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KR20160064188A - Integrated power generation and chemical production using solid oxide fuel cells - Google Patents

Integrated power generation and chemical production using solid oxide fuel cells Download PDF

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KR20160064188A
KR20160064188A KR1020167011204A KR20167011204A KR20160064188A KR 20160064188 A KR20160064188 A KR 20160064188A KR 1020167011204 A KR1020167011204 A KR 1020167011204A KR 20167011204 A KR20167011204 A KR 20167011204A KR 20160064188 A KR20160064188 A KR 20160064188A
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Application number
KR1020167011204A
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Korean (ko)
Inventor
폴 제이 벌로위츠
티모시 에이 발크홀츠
애니타 에스 리
Original Assignee
엑손모빌 리서치 앤드 엔지니어링 컴퍼니
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Publication date
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Priority claimed from US14/207,699 external-priority patent/US20140272635A1/en
Priority claimed from US14/315,507 external-priority patent/US9077007B2/en
Priority claimed from US14/486,159 external-priority patent/US9755258B2/en
Application filed by 엑손모빌 리서치 앤드 엔지니어링 컴퍼니 filed Critical 엑손모빌 리서치 앤드 엔지니어링 컴퍼니
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Abstract

다양한 양태로, 연료 전지의 통합된 전기 효율 및 화학적 효율을 개선하거나 최대화할 수 있는 조건에서 고체 산화물 연료 전지를 작동시키기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 연료 전지의 전기 효율을 최대화하기 위한 종래의 조건을 선택하는 대신, 작동 조건은 상기 연료 전지의 애노드 배기 가스중 과량의 합성 가스 및/또는 수소의 산출을 가능케 할 수 있다. 이어서, 상기 합성 가스 및/또는 수소를, 화학적 합성 공정 및 연료로서 사용하기 위한 수소의 수집을 비롯한 다양한 용도에 사용할 수 있다. In various aspects, a system and method are provided for operating a solid oxide fuel cell under conditions that can improve or maximize the integrated electrical efficiency and chemical efficiency of the fuel cell. Instead of selecting conventional conditions to maximize the electrical efficiency of the fuel cell, the operating conditions may enable the production of excess syngas and / or hydrogen in the anode exhaust of the fuel cell. The syngas and / or hydrogen can then be used for a variety of applications including the chemical synthesis process and the collection of hydrogen for use as fuel.

Description

고체 산화물 연료 전지를 사용하는 통합된 발전 및 화학적 생산 방법{INTEGRATED POWER GENERATION AND CHEMICAL PRODUCTION USING SOLID OXIDE FUEL CELLS}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an integrated power generation and chemical production method using a solid oxide fuel cell,

다양한 양태에서, 본 발명은 고체 산화물 연료 전지를 사용하는 전력 생성과 통합된 화학적 생산 및/또는 발전 방법에 관한 것이다.In various aspects, the present invention is directed to a chemical production and / or generation method integrated with power generation using a solid oxide fuel cell.

고체 산화물 연료 전지는 수소 및/또는 다른 연료를 사용하여 전기를 발생시킨다. 연료 전지보다 공정상 앞에 위치하거나 연료 전지 내에 위치하는 수증기 개질기에서 메탄 또는 다른 개질가능한 연료를 개질시킴으로써 수소를 제공할 수 있다. 개질가능한 연료는 승온 및/또는 승압에서 수증기 및/또는 산소와 반응하여 수소를 포함하는 기체 생성물을 생성시킬 수 있는 탄화수소질 물질을 포함할 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 애노드에서 연료를 개질시키는데 적합한 조건을 형성시키도록 작동될 수 있는 고체 산화물 연료 전지의 애노드 전지에서 연료를 개질시킬 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 개질은 연료 전지 외부에서 또한 내부에서 일어날 수 있다. Solid oxide fuel cells generate electricity using hydrogen and / or other fuels. Hydrogen can be provided by reforming methane or other reformable fuel in a steam reformer located in front of the fuel cell or located in the fuel cell. The reformable fuel may comprise a hydrocarbonaceous material capable of reacting with steam and / or oxygen at elevated temperature and / or pressure to produce a gaseous product comprising hydrogen. Additionally or alternatively, the fuel can be reformed in an anode cell of a solid oxide fuel cell that can be operated to form conditions suitable for reforming the fuel at the anode. Additionally or alternatively, the reforming can take place inside and outside the fuel cell.

전통적으로, 고체 산화물 연료 전지는 연료 투입물 단위당 전기 생산(이는 연료 전지의 전기 효율로 일컬어질 수 있음)을 최대화하도록 작동된다. 이 최대화는 연료 전지에만 또는 통합된 열 및 전력 용도에 기초할 수 있다. 전기 생성을 증가시키고 열 발생을 관리하기 위하여, 연료 전지 내에서의 연료 이용률을 70% 내지 85%로 유지한다.Traditionally, solid oxide fuel cells are operated to maximize electrical production per unit of fuel input (which may be referred to as the fuel efficiency of the fuel cell). This maximization can be based only on fuel cells or on integrated heat and power applications. In order to increase electricity generation and manage heat generation, the fuel utilization rate in the fuel cell is maintained at 70% to 85%.

미국 특허 공고 제 2005/0123810 호는 수소 및 전기 에너지를 동시에 생성시키는 시스템 및 방법을 기재한다. 동시 생산 시스템은 연료 전지 및 분리 단위장치를 포함하는데, 분리 단위장치는 애노드 배기 가스 스트림을 받아들이고 수소를 분리하도록 구성된다. 애노드 배기 가스의 일부를 또한 애노드 입구로 재순환시킨다. '810 호 공보에 기재된 작동 범위는 용융 카보네이트 연료 전지에 기초한 것으로 보인다. 고체 산화물 연료 전지는 대안으로서 기재된다.U.S. Patent Publication No. 2005/0123810 describes a system and method for simultaneously generating hydrogen and electrical energy. The co-production system includes a fuel cell and a separation unit device configured to receive the anode exhaust gas stream and separate the hydrogen. A portion of the anode exhaust gas is also recirculated to the anode inlet. The operating range described in the '810 publication appears to be based on molten carbonate fuel cells. Solid oxide fuel cells are described as alternatives.

한 양태에서는, 애노드 및 캐쏘드를 갖는 고체 산화물 연료 전지를 사용하여 전기 및 수소 또는 합성 가스를 생성시키는 방법이 제공된다. 이 방법은 개질가능한 연료를 포함하는 연료 스트림을 고체 산화물 연료 전지의 애노드, 고체 산화물 연료 전지의 애노드에 수반되는 내부 개질 요소, 또는 이들의 조합 내로 도입하고; O2를 포함하는 캐쏘드 입구 스트림을 고체 산화물 연료 전지의 캐쏘드 내로 도입하며; 고체 산화물 연료 전지 내에서 전기를 발생시키고; 애노드 배기 가스로부터 H2를 포함하는 기체 스트림, H2와 CO를 포함하는 기체 스트림, 또는 이들의 조합을 회수함을 포함하며, 이 때 상기 고체 산화물 연료 전지의 전기 효율은 약 10% 내지 약 50%이고, 상기 고체 산화물 연료 전지의 총 연료 전지 생산성은 약 150mW/cm2 이상이다.In one aspect, a method of generating electricity and hydrogen or syngas using a solid oxide fuel cell having an anode and a cathode is provided. The method includes introducing a fuel stream comprising a reformable fuel into an anode of a solid oxide fuel cell, an internal reforming element associated with an anode of the solid oxide fuel cell, or a combination thereof; Introducing a cathode inlet stream comprising O 2 into a cathode of a solid oxide fuel cell; Generate electricity within the solid oxide fuel cell; Recovering a gas stream comprising H 2 from the anode exhaust gas, a gas stream comprising H 2 and CO, or a combination thereof, wherein the electrical efficiency of the solid oxide fuel cell is from about 10% to about 50 %, And the total fuel cell productivity of the solid oxide fuel cell is about 150 mW / cm 2 or more.

도 1은 고체 산화물 연료 전지 및 그에 수반되는 개질 및 분리 스테이지의 구성의 일례를 개략적으로 도시한다.
도 2는 고체 산화물 연료 전지 및 그에 수반되는 개질 및 분리 스테이지의 구성의 다른 예를 개략적으로 도시한다.
도 3은 고체 산화물 연료 전지의 작동의 일례를 개략적으로 도시한다.
Figure 1 schematically illustrates an example of the configuration of a solid oxide fuel cell and its associated reforming and separation stages.
Fig. 2 schematically shows another example of the configuration of a solid oxide fuel cell and its accompanying reforming and separation stages.
Figure 3 schematically shows an example of the operation of a solid oxide fuel cell.

개요summary

다양한 양태에서는, 높은 총 연료 전지 효율로 고체 산화물 연료 전지(SOFC)로부터 전기를 생산함에 덧붙여 다량의 수소 또는 합성 가스를 생성시키는 시스템 및 방법이 제공된다. 본 발명의 양태는 평면상 전지 또는 관상 전지를 사용할 수 있다. 총 연료 전지 효율은 통상 연료 전지의 통합된 전기 효율 및 화학적 효율을 가리킨다. 총 연료 전지 효율에 대한 더욱 자세한 정의는 이어서 제공된다.In various aspects, systems and methods are provided for producing a large amount of hydrogen or syngas in addition to producing electricity from a solid oxide fuel cell (SOFC) with high total fuel cell efficiency. Aspects of the present invention may employ planar cells or tubular cells. Total fuel cell efficiency typically refers to the integrated electrical efficiency and chemical efficiency of a fuel cell. A more detailed definition of the total fuel cell efficiency is then provided.

전형적인 연료 전지 시스템은 임의의 다른 매개변수(들)를 희생하면서 전기 효율을 최적화하도록 디자인 및 작동될 수 있다. 동일 반응계 내에서 및/또는 폐가스 및 애노드 생성물을 연소시킨 결과로서 생성되는 열을, 연료 전지 작동을 일정한 조건으로 유지하는데 필요한 한도까지 사용할 수 있다. 대부분의 발전 방법에서와 같이, 통상적인 연료 전지 시스템은 전기 생성물을 첫 번째로 소중하게 생각한다. 주된 목적이 효율적인 전력의 생산인 용도에, 예컨대 배전되는 생산 또는 백업 생산에 통상적인 연료 전지 시스템을 사용할 수 있다. A typical fuel cell system can be designed and operated to optimize electrical efficiency at the expense of any other parameter (s). The heat generated as a result of combustion of the waste gas and the anode product in the in situ and / or to the extent necessary to maintain fuel cell operation at constant conditions can be used. As in most power generation methods, conventional fuel cell systems consume electrical products first. The fuel cell system can be used for applications in which the primary purpose is the production of efficient power, for example in the production of distributed or backup production.

본 발명의 양태는 총 연료 전지 효율이 종래의 연료 전지 효율을 능가하도록 하는 연료 전지 작동 매개변수를 확립할 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 본 발명은 높은 전체 시스템 효율을 유지하면서 총 연료 전지 생산성을 증가시키는 방법을 제공한다. 하나의 양태에서, 생산성은 예를 들어 연료 전지의 단면적에 의해 측정되는, 지정된 양의 연료 전지 용량에 있어서 단위 시간당 생산되는 유용한 생성물(예컨대, 합성 가스, 열, 전기)의 총량이다. 연료 전지의 전기 효율을 최대화하기 위한 종래의 조건을 선택하는 대신, 전기 효율이 상기 기재된 전형적인 연료 전지 시스템에서 추구되는 최적 전기 효율 미만으로 떨어질 수 있다면 작동 조건은 전체 시스템에 있어서 훨씬 더 높은 총 연료 전지 효율 및/또는 생산성을 생성시킬 수 있다. 아래에서 더욱 상세하게 기재되는 바와 같이, 총 연료 전지 효율은 연료 전지에 전달되는 에너지의 양에 대한 연료 전지에 의해 발생되는 에너지의 양의 척도인 반면, 생산성은 연료 전지의 크기에 대한 연료 전지에 의해 발생되는 에너지(전체 화학적, 전기적 및 열 에너지)의 양의 척도이다. 높은 총 연료 전지 효율 및/또는 생산성을 달성할 수 있는 조건은 연료 전지의 애노드 배기 가스 중에 과량의 합성 가스 및/또는 수소가 산출되도록 할 수 있고, 일부 생성물을 과량으로 생산시키기 위하여 애노드 및 캐쏘드로부터의 투입물 및 산출물을 완전히 또는 부분적으로 분리함으로써 달성될 수 있다. 이러한 과량은 예를 들어 전지의 전기 효율을 감소시킴으로써(예를 들어, 더 낮은 전압에서 작동시킴으로써) 및/또는 화학적 에너지(예컨대, 합성 가스의 형태)의 효율적인 생산을 위해 동일 반응계 내에서 발생되는 열을 사용함으로써 가능해질 수 있다. 그 결과, 연료 전지는 당 업계에 공지되어 있는 것과 비슷하거나 더 높은 총 산출 효율(화학적 에너지, 전기 에너지 및 유용한 열 에너지의 합)을 유지하면서 훨씬 더 많은 양의 애노드로의 총 연료 투입물을 처리할 수 있다. 더 높은 생산성은 연료 전지가 통합 시스템 내에서 더욱 효율적으로 사용될 수 있도록 한다.Aspects of the present invention can establish fuel cell operating parameters that allow total fuel cell efficiency to exceed conventional fuel cell efficiencies. Additionally or alternatively, the present invention provides a method for increasing total fuel cell productivity while maintaining high overall system efficiency. In one embodiment, productivity is the total amount of useful product (e.g., syngas, heat, electricity) produced per unit time for a specified amount of fuel cell capacity, as measured, for example, by the cross-sectional area of the fuel cell. Instead of choosing conventional conditions to maximize the electrical efficiency of the fuel cell, if the electrical efficiency can fall below the optimum electrical efficiency pursued in the typical fuel cell system described above, then the operating conditions are much higher for the total system, Efficiency and / or productivity. As described in more detail below, total fuel cell efficiency is a measure of the amount of energy generated by the fuel cell relative to the amount of energy delivered to the fuel cell, while productivity is a function of the amount of energy delivered to the fuel cell It is a measure of the amount of energy (total chemical, electrical, and thermal energy) Conditions that can achieve high total fuel cell efficiency and / or productivity can result in excess syngas and / or hydrogen being produced in the anode exhaust gas of the fuel cell, and can be reduced to an anode and a cathode By completely or partially separating the inputs and outputs from the < / RTI > Such excess can be achieved, for example, by heat generated within the in-situ reaction system for efficient production of the battery (e. G., By operating at lower voltages) and / or by chemical energy ≪ / RTI > As a result, the fuel cell can handle a greater amount of the total fuel input to the anode while maintaining a total output efficiency (sum of chemical energy, electrical energy and useful thermal energy) similar to or higher than those known in the art . Higher productivity allows fuel cells to be used more efficiently in integrated systems.

애노드에서 일어나는 전기화학적 공정은 적어도 H2, CO 및 CO2의 조합을 함유하는 합성 가스의 애노드 산출 유동을 야기할 수 있다. 이어서, 수성 가스 전화 반응을 이용하여 합성 가스의 목적하는 조성을 생성시키고/시키거나 다른 합성 가스 성분에 비해 H2 생산을 증가시키거나 최대화할 수 있다. 이어서, "청정" 연료로서 사용하기 위한 수소의 화학적 합성 공정 및/또는 수집을 비롯한(이들로 한정되지는 않음) 다양한 용도에 합성 가스 및/또는 수소를 사용할 수 있다. The electrochemical process taking place at the anode can cause an anode-output flow of the synthesis gas containing at least a combination of H 2 , CO and CO 2 . Then, the purpose of the composition of the syngas using a water gas shift reaction products and / or to increase the H 2 production, or maximizing than other synthesis gas components. Syngas and / or hydrogen may then be used for a variety of applications including, but not limited to, chemical synthesis processes and / or collection of hydrogen for use as a "clean" fuel.

본원에 사용되는 용어 "전기 효율"("EE")은 연료 전지로의 연료 투입물의 저위 발열량("LHV") 비로 나눈 연료 전지에 의해 생성되는 전기화학적 전력으로서 정의된다. 연료 전지로의 연료 투입물은 애노드로 전달되는 연료뿐만 아니라 연료 전지의 온도를 유지하는데 사용되는 임의의 연료(예컨대, 연료 전지에 수반되는 버너로 전달되는 연료) 둘 다를 포함한다. 이 기재에서, 연료에 의해 생성되는 전력은 LHV(el) 연료 속도 면에서 기재될 수 있다.As used herein, the term " electrical efficiency "(" EE ") is defined as the electrochemical power produced by the fuel cell divided by the low calorific value (" LHV ") ratio of fuel input to the fuel cell. The fuel input to the fuel cell includes both the fuel delivered to the anode, as well as any fuel used to maintain the temperature of the fuel cell (e.g., fuel delivered to the fuel cell). In this description, the power generated by the fuel can be described in terms of the LHV (el) fuel rate.

본원에 사용되는 용어 "전기화학적 전력" 또는 LHV(el)는 연료 전지에서 캐쏘드를 애노드에 연결하고 연료 전지의 전해질을 가로질러 카보네이트 이온을 전달하는 회로에 의해 발생되는 전력이다. 전기화학적 전력은 연료 전지보다 공정상 앞에 또는 뒤에 위치하는 기기에 의해 생성되거나 소비되는 전력을 제외한다. 예를 들면, 연료 전지 배기 가스 스트림에서의 열로부터 생성되는 전류는 전기화학적 전력의 일부로서 간주되지 않는다. 유사하게, 연료 전지보다 공정상 앞에 위치하는 가스 터빈 또는 다른 기기에 의해 발생되는 전력은 발생되는 전기화학적 전력의 일부가 아니다. "전기화학적 전력"은 연료 전지의 작동 동안 소비되는 전력을 고려하지 않거나, 또는 직류의 교류로의 전환에 의해 야기되는 임의의 손실을 고려하지 않는다. 달리 말해, 연료 전지 작동에 공급되거나 또는 달리 연료 전지를 작동시키는데 사용되는 전력은 연료 전지에 의해 생성되는 직류 전력으로부터 빼지 않는다. 본원에 사용되는 전력 밀도는 전압을 곱한 전류 밀도이다. 본원에 사용되는 전류 밀도는 단위 면적당 전류이다. 본원에 사용되는 용어 총 연료 전지 전력은 연료 전지 면적을 곱한 전력 밀도이다.As used herein, the term " electrochemical power "or LHV (el) is the power generated by a circuit in a fuel cell connecting a cathode to an anode and transporting carbonate ions across the electrolyte of the fuel cell. The electrochemical power excludes the power generated or consumed by equipment located in front of or behind the fuel cell. For example, the current generated from heat in the fuel cell exhaust stream is not considered part of the electrochemical power. Similarly, the power generated by a gas turbine or other device located in front of the fuel cell is not part of the generated electrochemical power. "Electrochemical power" does not take into account the power consumed during operation of the fuel cell, or take into account any losses caused by the conversion of the direct current to alternating current. In other words, the power supplied to the fuel cell operation or otherwise used to operate the fuel cell is not subtracted from the DC power generated by the fuel cell. The power density used herein is the current density multiplied by the voltage. The current density used herein is the current per unit area. As used herein, the term total fuel cell power is the power density multiplied by the fuel cell area.

LHV(anode_in)으로서 지칭되는, 본원에 사용되는 용어 "애노드 연료 투입물"은, 애노드 입구 스트림 내의 연료의 양이다. LHV(in)으로서 지칭되는 용어 "연료 투입물"은 애노드 입구 스트립 내의 연료의 양 및 연료 전지의 온도를 유지하는데 사용되는 연료의 양 둘 다를 포함하는, 연료 전지로 전달되는 연료의 총량이다. 연료는 본원에 제공되는 개질가능한 연료의 정의에 기초하여, 개질가능한 연료 및 개질불가능한 연료 둘 다를 포함할 수 있다. 연료 투입물은 연료 이용률과 동일하지 않다.The term "anode fuel input, " as used herein, referred to as LHV (anode_in), is the amount of fuel in the anode inlet stream. The term "fuel input " referred to as LHV (in) is the total amount of fuel delivered to the fuel cell, including both the amount of fuel in the anode inlet strip and the amount of fuel used to maintain the temperature of the fuel cell. The fuel may include both a reformable fuel and a non-reformable fuel based on the definition of the reformable fuel provided herein. Fuel inputs are not the same as fuel utilization.

본원에 사용되는 용어 "총 연료 전지 효율"("TFCE")은 연료 전지에 의해 발생되는 전기화학적 전력과 연료 전지에 의해 생성되는 합성 가스의 LHV의 비를 애노드로의 연료 투입물의 LHV의 비로 나눈 값으로서 정의된다. 달리 말해, TFCE=(LHV(el)+LHV(sg net))/LHV(anode_in)이며, 이 때 LHV(anode_in)은 애노드로 전달되는 연료 성분(예를 들어, H2, CH4 및/또는 CO)의 LHV 비를 가리키고, LHV(sg net)은 애노드에서 합성 가스(H2, CO)가 생성되는 속도를 가리키며, 이는 애노드로의 합성 가스 투입물과 애노드로부터의 합성 가스 산출물의 차이이다. LHV(el)은 연료 전지의 전기화학적 발전을 기재한다. 총 연료 전지 효율은 연료 전지의 외부에서 유리하게 사용되는, 연료 전지에 의해 발생되는 열을 제외시킨다. 작동시, 연료 전지에 의해 발생되는 열은 공정상 뒤에 위치하는 기기에 의해 유리하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 열을 사용하여 추가적인 전기를 발생시키거나 물을 가열할 수 있다. 연료 전지와 별도로 이루어지는 경우 이들 용도는 이 용어가 본원에 사용될 때 총 연료 전지 효율의 일부가 아니다. 총 연료 전지 효율은 연료 전지 작동에만 적용되는 것이고, 발전, 또는 연료 전지보다 공정상 앞 또는 뒤에서의 소비를 포함하지 않는다.As used herein, the term " total fuel cell efficiency "(" TFCE ") means the ratio of the LHV of the syngas produced by the fuel cell to the electrochemical power generated by the fuel cell divided by the ratio of the LHV of the fuel input to the anode Lt; / RTI > In other words, TFCE = (LHV (el) + LHV (sg net)) / LHV (anode_in) where LHV (anode_in) is the fuel component (eg, H 2 , CH 4 and / or CO) and LHV (sg net) indicates the rate at which the synthesis gas (H 2 , CO) is produced at the anode, which is the difference between the synthesis gas input to the anode and the synthesis gas output from the anode. LHV (el) describes the electrochemical evolution of fuel cells. Total fuel cell efficiency excludes heat generated by the fuel cell, which is advantageously used outside the fuel cell. In operation, the heat generated by the fuel cell can be advantageously used by devices located behind the process. For example, heat can be used to generate additional electricity or to heat water. When used separately from the fuel cell, these applications are not part of the total fuel cell efficiency when this term is used herein. Total fuel cell efficiency applies only to fuel cell operation and does not include power generation, or consumption in front of or behind the fuel cell.

본원에 사용되는 용어 "화학적 효율"은 연료 투입물 또는 LHV(in)으로 나눈, 연료 전지의 애노드 배기 가스중 H2 및 CO의 저위 발열량 또는 LHV(sg out)으로서 정의된다. As used herein, the term "chemical efficiency" is defined as the low calorific value or LHV (sg out) of H 2 and CO in the anode exhaust of a fuel cell divided by the fuel input or LHV (in).

본원에 사용되는 용어 "총 연료 전지 생산성"("TFCP")은 투입 연료의 변형으로 인한 단위 시간당 연료 전지 단위 단면적당 생산되는 생성물의 총 에너지값으로서 정의된다. 연료는 산화 반응, 개질 반응 및/또는 수성 가스 전화 반응에서 변형될 수 있다. 생성물의 총 에너지는 임의의 편리한 단위로, 예컨대 1cm2당 mW로 표현될 수 있다. 연료 전지에 의해 생산되는 생성물은 전기화학적 전력, 합성 가스 및/또는 수소, 및 열을 포함할 수 있다. 애노드 입구와 애노드 출구 사이의 온도 차이를 측정함으로써, 생성된 열을 결정할 수 있다. 예로서, 연료 전지의 생산성은 연료 전지 애노드 단면적 1cm2당 mW로서 표현될 수 있다. 연료 전지 작동 조건은 임의적으로는 높은 총 연료 전지 생산성 및 높은 총 연료 전지 효율을 생성시키도록 선택될 수 있다. As used herein, the term "total fuel cell productivity"("TFCP") is defined as the total energy value of a product produced per unit fuel cell unit area per unit time due to deformation of the input fuel. Fuel can be modified in oxidation, reforming and / or water gas-phonetic reactions. The total energy of the product can be expressed in any convenient unit, for example in mW per cm < 2 >. The product produced by the fuel cell may comprise electrochemical power, syngas and / or hydrogen, and heat. By measuring the temperature difference between the anode inlet and the anode outlet, the generated heat can be determined. By way of example, the productivity of a fuel cell can be expressed as mW per 1 cm 2 of fuel cell anode cross-section. The fuel cell operating conditions may optionally be selected to produce high total fuel cell productivity and high total fuel cell efficiency.

본원에 사용되는 용어 "총 개질가능한 연료 생산성"("TRFP")은, 연료 전지 단면적 1단위2당, 애노드로의 개질가능한 연료 투입물의 LHV와 애노드 출구로부터 받아들여지는 개질가능한 연료의 LHV 사이의 차이이다. 애노드 입구 및 출구에서의 개질가능한 연료 사이의 차이는 합성 가스 및/또는 수소로 전환되는 개질가능한 연료의 양에서 궁극적으로는 전기를 생산하는 산화 반응에서 소비되는 새로 생성된 합성 가스 및/또는 수소의 양을 뺀 값과 대략 같을 수 있다. 새롭게 생성된 합성 가스 및/또는 수소는 애노드 또는 연료 전지와 열 통합된 그에 수반되는 개질 스테이지에서 생성된다. 애노드 입구로 제공되는 합성 가스 및/또는 수소는 새로 생성되지 않는다. 연료 전지 작동 조건은 임의적으로는 높은 총 개질가능한 연료 생산성 및 높은 총 연료 전지 효율을 둘 다 생성시키도록 선택될 수 있다. Between herein the term "total reforming possible fuel productivity" as used in ( "TRFP") is a fuel cell cross-section one unit of fuel Accepted is modified possible received from modified LHV and the anode outlet of the available fuel inputs to the second party, the anode LHV Difference. The difference between the reformatable fuel at the anode inlet and the outlet is that the amount of reformatted fuel converted to syngas and / or hydrogen ultimately leads to the production of freshly produced syngas and / or hydrogen Can be approximately equal to the subtracted amount. The freshly produced syngas and / or hydrogen are produced in the subsequent reforming stage which is thermally integrated with the anode or fuel cell. Syngas and / or hydrogen provided to the anode inlet are not freshly produced. The fuel cell operating conditions may be selected to produce both high total modifiable fuel productivity and high total fuel cell efficiency.

몇몇 양태에서, 연료 전지의 작동은 전기 효율에 기초하여 특징화될 수 있다. 연료 전지가 낮은 전기 효율(EE)을 갖도록 작동되는 경우, 고체 산화물 연료 전지는 약 50% 이하, 예를 들어 약 45% 이하, 약 40% 이하, 약 35% 이하, 또는 약 30% 이하, 약 25% 이하, 약 20% 이하, 약 15% 이하, 또는 약 10% 이하의 전기 효율을 갖도록 작동될 수 있다. 추가로 또는 다르게는, EE는 약 5% 이상, 또는 약 10% 이상, 또는 약 15% 이상, 약 20% 이상, 약 25% 이상, 또는 약 30% 이상일 수 있다. 또한, 추가로 또는 다르게는, 연료 전지의 작동은 연료 전지(들)의 합쳐진 전기 효율과 화학적 효율 같은 총 연료 전지 효율(TFCE)에 기초하여 특징화될 수 있다. 연료 전지가 높은 총 연료 전지 효율을 갖도록 작동되는 경우, 고체 산화물 연료 전지는 약 55% 이상, 예를 들어 약 60% 이상, 또는 약 65% 이상, 또는 약 70% 이상, 또는 약 75% 이상, 또는 약 80% 이상, 또는 약 85% 이상의 TFCE(및/또는 합쳐진 전기 효율과 화학적 효율)를 갖도록 작동될 수 있다. 총 연료 전지 효율 및/또는 합쳐진 전기 효율과 화학적 효율에 있어서, 연료 전지에 의해 발생되는 과량의 열의 사용으로부터 발생되는 임의의 추가적인 전기는 효율 계산에서 제외될 수 있음에 주목한다.In some embodiments, the operation of the fuel cell can be characterized based on electrical efficiency. When the fuel cell is operated to have a low electrical efficiency (EE), the solid oxide fuel cell may have a power of about 50% or less, such as about 45% or less, about 40% or less, about 35% 25% or less, about 20% or less, about 15% or less, or about 10% or less. Additionally or alternatively, EE may be about 5% or more, or about 10% or more, or about 15% or more, about 20% or more, about 25% or more, or about 30% or more. Additionally or alternatively, the operation of the fuel cell can be characterized based on the total fuel cell efficiency (TFCE) such as the combined electrical efficiency and chemical efficiency of the fuel cell (s). When the fuel cell is operated to have a high total fuel cell efficiency, the solid oxide fuel cell has a power of at least about 55%, such as at least about 60%, or at least about 65%, or at least about 70%, or at least about 75% Or about 80% or more, or about 85% or more TFCE (and / or combined electrical and chemical efficiencies). It should be noted that for total fuel cell efficiency and / or combined electrical efficiency and chemical efficiency, any additional electricity resulting from the use of excess heat generated by the fuel cell may be excluded from the efficiency calculation.

본 발명의 다양한 양태에서, 연료 전지의 작동은 약 50% 이하의 목적하는 전기 효율 및 55% 이상의 목적하는 총 연료 전지 효율에 기초하여 특징화될 수 있다. 연료 전지가 목적하는 전기 효율 및 목적하는 총 연료 전지 효율을 갖도록 작동되는 경우, 고체 산화물 연료 전지는 약 55% 이상의 TFCE와 50% 이하의 전기 효율, 예를 들어 약 60% 이상의 TFCE와 약 40% 이하의 EE, 약 65% 이상의 TFCE와 약 35% 이하의 EE, 약 70% 이상의 TFCE와 약 30% 이하의 EE, 약 75% 이상의 TFCE와 약 20% 이하의 EE, 또는 약 80% 이상의 TFCE와 약 15% 이하의 EE, 또는 약 85% 이상의 TFCE와 약 10% 이하의 EE를 갖도록 작동될 수 있다. In various aspects of the invention, the operation of the fuel cell may be characterized based on a desired electrical efficiency of about 50% or less and a desired total fuel cell efficiency of 55% or more. When the fuel cell is operated to have the desired electrical efficiency and the desired total fuel cell efficiency, the solid oxide fuel cell has a TFCE of about 55% or more and an electrical efficiency of 50% or less, such as about 60% or more TFCE and about 40% Less than about 65% TFCE and less than about 35% EE, less than about 70% TFCE and less than about 30% EE, less than about 75% TFCE and less than about 20% EE, or greater than about 80% TFCE About 15% or less EE, or about 85% or more TFCE and about 10% or less EE.

본 발명의 다양한 양태에서, 연료 전지의 작동은 약 150mW/cm2 이상의 목적하는 총 연료 전지 생산성("TFCP") 및 55% 이상의 목적하는 총 연료 전지 효율에 기초하여 특징화될 수 있다. 연료 전지가 약 150mW/cm2의 목적하는 TFCP 및 목적하는 총 연료 전지 효율을 갖도록 작동되는 경우, 고체 산화물 연료 전지는 약 55% 이상, 예를 들어 약 60% 이상, 약 65% 이상, 약 70% 이상, 또는 약 75% 이상, 또는 약 80% 이상, 또는 약 85% 이상의 TFCE를 갖도록 작동될 수 있다. 연료 전지가 55% 이상의 목적하는 총 연료 전지 효율을 갖도록 작동되는 경우, 고체 산화물 연료 전지는 약 150mW/cm2 이상, 또는 약 200mW/cm2 이상, 또는 약 250mW/cm2 이상, 또는 약 300mW/cm2 이상, 또는 약 350mW/cm2 이상의 TFCP를 갖도록 작동될 수 있다. 이러한 양태에서, TFCP는 약 800mW/cm2 이하, 또는 약 700mW/cm2 이하, 또는 약 600mW/cm2 이하, 또는 약 500mW/cm2 이하, 또는 약 400mW/cm2 이하일 수 있다. In various aspects of the present invention, the operation of the fuel cell can be characterized based on the desired total fuel cell productivity ("TFCP") above about 150 mW / cm 2 and the desired total fuel cell efficiency above 55%. When the fuel cell is operated to have a desired TFCP of about 150 mW / cm < 2 > and the desired total fuel cell efficiency, the solid oxide fuel cell has about 55% or more, such as about 60% Or more, or about 75% or more, or about 80% or more, or about 85% or more TFCE. When the operation so as to have a total of the fuel cell efficiency that the fuel cell is at least 55% purpose, solid oxide fuel cells is about 150mW / cm 2 or more, or from about 200mW / cm 2 or more, or from about 250mW / cm 2 or more, or from about 300mW / cm < 2 >, or greater than about 350 mW / cm < 2 > In this embodiment, TFCP may be up to about 800mW / cm 2 or less, or from about 700mW / cm 2 or less, or from about 600mW / cm 2 or less, or from about 500mW / cm 2 or less, or from about 400mW / cm 2.

본 발명의 다양한 양태에서, 연료 전지의 작동은 약 75mW/cm2 이상의 목적하는 총 개질가능한 연료 생산성 및 55% 이상의 목적하는 총 연료 전지 효율에 기초하여 특징화될 수 있다. 연료 전지가 약 75mW/cm2보다 높은 목적하는 개질가능한 연료 생산성 및 목적하는 총 연료 전지 효율을 갖도록 작동되는 경우, 고체 산화물 연료 전지는 약 55% 이상, 예를 들어 약 60% 이상, 약 65% 이상, 약 70% 이상, 또는 약 75% 이상, 또는 약 80% 이상, 또는 약 85% 이상, 또는 약 90% 이상의 TFCE를 갖도록 작동될 수 있다. 연료 전지가 55% 이상의 목적하는 총 연료 전지 효율을 갖도록 작동되는 경우, 고체 산화물 연료 전지는 약 75mW/cm2 이상, 또는 약 100mW/cm2 이상, 또는 약 125mW/cm2 이상, 또는 약 150mW/cm2 이상, 또는 약 175mW/cm2 이상, 또는 약 200mW/cm2 이상, 또는 약 300mW/cm2 이상의 개질가능한 연료 생산성을 갖도록 작동될 수 있다. 이러한 양태에서, 개질가능한 연료 생산성은 약 600mW/cm2 이하, 또는 약 500mW/cm2 이하, 또는 약 400mW/cm2 이하, 또는 약 300mW/cm2 이하, 또는 약 200mW/cm2 이하일 수 있다. In various embodiments of the present invention, the operation of the fuel cell can be characterized based on a desired total reformable fuel productivity of at least about 75 mW / cm 2 and a desired total fuel cell efficiency of at least 55%. When the fuel cell is operated to have a desired modifiable fuel productivity of greater than about 75 mW / cm < 2 > and the desired total fuel cell efficiency, the solid oxide fuel cell has a fuel cell efficiency of at least about 55%, such as at least about 60% , About 70% or more, or about 75% or more, or about 80% or more, or about 85% or more, or about 90% or more of the TFCE. When the operation so as to have a total of the fuel cell efficiency that the fuel cell is at least 55% purpose, solid oxide fuel cells is about 75mW / cm 2 or more, or from about 100mW / cm 2 or more, or from about 125mW / cm 2 or more, or from about 150mW / cm 2 or more, or from about 175mW / cm 2 or more, or from about 200mW / cm 2 to have the, or at least about 300mW / cm 2 or more modified possible fuel productivity can be operated. In this embodiment, the reforming possible fuel productivity can be up to about 600mW / cm 2 or less, or from about 500mW / cm 2 or less, or from about 400mW / cm 2 or less, or from about 300mW / cm 2 or less, or from about 200mW / cm 2.

다양한 방식으로, 목적하는 전기 효율, 화학적 효율, 및/또는 총 연료 전지 효율을 갖도록 고체 산화물 연료 전지를 작동시킬 수 있다. 몇몇 양태에서는, 전기를 발생시키기 위한 애노드에서의 수소의 산화 양에 비해 연료 전지 내에서(및/또는 연료 전지 어셈블리에 수반되는 개질 스테이지 내에서) 수행되는 개질 양을 증가시킴으로써, 고체 산화물 연료 전지의 화학적 효율을 증가시킬 수 있다. 통상적으로, 고체 산화물 연료 전지는 전체 시스템 온도를 유지하는데 적합한 열 균형을 유지하면서, 소비되는 연료의 양에 비해 발전 효율을 최대화하도록 작동되었다. 이러한 유형의 작동 조건에서는, 전기 산출에 바람직한(즉, 높은) 전압에서 전기 효율을 최대화하고 연료 전지 내에서 열 균형을 유지하기 위하여, 약 70% 내지 약 85%의 애노드에서의 연료 이용률이 바람직하다. 높은 연료 이용률 값에서는, 적당한 양의 수소(또는 합성 가스)만이 합성 가스 형성을 위해 애노드 배기 가스에 잔류한다. 예를 들어, 약 75%의 연료 이용률에서는, 애노드에 들어가는 연료의 약 25%가 합성 가스 및/또는 미반응 연료의 조합으로서 나갈 수 있다. 적당한 양의 수소 또는 합성 가스는, 전형적으로 애노드 산화 반응을 용이하게 하기에 충분한 수소 농도를 애노드에서 유지시키고 반응물 및/또는 입구 스트림을 적절한 연료 전지 작동 온도까지 가열하기에 충분한 연료를 제공하는데 충분할 수 있다. In a variety of ways, the solid oxide fuel cell can be operated to have the desired electrical efficiency, chemical efficiency, and / or total fuel cell efficiency. In some embodiments, by increasing the amount of modification carried out in the fuel cell (and / or in the reforming stage followed by the fuel cell assembly) relative to the amount of oxidation of hydrogen in the anode to generate electricity, Chemical efficiency can be increased. Conventionally, solid oxide fuel cells have been operated to maximize power generation efficiency relative to the amount of fuel consumed while maintaining a thermal balance that is adequate to maintain the overall system temperature. In this type of operating condition, the fuel utilization rate at the anode of about 70% to about 85% is desirable to maximize the electrical efficiency at a desirable (i.e., high) voltage for electricity delivery and to maintain thermal balance within the fuel cell . At high fuel utilization values, only a modest amount of hydrogen (or syngas) remains in the anode exhaust for synthesis gas formation. For example, at a fuel utilization rate of about 75%, about 25% of the fuel entering the anode may exit as a combination of syngas and / or unreacted fuel. A suitable amount of hydrogen or syngas can typically be sufficient to maintain enough hydrogen concentration at the anode to facilitate the anode oxidation reaction and sufficient fuel to heat the reactant and / or inlet stream to the proper fuel cell operating temperature have.

이 종래의 작동과는 대조적으로, 고체 산화물 연료 전지는 낮은 연료 이용률 및 더 높은 연료 유속에서 애노드 배기 가스로부터 애노드 입구로 연료를 거의 또는 전혀 재순환시키지 않으면서 작동될 수 있다. 애노드 입구로의 연료 재순환을 감소시키거나 최소화하면서 낮은 연료 이용률에서 작동시킴으로써, 애노드 배기 가스 중에 더욱 다량의 H2 및/또는 CO를 입수할 수 있다. 이 과량의 H2 및 CO를 합성 가스 생성물 및/또는 수소 생성물로서 회수할 수 있다. 다양한 양태에서, 연료 전지의 연료 이용률은 약 5% 이상, 예컨대 약 10% 이상 또는 약 15% 이상, 또는 약 20% 이상일 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 낮은 연료 이용률 양태에서, 연료 이용률은 약 60% 이하, 또는 약 50% 이하, 또는 약 40% 이하일 수 있다. In contrast to this conventional operation, the solid oxide fuel cell can be operated with little or no recirculation of fuel from the anode exhaust to the anode inlet at low fuel utilization and higher fuel flow rates. By operating at a low fuel utilization rate while reducing or minimizing fuel recirculation to the anode inlet, a greater amount of H 2 and / or CO can be obtained in the anode exhaust gas. This excess of H 2 and CO can be recovered as syngas product and / or hydrogen product. In various embodiments, the fuel utilization of the fuel cell may be at least about 5%, such as at least about 10% or at least about 15%, or at least about 20%. Additionally or alternatively, in a low fuel utilization aspect, the fuel utilization rate may be less than or equal to about 60%, or less than or equal to about 50%, or less than or equal to about 40%.

연료 전지의 화학적 효율을 증가시키기 위한 한 옵션은 연료 전지에 전달되는 연료의 개질가능한 수소 함량을 증가시키는 것일 수 있다. 예를 들어, 애노드 및/또는 애노드에 수반되는 개질 스테이지에 전달되는 투입 스트림중 개질가능한 연료의 개질가능한 수소 함량은 애노드에서 반응되는 수소의 순 양보다 약 50% 이상, 예컨대 약 75% 이상, 또는 약 100% 이상 더 많을 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 애노드 및/또는 애노드에 수반되는 개질 스테이지에 전달되는 투입 스트림중 연료의 개질가능한 수소 함량은 애노드에서 반응하는 수소의 순 양보다 약 50% 이상, 예를 들어 약 75% 이상, 또는 약 100% 이상 더 많을 수 있다. 다양한 양태에서, 애노드에서 반응하는 수소의 양에 대한 연료 스트림중 개질가능한 연료의 개질가능한 수소 함량의 비는 약 1.5:1 이상, 또는 약 2.0:1 이상, 또는 약 2.5:1 이상, 또는 약 3.0:1 이상일 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 애노드에서 반응하는 수소의 양에 대한 연료 스트림중 개질가능한 연료의 개질가능한 수소 함량의 비는 약 20:1 이하, 예컨대 약 15:1 이하 또는 약 10:1 이하일 수 있다. 하나의 양태에서는, 애노드 입구 스트림중 개질가능한 수소 함량의 100% 미만이 수소로 전환될 수 있는 것으로 생각된다. 예를 들면, 애노드 입구 스트림중 개질가능한 수소 함량의 약 80% 이상, 예컨대 약 85% 이상, 또는 약 90% 이상이 애노드 및/또는 수반되는 개질 스테이지(들)에서 수소로 전환될 수 있다. One option to increase the chemical efficiency of the fuel cell may be to increase the reformable hydrogen content of the fuel delivered to the fuel cell. For example, the modifiable hydrogen content of the reformable fuel in the feed stream delivered to the reforming stage that accompanies the anode and / or anode is at least about 50%, such as at least about 75% greater than the net amount of hydrogen reacted at the anode, or It can be more than about 100% more. Additionally or alternatively, the reformable hydrogen content of the fuel in the feed stream delivered to the reforming stage followed by the anode and / or anode may be at least about 50%, such as at least about 75% greater than the net amount of hydrogen reacting at the anode , Or about 100% or more. In various embodiments, the ratio of the modifiable hydrogen content of the reformable fuel to the amount of hydrogen reacting at the anode is at least about 1.5: 1, or at least about 2.0: 1, or at least about 2.5: 1, : It can be more than 1. Additionally or alternatively, the ratio of the modifiable hydrogen content of the reformable fuel to the amount of hydrogen reacting at the anode may be about 20: 1 or less, such as about 15: 1 or less, or about 10: 1 or less. In one embodiment, it is believed that less than 100% of the reformable hydrogen content in the anode inlet stream can be converted to hydrogen. For example, at least about 80%, such as at least about 85%, or at least about 90%, of the reformable hydrogen content in the anode inlet stream can be converted to hydrogen in the anode and / or the modified stage (s) involved.

수소 또는 합성 가스는 화학적 에너지 산출물로서 애노드 배기 가스로부터 회수될 수 있다. 수소는 연소될 때 온실 가스를 발생시키지 않으면서 청정 연료로서 사용될 수 있다. 또한, 수소는 다양한 정련 공정 및/또는 다른 합성 공정에 중요한 투입물일 수 있다. 합성 가스도 다양한 공정에 중요한 투입물일 수 있다. 열량값을 갖는데 덧붙여, 합성 가스는 예컨대 피셔-트롭쉬 합성 및/또는 메탄올 합성 공정을 위한 투입물로서 합성 가스를 사용함으로써 다른 더 높은 가치의 생성물을 생성시키기 위한 공급원료로서 사용될 수 있다. Hydrogen or syngas can be recovered from the anode exhaust as a chemical energy output. Hydrogen can be used as a clean fuel without generating greenhouse gases when burned. In addition, hydrogen can be an important input to a variety of refining processes and / or other synthetic processes. Syngas can also be an important input to various processes. In addition to having calorific values, syngas can be used as feedstock to produce other higher value products by using syngas as an input, for example, for Fischer-Tropsch synthesis and / or methanol synthesis processes.

다양한 양태에서, 애노드 배기 가스는 약 1.5:1 내지 약 10:1, 예컨대 약 3.0:1 이상, 또는 약 4.0:1 이상, 또는 약 5.0:1 이상, 및/또는 약 8.0:1 이하 또는 약 6.0:1 이하의 H2 대 CO 비를 가질 수 있다. 애노드 배기 가스로부터 합성 가스 스트림을 회수할 수 있다. 다양한 양태에서, 애노드 배기 가스로부터 회수된 합성 가스 스트림은 약 0.9:1 이상, 예를 들어 약 1.0:1 이상, 또는 약 1.2:1 이상, 또는 약 1.5:1 이상, 또는 약 1.7:1 이상, 또는 약 1.8:1 이상, 또는 약 1.9:1 이상의 H2의 몰 대 CO의 몰의 비를 가질 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 애노드 배기 가스로부터 회수되는 합성 가스중 H2 대 CO의 몰비는 약 3.0:1 이하, 예컨대 약 2.7:1 이하, 또는 약 2.5:1 이하, 또는 약 2.3:1 이하, 또는 약 2.2:1 이하, 또는 약 2.1:1 이하일 수 있다. 그러나, 많은 유형의 합성 가스 용도가 약 1.5:1 내지 약 2.5:1의 H2 대 CO의 몰비를 갖는 합성 가스를 유리하게 사용하고, 따라서 예컨대 약 1.7:1 내지 약 2.3:1의 H2 대 CO 함량의 몰비를 갖는 합성 가스 스트림을 형성시키는 것이 몇몇 용도에 바람직할 수 있다. In various embodiments, the anode exhaust gas may be from about 1.5: 1 to about 10: 1, such as about 3.0: 1 or more, or about 4.0: 1 or more, or about 5.0: 1 or more, and / or about 8.0: : Can have an H 2 to CO ratio of 1 or less. The syngas stream can be recovered from the anode exhaust gas. In various embodiments, the syngas stream recovered from the anode exhaust gas may be at least about 0.9: 1, such as at least about 1.0: 1, or at least about 1.2: 1, or at least about 1.5: or about 1.8: can have a molar ratio of moles of CO for one or more H 2: 1, or at least about 1.9. Additionally or alternatively, the molar ratio of H 2 to CO in the syngas recovered from the anode exhaust may be about 3.0: 1 or less, such as about 2.7: 1 or less, or about 2.5: 1 or less, or about 2.3: About 2.2: 1 or less, or about 2.1: 1 or less. However, many types of syngas applications advantageously utilize syngas having a molar ratio of H 2 to CO of from about 1.5: 1 to about 2.5: 1, and thus, for example, from about 1.7: 1 to about 2.3: 1 H 2 It may be desirable for some applications to form a syngas stream having a molar ratio of CO content.

임의의 편리한 방법에 의해 합성 가스를 애노드 배기 가스로부터 회수할 수 있다. 몇몇 양태에서는, 애노드 배기 가스 상에서 분리를 수행하여 H2 및 CO가 아닌 애노드 배기 가스중의 성분의 적어도 일부를 제거함으로써, 합성 가스를 애노드 배기 가스로부터 회수할 수 있다. 예를 들면, 애노드 배기 가스를 먼저 임의적인 수성 가스 전화 스테이지를 통과시켜 H2와 CO의 상대적인 양을 조정할 수 있다. 이어서, 하나 이상의 분리 스테이지를 이용하여 애노드 배기 가스로부터 H2O 및/또는 CO2를 제거할 수 있다. 이어서, 애노드 배기 가스의 나머지 부분은 합성 가스 스트림에 상응하고, 이를 임의의 편리한 방식으로 사용하기 위해 회수할 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 회수된 합성 가스 스트림을 하나 이상의 수성 가스 전화 스테이지를 통과시키고/시키거나 하나 이상의 분리 스테이지를 통과시킬 수 있다. The synthesis gas can be recovered from the anode exhaust gas by any convenient method. In some embodiments, the syngas can be recovered from the anode exhaust gas by performing separation on the anode exhaust gas to remove at least some of the components in the anode exhaust gas other than H 2 and CO. For example, the anode exhaust gas may first be passed through an optional water gas telephone stage to adjust the relative amounts of H 2 and CO. One or more separation stages may then be used to remove H 2 O and / or CO 2 from the anode exhaust gas. The remaining portion of the anode exhaust gas then corresponds to a syngas stream, which can be recovered for use in any convenient manner. Additionally or alternatively, the recovered syngas stream may be passed through one or more water gas telephone stages and / or passed through one or more separation stages.

회수되는 합성 가스중 H2 대 CO의 몰비를 변경시키는 추가적인 또는 다른 방법이 예를 들어 막 분리를 수행함으로써 애노드 배기 가스 및/또는 합성 가스로부터 H2 스트림을 분리하는 것일 수 있음에 주목한다. 별도의 H2 산출 스트림을 형성하기 위한 이러한 분리는, 예를 들어 애노드 배기 가스를 수성 가스 전화 반응 스테이지를 통과시키기 전 및/또는 후, 및 애노드 배기 가스를 H2 및 CO가 아닌 애노드 배기 가스중의 성분을 제거하기 위한 하나 이상의 분리 스테이지를 통과시키기 전 및/또는 후 같은 임의의 편리한 위치에서 수행될 수 있다. 임의적으로는, 애노드 배기 가스로부터 H2 스트림을 분리하기 전 및 후에 수성 가스 전화 스테이지를 이용할 수 있다. 추가적인 또는 다른 실시양태에서는, 회수된 합성 가스 스트림으로부터 H2를 임의적으로 분리할 수 있다. 일부 양태에서, 분리된 H2 스트림은 약 90부피% 이상의 H2, 예컨대 약 95부피% 이상의 H2, 또는 약 99부피% 이상의 H2를 함유하는 H2 스트림 같은 고순도 H2 스트림에 상응할 수 있다. Note that additional or other ways of changing the molar ratio of H 2 to CO in the syngas recovered may be to separate the H 2 stream from the anode exhaust gas and / or the synthesis gas, for example, by performing a membrane separation. Of this separation to form an additional H 2 output streams, e.g., the anode exhaust gas the water gas to pass through the reaction stages before and / or after, and the anode exhaust gas to anode exhaust gas non-H 2 and CO Such as before and / or after passing the one or more separation stages for removing the components of the substrate. Optionally, a water gas telephone stage may be used before and after the H 2 stream is separated from the anode exhaust gas. In additional or alternative embodiments, H 2 may be optionally separated from the recovered syngas stream. In some embodiments, separating the H 2 stream is about 90% by volume or more of H 2, for example about 95% by volume or more of H 2, or about 99 can correspond to high purity H 2 stream, such as H 2 stream containing vol% or more H 2 have.

본원에 기재되는 연료 전지 작동 전략에 추가적으로, 보충하여 및/또는 대안으로, 고체 산화물 연료 전지(예컨대, 연료 전지 어셈블리)는 연료 전지의 애노드에서 반응하는 수소의 양에 비해 과량의 개질가능한 연료를 사용하여 작동될 수 있다. 연료 전지의 전기 효율을 개선하거나 최대화하기 위해 연료 전지의 작동 조건을 선택하는 대신에, 과량의 개질가능한 연료를 연료 전지의 애노드 내로 통과시켜 연료 전지의 화학적 에너지 산출물을 증가시킬 수 있다. 임의적으로, 그러나 바람직하게는, 이는 연료 전지의 전기 효율과 화학적 효율의 합에 기초하는 연료 전지의 총 효율을 증가시킬 수 있다. In addition to, and / or as an alternative to, the fuel cell operating strategy described herein, a solid oxide fuel cell (e.g., a fuel cell assembly) uses an excess amount of reformable fuel relative to the amount of hydrogen that reacts at the anode of the fuel cell . Instead of selecting operating conditions of the fuel cell to improve or maximize the electrical efficiency of the fuel cell, an excess of the reformable fuel may be passed into the anode of the fuel cell to increase the chemical energy output of the fuel cell. Optionally, but preferably, it can increase the total efficiency of the fuel cell based on the sum of the electrical efficiency and the chemical efficiency of the fuel cell.

일부 양태에서, 애노드 및/또는 애노드에 수반되는 개질 스테이지로 전달되는 투입 스트림중 개질가능한 연료의 개질가능한 수소 함량은 애노드에서 산화되는 수소의 순 양보다 약 50% 이상, 예를 들어 약 75% 이상, 또는 약 100% 이상 더 많을 수 있다. 다양한 양태에서, 애노드에서 반응하는 수소의 양에 대한 연료 스트림중 개질가능한 연료의 개질가능한 수소 함량의 비는 약 1.5:1 이상, 또는 약 2.0:1 이상, 또는 약 2.5:1 이상, 또는 약 3.0:1 이상일 수 있다. 또한 또는 다르게는, 애노드에서 반응하는 수소의 양에 대한 연료 스트림중 개질가능한 연료의 개질가능한 수소 함량의 비는 약 20:1 이하, 예를 들어 약 15:1 이하 또는 약 10:1 이하일 수 있다. 하나의 양태에서는, 애노드 입구 스트림중 개질가능한 수소 함량의 100% 미만이 수소로 전환될 수 있는 것으로 생각된다. 예를 들어, 애노드 입구 스트림중 개질가능한 수소 함량의 약 80% 이상, 예를 들어 약 85% 이상, 또는 약 90% 이상이 애노드 및/또는 그에 수반되는 개질 스테이지에서 수소로 전환될 수 있다. In some embodiments, the modifiable hydrogen content of the reformable fuel in the feed stream delivered to the reforming stage followed by the anode and / or anode is at least about 50%, such as at least about 75% greater than the net amount of hydrogen oxidized at the anode , Or about 100% or more. In various embodiments, the ratio of the modifiable hydrogen content of the reformable fuel to the amount of hydrogen reacting at the anode is at least about 1.5: 1, or at least about 2.0: 1, or at least about 2.5: 1, : It can be more than 1. Alternatively or in addition, the ratio of the reformable fuel's hydrogen content in the fuel stream to the amount of hydrogen reacting at the anode may be up to about 20: 1, for example up to about 15: 1 or up to about 10: 1 . In one embodiment, it is believed that less than 100% of the reformable hydrogen content in the anode inlet stream can be converted to hydrogen. For example, at least about 80%, such as at least about 85%, or at least about 90%, of the reformable hydrogen content in the anode inlet stream can be converted to hydrogen in the anode and / or its associated reforming stage.

추가로 또는 다르게는, 애노드로 전달되는 개질가능한 연료의 양은 애노드에서 산화되는 수소의 저위 발열량(LHV)에 대한 개질가능한 연료의 LHV에 기초하여 특징화될 수 있다. 이는 개질가능한 연료 과잉 비로 일컬어질 수 있다. 이러한 대안에서, 개질가능한 연료 과잉 비는 약 2.0 이상, 예를 들어 약 2.5 이상, 또는 약 3.0 이상, 또는 약 4.0 이상일 수 있다. 또한 또는 다르게는, 개질가능한 연료 과잉 비는 약 25.0 이하, 예를 들어 약 20.0 이하, 또는 약 15.0 이하, 또는 약 10.0 이하일 수 있다. Additionally or alternatively, the amount of reformable fuel delivered to the anode can be characterized based on the LHV of the reformable fuel relative to the lower calorific value (LHV) of the hydrogen oxidized at the anode. This can be referred to as a fuelable excess fuel ratio. In this alternative, the fuelable excess fuel ratio may be greater than or equal to about 2.0, such as greater than or equal to about 2.5, or greater than or equal to about 3.0, or greater than or equal to about 4.0. Additionally or alternatively, the fuelable excess fuel ratio can be about 25.0 or less, such as about 20.0 or less, or about 15.0 or less, or about 10.0 or less.

본 발명의 다양한 양태에서, 연료 전지의 작동은 약 150mW/cm2 이상의 목적하는 총 연료 전지 생산성("TFCP") 및 목적하는 개질가능한 연료 과잉 비에 기초하여 특징화될 수 있다. 예를 들어, 고체 산화물 연료 전지는 약 150mW/cm2 이상의 TFCP 및 약 2.0 이상, 예컨대 약 2.5 이상, 또는 약 3.0 이상, 또는 약 4.0 이상의 개질가능한 연료 과잉 비를 갖도록 작동될 수 있다. 추가로 또는 다르게는, TFCP는 약 150mW/cm2 이상일 수 있고, 개질가능한 연료 과잉 비는 약 25.0 이하, 예컨대 약 20.0 이하, 또는 약 15.0 이하, 또는 약 10.0 이하일 수 있다. 연료 전지가 약 2.0 이상의 개질가능한 연료 과잉 비를 갖도록 작동되는 경우, 고체 산화물 연료 전지는 약 150mW/cm2 이상, 또는 약 200mW/cm2 이상, 또는 약 250mW/cm2 이상, 또는 약 300mW/cm2 이상, 또는 약 350mW/cm2 이상의 TFCP를 갖도록 작동될 수 있다. 이러한 양태에서, TFCP는 약 800mW/cm2 이하, 또는 약 700mW/cm2 이하, 또는 약 600mW/cm2 이하, 또는 약 500mW/cm2 이하, 또는 약 400mW/cm2 이하일 수 있다. In various embodiments of the present invention, the operation of the fuel cell may be characterized based on the desired total fuel cell productivity ("TFCP") of greater than about 150 mW / cm 2 and the desired modifiable fuel excess ratio. For example, a solid oxide fuel cell can be operated to have a TFCP of about 150 mW / cm 2 or more and a reformable fuel overage ratio of about 2.0 or more, such as about 2.5 or more, or about 3.0 or more, or about 4.0 or more. Additionally or alternatively, the TFCP may be greater than or equal to about 150 mW / cm 2 , and the reformable fuel excess ratio may be less than or equal to about 25.0, such as less than or equal to about 20.0, or less than or equal to about 15.0, or less than or equal to about 10.0. When the fuel cell is operated so as to have a modified possible fuel rich ratio of at least about 2.0, a solid oxide fuel cell is from about 150mW / cm 2 or more, or from about 200mW / cm 2 or more, or from about 250mW / cm 2 or more, or from about 300mW / cm 2 , or greater than about 350 mW / cm < 2 >. In this embodiment, TFCP may be up to about 800mW / cm 2 or less, or from about 700mW / cm 2 or less, or from about 600mW / cm 2 or less, or from about 500mW / cm 2 or less, or from about 400mW / cm 2.

본 발명의 다양한 양태에서, 연료 전지의 작동은 약 75mW/cm2 이상의 목적하는 총 개질가능한 연료 생산성 및 목적하는 개질가능한 연료 과잉 비에 기초하여 특징화될 수 있다. 일부 양태에서, 연료 전지는 약 75mW/cm2 이상의 목적하는 개질가능한 연료 생산성 및 약 2.0 이상, 예를 들어 약 2.5 이상, 또는 약 3.0 이상, 또는 약 4.0 이상의 개질가능한 연료 과잉 비를 갖도록 작동될 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 총 개질가능한 연료 생산성은 약 75mW/cm2보다 높을 수 있고, 개질가능한 연료 과잉 비는 약 25.0 이하, 예를 들어 약 20.0 이하, 또는 약 15.0 이하, 또는 약 10.0 이하일 수 있다. 연료 전지가 약 2.0 이상의 개질가능한 연료 과잉 비를 갖도록 작동되는 경우, 고체 산화물 연료 전지는 약 75mW/cm2 이상, 또는 약 100mW/cm2 이상, 또는 약 125mW/cm2 이상, 또는 약 150mW/cm2 이상, 또는 약 175mW/cm2 이상, 또는 약 200mW/cm2 이상, 또는 약 300mW/cm2 이상의 개질가능한 연료 생산성을 갖도록 작동될 수 있다. 이러한 양태에서, 개질가능한 연료 생산성은 약 600mW/cm2 이하, 또는 약 500mW/cm2 이하, 또는 약 400mW/cm2 이하, 또는 약 300mW/cm2 이하, 또는 약 200mW/cm2 이하일 수 있다. In various embodiments of the present invention, the operation of the fuel cell may be characterized based on the desired total reformable fuel productivity and the desired modifiable fuel excess ratio above about 75 mW / cm 2 . In some embodiments, the fuel cell can be operated to have a desired reformable fuel productivity of at least about 75 mW / cm 2 and a reformable fuel overage of about 2.0 or more, such as about 2.5 or more, or about 3.0 or more, have. Additionally or alternatively, the total reformable fuel productivity may be greater than about 75 mW / cm 2 and the modifiable fuel excess ratio may be less than or equal to about 25.0, such as less than or equal to about 20.0, or less than or equal to about 15.0, or less than or equal to about 10.0 . When the fuel cell is operated so as to have a modified possible fuel rich ratio of at least about 2.0, a solid oxide fuel cell is approximately 75mW / cm 2 or more, or from about 100mW / cm 2 or more, or from about 125mW / cm 2 or more, or from about 150mW / cm at least 2, or from about 175mW / cm 2 or more, or from about 200mW / cm 2 to have the, or at least about 300mW / cm 2, the fuel reforming possible productivity than may be enabled. In this embodiment, the reforming possible fuel productivity can be up to about 600mW / cm 2 or less, or from about 500mW / cm 2 or less, or from about 400mW / cm 2 or less, or from about 300mW / cm 2 or less, or from about 200mW / cm 2.

본원에 기재되는 연료 전지 작동 전략에 추가적으로, 보충하여 및/또는 대안으로, 고체 산화물 연료 전지는 연료 전지에 있어서 목적하는 온도 비를 획득하기 위하여 산화량에 대한 개질량을 선택할 수 있도록 작동될 수 있다. 본원에 사용되는 "온도 비"는 연료 전지 어셈블리 내에서 이루어지는 개질 반응의 흡열성 열 수요로 나눈, 연료 전지 어셈블리에서의 발열 반응에 의해 생성되는 열로서 정의된다. 수학적으로 표현하면, 온도 비(TH)=QEX/QEN이다. 여기에서, QEX는 발열 반응에 의해 생성되는 열의 합이고, QEN은 연료 전지 내에서 이루어지는 흡열 반응에 의해 소비되는 열의 합이다. 발열 반응에 의해 생성되는 열이 전지 내에서의 개질 반응, 수성 가스 전화 반응 및 전기화학적 반응으로 인한 임의의 열에 상응함에 주목한다. 전기화학적 반응에 의해 발생되는 열은 전해질을 가로지르는 연료 전지 반응의 이상적인 전기화학적 포텐셜에서 연료 전지의 실제 산출 전압을 뺀 것에 기초하여 계산될 수 있다. 예를 들어, SOFC에서의 반응의 이상적인 전기화학적 포텐셜은 전지에서 이루어지는 순 반응에 기초하여 약 1.04V인 것으로 생각된다. SOFC의 작동 동안, 전지는 전형적으로 다양한 손실로 인해 1.1V 미만의 산출 전압을 갖는다. 예를 들어, 통상적인 산출/작동 전압은 약 0.65V, 또는 약 0.7V, 또는 약 0.75V, 또는 약 0.8V일 수 있다. 발생되는 열은 [전지의 전기화학적 포텐셜(예컨대, 약 1.04V)-작동 전압]과 같다. 예를 들어, 전지에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 열은 산출 전압이 약 0.7V일 때 약 0.34V이다. 그러므로, 이 시나리오에서, 전기화학적 반응은 약 0.7V의 전류 및 약 0.34V의 열 에너지를 생성시킨다. 이러한 예에서, 약 0.7V의 전기 에너지는 QEX의 일부로서 포함되지 않는다. 달리 말해, 열 에너지는 전기 에너지가 아니다.In addition to, and / or as an alternative to, the fuel cell operating strategy described herein, the solid oxide fuel cell can be operated to select an amount of oxidation to obtain the desired temperature ratio in the fuel cell . As used herein, the "temperature ratio" is defined as the heat generated by the exothermic reaction in the fuel cell assembly, divided by the endothermic heat demand of the reforming reaction occurring in the fuel cell assembly. Mathematically speaking, the temperature ratio (TH) = Q EX / Q EN . Where Q EX is the sum of the heat generated by the exothermic reaction and Q EN is the sum of the heat consumed by the endothermic reaction in the fuel cell. Note that the heat generated by the exothermic reaction corresponds to any heat in the cell due to the reforming reaction, the water gas-phone reaction, and the electrochemical reaction. The heat generated by the electrochemical reaction can be calculated based on the ideal electrochemical potential of the fuel cell reaction across the electrolyte minus the actual output voltage of the fuel cell. For example, the ideal electrochemical potential of the reaction in an SOFC is assumed to be about 1.04V based on the net reaction in the cell. During operation of the SOFC, the cell typically has an output voltage of less than 1.1 V due to various losses. For example, the typical output / operating voltage may be about 0.65V, or about 0.7V, or about 0.75V, or about 0.8V. The generated heat is equal to [the electrochemical potential of the battery (e.g., about 1.04 V) - the operating voltage]. For example, the heat generated by an electrochemical reaction in a cell is about 0.34 V when the output voltage is about 0.7V. Therefore, in this scenario, the electrochemical reaction produces a current of about 0.7V and a thermal energy of about 0.34V. In this example, an electrical energy of about 0.7 V is not included as part of Q EX . In other words, thermal energy is not electrical energy.

다양한 양태에서, SOFC의 작동 매개변수는 적어도 0.7V 미만, 예컨대 적어도 0.65V 미만, 또는 적어도 0.6V 미만, 또는 적어도 0.5V 미만, 또는 적어도 0.4V 미만, 또는 적어도 0.3V 미만의 작동 전압을 달성하도록 설정될 수 있다. In various embodiments, the operating parameters of the SOFC are selected to achieve an operating voltage of less than at least 0.7 V, such as at least 0.65 V, or at least less than 0.6 V, or at least less than 0.5 V, or at least less than 0.4 V, Can be set.

다양한 양태에서, 연료 전지 스택, 연료 전지 스택 내의 개별적인 연료 전지, 통합된 개질 스테이지를 갖는 연료 전지 스택, 통합된 흡열 반응 스테이지를 갖는 연료 전지 스택, 또는 이들이 조합 같은 임의의 편리한 연료 전지 구조에 대해 온도 비를 결정할 수 있다. 또한, 예를 들어 연료 전지의 어셈블리 또는 연료 전지 스택 같은 연료 전지 스택 내의 상이한 단위 장치에 대해 온도 비를 계산할 수 있다. 예를 들면, 단일 연료 전지 내의 단일 애노드, 연료 전지 스택 내의 애노드 구역, 또는 열 통합의 관점에서 통합되는 애노드 구역에 충분히 근접하는 통합된 개질 스테이지 및/또는 통합된 흡열 반응 스테이지 요소와 함께 연료 전지 스택 내의 애노드 구역에 대해 온도 비를 계산할 수 있다. 본원에 사용되는 용어 "애노드 구역"은 공동 입구 또는 출구 매니폴드를 공유하는 연료 전지 스택 내의 애노드를 포함한다.For various convenient fuel cell structures, such as fuel cell stacks, individual fuel cells in a fuel cell stack, fuel cell stacks with integrated reforming stages, fuel cell stacks with integrated endothermic reaction stages, or combinations thereof, The ratio can be determined. In addition, temperature ratios can be calculated for different unit devices in a fuel cell stack, such as, for example, an assembly of fuel cells or a fuel cell stack. For example, a fuel cell stack with an integrated reforming stage and / or an integrated endothermic reaction stage element that is close enough to a single anode in a single fuel cell, an anode zone within the fuel cell stack, or an anode zone integrated in terms of heat integration, Lt; / RTI > can be calculated for the anode zone in the < / RTI > The term "anode zone" as used herein includes an anode in a fuel cell stack that shares a common inlet or outlet manifold.

본 발명의 다양한 양태에서, 연료 전지의 작동은 온도 비에 기초하여 특징화될 수 있다. 연료 전지가 목적하는 온도 비를 갖도록 작동되는 경우에, 고체 산화물 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 온도 비를 갖도록 작동될 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 온도 비는 약 0.25 이상, 또는 약 0.35 이상, 또는 약 0.45 이상, 또는 약 0.50 이상일 수 있다. In various aspects of the invention, the operation of the fuel cell can be characterized based on a temperature ratio. When the fuel cell is operated to have the desired temperature ratio, the solid oxide fuel cell may have a temperature of about 1.5 or less, for example about 1.3 or less, or about 1.15 or less, or about 1.0 or less, or about 0.95 or less, Or about 0.85 or less, or about 0.80 or less, or about 0.75 or less. Additionally or alternatively, the temperature ratio can be about 0.25 or more, or about 0.35 or more, or about 0.45 or more, or about 0.50 or more.

본 발명의 다양한 양태에서, 연료 전지의 작동은 약 75mW/cm2 이상의 목적하는 총 개질가능한 연료 생산성 및 목적하는 온도 비에 기초하여 특징화될 수 있다. 일부 양태에서, 연료 전지는 약 75mW/cm2 이상의 목적하는 총 개질가능한 연료 생산성 및 약 1.5 이하, 예컨대 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 온도 비를 갖도록 작동될 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 총 개질가능한 연료 생산성은 약 75mW/cm2보다 높을 수 있고, 온도 비는 약 0.25 이상, 또는 약 0.35 이상, 또는 약 0.45 이상, 또는 약 0.50 이상일 수 있다. 연료 전지가 약 0.25 내지 약 1.3의 온도 비를 갖도록 작동되는 경우, 고체 산화물 연료 전지는 약 75mW/cm2 이상, 또는 약 100mW/cm2 이상, 또는 약 125mW/cm2 이상, 또는 약 150mW/cm2 이상, 또는 약 175mW/cm2 이상, 또는 약 200mW/cm2 이상, 또는 약 300mW/cm2 이상의 개질가능한 연료 생산성을 갖도록 작동될 수 있다. 이러한 양태에서, 개질가능한 연료 생산성은 약 600mW/cm2 이하, 또는 약 500mW/cm2 이하, 또는 약 400mW/cm2 이하, 또는 약 300mW/cm2 이하, 또는 약 200mW/cm2 이하일 수 있다. In various embodiments of the present invention, the operation of the fuel cell can be characterized based on the desired total modifiable fuel productivity and the desired temperature ratio of at least about 75 mW / cm 2 . In some embodiments, the fuel cell has a desired total modifiable fuel productivity of at least about 75 mW / cm 2, and a total modifiable fuel productivity of about 1.5 or less, such as about 1.3 or less, or about 1.15 or less, or about 1.0 or less, or about 0.95 or less, Or about 0.85 or less, or about 0.80 or less, or about 0.75 or less. Additionally or alternatively, the total reformable fuel productivity may be greater than about 75 mW / cm 2 , and the temperature ratio may be about 0.25 or more, or about 0.35 or more, or about 0.45 or more, or about 0.50 or more. When the fuel cell is operated so as to have a temperature ratio of about 0.25 to about 1.3, a solid oxide fuel cell is approximately 75mW / cm 2 or more, or from about 100mW / cm 2 or more, or from about 125mW / cm 2 or more, or from about 150mW / cm at least 2, or from about 175mW / cm 2 or more, or from about 200mW / cm 2 to have the, or at least about 300mW / cm 2, the fuel reforming possible productivity than may be enabled. In this embodiment, the reforming possible fuel productivity can be up to about 600mW / cm 2 or less, or from about 500mW / cm 2 or less, or from about 400mW / cm 2 or less, or from about 300mW / cm 2 or less, or from about 200mW / cm 2.

본 발명의 다양한 양태에서, 연료 전지의 작동은 약 150mW/cm2 이상의 목적하는 총 연료 전지 생산성 및 목적하는 온도 비에 기초하여 특징화될 수 있다. 하나의 양태에서, 연료 전지는 약 150mW/cm2 이상의 목적하는 총 연료 전지 생산성 및 약 1.5 이하, 예컨대 약 1.3 이하, 또는 약 1.15 이하, 또는 약 1.0 이하, 또는 약 0.93 이하, 또는 약 0.90 이하, 또는 약 0.85 이하, 또는 약 0.80 이하, 또는 약 0.75 이하의 온도 비를 갖도록 작동된다. 추가로 또는 다르게는, 총 연료 전지 생산성은 약 150mW/cm2보다 높을 수 있고, 온도 비는 약 0.25 이상, 또는 약 0.35 이상, 또는 약 0.45 이상, 또는 약 0.50 이상일 수 있다. 연료 전지가 약 0.25 내지 약 1.3의 온도 비를 갖도록 작동되는 경우, 고체 산화물 연료 전지는 약 150mW/cm2 이상, 또는 약 200mW/cm2 이상, 또는 약 250mW/cm2 이상, 또는 약 300mW/cm2 이상, 또는 약 350mW/cm2 이상의 TFCP를 갖도록 작동될 수 있다. 이러한 양태에서, TFCP는 약 800mW/cm2 이하, 또는 약 700mW/cm2 이하, 또는 약 600mW/cm2 이하, 또는 약 500mW/cm2 이하, 또는 약 400mW/cm2 이하일 수 있다. In various embodiments of the present invention, the operation of the fuel cell may be characterized based on the desired total fuel cell productivity and the desired temperature ratio of greater than or equal to about 150 mW / cm 2 . In one embodiment, the fuel cell has a desired total fuel cell productivity of at least about 150 mW / cm 2 and a total fuel cell productivity of about 1.5 or less, such as about 1.3 or less, or about 1.15 or less, or about 1.0 or less, or about 0.93 or less, Or about 0.85 or less, or about 0.80 or less, or about 0.75 or less. Additionally or alternatively, the total fuel cell productivity may be greater than about 150 mW / cm 2 , and the temperature ratio may be about 0.25 or more, or about 0.35 or more, or about 0.45 or more, or about 0.50 or more. When the fuel cell is operated so as to have a temperature ratio of about 0.25 to about 1.3, a solid oxide fuel cell is from about 150mW / cm 2 or more, or from about 200mW / cm 2 or more, or from about 250mW / cm 2 or more, or from about 300mW / cm 2 , or greater than about 350 mW / cm < 2 >. In this embodiment, TFCP may be up to about 800mW / cm 2 or less, or from about 700mW / cm 2 or less, or from about 600mW / cm 2 or less, or from about 500mW / cm 2 or less, or from about 400mW / cm 2.

또한 또는 다르게는, 일부 양태에서, 연료 전지는 약 40℃ 이하, 예컨대 약 20℃ 이하, 또는 약 10℃ 이하의 애노드 투입물과 애노드 산출물 사이의 온도 상승을 갖도록 작동될 수 있다. 또한 추가로 또는 다르게는, 연료 전지는 애노드 입구 온도보다 약 10℃ 더 낮은 온도에서 약 10℃ 더 높은 온도까지의 애노드 출구 온도를 갖도록 작동될 수 있다. 또한 추가로 또는 다르게는, 애노드 출구 온도보다 높은, 예를 들어 약 5℃ 이상 더 높거나, 또는 약 10℃ 이상 더 높거나, 또는 약 20℃ 이상 더 높거나, 또는 약 25℃ 이상 더 높은 애노드 입구 온도를 갖도록 연료 전지를 작동시킬 수 있다. 또한 추가로 또는 다르게는, 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℃ 이하만큼 더 높은 애노드 입구 온도를 갖도록 연료 전지를 작동시킬 수 있다. 애노드 입구 온도와 출구 온도 사이의 차이를 최소화하면, 고체 산화물 연료 전지에서 세라믹 구성요소의 기계적 일체성을 유지하는데 도움을 줄 수 있다. Additionally or alternatively, in some embodiments, the fuel cell may be operated to have a temperature rise between the anode input and the anode output of about 40 캜 or less, such as about 20 캜 or less, or about 10 캜 or less. Additionally or alternatively, the fuel cell may be operated to have an anode outlet temperature from about 10 [deg.] C lower than the anode inlet temperature to about 10 [deg.] C higher. Additionally or alternatively, an anode can be provided that is higher than the anode outlet temperature, such as greater than about 5 degrees Celsius, or greater than about 10 degrees Celsius, or greater than about 20 degrees Celsius, The fuel cell can be operated to have an inlet temperature. Additionally or alternatively, the anode outlet temperature may be about 100 DEG C or less, such as about 80 DEG C or less, or about 60 DEG C or less, or about 50 DEG C or less, or about 40 DEG C or less, Lt; RTI ID = 0.0 > and / or < / RTI > Minimizing the difference between the anode inlet temperature and the outlet temperature can help maintain the mechanical integrity of the ceramic components in the solid oxide fuel cell.

본원에 기재되는 연료 전지 작동 전략에 추가적으로, 보충하여 및/또는 대안으로, 고체 산화물 연료 전지(예를 들어, 연료 전지 어셈블리)는 전력 밀도를 증가시킬 수 있는 조건 하에서 작동될 수 있다. 연료 전지의 전력 밀도는 전류 밀도 I로 곱한 실제 작동 전압 VA에 상응한다. 전압 VA에서 작동되는 고체 산화물 연료 전지의 경우, 연료 전지는 또한 폐열을 발생시키는 경향이 있을 수 있으며, 폐열은 전류 밀도 I를 제공하는 연료 전지의 VA와 이상적인 전압 V0 사이의 차이에 기초하여 (V0-VA)*I로서 정의된다. 연료 전지의 애노드 내에서 개질가능한 연료를 개질시킴으로써 이 폐열의 일부를 소비할 수 있다. 이 폐열의 나머지 부분은 주위의 연료 전지 구조체 및 가스 유동에 의해 흡수되어, 연료 전지를 가로지르는 온도 차이가 발생될 수 있다. 종래의 작동 조건하에서, 연료 전지의 전력 밀도는 연료 전지의 일체성을 희생시키지 않으면서 연료 전지가 허용할 수 있는 폐열의 양에 기초하여 제한될 수 있다. In addition to, and / or as an alternative to the fuel cell operating strategy described herein, a solid oxide fuel cell (e. G., A fuel cell assembly) can be operated under conditions that can increase the power density. The power density of the fuel cell corresponds to the actual operating voltage V A multiplied by the current density I. In the case of a solid oxide fuel cell operated at voltage V A , the fuel cell may also tend to generate waste heat, and the waste heat is based on the difference between V A of the fuel cell providing the current density I and the ideal voltage V 0 Is defined as (V 0 -V A ) * I. A part of the waste heat can be consumed by reforming the reformable fuel in the anode of the fuel cell. The remaining portion of the waste heat is absorbed by the surrounding fuel cell structure and the gas flow, so that a temperature difference across the fuel cell can be generated. Under conventional operating conditions, the power density of the fuel cell can be limited based on the amount of waste heat that the fuel cell can tolerate without sacrificing the integrity of the fuel cell.

다양한 양태에서, 연료 전지가 허용할 수 있는 폐열의 양은 연료 전지 내에서 효과량의 흡열 반응을 수행함으로써 증가될 수 있다. 흡열 반응의 일례는 연료 전지 애노드 내에서 및/또는 연료 전지 스택의 통합된 개질 스테이지 같은 그에 수반되는 개질 스테이지에서의 개질가능한 연료의 증기 개질을 포함한다. 연료 전지의 애노드(또는 통합된/수반되는 개질 스테이지)에 추가적인 개질가능한 연료를 제공함으로써, 추가적인 폐열이 소비될 수 있도록 추가적인 개질을 수행할 수 있다. 이는 연료 전지를 가로지르는 온도 차이의 양을 감소시켜, 연료 전지가 더 많은 양의 폐열이 있는 작동 조건 하에서 작동되도록 할 수 있다. 전기 효율의 손실은 시스템의 전력 범위를 더욱 확장시키는 추가적인 발전을 비롯한 다양한 목적에 사용될 수 있는 합성 가스 및/또는 H2 같은 추가적인 생성물 스트림의 형성에 의해 상쇄될 수 있다.In various embodiments, the amount of waste heat that a fuel cell can tolerate can be increased by performing an endothermic reaction in an effective amount in the fuel cell. One example of an endothermic reaction involves the steam reforming of the reformable fuel in the fuel cell anode and / or its subsequent reforming stage, such as an integrated reforming stage of the fuel cell stack. By providing additional reformable fuel to the anode (or integrated / subsequent reforming stage) of the fuel cell, further reforming can be performed such that additional waste heat can be consumed. This can reduce the amount of temperature difference across the fuel cell, allowing the fuel cell to operate under operating conditions with larger amounts of waste heat. Loss of electrical efficiency can be offset by the formation of additional product streams such as syngas and / or H 2 that can be used for a variety of purposes, including further development, further extending the power range of the system.

다양한 양태에서, 상기 정의된 바와 같은 연료 전지에 의해 발생되는 폐열의 양 (V0-VA)*I는 약 30mW/cm2 이상, 예를 들어 약 40mW/cm2 이상, 또는 약 50mW/cm2 이상, 또는 약 60mW/cm2 이상, 또는 약 70mW/cm2 이상, 또는 약 80mW/cm2 이상, 또는 약 100mW/cm2 이상, 또는 약 120mW/cm2 이상, 또는 약 140mW/cm2 이상, 또는 약 160mW/cm2 이상, 또는 약 180mW/cm2 이상, 또는 약 200mW/cm2 이상, 또는 약 220mW/cm2 이상, 또는 약 250mW/cm2 이상, 또는 약 300mW/cm2 이상일 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 연료 전지에 의해 발생되는 폐열의 양은 약 400mW/cm2 미만, 예컨대 약 300mW/cm2 미만, 또는 약 200mW/cm2 미만, 또는 약 175mW/cm2 미만, 또는 약 150mW/cm2 미만일 수 있다.In various embodiments, the amount of waste heat (V 0 -V A ) * I generated by the fuel cell as defined above is greater than or equal to about 30 mW / cm 2 , such as greater than or equal to about 40 mW / cm 2 , 2, or at least about 60mW / cm 2 or more, or from about 70mW / cm 2 or more, or from about 80mW / cm 2 or more, or from about 100mW / cm 2 or more, or from about 120mW / cm 2 or more, or from about 140mW / cm 2 or more , or from about 160mW / cm 2 or more, or from about 180mW / cm 2 or more, or from about 200mW / cm 2 or more, or from about 220mW / cm 2 or more, or from about 250mW / cm 2 or more, or from about 300mW / cm 2 may be at least . Or alternatively to add is less than the amount of waste heat 2 from about 400mW / cm generated by the fuel cell, for example, from about 300mW / cm 2 or less, or from about 200mW / cm 2 or less, or from about 175mW / cm 2 or less, or about 150mW / cm < 2 >.

발생되는 폐열의 양이 비교적 높을 수 있어도, 이러한 폐열이 반드시 불량한 효율로 연료 전지를 작동시킴을 나타내지 않을 수 있다. 대신, 폐열은 높은 전력 밀도에서 연료 전지를 작동시킴으로써 발생될 수 있다. 연료 전지의 전력 밀도의 개선의 일부는 충분히 높은 전류 밀도에서 연료 전지를 작동시킴을 포함할 수 있다. 다양한 양태에서, 연료 전지에 의해 발생되는 전류 밀도는 약 150mA/cm2 이상, 예를 들어 약 160mA/cm2 이상, 또는 약 170mA/cm2 이상, 또는 약 180mA/cm2 이상, 또는 약 190mA/cm2 이상, 또는 약 200mA/cm2 이상, 또는 약 300mA/cm2 이상, 또는 약 400mA/cm2 이상, 또는 약 800mW/cm2 이상일 수 있다. 또한 또는 다르게는, 연료 전지에 의해 발생되는 전류 밀도는 약 800mA/cm2 이하, 예를 들어 450mA/cm2 이하, 또는 300mA/cm2 이하, 또는 250mA/cm2 이하, 또는 200mA/cm2 이하일 수 있다.Although the amount of waste heat generated may be relatively high, such waste heat may not necessarily indicate that the fuel cell operates with poor efficiency. Instead, waste heat can be generated by operating the fuel cell at a high power density. Some of the improvements in the power density of the fuel cell may include operating the fuel cell at a sufficiently high current density. In various embodiments, the current density generated by the fuel cell is about 150mA / cm 2 or more, for example, about 160mA / cm 2, or at least about 170mA / cm 2, or at least about 180mA / cm 2, or at least about 190mA / cm 2 or more, or about 200 mA / cm 2 or more, or about 300 mA / cm 2 or more, or about 400 mA / cm 2 or more, or about 800 mW / cm 2 or more. In addition or alternatively, the current density generated by the fuel cell is about 800mA / cm 2 or less, for example, 450mA / cm 2 or less, or 300mA / cm 2 or less, or 250mA / cm 2 or less, or 200mA / cm 2 or less .

다양한 양태에서, 발전을 증가시키고 폐열 발생을 증가시키면서 연료 전지를 작동시키기 위하여, 효과량의 흡열 반응(예컨대, 개질 반응)을 수행할 수 있다. 다르게는, 애노드 작동에 관련되지 않는 다른 흡열 반응을 이용하여, 애노드 또는 캐쏘드와 열 연통되도록(그러나 유체 연통되지는 않음) 연료 전지 어레이 내로 "플레이트" 또는 스테이지를 배치함으로써 폐열을 활용할 수 있다. 수반되는 개질 스테이지, 통합된 개질 스테이지, 흡열 반응을 수행하기 위한 통합된 스택 요소, 또는 이들의 조합에서 효과량의 흡열 반응을 수행할 수 있다. 효과량의 흡열 반응은 연료 전지 입구로부터 연료 전지 출구까지의 온도 증가를 약 100℃ 이하, 예를 들어 약 90℃ 이하, 또는 약 80℃ 이하, 또는 약 70℃ 이하, 또는 약 60℃ 이하, 또는 약 50℃ 이하, 또는 약 40℃ 이하, 또는 약 30℃ 이하로 감소시키기에 충분한 양에 상응할 수 있다. 또한 또는 다르게는, 효과량의 흡열 반응은 약 100℃ 이하, 예를 들어 약 90℃ 이하, 또는 약 80℃ 이하, 또는 약 70℃ 이하, 또는 약 60℃ 이하, 또는 약 50℃ 이하, 또는 약 40℃ 이하, 또는 약 30℃ 이하, 또는 약 20℃ 이하, 또는 약 10℃ 이하의 연료 전지 입구로부터 연료 전지 출구까지의 온도 감소를 야기하기에 충분한 양에 상응할 수 있다. 효과량의 흡열 반응이 발생되는 폐열을 초과하는 경우에, 연료 전지 입구로부터 연료 전지 출구까지 온도 감소가 발생될 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 이는 연료 전지에 의해 발생되는 폐열의 약 40% 이상을 소비하는, 예를 들어 폐열의 약 50% 이상, 또는 폐열의 약 60% 이상, 또는 폐열의 약 75% 이상을 소비하는 흡열 반응(들)(예컨대, 개질 및 다른 흡열 반응의 조합)을 갖는 것에 상응할 수 있다. 또한 추가로 또는 다르게는, 흡열 반응(들)은 폐열의 약 95% 이하, 예를 들어 폐열의 약 90% 이하, 또는 폐열의 약 85% 이하를 소비할 수 있다.In various embodiments, an effective amount of an endothermic reaction (e. G., A reforming reaction) may be performed to operate the fuel cell while increasing power generation and increasing waste heat generation. Alternatively, another endothermic reaction not related to anode operation can be utilized to utilize the waste heat by placing a "plate" or stage into the fuel cell array in thermal communication (but not in fluid communication) with the anode or cathode. An effective amount of an endothermic reaction can be performed in a subsequent reforming stage, an integrated reforming stage, an integrated stacking element for performing an endothermic reaction, or a combination thereof. An effective amount of the endothermic reaction may be achieved by increasing the temperature increase from the fuel cell inlet to the fuel cell outlet to about 100 캜 or less, such as about 90 캜 or less, or about 80 캜 or less, or about 70 캜 or less, About 50 DEG C or less, or about 40 DEG C or less, or about 30 DEG C or less. Additionally or alternatively, an effective amount of endothermic reaction may be conducted at a temperature of about 100 占 폚 or lower, such as about 90 占 폚 or lower, or about 80 占 폚 or lower, or about 70 占 폚 or lower, or about 60 占 폚 or lower, 40 DEG C or less, or about 30 DEG C or less, or about 20 DEG C or less, or about 10 DEG C or less, to the fuel cell outlet. When the effective amount of the endothermic reaction exceeds the waste heat generated, a temperature decrease may occur from the fuel cell inlet to the fuel cell outlet. Additionally or alternatively, it consumes at least about 40% of the waste heat generated by the fuel cell, for example at least about 50% of the waste heat, or at least about 60% of the waste heat, or at least about 75% (S) (e. G., A combination of reforming and other endothermic reactions). ≪ / RTI > Additionally or alternatively, the endothermic reaction (s) may consume less than about 95% of the waste heat, such as less than about 90% of the waste heat, or less than about 85% of the waste heat.

추가적인 정의Additional definitions

합성 가스: 이 정의에서, 합성 가스는 H2와 CO의 임의의 비의 혼합물로서 정의된다. 임의적으로는, H2O 및/또는 CO2가 합성 가스에 존재할 수 있다. 임의적으로는, 불활성 화합물(예컨대, 질소) 및 잔류하는 개질가능한 연료 화합물이 합성 가스에 존재할 수 있다. H2와 CO 외의 성분이 합성 가스에 존재하는 경우, 합성 가스중 H2와 CO의 합쳐진 부피 백분율은 합성 가스의 총 부피에 대해 25부피% 이상, 예컨대 40부피% 이상, 또는 50부피% 이상, 또는 60부피% 이상일 수 있다. 또한 또는 다르게는, 합성 가스중 H2와 CO의 합쳐진 부피 백분율은 100부피% 이하, 예컨대 95부피% 이하 또는 90부피% 이하일 수 있다. Syngas. In this definition, synthesis gas is defined as a mixture of any ratio of the H 2 and CO. Optionally, H 2 O and / or CO 2 may be present in the syngas. Optionally, an inert compound (e.g., nitrogen) and the remaining reformable fuel compound may be present in the synthesis gas. When the components other than H 2 and CO are present in the syngas, the combined volume percentages of H 2 and CO in the syngas are at least 25 vol%, such as at least 40 vol%, or at least 50 vol% Or 60% by volume or more. Alternatively, or alternatively, the combined volume percentage of H 2 and CO in the syngas may be up to 100 vol%, for example up to 95 vol%, or up to 90 vol%.

개질가능한 연료: 개질가능한 연료는 개질되어 H2를 발생시킬 수 있는 탄소-수소 결합을 함유하는 연료로서 정의된다. 다른 탄화수소질 화합물(예컨대, 알콜)이 그러하듯이 탄화수소가 개질가능한 연료의 일례이다. CO와 H2O가 수성 가스 전화 반응에 참여하여 수소를 형성할 수 있으나, CO는 이 정의 하에서 개질가능한 연료로 간주되지 않는다. Modifiable fuel: A fuel that can be reformed is defined as a fuel containing carbon-hydrogen bonds that can be reformed to generate H 2 . As is the case with other hydrocarbonaceous compounds (such as alcohols), hydrocarbons are an example of a fuel that can be reformed. CO and H 2 O may participate in water gas-phos- phonation reactions to form hydrogen, but CO is not considered a reformable fuel under this definition.

개질가능한 수소 함량: 연료의 개질가능한 수소 함량은 연료를 개질시킨 후 수성 가스 전화 반응이 완결되도록 하여 H2 생성을 최대화함으로써 연료로부터 유도될 수 있는 H2 분자의 수로서 정의된다. 이 정의에 의한 H2는 1의 개질가능한 수소 함량을 갖지만, H2 자체는 본원에서 개질가능한 연료로서 정의되지 않음에 주목한다. 유사하게, CO는 1의 개질가능한 수소 함량을 갖는다. CO는 엄격하게는 개질가능하지 않지만, 수성 가스 전화 반응이 완결되도록 함으로써 CO를 H2와 교환시킨다. 개질가능한 연료의 개질가능한 수소 함량의 일례로서, 메탄의 개질가능한 수소 함량은 4개의 H2 분자인 한편, 에탄의 개질가능한 수소 함량은 7개의 H2 분자이다. 더욱 일반적으로, 연료가 CxHyOz의 조성을 갖는다면, 100% 개질 및 수성 가스 전화시 이 연료의 개질가능한 수소 함량은 n(최대 개질 H2)=2x+y/2-z이다. 이 정의에 기초하여, 전지 내의 연료 이용률은 n(산화 H2)/n(최대 개질 H2)로서 표현될 수 있다. 물론, 성분의 혼합물의 개질가능한 수소 함량은 개별 성분의 개질가능한 수소 함량에 기초하여 결정될 수 있다. 산소, 황 또는 질소 같은 다른 헤테로원자를 함유하는 화합물의 개질가능한 수소 함량도 유사한 방식으로 계산될 수 있다. Modifiable hydrogen content: The reformable hydrogen content of the fuel is defined as the number of H 2 molecules that can be derived from the fuel by maximizing H 2 production by allowing the water gas conversion to be completed after reforming the fuel. Note that H 2 by this definition has a reformable hydrogen content of 1, but H 2 itself is not defined herein as a reformable fuel. Similarly, CO has a reformable hydrogen content of 1. CO is not strictly modifiable, but exchanges CO with H 2 by allowing the water gas-phonetic reaction to be completed. As an example of the reformable hydrogen content of the reformable fuel, the reformable hydrogen content of methane is four H 2 molecules while the reformable hydrogen content of ethane is seven H 2 molecules. More generally, if the fuel has a composition of C x H y O z , then the reformable hydrogen content of the fuel at 100% reforming and water gas switching is n (maximal reforming H 2 ) = 2x + y / 2-z. Based on this definition, the fuel utilization rate in the cell can be expressed as n (H 2 O 2 ) / n (maximum reforming H 2 ). Of course, the reformable hydrogen content of the mixture of components can be determined based on the reformable hydrogen content of the individual components. Modifiable hydrogen content of compounds containing other heteroatoms such as oxygen, sulfur or nitrogen can also be calculated in a similar manner.

산화 반응: 이 논의에서, 연료 전지의 애노드 내에서의 산화 반응은 O2-와의 반응에 의해 H2를 산화시켜 H2O를 생성시킴에 상응하는 반응으로서 정의된다. 탄소-수소 결합을 함유하는 화합물이 H2와 CO 또는 CO2로 전환되는 애노드 내에서의 개질 반응은 애노드에서의 산화 반응의 이 정의로부터 제외됨에 주목한다. 수성 가스 전화 반응도 유사하게 산화 반응의 이 정의에서 제외된다. 연소 반응의 인용은 연소로부터 전력을 얻는 발전기의 연소 대역 같은 비-전기화학적 버너에서 H2 또는 탄소-수소 결합(들)을 함유하는 화합물이 O2와 반응하여 H2O와 이산화탄소를 형성시키는 반응의 인용으로서 정의됨에 또한 주목한다. Oxidation reaction: In this discussion, the oxidation reaction in the fuel cell anode is oxidized to H 2 O by the reaction of 2- is defined as the response corresponding to Sikkim generate H 2 O. Note that the reforming reaction in the anode in which a compound containing carbon-hydrogen bonds is converted to H 2 and CO or CO 2 is excluded from this definition of the oxidation reaction at the anode. The water gas-phonetic reaction is similarly excluded from this definition of the oxidation reaction. Citation of the combustion reaction refers to the reaction in which a compound containing H 2 or carbon-hydrogen bond (s) reacts with O 2 in a non-electrochemical burner, such as the combustion zone of a generator that draws power from combustion, to form H 2 O and carbon dioxide It is also noted that it is defined as a quotation of.

본 발명의 양태는 애노드 연료 매개변수를 조정하여 연료 전지의 목적하는 작동 범위를 달성할 수 있다. 애노드 연료 매개변수는 직접적으로 및/또는 하나 이상의 비의 형태로 다른 연료 전지 공정과 관련하여 특징화될 수 있다. 예를 들어, 애노드 연료 매개변수를 제어하여 연료 이용률, 연료 전지 발열량 이용률, 연료 과잉 비, 개질가능한 연료 과잉 비, 개질가능한 수소 함량 연료 비 및 이들의 조합을 비롯한 하나 이상의 비를 획득할 수 있다.Aspects of the present invention can adjust the anode fuel parameters to achieve the desired operating range of the fuel cell. The anode fuel parameters may be characterized directly with respect to other fuel cell processes in the form of and / or one or more ratios. For example, the anode fuel parameters can be controlled to obtain one or more ratios including fuel utilization, fuel cell heat utilization, fuel surplus ratio, reformable fuel surplus ratio, reformable hydrogen content fuel ratio, and combinations thereof.

연료 이용률: 연료 이용률은 연료 전지의 연료 이용률을 정의하는데 사용될 수 있는 투입 스트림의 개질가능한 수소 함량에 대한 산화된 연료의 양에 기초하여 애노드의 작동을 특징화하는 옵션이다. 이 논의에서, "연료 이용률"은 발전(상기 기재된 바와 같음)을 위해 애노드에서 산화되는 수소의 양 대 애노드 투입물(임의의 수반되는 개질 스테이지 포함)의 개질가능한 수소 함량의 비로서 정의된다. 개질가능한 수소 함량은 연료를 개질시킨 후 수성 가스 전화 반응이 완결되도록 하여 H2 생성을 최대화함으로써 연료로부터 유도될 수 있는 H2 분자의 수로서 상기에서 정의되었다. 예를 들어, 애노드 내로 도입되어 증기 개질 공정에 노출되는 각 메탄은 최대 생산시 4개의 H2 분자를 발생시킨다. (개질 및/또는 애노드 조건에 따라, 개질 생성물은 수성 가스 전화되지 않은 생성물에 상응할 수 있으며, 이 때 하나 이상의 H2 분자가 CO 분자의 형태 대신 존재한다.) 그러므로, 메탄은 4개의 H2 분자의 개질가능한 수소 함량을 갖는 것으로 정의된다. 다른 예로서, 이 정의 하에서 에탄은 H2 분자 7개의 개질가능한 수소 함량을 갖는다. Fuel Utilization: The fuel utilization rate is an option that characterizes the operation of the anode based on the amount of oxidized fuel relative to the reformable hydrogen content of the feed stream that can be used to define the fuel utilization of the fuel cell. In this discussion, the "fuel utilization rate" is defined as the ratio of the amount of hydrogen oxidized at the anode to the reformable hydrogen content of the anode input (including any subsequent reforming stage) for power generation (as described above). The reformable hydrogen content is defined above as the number of H 2 molecules that can be derived from the fuel by maximizing H 2 production by allowing the water gas conversion to be completed after reforming the fuel. For example, each methane that is introduced into the anode and exposed to the steam reforming process produces four H 2 molecules at maximum production. (Depending on the modification and / or the anode conditions, modified products may correspond to a water gas non-phone product, this time is one or more H 2 molecule is present instead in the form of CO molecules.) Thus, the methane is four H 2 Is defined as having a reformable hydrogen content of the molecule. As another example, under this definition ethane has a seven-modified available hydrogen content H 2 molecules.

애노드에서의 연료의 이용률은, 애노드 및/또는 애노드에 수반되는 개질 스테이지로 전달되는 모든 연료의 저위 발열량(Lower Heating Value)에 대한, 연료 전지 애노드 반응으로 인해 애노드에서 산화되는 수소의 저위 발열량의 비에 기초하여 발열량 이용률을 정의함으로써 또한 특징화될 수 있다. 본원에 사용되는 "연료 전지 발열량 이용률"은 연료 전지 애노드에 들어가고 나가는 연료 성분의 유속 및 저위 발열량(LHV)을 사용하여 산출될 수 있다. 이로써, 연료 전지 발열량 이용률은 (LHV(anode_in)-LHV(anode_out))/LHV(anode_in)으로서 산출될 수 있으며, 여기에서 LHV(anode_in) 및 LHV(anode_out)은 각각 애노드 입구 및 출구 스트림 또는 유동중 연료 성분(예를 들어, H2, CH4 및/또는 CO)의 LHV를 가리킨다. 이 정의에서, 스트림 또는 유동의 LHV는 투입물 및/또는 산출 스트림중 각 연료 성분의 값의 합으로서 산출될 수 있다. 합에 대한 각 연료 성분의 기여분은 연료 성분의 LHV(예를 들어, J/몰)로 곱한 연료 성분의 유속(예를 들어, 몰/시간)에 상응할 수 있다. The rate of utilization of the fuel at the anode is determined by the ratio of the lower calorific value of hydrogen oxidized at the anode due to the fuel cell anode reaction to the lower heating value of all the fuel delivered to the reforming stage accompanied by the anode and / By defining the heating value utilization rate based on the heating value. As used herein, the "fuel cell calorific value utilization rate" can be calculated using the flow rate and the low calorific value (LHV) of the fuel component entering and leaving the fuel cell anode. Thus, the fuel cell calorific utilization rate can be calculated as (LHV (anode_in) -LHV (anode_out)) / LHV (anode_in), where LHV (anode_in) and LHV (anode_out) are the anode inlet and outlet streams, Refers to the LHV of a component (e.g., H 2 , CH 4, and / or CO). In this definition, the LHV of the stream or stream can be calculated as the sum of the values of each fuel component in the input and / or output stream. The contribution of each fuel component to the sum may correspond to the flow rate (e.g., mol / hour) of the fuel component multiplied by the LHV of the fuel component (e.g., J / mol).

저위 발열량: 저위 발열량은 연료 성분이 기상의 완전 산화된 생성물(즉, 기상 CO2 및 H2O 생성물)로 연소됨에 있어서의 엔탈피로서 정의된다. 예를 들어, 애노드 투입 스트림에 존재하는 임의의 CO2는 애노드 투입물의 연료 함량에 기여하지 않는데, 왜냐하면 CO2는 이미 완전히 산화되어 있기 때문이다. 이 정의에서, 애노드 연료 전지 반응으로 인해 애노드에서 발생되는 산화의 양은 상기 정의된 바와 같이 애노드에서의 전기화학적 반응의 일부로서의 애노드에서의 H2 산화로서 정의된다. Low calorific value: The low calorific value is defined as the enthalpy in which the fuel component is burned into the completely oxidized products of the gas phase (ie, gaseous CO 2 and H 2 O products). For example, any CO 2 present in the anode input stream does not contribute to the fuel content of the anode charge, since CO 2 is already fully oxidized. In this definition, the amount of oxidation generated at the anode due to the anode fuel cell reaction is defined as the H 2 oxidation at the anode as part of the electrochemical reaction at the anode, as defined above.

애노드 투입 유동의 유일한 연료가 H2인 특수한 경우에 있어서, 애노드에서 일어날 수 있는 연료 성분을 포함하는 유일한 반응은 H2의 H2O로의 전환을 나타냄에 주목한다. 이 특수한 경우에서, 연료 이용률은 (H2의 투입 속도-H2의 산출 속도)/H2의 투입 속도로 단순화된다. 이 경우, H2는 유일한 연료 성분이고, 따라서 H2 LHV는 방정식에서 빠지게 된다. 더욱 일반적인 경우, 애노드 공급물은 예컨대 CH4, H2 및 CO를 다양한 양으로 함유할 수 있다. 이들 물질이 전형적으로는 애노드 출구에서 상이한 양으로 존재하기 때문에, 상기 기재된 합이 연료 이용률을 결정하는데 필요할 수 있다. The only fuel for anode input flow in a special case of H 2, only the reaction containing the fuel component that may occur in the anode is noticed indicating the transition to H 2 O of H 2. In this special case, the fuel utilization is simplified as feed rate of the / H 2 (-H 2 feed rate calculated rate of the H 2). In this case, H 2 is the only fuel component, and so H 2 LHV falls out of the equation. If a more general, the anode feed may for example contain a CH 4, H 2 and CO in various amounts. Since these materials are typically present in different amounts at the anode outlet, the sum described above may be necessary to determine the fuel utilization rate.

연료 이용률과는 다르게 또는 연료 이용률에 덧붙여, 연료 전지의 다른 반응물의 이용률을 특징화할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지의 작동은 추가로 또는 다르게는 "산화제" 이용률과 관련하여 특징화될 수 있다. 산화제 이용률 값도 유사한 방식으로 규정될 수 있다.In addition to the fuel utilization rate, or in addition to the fuel utilization rate, the utilization rate of other reactants of the fuel cell can be characterized. For example, the operation of the fuel cell may be further or alternatively characterized in terms of the "oxidant" utilization. The oxidizer utilization value can also be defined in a similar manner.

연료 과잉 비: 고체 산화물 연료 전지에서 반응을 특징화하는 또 다른 방법은 연료 전지 애노드 반응으로 인해 애노드에서 산화되는 수소의 저위 발열량에 대한, 애노드 및/또는 에노드에 수반되는 개질 스테이지로 전달되는 모든 연료의 저위 발열량의 비에 기초하여 이용률을 한정하는 것이다. 이 양은 연료 과잉 비로서 일컬어진다. 이로써, 연료 과잉 비는 (LHV(anode_in)/(LHV(anode_in)-LHV(anode_out))으로서 산출될 수 있으며, 여기에서 LHV(anode_in) 및 LHV(anode_out)은 각각 애노드 입구 및 출구 스트림 또는 유동중 연료 성분(예를 들어, H2, CH4 및/또는 CO)의 LHV를 가리킨다. 본 발명의 다양한 양태에서, 고체 산화물 연료 전지는 약 1.0 이상, 예를 들어 약 1.5 이상, 또는 약 2.0 이상, 또는 약 2.5 이상, 또는 약 3.0 이상, 또는 약 4.0 이상의 연료 과잉 비를 갖도록 작동될 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 연료 과잉 비는 약 25.0 이하일 수 있다. Fuel excess ratio: Another way to characterize the reaction in a solid oxide fuel cell is to measure the low calorific value of the hydrogen oxidized at the anode due to the fuel cell anode reaction, all of which is transferred to the anode and / The utilization rate is limited based on the ratio of the low calorific value of the fuel. This amount is referred to as fuel surplus. Thereby, the fuel excess ratio can be calculated as (LHV (anode_in) / (LHV (anode_in) -LHV (anode_out), where LHV (anode_in) and LHV (anode_out) are the anode inlet and outlet streams, Refers to the LHV of a component (e.g., H 2 , CH 4, and / or CO). In various embodiments of the present invention, the solid oxide fuel cell has a LHV of at least about 1.0, such as at least about 1.5, About 2.5 or more, or about 3.0 or more, or about 4.0 or more. In addition, or alternatively, the fuel excess ratio can be about 25.0 or less.

애노드의 투입 스트림중 개질가능한 연료 모두가 개질될 수 있는 것은 아님에 주목한다. 바람직하게는, 애노드(및/또는 수반되는 개질 스테이지)로의 투입 스트림중 개질가능한 연료의 약 90% 이상, 예를 들어 약 95% 이상 또는 약 98% 이상이 애노드에서 나가기 전에 개질될 수 있다. 몇몇 다른 양태에서, 개질되는 개질가능한 연료의 양은 약 75% 내지 약 90%, 예컨대 약 80% 이상일 수 있다. It is noted that not all of the reformable fuel in the input stream of the anode can be reformed. Preferably, at least about 90%, such as at least about 95%, or at least about 98%, of the reformable fuel in the feed stream to the anode (and / or the subsequent reforming stage) can be reformed before leaving the anode. In some other embodiments, the amount of reformable fuel that is modified may be from about 75% to about 90%, such as about 80% or more.

연료 과잉 비의 상기 정의는 발전을 위해 연료 전지 애노드에서 소비되는 연료의 양에 대한, 애노드 및/또는 연료 전지에 수반되는 개질 스테이지(들) 내에서 이루어지는 개질의 양을 특징화하는 방법을 제공한다. The above definition of an excess fuel ratio provides a method for characterizing the amount of reforming done in the reforming stage (s) followed by the anode and / or the fuel cell, relative to the amount of fuel consumed in the fuel cell anode for power generation .

임의적으로, 연료 과잉 비는 연료가 애노드 산출물로부터 애노드 투입물로 재순환되는 상황 때문에 변경될 수 있다. 연료(예를 들어, H2, CO 및/또는 미개질 또는 부분 개질 탄화수소)가 애노드 산출물로부터 애노드 투입물로 재순환되는 경우, 이러한 재순환된 연료 성분은 다른 목적으로 이용될 수 있는 개질가능한 또는 개질되는 연료의 과잉 양을 나타내지 않는다. 대신, 이러한 재순환된 연료 성분은 단지 연료 전지에서 연료 이용률을 감소시키고자 하는 요구를 나타낸다.Optionally, the excess fuel ratio may be changed due to the situation where the fuel is recycled from the anode output to the anode input. When fuel (e. G., H 2 , CO and / or unmodified or partially reformed hydrocarbons) is recycled from the anode output to the anode input, such recycled fuel components can be converted to reformable or reformable fuels Of the < / RTI > Instead, these recycled fuel components only represent a demand to reduce the fuel utilization in the fuel cell.

개질가능한 연료 과잉 비: 개질가능한 연료 과잉 비를 계산하는 것은 이러한 재순환된 연료 성분을 설명하기 위한 하나의 옵션이고, 개질가능한 연료의 LHV만이 애노드로의 투입 스트림에 포함되도록 과잉 연료의 정의를 좁히는 것이다. 본원에 사용되는 "개질가능한 연료 과잉 비"는 연료 전지 애노드 반응으로 인해 애노드에서 산화되는 수소의 저위 발열량에 대한, 애노드 및/또는 애노드에 수반되는 개질 스테이지로 전달되는 개질가능한 연료의 저위 발열량으로서 정의된다. 개질가능한 연료 과잉 비의 정의 하에서, 애노드 투입물중 임의의 H2 또는 CO의 LHV는 제외된다. 이러한 개질가능한 연료의 LHV는 연료 전지 애노드에 들어가는 실제 조성을 특징화시킴으로써 측정될 수 있으며, 따라서 재순환된 성분과 새로운 성분을 구분할 필요가 없다. 일부 미개질 또는 부분 개질된 연료도 재순환될 수 있지만, 대부분의 양태에서, 애노드로 재순환되는 연료의 대부분은 H2 또는 CO 같은 개질된 생성물에 상응할 수 있다. 수학적으로 표현하자면, 개질가능한 연료 과잉 비(RRFS)=LHVRF/LHVOH이며, 여기에서 LHVRF는 개질가능한 연료의 저위 발열량(LHV)이고, LHVOH는 애노드에서 산화된 수소의 저위 발열량(LHV)이다. 애노드에서 산화된 수소의 LHV는 애노드 입구 스트림의 LHV에서 애노드 출구 스트림의 LHV를 뺌으로써[예를 들어, LHV(anode_in)-LHV(anode_out)] 계산될 수 있다. 본 발명의 다양한 양태에서, 고체 산화물 연료 전지는 약 0.25 이상, 예컨대 약 0.5 이상, 또는 약 1.0 이상, 또는 약 1.5 이상, 또는 약 2.0 이상, 또는 약 2.5 이상, 또는 약 3.0 이상, 또는 약 4.0 이상의 개질가능한 연료 과잉 비를 갖도록 작동될 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 개질가능한 연료 과잉 비는 약 25.0 이하일 수 있다. 애노드에서의 산화 양에 대한 애노드로 전달되는 개질가능한 연료의 양에 기초한 이 더 좁은 정의는 낮은 연료 이용률을 갖는 두 가지 유형의 연료 전지 작동 방법을 구분할 수 있음에 주목한다. 몇몇 연료 전지는 상당량의 애노드 산출물을 애노드 투입물로 다시 재순환시킴으로써 낮은 연료 이용률을 달성한다. 이 재순환은 애노드 투입물중 임의의 수소가 애노드로의 투입물로서 다시 사용될 수 있게 할 수 있다. 이는 개질의 양을 감소시킬 수 있는데, 왜냐하면 연료 전지를 1회 통과시키는 경우 연료 이용률이 낮아도 미사용 연료중 적어도 일부가 후속 통과에서 사용되기 위해 재순환되기 때문이다. 그러므로, 다양한 연료 이용률 값을 갖는 연료 전지는 애노드 개질 스테이지(들)로 전달되는 개질가능한 연료 대 애노드 반응에서 산화되는 수소의 동일한 비를 가질 수 있다. 애노드 개질 스테이지로 전달되는 개질가능한 연료 대 애노드에서의 산화 양의 비를 변화시키기 위해서는, 개질되지 못하는 연료의 자연적인 함량을 갖는 애노드 공급물을 확인할 필요가 있거나, 또는 애노드 산출물중 미사용 연료를 다른 용도를 위해 회수해야 할 필요가 있거나, 또는 둘 다가 필요하다. Modifiable fuel surplus ratio: Calculating the reformable fuel surplus ratio is one option to account for this recycled fuel composition and narrows the definition of excess fuel so that only the LHV of the reformable fuel is included in the input stream to the anode . As used herein, "reformable fuel excess ratio" is defined as the lower calorific value of the reformable fuel delivered to the reforming stage followed by the anode and / or anode, relative to the lower calorific value of hydrogen oxidized at the anode due to the fuel cell anode reaction. do. Under the definition of a reformable fuel excess ratio, any H 2 or CO LHV in the anode charge is excluded. The LHV of such a reformable fuel can be measured by characterizing the actual composition entering the fuel cell anode, so there is no need to distinguish between recycled and new components. Although some unmodified or partially reformed fuel can also be recycled, in most embodiments, the majority of the fuel recycled to the anode may correspond to a modified product such as H 2 or CO. Mathematically speaking, the reformable fuel excess ratio (R RFS ) = LHV RF / LHV OH , where LHV RF is the lower calorific value (LHV) of the reformable fuel and LHV OH is the lower calorific value LHV). The LHV of the oxidized hydrogen at the anode can be calculated (e.g., LHV (anode_in) -LHV (anode_out)] by subtracting the LHV of the anode exit stream from the LHV of the anode inlet stream. In various embodiments of the present invention, the solid oxide fuel cell has a power of about 0.25 or more, such as about 0.5 or more, or about 1.0 or more, or about 1.5 or more, or about 2.0 or more, or about 2.5 or more, or about 3.0 or more, Can be operated to have a reformable fuel excess ratio. Additionally or alternatively, the fuelable excess fuel ratio can be about 25.0 or less. Note that this narrower definition based on the amount of reformable fuel delivered to the anode relative to the amount of oxidation at the anode can distinguish between two types of fuel cell operating methods with lower fuel utilization. Some fuel cells achieve a low fuel utilization rate by recirculating a significant amount of anode output back to the anode input. This recycle may allow any of the anode inputs to be used again as an input to the anode. This can reduce the amount of reforming because at least a portion of the unused fuel is recycled for use in subsequent passes even if the fuel utilization rate is low when the fuel cell is passed through once. Therefore, a fuel cell having various fuel utilization values may have the same ratio of hydrogen oxidized in the reformable fuel to anode reaction delivered to the anode reforming stage (s). In order to change the ratio of the amount of oxidation at the anode to the amount of reformable fuel delivered to the anode reforming stage, it is necessary to identify the anode feed having a natural content of the fuel that can not be reformed, There is a need to reclaim for, or both.

개질가능한 수소 과잉 비: 연료 전지의 작동을 특징화하는 또 다른 옵션은 "개질가능한 수소 과잉 비"에 기초한다. 상기 정의된 개질가능한 연료 과잉 비는 개질가능한 연료 성분의 저위 발열량에 기초하여 정의된다. 개질가능한 수소 과잉 비는 연료 전지 애노드 반응으로 인해 애노드에서 반응하는 수소에 대한, 애노드 및/또는 애노드에 수반되는 개질 스테이지에 전달되는 개질가능한 연료의 개질가능한 수소 함량으로서 정의된다. 이로써, "개질가능한 수소 과잉 비"는 (RFC(reformable_anode_in)/(RFC(reformable_anode_in)-RFC(anode_out))으로서 산출될 수 있으며, 이 때 RFC(reformable_anode_in)은 애노드 입구 스트림 또는 유동중 개질가능한 연료의 개질가능한 수소 함량을 일컫는 한편, RFC(anode_out)은 애노드 입구 및 출구 스트림 또는 유동중 연료 성분(예를 들어, H2, CH4 및/또는 CO)의 개질가능한 수소 함량을 가리킨다. RFC는 몰/초, 몰/시간 등으로 표현될 수 있다. 애노드 개질 스테이지(들)로 전달되는 개질가능한 연료 대 애노드에서의 산화 양의 큰 비로 연료 전지를 작동시키는 방법의 일례는 연료 전지에서의 열의 발생 및 소비의 균형을 맞추기 위하여 과도한 개질을 수행하는 방법일 수 있다. 개질가능한 연료를 개질시켜 H2와 CO를 형성시키는 것은 흡열 반응이다. 연료 전지에서의 전류의 발생에 의해 이 흡열 반응에 대항할 수 있는데, 상기 전류 발생은 애노드 산화 반응과 캐쏘드 반응에 의해 발생되는 열의 양과 전류의 형태로 연료 전지에서 나가는 에너지 사이의 차이에 (대략) 상응하는 과량의 열을 생성시킬 수 있다. 애노드 산화 반응/캐쏘드 반응에 포함되는 수소 1몰당 과량의 열은 개질에 의해 수소 1몰을 발생시키는데 흡수되는 열보다 더 클 수 있다. 그 결과, 종래의 조건 하에 작동되는 연료 전지는 입구로부터 출구까지 온도 증가를 나타낼 수 있다. 이러한 유형의 종래의 작동 대신, 애노드에 수반되는 개질 스테이지에서 개질되는 연료의 양을 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 발열성 연료 전지 반응에 의해 발생되는 열이 개질에서 소비되는 열과 (거의) 균형을 이룰 수 있도록, 또는 심지어 개질에 의해 소비되는 열이 연료 산화에 의해 발생되는 과량의 열을 초과하여 연료 전지를 가로지르는 온도 하락이 발생될 수 있도록, 추가적인 연료를 개질시킬 수 있다. 이는 발전에 필요한 양에 비해 상당한 과량의 수소를 생성시킬 수 있다. 일례로서, 연료 전지의 애노드 입구 또는 수반되는 개질 스테이지로의 공급물은 상당히 순수한 메탄 공급물 같은 개질가능한 연료로 실질적으로 구성될 수 있다. 이러한 연료를 사용하여 발전시키기 위해 종래의 방식으로 작동시키는 동안, 고체 산화물 연료 전지는 약 75%의 연료 이용률로 작동될 수 있다. 이는 애노드로 전달되는 연료 함량의 약 75%(또는 ¾)가 사용되어 수소를 형성함을 의미하고, 이 수소는 애노드에서 산소 이온과 추후 반응하여 H2O를 형성한다. 종래의 작동에서, 연료 함량의 나머지 약 25%는 연료 전지 내에서 H2로 개질된(또는 연료중 임의의 CO 또는 H2의 경우 반응하지 않은 채로 연료 전지를 통과할 수 있음) 후, 연료 전지 외부에서 연소되어 H2O를 형성함으로써 연료 전지로의 캐쏘드 입구에 열을 제공할 수 있다. 이 상황에서 개질가능한 수소 과잉 비는 4/(4-1)=4/3일 수 있다. Modifiable hydrogen excess ratio: Another option to characterize the operation of a fuel cell is based on a "reformable hydrogen excess ratio ". The above-defined modifiable fuel excess ratio is defined based on the calorific value of the reformable fuel component. The modifiable hydrogen excess ratio is defined as the modifiable hydrogen content of the reformable fuel that is delivered to the reforming stage followed by the anode and / or anode for the hydrogen reacting at the anode due to the fuel cell anode reaction. As such, the "reformable hydrogen excess ratio" can be calculated as (RFC (reformable_anode_in) / (RFC (reformable_anode_in) -RFC (anode_out)) where the reformable_anode_in is the reforming of the anode inlet stream, Refers to the possible hydrogen content, while RFC (anode_out) refers to the reformable hydrogen content of the anode inlet and outlet streams or the hydrotreating fuel components (e.g., H 2 , CH 4 and / or CO) Mol / hour, etc. An example of a method of operating a fuel cell with a large ratio of reformable fuel to anode amount of oxidation delivered to the anode reforming stage (s) is a balance of heat generation and consumption in the fuel cell The reforming of the reformable fuel to form H 2 and CO is an endothermic reaction. The solution may counter the endothermic reaction, which generates an excess of heat (approximately) corresponding to the difference between the amount of heat generated by the anode oxidation reaction and the cathode reaction and the energy exiting the fuel cell in the form of current Excess heat per mole of hydrogen contained in the anode oxidation reaction / cathode reaction may be greater than the heat absorbed by the reforming to produce 1 mole of hydrogen. As a result, the fuel cell, which operates under conventional conditions, Instead of this type of conventional operation, it is possible to increase the amount of fuel to be reformed in the reforming stage that accompanies the anode. For example, it may be caused by an exothermic fuel cell reaction So that the heat being consumed by the reforming can be (almost) balanced with the heat consumed in the reforming, or even the heat consumed by the reforming, So that the temperature drop across more than the excess amount of heat across the fuel cell can be generated which can be modified for additional fuel, which may produce a considerable excess of hydrogen compared to the amount necessary for power generation. As an example, the anode inlet of the fuel cell or the feed to the subsequent reforming stage may be substantially composed of a reformable fuel, such as a substantially pure methane feed. While operating in a conventional manner to generate electricity using these fuels, the solid oxide fuel cell can be operated at a fuel utilization rate of about 75%. This means that about 75% (or ¾) of the fuel content delivered to the anode is used to form hydrogen, which reacts with oxygen ions at the anode to form H 2 O. In conventional operation, the remaining approximately 25% of the fuel content is reformed into H 2 in the fuel cell (or may pass through the fuel cell unreacted in the case of any CO or H 2 in the fuel) And can be externally burned to form H 2 O to provide heat to the cathode inlet to the fuel cell. In this situation, the reformable hydrogen excess ratio may be 4 / (4-1) = 4/3.

전기 효율: 본원에 사용되는 용어 "전기 효율"("EE")은 연료 전지로의 연료 투입물의 저위 발열량("LHV") 비로 나눈 연료 전지에 의해 생성되는 전기화학적 전력으로서 정의된다. 연료 전지로의 연료 투입물은 애노드로 전달되는 연료뿐만 아니라 연료 전지의 온도를 유지하는데 사용되는 임의의 연료(예컨대, 연료 전지에 수반되는 버너로 전달되는 연료) 둘 다를 포함한다. 이 기재에서, 연료에 의해 생성되는 전력은 LHV(el) 연료 속도 면에서 기재될 수 있다. Electrical Efficiency: As used herein, the term "electrical efficiency"("EE") is defined as the electrochemical power produced by a fuel cell divided by the low calorific value ("LHV") ratio of the fuel input to the fuel cell. The fuel input to the fuel cell includes both the fuel delivered to the anode, as well as any fuel used to maintain the temperature of the fuel cell (e.g., fuel delivered to the fuel cell). In this description, the power generated by the fuel can be described in terms of the LHV (el) fuel rate.

전기화학적 전력: 본원에 사용되는 용어 "전기화학적 전력" 또는 LHV(el)는 연료 전지에서 캐쏘드를 애노드에 연결하고 연료 전지의 전해질을 가로질러 카보네이트 이온을 전달하는 회로에 의해 발생되는 전력이다. 전기화학적 전력은 연료 전지보다 공정상 앞에 또는 뒤에 위치하는 기기에 의해 생성되거나 소비되는 전력을 제외한다. 예를 들면, 연료 전지 배기 가스 스트림에서의 열로부터 생성되는 전류는 전기화학적 전력의 일부로서 간주되지 않는다. 유사하게, 연료 전지보다 공정상 앞에 위치하는 가스 터빈 또는 다른 기기에 의해 발생되는 전력은 발생되는 전기화학적 전력의 일부가 아니다. "전기화학적 전력"은 연료 전지의 작동 동안 소비되는 전력을 고려하지 않거나, 또는 직류의 교류로의 전환에 의해 야기되는 임의의 손실을 고려하지 않는다. 달리 말해, 연료 전지 작동에 공급되거나 또는 달리 연료 전지를 작동시키는데 사용되는 전력은 연료 전지에 의해 생성되는 직류 전압으로부터 빼지 않는다. 본원에 사용되는 전력 밀도는 전압을 곱한 전류 밀도이다. 본원에 사용되는 용어 총 연료 전지 전력은 연료 전지 면적을 곱한 전력 밀도이다. Electrochemical Power: As used herein, the term "electrochemical power" or LHV (el) is the power generated by a circuit in a fuel cell that connects a cathode to an anode and transports carbonate ions across the electrolyte of the fuel cell. The electrochemical power excludes the power generated or consumed by equipment located in front of or behind the fuel cell. For example, the current generated from heat in the fuel cell exhaust stream is not considered part of the electrochemical power. Similarly, the power generated by a gas turbine or other device located in front of the fuel cell is not part of the generated electrochemical power. "Electrochemical power" does not take into account the power consumed during operation of the fuel cell, or take into account any losses caused by the conversion of the direct current to alternating current. In other words, the power supplied to the fuel cell operation or otherwise used to operate the fuel cell is not subtracted from the DC voltage generated by the fuel cell. The power density used herein is the current density multiplied by the voltage. As used herein, the term total fuel cell power is the power density multiplied by the fuel cell area.

연료 투입물: LHV(anode_in)으로서 지칭되는, 본원에 사용되는 용어 "애노드 연료 투입물"은, 애노드 입구 스트림 내의 연료의 양이다. LHV(in)으로서 지칭되는 용어 "연료 투입물"은 애노드 입구 스트림 내의 연료의 양 및 연료 전지의 온도를 유지하는데 사용되는 연료의 양 둘 다를 포함하는, 연료 전지로 전달되는 연료의 총량이다. 연료는 본원에 제공되는 개질가능한 연료의 정의에 기초하여, 개질가능한 연료 및 개질불가능한 연료 둘 다를 포함할 수 있다. 연료 투입물은 연료 이용률과 동일하지 않다. Fuel Input : The term "anode fuel input", as used herein, referred to as LHV (anode_in), is the amount of fuel in the anode inlet stream. The term "fuel input " referred to as LHV (in) is the total amount of fuel delivered to the fuel cell, including both the amount of fuel in the anode inlet stream and the amount of fuel used to maintain the temperature of the fuel cell. The fuel may include both a reformable fuel and a non-reformable fuel based on the definition of the reformable fuel provided herein. Fuel inputs are not the same as fuel utilization.

총 연료 전지 효율: 본원에 사용되는 용어 "총 연료 전지 효율"("TFCE")은 연료 전지에 의해 발생되는 전기화학적 전력과 연료 전지에 의해 생성되는 합성 가스의 LHV의 비를 애노드로의 연료 투입물의 LHV의 비로 나눈 값으로서 정의된다. 달리 말해, TFCE=(LHV(el)+LHV(sg net))/LHV(anode_in)이며, 이 때 LHV(anode_in)은 애노드로 전달되는 연료 성분(예를 들어, H2, CH4 및/또는 CO)의 LHV 비를 가리키고, LHV(sg net)은 애노드에서 합성 가스(H2, CO)가 생성되는 속도를 가리키며, 이는 애노드로의 합성 가스 투입물과 애노드로부터의 합성 가스 산출물의 차이이다. LHV(el)은 연료 전지의 전기화학적 발전을 기재한다. 총 연료 전지 효율은 연료 전지의 외부에서 유리하게 사용되는, 연료 전지에 의해 발생되는 열을 제외시킨다. 작동시, 연료 전지에 의해 발생되는 열은 공정상 뒤에 위치하는 기기에 의해 유리하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 열을 사용하여 추가적인 전기를 발생시키거나 물을 가열할 수 있다. 연료 전지와 별도로 이루어지는 경우 이들 용도는 이 용어가 본원에 사용될 때 총 연료 전지 효율의 일부가 아니다. 총 연료 전지 효율은 연료 전지 작동에만 적용되는 것이고, 발전, 또는 연료 전지보다 앞 또는 뒤에서의 소비를 포함하지 않는다. Total Fuel Cell Efficiency: The term "total fuel cell efficiency"("TFCE") as used herein refers to the ratio of the electrochemical power generated by the fuel cell to the LHV of the syngas produced by the fuel cell to the fuel input LHV < / RTI > In other words, TFCE = (LHV (el) + LHV (sg net)) / LHV (anode_in) where LHV (anode_in) is the fuel component (eg, H 2 , CH 4 and / or CO) and LHV (sg net) indicates the rate at which the synthesis gas (H 2 , CO) is produced at the anode, which is the difference between the synthesis gas input to the anode and the synthesis gas output from the anode. LHV (el) describes the electrochemical evolution of fuel cells. Total fuel cell efficiency excludes heat generated by the fuel cell, which is advantageously used outside the fuel cell. In operation, the heat generated by the fuel cell can be advantageously used by devices located behind the process. For example, heat can be used to generate additional electricity or to heat water. When used separately from the fuel cell, these applications are not part of the total fuel cell efficiency when this term is used herein. Total fuel cell efficiency only applies to fuel cell operation and does not include power generation, or consumption before or after the fuel cell.

화학적 효율: 본원에 사용되는 용어 "화학적 효율"은 연료 투입물 또는 LHV(in)으로 나눈, 연료 전지의 애노드 배기 가스중 H2 및 CO의 저위 발열량 또는 LHV(sg out)으로서 정의된다. Chemical Efficiency: As used herein, the term "chemical efficiency" is defined as the LHV (sg out) of H 2 and CO in the anode exhaust of a fuel cell divided by the fuel input or LHV (in).

전기 효율도 총 시스템 효율도 공정상 앞에 또는 뒤에 위치하는 공정의 효율을 고려하지 못한다. 예를 들면, 터빈 배기 가스를 연료 전지 캐쏘드의 CO2의 공급원으로서 사용하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 배열에서, 터빈의 효율은 전기 효율 또는 총 연료 전지 효율 계산의 일부로 간주되지 않는다. 유사하게, 연료 전지의 산출물은 연료 전지로의 투입물로서 재순환될 수 있다. 1회 통과 방식에서 전기 효율 또는 총 연료 전지 효율을 계산할 때 재순환 루프는 고려되지 않는다.Electricity efficiency and total system efficiency also do not take into account the efficiency of processes located either before or after the process. For example, it may be advantageous to use the turbine exhaust gas as the source of CO 2 of the fuel cell cathode. In this arrangement, the efficiency of the turbine is not considered to be part of the calculation of electric efficiency or total fuel cell efficiency. Similarly, the output of the fuel cell can be recycled as an input to the fuel cell. Recirculation loops are not considered when calculating the electrical efficiency or the total fuel cell efficiency in a one-pass mode.

생성되는 합성 가스: 본원에 사용되는 용어 "생성되는 합성 가스"는 애노드로의 합성 가스 투입물과 애노드로부터의 합성 가스 산출물 사이의 차이이다. 합성 가스는 적어도 부분적으로는 애노드의 투입물 또는 연료로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 시스템은 애노드 배기 가스로부터의 합성 가스를 애노드 입구(여기에서, 합성 가스는 천연 가스 또는 다른 적합한 연료로 보충됨)로 복귀시키는 애노드 재순환 루프를 포함할 수 있다. 생성되는 합성 가스 LHV(sg net)=(LHV(sg out)-LHV(sg in))이며, 여기에서 LHV(sg in) 및 LHV(sg out)은 각각 애노드 입구에서의 합성 가스의 LHV 및 애노드 출구 스트림 또는 유동에서의 합성 가스의 LHV를 가리킨다. 애노드 내에서의 개질 반응에 의해 생성되는 합성 가스의 적어도 일부는 전형적으로 애노드에서 사용되어 전기를 생성시킬 수 있음에 주목한다. 전기를 생성시키는데 사용되는 수소는 애노드에서 나가지 않으므로 "생성된 합성 가스"의 정의에 포함되지 않는다. 본원에 사용되는 용어 "합성 가스 비"는 애노드로의 연료 투입물의 LHV로 나눈 생성된 순 합성 가스의 LHV, 또는 LHV(sg net)/LHV(anode in)이다. 합성 가스 및 연료의 몰 유속을 LHV 대신 사용하여 몰에 기초한 합성 가스 비 및 몰에 기초한 생성된 합성 가스를 표현할 수 있다. Synthetic gas produced: The term "produced syngas" as used herein is the difference between a syngas input to the anode and a synthesis gas output from the anode. The syngas can be used, at least in part, as an anode charge or fuel. For example, the system may include an anode recycle loop that returns syngas from the anode exhaust gas to the anode inlet (where syngas is supplemented with natural gas or other suitable fuel). Wherein the LHV (sg in) and LHV (sg out) are the LHV of the synthesis gas at the anode inlet and the LHV of the anode at the anode inlet, respectively, Gt; LHV < / RTI > of the syngas in the outlet stream or flow. It is noted that at least some of the syngas produced by the reforming reaction in the anode can typically be used in the anode to generate electricity. Hydrogen used to generate electricity is not included in the definition of "produced syngas" since it does not exit the anode. As used herein, the term "syngas ratio" is the LHV, or LHV (sg net) / LHV (anode in), of the produced pure syngas divided by the LHV of the fuel input to the anode. The molar flow rate of the syngas and fuel can be used instead of LHV to express the resulting syngas based on the molar-based syngas ratio and on the molar basis.

수증기 대 탄소 비(S/C): 본원에 사용되는 수증기 대 탄소 비(S/C)는 유동중 수증기 대 유동중 개질가능한 탄소의 몰비이다. CO 및 CO2 형태의 탄소는 이 정의에서 개질가능한 탄소에 포함되지 않는다. 시스템의 상이한 지점에서 수증기 대 탄소 비를 측정하고/하거나 제어할 수 있다. 예를 들어, 애노드 입구 수증기의 조성을 조작하여 애노드에서의 개질에 적합한 S/C를 획득할 수 있다. S/C는 H2O의 몰 유속을 연료의 몰 유속과 연료중 탄소 원자의 수(예를 들어, 메탄의 경우 하나)의 곱으로 나눈 값으로서 주어질 수 있다. 그러므로, S/C=f H20 /(f CH4 ×#C)이고, 여기에서, f H2O 는 물의 몰 유속이고, f CH4 는 메탄(또는 다른 연료)의 몰 유속이며, #C는 연료중 탄소의 수이다. 다양한 양태에서, S/C는 약 2, 또는 약 1 내지 3, 또는 약 0.5 내지 5일 수 있다. 개질 반응의 화학량론을 충족시키고 오염을 방지하기에 충분한 만큼의 수증기만 제공하는 것이 바람직한데, 왜냐하면 과량의 수증기는 애노드 반응물을 희석시키고 생성시키는데 에너지를 쓰기 때문이다. Water vapor to carbon ratio (S / C): The steam to carbon ratio (S / C) used herein is the molar ratio of water vapor in flow to reformable carbon in flow. Carbon in the form of CO and CO 2 is not included in the reformable carbon in this definition. The water vapor to carbon ratio can be measured and / or controlled at different points in the system. For example, the composition of the anode inlet water vapor can be manipulated to obtain S / C suitable for reforming at the anode. S / C can be given as the molar flow rate of H 2 O divided by the product of the molar flux of fuel and the number of carbon atoms in the fuel (for example, one for methane). Therefore, in the S / C = f H20 / ( f CH4 × # C) and, here, f H2O is the molar flow rate of water, f CH4 is the mole flow rate of methane (or other fuel), #C is the carbon in the fuel Number. In various embodiments, the S / C can be about 2, or about 1 to about 3, or about 0.5 to about 5. It is desirable to provide enough steam to meet the stoichiometry of the reforming reaction and to prevent contamination because excessive water vapor energizes to dilute and generate the anode reactants.

연료 전지 및 연료 전지 구성요소: 본 논의에서, 연료 전지는 전해질에 의해 분리된 애노드와 캐쏘드를 갖는 단일 전지에 상응할 수 있다. 고체 산화물 연료 전지는 평면상 또는 관상 형태를 취할 수 있다. 본원에 사용되는 연료 전지는 어느 한 형태 또는 두 형태 모두를 가리킬 수 있다. 애노드와 캐쏘드는 투입 가스 유동을 받아들여 전해질을 가로지르는 전하 수송 및 발전을 위한 개별적인 애노드 및 캐쏘드 반응을 용이하게 할 수 있다. 연료 전지 스택은 통합된 단위체에서의 복수개의 전지를 나타낼 수 있다. 연료 전지 스택이 다수개의 연료 전지를 포함할 수 있기는 하지만, 연료 전지는 전형적으로 병렬 연결될 수 있으며 (거의) 전체가 더 큰 크기의 단일 연료 전지인 것처럼 작용할 수 있다. 투입 유동이 연료 전지 스택의 애노드 또는 캐쏘드로 전달될 때, 연료 전지 스택은 스택의 각 전지 사이에서 투입 유동을 분할하기 위한 유동 채널 및 개별적인 전지로부터의 산출 유동을 합치기 위한 유동 채널을 포함할 수 있다. 이 논의에서는, 연료 전지 어레이를 사용하여 직렬로, 병렬로, 또는 임의의 다른 편리한 방식으로(예를 들어, 직렬과 병렬의 조합으로) 배열되는 복수개의 연료 전지(예컨대, 복수개의 연료 전지 스택)를 가리킬 수 있다. 연료 전지 어레이는 연료 전지 및/또는 연료 전지 스택의 하나 이상의 스테이지를 포함할 수 있으며, 이 때 제 1 스테이지로부터의 애노드/캐쏘드 산출물은 제 2 스테이지의 애노드/캐쏘드 투입물로서의 역할을 할 수 있다. 연료 전지 어레이의 애노드는 어레이의 캐쏘드와 동일한 방식으로 연결될 필요가 없음에 주목한다. 편의상, 연료 전지 어레이의 제 1 애노드 스테이지로의 투입물은 어레이의 애노드 투입물로서 일컬어질 수 있고, 연료 전지 어레이의 제 1 캐쏘드 스테이지로의 투입물은 어레이의 캐쏘드 투입물로서 일컬어질 수 있다. 유사하게, 최종 애노드/캐쏘드 스테이지로부터의 산출물은 어레이로부터의 애노드/캐쏘드 산출물로 일컬어질 수 있다. Fuel Cell and Fuel Cell Components: In this discussion, a fuel cell may correspond to a single cell having an anode and a cathode separated by an electrolyte. The solid oxide fuel cell may take a planar or tubular form. The fuel cell as used herein may refer to either one or both forms. The anode and cathode can accept an incoming gas flow to facilitate individual anode and cathode reactions for charge transport and generation across the electrolyte. The fuel cell stack may represent a plurality of cells in an integrated unit. Although the fuel cell stack can include a plurality of fuel cells, the fuel cells can typically be connected in parallel and (almost) the whole can act as a single size fuel cell. When the input flow is transferred to the anode or cathode of the fuel cell stack, the fuel cell stack may include a flow channel for dividing the incoming flow between each cell of the stack and a flow channel for combining the output flow from the individual cells . In this discussion, a plurality of fuel cells (e.g., a plurality of fuel cell stacks) arranged in series, in parallel, or in any other convenient manner (e.g., in series and parallel combination) Lt; / RTI > The fuel cell array may include one or more stages of a fuel cell and / or a fuel cell stack, wherein the anode / cathode output from the first stage may serve as an anode / cathode input of the second stage . Note that the anode of the fuel cell array need not be connected in the same manner as the cathode of the array. Conveniently, the input of the fuel cell array to the first anode stage may be referred to as the anode input of the array, and the input to the first cathode stage of the fuel cell array may be referred to as the cathode input of the array. Similarly, the output from the final anode / cathode stage may be referred to as the anode / cathode output from the array.

본원에서 연료 전지의 사용에 대한 인용은 전형적으로 개별적인 연료 전지로 구성된 "연료 전지 스택"을 가리키고, 더욱 일반적으로는 유체 연통되는 하나 이상의 연료 전지 스택의 사용을 가리킨다는 것을 알아야 한다. 개별적인 연료 전지 요소(플레이트 또는 실린더)는 전형적으로 "연료 전지 스택"으로 일컬어지는 직사각형 어레이로 함께 "적층"될 수 있다. 이 연료 전지 스택은 전형적으로 공급물 스트림을 가질 수 있고, 개별적인 연료 전지 요소 모두 사이에 반응물을 분배할 수 있으며, 이들 각 요소로부터 생성물을 수집할 수 있다. 단위체로서 보는 경우, 작동되는 연료 전지 스택은 다수개(흔히 수십개 또는 수백개)의 개별적인 연료 전지 요소로 구성됨에도 불구하고 전체로서 취해질 수 있다. 이들 개별적인 연료 전지 요소는 전형적으로 유사한 전압을 가질 수 있고(왜냐하면, 반응물 및 생성물 농도가 유사하기 때문에), 총 전력 산출량은 요소가 직렬로 전기적으로 연결되는 경우 모든 전지 요소에서의 모든 전류의 합으로부터 발생될 수 있다. 스택은 또한 높은 전압을 생성시키도록 직렬 배열로 배열될 수도 있다. 병렬 배열은 전류를 승압시킬 수 있다. 충분히 큰 부피의 연료 전지 스택을 이용하여 소정 유동을 처리하는 경우에는, 단일 고체 산화물 연료 전지 스택으로 본원에 기재된 시스템 및 방법을 이용할 수 있다. 본 발명의 다른 양태에서는, 다양한 이유로 복수개의 연료 전지 스택이 바람직하거나 필요할 수 있다.It should be appreciated that references to the use of fuel cells herein typically refer to the "fuel cell stack" consisting of individual fuel cells, and more generally to the use of one or more fuel cell stacks in fluid communication. Individual fuel cell elements (plates or cylinders) can be "laminated" together in a rectangular array, typically referred to as a "fuel cell stack ". The fuel cell stack may typically have a feed stream, distribute the reactants among all the individual fuel cell elements, and collect the product from each of these elements. When viewed as a unit, the fuel cell stack to be operated can be taken as a whole despite being composed of a plurality of (often dozens or hundreds) individual fuel cell elements. These individual fuel cell elements can typically have similar voltages (because reactants and product concentrations are similar), and the total power output is calculated from the sum of all currents at all battery elements when the elements are electrically connected in series Lt; / RTI > The stacks may also be arranged in a tandem arrangement to produce a high voltage. The parallel arrangement can boost the current. When treating a given flow with a sufficiently large volume of the fuel cell stack, the systems and methods described herein can be used with a single solid oxide fuel cell stack. In another aspect of the invention, a plurality of fuel cell stacks may be desirable or necessary for various reasons.

본 발명에서는, 달리 명시되지 않는 한, 용어 "연료 전지"는 단일 투입물 및 산출물이 존재하는 하나 이상의 개별적인 연료 전지 요소의 세트로 구성된 연료 전지 스택에 대한 인용을 가리키고/가리키거나 이러한 인용을 포함하는 것으로 정의됨을 알아야 한다(왜냐하면, 이것이 연료 전지가 전형적으로 실제로 사용되는 방식이기 때문이다). 유사하게, 용어 연료 전지(복수개)는 달리 명시되지 않는 한 복수개의 별도의 연료 전지 스택을 가리키고/가리키거나 이들을 포함하는 것으로 정의됨을 알아야 한다. 달리 말해, 본원 내에서의 모든 인용은 달리 구체적으로 표시되지 않는 한 연료 전지 스택의 "연료 전지"로서의 작동을 호환성있게 가리킬 수 있다. 예를 들어, 상업적 규모의 연소 발전기에 의해 발생되는 배기 가스의 부피는 종래의 크기의 연료 전지(예컨대, 단일 스택)에 의해 처리되기에는 너무 클 수 있다. 전체 배기 가스를 처리하기 위하여, 복수개의 연료 전지(즉, 2개 이상의 별도의 연료 전지 또는 연료 전지 스택)를 병렬로 배열하여 각각의 연료 전지가 (대략) 동량의 연소 배기 가스를 처리하게 할 수 있다. 다수개의 연료 전지가 사용될 수 있지만, 각각의 연료 전지는 (거의) 동량의 연소 배기 가스를 감안할 때 전형적으로 대략 유사한 방식으로 작동될 수 있다. In the present invention, unless otherwise specified, the term "fuel cell" refers to a reference to a fuel cell stack consisting of a set of one or more individual fuel cell elements in which a single input and output are present, (Since this is how the fuel cell is typically used in practice). Similarly, it should be appreciated that the term fuel cell (s) is defined to refer to / indicate or include a plurality of separate fuel cell stacks, unless otherwise specified. In other words, all citations within this disclosure may interchangeably refer to the operation of the fuel cell stack as a "fuel cell" unless otherwise specifically indicated. For example, the volume of exhaust gas generated by a commercial scale combustion generator may be too large to be processed by a conventional sized fuel cell (e.g., a single stack). To treat the entire exhaust gas, a plurality of fuel cells (i.e., two or more separate fuel cells or fuel cell stacks) may be arranged in parallel to allow each fuel cell to treat (approximately) the same amount of combustion exhaust gas have. Although multiple fuel cells can be used, each fuel cell can typically be operated in a substantially similar manner given (approximately) the same amount of combustion exhaust gas.

"내부 개질" 및 "외부 개질": 연료 전지 또는 연료 전지 스택은 하나 이상의 내부 개질 구역을 포함할 수 있다. 본원에 사용되는 용어 "내부 개질"은 연료 전지 본체, 연료 전지 스택, 또는 다르게는 연료 전지 어셈블리 내에서 이루어지는 연료 개질을 말한다. 흔히 연료 전지와 함께 사용되는 외부 개질은 연료 전지 스택 외부에 위치하는 별도의 기기에서 이루어진다. 달리 말해, 외부 개질기 본체는 연료 전지 또는 연료 전지 스택의 본체와 물리적으로 직접 접촉하지 않는다. 전형적인 셋업에서는, 외부 개질기로부터의 산출물을 연료 전지의 애노드 입구에 공급할 수 있다. 구체적으로 달리 표시되지 않는 한, 본원에 기재되는 개질은 내부 개질이다. "Internal reforming" and "external reforming": The fuel cell or fuel cell stack may include one or more internal reforming zones. As used herein, the term "internal reforming" refers to fuel reforming occurring in a fuel cell body, a fuel cell stack, or alternatively, a fuel cell assembly. External reforming, often used with fuel cells, is performed in a separate device located outside the fuel cell stack. In other words, the external reformer body is not in direct physical contact with the fuel cell or the body of the fuel cell stack. In a typical setup, an output from an external reformer can be supplied to the anode inlet of the fuel cell. Unless specifically stated otherwise, the modifications described herein are internal modifications.

내부 개질은 연료 전지 애노드 내에서 일어날 수 있다. 내부 개질은 추가로 또는 다르게는 연료 전지 어셈블리 내에 통합된 내부 개질 요소 내에서 이루어질 수 있다. 통합된 개질 요소는 연료 전지 스택 내에서 연료 전지 요소 사이에 위치할 수 있다. 달리 말해, 스택의 트레이중 하나는 연료 전지 요소 대신 개질 구역일 수 있다. 한 양태에서, 연료 전지 스택 내에서의 유동 배열은 연료를 내부 개질 요소로, 이어 연료 전지의 애노드 부분 내로 유도한다. 그러므로, 유동의 관점에서, 내부 개질 요소 및 연료 전지 요소는 연료 전지 스택 내에서 직렬로 배열될 수 있다. 본원에 사용되는 용어 "애노드 개질"은 애노드 내에서 이루어지는 연료 개질이다. 본원에 사용되는 용어 "내부 개질"은 애노드 구역에서가 아니라 통합된 개질 요소 내에서 이루어지는 개질이다. Internal reforming may occur within the fuel cell anode. The internal reforming may additionally or alternatively be carried out in an internal reforming element incorporated in the fuel cell assembly. The integrated reforming element may be located between the fuel cell elements within the fuel cell stack. In other words, one of the trays of the stack may be a reforming zone instead of the fuel cell element. In one embodiment, the flow arrangement within the fuel cell stack directs fuel into the internal reforming element and then into the anode portion of the fuel cell. Therefore, from the viewpoint of flow, the internal reforming element and the fuel cell element can be arranged in series in the fuel cell stack. The term "anode reforming" as used herein is a fuel reforming done in the anode. As used herein, the term "internal reforming" is a modification that takes place in the integrated reforming element, not in the anode region.

일부 양태에서, 연료 전지 어셈블리에 대해 내부인 개질 스테이지는 연료 전지 어셈블리에서 애노드(들)에 수반되는 것으로 생각될 수 있다. 몇몇 다른 양태에서는, 애노드에 수반될(예컨대, 다수개의 애노드에 수반될) 수 있는 연료 전지 스택의 개질 스테이지의 경우, 개질 스테이지로부터의 산출 유동이 하나 이상의 애노드 내로 통과하도록 유동 경로를 이용할 수 있다. 이는 전해질과 접촉하지 않는 연료 전지 플레이트의 초기 구역을 갖는 것에 상응할 수 있고, 대신 개질 촉매로서의 역할을 한다. 수반되는 개질 스테이지의 다른 옵션은 연료 전지 스택의 요소중 하나로서 별도의 통합된 개질 스테이지를 갖는 것일 수 있으며, 이 때 통합된 개질 스테이지로부터의 산출물은 연료 전지 스택중 하나 이상의 연료 전지의 투입물 측으로 복귀된다. In some aspects, a reforming stage that is internal to the fuel cell assembly can be thought of as being carried on the anode (s) in the fuel cell assembly. In some other embodiments, in the case of a reforming stage of a fuel cell stack that can be accompanied by an anode (e.g., to be associated with a plurality of anodes), a flow path may be used so that the output flow from the reforming stage passes into one or more anodes. This may correspond to having an initial zone of the fuel cell plate that is not in contact with the electrolyte and instead serves as a reforming catalyst. Another option of the subsequent reforming stage may be to have a separate integrated reforming stage as one of the elements of the fuel cell stack wherein the product from the integrated reforming stage is returned to the input side of one or more fuel cells of the fuel cell stack do.

열 통합 관점에서, 연료 전지 스택의 특징적인 높이는 개별적인 연료 전지 스택 요소의 높이일 수 있다. 별도의 개질 스테이지 또는 별도의 흡열 반응 스테이지가 스택에서 연료 전지와는 상이한 높이를 가질 수 있음에 주목한다. 이러한 시나리오에서는, 연료 전지 요소의 높이를 특징적인 높이로서 사용할 수 있다. 몇몇 양태에서, 통합된 흡열 반응 스테이지가 개질의 열원으로서 연료 전지로부터의 열을 사용할 수 있도록, 통합된 흡열 반응 스테이지는 하나 이상의 연료 전지와 열 통합되는 스테이지로서 정의될 수 있다. 이러한 통합된 흡열 반응 스테이지는 통합된 스테이지에 열을 제공하는 임의의 연료 전지로부터의 스택 요소의 높이의 5배 미만으로 위치하는 것으로 정의될 수 있다. 예를 들어, 통합된 흡열 반응 스테이지(예컨대, 개질 스테이지)는 열 통합되는 임의의 연료 전지로부터의 스택 요소의 높이의 5배 미만, 예를 들어 스택 요소의 높이의 3배 미만으로 위치될 수 있다. 이 논의에서, 연료 전지 요소에 인접한 스택 요소를 나타내는 통합된 개질 스테이지 또는 통합된 흡열 반응 스테이지는 인접한 연료 전지 요소로부터 떨어진 약 1개의 스택 요소 높이 이하인 것으로 정의될 수 있다.From the heat integration point of view, the characteristic height of the fuel cell stack can be the height of the individual fuel cell stack elements. Note that a separate reforming stage or a separate endothermic reaction stage may have a different height than the fuel cell in the stack. In such a scenario, the height of the fuel cell element can be used as the characteristic height. In some embodiments, an integrated endothermic reaction stage can be defined as a stage that is thermally integrated with one or more fuel cells, such that the integrated endothermic reaction stage can use heat from the fuel cell as a heat source for reforming. This integrated endothermic reaction stage can be defined as being located less than five times the height of the stack element from any fuel cell that provides heat to the integrated stage. For example, an integrated endothermic reaction stage (e.g., a reforming stage) may be located less than five times the height of the stack element from any heat-integrated fuel cell, for example, less than three times the height of the stack element . In this discussion, an integrated reforming stage or an integrated endothermic reaction stage that represents a stack element adjacent to the fuel cell element can be defined as less than or equal to about one stack element height away from an adjacent fuel cell element.

일부 양태에서, 연료 전지 요소와 열 통합되는 별도의 개질 스테이지는 연료 전지 요소에 수반되는 개질 스테이지에 또한 상응할 수 있다. 이러한 양태에서, 통합된 연료 전지 요소는 수반되는 개질 스테이지에 열의 적어도 일부를 제공할 수 있고, 수반되는 개질 스테이지는 통합된 연료 전지에 개질 스테이지 산출물의 적어도 일부를 연료 스트림으로서 제공할 수 있다. 다른 양태에서는, 별도의 개질 스테이지를 연료 전지에 수반시키지 않으면서 열 교환을 위한 연료 전지와 통합시킬 수 있다. 이러한 유형의 상황에서, 별도의 개질 스테이지는 연료 전지로부터의 열을 받아들일 수 있지만, 개질 스테이지의 산출물을 연료 전지의 투입물로서 사용하지 않는다. 대신, 산출물을 애노드 배기 가스 스트림에 직접 첨가하거나 연료 전지 어셈블리로부터 별도의 산출 스트림을 형성하는 것과 같은 다른 목적으로 이러한 개질 스테이지의 산출물을 사용할 수 있다.In some embodiments, a separate reforming stage that is thermally integrated with the fuel cell element may also correspond to a reforming stage followed by the fuel cell element. In such an embodiment, the integrated fuel cell element may provide at least a portion of the heat to the subsequent reforming stage, and the subsequent reforming stage may provide at least a portion of the reforming stage output to the integrated fuel cell as a fuel stream. In another aspect, a separate reforming stage can be integrated with the fuel cell for heat exchange without involving the fuel cell. In this type of situation, a separate reforming stage can accept heat from the fuel cell, but does not use the product of the reforming stage as an input to the fuel cell. Instead, the output of such a reforming stage can be used for other purposes such as adding the product directly to the anode exhaust gas stream or forming a separate output stream from the fuel cell assembly.

더욱 일반적으로는, 연료 전지 스택의 별도의 스택 요소를 사용하여, 통합된 연료 전지 스택 요소에 의해 제공되는 폐열의 이점을 취할 수 있는 임의의 편리한 유형의 흡열 반응을 수행할 수 있다. 탄화수소 연료 스트림 상에서 개질 반응을 수행하는데 적합한 플레이트 대신, 별도의 스택 요소는 다른 유형의 흡열 반응을 촉진하는데 적합한 플레이트를 가질 수 있다. 연료 전지 스택의 매니폴드 또는 입구 도관의 다른 배열을 이용하여, 적절한 투입 유동을 각 스택 요소에 제공할 수 있다. 유사한 매니폴드 또는 출구 도관의 다른 배열을 또한 사용하여, 각 스택 요소로부터의 산출 유동을 회수할 수 있다. 임의적으로는, 산출 유동을 연료 전지 애노드를 통과시키지 않으면서, 스택의 흡열 반응 스테이지로부터의 산출 유동을 연료 전지 스택으로부터 회수할 수 있다. 이러한 임의적인 양태에서는, 따라서, 발열 반응의 생성물이 연료 전지 애노드를 통과하지 않고 연료 전지 스택으로부터 나간다. 연료 전지 스택의 스택 요소에서 수행될 수 있는 다른 유형의 흡열 반응의 예는 에틸렌을 형성하기 위한 에탄올 탈수 및 에탄 분류를 포함한다.More generally, a separate stack element of the fuel cell stack can be used to perform any convenient type of endothermic reaction that can take advantage of the waste heat provided by the integrated fuel cell stack element. Instead of a plate suitable for carrying out the reforming reaction on the hydrocarbon fuel stream, a separate stack element may have a plate suitable for promoting another type of endothermic reaction. Different arrangements of manifolds or inlet conduits of the fuel cell stack can be used to provide a suitable input flow to each stack element. Other manifolds of similar manifolds or outlet conduits may also be used to recover the output flow from each stack element. Optionally, the output flow from the endothermic reaction stage of the stack can be recovered from the fuel cell stack without passing the output flow through the fuel cell anode. In this optional embodiment, therefore, the product of the exothermic reaction leaves the fuel cell stack without passing through the fuel cell anode. Examples of other types of endothermic reactions that may be performed in the stack elements of a fuel cell stack include ethanol dehydration and ethane classification to form ethylene.

재순환: 본원에 정의되는 연료 전지 산출물(예를 들어, 애노드 배기 가스 또는 애노드 배기 가스로부터 분리되거나 회수된 스트림)의 일부를 연료 전지 입구로 재순환시키는 것은 직접 또는 간접 재순환 스트림에 상응할 수 있다. 연료 전지 입구로의 스트림의 직접 재순환은 중간 공정을 통과시키지 않는 스트림의 재순환으로서 정의되는 한편, 간접 재순환은 하나 이상의 중간 공정에 스트림을 통과시킨 후의 재순환을 포함한다. 예를 들어, 애노드 배기 가스가 재순환되기 전에 CO2 분리 스테이지를 통과하면, 이는 애노드 배기 가스의 간접 재순환으로 생각된다. 애노드 배기 가스로부터 회수된 H2 스트림 같은 애노드 배기 가스의 일부가, 석탄을 연료 전지로의 도입에 적합한 연료로 전환시키기 위한 기화기 내로 통과되면, 이것도 또한 간접 재순환으로 생각된다. Recirculation: Recirculating a portion of the fuel cell output (eg, a stream separated or recovered from the anode exhaust gas or the anode exhaust gas) defined herein to the fuel cell inlet may correspond to a direct or indirect recycle stream. Direct recirculation of the stream to the fuel cell inlet is defined as recirculation of the stream that does not pass the intermediate process, while indirect recirculation includes recirculation after passing the stream through one or more intermediate processes. For example, if the anode exhaust gas passes through a CO 2 separation stage before it is recirculated, it is thought to be indirect recirculation of the anode exhaust gas. If a portion of the anode exhaust gas, such as the H 2 stream recovered from the anode exhaust gas, is passed into the vaporizer to convert the coal to fuel suitable for introduction into the fuel cell, this is also considered indirect recirculation.

애노드 투입물 및 산출물Anode inputs and outputs

본 발명의 다양한 양태에서, SOFC 어레이에는, 예를 들어 수소 및 메탄(또는 다르게는 C 및 H가 아닌 헤테로원자를 함유할 수 있는 탄화수소질 또는 탄화수소 같은 화합물) 같은 탄화수소 둘 다를 포함하는, 애노드 입구에서 받아들여지는 연료가 공급될 수 있다. 애노드로 공급되는 메탄(또는 다른 탄화수소질 또는 탄화수소 같은 화합물)의 대부분은 전형적으로 새로운 메탄일 수 있다. 이 기재에서, 새로은 메탄 같은 새로운 연료는 다른 연료 전지 공정으로부터 재순환되지 않은 연료를 말한다. 예를 들어, 애노드 출구 스트림으로부터 애노드 입구로 다시 재순환된 메탄은 "새로운" 메탄으로 생각될 수 없고, 대신 재생된 메탄으로 기재될 수 있다. 사용되는 연료 공급원은, 연료 공급원의 일부를 사용하여 터빈 같은 다른 구성요소와 공유될 수 있다. 연료 공급원 투입물은 수소를 발생시키는 개질 구역에서 탄화수소(또는 탄화수소 같은) 화합물을 개질시키는데 적절한 연료에 비례하여 물을 포함할 수 있다. 예를 들어, H2를 발생시키는 개질에 대한 연료 투입물이 메탄인 경우, 물 대 연료의 몰비는 약 1:1 내지 약 10:1, 예를 들어 약 2:1 이상일 수 있다. 외부 개질에는 4:1 이상의 비가 전형적이지만, 내부 개질에는 더 낮은 값이 전형적일 수 있다. H2가 연료 공급원의 일부인 정도까지, 일부 임의적인 양태에서는, 연료에 추가적인 물을 필요로 하지 않을 수 있는데, 왜냐하면 애노드에서 H2의 산화가 연료의 개질에 사용될 수 있는 H2O를 생성시키는 경향이 있을 수 있기 때문이다. 연료 공급원은 또한 임의적으로 연료 공급원에 부수적인 성분을 함유할 수 있다(예를 들어, 천연 가스 공급물은 추가적인 성분으로서 약간의 CO2 함량을 함유할 수 있다). 예를 들어, 천연 가스 공급물은 CO2, N2, 및/또는 추가 성분으로서 다른 불활성 가스(영족 가스)를 함유할 수 있다. 임의적으로는, 몇몇 양태에서, 연료 공급원은 애노드 배기 가스의 재순환된 부분으로부터의 CO 같은 CO를 또한 함유할 수 있다. 연료 전지 어셈블리 내로의 연료중 CO의 추가적인 또는 다른 가능한 공급원은 연료 전지 어셈블리에 들어가기 전에 연료 상에서 수행되는 탄화수소 연료의 증기 개질에 의해 발생되는 CO일 수 있다. In various embodiments of the present invention, the SOFC arrays include, for example, hydrocarbons, such as hydrocarbons such as hydrocarbons or hydrocarbons, which may contain hydrogen and methane (or alternatively may contain heteroatoms other than C and H) Acceptable fuel can be supplied. The majority of methane (or other hydrocarbon or hydrocarbon compounds) fed to the anode may typically be fresh methane. In this document, new fuels, such as fresh methane, refer to fuels that are not recycled from other fuel cell processes. For example, methane recycled back to the anode inlet from the anode outlet stream can not be thought of as "fresh" methane, but instead can be described as regenerated methane. The fuel source used may be shared with other components, such as a turbine, using a portion of the fuel source. The fuel source input may include water in proportion to the fuel suitable to reform the hydrocarbon (or hydrocarbon) compound in the reforming zone that generates hydrogen. For example, if the fuel input for reforming to generate H 2 is methane, the molar ratio of water to fuel may be from about 1: 1 to about 10: 1, such as greater than about 2: 1. A ratio of at least 4: 1 is typical for external reforming, but a lower value for internal reforming may be typical. To the extent that H 2 is part of the fuel source, in some optional embodiments, no additional water may be required for the fuel, because the oxidation of H 2 in the anode tends to produce H 2 O that can be used to modify the fuel This can happen. The fuel source may also optionally contain additional components to the fuel source (e.g., the natural gas feed may contain some CO 2 content as an additional component). For example, the natural gas feed may contain CO 2 , N 2 , and / or another inert gas (noble gas) as an additional component. Optionally, in some embodiments, the fuel source may also contain CO, such as CO from the recycled portion of the anode exhaust gas. An additional or other possible source of CO in the fuel into the fuel cell assembly may be CO generated by steam reforming of the hydrocarbon fuel performed on the fuel prior to entering the fuel cell assembly.

더욱 일반적으로는, 다양한 유형의 연료 스트림이 고체 산화물 연료 전지의 애노드의 투입 스트림으로서 사용하기에 적합할 수 있다. 일부 연료 스트림은 탄화수소 및/또는 C 및 H와는 상이한 헤테로원자를 또한 포함할 수 있는 탄화수소 같은 화합물을 함유하는 스트림에 상응할 수 있다. 이 논의에서는, 달리 명시되지 않는 한, SOFC 애노드를 위한 탄화수소를 함유하는 연료 스트림에 대한 인용은 이러한 탄화수소 같은 화합물을 함유하는 연료 스트림을 포함하는 것으로 정의된다. 탄화수소(탄화수소 같은 화합물 포함) 연료 스트림의 예는 천연 가스, C1-C4 탄소 화합물(예컨대, 메탄 또는 에탄)을 함유하는 스트림, 및 더욱 중질의 C5+ 탄화수소(탄화수소 같은 화합물 포함)를 함유하는 스트림뿐만 아니라 이들의 조합을 포함한다. 애노드 투입물에 사용하기 위한 연료 스트림의 또 다른 추가적인 또는 다른 예는 유기 물질의 천연(생물학적) 분해로부터 생성되는 메탄 같은 바이오 가스-유형의 스트림을 포함할 수 있다.More generally, various types of fuel streams may be suitable for use as an input stream of an anode of a solid oxide fuel cell. Some fuel streams may correspond to a stream containing hydrocarbons and / or compounds such as hydrocarbons which may also contain heteroatoms different from C and H. [ In this discussion, unless stated otherwise, the reference to a hydrocarbon-containing fuel stream for an SOFC anode is defined to include a fuel stream containing such a hydrocarbon-like compound. Examples of hydrocarbons (including compounds such as hydrocarbons) fuel streams include not only streams containing natural gas, C1-C4 carbon compounds (e.g., methane or ethane), and heavier C5 + hydrocarbons (including compounds such as hydrocarbons) And combinations thereof. Yet another or additional example of a fuel stream for use in the anode input may comprise a biogas-type stream such as methane produced from natural (biological) degradation of organic material.

일부 양태에서는, 고체 산화물 연료 전지를 사용하여 희석제 화합물의 존재로 인해 낮은 에너지 함량을 갖는 천연 가스 및/또는 탄화수소 스트림 같은 투입물 연료 스트림을 처리할 수 있다. 예를 들어, 메탄 및/또는 천연 가스의 몇몇 공급원은 상당량의 CO2 또는 다른 불활성 분자(예컨대, 질소, 아르곤 또는 헬륨)를 포함할 수 있는 공급원이다. 많아진 양의 CO2 및/또는 불활성 화합물의 존재로 인해, 공급원에 기초한 연료 스트림의 에너지 함량이 감소될 수 있다. 연소 반응에(예를 들어, 연소에 의해 전력을 얻는 터빈에 전력을 제공하는데) 에너지 함량이 낮은 연료를 사용하는 데에는 어려움이 있을 수 있다. 그러나, 고체 산화물 연료 전지는 연료 전지의 효율에 영향을 적게 또는 최소한으로 끼치면서 에너지 함량이 낮은 연료 공급원에 기초하여 전력을 발생시킬 수 있다. 추가적인 가스 부피의 존재는 연료의 온도를 개질 및/또는 애노드 반응의 온도까지 높이기 위해 추가적인 열을 필요로 할 수 있다. 또한, 연료 전지 애노드 내에서의 수성 가스 전화 반응의 평형상태 특성으로 인해, 추가적인 CO2의 존재는 애노드 산출물에 존재하는 H2와 CO의 상대적인 양에 대해 영향을 끼칠 수 있다. 그러나, 불활성 화합물은 개질 및 애노드 반응에 대해 직접적인 영향을 최소한으로만 가질 수 있다. 존재하는 경우, 고체 산화물 연료 전지의 연료 스트림중 CO2 및/또는 불활성 화합물의 양은 약 1부피% 이상, 예를 들어 약 2부피% 이상, 또는 약 5부피% 이상, 또는 약 10부피% 이상, 또는 약 15부피% 이상, 또는 약 20부피% 이상, 또는 약 25부피% 이상, 또는 약 30부피% 이상, 또는 약 35부피% 이상, 또는 약 40부피% 이상, 또는 약 45부피% 이상, 또는 약 50부피% 이상, 또는 약 75부피% 이상일 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 고체 산화물 연료 전지의 연료 스트림중 CO2 및/또는 불활성 화합물의 양은 약 90부피% 이하, 예컨대 약 75부피% 이하, 또는 약 60부피% 이하, 또는 약 50부피% 이하, 또는 약 40부피% 이하, 또는 약 35부피% 이하일 수 있다.In some embodiments, a solid oxide fuel cell can be used to treat a feed fuel stream, such as a natural gas and / or hydrocarbon stream, having a low energy content due to the presence of a diluent compound. For example, some sources of methane and / or natural gas are sources that can contain significant amounts of CO 2 or other inert molecules (e.g., nitrogen, argon or helium). Due to the presence of increasing amounts of CO 2 and / or inert compounds, the energy content of the fuel stream based on the source can be reduced. There may be difficulties in using a fuel with a low energy content in the combustion reaction (e.g., to provide power to a turbine that is powered by combustion). However, solid oxide fuel cells can generate power based on a fuel source with a low energy content, with little or no effect on the efficiency of the fuel cell. The presence of an additional gas volume may require additional heat to raise the temperature of the fuel to the temperature of the reforming and / or anode reaction. In addition, due to the equilibrium state characteristic of the aqueous gas-phonetic reaction in the fuel cell anode, the presence of additional CO 2 can affect the relative amounts of H 2 and CO present in the anode product. However, inert compounds can only have a direct effect on the reforming and the anode reaction. When present, the amount of CO 2 and / or inert compound in the fuel stream of the solid oxide fuel cell may be greater than about 1 volume%, such as greater than about 2 volume%, or greater than about 5 volume%, or greater than about 10 volume% Or about 15% by volume, or about 20% by volume or more, or about 25% by volume or more, or about 30% by volume or more, or about 35% by volume or more, or about 40% by volume or more, or about 45% About 50% by volume or more, or about 75% by volume or more. Additionally or alternatively, the amount of CO 2 and / or inert compound in the fuel stream of the solid oxide fuel cell may be up to about 90 vol%, such as up to about 75 vol%, or up to about 60 vol%, or up to about 50 vol% Or about 40% by volume, or about 35% by volume or less.

애노드 투입 스트림에 가능한 공급원의 또 다른 예는 정련 및/또는 다른 산업상의 공정 산출 스트림에 상응할 수 있다. 예를 들면, 코크스화는 중질 화합물을 저비등 범위로 전환시키기 위해 다수의 정련에서 통상적인 공정이다. 코크스화는 전형적으로 CO 및 다양한 C1-C4 탄화수소를 비롯한, 실온에서 기체인 다양한 화합물을 함유하는 오프-가스(off-gas)를 생성시킨다. 이 오프-가스를 애노드 투입 스트림의 적어도 일부로서 사용할 수 있다. 분류 또는 다른 정련 공정 동안 발생되는 경질 말단(C1-C4) 같은 다른 정련 오프-가스 스트림이 추가로 또는 다르게는 애노드 투입 스트림에 포함시키는데 적합할 수 있다. 또 다른 적합한 정련 스트림은 추가로 또는 다르게는 H2 및/또는 개질가능한 연료 화합물도 함유하는 CO 또는 CO2 함유 정련 스트림을 포함할 수 있다.Another example of a possible source for the anode input stream may correspond to refining and / or other industrial process output streams. For example, coking is a common process in many refinements to convert heavy compounds into a low-cost range. Coking typically produces an off-gas containing various compounds that are gases at room temperature, including CO and various < RTI ID = 0.0 > C1-C4 < / RTI > hydrocarbons. This off-gas can be used as at least a portion of the anode input stream. Other scouring off-gas streams, such as hard-terminated (C1-C4), generated during sorting or other scouring processes may additionally or alternatively be suitable for inclusion in the anode input stream. Another suitable refining stream may additionally or alternatively comprise a CO or CO 2 -containing refining stream containing H 2 and / or a reformable fuel compound.

애노드 투입물의 다른 가능한 공급원은 추가로 또는 다르게는 물 함량이 높은 스트림을 포함할 수 있다. 예를 들어, 에탄올 플랜트(또는 다른 유형의 발효 공정)로부터의 에탄올 산출 스트림은 최종 증류 전에 상당량의 H2O를 포함할 수 있다. 이러한 H2O는 전형적으로 연료 전지의 작동에 최소한의 영향만을 야기할 수 있다. 그러므로, 알콜(또는 다른 발효 생성물)과 물의 발효 혼합물을 애노드 투입 스트림의 적어도 일부로서 사용할 수 있다.Other possible sources of anode input may additionally or alternatively comprise a stream of high water content. For example, an ethanol output stream from an ethanol plant (or other type of fermentation process) may contain significant amounts of H 2 O prior to final distillation. Such H 2 O can typically only have a minimal impact on the operation of the fuel cell. Therefore, a fermentation mixture of alcohol (or other fermentation product) and water may be used as at least a portion of the anode input stream.

바이오가스, 또는 소화조 가스는 애노드 투입물의 추가적인 또는 다른 가능한 공급원이다. 바이오가스는 주로 메탄과 CO2를 포함할 수 있고, 전형적으로는 유기 물질의 파괴 또는 소화에 의해 생성된다. 혐기성 세균을 이용하여 유기 물질을 소화시키고 바이오가스를 생성시킬 수 있다. 애노드 투입물로서 사용하기 전에, 황-함유 화합물 같은 불순물을 바이오가스로부터 제거할 수 있다.The biogas, or digester gas, is an additional or other possible source of anode input. Biogas can include mainly methane and CO 2 , and is typically produced by destruction or digestion of organic materials. Anaerobic bacteria can be used to digest organic materials and produce biogas. Impurities such as sulfur-containing compounds may be removed from the biogas prior to use as the anode input.

SOFC 애노드로부터의 산출 스트림은 H2O, CO2, CO 및 H2를 포함할 수 있다. 임의적으로는, 애노드 산출 스트림은 또한 추가적인 산출물 성분으로서 공급물 중에 미반응 연료(예컨대, H2 또는 CH4), 또는 불활성 화합물을 가질 수 있다. 개질 반응을 위한 열을 제공하는 연료 공급원으로서 또는 전지를 가열하기 위한 연소 연료로서 이 산출 스트림을 사용하는 대신, 애노드 산출 스트림 상에서 하나 이상의 분리를 수행하여, H2 또는 CO 같은 다른 공정으로의 투입물로서의 기대 가치를 갖는 성분으로부터 CO2를 분리할 수 있다. H2 및/또는 CO를 화학적 합성을 위한 합성 가스로서, 화학적 반응을 위한 수소 공급원으로서, 및/또는 온실 가스 배출이 감소된 연료로서 사용할 수 있다.The output stream from the SOFC anode may contain H 2 O, CO 2 , CO and H 2 . Optionally, the anode output stream may also have unreacted fuel (e.g., H 2 or CH 4 ), or an inert compound in the feed as an additional output component. Instead of using this output stream as the fuel source providing heat for the reforming reaction or as the combustion fuel for heating the cell, one or more separations can be carried out on the anode output stream to provide an effluent stream as an input to another process such as H 2 or CO CO 2 can be separated from the expected value component. H 2 and / or CO may be used as synthesis gas for chemical synthesis, as a hydrogen source, and / or the greenhouse gas emissions are reduced fuel for reaction.

다양한 양태에서, 애노드로부터의 산출 스트림의 조성은 몇 가지 인자에 의해 영향을 받을 수 있다. 애노드 산출물 조성에 영향을 끼칠 수 있는 인자는 애노드로의 투입 스트림의 조성, 연료 전지에 의해 발생되는 전류의 양, 및/또는 애노드의 출구에서의 온도를 포함할 수 있다. 애노드 출구에서의 온도는 수성 가스 전화 반응의 평형상태 특성으로 인해 관련될 수 있다. 전형적인 애노드에서는, 애노드의 벽을 형성하는 플레이트중 하나 이상이 수성 가스 전화 반응을 촉진시키는데 적합할 수 있다. 그 결과, a) 애노드 투입 스트림의 조성을 알고, b) 애노드 투입 스트림중 개질가능한 연료의 개질 정도를 알고, c) 캐쏘드로부터 애노드로 수송되는 산소 이온의 양(발생되는 전류의 양에 상응함)을 알면, 수성 가스 전화 반응의 평형 상수에 기초하여 애노드 산출물의 조성을 결정할 수 있다:In various embodiments, the composition of the output stream from the anode can be influenced by several factors. Factors that can affect the anode output composition may include the composition of the input stream to the anode, the amount of current generated by the fuel cell, and / or the temperature at the outlet of the anode. The temperature at the anode outlet may be related due to the equilibrium state characteristic of the water gas telephone reaction. In a typical anode, one or more of the plates forming the walls of the anode may be suitable for promoting the water gas-phonetic reaction. B) knowing the degree of modification of the reformable fuel in the anode input stream; c) determining the amount of oxygen ions transported from the cathode to the anode (corresponding to the amount of generated current) , The composition of the anode output can be determined based on the equilibrium constant of the water gas conversion reaction:

Keq=[CO2][H2]/[CO][H2O]K eq = [CO 2 ] [H 2 ] / [CO] [H 2 O]

상기 방정식에서, Keq는 소정 온도 및 압력에서 반응의 평형 상수이고, [X]는 성분 X의 분압이다. 수성 가스 전화 반응에 기초하여, 애노드 투입물중 증가된 CO2 농도가 추가적인 CO 형성(H2를 소비하면서)을 야기하는 경향이 있을 수 있는 한편, 증가된 H2O 농도가 추가적인 H2 형성(CO를 소비하면서)을 야기하는 경향이 있을 수 있음을 알 수 있다.In the above equation, K eq is the equilibrium constant of the reaction at a predetermined temperature and pressure, and [X] is the partial pressure of the component X. On the basis of the water gas-phosphating reaction, increased CO 2 concentration in the anode charge may tend to cause additional CO formation (consuming H 2 ), while increased H 2 O concentration causes additional H 2 formation (CO Of the total amount of money spent).

애노드 산출물에서의 조성을 결정하기 위하여, 애노드 투입물의 조성을 출발 지점으로서 사용할 수 있다. 이어서, 애노드 내에서 일어날 수 있는 임의의 개질가능한 연료의 개질 정도를 반영하도록 이 조성을 변화시킬 수 있다. 이러한 개질은 수소 및 CO2 증가 대신 애노드 투입물의 탄화수소 함량을 감소시킬 수 있다. 이어서, 생성되는 전류의 양에 기초하여, 추가적인 H2O 및 CO2대신 애노드 투입물중 H2의 양을 감소시킬 수 있다. 이어서, 수성 가스 전화 반응의 평형 상수에 기초하여 이 조성을 조정함으로써, H2, CO, CO2 및 H2O의 출구 농도를 결정할 수 있다.To determine the composition in the anode output, the composition of the anode input may be used as a starting point. This composition can then be varied to reflect the degree of modification of any reformable fuel that may occur in the anode. Such a modification can reduce the hydrocarbon content of the anode charge instead of increasing the hydrogen and CO 2 . Then, based on the amount of current generated, the amount of H 2 in the anode charge can be reduced instead of the additional H 2 O and CO 2 . The outlet concentration of H 2 , CO, CO 2, and H 2 O can then be determined by adjusting this composition based on the equilibrium constant of the water gas conversion reaction.

다양한 양태에서, SOFC의 작동 온도는 합성 가스 산출물 내에서 H2, CO 및 CO2의 목적하는 비를 획득하도록 선택될 수 있다. 작동 온도는 의도되는 공정에서 이용되기에 적합한 비를 갖는 합성 가스를 발생시키도록 선택될 수 있다. 하나의 양태에서, 작동 온도는 약 700℃ 내지 1200℃일 수 있고, 예를 들어 작동 온도는 약 800℃, 약 900℃, 약 1000℃ 또는 약 1100℃일 수 있다. In various embodiments, the operating temperature of the SOFC may be selected to obtain the desired ratio of H 2 , CO, and CO 2 in the syngas product. The operating temperature may be selected to produce a syngas having a ratio suitable for use in the intended process. In one embodiment, the operating temperature may be between about 700 ° C and 1200 ° C, for example the operating temperature may be about 800 ° C, about 900 ° C, about 1000 ° C, or about 1100 ° C.

임의적으로는, 요구되는 경우, 애노드 산출물중 CO와 H2O를 CO2와 H2로 전환시킨 후, 하나 이상의 수성 가스 전화 반응 스테이지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 보다 저온에서 수성 가스 전화 반응기를 사용하여 애노드 산출물에 존재하는 H2O와 CO를 H2와 CO2로 전환시킴으로써, 애노드 산출물에 존재하는 H2의 양을 증가시킬 수 있다. SOFC가 약 700℃ 내지 1200℃에서 작동될 수 있기 때문에, 후속 공정에 사용하기 위해 애노드 산출물을 냉각시킬 때 수성 가스 전화 반응을 돕는 것이 특히 바람직할 수 있다. 다르게는, 온도를 높이고 수성 가스 전화 반응을 유보시켜 H2와 CO2로부터 더 많은 CO와 H2O를 생성시킬 수 있다. 물은 애노드에서 발생되는 반응의 예상되는 산출물이고, 따라서 애노드 산출물은 전형적으로는 애노드 산출물에 존재하는 CO의 양에 비해 과량의 H2O를 가질 수 있다. 다르게는, 애노드에서 나간 후에, 그러나 수성 가스 전화 반응 전에, H2O를 스트림에 첨가할 수 있다. CO는 개질 동안 불완전한 탄소 전환으로 인해 및/또는 개질 조건 또는 애노드 반응 동안 존재하는 조건하에서 H2O, CO, H2 및 CO2 사이의 평형상태 균형 반응(즉, 수성 가스 전화 평형상태)으로 인해 애노드 산출물에 존재할 수 있다. 수성 가스 전화 반응기는 평형상태를 CO와 H2O를 희생하여 CO2와 H2를 형성시키는 방향으로 이끌어가는 조건하에서 작동될 수 있다. 더욱 고온은 CO와 H2O의 형성에 바람직한 경향이 있을 수 있다. 그러므로, 수성 가스 전화 반응기를 작동시키는 한 옵션은 적합한 온도, 예를 들어 약 190℃ 내지 약 210℃에서 애노드 산출 스트림을 적합한 촉매, 예를 들어 산화철, 산화아연, 산화아연 상의 구리 등을 비롯한 촉매에 노출시키는 것일 수 있다. 임의적으로는, 수성 가스 전화 반응기는 애노드 산출 스트림중 CO 농도를 감소시키기 위한 2개의 스테이지, 즉 약 300℃ 내지 약 375℃에서 작동되는 제 1의 고온 스테이지, 및 약 225℃ 이하, 예컨대 약 180℃ 내지 약 210℃에서 작동되는 제 2의 저온 스테이지를 포함할 수 있다. 애노드 산출물에 존재하는 H2의 양을 증가시킴에 덧붙여, 수성 가스 전화 반응은 추가로 또는 다르게는 CO를 희생시켜 CO2의 양을 증가시킬 수 있다. 이는 제거하기 어려운 일산화탄소(CO)를 이산화탄소와 교환할 수 있는데, 이산화탄소는 응축(예컨대, 극저온 제거), 화학 반응(예컨대, 아민 제거) 및/또는 다른 CO2 제거 방법에 의해 더욱 용이하게 제거될 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 목적하는 H2 대 CO의 비를 획득하기 위하여 애노드 배기 가스에 존재하는 CO의 양을 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. Optionally, if desired, one or more aqueous gas-phased reaction stages may be provided after conversion of CO and H 2 O in the anode product to CO 2 and H 2 . For example, the amount of H 2 present in the anode product can be increased by converting H 2 O and CO present in the anode product to H 2 and CO 2 using a water gas-catalyzed reactor at a lower temperature. Since the SOFC can be operated at about 700 ° C to 1200 ° C, it may be particularly desirable to assist the water gas-phonetic reaction when cooling the anode product for use in subsequent processes. Alternatively, more CO and H 2 O can be generated from H 2 and CO 2 by increasing the temperature and reserving the water gas-phonetic reaction. Water is an expected output of the reaction occurring in the anode, and thus the anode output typically can have an excess of H 2 O relative to the amount of CO present in the anode product. Alternatively, H 2 O can be added to the stream after exiting the anode, but before the water gas-phonetic reaction. CO is due to an equilibrium state equilibrium reaction between H 2 O, CO, H 2 and CO 2 (ie, water gas equilibrium state) due to incomplete carbon conversion during the reforming and / or under the conditions present during the reforming conditions or the anode reaction May be present in the anode product. The water gas telephone reactor can be operated under conditions that lead to equilibrium in the direction of forming CO 2 and H 2 at the expense of CO and H 2 O. Higher temperatures may have a favorable tendency to form CO and H 2 O. Thus, one option for operating the water gas telephone reactor is to add an anode output stream at a suitable temperature, for example, from about 190 ° C to about 210 ° C, to a catalyst including a suitable catalyst, such as iron oxide, zinc oxide, It can be exposed. Optionally, the water gas-telephone reactor is equipped with two stages for reducing the CO concentration in the anode output stream, namely a first high temperature stage operating at about 300 ° C to about 375 ° C, and a second high temperature stage at about 225 ° C or lower, Lt; 0 > C to about 210 < 0 > C. In addition to increasing the amount of H 2 present in the anode effluent, the water gas-phonetic reaction can additionally or alternatively increase the amount of CO 2 at the expense of CO 2 . This can be exchanged with carbon dioxide, the hard carbon monoxide (CO) to remove carbon dioxide can be more readily removed by condensation (e.g., cryogenic removal), chemical reaction (e.g., amine removed) and / or other CO 2 removal have. Add or otherwise include, and to increase the amount of CO present in the anode exhaust gas may be desirable in order to obtain the desired ratio of H 2 to CO dae.

임의적인 수성 가스 전화 반응 스테이지를 통과시킨 후, 애노드 산출 스트림으로부터 물 및/또는 CO2를 제거하기 위한 하나 이상의 분리 스테이지에 애노드 산출물을 통과시킬 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 방법을 개별적으로 또는 함께 이용하여 애노드 산출물 상에서 CO2 분리를 수행함으로써 하나 이상의 CO2 산출 스트림을 형성시킬 수 있다. 이러한 방법을 이용하여, 90부피% 이상, 예를 들어 95부피% 이상 또는 98부피% 이상의 CO2 함량을 갖는 CO2 산출 스트림(들)을 생성시킬 수 있다. 이러한 방법은 애노드 산출물의 CO2 함량의 약 70% 이상, 예를 들어 애노드 산출물의 CO2 함량의 약 80% 이상, 또는 약 90% 이상을 회수할 수 있다. 다르게는, 몇몇 양태에서는, 애노드 산출 스트림 내에서 CO2의 적어도 일부만을 회수하는 것이 바람직할 수 있는데, 회수되는 CO2 부분은 애노드 산출물중 CO2의 약 33% 내지 약 90%, 예를 들어 약 40% 이상, 또는 약 50% 이상이다. 예를 들면, 후속 수성 가스 전화 스테이지에서 목적하는 조성이 달성될 수 있도록 애노드 산출 유동에 일부 CO2를 보유하는 것이 바람직할 수 있다. 적합한 분리 방법은 물리적 용매[예를 들어, 셀렉솔(Selexol)™ 또는 렉티솔(Rectisol)™]; 아민 또는 다른 염기(예를 들어, MEA 또는 MDEA); 동결(예를 들어, 극저온 분리); 압력 변동 흡착; 진공 변동 흡착; 및 이들의 조합의 이용을 포함할 수 있다. 극저온 CO2 분리기가 적합한 분리기의 일례일 수 있다. 애노드 산출물이 냉각됨에 따라, 애노드 산출물중 물의 대부분이 응축된 (액체) 상으로서 분리될 수 있다. 물이 고갈된 애노드 산출 유동을 추가로 냉각 및/또는 가압하면 고순도 CO2를 분리시킬 수 있는데, 왜냐하면 애노드 산출 유동의 다른 잔류 성분(예컨대, H2, N2, CH4)은 응축된 상을 용이하게 형성하지 않는 경향이 있기 때문이다. 극저온 CO2 분리기는 작동 조건에 따라 유동에 존재하는 CO2의 약 33% 내지 약 90%를 회수할 수 있다. After passing through an optional aqueous gas-phased reaction stage, the anode product can be passed to one or more separation stages for removing water and / or CO 2 from the anode output stream. For example, one or more CO 2 output streams can be formed by performing CO 2 separation on the anode output using one or more methods, either separately or together. Using this method, it is possible to produce a 90% by volume or more, for instance 95 vol% or 98 vol% or more of CO 2 output stream having a CO 2 content (s). This method can save more than 70% of the CO 2 content of the anode outputs, for example, about 80% of the CO 2 content of the anode outputs, or at least about 90% or more. Alternatively, in some embodiments, it may be desirable to recover at least a portion of the CO 2 in the anode output stream, wherein the recovered CO 2 portion is from about 33% to about 90% of the CO 2 in the anode product, 40% or more, or about 50% or more. For example, it may be desirable to have some CO 2 in the anode output stream so that the desired composition can be achieved in a subsequent aqueous gas telephone stage. Suitable separation methods include, but are not limited to, physical solvents (e.g., Selexol ™ or Rectisol ™); Amine or other base (e.g., MEA or MDEA); Freezing (e. G., Cryogenic separation); Pressure swing adsorption; Vacuum swing adsorption; And combinations of these. A cryogenic CO 2 separator may be an example of a suitable separator. As the anode product cools, most of the water in the anode product can be separated as a condensed (liquid) phase. Additional cooling and / or pressurization of the water-depleted anode output stream can separate high purity CO 2 , since other residual components of the anode output flow (eg, H 2 , N 2 , CH 4 ) It tends not to be easily formed. The cryogenic CO 2 separator can recover from about 33% to about 90% of the CO 2 present in the flow depending on operating conditions.

CO2 분리 전에, CO2 분리 동안 또는 CO2 분리를 수행한 후에, 애노드 배기 가스로부터 물을 제거하여 하나 이상의 물 산출 스트림을 형성하는 것이 또한 유리할 수 있다. 애노드 산출물중 물의 양은 선택되는 작동 조건에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 애노드 입구에서 확립된 수증기 대 탄소 비는 애노드 배기 가스중 물 함량에 영향을 끼칠 수 있는데, 높은 수증기 대 탄소 비는 전형적으로 미반응인 채로 및/또는 애노드에서 수성 가스 전화 평형으로 인해 반응한 채로 애노드를 통과할 수 있는 물을 다량 생성시킨다. 양태에 따라, 애노드 배기 가스중 물 함량은 애노드 배기 가스의 부피의 약 30% 이상에 상응할 수 있다. 또한 또는 다르게는, 물 함량은 애노드 배기 가스의 부피의 약 80% 이하일 수 있다. 압축 및/또는 생성되는 응축으로 인한 냉각에 의해 이러한 물을 제거할 수 있으나, 이러한 물의 제거는 추가의 압축기 전력 및/또는 열교환 표면적 및 과도한 냉각수를 필요로 할 수 있다. 이 과량의 물의 일부를 제거하는 한 가지 유리한 방법은, 애노드 공급물에 추가적인 물을 제공하기 위하여, 다습한 애노드 유출물로부터 습기를 포획할 수 있고 건조 애노드 공급물 가스를 이용하여 '재생'될 수 있는 흡착제 상의 사용에 기초할 수 있다. HVAC-스타일(가열, 통기 및 공기 컨디셔닝) 흡착 휠 디자인을 적용할 수 있는데, 왜나하면 애노드 배기 가스 및 입구는 압력 면에서 유사할 수 있고, 하나의 스트림으로부터 다른 스트림으로의 미소한 누출은 전체 공정에 최소한의 영향을 가질 수 있기 때문이다. 극저온 공정을 이용하여 CO2 제거를 수행하는 실시양태에서는, 트라이에틸렌글라이콜(TEG) 시스템 및/또는 건조제에 의한 제거를 비롯한, CO2 제거 전 또는 동안의 물의 제거가 바람직할 수 있다. 대조적으로, CO2 제거에 아민 세척을 이용하는 경우에는, CO2 제거 스테이지보다 공정상 뒤에서 애노드 배기 가스로부터 물을 제거할 수 있다.Before CO 2 separation, during or after performing a separate CO 2 CO 2 separation, to removing water from the anode exhaust gas to form one or more output streams of water may also be advantageous. The amount of water in the anode effluent may vary depending on the operating conditions selected. For example, the water vapor-to-carbon ratio established at the anode inlet can affect the water content in the anode exhaust, since high water vapor-to-carbon ratios are typically unreacted and / or due to water gas equilibrium at the anode Thereby generating a large amount of water that can pass through the anode while being reacted. According to an embodiment, the water content in the anode exhaust gas may correspond to at least about 30% of the volume of the anode exhaust gas. Alternatively or in addition, the water content can be about 80% or less of the volume of the anode exhaust gas. Such water can be removed by cooling due to condensation that is compressed and / or produced, but removal of such water may require additional compressor power and / or heat exchange surface area and excess cooling water. One advantageous way of removing a portion of this excess water is to capture moisture from the humid anode effluent and to be " regenerated " using dry anode feed gas to provide additional water to the anode feed Lt; RTI ID = 0.0 > adsorbent. ≪ / RTI > HVAC-style (heating, venting and air conditioning) adsorption wheel designs can be applied because the anode exhaust gas and inlet can be similar in pressure and the minute leaks from one stream to the other stream Because it can have a minimal impact on. In embodiments where CO 2 removal is performed using a cryogenic process, removal of water prior to or during CO 2 removal, including removal by a triethylene glycol (TEG) system and / or a desiccant, may be desirable. In contrast, in the case of using an amine wash to remove CO 2, the process can be later than the CO 2 removal stage to remove the water from the anode exhaust gas.

CO2 산출 스트림 및/또는 물 산출 스트림과는 달리 또는 그에 덧붙여, 애노드 산출물을 사용하여 목적하는 화합물 또는 연료 생성물을 함유하는 하나 이상의 생성물 스트림을 형성시킬 수 있다. 이러한 생성물 스트림 또는 스트림들은 합성 가스 스트림, 수소 스트림, 또는 합성 가스 생성물과 수소 생성물 스트림 둘 다에 상응할 수 있다. 예를 들어, 약 70부피% 이상의 H2, 예를 들어 약 90부피% 이상의 H2 또는 약 95부피% 이상의 H2를 함유하는 수소 생성물 스트림을 형성시킬 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 합쳐서 약 70부피% 이상의 H2와 CO, 예를 들어 약 90부피%의 H2와 CO를 함유하는 합성 가스 스트림을 형성시킬 수 있다. 하나 이상의 생성물 스트림은 애노드 산출물중 합쳐진 H2와 CO 기체 부피의 약 75부피% 이상, 예를 들어 합쳐진 H2와 CO 기체 부피의 약 85% 이상 또는 약 90% 이상에 상응하는 기체 부피를 가질 수 있다. 생성물 스트림중 H2와 CO의 상대적인 양은 생성물 사이에서 전환시키기 위한 수성 가스 전화 반응 스테이지의 사용에 기초한 애노드 산출물 중의 H2 대 CO 비와 상이할 수 있음에 주목한다. Unlike or in addition to the CO 2 output stream and / or the water output stream, the anode output can be used to form one or more product streams containing the desired compound or fuel product. These product streams or streams may correspond to a syngas stream, a hydrogen stream, or both a syngas product and a hydrogen product stream. For example, a hydrogen product stream may be formed that contains at least about 70 vol% H 2 , such as at least about 90 vol% H 2 or at least about 95 vol% H 2 . Additionally or alternatively, a syngas stream containing a total of about 70% by volume of H 2 and CO, for example about 90% by volume of H 2 and CO, can be formed. The at least one product stream may have a gas volume corresponding to at least about 75% by volume of the combined H 2 and CO gas volumes in the anode product, such as at least about 85% or about 90% of the combined H 2 and CO gas volumes have. It is noted that the relative amounts of H 2 and CO in the product stream may differ from the H 2 to CO ratio in the anode product based on the use of a water gas conversion stage to convert between products.

일부 양태에서는, 애노드 산출물에 존재하는 H2의 일부를 제거 또는 분리하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 일부 양태에서 애노드 배기 가스중 H2 대 CO 비는 약 3.0:1 이상일 수 있다. 대조적으로, 피셔-트롭쉬 합성 같은 합성 가스를 사용하는 공정은 2:1에 근접하는 비 같은 상이한 비로 H2와 CO를 소비할 수 있다. 한 가지 대안은 수성 가스 전화 반응을 이용하여 목적하는 합성 가스 조성에 더욱 근접한 H2 대 CO 비를 갖도록 애노드 산출물의 함량을 변화시키는 것일 수 있다. 다른 대안은 막 분리를 이용하여 목적하는 H2 대 CO 비를 획득하도록 애노드 산출물에 존재하는 H2의 일부를 제거하거나, 또는 다르게는 막 분리와 수성 가스 전화 반응의 조합을 이용하는 것일 수 있다. 애노드 산출물에서 H2의 일부만을 제거하는데 막 분리를 이용하는 한 가지 이점은 비교적 온화한 조건 하에서 목적하는 분리를 수행할 수 있는 것일 수 있다. 한 가지 목적이 여전히 상당한 H2 함량을 갖는 보유물(retentate)을 생성시키는 것일 수 있기 때문에, 극심한 조건을 필요로 하지 않으면서 막 분리에 의해 고순도 수소의 투과물(permeate)을 생성시킬 수 있다. 예를 들면, 막의 투과물 측에 약 100kPa 이하(예컨대, 주위 압력)의 압력을 갖기보다는, 막 분리를 수행하기에 충분한 구동력을 여전히 가지면서 투과물 측이 주위 압력보다는 승압에 있을 수 있다. 추가적으로 또는 다르게는, 메탄 같은 스윕(sweep) 가스를 사용하여 막 분리를 위한 구동력을 제공할 수 있다. 이는 H2 투과물 스트림의 순도를 감소시킬 수 있으나, 투과물 스트림의 목적하는 용도에 따라 유리할 수 있다. In some embodiments, it may be desirable to remove or separate a portion of the H 2 present in the anode product. For example, in some embodiments, the H 2 to CO ratio in the anode exhaust gas may be greater than about 3.0: 1. In contrast, processes using syngas such as Fischer-Tropsch synthesis can consume H 2 and CO at different ratios, such as a ratio close to 2: 1. One alternative could be to use a water gas-to-gas conversion to change the content of the anode output to have a H 2 to CO ratio that is closer to the desired syngas composition. Another alternative could be to use membrane separation to remove a portion of the H 2 present in the anode product to obtain the desired H 2 to CO ratio, or alternatively to utilize a combination of membrane separation and water gas-phonetic reaction. One advantage of using membrane separation to remove only a portion of the H 2 in the anode output may be that it is capable of performing the desired separation under relatively mild conditions. Pure hydrogen permeate can be produced by membrane separation without the need for extreme conditions, since one objective may still be to produce a retentate with a substantial H 2 content. For example, rather than having a pressure of about 100 kPa or less (e.g., ambient pressure) on the permeate side of the membrane, the permeate side may be at pressurization rather than ambient pressure while still having sufficient driving force to perform membrane separation. Additionally or alternatively, a sweep gas such as methane may be used to provide a driving force for membrane separation. This may reduce the purity of the H 2 permeate stream, but may be advantageous depending on the intended use of the permeate stream.

본 발명의 다양한 양태에서는, 애노드 배기 가스 스트림의 적어도 일부(바람직하게는 CO2 및/또는 H2O의 분리 후)를 연료 전지 외부의 공정 및 수반되는 개질 스테이지의 공급물로서 사용할 수 있다. 다양한 양태에서, 애노드 배기 가스는 약 1.5:1 내지 약 10:1, 예를 들어 약 3.0:1 이상, 또는 약 4.0:1 이상, 또는 약 5.0:1 이상의 H2 대 CO의 비를 가질 수 있다. 애노드 배기 가스로부터 합성 가스 스트림을 발생시키거나 회수할 수 있다. 임의적으로는 CO2 및/또는 H2O의 분리 후, 또한 임의적으로는 수성 가스 전화 반응 및/또는 막 분리를 수행하여 과량의 수소를 제거한 후, 애노드 배기 가스는 상당량의 H2 및/또는 CO를 함유하는 스트림에 상응할 수 있다. H2 대 CO의 비가 약 3:1 이상인 스트림 같은 비교적 낮은 CO 함량을 갖는 스트림의 경우에는, 애노드 배기 가스가 H2 공급물로 사용하기에 적합할 수 있다. H2 공급물로부터의 이점을 취할 수 있는 공정의 예는 정련 공정, 암모니아 합성 플랜트, 또는 (상이한) 발전 시스템에서의 터빈, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니다. 용도에 따라, 더 낮은 CO2 함량이 바람직할 수 있다. 약 2.2:1 미만이고 약 1.9:1보다 큰 H2 대 CO 비를 갖는 스트림의 경우, 스트림은 합성 가스 공급물로 사용하기에 적합할 수 있다. 합성 가스 공급물의 이점을 취할 수 있는 공정의 예는 가스 액화 연료 플랜트(예를 들어, 비-형태 변환 촉매를 갖는 피셔-트롭쉬 공정을 이용하는 플랜트) 및/또는 메탄올 합성 플랜트를 포함할 수 있으나, 이들로 한정되지는 않는다. 외부 공정의 공급물로서 사용되는 애노드 배기 가스의 양은 임의의 편리한 양일 수 있다. 임의적으로는, 애노드 배기 가스중 일부를 외부 공정의 공급물로서 사용하는 경우, 애노드 배기 가스의 제 2 부분을 애노드 투입물로 재순환시키고/시키거나 연소에 의해 전력을 얻는 발전기의 연소 대역으로 재순환시킬 수 있다.In various embodiments of the present invention, at least a portion of the anode exhaust gas stream (preferably after separation of CO 2 and / or H 2 O) may be used as a process external to the fuel cell and as a feed to the subsequent reforming stage. In various embodiments, the anode exhaust gas may have a ratio of H 2 to CO of at least about 1.5: 1 to about 10: 1, such as at least about 3.0: 1, or at least about 4.0: 1, or at least about 5.0: . A syngas stream can be generated or recovered from the anode exhaust gas. Optionally, after separation of CO 2 and / or H 2 O and optionally also water gas-phonetic reaction and / or membrane separation to remove excess hydrogen, the anode exhaust gas contains a significant amount of H 2 and / or CO ≪ / RTI > In the case of a stream having a relatively low CO content, such as a stream having a H 2 to CO ratio of about 3: 1 or greater, the anode exhaust gas may be suitable for use as an H 2 feed. Examples of processes that can take advantage of H 2 feeds include, but are not limited to, a refining process, an ammonia synthesis plant, a turbine in a (different) power generation system, or a combination thereof. Depending on the application, lower CO 2 content may be desirable. In the case of a stream having a H 2 to CO ratio of less than about 2.2: 1 and greater than about 1.9: 1, the stream may be suitable for use as a syngas feed. Examples of processes that can take advantage of syngas feeds include gas liquefied fuel plants (e.g., plants that use a Fischer-Tropsch process with a non-conversion catalyst) and / or methanol synthesis plants, But are not limited thereto. The amount of anode exhaust gas used as a feed for the external process may be any convenient amount. Optionally, if some of the anode exhaust is used as a feed for an external process, it may be recycled to the combustion zone of a generator that recycles the second portion of the anode exhaust gas to the anode charge and / have.

상이한 유형의 피셔-트롭쉬 합성 공정에 유용한 투입 스트림은 애노드 산출물로부터 생성시키는 것이 바람직할 수 있는 상이한 유형의 생성물 스트림의 일례를 제공할 수 있다. 철-계 촉매 같은 형태 변환 촉매를 사용하는 피셔-트롭쉬 합성 반응 시스템에서, 반응 시스템으로의 목적하는 투입 스트림은 H2와 CO에 덧붙여 CO2를 포함할 수 있다. 충분한 양의 CO2가 투입 스트림에 존재하지 않는 경우에는, 수성 가스 전화 활성을 갖는 피셔-트롭쉬 촉매가 추가적인 CO2를 생성시키기 위하여 CO를 소비함으로써 CO가 부족할 수 있는 합성 가스를 생성시킬 수 있다. 이러한 피셔-트롭쉬 공정을 SOFC 연료 전지와 통합시키기 위하여, 합성 가스 생성물중 CO2(및 임의적으로는 H2O)의 목적하는 양을 유지시키도록 애노드 산출물의 분리 스테이지를 작동시킬 수 있다. 대조적으로, 비-형태 변환 촉매에 기초한 피셔-트롭쉬 촉매의 경우에는, 생성물 스트림에 존재하는 임의의 CO2가 피셔-트롭쉬 반응 시스템에서 불활성 성분으로서의 역할을 할 수 있다. A feed stream useful in different types of Fischer-Tropsch synthesis processes can provide an example of a different type of product stream that may be desired to be produced from the anode product. In a Fischer-Tropsch synthesis reaction system using a morphology catalyst such as an iron-based catalyst, the desired feed stream to the reaction system may include CO 2 in addition to H 2 and CO. If a sufficient amount of CO 2 is not present in the feed stream, the Fischer-Tropsch catalyst with water gas-phos- phoretic activity can produce a syngas that may be lacking in CO by consuming CO to produce additional CO 2 . In order to integrate this Fischer-Tropsch process with the SOFC fuel cell, the separation stage of the anode product can be operated to maintain the desired amount of CO 2 (and optionally H 2 O) in the syngas product. In contrast, in the case of a Fischer-Tropsch catalyst based on a non-transformed catalyst, any CO 2 present in the product stream can serve as an inert component in the Fischer-Tropsch reaction system.

메탄 스윕 가스 같은 스윕 가스로 막을 스윕핑하는 양태에서, 메탄 스윕 가스는 애노드 연료로서 또는 보일러, 로, 가스 터빈 또는 다른 연료-소비 장치 같은 상이한 저압 공정에서 사용되는 메탄 스트림에 상응할 수 있다. 이러한 양태에서, 막을 가로지르는 낮은 CO2 투과 수준은 최소한의 결과를 가질 수 있다. 막을 가로질러 투과될 수 있는 이러한 CO2는 애노드 내에서의 반응에 최소한의 효과를 가질 수 있으며, 이러한 CO2는 애노드 생성물에 함유된 채로 유지될 수 있다. 그러므로, 투과로 인해 막을 가로질러 손실된 CO2(존재하는 경우)는 SOFC 전해질을 가로질러 다시 전달될 필요가 없다. 이는 수소 투과 막에서의 분리 선택성 조건을 크게 감소시킬 수 있다. 이는 예를 들어 더 낮은 선택성을 갖는 더 높은 투과성의 막을 사용할 수 있게 하며, 이는 더 낮은 압력 및/또는 감소된 막 표면적을 이용할 수 있게 할 수 있다. 본 발명의 이러한 양태에서, 스윕 가스의 부피는 애노드 배기 가스중 수소 부피의 몇 배일 수 있고, 이는 투과물 측 상의 유효 수소 농도를 0에 가깝게 유지하도록 할 수 있다. 이렇게 분리된 수소를 터빈-공급되는 막 내에 혼입시킬 수 있으며, 여기에서 이는 상기 기재된 바와 같이 터빈 연소 특징을 향상시킬 수 있다.In embodiments where the membrane is swept with a sweep gas such as a methane sweep gas, the methane sweep gas may correspond to the methane stream used as an anode fuel or in a different low pressure process such as a boiler, furnace, gas turbine or other fuel-consuming device. In this embodiment, low CO 2 permeation levels across the membrane can have minimal results. Such CO 2, which may be permeated across the membrane, may have minimal effect on the reaction in the anode, and such CO 2 may remain retained in the anode product. Therefore, CO 2 (if present) lost across the membrane due to permeation need not be passed back across the SOFC electrolyte. This can greatly reduce the separation selectivity condition in the hydrogen permeable membrane. This makes it possible, for example, to use a higher permeability membrane with lower selectivity, which makes it possible to utilize lower pressure and / or reduced membrane surface area. In this aspect of the invention, the volume of the sweep gas can be several times the volume of hydrogen in the anode exhaust gas, which can keep the effective hydrogen concentration on the permeate side close to zero. The thus separated hydrogen can be incorporated into the turbine-fed membrane, which can improve the turbine combustion characteristics as described above.

애노드에서 생성된 과량의 H2는 온실 가스가 이미 분리된 연료를 나타낼 수 있음에 주목한다. 애노드 산출물중 임의의 CO2는 예를 들어 아민 세척, 극저온 CO2 분리기 및/또는 압력 또는 진공 변동 흡착 공정을 이용함으로써 애노드 산출물로부터 용이하게 분리될 수 있다. 애노드 산출물의 성분중 몇 가지(H2, CO, CH4)는 용이하게 제거되지 않는데 반해, CO2 및 H2O는 통상 용이하게 제거될 수 있다. 실시양태에 따라, 애노드 산출물중 CO2의 약 90부피% 이상이 분리되어 비교적 고순도 CO2 산출 스트림을 형성시킬 수 있다. 그러므로, 애노드에서 발생된 임의의 CO2를 효율적으로 분리하여 고순도 CO2 산출 스트림을 형성할 수 있다. 분리 후, 애노드 산출물의 나머지 부분은 주로 화학적 가치 및/또는 열량값을 갖는 성분뿐만 아니라 감소된 양의 CO2 및/또는 H2O에 상응할 수 있다. 원래 연료(개질 전)에 의해 발생된 CO2의 상당량이 분리되었을 수 있기 때문에, 애노드 산출물의 나머지 부분의 후속 연소에 의해 발생되는 CO2의 양이 감소될 수 있다. 특히, 애노드 산출물의 나머지 부분의 연료가 H2인 한도까지, 이 연료의 연소에 의해 추가적인 온실 가스가 전형적으로 생성되지 않을 수 있다. Excess H 2 generated at the anode is noted that the number represent a greenhouse gas that is already separated fuel. Any CO 2 from the anode output, for example by using an amine wash, the cryogenic CO 2 separator and / or a pressure or vacuum swing adsorption processes can be easily separated from the anode product. Some of the components (H 2 , CO, CH 4 ) of the anode product are not easily removed, whereas CO 2 and H 2 O can usually be easily removed. According to an embodiment, at least about 90% by volume of CO 2 in the anode effluent can be separated to form a relatively high purity CO 2 output stream. Therefore, any CO 2 generated in the anode can be efficiently separated to form a high purity CO 2 -containing stream. After separation, the remainder of the anode product may correspond to a reduced amount of CO 2 and / or H 2 O, as well as components having predominantly chemical and / or calorific value values. Since a significant amount of CO 2 produced by the original fuel (before reforming) may have been isolated, the amount of CO 2 generated by subsequent combustion of the remainder of the anode output may be reduced. In particular, additional greenhouse gases may not typically be generated by the combustion of this fuel, up to the limit that the fuel of the remainder of the anode output is H 2 .

애노드 배기 가스를, 수성 가스 전화 및 서로로부터의 성분의 분리를 비롯한 다양한 가스 가공 옵션에 적용시킬 수 있다. 두 일반적인 애노드 가공 방법이 도 1 및 도 2에 도시되어 있다.The anode exhaust gas can be applied to a variety of gas processing options including water gas phones and separation of components from each other. Two general anode processing methods are shown in Figures 1 and 2.

도 1은 화학적 합성 공정과 함께 고체 산화물 연료 전지의 연료 전지 어레이를 작동시키기 위한 반응 시스템의 일례를 개략적으로 도시한다. 도 1에서는, 연료 전지 어레이에서 연료 전지 스택의 일부인 연료 전지 같은 연료 전지(120)의 애노드(127)에 수반되는 개질 스테이지(또는 스테이지들)(110)에 연료 스트림(105)을 공급한다. 연료 전지(120)에 수반되는 개질 스테이지(110)는 연료 전지 어셈블리 내부에 있을 수 있다. 일부 임의적인 양태에서는, 외부 개질 스테이지(도시되지 않음)를 또한 사용하여, 투입 스트림이 연료 전지 어셈블리 내로 통과하기 전에 투입 스트림중 개질가능한 연료의 일부를 개질시킬 수 있다. 연료 스트림(105)은 바람직하게는 메탄, 다른 탄화수소 및/또는 다른 탄화수소 같은 화합물(예컨대, 탄소-수소 결합을 함유하는 유기 화합물) 등의 개질가능한 연료를 포함할 수 있다. 연료 스트림(105)은 또한 임의적으로는 임의적인 애노드 재순환 스트림(185)에 의해 제공되는 H2 및/또는 CO 같은 H2 및/또는 CO를 함유할 수 있다. 애노드 재순환 스트림(185)은 임의적이고, 다수의 양태에서 애노드 배기 가스(125)로부터 애노드(127)로 직접적으로 또는 연료 스트림(105) 또는 개질된 연료 스트림(115)과의 조합을 통해 간접적으로 재순환되는 스트림이 제공되지 않음에 주목한다. 개질 후, 개질된 연료 스트림(115)을 연료 전지(120)의 애노드(127) 내로 통과시킬 수 있다. O2-함유 스트림(119)을 또한 캐쏘드(129) 내로 통과시킬 수 있다. 연료 전지의 캐쏘드 부분(129)으로부터의 산소 이온(122) O2 2-의 유동은 애노드 연료 전지 반응에 필요한 나머지 반응물을 제공할 수 있다. 애노드(127)에서의 반응에 기초하여, 생성되는 애노드 배기 가스(125)는 H2O, 불완전하게 반응한 연료에 상응하는 하나 이상의 성분(H2, CO, CH4, 또는 개질가능한 연료에 상응하는 다른 성분), 및 임의적으로는 연료 스트림(105)의 일부인 N2 및/또는 다른 오염물질 같은 하나 이상의 추가적인 비반응성 성분을 포함할 수 있다. 이어서, 애노드 배기 가스(125)를 하나 이상의 분리 스테이지 내로 통과시킬 수 있다. 예를 들면, CO2 제거 스테이지(140)는 극저온 CO2 제거 시스템, CO2 같은 산 기체를 제거하기 위한 아민 세척 스테이지, 또는 애노드 배기 가스로부터 CO2 산출 스트림(143)을 분리하기 위한 다른 적합한 유형의 CO2 분리 스테이지에 상응할 수 있다. 임의적으로는, 애노드 배기 가스를 먼저 수성 가스 전화 반응기(130)를 통과시켜, 애노드 배기 가스에 존재하는 임의의 CO(일부 H2O와 함께)를 임의적으로는 수성 가스 전화된 애노드 배기 가스(135)에서 CO2 및 H2로 전환시킬 수 있다. CO2 제거 스테이지의 특성에 따라, 애노드 배기 가스로부터 물 산출 스트림(153)을 제거하는데 물 응축 또는 제거 스테이지(150)가 바람직할 수 있다. 도 1에는 CO2 분리 스테이지(140)보다 공정상 뒤에 도시되어 있으나, 이는 임의적으로는 대신 CO2 분리 스테이지(140)보다 공정상 앞에 위치할 수 있다. 또한, H2를 분리하기 위한 임의적인 막 분리 스테이지(160)를 이용하여 H2의 고순도 투과물 스트림(163)을 생성시킬 수 있다. 이어서, 생성된 보유물 스트림(166)을 화학적 합성 공정으로의 투입물로서 사용할 수 있다. 스트림(166)을 추가로 또는 다르게는 제 2 수성 가스 전화 반응기(131)에서 전화시켜, H2, CO 및 CO2 함량을 상이한 비로 조정함으로써, 화학적 합성 공정에 추가로 사용하기 위한 산출 스트림(168)을 생성시킬 수 있다. 도 1에서는, 애노드 재순환 스트림(185)이 보유물 스트림(166)으로부터 회수되는 것으로 도시되어 있으나, 애노드 재순환 스트림(185)은 또한 또는 다르게는 다양한 분리 스테이지에서 또는 다양한 분리 스테이지 사이에서 다른 편리한 위치로부터 회수될 수 있다. 분리 스테이지 및 전화 반응기(들)는 또한 또는 다르게는 상이한 순서대로 및/또는 병렬 구성으로 구성될 수 있다. 마지막으로, 감소된 O2 함량을 갖는 스트림(139)을 캐쏘드(129)로부터의 산출물로서 생성시킬 수 있다. 간단하게 하기 위하여, 공정에 유용한 압축 및 열 부가/제거의 다양한 스테이지뿐만 아니라 수증기 추가 또는 제거는 도시되지 않는다.Figure 1 schematically illustrates an example of a reaction system for operating a fuel cell array of a solid oxide fuel cell with a chemical synthesis process. 1 supplies a fuel stream 105 to a reforming stage (or stages) 110 that is followed by an anode 127 of a fuel cell 120 such as a fuel cell that is part of the fuel cell stack in a fuel cell array. The reforming stage 110 that accompanies the fuel cell 120 may be inside the fuel cell assembly. In some optional embodiments, an external reforming stage (not shown) may also be used to reform some of the reformable fuel in the input stream before the input stream passes into the fuel cell assembly. The fuel stream 105 may preferably comprise a reformable fuel such as methane, other hydrocarbons and / or other compounds such as hydrocarbons (e.g., organic compounds containing carbon-hydrogen bonds). The fuel stream 105 may also contain H 2 and / or CO, such as H 2 and / or CO, optionally provided by an optional anode recycle stream 185. The anode recycle stream 185 is optional and may in some embodiments be indirectly recirculated from the anode exhaust gas 125 directly to the anode 127 or through a combination of the fuel stream 105 or the reformed fuel stream 115 Lt; / RTI > is not provided. After reforming, the reformed fuel stream 115 may be passed into the anode 127 of the fuel cell 120. The O 2 -containing stream 119 may also be passed into the cathode 129. Oxygen ions from the cathode portion 129 of the fuel cell 122, the flow of O 2 2- may provide the remaining reactant required for the fuel cell anode reaction. Based on the reaction at the anode 127, the generated anode exhaust gas 125 is converted to H 2 O, one or more components corresponding to the incompletely reacted fuel (H 2 , CO, CH 4 , , And optionally one or more additional non-reactive components such as N 2 and / or other contaminants that are part of the fuel stream 105. The anode exhaust gas 125 may then be passed into one or more separation stages. For example, the CO 2 removal stage 140 may include a cryogenic CO 2 removal system, an amine cleaning stage to remove acid gas, such as CO 2 , or another suitable type for separating the CO 2 output stream 143 from the anode exhaust gas Lt; RTI ID = 0.0 > CO 2 < / RTI > separation stage. Optionally, the anode exhaust gas may first be passed through a water gas-catalyzed reactor 130 to provide any CO (with some H 2 O) present in the anode exhaust gas, optionally an aqueous exhaust gas 135 ) To CO 2 and H 2 . Depending on the nature of the CO 2 removal stage, a water condensation or removal stage 150 may be preferred to remove the water output stream 153 from the anode exhaust gas. Although shown in FIG. 1 behind the CO 2 separation stage 140 in a processable manner, it may optionally be located in front of the CO 2 separation stage 140 in front of the process. In addition, it is possible to use the optional membrane separation stage 160 for separating the H 2 produced a high purity permeate stream 163 of H 2. The resulting retentate stream 166 may then be used as an input to the chemical synthesis process. Stream 166 is additionally or alternatively dialyzed in a second water gas telephony reactor 131 to adjust the H 2 , CO and CO 2 content to different ratios to produce an output stream 168 for further use in the chemical synthesis process Can be generated. Although anode recycle stream 185 is shown as being withdrawn from retentate stream 166 in Figure 1, anode recycle stream 185 may also or alternatively be withdrawn from various convenient stages, Can be recovered. The separation stage and the telephone reactor (s) may also or alternatively be arranged in different orders and / or in a parallel configuration. Finally, a stream 139 having a reduced O 2 content can be generated as an output from the cathode 129. For simplicity, not only the various stages of compression and heat addition / removal useful in the process but also the addition or removal of water vapor are not shown.

상기 나타낸 바와 같이, 애노드 배기 가스 상에서 수행되는 다양한 유형의 분리를 임의의 편리한 순서대로 수행할 수 있다. 도 2는 애노드 배기 가스 상에서 분리를 수행하는 다른 순서의 예를 보여준다. 도 2에서는, 애노드 배기 가스(125)를 먼저, 애노드 배기 가스(125)로부터 수소 함량의 일부(263)를 제거하기 위한 분리 스테이지(260) 내로 통과시킬 수 있다. 이는 예를 들어 애노드 배기 가스의 H2 함량을 감소시켜 2:1에 근접하는 H2 대 CO의 비를 갖는 보유물(266)을 제공할 수 있다. 이어서, 수성 가스 전화 스테이지(230)에서 H2 대 CO의 비를 더 조정하여 목적하는 값을 획득할 수 있다. 이어서, 수성 가스 전화된 산출물(235)을 CO2 분리 스테이지(240) 및 물 제거 스테이지(250)를 통과시켜, 목적하는 화학적 합성 공정으로의 투입물로서 사용하기 적합한 산출 스트림(275)을 생성시킬 수 있다. 임의적으로는, 산출 스트림(275)을 추가적인 수성 가스 전화 스테이지(도시되지 않음)에 노출시킬 수 있다. 산출 스트림(275)의 일부를 임의적으로 애노드 투입물로 재순환시킬 수 있다(도시되지 않음). 물론, 또 다른 분리 스테이지의 조합 및 순서를 이용하여 목적하는 조성을 갖는 애노드 산출물에 기초한 스트림을 생성시킬 수 있다. 간단하게 하기 위하여, 공정에 유용한 압축 및 열 부가/제거의 다양한 스테이지뿐만 아니라 수증기 첨가 또는 제거는 도시되지 않는다.As indicated above, various types of separations performed on the anode exhaust gas may be performed in any convenient order. Figure 2 shows an example of another sequence of performing separation on the anode exhaust gas. In FIG. 2, the anode exhaust gas 125 may first be passed into the separation stage 260 for removing a portion 263 of hydrogen content from the anode exhaust gas 125. This can, for example, reduce the H 2 content of the anode exhaust gas to provide a retentate 266 with a ratio of H 2 to CO close to 2: 1. The ratio of H 2 to CO in the water gas telephone stage 230 can then be further adjusted to obtain the desired value. The water gas product 235 is then passed through a CO 2 separation stage 240 and a water removal stage 250 to produce an output stream 275 suitable for use as the input to the desired chemical synthesis process. have. Optionally, the output stream 275 may be exposed to an additional water gas telephone stage (not shown). A portion of the output stream 275 may optionally be recycled to the anode input (not shown). Of course, another separation stage combination and sequence can be used to generate a stream based on the anode product with the desired composition. For simplicity, not only the various stages of compression and heat addition / removal useful in the process but also steam addition or removal are not shown.

캐쏘드 투입물 및 산출물Cathode inputs and outputs

통상적으로는, 애노드에 전달되는 연료 스트림중 연료의 일부를 소비하면서 목적하는 부하에 기초하여 고체 산화물 연료 전지를 작동시킬 수 있다. 연료 전지의 전압은 부하, 애노드로의 연료 투입물, 캐쏘드에 제공되는 공기 및 O2, 및 연료 전지의 내부 저항에 의해 결정될 수 있다. 애노드 투입 유동과 캐쏘드 투입 유동의 조성 사이의 임의의 직접적인 연결을 제거함으로써, 특히 과량의 합성 가스를 발생시키고/시키거나 연료 전지의 총 효율(전기+화학적 전력)을 개선하기 위하여 연료 전지를 작동시키는데 추가적인 옵션을 이용할 수 있게 된다. Typically, the solid oxide fuel cell can be operated based on the desired load while consuming a portion of the fuel in the fuel stream delivered to the anode. The voltage of the fuel cell can be determined by the load, the fuel input to the anode, the air and O 2 supplied to the cathode, and the internal resistance of the fuel cell. By removing any direct connection between the anode charge flow and the composition of the cathode charge flow, the fuel cell can be operated, in particular, to generate and / or to increase the excess syngas or to improve the total efficiency (electricity + chemical power) Additional options become available.

캐쏘드 투입 스트림에 존재하는 O2의 양은 유리하게는 연료 전지의 캐쏘드 반응에 필요한 산소를 제공하기에 충분할 수 있다. 그러므로, O2의 부피%는 유리하게는 캐쏘드 배기 가스중 O2의 양의 0.5배 이상일 수 있다. 임의적으로는, 필요한 경우, 추가적인 공기를 캐쏘드 투입물에 첨가하여 캐쏘드 반응에 충분한 산화제를 제공할 수 있다. 공기로부터 일부가 산화제로서 사용되는 경우, 캐쏘드 배기 가스중 N2 의 양은 약 78부피% 이상, 예를 들어 약 88부피% 이상, 및/또는 약 95부피% 이하일 수 있다. 일부 양태에서, 캐쏘드 투입 스트림은 추가로 또는 다르게는 통상 오염물질로서 간주되는 화합물(예컨대, H2S 또는 NH3)을 함유할 수 있다. 다른 양태에서는, 캐쏘드 투입 스트림을 세정하여 이러한 오염물질의 함량을 감소시키거나 최소화시킬 수 있다. The amount of O 2 present in the cathode feed stream may advantageously be sufficient to provide the oxygen required for the cathode reaction of the fuel cell. Therefore, the volume percentage of O 2 may advantageously be at least 0.5 times the amount of O 2 in the cathode exhaust gas. Optionally, additional air can be added to the cathode feed, if desired, to provide sufficient oxidant for the cathode reaction. When a portion of the air is used as the oxidizing agent, the amount of N 2 in the cathode exhaust gas may be at least about 78 vol%, such as at least about 88 vol%, and / or at most about 95 vol%. In some embodiments, the cathode input stream may additionally or alternatively contain a compound (e.g., H 2 S or NH 3 ), which is commonly regarded as a contaminant. In another embodiment, the cathode feed stream can be cleaned to reduce or minimize the content of such contaminants.

캐쏘드의 조건은 추가로 또는 다르게는 미연소 탄화수소를 CO2 및 H2O 같은 전형적인 연소 생성로 전환(캐쏘드 투입 스트림중 O2와 함께)시키는데 적합할 수 있다. The conditions of the cathode may additionally or alternatively be adapted to convert the unburned hydrocarbons to typical combustion products such as CO 2 and H 2 O (with O 2 in the cathode feed stream).

연료 전지 배열Fuel cell arrangement

다양한 양태에서는, 연료 전지의 에너지 산출물, 예컨대 총 에너지 산출물, 전기 에너지 산출물, 합성 가스 화학 에너지 산출물 또는 이들의 조합을 개선하거나 최대화하도록 연료 전지 어레이를 작동시킬 수 있다. 예를 들어, 다양한 상황에서, 예를 들어 화합물 합성 플랜트에 사용하기 위한 합성 가스 스트림의 생성 및/또는 고순도 수소 스트림의 생성을 위해, 과량의 개질가능한 연료를 사용하여 고체 산화물 연료 전지를 작동시킬 수 있다. 합성 가스 스트림 및/또는 수소 스트림은 합성 가스 공급원으로서, 수소 공급원으로서, 청정 연료 공급원으로서 및/또는 임의의 다른 편리한 용도에 사용될 수 있다. 이러한 양태에서, 캐쏘드 배기 가스중 O2의 양은 캐쏘드 투입 스트림중 O2의 양 및 연료 전지 에너지 산출물을 개선하거나 최대화하는데 요구되는 작동 조건에서의 O2 이용률에 관련될 수 있다.In various embodiments, the fuel cell array can be operated to improve or maximize the energy output of the fuel cell, such as total energy output, electrical energy output, syngas chemical energy output, or combinations thereof. For example, it is possible to operate a solid oxide fuel cell in a variety of situations, for example for the production of a syngas stream for use in a compound synthesis plant and / or for the production of a high purity hydrogen stream, have. The syngas stream and / or the hydrogen stream may be used as a syngas source, as a hydrogen source, as a clean fuel source, and / or in any other convenient application. In this embodiment, the amount of O 2 in the cathode exhaust gas may be related to the amount of O 2 in the cathode feed stream and the O 2 utilization in the operating conditions required to improve or maximize the fuel cell energy output.

고체 산화물 연료 전지 작동Solid oxide fuel cell operation

하나의 양태에서, SOFC의 작동 온도는 약 700℃ 내지 1200℃일 수 있고, 예를 들면 작동 온도는 약 800℃, 약 900℃, 약 1000℃, 또는 약 1100℃일 수 있다. 한 양태에서, 작동 온도는 애노드 내에서의 WGS 반응을 목적하는 비로 진행시키도록 선택될 수 있다. In one embodiment, the operating temperature of the SOFC may be between about 700 ° C and 1200 ° C, for example, the operating temperature may be about 800 ° C, about 900 ° C, about 1000 ° C, or about 1100 ° C. In one embodiment, the operating temperature may be selected to advance the WGS reaction in the anode to a desired ratio.

일부 양태에서, 연료 전지는 1회 통과 또는 또는 관류 방식으로 작동될 수 있다. 1회 통과 방식에서는, 애노드 배기 가스중 개질된 생성물이 애노드 입구로 복귀되지 않는다. 그러므로, 1회 통과 작동에서는 합성 가스, 수소 또는 애노드 산출물로부터의 몇몇 다른 생성물을 직접 애노드 입구로 재순환시키지 않는다. 더욱 일반적으로, 1회 통과 작동에서는, 예컨대 개질된 생성물을 사용하여 애노드 입구로 후속 도입되는 연료 스트림을 처리함으로써와 같이, 애노드 배기 가스중 개질된 생성물을 애노드 입구로 간접적으로도 복귀시키지 않는다. 1회 통과 방식에서는, 애노드 배기 가스 또는 산출물로부터의 열을 추가로 또는 다르게는 재순환시킬 수 있다. 예를 들어, 애노드 산출 유동을, 애노드 산출물을 냉각시키고 다른 스트림, 예컨대 애노드 및/또는 캐쏘드의 투입 스트림을 가온시키는 열 교환기를 통과시킬 수 있다. 애노드로부터의 열을 연료 전지로 재순환시키는 것은 1회 통과 또는 관류 작동시의 사용에서 일관된다. 임의적으로, 그러나 바람직하지 못하게는, 애노드 산출물의 구성성분을 연소시켜, 1회 통과 방식 동안 연료 전지에 열을 제공할 수 있다.In some embodiments, the fuel cell may be operated in a single pass or perfusion mode. In the one pass system, the reformed product in the anode exhaust gas is not returned to the anode inlet. Therefore, in a single pass operation, some other products from syngas, hydrogen, or an anode product are not recycled directly to the anode inlet. More generally, in one pass operation, the reformed product in the anode exhaust gas is not indirectly returned to the anode inlet, for example, by treating the fuel stream subsequently introduced to the anode inlet using the modified product. In the one-pass mode, the heat from the anode exhaust gas or the product can be recycled, additionally or otherwise. For example, the anode output flow can be passed through a heat exchanger that cools the anode output and warms up an input stream of another stream, such as an anode and / or a cathode. The recirculation of heat from the anode to the fuel cell is consistent in one pass or perfusion operation. Optionally, but undesirably, the components of the anode product may be fired to provide heat to the fuel cell during the single pass mode.

도 3은 전력을 발생시키기 위한 SOFC의 작동의 개략적인 예를 도시한다. 도 3에서, 연료 전지의 애노드 부분은 투입물로서 연료와 수증기(H2O)를 받아들일 수 있고, 물, 및 임의적으로는 과량의 H2, CH4(또는 다른 탄화수소) 및/또는 CO의 산출물을 갖는다. 연료 전지의 캐쏘드 부분은 투입물로서 O2(예컨대, 공기)를 받아들일 수 있고, O2가 고갈된 산화제(공기)에 상응하는 산출물을 갖는다. 연료 전지 내에서는, 캐쏘드 측에서 형성된 O2 2- 이온을 전해질을 가로질러 수송하여, 애노드에서 이루어지는 반응에 필요한 산소 이온을 제공할 수 있다.Figure 3 shows a schematic example of the operation of an SOFC for generating power. In Figure 3, the anode portion of the fuel cell as the inputs can receive fuel and water vapor (H 2 O), water, and optionally an excess of H 2, CH 4 (or other hydrocarbon) and / or the output of the CO Respectively. The cathode portion of the fuel cell can accept O 2 (e.g., air) as an input and has an output corresponding to an oxidant (air) depleted in O 2 . In the fuel cell, O 2 2- ions formed at the cathode side can be transported across the electrolyte to provide oxygen ions necessary for the reaction at the anode.

도 3에 도시된 예시적인 연료 전지 같은 고체 산화물 연료 전지 내에서 몇 가지 반응이 이루어질 수 있다. 개질 반응은 임의적일 수 있고, 충분한 H2가 애노드에 직접 제공된다면 개질 반응이 감소되거나 제거될 수 있다. 하기 반응은 CH4에 기초한 것이지만, 다른 연료가 연료 전지에 사용되는 경우 유사한 반응이 일어날 수 있다.Several reactions can be made in a solid oxide fuel cell, such as the exemplary fuel cell shown in FIG. The reforming reaction may be arbitrary and the reforming reaction may be reduced or eliminated if sufficient H 2 is provided directly to the anode. To the reaction but is based on CH 4, a similar reaction can take place when the other fuel is used in a fuel cell.

(1) <애노드 개질> CH4+H2O=>3H2+CO(1) <Anode modification> CH 4 + H 2 O => 3H 2 + CO

(2) <수성 가스 전화> CO+H2O=>H2+CO2 (2) <water gas phone> CO + H 2 O => H 2 + CO 2

(3) <복합 개질 및 수성 가스 전화> CH4+2H2O=>4H2+CO2 (3) <Complex Modification and Water Gas Telephone> CH 4 + 2H 2 O => 4H 2 + CO 2

(4) <애노드 H2 산화> H2+O2 2-=>H2O+2e- (4) <Anode H 2 oxidation> H 2 + O 2 2- => H 2 O + 2e -

(5) <캐쏘드> ½O2+2e-=>O2 2- (5) <Cathode> ½O 2 + 2e - => O 2 2-

반응 (1)은 연료 전지의 애노드에 사용하기 위한 H2를 발생시키는 기본 탄화수소 개질 반응을 나타낸다. 반응 (1)에서 생성된 CO를 수성 가스 전화 반응 (2)에 의해 H2로 전환시킬 수 있다. 반응 (1)과 (2)의 결합이 반응 (3)으로 보여진다. 반응 (1)과 (2)는 연료 전지 외부에서 일어날 수 있고/있거나 개질은 애노드 내부에서 수행될 수 있다.Reaction (1) represents a basic hydrocarbon reforming reaction that generates H 2 for use in an anode of a fuel cell. The CO produced in reaction (1) can be converted to H 2 by water gas-catalyzed reaction (2). The combination of reactions (1) and (2) is shown as reaction (3). Reactions (1) and (2) may occur outside the fuel cell and / or the reforming may be performed within the anode.

각각 애노드 및 캐쏘드에서의 반응 (4) 및 (5)는 연료 전지 내에서 전력을 발생시킬 수 있는 반응을 나타낸다. 반응 (4)는 공급물에 존재하거나 또는 임의적으로 반응 (1) 및/또는 (2)에 의해 발생되는 H2를 산소 이온과 결합시켜 H2O 및 회로로의 전자를 형성시킨다. 반응 (5)는 O2 및 회로로부터의 전자를 결합시켜 산소 이온을 생성시킨다. 반응 (5)에 의해 생성된 산소 이온을 연료 전지의 전해질을 가로질러 수송하여 반응 (4)에 필요한 산소 이온을 제공할 수 있다. 전해질을 가로지르는 산소 이온의 수송과 함께, 애노드와 캐쏘드 사이에 전기적 연결을 제공함으로써, 폐쇄된 전류 루프를 형성시킬 수 있다.Reactions (4) and (5) in the anodes and cathodes, respectively, indicate reactions that can generate power in the fuel cell. Reaction (4) combines H 2 generated by reactions (1) and / or (2) in the feed or optionally with oxygen ions to form H 2 O and electrons to the circuit. Reaction (5) combines the electrons from O 2 and the circuit to produce oxygen ions. The oxygen ions produced by the reaction (5) can be transported across the electrolyte of the fuel cell to provide the oxygen ions necessary for the reaction (4). With the transport of oxygen ions across the electrolyte, a closed current loop can be formed by providing an electrical connection between the anode and the cathode.

다양한 실시양태에서, 연료 전지 작동의 목적은 연료 전지의 총 효율 및/또는 연료 전지와 통합된 화학적 합성 공정의 총 효율을 개선하는 것일 수 있다. 이는 전형적으로 발전을 위해 전지에 제공되는 연료를 사용하기 위하여 높은 전기 효율로 연료 전지를 작동시키는 것이 목적일 수 있는 연료 전지의 종래의 작동과 대조된다. 상기 정의된 바와 같이, 연료 전지의 전기 산출물과 연료 전지 산출물의 저위 발열량의 합을 연료 전지의 투입물 성분의 저위 발열량으로 나눔으로써 총 연료 전지 효율을 결정할 수 있다. 달리 말해, TFCE=(LHV(el)+LHV(sg out))/LHV(in)이며, 이 때 LHV(in) 및 LHV(sg out)은 각각 연료 전지에 전달된 연료 성분(예컨대, H2, CH4 및/또는 CO) 및 애노드 출구 스트림 또는 유동의 합성 가스(H2, CO 및/또는 CO2)의 LHV를 말한다. 이는 연료 전지 및/또는 통합된 화학적 공정에 의해 발생되는 전기 에너지와 화학 에너지의 합의 척도를 제공할 수 있다. 총 효율의 이러한 정의 하에서, 연료 전지 내에서 사용되고/되거나 통합된 연료 전지/화학적 합성 시스템에서 사용되는 열 에너지는 총 효율에 기여할 수 있음에 주목한다. 그러나, 연료 전지 또는 통합된 연료 전지/화학적 합성 시스템으로부터 교환되거나 달리 회수되는 임의의 과량의 열은 이 정의에서 제외된다. 그러므로, 예컨대 증기 터빈에 의한 발전을 위해 수증기를 생성시키기 위하여 연료 전지로부터 과량의 열을 사용하는 경우, 이러한 과량의 열은 총 효율의 정의에서 제외된다.In various embodiments, the purpose of fuel cell operation may be to improve the total efficiency of the fuel cell and / or the total efficiency of the chemical synthesis process integrated with the fuel cell. This is in contrast to the conventional operation of a fuel cell, which may typically be aimed at operating the fuel cell with high electrical efficiency to use the fuel provided to the cell for power generation. As defined above, the total fuel cell efficiency can be determined by dividing the sum of the electricity generation of the fuel cell and the low calorific value of the fuel cell output by the low calorific value of the input component of the fuel cell. In other words, LHV (in) and LHV (sg out) are the fuel components transferred to the fuel cell (for example, H 2 (in) , CH 4 and / or CO) and the anode means the LHV of the outlet stream flow or synthesis gas (H 2, CO and / or CO 2) of the. This can provide a measure of the sum of electrical and chemical energy generated by the fuel cell and / or the integrated chemical process. It is noted that under this definition of total efficiency, the thermal energy used in fuel cell / chemical synthesis systems used and / or integrated in fuel cells can contribute to total efficiency. However, any excess heat exchanged or otherwise recovered from a fuel cell or an integrated fuel cell / chemical synthesis system is excluded from this definition. Therefore, when excess heat is used from a fuel cell to generate water vapor, for example, for power generation by a steam turbine, this excess heat is excluded from the definition of total efficiency.

몇 가지 작동 매개변수를 조작하여 과량의 개질가능한 연료로 연료 전지를 작동시킬 수 있다. 몇몇 매개변수는 연료 전지 작동에 현재 권장되는 매개변수와 유사할 수 있다. 일부 양태에서, 캐쏘드 조건 및 연료 전지로의 온도 투입물은 문헌에서 권장되는 것과 유사할 수 있다. 예를 들어, 고체 산화물 연료 전지에 통상적인 연료 전지 작동 온도 범위에서 목적하는 전기 효율 및 목적하는 총 연료 전지 효율을 달성할 수 있다. 전형적인 작동시, 온도는 연료 전지를 가로질러 증가될 수 있다.Several operating parameters can be manipulated to operate the fuel cell with an excess of modifiable fuel. Some parameters may be similar to the parameters currently recommended for fuel cell operation. In some embodiments, the cathode conditions and the temperature input to the fuel cell may be similar to those recommended in the literature. For example, the desired electrical efficiency and the desired total fuel cell efficiency can be achieved in a solid oxide fuel cell over a typical fuel cell operating temperature range. In typical operation, the temperature can be increased across the fuel cell.

다른 양태에서는, 연료 전지의 작동 매개변수를 전형적인 조건으로부터 이탈시켜, 온도가 애노드 입구로부터 애노드 출구로 및/또는 캐쏘드 입구로부터 캐쏘드 출구로 감소되도록 연료 전지를 작동시킬 수 있다. 예를 들면, 탄화수소를 H2와 CO로 전환시키는 개질 반응은 흡열 반응이다. 전류를 발생시키는 수소의 산화량에 비해 충분한 양의 개질이 연료 전지 애노드에서 수행되는 경우, 연료 전지에서의 순 열 평형은 흡열성일 수 있다. 이는 연료 전지의 입구와 출구 사이에서 온도 하락을 초래할 수 있다. 흡열성 작동 동안, 연료 전지에서의 온도 하락을 제어하여 연료 전지 내의 전해질이 용융된 상태로 유지되도록 할 수 있다. In another aspect, the operating parameters of the fuel cell may be deviated from typical conditions to operate the fuel cell such that the temperature is reduced from the anode inlet to the anode outlet and / or from the cathode inlet to the cathode outlet. For example, a reforming reaction that converts hydrocarbons to H 2 and CO is an endothermic reaction. The net thermal equilibrium in the fuel cell may be endothermic if a sufficient amount of modification relative to the oxidation amount of hydrogen generating the current is performed in the fuel cell anode. This may result in a temperature drop between the inlet and outlet of the fuel cell. During the endothermic operation, the temperature drop in the fuel cell can be controlled to keep the electrolyte in the fuel cell in a molten state.

현재 권장되는 것과 상이하도록 하는 방식으로 조작될 수 있는 매개변수는 애노드에 제공되는 연료의 양, 애노드에 제공되는 연료의 조성, 및/또는 애노드 배기 가스로부터의 합성 가스의 애노드 투입물 또는 캐쏘드 투입물로의 상당한 재순환이 없는 애노드 산출물중 합성 가스의 분리 및 포획을 포함할 수 있다. 일부 양태에서는, 애노드 배기 가스로부터의 합성 가스 또는 수소를 애노드 투입물 또는 캐쏘드 투입물로 직접 또는 간접적으로 재순환시키지 않을 수 있다. 추가적인 또는 다른 양태에서는, 한정된 양의 재순환이 이루어질 수 있다. 이러한 양태에서, 애노드 배기 가스로부터 애노드 투입물 및/또는 캐쏘드 투입물로 재순환되는 양은 애노드 배기 가스의 약 10부피% 미만, 예컨대 약 5부피% 미만 또는 약 1부피% 미만일 수 있다. The parameters that can be manipulated in such a manner as to differ from those currently recommended are the amount of fuel provided to the anode, the composition of the fuel provided to the anode, and / or the anode charge or cathode charge of the syngas from the anode exhaust The separation and capture of syngas in the anode effluent without significant recycle of the synthesis gas. In some embodiments, the syngas or hydrogen from the anode exhaust may not be directly or indirectly recycled to the anode input or the cathode input. In additional or other embodiments, a limited amount of recirculation may be achieved. In this embodiment, the amount recycled from the anode exhaust gas to the anode input and / or the cathode input may be less than about 10%, such as less than about 5% or less than about 1% by volume of the anode exhaust gas.

일부 실시양태에서는, 연료 전지(예컨대, 연료 전지 스택)의 단일 스테이지만이 존재할 수 있도록 연료 전지 어레이의 연료 전지를 배열할 수 있다. 이러한 유형의 실시양태에서, 단일 스테이지의 애노드 연료 이용률은 어레이의 애노드 연료 이용률을 나타낼 수 있다. 다른 옵션은 연료 전지 어레이가 다수개의 애노드 스테이지 및 다수개의 캐쏘드 스테이지를 함유할 수 있는 것일 수 있으며, 이 때 각각의 애노드 스테이지는 동일한 범위 내의 연료 이용률을 갖는데, 예를 들면 각각의 애노드 스테이지는 명시된 값의 10% 이내, 예컨대 명시된 값의 5% 이내의 연료 이용률을 갖는다. 또 다른 옵션은 각각의 애노드 스테이지가 명시된 값과 동일한 연료 이용률 또는 소정량 미만만큼 명시된 값보다 낮은 연료 이용률을 갖는 것일 수 있는데, 예를 들어 각각의 애노드 스테이지가 10% 이하만큼, 예컨대 5% 이하만큼 명시된 값보다 더 낮은 값을 갖는다. 예시적인 예로서, 복수개의 애노드 스테이지를 갖는 연료 전지 어레이는 50% 연료 이용률의 약 10% 이내로 각각의 애노드 스테이지를 가질 수 있으며, 이는 각각의 애노드 스테이지가 약 40% 내지 약 60%의 연료 이용률을 갖는데 상응한다. 다른 예로서, 복수개의 스테이지를 갖는 연료 전지 어레이는 약 5% 미만의 최대 편차를 가지면서 60% 애노드 연료 이용률 이하로 각각의 애노드 스테이지를 가질 수 있으며, 이는 각각의 애노드 스테이지가 약 55% 내지 약 60%의 연료 이용률을 갖는데 상응한다. 또 다른 예에서, 연료 전지 어레이중 연료 전지의 하나 이상의 스테이지는 약 30% 내지 약 50%의 연료 이용률로 작동될 수 있으며, 예를 들어 어레이의 복수개의 연료 전지 스테이지가 약 30% 내지 약 50%의 연료 이용률로 작동된다. 더욱 일반적으로, 상기 유형의 임의의 범위는 본원에 규정된 임의의 애노드 연료 이용률 값과 병행될 수 있다.In some embodiments, the fuel cell of the fuel cell array may be arranged such that only a single stage of the fuel cell (e.g., fuel cell stack) may be present. In this type of embodiment, the single-stage anode fuel utilization rate may represent the anode fuel utilization of the array. Another option may be that the fuel cell array may contain a plurality of anode stages and a plurality of cathode stages, wherein each anode stage has the same range of fuel utilization, for example, And has a fuel utilization rate within 10% of the value, for example, within 5% of the specified value. Another option may be that each anode stage has the same fuel utilization rate or a fuel utilization rate that is less than a specified value less than a specified amount, e.g., each anode stage is less than 10%, such as less than 5% It has a lower value than the specified value. As an illustrative example, a fuel cell array having a plurality of anode stages may have a respective anode stage within about 10% of the 50% fuel utilization, since each anode stage has a fuel utilization rate of about 40% to about 60% . As another example, a fuel cell array having a plurality of stages may have each anode stage with a maximum deviation of less than about 5% and less than or equal to 60% anode fuel utilization, with each anode stage having about 55% to about Equivalent to having a fuel utilization rate of 60%. In yet another example, at least one stage of the fuel cell in the fuel cell array may be operated at a fuel utilization rate of from about 30% to about 50%, for example, a plurality of fuel cell stages of the array may be operated at about 30% to about 50% Fuel ratio. More generally, any range of this type may be concurrent with any anode fuel utilization rate value defined herein.

또 다른 추가적인 또는 다른 옵션은 연료 전지 어레이의 모든 연료 전지에 걸쳐 연료 이용률의 전체 평균을 규정하는 것일 수 있다. 다양한 양태에서, 연료 전지 어레이의 연료 이용률의 전체 평균은 약 65% 이하, 예를 들어 약 60% 이하, 약 55% 이하, 약 50% 이하, 또는 약 45% 이하일 수 있다(추가로 또는 다르게는, 연료 전지 어레이의 연료 이용률의 전체 평균은 약 25% 이상, 예컨대 약 30% 이상, 약 35% 이상, 또는 약 40% 이상일 수 있다). 이러한 평균 연료 이용률은, 연료 전지의 어레이가 목적하는 연료 이용률을 충족시키는 한, 임의의 단일 스테이지에 대해 반드시 연료 이용률을 한정할 필요가 없다. Another additional or alternative option may be to define the overall average of fuel utilization across all fuel cells of the fuel cell array. In various embodiments, the overall average of the fuel utilization of the fuel cell array may be less than or equal to about 65%, such as less than or equal to about 60%, less than or equal to about 55%, less than or equal to about 50%, or less than or equal to about 45% , The overall average of the fuel utilization of the fuel cell array may be at least about 25%, such as at least about 30%, at least about 35%, or at least about 40%. This average fuel utilization rate does not necessarily have to limit the fuel utilization rate for any single stage, as long as the array of fuel cells satisfies the desired fuel utilization rate.

포획 후 합성 가스 산출물의 용도Uses of Synthetic Gases after Capture

애노드 산출 스트림 및/또는 캐쏘드 산출 스트림으로부터의 성분을 다양한 목적으로 사용할 수 있다. 하나의 옵션은 상기 기재된 바와 간이 애노드 산출물을 수소의 공급원으로서 사용하는 것일 수 있다. 정련소와 통합되거나 함께 위치하는 SOFC의 경우에는, 수소를 가수소처리 같은 다양한 정련 공정의 수소 공급원으로서 사용할 수 있다. 이러한 수소를 정련소 또는 다른 산업 설비에서 보일러, 로 및/또는 직화식 히터용 연료로서 사용할 수 있고/있거나, 수소를 터빈 같은 발전기용 공급물로서 사용할 수 있다. SOFC 연료 전지로부터의 수소는 가능하게는 연료 전지에 의해 전력을 얻는 차량을 비롯하여 투입물로서 수소를 필요로 하는 다른 유형의 연료 전지용 투입 스트림으로서 추가로 또는 달리 사용될 수 있다. 또 다른 옵션은 SOFC 연료 전지로부터의 산출물로서 발생된 합성 가스를 발효 투입물로서 추가로 또는 달리 사용하는 것일 수 있다. The components from the anode output stream and / or the cathode output stream can be used for a variety of purposes. One option may be to use the simple anode output as described above as a source of hydrogen. For SOFCs that are integrated or co-located with the refinery, hydrogen can be used as a hydrogen source for a variety of refining processes such as hydro-processing. Such hydrogen can be used as fuel for a boiler, furnace and / or flame heater in a refinery or other industrial facility, and / or hydrogen can be used as a feed for a generator such as a turbine. Hydrogen from an SOFC fuel cell may be additionally or otherwise used as an input stream for other types of fuel cells requiring hydrogen as input, possibly including vehicles that obtain power by the fuel cell. Another option may be to additionally or otherwise use the syngas generated as an output from the SOFC fuel cell as a fermentation input.

다른 옵션은 애노드 산출물로서 발생된 합성 가스를 추가로 또는 달리 사용하는 것일 수 있다. 물론, 연료에 기초한 합성 가스가 연료로서 탈 때 여전히 일부 CO2 생성을 야기할 수 있으나, 합성 가스를 연료로서 사용할 수 있다. 다른 양태에서는, 합성 가스 산출 스트림을 화학적 합성 공정용 투입물로서 사용할 수 있다. 한 가지 옵션은 피셔-트롭쉬 유형의 공정, 및/또는 합성 가스 투입물로부터 더 큰 탄화수소 분자가 형성되는 다른 공정에 합성 가스를 추가로 또는 달리 사용하는 것일 수 있다. 다른 옵션은 메탄올 같은 중간체 생성물을 형성시키기 위해 합성 가스를 추가로 또는 달리 사용하는 것일 수 있다. 메탄올을 최종 생성물로서 사용할 수 있으나, 다른 양태에서는 합성 가스로부터 생성된 메탄올을 사용하여 가솔린, 올레핀, 방향족 화합물 및/또는 다른 생성물 같은 더 큰 화합물을 생성시킬 수 있다. 메탄올 합성 공정 및/또는 형태 변환 촉매를 사용하는 피셔-트롭쉬 공정으로의 합성 가스 공급물에 소량의 CO2가 허용될 수 있음에 주목한다. 하이드로포밀화는 합성 가스 투입물을 사용할 수 있는 또 다른 합성 공정의 추가적인 또는 다른 예이다.Another option may be to use additional or different syngas generated as the anode output. Of course, syngas based on fuel may still cause some CO 2 production when burned as fuel, but syngas can be used as fuel. In another embodiment, a syngas output stream may be used as the input for the chemical synthesis process. One option may be to use a Fischer-Tropsch type process, and / or to add or otherwise use syngas to another process in which larger hydrocarbon molecules are formed from the synthesis gas feed. Another option may be to use additional or different syngas to form an intermediate product such as methanol. Methanol can be used as the final product, but in other embodiments, methanol produced from the synthesis gas can be used to produce larger compounds such as gasoline, olefins, aromatics and / or other products. Note that a small amount of CO 2 may be allowed in the synthesis gas feed to the Fischer-Tropsch process using the methanol synthesis process and / or the morphology conversion catalyst. Hydroformylation is an additional or alternative example of another synthesis process in which synthesis gas feeds can be used.

SOFC를 사용하여 합성 가스를 생성시키는데 대한 한 가지 변형은 궁극적인 시장과 상당한 거리가 있는 연안 석유 굴착용 플랫폼 또는 다른 생산 시스템에 의해 회수된 메탄 및/또는 천연 가스를 가공하기 위한 시스템의 일부로서 SOFC 연료 전지를 사용하는 것일 수 있음에 주목한다. 기상 산출물을 유정으로부터 수송하고자 시도하거나, 또는 기상 생성물을 장기간 저장하고자 시도하는 대신에, 유정으로부터의 기상 산출물을 SOFC 연료 전지 어레이로의 투입물로서 사용할 수 있다. 이는 다양한 이점을 야기할 수 있다. 첫째, 연료 전지 어레이로부터 발생된 전력을 플랫폼용 전력 공급원으로서 사용할 수 있다. 추가로, 연료 전지 어레이로부터의 합성 가스 산출물을 생산지에서 피셔-트롭쉬 공정용 투입물로서 사용할 수 있다. 이는 파이프라인, 배 또는 기동차에 의해 생산지로부터 예컨대 육지의 공장 또는 더 큰 터미널로 더욱 용이하게 수송되는 액체 탄화수소 생성물이 형성되도록 할 수 있다.One variation on the use of SOFCs to produce syngas is the use of SOFCs as part of a system for processing methane and / or natural gas recovered by coastal oil drilling platforms or other production systems with considerable distances from the ultimate market. It should be noted that fuel cells may be used. Instead of attempting to transport the meteorological output from the well, or attempting to store the meteorological product for a long time, the meteorological output from the well can be used as an input to the SOFC fuel cell array. This can lead to various advantages. First, the power generated from the fuel cell array can be used as a power source for the platform. Additionally, the syngas product from the fuel cell array can be used as feed for the Fischer-Tropsch process at the production site. This can lead to the formation of liquid hydrocarbon products that are more easily transported from the production site to, for example, a land plant or larger terminal by pipeline, ship or motor vehicle.

또 다른 통합 옵션은 더욱 고순도의 가열된 질소의 공급원으로서 캐쏘드 산출물을 사용함을 추가로 또는 달리 포함할 수 있다. 캐쏘드 투입물은 흔히 다량의 공기를 포함할 수 있는데, 이는 상당량의 질소가 캐쏘드 투입물에 포함될 수 있음을 의미한다. 연료 전지는 전해질을 가로질러 캐쏘드로부터 애노드로 O2를 수송하고, 캐쏘드 산출물은 더 낮은 농도의 O2, 따라서 공기에서 발견되는 것보다 더 높은 농도의 N2를 가질 수 있다. 잔류 O2의 후속 제거와 함께, 암모니아, 또는 다른 질소-함유 화합물(예컨대, 우레아, 질산암모늄, 및/또는 질산)을 생성시키기 위한 투입물로서 이 질소 산출물을 사용할 수 있다. 우레아 합성에는 애노드 산출물로부터 분리된 CO2를 투입 공급물로서 추가로 또는 달리 사용할 수 있음에 주목한다.Another integration option may additionally or otherwise include the use of cathode artifacts as a source of higher purity heated nitrogen. Cathode inputs can often contain large amounts of air, which means that a significant amount of nitrogen can be included in the cathode input. The fuel cell transports O 2 from the cathode to the anode across the electrolyte and the cathode product can have a higher concentration of N 2 than that found in the lower concentration of O 2 and hence in the air. With subsequent removal of residual O 2 , this nitrogen product can be used as an input to produce ammonia, or other nitrogen-containing compounds (e.g., urea, ammonium nitrate, and / or nitric acid). It is noted that the urea synthesis can use CO 2 separated from the anode product as an addition feed or additionally or otherwise.

추가적인 실시양태Additional embodiments

실시양태 1. 애노드 및 캐쏘드를 갖는 고체 산화물 연료 전지를 사용하여 전기, 및 수소 또는 합성 가스를 생성시키는 방법으로서, 개질가능한 연료를 포함하는 연료 스트림을 상기 고체 산화물 연료 전지의 애노드, 고체 산화물 연료 전지의 애노드에 수반되는 개질 스테이지(내부 개질 요소를 포함함), 또는 이들의 조합 내로 도입하고; Embodiment 1. A method of generating electricity and hydrogen or syngas using a solid oxide fuel cell having an anode and a cathode, comprising the steps of supplying a fuel stream comprising a reformable fuel to an anode of the solid oxide fuel cell, A reforming stage (including an internal reforming element) which is accompanied by an anode of the cell, or a combination thereof;

O2를 포함하는 캐쏘드 입구 스트림을 상기 고체 산화물 연료 전지의 캐쏘드 내로 도입하며; Introducing a cathode inlet stream comprising O 2 into the cathode of the solid oxide fuel cell;

상기 고체 산화물 연료 전지 내에서 전기를 발생시키고; Generating electricity in the solid oxide fuel cell;

애노드 배기 가스로부터 H2를 포함하는 기체 스트림, H2와 CO를 포함하는 기체 스트림, 또는 이들의 조합을 회수함A gas stream containing H 2 from the anode exhaust gas, a gas stream containing H 2 and CO, or a combination thereof

을 포함하며, 이때 상기 고체 산화물 연료 전지의 전기 효율이 약 10% 내지 약 50%이고, 상기 고체 산화물 연료 전지의 총 연료 전지 생산성이 약 150mW/cm2 이상인, 방법.Wherein the electrical efficiency of the solid oxide fuel cell is about 10% to about 50%, and the total fuel cell productivity of the solid oxide fuel cell is about 150 mW / cm 2 or more.

실시양태 2. 상기 고체 산화물 연료 전지가 약 0.25 내지 약 1.3, 또는 약 1.15 이하, 또는 약 1.0 이하, 또는 약 0.75 이하의 온도 비에서 전기를 발생시키도록 작동되는, 실시양태 1의 방법.Embodiment 2. The method of Embodiment 1 wherein the solid oxide fuel cell is operated to generate electricity at a temperature ratio of about 0.25 to about 1.3, or about 1.15 or less, or about 1.0 or less, or about 0.75 or less.

실시양태 3. 상기 개질가능한 연료를 포함하는 연료 스트림의 개질가능한 연료 과잉 비가 약 2.0 이상, 또는 약 2.5 이상인, 실시양태 1 또는 실시양태 2의 방법.Embodiment 3. The method of Embodiment 1 or Embodiment 2, wherein the reformable fuel excess ratio of the fuel stream comprising the reformable fuel is at least about 2.0, or at least about 2.5.

실시양태 4. 상기 고체 산화물 연료 전지의 전기 효율이 약 45% 이하, 또는 약 35% 이하인, 실시양태 1 내지 실시양태 3중 어느 한 실시양태의 방법.Embodiment 4. The method of any one of embodiments 1 to 3, wherein the electrical efficiency of the solid oxide fuel cell is less than or equal to about 45%, or less than or equal to about 35%.

실시양태 5. 상기 고체 산화물 연료 전지의 총 연료 전지 효율이 약 65% 이상, 또는 약 70% 이상, 또는 약 75% 이상, 또는 약 80% 이상인, 실시양태 1 내지 실시양태 4중 어느 한 실시양태의 방법.Embodiment 5. The method of any one of Embodiments 1 to 4, wherein the solid oxide fuel cell has a total fuel cell efficiency of at least about 65%, or at least about 70%, or at least about 75%, or at least about 80% Gt;

실시양태 6. 상기 고체 산화물 연료 전지의 총 연료 전지 생산성이 약 150mW/cm2 이상, 또는 약 300mW/cm2 이상, 또는 약 350mW/cm2 이상, 또는 약 800mW/cm2 이하인, 실시양태 1 내지 실시양태 5중 어느 한 실시양태의 방법.6. The exemplary embodiment has a total solid oxide fuel cell of the fuel cell productivity of about 150mW / cm 2 or more, or from about 300mW / cm 2 or more, or from about 350mW / cm 2 or more, or from about 800mW / cm 2 or less, aspects 1 to The method of any one of embodiment &lt; RTI ID = 0.0 &gt; 5.

실시양태 7. 상기 고체 산화물 연료 전지의 총 개질가능한 연료 생산성이 약 75mW/cm2 이상, 또는 약 100mW/cm2 이상, 또는 약 150mW/cm2 이상, 또는 약 200mW/cm2 이상, 또는 약 600mW/cm2 이하인, 실시양태 1 내지 실시양태 6중 어느 한 실시양태의 방법.Embodiment 7. The solid oxide fuel shot fuel reforming possible productivity of about 75mW / cm 2 or more of the cells, or from about 100mW / cm 2 or more, or from about 150mW / cm 2 or more, or from about 200mW / cm 2, or at least about 600mW / cm &lt; 2 &gt;. The method of any one of embodiments 1 to 6,

실시양태 8. 고체 산화물 연료 전지의 애노드, 상기 고체 산화물 연료 전지의 애노드에 수반되는 개질 스테이지(내부 개질 요소 포함), 또는 이들의 조합 내로 도입되는 상기 개질가능한 연료의 개질가능한 수소 함량이, 전기를 발생시키도록 반응하는 수소의 양보다 약 75% 이상, 예컨대 약 100% 이상 더 많은, 실시양태 1 내지 실시양태 7중 어느 한 실시양태의 방법.Embodiment 8. A fuel cell system comprising: a reformable fuel reformable fuel which is introduced into an anode of a solid oxide fuel cell, a reforming stage (including internal reforming elements) followed by an anode of the solid oxide fuel cell, or a combination thereof, Is greater than about 75%, such as greater than about 100% greater than the amount of hydrogen that is reacted to generate hydrogen. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt;

실시양태 9. 상기 연료 스트림이 약 10부피% 이상의 불활성 화합물, 약 10부피% 이상의 CO2, 또는 이들의 조합을 포함하는, 실시양태 1 내지 실시양태 8중 어느 한 실시양태의 방법.Embodiment 9. The method of any one of embodiments 1-8, wherein the fuel stream comprises at least about 10% by volume of an inert compound, at least about 10% by volume of CO 2 , or a combination thereof.

실시양태 10. 상기 연료 전지가 약 0.67V 이하, 또는 약 0.5V 이하의 전압(VA)에서 작동되는, 실시양태 1 내지 실시양태 9중 어느 한 실시양태의 방법.Embodiment 10. The method of any one of embodiments 1 to 9, wherein the fuel cell is operated at a voltage (V A ) of about 0.67 V or less, or about 0.5 V or less.

실시양태 11. 상기 애노드 배기 가스가 약 1.5:1 내지 약 10:1의 H2 대 CO의 비를 갖는, 실시양태 1 내지 실시양태 10중 어느 한 실시양태의 방법.Embodiment 11. The method of any one of embodiments 1 to 10, wherein the anode exhaust gas has a ratio of H 2 to CO of from about 1.5: 1 to about 10: 1.

실시양태 12. 상기 애노드 배기 가스가 약 3.0:1 이상의 H2 대 CO의 비를 갖는, 실시양태 1 내지 실시양태 11중 어느 한 실시양태의 방법.Embodiment 12. The anode exhaust gas is about 3.0: 1 or more exemplary H 2, with a ratio of CO embodiment 1 to embodiment 11, one method of one embodiment of the.

실시양태 13. 상기 고체 산화물 연료 전지가 관상 고체 산화물 연료 전지인, 실시양태 1 내지 실시양태 12중 어느 한 실시양태의 방법.Embodiment 13. The method of any one of Embodiments 1 to 12, wherein said solid oxide fuel cell is a tubular solid oxide fuel cell.

실시양태 14. 상기 고체 산화물 연료 전지가 하나 이상의 통합된 흡열 반응 스테이지를 추가로 포함하는, 실시양태 1 내지 실시양태 13중 어느 한 실시양태의 방법.Embodiment 14. The method of any one of embodiments 1 to 13, wherein the solid oxide fuel cell further comprises at least one integrated endothermic reaction stage.

실시양태 15. 상기 하나 이상의 통합된 흡열 반응 스테이지가 통합된 개질 스테이지를 포함하고, 상기 고체 산화물 연료 전지의 애노드 내로 도입되는 연료 스트림이 상기 고체 산화물 연료 전지의 애노드에 들어가기 전에 통합된 개질 스테이지를 통과하는, 실시양태 14의 방법.15. The method of embodiment 15 wherein the at least one integrated endothermic reaction stage includes an integrated reforming stage wherein the fuel stream introduced into the anode of the solid oxide fuel cell passes through an integrated reforming stage before entering the anode of the solid oxide fuel cell &Lt; / RTI &gt;

실시양태 16. 상기 애노드 출구에서의 온도가 상기 애노드 입구에서의 온도보다 약 40℃ 이하만큼 더 높은, 실시양태 1 내지 실시양태 15중 어느 한 실시양태의 방법.Embodiment 16. The method of any one of embodiments 1-15, wherein the temperature at the anode outlet is higher by about 40 째 C or less than the temperature at the anode inlet.

실시양태 17. 상기 애노드 입구에서의 온도가 상기 애노드 출구에서의 온도와 약 20℃ 이하만큼 상이한, 실시양태 1 내지 실시양태 15중 어느 한 실시양태의 방법.Embodiment 17. The method of any one of embodiments 1 to 15 wherein the temperature at the anode inlet is different from the temperature at the anode outlet by about 20 占 폚 or less.

실시양태 18. 상기 애노드 출구에서의 온도가 상기 애노드 입구에서의 온도보다 약 10℃ 내지 약 80℃만큼 낮은, 실시양태 1 내지 실시양태 15중 어느 한 실시양태의 방법.Embodiment 18. The method of any one of embodiments 1-15, wherein the temperature at the anode outlet is lower than the temperature at the anode inlet by about 10 캜 to about 80 캜.

실시양태 19. 상기 온도 비가 약 0.85 이하이고, 상기 방법이, 연료 전지에 열을 공급하여 상기 애노드 입구에서의 온도보다 약 5℃ 내지 약 50℃만큼 더 낮은 상기 애노드 출구에서의 온도를 유지함을 추가로 포함하는, 실시양태 1 내지 실시양태 15중 어느 한 실시양태의 방법.Embodiment 19. The method of any one of the preceding claims, wherein the temperature ratio is less than or equal to about 0.85, and wherein the method further comprises the step of supplying heat to the fuel cell to maintain the temperature at the anode outlet lower than the temperature at the anode inlet by about 5 & 15. The method of any one of embodiments &lt; RTI ID = 0.0 &gt; 1 &lt; / RTI &gt;

실시양태 20. 상기 방법이 상기 개질가능한 연료를 개질시킴을 추가로 포함하고, 이 때 상기 고체 산화물 연료 전지의 애노드, 상기 고체 산화물 연료 전지의 애노드에 수반되는 개질 스테이지(내부 개질 요소 포함), 또는 이들의 조합 내로 도입되는 상기 개질가능한 연료의 약 90% 이상이 상기 고체 산화물 연료 전지의 애노드를 1회 통과하여 개질되는, 실시양태 1 내지 실시양태 19중 어느 한 실시양태의 방법.Embodiment 20. The method of any one of the preceding claims, further comprising modifying the reformable fuel, wherein the anode of the solid oxide fuel cell, the reforming stage (including internal reforming elements) followed by the anode of the solid oxide fuel cell, The method of any of embodiments 1-9, wherein at least about 90% of the reformable fuel introduced into the combination is reformed through the anode of the solid oxide fuel cell once.

본 발명을 구체적인 실시양태의 면에서 기재하였으나, 이들로 한정되지는 않는다. 특정 조건하에서의 작동에 적합한 변화/변형은 당 업자에게 명백하다. 따라서, 하기 특허청구범위는 본원의 진정한 원리/영역에 속하는 이러한 변화/변형을 모두 포괄하는 것으로 해석되어야 한다.While the invention has been described in terms of specific embodiments, it is not limited thereto. Variations / modifications suitable for operation under specific conditions will be apparent to those skilled in the art. Accordingly, the following claims should be construed as encompassing all such variations / modifications as fall within the true spirit / scope of the present disclosure.

Claims (19)

애노드 및 캐쏘드를 갖는 고체 산화물 연료 전지를 사용하여 전기, 및 수소 또는 합성 가스를 생성시키는 방법으로서,
개질가능한 연료를 포함하는 연료 스트림을 상기 고체 산화물 연료 전지의 애노드, 상기 고체 산화물 연료 전지의 애노드에 수반되는 개질 스테이지(내부 개질 요소를 포함함), 또는 이들의 조합 내로 도입하고;
O2를 포함하는 캐쏘드 입구 스트림을 상기 고체 산화물 연료 전지의 캐쏘드 내로 도입하며;
상기 고체 산화물 연료 전지 내에서 전기를 발생시키고;
애노드 배기 가스로부터 H2를 포함하는 기체 스트림, H2와 CO를 포함하는 기체 스트림, 또는 이들의 조합을 회수함
을 포함하며, 이 때 상기 고체 산화물 연료 전지의 전기 효율이 약 10% 내지 약 50%이고, 고체 산화물 연료 전지의 총 연료 전지 생산성이 약 150mW/cm2 이상인, 방법.
A method of generating electricity and hydrogen or syngas using a solid oxide fuel cell having an anode and a cathode,
Introducing a fuel stream comprising a reformable fuel into an anode of the solid oxide fuel cell, a reforming stage (comprising an internal reforming element) followed by an anode of the solid oxide fuel cell, or a combination thereof;
Introducing a cathode inlet stream comprising O 2 into the cathode of the solid oxide fuel cell;
Generating electricity in the solid oxide fuel cell;
A gas stream containing H 2 from the anode exhaust gas, a gas stream containing H 2 and CO, or a combination thereof
Wherein the electrical efficiency of the solid oxide fuel cell is about 10% to about 50%, and the total fuel cell productivity of the solid oxide fuel cell is about 150 mW / cm 2 or more.
제 1 항에 있어서,
상기 고체 산화물 연료 전지가 약 0.25 내지 약 1.3, 예를 들어 약 1.15 이하, 약 1.0 이하, 또는 약 0.75 이하의 온도 비(thermal ratio)에서 전기를 발생시키도록 작동되는, 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the solid oxide fuel cell is operated to generate electricity at a thermal ratio of about 0.25 to about 1.3, such as less than about 1.15, less than about 1.0, or less than about 0.75.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 개질가능한 연료를 포함하는 연료 스트림의 개질가능한 연료 과잉 비가 약 2.0 이상, 예를 들어 약 2.5 이상인, 방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the reformable fuel excess ratio of the fuel stream comprising the reformable fuel is at least about 2.0, such as at least about 2.5.
제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 고체 산화물 연료 전지의 전기 효율이 약 45% 이하, 예컨대 약 35% 이하인, 방법.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the electrical efficiency of the solid oxide fuel cell is less than or equal to about 45%, such as less than or equal to about 35%.
제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 고체 산화물 연료 전지의 총 연료 전지 효율이 약 65% 이상, 예컨대 약 70% 이상, 약 75% 이상, 또는 약 80% 이상인, 방법.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Wherein the total fuel cell efficiency of the solid oxide fuel cell is at least about 65%, such as at least about 70%, at least about 75%, or at least about 80%.
제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 고체 산화물 연료 전지의 총 연료 전지 생산성이 약 150mW/cm2 이상, 예를 들어 약 300mW/cm2 이상, 약 350mW/cm2 이상, 또는 약 800mW/cm2 이하인, 방법.
6. The method according to any one of claims 1 to 5,
The solid oxide fuel cell of the fuel cell total production of about 150mW / cm 2 or more, for example from about 300mW / cm 2, greater than or equal to about 350mW / cm 2 or more, or from about 800mW / cm 2 or less, the method.
제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 고체 산화물 연료 전지의 총 개질가능한 연료 생산성이 약 75mW/cm2 이상, 예를 들어 약 100mW/cm2 이상, 약 150mW/cm2 이상, 약 200mW/cm2 이상, 또는 약 600mW/cm2 이하인, 방법.
7. The method according to any one of claims 1 to 6,
The solid oxide fuel has a total modified possible fuel productivity of the cell of about 75mW / cm 2 or more, for example from about 100mW / cm 2, greater than or equal to about 150mW / cm 2, greater than or equal to about 200mW / cm 2 or more, or from about 600mW / cm 2 or less , Way.
제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 고체 산화물 연료 전지의 애노드, 상기 고체 산화물 연료 전지의 애노드에 수반되는 개질 스테이지(내부 개질 요소 포함), 또는 이들의 조합 내로 도입되는 상기 개질가능한 연료의 개질가능한 수소 함량이, 전기를 발생시키도록 반응하는 수소의 양보다 약 75% 이상, 예컨대 약 100% 이상 더 많은, 방법.
8. The method according to any one of claims 1 to 7,
Wherein the reformable fuel content of the reformable fuel introduced into the anode of the solid oxide fuel cell, the reforming stage (including internal reforming elements) followed by the anode of the solid oxide fuel cell, or a combination thereof, Greater than or equal to about 75%, such as greater than about 100% greater than the amount of reacting hydrogen.
제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료 스트림이 약 10부피% 이상의 불활성 화합물, 약 10부피% 이상의 CO2, 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법.
9. The method according to any one of claims 1 to 8,
Wherein the fuel stream comprises at least about 10% by volume of an inert compound, at least about 10% by volume of CO 2 , or a combination thereof.
제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료 전지가 약 0.67V 이하, 또는 약 0.5V 이하의 전압(VA)에서 작동되는, 방법.
10. The method according to any one of claims 1 to 9,
Wherein the fuel cell is operated at a voltage (V A ) of about 0.67 V or less, or about 0.5 V or less.
제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 애노드 배기 가스가 약 1.5:1 내지 약 10:1, 예컨대 약 3.0:1 이상의 H2 대 CO의 비를 갖는, 방법.
11. The method according to any one of claims 1 to 10,
The anode exhaust gas is about 1.5: 1 to about 10: 1, such as about 3.0: 1 or more of H 2, the method having the ratio of CO.
제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 고체 산화물 연료 전지가 관상(tubular) 고체 산화물 연료 전지인, 방법.
12. The method according to any one of claims 1 to 11,
Wherein the solid oxide fuel cell is a tubular solid oxide fuel cell.
제 1 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 고체 산화물 연료 전지가 하나 이상의 통합된 흡열 반응 스테이지를 추가로 포함하는, 방법.
13. The method according to any one of claims 1 to 12,
Wherein the solid oxide fuel cell further comprises at least one integrated endothermic reaction stage.
제 13 항에 있어서,
상기 하나 이상의 통합된 흡열 반응 스테이지가 통합된 개질 스테이지를 포함하고, 상기 고체 산화물 연료 전지의 애노드 내로 도입되는 연료 스트림이 상기 고체 산화물 연료 전지의 애노드에 들어가기 전에 상기 통합된 개질 스테이지를 통과하는, 방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the at least one integrated endothermic reaction stage includes an integrated reforming stage and wherein the fuel stream introduced into the anode of the solid oxide fuel cell passes through the integrated reforming stage before entering the anode of the solid oxide fuel cell .
제 1 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 애노드 출구에서의 온도가 상기 애노드 입구에서의 온도보다 약 40℃ 이하만큼 더 높은, 방법.
15. The method according to any one of claims 1 to 14,
Wherein the temperature at the anode outlet is higher than the temperature at the anode inlet by no more than about 40 占 폚.
제 1 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 애노드 입구에서의 온도가 상기 애노드 출구에서의 온도와 약 20℃ 이하만큼 상이한, 방법.
15. The method according to any one of claims 1 to 14,
Wherein the temperature at the anode inlet is different from the temperature at the anode outlet by about 20 DEG C or less.
제 1 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 애노드 출구에서의 온도가 상기 애노드 입구에서의 온도보다 약 10℃ 내지 약 80℃만큼 더 낮은, 방법.
15. The method according to any one of claims 1 to 14,
Wherein the temperature at the anode outlet is lower by about 10 캜 to about 80 캜 than the temperature at the anode inlet.
제 1 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 온도 비가 약 0.85 이하이고,
상기 방법이, 연료 전지에 열을 공급하여 상기 애노드 입구에서의 온도보다 약 5℃ 내지 약 50℃만큼 더 낮은 상기 애노드 출구에서의 온도를 유지함을 추가로 포함하는, 방법.
15. The method according to any one of claims 1 to 14,
Wherein the temperature ratio is about 0.85 or less,
Wherein the method further comprises supplying heat to the fuel cell to maintain a temperature at the anode outlet that is lower than the temperature at the anode inlet by about 5 占 폚 to about 50 占 폚.
제 1 항 내지 제 18 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법이 상기 개질가능한 연료를 개질시킴을 추가로 포함하고, 이 때 상기 고체 산화물 연료 전지의 애노드, 상기 고체 산화물 연료 전지의 애노드에 수반되는 개질 스테이지(내부 개질 요소 포함), 또는 이들의 조합 내로 도입되는 상기 개질가능한 연료의 약 90% 이상이 상기 고체 산화물 연료 전지의 애노드를 1회 통과하여 개질되는, 방법.
19. The method according to any one of claims 1 to 18,
Wherein the method further comprises modifying the reformable fuel, wherein the reforming of the reformable fuel is carried out with the anode of the solid oxide fuel cell, the reforming stage followed by the anode of the solid oxide fuel cell (including internal reforming elements) Wherein at least about 90% of the reformable fuel introduced is reformed once through the anode of the solid oxide fuel cell.
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