KR102153398B1 - 냉각/응축에 의해 연료전지의 애노드 배기물로부터 이산화탄소 제거 - Google Patents

냉각/응축에 의해 연료전지의 애노드 배기물로부터 이산화탄소 제거 Download PDF

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Abstract

가압된 애노드 배기 증기를 형성하도록 압축된 애노드 배기 증기로부터 이산화탄소를 제거하기위한 시스템은 애노드 배기 증기를 제 1 사전결정 온도로 냉각시키고 상기 애노드 배기 증기 내의 이산화탄소를 부분적으로 응축하도록 구성된 공급물/폐액 열교환기; 상기 공급물/폐액 열교환기의 산출물을 수용하고 응축되지 않은 애노드 배기 증기로부터 액체 이산화탄소를 분리하도록 구성된 제 1 증기-액체 세퍼레이터; 상기 제 1 증기-액체 세퍼레이터로부터 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기를 수용하고, 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기를 제 2 사전결정 온도로 냉각하고, 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기 내의 이산화탄소를 응축하도록 구성된 공급물/냉매 열교환기; 및 상기 공급물/냉매 열교환기의 산출물을 수용하고 액체 이산화탄소를 분리하여, 응축되지 않은 수소-풍부한 애노드 배기 증기를 형성하도록 구성된 제 2 증기-액체 세퍼레이터를 포함한다.

Description

냉각/응축에 의해 연료전지의 애노드 배기물로부터 이산화탄소 제거
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2016년 4월 21일에 출원된 미국 가출원 제62/325,719호의 이점 및 우선일을 주장하며, 상기 인용에 의해 그 전체 내용이 본원에 포함된다.
본 개시내용은 연료전지에 관한 것이다. 특히, 본 개시내용은 냉각/응축에 의해 연료전지의 애노드 배기물(anode exhaust)로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
연료전지는 탄화수소 연료와 같은 연료에 저장된 화학 에너지를 전기 반응을 통해 전기 에너지로 전환하는 장치이다. 일반적으로, 연료전지는 애노드, 캐소드, 및 전기를 생성하는 화학 반응을 함께 구동하는 전해질 층을 갖는다. 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소의 혼합물을 포함할 수 있는 배기물은 상기 연료전지의 애노드로부터 부산물로서 생성된다. 상기 애노드 배기물은 수소 및 일산화탄소와 같은 유용한 부산물 가스를 함유하며, 이들 부산물 가스는 연료전지용 연료 또는 다른 화학 반응을 위한 공급물과 같은 다른 용도를 위한 합성 가스(syngas)로서 배출될 수 있다. 그러나, 이러한 용도에 적합하도록 상기 애노드 배기물을 제조하기 위해서는 상기 애노드 배기물에 존재하는 이산화탄소가 제거되어야한다.
고온 애노드 배기물로부터 수소 또는 합성 가스를 정제할 때, 전기화학 수소 세퍼레이터와 같은 다른 정제 공정이 사용될 수 있지만, 수소 또는 합성 가스로부터 이산화탄소 및 다른 불순물을 분리하기 위해 종종 압력 변동 흡착 시스템(pressure swing adsorption system: PSA)이 사용된다. 상기 애노드 배기물은 높은 이산화탄소 함량을 갖기 때문에 상기 PSA로부터의 수소 또는 합성 가스 회수율이 평균보다 낮으며 상기 PSA의 사이클 시간이 조정될 필요가 있다. 또한, 애노드 배기 증기의 양이 커지면 상기 PSA의 크기와 비용이 증가한다. 통상적으로, 보다 큰 PSA가 사용될수록 수소 또는 합성 가스 회수율이 보다 낮아진다는 사실이 받아들여지고 있다.
상기 PSA 또는 다른 정제 기술의 연료전지 업스트림(upstream)의 애노드 배기물로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 시스템 및 방법과 관련된 기술을 포함하여 개선된 기술이 필요하다. 이러한 기술은 크기를 줄여 PSA 비용을 감소시키며, 수소 또는 합성 가스의 생성을 최대화한다.
일부 실시양태에서, 가압된 애노드 배기 증기를 형성하도록 압축된 애노드 배기 가스로부터 이산화탄소를 제거하기위한 시스템은 애노드 배기 증기를 제 1 사전결정된(predetermined) 온도로 냉각시키고 상기 가압된 애노드 배기 증기 내의 이산화탄소를 부분적으로 응축시키도록 구성된 공급물/폐액 열교환기; 상기 공급물/폐액 열교환기의 산출물(output)을 수용하고 응축되지 않은 애노드 배기 증기로부터 액체 이산화탄소를 분리하도록 구성된 제 1 증기-액체 세퍼레이터; 상기 제 1 증기-액체 세퍼레이터로부터 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기를 수용하고, 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기를 제 2 사전결정된 온도로 냉각하고, 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기 내의 추가적인 이산화탄소를 응축하도록 구성된 공급물/냉매 열교환기; 및 상기 공급물/냉매 열교환기의 산출물을 수용하고 액체 이산화탄소를 분리하여, 응축되지 않은 수소-풍부한 애노드 배기 증기를 형성하도록 구성된 제 2 증기-액체 세퍼레이터를 포함한다.
일부 실시양태에서, 연료전지 시스템은 캐소드, 애노드, 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 제공된 전해질 매트릭스를 포함하는 연료전지; 애노드 배기 가스로부터 이산화탄소를 제거하여, 응축되지 않은 수소-풍부한 애노드 배기 증기를 형성하는 시스템; 및 상기 응축되지 않은 수소-풍부한 애노드 배기 증기로부터 이산화탄소 및 다른 불순물을 분리하여, 상기 애노드 배기 가스로부터 수소 또는 합성 가스를 정제하도록 구성된 압력 변동 흡착 시스템을 포함한다. 상기 시스템은 상기 가압된 애노드 배기 증기를 제 1 사전결정된 온도로 냉각시키고 상기 애노드 배기 증기 내의 이산화탄소를 부분적으로 응축하도록 구성된 공급물/폐액 열교환기; 상기 공급물/폐액 열교환기의 산출물을 수용하고, 응축되지 않은 애노드 배기 증기로부터 액체 이산화탄소를 분리하도록 구성된 제 1 증기-액체 세퍼레이터; 상기 제 1 증기-액체 세퍼레이터로부터 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기를 수용하고, 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기를 제 2 사전결정된 온도로 냉각하고, 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기 내의 추가적인 이산화탄소를 응축하도록 구성된 공급물/냉매 열교환기; 및 상기 공급물/냉매 열교환기의 산출물을 수용하고 액체 이산화탄소를 분리하여, 응축되지 않은 수소-풍부한 애노드 배기 증기를 형성하도록 구성된 제 2 증기-액체 세퍼레이터를 포함한다.
일부 실시양태에서, 애노드 배기 가스로부터 이산화탄소를 제거하는 방법은 상기 애노드 배기 가스를 압축하여 가압된 애노드 배기 증기를 형성하는 단계; 상기 애노드 배기 증기를 제 1 사전결정된 온도로 냉각시키고, 제 1 열교환기에서 상기 애노드 배기 증기 내의 이산화탄소를 부분적으로 응축시키는 단계; 제 1 증기-액체 세퍼레이터에서 상기 제 1 열교환기의 산출물을 수용하는 단계; 상기 제 1 증기-액체 세퍼레이터에서 응축되지 않은 애노드 배기 증기로부터 액체 이산화탄소를 분리하는 단계; 제 2 열교환기에서 상기 제 1 증기-액체 세퍼레이터로부터 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기를 수용하는 단계; 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기를 제 2 사전결정된 온도로 냉각하고, 상기 제 2 열교환기에서 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기 내의 추가의 이산화탄소를 응축시키는 단계; 제 2 증기-액체 세퍼레이터에서 상기 제 2 열교환기의 산출물을 수용하는 단계; 및 상기 제 2 증기-액체 세퍼레이터에서 상기 제 2 열교환기의 산출물로부터 액체 이산화탄소를 분리하여 응축되지 않은 수소-풍부한 애노드 배기 증기를 형성하는 단계를 포함한다.
일 측면에서, 상기 제 1 증기-액체 세퍼레이터는 제 1 녹아웃 포트(knock out pot)이고, 상기 제 2 증기-액체 세퍼레이터는 제 2 녹아웃 포트이다.
일 측면에서, 상기 제 1 녹아웃 포트 및 상기 제 2 녹아웃 포트에서 분리된 액체 이산화탄소가 합쳐지고, 전체 액체 이산화탄소가 감압 밸브를 통해 공급되어, 상기 전체 액체 이산화탄소의 압력 및 온도가 제 1 압력으로부터, 상기 제 1 압력보다 낮은 제 2 압력으로 감소된다.
일 측면에서, 감소된 압력 및 온도를 갖는 상기 전체 액체 이산화탄소가 상기 제 1 열교환기에서 냉각 매체로서 사용될 수 있다. 상기 제 1 열교환기로부터 재가열된 이산화탄소 스트림 산출물은 고온 연료전지로부터 폐열을 사용하여 선택적으로 추가로 재가열될 수 있고 추가의 에너지를 회수하기 위해 익스팬더(expander)로 이송될 수 있다. 상기 익스팬더 에너지는 전력 또는 기계적 동력으로 회수될 수 있다. 상기 기계적 동력은 상기 애노드 배기 압축기에 연결되어 전력 소모를 줄일 수 있다.
일 측면에서, 상기 이산화탄소의 일부는 격리(sequestration) 또는 다른 용도를 위해 배출된다. 예를 들어, 유동 경로는 상기 애노드 배기 증기로부터 분리된 이산화탄소의 일부를 수용하고, 격리 또는 다른 용도를 위해 상기 애노드 배기 증기로부터 분리된 상기 이산화탄소 일부를 배출하도록 구성될 수 있다.
일 측면에서, 상기 애노드 배기 증기는 상기 제 1 열교환기로 유입되기 전에 100 내지 400 psig의 압력으로 압축된다.
일 측면에서, 100 내지 400 psig 사이의 애노드 배기 압력은 이산화탄소 및 다른 불순물을 수소로부터 분리시키기 위해 압력 변동 흡착 시스템에 의해 요구되는 압력 수준이다.
일 측면에서, 상기 제 1 열교환기는 상기 애노드 배기물을 대략 -35 ℉로 냉각시킨다.
일 측면에서, 상기 제 2 열교환기는 상기 애노드 배기물을 약 -45 ℉로 냉각시킨다.
일 측면에서, 상기 제 1 압력은 200 내지 400 psig이고 상기 제 2 압력은 65 내지 100 psig이다.
일 측면에서, 감소된 압력(예를 들어, 65 psig)을 갖는 상기 전체 액체 이산화탄소는 낮은 온도에서 증발하도록 구성된다. 65 psig의 압력 미만에서 상기 액체 이산화탄소는 가능하게는 동결될 수 있다. 65 psig의 압력에서 상기 액체 이산화탄소는 약 -60 ℉에서 증발한다.
일 측면에서, 요구되는 냉각(refrigeration duty)의 대부분은 이산화탄소를 기화시킴으로써 달성되며, 외부에서 이루어져야 하는 냉각은 전체 요구되는 냉각의 20 % 미만으로 감소된다.
일 측면에서, 제어기는 본원에 기재된 임의의 방법 단계를 구현하도록 프로그램된다.
이들 및 다른 유리한 특징은 본 개시내용 및 도면을 검토하는 당업자들에게 명백해질 것이다.
본 명세서에서 설명된 청구대상의 하나 이상의 실시양태의 세부사항이 첨부 도면 및 하기 설명에 제시되어 있다. 상기 청구대상의 다른 특징 및 측면은 본원에 제공된 상세한 설명, 도면 및 청구 범위로부터 명백해질 것이다.
도 1은 냉각/응축에 의해 이산화탄소를 분리하는 연료전지용 이산화탄소 제거 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 상기 이산화탄소 제거 시스템의 공급물/폐액 열교환기의 경우에 전형적인 열 곡선을 도시한 그래프이다.
예시적인 실시양태를 상세하게 예시한 도면을 살펴보긴 전에, 본원은 상기 상세한 설명에 제시되거나 도면에 예시된 세부 사항 또는 방법에 한정되지 않음을 이해해야한다. 용어는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 제한으로 간주되지 않음을 이해해야 한다.
일반적으로 도면을 참조하면, 용융 탄산염 연료전지(molten carbonate fuel cell) 또는 다른 유형의 고온 연료전지와 같이 연료전지의 애노드에 의해 생성된 배기 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는 시스템이 본원에 개시되어 있다. H2가 원하는 생성물일 때, 상기 애노드 배기물을 냉각하고, 상기 애노드 배기물을 예를 들어 PSA로 공급하기에 앞서 상기 가스 내의 CO를 H2로 쉬프트(shift)하는 것이 필요하므로, 평형 쉬프트 조성물이 CO의 H2로의 전환에 유리하다. 상기 가스의 쉬프트가 요구되지 않더라도, 상기 가스의 쉬프트는 배출될 수 있는 수소의 양 및 제거되는 CO2의 양을 증가시키는 것으로 이해된다. 원하는 생성물이 화학물질 생산을 위한 H2 + CO 합성 가스 혼합물인 경우, 상기 가스는 과도한 물을 제거하기 위해 냉각되지만 쉬프트되지는 않는다.
도 1은 이산화탄소 제거 시스템(100)을 보여준다. 상기 이산화탄소 제거 시스템(100)은 고온 연료전지를 포함하며 H2 또는 합성 가스를 공동-생산하고 상기 연료전지 애노드 배기물로부터 합성 가스를 회수하는 연료전지 동력 생산 시스템의 일부이다. 상기 고온 연료전지는 연료 공급 경로로부터 연료를 수용하고 애노드 배기물을 산출하도록 구성된 애노드, 산화제 가스를 수용하고 캐소드 배기물을 산출하도록 구성된 캐소드, 및 상기 애노드와 상기 캐소드를 분리하도록 구성된 전해질 매트릭스를 포함한다. 상기 고온 연료전지는 용융 탄산염 연료전지 또는 임의의 다른 공지된 연료전지 유형일 수 있다.
애노드 배기물은 미반응 수소, 일산화탄소, 수증기, 이산화탄소 및 미량의 기타 가스를 포함한다. 도 1의 단계 1에서 보이는 바와 같이, 압축된 애노드 배기 증기(즉, 가압된 애노드 배기물)는 공급물/폐액 열교환기(132)로 유입된다. 상기 애노드 배기물이 상기 공급물/폐액 열교환기(132)에 유입되기에 앞서, 상기 애노드 배기물은 200 내지 400 psig의 압력으로 압축되는데, 예를 들어, 단계 1의 업스트림과 상기 애노드 산출물의 다운스트림(downstream)에서 발생하는 쉬프트 유닛 및/또는 물 응축(예시되지 않음) 이후에 상기 애노드 배기물이 압축된다. 예를 들어, 미국 특허 제 8,815,462 호에 개시된 바와 같이, 단계 1 이전에, 상기 애노드 배기물을 부분적으로 냉각시키기 위해 상기 애노드 배기물에 물을 첨가함으로써 및/또는 상기 애노드 배기물 내의 CO가 압축전에 H2로 전환되도록 하기 위해 상기 애노드 배기물을 쉬프트 반응기(즉, 쉬프트 유닛)에 통과시킴으로써 상기 애노드 배기물이 냉각될 수 있다. 연료전지 동력 생산 시스템 및 상기 애노드 배기물로부터 수소 연료를 추출하고 배출하는 구성요소에 관한 개시 내용을 위해 미국 특허 제 8,815,462 호의 전체 내용이 본원에서 참고로 인용된다.
상기 공급물/폐액 열교환기(132)는 상기 애노드 배기 증기를 약 -35 ℉로 냉각시키고 상기 CO2를 부분적으로 응축한다. 요구되는 온도는 사용되는 압력에 따라 다르지만, 보다 저압의 액체 CO2가 기화할 때 상기 애노드 배기물 내의 CO2가 응축되도록 충분히 낮아야한다.
단계 2에서, 상기 공급물/폐액 열교환기(132)로부터의 혼합상 애노드 배기물(800)은 제 1 증기-액체 세퍼레이터(예를 들어, 녹아웃 포트)(133)로 유입된다. 상기 제 1 녹아웃 포트(133)는 응축되지 않은 애노드 배기 증기물(805)로부터 액체 CO2(850)를 분리하도록 구성된다.
단계 5에서, 상기 액체 CO2(850)은 상기 제 1 녹아웃 포트(133)의 제 1 출구 경로를 통해 상기 제 1 녹아웃 포트(133)로부터 배출되고 혼합기(135)에 투입된다. 상기 혼합기(135)는 이하에서 더 상세히 검토될 것이다.
단계 3에서, 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기(805)는 상기 제 1 녹아웃 포트(133)의 제 2 출구 경로를 통해 상기 제 1 녹아웃 포트(133)로부터 배출되고 공급물/냉매 열교환기(134)로 유입된다. 상기 공급물/냉매 열교환기(134)는 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기(805)를 합리적인 최저 온도(약 -45 ℉)로 더 냉각시키고 외부 냉각을 이용하여 보다 많은 CO2를 응축한다. 단계 4에서, 혼합상 애노드 배기물(510)은 상기 공급물/냉매 열교환기(134)로부터 배출되고 제 2 증기-액체 세퍼레이터(예를 들어, 녹아웃 포트)(136)로 유입된다. 상기 제 2 녹아웃 포트(136)는 응축되지 않은 H2-풍부한 애노드 배기 증기(815)로부터 액체 CO2(855)를 분리하도록 구성된다. 상기 제 2 녹아웃 포트(136)는 임의의 공지된 증기-액체 세퍼레이터일 수 있다. 상기 응축되지 않은 H2-풍부한 애노드 배기 증기(815)는 제 2 녹아웃 포트(136)의 제 1 출구 경로를 통해 제 2 녹아웃 포트(136)로부터 배출되고, 상기 이산화탄소 및 다른 불순물을 수소로부터 분리하도록 구성된 압력 변동 흡착 시스템(PSA) 내로 유입된다. 상기 액체 CO2(855)는 제 2 녹아웃 포트(136)의 제 2 출구 경로를 통해 제 2 녹아웃 포트(136)로부터 배출되고 상기 혼합기(135)로 유입된다.
상기 혼합기(135)에서, 제 1 녹아웃 포트(133)로부터 배출된 액체 CO2(850)는 제 2 녹아웃 포트(136)로부터 배출된 액체 C02(855)와 합쳐진다. 전체 액체 C02 (857)(즉, 제 2 녹아웃 포트(136)로부터의 액체 C02(855)와 혼합된, 제 1 녹아웃 포트(133)로부터의 액체 C02(850) 산출물)는 약 200 내지 400 psig의 압력을 갖는다.
단계 6에서, 상기 전체 액체 CO2(857)는 감압 밸브(137)를 통과한다. 상기 감압 밸브(137)는 전체 액체 CO2(857)의 압력을 감소시키도록 구성된다. 상기 압력이 감소함에 따라, 상기 액체 CO2의 일부가 기화(또는 플래쉬(flashing))되어 CO2를 냉각시킨다. 플래쉬된 액체 CO2(860)는 상기 감압 밸브(137)로부터 배출된다. 상기 액체 CO2(860)은 상기 전체 액체 CO2(857)의 압력보다 낮은 압력을 갖는다. 예를 들어, 상기 액체 CO2(860)는 약 65 psig의 압력을 갖는다. 상기 플래쉬 압력은 CO2의 동결점 이상으로 온도가 유지되고 상기 시스템 내의 고체 CO2가 방지되도록 충분히 높아야한다.
상기 액체 CO2(860)는 저온에서 기화되어 상기 공급물/폐액 열교환기(132) 내에서 냉각되도록 구성된다. 약 65 psig의 압력 미만에서 상기 액체 CO2(860)는 잠재적으로 동결될 수 있다. 65 psig의 압력에서 상기 액체 CO2(860)는 약 -60 ℉에서 기화된다. 상기 액체 CO2(860)로부터 기화된 CO2는 공급물/폐액 열교환기(132)에 있는 애노드 배기 증기에서 사용되는 냉각 매체로서 작용한다. 이러한 구성에서, 요구되는 냉각의 대부분은 상기 CO2를 기화시킴으로써 달성되며, 외부에서 이루어져야 하는 냉각은 요구되는 전체 냉각의 20 % 미만으로 감소된다.
선택적인 단계 7에서, 재가열된 CO2 스트림(865)(즉, 기화된 CO2)은 상기 공급물/폐액 열교환기(132) 내에서 상기 애노드 배기 증기를 냉각/응축시키는데 사용된 후에 상기 공급물/폐액 열교환기(132)로부터 산출된다. 상기 재가열된 CO2 스트림(865)은 예를 들어 약 65 psig의 압력을 갖는다. 상기 재가열된 CO2 스트림(865)은 잠재적인 재가열 및 팽창을 위한 요소(도시되지 않음)로 공급될 수 있다. 예를 들어, 상기 재가열된 CO2 스트림(865)은 상기 고온 연료전지로부터 폐열을 사용하여 가열될 수 있고, 추가 에너지를 회수하기 위해 익스팬더로 운송될 수 있다. 상기 익스팬더는 선택한 압축 수준에 따라, 상기 가스를 압축하는 데 필요한 동력의 15 내지 20 %를 제공할 수 있다. 보다 높은 압력에서 보다 많은 CO2가 응축되므로, 보다 작은 크기의 PSA가 사용될 수 있다. 그러나, 보다 높은 압력을 제공하기 위해서는 압축기로 인해 보다 많은 동력이 요구될 것이다. 상기 이산화탄소 제거 시스템(100)의 성능에 대한 압력의 영향에 대한 요약이 하기 표 1에 제공되어있다. 최적의 압축력은 발명자에 의해 수행된 시뮬레이션에 근거할 때 약 300 psig 인 것으로 나타난다.
Figure 112018114827905-pct00001
표 1의 계산은 하기 표 2에 요약된 애노드 배기율 및 특성을 가정한 것이다:
Figure 112018114827905-pct00002
공급물/폐액 열교환기(132)에 대한 전형적인 열곡선이 역류(countercurrent) 열교환기를 위한 도 2에 예시되어 있다. 보다 많은 경우에, 상기 공급 가스의 유입구 및 상기 재가열된 CO2의 배출구가 CO2가 기화되는 온도보다 훨씬 높기 때문에, 상기 공급물/폐액 열교환기(132)에서의 열 회수를 최적화하기 위해 다수의 셸(multiple shell)이 사용될 것이다.
전술한 이산화탄소 제거 시스템(100)은 PSA 또는 다른 정제 시스템의 크기 감소 및 그에 따른 비용 절감이 가능하고, 상기 PSA에서의 회수를 증가시키는 이산화탄소를 제거함으로써 수소/합성 가스의 생산을 최대화한다. 냉각/응축을 이용하여, 상기 이산화탄소 제거 시스템(100)은 Selexol과 같은 물리적 용매의 첨가없이 애노드 배기물로부터 이산화탄소를 제거한다.
다른 실시양태에서, 상기 이산화탄소 제거 시스템(100)은 SELEXOL®과 같은 물리적 용매와 함께 사용되어 CO2의 제거를 증가시킬 수 있다. 합성 가스의 생산에서, 상기 합성 가스 내에 종종 어느 정도 소량의 CO2가 허용되는 경우, PSA 대신에 SELEXOL®과 같은 용매 제거 시스템이 사용될 수 있다.
상기 이산화탄소 제거 시스템(100)이 2 개의 열교환기 및 2 개의 녹아웃 포트를 갖는 것으로 기재되었지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 적정한 수준의 응축 및 분리가 이루어질 수 있다면 임의의 갯수의 열교환기 및 녹아웃 포트가 사용될 수 있다. 특정 실시양태에서, 열교환기의 갯수는 녹아웃 포트의 갯수와 동일하다. 특정 실시 양태에서, 열교환기의 갯수는 녹아웃 포트의 갯수와 상이하다. 일반적으로 액체 이산화탄소와 응축되지 않은 애노드 배기물의 분리는 열교환기의 다운스트림에 있는 녹아웃 포트에서 발생한다.
본원에서 사용될 때, 용어 "대략", "약", "실질적으로" 및 유사한 용어는 본 발명이 관련된 당업계 숙련자에 의해 통상적이고 허용되는 용법에 적절한 광범위한 의미를 갖는 것으로 이해된다. 본 개시 내용을 검토하는 당업계 숙련자라면, 이들 용어는 상기 특징부의 범위를 제시된 정확한 수치 범위로 한정하지 않으면서 기재되고 청구된 소정의 특징부의 설명을 위해 의도된 것임을 이해해야한다. 따라서, 상기 용어는 기재되고 청구된 청구대상의 비실질적인 또는 비결정적인 변형 또는 변경이 첨부 청구범위에 인용된 바와 같이 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 간주됨을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
다양한 예시적인 실시양태의 구성 및 배열은 단지 예시를 위한 것임을 유의하는 것이 중요하다. 단지 몇몇의 실시양태가 본 개시내용에 상세하게 기재되었으나, 본 개시 내용을 검토한 당업계 숙련자들은 본원에 기재된 청구대상의 신규한 교시 및 이점을 실질적으로 벗어나지 않으면서 많은 변형(예를 들어, 다양한 요소의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율, 파라미터 수치, 장착 배열, 물질 사용, 색상, 배향 등의 변화)이 가능함을 쉽게 인식할 것이다. 예를 들어, 일체형으로 형성된 것으로 도시된 요소는 다수의 부품 또는 요소로 구성될 수 있고, 요소의 위치는 반대로 또는 다르게 변화될 수 있으며, 불연속적인 요소 또는 위치의 특성 또는 갯수는 변경되거나 다양할 수 있다. 임의의 프로세스 또는 방법 단계들의 순서 또는 시퀀스는 대안적인 실시양태에 따라 변경되거나 또는 시퀀스변경될 수 있다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 예시적인 실시양태의 설계, 작동 조건 및 배열에서 다른 대체, 변형, 변화 및 생략이 또한 이루어질 수 있다. 예를 들어, 열 회수 열교환기가 더 최적화될 수 있다.
본 명세서에 기재된 청구대상 및 조작의 실시양태는 본 명세서에 개시된 구조 및 그의 구조적 균등물을 포함하며 디지털 전자 회로에서, 또는 몰입형 가상 매체(tangible medium), 펌웨어(firmware) 또는 하드웨어 상에 구현된 컴퓨터 소프트웨어에서 또는 이들중 하나 이상의 조합에서 실시될 수 있다. 본 명세서에서 기재된 청구대상의 실시양태는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램, 즉 데이터 프로세싱 장치에 의해 실행되도록 하거나 또는 데이터 프로세싱 장치의 작동을 제어하기 위해 하나 이상의 컴퓨터 저장 매체 상에 인코딩된 컴퓨터 프로그램 명령의 하나 이상의 모듈로서 구현될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 상기 프로그램 명령은 인위적-발생 전파 신호, 예를 들어, 데이터 프로세싱 장치에 의한 실행되도록 한 적절한 수신기 장치에 전달하기 위한 정보를 인코딩하도록 생성된 기계-생성된 전기, 광학 또는 전자기적 신호 상에서 인코딩될 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터-판독가능한 저장 디바이스, 컴퓨터-판독가능한 저장 기판, 랜덤 또는 순차 접근 메모리 어레이 또는 디바이스, 또는 이들 중 하나 이상의 조합일 수 있거나 또는 이들에 포함될 수 있다. 또한, 컴퓨터 저장 매체는 전파 신호가 아니지만, 인위적-발생 전파 신호로 인코딩된 컴퓨터 프로그램 명령의 소스 또는 목적지(destination)일 수 있다. 상기 컴퓨터 저장 매체는 또한 하나 이상의 개별 구성 요소 또는 매체(예를 들어, 다수의 CD, 디스크 또는 다른 저장 디바이스)일 수 있거나 또는 이들에 포함될 수 있다. 따라서, 상기 컴퓨터 저장 매체는 몰입형 가상인 동시에 일시적이지 않다.
본 명세서에 기재된 작동은 하나 이상의 컴퓨터-판독가능한 저장 디바이스에 저장되거나 또는 다른 소스로부터 수신된 데이터에 대하여 데이터 처리 장치 또는 프로세싱 회로에 의해 수행되는 작동으로서 구현될 수 있다.
상기 장치는 특수 목적 논리 회로, 예를 들어 FPGA(현장 프로그램가능한 게이트 어레이) 또는 ASIC(application-specific intergrated circuit)(주문형 집적 회로)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 장치는, 하드웨어 이외에, 논의되는 컴퓨터 프로그램을 위한 실행 환경을 발생시키는 코드, 예컨대, 프로세서 펌웨어를 구성하는 코드, 프로토콜 스택, 데이터베이스 관리 시스템, 운영 시스템, 크로스-플랫폼 런타임(cross-platform runtime) 환경, 가상 기계 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있다. 상기 장치 및 실행 환경은 웹 서비스, 분산 컴퓨팅 및 그리드 컴퓨팅 인프라와 같은 다양한 상이한 컴퓨팅 모델 인프라를 실현할 수 있다.
컴퓨터 프로그램(프로그램, 소프트웨어, 소프트웨어 응용, 스크립트 또는 코드라고도 함)은 컴파일된 또는 해석된 언어, 선언적 또는 절차적 언어를 비롯한 임의의 형태의 프로그래밍 언어로 작성될 수 있으며, 독립 실행형(stand-alone) 프로그램 또는 모듈, 구성요소, 서브루틴, 오브젝트 또는 컴퓨팅 환경에서 사용하기에 적합한 다른 유닛을 포함한 임의의 유형으로 디플로이(deploy)될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 파일 시스템의 파일에 해당할 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없다. 프로그램은 다른 프로그램 또는 데이터(예 : 마크업(markup) 언어 문서에 저장된 하나 이상의 스크립트)를 구비한 파일 일부에, 논의되는 프로그램 전용의 단일 파일 또는 복수 개의 조합 파일(예: 하나 이상의 모듈, 하위-프로그램 또는 코드 일부를 저장하는 파일)에 저장될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은, 하나의 컴퓨터, 또는 하나의 사이트에 위치하거나 여러 사이트에 분산되어 있으며 통신 네트워크로 상호 연결된 여러 컴퓨터에서 실행되도록 디플로이될 수 있다.
본 명세서에 기재된 프로세스 및 논리 흐름은, 하나 이상의 프로그램 가능한 프로세서에 의해 또는 입력 데이터에 대해 작동하여 산출물을 발생시킴으로써 동작을 수행하는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램을 실행하는 프로세싱 회로에 의해 수행될 수 있다. 상기 프로세스 및 논리 흐름은 또한 예컨대, FPGA 또는 ASIC과 같은 특수 목적 논리 회로에 의해 수행될 수 있고, 또한 상기 특수 목적 논리 회로로서 구현될 수 있다.
컴퓨터 프로그램의 실행에 적합한 프로세서 또는 프로세싱 회로는 예를 들어 범용 및 특수 목적의 마이크로프로세서, 및 임의의 디지털 컴퓨터 종류의 임의의 하나 이상의 프로세서를 포함한다. 일반적으로, 프로세서는 판독전용(read-only) 메모리 또는 랜덤 접근 메모리 또는 이들 모두로부터 명령 및 데이터를 수신한다. 컴퓨터의 필수 구성요소는 명령에 따라 동작을 수행하기 위한 프로세서 및 명령과 데이터를 저장하기위한 하나 이상의 메모리 디바이스이다. 일반적으로, 컴퓨터는 데이터를 저장하기위한 하나 이상의 대용량 저장 디바이스, 예를 들어, 자기, 광-자기 디스크 또는 광 디스크를 포함하거나, 또는 이들로부터 데이터를 수신하도록 작동가능하게 연결되거나 또는 이들에게 데이터를 전송하도록 작동가능하게 연결되거나 또는 이들 둘다에 해당하도록 작동가능하게 연결된다. 그러나, 컴퓨터는 그러한 디바이스를 가질 필요가 없다. 또한, 컴퓨터는 예를 들면 다른 디바이스, 예를 들어, 이동 전화기, 개인 휴대 정보 단말기(PDA), 이동 오디오 또는 비디오 플레이어, 게임 콘솔, 위성위치 확인 시스템(GPS) 수신기 또는 휴대용 저장 디바이스(예 : 범용 직렬 버스(USB) 플래시 드라이브)에 내장될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령 및 데이터를 저장하기에 적합한 디바이스는 반도체 메모리 디바이스, 예를 들어 EPROM, EEPROM 및 플래시 메모리 디바이스; 자기 디스크, 예컨대 내부 하드 디스크 또는 이동식 디스크(removable disk); 광 자기 디스크; 및 CD-ROM 및 DVD-ROM 디스크를 포함한 모든 형태의 비-휘발성 메모리, 매체 및 메모리 디바이스를 포함한다. 상기 프로세서 및 상기 메모리는 특수 목적 논리 회로에 의해 보충되거나 또는 통합될 수 있다.
사용자와의 상호 작용을 제공하기 위해, 본 명세서에서 기재된 청구대상의 실시양태가 디스플레이 디바이스, 예컨대, CRT(캐소드 레이 튜브(cathode ray tube)) 또는 LCD(액정 디스플레이(liquid crystal display)), OLED(유기 발광 다이오드), TFT(박막 트랜지스터), 플라즈마, 다른 플렉서블 구조물, 또는 사용자에게 키보드에 정보를 디스플레이하기 위한 임의의 다른 모니터와 키보드, 포인팅 디바이스, 예를 들어, 마우스 트랙볼 등 또는 터치 스크린, 터치 패드 등을 갖는 컴퓨터 상에서 실행될 수 있으며, 이들을 사용하여 사용자가 컴퓨터에 입력을 할 수 있다. 또한, 사용자와의 상호작용을 제공하기 위해 다른 종류의 디바이스가 사용될 수 있다; 예를 들면, 사용자에게 제공되는 피드백은 시각적 피드백, 청각적 피드백 또는 촉각적 피드백과 같은 임의의 형태의 감각 피드백일 수 있고; 사용자로부터의 입력은 음향, 말(speech), 또는 촉각 입력을 포함한 임의의 형태로 수신될 수 있다. 또한 컴퓨터는 사용자에 의해 사용되는 디바이스로 문서를 송부하고 또한 상기 디바이스로부터 문서를 수용함으로써, 예컨대 웹 브라우저로부터 수용된 요청에 대응하여 사용자 고객의 디바이스 상의 웹 브라우저로 웹 페이지를 송부함으로써 사용자와 상호 작용할 수 있다.

Claims (22)

  1. 가압된 애노드 배기 증기(pressurized anode exhaust vapor)를 형성하도록 압축된 애노드 배기 가스(pressurized anode exhaust gas)로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 시스템으로서,
    상기 시스템은,
    애노드 배기 증기를 제 1 사전결정된(predetermined) 온도로 냉각시키고, 상기 가압된 애노드 배기 증기 내의 이산화탄소를 부분적으로 응축시키도록 구성된 공급물/폐액(feed/effluent) 열교환기;
    상기 공급물/폐액 열교환기의 산출물(output)을 수용하고, 응축되지 않은 애노드 배기 증기로부터 액체 이산화탄소를 분리하도록 구성된 제 1 증기-액체 세퍼레이터;
    상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기를 상기 제 1 증기-액체 세퍼레이터로부터 수용하고, 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기를 제 2 사전결정된 온도로 냉각하고, 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기 내의 추가적인 이산화탄소를 응축하도록 구성된 공급물/냉매 열교환기;
    상기 공급물/냉매 열교환기의 산출물을 수용하고, 액체 이산화탄소를 분리하여, 응축되지 않은 수소-풍부한 애노드 배기 증기를 형성하도록 구성된 제 2 증기-액체 세퍼레이터;
    상기 제 1 증기-액체 세퍼레이터에 의해 분리된 액체 이산화탄소 및 상기 제 2 증기-액체 세퍼레이터에 의해 분리된 액체 이산화탄소를 수용하고 혼합하도록 구성된 혼합기; 및
    상기 혼합기로부터 전체 액체 이산화탄소를 수용하도록 구성된 감압 밸브로서, 상기 전체 액체 이산화탄소는 상기 제 1 증기-액체 세퍼레이터에 의해 분리된 액체 이산화탄소 및 상기 제 2 증기-액체 세퍼레이터에 의해 분리된 액체 이산화탄소를 포함하는 것인, 상기 감압 밸브
    를 포함하며,
    상기 감압 밸브는 상기 전체 액체 이산화탄소의 압력을 제 1 압력에서, 상기 제 1 압력보다 낮은 제 2 압력으로 감소시키도록 추가로 구성되는 것이고, 상기 제 2 압력을 갖는 상기 전체 액체 이산화탄소가 상기 공급물/폐액 열교환기에 공급되어 상기 공급물/폐액 열교환기에서 냉각 매체(cooling media)로서 사용되는 것인,
    가압된 애노드 배기 증기를 형성하도록 압축된 애노드 배기 가스로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전체 액체 이산화탄소가 상기 공급물/폐액 열교환기에서 상기 냉각 매체로서 사용된 후에, 상기 전체 액체 이산화탄소는 재가열된 이산화탄소 스트림으로서 상기 공급물/폐액 열교환기로부터 산출되고, 상기 재가열된 이산화탄소 스트림은 더 가열되어 익스팬더(expander)로 이송되어 동력 또는 기계 에너지로서 추가 에너지를 회수하는 것인, 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 공급물/냉매 열교환기는 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기를 상기 제 2 사전결정된 온도로 냉각하고, 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기 내의 이산화탄소를 외부 냉각을 이용하여 응축하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 애노드 배기 증기를 압축하도록 구성된 쉬프트 유닛 (shift unit) 또는 물 응축 유닛을 추가로 포함하여, 상기 공급물/폐액 열교환기의 애노드 배기 증기 업스트림을 형성하고, 및/또는
    상기 애노드 배기 증기는 상기 공급물/폐액 열교환기의 유입구에서 200 내지 400 psig의 압력을 갖는 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 애노드 배기 증기로부터 분리된 이산화탄소의 일부분을 수용하고, 상기 애노드 배기 증기로부터 분리된 이산화탄소의 상기 일부분을 격리 또는 다른 용도를 위해 배출하도록 구성된 유동 경로를 추가로 포함하는 시스템.
  7. 연료전지 시스템에 있어서,
    캐소드, 애노드 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 제공된 전해질 매트릭스를 포함하는 연료전지;
    응축되지 않은 수소-풍부한 애노드 배기 증기를 형성하기 위해 애노드 배기 가스로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 제1항의 시스템; 및
    상기 응축되지 않은 수소-풍부한 애노드 배기 증기로부터 이산화탄소 및 다른 불순물을 분리하여 상기 애노드 배기 가스로부터 수소 또는 합성 가스(syngas)를 정제하도록 구성된 압력 변동 흡착 시스템(pressure swing adsorption system)을 포함하는 연료전지 시스템.
  8. 제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항의 시스템을 사용하여 애노드 배기 가스로부터 이산화탄소를 제거하는 방법으로서,
    상기 애노드 배기 가스를 압축하여 애노드 배기 증기를 형성하는 단계;
    상기 애노드 배기 증기를 제 1 사전결정된 온도로 냉각시키고, 공급물/폐액 열교환기에서 상기 애노드 배기 증기 내의 이산화탄소를 부분적으로 응축시키는 단계;
    제 1 증기-액체 세퍼레이터에서 상기 공급물/폐액 열교환기의 산출물을 수용하는 단계;
    상기 제 1 증기-액체 세퍼레이터에서 응축되지 않은 애노드 배기 증기로부터 액체 이산화탄소를 분리하는 단계;
    공급물/냉매 열교환기에서 상기 제 1 증기-액체 세퍼레이터로부터 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기를 수용하는 단계;
    상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기를 제 2 사전결정된 온도로 냉각하고, 상기 공급물/냉매 열교환기에서 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기 내의 이산화탄소를 응축시키는 단계;
    제 2 증기-액체 세퍼레이터에서 상기 공급물/냉매 열교환기의 산출물을 수용하는 단계;
    상기 제 2 증기-액체 세퍼레이터에서 상기 공급물/냉매 열교환기의 산출물로부터 액체 이산화탄소를 분리하여, 응축되지 않은 수소-풍부한 애노드 배기 증기를 형성하는 단계;
    상기 제 1 증기-액체 세퍼레이터에 의해 분리된 액체 이산화탄소 및 상기 제 2 증기-액체 세퍼레이터에 의해 분리된 액체 이산화탄소를 수용하고 혼합하여서 전체 액체 이산화탄소를 형성하는 단계;
    상기 전체 액체 이산화탄소를 감압 밸브에 통과시킴으로써 상기 전체 액체 이산화탄소의 압력을 제 1 압력에서, 상기 제 1 압력보다 낮은 제 2 압력으로 감소시키는 단계;
    상기 제 2 압력을 갖는 전체 액체 이산화탄소를 상기 공급물/폐액 열교환기로 공급하는 단계; 및
    상기 전체 액체 이산화탄소를 사용하여 상기 공급물/폐액 열교환기를 냉각시키는 단계
    를 포함하는, 애노드 배기 가스로부터 이산화탄소를 제거하는 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서, 상기 냉각 단계는 재가열된 이산화탄소 스트림이 상기 공급물/폐액 열교환기로부터 배출되도록 상기 전체 액체 이산화탄소를 재가열하되, 상기 방법은 상기 재가열된 이산화탄소 스트림을 추가로 가열하는 단계; 및 추가로 가열된 재가열 이산화탄소 스트림으로부터, 익스팬더(expander)를 사용하여 추가의 에너지를 회수하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 제 1 압력은 200 내지 400 psig이고 상기 제 2 압력은 65 내지 100 psig 인 방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 애노드 배기 가스를 압축하여 애노드 배기 증기를 형성하는 단계가 상기 애노드 배기 증기를 200 내지 400 psig의 압력이 되도록 압축하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기를 상기 제 2 사전결정된 온도로 냉각하고, 상기 공급물/폐액 열교환기에서 상기 응축되지 않은 애노드 배기 증기 내의 이산화탄소를 응축하는 단계가 외부 냉각을 사용하여 수행되는 방법.
  15. 제8항에 있어서, 이산화탄소 및 다른 불순물을 분리함으로써 상기 응축되지 않은 수소-풍부한 애노드 배기 증기를 정제하는 단계를 추가로 포함하며,
    상기 응축되지 않은 수소-풍부한 애노드 배기 증기를 정제하는 단계가 상기 제 2 증기-액체 세퍼레이터로부터 응축되지 않은 수소-풍부한 애노드 배기 증기 산출물을 압력 변동 흡착 시스템(pressure swing adsorption system)에 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 삭제
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