KR20240021872A - 수소 발생 조립체 - Google Patents

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KR20240021872A
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데이비드 제이. 에드룬드
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엘리먼트 1 코프.
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Abstract

수소 발생 조립체 및 방법이 개시된다. 일 실시예에서, 방법은 연료 처리 조립체 내에 공급물 스트림을 수용하는 단계, 및 하나 이상의 버너를 통해, 연료 처리 조립체의 수소 발생 영역을 적어도 최소 수소 생성 온도로 가열하는 단계를 포함한다. 방법은 연료 처리 조립체의 가열된 수소 발생 영역에서 수용된 공급물 스트림으로부터 출력 스트림을 발생하는 단계, 및 출력 스트림으로부터 연료 처리 조립체의 정화 영역에서 생성물 수소 스트림 및 부산물 스트림을 발생하는 단계를 추가로 포함한다. 방법은 부산물 스트림보다 더 낮은 이산화탄소 농도를 갖는 연료 스트림을 발생하기 위해 부산물 스트림으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 분리하는 단계, 및 하나 이상의 버너에 연료 스트림을 공급하는 단계를 더 포함한다.

Description

수소 발생 조립체
수소 발생 조립체는 하나 이상의 공급원료를 주 성분으로서 수소 가스를 함유하는 생성물 스트림으로 변환하는 조립체이다. 공급원료는 탄소 함유 공급원료를 포함할 수도 있고, 몇몇 실시예에서 또한 물을 포함할 수도 있다. 공급원료는 공급원료 전달 시스템으로부터 수소 발생 조립체의 수소 생성 영역으로 전달되고, 통상적으로 공급원료는 압력 하에서 그리고 상승된 온도에서 전달된다. 수소 생성 영역은 종종 수소 가스를 효과적으로 생성하기 위한 적합한 온도 범위 내에서 수소 생성 영역을 유지하기 위해 하나 이상의 연료 스트림을 소비하는 가열 조립체 또는 냉각 조립체와 같은, 온도 조절 조립체와 연관된다. 수소 발생 조립체는 증기 개질, 자열 개질, 열분해 및/또는 촉매 부분 산화와 같은 임의의 적합한 메커니즘(들)을 통해 수소 가스를 발생할 수도 있다.
그러나, 발생된 또는 생성된 수소 가스는 불순물을 포함할 수도 있다. 그 가스는 수소 가스와 다른 가스를 함유하는 혼합 가스 스트림이라고 칭할 수도 있다. 혼합 가스 스트림을 사용하기 전에, 이는 다른 가스의 적어도 일부를 제거하는 것과 같이, 정화되어야 한다. 따라서, 수소 발생 조립체는 혼합 가스 스트림의 수소 순도를 증가시키기 위한 수소 정화 디바이스를 포함할 수도 있다. 수소 정화 디바이스는 혼합 가스 스트림을 생성물 스트림과 부산물 스트림으로 분리하기 위한 적어도 하나의 수소 선택성 멤브레인을 포함할 수도 있다. 생성물 스트림은 더 높은 농도의 수소 가스 및/또는 혼합 가스 스트림으로부터의 감소된 농도의 하나 이상의 다른 가스를 함유한다. 하나 이상의 수소 선택성 멤브레인을 사용하는 수소 정화는 하나 이상의 수소 선택성 멤브레인이 압력 용기 내에 포함되는 압력 구동 분리 프로세스이다. 혼합 가스 스트림은 멤브레인(들)의 혼합 가스 표면과 접촉하고, 생성물 스트림은 멤브레인(들)을 통해 투과하는 혼합 가스 스트림의 적어도 일부로부터 형성된다. 압력 용기는 통상적으로 정의된 입구 및 출구 포트 또는 도관을 통하는 것을 제외하고 가스가 압력 용기에 들어가거나 나가는 것을 방지하기 위해 밀봉된다.
생성물 스트림은 다양한 용례에서 사용될 수도 있다. 하나의 이러한 용례는 전기화학 연료 전지에서와 같은, 에너지 생산이다. 전기화학 연료 전지는 연료와 산화제를 전기, 반응 생성물 및 열로 변환하는 디바이스이다. 예를 들어, 연료 전지는 수소와 산소를 물과 전기로 변환할 수도 있다. 이들 연료 전지에서, 수소는 연료이고 산소는 산화제이며, 물은 반응 생성물이다. 연료 전지 스택은 복수의 연료 전지를 포함하고 에너지 생산 조립체를 제공하기 위해 수소 발생 조립체와 함께 이용될 수도 있다.
수소 발생 조립체, 수소 처리 조립체 및/또는 이들 조립체의 구성요소의 예는 미국 특허 제5,861,137호; 제6,319,306호; 제6,494,937호; 제6,562,111호; 제7,063,047호; 제7,306,868호; 제7,470,293호; 제7,601,302호; 제7,632,322호; 제8,961,627호; 제9,187,324호; 제9,914,641호; 제10,717,040호; 및 미국 특허 출원 공개 제2006/0090397호; 제2006/0272212호; 제2007/0266631호; 제2007/0274904호; 제2008/0085434호; 제2008/0138678호; 제2008/0230039호; 및 제2010/0064887호에 설명되어 있다. 상기 특허 및 특허 출원 공개의 전체 개시내용은 모든 목적으로 여기에 참조로서 합체되어 있다.
몇몇 실시예는 수소를 발생하는 방법을 포함한다. 일 실시예에서, 방법은 연료 처리 조립체 내에 공급물 스트림을 수용하는 단계를 포함한다. 공급물 스트림은 탄소 함유 공급원료를 함유한다. 방법은 하나 이상의 버너를 통해, 연료 처리 조립체의 수소 발생 영역을 적어도 최소 수소 생성 온도로 가열하는 단계를 추가로 포함한다. 방법은 연료 처리 조립체의 가열된 수소 발생 영역에서 수용된 공급물 스트림으로부터 출력 스트림을 발생하는 단계를 더 포함한다. 출력 스트림은 수소 가스와 이산화탄소 가스를 함유한다.
방법은 출력 스트림으로부터 연료 처리 조립체의 정화 영역에서 생성물 수소 스트림 및 부산물 스트림을 발생하는 단계를 추가로 포함한다. 생성물 수소 스트림은 출력 스트림보다 더 높은 수소 농도 및 출력 스트림보다 더 낮은 이산화탄소 농도를 갖고, 부산물 스트림은 출력 스트림보다 더 낮은 수소 농도 및 출력 스트림보다 더 높은 이산화탄소 농도를 갖는다. 방법은 부산물 스트림보다 더 낮은 이산화탄소 농도를 갖는 연료 스트림을 발생하기 위해 부산물 스트림으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 분리하는 단계를 더 포함한다. 방법은 하나 이상의 버너에 연료 스트림을 공급하는 단계를 추가로 포함한다.
몇몇 실시예는 수소 발생 조립체를 포함한다. 일 실시예에서, 조립체는 인클로저 및 인클로저 내에 수용된 수소 생성 영역을 포함한다. 수소 생성 영역은 적어도 하나의 공급물 스트림으로부터 출력 스트림을 생성하도록 구성된다. 출력 스트림은 수소 가스와 이산화탄소 가스를 함유하고, 적어도 하나의 공급물 스트림은 탄소 함유 공급원료를 함유한다. 조립체는 적어도 하나의 공기 스트림 및 적어도 하나의 연료 스트림을 수용하고 인클로저 내에 수용된 연소 영역 내에서 적어도 하나의 연료 스트림을 연소하여 수소 생성 영역을 적어도 최소 수소 생성 온도로 가열하기 위한 가열된 배기 스트림을 생성하도록 구성된 가열 조립체를 추가로 포함한다.
조립체는 인클로저 내에 수용된 정화 영역을 더 포함한다. 정화 영역은 생성물 수소 스트림 및 부산물 스트림을 생성하도록 구성되고, 생성물 수소 스트림은 출력 스트림보다 더 높은 수소 농도 및 출력 스트림보다 더 낮은 이산화탄소 농도를 갖고, 부산물 스트림은 출력 스트림보다 더 낮은 수소 농도 및 출력 스트림보다 더 높은 이산화탄소 농도를 갖는다. 조립체는 부산물 스트림으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 분리하고 그로부터 적어도 하나의 연료 스트림의 적어도 일부를 생성하도록 구성된 가스 제거 조립체를 추가로 포함한다.
도 1은 수소 발생 조립체의 예의 개략도이다.
도 2는 도 1의 수소 발생 조립체의 예의 개략도이다.
도 3은 도 2의 수소 발생 조립체의 가스 제거 조립체의 예의 개략도이다.
도 4는 도 3의 가스 제거 조립체의 예의 개략도이다.
도 5는 도 3의 가스 제거 조립체의 다른 예의 개략도이다.
도 6은 도 3의 가스 제거 조립체의 부가의 예의 개략도이다.
도 7은 도 3의 가스 제거 조립체의 다른 예의 개략도이다.
도 8은 도 3의 가스 제거 조립체의 다른 예의 개략도이다.
도 9는 도 8의 가스 제거 조립체의 멤브레인 접촉기의 예의 개략도이다.
도 10은 도 9의 멤브레인 접촉기의 멤브레인의 예의 개략도이다.
도 11은 도 9의 멤브레인 접촉기의 멤브레인의 다른 예의 개략도이다.
도 12는 도 3의 가스 제거 조립체의 부가의 예의 개략도이다.
도 13은 수소 발생 방법의 예의 흐름도이다.
도 1은 수소 발생 조립체(20)의 예를 도시하고 있다. 특히 배제되지 않으면, 수소 발생 조립체(20)는 본 개시내용에 설명된 다른 수소 발생 조립체의 하나 이상의 구성요소를 포함할 수도 있다. 수소 발생 조립체는 생성물 수소 스트림(21)을 발생하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 수소 발생 조립체는 공급원료 전달 시스템(22) 및 연료 처리 조립체(24)를 포함할 수도 있다. 공급원료 전달 시스템은 적어도 하나의 공급물 스트림(26)을 연료 처리 조립체로 선택적으로 전달하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 공급원료 전달 시스템(22)은 부가적으로 적어도 하나의 연료 스트림(28)을 버너 또는 연료 처리 조립체(24)의 다른 가열 조립체로 선택적으로 전달하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 공급물 스트림(26) 및 연료 스트림(28)은 연료 처리 조립체의 상이한 부분으로 전달되는 동일한 스트림일 수도 있다. 공급원료 전달 시스템은 용적식 또는 다른 적합한 펌프 또는 유체 스트림을 추진하기 위한 메커니즘과 같은, 임의의 적합한 전달 메커니즘을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 공급원료 전달 시스템은 펌프 및/또는 다른 전기 구동식 유체 전달 메커니즘의 사용을 필요로 하지 않고 공급물 스트림(들)(26) 및/또는 연료 스트림(들)(28)을 전달하도록 구성될 수도 있다. 수소 발생 조립체(20)와 함께 사용될 수도 있는 적합한 공급원료 전달 시스템의 예는 미국 특허 제7,470,293호 및 제7,601,302호, 및 미국 특허 출원 공개 제2006/0090397호에 설명된 공급원료 전달 시스템을 포함한다. 상기 특허 및 특허 출원의 전체 개시내용은 모든 목적으로 여기에 참조로서 합체되어 있다.
공급물 스트림(26)은 생성물 수소 스트림(21)을 생성하기 위한 반응물로서 이용될 수도 있는 하나 이상의 유체를 포함할 수도 있는 적어도 하나의 수소 생성 유체(30)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 수소 생성 유체는 적어도 하나의 탄화수소 및/또는 알코올과 같은 탄소 함유 공급원료를 포함할 수도 있다. 적합한 탄화수소의 예는 메탄, 프로판, 천연 가스, 디젤, 등유, 가솔린 등을 포함한다. 적합한 알코올의 예는 메탄올, 에탄올, 폴리올(에틸렌 글리콜 및 프로필렌 글리콜과 같은) 등을 포함한다. 부가적으로, 수소 생성 유체(30)는, 예로서 연료 처리 조립체가 증기 개질 및/또는 자열 개질을 통해 생성물 수소 스트림을 발생할 때, 물을 포함할 수도 있다. 연료 처리 조립체(24)가 열분해 또는 촉매 부분 산화를 통해 생성물 수소 스트림을 발생할 때, 공급물 스트림(26)은 물을 함유하지 않는다.
몇몇 실시예에서, 공급원료 전달 시스템(22)은 물과 물과 혼화성인 탄소 함유 공급원료(메탄올 및/또는 다른 수용성 알코올과 같은)의 혼합물을 함유하는 수소 생성 유체(30)를 전달하도록 구성될 수도 있다. 이러한 유체 스트림에서 탄소 함유 공급원료에 대한 물의 비는, 사용되는 특정 탄소 함유 공급원료, 사용자 선호도, 연료 처리 조립체의 설계, 생성물 수소 스트림을 발생하기 위한 연료 처리 조립체에 의해 사용된 메커니즘(들) 등과 같은, 하나 이상의 인자에 따라 다양할 수도 있다. 예를 들어, 탄소에 대한 물의 몰비는 대략 1:1 내지 3:1일 수도 있다. 부가적으로, 물과 메탄올의 혼합물은 1:1 몰비(37 중량 % 물, 63 중량 % 메탄올)로 전달될 수도 있고, 반면 탄화수소 또는 다른 알코올의 혼합물은 1:1 초과의 물 대 탄소 몰비로 전달될 수도 있다.
연료 처리 조립체(24)가 개질을 통해 생성물 수소 스트림(21)을 발생할 때, 공급물 스트림(26)은 예를 들어 대략 25 내지 75 체적 %의 메탄올 또는 에탄올(또는 다른 적합한 수혼화성 탄소 함유 공급원료) 및 대략 25 내지 75 체적 %의 물을 포함할 수도 있다. 적어도 실질적으로 메탄올과 물을 포함하는 공급물 스트림의 경우, 이들 스트림은 대략 50 내지 75 체적 %의 메탄올과 대략 25 내지 50 체적 %의 물을 포함할 수도 있다. 에탄올 또는 다른 수혼화성 알코올을 함유하는 스트림은 대략 25 내지 60 체적 %의 알코올과 대략 40 내지 75 체적 %의 물을 함유할 수도 있다. 증기 개질 또는 자열 개질을 이용하는 수소 발생 조립체(20)용 공급물 스트림의 예는 69 체적 % 메탄올과 31 체적 % 물을 함유한다.
공급원료 전달 시스템(22)이 단일 공급물 스트림(26)을 전달하도록 구성되는 것으로 도시되어 있지만, 공급원료 전달 시스템은 2개 이상의 공급물 스트림(26)을 전달하도록 구성될 수도 있다. 이들 스트림은 동일한 또는 상이한 공급원료를 함유할 수도 있고 상이한 조성, 적어도 하나의 공통 성분을 갖거나, 공통 성분을 갖지 않거나, 동일한 조성을 가질 수도 있다. 예를 들어, 제1 공급물 스트림은 탄소 함유 공급원료와 같은 제1 성분을 포함할 수도 있고 제2 공급물 스트림은 물과 같은 제2 성분을 포함할 수도 있다. 부가적으로, 공급원료 전달 시스템(22)이 몇몇 실시예에서 단일 연료 스트림(28)을 전달하도록 구성될 수도 있지만, 공급원료 전달 시스템은 2개 이상의 연료 스트림을 전달하도록 구성될 수도 있다. 연료 스트림은 상이한 조성, 적어도 하나의 공통 성분을 갖거나, 공통 성분을 갖지 않거나, 동일한 조성을 가질 수도 있다. 더욱이, 공급물 및 연료 스트림은 상이한 상(phases)으로 공급원료 전달 시스템으로부터 배출될 수도 있다. 예를 들어, 스트림 중 하나는 액체 스트림이고 반면 다른 하나는 가스 스트림일 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 양 스트림 모두 액체 스트림일 수도 있고, 반면 다른 실시예에서 양 스트림 모두 가스 스트림일 수도 있다. 더욱이, 수소 발생 조립체(20)가 단일 공급원료 전달 시스템(22)을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 수소 발생 조립체는 2개 이상의 공급원료 전달 시스템(22)을 포함할 수도 있다.
연료 처리 조립체(24)는 임의의 적합한 수소 생성 메커니즘(들)을 통해 수소 가스를 함유하는 출력 스트림(34)을 생성하도록 구성된 수소 생성 영역(32)을 포함할 수도 있다. 출력 스트림은 적어도 주 성분으로서 수소 가스를 포함할 수도 있고 부가의 기체 성분(들)을 포함할 수도 있다. 따라서, 출력 스트림(34)은 수소 가스를 그 주 성분으로서 함유하지만 다른 가스를 포함하는 "혼합 가스 스트림"이라 칭할 수도 있다.
수소 생성 영역(32)은 임의의 적합한 촉매 함유 베드 또는 영역을 포함할 수도 있다. 수소 생성 메커니즘이 증기 개질일 때, 수소 생성 영역은 탄소 함유 공급원료 및 물을 함유하는 공급물 스트림(들)(26)으로부터 출력 스트림(들)(34)의 생성을 용이하게 하기 위해 적합한 증기 개질 촉매(36)를 포함할 수도 있다. 이러한 실시예에서, 연료 처리 조립체(24)는 "증기 개질기"라 칭할 수도 있고, 수소 생성 영역(32)은 "개질 영역"이라 칭할 수도 있으며, 출력 스트림(34)은 "개질유 스트림"이라 칭할 수도 있다. 개질유 스트림에 존재할 수도 있는 다른 가스는 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 증기 및/또는 미반응 탄소 함유 공급원료를 포함할 수도 있다.
수소 생성 메커니즘이 자열 개질일 때, 수소 생성 영역(32)은 공기의 존재하에 탄소 함유 공급원료 및 물을 함유하는 공급물 스트림(들)(26)으로부터 출력 스트림(들)(34)의 생성을 용이하게 하기 위해 적합한 자열 개질 촉매를 포함할 수도 있다. 부가적으로, 연료 처리 조립체(24)는 공기 스트림(들)을 수소 생성 영역으로 전달하도록 구성된 공기 전달 조립체(38)를 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 연료 처리 조립체(24)는 출력(또는 혼합 가스) 스트림(34)으로부터 적어도 하나의 수소 풍부 스트림(42)을 생성하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있는 정화(또는 분리) 영역(40)을 포함할 수도 있다. 수소 풍부 스트림(42)은 출력 스트림(34)보다 더 큰 수소 농도 및/또는 그 출력 스트림에 존재했던 감소된 농도의 하나 이상의 다른 가스(또는 불순물)를 포함할 수도 있다. 생성물 수소 스트림(21)은 수소 풍부 스트림(42)의 적어도 일부를 포함한다. 따라서, 생성물 수소 스트림(21) 및 수소 풍부 스트림(42)은 동일한 스트림일 수도 있고 동일한 조성 및 유량을 가질 수도 있다. 대안적으로, 수소 풍부 스트림(42) 내의 정화된 수소 가스의 일부는 적합한 수소 저장 조립체에서와 같은 이후의 사용을 위해 저장될 수도 있고 그리고/또는 연료 처리 조립체에 의해 소비될 수도 있다. 정화 영역(40)은 또한 "수소 정화 디바이스" 또는 "수소 처리 조립체"라 칭할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 정화 영역(40)은 수소 가스를 함유하지 않거나 일부 수소 가스를 함유할 수도 있는 적어도 하나의 부산물 스트림(44)을 생성할 수도 있다. 부산물 스트림은 배기되고, 버너 조립체 및/또는 다른 연소 소스로 보내지고, 가열된 유체 스트림으로서 사용되고, 이후의 사용을 위해 저장되고, 그리고/또는 다른 방식으로 이용, 저장, 및/또는 폐기될 수도 있다. 부가적으로, 정화 영역(40)은 부산물 스트림을 출력 스트림(34)의 전달에 반응하는 연속 스트림으로서 방출할 수도 있거나, 배치 프로세스(batch process)에서 또는 출력 스트림의 부산물 부분이 정화 영역에서 적어도 일시적으로 유지될 때와 같이, 그 스트림을 간헐적으로 방출할 수도 있다.
연료 처리 조립체(24)는 연료 처리 조립체용 가열 조립체를 위한 연료 스트림(또는 공급원료 스트림)으로서 사용하기에 적합하도록 충분한 양의 수소 가스를 함유하는 하나 이상의 부산물 스트림을 생성하도록 구성된 하나 이상의 정화 영역을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 부산물 스트림은 가열 조립체가 원하는 동작 온도에서 또는 선택된 온도 범위 내에서 수소 생성 영역을 유지하는 것을 가능하게 하기 위해 충분한 연료 값 또는 수소 함량을 가질 수도 있다. 예를 들어, 부산물 스트림은 수소 가스, 예로서 10 내지 30 체적 % 수소 가스, 15 내지 25 체적 % 수소 가스, 20 내지 30 체적 % 수소 가스, 적어도 10 또는 15 체적 % 수소 가스, 적어도 20 체적 % 수소 가스 등을 포함할 수도 있다.
정화 영역(40)은 출력 스트림(21)의 적어도 하나의 성분의 농도를 풍부하게 하도록(및/또는 증가시키도록) 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 대부분의 용례에서, 수소 풍부 스트림(42)은 출력 스트림(또는 혼합 가스 스트림)(34)보다 더 큰 수소 농도를 가질 것이다. 수소 풍부 스트림은 또한 출력 스트림(34)에 존재했던 감소된 농도의 하나 이상의 비-수소 성분을 가질 수도 있고, 수소 풍부 스트림의 수소 농도는 출력 스트림보다 크거나, 같거나, 작다. 예를 들어, 종래의 연료 전지 시스템에서, 일산화탄소는 심지어 수 백만분율로 존재하더라도 연료 전지 스택을 손상시킬 수도 있고, 반면 물과 같은 출력 스트림(34) 내에 존재할 수도 있는 다른 비-수소 성분은 훨씬 더 높은 농도로 존재하더라도 스택을 손상시키지 않을 것이다. 따라서, 이러한 용례에서, 정화 영역은 전체 수소 농도를 증가시키지 않을 수도 있지만 생성물 수소 스트림에 대한 원하는 용례에 유해하거나 잠재적으로 유해한 하나 이상의 비-수소 성분의 농도를 감소시킬 것이다.
정화 영역(40)을 위한 적합한 디바이스의 예는 하나 이상의 수소 선택성 멤브레인(46), 화학적 일산화탄소 제거 조립체(48) 및/또는 압력 변동 흡착(pressure swing adsorption: PSA) 시스템(50)을 포함한다. 정화 영역(40)은 하나 초과의 유형의 정화 디바이스를 포함할 수도 있고, 디바이스는 동일하거나 상이한 구조를 가질 수도 있고 그리고/또는 동일하거나 상이한 메커니즘(들)에 의해 동작할 수도 있다. 연료 처리 조립체(24)는 하나 이상의 생성물 수소 스트림(들), 수소 풍부 스트림(들), 및/또는 부산물 스트림(들)과 연관된 것과 같은, 정화 영역(들)의 하류의 적어도 하나의 제한 오리피스 및/또는 다른 유동 제한기를 포함할 수도 있다.
수소 선택성 멤브레인(46)은 수소 가스에 대해 투과성이지만, 출력 스트림(34)의 다른 성분에 대해서는 적어도 실질적으로(완전히가 아닌 경우) 불투과성이다. 멤브레인(46)은 정화 영역(40)이 동작되는 동작 환경 및 파라미터에서 사용을 위해 적합한 임의의 수소 투과성 재료로 형성될 수도 있다. 멤브레인(46)에 적합한 재료의 예는 팔라듐 및 팔라듐 합금, 특히 이러한 금속 및 금속 합금의 박막을 포함한다. 팔라듐 합금, 특히 35 중량 % 내지 45 중량 %의 구리를 갖는 팔라듐이 특히 효과적인 것으로 입증되었다. 대략 40 중량 %의 구리를 함유하는 팔라듐-구리 합금이 특히 효과적인 것으로 입증되었지만, 다른 상대 농도 및 성분이 사용될 수도 있다. 3개의 다른 특히 효과적인 합금은 2 중량 % 내지 20 중량 %의 금을 갖는 팔라듐, 특히 5 중량 %의 금을 갖는 팔라듐; 3 중량 % 내지 10 중량 % 인듐 + 0 중량 % 내지 10 중량 % 루테늄을 갖는 팔라듐, 특히 6 중량 % 인듐 + 0.5 중량 % 루테늄을 갖는 팔라듐; 및 20 중량 % 내지 30 중량 % 은을 갖는 팔라듐이다. 팔라듐 및 팔라듐 합금이 사용될 때, 수소 선택성 멤브레인(46)은 때때로 "포일"이라 칭할 수도 있다. 수소 투과성 금속 포일의 통상적인 두께는 25 미크론(마이크로미터) 미만, 바람직하게는 15 미크론 이하, 가장 바람직하게는 5 내지 12 미크론이다. 포일은 110 mm×270 mm와 같은 임의의 적합한 치수일 수도 있다.
화학적 일산화탄소 제거 조립체(48)는 일산화탄소 및/또는 출력 스트림(34)의 다른 바람직하지 않은 성분과 화학적으로 반응하여 잠재적으로 유해하지 않은 다른 조성물을 형성하는 디바이스이다. 화학적 일산화탄소 제거 조립체의 예는 물과 일산화탄소로부터 수소 가스와 이산화탄소를 생성하도록 구성된 물-가스 전환 반응기, 일산화탄소와 산소(일반적으로 공기로부터)를 이산화탄소로 변환하도록 구성된 부분 산화 반응기, 및 일산화탄소와 수소를 메탄과 물로 변환하도록 구성된 메탄화 반응기를 포함한다. 연료 처리 조립체(24)는 하나 초과의 유형 및/또는 수의 화학적 제거 조립체(48)를 포함할 수도 있다.
압력 변동 흡착(PSA)은, 특정 가스가 적절한 온도 및 압력 조건 하에서, 다른 가스보다 더 강력하게 흡착 재료에 흡착될 것이라는 원리에 기초하여 출력 스트림(34)으로부터 기체 불순물이 제거되는 화학 프로세스이다. 통상적으로, 비-수소 불순물은 흡착되고 출력 스트림(34)으로부터 제거된다. 불순물 가스의 흡착은 상승된 압력에서 발생한다. 압력이 감소될 때, 불순물이 흡착 재료로부터 탈착되어, 따라서 흡착 재료를 재생한다. 통상적으로, PSA는 순환 프로세스이고 연속(배치와 반대) 동작을 위해 적어도 2개의 베드를 필요로 한다. 흡착 베드에 사용될 수도 있는 적합한 흡착 재료의 예는 활성탄 및 제올라이트이다. PSA 시스템(50)은 또한 부산물 또는 제거된 성분이 출력 스트림의 정화와 동시에 가스 스트림으로서 영역으로부터 직접 배기되지 않는 정화 영역(40)에서 사용을 위한 디바이스의 예를 제공한다. 대신, 이들 부산물 성분은 흡착 재료가 재생될 때 제거되거나 다른 방식으로 정화 영역으로부터 제거된다.
도 1에서, 정화 영역(40)은 연료 처리 조립체(24) 내에 도시되어 있다. 정화 영역은 대안적으로 도 1에 점선으로 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이, 연료 처리 조립체로부터 하류에 별도로 위치될 수도 있다. 정화 영역(40)은 또한 연료 처리 조립체 내부 및 외부에 있는 부분을 포함할 수도 있다.
연료 처리 조립체(24)는 또한 가열 조립체(52)의 형태의 온도 조절 조립체를 포함할 수도 있다. 가열 조립체는 통상적으로 공기의 존재 하에 연소되는 바와 같은, 적어도 하나의 가열 연료 스트림(28)으로부터 적어도 하나의 가열된 배기 스트림(또는 연소 스트림)(54)을 생성하도록 구성될 수도 있다. 가열된 배기 스트림(54)은 가열 수소 생성 영역(32)으로서 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 가열 조립체(52)는 가열된 배기 스트림을 생성하기 위해 연료가 공기와 연소되는 버너 또는 연소 촉매와 같은, 가열된 배기 스트림을 발생하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 가열 조립체는 연료의 연소를 개시하도록 구성된 점화기 또는 점화 소스(58)를 포함할 수도 있다. 적합한 점화 소스의 예는 하나 이상의 점화 플러그, 예열 플러그, 연소 촉매, 파일럿 라이트(pilot lights), 압전 점화기, 스파크 점화기, 고온 표면 점화기 등을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 가열 조립체(52)는 버너 조립체(60)를 포함할 수도 있고 연소 기반 또는 연소 구동식 가열 조립체라 칭할 수도 있다. 연소 기반 가열 조립체에서, 가열 조립체(52)는 적어도 하나의 연료 스트림(28)을 수용하고 적어도 연료 처리 조립체의 수소 생성 영역을 가열하는 데 사용될 수도 있는 고온 연소 스트림(54)을 제공하기 위해 공기의 존재 하에 연료 스트림을 연소시키도록 구성될 수도 있다. 공기는 다양한 메커니즘을 통해 가열 조립체로 전달될 수도 있다. 예를 들어, 공기 스트림(62)은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 개별 스트림으로서 가열 조립체에 전달될 수도 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 공기 스트림(62)은 가열 조립체(52)를 위한 연료 스트림(28) 중 적어도 하나와 함께 가열 조립체로 전달될 수도 있고 그리고/또는 가열 조립체가 이용되는 환경으로부터 흡인될 수도 있다.
연소 스트림(54)은 부가적으로 또는 대안적으로, 가열 조립체가 사용되는 연료 처리 조립체 및/또는 연료 전지 시스템의 다른 부분을 가열하는 데 사용될 수도 있다. 부가적으로, 다른 구성 및 유형의 가열 조립체(52)가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 가열 조립체(52)는 저항 가열 요소와 같은 적어도 하나의 가열 요소를 사용하여 열을 발생함으로써 적어도 연료 처리 조립체(24)의 수소 생성 영역(32)을 가열하도록 구성된 전기 구동식 가열 조립체일 수도 있다. 이들 실시예에서, 가열 조립체(52)는 수소 생성 영역을 적합한 수소 생성 온도로 가열하기 위해 가연성 연료 스트림을 수용 및 연소하지 않을 수도 있다. 가열 조립체의 예는 그 전체 개시내용이 모든 목적으로 여기에 참조로서 합체되어 있는 미국 특허 제7,632,322호에 개시되어 있다.
가열 조립체(52)는 수소 생성 영역 및/또는 분리 영역과 함께 공통 쉘 또는 하우징 내에 수용될 수도 있다(아래에 더 설명되는 바와 같이). 가열 조립체는 수소 생성 영역(32)에 대해 별도로 위치될 수도 있지만 적어도 수소 생성 영역의 원하는 가열을 제공하기 위해 그 영역과 열적 및/또는 유체 연통할 수도 있다. 가열 조립체(52)는 공통 쉘 내에 부분적으로 또는 완전히 위치될 수도 있고, 그리고/또는 가열 조립체의 적어도 일부(또는 모두)는 그 쉘 외부에 위치될 수도 있다. 가열 조립체가 쉘 외부에 위치될 때, 버너 조립체(60)로부터의 고온 연소 가스는 적합한 열 전달 도관을 통해 쉘 내의 하나 이상의 구성요소로 전달될 수도 있다.
가열 조립체는 또한 공급원료 전달 시스템(22), 공급원료 공급 스트림, 수소 생성 영역(32), 정화(또는 분리) 영역(40), 또는 이들 시스템, 스트림 및 영역의 임의의 적합한 조합을 가열하도록 구성될 수도 있다. 공급원료 공급 스트림의 가열은 수소 생성 영역에서 수소 가스를 생성하는 데 사용되는 수소 생성 유체의 성분 또는 액체 반응물 스트림을 기화하는 것을 포함할 수도 있다. 그 실시예에서, 연료 처리 조립체(24)는 기화 영역(64)을 포함하는 것으로서 설명될 수도 있다. 가열 조립체는 수소 발생 조립체의 다른 구성요소를 가열하도록 부가적으로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 가열된 배기 스트림은 공급물 스트림(26) 및 연료 스트림(28)의 적어도 일부를 형성하는 가열 연료 및/또는 수소 생성 유체를 수용하는 압력 용기 및/또는 다른 캐니스터를 가열하도록 구성될 수도 있다.
가열 조립체(52)는 수소 생성 영역(32) 내에서 임의의 적합한 온도를 달성 및/또는 유지할 수도 있다. 증기 개질기는 통상적으로 200℃ 내지 900℃ 범위의 온도에서 동작한다. 그러나, 이 범위 밖의 온도가 본 개시내용의 범주 내에 있다. 탄소 함유 공급원료가 메탄올일 때, 증기 개질 반응은 통상적으로 대략 200 내지 500℃의 온도 범위에서 동작할 것이다. 이 범위의 예시적인 서브세트는 350 내지 450℃, 375 내지 425℃ 및 375 내지 400℃를 포함한다. 탄소 함유 공급원료가 탄화수소, 에탄올 또는 다른 알코올일 때, 대략 400 내지 900℃의 온도 범위가 통상적으로 증기 개질 반응을 위해 사용될 것이다. 이 범위의 예시적인 서브세트는 750 내지 850℃, 725 내지 825℃, 650 내지 750℃, 700 내지 800℃, 700 내지 900℃, 500 내지 800℃, 400 내지 600℃ 및 600 내지 800℃를 포함한다. 수소 생성 영역(32)은 2개 이상의 구역 또는 부분을 포함할 수도 있고, 이들 각각은 동일하거나 상이한 온도에서 동작될 수도 있다. 예를 들어, 수소 생성 유체가 탄화수소를 포함할 때, 수소 생성 영역(32)은 2개의 상이한 수소 생성 부분 또는 영역을 포함할 수도 있고, 하나는 예비 개질 영역을 제공하기 위해 다른 하나보다 더 낮은 온도에서 동작한다. 이들 실시예에서, 연료 처리 조립체는 또한 2개 이상의 수소 생성 영역을 포함하는 것이라 칭할 수도 있다.
연료 스트림(28)은 원하는 열 출력을 제공하기 위해 가열 조립체(52)에 의해 소비되기에 적합한 임의의 가연성 액체(들) 및/또는 가스(들)를 포함할 수도 있다. 일부 연료 스트림은 가열 조립체(52)에 의해 전달되고 연소될 때 기체일 수도 있는 반면, 다른 것들은 액체 스트림으로서 가열 조립체에 전달될 수도 있다. 연료 스트림(28)을 위한 적합한 가열 연료의 예는 메탄올, 메탄, 에탄, 에탄올, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄 등과 같은 탄소 함유 공급원료를 포함한다. 부가의 예는 액화 석유 가스, 암모니아, 경량 아민, 디메틸 에테르 및 저분자량 탄화수소와 같은 저분자량 응축성 연료를 포함한다. 또 다른 예는 수소와 일산화탄소를 포함한다. 가열 조립체 대신에 냉각 조립체의 형태의 온도 조절 조립체를 포함하는 수소 발생 조립체(20)의 실시예에서(발열 수소 발생 프로세스- 예를 들어, 부분 산화 - 가 증기 개질과 같은 흡열 프로세스 대신에 이용될 때 사용될 수도 있는 바와 같은), 공급원료 전달 시스템은 조립체에 연료 또는 냉각제 스트림을 공급하도록 구성될 수도 있다. 임의의 적합한 연료 또는 냉각제 유체가 사용될 수도 있다.
연료 처리 조립체(24)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 적어도 수소 생성 영역(32)이 수용되는 쉘 또는 하우징(66)을 부가적으로 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 기화 영역(64) 및/또는 정화 영역(40)은 부가적으로 쉘 내에 수용될 수도 있다. 쉘(66)은 증기 개질기 또는 다른 연료 처리 메커니즘의 구성요소가 유닛으로서 이동되는 것을 가능하게 할 수도 있다. 쉘은 또한 보호 인클로저를 제공함으로써 손상으로부터 연료 처리 조립체의 구성요소를 보호할 수도 있고 그리고/또는 구성요소가 유닛으로서 가열될 수도 있기 때문에 연료 처리 조립체의 가열 요구를 감소시킬 수도 있다. 쉘(66)은 고체 절연 재료, 블랭킷 절연 재료 및/또는 공기 충전 공동과 같은 절연 재료(68)를 포함할 수도 있다. 절연 재료는 쉘 내부, 쉘 외부 또는 양자 모두에 있을 수도 있다. 절연 재료가 쉘 외부에 있을 때, 연료 처리 조립체(24)는 도 1에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이, 절연재 외부에 있는 외부 커버 또는 재킷(70)을 더 포함할 수도 있다. 연료 처리 조립체는 공급원료 전달 시스템(22) 및/또는 다른 구성요소와 같은 연료 처리 조립체의 부가의 구성요소를 포함하는 상이한 쉘을 포함할 수도 있다.
연료 처리 조립체(24)의 하나 이상의 구성요소는 쉘 너머로 연장되거나 쉘 외부에 위치될 수도 있다. 예를 들어, 정화 영역(40)은 쉘(66) 외부에 위치될 수도 있는데, 예로서 쉘로부터 이격되지만 적합한 유체 전달 도관에 의해 유체 연통한다. 다른 예로서, 수소 생성 영역(32)의 부분(하나 이상의 개질 촉매 베드의 부분과 같은)은 도 1의 대안적인 쉘 구성을 나타내는 점선으로 개략적으로 표시된 바와 같이 쉘을 넘어 연장될 수도 있다. 적합한 수소 발생 조립체 및 그 구성요소의 예는 그 전체 개시내용이 모든 목적으로 여기에 참조로서 합체되어 있는 미국 특허 제5,861,137호; 제5,997,594호; 및 제6,221,117호에 개시되어 있다.
수소 발생 조립체(20)의 다른 예가 도 2에 도시되어 있고, 일반적으로 72로 표시되어 있다. 특히 배제되지 않으면, 수소 발생 조립체(72)는 수소 발생 조립체(20)의 하나 이상의 구성요소를 포함할 수도 있다. 수소 발생 조립체(72)는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 공급원료 전달 시스템(74), 기화 영역(76), 수소 생성 영역(78), 가열 조립체(80), 및 정화 영역(82)을 포함할 수도 있다.
공급원료 전달 시스템은 하나 이상의 공급물 및/또는 연료 스트림을 수소 발생 조립체의 하나 이상의 다른 구성요소로 전달하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 공급원료 전달 시스템은 공급원료 탱크(또는 컨테이너)(84) 및 펌프(86)를 포함할 수도 있다. 공급원료 탱크는 물 및/또는 탄소 함유 공급원료(예를 들어, 메탄올/물 혼합물)와 같은 임의의 적합한 수소 생성 유체(88)를 수용할 수도 있다. 펌프(86)는 물 및 탄소 함유 공급원료를 포함하는 적어도 하나의 액체 함유 공급물 스트림(90)의 형태일 수도 있는 수소 생성 유체를 기화 영역(76) 및/또는 수소 생성 영역(78)으로 전달하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 가질 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 공급원료 전달 시스템은 펌프 및/또는 다른 전기 구동식 유체 전달 메커니즘을 필요로 하지 않고 공급물 스트림(들)(90)을 전달하도록 구성될 수도 있다.
기화 영역(76)은 액체 함유 공급물 스트림(90)과 같은 액체 함유 공급물 스트림의 적어도 일부를 수용하고 기화시키도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 기화 영역(76)은 액체 함유 공급물 스트림(90)을 하나 이상의 증기 공급물 스트림으로 적어도 부분적으로 변환하도록 구성된 기화기(92)를 포함할 수도 있다. 증기 공급물 스트림은 몇몇 실시예에서, 액체를 포함할 수도 있다. 적합한 기화기의 예는 코일형 스테인리스 강 튜브와 같은 코일형 튜브 기화기이다.
수소 생성 영역(78)은 기화 영역으로부터의 증기 공급물 스트림(들)과 같은 하나 이상의 공급물 스트림을 수용하여, 주 성분으로서 수소 가스 및 이산화탄소와 같은 다른 가스를 함유하는 하나 이상의 출력 스트림(96)을 생성하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 수소 생성 영역은 임의의 적합한 메커니즘(들)을 통해 출력 스트림을 생성할 수도 있다. 예를 들어, 수소 생성 영역(78)은 증기 개질 반응, 자열 개질 반응, 또는 부분 산화 반응을 통해 출력 스트림(들)(96)을 발생할 수도 있다. 출력 스트림(들)(96)이 증기 개질 반응을 통해 발생될 때, 수소 생성 영역(78)은 증기 개질 반응을 촉진 및/또는 조장하도록 구성된 개질 촉매(98)를 갖는 증기 개질 영역(97)을 포함할 수도 있다. 수소 생성 영역(78)이 증기 개질 반응을 통해 출력 스트림(들)(96)을 발생할 때, 수소 발생 조립체(72)는 "증기 개질 수소 발생 조립체"라 칭할 수도 있고 출력 스트림(96)은 "개질유 스트림"이라 칭할 수도 있다.
가열 조립체(80)는 수소 발생 조립체(72)의 하나 이상의 다른 구성요소를 가열하기 위해 적어도 하나의 가열된 배기 스트림(99)을 생성하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 가열 조립체는 적어도 최소 기화 온도 또는 액체 함유 공급물 스트림의 적어도 일부가 기화되어 증기 공급물 스트림을 형성하는 온도와 같은, 임의의 적합한 온도(들)로 기화 영역을 가열할 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 가열 조립체(80)는 적어도 최소 수소 생성 온도 또는 증기 공급물 스트림의 적어도 일부가 반응하여 출력 스트림을 형성하기 위해 수소 가스를 생성하는 온도와 같은 임의의 적합한 온도(들)로 수소 생성 영역을 가열할 수도 있다. 가열 조립체는 기화 영역 및/또는 수소 생성 영역과 같은 수소 발생 조립체의 하나 이상의 구성요소와 열 연통할 수도 있다.
가열 조립체는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 버너 조립체(100) 및 적어도 하나의 공기 송풍기(102)를 포함할 수도 있다. 버너 조립체는 적어도 하나의 공기 스트림(106) 및 적어도 하나의 연료 스트림(107)을 수용하고 연소 영역(110) 내에서 적어도 하나의 연료 스트림을 연소시켜 가열된 배기 스트림(99)을 생성하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 연료 스트림은 아래에 더 설명되는 바와 같이, 공급원료 전달 시스템(74) 및/또는 정화 영역(82)에 의해 제공될 수도 있다. 연소 영역은 수소 발생 조립체의 인클로저 내에 수용될 수도 있다. 공기 송풍기(102)는 공기 스트림(들)(106)을 발생시키도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 가열 조립체는 연료 스트림(들)(107)을 점화하도록 구성된 점화기 조립체(도시되어 있지 않음)를 포함할 수도 있다.
정화 영역(82)은, 출력 스트림(96)보다 더 큰 수소 농도 및/또는 그 출력 스트림에 존재했던 감소된 농도의 하나 이상의 다른 가스 또는 이산화탄소와 같은 불순물을 포함할 수도 있는 적어도 하나의 수소 풍부 스트림 또는 생성물 수소 스트림(112)을 생성하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 정화 영역은 출력 스트림(96)보다 더 적은 수소 농도 및/또는 하나 이상의 다른 가스 또는 불순물의 증가된 농도를 포함하는 적어도 하나의 부산물 스트림(108)을 생성할 수도 있다. 정화 영역(82)은 멤브레인 조립체(114)를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 정화 영역(82)은 일산화탄소와 수소를 메탄과 물로 변환하기 위해, 멤브레인 조립체의 하류에 메탄화 반응기 조립체를 또한 포함할 수도 있다.
멤브레인 조립체(114)는 수소 가스 및 다른 가스를 함유하는 출력 또는 혼합 가스 스트림(들)(96)을 수용하고 더 높은 농도의 수소 가스 및/또는 혼합 가스 스트림보다 더 낮은 농도의 다른 가스를 함유하는 투과물 또는 수소 풍부 스트림(들)(112)을 발생하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 멤브레인 조립체(114)는 평면형 또는 관형인 수소 투과성(또는 수소 선택성) 멤브레인을 포함할 수도 있고, 하나 초과의 수소 투과성 멤브레인이 멤브레인 조립체(114)에 포함될 수도 있다. 투과물 스트림(들)은 하나 이상의 연료 전지와 같은 임의의 적합한 용도에 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 멤브레인 조립체는 이산화탄소 가스와 같은 적어도 상당한 부분의 다른 가스를 포함하는 적어도 하나의 부산물 스트림(108)을 발생할 수도 있다. 정화 영역(82)은 멤브레인 조립체(114)를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 정화 영역은 대안적으로 또는 부가적으로, 출력 스트림(96)을 정화하고 그리고/또는 하나 이상의 생성물 수소 스트림 및/또는 하나 이상의 부산물 스트림을 발생하도록 구성된 하나 이상의 다른 구성요소를 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 수소 발생 조립체(72)는 그 조립체의 하나 이상의 다른 구성요소를 적어도 부분적으로 수용할 수도 있는 쉘 또는 하우징(120)을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 쉘(120)은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 기화 영역(76), 수소 생성 영역(78), 가열 조립체(80) 및/또는 정화 영역(82)을 적어도 부분적으로 수용할 수도 있다. 쉘(120)은 가열 조립체(80)에 의해 생성된 적어도 하나의 연소 배기 스트림(124)을 배출하도록 구성된 하나 이상의 배기 포트(122)를 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 수소 발생 조립체(72)는 부산물 스트림(108)으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 분리하여 부산물 스트림보다 낮은 이산화탄소 가스의 농도를 갖는 연료 스트림(128) 및 부산물 스트림보다 높은 이산화탄소 가스의 농도를 갖는 오프가스 스트림(129)을 생성하도록 구성된 가스 제거 조립체(126)를 포함할 수도 있다. 오프가스 스트림은 압축 및/또는 액화되고, 압축 가스로서 저장되고, 파이프라인으로 배출되고, 다른 화합물로 화학적으로 변환될 수도 있는 등이다. 연료 스트림(128)은 버너 조립체(100)에 의해 사용되거나 연소되는 연료 스트림(107)의 모두 또는 일부를 형성할 수도 있다. 유동 제한 오리피스(130)는 버너 조립체(100)로의 연료 스트림(128)의 유동을 제한할 수도 있다. 가스 제거 조립체(126)는 아래에 더 설명되는 바와 같이 임의의 적합한 구성요소를 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 수소 발생 조립체(72)는 수소 발생 조립체의 일 부분으로부터 다른 부분으로 열을 전달하도록 구성된 하나 이상의 열 교환기(138)를 포함할 수도 있는 열 교환 조립체(136)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 열 교환 조립체(136)는 부산물 스트림(108)으로부터 공급물 스트림(90)으로 열을 전달하여 기화 영역(76)에 들어가기 전에 공급물 스트림의 온도를 상승시킬 뿐만 아니라 부산물 스트림(108)을 냉각시킬 수도 있다.
가스 제거 조립체(126)의 예가 도 3에 도시되어 있고, 이는 일반적으로 184로 표시되어 있다. 특히 제외되지 않으면, 가스 제거 조립체(184)는 본 개시내용에 설명된 다른 가스 제거 조립체의 하나 이상의 구성요소를 포함할 수도 있다. 가스 제거 조립체(184)는 적어도 하나의 가스 분리 조립체(186)를 포함할 수도 있다.
가스 분리 조립체(186)는 부산물 스트림(108)과 비교하여 감소된 농도의 이산화탄소 가스 및/또는 증가된 농도의 다른 가스를 갖는 연료 스트림(128)을 생성하기 위해 부산물 스트림(108)으로부터 이산화탄소 가스를 분리하도록 구성된 임의의 적합한 구조를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 가스 분리 조립체(186)는 가역적 화학적 결합 및/또는 물리적 용해를 통해, 부산물 스트림(108)으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 흡수하도록 구성된 적어도 하나의 화학 제제 또는 흡수제(196)를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 흡수기(194)를 포함할 수도 있다.
흡수기는 흡수제(196)를 수용하고 흡수제를 통해 부산물 스트림(108)의 유동을 유도하여 해당 스트림으로부터 이산화탄소 가스를 흡수하도록 구성된다. 본 명세서에 사용될 때, "흡수"이라는 것은 약한 화학적 결합 및/또는 물리적 용매화를 포함하는 가역적 또는 비가역적 프로세스를 통해 이산화탄소 가스가 흡수제에 결합되거나 흡수제에 의해 고정되는 것을 의미하고, 결합된 이산화탄소 가스는 흡수제와의 표면 상호작용, 흡수제와의 벌크 상호작용, 또는 양자 모두를 수반할 수도 있다. 흡수제(196)는 액체 형태, 고체 형태, 또는 이들의 조합일 수도 있다. 이산화탄소 흡수제의 적합한 예는 금속 수산화물(예를 들어, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화마그네슘 등); 금속 산화물(예를 들어, 산화나트륨, 산화칼륨, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화철 등); 유기 아민, 특히 알칸올아민(예를 들어, 모노에탄올아민 및 디에탄올아민, 양자 모두 정상 온도 및 압력 조건 하에서 액체임); 산-가스 제거용 UCARSOL® 제형화 용매(Dow Chemical Company에 의해 제조 및 판매됨); 금속 수산화물의 수용액; Ascarite®(Thomas Scientific); CarboLime™(Allied Health Products Inc.); SodaLime(Airgas Corp.); 고정화 유기 아민(폴리머 기질, 특히 폴리머 비드에 결합된 유기 아민과 같은); 디메틸 폴리에틸렌글리콜, 프로필렌 카보네이트, 폴리에틸렌 글리콜 디알킬 에테르(예를 들어, Clariant에 의해 판매되는 Genosorb® 1753); 유기 이온성 액체; 상기 화학 물질 및/또는 화학 제제의 혼합물; 및 약한 화학적 상호작용 및/또는 물리적 용해에 의해 이산화탄소를 가역적으로 흡수하는 다른 제제 또는 제제의 혼합물과 같은 이산화탄소를 결합하는 임의의 화학 물질 또는 화학 물질의 혼합물을 포함한다.
흡수기(194)를 나가는 연료 스트림(128)은 부산물 스트림(108)에 비교하여 감소된 농도의 이산화탄소 가스 및/또는 증가된 농도의 다른 가스를 포함할 수도 있다. 바람직하게는, 연료 스트림은 25% 미만의 이산화탄소를 포함하고, 특히 바람직한 것은 10% 미만의 이산화탄소이다. 흡수기(194)는 50 psig 초과의 압력, 바람직하게는 100 psig 내지 500 psig의 압력에서 동작될 수도 있다.
흡수제(196)가 고체 형태일 때, 흡수기(194)는 2개 이상의 흡수제 베드(197)를 포함할 수도 있고 이들 흡수제 베드의 제1 베드로 부산물 스트림(108)의 유동을 유도하도록 구성될 수도 있다. 해당 베드가 이산화탄소로 거의 포화될 때, 흡수기는 이전의 흡수제 베드의 흡수제가 재충전 및/또는 재생될 수 있게 하기 위해 흡수제 베드의 다른 베드로 유동을 유도하도록 구성될 수도 있다. 흡수제(196)가 액체 형태일 때, 흡수제는 비교적 낮은 온도에서 이산화탄소 가스를 흡수하거나 결합하고 이어서 상승된 온도에서 가스(들)를 방출하거나 탈착하도록 구성될 수도 있다. 이 프로세스는 온도 스윙(temperature-swing) 흡수 또는 TSA로서 알려져 있다. 대안적으로, 고압에서 이산화탄소를 결합하고 저압에서 이산화탄소를 방출하는(압력 스윙(pressure-swing) 흡수로서 또한 알려져 있음) 이산화탄소 흡수제가 선택될 수도 있다.
가스 분리 조립체(186)는 대안적으로 또는 부가적으로, 하나 이상의 투과성 멤브레인(200)(하나 이상의 이산화탄소 선택성 멤브레인과 같은)을 포함할 수도 있는 멤브레인 접촉기 조립체(198)를 포함할 수도 있다. 멤브레인 접촉기 조립체(198)는 부산물 스트림(108)으로부터 이산화탄소 가스를 분리하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 투과성 멤브레인(200)은 부산물 스트림(108)으로부터의 이산화탄소 가스가 투과성 멤브레인의 공급물측으로부터 투과물측으로 통과하는 것을 허용하는 다른 가스에 비해 이산화탄소 가스에 대해 비교적 높은 투과성을 가질 수도 있다.
멤브레인 접촉기 조립체(198)는 부가적으로 부산물 스트림(108)으로부터 분리된 이산화탄소 가스(투과성 멤브레인의 공급물측으로부터 투과물측으로 통과하는 이산화탄소 가스와 같은)로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 흡수하도록 구성된 적어도 하나의 액체 화학 제제 또는 액체 흡수제(202)를 수용하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 멤브레인 접촉기 조립체는 투과성 멤브레인(200)의 투과물측에서 흡수제를 수용할 수도 있다. 액체 흡수제(202)는 비교적 낮은 온도에서 이산화탄소 가스를 흡수하거나 결합하고 이어서 상승된 온도에서 가스(들)를 방출하거나 탈착하도록 구성될 수도 있다. 적합한 액체 흡수제의 예는 모노에탄올아민 또는 디에탄올아민과 같은 알칸올아민, 또는 이들의 수용액을 포함한다. 그러나, 다른 유기 아민, 유기 아민의 용액, 또는 무기 수산화물 염 및/또는 유기 수산화물 염의 용액이 사용될 수도 있다.
가스 분리 조립체(186)가 액체 흡수제를 수용하는 흡수기(들)(194) 및/또는 투과성 멤브레인(들)(200)을 포함할 때, 가스 분리 조립체는 흡수된 이산화탄소 가스를 갖는 적어도 하나의 액체 흡수제 스트림(204)(이는 또한 "소비된 액체 흡수제 스트림(들)" 또는 "가스 함유 액체 흡수제 스트림(들)"이라 칭할 수도 있음)을 생성할 수도 있다. 소비된 액체 흡수제 스트림(204)이 생성되고 해당 스트림 내의 가스(들)의 흡수가 가역적일 때, 가스 제거 조립체(184)는 부가적으로 적어도 하나의 가스 추출 조립체(206)를 포함할 수도 있다.
가스 추출 조립체(206)는 액체 흡수제 스트림(들)(204)으로부터 흡수된 가스를 추출(또는 탈착)하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 가스 추출 조립체(206)는 하나 이상의 스트리퍼(208)를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 액체 흡수제가 흡수된 이산화탄소 가스를 포함할 때, 가스 추출 조립체는 흡수된 이산화탄소 가스의 적어도 상당한 부분을 추출 또는 탈착하여 적어도 상당한 부분의 추출된 이산화탄소 가스를 갖는 적어도 실질적으로 재생된 액체 흡수제 스트림(또는 스트리핑된 액체 흡수제 스트림(210), 및 추출된 이산화탄소 가스를 갖는 오프가스 스트림(212)을 형성하도록 구성될 수도 있다.
스트리핑된 액체 흡수제 스트림(210)은 부산물 스트림(108)으로부터 이산화탄소 가스를 더 흡수하기 위해 가스 분리 조립체(186)로 펌핑되거나 다른 방식으로 운송될 수도 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 스트리핑된 액체 흡수제 스트림(210)은 이후에 사용을 위해 저장될 수도 있다. 오프가스 스트림(212)은, 예로서 하나 이상의 가열 연료 스트림을 보충하기 위해 정제 조립체의 하나 이상의 다른 구성요소로 펌핑되거나 다른 방식으로 운송될 수도 있다. 대안적으로, 오프가스 스트림(212)은 저장되거나, 공기 중으로 배기되거나, 다른 방식으로 폐기될 수도 있다.
가스 추출 조립체(206)는 흡수된 가스를 갖는 액체 흡수제 스트림(204)을 재생하기 위해 임의의 적합한 메커니즘을 사용할 수도 있다. 가스 분리 조립체(186)에 사용된 액체 흡수제가 비교적 낮은 온도에서 이산화탄소 가스를 흡수하거나 결합하고 이어서 상승된 온도에서 가스(들)를 방출 또는 탈착하도록 구성될 때, 가스 제거 조립체(184)는 적어도 하나의 가열 조립체(214)를 더 포함할 수도 있다. 가열 조립체는 통상적으로 공기의 존재 하에 연소되는 바와 같은, 적어도 하나의 가열 연료 스트림(218)으로부터 적어도 하나의 가열된 배기 스트림(또는 연소 스트림)(216)을 생성하도록 구성될 수도 있다. 가열된 배기 스트림(216)은 가열 가스 추출 조립체(206)로서 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 가열된 배기 스트림은 대안적으로 또는 부가적으로 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 가스 추출 조립체(206) 이전에 소비된 액체 흡수제 스트림(204)을 가열할 수도 있다.
가열 조립체(214)는 가열된 배기 스트림(들)을 생성하기 위해 연료가 공기와 연소되는 버너 또는 연소 촉매와 같은, 가열된 배기 스트림(들)을 발생하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 가열 조립체는 연료의 연소를 개시하도록 구성된 점화기 또는 점화 소스(220)를 포함할 수도 있다. 가열 조립체(214)는 그 조립 이전에 가스 추출 조립체(206) 및/또는 배관에서 임의의 적합한 온도를 달성 및/또는 유지할 수도 있다. 예를 들어, 가열 조립체(214)는 사용되는 특정 액체 흡수제에 대해 적어도 목표 동작 온도 및/또는 적어도 최소 추출 또는 탈착 온도로 가스 추출 조립체를 가열할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 가열 조립체(214)는 버너 조립체(222)를 포함할 수도 있고 적어도 하나의 연료 스트림(218)을 수용하고 가스 제거 반응기를 가열하는 데 사용될 수도 있는 고온 연소 스트림(216)을 제공하기 위해 공기의 존재 하에 연료 스트림을 연소시키도록 구성될 수도 있다. 공기는 다양한 메커니즘을 통해 가열 조립체로 전달될 수도 있다. 예를 들어, 공기 스트림(224)은 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 개별 스트림으로서 가열 조립체에 전달될 수도 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 공기 스트림(224)은 가열 조립체(214)를 위한 연료 스트림(218) 중 적어도 하나와 함께 가열 조립체로 전달될 수도 있고 그리고/또는 가열 조립체가 이용되는 환경으로부터 흡인될 수도 있다.
연료 스트림(218)은 원하는 열 출력을 제공하기 위해 가열 조립체(214)에 의해 소비되기에 적합한 임의의 가연성 액체(들) 및/또는 가스(들)를 포함할 수도 있다. 일부 연료 스트림은 가열 조립체(214)에 의해 전달되고 연소될 때 기체일 수도 있는 반면, 다른 것들은 액체 스트림으로서 가열 조립체에 전달될 수도 있다. 연료 스트림(218)을 위한 적합한 가열 연료의 예는 탄소 함유 공급원료, 저분자량 응축성 연료, 및 저분자량 탄화수소를 포함한다. 다른 예는 하나 이상의 부산물 스트림(226)으로부터의 이산화탄소 가스를 포함한다. 예를 들어, 연료 처리 시스템의 다른 구성요소 및/또는 조립체로부터의 하나 이상의 부산물 스트림(226)은 연료 스트림(218)을 위해 적합한 가열 연료로서 사용될 수도 있다. 몇몇 예에서, 연료 스트림(128)의 적어도 일부는 부산물 스트림(들)(226)을 위해 사용된다.
연소 스트림(216)은 부가적으로 또는 대안적으로, 가열 조립체가 사용되는 연료 처리 시스템 및/또는 다른 시스템의 다른 부분을 가열하는 데 사용될 수도 있다. 부가적으로, 다른 구성 및 유형의 가열 조립체(214)가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 가열 조립체(214)는 적어도 하나의 가열 요소(저항 가열 요소와 같은), 폐열 스트림(들), 태양광 가열, 전기 가열 등을 사용하여 열을 발생함으로써 가스 추출 조립체(206) 및/또는 해당 조립체의 상류의 배관을 가열하도록 구성된 전기 구동식 가열 조립체일 수도 있다. 이들 실시예에서, 가열 조립체(214)는 기화기를 적합한 기화 온도로 가열하고 그리고/또는 메탄 생성 반응기를 적합한 메탄 생성 온도로 가열하기 위해 가연성 연료 스트림을 수용 및 연소하지 않을 수도 있다.
가열 조립체는 또한 공급원료 전달 시스템, 공급원료 공급 스트림, 메탄 생성 조립체 및/또는 정화 조립체의 다른 조립체, 또는 이들 시스템, 스트림, 및 영역의 임의의 적합한 조합과 같은 다른 구성요소 및/또는 조립체를 가열하도록 구성될 수도 있다. 가열 조립체는 정제 조립체의 다른 구성요소를 가열하도록 부가적으로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 가열된 배기 스트림은 연료 처리 시스템을 위한 공급 및/또는 연료 스트림의 적어도 일부를 형성하는 가열 연료 및/또는 수소 생성 유체를 수용하는 압력 용기 및/또는 다른 캐니스터를 가열하도록 구성될 수도 있다.
가열 조립체(214)는 가스 분리 및 가스 추출 조립체와 함께 조립체 쉘 또는 하우징(227) 내에 수용될 수도 있다. 가열 조립체는 이들 조립체 중 하나 또는 모두에 대해 별도로 위치될 수도 있지만 원하는 가열을 제공하기 위해 하나 또는 모두와 열적 및/또는 유체 연통할 수도 있다. 가열 조립체(214)는 공통 쉘 내에 부분적으로 또는 완전히 위치될 수도 있고, 그리고/또는 가열 조립체의 적어도 일부(또는 모두)는 그 쉘 외부에 위치될 수도 있다. 가열 조립체가 쉘 외부에 위치될 때, 버너 조립체(222)로부터의 고온 연소 가스는 적합한 열 전달 도관을 통해 쉘 내의 하나 이상의 구성요소로 전달될 수도 있다.
가스 제거 조립체(184)(도 3), 수소 생성 영역(78) 및/또는 기화 영역(76)(도 2)은 각각 가열 조립체를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 가스 제거 조립체(184), 기화 영역(76) 및 수소 생성 영역은 쉘(120) 내에, 가스 제거 조립체 중 하나 이상의 쉘 내에, 또는 이들 쉘 외부에 위치될 수도 있는 공통 가열 조립체를 가질 수도 있다. 공통 가열 조립체가 있을 때, 가열 조립체는 가스 제거 조립체, 기화 영역 및/또는 수소 생성 영역의 구성요소에 열을 전달하기 위한 적합한 열 전달 도관을 포함할 수도 있다. 부가적으로, 가스 추출 조립체(206)가 2개 이상의 스트리퍼(208)를 포함할 때, 가스 추출 조립체는 2개 이상의 스트리퍼(및 몇몇 실시예에서는 모든 스트리퍼)를 위한 공통 가열 조립체(214)를 포함할 수도 있다. 더욱이, 가스 제거 조립체(184)는 단일 가스 분리 조립체(186), 단일 가스 추출 조립체(206) 및 단일 가열 조립체(214)를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 도 3에 점선으로 도시되어 있는 바와 같이, 가스 제거 조립체는 2개 이상의 가스 분리 조립체, 2개 이상의 가스 추출 조립체 및/또는 2개 이상의 가열 조립체를 포함할 수도 있다.
가스 제거 조립체(184)의 예가 도 4에 도시되어 있고, 이는 일반적으로 350으로 표시되어 있다. 특히 제외되지 않으면, 가스 제거 조립체(350)는 다른 가스 제거 조립체 및/또는 본 개시내용의 다른 조립체의 하나 이상의 구성요소를 포함할 수도 있다. 가스 제거 조립체(350)는 적어도 하나의 흡수기(352), 적어도 하나의 스트리퍼(354), 적어도 하나의 가열 조립체(356), 적어도 하나의 펌프(358) 및 적어도 하나의 열 교환기(360)를 포함할 수도 있다.
흡수기(352)는 부산물 스트림(108)으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 흡수하고 그리고/또는 액체 흡수제 스트림을 통해 해당 스트림의 유동을 유도하도록 구성된 액체 흡수제 스트림(362)을 수용하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 흡수기(352)는 액체 흡수제 스트림을 하나 이상의 스프레이된 액체 흡수제 스트림(366)으로 적어도 부분적으로 분무하도록 구성된 적어도 하나의 스프레이 노즐(364)을 포함할 수도 있다. 흡수기는 역류 유동, 직교 유동 또는 평행 유동과 같은 임의의 적합한 유동 구성으로 스프레이된 액체 흡수제 스트림(들)(366)을 통해 부산물 스트림(108)의 유동을 유도하도록 구성될 수도 있다. 부산물 스트림(108)이 스프레이된 액체 흡수제 스트림(들)을 통해 유동함에 따라, 이산화탄소 가스는, 적어도 부분적으로, 스프레이된 스트림(들)에 의해 적어도 부분적으로 흡수되어 흡수된 이산화탄소 가스 및 흡수된 이산화탄소 가스를 갖는 소비된 액체 흡수제 스트림(368) 없이 연료 스트림(128)을 형성할 수도 있다. 흡수기(352)는 50 psig 초과의 압력, 바람직하게는 100 psig 내지 500 psig의 압력에서 동작될 수도 있다.
대안적인 적합한 구성은 스프레이 노즐을 사용하지 않고 액체 흡수제 스트림(362)을 흡수기 내로 복귀시키는 것이다. 예를 들어, 액체 흡수제 스트림(362)은 적합한 튜브 또는 파이프 연결부를 통해 흡수기(352)의 상부, 중간 또는 저부 부분에 진입할 수도 있고, 액체 흡수제는 축적되어 흡수기의 저부의 체적을 충전하도록 허용될 수도 있다. 부산물 스트림(108)은 연료 스트림(128)을 형성하기 위해 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 제거하기 위해 액체 흡수제의 체적을 통해 기포 형성하도록 유도될 수도 있다.
스트리퍼(354)는 하나 이상의 소비된 액체 흡수제 스트림(368)을 수용하고, 이들 스트림(들)으로부터 흡수된 이산화탄소 가스를 스트리핑하고, 그리고/또는 하나 이상의 스트리핑된 액체 흡수제 스트림(370)을 흡수기(들)(352)로 전달하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 스트리퍼(354)는 소비된 액체 흡수제 스트림을 하나 이상의 스프레이된 소비된 액체 흡수제 스트림(374)으로 적어도 부분적으로 분무하도록 구성된 적어도 하나의 스프레이 노즐(372)을 포함할 수도 있다. 스트리퍼(354)는 임의의 적합한 메커니즘(들)을 통해 흡수된 이산화탄소 가스를 스트리핑할 수도 있다. 예를 들어, 액체 흡수제 스트림(362)을 위해 사용되는 액체 흡수제(들)가 제1 온도 범위 내에서 이산화탄소 가스를 흡수하거나 결합하고 제1 온도 범위보다 더 높은 제2 온도 범위 내에서 이산화탄소 가스를 방출하거나 탈착할 때, 이어서 스트리퍼(354)는 가열 조립체(356)로부터 하나 이상의 가열된 배기 스트림(376)을 수용하고 스프레이된 소비된 액체 흡수제 스트림(들)을 통해 이들 스트림의 유동을 유도하도록 구성될 수도 있다.
예를 들어, 스프레이된 소비된 액체 스트림(들)은 가열된 배기 스트림(들)에 의해 60℃ 내지 200℃, 바람직하게는 80℃ 내지 150℃로 가열되어, 흡수된 이산화탄소 가스를 제거하여 적어도 실질적으로 재생된 액체 흡수제 스트림(370)을 생성 또는 산출할 수도 있다. 방출된 탈착된 가스는 적어도 하나의 오프가스 스트림(377)을 형성할 수도 있다. 스트리퍼(354)는 0 psig 내지 50 psig, 바람직하게는 0 psig 내지 10 psig의 범위 내에서 동작될 수도 있다.
가열 조립체(356)는 스프레이된 소비된 액체 흡수제 스트림(들)(374)을 가열하기 위해 적어도 하나의 가열된 배기 스트림(376)을 생성하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 가열 조립체는 스프레이된 소비된 액체 흡수제 스트림(들) 내의 이산화탄소 가스에 대한 적어도 최소 방출 또는 탈착 온도와 같은, 임의의 적합한 온도(들)로 스트리퍼를 가열할 수도 있다.
가열 조립체(356)는 적어도 하나의 전력 조립체(도시되어 있지 않음)에 의해 전력 공급받는 적어도 하나의 가열기(394)를 포함할 수도 있다. 가열기(394)는 적어도 하나의 가열 요소(398)(저항 가열 요소와 같은)를 포함할 수도 있다. 가열 요소는 스트리퍼(354)(및/또는 스프레이 노즐(372)) 이전에 소비된 액체 흡수제 스트림(368)을 가열할 수도 있고 그리고/또는 스트리퍼 내에서 소비된 액체 흡수제 스트림을 가열할 수도 있다. 전력 조립체는 하나 이상의 전기 코드(사용자가 가열기를 전기 콘센트에 플러깅할 수 있게 함), 태양광 패널, 풍력 터빈, 연료 전지 등을 포함할 수도 있다.
부가적으로, 다른 구성 및 유형의 가열 조립체(356)가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 가열 조립체(356)는 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 버너 조립체(378), 적어도 하나의 공기 송풍기(380) 및 점화기 조립체(382)를 포함할 수도 있다. 버너 조립체는 적어도 하나의 공기 스트림(384) 및 적어도 하나의 연료 스트림(386)을 수용하고 적어도 하나의 연료 스트림을 연소시켜 가열된 배기 스트림(들)(376)을 생성하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 연료 스트림은 공급원료 전달 시스템(74), 흡수기(352) 및/또는 하나 이상의 다른 가스 제거 조립체에 의해 제공될 수도 있다. 부가적으로, 오프가스 스트림(377)의 적어도 일부는 부산물 연료 스트림으로서 사용될 수도 있다. 연료 스트림(들)(386)은 펌프 및/또는 다른 적합한 디바이스를 통해 버너 조립체(378)로 전달될 수도 있다. 공기 송풍기(380)는 공기 스트림(들)(384)을 발생시키도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 점화기 조립체(382)는 연료 스트림(들)(386)을 점화하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다.
펌프(358)는 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 액체 흡수제 스트림으로부터 흡수된 이산화탄소 가스의 적어도 일부의 탈착을 위해 소비된 액체 흡수제 스트림(368)을 스트리퍼(354)로 전달하거나 운송하도록 구성될 수도 있다. 대안적으로, 펌프(358)는 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 부산물 스트림(108)으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부의 흡수를 위해 스트리핑된 액체 흡수제 스트림(들)(370)을 흡수기(352)로 전달하거나 운송하도록 구성될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 소비된 및/또는 스트리핑된 액체 흡수제 스트림은 펌프 및/또는 다른 전기 구동식 유체 전달 메커니즘의 사용을 필요로 하지 않고 흡수기와 스트리퍼 사이에서 유동한다. 열 교환기(360)는 스트리핑된 액체 흡수제 스트림(들)으로부터 소비된 액체 흡수제 스트림(들)으로 열을 전달하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 가스 제거 조립체(350)는 해당 조립체의 하나 이상의 다른 구성요소를 적어도 부분적으로 수용할 수도 있는 쉘 또는 하우징(392)을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 쉘(392)은 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 흡수기(352), 스트리퍼(354), 가열 조립체(356), 펌프(358) 및/또는 열 교환기(360)를 적어도 부분적으로 수용할 수도 있다. 쉘 또는 하우징은 절연재 및/또는 재킷을 포함할 수도 있다. 대안적으로, 가스 제거 조립체는 연료 처리 조립체의 다른 구성요소의 공통 쉘 또는 하우징 내에 수용될 수도 있다.
가스 제거 조립체(184)의 다른 예가 도 6에 도시되어 있고, 이는 일반적으로 400으로 표시되어 있다. 특히 제외되지 않으면, 가스 제거 조립체(400)는 본 개시내용의 다른 가스 제거 조립체의 하나 이상의 구성요소를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 가스 제거 조립체(400)는 하나 이상의 흡수기(402)를 포함할 수도 있다.
흡수기(402)는 부산물 스트림(108)으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 흡수하고, 그리고/또는 고체 흡수제를 통해 해당 스트림의 유동을 유도하도록 구성된 적어도 하나의 고체 흡수제(406)(고체 흡수제 베드 내와 같은)를 포함할 수도 있다. 부산물 스트림(108)이 고체 흡수제를 통해 유동함에 따라, 이산화탄소 가스는 적어도 부분적으로 흡수되어 흡수된 이산화탄소 가스 없이 연료 스트림(128)을 형성할 수도 있다. 가스 제거 조립체(400)는 임의의 적합한 수의 흡수기(402)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 가스 제거 조립체는 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 흡수기(408) 및 제2 흡수기(410)를 포함할 수도 있다. 제2 가스 제거 조립체(400)는 2개의 흡수기(402)를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 조립체는 하나의 흡수기 또는 3개 이상의 흡수기와 같은, 임의의 적합한 수의 흡수기를 포함할 수도 있다.
가스 제거 조립체(400)가 2개 이상의 흡수기(402)를 포함할 때, 가스 제거 조립체는 2개 이상의 제어 밸브(도시되어 있지 않음) 및/또는 하나 이상의 흡수기(402)를 격리하고 그리고/또는 하나 이상의 다른 흡수기(402)로 유동을 유도하는 다른 구조체를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 부산물 스트림(108)은 해당 흡수기 내의 고체 흡수제가 이산화탄소 가스로 포화되거나 실질적으로 포화될 때까지 제1 흡수기(408)를 통해 유동하도록 유도될 수도 있다. 그 시점에, 제어 밸브는 제1 흡수기(408)를 격리하고 제2 흡수기 내의 고체 흡수제가 포화되거나 실질적으로 포화될 때까지 제2 흡수기(410)를 통해 부산물 스트림(108)의 유동을 유도할 수도 있다. 격리된 제1 흡수기 내의 고체 흡수제는 부산물 스트림(108)이 제2 흡수기를 통해 유동하는 동안 재충전되거나 재생될 수도 있고, 또는 그 반대도 마찬가지이다. 몇몇 실시예에서, 가스 제거 조립체(400)는 해당 조립체의 하나 이상의 다른 구성요소를 적어도 부분적으로 수용할 수도 있는 쉘 또는 하우징(413)을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 쉘(413)은 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 흡수기(402)를 적어도 부분적으로 수용할 수도 있다. 쉘 또는 하우징은 절연재 및/또는 재킷을 포함할 수도 있다. 대안적으로, 가스 제거 조립체는 연료 처리 조립체의 다른 구성요소의 공통 쉘 또는 하우징 내에 수용될 수도 있다.
가스 제거 조립체(184)의 다른 예가 도 7에 도시되어 있고, 이는 일반적으로 414로 표시되어 있다. 특히 제외되지 않으면, 가스 제거 조립체(414)는 다른 가스 제거 조립체 및/또는 본 개시내용의 다른 조립체의 하나 이상의 구성요소를 포함할 수도 있다. 가스 제거 조립체(414)는 멤브레인 조립체(418)를 포함할 수도 있다.
멤브레인 조립체(418)는 부산물 스트림(108)으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 분리하여 연료 스트림(128)을 형성하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 분리된 이산화탄소 가스는 오프가스 스트림(333)을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 멤브레인 조립체(418)는 부산물 스트림(108)으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 분리하도록 구성된 하나 이상의 이산화탄소 선택성 멤브레인(428)을 포함할 수도 있다. 멤브레인 조립체(418)는 도 7에 점선으로 도시되어 있는 바와 같이, 임의의 적합한 수의 멤브레인(428)을 포함할 수도 있다. 멤브레인 조립체(418)가 2개 이상의 멤브레인(428)을 포함할 때, 이들 멤브레인은 병렬 또는 직렬로 배열될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 가스 제거 조립체(414)는 해당 조립체의 하나 이상의 다른 구성요소를 적어도 부분적으로 수용할 수도 있는 쉘 또는 하우징(429)을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 쉘(429)은 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 멤브레인 조립체(418)를 적어도 부분적으로 수용할 수도 있다. 쉘 또는 하우징은 절연재 및/또는 재킷을 포함할 수도 있다. 대안적으로, 가스 제거 조립체는 연료 처리 조립체의 다른 구성요소의 공통 쉘 또는 하우징 내에 수용될 수도 있다.
가스 제거 조립체(184)의 다른 예가 도 8에 도시되어 있고, 이는 일반적으로 430으로 표시되어 있다. 특히 제외되지 않으면, 가스 제거 조립체(430)는 다른 가스 제거 조립체 및/또는 본 개시내용의 다른 조립체의 하나 이상의 구성요소를 포함할 수도 있다. 가스 제거 조립체(430)는 멤브레인 접촉기 조립체(434), 적어도 하나의 스트리퍼(436), 적어도 하나의 가열 조립체(438), 적어도 하나의 열 교환기(440) 및 적어도 하나의 펌프(442)를 포함할 수도 있다.
멤브레인 접촉기 조립체(434)는 부산물 스트림(108)으로부터 이산화탄소 가스를 분리하여 연료 스트림(128)을 형성하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 멤브레인 접촉기 조립체(434)는 하나 이상의 멤브레인 접촉기(452)를 포함할 수도 있다. 멤브레인 접촉기는 부산물 스트림(108)으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 분리하도록 구성된 복수의 이산화탄소 선택성 멤브레인(454)을 포함할 수도 있다.
멤브레인(454)은 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 쉘(456) 내에 밀봉(또는 포팅)될 수도 있는 중공 섬유 또는 소직경 관형 멤브레인일 수도 있다. 쉘(456)은 입구 및 출구 포트(457) 및 임의의 적합한 수의 멤브레인(454), 예로서 수백 내지 수천 개의 이들 멤브레인을 포함할 수도 있다. 멤브레인(454)은 약 1 센티미터 내지 약 2 내지 3 미터와 같은 임의의 적합한 길이, 및/또는 0.1 밀리미터 내지 5 밀리미터와 같은 임의의 적합한 직경을 가질 수도 있다. 멤브레인은 미세다공성 및/또는 이산화탄소 가스에 대해 고도로 투과성이도록 구성될 수도 있다.
멤브레인(454)은 이들 성분이 기상 및/또는 액상인지에 무관하게 부산물 스트림(108)의 성분에 화학적으로 불활성인 재료(들)로 구성될 수도 있다. 부가적으로, 멤브레인(454)이 미세다공성일 때, 멤브레인은 부산물 스트림(108) 및/또는 액체 흡수제 스트림(470)의 성분의 액상에 의해 습윤되지 않는 하나 이상의 재료로 구성될 수도 있다. 달리 말하면, 이들 성분의 액상은 모세관력에 의해 미세기공 구조로 흡인되지 않는다. 그렇지 않으면, 멤브레인의 미세기공 구조가 액상으로 채워지면, 액체로 채워진 공극으로부터 이산화탄소 가스의 비교적 느린 확산이 멤브레인의 전체 성능에 악영향을 미칠 수도 있다. 적합한 미세다공성 폴리프로필렌 멤브레인의 예는 Celgard®, LLC(미국 노스캐롤라이나주 샬럿)에 의해 제조된다.
멤브레인 접촉기(들)(452)는 도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 멤브레인(454)의 보어 또는 루멘(458)을 통해 부산물 스트림(108)의 유동을 유도할 수도 있다. 이산화탄소 가스의 적어도 일부는 도 10에 462로 표시된 바와 같이, 하나 이상의 벽(460)을 통해 멤브레인 접촉기 쉘 내로 통과할 수도 있다. 부산물 스트림(108)이 멤브레인(454)의 루멘(458) 내로 및/또는 통해 유동하도록 유도될 때, 루멘의 내부는 "공급물측(466)"이라 칭할 수도 있고 쉘의 내부(및/또는 멤브레인의 외부)는 "투과물측(468)"이라 칭할 수도 있다.
대안적으로, 멤브레인 접촉기(들)는 도 11에 도시되어 있는 바와 같이, 멤브레인 접촉기 쉘을 통해 및/또는 멤브레인 위로 부산물 스트림(108)의 유동을 유도할 수도 있다. 이산화탄소 가스의 적어도 일부는 도 11에 464로 표시된 바와 같이, 벽(들)(460)을 통해 멤브레인(454)의 루멘(458) 내로 통과할 수도 있다. 부산물 스트림(108)이 멤브레인 접촉기 쉘 내로 및/또는 통해 및/또는 멤브레인 위로 유동하도록 유도될 때, 멤브레인 접촉기 쉘의 내부 또는 멤브레인의 외부는 "공급물측(466)"이라 칭할 수도 있고, 루멘의 내부는 "투과물측(468)"이라 칭할 수도 있다. 바람직하게는, 부산물 스트림(108)은 루멘 직경이 작고 멤브레인의 길이가 길 때 멤브레인의 루멘을 통해 유동하도록 유도되어 액체 흡수제 스트림(470)이 루멘을 통해 유동하도록 유도되는 경우 발생할 것인 높은 압력 강하를 방지한다.
부가적으로, 멤브레인 접촉기(들)(452)는 멤브레인의 투과물측에서 적어도 하나의 액체 흡수제 스트림(470)을 수용할 수도 있다. 액체 흡수제 스트림은 멤브레인(454)의 공급물측으로부터 투과물측으로 통과하는 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 흡수하여 흡수된 이산화탄소 가스(이는 또한 "소비된 액체 흡수제 스트림(들) 472"이라 칭할 수도 있음)를 갖는 액체 흡수제 스트림(들)(472)을 형성하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 멤브레인 접촉기(들)(452)가 멤브레인(454)의 루멘(458)을 통해 부산물 스트림(108)을 수용하도록 구성될 때, 멤브레인 접촉기는 멤브레인 접촉기 쉘(456) 내에 액체 흡수제 스트림(470)을 수용할 수도 있다. 대안적으로, 멤브레인 접촉기(들)(452)가 멤브레인 접촉기 쉘(456)을 통해 부산물 스트림(들)(108)을 수용하도록 구성될 때, 멤브레인 접촉기는 멤브레인(454)의 루멘(458)을 통해 액체 흡수제 스트림을 수용할 수도 있다. 액체 흡수제 스트림(들)(470) 내의 액체 흡수제(들)는 비교적 낮은 온도에서 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 흡수(또는 결합)하고 이어서 상승된 온도에서 이들 가스(들)를 방출(또는 탈착)하도록 구성될 수도 있다. 대안적으로, 액체 흡수제 스트림(들)(470) 내의 액체 흡수제(들)는 압력 사이클에 의해 구동되고, 이 경우(434)에서의 이산화탄소의 흡수는 50 내지 100 psig 또는 특히 100 내지 500 psig의 비교적 높은 압력에서 이루어질 수도 있고, 436에서의 탈착은 더 낮은 압력에서 발생한다.
멤브레인 접촉기 조립체(434)는 도 8에 점선으로 도시되어 있는 바와 같이, 임의의 적합한 수의 멤브레인 접촉기(452)를 포함할 수도 있다. 멤브레인 접촉기 조립체(434)가 2개 이상의 멤브레인 접촉기(452)를 포함할 때, 이들 멤브레인 접촉기는 병렬 또는 직렬로 배열될 수도 있다.
스트리퍼(436)는 하나 이상의 소비된 액체 흡수제 스트림(472)을 수용하고, 이들 스트림(들)으로부터 흡수된 이산화탄소 가스를 스트리핑하고, 그리고/또는 하나 이상의 스트리핑된 액체 흡수제 스트림(474)을 멤브레인 접촉기(들)(452)로 전달하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 스트리퍼(436)는 소비된 액체 흡수제 스트림을 하나 이상의 스프레이된 소비된 액체 흡수제 스트림(478)으로 적어도 부분적으로 분무하도록 구성된 적어도 하나의 스프레이 노즐(476)을 포함할 수도 있다. 스트리퍼(436)는 임의의 적합한 메커니즘(들)을 통해 흡수된 이산화탄소 가스를 스트리핑할 수도 있다. 예를 들어, 액체 흡수제 스트림(470)을 위해 사용되는 액체 흡수제(들)가 제1 온도 범위 내에서 이산화탄소 가스를 흡수하거나 결합하고 제1 온도 범위보다 더 높은 제2 온도 범위 내에서 이산화탄소 가스를 방출하거나 탈착할 때, 이어서 스트리퍼(436)는 가열 조립체(438)로부터 하나 이상의 가열된 배기 스트림(480)을 수용하고 스프레이된 소비된 액체 흡수제 스트림(들)을 통해 이들 스트림의 유동을 유도하도록 구성될 수도 있다.
스프레이된 소비된 액체 스트림(들)은 가열된 배기 스트림(들)에 의해 60℃ 내지 200℃, 바람직하게는 80℃ 내지 150℃로 가열되어, 흡수된 이산화탄소 가스를 제거하여 적어도 실질적으로 재생된 액체 흡수제 스트림(474)을 생성 또는 산출할 수도 있다. 방출된 탈착된 가스는 적어도 하나의 오프가스 스트림(333)을 형성할 수도 있다. 스트리퍼(436)는 0 psig 내지 50 psig의 범위, 가장 바람직하게는 0 psig 내지 10 psig의 범위 내에서 동작될 수도 있다.
가열 조립체(438)는 스프레이된 소비된 액체 흡수제 스트림(들)(478)을 가열하기 위해 적어도 하나의 가열된 배기 스트림(480)을 생성하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 가열 조립체는 스프레이된 소비된 액체 흡수제 스트림(들) 내의 이산화탄소 가스에 대한 적어도 최소 방출 또는 탈착 온도와 같은, 임의의 적합한 온도(들)로 스트리퍼를 가열할 수도 있다.
가열 조립체는 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 버너 조립체(484), 적어도 하나의 공기 송풍기(486) 및 점화기 조립체(488)를 포함할 수도 있다. 버너 조립체는 적어도 하나의 공기 스트림(490) 및 적어도 하나의 연료 스트림(492)을 수용하고 적어도 하나의 연료 스트림을 연소시켜 가열된 배기 스트림(들)(480)을 생성하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 연료 스트림(들)(492)은 공급원료 전달 시스템(232), 멤브레인 접촉기 조립체(예를 들어, 연료 스트림(128)의 적어도 일부로부터와 같은) 및/또는 가스 제거 조립체 중 하나 이상에 의해 제공될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 오프가스 스트림(333)의 적어도 일부는 연료 스트림(들)(492)을 보충할 수도 있다. 연료 스트림(들)(492)은 펌프(들) 및/또는 다른 적합한 디바이스(들)를 통해 버너 조립체(378)로 전달될 수도 있다. 공기 송풍기(486)는 공기 스트림(들)(492)을 발생시키도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 점화기 조립체(488)는 연료 스트림(들)(492)을 점화하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다.
부가적으로, 다른 구성 및 유형의 가열 조립체(438)가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 가열 조립체(438)는 도 12에 도시되어 있는 바와 같이, 적어도 하나의 전력 조립체(500)에 의해 전력 공급받는 적어도 하나의 가열기(498)를 포함할 수도 있다. 가열기(498)는 적어도 하나의 가열 요소(502)(저항 가열 요소와 같은)를 포함할 수도 있다. 가열 요소는 스트리퍼(436)(및/또는 스프레이 노즐(476)) 이전에 소비된 액체 흡수제 스트림(472)을 가열할 수도 있고 그리고/또는 스트리퍼 내에서 소비된 액체 흡수제 스트림을 가열할 수도 있다. 전력 조립체(500)는 하나 이상의 전기 코드(사용자가 가열기를 전기 콘센트에 플러깅할 수 있게 함), 태양광 패널, 풍력 터빈, 연료 전지 등을 포함할 수도 있다.
열 교환기(440)는 스트리핑된 액체 흡수제 스트림(들)으로부터 소비된 액체 흡수제 스트림(들)으로 열을 전달하도록 구성된 임의의 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 펌프(442)는 부산물 스트림(108)으로부터 이산화탄소 가스의 부가의 흡수를 위해 멤브레인 접촉기(들)(452)로 스트리핑된 액체 흡수제 스트림(들)(474)을 전달하거나 운송하도록 구성된 적합한 구조체를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 소비된 및/또는 스트리핑된 액체 흡수제 스트림은 펌프 및/또는 다른 전기 구동식 유체 전달 메커니즘의 사용을 필요로 하지 않고 흡수기와 스트리퍼 사이에서 유동한다.
몇몇 실시예에서, 가스 제거 조립체(430)는 해당 조립체의 하나 이상의 다른 구성요소를 적어도 부분적으로 수용할 수도 있는 쉘 또는 하우징(508)을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 쉘(508)은 도 8 및 도 12에 도시되어 있는 바와 같이, 멤브레인 접촉기 조립체(434), 스트리퍼(436), 가열 조립체(438), 열 교환기(440) 및/또는 펌프(442)를 적어도 부분적으로 수용할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 쉘(508)은 절연재 및/또는 재킷을 포함할 수도 있다. 대안적으로, 가스 제거 조립체는 연료 처리 조립체의 다른 구성요소의 공통 쉘 또는 하우징 내에 수용될 수도 있다.
가스 제거 조립체(184)는 부가적으로 또는 대안적으로 모든 목적을 위해 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 미국 특허 제9,605,224호에 설명된 것과 같은 하나 이상의 구조체 및/또는 구성요소를 포함할 수도 있다. 본 개시내용의 가스 제거 조립체는 이산화탄소를 분리 및/또는 제거하기 위해 설명되지만, 이들 가스 제거 조립체는 부가적으로 일산화탄소 및/또는 다른 가스를 분리 및/또는 제거할 수도 있다. 본 개시내용의 수소 발생 조립체 및 가스 제거 조립체는 펌프를 통해 전달되는 스트림을 포함하지만, 이들 스트림 중 하나 이상은 펌프 없이 전달될 수도 있거나, 또는 그 반대도 마찬가지이다.
수소를 발생하는 방법(600)의 예가 도 13에 도시되어 있다. 특정 단계가 도 13에 도시되어 있지만, 방법(600)의 다른 예는 하나 이상의 단계를 생략, 대체, 수정, 복제 및/또는 추가할 수도 있다. 부가적으로, 단계는 임의의 적합한 순서로 수행될 수도 있다.
602에서, 탄소 함유 공급원료 및/또는 물을 함유하는 하나 이상의 공급물 스트림이 연료 처리 조립체에 수용될 수도 있다. 604에서, 연료 처리 조립체의 수소 발생 영역은 예로서 하나 이상의 버너를 통해, 적어도 최소 수소 생성 온도로 가열될 수도 있다.
606에서, 하나 이상의 출력 스트림이 공급물 스트림(들)으로부터 가열된 수소 발생 영역에서 발생될 수도 있다. 출력 스트림은 수소 가스, 이산화탄소 및 하나 이상의 다른 가스를 함유할 수도 있다. 608에서, 생성물 수소 스트림(들) 및 부산물 스트림(들)은 연료 처리 조립체의 정화 영역에서 출력 스트림(들)으로부터 발생될 수도 있다. 생성물 수소 스트림(들)은 출력 스트림보다 더 높은 수소 농도 및 출력 스트림보다 더 낮은 이산화탄소 농도를 가질 수도 있다. 부가적으로, 부산물 스트림(들)은 출력 스트림보다 더 낮은 수소 농도 및 출력 스트림보다 더 높은 이산화탄소 농도를 가질 수도 있다. 몇몇 예에서, 정화 영역은 하나 이상의 수소 선택성 멤브레인을 포함할 수도 있는데, 여기서 생성물 수소 스트림은 수소 선택성 멤브레인(들)을 통과하는 출력 스트림의 일부로부터 발생되고, 부산물 스트림은 수소 선택성 멤브레인(들)을 통과하지 않는 출력 스트림의 부분으로부터 발생된다.
610에서, 이산화탄소 가스의 적어도 일부는 부산물 스트림(들)으로부터 분리 또는 제거되어 연료 스트림(들)을 발생할 수도 있다. 연료 스트림(들)은 부산물 스트림(들)보다 더 낮은 이산화탄소 농도를 가질 수도 있다. 예를 들어, 이산화탄소의 적어도 일부는 부산물 스트림(들)으로부터, 적어도 하나의 고체 흡수제 또는 적어도 하나의 액체 흡수제 스트림과 같은 적어도 하나의 흡수제에 의해 또는 통해 흡수될 수도 있다. 몇몇 예에서, 소비된 액체 흡수제 스트림(들) 또는 흡수된 이산화탄소 가스를 갖는 액체 흡수제 스트림(들)은 가열되어 흡수된 이산화탄소 가스의 적어도 상당한 부분을 스트리핑하여 스트리핑된 액체 흡수제 스트림 및 스트리핑된 이산화탄소 가스를 함유하는 오프가스 스트림을 형성할 수도 있다.
다른 예에서, 부산물 스트림(들)은 하나 이상의 이산화탄소 선택성 멤브레인을 통해 유동하여 이산화탄소 가스를 제거한다. 이산화탄소 가스의 적어도 일부는 멤브레인의 공급물측으로부터 투과물측으로 통과하여 연료 스트림(들)을 형성하고, 반면 멤브레인을 통과하지 않는(즉, 공급물측으로부터 투과물측으로 통과하지 않는) 부산물 스트림의 부분은 오프가스 스트림을 형성한다. 몇몇 예에서, 액체 흡수제 스트림(들)은 이산화탄소 선택성 멤브레인(들)의 투과물측을 통해 유동하여 소비된 액체 흡수제 스트림 또는 흡수된 이산화탄소 가스를 갖는 액체 흡수제 스트림(들)을 생성한다. 몇몇 예에서, 소비된 액체 흡수제 스트림(들) 또는 흡수된 이산화탄소 가스를 갖는 액체 흡수제 스트림(들)은 가열되어 흡수된 이산화탄소 가스의 적어도 상당한 부분을 스트리핑하여 스트리핑된 액체 흡수제 스트림 및 스트리핑된 이산화탄소 가스를 함유하는 오프가스 스트림을 형성할 수도 있다. 612에서, 연료 스트림(들)은 연소를 위해 버너(들)에 공급될 수도 있다.
방법(600)의 몇몇 예는 부가적으로 또는 대안적으로 하나 이상의 다른 단계를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 614에서, 연료 처리 조립체의 기화 영역은 예로서 하나 이상의 버너를 통해, 적어도 최소 기화 온도로 가열될 수도 있다. 기화 영역을 가열하는 데 사용되는 버너는 수소 발생 영역을 가열하는 데 사용되는 하나 이상의 버너와 동일하거나 상이할 수도 있다. 부가적으로, 616에서, 공급물 스트림(들)의 적어도 일부는 연료 처리 조립체의 기화 영역에서 기화되어 하나 이상의 적어도 실질적으로 기화된 스트림을 형성할 수도 있다. 공급물 스트림(들)의 적어도 일부가 기화될 때, 606에서 발생된 출력 스트림은 적어도 실질적으로 기화된 스트림(들)으로부터 적어도 부분적으로 발생될 수도 있다.
본 개시내용의 수소 발생 조립체 및 방법은, 메탄올로부터 수소를 발생하는 것으로부터와 같이, 탄소 함유 공급원료로부터 수소를 발생할 때 생성되는 이산화탄소 배출을 감소시키는 효과적인 방법을 제공한다. 이산화탄소는 대안적으로 연소 배기 스트림으로부터 제거될 수도 있다. 그러나, 연소 배기 스트림은 연소를 위해 공급된 과잉 공기로 그리고 매우 낮은 압력에서 연소 가스의 희석으로 인해서와 같이, 비교적 낮은 이산화탄소 농도를 갖는다.
일 예에서, 1.575 L/min 메탄올/물 혼합물(62.5 중량 % 메탄올/잔량 물)은 83% 더 낮은 발열량(LHV) 에너지 효율에서 1,396 std. L/min 생성물 수소를 산출한다. 정화 영역으로부터의 부산물 스트림은 약 1.5 MPa 내지 약 2.0 MPa 및 약 1.0 Nm3/min이다. 부가적으로, 부산물 스트림은 약 25.7% 수소, 15.8% 물, 1.8% 메탄올, 47.8% 이산화탄소 및 10% 일산화탄소로 구성된다. 부산물 스트림은 약 400℃이고 약 30℃에서 열 교환기를 빠져나간다. 공급물 스트림은 약 25℃에서 동일한 열 교환기로 진입하고 약 195℃에서 빠져나간다. 열 교환기는 약 578 kJ/min의 열 부하(heat duty)를 갖는다. 이와 대조적으로, 연소 배기 스트림은 약 110 kPa 및 약 3.2 Nm3/min이며 19% 내지 22%의 이산화탄소 농도를 갖는다.
산업상 이용 가용성
수소 발생 디바이스 및 이들 디바이스의 구성요소를 포함하는 본 개시내용은 수소 가스가 정화, 생성 및/또는 이용되는 연료 처리 및 다른 산업에 적용 가능하다.
전술된 개시내용은 독립적인 실용성을 가진 다수의 별개의 발명을 포함한다. 각각의 이들 발명이 그 바람직한 형태로 개시되었지만, 본 명세서에 개시되고 예시된 바와 같은 그 특정 실시예는 수많은 변형이 가능하기 때문에 한정적인 의미로 고려되어서는 안 된다. 본 발명의 주제는 본 명세서에 개시된 다양한 요소, 특징, 기능 및/또는 특성의 모든 신규하고 자명하지 않은 조합 및 하위 조합을 포함한다. 유사하게, 임의의 청구항이 단수의 또는 "제1" 요소 또는 그 등가물을 인용하는 경우, 이러한 청구항은 하나 이상의 이러한 요소의 통합을 포함하는 것으로 이해되어야 하며, 2개 이상의 이러한 요소를 필요로 하지도 배제하지도 않는다.
특징, 기능, 요소 및/또는 특성의 다양한 조합 및 하위 조합으로 구체화된 발명은 관련 출원에서 새로운 청구항의 제시를 통해 청구될 수도 있다. 이러한 새로운 청구범위는, 이들이 상이한 발명에 관한 것이든 동일한 발명에 관한 것이든, 원래 청구범위와 범주가 상이하든, 더 넓든, 더 좁든, 동일하든, 본 개시내용의 발명의 주제 내에 포함되는 것으로서 간주된다.

Claims (23)

  1. 수소를 발생하는 방법이며,
    연료 처리 조립체 내에 공급물 스트림을 수용하는 단계로서, 공급물 스트림은 탄소 함유 공급원료를 함유하는, 공급물 스트림 수용 단계;
    하나 이상의 버너를 통해, 연료 처리 조립체의 수소 발생 영역을 적어도 최소 수소 생성 온도로 가열하는 단계;
    연료 처리 조립체의 가열된 수소 발생 영역에서 수용된 공급물 스트림으로부터 출력 스트림을 발생하는 단계로서, 출력 스트림은 수소 가스 및 이산화탄소 가스를 함유하는, 출력 스트림 발생 단계;
    출력 스트림으로부터 연료 처리 조립체의 정화 영역에서 생성물 수소 스트림 및 부산물 스트림을 발생하는 단계로서, 생성물 수소 스트림은 출력 스트림보다 더 높은 수소 농도 및 출력 스트림보다 더 낮은 이산화탄소 농도를 갖고, 부산물 스트림은 출력 스트림보다 더 낮은 수소 농도 및 출력 스트림보다 더 높은 이산화탄소 농도를 갖는, 생성물 수소 스트림 및 부산물 스트림 발생 단계;
    부산물 스트림보다 더 낮은 이산화탄소 농도를 갖는 연료 스트림을 발생하기 위해 부산물 스트림으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 분리하는 단계; 및
    하나 이상의 버너에 연료 스트림을 공급하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 부산물 스트림으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 분리하는 단계는, 적어도 하나의 흡수제를 통해, 부산물 스트림으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 흡수하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 흡수하는 단계는, 적어도 하나의 고체 흡수제를 통해, 부산물 스트림으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 흡수하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 제2항에 있어서, 부산물 스트림으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 흡수하는 단계는, 액체 흡수제 스트림을 통해, 부산물 스트림으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 흡수하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제4항에 있어서, 부산물 스트림으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 분리하는 단계는 흡수된 이산화탄소 가스를 갖는 액체 흡수제 스트림을 가열하여 흡수된 이산화탄소 가스의 적어도 상당한 부분을 스트리핑하여 스트리핑된 액체 흡수제 스트림 및 스트리핑된 이산화탄소 가스를 함유하는 오프가스 스트림을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 부산물 스트림으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 분리하는 단계는 이산화탄소 가스의 적어도 일부가 적어도 하나의 이산화탄소 선택성 멤브레인의 공급물측으로부터 투과물측으로 통과할 수 있게 하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 부산물 스트림으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 분리하는 단계는 적어도 하나의 이산화탄소 선택성 멤브레인의 투과물측을 통해 액체 흡수제 스트림을 유동시켜 그로부터 흡수된 이산화탄소 가스를 갖는 액체 흡수제 스트림을 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서, 부산물 스트림으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 분리하는 단계는 흡수된 이산화탄소 가스를 갖는 액체 흡수제 스트림을 가열하여 흡수된 이산화탄소 가스의 적어도 상당한 부분을 스트리핑하여 스트리핑된 액체 흡수제 스트림 및 스트리핑된 이산화탄소 가스를 함유하는 오프가스 스트림을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 연료 처리 조립체의 기화 영역에서, 공급물 스트림의 적어도 일부를 기화하여 적어도 실질적으로 기화된 스트림을 형성하는 단계를 더 포함하고, 가열된 수소 발생 영역에서 출력 스트림을 발생하는 단계는 가열된 수소 발생 영역에서 적어도 실질적으로 기화된 스트림으로부터 출력 스트림을 발생하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 하나 이상의 버너를 통해, 연료 처리 조립체의 기화 영역을 적어도 최소 기화 온도로 가열하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 정화 영역은 적어도 하나의 수소 선택성 멤브레인을 포함하고, 정화 영역에서 생성물 수소 스트림 및 부산물 스트림을 발생하는 단계는 적어도 하나의 수소 선택성 멤브레인을 통해, 생성물 수소 스트림 및 부산물 스트림을 발생하는 단계를 포함하고, 생성물 수소 스트림은 적어도 하나의 수소 선택성 멤브레인을 통과하는 출력 스트림의 부분으로부터 발생되고, 부산물 스트림은 적어도 하나의 수소 선택성 멤브레인을 통과하지 않는 출력 스트림의 부분으로부터 발생되는, 방법.
  12. 수소 발생 조립체이며,
    인클로저;
    인클로저 내에 수용된 수소 생성 영역으로서, 수소 생성 영역은 적어도 하나의 공급물 스트림으로부터 출력 스트림을 생성하도록 구성되고, 출력 스트림은 수소 가스 및 이산화탄소 가스를 함유하고, 적어도 하나의 공급물 스트림은 탄소 함유 공급원료를 함유하는, 수소 생성 영역;
    적어도 하나의 공기 스트림 및 적어도 하나의 연료 스트림을 수용하고 인클로저 내에 수용된 연소 영역 내에서 적어도 하나의 연료 스트림을 연소하여 수소 생성 영역을 적어도 최소 수소 생성 온도로 가열하기 위한 가열된 배기 스트림을 생성하도록 구성된 가열 조립체;
    인클로저 내에 수용된 정화 영역으로서, 정화 영역은 생성물 수소 스트림 및 부산물 스트림을 생성하도록 구성되고, 생성물 수소 스트림은 출력 스트림보다 더 높은 수소 농도 및 출력 스트림보다 더 낮은 이산화탄소 농도를 갖고, 부산물 스트림은 출력 스트림보다 더 낮은 수소 농도 및 출력 스트림보다 더 높은 이산화탄소 농도를 갖는, 정화 영역; 및
    부산물 스트림으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 분리하고 그로부터 적어도 하나의 연료 스트림의 적어도 일부를 생성하도록 구성된 가스 제거 조립체를 포함하는, 수소 발생 조립체.
  13. 제12항에 있어서, 가스 제거 조립체는 부산물 스트림으로부터 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 흡수하도록 구성된 적어도 하나의 고체 흡수제를 수용하고 그로부터의 적어도 하나의 연료 스트림의 적어도 일부를 생성하도록 구성된 적어도 하나의 흡수기를 포함하는, 수소 발생 조립체.
  14. 제12항에 있어서, 가스 제거 조립체는 (a) 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 흡수하도록 구성된 액체 흡수제 스트림을 수용하고, (b) 액체 흡수제 스트림을 통해 부산물 스트림의 유동을 유도하도록 구성된 적어도 하나의 흡수기를 포함하는, 수소 발생 조립체.
  15. 제14항에 있어서, 가스 제거 조립체는 (a) 흡수된 이산화탄소 가스를 갖는 액체 흡수제 스트림을 수용하고, (b) 해당 액체 흡수제 스트림으로부터 이산화탄소 가스를 스트리핑하여 그로부터 오프가스 스트림을 형성하고, (c) 스트리핑된 액체 흡수제 스트림을 적어도 하나의 흡수기로 전달하도록 구성된 적어도 하나의 스트리퍼를 더 포함하는, 수소 발생 조립체.
  16. 제12항에 있어서, 가스 제거 조립체는 공급물측 및 투과물측을 갖는 적어도 하나의 이산화탄소 선택성 멤브레인을 포함하고, 공급물측은 부산물 스트림을 수용하도록 구성되고, 부산물 스트림 내의 이산화탄소 가스의 적어도 일부는 공급물측으로부터 투과물측으로 통과하도록 구성되고, 공급물측에 남아 있는 부산물 스트림의 잔여 부분은 적어도 하나의 연료 스트림의 적어도 일부를 형성하는, 수소 발생 조립체.
  17. 제16항에 있어서, 가스 제거 조립체는 (a) 공급물측으로부터 투과물측으로 통과하는 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 흡수하도록 구성된 액체 흡수제 스트림을 수용하고, (b) 액체 흡수제 스트림을 통해 부산물 스트림의 유동을 유도하도록 구성된 적어도 하나의 흡수기를 포함하는, 수소 발생 조립체.
  18. 제17항에 있어서, 가스 제거 조립체는 (a) 흡수된 이산화탄소 가스를 갖는 액체 흡수제 스트림을 수용하고, (b) 해당 액체 흡수제 스트림으로부터 이산화탄소 가스를 스트리핑하여 그로부터 오프가스 스트림을 형성하고, (c) 스트리핑된 액체 흡수제 스트림을 적어도 하나의 흡수기로 전달하도록 구성된 적어도 하나의 스트리퍼를 더 포함하는, 수소 발생 조립체.
  19. 제12항에 있어서, 인클로저 내에 수용되고 적어도 하나의 공급물 스트림을 수용하여 적어도 실질적으로 기화된 스트림을 형성하도록 구성된 기화 영역을 더 포함하고, 수소 생성 영역은 적어도 실질적으로 기화된 스트림으로부터 생성물 수소 스트림을 생성하도록 구성되는, 수소 발생 조립체.
  20. 제19항에 있어서, 가열된 배기 스트림은 기화 영역을 적어도 최소 기화 온도로 가열하고 수소 생성 영역을 적어도 최소 수소 생성 온도로 가열하기 위한 것인, 수소 발생 조립체.
  21. 제12항에 있어서, 수소 생성 영역은 촉매를 포함하는, 수소 발생 조립체.
  22. 제21항에 있어서, 촉매는 개질 촉매인, 수소 발생 조립체.
  23. 제12항에 있어서, 정화 영역은 적어도 하나의 수소 선택성 멤브레인을 포함하고, 생성물 수소 스트림은 적어도 하나의 수소 선택성 멤브레인을 통과하는 출력 스트림의 부분으로부터 생성되고, 부산물 스트림은 적어도 하나의 수소 선택성 멤브레인을 통과하지 않는 출력 스트림 부분으로부터 생성되는, 수소 발생 조립체.
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