KR20140074907A - 스윕 막 분리판 및 연료변환 시스템 - Google Patents

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KR20140074907A
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더글라스 손튼
빈스 콘티니
폴 죠지
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바텔리 메모리얼 인스티튜트
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Abstract

스윕 막 분리판은 선택된 가스가 선택적으로 투과할 수 있는 막을 포함하며, 상기 막은 잔류물 측과 투과물 측을 포함한다. 선택된 가스를 포함한 혼합 기체 스트림은 스윕 막 분리판에 들어와서, 막의 잔류물 측과 접촉한다. 선택된 기체의 적어도 일부는 혼합 기체 스트림으로부터 분리되어, 막의 투과물 측으로 막을 통과한다. 분리된 가스를 제외한 혼합 기체 스트림은 스윕 막 분리판을 빠져나간다. 고압에서 스윕 가스는 스윕 막 분리판에 들어가서, 막의 투과물 측으로부터 선택된 가스를 소산한다. 스윕 가스와 선택된 가스의 혼합물은 고압에서 스윕 막 분리판을 빠져나간다. 따라서, 스윕 막 분리판은 가스 혼합물로부터 선택된 가스를 분리하고 상기 선택된 가스를 가압한다.

Description

스윕 막 분리판 및 연료변환 시스템{SWEEP MEMBRANE SEPARATOR AND FUEL PROCESSING SYSTEMS}
본 발명은 일반적으로 막 분리판(membrane separators)과 연료변환 시스템(fuel processing systems)에 관한 것이다.
탄화수소 연료변환분야에서는 효과적인 방법으로 유기성 유황성분과 기타 오염물질의 감소를 수행할 필요가 있다. 새로운 탈황 방법이 필요한 예는 발전(power generation)을 포함한다. 하나의 유망한 기술에는 저열 특징(low heat signature)을 가진 조용한 전력 소스(silent source of power )를 제공할 수 있는 연료전지가 있다. 그러나, 대부분의 연료전지는 연료로서 수소 또는 수소 농후한 가스 혼합물(hydrogen-rich gaseous mixture)을 필요로 한다. 저장된 수소가스를 제공하는 것을 제외하고, 수소를 공급하는 주요 수단은 탄화수소 연료를 개질하는(reforming) 것이다. 액체 및 기체연료는 일반적으로 복잡한 분자 및 포함된 오염물질로 인해서 개질이 매우 어려운 액체연료와 함께 개질될 수 있다.
액체연료의 연료전지 시스템에 대한 연료 입력은 일반적으로, 특정 오염물질, 즉 가장 문제가 되는 황 물질이 없어야 한다. 그러나, 액체 탄화수소 연료는 일반적으로 연료전지에 직접 사용하기에는 너무 높은 수준의 황 물질을 포함하고 있다. 예를 들어, 전형적인 군사 및 항공 연료의 사양은 JP8, JP5, Jet-A에서 3000 ppm 까지를 허용한다. 이들은 모두 보통의 항공기 연료이며, 처음의 2개는 전적으로 군사용 연료이다. 미국에서의 가솔린, 디젤 및 난방 연료는 저유황 제한치(15 ppmw)를 갖지만, 허용되는 전형적인 황 수준은 여전히 대부분의 개질 기술을 포함하는 연료전지 시스템이 허용할 수 있는 수준 위에 있다.
액체 탄화수소 공급원료로부터 황을 제거하기 위한 현재의 기술은 상용 세계에서 널리 알려진 기술인 수소첨가탈황(HDS:hydrodesulfurization) 기술을 포함한다. 보편적으로, HDS는 캐스케이드(cascade) 또는 트리클 베드 반응기(trickle bed reactor)에 액체 탄화수소 연료를 통해 고압에서 수소 가스로 실행된다. 다른 발명에서, 바텔리 메모리얼 인스티튜트는 HDS 시스템을 개발했으며, 여기에서는 높은 부분압력(partial pressure)에서 수소를 가진 수소-함유 가스 혼합물이 기화된 원료 그대로의 연료(raw fuel)와 혼합되어 선택적 촉매와 접촉상태에 있게 된다(본원에 참고로 포함된 2009년 2월 5일 공개된 미국 특허출원 공개번호 2009/0035622 A1호 참조). 양쪽 시스템에서, 연료 내의 황은 다음 차례에서 수소와 결합하며, 황은 연료로부터 없어져서, 1차적으로 기체 황화수소가 된다. 다음, 황화수소는 다른 수단에 의해 흡수되거나 제거될 수 있다.
HDS 시스템 및 다른 용도에 사용하기 위해서는 높은 압력에서 수소를 공급하기 위한 개량된 장치가 필요하다. 또한, 그런 장치를 포함하는 개량된 연료변환 시스템도 필요하다. 일반적으로, 다양한 용도에 맞게 압력 가스를 공급하기 위한 개량된 장치에 대한 필요가 있다.
스윕 막 분리판은 선택된 가스가 선택적으로 투과할 수 있는 막을 포함하며, 상기 막은 잔류물 측(retentate side)과 투과물 측(permeate side)으로 이루어진다. 선택된 가스를 포함하는 혼합 기체 스트림은 스윕 막 분리판에 들어가며, 막의 잔류물 측과 접촉한다. 선택된 기체의 적어도 일부는 혼합 기체 스트림으로부터 분리되고, 막의 투과물 측으로 막을 통해 지나간다. 분리된 기체를 제외한 혼합 기체 스트림은 스윕 막 분리판을 빠져나간다. 고압에서 스윕 가스가 스윕 막 분리판에 들어가고, 막의 투과물 측으로부터 선택된 기체를 소산(sweep)시킨다. 스윕 가스와 선택된 기체의 혼합물은 고압에서 스윕 막 분리판을 빠져나간다. 스윕 막 분리판은 그에 따라서 가스 혼합물로부터 선택된 가스를 분리하고, 상기 선택된 가스를 가압한다. 특정 실시예에서, 스윕 가스는 증기이며, 선택된 가스는 수소이다.
도 1은 연료전지 스택에 고순도의 수소를 제공하는데 사용될 수 있는 연료변환 시스템의 개략도이며, 상기 시스템은 본 명세서에 기재된 여러 향상된 특징부를 포함하고 있지만, HDS 시스템에 수소를 공급하는 스윕 막 분리판은 포함하지 않은 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 스윕 막 분리판을 포함하는 연료변환 시스템의 개략도이며, 시스템에서 연료는 개질기에 들어가기 전에 응축되지 않은 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 스윕 막 분리판을 포함하는 다른 연료변환 시스템의 개략도이며, 이 시스템에서는 연료가 응축된 후, 정상 작동을 위해 개질기에 공급된다.
도 4는 본 발명에 따른 스윕 막 분리판을 포함하는 고체 산화물 연료전지용 연료변환 시스템의 개략도이며, 대형의 막 분리판 또는 수성가스 전이 반응기를 포함하지 않는다.
도 5는 본 발명에 따라 작동하는 스윕 막 분리판을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명은 연료변환 시스템에서 HDS 반응기에 사용하기 위해 높은 압력에서 수소를 지원하는 것과 같이 다양한 용도에 맞는 압력 가스를 공급하기에 적당한 스윕 막 분리판에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 스윕 막 분리판을 포함하는 연료변환 시스템의 다른 실시예와도 관련된 것이다. 본 발명은 PEM(proton exchange membrane: 양성자 교환 막), SOFC(고체 산화물 연료전지), 인산, 용융 탄산염, 또는 알칼리형 연료전지 등과 같은 모든 다른 타입의 연료전지에 함께 사용될 수 있는 것이다.
본 발명은 상기 스윕 막 분리판을 포함하지 않는 연료변환 시스템의 다양한 특징에 관한 것이다. 예를 들어, 도 1은 연료전지 스택에 고순도의 수소를 제공하는데 사용될 수 있는 연료변환 시스템의 기본 시스템을 개략적으로 나타낸다. 도 1에 도시된 특징부의 예는 다음과 같은 사실을 포함한다.
●개질의 슬립스트림은 전이 반응기에 앞서 HDS 시스템으로 향한다.
●물은 HDS 시스템에 앞서 개질로부터 응축된다. 개질은 응축기 뒤에서 상승된 온도로 회복된다.
●HDS 시스템을 떠난 연료는 대부분의 황 화합물을 제거하지만 황 카르보닐(COS)은 제거하지 않는 ZnO베드(bed)를 통해 전달되며, 그것은 개질 내의 CO 및 CO2의 존재로 인한 HDS 반응의 부산물일 수 있다.
●HDS 시스템 및 ZnO베드 후, 청정 연료는 개질기(reformer)에 공급되기 전에 응축된다.
●도시된 실시예에서, 응축된 연료는 개질기에 의해 나중에 사용하기 위해 청정 연료 저장탱크로 이동되지만, 선택적으로 개질기로 바로 향하게 할 수도 있다.
도 1에 도시된 것과 유사한 연료변환 시스템의 예에서, 시스템은 청정한 탈황 연료를 생성할 수 있고, 상기 연료는 후에 시스템에 사용되어 연료전지 공급(supply) 및 기상 수소첨가탈황(gas phase hydrodesulfurization) 기술을 사용하여 원료 그대로의 고-황 연료(raw, high-sulfur fuel)를 청정하게 한다. HDS 반응기에 대한 일례의 작동 조건은 280 psig 및 380 ℃이다. 약간 더 낮은 온도가 바람직할 수 있지만, 상기 조건들도 ZnO베드에 대해 사용할 수 있는 조건들이다. 일반적으로 ZnO베드를 떠나는 고온 연료/수소 혼합물이 응축기로 향해지기 전에 다른 냉각기 스트림(도시되지 않음)을 예열하도록 회복될 수 있다. HDS 프로세스에서 소비되지 않는 개질은 응축기에서 분리되며, 잔류물 화학 에너지를 사용하여 증기 개질기용 연소기로 전달된다. 개질이 도 1에서 연료를 탈황하는데 사용되기 때문에, 청정 연료는 개질기 보다 낮은 압력에서 이동해야 하고, 연료를 응축 및 펌프하는 것은 고온 연료/개질 혼합물을 압축하여 그것을 개질기에 직접 공급하는 것보다 효과적이다.
도 2는 도 1에 도시된 것과 유사한 연료변환 시스템이지만, 추가로 본 발명에 따르는 스윕 막 분리판(도면에서는 "스윕 분리판"으로 언급됨)을 포함하는 것이다. 이 시스템에서는 청정 연료가 개질기에 들어가기 전에 응축될 필요가 없다. 이런 간단한 특징은 스윕 분리판을 포함하여 HDS 시스템이 개질기 보다 높은 압력에서 작동할 수 있기 때문에 사용할 수 있다. 도 2에 도시된 특정 예의 특징부는 다음을 포함한다.
●연료 응축기 및 관련 하드웨어는 이들이 필요하지 않음을 나타내도록 점선으로 나타내었다. 전형적으로, 이런 하드웨어는 청정 액체 연료를 생성하여 시동(start-up)을 지원하도록 완전한 시스템에 포함될 수 있으나, 이 하드웨어는 정상 작동에는 필요하지 않으며, 만약 포함된다면 그것은 단지 소량의 연료를 생성하는 데 필요하기 때문에 대체로 소형으로 이루어질 수 있다.
●소형의 제2 물 기화기가 추가되었다.
●소형의 제2 막 분리판(스윕 분리판)이 추가되었다.
●증기 과열기를 벗어나는 개질은 먼저 수성가스 전이 반응기를 통해 스윕 분리판으로 향하고, 다음 도 1에 나타낸 것과 같은 막으로 향한다.
●증기는 소형 기화기로부터 소형 막 분리판의 수소 측으로 향하며, 분리판에서는 수소를 픽업하여 그것을 HDS 증기 응축기로 전달하며, 응축기에서는 물이 HDS 반응기로 스트림 내의 고압 수소만을 남기고, 시스템으로부터 대부분 응축된다.
이러한 방식의 이득 예에는 다음과 같은 것이 있다.
●소형 HDS 분리판을 통해 흘러가는 물의 흐름에 의해 압력이 결정되기 때문에 소형 HDS 시스템은 개질기 보다 높은 압력에서 작동할 수 있다.
●청정 연료는 응축물 없이 개질기로 향해질 수 있다. 나타낸 바와 같이 청정 연료/수소 혼합물이 개질기로 직접 전달되면, 개질기 압력과 HDS 압력은 라인 압력 강하를 통해 관계하게 된다.
●탈황용으로 사용된 과잉 수소는 연소부에서 "폐기"되지 않고, 연료전지에 사용하기 위해 고압 스트림으로 복귀된다.
●개질기에 들어감으로써 기화된 연료와 혼합된 수소는 탄소형성의 가능성을 감소시킨다.
●CO2 및 CO가 HDS 반응기 공급 스트림에 존재하지 않기 때문에 COS 형성에 대한 가능성이 최소로 된다.
●초기 막(initial membrane)에 따르는 전이 반응기가 다른 시스템에 비해 더 나은 전반적인 수소 생산을 산출하는 개질로부터 제거되는 수소를 보충하도록 작용한다.
●고순도 수소의 사용은 개질로 변환될 수 있는 것보다 더 어려운 연료(예를 들어, 디젤, 해군 연료)의 변환을 할 수 있게 한다.
●고순도 수소의 사용은 일부 방향족 고리 구조를 수소화하고 파괴함으로써 연료의 조성을 바람직하게 변경할 수 있게 한다.
●연료를 HDS 시스템(ZnO베드)에서 개질기로 직접 전달하는 경우, PEM, SOFC, 또는 다른 연료전지 시스템 중 하나에 적용하는 이점을 갖는다. 연료가 ZnO 베드 뒤에 응축되는 경우, 제2, 제3 및 제4불렛(bullets)의 이점은 어느 하나의 시스템에 적용되지 않는다.
도 3은 본 발명에 따른 스윕 막 분리판을 포함하는 다른 연료변환 시스템을 나타낸다. 이 시스템에서는 연료가 응축된 후, 시동 만을 위한 것이 아니라, 정상 작동을 위해서도 연료전지에 공급된다. 즉, 연료전지 시스템은 응축 연료모드에서 작동될 수 있다. 그런 접근 방식은 빈번하게 시작 및 중지를 행하는 시스템에 적합할 수 있다. 또한, 청정한 탈황 연료는 연료전지 시스템이 전력을 생산하는데 뿐만 아니라 다른 사용을 위해 청정 연료를 지원하는 작용을 하는 다른 용도에도 유용하게 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 스윕 막 분리판을 포함하는 고체 산화물 연료 전지용 연료변환 시스템을 도시한다. 도 1-3에 도시된 시스템과는 대조적으로, 이 시스템은 대형 막 분리판 또는 수성가스 전이 반응기를 포함하지 않는다. 대신, 개질은 SOFC 스택으로 제어 밸브를 통해 스윕 분리판으로부터 직접 전달된다. 도 4는 연료가 개질기로 향해지기 전에 응축되지 않는 것을 나타냈지만, 그런 시스템은 또한 연료가 응축된 후 개질기로 펌프되는 도 3과 유사한 방식으로 작동될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 면을 아래에 설명하며, 그 일부 설명은 상술한 1개 이상의 도면에서 설명된 것이다.
본 발명은 다음을 포함하는 연료 사전-변환 시스템(fuel pre-processing system)에 관한 것이다. 즉,
●200-500 psig 및 200-500 ℃에서 작동하는 수소첨가탈황(HDS) 반응기와;
●200-500 psig 및 200-400 ℃에서 작동하는 황 화합물 흡수 반응기와;
●황 함유 물질(예, 벤조티오펜)을 포함할 수 있는 탄화수소 연료의 공급부; 및
●HDS 작동압력과 같거나 그보다 큰 압력에서의 수소 공급부를 포함한다.
상술한 연료 사전-변환 시스템은 특정 실시예에서 다음의 특징부 중 1개 이상을 포함할 수 있다.
a. 황 화합물 흡수 반응기는 산화 아연을 포함한다.
b. HDS 반응기는 업계에서 알려진 바와 같은 선택적 탈황 촉매를 포함한다.
c. 탄화수소 연료 및 수소는 HDS 반응기 전에 혼합된다.
d. 출력 스트림은 청정 연료, 수소 및 원래의 연료로부터 부분적으로 수소화된 연료 또는 제2분해 화합물과 같은 가능한 제2화합물의 혼합물이다.
본 발명은 다음을 포함하는 연료 변환기에 관한 것이다. 즉,
●상술된 것과 같은 연료 사전 변환기와, 청정 연료의 출력은 응축된 것을 갖지 않고 개질기로 향하게 있음;
●개질 반응기와;
●개질기를 지원하는 제1 물 기화기(증기 발생기);
●스윕 분리판을 지원하는 제2 물 기화기(증기 발생기); 및
●수소를 상기 연료 사전 변환기에 제공하는 스윕 분리판을 포함한다.
상술한 연료 변환기는 특정 실시예에서 다음과 같은 특징부를 1개 이상 포함할 수 있다.
a. 개질 반응기는 버너가 개질 작업을 위한 열을 제공하게 공급되며, 버너는 과도한 개질, HDS 프로세스로부터의 오프-가스, 또는 다른 소스에서 작동한다.
b. 개질 반응기는 마이크로텍 타입 반응기이다.
c. 개질 반응기는 연소가스로부터 높은 열 전달을 하게 설계된다.
d. 제1 및 제2기화기는 서로 다른 크기이다.
e. 제1 및 제2기화기는 연소가스로부터 높은 열 전달을 하게 설계된다.
f. 제1 및 제2 기화기는 개질 반응기의 (연소가스에서) 하류에 배치된다.
g. 스윕 분리판을 떠나는 개질은 연료전지(예, SOFC 또는 고온 PEM)에 바로 제공된다.
h. 연료 변환기는 스윕 분리판 뒤에서 수성가스 전이 반응기(water gas shift reactor)를 포함한다.
i. 연료 변환기는 전이 반응기 뒤에서 메인 분리판을 포함한다.
j. 막 분리판의 수소 출력은 연료전지(PEM, SOFC, 또는 다른 타입)로 향한다.
k. 막 분리판의 잔류물 출력은 개질을 위한 열을 제공하도록 버너를 향한다.
1. 기화된 연료는 스윕 가스로 사용된다.
m. 연료 변환기는 시동을 위해 시스템을 가열하도록 제2버너를 포함한다.
본 발명은 다음을 포함하는 연료 변환기에 관한 것이다. 즉,
●상술된 바와 같은 연료 사전 변환기(preprocessor)와, 사전 변환기의 출력은 비-응축성 가스로부터 청정 연료를 제거하도록 연료 응축기로 향함;
●개질 반응기와;
●개질 반응을 위한 열을 제공하도록 버너로 전달되는 청정 연료 응축기로부터의 비-응축성 가스와;
●(시동 또는 정상)작동을 위해 개질기에 제공되는 청정한 응축 연료부분; 및
●다른 장치 또는 다른 장치에 의해 사용되는 저장영역에 공급될 수 있는 청정 연료부분을 포함한다.
본 발명은 다음을 포함하는 연료 변환기에 관한 것이다. 즉,
●상술된 바와 같은 연료 사전 변환기와, 청정 연료 출력의 일부 부분은 응축된 것을 갖지 않고 개질기로 향하며, 그리고 청정 연료 출력의 일부 부분은 저장 또는 분배를 위해 연료 응축기로 향함;
●개질 반응기; 및
●연료 사전 변환기로 수소를 제공하는 스윕 분리판을 포함한다.
본 발명은 수소첨가탈황 반응기와 개질 반응기를 포함하는 연료 변환기에 관한 것이며, 연료 변환기는 수소첨가탈황 반응기보다 낮은 압력에서 작동하여 비-응축된 청정 연료가 개질 반응기에 직접 공급되게 한다. 특정 실시예에서, 연료 변환기는 150-300 psig의 압력에서 작동한다.
본 발명은 또한 개질 반응기와 스윕 막 분리판을 포함하는 연료 변환기에 관한 것이며, 스윕 막 분리판은 개질에 앞서 공급원료의 수소 함량을 증가시키는데 사용된다. 특정 실시예에서, 스윕 막 분리판의 사용은 촉매의 수명 및 성능에 긍정적인 영향을 미친다.
도 5 및 그에 따른 설명을 참조하여, 스윕 막 분리판과 그 기능을 상세히 설명한다. 상술한 바와 같이, 바텔리 회사는 개질과 같은 수소-함유 가스 혼합물로 작업을 하는 HDS 시스템을 개발했다. 새로 개발된 HDS 시스템이 혼합 가스로 작업을 하는 것이어도, 시스템은 공급원료에서 높은 수소 부분압력을 필요로 한다. 본 발명은 그런 시스템의 성능은, 수소를 적절한 압력에서 얻어질 수 있는 경우, 수소로 거의 전적으로 이루어진 가스 스트림의 사용을 통해 더욱 향상시킬 수 있다는 사실을 발견한 것이다. 스윕 막 분리판은 HDS 시스템 및 다른 용도에 사용하기 위해 높은 압력에서 수소를 공급하는데 사용될 수 있다.
개질 대신에 HDS 시스템에 순수한 수소를 공급하는 능력은 시스템 설계를 매우 단순화하고, 탈황처리의 효과를 증가시킨다. 또한, 개질 대신에 HDS 시스템에 수소를 공급하는 경우에도, 개질 압력은 부분적으로 2개의 시스템의 연계를 제거하고 제어의 복잡성을 줄이며, HDS 압력과 무관한 관계로 제어될 수 있게 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 스윕 막 분리판은 적절하게 설계된 외부 하우징을 포함하며, 상기 하우징은 분리판의 작동과 관련된 압력을 견디도록 구성된다. 스윕 막 분리판은 또한, 하우징의 내부를 가로질러 연장되고 양측으로 하우징을 분할하는 막을 포함하며, 이하에서 양측은 잔류물 측(도 5의 좌측)과 투과물 측(우측)으로 지칭된다. 막은 특정 용도에 따라 수소 또는 다른 선택된 가스를 선택적으로 투과할 수 있는 것이다. 예시된 막은 수소 분자가 잔류물 측으로부터 투과물 측으로 막을 가로질러 선택적으로 투과하게 한다. 수소가 선택적으로 투과할 수 있는 막은 팔라듐 합금 또는 다른 적합한 재료로 제조될 수 있다. 막에는 막을 통한 수소의 필요한 확산 비율을 허용하기에 충분한 표면적이 제공된다.
작동 시, 수소 또는 다른 선택된 가스를 포함하는 혼합 기체 스트림은 스윕 막 분리판에 들어와서, 막의 잔류물 측과 접촉하게 된다. 예를 들어, 스윕 막 분리판이 연료변환 시스템에 사용되는 경우, 혼합 가스 스트림은 개질이 될 수 있다. 막은 선택적으로 투과물 측으로 막을 가로질러 수소가 투과할 수 있게 한다. 수소의 적어도 일부는 혼합 가스 스트림으로부터 분리되며, 투과물 측으로 막을 통과한다.
수소 투과 비율이 막을 횡단하는 부분압력의 차이에 비례하기 때문에, 수소는 잔류물 측보다 낮은 부분압력에서 투과물 측으로부터 배출된다. 특정 실시예에서, 투과물 측에서의 수소 압력은 잔류물 측에서의 수소 부분압력의 1/20 내지 1/100이다. 예를 들어, 혼합 가스 스트림이 300 psig에서 스윕 막 분리판의 잔류물 측으로 들어가는 개질이면, 투과물 측으로 막을 통해 지나가는 수소는 약 5 내지 15 psig의 압력으로 있을 것이다.
전술 한 바와 같이, HDS 시스템은 예를 들어, 약 270 psig 이상의 수소압력을 작동하는데 높은 수소압력을 필요로 한다. HDS 시스템 또는 다른 용도에 사용하기 위해 상승된 압력에서 수소를 생성하기 위해서, 스윕 막 분리판은 막을 통과한 수소의 압력을 증가시킨다. 이것은 스윕 막 분리판에 들어가서 막의 투과물 측으로부터 수소를 소산(sweep)하여 수소를 고압으로 압축하는 스윕 가스를 사용하여 이루어진다. 특정 실시예에서, 수소 압력은 약 200 psig 또는 그보다 큰 압력으로, 바람직하게는 약 250 psig 또는 그보다 큰 압력으로 증가될 수 있다. 예를 들어, 본원의 발명자들은 40%의 수소(개질에서 약 120 psig의 수소 부분압력) 만을 함유한 300 psig 개질 스트림으로부터 추출하는 경우, 수소는 250 psig 또는 그보다 큰 압력에서 생성될 수 있음을 발견했다.
스윕 가스는 투과물 측으로부터 수소를 소산시키기 때문에, 막을 횡단하는 수소를 구동하는 수소 부분압력의 차이는, 막의 투과물 측에서의 절대 압력이 투과물 측에서보다 더 높게 있더라도 계속하여 존재한다.
임의의 적당한 스윕 가스가 스윕 막 분리판에 사용될 수 있다. 예를 들어, 예시된 실시예는 스윕 가스로서 증기를 사용했다. 그러나, 냉매 및 열전달 유체와 같은 다른 응축성 가스를 포함하는 수소로부터 용이하게 분리되는 다른 가스가 사용될 수도 있다. 일례의 실시예에서, 기화된 연료는 단독으로 또는 다른 운반 가스와 조합하여 스윕 가스로서 사용된다.
예시된 실시예에서, 증기 수소 혼합물은 막 분리판을 빠져나간 후, 냉각될 수 있으며, 물은 응축되어 제거될 수 있으며, 수소는 황 함유 연료와 혼합하기에 앞서 재가열되어 고순도 수소/황-함유-연료 스트림을 HDS 시스템에 제공할 수 있다. 물 응축기의 온도는 HDS 시스템에 약간의 물이 존재하도록 조정될 수 있으며, 그것은 반응을 지원하는데 도움이 될 수도 또는 되지 않을 수도 있다.
요약하면, 증기 스윕 막 분리판은 탈황 공정에 수소를 공급하는데 수소-선택적 막을 사용한다. 이 방법은 증기를 사용하여 물 중의 일부 또는 전부를 응축함에 따라 막 분리판으로부터 수소를 소산하여서 개질의 수소 부분압력보다 높은 압력에서 수소를 제공하고, 따라서 증기 흐름 비율로 조정될 수 있는 비율로 탈황 공정에 고순도 수소를 제공한다. 물 유량은 궁극적으로 주어진 압력에서 잔류물에서 수소의 주어진 양에 대한 투과물 측에서의 수소 유량을 결정하는데 사용된다.
스윕 막 분리판은 자동차, 화학, 에너지 등의 분야에서 다양한 용도로 사용할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 시스템에서의 분리판의 사용은 시스템을 간단하게 하고 시스템의 크기를 줄일 수 있다. 이 방법은 다른 기술을 사용하여 달성할 수 없는 작고, 콤팩트한 구성으로 중량의 연료를 처리할 수 있는 것이다. 상술한 바와 같이 스윕 막 분리판에 의해 생성된 압력 수소가 HDS 시스템에 유익하게 사용된다. 또한, 높은 압력에서 작동하는 연료전지에 직접 공급될 수도 있다.
스윕 막 분리판을 상세히 설명하였더라도, 일반적으로 본 발명은 기계적인 압축장비를 사용하지 않고 수소를 압축하는 방법을 제공하는 것이다. 상기 방법은 수소를 제공하는 것과, 기체 스윕 스트림을 사용하여 수소를 압축하는 것을 포함한다. 특정 실시예에서는 스윕 스트림이 압력 증기를 포함한다. 상기 방법은 증기 스윕 막 분리판과 관련하여 수행될 수 있지만, 다른 방식으로 수행될 수도 있다.

Claims (14)

  1. 스윕 막 분리판에 있어서, 상기 분리판은:
    선택된 가스로 선택적으로 투과할 수 있는, 잔류물 측과 투과물 측을 가진 막과;
    스윕 막 분리판에 들어가서 막의 잔류물 측과 접촉하는 선택된 가스를 가진 혼합 기체 스트림과;
    혼합 기체 스트림으로부터 분리되며 막의 투과물 측으로 막을 통과하는 선택된 기체의 적어도 일부와;
    스윕 막 분리판에 들어와서, 막의 투과물 측으로부터 선택된 가스를 소산하는 고압에서의 스윕 가스; 및
    고압에서 스윕 막 분리판을 빠져나가는 스윕 가스와 선택된 가스와의 혼합물을 포함하며;
    분리된 가스를 제외한, 상기 혼합 기체 스트림은 스윕 막 분리판을 빠져나가며;
    상기 스윕 막 분리판은 가스 혼합물로부터 선택된 가스를 분리하여, 상기 선택된 가스를 가압하는 것을 특징으로 하는 스윕 막 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선택된 가스는 수소인 것을 특징으로 하는 스윕 막 분리판.
  3. 제1항에 있어서,
    스윕 가스는 증기인 것을 특징으로 하는 스윕 막 분리판.
  4. 제1항에 있어서,
    혼합 기체 스트림은 탄화수소 연료변환 시스템에서 개질인 것을 특징으로 하는 스윕 막 분리판.
  5. 연료를 사전-변환하는 시스템에 있어서, 상기 시스템은:
    200-500 psig 및 200-500 ℃에서 작동하는 수소첨가탈황 반응기;
    200-500 psig 및 200-400 ℃에서 작동하는 황 화합물 흡수 반응기;
    황 함유 물질을 함유하는 탄화수소 연료를 공급하는 공급기; 및
    수소첨가탈황 작동 압력과 같거나 그보다 큰 압력에서 수소를 공급하는 공급기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 사전-변환 시스템.
  6. 연료 변환기에 있어서, 상기 변환기는:
    청구항 제5항의 연료 사전-변환 시스템과, 청정 연료 출력은 응축물을 갖지 않고 개질기로 향하며;
    연료 사전-변환 시스템에 수소를 제공하는 스윕 분리판과;
    개질 반응기와;
    개질기를 지원하는 제1 물 기화기; 및
    스윕 분리판을 지원하는 제2 물 기화기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 변환기.
  7. 제6항에 있어서,
    개질 반응기는 버너가 개질용 열을 제공하도록 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 변환기.
  8. 제7항에 있어서,
    버너는 수소첨가탈황 프로세스로부터 과량의 개질 또는 오프-가스에서 작동하는 것을 특징으로 하는 연료 변환기.
  9. 제6항에 있어서,
    개질 반응기는 마이크로텍 타입 반응기인 것을 특징으로 하는 연료 변환기.
  10. 제6항에 있어서,
    개질 반응기는 연소 가스로부터 높은 열전달을 하게 설계되는 것을 특징으로 하는 연료 변환기.
  11. 연료 변환기에 있어서, 상기 변환기는:
    청구항 제5항의 연료 사전-변환 시스템과, 청정 연료 출력은 비-응축성 가스로부터 청정 연료를 제거하도록 연료 응축기로 향하며;
    개질 반응기를 포함하며;
    청정 연료 응축기로부터의 비-응축성 가스는 개질 반응을 위한 열을 제공하는 버너로 전달되며;
    청정한 응축 연료의 일부는 작동을 위해 개질 반응기에 제공되는 것을 특징으로 하는 연료 변환기.
  12. 연료 변환기에 있어서, 상기 변환기는:
    개질 반응기와;
    청구항 제5항의 연료 사전-변환 시스템과, 청정 연료 출력의 일부분은 응축물을 갖지 않고 개질기로 향하고 그리고 청정 연료 출력의 일부분은 저장 및 배분을 위해 연료 응축기로 향하게 있으며;
    연료 사전-변환 시스템에 수소를 제공하는 스윕 분리판을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 변환기.
  13. 연료 변환기에 있어서, 상기 변환기는:
    개질 반응기와;
    청구항 제1항의 스윕 막 분리판을 포함하며, 스윕 막 분리판은 개질에 앞서 공급원료의 수소함량을 증가시키는데 사용되는 것을 특징으로 하는 연료 변환기.
  14. 고체 산화물 연료전지용 연료변환 시스템은 개질을 생성하는 탄화수소 연료용 개질기를 포함하며, 청구항 제1항의 스윕 막 분리판을 구비하며, 고체 산화물 연료전지로 스윕 막 분리판으로부터 직접 개질을 전달하는 것을 특징으로 하는 연료변환 시스템.
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