KR20220035385A - 통합된 전력 생산, 이산화탄소 분리 및 하류 처리 시스템과 방법 - Google Patents

통합된 전력 생산, 이산화탄소 분리 및 하류 처리 시스템과 방법 Download PDF

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Abstract

통합된 전력 생산 및 배기 처리 시스템은, 전력을 생산하고 연료 전지 시스템으로부터 출력된 배기에 포함된 CO2를 분리하도록 구성되는 연료 전지 시스템과, 상기 연료 전지 시스템으로부터 출력된 배기로부터 분리된 CO2를 격리하는 것 또는 조밀화하는 것 중의 적어도 하나를 하도록 구성되는 배기 처리 시스템을 포함한다.

Description

통합된 전력 생산, 이산화탄소 분리 및 하류 처리 시스템과 방법
본 발명은 일반적으로 연료 전지 시스템 분야에 관한 것으로, 특히 이산화탄소 제거 및 하류 처리 컴포넌트들과 통합된 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 연료에 저장된 에너지를 전기 에너지 효율로 변환할 수 있는 전기화학 장치다. 고온 연료 전지에는 고체 산화물 및 용융 탄산염 연료 전지가 포함된다. 이러한 연료 전지는 수소 및/또는 탄화수소 연료를 사용하여 작동할 수 있다. 산화된 연료가 전기 에너지를 입력으로 사용하여 산화되지 않은 연료로 다시 환원될 수 있도록, 역작동(reversed operation)도 허용하는 고체 산화물 재생 연료 전지와 같은 연료 전지의 유형들이 존재한다.
본 개시내용의 다양한 실시예는, 연료 전지 시스템으로부터 출력된 배기에 포함된 CO2를 분리하고, 전력을 생산하도록 구성된 연료 전지 시스템과, 연료 전지 시스템으로부터의 배기 출력으로부터 분리된 CO2를, 격리 또는 조밀화(densify) 중 적어도 하나를 하도록 구성된 배기 처리 시스템을 포함하는 통합된 전력 생산 및 배기 처리 시스템을 제공한다.
본 개시내용의 다양한 실시예는, 연료 전지 시스템의 작동 방법으로서, 연료 전지 시스템에 연료를 제공하는 단계, 전력 및 연료 배기 스트림을 생산하도록 연료 전지 시스템을 작동시키는 단계, CO2 함유 배기 및 정제된 배기를 생성하기 위해 이산화탄소 분리 장치를 사용하여 연료 배기 스트림으로부터 CO2를 분리하는 단계, 분리된 CO2 함유 배기를 배기 처리 시스템에 제공하고, 배기 처리 시스템을 사용하여 CO2 함유 배기 내 CO2를 격리 또는 조밀화 중 적어도 하나를 하는 단계를 포함하는, 상기 연료 전지 시스템의 작동 방법을 제공한다.
본 개시내용의 다양한 실시예는, 연료 전지 시스템에 연료를 제공하는 단계, 전력 및 연료 배기 스트림을 생성하도록 연료 전지 시스템을 작동시키는 단계, CO2 함유 배기 및 정제된 배기를 생성하기 위해 이산화탄소 분리 장치를 사용하여 연료 배기 스트림으로부터 CO2를 분리하는 단계; 및 분리된 CO2 함유 배기 및 고체 CaO를 NaOH 함유 용액에 제공하여, CO2 가스가 NaOH(l)와 반응하여 Na2CO3(l) 및 물을 형성하고, CaO(s)이 물과 반응하여 Ca(OH)2(l)를 형성하고, 및 Na2CO3(l) 및 Ca(OH)2(l)가 반응하여, 고체 CaCO3 및 NaOH(l)를 침전시키도록 한다. NaOH(l)는, 추가 CO2 가스와 반응하기 위해 공정으로 다시 재순환될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 1b는 도 1a의 이산화탄소 분리기의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예와 함께 사용할 수 있는 이산화탄소 분리기의 개략도이다.
도 3 및 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 통합된 연료 전지 전력 생산 및 CO2 처리 시스템의 개략도이다.
도 6은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 통합된 연료 전지 전력 생산 및 CO2 처리 시스템의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 CO2 고정 공정(fixation process)의 개략도이다.
도 8은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, CO2 포집(capture)을 포함하는 연료 전지 전력 시스템에서 열 및/또는 물 회수를 도시하는 개략도이다.
도 9a는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 선박의 조합된 LNG 연료 전지 전력 및 배기 처리 시스템의 개략도이고, 도 9b는 시스템의 배기 처리 시스템의 컴포넌트를 도시하는 개략도이다.
본 발명의 실시예는 이산화탄소 분리 장치가, 가령 고체 산화물 연료 전지 시스템과 같은 연료 전지 시스템과 함께 사용될 수 있는 방법을 예시한다. 추가 실시예는, 전력 생산, 이산화탄소 분리 및 하류(downstream) 처리가 통합된 시스템을 설명한다. 추가적인 실시예는 CO2-분리 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 전력 생산기가, 하류 장비의 존재 하에 SOFC 전력 생산기의 지속적인 작동을 허용하는 하류 장비와 통합되는 시스템을 예시한다. 가령, 용융 탄산염 시스템과 같은 다른 연료 전지 시스템도 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)을 도시한다. 바람직하게는, 시스템(100)은, 가령 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템과 같은 고온 연료 전지 스택 시스템이다. 시스템(100)은, 연료 전지(즉, 방전 또는 전력 생산) 및 전기분해(즉, 충전) 모드 모두에서 작동하는, 가령 고체 산화물 재생 연료 전지(solid oxide regenerative fuel cell; SORFC) 시스템과 같은 재생 시스템일 수 있거나, 연료 전지 모드에서만 작동하는 비재생식 시스템일 수 있다.
시스템(100)은 고온 연료 전지 스택(106)을 포함한다. 스택은 복수의 SOFC 또는 SORFC를 포함할 수 있다. 고온 연료 전지 스택(106)은, 가령 이트리아 또는 스칸디아 안정화 지르코니아와 같은 세라믹 전해질, 가령 니켈 안정화 지르코니아 서멧과 같은 애노드 전극, 및 가령, 란탄 스트론튬 망가나이트와 같은 캐소드 전극을 포함하는 스택의 하나의 고체 산화물 연료 전지를 보여주도록 개략적으로 도시되었다. 각 연료 전지에는: 전해질, 전해질 애노드 챔버의 일측에 있는 애노드 전극, 캐소드 챔버의 전해질의 다른 측에 있는 캐소드 전극뿐만 아니라, 분리 플레이트/전기 접촉부, 연료 전지 하우징 및 절연체와 같은 다른 컴포넌트가 포함된다. 연료 전지 모드에서 작동하는 SOFC에서, 가령 공기 또는 산소 가스와 같은 산화제는, 캐소드 챔버로 들어가고, 수소 또는 탄화수소 연료와 같은 연료는 애노드 챔버로 들어간다. 적절한 연료 전지 설계 및 컴포넌트 재료가 사용될 수 있다. 시스템(100)은, 애노드 테일 가스 산화기(ATO) 반응기(116), 재순환 송풍기(122), 및 캐니스터(canister) 이산화탄소 트랩(126)을 더 포함한다.
시스템(100)은 다음과 같이 동작한다. 연료 유입 스트림은 연료 유입 도관(102)을 통해 연료 전지 스택(106) 내로 제공된다. 연료는: 메탄, 수소 및 다른 가스를 갖는 메탄을 함유하는 천연 가스, 프로판 또는 다른 바이오가스, 또는 탄소 연료의 혼합물, 가령 일산화탄소, 산소첨가된 탄소 함유 가스, 가령 메탄올, 또는 산소 함유 가스를 갖는 다른 탄소 함유 가스, 가령 수증기, 수소 가스 또는 다른 혼합물을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는 수소 연료 또는 탄화수소 연료와 같은 임의의 적절한 연료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 혼합물은 석탄 또는 천연 가스 개질물에서 파생된 합성 가스를 포함할 수 있다. 연료 유입 도관(102)은 연료 유입 스트림을 연료 전지 스택(106)의 애노드 측에 제공한다.
공기 또는 다른 산소 함유 가스는, 공기 유입 도관(104)을 통해 스택(106) 내로 제공된다. 공기 유입 도관(104)은 연료 전지 스택(106)의 캐소드 측에 공기를 제공한다.
연료 및 산화제가 연료 전지 스택(106) 내로 제공되면, 스택(106)은 전기 및 연료 배기 스트림을 생성하도록 작동된다. 연료 배기 스트림에는: 수소, 수증기, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄과 같은 일부 미반응 탄화수소 가스, 다른 반응 부산물 및 불순물이 포함될 수 있다.
연료 배기 스트림(즉, 스택 애노드 배기 스트림)은 연료 배기 도관(110)을 통해 스택(106)으로부터 제공된다. 공기 배기 스트림(즉, 스택 캐소드 배기 스트림)은, 공기 배기 도관(112)을 통해 스택 공기 배기 방출구로부터 제공된다. 연료 배기 도관(110)은 연료 배기 스트림의 일부를 ATO 입력 도관(114)을 통해 ATO 반응기(116)에 제공하고, 연료 배기 스트림의 일부를 재순환 도관(120)을 통해 재순환시키도록 구성된다. ATO 반응기(116)에 제공되고 재순환 도관(120)을 통해 재순환되는 연료 배기의 부분은 변화할 수 있다. 예를 들어, 연료 배기의 10%가 ATO 반응기(116)에 제공되고 90%가 재순환될 수 있다. 대안적으로, 연료 배기의 50%가 ATO 반응기(116)에 제공될 수 있는 반면, 50%가 재순환된다. 또한, 연료 배기의 90% 이상을 ATO 원자로에 공급하고, 10% 이하를 재순환시킬 수 있다. 도관(120)으로 제공되는 재순환된 연료의 양은, 송풍기(122) 전력 또는 송풍 속도에 의해 제어된다. 도관(114, 120)으로 제공되는 연료 배기 스트림은, 동일한 조성 또는 함량의 수소, 일산화탄소, 물 및 이산화탄소를 함유할 수 있다. 공기 배기 도관(112)은 공기 배기 스트림을 ATO 반응기(116)에 제공하도록 구성된다.
ATO 반응기(116)는 ATO 입력 도관(114) 및 도관(112)을 통해 각각 연료 배기 스트림 및 공기 배기 스트림을 수용한다. ATO 반응기는, 연료 배기 스트림과 공기 배기 스트림을 결합하여 애노드 테일 가스를 산화시키고, 가열된 산화 연료(즉, 반응기 배기)를 ATO 배기 도관(118)으로 출력한다.
재순환 송풍기(122)는, 재순환 도관(120)에 연결되어 재순환 도관(120)으로부터 재순환 도관(124)을 통해 이산화탄소 캐니스터 트랩(126)으로 재순환 연료 배기 스트림을 제공한다. 재순환 송풍기(122)는, 컴퓨터나 오퍼레이터에 의해 제어될 수 있고, 이산화탄소 캐니스터 트랩(126)에 제공되는 재순환 연료 배기 스트림의 양 및/또는 비율을 변경할 수 있으며, 또한 스택(106)으로 다시 제공되는 이산화탄소가 없거나 이산화탄소가 고갈된 재순환 연료 배기 스트림의 양 및/또는 비율을 변경할 수 있다. 따라서, 재순환 송풍기(122)는 시스템(100)에서 전체 재순환 비율을 증가 또는 감소시키기 위해 사용될 수 있다.
이산화탄소 캐니스터 트랩(126)은, 가령 소모성 이산화탄소 트랩과 같은 임의의 유형의 이산화탄소 트랩일 수 있다. 이산화탄소 캐니스터 트랩(126)은 이산화탄소 도관을 갖지 않는다. 대신, 이산화탄소 캐니스터 트랩(126)은 이산화탄소로 채워질 때, 오퍼레이터에 의해 SOFC 시스템으로부터 물리적으로 제거되고 깨끗한 트랩으로 교체된다. 이산화탄소 캐니스터 트랩(126)은 재순환 송풍기(122)의 하류에 배치될 수 있고, 이산화탄소 캐니스터 트랩(126)이 일상적으로 교체될 수 있는 한 고온 박스(hot box) 수명을 연장하는데 사용될 수 있다. 이산화탄소 캐니스터 트랩(126)은 재순환 연료 배기 스트림으로부터 이산화탄소를 제거한다. 바람직하게는, 이산화탄소 캐니스터 트랩(126)은, 재순환 연료 배기 스트림으로부터 실질적으로 모든 이산화탄소를 제거한다. 이산화탄소 캐니스터 트랩(126)은: 재순환 연료 배기 스트림 내 이산화탄소 중 50% 미만, 또는 50% 초과, 예를 들어 50% 내지 60%, 60% 내지 70%, 70% 내지 80%, 80% 내지 90%, 또는 90% 내지 100%, 가령 약 98%, 약 99% 또는 약 99.5%를 제거할 수 있다. 이산화탄소 캐니스터 트랩(126)은 이산화탄소 수집 컴포넌트를 매일 교체해야 하거나, 다른 적절한 교체 주기가 필요할 수 있다. 우회 밸브(bypass valve) 및 도관(미도시)은, 전력 생산의 중단 없이 이산화탄소 캐니스터 트랩(126)을 교체할 수 있도록 제공될 수 있다. 바람직하게는 이산화탄소 캐니스터 트랩(126)은, 서비스 인력이 쉽게 접근할 수 있도록 연료 스택(106)을 포함하는 고온 박스 외부에 위치된다. 이산화탄소 캐니스터 트랩(126)은 고온 박스를 포함하는 시스템 하우징에 위치될 수 있다.
도 1b는 도 1a의 이산화탄소 캐니스터 트랩(126)의 개략도를 도시한다. 이산화탄소 캐니스터 트랩(126)은 도 1b에 더 자세히 도시되어 있다. 이산화탄소 캐니스터 트랩(126)은 2개의 이산화탄소 캐니스터 트랩(126A, 126B)으로 구성될 수 있다. 밸브(125)는, 재순환 도관(124)으로부터 이산화탄소 캐니스터 트랩(126A 또는 126B) 중 하나 또는 둘 모두로 재순환 연료 배기 스트림의 전환(diversion)을 허용하도록 제공될 수 있다. 추가적으로, 밸브(125)는 재순환 연료 배기 스트림이 이산화탄소 캐니스터 트랩(126A, 126B) 중 하나 또는 둘 모두로 흐르는 것을 방지할 수 있다. 이산화탄소 캐니스터 트랩(126A, 126B)은 재순환 연료 배기 스트림으로부터 이산화탄소를 제거한다. 밸브(127)는, 재순환 도관(128)으로부터 이산화탄소 캐니스터 트랩(126A, 126B)의 격리를 허용하기 위해 제공될 수 있다. 밸브(125) 및 밸브(127)의 작동은, 시스템 오퍼레이터가 재순환된 연료 배기를, 이산화탄소 캐니스터 트랩(126A, 126B)들 중 하나, 둘 다로 동시에 통과시키거나 둘 모두를 통과시키지 않는 것을 허용할 수 있다. 밸브(125) 및 밸브(127)는 시스템(100)으로부터 이산화탄소 캐니스터 트랩(126A, 126B) 중 어느 하나를 격리시키도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 이산화탄소 캐니스터 트랩(126B)은 격리되어 교체될 수 있는 한편, 이산화탄소 트랩(126A)은 계속 기능할 수 있으며, 그 반대도 마찬가지이다. 이러한 격리는, 전력 생산의 중단 없이, 트랩 교체 또는 다른 유지 관리를 용이하게 하거나 이산화탄소 제거 속도를 조절할 수 있다.
도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 감소된 양의 이산화탄소와 함께 정제된 재순환 연료 배기 스트림은, 재순환 도관(128)을 통해 연료 스택(106)을 위한 연료 유입 스트림으로 다시 제공된다. 연료 유입 스트림 내로 이산화탄소가 고갈된 연료 배기를 재순환시키는 것은 연료 전지 스택(106)의 성능을 향상시킨다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기화학적 이산화탄소 분리기(226)를 도시한다. 전기화학적 이산화탄소 분리기(226)는, 본 발명의 실시예들과 함께 사용될 수 있는 이산화탄소 분리기의 한 유형이다. 전기화학적 이산화탄소 분리기(226)는 전기분해 모드(즉, 인가된 전위로)에서 작동되는 용융 탄산염 연료 전지일 수 있다.
전기화학적 이산화탄소 분리기(226)는 재순환 도관(224)을 통해 유입되는 재순환 연료 배기 스트림을 수용할 수 있다. 재순환 연료 배기 스트림은: 수소, 이산화탄소, 물, 및 이산화탄소로 구성될 수 있다. 재순환 도관(224)은 전기화학적 이산화탄소 분리기(226)의 애노드(206) 챔버에 결합될 수 있다. 공기는 공기 입력 도관(202)을 통해 전기화학적 이산화탄소 분리기(226)에 제공되고, 전기화학적 이산화탄소 분리기(226)를 정화(purge)하는데 사용된다. 전기화학적 이산화탄소 분리기(226)에 전원(204)으로부터의 전기가 공급되어, 전기화학적 이산화탄소 분리기(226)를 전해조 모드에서 작동시킨다. 일실시예에서, 전원(204)은 연료 전지 스택(106)을 포함할 수 있다. 인가된 전류는, 하기의 반응에 따라 전해질(208)을 통해 애노드(206)로부터 캐소드(210)로 탄산 이온(CO3 -2)을 전달한다:
애노드: 2H2O -> 2H2 + O2 O2 + 2CO2 + 2e- -> CO3 -2
캐소드: CO3 -2 -> O2 + 2CO2 + 2e-
캐소드(210) 챔버는 이산화탄소 도관(214)에 연결되고, 재순환 연료 배기 스트림으로부터 추출된 이산화탄소는, 이산화탄소 도관(214)을 통해 전기화학적 이산화탄소 분리기(226)를 빠져나간다.
애노드(206) 챔버는 정제된 재순환 연료 배기 스트림 도관(212)에 추가로 결합된다. 정제된 애노드 배기 도관(212)을 통해 이산화탄소 분리기 애노드(206) 챔버를 나가는 정제된 재순환 연료 배기 스트림은, 재순환 도관(224)을 통해 이산화탄소 분리기(226)에 들어가는 재순환 연료 배기 스트림보다 더 적은 이산화탄소를 함유한다. 전체 조성의 백분율로서, 정제된 재순환 연료 배기 스트림 도관(212)의 정제된 재순환 연료 배기 스트림은, 재순환 도관(224)을 통해 이산화탄소 분리기(206)로 들어가는 재순환 연료 배기 스트림보다 더 큰 비율의 수소를 함유한다. 바람직하게는, 전기화학적 이산화탄소 분리기(226)는, 재순환 연료 배기 스트림으로부터 실질적으로 모든 이산화탄소를 제거한다. 전기화학적 이산화탄소 분리기(226)는: 재순환 연료 배기 스트림으로부터 이산화탄소 중 50% 미만, 또는 50% 초과, 예를 들어 50% 내지 60%, 60% 내지 70%, 70% 내지 80%, 80% 내지 90%, 또는 90% 내지 100%, 가령 약 98%, 약 99%, 또는 약 99.5%를 제거할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 시스템(300)을 도시한다. 시스템(300)은 도 1a에 도시된 시스템(100)과 유사하고, 다수의 공통 컴포넌트를 포함한다. 두 시스템(100, 300)에 공통인 컴포넌트는, 도 1a 및 도 3에서 동일한 번호로 번호가 매겨지고, 더 이상 설명되지 않을 것이다.
시스템(100)과 시스템(300) 사이의 한 가지 차이점은 시스템(300)이 이산화탄소 캐니스터 트랩(126)과 대조적으로 이산화탄소 분리기(326)를 사용할 수 있다는 것이다. 이산화탄소 분리기(326)는, 가령 상기 도 2와 관련하여 논의된 이산화탄소 멤브레인 분리기 또는 전기화학적 이산화탄소 분리기와 같은 임의의 유형의 이산화탄소 분리기일 수 있다. 시스템(100)과 시스템(300) 사이의 또 다른 차이점은 시스템(300)이 이산화탄소를 제거하기 위해 이산화탄소 분리기(326)의 수집 측을 청소(sweep)하기 위하여, ATO 배기 또는 SOFC 캐소드 배기를 이용할 수 있다는 것이다. 시스템(100)과 시스템(300) 사이의 추가적인 차이점은, 시스템(300)이 이산화탄소 분리기(326) 수집 측 가스를 물로 바이어싱(bias)할 수 있다는 점이다.
재순환 도관(124)은 이산화탄소 분리기(326)에 연결될 수 있다. 재순환 연료 배기 스트림은, 재순환 도관(124)을 통해 이산화탄소 분리기(326)로 유입되고, 이산화탄소는 재순환 연료 배기 스트림으로부터 제거되어 정제된(예를 들어, 이산화탄소가 고갈된) 재순환 연료 배기 스트림을 생산한다. 이산화탄소 분리기(326)를 빠져나가는 정제된 재순환 연료 배기 스트림은, 재순환 도관(124)을 통해 이산화탄소 분리기(326)로 들어간 재순환 연료 배기 스트림보다 더 적은 이산화탄소를 함유한다. 전체 조성의 백분율로서, 정제된 재순환 연료 배기 스트림은, 재순환 도관(124)을 통해 이산화탄소 분리기(326)로 들어가는 재순환 연료 배기 스트림보다 더 높은 퍼센티지의 수소를 함유한다. 바람직하게는, 이산화탄소 분리기(326)는 재순환 연료 배기 스트림으로부터 실질적으로 모든 이산화탄소를 제거한다. 이산화탄소 분리기(326)는: 재순환 연료 배기 스트림으로부터 이산화탄소의 50% 미만, 또는 50% 초과, 예컨대 50% 내지 60%, 60% 내지 70%, 70% 내지 80%, 80% 내지 90%, 또는 90% 내지 100%, 가령 약 98%, 약 99%, 또는 약 99.5%를 제거할 수 있다.
이산화탄소 분리기(326)는 재순환 도관(334)에 결합된다. 감소된 양의 이산화탄소를 갖는 정제된 재순환 연료 배기 스트림은, 재순환 도관(334)에 의해 연료 유입 스트림으로 다시 제공된다. 환원된 이산화탄소 연료 배기를 연료 유입구로 재순환시키는 것은 연료 전지 스택(106)의 성능을 증가시킨다.
이산화탄소 선택시 이산화탄소 분리기(326)의 효율은, 탄소 분리기(326)의 수집 측에 물을 첨가함으로써, 이산화탄소 분리기(326)의 수집 측의 바이어싱에 의해 증가된다.
일실시예에서, ATO 반응기(116)로부터의 고온 배기는, 고온 배기 도관(118)을 통해, ATO 배기가 공기 유입 도관(104)을 통해 제공된 공기 유입 스트림과 열을 교환하는 캐소드 복열식 열교환기(336)로 전달된다. 열교환기는, 공기 유입 도관(104) 내 공기 온도를 상승시키는데 도움을 주고, 도관(118) 내 ATO 배기의 온도를 감소시켜서 멤브레인 가습기(membrane humidifier; 328)를 손상시키지 않도록 한다.
대안적인 실시예에서, SOFC 캐소드 배기의 전부 또는 일부는, 캐소드 복열식 열교환기(336)로 직접 전달될 수 있다. 밸브(349)는 캐소드 배기를 도관(112)으로부터 도관(350)으로 유도할 수 있다. 밸브(349)는 대안적으로 캐소드 배기의 일부를 도관(350)으로, 그리고 캐소드 배기의 일부를 ATO 반응기로 지향시키도록 구성되는 스플리터(도시되지 않음)일 수 있다. 밸브(351)는 도관(350)으로부터 수용된 캐소드 배기를 캐소드 복열식 열교환기(336) 쪽으로 향하게 하고, 캐소드 배기가 ATO 반응기(116)로 흐르는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 추가로, 밸브(351)는 배기로서 ATO 배기 및/또는 SOFC 캐소드 배기를 시스템(300) 밖으로 지향시키기 위해 도관(352)에 결합될 수 있다. 밸브(349, 351) 및 도관(350)의 활용은, SOFC 캐소드 배기 또는 ATO 배기, ATO 배기와 SOFC 캐소드 배기의 혼합물이 캐소드 복열식 열교환기(336)로 통과하게 하거나, 또는 ATO 배기도 SOFC 캐소드 배기도 이를 통과하지 못하게 할 수 있다.
열교환기(336)로부터, ATO 배기 도관(118)은 멤브레인 가습기(328)에 결합될 수 있다. 공기는 도관(118)을 통해 멤브레인 가습기(328)에 입력된다. 선택적으로, 공기는 또한, 멤브레인 가습기(328)에 결합된 공기 도관을 통해 멤브레인 가습기에 입력될 수 있다. 공기 도관(340)은, 송풍기, 팬 또는 압축기(미도시)에 의해 공급되는 공기를 공급할 수 있다.
작동시, 멤브레인 가습기(328)는 이산화탄소 분리기(326)로의 투입을 위해 공기 또는 산화된 연료 스트림을 가습한다. 멤브레인 가습기(328)는 고분자 멤브레인 가습기(polymeric membrane humidifier)를 포함할 수 있다.
물은 필요에 따라 물 도관(342)을 통해 멤브레인 가습기(328)에 투입될 수 있다. 물은 또한, 이산화탄소 분리기(326)와 멤브레인 가습기(332) 사이에 연결된 이산화탄소 도관(332)으로부터 멤브레인 가습기(328)에 의해 수집될 수 있다. 물은, 멤브레인 가습기(328)의 생성물측(328B)으로부터 수집측(328A)으로 멤브레인을 통과하여 침투한다. 도관(342)으로부터의 물은, 도관(118)으로부터의 ATO 배기와 함께 멤브레인 가습기(328)에서 혼합되고, 이제 습한 공기는 습한 공기 도관(330)으로 전달된다.
습한 공기 도관(330)은 이산화탄소 분리기(326)에 결합되고, 습한 공기 또는 ATO 배기는 이산화탄소 분리기(326)에 의한 이산화탄소의 분리를 바이어스시키는 데 사용된다. 반응에서 종래의 이산화탄소 분리기는 물을 자연적으로 선택하는 경우, 이산화탄소 분리기의 수집 측에 물의 존재는, 물의 선택을 감소시키고, 이산화탄소를 선택하기 위한 이산화탄소 분리기의 효율을 증가시킨다. 이러한 방식으로, 이산화탄소 분리기(326)의 수집 측으로 들어가는 공기 중의 물의 증가된 양은, 이산화탄소 분리기(326)를 바이어싱하여서, 재순환 연료 배기 스트림으로부터 이산화탄소를 선택한다. 바람직하게는, 습한 공기 또는 ATO 배기는, 재순환 연료 배기 스트림과 실질적으로 동일한 양의 물을 함유한다. 습한 공기 또는 ATO 배기는: 재순환 연료 배기 스트림에 포함된 물의 약 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20% 또는 10%를 함유할 수 있다. "약(about)"이라는 용어는, 가령 10% 이하, 바람직하게는 5% 이하의 변동과 같은 주어진 프로세스 변수에 기초한 변동을 제공한다. 습한 공기 또는 ATO 배기는 또한, 약 110%, 120%, 130%, 140%, 150%, 160%, 170%, 180%, 190% 또는 200%와 같이, 재순환 연료 배기 스트림에 포함된 물의 100% 초과를 포함할 수 있다.
따라서, 도관(330)은 습한 혼합물을, 수집 측(326A)으로 투입하고, 도관(332)은 이산화탄소 분리기(326)의 수집 측(326A)으로부터 이산화탄소 및 습한 혼합물을 출력한다. 도관(124)은 재순환된 연료 배출물을 생성물 측(326B)에 투입하고, 도관(334)은 이산화탄소 분리기(326)의 생성물 측(326B)으로부터 이산화탄소가 고갈된 배기를 출력한다.
따라서, 도관(340 및/또는 118)은 수집 측(328A)에 산화제를 제공하고 도관(330)은 멤브레인 가습기(328)의 수집 측(328A)으로부터 가습된 산화제를 출력한다. 도관(332)은 이산화탄소 및 습한 혼합물을 생성물 측(328B)에 투입하고, 도관(338)은 생성물 측(328B)으로부터 이산화탄소를 출력한다.
습한 공기 또는 ATO 배기 및 이산화탄소 혼합물은 이산화탄소 도관(332)을 통해 이산화탄소 분리기의 수집측으로부터 멤브레인 가습기(328)로 이동한다. 멤브레인 가습기(328)는, 습한 공기 혼합물로부터 물의 일부를 제거하고, 도관(338)을 통해 이산화탄소 및 공기를 출력한다. 상기 논의된 바와 같이, 멤브레인 가습기(328)에 의해 이산화탄소 도관(332)으로부터 제거된 물은, 멤브레인 가습기(328)로 들어가는 공기 또는 ATO 배출을 가습하는데 사용될 수 있다. 따라서, 시스템(300)은, 이산화탄소 분리기 수집 측을 청소하고/하거나 수집 가스를 물로 바이어스하기 위해, ATO 배기 또는 SOFC 캐소드 배기를 사용한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 시스템(400)을 도시한다. 시스템(400)은 도 1a에 도시된 시스템(100)과 유사하고 다수의 공통 컴포넌트를 포함한다. 두 시스템(100, 400)에 공통인 컴포넌트는, 도 1a 및 4에서 동일한 번호로 번호가 매겨지고, 더 이상 설명하지 않을 것이다.
시스템(100)과 시스템(400) 사이의 한 가지 차이점은, 시스템(400)이 이산화탄소 캐니스터 트랩(126)과 대조적으로 이산화탄소 멤브레인 분리기(426)를 사용할 수 있다는 점이다.
이산화탄소 멤브레인 분리기(426)는, 이산화탄소 멤브레인 분리기의 생성물 측(426B)(입력 측)으로부터 수집 측(426A)으로의 물 수송을 차단하기 위해, 맞춤형 멤브레인 구조(429)로 구성된 이산화탄소 멤브레인 분리기일 수 있다. 맞춤형 멤브레인 구조(생성물 측 물 블록)(429)는, 이산화탄소는 통과시키지만 물은 통과시키지 않는 재료로 구성될 수 있다. 생성물 측 물 차단 구성에 효과적인 것으로 밝혀진 재료 중 하나는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)(Teflon®)이다. 생성물 측 물 차단은, 축적 또는 차단을 통해 이산화탄소 멤브레인 분리기의 정화 공기로의 물 수송을 방해한다. 이산화탄소 멤브레인 분리기(426)는 전기화학적 이산화탄소 분리기와 유사한 방식으로 구성될 수 있지만, 작동하기 위해 전류의 입력을 필요로 하지 않는다.
재순환 도관(124)은 이산화탄소 멤브레인 분리기(426)에 결합될 수 있다. 재순환 연료 배기 스트림은, 재순환 도관(124)을 통해 이산화탄소 멤브레인 분리기(426)의 생성물 측(426B)으로 들어간다. 이산화탄소 멤브레인 분리기는, 재순환 연료 배기 스트림으로부터 이산화탄소를 제거한다. 앞서 논의된 바와 같이, 이산화탄소 멤브레인 분리기의 생성물 측 물 차단부(429)는, 물의 수송을 방해하므로 오로지 이산화탄소만이 수집 측(426A) 상의 이산화탄소 멤브레인 분리기(426)에 의해 수집된다. 바람직하게는, 이산화탄소 멤브레인 분리기(426)는 재순환 연료 배기 스트림으로부터 실질적으로 모든 이산화탄소를 제거한다. 이산화탄소 멤브레인 분리기(426)는: 50% 미만 또는 50% 초과, 예를 들어 50% 내지 60%, 60% 내지 70%, 70% 내지 80%, 80% 내지 90%, 또는 90% 내지 100%, 가령 약 98%, 약 99%, 또는 약 99.5%의 이산화탄소를 재순환 연료 배기 스트림으로부터 제거할 수 있다.
이산화탄소 멤브레인 분리기(426)의 수집 측(426A)을 빠져나가는 정제된 재순환 연료 배기 스트림은, 재순환 도관(124)을 통해 이산화탄소 분리기(426)의 생성물 측(426B)으로 유입된 재순환 연료 배기 스트림보다 더 적은 이산화탄소를 함유한다. 전체 조성의 백분율로서, 정제된 재순환 연료 배기 스트림은, 재순환 도관(124)을 통해 이산화탄소 분리기(426)로 들어가는 재순환 연료 배기 스트림보다 더 큰 백분율의 수소를 함유한다.
이산화탄소 멤브레인 분리기(426)의 생성물 측(426B)은 재순환 도관(434)에 결합된다. 감소된 양의 이산화탄소를 갖는 정제된 재순환 연료 배기 스트림은, 재순환 도관(434)에 의해 연료 유입 스트림으로 다시 제공된다. 감소된 이산화탄소 연료 배기를 연료 유입구로 재순환하면 연료 전지 스택(106)의 성능이 향상된다.
정화 공기(purge air)는 이산화탄소 멤브레인 분리기(426)의 수집 측(426A)에 동작가능하게 결합된 공기 도관(430)을 통해 이산화탄소 멤브레인 분리기(426)의 수집 측(426A)에 제공된다. 정화 공기는, 이산화탄소 멤브레인 분리기(426)의 수집 측(426A)으로부터 이산화탄소를 제거한다. 이산화탄소 멤브레인 분리기(426)는 출력 도관(432)에 동작가능하게 연결되고, 공기 및 이산화탄소 혼합물은, 이산화탄소 멤브레인 분리기(426)의 수집 측(426A)에서 출력 도관(432)으로 흐른다.
도 5 내지 도 9b는, 본 발명의 실시예에 따른 전력 생산, 이산화탄소 분리 및 하류 처리가 통합된 시스템의 개략도이다. 일부 실시예에서, 전력 생산 시스템은, 상술한 임의의 하나 이상의 이전 실시예들에서 설명되고 도 1a 내지 4에 도시된 연료 전지 시스템(100 내지 400)과 같은, 애노드 배기 스트림에서 CO2를 분리할 수 있는 연료 전지 시스템이다. 다른 연료 전지 시스템과 같은 다른 적절한 전력 생산 시스템이 또한 사용될 수 있다. 연료 전지 시스템은 CO2 처리를 위한 하류 장비와 통합된다. 다양한 실시예에 따르면, 시스템 및 방법은, 연료 전지 시스템 배기로부터 제공되는 CO2의 직접적인 하류 처리, 사용 및/또는 저장을 제공한다.
하류 응용들 및/또는 CO 2 저장
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 통합된 연료 전지 전력 생산 및 CO2 처리 시스템(500)의 개략도이다. 도 5를 참조하면, 시스템(500)은 CO2를 기체 상태에서 CO2의 더 높은 가치를 갖거나 또는 더 조밀하고 안정적인 저장을 갖는 다른 생성물로 변환시키는 하류 공정에서 CO2의 직접 처리를 허용한다.
특히, 시스템은, 가령 천연 가스 또는 고급 탄화수소와 같은 탄화수소 연료를 사용하여 작동하도록 구성된 SOFC 전력 생산 시스템과 같은 연료 전지 시스템(502)을 포함한다. 예를 들어, 연료 전지 시스템(502)은, 전술한 시스템(100, 200, 300 또는 400) 중 임의의 것, 또는 이산화탄소 분리기를 포함하는 다른 연료 전지 시스템을 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템(502)은 연료 도관(506)에 의해 연료 탱크 또는 가스 라인(예를 들어, 천연 가스 라인)과 같은 연료 공급원(504)에 유체 연결될 수 있다.
시스템(500)은 또한, 저장소(예를 들어, 수용 탱크 또는 축적기)(510) 및 CO2 격리 시스템 및/또는 압축기와 같은 CO2 처리기(520)를 포함하는 배기 처리 시스템(550)을 포함할 수 있다. 저장소(510)는, 연료 전지 시스템(502)의 하류에 직접 유체 연결되어, 연료 전지 시스템(502)으로부터 직접 배기 출력을 수용할 수 있다. 예를 들어, 배기 도관(508)은, 연료 전지 시스템(502)의 애노드 배기 방출구(예를 들어, 연료 전지 스택 애노드 배기에 유체 연결된 이산화탄소 분리기의 방출구)를 저장소(510)에 유체 연결할 수 있다.
특히, 연료 전지 시스템(502)은 CO2와 물을 포함하고 질소는 거의 또는 전혀 포함하지 않는 배기 스트림을 출력하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 배기 스트림은, 전술한 바와 같이 연료 전지 시스템 CO2 분리기로부터 출력될 수 있다. 다시 말해서, 종래의 연료 전지 시스템과 달리, 배기 스트림은 질소(N2)가 없거나 본질적으로 없을 수 있다(예를 들어, 약 5 부피% 미만, 예를 들어 약 1 부피% 미만, 또는 약 0.5 부피%의 N2를 함유함).
저장소(510)는 배기 도관(516)에 의해 CO2 처리기(520)에 유체 연결되어 저장소(510)에 포함된 배기가 CO2 처리기(520)로 제공될 수 있다. 따라서, 배기(예컨대, 연료 전지 시스템의 애노드 배기로부터 분리된 이산화탄소)는 연료 전지 시스템(502)에서 저장소(510)로, 그리고 나서 CO2 처리기(520)로 흐를 수 있다.
배기 배압(exhaust backpressure)은 연료 전지 시스템(502)의 효율을 감소시킬 수 있다. 이와 같이, 저장소(510)는 CO2 처리기(520)와 같은 하류 컴포넌트에 의해 생성된 배기 배압의 효과를 완충하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, CO2 처리기(520)는, 작동 중에 배압 및/또는 배압 펄스를 생성하는 구성요소를 포함할 수 있다. 저장소(510)는, 이러한 배압이 연료 전지 시스템(502)에 가해지는 것을 감소 및/또는 방지하도록 작동할 수 있다. 다시 말해, 저장소(510)는 하류 컴포넌트에 의해 생성된 압력 변동으로부터 연료 전지 시스템(502)을 격리하도록 작동할 수 있다.
일부 실시예에서, 저장소(502)는 발전기(502)에 대한 배압의 영향을 추가로 감소시키기 위해 내부 배플 및/또는 압력-흡수 매체를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 저장소(502)는 배기 스트림을 냉각시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 저장소(510)는, 가령 냉각 코일 및/또는 열교환기와 같은 외부 또는 내부 냉각 시스템과 통합될 수 있다.
일부 실시예에서, 저장소(510)는 냉각수 스프레이 또는 미스트를 사용하여 배기를 냉각시키도록 구성될 수 있다. 시스템(500)은 저장소(510)에 유체 연결되는 배수 밸브(drain valve; 512)를 선택적으로 포함할 수 있다. 배수 밸브(512)는 저장소(510)로부터 물을 방출하기 위해 주기적으로 개방될 수 있다.
시스템(500)은 선택적으로 저장소(510)에 유체 연결된 릴리프 밸브(514)를 포함할 수 있다. 릴리프 밸브(512)는 저장소(510) 내의 배기 압력이 설정 값을 초과하는 경우 저장소(510)로부터 배기를 방출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 릴리프 밸브(514)는, 저장소(510)의 압력이 연료 전지 시스템(502)의 압력 한계에 접근하면 개방되도록 구성될 수 있다.
유량 측정 피드-포워드(Flow Measurement Feed-Forward)
도 6은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 통합된 연료 전지 전력 생산 및 CO2 처리 시스템(600)의 개략도이다. 시스템(600)은 도 5의 시스템(500)과 유사할 수 있으며, 이와 같이 유사한 구성요소들은 상세하게 설명되지 않는다.
도 6을 참조하면, 시스템(600)은 연료 흐름에 기초하여 CO2 출력을 측정하도록 구성된 배기 처리 시스템(560) 및 연료 전지 시스템(502)을 포함할 수 있다. 처리 시스템(560)은, 연료 전지 시스템(502)을 가령, 연료 탱크 또는 파이프라인과 같은 연료 공급원(504)에 유체 연결하는 연료 도관(506) 상에 배치된, 연료 측정 밸브(518)와 같은 연료 센서를 포함할 수 있다. 배기 도관(516)은 연료 전지 시스템(502)의 배기 방출구를 CO2 처리기(520)에 유체 연결하도록 구성될 수 있다. 처리 시스템(560)은 선택적으로 전술한 저장소(510)를 포함할 수 있다.
연료 측정 밸브(504)는, 연료 전지 시스템(502)에 입력되는 연료의 양 및/또는 조성(예를 들어, 등급 등)을 측정하도록 구성될 수 있다. 연료 측정 밸브(518)와 같은 센서는, 연료 전지 시스템(502)에 입력되는 연료의 측정치에 기초하여, 연료 전지 시스템(502)의 출력 배기에 존재하는 CO2 및/또는 H2O의 양을 결정하는 데 사용될 수 있는 중앙 처리 장치(CPU)(530)에 유선 또는 무선으로 연결될 수 있다. CPU(530)는 CO2 출력 측정이 CO2 크레딧 계산과 같은 재정적 이유로 이루어질 수 있도록, 연료 유입 스트림의 수익 등급 측정을 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, CPU(530)는 센서(518)를 통과하는 연료 유형(예를 들어, 등급, 화학적 조성 등) 및/또는 연료의 양(예를 들어, 제공된 연료의 유형이 알려진 경우)을 결정할 수 있다. 그 다음, 연료 전지 시스템(502)의 알려지거나 감지된 작동 파라미터(예를 들어, 작동 온도, 증기 대 탄소 비율, 연료 대 공기 비율, 연료 활용도, 이산화탄소 분리기 효율 및/또는 처리량 등)에 기초하여, CPU(530)는, 연료 전지 시스템(502)으로부터 CO2 처리기(520)로 제공될 이산화탄소의 양 및/또는 유량을 계산할 수 있다. 따라서, 시스템(600)은 CO2의 하류 흐름을 결정하기 위해 상류 연료 측정을 이용할 수 있다.
이 실시예의 장점은, H2O 및 CO2를 모두 포함하는 습식 배기 스트림인 배기 스트림의 CO2 함량의 추가적인 하류 측정이 회피될 수 있다는 것이다. 이러한 습한 배기 스트림의 CO2 함량을 측정하는 것을 회피하는 것은, 습한 가스 스트림을 측정할 수 있는 유량 측정 장치에 장애가 발생할 수 있어서, 급격한 시스템 저하나 장애를 발생시킬 수 있는, CO2 처리기(520)로 제공되는 이산화탄소의 임계치가 초과되는 경우에, 연료 전지 시스템(502) 상의 하류 배압을 생성할 수 있으므로, 유리할 수 있다.
도 5 및 도 6의 실시예에서, 시스템(500, 600)은: 연료 전지 시스템(502)으로부터의 배기 출력을 수용하도록 구성된 저장소(510), 및 저장소(510)가 연료 전지 시스템(502)에 적용된 배기 배압의 양을 감소시키도록 구성되도록, 저장소(510)로부터의 배기 출력을 압축하도록 구성된 압축기(520)를 포함한다.
도 5의 실시예의 시스템(500)에서, 저장소(510)는, 저장소의 배기 배압이 미리 설정된 수준을 초과하는 것을 방지하도록 구성된 릴리프 밸브(514)를 포함한다. 미리 설정된 레벨은, 연료 전지 시스템(502)을 손상시키는 압력의 양보다 작다. 일실시예에서, 저장소(510)는 연료 전지 시스템(502)에 가해지는 배기 배압의 양을 감소시키도록 구성된 내부 배플을 포함한다. 다른 실시예에서, 배기 처리 시스템(550)은, 저장소(510)에서 배기 가스의 온도를 감소시키도록 구성된 냉각 시스템을 더 포함한다.
도 6의 실시예의 시스템(600)에서, 배기 처리 시스템(560)은, 연료 전지 시스템에 제공되는 연료의 특성을 측정하도록 구성된 센서(518), 및 센서에 의한 측정에 기초하여 연료 전지 시스템(502)으로부터 출력되는 배기 내의 CO2의 양을 결정하도록 구성된 중앙 처리 유닛(530)을 포함한다.
연료 전지 시스템(502)은: 전력을 발생시키도록 구성된 고체 산화물 연료 전지 스택, 및 도 1a 내지 4 중 어느 하나와 관련하여 설명된 이산화탄소 분리 장치로서, 연료 전지 시스템에서 출력되는 배기에 포함된 CO2를 분리하도록 구성된 이산화탄소 분리 장치를 포함할 수 있다.
고체 CaCO 3 로의 CO 2 의 전환
도 7은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 CO2 고정 프로세스(fixation process)의 개략도이다. 일부 실시예에서, 고정 프로세스는, 도 5 및 6의 CO2 처리기(520)에 의해 수행될 수 있다. 이 실시예에서 CO2 처리기(520)는 화학 반응 용기(예를 들어, 반응 탱크 등)를 포함한다. 이 실시예에서, 배기 처리 시스템(550, 560)은 CO2를 고체 탄산 칼슘으로 화학적으로 변환하도록 구성된 CO2 처리기(520)를 포함한다.
도 7을 참조하면, 연료 전지 시스템(502)으로부터 출력된 CO2 및 고체 CaO는 CO2 처리기(520)에 위치한 NaOH 용액(예를 들어, NaOH(l)을 함유하는 수용액)에 제공될 수 있다. CO2는 NaOH(l)와 반응하여 Na2CO3(l) 및 H2O(즉, 물)을 형성할 수 있고, CaO(s)는 물과 반응하여 Ca(OH)2(l)를 형성할 수 있다. 그 다음, 수용액 내의 Na2CO3(l) 및 Ca(OH)2(l)는 반응하여 고체 CaCO3를 형성(즉, 침전)시키고, NaOH(l)를 생성할 수 있다. 침전된 탄산칼슘을 함유하는 현탁액은, 그 다음 필터(522)를 통과하여, 현탁액의 NaOH(l) 함유 용매로부터 고체 탄산칼슘을 분리함으로써, 고체 형태의 연료 전지 시스템으로부터 배출된 탄소를 고체 형태의 탄산칼슘으로 고정시킨다. 생성된 NaOH(l)는 이후, 연료 전지 시스템(502)에서 나오는 추가 이산화탄소 가스와 반응하도록 고체 탄산칼슘을 분리한 후 공정으로 다시 재순환된다.
열 및 물의 회수
도 8은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, CO2 포집을 포함하는 연료 전지 전력 생산 시스템(700)에서의 열 및/또는 물의 회수를 예시하는 개략도이다. 도 8을 참조하면, CO2 및/또는 H2O를 함유할 수 있는 연료 전지 시스템(502)으로부터의 배기가 응축기(condenser; 712)에 제공될 수 있다. 물은 배기를 냉각함으로써 응축기의 배기로부터 응축된다. 응축수는 밸브식 물 수집 도관(724)을 사용하여 응축기(712)로부터 제거될 수 있다. 이산화탄소를 함유하는 나머지 배기는 응축기(712)로부터, 이 실시예에서 압축기(714)를 포함하는 CO2 처리기(520)로 제공된다. 따라서, 응축기(712)는, 압축기(714)에 건조한 CO2 배기를 제공하기 위해 배기로부터 열을 제거함으로써 배기로부터 물을 응축시키도록 작동한다. 압축기(714)는, 압축 동안 열을 방출하면서 저장을 위해 기체상의 CO2를 액체상 또는 고체상의 CO2로 포함할 수 있다.
이 실시예는, 연료 전지 시스템(502), 응축기(712), 및/또는 압축기(714)로부터 회수된 열을 통합하여, 다른 통합된 용도에 열을 제공하는 것을 포함한다. 이 실시예는, 선택적으로 배기 처리 시스템(750)에서 CO2 액화 또는 고체화와 함께 다량의 열을 흡수할 수 있는, 액화 천연 가스(LNG) 가스화와 같은 공정으로부터 열 교환의 통합을 포함한다.
도 8은 가령, 이 실시예에서 LNG 용기(702)(예컨대, LNG 탱크)를 포함하는 연료 공급원에 연결된 액체 천연 가스(LNG) 도관(704)과 같은, 하류 열 부하로 전달되는, 연료 전지 시스템(502) 배기, 응축기(712), 및 압축기(714)로부터의 열의 포획을 도시한다. 열은 배기 처리 시스템(750)의 임의의 적절한 열교환기(718)를 통해 연료 전지 시스템(502), 응축기(712), 및/또는 압축기(714)에 의해 제공될 수 있다. 열교환기(718)는 플레이트 형 및/또는 핀 형 열교환기일 수 있고, 연료 전지 시스템(502), 응축기(712), 및/또는 압축기(714)로부터의 열에 의해 가열된 고온 공기는, 밸브가 개방된 이후 밸브식 LNG 도관(704) 안으로 LNG 용기(702)로부터 출력된 LNG를 가열하는데 사용된다. 대안적으로, 열교환기(718)는, LNG 도관(704)과 연료 전지 시스템(502), 응축기(712), 및/또는 압축기(714) 사이를 순환하는, 가령 물 또는 다른 열 전달 액체와 같은 열교환 매체를 포함할 수 있다. 열교환은, LNG 도관(704)에서 가스 상의 천연 가스 및 컴포넌트(502, 712, 714)로부터 회수된 열로의 LNG 팽창 및 전환(열이 필요함) 사이에서 발생할 수 있다. 선택적으로 열 펌프를 사용하여 하류에서의 사용처로 전달되는 열의 품질을 높일 수 있다.
일부 실시예에서, 유용한 물은, 연료 전지 시스템 배기 가스로부터 회수될 수 있다. 예를 들어, 응축기(712)에 수집된 물은, 도관(724)을 통해 수처리 장치(730)에 제공될 수 있다. 수처리 장치(730)는, 물을 살균하기 위해 가열 및/또는 pH 중화제를 사용하여 수용된 물의 pH를 중화 및/또는 연마하도록 구성된 화학 공정 용기(예컨대, 가열 또는 비가열 탱크)일 수 있다. 수처리 장치(730)로부터 출력된 중화 및/또는 살균된 물은, 가령 음용수, 농작물 관개, 열교환기(718)의 열교환 유체 또는 다른 화학적 공정의 용도와 같은 다양한 응용분야를 위해 활용될 수 있다.
액화천연가스(LNG) 열교환 및 CO 2 의 격리
다른 실시예에서, 생성된 CO2는 이후의 분배를 위해 저장될 수 있다. 도 9a는 (LNG) 연료가 고갈됨에 따른, 선박과 같은 위치에서의 CO2 저장을 도시한다.
선상 통합은, LNG가 기화되어 연료로 사용되며, CO2는 선박이 항구로 돌아올 때까지 분리 및 액화되어 저장되는 실시예의 예시를 제공한다. 연료 재보급 과정에서 선박에 LNG가 공급되면서 CO2가 비워질 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 열 통합 실시예에 따르면, LNG의 가스화의 효율은 CO2의 응축을 돕는다.
도 9a는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른, 선박(S)의 조합된 LNG 연료 전지 전력 및 배기 처리 시스템(900)의 개략도이고, 도 9b는 시스템(900)의 배기 처리 시스템(750)의 컴포넌트를 도시하는 개략도이다. 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 시스템(900)은 가령, 컨테이너 선박 등과 같은 선박(S)에 배치될 수 있다. 시스템(900)은 선박(S)의 전기 부하(902)에 전력을 제공하도록 구성된 연료 전지 시스템(502) 및 LNG를 가스화하고 압축된 CO2를 생성하도록 구성될 수 있는 배기 처리 시스템(750)을 포함할 수 있다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 배기 처리 시스템(750)은 연료 전지 시스템(502)의 외부에 배치될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 배기 처리 시스템(750)의 하나 이상의 컴포넌트는 연료 전지 시스템(502)의 캐비닛 내에 배치될 수 있다.
연료 전지 시스템(900)은, 도 1a 내지 4와 관련하여 위에서 논의된 바와 같은 CO2 분리 장치를 포함할 수 있다. 따라서, 연료 전지 시스템(900)은 H2O, CO2 및 5 부피% 미만, 예를 들어 1 부피% 미만, 또는 0.5 부피% 미만의 N2를 포함하는 배기를 출력하도록 구성될 수 있다.
배기 처리 시스템(750)은, LNG 도관(704)에 의해 LNG 컨테이너(702)에 유체 연결될 수 있다. LNG 컨테이너(702)는, 예컨대 천연 가스의 응축 온도인 -161°C 미만인 약 -163°C 의 온도 이하에서 LNG를 저장하도록 구성될 수 있다. 컨테이너(702)로부터 배기 처리 시스템(750)으로 LNG를 펌핑하도록 구성된 펌프 또는 송풍기(703)는, LNG 도관(704) 상의 LNG 컨테이너(702) 외부에 배치될 수 있다.
연료 전지 시스템(502)의 배기 방출구는, 배기 유입 도관(706)에 의해 배기 처리 시스템(750)의 유입구에 유체 연결될 수 있다. 연료 도관(506)은, 배기 처리시스템(750)의 천연 가스(NG) 방출구를 연료 전지 시스템(502)의 연료 유입구에 유체 연결할 수 있다. 연료 전지 시스템(502)은, 선박(S)의 1차 및/또는 2차 전기 부하와 같은 부하(902)에 전기적으로 연결될 수 있다.
배기 처리 시스템(750)은: 응축기(712), 압축기(714), 하나 이상의 열교환기(716, 718) 및 처리 도관(722)에 의해 순차적으로 유체 연결될 수 있는 이산화탄소 저장 탱크(720)와 같은 저장 용기를 포함할 수 있다. 선택적인 제1 열교환기(716), 응축기(712) 및/또는 압축기(714)는 물 수집 도관(724)에 유체 연결될 수 있다.
선택적인 제1 열교환기(716)는 연료 전지 시스템 배기가스의 온도를 감소시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 제1 열교환기(716)는 시스템 배기를 냉각시키기 위해 공기를 사용할 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 열교환기(716)는 도관(506)을 통해 연료 전지 시스템(502)에 제공되는 천연 가스(NG)를 가열하는 동안 시스템 배기를 냉각하기 위해 NG를 이용할 수 있다. 예를 들어, 제1 열교환기(716)는, 시스템 배기에서 CO2의 후속 압축을 용이하게 하기 위해, 약 200°C 내지 약 25°C 범위의 온도로 시스템 배기를 냉각시키도록 구성될 수 있다. 시스템 배기에 존재하는 물의 결빙을 방지하기 위해, 시스템 배기를 0°C 이상으로 유지할 수 있다.
제1 열교환기(716)는 또한, 연료 전지 시스템(502)의 효율을 개선하기 위해 그에 제공된 NG의 온도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 열교환기(716)는 약 100 °C 내지 약 300 °C 범위의 온도로 NG를 가열할 수 있다. 시스템 배기의 온도가 제1 열교환기(716)에서 100℃ 미만인 경우, 제1 물 스트림이 제1 열교환기(716)로부터 제거될 수 있다.
응축기(712)는 제1 열교환기로부터 제공된 시스템 배기를 100℃ 미만으로 냉각시켜 시스템 배기로부터 물을 응축시키도록 구성될 수 있다. 대부분 이산화탄소를 포함하는 시스템 배기는 이후 응축기로부터 압축기(714)로 제공된다. 제2 물 스트림은 응축기(712)의 바닥으로부터 출력된다.
압축기(compressor; 714)는 응축기(condenser; 712)로부터 제공된 시스템 배기를 압축하여 제3 물 스트림을 생성하도록 구성될 수 있다. 대부분 이산화탄소를 포함하는 압축된 배기는, 도관(704)에 제공된 LNG와 열을 교환하고, LNG를 NG로 변환하기 위해 제2 열교환기(718)에 제공될 수 있다.
제1 열교환기(716), 응축기(712) 및/또는 압축기(714)에 의해 추출된 물은 수집 도관(724)에 의해 수집될 수 있다. 수집된 물은, 중화 및/또는 연마를 위해 선택적 수처리 장치(730)에 제공될 수 있다.
제2 열교환기(718)는, 시스템 배기를, LNG 용기(702)로부터 출력된 도관(704)에서 LNG를 사용하여, 액체 CO2를 생성하기에 충분한 온도로 냉각하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 열교환기(718)는, 약 -20℃ 내지 약 -30℃ 범위의 온도까지 대부분 이산화탄소를 포함하는 시스템 배기를 냉각하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 제2 열교환기(718)는 LNG를 점진적으로 가열하여, LNG를 기화시키고 NG를 형성하도록 구성될 수 있다. 제2 열교환기(718)는 또한, NG로 변환될 때 LNG의 점진적 팽창을 허용할 수 있다. 도 9b에 도시된 바와 같이, NG는 연료 도관(708)에 의해 제1 열교환기(716)에 제공될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 연료 도관(708)은, NG를 도관(506)을 통해 연료 전지 시스템(502)에 직접 제공할 수 있고, 제1 열교환기(716)는 생략되거나, 시스템 배기를 냉각시키기 위해 공기를 제공받을 수 있다. 처리 도관(722)에서 출력되는 압축되거나 또는 액체인 CO2는 저장 탱크(720)에 저장될 수 있다.
일부 실시예에서, 배기 처리 시스템(750)은 선택적으로 기화기(vaporizer; 732)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템 배기에 의해 제공되는 열이 LNG를 완전히 기화시키기에 불충분한 경우, 기화기(732)는 제2 유체에서 추출된 열을 사용하여 LNG를 기화 및 팽창시키도록 작동할 수 있다. 예를 들어, 기화기(732)는 시스템 시동 동안 또는 연료 시스템(200)이 저부하 조건 하에 작동되는 기간 동안 선택적으로 작동될 수 있다. 제2 유체는 선박(S)의 물 탱크로부터 공급되는 물일 수도 있고, 선박(S) 외부에서 공급되는 담수 또는 해수일 수 있으며, 기화기 내부의 가열기에 의해 가열될 수 있다. 수증기는, 연료 전지 시스템(502)에 제공된 NG를 가습하기 위해 기화기에서 NG에 추가될 수 있다.
다른 실시예에서, 응축기(712), 압축기(714), 및/또는 제2 열교환기(718)는 고체 CO2를 생성하도록 구성된 CO2 고정 시스템으로 대체될 수 있다. 예를 들어, CO2 고정 시스템은, 도 7의 방법을 사용하여 고체 CaCO3를 생성하도록 구성될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 시스템(900)은 선택적으로 도 5에 설명된 저장소(510)를 포함할 수 있으며, 이는 연료 전지 시스템 배기를 처리하는 동안 생성된 압력 변동을 완충하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 시스템(900)은, 본 명세서에서 설명되지만 도 9a 및 9b에는 도시되지 않은 추가 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템은 도 5의 배수 밸브(512) 및 릴리프 밸브(514), 및/또는 도 6의 센서(예를 들어, 측정 밸브)(504) 및 CPU(530)를 포함할 수 있다.
도 8, 9a 및 9b의 실시예의 시스템(700 및 900)은, 연료 전지 시스템(502)으로부터 출력된 배기 가스로부터 물을 응축하도록 구성된 응축기(712), 배기의 흐름 방향에 대해 응축기(712)의 하류에 배치되고, 배기 내의 CO2를 압축하도록 구성된 압축기(714), 및 압축기 또는 응축기 중 적어도 하나로부터의 열을 사용하여 연료 전지 시스템(502)에 제공되는 연료를 가열하도록 구성된 적어도 하나의 열교환기(716, 718)를 포함하는, 배기 처리 시스템(750)을 포함한다.
도 9a 및 9b의 실시예의 시스템(900)에서, 적어도 하나의 열교환기는 응축기(712)의 상류에 배치되고, 배기로부터의 열을 사용하여 연료를 가열하도록 구성된 제1 열교환기(716), 및 응축기(712) 또는 압축기(714) 중 적어도 하나로부터의 열을 사용하여 연료를 가열하도록 구성된 제2 열교환기(718)를 포함한다. 일실시예에서, 제2 열교환기(718)는, 배기를 액체 CO2로 변환하도록 구성된다. 일실시예에서, 시스템(700 또는 900)은, 액체 천연 가스(LGN) 형태의 연료를 LGN 도관(704)을 통해 제2 열교환기(718)에 제공하도록 구성된 액체 천연 가스(LGN) 용기(702)를 더 포함하고, 연료는, 연료가 제1 열교환기(716)로부터 연료 전지 시스템(502)으로 출력될 때 천연 가스(NG)의 형태이다.
일실시예에서, 시스템(900)은 외부 열 공급원을 사용하여, 시스템(900) 시동 동안 연료를 가습하기 위해 물을 기화시키도록 구성된 기화기(732)를 더 포함한다. 일실시예에서, 시스템(700 또는 900)은, 응축기(712)로부터 수용된 물을 중화 또는 연마 중 적어도 하나를 하도록 구성된 수처리 장치(730)를 더 포함한다. 일실시예에서, 연료 전지 시스템(502)은, 선박에 위치되고, 선박의 전기 부하(902)에 전기적으로 연결된다.
본 발명의 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 이는 본 발명을 공개된 정확한 형태로 제한하거나, 한정하려는 의도는 아니며, 상기 교시내용에 비추어 수정 및 변형이 가능할 수 있고, 또는 본 발명의 실시가 가능할 수 있다. 상세한 설명은 본 발명의 원리와 실제 적용을 설명하기 위해 선택되었다. 본 명세서에 첨부된 청구항들 및 그 균등물에 의해 본 발명의 범위가 정의되는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 통합된 전력 생산 및 배기 처리 시스템으로서,
    전력을 생산하고, 연료 전지 시스템으로부터 출력된 배기에 포함된 CO2를 분리하도록 구성되는 연료 전지 시스템; 및
    상기 연료 전지 시스템으로부터 출력된 배기로부터 분리된 CO2를, 격리(sequester)하는 것 또는 조밀화(densify)하는 것 중 적어도 하나를 하도록 구성되는 배기 처리 시스템;
    을 포함하는, 통합된 전력 생산 및 배기 처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배기 처리 시스템은:
    상기 연료 전지 시스템으로부터 출력된 배기를 수용하도록 구성되는 저장소(reservoir); 및
    상기 저장소로부터 출력된 배기를 압축하도록 구성되는 압축기를 포함하고,
    상기 저장소는, 상기 연료 전지 시스템에 가해지는 배기 배압(exhaust backpressure)의 양을 감소시키도록 구성되는, 통합된 전력 생산 및 배기 처리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 저장소는, 상기 저장소 내 배기 배압이 미리설정된 수준을 초과하는 것을 방지하도록 구성된 릴리프 밸브(relief valve)를 포함하는, 통합된 전력 생산 및 배기 처리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 미리설정된 수준은, 상기 연료 전지 시스템을 손상시킬 수 있는 압력의 양보다 적은, 통합된 전력 생산 및 배기 처리 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 저장소는, 상기 연료 전지 시스템에 가해지는 배기 배압의 양을 감소시키도록 구성되는 내부 배플(internal baffles)을 포함하는, 통합된 전력 생산 및 배기 처리 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 배기 처리 시스템은, 상기 저장소 내 배기의 온도를 감소시키도록 구성되는 냉각 시스템을 더 포함하는, 통합된 전력 생산 및 배기 처리 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배기 처리 시스템은:
    상기 연료 전지 시스템에 제공되는 연료의 특성을 측정하도록 구성되는 센서; 및
    상기 센서에 의한 측정에 기초하여, 상기 연료 전지 시스템으로부터 출력된 배기 내의 CO2의 양을 결정하도록 구성되는 중앙 처리 장치(central processing unit; CPU)를 포함하는, 통합된 전력 생산 및 배기 처리 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배기 처리 시스템은, CO2를 고체 탄산 칼슘(solid calcium carbonate)으로 화학적으로 변환하도록 구성된 CO2 처리기를 포함하는, 통합된 전력 생산 및 배기 처리 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은: 전력을 생산하도록 구성되는 고체 산화물 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 시스템으로부터 출력된 배기에 포함된 CO2를 분리하도록 구성되는 이산화탄소 분리 장치를 포함하는, 통합된 전력 생산 및 배기 처리 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 배기 처리 시스템은:
    상기 연료 전지 시스템으로부터 출력된 배기로부터의 물을 응축하도록 구성되는 응축기;
    상기 배기의 유동 방향에 대하여 상기 응축기의 하류에 배치되고, 상기 배기의 CO2를 압축하도록 구성되는 압축기; 및
    상기 응축기 또는 상기 압축기 중 적어도 하나로부터의 열을 사용하여, 상기 연료 전지 시스템에 제공된 연료를 가열하도록 구성되는 적어도 하나의 열교환기를 포함하는, 통합된 전력 생산 및 배기 처리 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열교환기는:
    상기 응축기의 상류에 배치되고, 상기 배기로부터의 열을 사용하여 상기 연료를 가열하도록 구성되는 제1 열교환기; 및
    상기 응축기 또는 상기 압축기 중 적어도 하나로부터의 열을 사용하여, 상기 연료를 가열하도록 구성되는 제2 열교환기를 포함하는, 통합된 전력 생산 및 배기 처리 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 열교환기는, 상기 배기를 액체 CO2로 변환하도록 구성되는, 통합된 전력 생산 및 배기 처리 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    액체 천연 가스(liquid natural gas; LNG) 도관을 통해 상기 제2 열교환기로, LNG 형태인 상기 연료를 제공하도록 구성되는 LNG 용기(vessel); 및
    상기 연료가 상기 제1 열교환기로부터 출력될 때, 상기 연료는 천연 가스(natural gas; NG) 형태인, 통합된 전력 생산 및 배기 처리 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    외부 열공급원을 사용하여, 시스템 시동 동안에 상기 연료를 가습하기 위해 물을 기화시키도록 구성된 기화기(vaporizer)를 더 포함하는, 통합된 전력 생산 및 배기 처리 시스템.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 응축기로부터 수용된 물을 중화(neutralize)하는 것 또는 연마(polish)하는 것 중 적어도 하나를 하도록 구성되는 수처리 장치를 더 포함하는, 통합된 전력 생산 및 배기 처리 시스템.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은: 선박(ship)에 위치하고, 상기 선박의 전기 부하에 전기적으로 연결되는, 통합된 전력 생산 및 배기 처리 시스템.
  17. 연료 전지 시스템의 작동 방법으로서,
    연료 전지 시스템에 연료를 제공하는 단계;
    전력 및 연료 배기 스트림을 생산하도록 상기 연료 전지 시스템을 작동시키는 단계;
    CO2 함유 배기 및 정제된 배기를 생성하기 위해, 이산화탄소 분리 장치를 사용하여 상기 연료 배기 스트림으로부터 CO2를 분리하는 단계;
    분리된 CO2 함유 배기를 배기 처리 시스템에 제공하는 단계; 및
    상기 배기 처리 시스템을 사용하여, CO2 함유 배기 내의 CO2를 격리하는 것 또는 조밀화하는 것 중 적어도 하나를 하는 단계
    를 포함하는, 연료 전지 시스템의 작동 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 CO2 함유 배기로부터의 물을 응축하는 단계;
    상기 CO2 함유 배기 내의 CO2를 압축하는 단계; 및
    상기 응축하는 단계 또는 상기 압축하는 단계 중 적어도 하나로부터 생성된 열을 사용하여, 상기 연료 전지 시스템에 제공된 연료를 가열하는 단계
    를 더 포함하는, 연료 전지 시스템의 작동 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은: 선박에 위치하고, 상기 선박의 전기 부하에 전기적으로 연결되며,
    상기 연료는 액체 천연 가스(LNG) 용기에 저장된 LNG를 포함하고,
    압축된 CO2는 CO2 저장 용기에 저장되며,
    상기 선박이 항구에 도착할 때, 상기 LNG가 상기 LNG 용기 내에 충전되며, 상기 CO2는 상기 CO2 저장 용기로부터 제거되는, 연료 전지 시스템의 작동 방법.
  20. 연료 전지 시스템의 작동 방법으로서,
    연료 전지 시스템에 연료를 제공하는 단계;
    전력 및 연료 배기 스트림을 생산하도록 상기 연료 전지 시스템을 작동시키는 단계;
    CO2 함유 배기 및 정제된 배기를 생성하기 위해, 이산화탄소 분리 장치를 사용하여 상기 연료 배기 스트림으로부터 CO2를 분리하는 단계;
    분리된 CO2 함유 배기 및 고체 CaO를, NaOH 함유 용액에 제공함으로써, CO2 가스가 NaOH(l)와 반응하여 Na2CO3(l) 및 물을 형성하고, 상기 고체 CaO가 상기 물과 반응하여 Ca(OH)2(l)를 형성하고, 상기 Na2CO3(l) 및 상기 Ca(OH)2(l)가 반응하여, 고체 CaCO3 를 침전시키고 NaOH(l)를 생성하게 하는, 단계;
    추가 CO2 가스와 반응시키기 위해 생성된 상기 NaOH(l)를 재순환시키는 단계
    를 포함하는, 연료 전지 시스템의 작동 방법.
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