수 있다. 다른 양태에서, 이것은, 증가된 H₂함량 및/또는 증가된 조합된 H₂및 CO(즉, 합성 가스)의 함량을 갖는 애노드 배출 스트림을 제공하도록 선택된 연료 이용률, 예컨대 55% 이하 또는 50% 이하, 또는 40% 이하, 예컨대 20%까지 또는 가능하게는 이보다 더 낮은 연료 이용률에 상응할 수 있다. 애노드 배출 스트림 중의 H₂함량 및/또는 애노드 배출 스트림 중의 조합된 H₂및 CO의 함량은 원하는 전류 밀도의 생성을 허용하기에 충분할 수 있다. 일부 양태에서, 애노드 배출 스트림 중의 H₂함량은 3.0 부피% 이상, 또는 5.0 부피% 이상, 또는 8.0 부피% 이상, 예를 들어 15 부피%까지 또는 가능하게는 더 높을 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 애노드 배출 스트림 중의 조합된 H₂및 CO의 양은 4.0 부피% 이상, 6.0 부피% 이상, 또는 10 부피% 이상, 예를 들어 20 부피%까지 또는 가능하게는 더 높을 수 있다. 임의적으로, 연료 전지가 낮은 연료 이용률로 작동될 때, 애노드 배출 스트림 중의 H₂함량은 더 높은 범위, 예컨대 10 부피% 내지 25 부피%의 H₂함량일 수 있다. 이러한 양태에서, 애노드 배출 스트림 중의 합성 가스 함량은 상응하게 더 높을 수 있으며, 예를 들어 조합된 H₂및 CO 함량은 15 부피% 내지 35 부피%일 수 있다. 상기 양태에 따라, 애노드는, 생성되는 전기 에너지의 양을 증가시키거나 생성되는 화학 에너지(즉, 애노드 배출 스트림에서 이용가능한, 개질에 의해 생성된 H2)의 양을 증가시키도록 작동될 수 있거나, 대체 이온 수송을 일으키는 연료 전지 작동과 호환될 수 있는 임의의 다른 편리한 전략을 사용하여 작동될 수 있다.
애노드에서 충분한 H₂농도를 갖는 것 외에도, 캐쏘드 내의 하나 이상의 위치는, 더 유리한 탄산 이온 수송 경로가 쉽게 이용될 수 없도록 충분히 낮은 CO₂농도를 가져야 한다. 일부 양태에서, 이것은, 2.0 부피% 이하, 또는 1.0 부피% 이하, 또는 0.8 부피% 이하의 캐쏘드 배출 스트림(즉, 캐쏘드 배기 가스) 중의 CO₂농도를 갖는 것에 상응할 수 있다. 캐쏘드 내에서의 편차로 인해, 2.0 부피% 이하(또는 1.0 부피% 이하 또는 0.8 부피% 이하)의 캐쏘드 배기 가스에서의 평균 농도는 캐쏘드의 국소적인 영역에서는 훨씬 더 낮은 CO₂농도에 상응할 수 있다. 예를 들어, 교차-유동 구성에서, 애노드 유입물과 캐쏘드 출구에 인접한 연료 전지의 코너에서, CO₂농도는, 애노드 배출물 및 캐쏘드 출구에 인접한 동일 연료 전지의 코너에서보다 낮을 수 있다. CO₂농도의 유사한 국소적인 편차는 병류(co-curent) 또는 역류(counter-current) 구성을 갖는 연료 전지에서도 또한 발생할 수 있다.
낮은 농도의 CO2를 갖는 것 외에, 캐쏘드의 국소적인 영역은 또한 1.0 부피% 이상 또는 2.0 부피% 이상의 O2를 가질 수 있다. 연료 전지에서, O2는 대체 이온 수송이 허용되는 수산화 이온을 형성하는데 사용된다. 탄산 이온 수송 및 대체 이온 수송 메커니즘은 O₂이용성에 의존하기 때문에, 충분한 O2가 존재하지 않으면 연료 전지가 작동하지 않을 것이다. 캐쏘드 유입 스트림 중의 O2와 관련하여, 일부 양태에서, 이는 4.0 부피% 내지 15 부피%, 또는 6.0 부피% 내지 10 부피%의 산소 함량에 상응할 수 있다.
대체 이온 수송이 일어나기 위해서는 충분한 양, 예컨대 1.0 부피% 이상 또는 2.0 부피% 이상의 물도 또한 존재해야 한다는 것이 관찰되었다. 특정 이론에 얽매이지 않으면서, 상당한 대체 이온 수송으로 작동시키고자 하는 경우, 캐쏘드에서 물을 이용할 수 없다면, 연료 전지는, 충분한 물을 사용할 수 있는 대체 이온 수송으로 인해 관찰되는 비활성화 속도보다 훨씬 더 빠른 속도로 열화되는 것으로 보인다. 공기가 일반적으로 O₂공급원으로 사용되며 H2O가 연소 중에 생성되는 생성물 중 하나이기 때문에, 일반적으로 충분한 양의 물이 캐쏘드 내에서 이용될 수 있다.
증가된 CO₂포집을 위한 용융 탄산염 연료 전지의 작동 중에 캐쏘드 가스 및/또는 애노드 가스의 불균일한 분포로 인해, 용융 탄산염 연료 전지의 코너 및/또는 엣지 중 하나 이상은 일반적으로 대체 이온 수송의 밀도가 상당히 더 높다. 상기 하나 이상의 코너는, 캐쏘드에서의 CO₂농도가 평균보다 낮은 위치, 또는 애노드에서의 H2 농도가 평균보다 큰 위치, 또는 이들의 조합에 상응할 수 있다.
이 논의에서, 연료 전지는, 전해질에 의해 분리된 애노드와 캐쏘드를 가진 단일 전지에 상응할 수 있다. 애노드와 캐쏘드는, 전해질을 가로질러 전하를 수송하고 전기를 생성하기 위한 각각의 애노드 및 캐쏘드 반응을 촉진하기 위해 유입 가스 유동을 수용할 수 있다. 연료 전지 스택은 통합된 유닛 내의 복수의 전지를 나타낼 수 있다. 연료 전지 스택은 여러 개의 연료 전지를 포함할 수 있지만, 연료 전지는 일반적으로 병렬로 연결될 수 있으며 (대략적으로) 마치 전체적으로 더 큰 크기의 단일 연료 전지를 나타내는 것처럼 기능할 수 있다. 유입 유동이 연료 전지 스택의 애노드 또는 캐쏘드로 전달될 때, 연료 스택은 스택 내의 각 전지 간의 유입 유동을 분할하기 위한 유동 채널 및 개별 전지들로부터의 배출 유동을 조합하기 위한 유동 채널을 포함할 수 있다. 이 논의에서, 직렬, 병렬 또는 임의의 다른 편리한 방식으로 (예를 들어, 직렬과 병렬의 조합으로) 배열된 복수의 연료 전지(예를 들면, 복수의 연료 전지 스택)를 지칭하는데 연료 전지 어레이가 사용될 수 있다. 연료 전지 어레이는 하나 이상의 단(stage)의 연료 전지 및/또는 연료 전지 스택을 포함할 수 있으며, 여기서 제 1 단으로부터의 애노드/캐쏘드 배출물이 제 2 단에 대한 애노드/캐쏘드 유입물로서 제공될 수 있다. 연료 전지 어레이 내의 애노드들은 어레이 내의 캐쏘드들과 동일한 방식으로 연결될 필요는 없다. 편의상, 연료 전지 어레이의 제 1 애노드 단에 대한 유입물이 어레이에 대한 애노드 유입물로 지칭될 수 있고, 연료 전지 어레이의 제 1 캐쏘드 단에 대한 유입물이 어레이에 대한 캐쏘드 유입물로 지칭될 수 있다. 마찬가지로, 최종 애노드/캐쏘드 단으로부터의 배출물이 어레이의 애노드/캐쏘드 배출물로 지칭될 수 있다. 연료 전지 스택이 별도의 개질 요소를 포함하는 양태에서, 애노드 유입 유동은 개질 요소와 연계된 하나 이상의 애노드에 들어가기 전에 먼저 개질 요소를 통과할 수 있다는 점에 유의한다.
본 명세서에서 연료 전지의 사용에 대한 언급은 일반적으로 개개의 연료 전지들로 구성된 "연료 전지 스택"을 나타내며, 보다 일반적으로는 유체 연통되는 하나 이상의 연료 전지 스택의 사용을 의미함을 이해해야 한다. 개개의 연료 전지 요소(판)는 일반적으로, "연료 전지 스택"이라고 하는 장방형 어레이에서 함께 "스택"될 수 있다. 개질 요소와 같은 추가의 유형의 요소도 연료 전지 스택에 포함될 수 있다. 이 연료 전지 스택은 일반적으로 공급 스트림을 취하여 모든 개개의 연료 전지 요소들 사이에 반응물을 분배한 다음, 이러한 요소들 각각에서 생성물을 수집할 수 있다. 유닛으로 볼 때, 작동 시에 연료 전지 스택은 많은 (종종 수십 또는 수백 개의) 개개의 연료 전지 요소들로 구성되어 있다 하더라도 전체적으로(as a whole) 취해질 수 있다. 이러한 개개의 연료 전지 요소들은 일반적으로 (반응물 및 생성물 농도가 유사하기 때문에) 유사한 전압을 가질 수 있으며, 상기 요소들이 전기적으로 직렬 연결되어 있을 때 총 전력 출력은 모든 전지 요소들의 모든 전류를 합한 결과일 수 있다. 스택은 또한 고전압을 생성하기 위해 직렬 배열로 배열될 수 있다. 병렬 배열은 전류를 높일 수 있다. 주어진 배기 가스 유동을 처리하기 위해 충분히 큰 부피의 연료 전지 스택을 사용할 수 있는 경우, 본원에 기술된 시스템 및 방법은 단일 용융 탄산염 연료 전지 스택과 함께 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 양태에서, 다양한 이유로 복수의 연료 전지 스택이 바람직하거나 필요할 수 있다.
본 발명의 목적을 위해, 달리 명시되지 않는 한, 용어 "연료 전지"는 또한, 단일 유입물 및 배출물이 있는 하나 이상의 개개의 연료 전지 요소들의 세트로 구성된 연료 전지 스택(이는 연료 전지가 일반적으로 실제로 사용되는 방식임)을 지칭하고/하거나 이에 대한 참조를 포함하는 것으로 정의됨을 이해하여야 한다. 유사하게, 용어 "연료 전지"(복수)은, 달리 명시되지 않는 한, 복수의 개개의 연료 전지 스택들을 지칭하고/하거나 이를 포함하는 것으로 정의됨을 이해하여야 한다. 즉, 구체적으로 언급되지 않는 한, 이 문서 내의 모든 참조는 "연료 전지"로서 연료 전지 스택의 작동을 상호교환적으로 나타낼 수 있다. 예를 들어, 상업용 규모의 연소 발전기에 의해 생성된 배기량은 통상적인 크기의 연료 전지(즉, 단일 스택)로 처리하기에는 너무 클 수 있다. 전체 배기 가스를 처리하기 위해, 복수의 연료 전지(즉, 2 개 이상의 개별 연료 전지 또는 연료 전지 스택)를 병렬로 배치하여 각 연료 전지가 연소 배기 가스의 (대략) 동일한 분량을 처리하도록 할 수 있다. 여러 개의 연료 전지가 사용될 수 있지만, 각 연료 전지는 일반적으로 연소 배기 가스의 (대략) 동일한 분량을 고려한다면 일반적으로 유사한 방식으로 작동될 수 있다.
용융 탄산염 연료 전지 작동의 예: 캐쏘드 및 애노드를 위한 교차-유동 배향
도 5는 용융 탄산염 연료 전지 스택의 일부의 일반적인 예를 도시한다. 도 5에 도시된 스택의 부분은 연료 전지(301)에 상응한다. 연료 전지를 스택 내의 인접한 연료 전지 및/또는 스택 내의 다른 요소로부터 분리하기 위해, 상기 연료 전지는 분리판(310 및 311)을 포함한다. 도 5에서, 연료 전지(301)는, 전해질(342)을 함유하는 전해질 매트릭스(340)에 의해 분리된 애노드(330) 및 캐쏘드(350)를 포함한다. 다양한 양태에서, 캐쏘드(350)는 이중층(또는 다층) 캐쏘드에 상응할 수 있다. 애노드 콜렉터(320)는 애노드(330)와 스택 내의 다른 애노드 사이에 전기적 접촉을 제공하고, 캐쏘드 콜렉터(360)는 캐쏘드(350)와 연료 전지 스택 내의 다른 캐쏘드 사이에 유사한 전기적 접촉을 제공한다. 추가적으로, 애노드 콜렉터(320)는 애노드(330)로의 가스의 도입 및 그로부터의 배출을 허용하고, 캐쏘드 콜렉터(360)는 캐쏘드(350)로의 가스의 도입 및 그로부터의 배출을 허용한다.
작동 중에, CO₂는 O₂와 함께 캐쏘드 콜렉터(360)로 보내진다. CO₂및 O₂는 다공성 캐쏘드(350) 내로 확산되고, 캐쏘드(350) 및 전해질 매트릭스(340)의 경계 근처의 캐쏘드 인터페이스 영역으로 이동한다. 상기 캐쏘드 인터페이스 영역에서, 전해질(342)의 일부는 캐쏘드(350)의 기공에 존재할 수 있다. CO₂및 O₂는 캐쏘드 인터페이스 영역 근처/내부에서 탄산 이온(CO3 2-)으로 전환될 수 있으며, 이어서, 전해질(342)을 가로질러 (이에 따라 전해질 매트릭스(340)를 가로질러) 수송되어 전류의 생성을 용이하게 할 수 있다. 대체 이온 수송이 발생하는 양태에서, O₂의 일부는 전해질(342)에서의 수송을 위해 수산화 이온 또는 과산화 이온과 같은 대체 이온으로 전환될 수 있다. 전해질(342)을 가로지르는 수송 후에, 탄산 이온(또는 대체 이온)은 전해질 매트릭스(340) 및 애노드(330)의 경계 근처의 애노드 인터페이스 영역에 도달할 수 있다. 탄산 이온은 H2의 존재하에 CO₂및 H2O로 다시 전환되어, 연료 전지에 의해 생성되는 전류를 형성하는데 사용되는 전자를 방출할 수 있다. H₂및/또는 H₂형성에 적합한 탄화수소는 애노드 콜렉터(320)를 통해 애노드(330)로 도입된다.
용융 탄산염 연료 전지의 애노드 내에서의 유동 방향은 캐쏘드 내에서의 유동 방향에 대해 임의의 편리한 배향을 가질 수 있다. 하나의 옵션은, 교차-유동 구성을 사용하여 애노드 내에서의 유동 방향이 캐쏘드 내에서의 유동 방향에 대해 대략 90°각도가 되도록 하는 것이다. 이러한 유형의 유동 구성은 실용적인 이점을 가질 수 있는데, 그 이유는, 교차-유동 구성을 사용하면, 애노드 유입물/출구를 위한 매니폴드 및/또는 배관이 상기 캐쏘드 입구/출구를 위한 매니폴드 및/또는 배관과 다른 측에서 연료 전지 스택에 위치될 수 있기 때문이다.
도 6은 연료 전지 캐쏘드에 대한 평면도의 예를 개략적으로 도시하며, 이때 연료 전지 캐쏘드 및 상응하는 연료 전지 애노드에서의 유동 방향이 화살표로써 나타내어져 있다. 도 6에서, 화살표(405)는 캐쏘드(450) 내에서의 유동의 방향을 나타내고, 화살표(425)는 애노드(도시되지 않음) 내에서의 유동의 방향을 나타낸다.
애노드 및 캐쏘드 유동이 서로에 대해 대략 90°로 배향되기 때문에, 애노드 및 캐쏘드 유동 패턴은 캐쏘드의 다양한 부분에서 서로 다른 반응 조건을 갖는데 기여할 수 있다. 상기 다른 조건은 캐쏘드의 네 코너에서의 반응 조건을 고려함으로써 설명될 수 있다. 도 6의 도시에서, 본원에 기술된 반응 조건은, 75% 이상(또는 80% 이상)의 CO₂이용률로 작동시키는 연료 전지에 대한 반응 조건과 정성적으로(qualitatively) 유사하다.
코너(482)는 캐쏘드 유입 유동과 애노드 유입 유동 모두의 진입 지점에 가까운 연료 전지 부분에 상응한다. 그 결과, (캐쏘드에서의) CO₂농도와 (애노드에서의) H₂농도는 코너(482)에서 상대적으로 높다. 고 농도에 기초하여, 코너(482) 근처의 연료 전지 부분은 예상 조건하에서 전해질을 가로지르는 탄산 이온 이외의 이온의 실질적인 이송 없이 작동될 수 있을 것으로 기대된다.
코너(484)는 캐쏘드 유입 유동의 진입 지점에 가깝고 애노드 배출 유동의 출구 지점에 가까운 연료 전지 부분에 상응한다. 코너(484) 근처의 위치에서는 연료 이용률에 따라 애노드 내의 H₂농도 감소로 인해 전류 밀도의 양이 제한될 수 있다. 그러나, 전해질을 가로질러 수송되는 임의의 이온이 실질적으로 탄산 이온에 상응하도록 충분한 CO₂가 존재해야 한다.
코너(486)는 애노드 배출 유동의 출구 지점에 가깝고 캐쏘드 배출 유동의 출구 지점에 가까운 연료 전지 부분에 상응한다. 코너(486) 근처의 위치에서는 (애노드에서의) H₂농도와 (캐쏘드에서의) CO₂농도가 낮기 때문에 연료 전지 반응에 대한 낮은 구동력으로 인해 전류가 거의 또는 전혀 없을 것으로 예상된다.
코너(488)는 애노드 유입 유동의 진입 지점에 가깝고 캐쏘드 배출 유동의 출구 지점에 가까운 연료 전지 부분에 상응한다. 코너(488) 근처의 위치에서 상대적으로 높은 수소 이용성은 상당한 전류 밀도를 생성할 것으로 예상된다. 그러나 상대적으로 낮은 CO₂농도로 인해 상당한 양의 수산화 이온 및/또는 다른 대체 이온의 수송이 일어날 수 있다. 상기 양태에 따르면, 대체 이온 수송의 상기 상당한 양은 계산된 CO₂이용률을 5% 이상, 10% 이상, 15% 이상 또는 20% 이상 증가시킬 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전달율은 0.97 이하, 또는 0.95 이하, 또는 0.90 이하, 또는 0.85 이하 또는 0.80 이하일 수 있다. 전해질에 걸친 상당한 양의 대체 이온의 수송은 일시적으로, 코너(488) 근처의 위치에서 더 높은 전류 밀도가 유지되도록 할 수 있다. 그러나, 대체 이온의 수송은 또한 캐쏘드 및/또는 애노드 구조체를 열화시켜, 코너(488) 근처의 위치에서 시간 경과에 따른 전류 밀도가 더 낮게 (가능하게는 없게) 만든다. 더 적은 양의 대체 이온 수송 (예를 들면, 0.96 이상 또는 0.98 이상의 전달율)에서 수명 저하의 정도는 심각하지 않다.
대체 이온 수송이 연료 전지 내의 하나 이상의 위치에서 상당해지면 연료 전지가 빠르게 열화되기 시작한다는 것이 발견되었다. 이것은, 상기 하나 이상의 위치가 전류 밀도를 낮추고 더 이상 제공하지 않기 때문인 것으로 생각된다. 영역(들)이 원하는 전류 밀도에 기여하는 것을 중지함에 따라, 연료 전지의 나머지 위치는 연료 전지의 전체 (평균) 전류 밀도를 일정하게 유지하기 위해 더 높은 전류 밀도로 작동해야 한다. 이로 인해 대체 이온의 수송 영역이 늘어나, 그 결과 열화되고 결국 작동이 중지되는 연료 전지 부분이 확장될 수 있다. 대안적으로, 연료 전지의 일부의 열화는 전지로부터의 총 전류 밀도를 감소시킬 수 있으며, 이 또한 바람직하지 않다. 개방 영역이 증가하고/하거나 비차단 유동 단면이 감소된 연료 전지를 작동시키는 것은 CO₂포집이 증가하는 동안 발생하는 대체 이온 수송의 양을 줄여 연료 전지 수명을 늘릴 수 있다.
애노드 유입물 및 배출물
다양한 양태에서, MCFC에 대한 애노드 유입 스트림은 수소, 메탄과 같은 탄화수소, C 및 H와 다른 헤테로 원자를 함유할 수 있는 탄화수소계 또는 탄화수소-유사 화합물, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 수소/탄화수소/탄화수소-유사 화합물의 공급원은 연료 공급원이라고 지칭될 수 있다. 일부 양태에서, 애노드에 공급되는 메탄(또는 다른 탄화수소, 탄화수소계 또는 탄화수소-유사 화합물)의 대부분은 전형적으로 신선한(fresh) 메탄일 수 있다. 이 설명에서 신선한 메탄과 같은 신선한 연료는 다른 연료 전지 공정에서 재활용되지 않는 연료를 의미한다. 예를 들어, 애노드 배출 스트림으로부터 애노드 유입물로 다시 재순환된 메탄은 "신선한" 메탄으로 간주되지 않을 수 있고 그 대신에 재생된 메탄으로 기술될 수 있다.
사용된 연료 공급원은, 연료 공급원의 일부를 사용하여 캐쏘드 유입물용 CO2 함유 스트림을 제공하는, 터빈과 같은 다른 구성 요소와 공유될 수 있다. 연료 공급원 유입물은, 수소를 생성하는 개질 구역에서 탄화수소 (또는 탄화수소-유사) 화합물을 개질하기에 적합한 연료에 비례하는 물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 메탄이 H₂생성용 개질을 위한 연료 유입물인 경우, 물 대 연료의 몰비는 약 1 대 1 내지 약 10 대 1, 예를 들어 적어도 약 2 대 1일 수 있다. 4 대 1 또는 그 이상의 비율은 외부 개질의 경우에 일반적이고, 더 낮은 값은 내부 개질의 경우에 일반적일 수 있다. H2가 연료 공급원의 일부인 경우에, 일부 임의적 양태에서는, 애노드에서의 H2의 산화가 연료를 개질하는데 사용될 수 있는 H2O를 생성하는 경향이 있기 때문에, 연료에 추가의 물이 필요하지 않을 수 있다. 연료 공급원은 또한 임의적으로 연료 공급원에 부수적인 성분을 포함할 수 있다 (예를 들어, 천연 가스 공급물은 추가의 성분으로서 약간의 CO2 성분을 포함할 수 있다). 예를 들어, 천연 가스 공급물은 CO2, N2 및/또는 기타 불활성 가스(희가스)를 추가의 성분으로 포함할 수 있다. 임의적으로, 일부 양태에서, 연료 공급원은 또한, 예컨대 애노드 배기 가스의 재순환된 부분으로부터의 CO와 같은 CO를 함유할 수 있다. 연료 전지 어셈블리로 도입되는 연료내 CO에 대한 추가의 또는 대안적인 잠재적 공급원은, 연료 전지 어셈블리에 들어가기 전에 연료에 대해 수행되는 탄화수소 연료의 스팀 개질에 의해 생성된 CO일 수 있다.
보다 일반적으로, 다양한 유형의 연료 스트림이 용융 탄산염 연료 전지의 애노드를 위한 애노드 유입 스트림으로 사용하기에 적합할 수 있다. 일부 연료 스트림은, C 및 H와 다른 헤테로 원자를 포함할 수도 있는 탄화수소 및/또는 탄화수소-유사 화합물을 포함하는 스트림에 상응할 수 있다. 이 논의에서, 달리 명시되지 않는 한, MCFC 애노드용 탄화수소를 포함하는 연료 스트림에 대한 언급은, 이러한 탄화수소-유사 화합물을 포함하는 연료 스트림을 포함하는 것으로 정의된다. 탄화수소(탄화수소-유사 화합물 포함) 연료 스트림의 예에는 천연 가스, C1 - C4 탄소 화합물(예를 들면, 메탄 또는 에탄)을 함유하는 스트림, 더 중질의 C5+ 탄화수소 (탄화수소-유사 화합물 포함)를 함유하는 스트림 및 이들의 조합물이 포함된다. 애노드 유입물에 사용하기 위한 잠재적인 연료 스트림의 또다른 추가적 또는 대안적인 예는, 유기 물질의 자연 (생물학적) 분해로부터 생성된 메탄과 같은 바이오가스-유형 스트림을 포함할 수 있다.
일부 양태에서, 용융 탄산염 연료 전지는, 희석제 화합물의 존재로 인해 낮은 에너지 함량을 가진 유입 연료 스트림, 예컨대 천연 가스 및/또는 탄화수소 스트림을 처리하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 메탄 및/또는 천연 가스의 몇몇 공급원은, 상당한 양의 CO₂또는 기타 불활성 분자, 예컨대 질소, 아르곤 또는 헬륨을 포함할 수 있는 공급원이다. 증가된 양의 CO₂및/또는 불활성 물질의 존재로 인해 상기 공급원을 기반으로 한 연료 스트림의 에너지 함량은 감소될 수 있다. 연소 반응에 (예를 들면, 연소-동력형 터빈에 동력을 공급하기 위해) 에너지 함량이 낮은 연료를 사용하는 경우 어려움을 겪을 수 있다. 그러나, 용융 탄산염 연료 전지는, 연료 전지의 효율에 미치는 영향을 줄이거나 최소화하면서 에너지 함량이 낮은 연료 공급원을 기반으로 전력을 생성할 수 있다. 추가의 가스 부피의 존재는 연료의 온도를 개질 및/또는 애노드 반응을 위한 온도로 높이기 위해 추가의 열을 필요로 할 수 있다. 또한, 연료 전지 애노드 내에서의 수성 가스 전환 반응(water gas shift reaction)의 평형 특성으로 인해, 추가의 CO2의 존재는 애노드 배출물에 존재하는 H2 및 CO의 상대적인 양에 영향을 미칠 수 있다. 그러나, 불활성 화합물은 개질 및 애노드 반응에 직접적인 영향을 최소화할 수 있다. 용융 탄산염 연료 전지를 위한 연료 스트림 내 CO₂및/또는 불활성 화합물의 양은, 존재하는 경우, 적어도 약 1 부피%, 예를 들어 적어도 약 2 부피%, 또는 적어도 약 5 부피%, 또는 적어도 약 10 부피%, 또는 적어도 약 15 부피%, 또는 적어도 약 20 부피%, 또는 적어도 약 25 부피%, 또는 적어도 약 30 부피%, 또는 적어도 약 35 부피%, 또는 적어도 약 40 부피%, 또는 적어도 약 45 부피%, 또는 적어도 약 50 부피%, 또는 적어도 약 75 부피%일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 용융 탄산염 연료 전지를 위한 연료 스트림 내 CO₂및/또는 불활성 화합물의 양은 약 90 부피% 이하, 예를 들어 약 75 부피% 이하, 또는 약 60 부피% 이하, 또는 약 50 부피% 이하, 또는 약 40 부피% 이하, 또는 약 35 부피% 이하일 수 있다.
애노드 유입 스트림에 대한 잠재적 공급원의 또다른 예는 정제 및/또는 기타 산업 공정 배출 스트림에 상응할 수 있다. 예를 들어, 코킹(coking)은 더 중질인 화합물을 더 낮은 비등 범위 화합물로 전환하기 위한 많은 정제소에서의 일반적인 공정이다. 코킹은 일반적으로, CO 및 다양한 C1 - C4 탄화수소를 비롯하여, 실온에서 가스인 다양한 화합물을 포함하는 오프-가스를 생성한다. 이 오프-가스가 애노드 유입 스트림의 적어도 일부로서 사용될 수 있다. 크래킹(cracking) 또는 기타 정제 공정 중에 생성된 경질분(light ends)(C1 - C4)과 같은 다른 정제소 오프-가스 스트림도 추가적으로 또는 대안적으로 애노드 유입 스트림에 포함시키기에 적합할 수 있다. 또다른 적합한 정제소 스트림은, H₂및/또는 개질가능 연료 화합물을 또한 함유하는 CO 또는 CO2-함유 정제 스트림을 추가적으로 또는 대안적으로 포함할 수 있다.
애노드 유입물에 대한 또다른 잠재적인 공급원은 추가적으로 또는 대안적으로 수분 함량이 증가된 스트림을 포함할 수 있다. 예를 들어, 에탄올 플랜트(또는 다른 유형의 발효 공정)로부터의 에탄올 배출 스트림은 최종 증류 전에 상당량의 H2O를 포함할 수 있다. 이러한 H2O는 일반적으로 연료 전지 작동에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 따라서, 알콜(또는 다른 발효 생성물)과 물의 발효 혼합물이 애노드 유입 스트림의 적어도 일부로서 사용될 수 있다.
바이오가스 또는 소화기(digester) 가스가 또한 애노드 유입물에 대한 또다른 추가의 또는 대안적인 잠재적 공급원이다. 바이오가스는 주로 메탄과 CO2를 포함할 수 있으며, 일반적으로 유기물의 분해 또는 소화에 의해 생성된다. 혐기성 박테리아가 유기물을 소화하고 바이오가스를 생성하는데 사용될 수 있다. 황-함유 화합물과 같은 불순물은 애노드 유입물로 사용하기 전에 바이오가스에서 제거할 수 있다.
MCFC 애노드의 배출 스트림에는 H2O, CO2, CO 및 H2가 포함될 수 있다. 임의적으로, 애노드 배출 스트림은 추가의 배출물 성분으로서 공급물 내의 미반응 연료(예를 들면, H₂또는 CH4) 또는 불활성 화합물을 가질 수도 있다. 이 배출 스트림을 개질 반응용 열을 제공하기 위한 연료 공급원으로 사용하거나 또는 전지를 가열하기 위한 연소 연료로서 사용하는 대신, 애노드 배출 스트림에 대해 하나 이상의 분리를 수행하여 다른 공정으로의 유입물서 잠재적인 가치를 갖는 성분, 예컨대 H2 또는 CO로부터 CO2를 분리할 수 있다. H₂및/또는 CO는 화학 합성을 위한 합성 가스, 화학 반응을 위한 수소 공급원 및/또는 감소된 온실 가스 배출량을 갖는 연료로 사용될 수 있다.
캐쏘드 유입물 및 배출물
통상적으로, 용융 탄산염 연료 전지는 애노드로 전달되는 연료 스트림에서 연료의 일부를 소비하면서 원하는 부하량(load)을 끌어당기는데 기반하여 작동될 수 있다. 상기 연료 전지의 전압은 부하량, 애노드에 대한 연료 유입물, 캐쏘드에 제공되는 공기 및 CO2, 및 연료 전지의 내부 저항에 의해 결정될 수 있다. 캐쏘드로 공급되는 CO2는 통상적으로, 캐쏘드 유입 스트림의 적어도 일부로서 애노드 배출물을 사용함으로써 부분적으로 제공될 수 있다. 대조적으로, 본 발명은 애노드 유입물 및 캐쏘드 유입물에 대해 별도의/다른 공급원을 사용할 수 있다. 애노드 유입 유동과 캐쏘드 유입 유동의 조성물 사이의 직접적인 연결을 제거함으로써, 연료 전지 작동을 위한 추가의 옵션이, 예컨대 특히 과잉 합성 가스 생성, 이산화탄소 포집 개선 및/또는 특히 연료 전지의 총 효율(전기적 및 화학적 파워) 개선을 위해 이용될 수 있다.
다양한 양태에서, MCFC는 연료 전지용 전해질에 걸친 대체 이온 수송을 유발하도록 작동될 수 있다. 대체 이온 수송을 유발하기 위해, 캐쏘드 유입 스트림 중의 CO₂함량은 5.0 부피% 이하, 또는 4.0 부피% 이하, 예를 들어 1.5 부피% 내지 5.0 부피%, 또는 1.5 부피% 내지 4.0 부피%, 또는 2.0 부피% 내지 5.0 부피%, 또는 2.0 부피% 내지 4.0 부피%일 수 있다.
캐쏘드 유입 유동으로 사용하기 위한 적절한 CO₂함유 스트림의 한 예는 연소 공급원로부터의 배출물 또는 배기 가스 유동일 수 있다. 연소 공급원의 예에는 천연 가스의 연소, 석탄의 연소 및/또는 기타 탄화수소-유형 연료 (생물학적으로 유래된 연료 포함)의 연소에 기반한 공급원이 포함되나 이에 제한되지는 않는다. 추가의 또는 대체 공급원에는 다른 유형의 보일러, 직화식(fired) 히터, 로(furnace) 및/또는 다른 물질(예를 들면, 물 또는 공기)을 가열하기 위해 탄소-함유 연료를 연소하는 기타 유형의 장치가 포함될 수 있다.
캐쏘드 유입 스트림에 대한 다른 잠재적인 공급원은 추가적으로 또는 대안적으로 바이오-생성된 CO₂공급원을 포함할 수 있다. 이는 예를 들어, 에탄올 생산 과정에서 생성된 CO2와 같은 바이오-유래된 화합물의 처리 과정에서 생성된 CO2를 포함할 수 있다. 추가적인 또는 대안적인 예는 리그노셀룰로스의 연소와 같은 바이오-생성된 연료의 연소에 의해 생성된 CO2를 포함할 수 있다. 또다른 추가의 또는 대체가능한 CO₂공급원은, 철강, 시멘트 및/또는 종이 제조를 위한 공장에서 생성된 CO2-함유 스트림과 같은 다양한 산업 공정의 배출물 또는 배기 가스 스트림에 상응할 수 있다.
또다른 추가의 또는 대체가능한 CO₂공급원은 연료 전지로부터의 CO2-함유 스트림일 수 있다. 연료 전지로부터의 CO2-함유 스트림은 다른 연료 전지로부터의 캐쏘드 배출 스트림, 다른 연료 전지로부터의 애노드 배출 스트림, 연료 전지의 캐쏘드 배출물로부터 캐쏘드 유입물로의 재순환 스트림, 및/또는 또는 연료 전지의 애노드 배출물로부터 캐쏘드 유입물로의 재순환 스트림에 상응할 수 있다. 예를 들어, 통상적인 조건에서 자립 모드(standalone mode)로 작동되는 MCFC는, CO₂농도가 약 5 부피% 이상인 캐쏘드 배기 가스를 생성할 수 있다. 이러한 CO2-함유 캐쏘드 배기 가스는, 본 발명의 일 양태에 따라 작동되는 MCFC를 위한 캐쏘드 유입물로서 사용될 수 있다. 보다 일반적으로, 캐쏘드 배기 가스로부터 CO₂배출물을 생성하는 다른 유형의 연료 전지뿐만 아니라 "연소" 반응 및/또는 연소-발전기에 의해 생성되지 않는 다른 유형의 CO2-함유 스트림이 추가적으로 또는 대안적으로 사용될 수 있다. 임의적으로, 그러나 바람직하게는, 다른 연료 전지로부터의 CO2-함유 스트림은 다른 용융 탄산염 연료 전지로부터 유래될 수 있다. 예를 들어, 캐쏘드에 대해 직렬로 연결된 용융 탄산염 연료 전지의 경우, 제 1 용융 탄산염 연료 전지용 캐쏘드로부터의 배출물은 제 2 용융 탄산염 연료 전지용 캐쏘드로의 유입물로서 사용될 수 있다.
CO2 외에, 캐쏘드 유입 스트림은 캐쏘드 반응에 필요한 성분을 제공하기 위해 O2를 포함할 수 있다. 일부 캐쏘드 유입 스트림은 공기를 성분으로 갖는 것을 기반으로 할 수 있다. 예를 들어, 연소 배출 스트림은 공기의 존재 하에 탄화수소 연료를 연소시킴으로써 형성될 수 있다. 그러한 연소 배출 스트림, 또는 공기를 포함하는 것에 기반한 산소 함량을 갖는 다른 유형의 캐쏘드 유입 스트림은, 약 20 부피% 이하, 예컨대 약 15 부피% 이하 또는 약 10 부피% 이하의 산소 함량을 가질 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 캐쏘드 유입 스트림의 산소 함량은 적어도 약 4 부피%, 예컨대 적어도 약 6 부피% 또는 적어도 약 8 부피%일 수 있다. 보다 일반적으로, 캐쏘드 유입 스트림은 캐쏘드 반응을 수행하는데 적절한 산소 함량을 가질 수 있다. 일부 양태에서, 이것은 약 5 부피% 내지 약 15 부피%, 예컨대 약 7 부피% 내지 약 9 부피%의 산소 함량에 상응할 수 있다. 많은 유형의 캐쏘드 유입 스트림의 경우, CO₂및 O2의 합친 양은 유입 스트림의 약 21 부피% 미만, 예를 들어 스트림의 약 15 부피% 미만 또는 스트림의 약 10 부피% 미만에 상응할 수 있다. 산소를 함유하는 스트림은 산소 함량이 낮은 CO₂공급원과 조합될 수 있다. 예를 들어, 석탄 연소에 의해 생성된 배출 스트림은 낮은 산소 함량을 포함하며, 이는 공기와 혼합되어 캐쏘드 유입 스트림을 형성할 수 있다.
CO₂및 O₂외에도, 상기 캐쏘드 유입 스트림은 N2, H2O 및 기타 일반적인 산화제 (공기) 성분과 같은 불활성/비-반응성 종을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 연소 반응의 배기 가스에서 유도된 캐쏘드 유입물의 경우, 공기가 연소 반응을 위한 산화제 공급원의 일부로 사용된 경우, 배기 가스는 공기의 일반적인 성분들, 예컨대 N2, H2O, 및 공기 중에 존재하는 소량의 기타 화합물을 포함할 수 있다. 연소 반응을 위한 연료 공급원의 특성에 따라, 연료 공급원을 기반으로 한 연소 후 존재하는 추가의 화학 종은, H2O, 질소 산화물(NOx) 및/또는 황 산화물(SOx), 및 연료에 존재하는 기타 화합물이고/이거나 연료에 존재하는 화합물의 부분 또는 완전 연소 생성물인 화합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 종은, 캐쏘드 촉매 표면을 오염시키지는 않지만 전체 캐쏘드 활성을 감소시킬 수는 있는 양으로 존재할 수 있다. 이러한 성능 저하는 허용될 수 있거나, 또는 캐쏘드 촉매와 상호 작용하는 화학 종은 공지된 오염 물질 제거 기술에 의해 허용가능한 수준으로 감소될 수 있다.
캐쏘드 유입 스트림 (예를 들어, 연소 배기 가스에 기반한 유입 캐쏘드 스트림)에 존재하는 O2의 양은 연료 전지에서 캐쏘드 반응에 필요한 산소를 제공하기에 충분한 것이 유리할 수 있다. 따라서, O2의 부피 백분율은 유리하게는 배기 가스 중의 CO₂양의 0.5 배 이상일 수 있다. 임의적으로, 필요에 따라 추가의 공기가 캐쏘드 반응에 충분한 산화제를 제공하기 위해 캐쏘드 유입물에 추가될 수 있다. 일부 형태의 공기가 산화제로서 사용되는 경우, 캐쏘드 배기 가스 중의 N2 양은 적어도 약 78 부피%, 예를 들어 적어도 약 88 부피% 및/또는 약 95 부피% 이하일 수 있다. 일부 양태에서, 캐쏘드 유입 스트림은 H2S 또는 NH₃와 같은 일반적으로 오염물로 간주되는 화합물을 추가적으로 또는 대안적으로 함유할 수 있다. 다른 양태에서, 캐쏘드 유입 스트림은 이러한 오염물의 함량을 감소시키거나 최소화하기 위해 세정될 수 있다.
MCFC의 작동에 적합한 온도는 약 450℃ 내지 약 750℃, 예를 들어 약 500℃ 이상이며, 예를 들어 입구 온도는 약 550℃이고 출구 온도는 약 625℃일 수 있다. 캐쏘드에 들어가기 전에, 원하는 경우, 예를 들어 애노드에 대한 연료 유입물을 개질하는 것과 같이, 다른 공정에 열을 제공하기 위해 캐쏘드 유입 스트림에 열을 가하거나 그로부터 제거할 수 있다. 예를 들어, 캐쏘드 유입 스트림에 대한 공급원이 연소 배출 스트림인 경우, 연소 배출 스트림은 캐쏘드 유입물에 대해 원하는 온도보다 높은 온도를 가질 수 있다. 이러한 양태에서는, 캐쏘드 유입 스트림으로서 사용되기 전의 연소 배기 가스로부터 열이 제거될 수 있다. 대안적으로, 연소 배기 가스는, 예를 들어 석탄-연소식 보일러 상의 습식 가스 스크러버 이후에, 매우 낮은 온도로 존재할 수 있으며, 이 경우 연소 배기 가스는 약 100℃ 미만일 수 있다. 대안적으로, 연소 배기 가스는 조합된 사이클 모드로 작동되는 가스 터빈의 배기 가스에서 유도된 것일 수 있으며, 상기 모드에서는 가스가, 추가적인 발전을 위해 스팀 터빈을 작동시키기 위해 스팀을 증가시킴으로써 냉각될 수 있다. 이 경우, 상기 가스는 약 50℃ 이하가 될 수 있다. 원하는 것보다 더 차가운 연소 배기 가스에는 열을 가할 수 있다.
추가의 용융 탄산염 연료 전지 작동 전략
일부 양태에서, 대체 이온 수송을 유발하기 위해 MCFC를 작동시킬 때, 연료 전지의 애노드는 대략 60% 내지 80%의 전통적인 연료 이용률로 작동될 수 있다. 전력 생성을 시도할 때 상대적으로 높은 연료 이용률로 연료 전지의 애노드를 작동하면 전기 효율(즉, 연료 전지가 소비하는 화학 에너지 단위당 생성된 전기 에너지)을 개선하는데 도움이 될 수 있다.
일부 양태에서, 애노드 배출 유동에 제공된 H2의 양의 증가와 같은 다른 이점을 제공하기 위해 연료 전지의 전기 효율을 감소시키는 것이 유리할 수 있다. 이는 예를 들어, 추가의 개질을 수행하고/하거나 다른 흡열 반응을 수행함으로써 연료 전지(또는 연료 전지 스택)에서 생성된 과잉의 열을 소비하는 것이 바람직한 경우에 유리할 수 있다. 예를 들어, 용융 탄산염 연료 전지는 합성 가스 및/또는 수소의 증가된 생산을 제공하도록 작동될 수 있다. 흡열 개질 반응을 수행하는데 필요한 열은 발전용 애노드에서의 발열성 전기화학 반응에 의해 제공될 수 있다. 발열성 연료 전지 반응(들)에 의해 생성된 열을 연료 전지로부터 멀리 옮기려고 시도하는 대신, 이 과잉 열을 동일반응계에서(in situ) 개질 및/또는 다른 흡열 반응을 위한 열원으로 사용할 수 있다. 이는, 열 에너지의 사용을 보다 효율적으로 만들고/거나 추가적인 외부 또는 내부 열 교환에 대한 필요성을 감소시킬 수 있다. 본질적으로 동일반응계에서 열 에너지를 효율적으로 생산하고 사용하면 유리한 작동 조건을 유지하면서 시스템 복잡성과 구성 요소를 줄일 수 있다. 일부 양태에서, 개질 또는 다른 흡열 반응의 양은, 종래 기술에서 기술하는 열 요건보다 유의적으로 적지 않고 오히려 발열 반응(들)에 의해 생성된 과잉 열의 양에 필적하는 또는 심지어 그보다 더 큰 흡열성 열 요건을 갖도록 선택될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 연료 전지는 애노드 입구와 애노드 출구 간의 온도 차이가 양이 아니라 음이 될 수 있도록 작동될 수 있다. 따라서, 애노드 입구와 애노드 출구 사이의 온도 상승 대신에, 애노드 출구로부터의 배출 스트림이 애노드 입구 온도보다 더 차갑도록 충분한 정도의 개질 및/또는 다른 흡열 반응이 수행될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 연료 전지 및/또는 내부 개질 단 (또는 다른 내부 흡열 반응 단)를 위한 히터에 추가의 연료를 공급하여, 애노드 유입물과 애노드 배출물 사이의 온도 차이가 흡열 반응(들) 및 캐쏘드 연소 반응과 전력 생성용 애노드 반응의 조합된 발열성 열 생성의 상대적 수요에 기초한 예상 차이보다 적을 수 있도록 할 수 있다. 개질이 흡열 반응으로서 사용되는 양태에서, 과잉 연료를 개질하기 위해 연료 전지를 작동시키면, 통상적인 연료 전지 작동에 비해 증가된 합성 가스 및/또는 증가된 수소 생성을 허용하면서 열교환 및 개질을 위한 시스템 복잡성을 최소화할 수 있다. 추가의 합성 가스 및/또는 추가의 수소는 이어서, 화학 합성 공정 및/또는 "청정" 연료로 사용하기 위한 수소의 수집/재목적화를 포함한 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있다.
애노드에서 발열 반응에 의해 산화된 수소 1 몰당 생성되는 열의 양은 개질 반응에 의해 생성된 수소 1 몰당 소비되는 열량보다 상당히 클 수 있다. 용융 탄산염 연료 전지에서 수소에 대한 순 반응(H₂+ ½ O₂=> H2O)은 약 -285 kJ/mol의 수소 분자의 반응 엔탈피를 가질 수 있다. 이 에너지의 적어도 일부는 연료 전지 내에서 전기 에너지로 전환될 수 있다. 그러나, 상기 반응 엔탈피와 연료 전지에 의해 생성된 전기 에너지 사이의 (대략적인) 차이는 연료 전지 내에서 열이 될 수 있다. 이 에너지량은 대안적으로, 전지의 전류 밀도(단위 면적당 전류)에 연료 전지의 이론적 최대 전압과 실제 전압의 차이를 곱한 값 또는 <전류 밀도> * (Vmax - Vact)로 표현될 수 있다. 이 에너지 양은 연료 전지의 "폐열"로 정의된다. 개질의 예로서, 메탄에 대한 개질 엔탈피(CH4 + 2H2O => 4 H2 + CO2)는 메탄 약 250kJ/mol 또는 수소 분자 약 62kJ/mol일 수 있다. 열 균형의 관점에서, 전기화학적으로 산화된 각각의 수소 분자는 개질에 의해 하나 초과의 수소 분자를 생성하기에 충분한 열을 생성할 수 있다. 통상적인 구성에서, 이러한 과잉 열은 애노드 유입물에서 애노드 배출물까지 상당한 온도 차이를 초래할 수 있다. 연료 전지의 온도를 높이기 위해 이 과잉 열을 사용하는 대신, 일치하는 양의 개질 반응을 수행하여 과잉 열을 소비할 수 있다. 연료 전지의 연소 반응에 의해 발생되는 과잉 열은 애노드에서 발생하는 과잉 열을 보충할 수 있다. 보다 일반적으로, 상기 과잉 열은 연료 전지 애노드에서 및/또는 연료 전지와 통합된 흡열 반응 단에서 흡열 반응을 수행함으로써 소비될 수 있다.
상기 양태에 따라, 개질 및/또는 다른 흡열 반응의 양은, 연료 전지에 대한 원하는 열비(thermal ratio)을 달성하기 위해, 애노드에서 반응된 수소의 양에 대해 상대적으로 선택될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "열비"는, 연료 전지 어셈블리에서의 발열 반응(애노드 및 캐쏘드 모두에서의 발열 반응 포함)에 의해 생성된 열을, 연료 전지 어셈블리 내에서 발생하는 개질 반응의 흡열성 열 수요량으로 나눈 것으로 정의된다. 수학적으로 표현할 때, 열비(TH) = QEX/QEN이며, 여기서 QEX는 발열 반응에 의해 생성된 열의 합이고, QEN은 연료 전지 내에서 발생하는 흡열 반응에 의해 소비되는 열의 합이다. 발열 반응에 의해 생성된 열은 개질 반응, 수성 가스 전환 반응, 캐쏘드에서의 연소 반응(즉, 연료 화합물의 산화) 및/또는 전지에서의 전기화학 반응으로 인해 발생하는 모든 열에 상응할 수 있다. 전기화학적 반응에 의해 생성된 열은, 전해질에 걸친 연료 전지 반응의 이상적인 전기화학적 전위에서 연료 전지의 실제 출력 전압을 뺀 것를 기준으로 계산할 수 있다. 예를 들어, MCFC에서 반응의 이상적인 전기화학적 전위는 전지에서 발생하는 순 반응을 기준으로 약 1.04V로 여겨진다. MCFC 작동 중에 전지는 일반적으로 다양한 손실로 인해 1.04V 미만의 출력 전압을 가질 수 있다. 예를 들어, 보통의 출력/작동 전압은 약 0.7V일 수 있다. 생성된 열은, 전지의 전기화학적 전위(즉, 약 1.04V)에서 작동 전압을 뺀 값과 같을 수 있다. 예를 들어, 상기 연료 전지에서 약 0.7V의 출력 전압이 얻어지는 경우 상기 전지에서 전기화학 반응에 의해 생성되는 열은 약 0.34V가 될 수 있다. 따라서, 이 시나리오에서 전기화학 반응은 약 0.7V의 전기와 약 0.34V의 열 에너지를 생성한다. 이러한 예에서 약 0.7V의 전기 에너지는 QEX의 부분으로 포함되지 않는다. 즉, 열 에너지는 전기 에너지가 아니다.
다양한 양태에서, 열비는, 연료 전지 스택, 연료 전지 스택 내의 개별 연료 전지, 통합된 개질 단이 구비된 연료 전지 스택, 통합된 흡열 반응 단이 구비된 연료 전지 스택 또는 이들의 조합과 같은 임의의 편리한 연료 전지 구조에 대해 결정될 수 있다. 열비는 또한, 연료 전지 또는 연료 전지 스택의 어셈블리와 같은 연료 전지 스택 내의 다른 단위에 대해 계산될 수도 있다. 예를 들어, 열비는, 열 통합 관점에서 통합될 연료 전지(들)에 충분히 근접한 통합된 개질 단 및/또는 통합된 흡열 반응 단 요소들와 함께 연료 전지 스택 내의 연료 전지(또는 복수의 연료 전지)에 대해 계산될 수 있다.
열 통합 관점에서, 연료 전지 스택의 특성 폭은 개별 연료 전지 스택 요소의 높이가 될 수 있다. 별도의 개질 단 및/또는 별도의 흡열 반응 단은, 연료 전지보다는 스택에서 다른 높이를 가질 수 있다. 이러한 시나리오에서는, 연료 전지 요소의 높이를 특성 높이로 사용할 수 있다. 이 논의에서, 통합된 흡열 반응 단이 연료 전지의 열을 개질용 열 공급원으로 사용할 수 있도록, 통합된 흡열 반응 단은 하나 이상의 연료 전지와 열 통합된 단으로 정의될 수 있다. 이러한 통합된 흡열 반응 단은, 연료 전지에서 스택 요소 높이의 10 배 미만에 위치하여 통합된 단에 열을 제공하는 것으로 정의될 수 있다. 예를 들어, 통합된 흡열 반응 단(예를 들면, 개질 단)은, 열 통합된 연료 전지로부터 스택 요소 높이의 10 배 미만 또는 스택 요소 높이의 8 배 미만, 또는 스택 요소 높이의 5 배 미만 또는 스택 요소 높이의 3 배 미만에 위치할 수 있다. 이 논의에서, 연료 전지 요소에 인접한 스택 요소를 나타내는 통합된 개질 단 및/또는 통합된 흡열 반응 단은, 인접한 연료 전지 요소로부터 약 1 개의 스택 요소 높이보다 높거나 낮게 떨어져 위치하는 것으로 정의된다.
약 1.3 이하, 또는 약 1.15 이하, 또는 약 1.0 이하, 또는 약 0.95 이하, 또는 약 0.90 이하, 또는 약 0.85 이하, 또는 약 0.80 이하, 또는 약 0.75 이하의 열비는, MCFC 연료 전지 사용시 일반적으로 요구되는 열비보다 낮을 수 있다. 본 발명의 양태에서, 상기 열비는 합성 가스 생성, 수소 생성, 흡열 반응을 통한 또다른 생성물의 생성, 또는 이들의 조합을 증가 및/또는 최적화하도록 감소될 수 있다.
본 발명의 다양한 양태에서, 연료 전지의 작동은 열비에 기초하여 특성화될 수 있다. 연료 전지가 원하는 열비를 갖도록 작동되는 경우, 용융 탄산염 연료 전지는 약 1.5 이하, 예를 들어 약 1.3 이하, 또는 약 1.15 이하, 또는 약 1.0 이하, 또는 약 0.95 이하, 또는 약 0.90 이하, 또는 약 0.85 이하, 또는 약 0.80 이하, 또는 약 0.75 이하의 열비를 갖도록 작동될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 열비는 약 0.25 이상, 또는 약 0.35 이상, 또는 약 0.45 이상, 또는 약 0.50 이상일 수 있다. 또한, 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 양태에서 연료 전지는 약 40℃ 이하, 예컨대 약 20℃ 이하, 또는 약 10℃ 이하의 애노드 유입물과 애노드 배출물 사이의 온도 상승을 갖도록 작동될 수 있다. 또한, 추가적으로 또는 대안적으로, 연료 전지는, 애노드 입구의 온도보다 약 10℃ 낮은 온도 내지 약 10℃ 더 높은 온도인 애노드 출구 온도를 갖도록 작동될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 연료 전지는, 애노드 출구 온도보다 더 높은, 예를 들어 약 5℃ 이상, 또는 약 10℃ 이상, 또는 약 20℃ 이상, 또는 약 25℃ 이상 더 높은 애노드 입구 온도를 갖도록 작동될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 연료 전지는, 애노드 출구 온도보다 약 100℃ 이하, 또는 약 80℃ 이하, 또는 약 60℃ 이하, 또는 약 50℃ 이하, 또는 약 40℃ 이하, 또는 약 30℃ 이하, 또는 약 20℃ 이하 더 높은 애노드 입구 온도를 갖도록 작동될 수 있다.
1 미만의 열비로 연료 전지를 작동하면, 연료 전지에 걸쳐 온도 강하가 유발될 수 있다. 일부 양태에서, 개질 및/또는 다른 흡열 반응의 양은, 애노드 입구에서 애노드 출구로의 온도 강하가 약 100℃ 이하, 예를 들어 약 80℃ 이하, 또는 약 80℃ 이하, 또는 약 60℃ 이하, 또는 약 50℃ 이하, 또는 약 40℃ 이하, 또는 약 30℃ 이하, 또는 약 20℃ 이하일 수 있도록 제한될 수 있다. 애노드 입구에서 애노드 출구로의 온도 강하를 제한하는 것은, 예를 들어, 애노드에서 (개질에 의한) 연료의 완전한 또는 실질적으로 완전한 전환을 허용하기에 충분한 온도를 유지하는데 유리할 수 있다. 다른 양태에서, (예를 들어 열 교환 또는 추가의 연료의 연소에 의해) 추가의 열이 연료 전지에 공급되어, 흡열 반응에 의해 소비되는 열과 연료 전지에 공급되는 추가의 외부 열의 균형으로 인해, 애노드 입구 온도가 애노드 출구 온도보다 약 100℃ 이하, 예컨대 약 80℃ 이하, 또는 약 60℃ 이하, 또는 약 50℃ 이하, 또는 약 40℃ 이하, 또는 약 30℃ 이하, 또는 약 20℃ 이하 만큼 높도록 할 수 있다.
개질의 양은, 추가적으로 또는 대안적으로, 개질가능 연료의 이용성에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 연료가 H₂만 포함하는 경우, H₂가 이미 개질되어 더 이상 개질될 수 없기 때문에 개질이 발생하지 않는다. 연료 전지에 의해 "생성된 합성 가스"의 양은, 애노드 유입물 중의 합성 가스의 더 낮은 발열값(lower heating value; LHV) 대 애노드 배출물 중의 합성 가스의 LHV 간의 차이로 정의될 수 있다. 즉, 생성된 합성 가스 LHV(sg net) =(LHV(sg out)-LHV(sg in))이며, 여기서 LHV(sg in) 및 LHV(sg out)는 각각, 애노드 입구 스트림 또는 유동 중의 합성 가스와 애노드 출구 스트림 또는 유동 중의 합성 가스의 LHV를 나타낸다. 상당량의 H₂를 함유하는 연료가 제공되는 연료 전지는, 추가의 개질가능 연료를 함유하는 것과는 대조적으로, 연료가 이미 개질된 H₂를 상당량 함유하기 때문에, 잠재적 합성 가스 생성량이 제한될 수 있다. 상기 더 낮은 발열값은, 연료 성분의 증기 상(vapor phase)의 완전 산화된 생성물(즉, 증기 상 CO₂및 H2O 생성물)로의 연소 엔탈피로 정의된다. 예를 들어, 애노드 유입 스트림에 존재하는 임의의 CO2는, CO2가 이미 완전 산화되었기 때문에 애노드 유입물의 연료 함량에 기여하지 않는다. 이 정의의 경우, 애노드 연료 전지 반응으로 인해 애노드에서 발생하는 산화량은 애노드에서의 전기화학 반응의 일부인 애노드에서의 H2의 산화로서 정의된다.
열비가 감소된 연료 전지를 작동시키는 방법의 예는, 연료 전지에서 열의 생성과 소비의 균형을 맞추고/거나 생성된 것보다 더 많은 열을 소비하기 위해 연료의 과도한 개질을 수행하는 방법일 수 있다. 개질가능 연료를 개질시켜 H₂및/또는 CO를 형성하는 것은 흡열 과정일 수 있는 반면, 애노드 전기화학적 산화 반응 및 캐쏘드 연소 반응(들)은 발열성일 수 있다. 통상적인 연료 전지 작동 동안, 연료 전지 작동을 위해 공급물 성분을 공급하는데 필요한 개질의 양은 일반적으로 애노드 산화 반응에 의해 생성된 열량보다 적은 열을 소비할 수 있다. 예를 들어, 약 70% 또는 약 75%의 연료 이용률에서 통상적인 작동은 실질적으로 1보다 큰 열비, 예컨대 적어도 약 1.4 이상 또는 1.5 이상의 열비를 생성한다. 그 결과, 연료 전지의 배출 스트림은 유입 스트림보다 더 뜨거울 수 있다. 이러한 유형의 통상적인 작동 대신, 애노드와 연계된 개질 단에서 개질되는 연료의 양을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 발열 연료 전지 반응에 의해 생성된 열이 개질에 소비되는 열과 (대략) 균형을 이루고/거나 생성된 열보다 더 많은 열을 소비하도록 추가의 연료가 개질될 수 있다. 이는, 전력 생성을 위해 애노드에서 산화된 양에 비해 상당히 과량의 수소를 초래할 수 있으며, 약 1.0 이하, 예를 들어 약 0.95 이하, 또는 약 0.90 이하, 또는 약 0.85 이하, 또는 약 0.80 이하, 또는 약 0.75 이하의 열비를 제공할 수 있다.
수소 또는 합성 가스는 화학 에너지 출력으로서 애노드 배기 가스로부터 회수될 수 있다. 수소는 태우거나 연소시킬 때 온실 가스 발생 없이 청정한 연료로 사용할 수 있다. 대신, 탄화수소(또는 탄화수소 화합물)의 개질로 생성된 수소의 경우, CO₂는 이미 애노드 루프에 "포집"되었을 것이다. 또한, 수소는 다양한 정제 공정 및/또는 기타 합성 공정에 대한 가치있는 유입물이 될 수 있다. 합성 가스 또한 다양한 공정에 대한 가치있는 유입물이 될 수 있다. 연료 가치를 갖는 것 외에도, 합성 가스는, 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 합성 및/또는 메탄올 합성 공정을 위한 유입물로 합성 가스를 사용하는 것과 같이, 다른 고 부가가치 제품을 생산하기 위한 공급 원료로서 사용될 수 있다.
일부 양태에서, 애노드 및/또는 애노드와 연계된 개질 단으로 전달되는 유입 스트림에서 개질가능 연료 중의 개질가능한 수소 함량은, 애노드에서 반응된 수소의 순량보다 약 50% 이상, 예를 들어 약 75% 이상 또는 약 100% 이상 더 클 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 애노드 및/또는 애노드와 연계된 개질 단으로 전달되는 유입 스트림에서 연료 중의 개질가능한 수소 함량은 애노드에서 반응된 수소의 순량보다 약 50% 이상, 예를 들어 약 75% 이상 또는 약 100% 이상 더 클 수 있다. 다양한 양태에서, 연료 스트림에서 개질가능 연료 중의 개질가능한 수소 함량 대 애노드에서 반응된 수소의 양의 비는 적어도 약 1.5:1, 또는 적어도 약 2.0:1, 또는 적어도 약 2.5:1, 또는 적어도 약 3.0:1일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 연료 스트림에서 개질가능 연료 중의 개질가능한 수소 함량 대 애노드에서 반응된 수소의 양의 비는 약 20:1 이하, 또는 약 15:1 이하, 또는 약 10:1 이하일 수 있다. 한 양태에서, 애노드 유입 스트림 중의 개질가능한 수소 함량의 100% 미만이 수소로 전환될 수 있는 것으로 고려된다. 예를 들어, 애노드 유입 스트림 중의 개질가능한 수소 함량의 약 80% 이상, 예를 들어 약 85% 이상, 또는 약 90% 이상이 애노드 및/또는 연계된 개질 단(들)에서 수소로 전환될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 애노드로 전달되는 개질가능 연료의 양은, 애노드에서 산화된 수소의 더 낮은 발열값(LHV)에 대한 개질가능 연료의 LHV에 기초하여 특성화될 수 있다. 이것은 개질가능 연료 잉여비(surplus ratio)라고 지칭될 수 있다. 다양한 양태에서, 개질가능 연료 잉여비는 적어도 약 2.0, 예컨대 적어도 약 2.5, 또는 적어도 약 3.0, 또는 적어도 약 4.0일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 개질가능 연료 잉여비는 약 25.0 이하, 예컨대 약 20.0 이하, 또는 약 15.0 이하, 또는 약 10.0 이하일 수 있다.
실시예 1
이 실시예에서는, 50 cm x 50 cm 크기의 용융 탄산염 연료 전지를 배플을 포함하도록 개조하여 도 3에 도시된 구성과 유사한 구성을 만들었다. 상기 배플은, 이극성 판에 5 개의 스테인리스 강 와이어(316 스테인리스 강)을 스폿 용접함으로써 캐쏘드와 분리판 사이의 공간(즉, 캐쏘드 가스 수집 용적)에 추가되었다. 상기 와이어는 캐쏘드와 캐쏘드 콜렉터 사이에서 이용가능한 유동 채널 높이의 약 80%를 차지했다. 상기 5 개의 와이어는 50 x 50 cm 유동 장(flow field)의 전체 폭에 걸쳐 이격되어 위치하였다. 상기 와이어를 삽입한 후, 비차단 유동 단면적은 약 20%였다. 그러나, 캐쏘드 콜렉터 구조체로 인해 유동 단면의 일부가 이미 차단되어서 상기 와이어는 차단된 유동 단면의 양을 약 70% 증가시켰다.
도 7 및 도 8은 개조되지 않은 연료 전지(50 x 50 cm 유동장) 및 위에서 설명한 배플을 포함하는 연료 전지를 작동시킨 결과를 보여준다. 상기 연료 전지들은 650℃의 온도와 90mA/㎠의 전류 밀도를 포함하는 높은 CO₂이용률 조건에서 작동되었다. 캐쏘드 유입 가스는 4 부피% CO2, 10 부피% O₂및 10 부피% H2O (나머지량의 N2)를 포함하였다. 애노드 유입 가스는 72 부피% H2, 18 부피% CO2, 및 10 부피% H2O에 상응하였다. 상기 연료 전지는 도 7에 도시된 바와 같이 대략 90%, 대략 105% 및 대략 120%의 겉보기(apparent) CO₂이용률로 작동되었다. 실제 CO₂이용률은 산화제 입구 및 출구의 가스 크로마토그래피 샘플링을 통해 측정되었다. 겉보기 CO₂이용률은 측정된 전류 밀도를 기반으로 한다.
도 7은 배플을 포함하는 연료 전지와 기준 전지 모두에 대한 실제 CO₂이용률 대 겉보기 CO₂이용률을 보여준다. 도 7에 도시된 바와 같이, 대략 비슷한 수준의 겉보기 CO₂이용률에서, 배플 구조체의 존재는 예상치 않게 실제 CO₂이용률을 대략 4 내지 5% 증가 시켰다. 도 8에 도시된 바와 같이, 실제 CO₂이용률의 이러한 증가는, 배플 구조체를 포함하는 연료 전지의 작동 전압을 약 0.15mV로 예상치 않게 증가시켰다. 특정 이론에 얽매임이 없이, 일정한 수준의 겉보기 CO₂이용률에서 대체 이온 수송량을 줄이면 전압이 더 높아진다고 여겨진다.
추가의 실시양태
실시양태 1. 용융 탄산염 연료 전지에서 전기를 생성하는 방법으로서, H2, 개질가능 연료 또는 이들의 조합물을 포함하는 애노드 유입 스트림을 애노드 가스 수집 용적 내로 통과시키는 단계(이때, 애노드 가스 수집 용적은 애노드 표면, 제 1 분리판, 및 애노드 표면과 분리판 사이의 지지를 제공하는 애노드 콜렉터를 포함함); O₂및 CO2를 포함하는 캐쏘드 유입 스트림을 캐쏘드 가스 수집 용적 내에 도입하는 단계(이때, 캐쏘드 가스 수집 용적은 캐쏘드 표면, 제 2 분리판 및 캐쏘드 표면과 제 2 분리판 사이의 지지를 제공하는 캐쏘드 콜렉터에 의해 한정되고, 캐쏘드 가스 수집 용적은 캐쏘드 유입 스트림의 유동 방향에 기초한 유동 단면을 가짐); 0.97 이하의 전달율 및 60mA/㎠ 이상의 평균 전류 밀도로 용융 탄산염 연료 전지를 작동시켜 전기, H2, CO 및 CO2를 포함하는 애노드 배기 가스, 및 2.0 부피% 이하의 CO2, 1.0 부피% 이상의 H2O 및 1.0 부피% 이상의 O2를 포함하는 캐쏘드 배기 가스를 생성하는 단계를 포함하고, 이때 상기 캐쏘드 가스 수집 용적은 제 2 분리판과 접촉하는 하나 이상의 배플에 의해 추가로 한정되며, 상기 하나 이상의 배플은 캐쏘드 가스 수집 용적의 비차단 유동 단면을 10% 이상 감소시키는, 방법.
실시양태 2. 실시양태 1에 있어서, 전달율은 0.95 이하 또는 0.90 이하인, 방법.
실시양태 3. 상기 실시양태들 중 어느 하나에 있어서, 캐쏘드 유입 스트림이 5.0 부피% 이하의 CO2를 포함하거나, 캐쏘드 배출 가스가 1.0 부피% 이하의 CO2를 포함하거나, 또는 이들의 조합인, 방법.
실시양태 4. 상기 실시양태들 중 어느 하나에 있어서, 하나 이상의 배플은 비차단 유동 단면을 10% 내지 80% (또는 25% 내지 80%, 또는 50% 내지 80%, 또는 10% 내지 50% 또는 25% 내지 50%) 감소시키는, 방법.
실시양태 5. 상기 실시양태들 중 어느 하나에 있어서, 하나 이상의 배플은 캐쏘드 가스 수집 용적의 유동 방향에 대해 실질적으로 수직으로 정렬되는, 방법.
실시양태 6. 상기 실시양태들 중 어느 하나에 있어서, 캐쏘드 표면의 개방 영역이 50% 이하, 45% 이하 또는 40% 이하인, 방법.
실시양태 7. 상기 실시양태들 중 어느 하나에 있어서, 캐쏘드 표면의 개방 영역이 45% 이상, 50% 이상, 또는 60% 이상인, 방법.
실시양태 8. 상기 실시양태들 중 어느 하나에 있어서, 캐쏘드 콜렉터가 하나 이상의 배플을 포함하거나, 또는 하나 이상의 배플이 제 2 분리판에 부착되는, 방법.
실시양태 9. 상기 실시양태들 중 어느 하나에 있어서, a) 캐쏘드에 걸친 전압 강하가 0.4V 이하이거나; b) 전기가 0.55V 이상의 전압에서 생성되거나; c) 애노드 배기 가스의 H₂농도가 5.0 부피% 이상이거나; d) 애노드 배기 가스 중의 H₂와 CO의 합친 농도가 6.0 부피% 이상이거나; e) a) 내지 d) 중 둘 이상의 조합이거나; 또는 f) a) 내지 d) 중 3 개 이상의 조합인, 방법.
실시양태 10. 상기 실시양태들 중 어느 하나에 있어서, 애노드에서의 연료 이용률이 60% 이상이거나, 애노드에서의 연료 이용률이 55% 이하인, 방법.
실시양태 11. 애노드; 제 1 분리판; 애노드 및 제 1 분리판과 접촉하여 애노드와 제 1 분리판 사이에 애노드 가스 수집 용적을 한정하는 애노드 콜렉터; 캐쏘드; 제 2 분리판; 캐쏘드의 캐쏘드 표면 및 제 2 분리판과 접촉하여 캐쏘드와 제 2 분리판 사이에 캐쏘드 가스 수집 용적을 한정하는 캐쏘드 콜렉터(이때, 캐쏘드 가스 수집 용적은 캐쏘드 입구와 유체 연통함); 제 2 분리판과 접촉하는 하나 이상의 배플(이때, 하나 이상의 배플은 캐쏘드 가스 수집 용적의 비차단 유동 단면을 10% 이상 감소시킴); 및 애노드와 캐쏘드 사이의 전해질을 포함하는 전해질 매트릭스를 포함하는 용융 탄산염 연료 전지.
실시양태 12. 실시양태 11에 있어서, 하나 이상의 배플은 비차단 유동 단면을 10% 내지 80% (또는 25% 내지 80%, 또는 50% 내지 80%, 또는 50% 또는 25% 내지 50%) 감소시키는, 용융 탄산염 연료 전지.
실시양태 13. 실시양태 11 또는 12에 있어서, 하나 이상의 배플은 캐쏘드 가스 수집 용적에서의 유동 방향에 실질적으로 수직으로 정렬되는, 용융 탄산염 연료 전지.
실시양태 14. 실시양태 11 내지 13 중 어느 하나에 있어서, 캐쏘드 표면의 개방 영역이 50% 이하, 45% 이하, 또는 40% 이하이거나, 캐쏘드 표면의 개방 영역이 45% 이상, 50% 이상 또는 60% 이상인, 용융 탄산염 연료 전지.
실시양태 15. 실시양태 11 내지 14 중 어느 하나에 있어서, 캐쏘드 콜렉터가 하나 이상의 배플을 포함하거나, 하나 이상의 배플이 제 2 분리판에 부착되는, 용융 탄산염 연료 전지.
본 명세서의 상세한 설명 및 청구 범위 내의 모든 수치는 표시된 값이 "약"또는 "대략"에 의해 보정되고, 당분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 예상되는 실험적 오차 및 편차를 고려한다.
본 발명은 특정 실시양태의 관점에서 설명되었지만, 반드시 그렇게 제한되는 것은 아니다. 특정 조건 하에서의 작동을 위한 적절한 변경/수정은 당업자에게 자명하다. 따라서, 하기 청구범위는 본 발명의 진의/범위 내에 드는 그러한 모든 변경/수정을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (15)
- 용융 탄산염 연료 전지에서 전기를 생성하는 방법으로서,
H2, 개질가능 연료 또는 이들의 조합물을 포함하는 애노드 유입 스트림을 애노드 가스 수집 용적(anode gas collection volume) 내로 통과시키는 단계로서, 이때 상기 애노드 가스 수집 용적은 애노드 표면, 제 1 분리판, 및 애노드 표면과 분리판 사이의 지지를 제공하는 애노드 콜렉터(anode collector)에 의해 한정되는, 단계;
O₂및 CO2를 포함하는 캐쏘드 유입 스트림을 캐쏘드 가스 수집 용적에 도입하는 단계로서, 이때 상기 캐쏘드 가스 수집 용적은 캐쏘드 표면, 제 2 분리판 및 캐쏘드 표면과 제 2 분리판 사이의 지지를 제공하는 캐쏘드 콜렉터에 의해 한정되고, 상기 캐쏘드 가스 수집 용적은 캐쏘드 유입 스트림의 유동 방향에 기초한 유동 단면을 갖는, 단계;
상기 용융 탄산염 연료 전지가 0.97 이하의 전달율(transference) 및 60mA/㎠ 이상의 평균 전류 밀도로 작동되어, 전기, H2, CO 및 CO2를 포함하는 애노드 배기 가스, 및 2.0 부피% 이하의 CO2, 1.0 부피% 이상의 H2O 및 1.0 부피% 이상의 O2를 포함하는 캐쏘드 배기 가스를 생성하는 단계
를 포함하고,
이때 상기 전달율은 용융 탄산염 전해질을 가로질러 수송되는 총 이온에 대한 용융 탄산염 전해질을 가로질러 수송되는 탄산 이온의 분율이고,
이때 상기 캐쏘드 가스 수집 용적은 추가로, 상기 제 2 분리판과 접촉하는 하나 이상의 배플에 의해 한정되며, 상기 하나 이상의 배플은 상기 캐쏘드 가스 수집 용적의 비차단 유동 단면(unblocked flow cross-section)을 10% 이상 감소시키는, 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 전달율이 0.95 이하 또는 0.90 이하인, 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 캐쏘드 유입 스트림이 5.0 부피% 이하의 CO2를 포함하거나, 상기 캐쏘드 배기 가스가 1.0 부피% 이하의 CO2를 포함하거나, 또는 이들의 조합인, 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 하나 이상의 배플이 상기 비차단 유동 단면을 10% 내지 80%, 25% 내지 80%, 50% 내지 80%, 10% 내지 50%, 또는 25% 내지 50% 감소시키는, 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 하나 이상의 배플이 상기 캐쏘드 가스 수집 용적의 유동 방향에 수직으로 정렬되는, 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 캐쏘드 표면의 개방 영역이 50% 이하, 45% 이하, 또는 40% 이하인, 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 캐쏘드 표면의 개방 영역이 45% 이상, 50% 이상 또는 60% 이상인, 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 캐쏘드 콜렉터가 상기 하나 이상의 배플을 포함하거나, 상기 하나 이상의 배플이 상기 제 2 분리판에 부착되는, 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
a) 상기 캐쏘드에 걸친 전압 강하가 0.4V 이하이거나;
b) 상기 전기가 0.55V 이상의 전압에서 생성되거나;
c) 상기 애노드 배기 가스의 H₂농도가 5.0 부피% 이상이거나;
d) 상기 애노드 배기 가스 중의 H₂와 CO의 합친 농도가 6.0 부피% 이상이거나;
e) 상기 a) 내지 d) 중 둘 이상의 조합이거나; 또는
f) 상기 a) 내지 d) 중 셋 이상의 조합인, 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 애노드에서의 연료 이용률(fuel utilization)이 60% 이상이거나, 상기 애노드에서의 연료 이용률이 55% 이하인, 방법. - 애노드;
제 1 분리판;
애노드 및 제 1 분리판과 접촉하여 애노드와 제 1 분리판 사이에 애노드 가스 수집 용적을 한정하는 애노드 콜렉터;
캐쏘드;
제 2 분리판;
캐쏘드의 캐쏘드 표면 및 제 2 분리판과 접촉하여 캐쏘드와 제 2 분리판 사이에 캐쏘드 가스 수집 용적을 한정하며, 상기 캐쏘드 가스 수집 용적이 캐쏘드 입구와 유체 연통하는, 캐쏘드 콜렉터;
제 2 분리판과 접촉하며, 캐쏘드 가스 수집 용적의 비차단 유동 단면을 10% 이상 감소시키는, 하나 이상의 배플; 및
애노드와 캐쏘드 사이에 전해질을 포함하는 전해질 매트릭스
를 포함하고,
0.97 이하의 전달율 및 60mA/㎠ 이상의 평균 전류 밀도로 작동되어 전기를 생성하도록 구성된, 용융 탄산염 연료 전지. - 제 11 항에 있어서,
상기 하나 이상의 배플이 상기 비차단 유동 단면을 10% 내지 80%, 25% 내지 80%, 50% 내지 80%, 10% 내지 50%, 또는 25% 내지 50% 감소시키는, 용융 탄산염 연료 전지. - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 하나 이상의 배플이 상기 캐쏘드 가스 수집 용적의 유동 방향에 수직으로 정렬되는, 용융 탄산염 연료 전지. - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 캐쏘드 표면의 개방 영역이 50% 이하, 45% 이하 또는 40% 이하이거나, 상기 캐쏘드 표면의 개방 영역이 45% 이상, 50% 이상 또는 60% 이상인, 용융 탄산염 연료 전지. - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 캐쏘드 콜렉터가 상기 하나 이상의 배플을 포함하거나, 상기 하나 이상의 배플이 상기 제 2 분리판에 부착되는, 용융 탄산염 연료 전지.
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Families Citing this family (7)
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|---|---|---|---|---|
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060204806A1 (en) * | 2005-03-11 | 2006-09-14 | Kabushikikaisha Equos Research | Separator unit and fuel cell stack |
| US20060269830A1 (en) * | 2005-05-27 | 2006-11-30 | Richard Johnsen | Carbonate fuel cell and components thereof for in-situ delayed addition of carbonate electrolyte |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4983472A (en) * | 1989-11-24 | 1991-01-08 | International Fuel Cells Corporation | Fuel cell current collector |
| US6509113B2 (en) | 2000-12-15 | 2003-01-21 | Delphi Technologies, Inc. | Fluid distribution surface for solid oxide fuel cells |
| US7045231B2 (en) * | 2002-05-22 | 2006-05-16 | Protonetics International, Inc. | Direct hydrocarbon reforming in protonic ceramic fuel cells by electrolyte steam permeation |
| CN105143140B (zh) | 2013-03-15 | 2018-06-22 | 埃克森美孚研究工程公司 | 熔融碳酸盐燃料电池在水泥加工中的集成 |
| US20170271701A1 (en) | 2016-03-17 | 2017-09-21 | Exxonmobil Research And Engineering Company | Integrated operation of molten carbonate fuel cells |
-
2019
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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