KR20160064187A - Cathode combustion for enhanced fuel cell syngas production - Google Patents
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Abstract
용융 카보네이트 연료 전지는, 탄화수소, 수소, 또는 산소와 결합하여 캐쏘드 촉매 표면 상에서 열을 형성하는 다른 기체일 수 있는 연소성 기체를 일정량 함유하는 캐쏘드 입구 스트림을 사용하여 작동된다. 연소성 기체는 캐쏘드 및/또는 캐쏘드와 열 통합되는 스테이지에서 반응할 수 있다. 캐쏘드에서의 연소 반응에 의해 발생되는 열을 사용하여, 연료 전지를 가로질러 여전히 목적하는 온도 구배를 유지하면서, 예컨대 연료 전지의 애노드 부분에서 추가적인 흡열 반응(예를 들어, 개질)이 일어나도록 할 수 있다. 임의적으로는, 예를 들어 캐쏘드에 추가적인 촉매 표면을 도입함으로써, 캐쏘드 내에서 연소를 더 향상시키거나 제어하도록 연료 전지의 캐쏘드를 변경시킬 수 있다. A molten carbonate fuel cell is operated using a cathode inlet stream containing a certain amount of a combustible gas, which may be hydrocarbon, hydrogen, or other gas that combines with oxygen to form heat on the surface of the cathode catalyst. The combustible gas may react at a stage that is thermally integrated with the cathode and / or the cathode. Heat generated by the combustion reaction in the cathode may be used to cause additional endothermic reactions (e.g., reforming) to occur, for example, at the anode portion of the fuel cell, while still maintaining the desired temperature gradient across the fuel cell . Optionally, the cathode of the fuel cell can be altered to further improve or control combustion in the cathode, for example, by introducing an additional catalyst surface to the cathode.
Description
다양한 양태에서, 본 발명은 용융 카보네이트 연료 전지를 작동시키는 방법에 관한 것이다.In various aspects, the present invention is directed to a method of operating a molten carbonate fuel cell.
용융 카보네이트 연료 전지는 수소 및/또는 다른 연료를 사용하여 전기를 발생시킨다. 연료 전지보다 공정상 앞에 있거나 연료 전지 내에 있는 증기 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 포괄할 수 있다. 다르게는 또는 또한, 용융 카보네이트 연료 전지(이는 애노드에서 연료를 개질시키는데 적합한 조건을 형성하도록 작동될 수 있음)의 애노드 셀(cell)에서 연료를 개질시킬 수 있다. 다르게는 또는 또한, 연료 전지 외부 및 내부 둘 다에서 개질이 이루어질 수 있다.Molten carbonate 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 that is either in front of the fuel cell or in the fuel cell. The reformable fuel may include a hydrocarbonaceous material capable of reacting with steam and / or oxygen at elevated temperature and / or pressure to produce a gaseous product comprising hydrogen. Alternatively or additionally, the fuel can be reformed in an anode cell of a molten carbonate fuel cell (which can be operated to form conditions suitable for reforming the fuel at the anode). Alternatively or additionally, reforming can be done both outside and inside the fuel cell.
전통적으로, 용융 카보네이트 연료 전지는 단위 연료 투입물당 전기 생산(이는 연료 전지의 전기 효율로 일컬어질 수 있음)을 최대화하도록 작동된다. 이 최대화는 연료 전지에만 기초하거나 또는 다른 발전 시스템과 함께 연료 전지에 기초할 수 있다. 전기 생산을 증가시키고 열 발생을 관리하기 위하여, 연료 전지 내에서의 연료 이용률을 전형적으로 70% 내지 75%로 유지시킨다. Traditionally, molten carbonate fuel cells are operated to maximize the production of electricity per unit fuel input (which may be referred to as the fuel efficiency of the fuel cell). This maximization may be based only on the fuel cell or on a fuel cell with other power generation systems. To increase electrical production and manage heat generation, the fuel utilization rate in the fuel cell is typically maintained at 70% to 75%.
미국 특허 공보 제 2011/0111315 호는 애노드 입구 스트림에 상당한 수소 함량을 갖는 연료 전지 시스템 및 이 시스템을 작동시키는 방법을 기재한다. '315 호 공보의 기술은 연료가 애노드 출구에 근접할 때 산화 반응에 충분한 연료가 남아있도록 애노드 입구에 충분한 연료를 제공하는데 관련되어 있다. 연료가 적절하도록 하기 위하여, '315 호 공보는 H2 농도가 높은 연료를 제공한다. 산화 반응에 사용되지 않은 H2는 다음 통과시 사용하기 위하여 애노드로 재순환된다. 1회 통과 기준으로, H2 이용률은 10% 내지 30%일 수 있다. '315 호 참조문헌은 애노드 내에서의 상당한 개질을 기재하지 않고, 대신 주로 외부 개질에 의존한다.U.S. Patent Publication No. 2011/0111315 describes a fuel cell system having significant hydrogen content in the anode inlet stream and a method of operating the system. The technique of '315 relates to providing sufficient fuel to the anode inlet so that sufficient fuel remains for the oxidation reaction when the fuel is near the anode outlet. To make the fuel suitable, the '315 provides fuel with high H 2 concentration. H 2 not used for the oxidation reaction is recycled to the anode for use in the next pass. On a one pass basis, the H 2 utilization may be between 10% and 30%. The '315 reference does not describe a significant modification in the anode, but instead mainly depends on the external modification.
미국 특허 공보 제 2005/0123810 호는 수소와 전기 에너지를 동시에 생성시키는 시스템 및 방법을 기재한다. 동시 생산 시스템은 연료 전지 및 분리 단위장치(이는 애노드 배기 가스 스트림을 받아서 수소를 분리하도록 구성됨)를 포함한다. 애노드 배기 가스의 일부는 또한 애노드 입구로 재순환된다. '810 호 공보에 주어진 작동 범위는 고체 산화물 연료 전지에 기초한 것으로 보인다. 용융 카보네이트 연료 전지가 대안으로서 기재되어 있다. 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 (which is configured to receive the anode exhaust gas and separate the hydrogen). A portion of the anode exhaust gas is also recycled to the anode inlet. The operating range given in the '810 publication appears to be based on solid oxide fuel cells. A molten carbonate fuel cell is described as an alternative.
미국 특허 공보 제 2003/0008183 호는 수소 및 전력의 동시 생산을 위한 시스템 및 방법을 기재한다. 연료 전지는 탄화수소-유형의 연료를 수소로 전환시키기 위한 화학적 전환장치의 일반적인 형태로 언급되어 있다. 연료 전지 시스템은 또한 외부 개질기 및 고온 연료 전지를 포함한다. 약 45%의 전기 효율 및 약 25%의 화합물 생산률을 가져서 약 70%의 시스템 동시 생산 효율을 나타내는 연료 전지 시스템의 실시양태가 기재되어 있다. '183 호 공보는 시스템으로부터 단리된 연료 전지의 전기 효율을 기재하지 않은 것으로 보인다.U.S. Patent Publication No. 2003/0008183 describes a system and method for simultaneous production of hydrogen and electric power. Fuel cells are mentioned in the general form of chemical conversion devices for the conversion of hydrocarbon-type fuels to hydrogen. The fuel cell system also includes an external reformer and a high temperature fuel cell. An embodiment of a fuel cell system is described which has an electrical efficiency of about 45% and a compound production rate of about 25%, which shows a system simultaneous production efficiency of about 70%. '183 does not appear to describe the electrical efficiency of the fuel cell isolated from the system.
미국 특허 제 5,084,362 호는 석탄 가스를 연료 전지 애노드의 연료 공급원으로서 사용할 수 있도록 기화 시스템과 연료 전지를 통합하는 시스템을 기재한다. 연료 전지에 의해 발생되는 수소를, 석탄 가스(또는 다른 석탄) 투입물로부터 메탄을 발생시키는데 사용되는 기화기의 투입물로서 사용한다. 이어, 기화기로부터의 메탄을 연료 전지로의 투입 연료의 적어도 일부로서 사용한다. 그러므로, 연료 전지에 의해 발생되는 수소의 적어도 일부가, 기화기에 의해 발생되는 메탄의 형태로, 연료 전지 애노드 입구로 간접적으로 재순환된다. U.S. Patent No. 5,084,362 describes a system that integrates a vaporization system and a fuel cell so that coal gas can be used as a fuel source for the fuel cell anode. Hydrogen generated by a fuel cell is used as an input to a vaporizer used to generate methane from coal gas (or other coal) inputs. Then, methane from the vaporizer is used as at least a part of the fuel injected into the fuel cell. Therefore, at least a portion of the hydrogen generated by the fuel cell is indirectly recirculated to the fuel cell anode inlet in the form of methane generated by the vaporizer.
문헌[Journal of Fuel Cell Science and Technology]의 한 논문[만졸리니(G. Manzolini) 등, J. Fuel Cell Sci. and Tech., Vol. 9, 2012년 2월]은 연소 발전기와 용융 카보네이트 연료 전지를 합친 발전 시스템을 기재한다. 연료 전지의 다양한 배열 및 작동 매개변수가 기재되어 있다. 연소 발전기로부터의 연소 산출물(output)은 부분적으로 연료 전지의 캐쏘드로의 투입물(input)로서 사용된다. 만졸리니 논문에서의 시뮬레이션의 한 가지 목적은 MCFC를 사용하여 발전기의 배기 가스로부터 CO2를 분리하는 것이다. 만졸리니 논문에 기재된 시뮬레이션은 660℃의 최대 출구 온도를 확정하고, 입구 온도는 연료 전지를 가로지르는 온도 증가 때문에 충분히 더 낮아야 한다고 지적한다. 기본 모델에서 MCFC 연료 전지의 전기 효율(즉, 발생된 전기/연료 투입물)은 50%이다. CO2 격리에 최적화된 시험 모델의 경우의 전기 효율도 또한 50%이다. A paper by Journal of Fuel Cell Science and Technology [G. Manzolini et al., J. Fuel Cell Sci. and Tech. , Vol. 9, February 2012] describes a power generation system that combines a combustion generator and a molten carbonate fuel cell. Various arrangements and operating parameters of fuel cells are described. The combustion output from the combustion generator is used, in part, as input to the cathode of the fuel cell. One objective of the simulation in the Manzolini paper is to separate the CO 2 from the generator's exhaust using an MCFC. The simulation described in the Manzolini paper points to a maximum exit temperature of 660 ° C, and the inlet temperature should be sufficiently low due to the temperature increase across the fuel cell. In the base model, the electrical efficiency (ie, generated electricity / fuel input) of the MCFC fuel cell is 50%. The electrical efficiency for a test model optimized for CO 2 sequestration is also 50%.
데시데리(Desideri) 등의 논문[Intl. J. of Hydrogen Energy, Vol. 37, 2012]은 CO2를 분리하기 위해 연료 전지를 사용하는 발전 시스템의 성능을 모델링하는 방법을 기재한다. 애노드 배기 가스를 애노드 입구로 재순환시키고 캐쏘드 배기 가스를 캐쏘드 입구로 재순환시켜, 연료 전지의 성능을 개선한다. 모델 매개변수는 50.3%의 MCFC 전기 효율을 기재한다. Desideri et al . [ Intl. J. of Hydrogen Energy , Vol. 37, 2012] describes a method for modeling the performance of a power generation system using a fuel cell to separate CO 2 . The anode exhaust gas is recycled to the anode inlet and the cathode exhaust gas is recirculated to the cathode inlet to improve the performance of the fuel cell. The model parameter describes the MCFC electrical efficiency of 50.3%.
한 양태에서는, 전기를 생산하는 방법이 제공된다. 이 방법은 개질가능한 연료를 포함하는 애노드 연료 스트림을 용융 카보네이트 연료 전지의 애노드, 용융 카보네이트 연료 전지의 애노드에 수반되는 내부 개질 요소, 또는 이들의 조합 내로 도입하고; CO2, O2, 및 하나 이상의 연료 화합물을 포함하는 캐쏘드 입구 스트림을 용융 카보네이트 연료 전지의 캐쏘드 내로 도입하며; 용융 카보네이트 연료 전지 내에서 전기를 발생시키고; H2, CO 및 CO2를 포함하는 애노드 배기 가스를 발생시키고; 약 1부피% 이상의 O2 및 약 100vppm 이하의 하나 이상의 연료 화합물을 포함하는 캐쏘드 배기 가스를 발생시킴을 포함하며, 이 때 상기 하나 이상의 연료 화합물은 H2, 하나 이상의 탄화수소질 연료 화합물, CO, 또는 이들의 조합을 포함하고, 상기 캐쏘드 입구 스트림 내 하나 이상의 연료 화합물의 농도는 약 0.01부피% 이상이고, 상기 캐쏘드 입구 스트림 내 하나 이상의 연료 화합물의 농도는 연료 전지의 캐쏘드에서의 작동 조건에 있어서의 자연 발화 농도 미만이다.In one aspect, a method of producing electricity is provided. The method includes introducing an anode fuel stream comprising a reformable fuel into an anode of a molten carbonate fuel cell, an internal reforming element followed by an anode of the molten carbonate fuel cell, or a combination thereof; Introducing a cathode inlet stream comprising CO 2 , O 2 , and at least one fuel compound into a cathode of a molten carbonate fuel cell; Generate electricity in the molten carbonate fuel cell; Generating an anode exhaust gas comprising H 2 , CO and CO 2 ; About 1% by volume or more of O 2, and includes a cache Sikkim generating a cathode exhaust gas that contains one or more fuel compound of about 100vppm below, where the one or more fuel compound is H 2, one or more hydrocarbon-quality fuel compound, CO, Or combinations thereof, wherein the concentration of the at least one fuel compound in the cathode inlet stream is at least about 0.01% by volume, and wherein the concentration of the at least one fuel compound in the cathode inlet stream is greater than or equal to the operating condition in the cathode of the fuel cell Is less than the spontaneous ignition concentration in the exhaust gas.
다른 양태에서는, 전기를 생산하는 방법이 제공된다. 이 방법은 개질가능한 연료를 포함하는 애노드 연료 스트림을 용융 카보네이트 연료 전지의 애노드, 용융 카보네이트 연료 전지의 애노드에 수반되는 내부 개질 요소, 또는 이들의 조합 내로 도입하고; CO2, O2, 및 하나 이상의 연료 화합물을 포함하는 캐쏘드 입구 스트림을 용융 카보네이트 연료 전지의 캐쏘드 내로 도입하며; 용융 카보네이트 연료 전지 내에서 전기를 발생시키고; H2, CO 및 CO2를 포함하는 애노드 배기 가스를 발생시키고; 약 1부피% 이상의 O2 및 약 0.01부피%(메틸렌-당량 부피%) 이하의 하나 이상의 연료 화합물을 포함하는 캐쏘드 배기 가스를 발생시킴을 포함하며, 이 때 상기 하나 이상의 연료 화합물은 하나 이상의 방향족 화합물, 5개 이상의 탄소를 갖는 하나 이상의 탄소-함유 연료 화합물, 또는 이들의 조합을 포함하고, 상기 캐쏘드 입구 스트림 내 하나 이상의 연료 화합물은 약 0.02부피% 이상의 메틸렌-당량 부피%(아래에서 정의됨)를 갖고, 상기 캐쏘드 입구 스트림 내 하나 이상의 연료 화합물의 농도는 연료 전지의 캐쏘드에서의 작동 조건에 있어서의 자연 발화 농도 미만이며, 상기 용융 카보네이트 연료 전지의 캐쏘드는 전극 표면 및 부수적인 촉매 표면을 갖고, 상기 부수적인 촉매 표면은 하나 이상의 VIII족 금속을 포함하고, 상기 캐쏘드 배기 가스의 발생은 부수적인 촉매 표면의 존재하에서 하나 이상의 연료 화합물의 적어도 일부를 산화시킴을 포함한다.In another aspect, a method of producing electricity is provided. The method includes introducing an anode fuel stream comprising a reformable fuel into an anode of a molten carbonate fuel cell, an internal reforming element followed by an anode of the molten carbonate fuel cell, or a combination thereof; Introducing a cathode inlet stream comprising CO 2 , O 2 , and at least one fuel compound into a cathode of a molten carbonate fuel cell; Generate electricity in the molten carbonate fuel cell; Generating an anode exhaust gas comprising H 2 , CO and CO 2 ; About 1% by volume or more of O 2 and from about 0.01% by volume (methylene-equivalent volume%) a cache Sikkim generating a cathode exhaust gas that contains one or more fuel The following compounds, where the one or more fuel compound is one or more aromatic At least one carbon-containing fuel compound having at least 5 carbons, or combinations thereof, wherein the at least one fuel compound in the cathode inlet stream comprises at least about 0.02% by volume methylene-equivalent volume (defined below) Wherein the concentration of the at least one fuel compound in the cathode inlet stream is less than the spontaneous concentration in the operating conditions in the cathode of the fuel cell, and the cathode of the molten carbonate fuel cell has an electrode surface and an ancillary catalyst surface Wherein said secondary catalyst surface comprises at least one Group VIII metal, In the presence of the catalytic surface comprises Sikkim at least a portion of the oxidation one or more fuel compound.
또 다른 양태에서는, 용융 카보네이트 연료 전지 시스템이 제공된다. 용융 카보네이트 연료 전지 시스템은 애노드 및 캐쏘드를 갖는 용융 카보네이트 연료 전지를 포함하고, 이 때 상기 캐쏘드는 전극 표면 및 하나 이상의 VIII족 금속을 포함하는 부수적인 촉매 표면을 포함하고, 상기 부수적인 촉매 표면 상의 하나 이상의 VIII족 금속의 농도는 부수적인 촉매 표면의 제 2 영역에서의 하나 이상의 VIII족 금속의 농도에 비해 부수적인 촉매 표면의 제 1 영역에서 더 낮고, 상기 부수적인 촉매 표면의 제 1 영역은 부수적인 촉매 표면의 제 2 영역보다 용융 카보네이트 연료 전지의 캐쏘드의 캐쏘드 입구에 더 가깝다. 임의적으로, 하나 이상의 VIII족 금속은 Ni, Pt, Pd, Co, Rh, Ru, Re, Ir, Fe, 또는 이들의 조합, 바람직하게는 Ni, Co, Fe, Pt, Pd, 또는 이들의 조합을 비롯한 하나 이상을 포함한다. 임의적으로, 부수적인 촉매 표면의 영역은 하나 이상의 VIII족 금속의 지속적으로 증가하는 농도 구배를 포함한다. 일부 양태에서, 부수적인 촉매 표면의 제 1 영역은 하나 이상의 VIII족 금속을 포함하고, 부수적인 촉매 표면의 제 2 영역은 부수적인 촉매 표면의 제 1 영역의 하나 이상의 VIII족 금속과는 상이한 하나 이상의 추가적인 VIII족 금속을 포함한다. 다른 양태에서, 부수적인 촉매 표면의 제 2 영역은 하나 이상의 VIII족 금속을 포함하고, 부수적인 촉매 표면의 제 1 영역은 부수적인 촉매 표면의 제 2 영역의 하나 이상의 VIII족 금속과는 상이한 하나 이상의 추가적인 VIII족 금속을 포함한다.In another aspect, a molten carbonate fuel cell system is provided. A molten carbonate fuel cell system includes a molten carbonate fuel cell having an anode and a cathode, wherein the cathode includes an ancillary catalyst surface comprising an electrode surface and one or more Group VIII metals, wherein the ancillary catalyst surface Wherein the concentration of the at least one Group VIII metal is lower in a first region of the catalyst surface that is incidental to the concentration of the at least one Group VIII metal in the second region of the ancillary catalyst surface and the first region of the ancillary catalyst surface is incidental Is closer to the cathode inlet of the cathode of the molten carbonate fuel cell than the second region of the cathode catalyst surface. Optionally, the at least one Group VIII metal is selected from the group consisting of Ni, Pt, Pd, Co, Rh, Ru, Re, Ir, Fe, or combinations thereof, preferably Ni, Co, Fe, Pt, Pd, Or more. Optionally, the area of the secondary catalyst surface comprises a continuously increasing concentration gradient of one or more Group VIII metals. In some embodiments, the first region of the ancillary catalyst surface comprises at least one Group VIII metal, and the second region of the ancillary catalyst surface is at least one of the at least one Group VIII metal of the first region of the ancillary catalyst surface Additional Group VIII metals. In another embodiment, the second region of the secondary catalyst surface comprises at least one Group VIII metal, and the first region of the secondary catalyst surface is at least one of a group III metal of the second region of the secondary catalyst surface Additional Group VIII metals.
도 1은 용융 카보네이트 연료 전지 및 그에 수반되는 개질 및 분리 스테이지의 구성의 일례를 개략적으로 도시한다.
도 2는 용융 카보네이트 연료 전지 및 그에 수반되는 개질 및 분리 스테이지의 구성의 다른 예를 개략적으로 도시한다.
도 3은 용융 카보네이트 연료 전지의 작동의 일례를 개략적으로 도시한다.1 schematically shows an example of the configuration of a molten carbonate fuel cell and its associated reforming and separation stages.
Fig. 2 schematically shows another example of the configuration of the molten carbonate fuel cell and its accompanying reforming and separation stages.
Figure 3 schematically shows an example of the operation of a molten carbonate fuel cell.
개요summary
다양한 양태에서, 용융 카보네이트 연료 전지는 탄화수소, 수소, 또는 산소와 결합하여 캐쏘드 촉매 표면 상에서 열을 형성하는 다른 기체일 수 있는 연소성 기체를 상당량(non-trivial portion) 함유하는 캐쏘드 입구 스트림을 사용하여 작동된다. 연소성 기체는 캐쏘드 및/또는 캐쏘드와 열 통합되는 스테이지에서 반응할 수 있다. 캐쏘드에서의 연소 반응에 의해 발생되는 열을 사용하여, 연료 전지를 가로질러 여전히 목적하는 온도 구배를 유지하면서, 예컨대 연료 전지의 애노드 부분에서 추가적인 흡열 반응(예를 들어, 개질)이 일어나도록 할 수 있다. 임의적으로는, 예를 들어 캐쏘드에 추가적인 촉매 표면을 도입함으로써, 캐쏘드 내에서 연소를 더 향상시키거나 제어하도록 연료 전지의 캐쏘드를 변경시킬 수 있다. In various embodiments, a molten carbonate fuel cell uses a cathode inlet stream that contains a non-trivial portion of a combustible gas, which may be hydrocarbon, hydrogen, or other gas that combines with oxygen to form heat on the surface of the cathode catalyst . The combustible gas may react at a stage that is thermally integrated with the cathode and / or the cathode. Heat generated by the combustion reaction in the cathode may be used to cause additional endothermic reactions (e.g., reforming) to occur, for example, at the anode portion of the fuel cell, while still maintaining the desired temperature gradient across the fuel cell . Optionally, the cathode of the fuel cell can be altered to further improve or control combustion in the cathode, for example, by introducing an additional catalyst surface to the cathode.
가스 터빈, 내연 기관, 직화식 보일러(fired boiler) 또는 다른 연소 공급원 같은 연소 공급원으로부터 방출되는 탄소의 양을 감소시키거나 최소화하는 한 가지 전략은 연소 공급원을 용융 카보네이트 연료 전지(MCFC)와 통합시키는 것이다. 용융 카보네이트 연료 전지는 연료 전지로의 캐쏘드 입구 유동의 일부로서 연소 공급원으로부터 CO2-함유 배기 가스를 받아들일 수 있다. 캐쏘드 반응의 일부로서, CO2는 연료 전지 전해질을 가로질러 캐쏘드로부터 애노드로 수송될 수 있다. 이는 용융 카보네이트 연료 전지가 연료 전지로부터의 애노드 산출물에 CO2를 농축시키는데 도움을 줄 수 있도록 하며, 이러한 농축은 CO2를 포획하는 것/다른 목적에 맞게 만드는 것을 용이하게 하여 CO2가 대기로 방출되지 않도록 할 수 있다. One strategy to reduce or minimize the amount of carbon released from combustion sources, such as gas turbines, internal combustion engines, fired boilers or other combustion sources, is to integrate combustion sources with molten carbonate fuel cells (MCFC) . The molten carbonate fuel cell may receive the CO 2 -containing exhaust gas from the combustion source as part of the cathode inlet flow to the fuel cell. As part of the cathode reaction, CO 2 can be transported from the cathode to the anode across the fuel cell electrolyte. This allows the molten carbonate fuel cell to help concentrate the CO 2 to the anode output from the fuel cell, and this concentration facilitates capturing the CO 2 for other purposes, thereby releasing CO 2 to the atmosphere .
통상적인 용융 카보네이트 연료 전지 구성에 있어서, 주요한 관심은 연료 전지를 가로지르는 온도 구배를 목적하는 범위 내로 유지하면서 용융 카보네이트 연료 전지를 높은 전기 효율로 작동시키는 것일 수 있다. 종래의 작동 동안의 난제의 일부는 연료 전지 내에서 발생되는 과도한 열 또는 폐열로 인한 연료 전지를 가로지르는 지나치게 높은 온도 구배를 피하는 것일 수 있다. 높은 효율을 위해 용융 카보네이트 연료 전지를 작동시키는 경우, 전형적으로는 높은 효율에서의 순 작동이 발열성이기 때문에 연료 전지에서 허용될 수 있는 최대 온도 상승에 가깝게 전지를 작동시킨다. In a typical molten carbonate fuel cell configuration, the primary concern may be to operate the molten carbonate fuel cell at high electrical efficiency while maintaining the temperature gradient across the fuel cell within the desired range. Some of the challenges during conventional operation may be to avoid excessively high temperature gradients across the fuel cell due to excessive heat or waste heat generated within the fuel cell. When operating a molten carbonate fuel cell for high efficiency, the cell is typically operated close to the maximum temperature rise allowed in the fuel cell because the net operation at high efficiency is exothermic.
용융 카보네이트 연료 전지의 종래의 작동 동안, 캐쏘드 투입 스트림이 캐쏘드에 들어갈 때 존재하는 연소성 기체의 양은 전형적으로 100vppm 미만, 예컨대 약 10vppm 미만일 수 있다. 또한, 연소성 기체는 전형적으로 분자당 비교적 낮은 열량값을 갖는 화합물, 예컨대 H2 또는 CH4에 상응할 수 있다. 이러한 연소성분의 양은 전체 연료 전지 시스템에서의 열 생산과 비교하여 캐쏘드 상에서 산소와 반응할 때 극소량의 열을 생성시킨다. 연소 공급원의 배기 가스로부터 유래되는 캐쏘드 투입 스트림 부분에 있어서, 잔류하는 연소성 물질은 배기 가스가 전형적으로 투입 연료의 실질적인 완전 연소를 달성하는데 최적화된 연소 조건에 이미 노출되었다는 사실을 반영할 수 있다. 몇몇 종래의 구성에서, 캐쏘드 투입 스트림의 일부는 또한 애노드 산출 스트림의 재순환되는 부분에 상응할 수도 있다. 이러한 종래의 구성에서, 애노드 산출 스트림의 재순환되는 부분은 전형적으로 캐쏘드에 들어가기 전에 버너를 통해 통과할 수 있는데, 이는 또한 애노드 산출 스트림 부분의 임의의 연료의 실질적인 완전 연소를 달성할 수 있다. During conventional operation of a molten carbonate fuel cell, the amount of combustible gas present when the cathode input stream enters the cathode may typically be less than 100 vppm, such as less than about 10 vppm. In addition, the combustible gas may typically correspond to a compound having a relatively low calorific value per molecule, such as H 2 or CH 4 . The amount of this combustion component produces very little heat when reacting with oxygen on the cathode as compared to the heat production in the entire fuel cell system. In the portion of the cathode input stream derived from the exhaust gas of the combustion source, the remaining combustible material may reflect the fact that the exhaust gas has already been exposed to combustion conditions optimized to achieve substantially complete combustion of the input fuel. In some conventional arrangements, a portion of the cathode input stream may also correspond to the recirculated portion of the anode output stream. In this conventional configuration, the recirculated portion of the anode output stream typically can pass through the burner before entering the cathode, which can also achieve substantial complete combustion of any fuel of the anode output stream portion.
용융 카보네이트 연료 전지를 종래 방식으로 작동시키는 대신, 하나 이상의 연료 화합물 같은 연소성 물질을 포함하는 캐쏘드 투입 스트림을 사용하여 용융 카보네이트 연료 전지를 작동시킬 수 있다. 연료 화합물은 CO, H2, CH4, 연소될 수 있는 다른 탄화수소 및/또는 탄화수소질 화합물, 또는 연소(산화)되어 열을 발생시킬 수 있는 다른 화합물에 상응할 수 있다. 일부 양태에서, 캐쏘드 입구 스트림은 CO, H2 및/또는 CH4에 상응하는 연료 화합물을 포함할 수 있다. 다른 양태에서, 캐쏘드 입구 스트림은 H2 및/또는 4개 이하의 탄소 원자를 갖는 탄소-함유 연료 화합물을 함유할 수 있다. 또 다른 양태에서, 캐쏘드 입구 스트림중 연료 화합물 부분은 방향족 화합물, 또는 5개 이상의 탄소 원자를 갖는 탄소-함유 화합물, 또는 이들의 조합에 상응할 수 있다. Instead of operating the molten carbonate fuel cell in a conventional manner, a molten carbonate fuel cell may be operated using a cathode input stream comprising a combustible material such as one or more fuel compounds. The fuel compound may correspond to CO, H 2 , CH 4 , other hydrocarbon and / or hydrocarbonaceous compounds that may be combusted, or other compounds that can be burned (oxidized) to generate heat. In some embodiments, the cathode inlet streams may include a fuel compound corresponding to CO, H 2 and / or CH 4. In another embodiment, the cathode inlet stream may contain H 2 and / or carbon-containing fuel compounds having up to four carbon atoms. In another embodiment, the fuel compound portion in the cathode inlet stream may correspond to an aromatic compound, or a carbon-containing compound having five or more carbon atoms, or a combination thereof.
캐쏘드 입구 스트림중 연소성 물질의 양은 다양한 방식으로 특징화될 수 있다. 하나의 옵션은 전체 연소성 물질의 부피%를 이용하는 것일 수 있다. 다른 옵션은 연소성 물질에 존재하는 탄소의 수 및/또는 중질 원자의 수에 기초한 연소성 물질의 부피%를 칭량하는 것일 수 있다. 후자의 옵션은 수소 및 증류물 비등 범위 분자 같은 화합물 사이의 열량값의 차이에 기인할 수 있다. 둘 다 캐쏘드 입구에서의 온도에서 비슷한 부피를 점유하는 기체로서 존재하지만, 증류물 비등 범위 분자의 열량값이 상당히 더 크다.The amount of combustible material in the cathode inlet stream can be characterized in various ways. One option may be to use the volume percent of the total combustible material. Another option may be to weigh the volume percent of combustible material based on the number of carbons present in the combustible material and / or the number of heavy atoms. The latter option may be due to differences in calorific values between compounds such as hydrogen and distillate boiling range molecules. Both exist as gases occupying similar volumes at the temperature at the cathode inlet, but the calorific value of the distillate boiling range molecules is significantly greater.
예를 들어, 하나의 옵션은 약 0.01부피% 이상, 또는 약 0.02부피% 이상, 또는 약 0.03부피% 이상, 또는 약 0.05부피% 이상, 또는 약 0.1부피% 이상, 또는 약 0.25부피% 이상, 또는 약 0.5부피% 이상, 또는 약 1.0부피% 이상, 또는 약 1.5부피% 이상, 또는 약 2.0부피% 이상, 또는 약 2.5부피% 이상, 또는 3.0부피% 이상의 하나 이상의 연료 화합물을 함유하는(하한으로서) 캐쏘드 입구 스트림을 사용하는 것일 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 캐쏘드 입구 스트림은 약 5.0부피% 이하, 또는 약 4.0부피% 이하, 또는 약 3.5부피% 이하, 또는 약 3.0부피% 이하, 또는 약 2.5부피% 이상의 하나 이상의 연료 화합물을 함유할 수 있다(상한으로서). 캐쏘드 입구 스트림 내 하나 이상의 연료 화합물의 양에 대한 각 하한은 캐쏘드 입구 스트림 내 하나 이상의 연료 화합물의 양에 대한 각 상한과 함께 명백하게 고려된다. 연소성 물질의 양에 대한 상한은 변할 수 있으나, 캐쏘드에서의 조건 하에서 캐쏘드 입구 스트림의 자연 발화를 허용하는 농도 미만이어야 한다(화합물의 조성에 따라 수 부피% 정도로). For example, one option may be at least about 0.01 vol%, or at least about 0.02 vol%, or at least about 0.03 vol%, or at least about 0.05 vol%, or at least about 0.1 vol%, or at least about 0.25 vol% (As a lower limit) containing at least about 0.5 volume percent, or at least about 1.0 volume percent, or at least about 1.5 volume percent, or at least about 2.0 volume percent, or at least about 2.5 volume percent, or at least 3.0 volume percent, It may be to use a cathode inlet stream. Additionally or alternatively, the cathode inlet stream may contain no more than about 5.0 vol%, or no more than about 4.0 vol%, or no more than about 3.5 vol%, or no more than about 3.0 vol%, or at least about 2.5 vol% (As upper limit). The lower limit for the amount of one or more fuel compounds in the cathode inlet stream is clearly contemplated with each upper limit for the amount of one or more fuel compounds in the cathode inlet stream. The upper limit for the amount of combustible material may be varied, but below the concentration that allows spontaneous ignition of the cathode inlet stream under conditions at the cathode (on the order of several vol.%, Depending on the composition of the compound).
추가로 또는 다르게는, 캐쏘드 입구 스트림중 연소성 물질의 양을 특징화하기 위한 다른 옵션은 연소성 물질중 탄소의 수, 또는 다르게는 중질 원자의 수에 기초한 연소성 물질의 부피%를 칭량하는 것일 수 있다. 탄화수소의 열량값은 대략 탄화수소에 존재하는 탄소 원자의 수에 비례한다. 산소를 제외하고, 탄화수소질 물질에 존재하는 임의의 추가적인 헤테로원자(즉, 비-수소 원자 또는 중질 원자)도 대략 비례하는 방식으로 기여한다. 더 큰 연료 성분의 추가적인 열량값을 설명하기 위하여, 성분중 탄소 원자의 수, 또는 다르게는 성분중 비-산소 중질 원자의 수로 연료 성분의 부피%를 곱하여 변경된 부피%를 생성시킬 수 있다. 변경된 부피%가 연료 성분중 탄소 원자에만 기초하는 경우, 변경된 부피%는 본원에서 연료 성분의 "메틸렌-당량" 부피%로서 정의된다. 변경된 부피%가 연료 성분중 비-산소 중질 원자에 기초하는 경우, 변경된 부피%는 본원에서 연료 성분의 "중질 원자-상당" 부피%로서 정의된다. 메틸렌-당량 부피% 및 중질 원자-상당 부피%를 정의하기 위하여, 수소 분자는 0.5의 탄소 원자 또는 중질 원자 값을 갖는 것으로 정의된다. CO 분자는 0.5의 탄소 원자 또는 중질 원자 값을 갖는 것으로 유사하게 정의된다. 이는 이들 화합물이 약간의 열량값을 갖지만 탄화수소질 화합물만큼 많은 열량값을 갖지는 않는다는 사실을 반영한다.Additionally or alternatively, another option for characterizing the amount of combustible material in the cathode inlet stream may be to weigh the volume percentage of combustible material based on the number of carbons in the combustible material, or alternatively the number of heavy atoms . The calorific value of the hydrocarbons is approximately proportional to the number of carbon atoms present in the hydrocarbons. Except oxygen, any additional heteroatoms present in the hydrocarbonaceous material (i.e., non-hydrogen atoms or heavy atoms) also contribute in a substantially proportional manner. In order to account for the additional calorific value of the larger fuel component, it is possible to multiply the volume percent of the fuel component by the number of carbon atoms in the component, or alternatively, the number of non-oxygen heavy atoms in the component multiplied by the volume percentage modified. If the altered volume percent is based solely on carbon atoms in the fuel component, the modified volume percent is defined herein as the "methylene-equivalent" volume percent of the fuel component. If the altered volume percent is based on non-oxygen heavy atoms in the fuel component, the modified volume percent is defined herein as the "heavy atom-equivalent" In order to define the methylene-equivalent volume% and the heavy atom-equivalent volume%, the hydrogen molecule is defined as having a carbon atom or heavy atom value of 0.5. The CO molecule is similarly defined as having a carbon atom or heavy atom value of 0.5. This reflects the fact that these compounds have some calorific values but do not have as much calorific value as the hydrocarbonaceous compounds.
다양한 양태에서, 캐쏘드 입구 스트림에서의 메틸렌-당량 부피%는 하나 이상의 연료 화합물 약 0.01부피% 이상, 또는 약 0.02부피% 이상, 또는 약 0.03부피% 이상, 또는 약 0.05부피% 이상, 또는 약 0.1부피% 이상, 또는 약 0.25부피% 이상, 또는 약 0.5부피% 이상, 또는 약 1.0부피% 이상, 또는 약 1.5부피% 이상, 또는 약 2.0부피% 이상, 또는 약 2.5부피% 이상, 또는 약 3.0부피% 이상일 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 캐쏘드 입구 스트림은 약 5.0부피% 이하, 또는 약 4.0부피% 이하, 또는 약 3.5부피% 이하, 또는 약 3.0부피% 이하, 또는 약 2.5부피% 이하의 하나 이상의 연료 화합물을 함유할 수 있다. 캐쏘드 입구 스트림 내 하나 이상의 연료 화합물의 메틸렌-당량 부피%에 대한 각 하한은 명백히 캐쏘드 입구 스트림 내 하나 이상의 연료 화합물의 메틸렌-당량 부피%에 대한 각 상한과 함께 고려된다. 메틸렌-당량 부피%를 계산하는 일례로서, 가상의 캐쏘드 입구 공급물은 0.02부피%의 에틸렌 및 0.01부피%의 H2에 상응하는 연료 화합물을 함유할 수 있다. 이러한 가상의 예에서, 공급물의 메틸렌-당량 부피%는 0.045부피%이다. 에틸렌은 분자당 2개의 탄소를 함유하고, 따라서 에틸렌은 총 메틸렌-당량 부피%에 0.02×2=0.04부피%를 기여한다. H2는 분자당 0.5개의 탄소 원자로서 계산되는 것으로 정의되며, 따라서 H2는 총 메틸렌-당량 부피%에 0.01×0.5=0.005부피%를 기여한다.In various embodiments, the methylene-equivalent volume percent in the cathode inlet stream is at least about 0.01 vol%, or at least about 0.02 vol%, or at least about 0.03 vol%, or at least about 0.05 vol% Or about 0.5% by volume or more, or about 0.5% by volume or more, or about 1.0% by volume or more, or about 1.5% by volume or more, or about 2.0% by volume or more, or about 2.5% % ≪ / RTI > Additionally or alternatively, the cathode inlet stream may contain no more than about 5.0 vol%, or no more than about 4.0 vol%, or no more than about 3.5 vol%, or no more than about 3.0 vol%, or no more than about 2.5 vol% ≪ / RTI > The lower limit for the methylene-equivalent volume percent of one or more fuel compounds in the cathode inlet stream is explicitly contemplated with each upper limit for the methylene-equivalent volume percent of one or more fuel compounds in the cathode inlet stream. As an example of calculating the methylene-equivalent volume percent, the hypothetical cathode inlet feed may contain a fuel compound corresponding to 0.02% by volume of ethylene and 0.01% by volume of H 2 . In this hypothetical example, the methylene-equivalent volume percent of the feed is 0.045% by volume. Ethylene contains two carbons per molecule, so that ethylene contributes 0.02 x 2 = 0.04% by volume to the total methylene-equivalent volume%. H 2 is defined as being calculated as 0.5 carbon atoms per molecule, so H 2 contributes 0.01 x 0.5 = 0.005% by volume to the total methylene-equivalent volume%.
추가로 또는 다르게는, 캐쏘드 입구 스트림중 연소성 물질의 양을 특징화하는 또 다른 옵션은 용융 카보네이트 연료 전지의 상응하는 애노드 입구로 전달되는 연료의 에너지값과 비교되는 캐쏘드 입구로 전달되는 연료의 상대적인 에너지값에 기초할 수 있다. 캐쏘드 입구 스트림중 연료의 양은 애노드 입구 스트림의 에너지값의 약 12% 이하, 또는 약 10% 이하, 또는 약 8% 이하일 수 있다. 예를 들면, 애노드 입구로 전달되는 연료의 비율이 약 1MW의 전력에 상응하는 경우, 캐쏘드 입구 스트림중 캐쏘드 내로의 연료 투입 비율은 약 120kW 이하, 또는 약 100kW 이하, 또는 약 80kW 이하일 수 있다. 캐쏘드 입구 스트림은 또한 캐쏘드 입구 스트림중 임의의 연료의 연소 후 잔류 산소 함량이 연료 전지 반응을 가능케 하기에 충분하고 여전히 약 1부피% 이상, 예컨대 2부피%의 산소 함량을 갖는 캐쏘드 출구 스트림을 생성시키도록 하기에 충분한 산소를 함유할 수 있다. Additionally or alternatively, another option to characterize the amount of combustible material in the cathode inlet stream is to determine the amount of fuel delivered to the cathode inlet, which is compared to the energy value of the fuel delivered to the corresponding anode inlet of the molten carbonate fuel cell And may be based on relative energy values. The amount of fuel in the cathode inlet stream can be about 12% or less, or about 10% or less, or about 8% or less of the energy value of the anode inlet stream. For example, if the ratio of fuel delivered to the anode inlet corresponds to a power of about 1 MW, the fuel input rate into the cathode of the cathode inlet stream may be about 120 kW or less, or about 100 kW or less, or about 80 kW or less . The cathode inlet stream also includes a cathode outlet stream having a residual oxygen content after combustion of any of the cathode inlet streams that is sufficient to enable the fuel cell reaction and still has an oxygen content of at least about 1 volume percent, Lt; RTI ID = 0.0 > of oxygen. ≪ / RTI >
일부 양태에서, 하나 이상의 연료 화합물을 함유하는 캐쏘드 입구 스트림은 감소되거나 최소화된 황 함량을 가질 수 있다. 캐쏘드 입구 스트림의 황 함량은 약 25wppm 이하, 또는 약 15wppm 이하, 또는 약 10wppm 이하일 수 있다. 임의적으로, C, H 및 O와는 상이한 몇몇 헤테로원자가 캐쏘드 입구 스트림에 함유된 산화가능한 화합물(즉, 연료 화합물)에 존재할 수 있다. 예를 들어, 캐쏘드 입구 스트림중 탄소-함유 연료 화합물은 임의적으로 질소 원자를 포함할 수 있다. N2는 캐쏘드 입구에 존재하는 조건 하에서 산화가능한 화합물이 아니고, 따라서 캐쏘드 입구 스트림중 N2의 존재는 산화가능한 화합물에 존재하는 헤테로원자를 구성하지 않음에 주목한다. 다른 양태에서, 캐쏘드 입구 스트림은 연료 화합물중 C, H 및 O와 상이한 헤테로원자를 약 100wppm 이하, 또는 약 10wppm 이하로 포함할 수 있다. In some embodiments, the cathode inlet stream containing one or more fuel compounds may have a reduced or minimized sulfur content. The sulfur content of the cathode inlet stream can be about 25 wppm or less, or about 15 wppm or less, or about 10 wppm or less. Optionally, some heteroatoms, different from C, H, and O, may be present in the oxidizable compound (i.e., fuel compound) contained in the cathode inlet stream. For example, the carbon-containing fuel compound in the cathode inlet stream may optionally contain nitrogen atoms. It is noted that N 2 is not an oxidizable compound under the conditions present at the cathode inlet and therefore the presence of N 2 in the cathode inlet stream does not constitute a heteroatom present in the oxidizable compound. In another embodiment, the cathode inlet stream may contain less than about 100 wppm, or less than about 10 wppm heteroatoms different from C, H, and O in the fuel compound.
캐쏘드 입구 스트림중 추가적인 연료 함량은 캐쏘드에서의 조건 및 캐쏘드에서의 촉매 표면의 존재에 기초하여 캐쏘드에서 연소될 수 있다. 하나의 적합한 촉매 표면은 용융 카보네이트 전해질에 인접한 전극으로서 흔히 사용되는 니켈 표면 같은 니켈 표면일 수 있으나, VIII족 금속 같은 연료 성분을 촉매적으로 산화시킬 수 있는 임의의 다른 편리한 촉매, 지지된 촉매 또는 다른 연소 촉매를 사용할 수 있다. 캐쏘드 전극 표면은 캐쏘드 입구 스트림에 존재하는 연료가 H2O 및 CO2 같은 전형적인 연소 생성물로 전환될 수 있도록 H2 및/또는 탄소-함유 연료(CO 포함)의 산화를 촉진시킬 수 있다. Additional fuel content in the cathode inlet stream can be combusted in the cathode based on the conditions at the cathode and the presence of the catalyst surface at the cathode. One suitable catalyst surface may be a nickel surface such as a nickel surface commonly used as an electrode adjacent to a molten carbonate electrolyte but may be any other convenient catalyst capable of catalytically oxidizing a fuel component such as a Group VIII metal, A combustion catalyst may be used. The cathode electrode surface may facilitate oxidation of the H 2 and / or carbon-containing fuel (including CO) so that the fuel present in the cathode inlet stream can be converted to a typical combustion product such as H 2 O and CO 2 .
캐쏘드 입구 스트림중 연료가 H2, CO 및/또는 CH4인 양태에서, 전극 표면(전형적으로는 Ni)은 캐쏘드 입구 스트림중 연료의 연소를 촉진시키기에 충분할 수 있다. 전극 표면은 또한 더욱 소량의 다른 탄화수소의 반응을 촉진하는 데에도 적합할 수 있다. 예를 들어, 전극 표면은 수십 ppm 이상, 예를 들어 10vppm 내지 약 10,000vppm, 또는 약 10vppm 내지 약 1000vppm, 또는 약 10vppm 내지 약 200vppm, 또는 약 10vppm 내지 약 100vppm, 또는 약 50vppm 내지 약 10,000vppm, 또는 약 50vppm 내지 약 1000vppm, 또는 약 50vppm 내지 약 200vppm, 또는 약 100vppm 내지 약 10,000vppm, 또는 약 100vppm 내지 약 1000vppm의 수준에서 방향족 화합물의 산화를 촉진시키는데 적합할 수 있다. 지방족 탄화수소 또는 다른 비-방향족 탄화수소질 화합물의 경우, 전극 표면은 화합물 약 1부피% 이하를 촉진시키는데 적합할 수 있다. In the embodiment where the fuel is H 2 , CO and / or CH 4 in the cathode inlet stream, the electrode surface (typically Ni) may be sufficient to promote combustion of the fuel in the cathode inlet stream. The electrode surface may also be suitable for promoting the reaction of smaller amounts of other hydrocarbons. For example, the electrode surface can be at least a few tens of parts per million, such as from about 10 to about 10,000, or from about 10 to about 1000, or from about 10 to about 200, or from about 10 to about 100, From about 50 vppm to about 1000 vppm, or from about 50 vppm to about 200 vppm, or from about 100 vppm to about 10,000 vppm, or from about 100 vppm to about 1000 vppm. For aliphatic hydrocarbons or other non-aromatic hydrocarbon compounds, the electrode surface may be suitable for promoting up to about 1% by volume of the compound.
일부 양태에서, 캐쏘드에서 연료를 산화시키기 위한 촉매 활성은 추가적인 촉매 표면을 제공함으로써 향상될 수 있다. 예를 들면, 종래의 용융 카보네이트 연료 전지의 한 구성은 평행 플레이트로서 정의되는 연료 전지의 캐쏘드 부분을 갖는 것일 수 있다. 하나의 평행 플레이트는 용융 카보네이트 전해질에 인접한 전극 표면에 상응할 수 있다. 통상적으로, 대향 표면(용융 카보네이트 전해질에 근접하지 않은 표면)은 강 표면 또는 적합한 구조 물질에 상응하는 다른 표면일 수 있다. 전극 반대편에 강 표면(또는 반응성이 낮은 다른 표면)을 갖는 대신, 대향 표면을 촉매 물질로 코팅하여, 캐쏘드 입구 스트림중 연료의 연소를 촉진시키는 능력을 향상시킬 수 있다. 하나의 옵션은 Ni 표면 같은 전해질 표면과 유사한 표면을 제공하는 것일 수 있다. 다른 옵션은 방향족 화합물 및/또는 C2+ 탄화수소질 화합물의 연소를 촉진하는데 더 높은 활성을 갖는 표면을 사용하는 것일 수 있다. 적합한 촉매 물질의 예는 Ni, Fe, Co, Pt 및/또는 Pd 같은 VIII족 금속을 포함할 수 있으나, 이들로 국한되지는 않는다. 임의의 적합한 금속 또는 금속 합금을 강 표면 상에 직접, 또는 전형적인 촉매 지지체 상에 지지시켜 사용할 수 있다. 연소 촉매로서 유용한 촉매 제형은 당 업계에 널리 공지되어 있고, 연료 전지 작동 온도 범위(예컨대, 약 400℃ 내지 약 800℃)에 적합한 임의의 제헝을 이용할 수 있다. VIII족 금속 여러 개의 합금 및/또는 VIII족 금속과 다른 전이금속의 합금 같은 VIII족 금속의 합금도 적합할 수 있다. 촉매 물질을 캐쏘드의 플레이트 표면에 직접 코팅할 수 있거나, 또는 예를 들어 산화물 지지체 상에 촉매 물질을 지지시킬 수 있다. In some embodiments, the catalytic activity for oxidizing the fuel in the cathode can be improved by providing an additional catalyst surface. For example, one configuration of a conventional molten carbonate fuel cell may be one having a cathode portion of the fuel cell defined as a parallel plate. One parallel plate may correspond to the electrode surface adjacent to the molten carbonate electrolyte. Typically, the opposing surface (the surface not adjacent to the molten carbonate electrolyte) may be a steel surface or other surface corresponding to a suitable structural material. Instead of having a steel surface (or other less reactive surface) on the opposite side of the electrode, the opposite surface can be coated with a catalytic material to enhance the ability to promote combustion of the fuel in the cathode inlet stream. One option may be to provide a surface similar to an electrolyte surface, such as a Ni surface. Another option may be to use a surface with higher activity to promote the combustion of aromatic compounds and / or C2 + hydrocarbon compounds. Examples of suitable catalytic materials may include, but are not limited to, Group VIII metals such as Ni, Fe, Co, Pt and / or Pd. Any suitable metal or metal alloy can be used directly on the steel surface, or supported on a typical catalyst support. Catalyst formulations useful as combustion catalysts are well known in the art and may employ any catalyst suitable for the fuel cell operating temperature range (e.g., from about 400 ° C to about 800 ° C). Group VIII metals Several alloys and / or alloys of Group VIII metals, such as alloys of Group VIII metals and other transition metals, may also be suitable. The catalyst material can be coated directly on the plate surface of the cathode, or can support the catalyst material on, for example, an oxide support.
전극(Ni) 표면 및/또는 추가적인 촉매 표면의 존재에 기초하여, 캐쏘드 입구 스트림중 H2, CO 및 탄화수소/탄화수소질 화합물을 캐쏘드에서 연소시킬 수 있다. 이는 캐쏘드 내에서 추가적인 열을 발생시킨다. 통상적인 작동시, 이 추가적인 열은 전기 효율에 대해 최적화된 작동이 전형적으로는 허용가능한 온도 상승의 한도에서 작동되기 때문에 난점을 부과한다. 그러나, 다양한 양태에서는, 캐쏘드에서 발생되는 추가적인 열을 사용하여 흡열 반응을 위한 추가적인 열을 제공할 수 있다. 흡열 반응은 애노드에서의 개질, 또는 캐쏘드와 열 통합되는 반응 스테이지에서 일어나는 다른 흡열 반응에 상응할 수 있다. 예를 들어, 용융 카보네이트 연료 전지의 애노드 부분이 수소 및/또는 합성 가스 생산에 대해 낮은 1회 통과 연료 이용률을 갖도록 작동되는 경우, 캐쏘드에서 발생되는 추가적인 열을 사용하여, 연료 전지 내에서의 온도 구배를 목적하는 범위로 유지시킬 수 있다. Based on the presence of an electrode (Ni) surface and / or an additional catalyst surface, H 2 , CO and hydrocarbon / hydrocarbon compounds in the cathode inlet stream can be combusted in the cathode. This generates additional heat in the cathode. In normal operation, this additional heat imposes a difficulty because the optimized operation for electrical efficiency typically operates at an acceptable temperature rise limit. However, in various embodiments additional heat generated in the cathode may be used to provide additional heat for an endothermic reaction. The endothermic reaction may correspond to a modification in the anode, or to another endothermic reaction taking place in the reaction stage that is thermally integrated with the cathode. For example, if the anode portion of the molten carbonate fuel cell is operated to have a low one pass fuel utilization rate for hydrogen and / or synthesis gas production, the additional heat generated in the cathode may be used to control the temperature The gradient can be maintained in the desired range.
캐쏘드에서 발생되는 추가적인 열이 유리할 수 있음에도 불구하고, 캐쏘드 입구 스트림중 연료의 연소를 캐쏘드의 길이의 더 큰 부분을 가로질러 분배시키는 것이 바람직할 수 있다. 캐쏘드의 더 큰 부분을 가로질러 캐쏘드 입구 스트림중 연료의 연소를 분배하는 한 가지 방법은 촉매 물질의 구배를 갖는 추가적인 촉매 표면을 사용하는 것일 수 있다. 예를 들어, 추가적인 촉매 표면상의 촉매 물질의 농도는 캐쏘드로의 입구(여기에서 연소성 물질 및 산소의 농도가 가장 높음) 근처에서 보다 낮을 수 있고, 캐쏘드의 길이에 걸쳐 후속해서 증가할 수 있다. 연속 구배, 일련의 단계적 증가, 또는 캐쏘드 입구로부터 더 먼 장소에 더 높은 촉매 물질 농도가 존재하도록 하는 다른 방법 같은, 농도를 증가시키기 위한 임의의 편리한 전략을 이용할 수 있다. 캐쏘드 입구에서 추가적인 표면 상의 촉매 물질의 최초 농도는, 추가적인 표면 상의 촉매 물질이 캐쏘드 입구 후의 위치에서 시작되도록 하는 옵션을 비롯하여 임의의 편리한 값일 수 있다. 촉매의 패턴 또는 구배, 및 후속 열 방출은, 총 열 생산을 캐쏘드 면적을 가로질러 넓게 퍼트리고 전체 연료 전지 작동에 손상을 줄 수 있는 고온 대역을 방지하는데 최적화될 수 있다. It may be desirable to distribute the combustion of the fuel across the cathode inlet stream across a larger portion of the length of the cathode, although the additional heat generated in the cathode may be advantageous. One way to distribute the combustion of fuel across a larger portion of the cathode into the cathode inlet stream may be to use an additional catalyst surface with a gradient of catalyst material. For example, the concentration of catalytic material on the additional catalyst surface may be lower near the inlet to the cathode (where the concentration of combustible material and oxygen is highest) and may increase subsequently over the length of the cathode. Any convenient strategy can be used to increase the concentration, such as a continuous gradient, a series of stepwise increments, or any other way to have a higher catalyst material concentration at a location further from the cathode inlet. The initial concentration of catalytic material on the additional surface at the cathode inlet may be any convenient value, including the option of causing the catalytic material on the additional surface to begin at the position after the cathode inlet. The pattern or gradient of the catalyst, and subsequent heat release, can be optimized to spread the total heat production across the cathode area and prevent the high temperature zone, which can damage the overall fuel cell operation.
캐쏘드에서 발생되는 추가적인 열을 이용하도록 용융 카보네이트 연료 전지를 작동시키는 방법의 일례로서, 합성 가스 및/또는 수소의 생산을 증가시키면서 용융 카보네이트 연료 전지를 작동시킬 수 있다. 애노드에서 산화되어 전기를 발생시키는 수소의 양에 비해 연료 전지(및/또는 수반되는 내부 개질 스테이지, 예컨대 연료 전지 어셈블리의 개질 스테이지) 내에서 수행되는 개질의 양을 증가시킴으로써 이를 달성할 수 있다. 앞서 정의된 바와 같이, a) 전기화학적 반응에 의해 애노드 내에서 생성되는 열과 b) 연료의 연소에 의해 캐쏘드 내에서 생성되는 열의 합 대 c) 흡열 반응에 의해 연료 전지 스택(또는 다른 연료 전지 어셈블리) 내에서 소비되는 열에 관련된 연료 전지 온도비로 연료 전지를 작동시킴으로써 이를 달성할 수 있다. 예를 들어, 애노드 및/또는 내부 개질 스테이지 내에서의 개질 반응은 전형적으로 흡열 반응일 수 있다. 그러므로, 발열성 캐쏘드 연소 반응과 함께 전기 발생을 위한 발열성 전기화학적 반응에 의해 흡열성 개질 반응이 균형을 이룰 수 있다. 발열성 연료 전지 반응(들)에 의해 발생되는 열을 연료 전지로부터 멀리 수송하고자 하기보다는, 이 과량의 열을 개질 및/또는 다른 흡열 반응을 위한 열원으로서 동일 반응계 내에서 사용할 수 있다. 이는 열 에너지의 더욱 효율적인 사용 및/또는 추가적인 외부 또는 내부 열 교환 필요성의 감소를 달성할 수 있다. 본질적으로 동일 반응계 내에서의 이러한 효율적인 열 에너지의 생성 및 사용은 유리한 작동 조건을 유지하면서 시스템의 복잡함 및 구성요소를 감소시킬 수 있다. 일부 양태에서, 개질 또는 다른 흡열 반응의 양은 종래 기술에서 전형적으로 기재되는 열 요구량보다 상당히 더 적기보다는 발열 반응(들)에 의해 발생되는 과량의 열의 양에 필적하거나 또는 더 큰 흡열반응 열 요구량을 갖도록 선택될 수 있다. As an example of a method of operating a molten carbonate fuel cell to utilize the additional heat generated in the cathode, the molten carbonate fuel cell can be operated while increasing the production of syngas and / or hydrogen. This can be achieved by increasing the amount of modification carried out in the fuel cell (and / or the internal reforming stage, e.g. a reforming stage of the fuel cell assembly) relative to the amount of hydrogen oxidized in the anode and generating electricity. As defined above, a fuel cell stack (or other fuel cell assembly) may be formed by a) the heat generated in the anode by an electrochemical reaction and b) the sum of the heat generated in the cathode by the combustion of the fuel c) This can be achieved by operating the fuel cell with the fuel cell temperature ratio related to the heat consumed in the fuel cell. For example, the reforming reaction in the anode and / or the internal reforming stage may typically be an endothermic reaction. Therefore, the exothermic reforming reaction can be balanced by the pyrogenic electrochemical reaction for the generation of electricity together with the pyrogenic cathode combustion reaction. Rather than seek to transport heat generated by the exothermic fuel cell reaction (s) away from the fuel cell, this excess heat can be used in situ as a heat source for reforming and / or other endothermic reactions. This can achieve a more efficient use of heat energy and / or a reduction in the need for additional external or internal heat exchange. Essentially, the production and use of such efficient heat energy within the in-situ reaction system can reduce the complexity and components of the system while maintaining advantageous operating conditions. In some embodiments, the amount of reforming or other endothermic reaction is significantly less than the heat demand typically described in the prior art, rather than the amount of heat generated by the exothermic reaction (s) or has a greater endothermic heat requirement Can be selected.
추가로 또는 다르게는, 연료 전지는 애노드 입구 및 애노드 출구 사이의 온도 차이가 양이기보다는 음일 수 있도록 작동될 수 있다. 그러므로, 애노드 입구와 애노드 출구 사이에서 온도 증가를 갖는 대신, 애노드 출구로부터의 산출 스트림이 애노드 입구 온도보다 더 저온이도록 하기에 충분한 양의 개질 및/또는 다른 흡열 반응을 수행할 수 있다. 또한 추가로 또는 다르게는, 연료 전지 및/또는 내부 개질 스테이지(또는 다른 내부 흡열 반응 스테이지)에 대한 히터에 추가적인 연료를 공급하여, 애노드 입구와 애노드 출구 사이의 온도 차이가, 흡열 반응(들)의 상대적인 소비 및 캐쏘드 연소 반응 및 전력을 발생시키기 위한 애노드 반응의 합쳐진 발열성 열 생성에 기초하여 예상되는 차이보다 더 적을 수 있다. 흡열 반응으로서 개질을 이용할 수 있는 양태에서, 과량의 연료를 개질시키도록 연료 전지를 작동시키면, 열 교환 및 개질을 위한 시스템의 복잡함을 최소화하면서, 종래의 연료 전지 작동에 비해 합성 가스 및/또는 수소의 생성이 증가될 수 있다. 추가적인 합성 가스 및/또는 추가적인 수소를, 화학적 합성 공정 및/또는 "청정(clean)" 연료로서 사용하기 위한 수소의 수집/다른 용도에 맞게 만들기를 비롯한 다양한 용도에 사용할 수 있다. Additionally or alternatively, the fuel cell may be operated such that the temperature difference between the anode inlet and the anode outlet may be negative rather than positive. Therefore, instead of having a temperature increase between the anode inlet and the anode outlet, a sufficient amount of reforming and / or other endothermic reaction may be performed to cause the output stream from the anode outlet to be cooler than the anode inlet temperature. Additionally or alternatively, additional fuel may be supplied to the heater for the fuel cell and / or internal reforming stage (or other internal endothermic reaction stage) such that the temperature difference between the anode inlet and the anode outlet is greater than the temperature of the endothermic reaction May be less than the expected difference based on the combined pyrogenic heat generation of the relative consumption and cathode combustion reaction and the anode reaction to generate power. Operating the fuel cell to modify the excess fuel, in embodiments where reforming can be utilized as an endothermic reaction, can reduce the complexity of the system for heat exchange and reforming, Can be increased. Additional syngas and / or additional hydrogen may be used in a variety of applications, including tailoring hydrogen to collection / use for chemical synthesis processes and / or for use as "clean" fuels.
애노드에서 발열 반응에 의해 산화된 수소 1몰당 생성되는 열의 양은 개질 반응에 의해 발생되는 수소 1몰당 소비되는 열의 양보다 실질적으로 더 클 수 있다. 용융 카보네이트 연료 전지에서 수소의 순 반응(H2+½O2⇒H2O)은 수소 분자 1몰당 약 -285kJ의 반응 엔탈피를 가질 수 있다. 이 에너지의 적어도 일부를 연료 전지 내에서 전기 에너지로 전환시킬 수 있다. 그러나, 반응의 엔탈피와 연료 전지에 의해 생성되는 전기 에너지 사이의 차이(대략적으로)는 연료 전지 내에서 열이 될 수 있다. 이 에너지의 양은 연료 전지의 이론적인 최대 전압과 실제 전압 사이의 차이와 곱해진 전지의 전류 밀도(단위 면적당 전류), 또는 <전류 밀도>*(V최대-V실제)로서 달리 표현될 수 있다. 이 에너지의 양은 연료 전지의 "폐열"로서 정의된다. 개질의 일례로서, 메탄의 개질(CH4+2H2O⇒4H2+CO2) 엔탈피는 메탄 1몰당 약 250kJ, 또는 수소 분자 1몰당 약 62kJ일 수 있다. 열 평형의 관점에서, 전기화학적으로 산화되는 각 수소 분자는 개질에 의해 하나보다 많은 수소 분자를 생성시키기에 충분한 열을 발생시킬 수 있다. 종래의 구성에서, 이 과량의 열은 애노드 입구로부터 애노드 출구까지 상당한 온도 차이를 야기할 수 있다. 이 과량의 열이 연료 전지의 온도를 증가시키는데 이용되도록 하는 대신, 대응하는 양의 개질 반응을 수행함으로써 과량의 열을 소비할 수 있다. 애노드에서 발생되는 과량의 열은 연료 전지에서의 연소 반응에 의해 발생되는 과량의 열로 보충될 수 있다. 더욱 일반적으로는, 연료 전지 애노드 및/또는 연료 전지와 열 통합된 흡열 반응 스테이지에서 흡열 반응을 수행함으로써 과량의 열을 소비할 수 있다. The amount of heat generated per mole of hydrogen oxidized by the exothermic reaction at the anode may be substantially greater than the amount of heat consumed per mole of hydrogen generated by the reforming reaction. In a molten carbonate fuel cell, the net reaction of hydrogen (H 2 + ½O 2 ⇒ H 2 O) can have a reaction enthalpy of about -285 kJ per mole of hydrogen molecule. At least a part of the energy can be converted into electrical energy in the fuel cell. However, the difference between the enthalpy of the reaction and the electrical energy produced by the fuel cell (roughly) can be heat in the fuel cell. This amount of energy can be otherwise expressed as the difference between the theoretical maximum voltage and the actual voltage of the fuel cell and the current density (current per unit area) of the multiplied battery, or < current density > * (V max -V actual ). The amount of this energy is defined as the "waste heat" of the fuel cell. As an example of the modification, the enthalpy of the reforming of methane (CH 4 + 2H 2 O ⇒ 4H 2 + CO 2 ) may be about 250 kJ per mole of methane, or about 62 kJ per mole of hydrogen molecule. From the viewpoint of thermal equilibrium, each hydrogen molecule that is electrochemically oxidized can generate sufficient heat to generate more than one hydrogen molecule by modification. In a conventional configuration, this excessive amount of heat can cause a significant temperature difference from the anode inlet to the anode outlet. Instead of having this excess heat used to increase the temperature of the fuel cell, it can consume excessive heat by performing a corresponding amount of reforming reaction. Excess heat generated in the anode can be supplemented with excess heat generated by the combustion reaction in the fuel cell. More generally, excessive heat can be consumed by performing an endothermic reaction at the endothermic reaction stage thermally integrated with the fuel cell anode and / or the fuel cell.
양태에 따라, 연료 전지의 목적하는 온도 비를 달성하기 위하여 애노드에서 반응되는 수소의 양에 대해 개질 및/또는 다른 흡열 반응의 양을 선택할 수 있다. 본원에 사용되는 "온도 비"는 연료 전지 어셈블리 내에서 이루어지는 개질 반응의 흡열성 열 수요로 나눈, 연료 전지 어셈블리에서의 발열 반응(애노드 및 캐쏘드 둘 다에서의 발열 반응 포함)에 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, 캐쏘드에서의 연소 반응(예컨대, 연료 성분의 산화) 및/또는 전기화학적 반응으로 인한 임의의 열에 상응할 수 있음에 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, MCFC에서의 반응의 이상적인 전기화학적 포텐셜은 전지에서 이루어지는 순 반응에 기초하여 약 1.04V인 것으로 생각된다. MCFC의 작동 동안, 전지는 전형적으로 다양한 손실로 인해 1.04V 미만의 산출 전압을 가질 수 있다. 예를 들어, 통상적인 산출/작동 전압은 약 0.7V일 수 있다. 발생되는 열은 [전지의 전기화학적 포텐셜(즉, 약 1.04V)-작동 전압]과 같을 수 있다. 예를 들어, 전지에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 열은 연료 전지에서 약 0.7V의 산출 전압이 얻어질 때 약 0.34V일 수 있다. 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.Depending on the embodiment, the amount of reforming and / or other endothermic reaction can be selected relative to the amount of hydrogen reacted at the anode to achieve the desired temperature ratio of the fuel cell. As used herein, the "temperature ratio" refers to the heat generated by the exothermic reaction in the fuel cell assembly (including the exothermic reaction in both the anode and the cathode), 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. The heat generated by the exothermic reaction can correspond to any heat in the cell, such as a reforming reaction, a water gas-phone reaction, a combustion reaction in the cathode (e.g., oxidation of the fuel component) and / or an electrochemical reaction Pay attention. 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, it is believed that the ideal electrochemical potential of the reaction in the MCFC is about 1.04V based on the net reaction in the cell. During operation of the MCFC, the cell can typically have an output voltage of less than 1.04 V due to various losses. For example, a typical output / operating voltage may be about 0.7V. The generated heat may be equal to [the electrochemical potential of the cell (i.e., about 1.04 V) - the operating voltage]. For example, heat generated by an electrochemical reaction in a cell may be about 0.34 V when an output voltage of about 0.7 V is obtained in the fuel cell. 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, 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. 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, 열 통합의 관점에서 통합되는 연료 전지(들)에 충분히 근접하는 통합된 개질 스테이지 및/또는 통합된 흡열 반응 스테이지 요소와 함께 연료 전지 스택 내의 연료 전지(또는 복수개의 연료 전지)에 대해 온도 비를 계산할 수 있다. 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. The temperature ratio 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 (or a plurality of fuel cells) in a fuel cell stack together with an integrated reforming stage and / or an integrated endothermic reaction stage element that are close enough to the fuel cell (s) Temperature ratio can be calculated.
열 통합의 관점에서, 연료 전지 스택의 특징적인 폭은 개별적인 연료 전지 요소의 높이일 수 있다. 개별적인 개질 스테이지 및/또는 별도의 흡열 반응 스테이지가 연료 전지보다 스택에서 상이한 높이를 가질 수 있음에 주목한다. 이러한 시나리오에서는, 연료 전지 요소의 높이를 특징적인 높이로서 사용할 수 있다. 이 논의에서, 통합 흡열 반응 스테이지는, 통합 흡열 반응 스테이지가 개질을 위한 열원으로서 연료 전지로부터의 열을 사용할 수 있도록 하나 이상의 연료 전지와 열 통합된 스테이지로서 정의될 수 있다. 이러한 통합된 흡열 반응 스테이지는 통합 스테이지에 열을 제공하는 연료 전지로부터의 스택 요소의 높이의 10배 미만으로 위치하는 것으로 정의될 수 있다. 예를 들어, 통합 흡열 반응 스테이지(예컨대, 개질 스테이지)는 열 통합된 임의의 연료 전지로부터의 스택 요소의 높이의 10배 미만으로, 또는 스택 요소의 높이의 8배 미만으로, 또는 스택 요소의 높이의 5배 미만으로, 또는 스택 요소의 높이의 3배 미만으로 위치될 수 있다. 이 논의에서, 연료 전지 요소에 인접한 스택 요소를 제공하는 통합 개질 스테이지 및/또는 통합 흡열 반응 스테이지는 인접한 연료 전지 요소로부터 먼 하나 이하의 스택 요소 높이인 것으로 정의된다.In terms of thermal integration, the characteristic width of the fuel cell stack may be the height of the individual fuel cell elements. Note that the individual reforming stages and / or separate endothermic reaction stages may have different heights in the stack than the fuel cell. In such a scenario, the height of the fuel cell element can be used as the characteristic height. In this discussion, the integrated endothermic reaction stage can be defined as a stage thermally integrated with one or more fuel cells so that the integrated endothermic reaction stage can use heat from the fuel cell as a heat source for modification. This integrated endothermic reaction stage can be defined as being located less than 10 times the height of the stack element from the fuel cell providing heat to the integrated stage. For example, the integrated endothermic reaction stage (e. G., A reforming stage) may be less than ten times the height of the stack element from any thermally integrated fuel cell, or less than eight times the height of the stack element, Of the stack element, or less than three times the height of the stack element. In this discussion, an integrated reforming stage and / or an integrated endothermic reaction stage that provides a stack element adjacent a fuel cell element is defined as being one or less stack element heights away from adjacent fuel cell elements.
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 비는 MCFC 연료 전지의 사용에서 전형적으로 추구되는 온도 비보다 낮을 수 있다. 본 발명의 양태에서는, 온도 비를 감소시켜 합성 가스 생성, 수소 발생, 흡열 반응을 통한 다른 생성물의 생성, 또는 이들의 조합을 증가 및/또는 최적화시킬 수 있다. A temperature ratio of 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 0.90 or less, or about 0.85 or less, or about 0.80 or less, or about 0.75 or less, May be lower than the temperature ratio sought. In embodiments of the present invention, the temperature ratio can be reduced to increase and / or optimize synthesis gas production, hydrogen generation, generation of other products through endothermic reactions, or combinations thereof.
본 발명의 다양한 양태에서, 연료 전지의 작동은 온도 비에 기초하여 특징화될 수 있다. 연료 전지가 목적하는 온도 비를 갖도록 작동되는 경우에, 용융 카보네이트 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. 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 20℃ 이하만큼 더 높은 애노드 입구 온도를 갖도록 연료 전지를 작동시킬 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 molten carbonate fuel cell may have a temperature 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 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. 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 can be about 100 캜 or lower, such as about 80 캜 or lower, or about 60 캜 or lower, or about 50 캜 or lower, or about 40 캜 or lower, or about 30 캜 or lower, Lt; RTI ID = 0.0 > anode < / RTI >
몇몇 작동 매개변수를 조작하여 목적하는 온도 비를 생성시킬 수 있다. 몇몇 매개변수는 연료 전지 작동에 현재 권장되는 것과 유사하다. 종래의 작동과는 상이한 방식으로 조작되는 매개변수는 애노드에 제공되는 연료의 양; 애노드에 제공되는 연료의 조성; 캐쏘드 입구 스트림에 포함되는 연료 화합물의 양; 및/또는 애노드 투입물로의 상당한 재순환이 없는(예를 들어, 애노드 산출물로부터 애노드 투입물로의 합성 가스 또는 수소의 재순환이 없는) 애노드 산출물중 합성 가스의 분리 및 포획을 포함할 수 있다. Several operating parameters can be manipulated to produce the desired temperature ratio. Some parameters are similar to those currently recommended for fuel cell operation. The parameters operated in a manner different from conventional operation are the amount of fuel provided to the anode; The composition of the fuel provided to the anode; The amount of fuel compound contained in the cathode inlet stream; And / or separation and capture of syngas in the anode output without substantial recycle to the anode input (e.g., without syngas from the anode output to the anode input or recycle of hydrogen).
탄화수소를 개질시켜 수소와 이산화탄소를 형성시키는 것은 흡열 반응의 일례이다. 개질은 또한 애노드 내에서 및/또는 통합 반응 스테이지에서 수행될 수 있는 반응의 예이다. 본 발명의 일부 양태에서, 애노드로의 연료 투입물의 양은 종래의 연료 전지 작동 동안 사용되는 개질가능한 연료의 양보다 더 많은 개질가능한 연료를 포함할 수 있다. 이러한 양태에서, 목적은 애노드에서 및/또는 애노드를 함유하는 연료 전지 어셈블리에 수반되는 개질 스테이지에서 개질을 통해 과량의 합성 가스를 생성시키는 것일 수 있다. 하나의 양태에서, 애노드(또는 수반되는 개질 스테이지 또는 이들의 조합)에 도입되는 개질가능한 연료의 양은 특정 연료 전지 및 다른 선택되는 작동 매개변수의 물리적 한계를 감안하여 연료 전지의 개질이 가능한 양에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 애노드 촉매는 개질 공정에 기여할 수 있다. 애노드 촉매의 표면적의 양은 일어날 수 있는 개질의 양에 대한 제한일 수 있다. 유사하게, 개질의 양은 애노드 내에서 이용가능한 열의 양 및 애노드를 가로질러 발생되는 온도 변화에 의해 제한될 수 있다. Modification of hydrocarbons to form hydrogen and carbon dioxide is an example of an endothermic reaction. Modification is also an example of a reaction that can be performed in the anode and / or in an integrated reaction stage. In some aspects of the present invention, the amount of fuel input to the anode may comprise more reformable fuel than the amount of reformable fuel used during conventional fuel cell operation. In such an embodiment, the object may be to produce an excess of syngas at the anode and / or through the reforming in the reforming stage that accompanies the fuel cell assembly containing the anode. In one embodiment, the amount of reformable fuel introduced into the anode (or a subsequent modified stage, or combination thereof) is based on the amount by which the fuel cell can be reformed, taking into account the physical limitations of the particular fuel cell and other selected operating parameters Can be selected. For example, the anode catalyst can contribute to the reforming process. The amount of surface area of the anode catalyst may be a limitation on the amount of modification that can occur. Similarly, the amount of modification can be limited by the amount of heat available in the anode and the temperature changes that occur across the anode.
연료 전지를 1 미만의 온도 비로 작동시키면, 연료 전지를 가로질러 온도 강하가 발생될 수 있다. 몇명 양태에서는, 애노드 입구로부터 애노드 출구까지의 온도 강하가 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℃ 이하일 수 있도록 개질 및/또는 다른 흡열 반응의 양이 한정될 수 있다. 애노드 입구로부터 애노드 출구까지의 온도 강하를 제한하는 것은 예를 들어 애노드에서 연료의 완전 또는 실질적인 완전 전환(개질에 의한)을 허용하기에 충분한 온도를 유지하는데 유리할 수 있다. 다른 양태에서는, 흡열 반응에 의해 소비되는 열과 연료 전지에 공급되는 추가적인 외부 열의 균형으로 인해 애노드 입구 온도가 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 애노드 출구 온도보다 더 높도록 추가적인 열을 연료 전지에 공급할 수 있다(예를 들어, 열 교환 또는 추가적인 연료의 연소에 의해). When the fuel cell is operated at a temperature ratio of less than 1, a temperature drop across the fuel cell may occur. In some embodiments, the temperature drop from the anode inlet to the anode outlet is less than or equal to about 100 ° C, such as less than or equal to about 80 ° C, or less than or equal to about 60 ° C, or less than or equal to about 50 ° C, or less than or equal to about 40 ° C, The amount of reforming and / or other endothermic reaction may be limited to be below about 20 ° C. Limiting the temperature drop from the anode inlet to the anode outlet may be advantageous, for example, to maintain a temperature sufficient to allow a complete or substantially complete conversion (due to modification) of the fuel at the anode. In another embodiment, the anode inlet temperature is below about 100 캜, such as below about 80 캜, or about 60 캜 or below, or about 50 캜 or below, due to the balance of the heat consumed by the endothermic reaction and the additional external heat supplied to the fuel cell Additional heat may be supplied to the fuel cell (e.g., by heat exchange or combustion of additional fuel) such that the temperature is higher than the anode outlet temperature by about 40 ° C or less, or about 30 ° C or less, or about 20 ° C or less.
개질 및/또는 다른 흡열 반응의 양은 추가로 또는 다르게는 연료 전지의 작동 온도에 의해 한정될 수 있다. 예를 들면, 일반적으로, 연료의 개질은 더 높은 온도에서 더 신속하게 일어날 수 있다. 또한, 개질 공정에 더 많은 열을 이용할 수 있는 경우, 더 많은 개질이 이루어질 수 있다. 언급된 바와 같이, 본 발명의 양태는 전형적인 연료 전지 온도 범위 내에서 작동될 수 있다. 온도 범위는 본 발명의 양태에 관련된 고려사항과는 별도의 다양한 이유로 인해 선택될 수 있다. 예를 들어, 캐쏘드 또는 애노드 입구 스트림은 스트림의 공급원에 의해 고온으로 이미 가열될 수 있다. 이러한 캐쏘드 입구 스트림은 캐쏘드에서 캐쏘드 입구 스트림중 연료의 연소에 기초하여 추가로 열을 발생시킬 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 연료 전지 전해질 온도는 카보네이트 전해질이 용융 상태로 유지되기에 충분한 온도에서 유지될 수 있다. 어떤 온도가 선택되든지 애노드에서 일어날 수 있는 개질의 양에 영향을 끼칠 수 있고, 애노드로의 개질가능한 연료 투입물의 양을 그에 따라 조정할 필요가 있을 수 있다. The amount of the reforming and / or other endothermic reaction may additionally or alternatively be limited by the operating temperature of the fuel cell. For example, in general, reforming of the fuel may occur more rapidly at higher temperatures. Further, when more heat is available for the reforming process, more reforming can be achieved. As noted, embodiments of the present invention can be operated within a typical fuel cell temperature range. The temperature range may be selected for various reasons apart from the considerations related to aspects of the present invention. For example, the cathode or anode inlet stream may already be heated to a high temperature by the source of the stream. These cathode inlet streams can further generate heat based on the combustion of the fuel in the cathode inlet stream in the cathode. Additionally or alternatively, the fuel cell electrolyte temperature may be maintained at a temperature sufficient to maintain the carbonate electrolyte in the molten state. Whichever temperature is selected, it can affect the amount of reforming that can occur at the anode, and it may be necessary to adjust the amount of reformable fuel input to the anode accordingly.
개질의 양은 추가로 또는 다르게는 개질가능한 연료의 이용률에 따라 달라질 수 있다. 예로서, 연료가 H2만 포함하는 경우에는, H2가 이미 개질되고 더 개질될 수 없으므로 개질이 일어나지 않는다. 연료 전지에 의해 "생성되는 합성 가스"의 양은 애노드 투입물중 합성 가스의 LVH 값 대 애노드 산출물중 합성 가스의 LVH 값에서의 차이로서 정의될 수 있다. 생성된 합성 가스 LHV(sg net)=(LHV(sg out)-LHV(sg in))이며, 이 때 LHV(sg in) 및 LHV(sg out)은 각각 애노드 입구에서의 합성 가스 및 애노드 출구 스트림 또는 유동중 합성 가스의 LHV를 가리킨다. 상당량의 H2를 함유하는 연료가 제공되는 연료 전지는 가능한 합성 가스 생산량 면에서 제한될 수 있는데, 왜냐하면 추가의 개질가능한 연료를 함유하는 것과는 대조적으로 연료가 이미 개질된 H2를 상당량 함유하기 때문이다. The amount of modification may additionally or alternatively depend on the utilization of the fuel that can be reformed. For example, in the case where the fuel contains only H 2 , since H 2 has already been reformed and can not be reformed, the reforming does not occur. The amount of "syngas produced" by the fuel cell can be defined as the difference in the LVH value of the synthesis gas in the anode input versus the LVH value of the synthesis gas in the anode output. The resulting syngas LHV (sg net) = (LHV (sg out) -LHV (sg in)) where LHV (sg in) and LHV (sg out) are the syngas at the anode inlet and the anode outlet stream Or LHV of the flowing gas. A fuel cell provided with a fuel containing a substantial amount of H 2 can be limited in terms of possible syngas production because the fuel contains a considerable amount of already modified H 2 as opposed to containing an additional reformable fuel .
상기 기재된 감소된 온도 비를 갖는 연료 전지를 작동시키는 방법의 일례는 연료 전지에서 열의 생성과 소비의 균형을 맞추고/맞추거나 생성되는 것보다 더 많은 열을 소비하기 위하여 연료의 과도한 개질을 수행하는 방법일 수 있다. 개질가능한 연료를 개질시켜 H2 및/또는 CO를 형성시키는 것은 흡열 공정일 수 있는 반면, 애노드 전기화학적 산화 반응 및 캐쏘드 연소 반응(들)은 발열성일 수 있다. 종래의 연료 전지 작동 동안, 연료 전지 작동을 위해 공급물 성분을 공급하는데 필요한 개질의 양은 전형적으로 애노드 산화 반응에 의해 발생되는 열의 양보다 적은 열을 소비할 수 있다. 예를 들어, 약 70% 또는 약 75%의 연료 이용률에서의 종래의 작동은 1보다 실질적으로 더 큰 온도 비, 예를 들어 약 1.4 이상, 또는 1.5 이상의 온도 비를 생성시킨다. 그 결과, 연료 전지의 산출 스트림은 투입 스트림보다 더 고온일 수 있다. 이러한 유형의 종래의 작동 대신, 애노드에 수반되는 개질 스테이지에서 개질되는 연료의 양을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 발열성 연료 전지 반응에 의해 발생되는 열이 개질에서 소비되는 열과 (대략) 균형을 이루고/이루거나 발생되는 것보다 더 많은 열을 소비할 수 있도록 추가적인 연료를 개질시킬 수 있다. 이는 전력 생산을 위해 애노드에서 산화되는 양에 비해 상당한 과량의 수소를 생성시킬 수 있고, 약 1.0 이하, 예컨대 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 야기할 수 있다. One example of a method of operating a fuel cell having the above-described reduced temperature ratio is to balance and / or match the generation and consumption of heat in the fuel cell or to perform an excessive reforming of the fuel to consume more heat than produced Lt; / RTI > Modifying the reformable fuel to form H 2 and / or CO may be an endothermic process, while the anode electrochemical oxidation reaction and the cathode combustion reaction (s) may be exothermic. During conventional fuel cell operation, the amount of modification needed to feed the feed components for fuel cell operation may typically consume less heat than the amount of heat generated by the anode oxidation reaction. For example, conventional operation at a fuel utilization rate of about 70% or about 75% produces a temperature ratio that is substantially greater than 1, for example, a temperature ratio of about 1.4 or more, or 1.5 or more. As a result, the output stream of the fuel cell may be hotter than the input stream. Instead of this type of conventional operation, the amount of fuel that is reformed in the reforming stage that accompanies the anode can be increased. For example, additional fuel can be reformed so that the heat generated by the exothermic fuel cell reaction is (approximately) balanced with / consumed by the heat consumed in the reforming and / or can consume more heat than is generated. This can produce a significant excess of hydrogen relative to the amount oxidized at the anode for power production and is less than or equal to about 1.0, such as less than or equal to about 0.95, or less than or equal to about 0.90, or less than or equal to about 0.85, or less than or equal to about 0.80, Lt; / RTI > temperature ratio.
본 발명의 양태에서, 온도 비는 연료 전지를 가로지르는 목적하는 온도 감소에 기초하여 선택될 수 있다. 몇몇 연료 전지는 입구와 출구 사이에 문턱치보다 큰 온도 차이가 존재하는 경우 손상될 수 있는 물리적 양태를 가질 수 있다. 벌크 스트림(예를 들어, 애노드 투입물, 애노드 산출물, 캐쏘드 투입물 및 캐쏘드 산출물)에 의한 열 전달을 측정함으로써 온도 감소를 계산할 수 있다. 온도 감소는 흡열 반응에서 소비되는 전체 열, 발열 반응에서 방출되는 열, 연료 전지 하드웨어를 통한 열 손실, 및 벌크 스트림과는 별도로 연료 전지에 직접 첨가되는 임의의 열의 함수일 수 있다. 연료 전지 하드웨어를 통한 열 손실은 추정값일 수 있다. In an aspect of the invention, the temperature ratio can be selected based on the desired temperature reduction across the fuel cell. Some fuel cells may have physical aspects that can be damaged if there is a temperature difference between the inlet and the outlet that is greater than the threshold. The temperature reduction can be calculated by measuring the heat transfer by the bulk stream (e. G., Anode charge, anode charge, cathode charge and cathode charge). The temperature reduction may be a function of total heat consumed in the endothermic reaction, heat released in the exothermic reaction, heat loss through the fuel cell hardware, and any heat added directly to the fuel cell separately from the bulk stream. The heat loss through the fuel cell hardware may be an estimate.
최대 전기 생산을 위해 상기 기재된 작동 조건과는 대조적으로, 약 1.3 이하, 예를 들어 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 비로 연료 전지를 작동시키면, 추가적인 합성 가스를 생성시킬 수 있다. 이는, 연료 전지 산출물로부터 임의적으로 증가된 양의 화학적 에너지 생산물을 회수할 수 있음을 의미한다. 약 1.3 이하의 온도 비에서 작동시킴으로써 발생되는 과량의 수소는 예를 들어 애노드 산출 유동으로부터 분리되고 온실 가스를 방출하지 않는 연료로서 사용될 수 있다. 다르게는, 수성 가스 전화 반응을 이용하여, 목적하는 합성 가스 조성, 예컨대 목적하는 H2 대 CO 비를 갖는 합성 가스로서 사용하기 위하여 애노드 산출물에 존재하는 수소와 CO의 양을 균형맞출 수 있다. For example up to about 1.0, or up to about 0.95, or up to about 0.90, or up to about 0.85, or up to about 0.80, or up to about 0.75, in contrast to the operating conditions described above for maximum electrical production By operating the fuel cell at a temperature ratio, additional syngas can be generated. This means that an arbitrarily increased amount of chemical energy product can be recovered from the fuel cell product. Excess hydrogen generated by operating at a temperature ratio of about 1.3 or less can be used, for example, as a fuel that is separated from the anode output flow and does not emit greenhouse gases. Alternatively, a water gas-phonetic reaction can be used to balance the amount of hydrogen and CO present in the anode product for use as a synthesis gas having the desired synthesis gas composition, e.g., the desired H 2 to CO ratio.
수소 또는 합성 가스를 화학적 에너지 산출물로서 애노드 배기 가스로부터 회수할 수 있다. 수소는 연소될 때 온실 가스를 발생시키지 않으면서 청정 연료로서 사용될 수 있다. 대신, 탄화수소(또는 탄화수소질 화합물)의 개질에 의해 발생되는 수소의 경우에는, CO2가 애노드 루프에서 이미 "포획"된다. 또한, 수소는 다양한 정련 공정 및/또는 다른 합성 공정에 대한 중요한 투입물일 수 있다. 합성 가스도 또한 다양한 공정에 대한 중요한 투입물일 수 있다. 열량값을 갖는데 덧붙여, 예컨대 피셔-트롭쉬 합성 및/또는 메탄올 합성 공정을 위한 투입물로서 합성 가스를 사용함으로써, 다른 더 높은 가치의 생성물을 생성시키기 위한 공급원료로서 합성 가스를 사용할 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. Instead, in the case of hydrogen generated by the modification of hydrocarbons (or hydrocarbonaceous compounds), CO 2 is already "trapped" in the anode loop. In addition, hydrogen can be an important input to various refining processes and / or other synthetic processes. Syngas can also be an important input to various processes. In addition to having calorific values, synthesis gas can be used as feedstock to produce other higher value products, for example, by using syngas as input for the Fischer-Tropsch synthesis and / or methanol synthesis process.
추가적인 연료 전지 작동 전략Additional fuel cell operating strategies
본원에 기재되는 연료 전지 작동 전략에 추가적으로, 보충하여 및/또는 대안으로, 용융 카보네이트 연료 전지(예컨대, 연료 전지 어셈블리)는 예컨대 약 60% 이상의 높은 CO2 이용률 값을 또한 가지면서 예컨대 약 50% 이하의 연료 이용률 같은 감소된 연료 이용률 값에서 작동될 수 있다. 이러한 유형의 구성에서, 용융 카보네이트 연료 전지는 탄소 포획에 효과적일 수 있는데, 왜냐하면 CO2 이용률이 유리하게는 충분히 높을 수 있기 때문이다. 전기 효율을 최대화시키고자 시도하기보다는, 이러한 유형의 구성에서는 합쳐진 전기 효율과 화학적 효율에 기초하여 연료 전지의 총 효율을 개선 또는 증가시킬 수 있다. 화학적 효율은 다른 공정에서의 사용을 위한 산출물로서 애노드 배기 가스로부터 수소 및/또는 합성 가스 스트림을 회수하는데 기초할 수 있다. 전기 효율은 몇몇 종래의 구성에 비해 감소될 수 있으나, 애노드 배기 가스중 화학 에너지 산출물을 사용하여 연료 전지의 목적하는 총 효율을 가능케 할 수 있다.In addition to, and / or as an alternative to, the fuel cell operating strategy described herein, a molten carbonate fuel cell (e.g., a fuel cell assembly) may have a CO 2 utilization value of, for example, greater than about 60% Such as the fuel consumption rate of the engine. In this type of construction, the molten carbonate fuel cell can be effective for carbon capture, because the CO 2 utilization can advantageously be high enough. Rather than attempting to maximize electrical efficiency, this type of configuration can improve or increase the total efficiency of the fuel cell based on the combined electrical and chemical efficiencies. The chemical efficiency may be based on the recovery of the hydrogen and / or syngas stream from the anode exhaust as an output for use in other processes. The electrical efficiency may be reduced compared to some conventional configurations, but it may be possible to use the chemical energy output in the anode exhaust gas to achieve the desired total efficiency of the fuel cell.
다양한 양태에서, 연료 전지 애노드에서의 연료 이용률은 약 50% 이하, 예컨대 약 40% 이하, 또는 약 30% 이하, 또는 약 25% 이하, 또는 약 20% 이하일 수 있다. 다양한 양태에서, 적어도 일부 전력을 발생시키기 위하여, 연료 전지에서의 연료 이용률은 약 5% 이상, 예를 들어 약 10% 이상, 또는 약 15% 이상, 또는 약 20% 이상, 또는 약 25% 이상, 또는 약 30% 이상일 수 있다. 추가로 또는 다르게는, CO2 이용률은 약 60% 이상, 예를 들어 약 65% 이상, 또는 약 70% 이상, 또는 약 75% 이상일 수 있다.In various embodiments, the fuel utilization rate in the fuel cell anode may be about 50% or less, such as about 40% or less, or about 30% or less, or about 25% or less, or about 20% or less. In various embodiments, the fuel utilization rate in 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%, or at least about 25% Or about 30% or more. Additionally or alternatively, the CO 2 utilization may be at least about 60%, such as at least about 65%, or at least about 70%, or at least about 75%.
일부 양태에서, 애노드 및/또는 애노드에 수반되는 개질 스테이지로 전달되는 투입 스트림중 개질가능한 연료의 개질가능한 수소 함량은 애노드에서 반응하는 수소의 순 양보다 약 50% 이상, 예를 들어 약 75% 이상, 또는 약 100% 이상 더 클 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 애노드 및/또는 애노드에 수반되는 개질 스테이지로 전달되는 투입 스트림중 연료의 개질가능한 수소 함량은 애노드에서 반응하는 수소의 순 양보다 약 50% 이상, 예컨대 약 75% 이상, 또는 약 100% 이상 더 클 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 스테이지(들)에서 수소로 전환될 수 있다. 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. 다양한 양태에서, 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. In some embodiments, the reformable fuel 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 reacting at the anode , Or greater than about 100%. Additionally or alternatively, the reformable hydrogen content of the fuel in the feed stream delivered to the reforming stages followed by the anode and / or anode may be at least about 50%, such as at least about 75%, or more than the net amount of reacting hydrogen at the anode, or Can be about 100% larger. 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 (s) have. 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 various embodiments, 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.
본원에 기재되는 연료 전지 작동 전략에 추가적으로, 보충하여 및/또는 대안으로, 용융 카보네이트 연료 전지(예를 들어, 연료 전지 어셈블리)는 또한 연료 전지의 합쳐진 전기 효율 및 화학적 효율을 개선하거나 최적화할 수 있는 조건에서 작동될 수 있다. 연료 전지의 전기 효율을 최대화하기 위한 종래의 조건을 선택하는 대신, 작동 조건은 연료 전지의 애노드 배기 가스중 과량의 합성 가스 및/또는 수소의 산출을 가능케 할 수 있다. "청정" 연료로서 사용하기 위한 수소의 화학적 합성 공정 및 수집을 비롯한 다양한 용도에 합성 가스 및/또는 수소를 사용할 수 있다. 본 발명의 양태에서는, 전기 효율을 감소시켜 높은 전체적인 효율을 달성할 수 있는데, 이 전체적인 효율은 연료 전지의 연료 투입물의 에너지 값에 대해 생성되는 합성 가스 및/또는 수소의 화학적 에너지 값에 기초한 화학적 효율을 포함한다.In addition to, and / or as an alternative to, the fuel cell operating strategy described herein, molten carbonate fuel cells (e.g., fuel cell assemblies) can also be used to improve or optimize the combined electrical and chemical efficiencies of fuel cells Lt; / RTI > 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. Syngas and / or hydrogen may be used for a variety of applications including chemical synthesis and collection of hydrogen for use as "clean" fuel. In an embodiment of the present invention, it is possible to achieve a high overall efficiency by reducing the electrical efficiency, which is the chemical efficiency based on the chemical energy value of the syngas and / or hydrogen produced for the energy value of the fuel input of the fuel cell .
일부 양태에서, 연료 전지의 작동은 전기 효율에 기초하여 특징화될 수 있다. 연료 전지가 낮은 전기 효율(EE)을 갖도록 작동되는 경우, 용융 카보네이트 연료 전지는 약 40% 이하, 예컨대 약 35% EE 이하, 약 30% EE 이하, 약 25% EE 이하, 또는 약 20% EE 이하, 약 15% EE 이하, 또는 약 10% EE 이하의 전기 효율을 갖도록 작동될 수 있다. 추가로 또는 다르게는, EE는 약 5% 이상, 또는 약 10% 이상, 또는 약 15% 이상, 또는 약 20% 이상일 수 있다. 또한 추가로 또는 다르게는, 연료 전지의 작동은 연료 전지(들)의 합쳐진 전기 효율 및 화학적 효율 같은 총 연료 전지 효율(TFCE)에 기초하여 특징화될 수 있다. 연료 전지가 높은 총 연료 전지 효율을 갖도록 작동되는 경우, 용융 카보네이트 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 효율 및 화학적 효율)를 갖도록 작동될 수 있다. 총 연료 전지 효율 및/또는 합쳐진 전기 효율 및 화학적 효율에 있어서, 연료 전지에 의해 발생되는 과량의 열의 사용으로부터 발생되는 임의의 추가적인 전기는 효율 계산에서 제외될 수 있다.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 molten carbonate fuel cell may be less than about 40%, such as less than about 35% EE, less than about 30% EE, less than about 25% , About 15% EE or less, or about 10% EE or less. Additionally or alternatively, the EE may be at least about 5%, or at least about 10%, or at least about 15%, or at least about 20%. Additionally or alternatively, the operation of the fuel cell may be characterized based on total fuel cell efficiency (TFCE) such as the combined electrical and chemical efficiencies of the fuel cell (s). When the fuel cell is operated to have a high total fuel cell efficiency, the molten carbonate fuel cell may be operated at a temperature 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 efficiency). For total fuel cell efficiency and / or combined electrical efficiency and chemical efficiency, any additional electricity generated 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 40% 이하의 목적하는 전기 효율 및 약 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, 용융 카보네이트 연료 전지는 약 40% 이하의 전기 효율 및 약 55% 이상의 TFCE, 예를 들어 약 35% 이하의 EE 및 약 60% 이상의 TFCE, 약 30% 이하의 EE 및 약 65% 이상의 TFCE, 약 25% 이하의 EE 및 약 70% 이상의 TFCE, 약 20% 이하의 EE 및 약 75% 이상의 TFCE, 약 15% 이하의 EE 및 약 80% 이상의 TFCE, 또는 약 10% 이하의 EE 및 약 85% 이상의 TFCE를 갖도록 작동될 수 있다.In various embodiments of the invention, the operation of the fuel cell may be characterized based on a desired electrical efficiency of about 40% or less and a desired total fuel cell efficiency of about 55% or more. When the fuel cell is operated to have the desired electrical efficiency and the desired total fuel cell efficiency, the molten carbonate fuel cell has an electrical efficiency of about 40% or less and a TFCE of about 55% or greater, for example, about 35% About 60% or more TFCE, about 30% or less EE and about 65% or more TFCE, about 25% or less EE and about 70% or more TFCE, about 20% or less EE, about 75% or more TFCE, And about 80% or more TFCE, or about 10% or less EE and about 85% or more TFCE.
정의Justice
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 CO3 2-와의 반응에 의해 H2를 산화시켜 H2O와 CO2를 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 anode of the fuel cell is defined as a reaction to oxidize the H 2 by the reaction of the CO 3 2- Sikkim corresponding to generate H 2 O and CO 2. 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. Lower calorific value: The lower calorific value is defined as the enthalpy of combustion of the fuel component into the fully oxidized product of the gas phase (ie, the 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 "CO2 이용률" 및/또는 "산화제" 이용률과 관련하여 특징화될 수 있다. CO2 이용률 및/또는 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 "CO 2 utilization" and / or "oxidant" utilization. CO 2 availability and / or oxidant utilization rate values may also be defined in a similar manner.
연료 과잉 비: 용융 카보네이트 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, 용융 카보네이트 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 method of characterizing the reaction in a molten carbonate fuel cell is to determine the amount of hydrogen that is to be oxidized in the anode due to the fuel cell anode reaction, the amount of all the fuel that is delivered 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 molten carbonate fuel cell has an 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, 용융 카보네이트 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 통해 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 molten carbonate fuel cell has a melting point of at least about 0.25, such as at least about 0.5, or at least about 1.0, or at least about 1.5, or at least about 2.0, or at least about 2.5, or at least about 3.0, 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 though the fuel utilization rate is low once passed through the fuel cell. 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 카보네이트 형성 반응에 의해 발생되는 열의 양과 전류의 형태로 연료 전지에서 나가는 에너지 사이의 차이에 (대략) 상응하는 과량의 열을 생성시킬 수 있다. 애노드 산화 반응/카보네이트 생성 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, 용융 카보네이트 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 카보네이트 이온과 추후 반응하여 H2O와 CO2를 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 통해 통과할 수 있음) 후, 연료 전지 외부에서 연소되어 H2O와 CO2를 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 can resist the endothermic reaction, which generates a correspondingly large amount of heat (approximately) to the difference between the amount of heat generated by the anode oxidation reaction and the carbonate formation 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 / carbonate production reaction may be larger than the heat absorbed by the reforming to generate 1 mole of hydrogen. As a result, the fuel cell 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 (Almost) the heat consumed by the reforming, or even the heat consumed by the reforming In excess of the excess heat generated by the charges oxide to be a temperature drop across the fuel cell occurs, it is possible to modify the 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. During operation in a conventional manner for power generation using such fuel, the molten carbonate fuel cell can be operated at a fuel utilization rate of about 75%. This means that about 75% (or ¾) of the fuel delivered to the anode is used to form hydrogen, which reacts with the carbonate ion at the anode to form H 2 O and CO 2 . In conventional operation, the remaining about 25% of the fuel content is reformed into H 2 in the fuel cell (or may pass through the fuel cell without reacting in the case of any CO or H 2 in the fuel) It is possible to provide heat to the cathode inlet to the fuel cell by burning outside the cell to form H 2 O and CO 2 . 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 연료, 캐쏘드로 전달되는 연료, 및 연료 전지의 온도를 유지하는데 사용되는 임의의 연료(예컨대, 연료 전지에 수반되는 버너로 전달되는 연료)를 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 fuel delivered to the anode, fuel delivered to the cathode, and any fuel used to maintain the temperature of the fuel cell (e.g., fuel delivered to the burner associated with 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 a) 애노드 입구 스트림 내의 연료의 양, b) 캐쏘드 입구 스트림 내의 연료의 양, 및 c) 연료 전지의 온도를 유지하는데 사용되는 연료의 양을 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) refers to the amount of fuel in the anode inlet stream, the amount of fuel in the cathode inlet stream, and the amount of fuel used to maintain the temperature of the fuel cell Which is the total amount of fuel delivered to 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.
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. 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.
연료 전지 및 연료 전지 구성요소: 본 논의에서, 연료 전지는 전해질에 의해 분리된 애노드와 캐쏘드를 갖는 단일 전지에 상응할 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 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)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 배기 가스 유동을 처리하는 경우에는, 단일 용융 카보네이트 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) 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. The system and method described herein can be used with a single molten carbonate fuel cell stack when treating a given exhaust gas flow with a sufficiently large volume of the 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(예를 들어, 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 할 수 있다. 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 복귀될 수 있다. 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 may instead serve 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 .
열 통합 관점에서, 연료 전지 스택의 특징적인 높이는 개별적인 연료 전지 스택 요소의 높이일 수 있다. 별도의 개질 스테이지 및/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 흡열 반응의 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 10배 미만으로 위치하는 것으로 정의될 수 있다. 예를 들어, 통합된 흡열 반응 스테이지(예컨대, 개질 스테이지)는 열 통합되는 임의의 연료 전지로부터의 스택 요소의 높이의 10배 미만, 또는 스택 요소의 높이의 8배 미만, 또는 스택 요소의 높이의 5배 미만, 또는 스택 요소의 높이의 3배 미만으로 위치될 수 있다. 이 논의에서, 연료 전지 요소에 인접한 스택 요소를 나타내는 통합된 개질 스테이지 및/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 and / 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 the endothermic reaction. This integrated endothermic reaction stage can be defined as being located less than 10 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 less than 10 times the height of the stack element from any heat-integrated fuel cell, or less than 8 times the height of the stack element, 5 times, or less than three times the height of the stack element. In this discussion, the integrated reforming stage and / or the integrated endothermic reaction stage representing the stack elements adjacent to the fuel cell element can be defined as being less than or equal to about one stack element height away from adjacent fuel cell elements.
일부 양태에서, 연료 전지 요소와 열 통합되는 별도의 개질 스테이지는 연료 전지 요소에 수반되는 개질 스테이지에 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 않는 것으로 결정될 수 있다. 대신, 산출물을 애노드 배기 가스 스트림에 직접 첨가하고/하거나 연료 전지 어셈블리로부터 별도의 산출 스트림을 형성하는 것과 같은 다른 목적으로 이러한 개질 스테이지의 산출물을 사용하고자 결정할 수 있다.In some embodiments, a separate reforming stage that is thermally integrated with the fuel cell element may 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 receive heat from the fuel cell, but can be determined not to use the product of the reforming stage as an input to the fuel cell. Instead, one can decide to use the output of this modification stage for other purposes, such as adding the product directly to the anode exhaust stream and / 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 추가로 또는 달리 사용하여, 각 스택 요소로부터의 산출 유동을 회수할 수 있다. 임의적으로는, 산출 유동을 연료 전지 애노드를 통해 통과시키지 않으면서, 스택의 흡열 반응 스테이지로부터의 산출 유동을 연료 전지 스택으로부터 회수할 수 있다. 이러한 임의적인 양태에서는, 따라서, 발열 반응의 생성물이 연료 전지 애노드를 통해 통과하지 않고 연료 전지 스택으로부터 나갈 수 있다. 연료 전지 스택의 스택 요소에서 수행될 수 있는 다른 유형의 흡열 반응의 예는 에틸렌을 형성하기 위한 에탄올 탈수 및 에탄 분류를 포함할 수 있다(이것으로 한정되지는 않음).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. A similar manifold or other arrangement of outlet conduits may be used additionally or otherwise 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 can exit 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 the fuel cell stack may include, but are not limited to, 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 통해 통과시키지 않는 스트림의 재순환으로서 정의되는 한편, 간접 재순환은 하나 이상의 중간 공정을 통해 스트림을 통과시킨 후의 재순환을 포함한다. 예를 들어, 애노드 배기 가스가 재순환되기 전에 CO2 분리 스테이지를 통해 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 is not passed through 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, MCFC 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 캐쏘드 투입물에 CO2-함유 스트림을 제공하는 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, MCFC arrays include, but are not limited to, 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 turbines, that provide a CO 2 -containing stream to the cathode input 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 용융 카보네이트 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, MCFC 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 molten carbonate 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, a reference to a hydrocarbon-containing fuel stream for an MCFC 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, 용융 카보네이트 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, 용융 카보네이트 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, 용융 카보네이트 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, 용융 카보네이트 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 molten carbonate 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, molten carbonate 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 molten carbonate 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 molten carbonate fuel cell may be less than or equal to about 90 vol%, such as less than or equal to about 75 vol%, alternatively less than or equal to about 60 vol%, alternatively less than or equal 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.
MCFC 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 MCFC 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.
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 용융 카보네이트 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. CO2 및 O2-함유 스트림(119)을 또한 캐쏘드(129) 내로 통과시킬 수 있다. 연료 전지의 캐쏘드 부분(129)으로부터의 카보네이트 이온(122) CO3 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, CO2, 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. 이어, 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 통해 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) 후에 도시되어 있으나, 이는 임의적으로는 대신 CO2 분리 스테이지(140) 전에 위치할 수 있다. 또한, H2를 분리하기 위한 임의적인 막 분리 스테이지(160)를 이용하여 H2의 고순도 투과물 스트림(163)을 생성시킬 수 있다. 이어, 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 CO2 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 molten carbonate fuel cell with a chemical synthesis process. 1 supplies a
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. 이어, 수성 가스 전화 스테이지(230)에서 H2 대 CO의 비를 더 조정하여 목적하는 값을 획득할 수 있다. 이어, 수성 가스 전화된 산출물(235)을 CO2 분리 스테이지(240) 및 물 제거 스테이지(250)를 통해 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
캐쏘드 투입물 및 산출물Cathode inputs and outputs
통상적으로는, 애노드에 전달되는 연료 스트림중 연료의 일부를 소비하면서 목적하는 부하에 기초하여 용융 카보네이트 연료 전지를 작동시킬 수 있다. 연료 전지의 전압은 부하, 애노드로의 연료 투입물, 캐쏘드에 제공되는 공기 및 CO2, 및 연료 전지의 내부 저항에 의해 결정될 수 있다. 부분적으로는 애노드 배기 가스를 캐쏘드 투입 스트림의 적어도 일부로서 사용함으로써 캐쏘드로의 CO2를 통상적으로 제공할 수 있다. 대조적으로, 본 발명은 애노드 투입물 및 캐쏘드 투입물에 대해 별도의/상이한 공급원을 사용할 수 있다. 애노드 투입 유동과 캐쏘드 투입 유동의 조성 사이의 임의의 직접적인 연결을 제거함으로써, 특히 과량의 합성 가스를 발생시키고/시키거나 이산화탄소의 포획을 개선하고/하거나 연료 전지의 총 효율(전기+화학적 전력)을 개선하기 위하여 연료 전지를 작동시키는데 추가적인 옵션을 이용할 수 있게 된다. Typically, the molten carbonate 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 CO 2 provided to the cathode, and the internal resistance of the fuel cell. In part, it is possible to typically provide CO 2 to the cathode by using the anode exhaust gas as at least a portion of the cathode feed stream. In contrast, the present invention may use separate / different sources for anode inputs and cathode inputs. By eliminating any direct connection between the anode charge flow and the composition of the cathode charge flow, it is possible to reduce the total efficiency (electrical + chemical power) of the fuel cell, in particular by generating and / or increasing the amount of syngas, An additional option is available to operate the fuel cell to improve the fuel cell.
용융 카보네이트 연료 전지에서, 연료 전지의 전해질을 가로지르는 카보네이트 이온의 수송은 CO2를 제 1 유동 경로로부터 제 2 유동 경로로 수송하는 방법을 제공할 수 있으며, 이 때 수송 방법은 더 낮은 농도(캐쏘드)로부터 더 높은 농도(애노드)로의 수송을 가능케 하며, 이는 따라서 CO2의 포획을 용이하게 할 수 있다. CO2 분리를 위한 연료 전지의 선택성의 일부는 전지가 전력을 발생시키도록 하는 전기화학적 반응에 기초할 수 있다. 연료 전지 내에서 전기화학적 반응에 효과적으로 참여하지 않는 비반응성 물질(예컨대, N2)의 경우, 반응 및 캐쏘드로부터 애노드로의 수송이 미미한 양으로 존재할 수 있다. 대조적으로, 캐쏘드와 애노드 사이의 포텐셜(전압) 차이는 연료 전지를 가로지르는 카보네이트 이온의 수송에 대한 강력한 구동력을 제공할 수 있다. 그 결과, 용융 카보네이트 연료 전지에서 카보네이트 이온의 수송은 비교적 높은 선택성으로 CO2를 캐쏘드(더 낮은 CO2 농도)로부터 애노드(더 높은 CO2 농도)로 수송하도록 할 수 있다. 그러나, 이산화탄소 제거를 위해 용융 카보네이트 연료 전지를 이용함에 있어서의 난점은 연료 전지가 비교적 묽은 캐쏘드 공급물로부터 이산화탄소를 제거하는 능력이 제한된다는 것일 수 있다. 카보네이트 연료 전지에 의해 발생되는 전압 및/또는 전력은 CO2 농도가 약 1.0몰% 미만으로 떨어짐에 따라 급락하기 시작할 수 있다. 일부 지점에서 CO2 농도가 더, 예를 들어 약 0.3부피% 미만으로 하락함에 따라, 연료 전지를 가로지르는 전압은 카보네이트의 추가적인 수송이 거의 또는 전혀 이루어지지 않고 연료 전지가 작동을 중지할 정도로 충분히 낮아질 수 있다. 그러므로, 적어도 일부 CO2는 상업적으로 가능성 있는 작동 조건 하에서 연료 전지의 캐쏘드 스테이지로부터의 배기 가스에 존재할 것이다. In a molten carbonate fuel cell, the transport of carbonate ions across the electrolyte of the fuel cell may provide a way to transport CO 2 from the first flow path to the second flow path, enabling further transport to the high concentration (anode) from the cathode), which thus can facilitate the capture of CO 2. Some of the selectivity of the fuel cell for CO 2 separation may be based on an electrochemical reaction that causes the cell to generate power. In the case of a non-reactive material (e.g., N 2 ) that does not participate effectively in the electrochemical reaction in the fuel cell, the reaction and the transport from the cathode to the anode may be present in negligible amounts. In contrast, the potential (voltage) difference between the cathode and the anode can provide a strong driving force for the transport of carbonate ions across the fuel cell. As a result, the transport of carbonate ions in the molten carbonate fuel cell can cause CO 2 to be transported from the cathode (lower CO 2 concentration) to the anode (higher CO 2 concentration) with relatively high selectivity. However, a difficulty in using a molten carbonate fuel cell for carbon dioxide removal may be that the fuel cell has limited ability to remove carbon dioxide from a relatively dilute cathode feed. The voltage and / or power generated by the carbonate fuel cell may begin to plunge as the CO 2 concentration falls below about 1.0 mol%. As the CO 2 concentration decreases at some point, for example, to less than about 0.3% by volume, the voltage across the fuel cell becomes sufficiently low that little or no additional transport of the carbonate occurs and the fuel cell stops operating . Therefore, at least some of the CO 2 will be present in the exhaust gas from the cathode stage of the fuel cell under commercially viable operating conditions.
연료 전지 캐쏘드(들)에 전달되는 이산화탄소의 양은 캐쏘드 입구의 공급원의 CO2 함량 및/또는 캐쏘드 입구 스트림중 탄소-함유 연료의 양에 기초하여 결정될 수 있다. 탄소-함유 연료를 함유하는 캐쏘드 입구 스트림의 경우, 연료 화합물중 탄소의 평균 수로 곱해진 캐쏘드 입구 스트림중 연료의 부피%에 비례하는 양의 CO2가 캐쏘드에서 동일 반응계 내에서 발생될 수 있다. 예를 들어, H2는 탄소를 갖지 않고, CO와 CH4는 1개의 탄소를 가지며, 에탄은 2개의 탄소를 갖는 등등이다. 그 결과, 연료의 연소에 의해 캐쏘드에 제공되는 CO2의 양은 CO2 없음(캐쏘드중 연료가 모두 H2인 경우)으로부터 약 0.25부피% 내지 약 10부피%까지에 이를 수 있다. 연소된 연료로부터 유래되는 CO2의 범위의 상한은 상당량의 연료가 방향족 화합물 및/또는 다수개의 탄소를 갖는 다른 연료에 상응하는 상황을 나타낸다. 연료의 연소로부터 유래되는 캐쏘드 입구 스트림의 CO2 함량은 또한 스트림이 캐쏘드에 들어갈 때 캐쏘드 입구 스트림에 존재하는 임의의 CO2일 수 있다. The amount of carbon dioxide delivered to the fuel cell cathode (s) may be determined based on the CO 2 content of the source of the cathode inlet and / or the amount of carbon-containing fuel in the cathode inlet stream. In the case of a cathode inlet stream containing a carbon-containing fuel, an amount of CO 2 proportional to the volume percent of the fuel in the cathode inlet stream multiplied by the average number of carbons in the fuel compound can be generated in the in- have. For example, H 2 has no carbon, CO and CH 4 have one carbon, ethane has two carbons, and so on. As a result, it is possible to reach about 0.25% by volume to about 10% by volume from the amount of CO 2 N cache of CO 2 supplied to the cathode (a cathode of the fuel when both the H 2) by the combustion of the fuel. The upper limit of the range of CO 2 resulting from the burned fuel represents a situation in which a significant amount of the fuel corresponds to an aromatic compound and / or to another fuel having a plurality of carbons. The CO 2 content of the cathode inlet stream resulting from the combustion of the fuel may also be any CO 2 present in the cathode inlet stream when the stream enters the cathode.
캐쏘드 투입 유동으로서 사용하기 적합한 CO2-함유 스트림의 일례는 연소 공급원으로부터의 산출물 또는 배기 가스 유동일 수 있다. 연소 공급원의 예는 천연 가스의 연소, 석탄의 연소, 및/또는 다른 탄화수소-유형의 연료(생물로부터 유도되는 연료 포함)의 연소에 기초한 공급원을 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다. 추가적인 또는 다른 공급원은 다른 유형의 보일러, 직화식 히터, 로, 및/또는 다른 성분(예컨대, 물 또는 공기)을 가열하기 위하여 탄소-함유 연료를 태우는 다른 유형의 장치를 포함할 수 있다. 대략, 연소 공급원으로부터의 산출 유동의 CO2 함량은 유동중 소량일 수 있다. 석탄-직화식 연소 공급원 같은 더 높은 CO2 함량의 배기 가스 유동의 경우에도, 대부분의 상업적인 석탄-직화식 발전소로부터의 CO2 함량은 약 15부피% 이하일 수 있다. 더욱 일반적으로, 연소 공급원으로부터의 산출물 또는 배기 가스 유동중 CO2 함량은 약 1.5부피% 이상, 또는 약 1.6부피% 이상, 또는 약 1.7부피% 이상, 또는 약 1.8부피% 이상, 또는 약 1.9부피% 이상, 또는 2부피% 이상, 또는 약 4부피% 이상, 또는 약 5부피% 이상, 또는 약 6부피% 이상, 또는 약 8부피% 이상일 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 연소 공급원으로부터의 산출물 또는 배기 가스 유동의 CO2 함량은 약 20부피% 이하, 예를 들어 약 15부피% 이하, 또는 약 12부피% 이하, 또는 약 10부피% 이하, 또는 약 9부피% 이하, 또는 약 8부피% 이하, 또는 약 7부피% 이하, 또는 약 6.5부피% 이하, 또는 약 6부피% 이하, 또는 약 5.5부피% 이하, 또는 약 5부피% 이하, 또는 약 4.5부피% 이하일 수 있다. 상기 주어진 농도는 건조 기준이다. 배기 가스 재순환 루프에 포함될 수 있거나 포함되지 않을 수 있는 발전 시스템의 일부인 발전기 같은 일부 천연 가스 또는 메탄 연소 공급원으로부터의 배기 가스에는 더 낮은 CO2 함량 값이 존재할 수 있음에 주목한다. An example of a CO 2 -containing stream suitable for use as a cathode feed stream may be an output from an combustion source or an exhaust gas stream. Examples of combustion sources include, but are not limited to, sources based on combustion of natural gas, combustion of coal, and / or combustion of other hydrocarbon-type fuels (including fuel derived from an organism). Additional or other sources may include other types of devices that burn carbon-containing fuels to heat other types of boilers, flammable heaters, furnaces, and / or other components (e.g., water or air). Approximately, the CO 2 content of the output flow from the combustion source can be small in the flow. Even in the case of a higher CO 2 content of exhaust gas flow, such as a coal-flamed combustion source, the CO 2 content from most commercial coal-fired power plants can be less than about 15% by volume. More generally, the CO 2 content in the output or exhaust gas flow from the combustion source is greater than or equal to about 1.5%, or greater than or equal to 1.6%, or greater than or equal to 1.7%, or greater than or equal to 1.8%, or greater than or equal to 1.9% , Or at least 2 vol%, or at least about 4 vol%, or at least about 5 vol%, or at least about 6 vol%, or at least about 8 vol%. Additionally or alternatively, the CO 2 content of the product or exhaust gas flow from the combustion source can be up to about 20 vol%, for example up to about 15 vol%, or up to about 12 vol%, or up to about 10 vol% About 9 vol% or less, or about 8 vol% or less, or about 7 vol% or less, or about 6.5 vol% or less, or about 6 vol% or less, or about 5.5 vol% May be less than or equal to 4.5 vol%. The given concentration is a drying criterion. Note that there may be lower CO 2 content values in some natural gas or exhaust gases from a methane combustion source, such as generators that are part of a power generation system that may or may not be included in the exhaust gas recycle loop.
캐쏘드 투입 스트림의 다른 가능한 공급원은 추가로 또는 다르게는 생물-생성된 CO2의 공급원을 포함할 수 있다. 이는 예를 들어 에탄올 생성 동안 발생되는 CO2 같이 생물-유도되는 화합물의 가공 동안 발생되는 CO2를 포함할 수 있다. 추가적인 또는 다른 예는 리그노셀룰로즈의 연소 같은 생물-생성된 연료의 연소에 의해 발생되는 CO2를 포함할 수 있다. 또 다른 추가적인 또는 다른 가능한 CO2 공급원은 강, 시멘트 및/또는 종이를 제조하기 위한 플랜트에 의해 발생되는 CO2-함유 스트림 같은 다양한 산업상의 공정으로부터의 산출물 또는 배기 가스 스트림에 상응할 수 있다. Other possible sources of cathode input streams may additionally or alternatively comprise a source of biologically generated CO 2 . This example, as CO 2 is generated during the ethanol production organisms may include a CO 2 generated during the processing of the derived compound. Additional or other examples may include CO 2 generated by the combustion of bio-generated fuel, such as combustion of lignocellulosic. Another additional or other possible CO 2 source CO 2 generated by the plant for the production of steel, cement and / or paper-may correspond to the output or the exhaust gas streams from various industrial processes on the same bearing stream.
CO2의 또 다른 추가적인 또는 다른 가능한 공급원은 연료 전지로부터의 CO2-함유 스트림일 수 있다. 연료 전지로부터의 CO2-함유 스트림은 상이한 연료 전지로부터의 캐쏘드 산출 스트림, 상이한 연료 전지로부터의 애노드 산출 스트림, 연료 전지의 캐쏘드 산출물로부터 캐쏘드 투입물로의 재순환 스트림, 및/또는 연료 전지의 애노드 산출물로부터 캐쏘드 투입물로의 재순환 스트림에 상응할 수 있다. 예를 들면, 종래의 조건 하에 독립 방식으로 작동되는 MCFC는 약 5부피% 이상의 CO2 농도를 갖는 캐쏘드 배기 가스를 생성시킬 수 있다. 이러한 CO2-함유 캐쏘드 배기 가스를 본 발명의 양태에 따라 작동되는 MCFC의 캐쏘드 투입물로서 사용할 수 있다. 더욱 일반적으로는, 캐쏘드 배기 가스로부터 CO2 산출물을 발생시키는 연료 전지의 다른 유형뿐만 아니라 "연소" 반응에 의해 및/또는 연소에 의해 전력을 받는 발전기에 의해 발생되지 않는 CO2-함유 스트림의 다른 유형을 추가로 또는 달리 사용할 수 있다. 임의적이지만 바람직하게는, 다른 연료 전지로부터의 CO2-함유 스트림은 다른 용융 카보네이트 연료 전지로부터일 수 있다. 예를 들면, 캐쏘드와 관련하여 직렬로 연결되는 용융 카보네이트 연료 전지의 경우, 제 1 용융 카보네이트 연료 전지의 캐쏘드로부터의 산출물을 제 2 용융 카보네이트 연료 전지의 캐쏘드로의 투입물로서 사용할 수 있다.Another additional or other possible sources of CO 2 is CO 2 from the fuel cell may be a containing stream. The CO 2 -containing stream from the fuel cell may be a cathode output stream from a different fuel cell, an anode output stream from a different fuel cell, a recycle stream from the cathode product of the fuel cell to the cathode input, and / May correspond to a recycle stream from the anode output to the cathode input. For example, an MCFC operating in a stand-alone manner under conventional conditions can produce a cathode exhaust gas having a CO 2 concentration of at least about 5 vol%. Such CO 2 -containing cathode exhaust gases may be used as cathode inputs to MCFCs operated in accordance with embodiments of the present invention. More generally, other types of fuel cells that produce CO 2 output from cathode exhaust gases, as well as CO 2 -containing streams that are not generated by a "combustion" reaction and / Other types may be used additionally or otherwise. Optionally, but preferably, the CO 2 -containing stream from another fuel cell can be from another molten carbonate fuel cell. For example, in the case of a molten carbonate fuel cell connected in series with a cathode, the output from the cathode of the first molten carbonate fuel cell can be used as an input to the cathode of the second molten carbonate fuel cell.
연소 공급원 외의 공급원으로부터의 다양한 유형의 CO2-함유 스트림에 있어서, 스트림의 CO2 함량은 광범위하게 변할 수 있다. 캐쏘드로의 투입 스트림중 CO2 함량은 약 2부피% 이상, 예컨대 약 4부피% 이상, 또는 약 5부피% 이상, 또는 약 6부피% 이상, 또는 약 8부피% 이상의 CO2를 함유할 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 캐쏘드로의 투입 스트림중 CO2 함량은 약 30부피% 이하, 예컨대 약 25부피% 이하, 또는 약 20부피% 이하, 또는 약 15부피% 이하, 또는 약 10부피% 이하, 또는 약 8부피% 이하, 또는 약 6부피% 이하, 또는 약 4부피% 이하일 수 있다. 일부 더 높은 CO2 함량의 스트림에 있어서, CO2 함량은 잔량의 다른 화합물과 CO2로 실질적으로 구성되는 스트림와 같이 약 30부피%보다 더 클 수 있다. 예로서, 배기 가스 재순환이 없는 가스-직화식 터빈은 약 4.2부피%의 CO2 함량을 갖는 배기 가스 스트림을 생성시킬 수 있다. 배기 가스 재순환을 이용하여, 가스-직화식 터빈은 약 6 내지 8부피%의 CO2 함량을 갖는 배기 가스 스트림을 생성시킬 수 있다. 메탄의 화학량론적 연소는 약 11부피%의 CO2 함량을 갖는 배기 가스 스트림을 생성시킬 수 있다. 석탄의 연소는 약 15 내지 20부피%의 CO2 함량을 갖는 배기 가스 스트림을 생성시킬 수 있다. 정련 오프-가스를 사용하는 직화식 히터는 약 12 내지 15부피%의 CO2 함량을 갖는 배기 가스 스트림을 생성시킬 수 있다. 임의의 배기 가스 재순환 없이 낮은 BTU 가스 상에서 작동되는 가스 터빈은 약 12부피%의 CO2 함량을 갖는 배기 가스 스트림을 생성시킬 수 있다. For various types of CO 2 -containing streams from sources other than combustion sources, the CO 2 content of the stream can vary widely. CO 2 content in the input stream of the cathode draw may contain from about 2 vol.% Or more, such as about 4% by volume or more, preferably about 5% by volume or more, or about 6% by volume, or at least about 8% by volume or more of CO 2 . Additionally or alternatively, the CO 2 content in the feed stream to the cathode may be up to about 30% by volume, such as up to about 25% by volume, or up to about 20% by volume, or up to about 15% by volume, Or about 8% by volume, or about 6% by volume or less, or about 4% by volume or less. For some higher CO 2 content streams, the CO 2 content may be greater than about 30% by volume, such as a stream substantially consisting of CO 2 and other compounds in balance. As an example, a gas-fired turbine without exhaust gas recirculation can produce an exhaust gas stream having a CO 2 content of about 4.2 vol.%. Using exhaust gas recirculation, a gas-fired turbine can produce an exhaust gas stream having a CO 2 content of about 6 to 8% by volume. The stoichiometric combustion of methane can produce an exhaust stream having a CO 2 content of about 11% by volume. Combustion of coal can produce an exhaust stream having a CO 2 content of about 15 to 20% by volume. A flammable heater using refining off-gas can produce an exhaust stream having a CO 2 content of about 12 to 15 vol.%. A gas turbine operating on low BTU gas without any exhaust gas recirculation can produce an exhaust gas stream having a CO 2 content of about 12% by volume.
CO2에 덧붙여, 캐쏘드 투입 스트림은 캐쏘드 반응에 필요한 성분을 제공하기 위하여 O2를 포함해야 한다. 일부 캐쏘드 투입 스트림은 구성성분으로서 공기를 가짐에 기초할 수 있다. 예를 들어, 공기의 존재하에서 탄화수소 연료를 연소시킴으로써 연소 배기 가스 스트림을 형성시킬 수 있다. 이러한 연소 배기 가스 스트림 또는 공기의 포함에 기초한 산소 함량을 갖는 다른 유형의 캐쏘드 투입 스트림은 약 20부피% 이하, 예컨대 약 15부피% 이하, 또는 약 10부피% 이하의 산소 함량을 가질 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 캐쏘드 투입 스트림의 산소 함량은 약 4부피% 이상, 예컨대 약 6부피% 이상, 또는 약 8부피% 이상일 수 있다. 더욱 일반적으로, 캐쏘드 투입 스트림은 캐쏘드 반응을 수행하는데 적합한 산소 함량을 가질 수 있다. 일부 양태에서, 이는 약 5부피% 내지 약 15부피%, 예를 들어 약 7부피% 내지 약 9부피%의 산소 함량에 상응할 수 있다. 많은 유형의 캐쏘드 투입 스트림에 있어서, CO2와 O2의 합쳐진 양은 투입 스트림의 약 21부피% 미만, 예컨대 스트림의 약 15부피% 미만, 또는 스트림의 약 10부피% 미만에 상응할 수 있다. 산소를 함유하는 공기 스트림을, 낮은 산소 함량을 갖는 CO2 공급원과 합칠 수 있다. 예를 들어, 석탄을 태움으로써 발생되는 배기 가스 스트림은 공기와 혼합하여 캐쏘드 입구 스트림을 형성할 수 있는 낮은 산소 함량을 포함할 수 있다. In addition to CO 2 , the cathode feed stream must contain O 2 to provide the components needed for the cathode reaction. Some cathode input streams may be based on having air as a constituent. For example, combustion exhaust gas streams can be formed by burning hydrocarbon fuel in the presence of air. Other types of cathode feed streams having an oxygen content based on the inclusion of such combustion exhaust gas streams or air may have an oxygen content of up to about 20 vol%, such as up to about 15 vol%, or up to about 10 vol%. Additionally or alternatively, the oxygen feed rate of the cathode feed stream can be at least about 4 vol.%, Such as at least about 6 vol.%, Or at least about 8 vol.%. More generally, the cathode input stream may have an oxygen content suitable for performing the cathode reaction. In some embodiments, it may correspond to an oxygen content of from about 5% by volume to about 15% by volume, for example from about 7% by volume to about 9% by volume. For many types of cathode feed streams, the combined amount of CO 2 and O 2 may correspond to less than about 21% by volume of the feed stream, such as less than about 15% by volume of the stream, or less than about 10% by volume of the stream. The oxygen-containing air stream can be combined with a CO 2 source having a low oxygen content. For example, the exhaust gas stream generated by burning coal may include a low oxygen content that can mix with air to form a cathode inlet stream.
CO2 및 O2에 덧붙여, 캐쏘드 투입 스트림은 또한 N2, H2O, 및 다른 전형적인 산화제(공기) 성분 같은 불활성/비반응성 물질로 구성될 수 있다. 예를 들면, 연소 반응으로부터의 배기 가스로부터 유도되는 캐쏘드 투입물의 경우, 공기를 연소 반응의 산화제 공급원의 일부로서 사용하면, 배기 가스는 N2, H2O, 및 공기에 존재하는 미량의 다른 화합물 같은 공기의 전형적인 성분을 포함할 수 있다. 연소 반응의 연료 공급원의 특성에 따라, 연료 공급원에 기초한 연소 후 존재하는 추가적인 물질은 H2O, 질소의 산화물(NOx) 및/또는 황의 산화물(SOx), 및 CO 같은 연료에 존재하고/하거나 연료에 존재하는 화합물의 부분 또는 완전 연소 생성물인 다른 화합물중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이들 물질은 전체적인 캐쏘드 활성을 감소시킬 수 있으나 캐쏘드 촉매 표면을 오염시키지 않는 양으로 존재할 수 있다. 성능의 이러한 감소는 허용될 수 있거나, 또는 캐쏘드 촉매와 상호작용하는 물질을 공지의 오염물질 제거 기법에 의해 허용되는 수준까지 감소시킬 수 있다. In addition to CO 2 and O 2 , the cathode feed stream may also be composed of inert / non-reactive materials such as N 2 , H 2 O, and other typical oxidant (air) components. For example, in the case of cathode inputs derived from the exhaust gas from the combustion reaction, if air is used as part of the oxidant source of the combustion reaction, the exhaust gas can include N 2 , H 2 O, and trace amounts of other Lt; RTI ID = 0.0 > air. ≪ / RTI > Depending on the nature of the fuel source of the combustion reaction, additional substances present after combustion based on the fuel source may be present in the fuel such as H 2 O, oxides of nitrogen (NO x ) and / or oxides of sulfur (SO x ) Or other compounds that are part or completely combustion products of the compounds present in the fuel. These materials may be present in an amount that can reduce overall cathode activity but not contaminate the cathode catalyst surface. This reduction in performance can be tolerated, or the material interacting with the cathode catalyst can be reduced to a level acceptable by known contaminant removal techniques.
캐쏘드 투입 스트림(예를 들어, 연소 배기 가스에 기초한 캐쏘드 투입 스트림)에 존재하는 O2의 양은 유리하게는 연료 전지의 캐쏘드 반응에 필요한 산소를 제공하기에 충분할 수 있다. 그러므로, O2의 부피 백분율은 유리하게는 배기 가스중 CO2 양의 0.5배 이상일 수 있다. 임의적으로는, 필요에 따라, 추가적인 공기를 캐쏘드 투입물에 첨가하여 캐쏘드 반응에 충분한 산화제를 제공할 수 있다. 일부 유형의 공기를 산화제로서 사용하는 경우, 캐쏘드 배기 가스중 N2의 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 오염물질로 보여지는 화합물(예컨대, H2S 또는 NH3)을 함유할 수 있다. 다른 양태에서는, 캐쏘드 투입 스트림을 세정하여 이러한 오염물질의 함량을 감소시키거나 최소화할 수 있다.The amount of O 2 present in the cathode feed stream (e.g., the cathode feed stream based on the combustion exhaust gas) may advantageously be sufficient to provide the oxygen required for the cathode reaction of the fuel cell. Therefore, the volume percentage of O 2 can advantageously be at least 0.5 times the amount of CO 2 in the exhaust gas. Optionally, additional air can be added to the cathode feed, if necessary, to provide sufficient oxidant for the cathode reaction. When some type of air is used as the oxidant, 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 least about 95 vol%. In some embodiments, the cathode feed stream may additionally or alternatively contain a compound that is typically seen as a contaminant (e.g., H 2 S or NH 3 ). In another embodiment, the cathode input stream can be cleaned to reduce or minimize the content of such contaminants.
전해질을 가로질러 수송하기 위한 카보네이트 이온을 형성하는 반응에 덧붙여, 캐쏘드의 조건은 또한 질소 산화물의 니트레이트 및/또는 니트레이트 이온으로의 전환에도 적합할 수 있다. 이후, 편의상 니트레이트 이온만 일컫는다. 생성되는 니트레이트 이온도 애노드에서의 반응을 위해 전해질을 가로질러 수송될 수 있다. 캐쏘드 투입 스트림중 NOx 농도는 전형적으로 ppm의 수준일 수 있으며, 따라서 이 니트레이트 수송 반응은 전해질을 가로질러 수송되는 카보네이트의 양에 대해 최소한의 영향을 가질 수 있다. 그러나, 이 NOx 제거 방법은 가스 터빈으로부터의 연소 배기 가스에 기초한 캐쏘드 투입 스트림에 유리할 수 있는데, 왜냐하면 이는 NOx 배출을 감소시키기 위한 메카니즘을 제공할 수 있기 때문이다. 캐쏘드의 조건은 추가로 또는 다르게는 미연소 탄화수소(캐쏘드 투입 스트림중 O2와 함께)의 전형적인 연소 생성물(예컨대, CO2 및 H2O)로의 전환에 적합할 수 있다.In addition to the reaction to form carbonate ions for transport across the electrolyte, the conditions of the cathode may also be suitable for the conversion of nitrogen oxides to nitrates and / or nitrate ions. Hereinafter, for convenience, only nitrate ions are referred to. The resulting nitrate ions may also be transported across the electrolyte for reaction at the anode. The NO x concentration in the cathode feed stream can typically be in the order of ppm and thus this nitrate transport reaction can have a minimal impact on the amount of carbonate transported across the electrolyte. However, this NO x removal method may be advantageous for a cathode input stream based on combustion exhaust gas from a gas turbine because it can provide a mechanism for reducing NO x emissions. The conditions of the cathode may additionally or alternatively be suitable for the conversion of unburned hydrocarbons (with O 2 in the cathode feed stream) to typical combustion products (e.g., CO 2 and H 2 O).
MCFC의 작동에 적합한 온도는 약 450℃ 내지 약 750℃, 예컨대 약 500℃ 이상일 수 있으며, 입구 온도는 약 550℃이고, 출구 온도는 약 625℃이다. 캐쏘드에 들어가기 전에, 필요한 경우 연소 배기 가스에 열을 가하거나 연소 배기 가스로부터 열을 제거하여, 예컨대 애노드의 연료 투입물의 개질 같은 다른 공정을 위한 열을 제공할 수 있다. 예를 들어, 캐쏘드 투입 스트림의 공급원이 연소 배기 가스 스트림인 경우, 연소 배기 가스 스트림은 캐쏘드 입구의 목적하는 온도보다 더 높은 온도를 가질 수 있다. 이러한 양태에서는, 캐쏘드 투입 스트림으로서 사용하기 전에 연소 배기 가스로부터 열을 제거할 수 있다. 다르게는, 연소 배기 가스는 예를 들어 석탄-직화식 보일러 상에서의 습윤 기체 스크러버 후에 매우 낮은 온도일 수 있는데, 이 경우 연소 배기 가스는 약 100℃ 미만일 수 있다. 다르게는, 연소 배기 가스는 복합 사이클 방식으로 작동되는 가스 터빈의 배기 가스일 수 있으며, 복합 사이클 방식에서는 가스를 상승 수증기에 의해 냉각시켜 추가적인 발전을 위해 증기 터빈을 작동시킬 수 있다. 이 경우, 가스는 약 50℃ 미만일 수 있다. 요구되는 것보다 더 차가운 연소 배기 가스에 열을 가할 수 있다.Suitable temperatures for operation of the MCFC may be from about 450 캜 to about 750 캜, such as about 500 캜 or higher, the inlet temperature is about 550 캜, and the outlet temperature is about 625 캜. Before entering the cathode, heat may be applied to the combustion exhaust gas, if necessary, or heat may be removed from the combustion exhaust gas to provide heat for other processes such as, for example, reforming the fuel input of the anode. For example, when the source of the cathode input stream is a combustion exhaust stream, the combustion exhaust stream may have a temperature higher than the desired temperature of the cathode inlet. In this embodiment, heat may be removed from the combustion exhaust gas prior to use as a cathode feed stream. Alternatively, the combustion exhaust gas may be at a very low temperature, for example after a wet gas scrubber on a coal-fired boiler, in which case the combustion exhaust gas may be below about 100 ° C. Alternatively, the combustion exhaust gas may be an exhaust gas of a gas turbine operating in a combined cycle mode, and in a combined cycle mode, the gas may be cooled by rising steam to operate the steam turbine for further power generation. In this case, the gas may be less than about 50 캜. Heat can be applied to the combustion exhaust gas, which is colder than required.
용융 카보네이트 연료 전지 작동Molten carbonate fuel cell operation
일부 양태에서, 연료 전지는 1회 통과 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. 임의적으로는, 1회 통과 방식으로 MCFC를 작동시키는 동안에는 애노드 출구로부터의 CO2를 캐쏘드 입구로 재순환시킬 수 있다. 더욱 일반적으로, 몇몇 다른 양태에서, 1회 통과 방식으로 MCFC를 작동시키는 경우 애노드 출구로부터 캐쏘드 입구로 재순환이 이루어질 수 있다. 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 통해 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 into the anode inlet using the modified product. Optionally, the CO 2 from the anode outlet can be recycled to the cathode inlet during operation of the MCFC in a one-pass mode. More generally, in some other embodiments, recirculation from the anode outlet to the cathode inlet can be made when operating the MCFC in a one-pass manner. 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 MCFC의 작동의 개략적인 예를 도시한다. 도 3에서, 연료 전지의 애노드 부분은 투입물로서 연료와 수증기(H2O)를 받아들일 수 있고, 물, CO2, 및 임의적으로는 과량의 H2, CH4(또는 다른 탄화수소) 및/또는 CO의 산출물을 갖는다. 연료 전지의 캐쏘드 부분은 투입물로서 CO2와 약간의 산화제(예컨대, 공기/O2)를 받아들일 수 있고, O2가 고갈된 산화제(공기) 중에 감소된 양의 CO2에 상응하는 산출물을 갖는다. 캐쏘드 부분은 또한 연소되어 열, CO2 및 H2O를 발생시킬 수 있는 입구 스트림의 일부로서 하나 이상의 연료 화합물을 받아들일 수 있다. 연료 전지 내에서는, 캐쏘드 측에서 형성된 CO3 2- 이온을 전해질을 가로질러 수송하여, 애노드에서 이루어지는 반응에 필요한 카보네이트 이온을 제공할 수 있다.Figure 3 shows a schematic example of the operation of the MCFC for generating power. In Figure 3, the anode portion of the fuel cell can receive fuel and water vapor (H 2 O) as inputs, and can contain water, CO 2 , and optionally H 2 , CH 4 (or other hydrocarbons) and / CO. The cathode portion of the fuel cell the output corresponding to CO 2 and some of the oxidant (e.g., air / O 2) of the received, there might be, O 2 is reduced in the depleted oxidant (air), the amount CO 2 as inputs . The cathode portion may also be the combustion heat, it is possible to accept at least one compound as part of the fuel inlet stream which can generate CO 2 and H 2 O. In the fuel cell, CO 3 2- ions formed at the cathode side can be transported across the electrolyte to provide the carbonate ions necessary for the reaction at the anode.
도 3에 도시된 예시적인 연료 전지 같은 용융 카보네이트 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 molten carbonate 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+CO3 2-=>H2O+CO2+2e- (4) <Anode H 2 oxidation> H 2 + CO 3 2- => H 2 O + CO 2 + 2e -
(5) <캐쏘드> ½O2+CO2+2e-=>CO3 2- (5) <Cathode> ½O 2 + CO 2 + 2e - => CO 3 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 카보네이트 이온과 결합시켜 H2O, CO2, 및 회로로의 전자를 형성시킨다. 반응 (5)는 O2, CO2, 및 회로로부터의 전자를 결합시켜 카보네이트 이온을 생성시킨다. 반응 (5)에 의해 생성된 카보네이트 이온을 연료 전지의 전해질을 가로질러 수송하여 반응 (4)에 필요한 카보네이트 이온을 제공할 수 있다. 전해질을 가로지르는 카보네이트 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) with carbonate ions either present in the feed or optionally in reaction (2) to form H 2 O, CO 2 and electrons to the circuit . Reaction (5) combines the electrons from O 2 , CO 2 , and the circuit to produce carbonate ions. Carbonate ions produced by the reaction (5) can be transported across the electrolyte of the fuel cell to provide the carbonate ions needed for the reaction (4). With the transport of carbonate 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.
통합 예: 연소 터빈과의 통합을 위한 용도Integrated example: for integration with combustion turbines
본 발명의 몇몇 양태에서는, 전력을 발생시키기 위한 또는 CO2-함유 배기 가스를 배기시키기 위한 연소 공급원을 용융 카보네이트 연료 전지의 작동과 통합시킬 수 있다. 적합한 연소 공급원의 예는 가스 터빈이다. 바람직하게는, 가스 터빈은 수증기 발생 및 추가적인 효율을 위한 열 회수와 통합된 복합 사이클 방식으로 천연 가스, 메탄 가스, 또는 다른 탄화수소 가스를 연소시킬 수 있다. 현재 천연 가스 복합 사이클 효율은 가장 크고 가장 최신의 디자인에서 약 60%이다. MCFC 작동과 양립가능한 승온, 예컨대 300℃ 내지 700℃, 바람직하게는 500℃ 내지 650℃에서 생성되는 CO2-함유 배기 가스 스트림을 생성시킬 수 있다. 터빈에 도입하기 전에, MCFC를 오염시킬 수 있는 황 같은 오염물질을 가스 공급원으로부터 임의적으로 그러나 바람직하게 세정할 수 있다. 다르게는, 가스 공급원은 석탄-직화식 발전기일 수 있으며, 이 경우에는 배기 가스중 더 높은 수준의 오염물질 때문에 전형적으로 연소 후에 배기 가스를 세정시킨다. 이러한 대안에서는, 저온에서 세정을 가능케 하기 위하여 가스로의/가스로부터의 약간의 열 교환이 필요할 수 있다. 추가적인 또는 다른 실시양태에서, CO2-함유 배기 가스의 공급원은 보일러, 연소기, 또는 탄소가 풍부한 연료를 태우는 다른 열 공급원일 수 있다. 다른 추가적인 또는 다른 실시양태에서, CO2-함유 배기 가스의 공급원은 다른 공급원과 합쳐진 생물-생성된 CO2일 수 있다.In some aspects of the invention, a combustion source for generating power or for exhausting CO 2 -containing exhaust gas may be integrated with the operation of the molten carbonate fuel cell. An example of a suitable combustion source is a gas turbine. Preferably, the gas turbine is capable of combusting natural gas, methane gas, or other hydrocarbon gas in a combined cycle mode integrated with steam recovery and heat recovery for additional efficiency. Currently, natural gas combined cycle efficiency is the largest and is about 60% of the latest design. It can be produced containing the exhaust stream - MCFC CO 2 generated by the operation and compatible elevated temperature, for example 700 to 300 ℃ ℃, preferably from 500 ℃ to 650 ℃. Prior to introduction into the turbine, sulfur-like contaminants that can contaminate the MCFC may be optionally but preferably cleaned from the gas source. Alternatively, the gas source may be a coal-fired generator, which in this case typically flushes the exhaust after combustion, due to the higher level of pollutants in the exhaust. In this alternative, some heat exchange from / to the gas may be needed to allow cleaning at low temperatures. In additional or alternative embodiments, the source of CO 2 -containing exhaust gas may be a boiler, combustor, or other heat source that burns carbon-rich fuel. In other additional or alternative embodiments, the source of the CO 2 -containing exhaust gas may be bio-generated CO 2 combined with other sources.
일부 실시양태에서, 연소 공급원의 작동은 캐쏘드 입구 스트림중 연료를 연소시키는 캐쏘드의 능력을 이용하도록 변경될 수 있다. 종래의 연소 반응의 경우, 전형적인 목적은 연소 반응 대역으로 전달되는 연료를 실질적으로 모두 연소시키는 것일 수 있다. 이는, 연료가 연소 배기 가스에 거의 또는 전혀 잔류하지 않기 때문에, 배기 가스의 처리를 단순화시킬 수 있다. 그러나, 연소 반응 대역을 실행시켜 실질적으로 완전 연소를 달성하는 것이 반드시 연소 대역을 작동시키는 가장 효율적인 방식에 상응하지는 않는다. 대신, 연소 반응의 전체 효율을 개선하기 위하여, 연소 후 잔류 연료 함량을 갖도록 연소 대역을 작동시키는 것이 바람직할 수 있다. 통상적으로, 이러한 잔류 연료는 연소 배기 가스중 연료의 낮은 농도로 인해 폐기되기 쉽다. 또한, 폐기된 연료는 오염원이 되거나, 또는 제거하기 위해 오염 억제 장치를 필요로 한다. 그러나, 용융 카보네이트 연료 전지를 이용하여 이러한 배기 가스를 처리하는 경우에는, 오염 억제 장치로서 작용하면서, 잔류 연료를 사용하여 추가적인 CO2를 생성시키거나, 연료 전지를 위한 추가적인 열을 발생시키거나, 또는 이들의 조합을 이룰 수 있다. 적어도 부분적으로 연료 전지용 캐쏘드 입구 스트림의 일부로서 사용되는 연소 배기 가스에 잔류하는 연료의 양은 캐쏘드 입구 스트림의 연료 함량에 대해 이미 기재된 바와 같이 약 0.5부피% 이상, 또는 약 1.0부피% 이상, 및 약 5.0부피% 이하일 수 있다. In some embodiments, the operation of the combustion source may be altered to utilize the ability of the cathode to burn fuel in the cathode inlet stream. In the case of a conventional combustion reaction, a typical objective may be to substantially burn all the fuel delivered to the combustion reaction zone. This can simplify the treatment of the exhaust gas, since the fuel remains in the combustion exhaust gas with little or no residue. However, implementing a combustion reaction zone to achieve substantially complete combustion does not necessarily correspond to the most efficient manner of operating the combustion zone. Instead, in order to improve the overall efficiency of the combustion reaction, it may be desirable to operate the combustion zone to have a residual fuel content after combustion. Typically, such residual fuel is liable to be discarded due to the low concentration of fuel in the combustion exhaust gas. In addition, the discarded fuel may be a source of pollution, or may require a pollution control device to remove it. However, in the case of treating such exhaust gas using a molten carbonate fuel cell, it is also possible to use the residual fuel to generate additional CO 2, to generate additional heat for the fuel cell, A combination of these can be achieved. At least in part, the amount of fuel remaining in the combustion exhaust gas used as part of the cathode inlet stream of the fuel cell is greater than or equal to about 0.5% by volume, or greater than or equal to about 1.0% by volume, as previously described for the fuel content of the cathode inlet stream, and About 5.0 vol% or less.
연소 공급원과 통합시키기 위하여, 연료 전지 애노드를 처리하기 위한 몇 가지 다른 구성이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 다른 구성은 연료 전지 애노드로부터의 배기 가스의 적어도 일부를 연료 전지 애노드의 투입물로 재순환시키는 것일 수 있다. MCFC 애노드로부터의 산출 스트림은 H2O, CO2, 임의적으로는 CO, 및 임의적으로 그러나 전형적으로는 미반응 연료(예컨대, H2 또는 CH4)를 주요 산출물 성분으로서 포함할 수 있다. 다른 공정과의 통합을 위해 이 산출 스트림을 외부 연료 스트림 및/또는 투입 스트림으로서 사용하는 대신에, 잠재적인 열량값을 갖는 성분(예를 들어, H2 또는 CO)으로부터 CO2를 분리하기 위하여 애노드 산출 스트림 상에서 하나 이상의 분리를 수행할 수 있다. 이어, 열량값을 갖는 성분을 애노드 투입물로 재순환시킬 수 있다. To integrate with a combustion source, several other configurations for treating the fuel cell anode may be desirable. For example, another configuration may be to recycle at least a portion of the exhaust gas from the fuel cell anode to the input of the fuel cell anode. The output stream from the MCFC anode may contain H 2 O, CO 2 , optionally CO, and optionally but typically unreacted fuel (eg, H 2 or CH 4 ) as the main output component. Instead of using this output stream as an external fuel stream and / or an input stream for integration with other processes, it is also possible to separate the CO 2 from components having a potential calorific value (e.g., H 2 or CO) One or more separations may be performed on the output stream. The component having the calorific value can then be recycled to the anode input.
이 유형의 구성은 하나 이상의 이점을 제공할 수 있다. 첫째, 예를 들어 극저온 CO2 분리기를 사용함으로써 애노드 산출물로부터 CO2를 분리할 수 있다. 애노드 산출물의 성분중 몇 가지(H2, CO, CH4)는 용이하게 응축될 수 없는 성분인 반면, CO2와 H2O는 응축된 상으로서 개별적으로 분리될 수 있다. 실시양태에 따라, 애노드 산출물중 CO2의 약 90부피% 이상을 분리하여, 비교적 고순도 CO2 산출 스트림을 형성시킬 수 있다. 다르게는, 몇몇 양태에서는, 더 적은 CO2를 애노드 산출물로부터 제거하여 애노드 산출물중 CO2의 약 50부피% 내지 약 90부피%, 예컨대 약 80부피% 이하 또는 약 70부피% 이하가 분리될 수 있도록 할 수 있다. 분리 후, 애노드 산출물의 나머지 부분은 주로 열량값을 갖는 성분, 및 감소된 양의 CO2 및/또는 H2O에 상응할 수 있다. 분리 후 애노드 산출물의 이 부분을 추가적인 연료와 함께 애노드 투입물의 일부로서 사용하기 위해 재순환시킬 수 있다. 이러한 유형의 구성에서는, MCFC(들)를 통한 1회 통과의 연료 이용률은 낮을 수 있으나, 애노드를 통한 다른 1회의 통과를 위해 미사용 연료를 유리하게 재순환시킬 수 있다. 그 결과, 미연소 연료의 환경으로의 손실(배출)을 피하면서, 1회 통과 연료 이용률은 감소된 수준일 수 있다. This type of configuration can provide one or more advantages. First, it is possible to separate CO 2 from the anode product, for example, by using a cryogenic CO 2 separator. Some of the components of the anode output (H 2 , CO, CH 4 ) are components that can not be easily condensed, whereas CO 2 and H 2 O can be separated separately as condensed phases. 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. Alternatively, in some embodiments, less CO 2 is removed from the anode product so that from about 50% to about 90%, such as less than about 80%, or less than about 70%, by volume of CO 2 in the anode product can be isolated can do. After separation, the remainder of the anode output may correspond to a component having primarily a calorific value, and a reduced amount of CO 2 and / or H 2 O. This portion of the anode output after separation may be recycled for use as part of the anode charge with additional fuel. In this type of configuration, the fuel utilization of the first pass through the MCFC (s) may be low, but the unused fuel may be advantageously recirculated for another pass through the anode. As a result, the one-pass fuel utilization rate may be at a reduced level while avoiding the loss (discharge) of unburned fuel to the environment.
애노드 배기 가스중 일부를 애노드 투입물로 재순환시킴에 덧붙여 또는 그와는 달리, 다른 구성 옵션은 터빈 또는 다른 연소 장치(예컨대, 보일러, 로 및/또는 직화식 히터)의 연소 반응을 위한 투입물로서 애노드 배기 가스의 일부를 사용하는 것일 수 있다. 애노드 투입물로 및/또는 연소 장치로의 투입물로서 재순환되는 애노드 배기 가스의 상대적인 양은 임의의 편리하거나 바람직한 양일 수 있다. 애노드 배기 가스를 애노드 투입물과 연소 장치중 하나에만 재순환시키는 경우, 재순환의 양은 임의의 편리한 양, 예를 들어 분리하여 CO2 및/또는 H2O를 제거한 후 잔류하는 애노드 배기 가스 부분의 100%까지일 수 있다. 애노드 배기 가스의 일부를 애노드 투입물 및 연소 장치 둘 다로 재순환시키는 경우, 정의에 의한 재순환되는 총량은 애노드 배기 가스의 나머지 부분의 100% 이하일 수 있다. 다르게는, 애노드 배기 가스의 임의의 편리한 스플릿을 사용할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시양태에서, 애노드 투입물로의 재순환 양은 분리 후 잔류하는 애노드 배기 가스의 약 10% 이상, 예를 들어 약 25% 이상, 약 40% 이상, 약 50% 이상, 약 60% 이상, 약 75% 이상, 또는 약 90% 이상일 수 있다. 이들 실시양태에 덧붙여 또는 이들 실시양태와는 달리, 애노드 투입물로의 재순환의 양은 분리 후 잔류하는 애노드 배기 가스의 약 90% 이하, 예를 들어 약 75% 이하, 약 60% 이하, 약 50% 이하, 약 40% 이하, 약 25% 이하, 또는 약 10% 이하일 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 본 발명의 다양한 실시양태에서, 연소 장치로의 재순환의 양은 분리 후 잔류하는 애노드 배기 가스의 약 10% 이상, 예컨대 약 25% 이상, 약 40% 이상, 약 50% 이상, 약 60% 이상, 약 75% 이상, 또는 약 90% 이상일 수 있다. 이들 실시양태에 덧붙여 또는 이들 실시양태와는 달리, 연소 장치로의 재순환의 양은 분리 후 잔류하는 애노드 배기 가스의 약 90% 이하, 예컨대 약 75% 이하, 약 60% 이하, 약 50% 이하, 약 40% 이하, 약 25% 이하, 또는 약 10% 이하일 수 있다.In addition to or in lieu of recycling some of the anode exhaust gas to the anode input, another configuration option may be used as an input for the combustion reaction of a turbine or other combustion device (e.g., a boiler, furnace and / It may be using part of the gas. The relative amount of anode exhaust gas recycled to the anode input and / or as input to the combustion apparatus may be any convenient or desirable amount. When the anode exhaust gas is recycled only to one of the anode input and the combustion device, the amount of recycle may be adjusted to any convenient amount, for example up to 100% of the remaining anode exhaust gas fraction after removal of CO 2 and / or H 2 O by separation Lt; / RTI > When a portion of the anode exhaust gas is recycled to both the anode input and the combustion apparatus, the total amount recycled by definition may be less than 100% of the remainder of the anode exhaust gas. Alternatively, any convenient split of the anode exhaust gas may be used. In various embodiments of the present invention, the amount of recycle into the anode input may be at least about 10%, such as at least about 25%, at least about 40%, at least about 50%, at least about 60% About 75% or more, or about 90% or more. In addition to or in addition to these embodiments, the amount of recycle into the anode input may be less than about 90%, such as less than about 75%, less than about 60%, less than about 50% of the remaining anode exhaust gas , About 40% or less, about 25% or less, or about 10% or less. Additionally or alternatively, in various embodiments of the present invention, the amount of recycle to the combustion apparatus can be at least about 10%, such as at least about 25%, at least about 40%, at least about 50% About 60% or more, about 75% or more, or about 90% or more. In addition to or in addition to these embodiments, the amount of recycle to the combustion apparatus may be less than about 90%, such as less than about 75%, less than about 60%, less than about 50% About 40% or less, about 25% or less, or about 10% or less.
본 발명의 또 다른 양태에서, 연소 장치용 연료는 추가로 또는 달리 불활성이고/이거나 연료에서 희석제로서 작용하는 성분을 증가된 양으로 갖는 연료일 수 있다. CO2 및 N2는 연소 반응 동안 비교적 불활성일 수 있는, 천연 가스 공급물의 성분의 예이다. 연료 공급물중 불활성 성분의 양이 충분한 수준에 도달하면, 터빈 또는 다른 연소 공급원의 성능이 영향을 받을 수 있다. 영향은 부분적으로는 열을 흡수하는 불활성 성분의 능력(이는 연소 반응을 급랭시키는 경향이 있을 수 있음)에 기인할 수 있다. 충분한 수준의 불활성 성분을 갖는 연료 공급물의 예는 약 20부피% 이상의 CO2를 함유하는 연료 공급물, 또는 약 40부피% 이상의 N2를 함유하는 연료 공급물, 또는 유사한 급랭능을 제공하기에 충분한 불활성 열용량을 갖는 CO2 와 N2의 조합을 함유하는 연료 공급물을 포함할 수 있다. (CO2가 N2보다 더 큰 열용량을 갖고, 따라서 더 낮은 CO2 농도가 더 높은 N2 농도와 유사한 영향을 가질 수 있음에 주목한다. CO2는 또한 N2보다 더 용이하게 연소 반응에 참여할 수 있고, 그렇게 하는 동안 연소로부터 H2를 제거할 수 있다. 이러한 H2의 소비는 화염 속도를 감소시키고 공기와 연료 혼합물의 인화성 범위를 좁힘으로써 연료의 연소에 큰 영향을 끼칠 수 있다.) 더욱 일반적으로, 연료 공급물의 인화성에 영향을 끼치는 불활성 성분을 함유하는 연료 공급물의 경우, 연료 공급물중 불활성 성분은 약 20부피% 이상, 예컨대 약 40부피% 이상, 또는 약 50부피% 이상, 또는 약 60부피% 이상일 수 있다. 바람직하게는, 연료 공급물중 불활성 성분의 양은 약 80부피% 이하일 수 있다. In another embodiment of the present invention, the fuel for the combustion apparatus may additionally or alternatively be inert and / or a fuel having an increased amount of the component acting as a diluent in the fuel. CO 2 and N 2 are examples of components of a natural gas feed that can be relatively inert during the combustion reaction. Once the amount of inert components in the fuel feed reaches a sufficient level, the performance of the turbine or other combustion sources may be affected. The effect may be due in part to the ability of the inert component to absorb heat (which may tend to quench the combustion reaction). An example of a fuel feed with sufficient levels of inert components is a fuel feed containing about 20 vol% or more CO 2 , or a fuel feed containing about 40 vol% or more N 2 , It may comprise a fuel feed containing a combination of CO 2 and N 2 having a heat capacity inert. (Note that CO 2 has a greater heat capacity than N 2 , so lower CO 2 concentrations can have an effect similar to higher N 2 concentrations. CO 2 also participates in the combustion reaction more easily than N 2 number, and may do so to remove the H 2 from the combustion while. consumption of such a H 2 can reduce the flame speed and by narrowing the flammable range of the air-fuel mixture have a great influence on the combustion of fuel.) more Generally, for a fuel feed containing an inert component that affects the flammability of the fuel feed, the inert component in the fuel feed is at least about 20 vol%, such as at least about 40 vol%, or at least about 50 vol% Can be at least 60 vol.%. Preferably, the amount of inert component in the fuel feed may be less than about 80% by volume.
충분한 양의 불활성 성분이 연료 공급물에 존재하는 경우, 생성되는 연료 공급물은 공급물의 연료 성분의 인화성 창 외부에 존재할 수 있다. 이러한 유형의 상황에서는, 애노드 배기 가스의 재순환된 부분으로부터의 H2를 발전기의 연소 대역으로 첨가하여 연료 공급물과 H2의 조합의 인화성 창을 확장시킬 수 있으며, 이는 예를 들어 약 20부피% 이상의 CO2 또는 약 40부피% 이상의 N2(또는 CO2와 N2의 다른 조합)를 함유하는 연료 공급물이 성공적으로 연소되도록 할 수 있다. If a sufficient amount of inert component is present in the fuel feed, the resulting fuel feed may be outside the flammable window of the fuel component of the feed. In this type of situation, H 2 from the recycled portion of the anode exhaust gas can be added to the combustion zone of the generator to expand the flammability window of the combination of fuel feed and H 2 , for example, about 20 vol% Or more of CO 2 or about 40% by volume or more of N 2 (or another combination of CO 2 and N 2 ) can be successfully burned.
연소 대역으로 전달되는 연료 공급물과 H2의 총 부피에 대해, 인화성 창을 확장시키기 위한 H2의 양은 연료 공급물과 H2의 총 부피의 약 5부피% 이상, 예컨대 약 10부피% 이상 및/또는 약 25부피% 이하일 수 있다. 인화성 창을 확장시키기 위해 첨가되는 H2의 양을 특징화시키는 다른 옵션은 H2 첨가 전에 연료 공급물에 존재하는 연료 성분의 양에 기초할 수 있다. 연료 성분은 메탄, 천연 가스, 다른 탄화수소, 및/또는 연소에 의해 전력을 얻는 터빈 또는 다른 발전기의 연료로서 통상적으로 보여지는 다른 성분에 상응할 수 있다. 연료 공급물에 첨가되는 H2의 양은 연료 공급물중 연료 성분의 부피의 약 1/3(1:3의 비의 H2:연료 성분), 예를 들어 연료 성분의 부피의 약 1/2(1:2의 비) 이상에 상응할 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 연료 공급물에 첨가되는 H2의 양은 연료 공급물중 연료 성분의 부피와 대략 동일하거나 그보다 적을 수 있다(1:1의 비). 예를 들어, 약 30부피%의 CH4, 약 10%의 N2 및 약 60%의 CO2를 함유하는 공급물의 경우, 약 1:2의 비의 H2 대 CH4를 획득하기에 충분한 양의 애노드 배기 가스를 연료 공급물에 첨가할 수 있다. H2만 함유하는 이상화된 애노드 배기 가스의 경우, 1:2의 비를 획득하기 위한 H2의 첨가는 약 26부피%의 CH4, 13부피%의 H2, 9부피%의 N2 및 52부피%의 CO2를 함유하는 공급물을 생성시킨다.For the total volume of fuel feed and H 2 delivered to the combustion zone, the amount of H 2 to expand the flammable window is at least about 5% by volume, such as at least about 10% by volume of the total volume of fuel feed and H 2 , / Or about 25% by volume or less. Another option to characterize the amount of H 2 added to expand the flammable window may be based on the amount of fuel component present in the fuel feed prior to the addition of H 2 . The fuel component may correspond to methane, natural gas, other hydrocarbons, and / or other components commonly seen as a fuel for turbines or other generators powered by combustion. The amount of H 2 added to the fuel feed is about one-third (1: 3 ratio of H 2 : fuel component) of the volume of the fuel component in the fuel feed, eg, about 1/2 of the volume of the fuel component 1: 2 ratio). Additionally or alternatively, the amount of H 2 added to the fuel feed may be approximately equal to or less than the volume of the fuel component in the fuel feed (ratio of 1: 1). For example, in the case of a feed containing about 30 vol.% CH 4 , about 10% N 2, and about 60% CO 2 , an amount sufficient to attain a H 2 to CH 4 ratio of about 1: 2 Of the anode exhaust gas may be added to the fuel feed. H 2 only in the case of the idealized anode exhaust gas containing, 1: Addition of H 2 for obtaining a ratio of 2 is about 26% by volume of CH 4, 13% by volume of H 2, 9% by volume of N 2 and 52 Yielding a feed containing vol.% CO 2 .
추가적인 실시양태Additional embodiments
본 발명은 추가로 또는 다르게는 아래 나열되는 하기 실시양태중 하나 이상을 포함한다.The invention further includes, or alternatively comprises one or more of the following embodiments listed below.
실시양태 1. 개질가능한 연료를 포함하는 애노드 연료 스트림을 용융 카보네이트 연료 전지의 애노드, 용융 카보네이트 연료 전지의 애노드에 수반되는 내부 개질 요소, 또는 이들의 조합 내로 도입하고; Embodiment 1. A fuel cell system comprising: an anode fuel stream comprising a reformable fuel; an internal reforming element associated with an anode of a molten carbonate fuel cell; an internal reforming element associated with the anode of the molten carbonate fuel cell;
CO2, O2, 및 하나 이상의 연료 화합물을 포함하는 캐쏘드 입구 스트림을 용융 카보네이트 연료 전지의 캐쏘드 내로 도입하며; Introducing a cathode inlet stream comprising CO 2 , O 2 , and at least one fuel compound into a cathode of a molten carbonate fuel cell;
용융 카보네이트 연료 전지 내에서 전기를 발생시키고; Generate electricity in the molten carbonate fuel cell;
H2, CO 및 CO2를 포함하는 애노드 배기 가스를 발생시키고; Generating an anode exhaust gas comprising H 2 , CO and CO 2 ;
약 1부피% 이상의 O2 및 약 100vppm 이하의 하나 이상의 연료 화합물을 포함하는 캐쏘드 배기 가스를 발생시킴을 포함하는, 전기를 생성시키는 방법으로서, 이 때 A method for generating electricity comprising a cache Sikkim generating a cathode exhaust gas containing about 1 vol% or more O 2 and at least one compound of the fuel 100vppm about or less, at this time,
상기 하나 이상의 연료 화합물이 H2, 하나 이상의 탄소-함유 연료 화합물, 또는 이들의 조합을 포함하고, 상기 캐쏘드 입구 스트림 내 하나 이상의 연료 화합물의 농도가 약 0.01부피% 이상이고, 상기 캐쏘드 입구 스트림 내 하나 이상의 연료 화합물의 농도가 연료 전지의 캐쏘드에서의 작동 조건에 있어서의 자연 발화 농도 미만인 방법.Wherein the at least one fuel compound comprises H 2 , at least one carbon-containing fuel compound, or a combination thereof, wherein the concentration of the at least one fuel compound in the cathode inlet stream is at least about 0.01% Wherein the concentration of the at least one fuel compound is less than the spontaneous concentration in the operating conditions in the cathode of the fuel cell.
실시양태 2. 상기 하나 이상의 연료 화합물의 메틸렌-당량 부피%가 약 0.02부피% 이상인, 실시양태 1의 방법.Embodiment 2. The method of Embodiment 1, wherein the methylene-equivalent volume percent of the at least one fuel compound is at least about 0.02% by volume.
실시양태 3. 상기 용융 카보네이트 연료 전지가 전극 표면 및 부수적인 촉매 표면을 포함하고, 상기 부수적인 촉매 표면이 하나 이상의 VIII족 금속을 포함하고, 상기 캐쏘드 배기 가스의 발생이 부수적인 촉매 표면의 존재하에서 하나 이상의 연료 화합물의 적어도 일부를 산화시킴을 포함하는, 실시양태 1 또는 실시양태 2의 방법.Embodiment 3. The method of embodiment 3 wherein the molten carbonate fuel cell comprises an electrode surface and an ancillary catalyst surface, wherein the ancillary catalyst surface comprises at least one Group VIII metal and the generation of the cathode exhaust gas comprises the presence ≪ / RTI > The method of embodiment 1 or embodiment 2 comprising oxidizing at least a portion of one or more fuel compounds.
실시양태 4. 개질가능한 연료를 포함하는 애노드 연료 스트림을 용융 카보네이트 연료 전지의 애노드, 용융 카보네이트 연료 전지의 애노드에 수반되는 내부 개질 요소, 또는 이들의 조합 내로 도입하고; Embodiment 4. A fuel cell system, comprising: introducing an anode fuel stream comprising a reformable fuel into an anode of a molten carbonate fuel cell, an internal reforming element followed by an anode of the molten carbonate fuel cell, or a combination thereof;
CO2, O2, 및 하나 이상의 연료 화합물을 포함하는 캐쏘드 입구 스트림을 용융 카보네이트 연료 전지의 캐쏘드 내로 도입하며; Introducing a cathode inlet stream comprising CO 2 , O 2 , and at least one fuel compound into a cathode of a molten carbonate fuel cell;
용융 카보네이트 연료 전지 내에서 전기를 발생시키고; Generate electricity in the molten carbonate fuel cell;
H2, CO 및 CO2를 포함하는 애노드 배기 가스를 발생시키고; Generating an anode exhaust gas comprising H 2 , CO and CO 2 ;
약 1부피% 이상의 O2를 포함하는 캐쏘드 배기 가스를 발생시킴To generate a cathode exhaust gas containing about 1% by volume or more of O 2
을 포함하는, 전기를 생성시키는 방법으로서, 이 때 A method of generating electricity, comprising:
상기 하나 이상의 연료 화합물이 하나 이상의 방향족 화합물, 5개 이상의 탄소를 갖는 하나 이상의 탄소-함유 연료 화합물, 또는 이들의 조합을 포함하고, 상기 캐쏘드 입구 스트림 내 하나 이상의 연료 화합물이 약 0.02부피% 이상의 메틸렌-당량 부피%를 갖고, 상기 캐쏘드 입구 스트림 내 하나 이상의 연료 화합물의 농도가 연료 전지의 캐쏘드에서의 작동 조건에 있어서의 자연 발화 농도 미만이며, 상기 하나 이상의 연료 화합물의 메틸렌-당량 부피%가 상기 캐쏘드 입구 스트림의 메틸렌-당량 부피%보다 약 50% 이상 더 낮고, 상기 캐쏘드 배기 가스의 메틸렌-당량 부피%가 임의적으로 약 0.01부피% 이하이고, 상기 용융 카보네이트 연료 전지의 캐쏘드가 전극 표면 및 부수적인 촉매 표면을 갖고, 상기 부수적인 촉매 표면이 하나 이상의 VIII족 금속을 포함하고, 상기 캐쏘드 배기 가스의 발생이 부수적인 촉매 표면의 존재하에서 하나 이상의 연료 화합물의 적어도 일부를 산화시킴을 포함하는 방법.Wherein the at least one fuel compound comprises at least one aromatic compound, at least one carbon-containing fuel compound having at least 5 carbons, or a combination thereof, wherein the at least one fuel compound in the cathode inlet stream comprises at least about 0.02% - equivalent volume percent, wherein the concentration of the at least one fuel compound in the cathode inlet stream is less than the spontaneous concentration in the operating conditions at the cathode of the fuel cell, and the methylene equivalent volume percent of the at least one fuel compound is less than Wherein the cathode of the molten carbonate fuel cell is at least about 50% lower than the methylene-equivalent volume percent of the cathode inlet stream and the methylene-equivalent volume percentage of the cathode exhaust gas is optionally no more than about 0.01% And an ancillary catalyst surface, said ancillary catalyst surface comprising one or more Group VIII metals , Wherein the cache comprises the generation of the cathode exhaust gas oxidising at least a portion of one or more of the fuel compound in the presence of additional catalyst surface.
실시양태 5. 상기 하나 이상의 VIII족 금속이 Ni, Pt, Pd, Co, Rh, Ru, Re, Ir, Fe, 또는 이들의 조합을 포함하고, 예컨대 적어도 Ni, Co, Fe, Pt, Pd, 또는 이들의 조합을 포함하는, 실시양태 3 또는 실시양태 4의 방법.
실시양태 6. 상기 캐쏘드 입구 스트림의 황 함량이 약 25wppm 이하, 예를 들어 약 15wppm 이하인, 실시양태 1 내지 실시양태 5중 어느 한 실시양태의 방법.Embodiment 6. The method of any one of embodiments 1-5 wherein the cathode inlet stream has a sulfur content of less than or equal to about 25 wppm, such as less than or equal to about 15 wppm.
실시양태 7. 상기 캐쏘드 입구 스트림 내 하나 이상의 연료 화합물이 C, H 및 O와는 상이한 헤테로원자를 포함하고, 상기 C, H 및 O와는 상이한 헤테로원자의 농도가 하나 이상의 연료 화합물의 중량에 대해 약 100wppm 이하인, 실시양태 1 내지 실시양태 6중 어느 한 실시양태의 방법.7. The method of claim 1 wherein the at least one fuel compound in the cathode inlet stream comprises a heteroatom different from C, H, and O, and wherein the concentration of heteroatoms different from C, H, and O is about The method of any one of embodiments < RTI ID = 0.0 > 1 to < / RTI >
실시양태 8. 상기 캐쏘드 입구 스트림이 연소 배기 가스의 적어도 일부를 포함하고, 상기 연소 배기 가스의 적어도 일부가 임의적으로 하나 이상의 탄소-함유 연료 화합물을 약 0.02부피% 이상의 메틸렌-당량 부피%로 포함하고, 상기 연소 배기 가스의 적어도 일부가 임의적으로 가스 터빈으로부터의 배기 가스의 적어도 일부인, 실시양태 1 내지 실시양태 7중 어느 한 실시양태의 방법.Embodiment 8. The method of any of the preceding claims, wherein the cathode inlet stream comprises at least a portion of a combustion exhaust gas, and wherein at least a portion of the combustion exhaust gas optionally comprises at least about 0.02 vol.% Methylene- And wherein at least a portion of the combustion exhaust gas is optionally at least a portion of the exhaust gas from the gas turbine. ≪ Desc / Clms Page number 13 >
실시양태 9. 상기 용융 카보네이트 연료 전지가 약 0.25 내지 약 1.3, 예를 들어 약 0.25 내지 약 1.0, 또는 약 0.4 내지 약 1.0의 온도 비에서 작동되는, 실시양태 1 내지 실시양태 8중 어느 한 실시양태의 방법.Embodiment 9. The method of any one of Embodiments 1 to 8, wherein the molten carbonate fuel cell is operated at a temperature ratio of from about 0.25 to about 1.3, for example, from about 0.25 to about 1.0, or from about 0.4 to about 1.0. Gt;
실시양태 10. 상기 용융 카보네이트 연료 전지의 애노드, 용융 카보네이트 연료 전지의 애노드에 수반되는 개질 스테이지(임의적으로는 내부 개질 요소), 또는 이들의 조합 내로 도입되는 개질가능한 연료의 양이 전기를 발생시키기 위하여 용융 카보네이트 연료 전지에서 반응하는 수소의 양보다 약 75% 이상 더 많은, 실시양태 1 내지 실시양태 9중 어느 한 실시양태의 방법.Embodiment 10. The method of any one of the preceding claims, wherein the amount of reformable fuel introduced into the anode of the molten carbonate fuel cell, the reforming stage (optionally an internal reforming element) followed by the anode of the molten carbonate fuel cell, The method of any one of the embodiments 1 to 9, wherein the molten carbonate fuel cell is at least about 75% more reactive than the amount of hydrogen that is reacted.
실시양태 11. 상기 용융 카보네이트 연료 전지의 애노드에서의 연료 이용률이 약 50% 이하이고, 상기 용융 카보네이트 연료 전지의 캐쏘드에서의 CO2 이용률이 약 60% 이상인, 실시양태 1 내지 실시양태 10중 어느 한 실시양태의 방법.Embodiment 11. The method of any one of Embodiments 1 to 10, wherein the fuel utilization rate at the anode of the molten carbonate fuel cell is about 50% or less and the CO 2 utilization rate at the cathode of the molten carbonate fuel cell is at least about 60% The method of one embodiment.
실시양태 12. 상기 용융 카보네이트 연료 전지의 전기 효율이 약 10% 내지 약 40%이고, 상기 용융 카보네이트 연료 전지의 총 연료 전지 효율이 약 55% 이상인, 실시양태 1 내지 실시양태 11중 어느 한 실시양태의 방법.Embodiment 12. The method of any one of Embodiments 1 to 11, wherein the molten carbonate fuel cell has an electrical efficiency of about 10% to about 40% and a total fuel cell efficiency of the molten carbonate fuel cell is greater than or equal to about 55% Gt;
실시양태 13. 애노드 및 캐쏘드를 갖는 용융 카보네이트 연료 전지를 포함하는 용융 카보네이트 연료 전지 시스템으로서, 이 때 상기 캐쏘드가 전극 표면 및 하나 이상의 VIII족 금속을 포함하는 부수적인 촉매 표면을 포함하고, 상기 부수적인 촉매 표면 상의 하나 이상의 VIII족 금속의 농도가 부수적인 촉매 표면의 제 2 영역에서의 하나 이상의 VIII족 금속의 농도에 비해 부수적인 촉매 표면의 제 1 영역에서 더 낮고, 상기 부수적인 촉매 표면의 제 1 영역이 부수적인 촉매 표면의 제 2 영역보다 용융 카보네이트 연료 전지의 캐쏘드의 캐쏘드 입구에 더 가까운 용융 카보네이트 연료 전지 시스템.Embodiment 13. A molten carbonate fuel cell system comprising a molten carbonate fuel cell having an anode and a cathode, wherein the cathode comprises an ancillary catalyst surface comprising an electrode surface and at least one Group VIII metal, Wherein the concentration of the at least one Group VIII metal on the catalyst surface is lower in a first region of the catalyst surface relative to a concentration of the at least one Group VIII metal in the second region of the secondary catalyst surface, Lt; RTI ID = 0.0 > 1 < / RTI > region is closer to the cathode inlet of the cathode of the molten carbonate fuel cell than the second region of the secondary catalyst surface.
실시양태 14. 상기 하나 이상의 VIII족 금속이 Ni, Pt, Pd, Co, Rh, Ru, Re, Ir, Fe, 또는 이들의 조합을 포함하고, 예를 들어 적어도 Ni, Co, Fe, Pt, Pd, 또는 이들의 조합을 포함하는, 실시양태 13의 시스템.Wherein the at least one Group VIII metal comprises Ni, Pt, Pd, Co, Rh, Ru, Re, Ir, Fe, or combinations thereof, , ≪ / RTI > or a combination thereof.
실시양태 15. 상기 부수적인 촉매 표면의 영역이 하나 이상의 VIII족 금속의 지속적으로 증가하는 농도 구배를 포함하는, 실시양태 13 또는 실시양태 14의 시스템.Embodiment 15. The system of embodiment 13 or embodiment 14 wherein the area of the ancillary catalyst surface comprises a steadily increasing concentration gradient of one or more Group VIII metals.
실시양태 16. 상기 부수적인 촉매 표면의 제 1 영역이 하나 이상의 VIII족 금속을 포함하고, 상기 부수적인 촉매 표면의 제 2 영역이 부수적인 촉매 표면의 제 1 영역의 하나 이상의 VIII족 금속과는 상이한 하나 이상의 추가적인 VIII족 금속을 포함하는, 실시양태 13 내지 실시양태 15중 어느 한 실시양태의 시스템.16. The catalyst according to any of the preceding claims, wherein the first region of the ancillary catalyst surface comprises at least one Group VIII metal and the second region of the ancillary catalyst surface is different from at least one Group VIII metal of the first region of the catalyst surface 15. The system of any one of embodiments 13 to 15, wherein the system comprises one or more additional Group VIII metals.
실시양태 17. 상기 부수적인 촉매 표면의 제 2 영역이 하나 이상의 VIII족 금속을 포함하고, 상기 부수적인 촉매 표면의 제 1 영역이 부수적인 촉매 표면의 제 2 영역의 하나 이상의 VIII족 금속과는 상이한 하나 이상의 추가적인 VIII족 금속을 포함하는, 실시양태 13 내지 실시양태 15중 어느 한 실시양태의 시스템.17. The catalyst according to any one of the preceding claims, wherein the second region of the secondary catalyst surface comprises at least one Group VIII metal and the first region of the secondary catalyst surface is different from at least one Group VIII metal of the secondary region of the catalyst surface 15. The system of any one of embodiments 13 to 15, wherein the system comprises one or more additional Group VIII metals.
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 (17)
CO2, O2, 및 하나 이상의 연료 화합물을 포함하는 캐쏘드 입구 스트림을 상기 용융 카보네이트 연료 전지의 캐쏘드 내로 도입하며;
상기 용융 카보네이트 연료 전지 내에서 전기를 발생시키고;
H2, CO 및 CO2를 포함하는 애노드 배기 가스를 발생시키고;
약 1부피% 이상의 O2 및 약 100vppm 이하의 하나 이상의 연료 화합물을 포함하는 캐쏘드 배기 가스를 발생시킴
을 포함하는, 전기를 생성시키는 방법으로서, 이 때
상기 하나 이상의 연료 화합물이 H2, 하나 이상의 탄소-함유 연료 화합물, 또는 이들의 조합을 포함하고, 상기 캐쏘드 입구 스트림 내 하나 이상의 연료 화합물의 농도가 약 0.01부피% 이상이고, 상기 캐쏘드 입구 스트림 내 하나 이상의 연료 화합물의 농도가 상기 연료 전지의 캐쏘드에서의 작동 조건에 있어서의 자연 발화(autoignition) 농도 미만인, 방법.Introducing an anode fuel stream comprising a reformable fuel into an anode of a molten carbonate fuel cell, an internal reforming element associated with an anode of the molten carbonate fuel cell, or a combination thereof;
Introducing a cathode inlet stream comprising CO 2 , O 2 , and at least one fuel compound into a cathode of the molten carbonate fuel cell;
Generating electricity in the molten carbonate fuel cell;
Generating an anode exhaust gas comprising H 2 , CO and CO 2 ;
Sikkim generating a cathode exhaust gas containing about 1 vol% or more O 2 and at least one compound of the fuel below about 100vppm
A method of generating electricity, comprising:
Wherein the at least one fuel compound comprises H 2 , at least one carbon-containing fuel compound, or a combination thereof, wherein the concentration of the at least one fuel compound in the cathode inlet stream is at least about 0.01 vol% Wherein the concentration of the one or more fuel compounds is less than the autoignition concentration in the operating conditions in the cathode of the fuel cell.
상기 하나 이상의 연료 화합물의 메틸렌-당량 부피%가 약 0.02부피% 이상인, 방법.The method according to claim 1,
Wherein the methylene-equivalent volume percent of the at least one fuel compound is at least about 0.02% by volume.
상기 용융 카보네이트 연료 전지가 전극 표면 및 부수적인 촉매 표면을 포함하고, 상기 부수적인 촉매 표면이 하나 이상의 VIII족 금속을 포함하고, 상기 캐쏘드 배기 가스의 발생이 상기 부수적인 촉매 표면의 존재하에서 상기 하나 이상의 연료 화합물의 적어도 일부를 산화시킴을 포함하는, 방법.3. The method according to claim 1 or 2,
Said molten carbonate fuel cell comprising an electrode surface and an ancillary catalyst surface, said ancillary catalyst surface comprising at least one Group VIII metal, wherein the generation of said cathode exhaust gas is carried out in the presence of said ancillary catalyst surface, And oxidizing at least a portion of the at least one fuel compound.
CO2, O2, 및 하나 이상의 연료 화합물을 포함하는 캐쏘드 입구 스트림을 상기 용융 카보네이트 연료 전지의 캐쏘드 내로 도입하며;
상기 용융 카보네이트 연료 전지 내에서 전기를 발생시키고;
H2, CO 및 CO2를 포함하는 애노드 배기 가스를 발생시키고;
약 1부피% 이상의 O2를 포함하는 캐쏘드 배기 가스를 발생시킴
을 포함하는, 전기를 생성시키는 방법으로서, 이 때
상기 하나 이상의 연료 화합물이 하나 이상의 방향족 화합물, 5개 이상의 탄소를 갖는 하나 이상의 탄소-함유 연료 화합물, 또는 이들의 조합을 포함하고,
상기 캐쏘드 입구 스트림 내 하나 이상의 연료 화합물이 약 0.02부피% 이상의 메틸렌-당량 부피%를 갖고, 상기 캐쏘드 입구 스트림중 상기 하나 이상의 연료 화합물의 농도가 연료 전지의 캐쏘드에서의 작동 조건에 있어서의 자연 발화 농도 미만이며,
상기 하나 이상의 연료 화합물의 메틸렌-당량 부피%가 상기 캐쏘드 입구 스트림의 메틸렌-당량 부피%보다 약 50% 이상 더 낮고, 상기 캐쏘드 배기 가스의 메틸렌-당량 부피%가 임의적으로 약 0.01부피% 이하이고,
상기 용융 카보네이트 연료 전지의 캐쏘드가 전극 표면 및 부수적인 촉매 표면을 갖고, 상기 부수적인 촉매 표면이 하나 이상의 VIII족 금속을 포함하고, 상기 캐쏘드 배기 가스의 발생이 상기 부수적인 촉매 표면의 존재하에서 상기 하나 이상의 연료 화합물의 적어도 일부를 산화시킴을 포함하는, 방법.Introducing an anode fuel stream comprising a reformable fuel into an anode of a molten carbonate fuel cell, an internal reforming element followed by an anode of the molten carbonate fuel cell, or a combination thereof;
Introducing a cathode inlet stream comprising CO 2 , O 2 , and at least one fuel compound into a cathode of the molten carbonate fuel cell;
Generating electricity in the molten carbonate fuel cell;
Generating an anode exhaust gas comprising H 2 , CO and CO 2 ;
To generate a cathode exhaust gas containing about 1% by volume or more of O 2
A method of generating electricity, comprising:
Wherein the at least one fuel compound comprises at least one aromatic compound, at least one carbon-containing fuel compound having at least 5 carbons, or a combination thereof,
Wherein the at least one fuel compound in the cathode inlet stream has a methylene-equivalent volume percentage of at least about 0.02% by volume, and wherein the concentration of the at least one fuel compound in the cathode inlet stream is greater than the concentration of the at least one fuel compound in the cathode operating conditions in the cathode of the fuel cell. Below the spontaneous ignition concentration,
Wherein the methylene-equivalent volume percent of the at least one fuel compound is at least about 50% lower than the methylene-equivalent volume percent of the cathode inlet stream and the methylene-equivalent volume percent of the cathode exhaust gas is at least about 0.01% ego,
Wherein the cathode of the molten carbonate fuel cell has an electrode surface and an ancillary catalyst surface, the ancillary catalyst surface comprises at least one Group VIII metal, and the generation of the cathode exhaust gas is carried out in the presence of the ancillary catalyst surface And oxidizing at least a portion of the at least one fuel compound.
상기 하나 이상의 VIII족 금속이 Ni, Pt, Pd, Co, Rh, Ru, Re, Ir, Fe, 또는 이들의 조합을 포함하고, 예컨대 적어도 Ni, Co, Fe, Pt, Pd, 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법.The method according to claim 3 or 4,
Wherein the at least one Group VIII metal comprises Ni, Pt, Pd, Co, Rh, Ru, Re, Ir, Fe, or a combination thereof and includes at least Ni, Co, Fe, Pt, Pd, / RTI >
상기 캐쏘드 입구 스트림의 황 함량이 약 25wppm 이하, 예를 들어 약 15wppm 이하인, 방법.6. The method according to any one of claims 1 to 5,
Wherein the cathode inlet stream has a sulfur content of less than or equal to about 25 wppm, e.g., less than or equal to about 15 wppm.
상기 캐쏘드 입구 스트림 내 하나 이상의 연료 화합물이 C, H 및 O와는 상이한 헤테로원자를 포함하고, 상기 C, H 및 O와는 상이한 헤테로원자의 농도가 상기 하나 이상의 연료 화합물의 중량에 대해 약 100wppm 이하인, 방법.7. The method according to any one of claims 1 to 6,
Wherein the at least one fuel compound in the cathode inlet stream comprises a heteroatom different from C, H, and O, and wherein the concentration of heteroatoms different from C, H, and O is about 100 wppm or less, Way.
상기 캐쏘드 입구 스트림이 연소 배기 가스의 적어도 일부를 포함하고, 상기 연소 배기 가스의 적어도 일부가 임의적으로 하나 이상의 탄소-함유 연료 화합물을 약 0.02부피% 이상의 메틸렌-당량 부피%로 포함하고, 상기 연소 배기 가스의 적어도 일부가 임의적으로 가스 터빈으로부터의 배기 가스의 적어도 일부인, 방법.8. The method according to any one of claims 1 to 7,
Wherein the cathode inlet stream comprises at least a portion of the combustion exhaust gas and wherein at least a portion of the combustion exhaust gas optionally comprises at least one carbon-containing fuel compound in an amount of at least about 0.02 vol% methylene-equivalent volume% Wherein at least a portion of the exhaust gas is optionally at least a portion of the exhaust gas from the gas turbine.
상기 용융 카보네이트 연료 전지가 약 0.25 내지 약 1.3, 예를 들어 약 0.25 내지 약 1.0, 또는 약 0.4 내지 약 1.0의 온도 비(thermal ratio)에서 작동되는, 방법.9. The method according to any one of claims 1 to 8,
Wherein the molten carbonate fuel cell is operated at a thermal ratio of from about 0.25 to about 1.3, such as from about 0.25 to about 1.0, or from about 0.4 to about 1.0.
상기 용융 카보네이트 연료 전지의 애노드, 상기 용융 카보네이트 연료 전지의 애노드에 수반되는 개질 스테이지(임의적으로는 내부 개질 요소), 또는 이들의 조합 내로 도입되는 개질가능한 연료의 양이, 전기를 발생시키기 위하여 상기 용융 카보네이트 연료 전지에서 반응하는 수소의 양보다 약 75% 이상 더 많은, 방법.10. The method according to any one of claims 1 to 9,
Wherein the amount of reformable fuel introduced into the anode of the molten carbonate fuel cell, the reforming stage (optionally an internal reforming element) followed by the anode of the molten carbonate fuel cell, or a combination thereof, The amount of hydrogen being reacted in the carbonate fuel cell is greater than about 75%.
상기 용융 카보네이트 연료 전지의 애노드에서의 연료 이용률이 약 50% 이하이고, 상기 용융 카보네이트 연료 전지의 캐쏘드에서의 CO2 이용률이 약 60% 이상인, 방법.11. The method according to any one of claims 1 to 10,
Wherein the fuel utilization rate at the anode of the molten carbonate fuel cell is less than or equal to about 50% and the CO 2 in the cathode of the molten carbonate fuel cell Wherein the utilization rate is about 60% or more.
상기 용융 카보네이트 연료 전지의 전기 효율이 약 10% 내지 약 40%이고, 상기 용융 카보네이트 연료 전지의 총 연료 전지 효율이 약 55% 이상인, 방법.12. The method according to any one of claims 1 to 11,
Wherein the molten carbonate fuel cell has an electrical efficiency of about 10% to about 40%, and the molten carbonate fuel cell has a total fuel cell efficiency of about 55% or more.
상기 캐쏘드가 전극 표면 및 하나 이상의 VIII족 금속을 포함하는 부수적인 촉매 표면을 포함하고,
상기 부수적인 촉매 표면 상의 하나 이상의 VIII족 금속의 농도가 상기 부수적인 촉매 표면의 제 2 영역에서의 하나 이상의 VIII족 금속의 농도에 비해 상기 부수적인 촉매 표면의 제 1 영역에서 더 낮고,
상기 부수적인 촉매 표면의 제 1 영역이 상기 부수적인 촉매 표면의 제 2 영역보다 상기 용융 카보네이트 연료 전지의 캐쏘드의 캐쏘드 입구에 더 가까운, 용융 카보네이트 연료 전지 시스템.A molten carbonate fuel cell system comprising a molten carbonate fuel cell having an anode and a cathode,
Wherein the cathode comprises an ancillary catalyst surface comprising an electrode surface and at least one Group VIII metal,
Wherein the concentration of the at least one Group VIII metal on the ancillary catalyst surface is lower in a first region of the ancillary catalyst surface than the concentration of the at least one Group VIII metal in the second region of the ancillary catalyst surface,
Wherein the first region of the ancillary catalyst surface is closer to the cathode entrance of the cathode of the molten carbonate fuel cell than the second region of the ancillary catalyst surface.
상기 하나 이상의 VIII족 금속이 Ni, Pt, Pd, Co, Rh, Ru, Re, Ir, Fe, 또는 이들의 조합을 포함하고, 예를 들어 적어도 Ni, Co, Fe, Pt, Pd, 또는 이들의 조합을 포함하는, 시스템.14. The method of claim 13,
Wherein the at least one Group VIII metal comprises Ni, Pt, Pd, Co, Rh, Ru, Re, Ir, Fe, or a combination thereof and comprises at least Ni, Co, Fe, Pt, Pd, ≪ / RTI >
상기 부수적인 촉매 표면의 영역이 하나 이상의 VIII족 금속의 지속적으로 증가하는 농도 구배를 포함하는, 시스템.The method according to claim 13 or 14,
Wherein the area of the ancillary catalyst surface comprises a steadily increasing concentration gradient of one or more Group VIII metals.
상기 부수적인 촉매 표면의 제 1 영역이 하나 이상의 VIII족 금속을 포함하고, 상기 부수적인 촉매 표면의 제 2 영역이 상기 부수적인 촉매 표면의 제 1 영역의 하나 이상의 VIII족 금속과는 상이한 하나 이상의 추가적인 VIII족 금속을 포함하는, 시스템.16. The method according to any one of claims 13 to 15,
Wherein a first region of the ancillary catalyst surface comprises at least one Group VIII metal and a second region of the ancillary catalyst surface is at least one additional region different from at least one Group VIII metal of the first region of the ancillary catalyst surface RTI ID = 0.0 > VIII < / RTI > metal.
상기 부수적인 촉매 표면의 제 2 영역이 하나 이상의 VIII족 금속을 포함하고, 상기 부수적인 촉매 표면의 제 1 영역이 상기 부수적인 촉매 표면의 제 2 영역의 하나 이상의 VIII족 금속과는 상이한 하나 이상의 추가적인 VIII족 금속을 포함하는, 시스템.16. The method according to any one of claims 13 to 15,
Wherein the second region of the ancillary catalyst surface comprises at least one Group VIII metal and the first region of the ancillary catalyst surface is at least one additional region different from the at least one Group VIII metal of the second region of the ancillary catalyst surface RTI ID = 0.0 > VIII < / RTI > metal.
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