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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-07-18
(54)【発明の名称】ＳＯＥ－ＳＯＦＣ－ＣＣＳハイブリッドシステム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20240710BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20240710BHJP
H01M 8/00 20160101ALI20240710BHJP
H01M 8/0612 20160101ALI20240710BHJP
H01M 8/04014 20160101ALI20240710BHJP
H01M 8/0432 20160101ALI20240710BHJP
H01M 8/04746 20160101ALI20240710BHJP
H01M 8/0668 20160101ALI20240710BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20240710BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20240710BHJP
C25B 13/07 20210101ALI20240710BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 Z
H01M8/12 101
H01M8/00 Z
H01M8/0612
H01M8/04014
H01M8/0432
H01M8/04746
H01M8/0668
C25B1/04
C25B9/00 A
C25B13/07
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023530254
(86)(22)【出願日】2023-04-17
(85)【翻訳文提出日】2023-05-25
(86)【国際出願番号】 KR2023005188
(87)【国際公開番号】W WO2023234553
(87)【国際公開日】2023-12-07
(31)【優先権主張番号】10-2022-0067900
(32)【優先日】2022-06-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】521234939
【氏名又は名称】エフシーアイ カンパニー，リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】チャン、イン ガブ
(72)【発明者】
【氏名】リー、タエ ウォン
(72)【発明者】
【氏名】リュ、ボ ヒュン
(72)【発明者】
【氏名】チョイ、ヤン ジュン
(72)【発明者】
【氏名】ウォン、ミュン ジュン
【テーマコード（参考）】
4K021
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021DB40
4K021DC03
5H126BB06
5H127AA07
5H127AB21
5H127AC15
5H127BA05
5H127BA13
5H127BA34
5H127BA45
5H127BA48
5H127BB02
5H127BB27
5H127BB28
5H127DB26
5H127DB79
5H127DC32
(57)【要約】
本発明は固体酸化物形電解電池（ＳＯＥ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、及び炭素捕捉システム（ＣＣＳ）が結合されたハイブリッドシステムに関するものであり、より詳しくは固体酸化物形電解電池、排ガスを燃消させるバーナーを含む固体酸化物燃料電池、及び炭素捕捉技術が有機的な関係に駆動され、その駆動によって発生した副産物及び廃熱を再循環させることで、水素及び電力生産に要求される燃料を最少化するＳＯＥ－ＳＯＦＣ－ＣＣＳハイブリッドシステムに関するものである。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
固体酸化物形電解電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ、ＳＯＥ）と、改質器（ｒｅｆｏｒｍｅｒ）、前記改質器が生産した燃料を加熱する燃料熱交換器（ｆｕｅｌ ＨＸ）、外部空気（ａｉｒ）を１次加熱する第１空気熱交換器（ａｉｒ ＨＸ＿Ａ）、前記１次加熱された外部空気を２次加熱する第２空気熱交換器（ａｉｒ ＨＸ＿Ｂ）、前記燃料熱交換器で加熱された燃料を受ける燃料極（ａｎｏｄｅ）及び前記第１空気熱交換器及び第２空気熱交換器で加熱された外部空気（ａｉｒ）を受ける空気極（ｃａｔｈｏｄｅ）を含むスタック（ｓｔａｃｋ）、及び前記固体酸化物形電解電池の排ガス及び前記スタックの燃料極排ガスを燃消させるバーナー（ｂｕｒｎｅｒ）、を含む固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＳＯＦＣ）と、
前記改質器及び前記第１空気熱交換器のうちの少なくとも一つで熱交換された前記バーナーの排ガスから二酸化炭素を捕捉する炭素捕捉器（ｃａｒｂｏｎ ｃａｐｔｕｒｅ ｓｙｓｔｅｍ、ＣＣＳ）と、
を含む、ＳＯＥ－ＳＯＦＣ－ＣＣＳハイブリッドシステム。
【請求項2】
前記バーナーの排ガスは前記改質器の蒸気発生器（ｓｔｅａｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）で熱交換される、請求項１に記載のＳＯＥ－ＳＯＦＣ－ＣＣＳハイブリッドシステム。
【請求項3】
前記スタックの空気極排ガスの少なくとも一部を前記第２空気熱交換器に分岐させ、分岐されて残った部分を前記燃料熱交換器に分岐させる第１分配器をさらに含む、請求項１に記載のＳＯＥ－ＳＯＦＣ－ＣＣＳハイブリッドシステム。
【請求項4】
前記第１空気熱交換器を経由した外部空気の温度を測定する温度センサー（Ａ）と、前記温度センサー（Ａ）の測定値に基づいて、前記第１分配器に前記第２空気熱交換器及び前記燃料熱交換器への分配比を含む制御信号を送信する制御器と、をさらに含む、請求項３に記載のＳＯＥ－ＳＯＦＣ－ＣＣＳハイブリッドシステム。
【請求項5】
前記第１空気熱交換器を経由した前記バーナーの排ガスの少なくとも一部を前記バーナーに分岐させ、分岐されて残った部分を前記炭素捕捉器に分岐させる第２分配器をさらに含む、請求項１に記載のＳＯＥ－ＳＯＦＣ－ＣＣＳハイブリッドシステム。
【請求項6】
前記バーナーの温度を測定する温度センサー（Ｂ）と、前記温度センサー（Ｂ）の測定値に基づいて、前記第２分配器に前記バーナー及び前記炭素捕捉器への分配比を含む制御信号を送信する制御器と、をさらに含む、請求項５に記載のＳＯＥ－ＳＯＦＣ－ＣＣＳハイブリッドシステム。
【請求項7】
前記固体酸化物形電解電池の排ガスの少なくとも一部を分岐させて外部空気と合流するようにし、分岐されて残った部分を前記バーナーに分岐させる第３分配器をさらに含む、請求項１に記載のＳＯＥ－ＳＯＦＣ－ＣＣＳハイブリッドシステム。
【請求項8】
前記バーナーの排ガスの少なくとも一部を前記固体酸化物形電解電池に分岐させ、分岐されて残った部分を前記改質器に分岐させる第４分配器をさらに含む、請求項１に記載のＳＯＥ－ＳＯＦＣ－ＣＣＳハイブリッドシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は固体酸化物形電解電池（ＳＯＥ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、及び炭素捕捉システム（ＣＣＳ）が結合されたハイブリッドシステムに関するものであり、より詳しくは固体酸化物形電解電池、排ガスを燃消させるバーナーを含む固体酸化物燃料電池、及び炭素捕捉技術が有機的な関係に駆動され、その駆動によって発生した副産物及び廃熱を再循環させることで、水素及び電力生産に要求される燃料を最少化するＳＯＥ－ＳＯＦＣ－ＣＣＳハイブリッドシステムに関するものである。
【背景技術】
【0002】
固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＳＯＦＣ）は単位電池と分離板とからなる電気生成ユニットが複数積層された構造を有する。単位電池は、電解質と、前記電解質の一面に位置する空気極と、電解質の他面に位置する燃料極とを含む。
【0003】
空気極に酸素を供給し、燃料極に水素を供給すると、空気極で酸素の還元反応によって生成された酸素イオンが電解質膜を通して燃料極に移動した後、陰極に供給された水素と反応することで、水が生成される。ここで、燃料極で生成された電子が空気極に伝達されて消耗される過程で外部回路に電子が流れ、単位電池はこのような電子の流れを用いて電気エネルギーを生産する。
【0004】
固体酸化物形電解電池は電気エネルギーを用いて純水を電気分解して水素を生産する装置であり、一般的に５００～８５０℃の高温電気分解が起こり得る温度で作動する。
【0005】
韓国特許公開第１０－２０２０－０１１０５０１号公報（特許文献１）は、酸素富化装置が適用された固体酸化物燃料電池に対する技術を開示する。しかし、特許文献１は、スタックの排ガスを燃消させないので、二酸化炭素の捕捉効率が低く、燃焼熱を再活用する方案を提示しないので、運転効率が落ちる欠点を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】韓国特許公開第１０－２０２０－０１１０５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明が解決しようとする技術的課題の一つは、固体酸化物形電解電池及び固体酸化物燃料電池のハイブリッドシステムにおいて固体酸化物形電解電池の排ガスをそのまま排出せずに効率的に活用する方案を提供することである。
【0008】
本発明が解決しようとする技術的課題の他の一つは、固体酸化物形電解電池、固体酸化物燃料電池、及び炭素捕捉器のハイブリッドシステムにおいてスタックの燃料極排ガスや電解電池の排ガスに含まれた未反応水素から二酸化炭素を効果的に捕捉するための方案を提供することである。
【0009】
本発明が解決しようとする技術的課題のさらに他の一つは、固体酸化物燃料電池と炭素捕捉器とが有機的に動作する過程で発生した副産物及び廃熱を再循環することで、消耗燃料を最少化する方案を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の技術的解決方法の一つとして、固体酸化物形電解電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ、ＳＯＥ）と、改質器（ｒｅｆｏｒｍｅｒ）、前記改質器が生産した燃料を加熱する燃料熱交換器（ｆｕｅｌ ＨＸ）、外部空気（ａｉｒ）を１次加熱する第１空気熱交換器（ａｉｒ ＨＸ＿Ａ）、前記１次加熱された外部空気を２次加熱する第２空気熱交換器（ａｉｒ ＨＸ＿Ｂ）、前記燃料熱交換器で加熱された燃料を受ける燃料極（ａｎｏｄｅ）及び前記第１空気熱交換器及び第２空気熱交換器で加熱された外部空気（ａｉｒ）を受ける空気極（ｃａｔｈｏｄｅ）を含むスタック（ｓｔａｃｋ）、及び前記固体酸化物形電解電池の排ガス及び前記スタックの燃料極排ガスを燃消させるバーナー（ｂｕｒｎｅｒ）、を含む固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＳＯＦＣ）と、前記改質器及び前記第１空気熱交換器のうちの少なくとも一つで熱交換された前記バーナーの排ガスから二酸化炭素を捕捉する炭素捕捉器（ｃａｒｂｏｎ ｃａｐｔｕｒｅ ｓｙｓｔｅｍ、ＣＣＳ）と、を含む、ＳＯＥ－ＳＯＦＣ－ＣＣＳハイブリッドシステムを提案する。
【0011】
ここで、前記バーナーの排ガスは前記改質器の蒸気発生器（ｓｔｅａｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）で熱交換されることができる。
【0012】
他の実施例で、前記スタックの空気極排ガスの少なくとも一部を前記第２空気熱交換器に分岐させ、分岐されて残った部分を前記燃料熱交換器に分岐させる第１分配器（Ｄ１）をさらに含むことができる。
【0013】
ここで、前記第１空気熱交換器を経由した外部空気の温度を測定する温度センサー（Ａ）と、前記温度センサー（Ａ）の測定値に基づいて、前記第１分配器（Ｄ１）に前記第２空気熱交換器及び前記燃料熱交換器への分配比を含む制御信号を送信する制御器と、をさらに含むことができる。
【0014】
他の実施例で、前記第１空気熱交換器を経由したバーナー排ガスの少なくとも一部を前記バーナーに分岐させ、分岐されて残った部分を前記炭素捕捉器に分岐させる第２分配器（Ｄ２）をさらに含むことができる。
【0015】
ここで、前記バーナーの温度を測定する温度センサー（Ｂ）と、前記温度センサー（Ｂ）の測定値に基づいて、前記第２分配器（Ｄ２）に前記バーナー及び前記炭素捕捉器への分配比を含む制御信号を送信する制御器と、をさらに含むことができる。
【0016】
他の実施例で、前記固体酸化物形電解電池の排ガスの少なくとも一部を分岐させて外部空気と合流するようにし、分岐されて残った部分を前記バーナーに分岐させる第３分配器（Ｄ３）をさらに含むことができる。
【0017】
他の実施例で、前記バーナー排ガスの少なくとも一部を前記固体酸化物形電解電池に分岐させ、分岐されて残った部分を前記改質器に分岐させる第４分配器（Ｄ４）をさらに含むことができる。
【発明の効果】
【0018】
本発明の実施例によれば、固体酸化物形電解電池及び固体酸化物燃料電池のハイブリッドシステムにおいて固体酸化物形電解電池の排ガスをそのまま排出せずにバーナーの燃焼などに活用することで、動作効率を高めることができる。
【0019】
本発明の実施例によれば、固体酸化物形電解電池、固体酸化物燃料電池、及び炭素捕捉器のハイブリッドシステムにおいてスタックの燃料極排ガスや電解電池の排ガスに含まれた未反応燃料から不純物を予め除去する方式で二酸化炭素捕捉効率を極大化することができる。
【0020】
本発明の実施例によれば、固体酸化物燃料電池と炭素捕捉器とが有機的に動作する過程で発生した副産物及び廃熱を再循環することで、消耗燃料を最少化することができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本発明の実施例１によるＳＯＥ－ＳＯＦＣ－ＣＣＳハイブリッドシステムの構成図である。
【図2】実施例１で改質器の詳細構成をさらに示す図である。
【図3】本発明の実施例２によるＳＯＥ－ＳＯＦＣ－ＣＣＳハイブリッドシステムの構成図である。
【図4】本発明の実施例３によるＳＯＥ－ＳＯＦＣ－ＣＣＳハイブリッドシステムの構成図である。
【図5】本発明の実施例４によるＳＯＥ－ＳＯＦＣ－ＣＣＳハイブリッドシステムの構成図である。
【図6】本発明の実施例５によるＳＯＥ－ＳＯＦＣ－ＣＣＳハイブリッドシステムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、本発明のいくつかの実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。ただし、これは本発明をある特定の実施例に限定しようとするものではなく、本発明の技術的思想を含むすべての変形（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ）、均等物（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓ）及び代替物（ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎｓ）は本発明の範囲に含まれるものと理解されなければならない。
【0023】
本明細書で、単数の表現は、文脈上はっきりと他に指示しない限り、複数の表現を含む。
【0024】
本明細書で、ある一構成があるサブ構成を「備える（ｈａｖｅ）」または「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ ｏｒ ｉｎｃｌｕｄｅ）」と記載された場合、特に反対の記載がない限り、他の（ｏｔｈｅｒ）構成を除くものではなく、他の構成をさらに含むこともできることを意味する。
【0025】
本明細書で、「連結される（ｃｏｎｎｅｃｔ）」と記載されたものは二つの構成要素が直接連結されることを意味することもできるが、必ずしもこれに限定されるものではなく、構成要素の間に配置された一つ以上の他の構成要素を介して連結されることを意味することもできる。
【0026】
＜実施例１＞
【0027】
図１は実施例１によるＳＯＥ－ＳＯＦＣ－ＣＣＳハイブリッドシステムの構成図である。
【0028】
実施例１のハイブリッドシステムは、固体酸化物形電解電池（ＳＯＥ、Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｃｅｌｌ）１０、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ、Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）１００、及び炭素捕捉器（ＣＣＳ、ｃａｒｂｏｎ ｃａｐｔｕｒｅ ｓｙｓｔｅｍ）２０を含む。
【0029】
固体酸化物形電解電池１０は、電気エネルギーを用いて純水を電気分解することで、水素を生産する。固体酸化物形電解電池１０は、多孔性水素極、酸素極、及び不透過性電解質からなる総三つのセラミック層を有する。固体酸化物形電解電池１０で、水蒸気が陰極に流入し、電圧が陽極に印加されると、水蒸気の分解反応によって、水分子が水素及び酸素に分離される。
【0030】
固体酸化物形電解電池１０は、水の電気分解によって得られた酸素を酸素極出力端を介して固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）１００のバーナー１６０に供給し、水素及びその他の組成物を水素極出力端に排出する。
【0031】
固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）１００はイオン伝導性セラミックを電解質として使用する燃料電池であり、酸素イオン伝導性電解質とその両面に位置する空気極（ｃａｔｈｏｄｅ）及び燃料極（ａｎｏｄｅ）とからなるスタックを含む。
【0032】
スタックの空気極及び燃料極にそれぞれ空気及び水素を供給すると、空気極には酸素の還元反応が起こって酸素イオンが生成され、電解質を介して燃料極に移動した酸素イオンは燃料極に供給された水素と再び反応することで、水が生成される。ここで、燃料極では電子が生成され、空気極では電子が消耗されるので、連結された両電極で電流が流れる原理によって電気を生産する。
【0033】
固体酸化物燃料電池１００は、純粋な水素を直接燃料として使用することもでき、液化プロパンガス（ＬＰＧ）、パイプライン運送天然ガス（ＰＮＧ）、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）及び炭化水素系の燃料（例えば、天然ガス）などのような外部燃料を改質して得た水素を使用することもできる。
【0034】
固体酸化物燃料電池１００は、スタック１１０、改質器１２０、燃料熱交換器１３０、第１空気熱交換器１４０、第２空気熱交換器１５０、バーナー１６０、第１分配器Ｄ１、第１合流器Ｃ１、及び制御器（図示せず）を含む。
【0035】
スタック１１０は、第１空気熱交換器（ａｉｒ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ＿Ａ；ａｉｒ ＨＸ＿Ａ）１４０で加熱された外部空気（ａｉｒ）を空気極で受け、改質器１２０で生成された水素を燃料極で受ける。
【0036】
改質器１２０は、水蒸気メタン改質（ｓｔｅａｍ ｍｅｔｈａｎｅ ｒｅｏｆｒｍｉｎｇ）、部分酸化反応（ｐａｒｔｉａｌ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ）、及び自己熱改質（ａｕｔｏ－ｔｈｅｍａｌ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）のうちのいずれか一つを用いて外部燃料を水素に改質する。
【0037】
水蒸気メタン改質は７００～１，１００℃で蒸気をメタン（または天然ガス）と混合し、触媒反応器で３～２５ｂａｒの圧力で反応させることで、水素を生産する。部分酸化反応は、天然ガスを水及び二酸化炭素に酸化させるのに必要な酸素量より少ない量の酸素を供給して、水素、一酸化炭素及び二酸化炭素などを生産する。自己熱改質は、水蒸気改質吸熱反応に必要な熱を部分酸化の発熱反応によって自ら供給して水素を改質する。
【0038】
実施例１及び以下の実施例で、改質器１２０は水蒸気メタン改質を用いる場合を想定して説明するが、必ずしも水蒸気メタン改質に限定される必要はない。
【0039】
水蒸気メタン改質は全体的に吸熱反応であるので、外部から熱を供給しなければならなく、後段には水素への転換を促進させる触媒層を備える。本発明の実施例で、改質器１２０はニッケル系（Ｎｉ－ｂａｓｅｄ）触媒を用いることができる。
【0040】
改質器１２０は、反応原料（または燃料）内に含まれたＣ２＋炭化水素、すなわち、Ｃ２Ｈ６（エタン）、Ｃ３Ｈ８（プロパン）をＣＨ４、ＣＯ、Ｈ２などに分解（ｃｒａｃｋｉｎｇ）し、ＣＨ４（メタン）の一部を水素に改質する。前記分解（ｃｒａｃｋｉｎｇ）過程によって高級炭化水素の熱分解による触媒層のコークス生成（または炭素沈積）を抑制することができる。
【0041】
燃料熱交換器（ｆｕｅｌ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ；ｆｕｅｌ ＨＸ）１３０は改質器１２０とスタック１１０の燃料極入力（ａｎｏｄｅ ｉｎｐｕｔ）との間に配置される。燃料熱交換器１３０は、改質器１２０から出力された水素を予め設定された温度に予熱し、予熱された水素をスタック１１０の燃料極入力に供給する。燃料熱交換器１３０は、スタック１１０の空気極排ガス（ｃａｔｈｏｄｅ ｏｆｆｇａｓ）と熱交換して得た熱エネルギーで改質器１２０で生産された水素を予熱することもできる。燃料熱交換器１３０で熱交換された排ガスは固体酸化物燃料電池１００の外部に排出される。
【0042】
第１空気熱交換器１４０は、外部空気（ａｉｒ）を予め設定された温度に予熱する。予熱された外部空気はすぐスタック１１０の空気極に入力されるか、または第２空気熱交換器１５０で２次に予熱された後、スタック１１０の空気極に入力される。
【0043】
第１空気熱交換器１４０は、バーナー１６０から出力された高温の排ガスと熱交換して得た熱エネルギーで外部空気を予熱する。
【0044】
バーナー１６０から出力された高温の排ガスの全部が改質器１２０で１次に熱交換された後、第１空気熱交換器１４０で２次に熱交換される。もしくは、バーナー１６０から出力された高温の排ガスはバーナー１６０の出口段に配置された分配器（図示せず）を介して一部は改質器１２０に分岐され、残りの一部は第１空気熱交換器１４０に分岐されることもできる。実施例１で、バーナー１６０の排ガスは改質器１２０及び第１空気熱交換器１４０のうちの少なくとも一方で熱交換された後、炭素捕捉器２０に入力される。
【0045】
第２空気熱交換器１５０は第１空気熱交換器１４０とスタック１１０の空気極入力（ｃａｔｈｏｄｅ ｉｎｐｕｔ）との間に配置され、スタック１１０の空気極排ガス（ｃａｔｈｏｄｅ ｏｆｆｇａｓ）と熱交換して得た熱エネルギーで第１空気熱交換器１４０で１次加熱された外部空気を２次に加熱する。バーナー１６０の排ガスは改質器１２０で熱交換しながら相当量の熱エネルギーが奪われるので、第１空気熱交換器１４０で熱交換すべき熱量が十分でないことがある。第１空気熱交換器１４０を経由した外部空気が円滑な化学反応のために必要な基準温度まで到逹しなかった場合、第２空気熱交換器１５０で更なる熱交換によって熱エネルギーを確保することができる。
【0046】
バーナー１６０は、固体酸化物形電解電池から受けた排ガスに含まれた酸素を用いて、スタック１１０の燃料極出力から受けた排ガス（ａｎｏｄｅ ｏｆｆｇａｓ）を燃消させる。バーナー１６０でスタック１１０の排ガスを燃消させると、排ガスに含まれた組成物は二酸化炭素及び水を除いた他の組成物が大部分燃焼することにより、二酸化炭素（約３０％）及び水（約６０％）の濃度が高くなる。
【0047】
バーナー１６０から出力された高温の排ガスは改質器１２０及び第１空気熱交換器１４０のうちの少なくとも一方で熱交換された後、炭素捕捉器２０に供給される。前述したように、バーナー１６０の排ガスは大部分が二酸化炭素及び水からなっているので、炭素捕捉器２０によって二酸化炭素及び水に容易に分離される。
【0048】
固体酸化物燃料電池１００は、第１分配器Ｄ１及び第１合流器Ｃ１をさらに含むこともできる。
【0049】
第１分配器Ｄ１はスタック１１０の空気極出力の後段に配置され、スタック１１０の空気極排ガス（ｃａｔｈｏｄｅ ｏｆｆｇａｓ）の一部を燃料熱交換器１３０に分岐させ、残りは第２空気熱交換器１５０に分岐させる。
【0050】
第１分配器Ｄ１は１個の入力端及び２個の出力端を有し、流体の方向及び流量を自動または手動で調節する制御バルブ（図示せず）を備えることもできる。また、第１空気熱交換器１４０の出力端付近または第２空気熱交換器１５０の入力端付近には、第１空気熱交換器１４０との熱交換によって加熱された外部空気の温度を測定する温度センサー（図示せず）をさらに備えることもできる。
【0051】
制御器（図示せず）は、温度センサーの測定値に基づいて第１分配器Ｄ１でスタックの空気極排ガスを第２空気熱交換器１５０にどのくらい分岐させるかを決定し、決定された値を含む制御信号を第１分配器Ｄ１に送信する。
【0052】
第１分配器Ｄ１で燃料熱交換器１３０及び第２空気熱交換器１５０に分岐された空気極排ガスは第１合流器Ｃ１で合流した後、外部に排出される。
【0053】
炭素捕捉器（ｃａｒｂｏｎ ｃａｐｔｕｒｅ）２０は、改質器１２０及び第１空気熱交換器１４０のうちの少なくとも一つで熱交換されたバーナー１６０の排ガスから二酸化炭素を捕捉する。
【0054】
炭素捕捉器２０は、燃焼後捕捉（ｐｏｓｔ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、燃焼前捕捉（ｐｒｅ－ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、酸素燃焼（ｏｘｙ－ｆｕｅｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、及び圧力スイング吸着（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｗｉｎｇ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）のうちのいずれか一つを使用することもできる。
【0055】
図２は実施例１の改質器の詳細構成を追加したものを示す図である。
【0056】
【0057】
図２に示すように、一実施例の改質器１２０は、蒸気発生器１２１、混合器１２２及び前改質器１２３を含む。
【0058】
蒸気発生器（ｓｔｅａｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）１２１は、外部から供給された水を加熱して蒸気に変換させる。蒸気発生器１２１は、バーナー１６０の排ガスと熱交換して得た熱エネルギーで水を加熱させることもできる。
【0059】
バーナー１６０から出力された高温の排ガスは蒸気発生器１２１で熱交換された後、第１空気熱交換器１４０に移動し、第１空気熱交換器１４０でさらに熱交換されることができる。第１空気熱交換器１４０で熱交換されたバーナー１６０の排ガスは炭素捕捉器２０に供給されて二酸化炭素及び水に分離される。
【0060】
混合器（ｍｉｘｅｒ）１２２は、外部から入力された天然燃料（例えば、天然ガス）を蒸気発生器１２１で発生した蒸気と混合させる。
【0061】
前改質器（ｐｒｅ－ｒｅｆｏｒｍｅｒ）１２３は、蒸気と天然ガスの混合ガスから水素を生産する。前改質器１２３で生産された水素は燃料熱交換器１３０に提供され、燃料熱交換器１３０で昇温された後、スタック１１０の燃料極に入力される。
【0062】
＜実施例２＞
【0063】
実施例２は、バーナーの排ガス全体を炭素捕捉器に供給する実施例１に比べて、バーナーの排ガスの一部を再びバーナーに再循環（ｒｅｃｙｃｌｅ）させて二酸化炭素の純度を高めることで、二酸化炭素の捕捉効率を高める技術に関するものである。
【0064】
図３は実施例２によるＳＯＥ－ＳＯＦＣ－ＣＣＳハイブリッドシステムの構成図である。
【0065】
実施例２のハイブリッドシステムは、固体酸化物形電解電池１０、固体酸化物燃料電池２００、及び炭素捕捉器２０を含む。固体酸化物燃料電池２００は、スタック２１０、改質器２２０、燃料熱交換器２３０、第１空気熱交換器２４０、第２空気熱交換器２５０、バーナー２６０、第１分配器Ｄ１、第２分配器Ｄ２、第１合流器Ｃ１、第２合流器Ｃ２、及び制御器（図示せず）を含む。
【0066】
実施例２で、固体酸化物形電解電池１０、スタック２１０、改質器２２０、燃料熱交換器２３０、第１空気熱交換器２４０、第２空気熱交換器２５０、バーナー２６０、第１分配器Ｄ１、第１合流器Ｃ１、制御器（図示せず）、及び炭素捕捉器２０の技術構成は実施例１の電解電池１０、スタック１１０、改質器１２０、燃料熱交換器１３０、第１空気熱交換器１４０、第２空気熱交換器１５０、バーナー１６０、第１分配器Ｄ１、第１合流器Ｃ１、制御器（図示せず）、及び炭素捕捉器２０と基本的に同一であるので、ここでは相違点のみを追加的に説明する。
【0067】
第２分配器Ｄ２は第１空気熱交換器２４０の後段に配置されることで、改質器２２０及び第１空気熱交換器２４０で熱交換されたバーナー２６０の排ガスの一部を炭素捕捉器２０に分岐させ、残りの一部をバーナー２６０に分岐させる。
【0068】
第２合流器Ｃ２は、バーナー２６０に分岐されて残った一部のバーナー排ガスとスタック２１０の燃料極排ガスとを合流させる。第２合流器Ｃ２で合流したガスは再びバーナー２６０に入力される。
【0069】
このように、バーナー２６０の排ガスの一部を再びバーナー２６０に再循環させることで、三つの効果を期待することができる。
【0070】
第一、基本的にバーナー２６０の排ガスは燃焼反応によって二酸化炭素の濃度が高いＣＯ２が豊富なガスであるがその内には依然として少量の未反応燃料（例えば、Ｈ２、ＣＯなど）が残っている。したがって、改質器２２０及び第１空気熱交換器２４０を経由したバーナー排ガスの一部を再びバーナーに送って燃焼過程を経るようにすることで、残余未反応燃料を追加的に二酸化炭素に転換させる。すなわち、バーナー排ガスが再循環する度にバーナー排ガスはＣＯ２がより豊富なガスになる。そして、炭素捕捉器２０は、ＣＯ２がより豊富なガスを対象としてより容易に二酸化炭素を捕捉することができる。
【0071】
第二、バーナー２６０の排ガスは改質器２２０及び第１空気熱交換器２４０を経由しながら熱交換によって冷却される。したがって、バーナー２６０の排ガスに含まれた二酸化炭素のような不活性ガスをバーナー２６０に再循環させることで、バーナー２６０の温度を調節するかまたは過熱を防止する効果を期待することができる。
【0072】
第三、実施例１のバーナー１６０にＳＯＥの排ガス及びスタックの燃料極排ガスが燃料として入力されることに比べて、実施例２のバーナー２６０には、ＳＯＥの排ガス及びスタックの燃料極排ガスの他にも、第２分配器Ｄ２で分岐されたバーナー排ガスがさらに入力される。したがって、バーナー排ガスが再循環することにより、バーナー２６０から改質器２２０及び第１空気熱交換器２４０に流入する流量（質量）が増加するので、熱交換効率が高くなる。
【0073】
＜実施例３＞
【0074】
実施例３は、実施例１または実施例２に比べて、固体酸化物形電解電池１０の排ガス（酸素）全部をバーナーに送るものではなく、電解電池１０の排ガスの一部をバーナー３６０に送り、残りはスタックの空気極に流入する外部空気に合流させる技術に関するものである。実施例３によれば、スタックの空気極に流入する酸素の濃度を高めることで、固体酸化物燃料電池の電気生産効率を高めることができる。
【0075】
実施例３は実施例１に第３分配器Ｄ３及び第３合流器Ｃ３をさらに含む変形実施例と理解することもでき、実施例２に第３分配器Ｄ３及び第３合流器Ｃ３をさらに含む変形実施例と理解することもできる。図４は実施例１に第３分配器Ｄ３と第３合流器Ｃ３をさらに含む変形実施例を示す図である。
【0076】
図４に示すように、実施例３のハイブリッドシステムは、固体酸化物形電解電池１０、固体酸化物燃料電池３００、及び炭素捕捉器２０を含む。固体酸化物燃料電池３００は、スタック３１０、改質器３２０、燃料熱交換器３３０、第１空気熱交換器３４０、第２空気熱交換器３５０、バーナー３６０、第１分配器Ｄ１、第３分配器Ｄ３、第１合流器Ｃ１、第３合流器Ｃ３、及び制御器（図示せず）を含む。
【0077】
実施例３の固体酸化物形電解電池１０、スタック３１０、改質器３２０、燃料熱交換器３３０、第１空気熱交換器３４０、第２空気熱交換器３５０、バーナー３６０、第１分配器Ｄ１、第１合流器Ｃ１、制御器（図示せず）、及び炭素捕捉器２０の技術構成は実施例１の電解電池１０、スタック１１０、改質器１２０、燃料熱交換器１３０、第１空気熱交換器１４０、第２空気熱交換器１５０、バーナー１６０、第１分配器Ｄ１、第１合流器Ｃ１、制御器（図示せず）、及び炭素捕捉器２０と根本的に同一であるので、ここでは相違点のみを追加的に説明する。
【0078】
第３分配器Ｄ３は固体酸化物形電解電池１０の出口端に配置され、固体酸化物形電解電池１０の排ガス（ＳＯＥ ｏｆｆｇａｓ）の一部をバーナー３６０に分岐させ、残りをスタックの空気極に流入する外部空気に合流させる。
【0079】
第３合流器Ｃ３は第１空気熱交換器３４０と第２空気熱交換器３５０との間に配置され、第１空気熱交換器３４０を経由した外部空気と第３分配器Ｄ３によって分岐された固体酸化物形電解電池１０の排ガス（ＳＯＥ ｏｆｆｇａｓ）とを合流させる。そして、合流された混合ガスは第２空気熱交換器３５０を経由してスタック３１０の空気極に入力される。
【0080】
変形実施例として、第３合流器Ｃ３は第２空気熱交換器３５０とスタック３１０の空気極との間に配置されることもできる。この場合、第２空気熱交換器３５０で加熱された外部空気と第２分配器Ｄ２で分岐された電解電池１０排ガスとは第３合流器Ｃ３で合流してスタック３１０の空気極に入力される。
【0081】
電解電池１０の排ガスは酸素を含むので、第３分配器Ｄ３からバーナー３６０により多い電解電池排ガスを分配するほど、バーナーの燃焼が活性化して、バーナー排ガスに含まれた二酸化炭素の純度が高くなるので、炭素捕捉器２０の二酸化炭素捕捉率が高くなり、第３分配器Ｄ３で空気熱交換器３４０または３５０側により多い電解電池排ガスを分配するほど、スタックの空気極に入力される酸素量が多くなるので、スタックの電気出力が高くなる。
【0082】
したがって、制御器（図示せず）は、ハイブリッドシステムに設定される二酸化炭素捕捉量または電気出力によってバーナー３６０または空気熱交換器３４０または３５０への分配比を決定し、決定された配分比を含む制御信号を第３分配器Ｄ３に送信する。
【0083】
＜実施例４＞
【0084】
実施例４は、実施例１～実施例３に比べて、バーナーの排ガス全部を改質器に送るものではなく、バーナーの排ガスの一部を固体酸化物形電解電池に再循環させ、その残りを改質器に送る技術に関するものである。
【0085】
実施例４は、実施例１において第４分配器Ｄ４をさらに含む変形実施例と理解することもでき、実施例２において第４分配器Ｄ４をさらに含む変形実施例と理解することもできる。図５は実施例１に第４分配器Ｄ４をさらに含む変形実施例を示す図である。
【0086】
図５に示すように、実施例４のハイブリッドシステムは、固体酸化物形電解電池１０、固体酸化物燃料電池４００、及び炭素捕捉器２０を含む。固体酸化物燃料電池４００は、スタック４１０、改質器４２０、燃料熱交換器４３０、第１空気熱交換器４４０、第２空気熱交換器４５０、バーナー４６０、第１分配器Ｄ１、第４分配器Ｄ４、第１合流器Ｃ１、及び制御器（図示せず）を含む。
【0087】
実施例４の固体酸化物形電解電池１０、スタック４１０、改質器４２０、燃料熱交換器４３０、第１空気熱交換器４４０、第２空気熱交換器４５０、バーナー４６０、第１分配器Ｄ１、第１合流器Ｃ１、制御器（図示せず）、及び炭素捕捉器２０の技術構成は実施例１の電解電池１０、スタック１１０、改質器１２０、燃料熱交換器１３０、第１空気熱交換器１４０、第２空気熱交換器１５０、バーナー１６０、第１分配器Ｄ１、第１合流器Ｃ１、制御器（図示せず）、及び炭素捕捉器２０と基本的に同一であるので、ここでは相違点のみを追加的に説明する。
【0088】
第４分配器Ｄ４はバーナー４６０の後段に配置される。
【0089】
第４分配器Ｄ４はバーナー４６０の排ガスの一部を再び固体酸化物形電解電池１０に再循環させ、残りを改質器４２０に分岐する。
【0090】
固体酸化物形電解電池１０は、第４分配器Ｄ４によって分岐された高温のバーナー排ガスを電解電池に含まれた少なくとも一つの熱交換器に送ることで、熱エネルギーを受ける。
【0091】
第４分配器Ｄ４で電解電池１０により多いバーナー排ガスを分配するほど、電解電池が活性化して水素生産量が多くなり、第４分配器Ｄ４で改質器４２０側により多いバーナー排ガスを分配するほど、燃料電池４００の効率が高くなるので、電気出力が高くなる。
【0092】
したがって、制御器（図示せず）は、ハイブリッドシステムに設定される水素生産量または電気出力によって電解電池１０または改質器４２０への配分比を決定し、決定された配分比を含む制御信号を第４分配器Ｄ４に送信する。
【0093】
＜実施例５＞
【0094】
実施例５は実施例１～実施例４を全部併合した技術に関するものである。
【0095】
図６に示すように、実施例５のハイブリッドシステムは、固体酸化物形電解電池１０、固体酸化物燃料電池５００、及び炭素捕捉器２０を含む。固体酸化物燃料電池５００は、スタック５１０、改質器５２０、燃料熱交換器５３０、第１空気熱交換器５４０、第２空気熱交換器５５０、バーナー５６０、第１分配器Ｄ１、第２分配器Ｄ２、第３分配器Ｄ３、第４分配器Ｄ４、第１合流器Ｃ１、第２合流器Ｃ２、第３合流器Ｃ３、及び制御器（図示せず）を含む。
【0096】
実施例５の固体酸化物形電解電池１０、スタック５１０、改質器５２０、燃料熱交換器５３０、第１空気熱交換器５４０、第２空気熱交換器５５０、バーナー５６０、第１分配器Ｄ１、第１合流器Ｃ１、制御器（図示せず）、及び炭素捕捉器２０の技術構成は実施例１の電解電池１０、スタック１１０、改質器１２０、燃料熱交換器１３０、第１空気熱交換器１４０、第２空気熱交換器１５０、バーナー１６０、第１分配器Ｄ１、第１合流器Ｃ１、制御器（図示せず）、及び炭素捕捉器２０と同一である。
【0097】
また、実施例５の第２分配器Ｄ２、第２合流器Ｃ２、及び制御器（図示せず）は実施例２の第２分配器Ｄ２、第２合流器Ｃ２及び制御器（図示せず）と同一であり、実施例５の第３分配器Ｄ３、第３合流器Ｃ３、及び制御器（図示せず）は実施例３の第３分配器Ｄ３、第３合流器Ｃ３、及び制御器（図示せず）と同一であり、実施例５の第４分配器Ｄ４及び制御器（図示せず）は実施例４の第４分配器Ｄ４及び制御器（図示せず）と同一である。
【0098】
以上では、本発明のいくつかの実施例を参照して説明したが、当該技術分野で通常の知識を有する者であれば、下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更することができるというのが理解可能であろう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【国際調査報告】