KR20050121754A - 양극배출가스를 재활용 하는 연료전지 - Google Patents

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Abstract

연료전지시스템은 양극부와 음극부를 갖는 연료전지를 구비한다. 연료전지시스템은 또한 연료전지의 양극부에 존재하는 양극배출가스로부터 이산화탄소를 분리하기 위해 연료전지의 음극부용 공급가스를 사용하며 저압력에서 작동하는 분압 압력선회흡수 조립체와 함께 제공된다. 상기 분압 압력선회흡수 조립체는 양극배출가스 내의 이산화탄소의 분압과 공급가스내의 산화제가스의 분압차이를 기초로 하여 상기 분리를 제공한다. 이산화탄소의 분리 후에, 상기 연료전지시스템은 양극부에서 배출가스를 재활용하고 음극부에 이산화탄소를 포함한 공급가스를 제공하기 위해 추가 구성요소를 사용한다.

Description

양극배출가스를 재활용 하는 연료전지{A FUEL CELL SYSTEM WITH RECYCLE OF ANODE EXHAUST GAS}
본 발명은 연료전지 시스템, 구체적으로는 양극가스의 재활용을 이용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
통상적으로 연료전지 시스템, 구체적으로는 용융 탄산연료전지 시스템(molten carbonate fuel cell systems)에서, 반응연료 및 산화제가스는 시스템의 연료전지 각각으로 운반된다. 산화제가스는 음극부를 통과하게 되는 반면, 연료는 각각의 연료전지의 양극부를 통과하게 된다.
공지된 바와 같이, 연료전지의 양극부로 운반되는 연료의 전부가 전력으로 변환되는 것은 아니다. 일반적으로 용융 탄산연료전지의 경우, 연료의 대략 10%에서 50%가 양극배출가스로 전지에 존재한다. 결국, 연료전지효율을 증가시키기 위해서는 양극배출가스의 일부 혹은 전부를 양극 입력부로 되돌려 재활용하는 것이 관행이다. 양극배출가스를 재활용하기 위한 다양한 방법이 개발되어 왔다.
일 실시예에서는, 연료(보통 비반응 수소 및 일산화탄소)와 수증기 및 이산화탄소를 포함하는 연료배출가스는 이들 구성성분을 분리하도록 처리된다. 연료소비에 따른 부산물로 발생한 액체의 일부인 분리된 비반응 연료는 그 후 연료전지의 양극부에서 재활용된다. 반면에, 분리된 이산화탄소는 이 경우 연료전지의 음극부에서 재활용된다. 이산화탄소 재활용은 용융 탄산연료전지에서 필요하다. 다른 종류의 연료전지의 경우, 이산화탄소는 음극공기공급부로 이동되기보다는 음극배출가스로 이동되어 배출된다. 이러한 재활용기능은 상술한 효율성을 개선하고, 연료전지기능을 강화한다.
상술한 재활용방법을 사용하는 연료전지시스템은 양도된 미국 특허 No. 4,532,192에 개시되어 있다. 상기 '192 특허의 시스템에서, 전기화학전지 같은 수소 전송장치는 양극배출가스로부터 비반응 수소를 분리하기 위해 사용된다. 응축기는 그 후 물을 제거한다. 제거된 물 부분은 열교환기를 통과하고, 열교환기의 출력물은 분리된 비반응 수소와 함께 연료전지양극부로 재활용된다. 물을 제거한 후 남아 있는 배출가스 스트림(stream)은 그 후 이산화탄소가 풍부한 합성 산화가스 스트림을 생산하는 산화제공급가스 및 수소를 연소시키기 위한 버너(burner)를 통과한다. 그 후 상기 배출가스증기는 연료전지의 음극부를 통과한다.
미국 특허 No. 5,068,159 및 4,039,579는 상기 종류의 다른 시스템을 알려준다. 상기 시스템에서, 냉각기(cooler) 및 응축기가 양극배출 스트림으로부터 물을 분리하기 위해 우선 사용된다. 합성수는 그 후 보일러 및 히터를 통과하고 양극부의 입구에 공급된다. 물이 없는 양극배출 스트림은 그 후 이산화탄소를 제거하기 위한 처리를 받는다. 합성스트림은 그 후 연료전지의 양극부에서 재활용되고, 반면 제거된 이산화탄소는 연료전기의 음극부에서 재활용된다.
상기 '159 및 '579 특허에서 사용된 이산화탄소 분리기는 흡수층 내의 아민 수용액에 의해 이산화탄소가 흡수되는 흡수장치를 포함한다. 상기 합성용액은 그 후 공기공급 도관으로부터 공급된 공기로부터 이산화탄소가 분리되는 재생 칼럼(regeneration column)으로 공급된다. 이산화탄소가 풍부해진 공기는 연료전지의 음극부로 공급된다.
인식될 수 있는 것처럼, 상기 유형의 시스템은 재생 및 분리작용을 실현하기 위해 복잡하고 비싼 기구의 사용을 요구한다. 상기 '192 특허에서 열 교환기 및 버너 뿐 아니라 연료전지타입 수소전송장치가 요구되는 재활용 기능을 제공하기 위해 사용된다.
반면 '159 특허 및 '579 특허에서는 보일러, 히터, 액체가스분리기가 수소, 물 및 이산화탄소를 재활용하기 위해 사용된다. 게다가 상기 가스분리기는 시스템 내에의 액체 흡수제의 펌프작용으로부터 발생하는 액체의 거품형성이나 동반배출을 필요로 한다. 또한, 이러한 시스템은 실용적인 가스의 압축 및/또는 흡수 액체의 가열을 필요로 한다. 압축 및/또는 가열은 상당한 에너지를 소비하며, 이는 상기 옵션이 매력이 없도록 한다. 분리기는 또한 두 개의 칼럼의 사용 및 흡수하여 이산화 탄소를 재생시키기 위한 공기를 필요로 한다.
상기 종류의 시스템 이외에, 소위 압력선회흡수시스템(pressure swing absorption system)이라고 불리는 다른 종류의 시스템이 다른 가스로부터 수소를 분리하는 천연가스 재생기(reformer)로부터 합성수소를 가공하기 위해 사용된다. 표준 압력선회흡수(PSA)시스템에서, 합성가스는 통상적으로 100 피에스아이(psi)가 넘는 압력으로 PSA에 공급된다. 수소 이외에 가스(예를 들어 이산화탄소나 수증기)는 고압력으로 흡수층 매체에 의해 흡수되고 순수한 수소스트림이 입구의 압력과 비슷한 압력으로 PSA시스템에 존재한다. PSA 시스템내의 흡수층 매체가 최대흡수용량에 도달한 후에는, 흡수층 매체는 흡수된 가스를 제거하기 위해 정화되어야 한다. 이는 압력을 약 20psi 정도인 대기압과 비슷한 압력으로 낮춤으로써 수행되는 탈착에 의해 발생한다.
다른 통상적인 압력선회흡수기구는 진공압력선회흡수(VPSA)시스템으로, 이는 대기압에서 작동된다. VPSA 시스템에서, 탈착은 압력 진공상태를 발생시키는 압력을 낮춤으로써 실행된다.
통상적인 PSA 시스템은 작동하기 위해 현저한 양의 전력을 요구한다. 표준 PSA 시스템은 일반적으로 가스를 100에서 300 psi로 압축하기 위한 압축전력으로서 재활용 연료값의 15% 내지 35%를 소비한다. 연료에 비해서 높은 전력 에너지 수치 때문에, 이러한 시스템은 본질적인 불이익이 있다. 통상적인 VPSA 시스템은 흡수층을 탈착하기 위한 진공상태를 발생시키기 위하여 비슷한 양의 전력을 요구한다.
그러므로 개선된 양극배출가스재활용 조립체를 구비한 연료전지시스템을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
적은 복잡성, 낮은 비용 및 큰 에너지 효율을 갖는 양극배출가스재활용 조립체를 구비한 연료전지시스템을 제공하는 것이 본 발명의 부가적인 목적이다.
도1은 본 발명의 원리에 합치하는 양극배출가스재활용 조립체를 구비한 연료전지를 도시한 도면.
도2는 도1의 연료전지 시스템에서 사용된 물전송 조립체의 대안적인 실시예를 도시한 도면.
본 발명의 원리에 합치하여, 상기 및 타목적은 양극부과 음극부를 포함하는 연료전지를 포함하는 연료전지시스템에서 실현된다. 상기 연료전지시스템은 낮은 압력에서 작동하며, 연료전지의 양극부에 존재하는 양극배출가스로부터 이산화탄소를 분리하기 위해 연료전지의 음극부용 공급가스를 사용하는 분압 압력선회흡수 조립체(partial-pressure pressure swing adsorption assembly)를 부가적으로 포함한다. 상기 분압 압력선회흡수 조립체는 양극배출가스내의 이산화탄소의 분압과 공급가스내의 산화제가스의 분압의 차이에 기초하여 상기의 분리를 제공한다. 흡수과정은 VPSA 시스템과 비슷하나, 탈착과정은 "이산화탄소 분압" 진공을 획득하기 위해 연료전지로 보내진 공기를 사용한다. 상기 연료전지시스템에는 또한 이산화탄소의 분리 후에 양극부에서 풍부한 연료배출가스를 재활용하고 음극부에 이산화탄소를 포함하는 공급가스를 공급하는 부가적인 시스템이 제공된다.
본 발명의 부가적인 측면으로, 상기 연료전지시스템은 또한 양극배출가스로부터 물을 분리하는 물전송 조립체를 포함한다. 이 경우 부가적 장치는 가스로부터 이산화탄소와 물 모두를 분리한 후에 양극부에서 양극배출가스 및 물을 재활용한다. 물은 냉각 및 응축한 물, 수증기로부터 물리적 분리, 연료 증기 내에 있는 물의 기화에 의해 전송될 수 있지만, 이는 더 많은 장비를 요구하며 열을 소비한다.
이후 개시될 본 발명의 일 실시예에서, 분압 압력선회흡수 이산화탄소전송 조립체(partial-pressure pressure swing adsorption carbon dioxide transfer assembly) 및 물전송 조립체(water transfer assembly)는 휘일전송장치이다. 부가적으로 상기 개시된 시스템에서 물전송 조립체는 이산화탄소를 포함한 물이, 양극으로 흐르는 연료로 전송되지 않고 공기로 전송되는 것을 막기위해 분압 압력선회흡수 이산화탄소전송 조립체의 상부에 있다.
본 발명의 상기 및 다른 특징과 측면은 첨부된 도면과 관련하여 이하 기술된 설명을 읽어보면 더욱 명백해질 것이다.
도1은 본 발명의 원리에 합치하는 연료전지시스템(1)을 도시한다. 도시한 바처럼, 상기 시스템(1)은 양극부(3)와 음극부(4)를 구비한 연료전지(2)를 포함한다. 탄소와 수소를 포함한 연료(5)는 연료전지(2)의 양극부에 연료를 운반하는 공급선(6)에 제공된다. 공기로 도시된 산화제공급가스(7)는 마찬가지로 공급선(8)에 의해 연료전지(2)의 음극부(4)로 운반된다.
본 발명의 원리에 합치하여, 상기 시스템(1)은 다양한 가스 성분을 재활용하기 위해 연료전지(2)의 양극부(3)에서 양극배출가스(9)를 처리하도록 만들어진다. 좀더 구체적으로는, 양극배출가스(9)는 비반응 수소 및 일산화탄소, 수증기, 이산화탄소 및 소량의 다른 가스를 포함하며 상기 시스템(1)은 효율성을 개선하고 연료전지(2)의 동작을 강화하기 위해 수소, 일산화탄소, 물 및 이산화탄소를 재활용하도록 만들어진다.
구체적으로 말하면, 연료전지시스템(1)은 물전송 조립체(11) 및 양극배출가스(9)내의 수증기와 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소전송 조립체(12)와 함께 제공된다. 물전송 조립체(11)는 양극배출가스내의 수증기를 분리하여 물의 형태로 공급선(6)의 연료(5)로 전송하며, 반면 이산화탄소전송 조립체(12)는 양극배출가스내의 이산화탄소를 공급선(8)의 산화제공급가스로 전송하고, 양자 모두 저압, 흡수 및 가스의 분압을 이용한다.
도시된 실시예에서, 물전송 조립체(11)는 분압 압력선회 물전송휘일의 형태이다. 상기 휘일은 양극배출가스의 이슬점 혹은 이슬점 아래에서 동작하는 물흡수매체를 포함한다. 도1에 도시된 바처럼, 이 경우에는 연료공급부는 물전송 조립체(11)내의 흡수매체용 재생기의 역활을 한다. 더 구체적으로는, 물전송 조립체(11) 내의 흡수매체에 의해 흡수된 물은 연료 내의 물의 낮은 분압으로 인해 휘일을 통과하여 흐르는 연료로 전송된다.
또한, 도시된 실시예에서, 이산화탄소전송 조립체(12)는 분압 압력선회 이산화탄소전송 휘일의 형태이다. 도시된 것처럼, 상기 휘일은 이산화탄소 흡수매체를 포함하며 공급선(8)의 산화제공급가스(7)는 흡수층의 재생기로 작동한다.
더 구체적으로는, 연료 내에 존재하며 분압 압력선회흡수 전송휘일(12)로 들어가는 이산화탄소는 이산화탄소 흡수매체에 의해 20psi 정도인 대기압 근처에서 흡수된다. 이산화탄소는 그 후 이산화탄소분압 진공상태 생성에 의해 흡수층에서 제거되며, 상기 이산화탄소분압 진공상태 생성은 산화제공급가스 또는 공기가 흡수층을 통과함으로써 달성되고, 이산화탄소가 흡수층에서 이탈하여 산화제공급가스(7)로 전송되는 원인이 된다. 통상적인 압력선회흡수기구와 다르게, 분압 압력선회흡수 전송휘일(12)은 작동을 위한 기생에너지 소비에 재생연료수치의 1% 내지 3%만이 요구되기 때문에 통상시스템보다 더욱 효과적이며 적은 비용이 든다.
공급선(13) 내의 양극배출가스(9)의 경로는 보면, 상기 배출가스는 우선 공급선(8)의 산화제공급가스에 의해 냉각기능을 하는 간접 열교환기(14)를 통과한다. 그 후 상기 배출가스는 분압 압력선회 물전송 조립체(11)를 통과한다. 상술한 바처럼, 상기 조립체(11)에서 연료전지의 작동에 요구되는 수증기와 물은 상기 배출가스로부터 제거되며, 그 후 상기 배출가스증기는 공급선(13)에 의해 분압 압력선회 이산화탄소흡수 조립체(12)를 통과하도록 운반된다. 상기 분압 압력선회 이산화탄소흡수 조립체에서 이산화탄소는 상기 배출가스로부터 제거되며, 이제 주로 비반응 수소가스를 포함하는 배출가스는 공급선(13)의 송풍기(15)에 의해 상기 조립체(12)로부터 연료(5)를 운반하는 공급선(6)으로 이동되거나 혹은 재활용된다.
연료공급장치 내에 불순물, 특히 황 성분이 제거되는 정화층(16)을 통과한 후에 연료(5)는 비반응 수소를 받아들이고, 상술한 바처럼 양극배출가스로부터 전송된 물을 받아들이는 물전송 조립체(11)를 통과한다. 송풍기(15)로부터 수소를 받아들인 후에 연료는 물, 연료 및 수소가 공급선(19)의 음극배출가스(18)에 의해 가열되는 열교환기(17)를 통과한다. 그 후 연료는 정화층(16)이 놓친 불순물 특히 산소 및 중질 탄화수소가 이산화탄소, 물 및/또는 메탄으로 변환되는 환원/재생층(21)을 통과한다. 환원/재생층(21)으로부터 연료는 음극배출가스에 의해 또다시 가열되는 과열기(22)를 통과하고 그 후 연료전지의 음극부(3)를 통과한다.
산화제공급가스(7)를 보면, 공급선(8)을 통과하는 송풍기(23)에 의해 끌려온 산화제공급가스(7)는 제어밸브(24)와 분압 압력선회 이산화탄소흡수 조립체(12)를 통과한다. 통과 후에, 상기 기술한 것처럼 이산화탄소가스는 양극배출가스에서 산화제공급가스로 전송된다. 상기 산화제공급가스는 그 후 양극배출가스에 의해 가열되는 열교환기(14)를 통과하는 공급선(8)에 의해 운반되고 그 후 혼합기(25)로 운반된다. 상기 혼합기(25)는 상기 조립체(12)에 연결된 공급선(20)에 의해 약간의 양극배출가스 포함하는 후류(slip stream)를 받아들인다. 상기 후류는 산화제공급가스와 혼합되며 상기 합성스트림(stream)은 산화기(26)로 공급된다. 상기 후류는 상기 전송조립체(12)의 공급선 내의 스트림(13, 8) 사이의 누설의 결과일 수 있거나, 연료 시스템 내에 비활성물 특히 질소의 현저한 증강을 막기 위해 제어된 것일 수 있다. 후류는 또한 연료전지에 공기의 온도를 제어하는 것을 돕는데 사용될 수도 있다. 산화기(26)는 혼합기(25)에서 산화제와 혼합된 후류(20)를 물과 이산화탄소로 전환한다. 송풍기(27)와 공급선(28)을 경유한 재활용된 음극배출가스를 받아들인 후에 산화기(26)의 출력은 음극부의 입력에 사용된다.
상기 기술한 형태로 형성된 본 발명의 시스템(1)으로, 양극배출가스로부터 이산화탄소의 분리는 저압력에서 분압을 사용하고 액체전달매체의 필요없이 달성된다. 추가로, 이산화탄소 작용의 상부에서 물 전송작용을 사용하므로, 이산화탄소 분리 및 전송은 물이 산화제공급가스로 전송될 염려 없이 발생할 수 있다. 분압 압력선회 이산화탄소 전송작용과 관련된 물 전송작용은 그러므로 적은 복잡성과 연료전지(2)의 효율성의 증가로 귀착된다.
물 전송작용이 물이 기화하는 높은 온도에서 일어나기 때문에, 물을 응축하고 재기화(revaporize)하는데 요구되는 상당량의 열교환기의 필요가 감소된다. 게다가, 기체 상태인 물의 전송은 액체상태인 물의 전송과 관련된 부식 가능성 및 오염 문제를 피할 수 있게 한다.
물전송 조립체(11)는 상기 기술한 휘일전송 조립체 이지만, 대안 전송조립체 또한 사용될 수 있다. 상기 대안 중 하나가 도2에 도시되어 있다. 도2의 조립체에서, 공급선(13)의 양극배출가스는 하나 이상의 열교환기(31A, 31B, 31C)에 공급되며, 상기 열교환기는 산화제공급가스, 기화 및/또는 냉각한 재활용 물, 혹은 공기 팬(fan)에 의해 냉각된다. 냉각된 후에, 스트림은 전해질로 오염된 물이 제거되는 정화기 및 배출기(blow-down) 조립체(32)로 공급된다. 합성스트림은 그 후 공기 팬이나 냉각수에 의해 열교환기(33)에서 다시 한번 냉각되며 그 후 응축기(34)로 공급된다. 상기 응축기(34)에서 물은 제거되고 연료 공급선(6)으로 공급되며 남아있는 스트림은 그 다음 전송조립체(12)로 이끄는 공급선(13)과 연결된다.
본 발명의 이산화탄소전송 조립체(12) 및 물 전송조립체(11)는 (주)퀘스트에어 테크놀로지(QuestAir Technologies, Inc.)에 의해 생산된 가스 정화 시스템의 주문생산 형태로 만들어질 수 있다는 것이 언급되어야 한다. 또한, 일반적으로 사용되는 총 압력이 아닌 상술한 것처럼 분압을 사용하는 변형된 압력선회흡수 시스템이 본 발명의 이산화탄소전송 조립체(12) 및 물전송 조립체(11)를 위해 사용된다. 상기 변형된 압력선회흡수 시스템은 UOP와 Air Products에 의해 생산된다.
모든 경우에, 상술된 실시예는 본 발명의 적용을 나타내는 가능한 수많은 특정 실시예의 예증에 불과하다. 수많고 다양한 다른 실시예가 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 본 발명에 원리에 원리에 따라 쉽게 고안될 수 있다.

Claims (8)

  1. 양극부 및 음극부를 포함하는 연료전지와;
    상기 양극배출가스로부터 이산화탄소를 분리하기 위해 상기 음극부용 산화제공급가스를 사용하는 분압 압력선회흡수 조립체와;
    상기 이산화탄소의 분리 후에 상기 연료전지의 상기 양극부로 상기 양극배출가스를 재활용시키고 상기 연료전지의 상극 음극부로 상기 이산화탄소를 포함하는 산화제공급가스를 공급하는 혼합기를 포함하며;
    상기 분압 압력선회흡수 조립체는 상기 양극배출가스 내의 이산화탄소의 분압과 상기 산화제공급가스 내의 산화제가스의 분압의 차이를 기초로 하는 분리를 제공하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 양극부으로부터 나오는 양극배출가스로부터 물을 분리하는 물전송 조립체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 물전송 조립체는 상기 분압 압력선회흡수 조립체의 상부에 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 물전송 조립체는 분압 압력선회 물전송휘일을 포함하고; 상기 분압 압력선회흡수 조립체는 이산화탄소 전송휘일을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 물전송 조립체는 물흡수매체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 물흡수매체는 양극배출가스의 이슬점이나 그 이상에서 작동하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 제2항에 있어서, 상기 물전송 조립체는 응축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 물전송 조립체는 전해질로 오염된 물의 제거를 위한 정화기 및 배출기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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