KR20180137522A - 이산화탄소 포획을 위해 용융 탄산염 연료 전지 애노드 배기를 후가공처리하는 방법 - Google Patents

이산화탄소 포획을 위해 용융 탄산염 연료 전지 애노드 배기를 후가공처리하는 방법 Download PDF

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Abstract

연료 전지 시스템은 제1 애노드와 제1 캐소드를 갖는 제1 연료 전지를 포함하고, 제1 애노드는 제1 애노드 배기 가스를 배출하도록 구성된다. 시스템은 제1 애노드 배기 가스 및 제1 공기 공급기로부터의 공기를 수용하고, 선택적 산화 반응에서 제1 애노드 배기 가스와 공기를 반응시키며, 산화된 가스를 배출하도록 구성된 제1 산화제를 더 포함한다. 시스템은 전기 화학적 수소 분리기로서 작용하도록 구성된 제2 연료 전지를 더 포함한다. 제2 연료 전지는, 제1 산화제로부터의 산화된 가스를 수용하고 제2 애노드 배기 가스를 배출하도록 구성된 제2 애노드와, 수소 스트림을 배출하도록 구성된 제2 캐소드를 포함한다. 시스템은 제2 애노드 배기 가스를 수용하고 물과 CO2를 분리하도록 구성된 응축기를 더 포함한다.

Description

이산화탄소 포획을 위해 용융 탄산염 연료 전지 애노드 배기를 후가공처리하는 방법
관련 특허 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 2016년 4월 21일자로 출원된 미국 가출원 번호 제62/325,711호에 대한 우선권을 주장하고, 이는 본원에 완전히 참조로 포함되어 있다.
본 개시내용은, 직접 용융 탄산염 연료 전지(direct molten carbonate fuel cell, "DFC")에서 이산화탄소(CO2) 분리에 관한 것이다. 특히, 본 개시내용은, DFC로부터 CO2가 풍부한 애노드 배기 스트림을 수용하고 격리를 위해 CO2를 농축시키는 전기 화학적 수소 분리기("EHS")에 관한 것이다.
DFC에 대한 CO2 분리 시스템에서, CO2가 풍부한 애노드 배기 스트림은 또한 수증기와 사용되지 않은 연료{대부분 수소와 일산화탄소(CO)를 포함하는}를 함유한다. 스트림에 격리 또는 사용을 위한 CO2 포획(즉, 분리)을 준비시키기 위해, 일부 가공처리 또는 후처리가 요구된다.
특정 실시예에서, 연료 전지 시스템은 제1 애노드와 제1 캐소드를 갖는 제1 연료 전지를 포함하고, 제1 애노드는 제1 애노드 배기 가스를 배출하도록 구성된다. 시스템은 제1 애노드 배기 가스 및 제1 공기 공급기로부터의 공기를 수용하고, 선택적 산화 반응에서 제1 애노드 배기 가스와 공기를 반응시키며, 산화된 가스를 배출하도록 구성된 제1 산화제를 더 포함한다. 시스템은 전기 화학적 수소 분리기("EHS")로서 작용하도록 구성된 제2 연료 전지를 더 포함한다. 제2 연료 전지는, 제1 산화제로부터의 산화된 가스를 수용하고 제2 애노드 배기 가스를 배출하도록 구성된 제2 애노드와, 수소 스트림을 배출하도록 구성된 제2 캐소드를 포함한다. 시스템은 제2 애노드 배기 가스를 수용하고 물과 CO2를 분리하도록 구성된 응축기를 더 포함한다.
다른 실시예에서, 연료 전지 배기를 가공처리하는 방법은, 제1 산화제에서, 제1 연료 전지의 제1 애노드로부터의 제1 애노드 배기 가스 및 제1 공기 공급기로부터의 공기를 수용하는 단계와, 제1 산화제로부터의 산화된 가스를 배출하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 제2 애노드와 제2 캐소드를 갖는 제2 연료 전지에서, 제2 애노드에서 산화된 가스를 수용하는 단계와, 산화된 가스 중의 수소를 전기 화학적으로 분리하는 단계와, 제2 캐소드로부터 수소 스트림을 배출하는 단계와, 제2 애노드로부터의 제2 애노드 배기 가스를 배출하는 단계를 더 포함한다.
다른 실시예에서, 연료 전지 시스템은 애노드와 캐소드를 갖는 연료 전지를 포함하고, 애노드는 애노드 배기 가스를 배출하도록 구성된다. 시스템은, 애노드 배기 가스를 수용 및 응축하고, 애노드 배기 가스로부터 물을 분리하여 건조된 애노드 배기 가스를 형성하며, 물과 건조된 애노드 배기 가스를 별도로 배출하도록 구성된 응축기를 더 포함한다. 시스템은, 건조된 애노드 배기 가스를 수용하고, 수소 스트림 및 별도의 CO2 스트림을 배출하도록 구성된 압력 변동 흡착 유닛을 더 포함한다.
다른 실시예에서, 연료 전지 배기를 가공처리하는 방법은, 응축기에서, 연료 전지의 애노드로부터의 애노드 배기 가스를 수용하는 단계와, 건조된 애노드 배기 가스 스트림을 배출하는 단계와, 물 스트림을 별도로 배출하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 제1 압축기에서, 건조된 애노드 배기 가스 스트림을 압축하는 단계와, 압축된 애노드 배기 가스 스트림을 배출하는 단계를 더 포함한다. 이 방법은, 압력 변동 흡착("PSA") 유닛에서, 압축된 애노드 배기 가스 스트림을 수용하는 단계와, 수소 스트림을 배출하는 단계와, CO2 스트림을 별도로 배출하는 단계를 더 포함한다.
이들 및 다른 유리한 특징은 본 개시내용과 도면을 검토하는 사람들에게 명백해질 것이다.
도 1은, 예시적인 실시예에 따라, 전기 화학적 수소 분리기를 사용하는 CO2 격리 서브시스템을 포함하는 연료 전지 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는, 다른 예시적인 실시예에 따라, 전기 화학적 수소 분리기를 사용하는 CO2 격리 서브시스템을 포함하는 연료 전지 시스템의 개략도를 도시한다.
도 3은, 예시적인 실시예에 따라, 압력 변동 흡착 유닛을 사용하는 CO2 격리 서브시스템을 포함하는 연료 전지 시스템의 개략도를 도시한다.
도 4는, 다른 예시적인 실시예에 따라, 압력 변동 흡착 유닛을 사용하는 CO2 격리 서브시스템을 포함하는 연료 전지 시스템의 개략도를 도시한다.
일반적으로 도면을 참조하면, CO2 격리를 제공하기 위해 연료 전지 애노드 배기 가스를 후 가공처리하는 연료 전지 서브시스템이 본원에 개시된다.
통상적으로, 애노드 배기 가스 내의 가연성 물질은 산화제에서 반응할 수 있다. 공기 중에 존재하는 질소가 애노드 배기 가스 내의 CO2를 희석시킬 수 있기 때문에, 공기보다는 산소가 산화제에 공급된다. 필요한 산소를 산화제에 제공하기 위해 공기 분리 서브시스템이 통합되어야만 한다. 그러나, 산소 사용시, 산화제를 원하는 온도 수준으로 유지하기 위해(예를 들어, 촉매를 과열시키는 것을 피하기 위해) 물이 산화제에 냉각제로 주입된다. 산화제는 적어도 물과 CO2를 포함하는 산화제 배기를 발생시킨다. 그 다음에, 산화제에서 발생한 열은 캐소드 유입구 스트림(cathode inlet stream)을 예열하는 데 사용된다. 축열식 열 교환(recuperative heat exchange) 후에, 애노드 배기/산화제 배기 스트림이 응축기에서 냉각되어 물을 제거한다. 산화제로부터 하류에 있는 응축기는 분사된 물과 배기 스트림(exhaust stream)에 존재하는 임의의 다른 물을 분리 및 제거하여, 격리를 위해 준비된 CO2의 농도가 더 높은 산화제 배기를 발생시킨다. 일례에서, 미분탄(pulverized coal, "PC") 보일러 증기 사이클 발전소의 온실 가스("GHG")를 사용하는 연료 전지 시스템의 산화제에 산소를 공급할 때, 격리를 위한 CO2 스트림은 74%의 연료 이용률과 함께, 약 89%의 CO2와 10%의 물을 함유한다. 공기가 산소보다는 산화제에 공급될 때, CO2 함량은 약 58%로 감소한다.
도 1을 참조하면, 예시적인 실시예에 따라 후처리 시스템이 도시된다. 이 공정은 필요한 열을 캐소드 유입구 스트림에 공급한 후, 과량의 수소가 부산물로 분리되도록, 수소를 회수하는 단계를 포함한다. 다른 예시적인 실시예에 따라, 과량의 수소는 보조 연료로서 DFC 애노드로 재순환된다.
연료 전지 시스템(1)은 캐소드(12)(즉, 제1 캐소드)와 애노드(14)(즉, 제1 애노드)를 갖는 제1 연료 전지(10)를 포함한다. 예시적인 실시예에 따라, 제1 연료 전지(10)는 DFC일 수 있다. 애노드(14)는 적어도 CO2, 수소, 물, 및 CO를 포함하는 애노드 배기 가스를 배출한다. 제1 열 교환기(20)는 DFC로부터 애노드 배기 가스를 받고 애노드 배기 가스를 부분적으로 냉각시킨다. 그 다음에, 제1 열 교환기(20)는 제1 부분적으로 냉각된 가스를 배출한다. 제1 부분적으로 냉각된 가스는 제1 시프트 반응기(21)에서 고온("HT") CO 시프트 반응(예를 들어, 수성 가스 시프트 반응)을 통해 변형되어, 제1 시프트된 가스를 형성하고, 이는 제2 열 교환기(22)에 의해 수용된다. 제1 시프트 반응기(21)는 약 310℃ 내지 450℃ 범위의 제1 온도에서 작동하도록 구성된다. 제1 시프트 반응기(21)는 CO와 물을 CO2와 수소로 이동시키도록 구성될 수 있어서, 제1 시프트된 가스는 제1 부분적으로 냉각된 가스보다 더 높은 농도의 CO2와 수소를 갖는다. 제2 열 교환기(22)는 제1 시프트된 가스를 부분적으로 냉각시키고 제2 부분적으로 냉각된 가스를 배출한다. 제2 부분적으로 냉각된 가스는 제2 시프트 반응기(23)에서 저온("LT") CO 시프트 반응을 통해 변환되어, 제2 시프트된 가스를 형성하고, 이는 제3 열 교환기(24)에 의해 수용된다. 제2 시프트 반응기(23)는 제1 온도가 제2 온도보다 높도록, 약 200℃ 내지 250℃ 범위의 제2 온도에서 작동하도록 구성된다. 제2 시프트 반응기(23)는 CO와 물을 CO2와 수소로 이동시키도록 구성될 수 있어서, 제2 시프트된 가스는 제2 부분적으로 냉각된 가스보다 더 높은 농도의 CO2와 수소를 갖는다. 제3 열 교환기(24)는 제2 시프트된 가스를 원하는 온도로 냉각시키고 냉각된 가스를 배출한다. 예시적인 실시예에 따라, 냉각된 가스의 온도는 제3 열 교환기(24)로부터 하류에 있는 산화제(30)에 의해 허용 가능한 온도의 범위에 기초한다.
냉각된 가스는 공기 공급기(26)(즉, 제1 공기 공급기, 제어된 공기 공급기 등)에 의해 제공되는(즉, 주입되는) 공기(산소보다는)와 혼합되어, 혼합 가스를 형성한다. 예시적인 실시예에 따라, 공기 공급기(26)는 냉각된 가스를 구성하는 CO2, 수소, 물, 및/또는 CO 중 어느 하나에 대한 공기의 바람직한 비를 설정하도록 제어될 수 있다. 이 바람직한 비는 산화제의 요건을 기초로 할 수 있다. 그 다음에, 혼합된 가스는 산화제(30)로 공급되고, 이 산화제는 CO를 CO2로 변환시키는 우선적인 산화 반응을 수행하도록 구성된다. 우선적인 산화는 CO를 제거하기 위한 화학 공정이다. 이 공정은, 저온 시프트 반응기{예를 들어, 제2 시프트 반응기(23)와 유사한}를 사용한 다음, 귀금속 촉매(예를 들어, 백금, 팔라듐-코발트, 팔라듐-구리, 금 등)의 존재에서 산소를 사용하여 CO를 산화시키기 위한 단계적 우선 산화제를 사용한다. 산화제(30)는 격리를 위해 CO2를 함유하는 산화 가스를 배출하고, 반응으로 인해 열을 발생시킨다. 제4 열 교환기(32)는 산화제(30)로부터 산화된 가스를 수용하고, 산화된 가스를 냉각시켜 적어도 부분적으로 애노드 유입구 스트림(34)을 형성한다. 예시적인 실시예에 따라, 산화제(30)는 CO2를 함유하는 산화된 가스와 별도로 배기를 발생시킨다. 산화제(30)로부터의 배기는 산화된 가스 배출물의 일부를 형성하지 않기 때문에, 공기가 산화제용으로 사용될 수 있어서, 공기 분리 유닛 및/또는 물 주입(예를 들어, 산화제 온도 조절을 위한)에 대한 필요성을 제거한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 시스템(1)은 EHS(40)(제2 연료 전지라고도 불리는)를 더 포함한다. EHS(40)는 캐소드(42)(즉, 제2 캐소드), 애노드(44)(즉, 제2 애노드), 및 캐소드(42)와 애노드(44) 사이에 배치된 양성자 교환 막("PEM")을 포함한다. 애노드(44)는 제4 열 교환기(32)로부터 냉각된 애노드 유입구 스트림(34)을 수용한다. 애노드(44)에서, 애노드 유입구 스트림(34)에 존재하는 수소의 적어도 일부는 양 전하 수소 이온(H+)으로 선택적으로 산화되고, 이것은 그 다음에 PEM(46)을 통해 캐소드(42)로 전달된다. 예시적인 실시예에 따라, 산화제(30), 공기 공급기(26), 및 열 교환기(32)는, 150℃를 초과하여 작동하는(예를 들어, PBI 또는 고체산 막으로서) 고온 막("HTM")을 PEM으로 통합함으로써 도 1에 도시된 시스템(1)으로부터 제거될 수 있다. 여전히 도 1을 참조하면, 캐소드(42)에서, H+는 산화제의 부재로 인해 가스상 수소로 환원된다. 따라서, EHS(40)는 애노드 유입구 스트림(34)으로부터 수소 스트림(50)을 선택적으로 생성하여 배출한다. 수소 스트림(50)은 부산물로서 생성되고, 시스템(1)에 사용되거나 또는 수출될 수 있다. 예시적인 실시예에 따라, 각각의 시프트 반응기(21, 23)는 상응하는 고온 및 저온 CO 시프트 반응에서 수소 회수를 최대화하고 EHS 촉매의 일산화탄소 중독을 방지하도록 구성된다. 다른 예시적인 실시예에 따라, 수소 스트림(50)은 비교적 낮은 에너지 투입으로 압축될 수 있다(예를 들어, 전기 화학적으로). 유리하게는, PEM(46)을 가로지르는 이동은 최소한의 에너지 투입을 사용하고, 어떠한 움직이는 부품도 필요로 하지 않는다. 예시적인 실시예에 따라, EHS(40)는 제1 연료 전지(10)의 애노드 배기 가스로부터 약 95%의 수소를 회수할 수 있다.
EHS(40)의 애노드(44)는 제2 애노드 배기 가스를 발생시킨다. 제2 애노드 배기 가스는 응축기(60)로 공급될 수 있고, 이 응축기는 제2 애노드 배기 가스를 CO2 스트림(61)과 물 스트림(즉, 응축물)(66)으로 분리한다. 그 다음에, 응축기(60)의 CO2 스트림(61)은 CO2 압축기(62)를 통해 공급되어 CO2 스트림(61)의 적어도 일부를 액화시켜, 사용 지점(예를 들어, 식품 가공을 위한)까지의 격리 및/또는 수출(즉, 운송)을 위해 적합한 매우 농축된 CO2 공급물(64)을 생기게 한다. 예시적인 실시예에 따라, 응축기(60)의 물을 물 스트림(66) 쪽으로 제거한 후, CO2 스트림(61)은 약 89%의 CO2와 약 9%의 물을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 다른 예시적인 실시예에 따라, 수소 스트림(50)의 적어도 일부는 공기를 사용하여 산화되어 열을 발생시킬 수 있다. EHS(40)의 캐소드(42)에 의해 생성된 수소 스트림(50)의 제1 부분(51)은 산화제(52)(즉, 제2 산화제)에 공급되고, 공기 공급기(54)(즉, 제2 공기 공급기)로부터의 공기로 산화된다. 산화는 적어도 열과 물을 포함하는 산화된 수소 스트림(53)을 생성하고, 제5 열 교환기(56)를 통해 공급된다. 제5 열 교환기(56)는 산화된 수소 스트림(53)으로부터 열을 운반하여, 제1 연료 전지(10)의 제1 캐소드(12)에 의해 수용된 캐소드 유입구 스트림(36)(예를 들어, 석탄 연료 발전소로부터의 탈황 GHG)을 예열한다. 다른 예시적인 실시예에 따라, 산화된 수소 스트림(53)은 EHS(40)의 캐소드(42) 또는 임의의 다른 캐소드에 의해 수용된 캐소드 유입구 스트림을 예열하기 위해 사용될 수 있다. 그 다음에, 산화된 수소 스트림(53)은 시스템(1)으로부터 배출될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예에서, 캐소드 유입구 스트림(36)을 가열하기 위해 사용된 수소 스트림(50)의 제1 부분(51)은 캐소드(42)에 의해 발생한 수소의 약 45%를 포함한다. 나머지 제2 부분(55){예를 들어, 수소 스트림(50)의 약 55%}은 부산물로 생성되고, 시스템(1)에서 사용되거나 또는 수출될 수 있다. 각 부분(51, 55)을 형성하는 수소 스트림(50)의 백분율은 다른 예시적인 실시예에 따라 변할 수 있다. 예시적인 실시예에 따라, 수소 스트림(50)의 제1 부분(51)은 캐소드 유입구 스트림(36)에 원하는 수준의 예열을 제공하는 데 필요한 양으로 제한될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에 따라, 수소 스트림(50)의 제2 부분(55){예를 들어, 캐소드 유입구 스트림(36)을 예열하기 위해 제2 산화제(52)로 공급되지 않은 수소}은 제1 연료 전지(10)의 제1 애노드(14)로 재순환(예를 들어 공급)되어, 제1 연료 전지(10)를 작동시키기 위해 요구되는 천연 가스 연료 투입을 감소시킬 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 다른 예시적인 실시예에 따라 후처리 시스템이 도시되어 있다. 이 시스템에서, 이전의 예시적인 실시예에서와 같이, 애노드 배기 가스에 존재하는 수소가 분리되고 회수된다.
연료 전지 시스템(100)은 캐소드(112)와 애노드(114)를 갖는 연료 전지(110)를 포함한다. 예시적인 실시예에 따라, 연료 전지(110)는 제1 연료 전지(10)와 실질적으로 동일한 DFC일 수 있다. 애노드(114)는 적어도 CO2, 수소, 물, 및 CO를 포함하는 애노드 배기 가스를 배출한다. 제1 열 교환기(120)는 DFC로부터 애노드 배기 가스를 수용하고 애노드 배기 가스를 부분적으로 냉각시킨다. 제1 열 교환기(120)는 제1 부분적으로 냉각된 가스를 배출한다. 제1 부분적으로 냉각된 가스는 제1 시프트 반응기(121)에서 고온 CO 시프트 반응을 통해 변형되어, 제1 시프트된 가스를 형성하고, 이는 제2 열 교환기(122)에 의해 수용된다. 제1 시프트 반응기(121)는 약 310℃ 내지 450℃ 범위의 제1 온도에서 작동하도록 구성된다. 제1 시프트 반응기(121)는 CO와 물을 CO2와 수소로 이동시키도록 구성될 수 있어서, 제1 시프트된 가스는 제1 부분적으로 냉각된 가스보다 더 높은 농도의 CO2와 수소를 갖는다. 제2 열 교환기(122)는 제1 시프트된 가스를 부분적으로 냉각시키고 제2 부분적으로 냉각된 가스를 배출한다. 제2 부분적으로 냉각된 가스는 제2 시프트 반응기(123)에서 저온 CO 시프트 반응을 통해 변형되어, 제2 시프트된 가스를 형성하고, 이는 응축기(160)에 의해 수용된다. 제2 시프트 반응기(123)는 약 200℃ 내지 250℃ 범위의 제2 온도에서 작동하도록 구성되어, 제1 온도는 제2 온도보다 높다. 제2 시프트 반응기(123)는 CO와 물을 CO2와 수소로 이동시키도록 구성될 수 있어서, 제2 시프트된 가스는 제2 부분적으로 냉각된 가스보다 더 높은 농도의 CO2와 수소를 갖는다. 응축기(160)는 제2 시프트된 가스를 적어도 CO2와 수소를 함유하는 건조된(예를 들어, 탈수된) 애노드 배기 가스 스트림(161)과, 별도의 물 스트림(즉, 응축물)(166)으로 분리한다. 예를 들어, 실질적으로 모든 물은 건조된 애노드 배기 가스 스트림(161)을 형성할 때 애노드 배기 가스 스트림으로부터 제거된다. 그 다음에, 응축기(160)로부터의 건조된 애노드 배기 가스 스트림(161)은 압축기(162)를 통해 공급되어, 압축된 애노드 배기 가스 스트림을 형성하고, 이는 그 다음에 제3 열 교환기(163)를 통해 공급되어, 압축된 애노드 배기 가스 스트림을 추가로 냉각시킨다. 다른 예시적인 실시예에 따라, 제3 열 교환기(163)는 압축기(162)로부터 상류에{예를 들어, 응축기(160)와 압축기(162) 사이에} 배치될 수 있고, 건조된 애노드 배기 가스 스트림(161)을 냉각시키도록 구성된다.
시스템(100)은 압력 변동 흡착(pressure swing adsorption, "PSA") 유닛(170)을 포함한다. PSA 유닛(170)은 제3 열 교환기(163)로부터 압축된 애노드 배기 가스 스트림을 수용하고 스트림을 수소 스트림(150)과 CO2 스트림(165)으로 분리하도록 구성된다. PSA 유닛(170)에서, 수소 이외의 가스(예를 들어, 대부분 CO2와 일부 물)는 고압에서 흡착층 매체(adsorbent bed media)에 의해 흡착되고, 순수한 수소 스트림(150)은 PSA 유닛(170)에서 수용된 압축된 애노드 배기 가스 스트림의 유입구 압력에 가까운(예를 들어, 실질적으로 같은) 압력에서 PSA 유닛(170)으로부터 배출된다. 수소 스트림(150)은 부산물로서 생성되고, 시스템(100)에서 사용되거나 또는 수출될 수 있다. PSA 유닛(170) 내의 흡착층 매체가 그 최대 흡착제 용량에 도달한 후에, 흡착된 가스를 제거하도록 퍼징되고, 이것이 CO2 스트림(165)을 발생시킨다. 이 퍼징(purging)은, 압력을 약 20 psia의 인접 대기압까지 낮춤으로써 이루어지는 탈착(de-sorption)에 의해 일어난다. 그 다음에, CO2 스트림(165)은 CO2 압축기(167)로 공급되어, CO2 스트림(165)의 적어도 일부를 액화시켜, 격리된 CO2 공급물(164)을 생성한다.
예시적인 실시예에 따라, 시스템(100)은 도 2에 도시된 바와 같이 수소 스트림(50)과 동일한 방식으로 수소 스트림(150)의 일부를 변형시킬 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, PSA 유닛(170)에 의해 생성된 수소 스트림(150)의 제1 부분(151)은 산화제(152)로 공급되고, 공기 공급기(154)로부터의 공기로 산화된다. 산화는 적어도 열과 물을 포함하는 산화된 수소 스트림(153)을 생성하고, 제4 열 교환기(156)를 통해 공급된다. 제4 열 교환기(156)는 산화된 수소 스트림(153)으로부터 열을 운반하여, 제1 연료 전지(110)의 캐소드(112)에 의해 수용된 캐소드 유입구 스트림(136)(예를 들어, 석탄 연료 발전소로부터의 탈황 GHG)을 예열한다. 산화된 수소 스트림(153)은 시스템(100)으로부터 배출될 수 있다. 도 2와 유사하게, 수소 스트림(50)의 제1 부분(151)은 캐소드 유입구 스트림(136)에 원하는 수준의 예열을 제공하는 데 필요한 양으로 제한될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에 따라, 수소 스트림(150)의 나머지 제2 부분(155){예를 들어, 캐소드 유입구 스트림(136)을 예열하기 위해 산화제(152)로 공급되지 않은 수소}은 연료 전지(110)의 애노드(114)로 재순환(예를 들어 공급)되어, 연료 전지(110)를 작동시키기 위해 요구되는 천연 가스 연료 투입을 감소시킬 수 있다.
어떤 시스템(1, 100)과 관련해서도, 다른 예시적인 실시예에 따라, CO2를 격리하기 위한 공정은 산화제에서 모든 수소 및 다른 가연성 물질을 소비하는 단계와, 캐소드 유입구 스트림을 예열하기 위해 에너지 함량을 사용하는 단계를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 연료 전지 시스템은, 애노드와 캐소드를 갖는 연료 전지, 산화제, 및 전기 화학적 수소 분리장치(hydrogen separator)를 포함한다. 산화제는 애노드로부터 애노드 배기 가스 및 제어된 공기 공급기로부터 공기를 수용하고, 선택적 산화 반응에서 애노드 배기 가스와 공기를 반응시키도록 구성된다. 분리기는 산화제로부터의 산화된 가스를 수용하고 나머지 가스로부터 수소와 CO2의 개별 스트림을 형성하도록 구성된다. 응축기는 산화제로부터 CO2 스트림을 수용하고 스트림을 응축시켜 물을 분리하고 CO2를 액화하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 연료 전지 시스템은 애노드와 캐소드를 갖는 연료 전지, 응축기, 및 압력 변동 흡착 유닛을 포함한다. 응축기는 애노드로부터 애노드 배기 가스를 수용 및 응축하고, 나머지 응축된 가스로부터 물 스트림을 분리하도록 구성된다. 압축기는 나머지 응축된 가스를 수용 및 압축하고, 압축된 가스를 압력 변동 흡착 유닛에 공급한다. 압력 변동 흡착 유닛은 수소 스트림과 CO2 스트림을 분리한다. CO2 스트림은 CO2를 액화하도록 구성된 제2 압축기에 의해 수용된다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "대략", "약", "실질적으로", 및 유사한 용어는 이 개시내용의 주제가 관련된 이 기술분야의 당업자에 의한 일반적이고 허용된 사용법과 조화되어 넓은 의미를 갖는 것으로 의도된다. 이 개시내용을 검토하는 이 기술분야의 당업자에 의해, 이들 용어는 제공된 정확한 수치 범위에 이들 특징의 범위를 제한하지 않으면서 기술 및 청구된 특정한 특징의 설명을 허용하도록 의도되었음이 이해되어야만 한다. 따라서, 이들 용어는, 기술 및 청구된 주제의 실질적이지 않거나 중요하지 않은 변형 또는 변경이 첨부된 청구항에 열거된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다고 나타내는 것으로 해석되어야 한다.
본원에 사용된 "결합된", "연결된" 등의 용어는, 2개의 부재를 서로 직접 또는 간접적으로 결합시키는 것을 의미한다. 이러한 결합은 고정식(예를 들어, 영구적인) 또는 이동식(예를 들어, 분리 가능 또는 해제 가능한)일 수 있다. 이러한 결합은, 2개의 부재 또는 서로 하나의 단일체(single unitary body)로서 일체형으로 형성되어 있는 2개의 부재와 임의의 추가 중간 부재로 이루어지거나, 또는 2개의 부재 또는 서로 부착되어 있는 2개의 부재와 임의의 추가 중간 부재로 이루어질 수 있다.
본원에서 요소(예를 들어, "상단", "하단", "상기", "아래" 등)의 위치에 대한 참조는, 단지 도면에서 여러 요소의 배향을 기술하기 위해 사용된다. 여러 요소의 배향은 다른 예시적인 실시예에 따라 다를 수 있고, 이러한 변화는 본 개시내용에 의해 포함되는 것으로 의도된다는 것에 주목해야 한다.
여러 예시적인 실시예의 구성과 배열은 단지 예시적인 것임을 주목하는 것이 중요하다. 단지 몇몇 실시예가 이 기재내용에서 상세히 설명되었지만, 이 개시내용을 검토하는 이 기술분야의 당업자는 본원에 기술된 주제의 새로운 교시와 이점에서 실질적으로 벗어나지 않으면서 많은 변형예(예를 들어, 여러 요소의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율의 변화, 파라미터의 값, 설치 배열, 재료의 사용, 색, 배향 등)가 가능하다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들어, 일체형으로 형성된 것으로 도시된 요소는 다수의 부품 또는 요소로 구성될 수 있고, 요소의 위치는 반대로 되거나 또는 다르게 변할 수 있으며, 별개의 요소 또는 위치의 성질 또는 수는 바뀌거나 또는 변할 수 있다. 임의의 공정 또는 방법 단계의 순서 또는 차례는 대안적인 실시예에 따라 변하거나 또는 재배열될 수 있다. 다른 대체, 변형, 변경 및 생략은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 여러 예시적인 실시예의 설계, 작동 조건 및 배열에서 또한 일어날 수 있다. 예를 들어, 열 회수 열 교환기는 추가로 최적화될 수 있다.

Claims (22)

  1. 연료 전지 시스템에 있어서,
    제1 애노드(anode)와 제1 캐소드(cathode)를 포함하되, 상기 제1 애노드는 제1 애노드 배기 가스(anode exhaust gas)를 배출하도록 구성된, 제1 연료 전지;
    상기 제1 애노드 배기 가스 및 제1 공기 공급기(air supply)로부터의 공기를 수용하고, 선택적 산화 반응(preferential oxidation reaction)에서 상기 제1 애노드 배기 가스와 상기 공기를 반응시키며, 산화된 가스를 배출하도록 구성된 제1 산화제(oxidizer);
    전기 화학적 수소 분리기로서 작용하도록 구성되어 있되,
    상기 제1 산화제로부터의 상기 산화된 가스를 수용하고 제2 애노드 배기 가스를 배출하도록 구성된 제2 애노드와;
    수소 스트림(hydrogen stream)을 배출하도록 구성된 제2 캐소드를
    포함하는, 제2 연료 전지; 및
    상기 제2 애노드 배기 가스를 수용하고 물과 CO2를 분리하도록 구성된 응축기(condenser)를
    포함하는, 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 응축기는 CO2를 배출하고, 상기 응축기로부터의 상기 CO2 배출물을 수용 및 액화하도록 구성된 압축기를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 캐소드로부터의 상기 수소 스트림의 제1 부분 및 제2 공기 공급기로부터의 공기를 수용하고, 산화된 수소 스트림을 배출하도록 구성된 제2 산화제를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 산화된 수소 스트림으로부터의 열을 수용하고 상기 제1 캐소드에 의해 수용된 캐소드 유입구 스트림(cathode inlet stream)으로 열을 전달하도록 구성된 열 교환기를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1 애노드는 상기 제2 캐소드로부터 상기 수소 스트림의 제2 부분을 수용하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 애노드 배기 가스를 수용 및 냉각시키고 제1 부분적으로 냉각된 가스를 배출하도록 구성된 제1 열 교환기;
    상기 제1 부분적으로 냉각된 가스를 수용하고, 상기 제1 부분적으로 냉각된 가스 상의 제1 온도에서 제1 CO 시프트 반응(shift reaction)을 수행하며, 제1 시프트된 가스를 배출하도록 구성된 제1 CO 시프트 반응기(shift reactor);
    상기 제1 시프트된 가스를 수용 및 냉각시키고, 제2 부분적으로 냉각된 가스를 배출하도록 구성된 제2 열 교환기;
    상기 제2 부분적으로 냉각된 가스를 수용하고, 상기 제2 부분적으로 냉각된 가스 상의 제2 온도에서 제2 CO 시프트 반응을 수행하며, 제2 시프트된 가스를 배출하도록 구성된 제2 CO 시프트 반응기; 및
    상기 제2 시프트된 가스를 수용 및 냉각시키고, 냉각된 가스를 배출하도록 구성된 제3 열 교환기를
    포함하고;
    상기 제1 산화제에서 수용된 상기 제1 애노드 배기 가스는 상기 제3 열 교환기로부터 배출된 상기 냉각된 가스이고;
    상기 제1 온도는 상기 제2 온도보다 더 높은, 연료 전지 시스템.
  7. 연료 전지 배기(fuel cell exhaust)를 가공처리하는 방법에 있어서,
    제1 산화제에서, 제1 연료 전지의 제1 애노드로부터의 제1 애노드 배기 가스와 제1 공기 공급기로부터의 공기를 수용하는 단계;
    상기 제1 산화제로부터의 산화된 가스를 배출하는 단계;
    제2 애노드와 제2 캐소드를 갖는 제2 연료 전지에서, 상기 제2 애노드에서 상기 산화된 가스를 수용하고, 상기 산화된 가스 중의 수소를 전기 화학적으로 분리하며, 상기 제2 캐소드로부터 수소 스트림을 배출하고, 상기 제2 애노드로부터 제2 애노드 배기 가스를 배출하는 단계를
    포함하는, 연료 전지 배기를 가공처리하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    응축기에서, 상기 제2 애노드 배기 가스를 수용하고 상기 제2 애노드 배기 가스 중의 물과 CO2를 분리하는 단계; 및
    압축기에서, 상기 응축기로부터 CO2를 수용하고 액화된 CO2를 배출하는 단계를
    더 포함하는, 연료 전지 배기를 가공처리하는 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    제1 열 교환기에서, 상기 제1 애노드 배기 가스를 냉각시키고 제1 부분적으로 냉각된 가스를 배출하는 단계;
    제1 CO 시프트 반응기에서, 상기 제1 부분적으로 냉각된 가스 상의 제1 온도에서 제1 CO 시프트 반응을 수행하고 제1 시프트된 가스를 배출하는 단계;
    제2 열 교환기에서, 상기 제1 시프트된 가스를 냉각시키고 제2 부분적으로 냉각된 가스를 배출하는 단계;
    제2 CO 시프트 반응기에서, 상기 제2 부분적으로 냉각된 가스 상의 제2 온도에서 제2 CO 시프트 반응을 수행하고 제2 시프트된 가스를 배출하는 단계; 및
    제3 열 교환기에서, 상기 제2 시프트된 가스를 냉각시키고 냉각된 가스를 배출하는 단계를
    더 포함하고;
    상기 제1 산화제에서 수용된 상기 제1 애노드 배기 가스는 상기 제3 열 교환기로부터 배출된 상기 냉각된 가스이고;
    상기 제1 온도는 상기 제2 온도보다 더 높은, 연료 전지 배기를 가공처리하는 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 산화된 가스를 상기 제2 애노드에 공급하기 전에 열 교환기에서 상기 산화된 가스를 냉각시키는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 배기를 가공처리하는 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    제2 산화제에서, 상기 수소 스트림의 제1 부분과 제2 공기 공급기로부터의 공기를 수용하고 산화된 수소 스트림을 배출하는 단계; 및
    상기 산화된 수소 스트림으로부터의 열을 상기 제1 캐소드에 의해 수용된 캐소드 유입구 스트림으로 전달하는 단계를
    더 포함하는, 연료 전지 배기를 가공처리하는 방법.
  12. 연료 전지 시스템에 있어서,
    애노드와 캐소드를 포함하되, 상기 애노드는 애노드 배기 가스를 배출하도록 구성된, 연료 전지;
    상기 애노드 배기 가스를 수용 및 응축하고, 상기 애노드 배기 가스로부터 물을 분리시켜 건조된 애노드 배기 가스를 형성하며, 상기 물과 상기 애노드 배기 가스를 별도로 배출하는 응축기; 및
    상기 건조된 애노드 배기 가스를 수용하고 수소 스트림 및 개별 CO2 스트림을 배출하도록 구성된 압력 변동 흡착 유닛(pressure swing adsorption unit)을
    포함하는, 연료 전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 응축기로부터 상기 CO2 스트림을 수용 및 액화하도록 구성된 압축기를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 압력 변동 흡착 유닛으로부터의 상기 수소 스트림의 제1 부분과 공기 공급기로부터의 공기를 수용하고, 산화된 수소 스트림을 배출하도록 구성된 산화제를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 산화된 수소 스트림으로부터의 열을 수용하고 상기 캐소드에 의해 수용된 캐소드 유입구 스트림으로 열을 전달하도록 구성된 열 교환기를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 상기 애노드는 상기 수소 스트림의 제2 부분을 수용하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 애노드 배기 가스를 수용 및 냉각시키고 제1 부분적으로 냉각된 가스를 배출하도록 구성된 제1 열 교환기;
    상기 제1 부분적으로 냉각된 가스를 수용하고, 상기 제1 부분적으로 냉각된 가스 상의 제1 온도에서 제1 CO 시프트 반응을 수행하며, 제1 시프트된 가스를 배출하도록 구성된 제1 CO 시프트 반응기;
    상기 제1 시프트된 가스를 수용 및 냉각시키고, 제2 부분적으로 냉각된 가스를 배출하도록 구성된 제2 열 교환기; 및
    상기 제2 부분적으로 냉각된 가스를 수용하고, 상기 제2 부분적으로 냉각된 가스 상의 제2 온도에서 제2 CO 시프트 반응을 수행하며, 제2 시프트된 가스를 배출하도록 구성된 제2 CO 시프트 반응기를
    더 포함하고;
    상기 응축기에서 수용된 상기 애노드 배기 가스는 상기 제2 CO 시프트 반응기로부터 배출된 상기 제2 시프트된 가스이고;
    상기 제1 온도는 상기 제2 온도보다 더 높은, 연료 전지 시스템.
  18. 연료 전지 배기를 가공처리하는 방법에 있어서,
    응축기에서, 연료 전지의 애노드로부터 애노드 배기 가스를 수용하고, 건조된 애노드 배기 가스 스트림을 배출하며, 물 스트림(water stream)을 별도로 배출하는 단계;
    제1 압축기에서, 상기 건조된 애노드 배기 가스 스트림을 압축하고 압축된 애노드 배기 가스 스트림을 배출하는 단계; 및
    압력 변동 흡착(PSA) 유닛에서, 압축된 애노드 배기 가스 스트림을 수용하고, 수소 스트림을 배출하며, CO2 스트림을 별도로 배출하는 단계를
    포함하는, 연료 전지 배기를 가공처리하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 압축기에서, 상기 PSA 유닛으로부터의 상기 CO2 스트림을 수용하고 액화된 CO2를 배출하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 배기를 가공처리하는 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    제1 열 교환기에서, 상기 애노드 배기 가스를 냉각시키고 제1 부분적으로 냉각된 가스를 배출하는 단계;
    제1 CO 시프트 반응기에서, 상기 제1 부분적으로 냉각된 가스 상의 제1 온도에서 제1 CO 시프트 반응을 수행하고 제1 시프트된 가스를 배출하는 단계;
    제2 열 교환기에서, 상기 제1 시프트된 가스를 냉각시키고 제2 부분적으로 냉각된 가스를 배출하는 단계; 및
    제2 CO 시프트 반응기에서, 상기 제2 부분적으로 냉각된 가스 상의 제2 온도에서 제2 CO 시프트 반응을 수행하고 제2 시프트된 가스를 배출하는 단계를
    더 포함하고;
    상기 응축기에서 수용된 상기 애노드 배기 가스는 상기 제2 CO 시프트 반응기로부터 배출된 상기 제2 시프트된 가스이고;
    상기 제1 온도는 상기 제2 온도보다 더 높은, 연료 전지 배기를 가공처리하는 방법.
  21. 제18항에 있어서, 열 교환기에서 상기 건조된 애노드 배기 가스 또는 압축된 애노드 배기 가스 중 적어도 하나를 냉각시키는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 배기를 가공처리하는 방법.
  22. 제18항에 있어서,
    산화제에서, 상기 수소 스트림의 제1 부분과 공기 공급기로부터의 공기를 수용하고 산화된 수소 스트림을 배출하는 단계; 및
    상기 산화된 수소 스트림으로부터의 열을 상기 캐소드에 수용된 캐소드 유입구 스트림으로 전달하는 단계를
    더 포함하는, 연료 전지 배기를 가공처리하는 방법.
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