KR20230011393A - 고온 연료전지를 이용해서 수소를 생성하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

고온 연료전지를 이용해서 수소를 생성하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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프레드 씨. 장케
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퓨얼셀 에너지, 인크
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Abstract

스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템은, 애노드, 캐소드, 및 애노드와 캐소드를 분리시키는 전해질 매트릭스를 포함하는 적어도 하나의 연료전지를 포함한다. 상기 시스템은 메탄을 스팀과 반응시켜 수소(H2), 이산화탄소(CO2) 및 일산화탄소(CO)를 포함하는 제1 생성물 스트림을 생성시키도록 구성된 스팀 메탄 개질기를 더 포함한다.

Description

고온 연료전지를 이용해서 수소를 생성하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR PRODUCING HYDROGEN USING HIGH TEMPERATURE FUEL CELLS}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2018년 3월 16일자로 출원된 미국 특허 가출원 제62/644,118호에 대한 우선권 및 이의 유익을 주장하며, 이의 전체 개시내용은 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.
본 출원은 연료전지 시스템, 특히, 수소 생성을 위한 스팀 메탄 개질기(steam methane reformer: SMR)와 통합된 고온 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, SMR은 연료전지 시스템과는 별도로 독립형 유닛으로서 사용될 수 있다. 전형적으로, 이러한 개질기는 개질 반응 동안 NOx를 생성하는데, 이는 시스템으로부터의 출력일 수 있는 NOx의 양을 제어하는 규제로 인해 연료전지 시스템과 함께 이들의 설치를 제한한다. 또한, 독립형 SMR은 작동을 위하여 열을 필요로 하고, SMR은 전형적으로 충분한 열이 개질 공정에 공급되는 것을 보증하도록 전용의 열원을 필요로 한다.
이 출원에 기재된 바와 같이 SMR을 고온연료전지와 통합함으로써 효율 및 비용이 개선된 시스템 및 방법을 비롯한 개선된 기술에 대한 요구가 존재한다. 또한 이러한 통합은 연료전지의 효율을 개선하고 NOx 방출을 저감 및/또는 제거한다.
일 실시형태는 애노드(anode), 캐소드(cathode), 및 애노드와 캐소드를 분리시키는 전해질 매트릭스(electrolyte matrix)를 포함하는 적어도 하나의 연료전지를 포함하는, 스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템(steam methane reformer-integrated fuel cell system)에 관한 것이다. 시스템은 메탄을 스팀과 반응시켜 수소(H2), 이산화탄소(CO2) 및 일산화탄소(CO)를 포함하는 제1 생성물 스트림(product stream)을 생성시키도록 구성된 스팀 메탄 개질기를 더 포함한다.
시스템의 일 양상은 제1 생성물 스트림이 제1 수소 농도를 포함하는 것, 및 시스템이 제1 생성물 스트림 중의 CO를 스팀과 반응시켜 제1 수소 농도보다 큰 제2 수소 농도를 갖는 유출구 스트림을 생성시키도록 구성된 물-가스 전환 반응기(water-gas shift reactor)를 더 포함하는 것에 관한 것이다.
시스템의 다른 양상은, 흡수제 칼럼(absorber column)의 제2 생성물 스트림이 제2 수소 농도보다 큰 제3 수소 농도를 갖게끔 흡수제 칼럼이 유출구 스트림 중의 CO2의 농도를 저감시키도록 구성된 것에 관한 것이다.
시스템의 다른 양상은, 압력 순환식 흡착(pressure swing adsorption: PSA) 시스템의 제3 생성물 스트림이 제3 수소 농도보다 큰 제4 수소 농도를 갖게끔 PSA 시스템이 제2 생성물 스트림을 정제시키도록 구성된 것에 관한 것이다.
시스템의 다른 양상은 제4 수소 농도가 적어도 95 몰%인 것에 관한 것이다.
시스템의 다른 양상은 제3 수소 농도가 적어도 90　몰%인 것에 관한 것이다.
시스템의 다른 양상은 제2 수소 농도가 적어도 70 몰%인 것에 관한 것이다.
시스템의 다른 양상은 적어도 하나의 연료전지가 PSA 정제 시스템으로부터의 PSA 테일 가스(tail gas)를 애노드 공급 가스로서 수용하도록 구성되는 것에 관한 것이다.
시스템의 다른 양상은 흡수제 칼럼에 연결된 스트리퍼 칼럼(stripper column)에 관한 것이다. 스트리퍼 칼럼은 PSA 정제 시스템으로부터의 PSA 테일 가스 및 흡수제 칼럼으로부터의 용매를 수용하도록 구성되고, 스트리퍼 칼럼은 PSA 테일 가스를 사용해서 용매로부터 CO2를 스트리핑하고 CO2-스트리핑된 용매를 출력하도록 구성된다.
시스템의 다른 양상은, 제2 생성물 스트림의 수소 농도가 제2 농도로부터 제3 농도로 증가되게끔, 흡수제 칼럼이 스트리퍼 칼럼으로부터 CO2-스트리핑된 용매를 수용하도록 구성되는 것에 관한 것이다.
시스템의 다른 양상은, 연료전지로부터의 애노드 배기 가스가 예열된 공기 스트림과 반응하여 고온 배기 스트림을 생성시키도록, 애노드 배기 가스 및 예열된 공기 스트림을 수용하도록 구성된 애노드 가스 산화기(anode gas oxidizer: AGO)에 관한 것이다.
시스템의 다른 양상은 흡수제 칼럼으로부터 풍부 용매를 수용하도록 구성되고 적어도 60 몰%의 CO2를 포함하는 제1 CO2-풍부 플래시 가스 스트림을 생성시키도록 구성된 플래시 가스 장치(flash gas apparatus)에 관한 것이다.
시스템의 다른 양상은 저압 플래시 시스템에 의해 생성된 제1 CO2-풍부 플래시 가스 스트림에 관한 것이다.
시스템의 다른 양상은 2-압력 플래시 시스템이 제1 CO2-풍부 플래시 가스 스트림을 생성시키도록 구성된 것에 관한 것으로, 2-압력 플래시 시스템은 중압 플래시 장치(medium-pressure flash apparatus) 및 저압 플래시 장치(low-pressure flash apparatus)를 갖는다. 중압 플래시 장치는 흡수제 칼럼 내 압력의 40% 내지 60%의 범위의 압력에서 작동하도록 구성된다.
시스템의 다른 양상은 적어도 하나의 연료전지로부터 애노드 배기 가스와 혼합된 적어도 하나의 CO2-풍부 플래시 가스 스트림에 관한 것으로, 이것은 생성된 열을 증가시키기 위하여 AGO에 보내진다.
시스템의 다른 양상은 제4 수소 농도가 적어도 99 몰%인 것에 관한 것이다.
시스템의 다른 양상은 제4 수소 농도가 적어도 99.99 몰%인 것에 관한 것이다.
시스템의 다른 양상은 스팀 메탄 개질기로부터 하류에 위치되고 적어도 95 몰%의 수소를 갖는 정제된 수소 스트림을 생성시키도로 구성된 압력 순환식 흡착(PSA) 정제 시스템을 더 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로, PSA 정제 시스템의 PSA 테일 가스는 적어도 하나의 연료전지에 대한 연료 공급원이다.
일 양상에서, 스팀 메탄 개질기는 개질에 필요한 열을 제공하기 위하여 AGO로부터 고온 배기 스트림을 수용하도록 구성된다.
이상의 설명은 본 개시내용의 요약이며, 따라서 필요에 의해 상세의 간소화, 일반화 및 생략을 포함한다. 따라서, 당업자라면 이러한 용액이 단지 예시이며 여하튼 제한이도록 의도되지 않음을 이해할 것이다. 본 명세서에 기재된 디바이스 및/또는 방법의 기타 양상, 특징 및 이점은 본 명세서에 제시되고 첨부 도면과 함께 취해진 상세한 설명에서 명백해질 것이다.
도 1은 순수 수소 생성을 위한 스팀 메탄 개질 공정을 예시한다.
도 2는 일 실시형태에 따른 스팀-메탄 개질기 통합형 고온 연료전지 시스템을 예시한다.
도 3은 일 실시형태에 따른 스팀-메탄 개질기 통합형 고온 연료전지 시스템을 예시한다.
예시적인 실시형태를 상세하게 예시하는 도면으로 전환하기 전에, 청구된 시스템 및 방법은 설명에 제시되거나 또는 도면에 예시된 상세 또는 방법으로 제한되지 않는 것임이 이해되어야 된다.
본 명세서에서 제공된 개시내용은 위에서 언급된 문제를 해소하여, 시스템으로부터 출력된 NOx를 제거하면서 연료전지 및 SMR 효율을 증가시키고, 스팀 메탄 개질기(SMR)를 고온연료전지(예컨대, 용융 탄산염 연료전지)와 통합함으로써 자본비용을 저감시키므로, 연료전지 시스템은 연료-전지에 대해서 공기를 예열하기 위하여 더 낮은-수준의 폐열을 사용하도록 변형됨으로써, 연료전지 폐열을 SMR에 의해 사용되는 높은 수준의 열로 전환시킨다.
이제 도 1을 참조하면, 순수 수소 생성 공정이 예시적인 실시형태에 따라서 도시되어 있다. 구체적으로, 스팀 메탄 개질 공정은 도 1에 도시된 바와 같이 탈황 유닛, 스팀 메탄 개질기(SMR), 전환 반응기 또는 반응기들, 및 압력 순환식 흡착 유닛을 이용한다. 제1 단계에서, 가벼운 탄화수소 공급 가스가 스팀 메탄 개질기 및 전환 반응기에서 사용되는 촉매의 황 중독을 방지하기 위하여 탈황된다. 다음에, SMR이 메탄 공급원료로부터 수소를 생성하도록 작동한다. 스팀 메탄 개질에 있어서, 메탄은 촉매의 존재하에 스팀과 반응하여, 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소를 생성시킨다. 스팀 개질은 흡열성이고, (예컨대, 공급 가스 자체, 외부 정제 공급 가스 및/또는 PSA 테일 가스의 연소로부터) 반응 진행을 위하여 공급될 열을 필요로 한다. 이하의 도 2 및 도 3에 도시된 구성에 있어서, SMR에서 개질 반응을 위한 열은 고온연료전지에 의해, 예컨대, 애노드 배기 가스로부터 제공될 수 있다.
도 1을 더욱 참조하면, 제3 단계에서, 메탄과 스팀 간의 반응에 대한 평형은 SMR에서보다 낮은 온도에서, 재차 촉매의 존재에서 물 가스 전환 반응을 행함으로써 수소 생성물 쪽으로 더욱 전이된다. 제4 단계에서, 수소는 압력 순환식 흡착(PSA)에 의해 생성물 스트림으로부터 분리된다. 나머지 PSA 테일 가스는 주로 CO, CO2, H2 및 CH4를 함유한다
도 2는 도 1에 도시된 것과 유사한 공정을 이용해서 NOx 없이 수소를 발생시키기 위한 예시적인 실시형태에 따른 SMR-통합형 고온 연료전지 시스템(100)(즉, 시스템)을 예시한다. 시스템(100)은 애노드(126), 캐소드(130), 및 이들 사이에 배치된 전해질 매트릭스를 구비하는 연료전지(125)를 포함한다. 시스템(100)은 개질기(106), 예컨대, SMR을 더 포함한다. 외부 공급 가스 스트림(142)(예컨대, 메탄 및/또는 천연 가스) 및 외부 물 스트림(104)이 시스템(100)에 제공된다. 공급 가스 스트림(142)은, 연료전지(125)의 애노드(126)에 공급되도록 구성된 제1 공급 가스 스트림(143), 및 개질기(106)에 공급되도록 구성된 제2 공급 가스 스트림(102)으로 분할될 수 있다. 예시적인 실시형태에 따르면, 공급 가스 스트림(142)은 적어도 250 psia의 압력에서 적어도 90 몰%의 메탄을 포함한다. 공급 가스 스트림(142)과 유사하게, 물 스트림(104)은 애노드(126)에 공급되도록 구성되는 제1 물 스트림(128)과 개질기(106)에 공급되도록 구성되는 제2 물 스트림(105)으로 나뉜다. 예시적인 실시형태에 따르면, 제1 물 스트림(128)은 스팀을 포함할 수 있고, 제2 물 스트림(105)은 액체 물을 포함할 수 있지만, 제1 물 스트림(128) 및 제2 물 스트림(105)의 각각은 액체 또는 수증기(즉, 스팀) 중 한쪽 또는 둘 다를 포함할 수 있다.
개질기(106) 내에서, 제2 물 스트림(105)으로부터의 스팀은, 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)와 함께 수소(H2)를 생성하기 위하여 촉매의 존재하에 제2 공급 가스 스트림(102) 내의 메탄 또는 기타 탄화수소 연료와 반응한다. 부반응에서, 물-가스 전환 반응은 CO(예컨대, 스팀 개질 반응에서 생성됨)를 CO2로 전환하고, 이에 의해서 추가의 H2를 생성한다. 스팀 개질은 흡열 반응이고 반응 (1) 및 (2)에 따라서 진행하는 반응에 대해서 열이 개질기(106)에 공급되는 것이 이해되어야 한다:
Figure pat00001
(1)
Figure pat00002
(2)
두 반응은 고온에 의해 선호되는 반응 (1)과 저온에 의해 선호되는 반응 (2)로 가역적이다.
개질기(106)가 제2 공급 가스 스트림(102) 및 제2 물 스트림(105)을 반응시킨 후, 개질기(106)는, H2, CO 및 CO2를 포함하고 제1 수소 농도를 갖는 생성물 스트림(108)(즉, 제1 생성물 스트림)을 출력하고, 이는 이어서 반응기(110)(즉, WGS 반응기)에서 냉각되어 물-가스 전환 반응을 겪는다. 반응기(110)에서, CO 및 스팀이 촉매를 사용해서 상기 반응 (2)에서와 같이 더 반응하는데, 이는 CO2 및 더 많은 H2를 생성하도록 생성물 스트림(108)을 개질하는 것을 가능하게 하지 못한다. 이어서, 개질기(110)는 개질기 유출구 스트림(112)(즉, 스트림, 흡수제 공급 스트림 등)을 출력하는데, 이는 냉각되고 응축되어 개질기 유출구 스트림(112)으로부터 물을 제거하여 생성물 스트림(108)보다 더 높은 수소 농도(즉, 제2 농도)를 갖게 한다.
개질기 유출구 스트림(112)은 주로 H2 및 CO2 및 대부분의 미전환 CO 및 미반응 메탄의 잔류물을 포함하는 조성물을 갖는 흡수제 칼럼(114)으로 공급된다. 일 구현예에서, 개질기 유출구 스트림(112)은 적어도 70　몰%의 H2 및 적어도 15 몰%의 CO2를 포함한다. 흡수제 칼럼(114)은 개질기 유출구 스트림(112)에 함유된 대량(bulk amount)의 CO2를 제거하도록 구성된다. 일례에서, 흡수제 칼럼(114) 내 용매는 비교적 고압(예컨대, 대략 300 psia)에서 개질기 유출구 스트림(112) 내 CO2를 흡수(예컨대, 용해)한다. 개질기 유출구 스트림(112)의 CO2를 함유하는 용매(즉, 풍부 용매)는 개질기 유출구 스트림(112)의 CO2의 대부분을 방출하고 회수하도록 저압 플래시 시스템(116)을 이용해서 압력을 저감시킨다. 또 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 시스템(100)은, 저압을 갖는 애노드 가스 산화기(AGO)(134)를 포함하고, 흡수제 칼럼(114)은 AGO(134)와 실질적으로 동일한 저압에서 작동한다. 도 2 및 도 3에 도시된 구성에서, 개질기 유출구 스트림(112)으로부터 CO2를 분리시키기 위하여 흡수제 칼럼 내의 분리 공정은 CO2를 회수하고 소량의 연료(H2, CH4, CO)와 함께 AGO(134)로 회수된 CO2-풍부 스트림(118)(예컨대, 적어도 대략 60 몰%의 CO2)을 출력하도록 선택적으로 작동한다. 일 구현예에서, 용매는 폴리에틸렌 글리콜의 다이메틸 에터의 혼합물일 수 있다. 물리적 용매는 추가의 열의 사용 없이 용매 재생의 용이성을 최대화하는 것이 바람직하다.
몇몇 실시형태에 있어서, 도 3에 도시된 바와 같은 시스템(100)에서와 같이, 2 압력 플래시 시스템은 풍부 용매로부터 CO2의 대부분을 제거하는데 사용된다. 구체적으로, 시스템(100)은 중압(즉, 제1) 플래시(116a) 및 저압(즉, 제2) 플래시(116b)을 포함한다. 도 3에 도시된 구성에서, 중압 플래시(116a)는 흡수제 칼럼(114) 내 압력의 대략 40% 내지 60%에서 작동될 수 있고, 얻어지는 제1 스테이지 플래시 가스는 대부분의 H2를 함유한다. 이어서, 이 제1 스테이지 플래시 가스는 개질기 오프-가스 스트림(124)(즉, 스트림)을 통해서 연료전지(125)에 가스 리사이클로서 첨가된다. 즉, 중압 플래시(116a)는 H2 농도가 높은 가스 스트림 및 기타 연료(예컨대, CO, CH4)를 생성하고 개질기 오프-가스 스트림(124)을 통해서 연료 전지에 재순환된다.
흡수제 칼럼(114)에 대한 용매 중 CO2를 최소화하고 흡수제 칼럼(114)으로부터 출력된 고-수소 농도 스트림(119)(즉, 제2 생성물 스트림, PSA 공급물 등) 중 CO2를 최소화하기 위하여, 저압 플래시 시스템(116a)으로부터의 부분적으로-재생된 용매는 스트림(117)(즉, 액체 유출물 스트림, 용매 스트림 등)을 통해서 스트리퍼 칼럼(115)으로 보내진다. 스트리퍼 칼럼(115) 압력은 낮아지므로, 이제 저압 플래시 시스템(116)으로부터 스트림(117) 내에 함유된 CO2가 액체 유출물로 인해 더욱 저감된다. CO2가 낮은 PSA 테일 가스(123)는 스트림(117)으로부터 더 많은 CO2를 스트리핑하는데 사용되므로, 주로 수소, 메탄 및 이산화탄소(40 몰% 미만)를 함유하는, 스트리퍼 칼럼(115)으로부터의 오버헤드 가스는 개질기 오프-가스 스트림(124)으로서 시스템(100)으로(예컨대, 연료전지(125)로) 도로 재순환된다. 다른 실시형태에 있어서, 스트리퍼 칼럼(115)은 시스템(100)으로부터 배제될 수 있는데, 이 경우에, 저압 플래시 시스템(116)으로부터 낮은 CO2를 갖는 희박 용매 스트림인 스트림(117)이 흡수제 칼럼(114)으로 보내지고, PSA 테일 가스(123)는 개질기 오프-가스 스트림(124)을 통해서 연료전지(125)에 직접 재순환된다.
도 2 및 도 3을 더욱 참조하면, 고-수소 농도 스트림(119)은, 제2 수소 농도보다 큰 제3 수소 농도(예컨대, 대략 90 몰%)를 갖고, 흡수제 칼럼(114)으로부터 나가서 CO2 제거를 거친 후 압력 순환식 흡착 정제 시스템(120)(즉, PSA 시스템)으로 유입된다. PSA 공급물로서의 스트림(119)의 고순도는 PSA 시스템(120)의 필요한 크기를 저감시키고 PSA 시스템(120)으로부터의 수소 회수를 증가시킨다. 일 구현예에서, 고-수소 농도 스트림(119)은 적어도 90 몰%의 수소 및 소량의 CO2, CO, CH4 및 N2를 포함한다. PSA 시스템(120)에서, PSA 공정이 가스 성분, 흡착제 재료의 유형, 가스 성분의 분압 및 작동 온도에 따른 결합력으로, 흡착제 재료에 가스 분자의 물리적 결합에 기초하는 것이 이해되어야 한다. 공급 가스의 분리, 및 궁극적으로 정제는, 흡착제 재료에 대한 결합력의 차이에 기초한다. 수소와 같은 낮은 극성을 가진 고도로 휘발성인 성분이 약하게 흡착되는 한편, CO2, CO, 탄화수소, N2 및 수증기와 같은 분자가 흡착제에 강력한 결합 친화도를 갖는다. 따라서, 이들 불순물은 H2-함유 스트림으로부터 흡착되고, 고순도 수소가 회수된다. 일 구현예에서, 생성물 스트림(122)(즉, 제3 생성물 스트림, PSA 생성물 스트림, PSA 출력 스트림 등)은 제3 수소 농도보다 더 높은 제4 수소 농도를 포함한다. 예를 들어, 생성물 스트림(122)은 적어도 95 몰%의 수소를 포함한다. 또 다른 구현예에서, 생성물 스트림(122)은 적어도 98 몰%의 수소를 포함한다. 또 다른 구현예에서, 생성물 스트림(122)은 적어도 99 몰%의 수소를 포함한다. 또 다른 구현예에서, 생성물 스트림(122)은 적어도 99.99 몰%의 수소를 포함한다.
일부 CO 및 낮은 수준의　CO2와 함께 대부분의 H2 및 CH4를 포함하는 PSA 테일 가스(123)는 스트리퍼 칼럼(115) 내 스트림(117)으로부터 CO2를 스트리핑하는데 사용되고, 이어서 고온 연료전지일 수 있는 연료전지(125)에 공급된다. 몇몇 실시형태에 있어서, 연료전지(125)는 용융 탄산염 고온 연료전지(즉, MCFC)일 수 있고, 이는 개질기 오프-가스 스트림(124)의 더 높은 CO2 함유량이 이러한 유형의 연료전지에 대한 어떠한 성능 또는 경제적인 패널티 없이 연료전지(125)에 대해서 연료로서 사용될 수 있으므로, 바람직할 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 애노드(126)에 의해 수용된 조합된 애노드 공급 가스는 제1 공급 가스 스트림(143), 제1 물 스트림(128) 및 개질기 오프-가스 스트림(124)의 혼합물을 탄화수소 연료 공급원으로서 포함한다. 이 구성에서, 개질기 오프-가스 스트림(124)의 존재는 일정량의 연료(예컨대, H2, CO, 메탄)를 공급함으로써 제1 공급 가스 스트림(143)에 의해 공급될 필요가 있는 외부 메탄량을 저감시키고, 이에 의해서 연료전지 효율을 증가시킨다.
도 2를 참조하면, 고온연료전지(125)의 작동은 대부분의 CO2(40 내지 80 몰%)를 포함하는 애노드 배기 가스(132)를 생성하고, 이어서 이것은 개질기(106)로부터의 CO2-풍부 스트림(118)과 함께 또는 이와는 독립하여 AGO(134)에 공급된다. 고온연료전지(125)으로부터 출력된 고온애노드 배기 가스(132), 및 플래시-증발된 CO2-풍부 스트림(118)과 함께, 예열된 공기 스트림(136)이 또한 AGO(134)에 공급된다. 예열된 공기 스트림(136)은 애노드 배기 가스(132) 및 AGO(134) 내 CO2-풍부 스트림(118)과 혼합 및/또는 반응하여 공기 스트림(136)을 더 가열한다. 공기 스트림(136)을 예열함으로써, AGO(134)의 온도는 전형적인 작동에서보다 훨씬 더 높은 수준에서(예컨대, 1700℃ 초과에서) 작동한다. 이 온도 수준에서, AGO(134)로부터 나오는 배기 스트림(138)(즉, AGO 배기 스트림)은 고온연료전지(125)의 캐소드(130)에 유입되기 전에 개질기(106)에 열을 제공하도록 사용될 수 있다. 현저하게는, 예열된 공기 스트림(136) 및 애노드 배기 가스(132) 둘 다가 고온연료전지(125)의 작동 온도로 인해 매우 높은 수준으로 가열되기 때문에, AGO(134)는 다른 AGO 구성에서보다 훨씬 더 높은 온도에서 개질기(106)에 배기 스트림(138)을 출력한다.
개질기(106)로부터의 이 고온 입력은, 종래의 독립형 SMR과 달리, 개질기(106)의 고온 동작으로 인해 개질기(106)로부터 NOx의 형성을 제한 또는 방지하고, 따라서 시스템(100)으로부터 NOx의 출력을 방지하는 것이 이해되어야 한다. 이 구성에서, 열은 공기 스트림(136)과, 애노드 배기 가스(132) 및 플래시-증발된, CO2-풍부 스트림(118)의 둘 다의 연료 가치물에 의해 개질기(106)에 공급되고, 후자의 2가지는 AGO(134) 내 공기 스트림(136)에서 연소된다. 일 실시형태에 있어서, 용융 탄산염 연료전지는 고온 연료전지로서 사용되고, SMR로부터의 증가된 CO2는 연료전지의 전압 성능을 개선시킨다.
캐소드(130)는 연료전지(125)에 공급된 공기 스트림(136), 물 스트림(104), 및 공급 가스 스트림(142)을 예열하도록 열을 회수한 후에 시스템(100)으로부터 통기된(vented) 캐소드 배기 가스(140)를 생성시킨다. 연료전지(125)로부터의 낮은-수준의 열은 회수되고 공기 스트림(136)으로 이동되고, 연료전지(125) 또는 시스템(100)의 다른 부분으로부터의 다른 낮은-수준의 열은, 마치 공기 스트림(136)이 단일의 높은-수준의 열원에 의해 가열된 것처럼 공기 스트림(136)을 예열하는데 더욱 사용될 수 있음이 이해되어야 한다.
또 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 시스템(100)의 수소 생성 공정은 CO2를 공동 생성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, PSA 시스템(122)으로부터 출력된 생성물 스트림(122)은 위에서 논의된 H2와 함께 CO2를 포함할 수 있다. 이 구성에서, 흡수제 칼럼(114)으로부터의 풍부 용매는 가열되어 보다 고압의 CO2-풍부 스트림, 예컨대, 스트림(117)을 생성하고, 이는 이어서 스트리퍼 칼럼(115)으로 공급된다. 또 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 시스템(100)은 흡수제 칼럼(114)을 우회하는 흡수제 공급 스트림(112)(즉, 스트림, PSA 공급 스트림, 개질기 유출구 가스 스트림 등)으로 작동할 수 있다. 이 구성에서, 반응기(110)로부터 출력된 스트림(112)은 PSA 시스템(120)에 직접 공급된다. 또 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 스트림(112)은 흡수제 칼럼(114)을 우회할 수 있고, 스트리퍼 칼럼(115), 중압 플래시(116a) 및/또는 저압 플래시(116b, 116) 중 하나 이상을 통해서 PSA 시스템(120)으로 공급될 수 있다. 이어서, PSA 시스템(120)은 불순물을 제거하고 정제된 수소 생성물 스트림(122) 및 CO2가 높은 PSA 테일 가스(123)를 생성하도록 구성될 수 있고, 연료전지(125) 및/또는 AGO(134) 중 한쪽 또는 양쪽에 직접적으로 재순환될 수 있다.
도 2 및 도 3에 따르면, 시스템(100)은 압축기(144)(즉, 개질기 천연 가스 압축기)를 더 포함할 수 있으며, 이는 제2 공급 가스 스트림(102)을 수용하고 압축시켜 제2 공급 가스 스트림(102)을 개질기(106)로 공급하기 전에 제2 공급 가스 스트림(102)의 압력을 증가시키도록 구성된다. 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 외부 공급 가스 스트림(142)은 고압에서(예컨대, 개질기(106)의 작동압에서 또는 그 부근에서) 제공되므로, 제2 공급 가스 스트림(102)은 먼저 압축되는 일 없이 개질기(106)에 직접 공급될 수 있다.
각종 예시적인 실시형태에 따르면, 물 공급 스트림(104)으로부터의 물은 연료전지(125) 또는 개질기(106)에 공급되기 전에 가열될 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 3은, 제1 물 스트림(128)을 애노드(126)에 공급하기 전에 열 교환기에서 열이 캐소드 배기 가스(140)로부터 제1 물 스트림(128)으로 이동되는 것을 도시한다. 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 제2 물 스트림(105)을 개질기(106)에 공급하기 전에 열은 캐소드 배기 가스(140)로부터 제2 물 스트림(105)으로 부가적으로 또는 대안적으로 이동될 수 있음이 이해되어야 한다. 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 물 공급 스트림(104) 및 이의 부분은 시스템(100)의 다른 부분으로부터 폐열을 이용해서 예열될 수 있다.
다른 예시적인 실시형태에 따르면, 물 이용능이 제한되는 개소에서, 애노드 배기 가스(132)가 (예컨대, 하나 이상의 열 교환기를 통해서) 냉각될 수 있고, 물은 AGO(134)에서 애노드 배기 가스(132)를 산화시키기 전에 애노드 배기 가스(132)로부터 (예컨대, 하나 이상의 응축기, 플래시 가스 장치, 넉아웃 팟(knockout pot), 플래시 드럼 등을 통해서) 응축될 수 있다. 흡수제 공급 스트림(112)으로부터 응축된 물과 함께 애노드 배기 가스(132)를 냉각시키는 공정으로부터의 응축수는 외부 물 스트림(104)으로부터의 물의 실질적으로 전부 또는 대부분을 교체할 수 있다. 이 구성의 유익은, 충분한 양의 물이 고온 연료전지(125)에 의해 내부적으로 생성될 수 있으므로, (예컨대, 시스템(100)의 기동 동안) 외부 공급처로부터 입력된 최소의 물에 의한 수소 및 전력 생성을 포함한다.
본 명세서에서 제시된 연료전지 시스템(100)은 고온 연료전지(125)와 함께 스팀 메탄 개질기(106)를 통합하고 있다. 이러한 구성은, 통상의 시스템과 비교할 때, 서로 독립적으로 작동하는 연료전지 및 스팀 메탄 개질기를 갖는 많은 이점을 갖는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 이들 이점은 다른 이점들 중에서도, 거의 또는 전혀 NOx 방출을 출력하지 않고; 더 높은 작동 효율, 더 낮은 작동 또는 제조 비용, 수소가 더 농축된(대략 90% H2) PSA 공급물로 인해 더 높은 수소가 회수되는 더 작은 PSA 시스템(120); 연료전지 연료로서 작용하기 위한 고가치 PSA 테일 가스, 이에 의해서 연료전지를 위한 전체적인 천연 가스 소비를 저감시키는 것; 및 대략 300 psig에서 발생되는 수소 압력을 포함할 수 있다. 또한, 더 작은 양의 전력이 흡수제 공급 스트림(112)을 압축시키는데 필요한 것보다 스팀 메탄 개질기(106)로 천연 가스 공급부를 압축시킬 필요가 있고, 따라서 개질기(106)는 압력에서 작동한다.
본 발명의 개시된 시스템(100)은 연료전지 폐열에 대해서 고가치물을 생성하여, 전기 효율을 적어도 60%로 증가시킨다. 전부는 아니더라도 연료전지 폐열이 수소 생성에 필요하고, 일부분이 시스템(100)으로부터 내보내기 위한 고압 스팀을 발생시키는데 사용될 수 있음이 더욱 이해되어야 한다. 게다가, 생성된 전력의 킬로와트-시간당 생성된 수소의 양은 통상의 수소 공동-발생 연료전지 구성보다 많다. 따라서, 스팀 메탄 개질기(106)의 시스템(100)에의 통합은 달리 실현 가능하게 될 더 높은 효율 및 더 낮은 비용으로 수소 및 전력 생성을 초래한다.
SMR로부터 플루 가스(flue gas)가 없으므로, 본 명세서에 개시된 통합형 연료전지/SMR 시스템은 스팀 메탄 개질기로부터의 NOx 방출을 제거하고(연료전지로부터의 NOx가 극히 낮게 유지됨), 스팀 메탄 개질기 및 연료전지에 대한 시스템 효율을 증가시키고, 비용을 저감시킨다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 연료전지-스팀 메탄 개질기 통합형 시스템은 표준 연료전지 시스템에 최소의 영향으로 개선된 효율을 가지며, 실질적으로 낮은 기생 동력 부하로 수소를 공동 생성한다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 용어 "대략", "약", "실질적으로" 및 유사한 용어는 본 개시내용의 주제가 적용되는 당업자에 의해 통상의 그리고 수용된 용법과 조화롭게 넓은 의미를 갖도록 의도된다. 본 개시내용을 검토한 당업자라면, 이러한 용어가 이들 특징부의 범위를 제공된 정확한 수치 범위로 제한하는 일 없이 기재되고 청구된 소정의 특징부의 설명을 허용하도록 의도되는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 이들 용어는 개시되고 청구된 주제의 비현실적인 또는 중요하지 않은 변형 또는 변경이 청구범위의 범주 내가 되도록 간주되는 것을 나타내는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 "결합된", "연결된" 등은 서로 직접적으로 또는 간접적으로 2개의 부재의 접합을 의미한다. 이러한 접합은 정지(예컨대, 영구적) 또는 전환성(예컨대, 제거 가능 또는 방출 가능)할 수 있다. 이러한 접합은 2개의 부재로 달성될 수 있거나 또는 2개의 부재 및 임의의 추가의 중간 부재는 서로와 또는 2개의 부재와 단일의 일체화된 몸체로서 일체적으로 형성되고, 2개의 부재 및 임의의 추가의 중간 부재는 서로 부착된다.
요소의 위치(예컨대, "상부", "하부", "위쪽", "아래쪽" 등)에 대한 본 명세서에서의 언급은 단지 도면에서의 각종 요소의 배향을 기술하는데 사용된다. 각종 요소의 배향은 다른 예시적인 실시형태에 따라 다를 수 있고, 이러한 변화는 본 개시내용에 의해 포괄되도록 의도되는 것에 유의해야 한다.
각종 예시적인 실시형태의 구성 및 배열은 단지 예시적임을 주목하는 것이 중요하다. 단지 소수의 실시형태가 본 개시내용에서 상세히 기재되었지만, 본 개시내용을 검토한 당업자라면, 많은 변경(예컨대, 각종 요소의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율, 파라미터의 값, 장착 배열, 재료의 사용, 색, 배향의 변화 등)이 본 명세서에 기재된 주제의 신규한 교시 및 이점으로부터 실질적으로 벗어나는 일 없이 가능함을 용이하게 이해할 것이다. 예를 들어, 일체로 형성된 바와 같이 도시된 요소는, 다수의 부분 또는 요소로 구성될 수 있고, 요소의 위치는 역전될 수 있거나 또는 다르게는 변화될 수 있고, 별도의 요소 또는 위치의 속성 또는 개수는 변경 또는 변화된다. 임의의 공정 또는 방법 단계의 순서 또는 수순은 대안적인 실시형태에 따라 변화 또는 재순서화될 수 있다. 또한 본 출원의 범위로부터 벗어나는 일 없이 각종 예시적인 실시형태의 설계, 작동 조건 및 배열에 있어서 다른 치환, 변경, 변화 및 생략이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 열 회수 열 교환기는 더욱 최적화될 수 있다.

Claims (20)

  1. 스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템(steam methane reformer-integrated fuel cell system)으로서,
    적어도 하나의 연료전지로서,
    애노드(anode);
    캐소드(cathode); 및
    상기 애노드와 상기 캐소드를 분리시키는 전해질 매트릭스(electrolyte matrix)
    를 포함하는 상기 적어도 하나의 연료전지;
    상기 적어도 하나의 연료전지로부터의 애노드 배기 가스가 예열된 공기 스트림과 반응하여 고온 배기 스트림을 생성시키도록, 상기 애노드 배기 가스 및 상기 예열된 공기 스트림을 수용하도록 구성되고, 그리고 상기 고온 배기 스트림을 상기 적어도 하나의 연료전지의 상기 캐소드에 공급하도록 구성된 애노드 가스 산화기(anode gas oxidizer: AGO); 및
    상기 AGO로부터 출력된 상기 고온 배기 스트림으로부터의 열을 이용하도록 그리고 메탄을 스팀과 반응시켜 수소(H2), 이산화탄소(CO2) 및 일산화탄소(CO)를 포함하는 제1 생성물 스트림(product stream)을 생성시키도록 구성된 스팀 메탄 개질기
    를 포함하는, 스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 생성물 스트림은 제1 수소 농도를 포함하고,
    상기 시스템은 상기 제1 생성물 스트림 중의 CO를 스팀과 반응시켜 상기 제1 수소 농도보다 큰 제2 수소 농도를 갖는 유출구 스트림을 생성시키도록 구성된 물-가스 전환 반응기(water-gas shift reactor)를 더 포함하는,
    스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    흡수제 칼럼의 제2 생성물 스트림이 상기 제2 수소 농도보다 큰 제3 수소 농도를 갖게끔 상기 유출구 스트림 중의 CO2의 농도를 저감시키도록 구성된 상기 흡수제 칼럼을 더 포함하는,
    스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    압력 순환식 흡착(pressure swing adsorption: PSA) 시스템의 제3 생성물 스트림이 상기 제3 수소 농도보다 큰 제4 수소 농도를 갖게끔 상기 제2 생성물 스트림을 정제시키도록 구성된 상기 PSA 시스템을 더 포함하는,
    스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제4 수소 농도는 적어도 95　몰%인,
    스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제3 수소 농도는 적어도 90　몰%인,
    스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제2 수소 농도는 적어도 70 몰%인,
    스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연료전지가 상기 PSA 정제 시스템으로부터의 PSA 테일 가스(tail gas)를 애노드 공급 가스로서 수용하도록 구성되는,
    스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 흡수제 칼럼에 연결된 스트리퍼 칼럼(stripper column)을 더 포함하되;
    상기 스트리퍼 칼럼은 상기 PSA 정제 시스템으로부터의 PSA 테일 가스 및 상기 흡수제 칼럼으로부터의 용매를 수용하도록 구성되고;
    상기 스트리퍼 칼럼은 상기 PSA 테일 가스를 사용해서 상기 용매로부터 CO2를 스트리핑하고 CO2-스트리핑된 용매를 출력하도록 구성되는, 스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 흡수제 칼럼은, 상기 제2 생성물 스트림의 수소 농도가 상기 제2 수소 농도로부터 상기 제3 수소 농도로 증가되게끔, 상기 스트리퍼 칼럼으로부터 상기 CO2-스트리핑된 용매를 수용하도록 구성되는, 스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    흡수제 칼럼(absorber column)으로부터 풍부 용매를 수용하도록 구성되고 제1 CO2-풍부 플래시 가스 스트림을 생성시키도록 구성된 플래시 가스 장치(flash gas apparatus)를 더 포함하는,
    스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 플래시 가스 장치는 저압 플래시 시스템을 포함하는,
    스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 CO2-풍부 플래시 가스 스트림을 생성시키도록 구성된 2-압력 플래시 시스템을 더 포함하되, 상기 2-압력 플래시 시스템은,
    중압 플래시 장치(medium-pressure flash apparatus); 및
    저압 플래시 장치(low-pressure flash apparatus)
    를 포함하고;
    상기 중압 플래시 장치는 상기 흡수제 칼럼 내 압력의 40% 내지 60%의 범위 내 압력에서 작동하도록 구성되는, 스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    흡수제 칼럼(absorber column)으로부터 풍부 용매를 수용하도록 구성되고 적어도 60 몰%의 CO2를 포함하는 제1 CO2-풍부 플래시 가스 스트림을 생성시키도록 구성된 플래시 가스 장치(flash gas apparatus)를 더 포함하는,
    스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템.
  15. 스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템(steam methane reformer-integrated fuel cell system)으로서,
    적어도 하나의 연료전지로서,
    애노드(anode);
    캐소드(cathode); 및
    상기 애노드와 상기 캐소드를 분리시키는 전해질 매트릭스(electrolyte matrix)
    를 포함하는 상기 적어도 하나의 연료전지;
    메탄을 스팀과 반응시켜 수소(H2)의 제1 농도, 이산화탄소(CO2) 및 일산화탄소(CO)를 포함하는 제1 생성물 스트림(product stream)을 생성시키도록 구성된 스팀 메탄 개질기;
    상기 제1 생성물 스트림 중의 CO를 스팀과 반응시켜 상기 제1 수소 농도보다 큰 제2 수소 농도를 갖는 유출구 스트림을 생성시키도록 구성된 물-가스 전환 반응기(water-gas shift reactor);
    흡수제 칼럼(absorber column)의 제2 생성물 스트림이 상기 제2 수소 농도보다 큰 제3 수소 농도를 갖게끔 상기 유출구 스트림 중의 CO2의 농도를 저감시키도록 구성된 상기 흡수제 칼럼; 및
    압력 순환식 흡착(pressure swing adsorption: PSA) 시스템의 제3 생성물 스트림이 상기 제3 수소 농도보다 큰 제4 수소 농도를 갖게끔 상기 제2 생성물 스트림을 정제시키도록 구성된 상기 PSA 시스템
    을 포함하고,
    상기 스트리퍼 칼럼은 상기 PSA 정제 시스템으로부터의 PSA 테일 가스 및 상기 흡수제 칼럼으로부터의 용매를 수용하도록 구성되고;
    상기 적어도 하나의 연료전지가 상기 PSA 정제 시스템으로부터의 PSA 테일 가스(tail gas)를 애노드 공급 가스로서 수용하도록 구성되는,
    스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    흡수제 칼럼(absorber column)으로부터 풍부 용매를 수용하도록 구성되고 제1 CO2-풍부 플래시 가스 스트림을 생성시키도록 구성된 플래시 가스 장치(flash gas apparatus)를 더 포함하는,
    스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템.
  17. 제15항에 있어서,
    흡수제 칼럼(absorber column)으로부터 풍부 용매를 수용하도록 구성되고 적어도 60 몰%의 CO2를 포함하는 제1 CO2-풍부 플래시 가스 스트림을 생성시키도록 구성된 플래시 가스 장치(flash gas apparatus)를 더 포함하는,
    스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제2 수소 농도는 적어도 70 몰%인,
    스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 제3 수소 농도는 적어도 90　몰%인,
    스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 제4 수소 농도는 적어도 95　몰%인,
    스팀 메탄 개질기-통합형 연료전지 시스템.
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