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KR102143864B1 - 연료 전지로부터 co2를 포집하기 위한 시스템 - Google Patents

연료 전지로부터 co2를 포집하기 위한 시스템 Download PDF

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KR102143864B1
KR102143864B1 KR1020187015878A KR20187015878A KR102143864B1 KR 102143864 B1 KR102143864 B1 KR 102143864B1 KR 1020187015878 A KR1020187015878 A KR 1020187015878A KR 20187015878 A KR20187015878 A KR 20187015878A KR 102143864 B1 KR102143864 B1 KR 102143864B1
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fuel cell
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프레드 씨. 잔케
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퓨얼 셀 에너지, 인크
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Abstract

배기가스 스트림으로부터 이산화탄소를 포집하기 위한 이산화탄소 포집 시스템. 본 시스템은 이산화탄소 및 물을 포함하는 제1 배기가스 스트림을 배출하도록 구성된 연료 전지를 포함할 수 있다. 본 시스템은 제1 배기가스 스트림의 제1 부분을 수용하고 산소 및 이산화탄소를 포함하는 제2 배기가스 스트림을 배출하도록 구성된 전해조 전지를 추가로 포함할 수 있다. 연료 전지는 고체 산화물 연료 전지일 수 있다. 전해조 전지는 용융 탄산염 전해 전지일 수 있다.

Description

연료 전지로부터 CO2를 포집하기 위한 시스템
관련 출원에 대한 상호 참고문헌
본 출원은 2015년 11월 16일에 출원된 미국특허출원번호 제62/255,835호에 대한 우선권의 이점을 청구하며, 이러한 문헌의 전체 내용은 전문이 본원에 참고로 포함된다.
본 개시내용은 전기의 생산을 위한 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 개시내용은 연료 전지로부터 CO2를 포집할 수 있는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
정부 권리에 관한 진술
본 발명은 미국 에너지부에 의해 부여된 협약 협정 DE-EE0006669에 따른 정부 지원에 의해 이루어졌다. 정부는 본 발명에 특정 권리를 갖는다.
연료 전지는 전기화학적 반응을 통해 연료, 예를 들어, 탄화수소 연료에 저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있는 디바이스이다. 일반적으로, 연료 전지는 애노드, 전해질 층, 및 캐소드를 포함한다. 전해질 층은 애노드와 캐소드 사이로 이온을 전달하는 역할을 하며, 이는 전기의 생산을 위해 전자를 발생시키기 위한 애노드와 캐소드 내의 반응을 촉진시킨다.
연료 전지는 종종 특정 이온의 전달을 위해 사용되는 전해질 층의 타입에 의해 특징된다. 예를 들어, 연료 전지의 하나의 타입은 고체 산화물 연료 전지(SOFC)이며, 이는 캐소드에서 애노드로 음으로 하전된 산소 이온의 전달을 위해 고체 세라믹 전해질을 도입한다.
SOFC의 작동 동안에, 공기는 캐소드에 공급되며, 여기서, 산소 가스는 전자와 반응하여 음으로 하전된 산소 이온을 형성하며, 이는 전해질 층을 통해 애노드로 전달된다. 동시에, 탄화수소 연료, 예를 들어, 천연 가스는 메탄 및 물이 반응하여 수소 가스 및 이산화탄소를 생성시키는 개질 공정(reforming process)에서 스팀과 혼합된다. 수소 가스 및 이산화탄소는 전해질 층에 의해 전달된 산소 이온과 반응하여, 전기를 위한 전자를 생성시키고 전기 회로를 완성한다. 이러한 반응의 부산물로서, 물, 이산화탄소 및 잔류 수소 가스는 애노드로부터 배기가스로서 방출된다. 애노드 배기가스의 일부는 통상적으로 애노드로 재순환되지만, 나머지는 이산화탄소의 과도한 축적을 방지하기 위해 내보낸다.
그러나, 이산화탄소는 기후 변화에 미치는 영향으로 인하여 해로운 배출물인 것으로 여겨진다. 이에 따라, 환경으로 이산화탄소의 배출을 방지하기 위하여, 애노드 배기가스로부터 CO2를 포집하고, 지하 저장소 또는 석유 생산 요건과 같은 다른 더욱 친환경적인 목적을 위하여 CO2를 저장하는 것이 바람직하다. SOFC의 애노드 배기가스로부터 이산화탄소를 포집하는 하나의 방법은 N2로 CO2의 희석을 방지하면서, 공기 대신에 순수한 산소를 공급하는, 애노드 가스 산화기의 사용을 통한 것이다. 애노드 가스 산화기는 내보내진 애노드 배기가스 내에 함유된 발열량을 포집하기 위하여 애노드 배기가스를 산화시키기 위한 산소 가스를 사용한다. 그러나, 이러한 공정을 위해 요구되는 순수한 산소는 생산하는 데 고가일 수 있다. 현재, 애노드 가스 산화기에서 사용하기 위한 순수한 산소를 발생시키는 방법은 요구되는 산소를 공급하기 위해 공기로부터 산소를 분리시키는 공기 분리 유닛의 이용으로 제한된다. 그러나, 이러한 시스템은 고가이고 비효율적이다. 이에 따라, 내보내진 애노드 배기가스에서 CO2의 포집을 촉진시키기 위해 요구되는 산소를 제공할 수 있는 효율적이고 비용-효율적인 시스템을 제공하는 것이 유리할 것이다.
특정 구현예에서, 배기가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 이산화탄소 포집 시스템은 이산화탄소 및 물을 포함하는 제1 배기가스 스트림을 생성하도록 구성된 연료 전지, 및 제1 배기가스 스트림의 일부를 수용하고 산소 및 이산화탄소를 포함하는 제2 배기가스 스트림 및 비교적 순수한 수소의 제3 배기가스 스트림을 배출하도록 구성된 용융 탄산염 전해조 전지를 포함할 수 있다.
상기 구현예와 조합 가능한, 일 양태에서, 이산화탄소 포집 시스템은 제1 배기가스 스트림 및 제2 배기가스 스트림을 수용하고 물 및 이산화탄소를 포함하는 스트림을 배출하도록 구성된 가스 산화기를 추가로 포함한다.
임의의 상기 구현예 및 양태와 조합 가능한, 일 양태에서, 연료 전지는 고체 산화물 연료 전지일 수 있다.
임의의 상기 구현예 및 양태와 조합 가능한, 일 양태에서, 제1 배기가스 스트림은 수소 및 일산화탄소를 추가로 포함할 수 있다.
임의의 상기 구현예 및 양태와 조합 가능한, 일 양태에서, 연료 전지는 수소를 생성하기 위해 연료 전지에 공급된 연료를 내부적으로 개질하도록 구성된다.
임의의 상기 구현예 및 양태와 조합 가능한, 일 양태에서, 전해조 전지는 고순도(예를 들어, 98% 초과의 농도)의 수소 가스를 포함하는 공급 스트림을 배출하도록 추가로 구성된다.
특정 구현예에서, 고체 산화물 연료 전지에 의해 생성된 애노드 배기가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 이산화탄소 포집 시스템은 제1 애노드 및 제1 캐소드를 갖는 고체 산화물 연료 전지를 포함한다. 제1 애노드는 연료 및 재순환된 애노드 배기가스를 수용하고 애노드 배기가스 스트림을 배출하도록 구성된다. 이산화탄소 포집 시스템은 제2 애노드 및 제2 캐소드를 갖는 전해조 전지를 추가로 포함한다. 제2 애노드는 애노드 배기가스 스트림의 일부를 수용하도록 구성된다. 제2 캐소드는 산소 및 이산화탄소를 포함하는 제1 배기가스 스트림을 배출하도록 구성된다.
임의의 상기 구현예와 조합 가능한 일 양태에서, 이산화탄소 포집 시스템은 애노드 배기가스 스트림 및 제2 캐소드로부터 배출된 제1 배기가스 스트림의 일부를 수용하고 물 및 이산화탄소를 포함하는 산화된 스트림을 배출하도록 구성된 가스 산화기를 추가로 포함한다.
임의의 상기 구현예와 조합 가능한 일 양태에서, 제2 캐소드의 제1 배기가스 스트림은 이산화탄소 및 산소를 추가로 포함한다.
임의의 상기 구현예와 조합 가능한 일 양태에서, 제2 애노드는 수소를 포함하는 공급 스트림을 배출하도록 구성된다.
임의의 상기 구현예와 조합 가능한 일 양태에서, 전해조 전지는 용융 탄산염 전해 전지가다.
임의의 상기 구현예와 조합 가능한 일 양태에서, 연료 전지는 탄화수소 연료를 수용한다.
임의의 상기 구현예와 조합 가능한 일 양태에서, 연료 전지로부터의 애노드 배기가스 스트림은 수소, 일산화탄소, 물, 및 이산화탄소를 포함한다.
특정 구현예에서, 연료 전지에 의해 생성된 배기가스 스트림으로부터 이산화탄소를 포집하는 방법은 연료 전지에 연료를 공급하고, 이산화탄소를 포함하는 제1 배기가스 스트림을 생성하고, 제1 배기가스 스트림의 일부를, 용융 탄산염 전해조 전지일 수 있는 전해조 전지에 공급하고, 이산화탄소 및 산소를 포함하는 제2 배기가스 스트림을 생성시키는 것을 포함한다.
임의의 상기 구현예와 조합 가능한 일 양태에서, 이산화탄소를 포집하는 방법은 제1 배기가스 스트림의 일부 및 제2 배기가스 스트림을 가스 산화기에 공급하고, 물 및 이산화탄소를 포함하는 산화된 스트림을 배출시키는 것을 추가로 포함한다.
임의의 상기 구현예와 조합 가능한 일 양태에서, 이산화탄소를 포집하는 방법은 물 및 이산화탄소를 포함하는 스트림으로부터 물을 응축시키는 것을 추가로 포함한다.
임의의 상기 구현예와 조합 가능한 일 양태에서, 이산화탄소를 포집하는 방법은 고순도 수소를 포함하는 전해조 전지로부터 공급 스트림을 배출시키는 것을 추가로 포함한다.
임의의 상기 구현예와 조합 가능한 일 양태에서, 전해조 전지로 보내지는 연료 전지로부터의 애노드 배기가스의 일부는, 생성되는 산소의 양이 애노드 가스 산화기로 보내지는 애노드 배기가스의 일부에서의 수소, 일산화탄소, 및 메탄을 이산화탄소 및 물로 변환시켜 포집된 이산화탄소 중의 불순물을 최소화하기 위해 요구되는 화학량론적 양과 대략 동일하도록 조절된다.
이러한 및 다른 유리한 특징은 본 개시내용 및 도면을 검토하는 사람에게 명백하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른, 고체 산화물 연료 전지에 대한 CO2 포집 시스템의 개략도를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 CO2 포집 시스템에서 사용되는 개질기-전해조-정제기의 상세한, 개략도를 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 CO2 포집 시스템 내에 가스 스트림의 성분을 나타낸 표이다.
일반적으로 도면을 참조하면, 본원에는 에너지 생산의 측면에서 비용이 적게 들고 효율이 높은 연료 전지에 의해 생성된 애노드 배기가스 스트림으로부터 고도로 정제된 CO2를 포집하기 위한 CO2 포집 시스템이 개시된다.
도 1은 연료 전지에 의해 생성된 애노드 배기가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 CO2 포집 시스템(100)을 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 탄화수소 연료, 예를 들어, 천연 가스는 연료 공급 라인(110)을 통해 시스템(100)에 공급된다. 연료 스트림은 먼저, 가스 정화 스테이션(gas cleanup station)(10)을 통해 유도되며, 이는 연료 전지에 유해할 수 있는 연료 스트림에 함유된 불순물을 제거한다. 정화된 연료 스트림은 이후에, 연료 전지(170)의 애노드(174)로부터 애노드 배기가스 재순환 스트림(제1 배기가스 스트림의 제3 부분)과 혼합되며, 이는 회수 라인(132)에 의해 공급되고, 하기에서 보다 상세히 기술될 것이다. 이러한 재순환 스트림은 탄소 형성을 방지하기 위해 연료에 물을 제공하고, 또한, 연료-전지 효율을 증가시킨다. 도 1에 도시된 구현예에서, 연료 전지(170)는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)로서 구성된다. 연료 전지(170)는 메탄 및 물을 수소 및 이산화탄소로 변환시킴으로써 혼합된 연료 스트림을 내부적으로 개질시킬 수 있다. 대안적으로, 시스템(100)은 연료 전지(170)에 도입되기 전에 혼합된 연료 스트림을 개질시키기 위해 외부 개질기를 도입할 수 있다. 또한, 연료 전지(170)는 연료 전지 스택을 형성하기 위해 연결된 복수의 단위 전지를 포함할 수 있다.
탄화수소 연료 및 애노드 배기가스를 함유한, 혼합된 연료 스트림은 제1 송풍기(50)에 의해 연료 공급 라인(110)을 통해 유도되며, 여기서, 제1 열교환기(20)에 의해 가열한 후에, 혼합된 연료 스트림은 전기의 생산을 위해 요구되는 전기화학적 반응을 촉진시키기 위해 SOFC(170)의 애노드(174)에 공급된다.
도 1에 추가로 도시된 바와 같이, 공기 스트림은 공기 공급 라인(120)을 통해 시스템(100)에 공급되며, 여기서, 이는 제2 송풍기(30)에 의해 제2 열교환기(40)를 통해 유도된다. 공기 스트림은 제2 열교환기(40)에 의해 가열되고, 추가로 가열시키기 위해 공기 공급 라인(120)을 통해 제3 열교환기(60)로 계속된다. 제3 열교환기(60)로 통과한 후에, 공기 공급 라인(120)은 SOFC(170)의 캐소드(172)에 고온 공기 스트림을 공급한다. 상술된 바와 같이, 애노드(174)에 공급된 혼합된 연료 스트림, 및 캐소드(172)에 공급된 공기 스트림은 전기가 생산될 수 있도록, SOFC(170)의 고체 산화물 전해질 층을 가로질러 음으로 하전된 산소 이온의 전달을 야기시키는 내부 반응을 촉진시킨다. 반응의 완료 후에, 캐소드(172)는 산소-고갈 공기를 함유한 캐소드 배기가스 스트림을 배출시키며, 이는 캐소드 배기가스 라인(140)을 통해 시스템(100) 밖으로 배기된다. 캐소드 배기가스 스트림으로부터의 폐열은 캐소드(172)에 공급될 공기 스트림(120)을 가온시키기 위해 제2 열교환기(40)에 의해 사용된다.
애노드(174)에서, 애노드 배기가스 스트림(제1 배기가스 스트림)이 생성된다. 애노드 배기가스 스트림은 거의 이산화탄소, 물, 및 미반응된 수소 가스를 함유하는데, 이는 고체 산화물 연료 전지(174)로부터 운반되고, 개질기-전해조-정제기(REP) 공급 라인(130)(제1 배기가스 스트림의 제1 부분) 및 애노드 가스 산화기(AGO) 공급 라인(131)(제1 배기가스 스트림의 제2 부분)을 통해 흐르는 두 개의 스트림으로 분할된다. 도 1에 추가로 도시된 바와 같이, 애노드 배기가스 스트림의 적어도 일부(제1 배기가스 스트림의 제3 부분)는 연료 공급 라인(110)에 의해 공급된 연료 스트림과 혼합되도록 회수 라인(132)을 통해 흐른다. REP 공급 라인(130)으로의 애노드 배기가스 스트림 및 AGO 공급 라인(131)으로의 애노드 배기가스 스트림의 흐름 비율은, AGO(190)(하기에 기술됨)로부터의 배기 가스 중의 H2 및 O2의 양이 최소화되도록, 조절된다. 예를 들어, 특정 구현예에서, REP 공급 라인(130)에 공급된 애노드 배기가스 스트림의 일부는 REP(180)에 의해 배출된 배기가스 스트림(제2 배기가스 스트림)에서 생성된 산소의 양이 AGO 공급 라인(131)에 공급된 애노드 배기가스 스트림의 일부에 존재하는 수소, 일산화탄소, 및 메탄을 이산화탄소 및 물로 변환시켜, AGO(190)으로부터의 배기 가스(제3 배기가스 스트림)에 포집된 이산화탄소에 존재하는 불순물을 최소화하는 데 필요한 화학량론적 양과 대략 동일하거나, 동일하도록 조절된다. 또한, 도 1에 도시되어 있지 않지만, 일부 구현예에서, 추가적인 메탄은 전체 시스템에서 개선된 열 균형을 달성하기 위하여 별도의 산화기에서 공기와 함께 연소된다.
도 2는 REP(180)의 상세한 개략도를 도시한 것이다. REP(180)는 연료로부터 수소를 내부적으로 개질시키고 정제할 수 있으며, 이는 후에 전기의 생산을 위해 사용될 수 있다. REP 시스템의 일 예는 국제특허출원번호 PCT/US2015/013837호에서 더욱 상세히 기술되며, 이는 전문이 본원에 참고로 포함된다. 도 2에 도시된 구현예에서, REP(180)는 전해조 전지, 예를 들어, 용융 탄산염 전해 전지(MCEC)로서 구성된다. REP(180)는 REP 스택을 형성하기 위해 복수의 개별 셀을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, REP(180)는 일반적으로, 촉매 층(181a)을 포함하는 애노드(184), 전해질 층(183), 촉매 층(181b)을 포함하는 캐소드(182), 및 애노드(184)와 캐소드(182)에 전압을 인가하도록 구성된 전력 공급 장치(186)를 포함한다.
SOFC(170)로부터의 애노드 배기가스 스트림은 애노드 배기가스 라인(130)을 통해 애노드(184)로 공급된다. 애노드 배기가스 스트림은 거의 물, 수소 가스, 이산화탄소, 및 소량의 일산화탄소 및 메탄을 함유한다. 일부 구현예에서, 소량의 추가적인 메탄(미도시됨)이 시스템에서 요망되는 열 균형을 얻기 위하여 REP(180)에 공급된 배기가스 스트림에 첨가된다. 촉매 층(181a)에 의해 구동되는 내부 개질 반응 동안, 물은 메탄과 반응하여 수소 및 이산화탄소를 생성시킨다. 애노드 배기가스 스트림에 함유된 메탄이 SOFC(170)에서 일어난 개질 반응으로 인해 잔류 양으로 존재하기 때문에, 애노드 배기가스 스트림의 최소 개질이 요구된다. 또한, 내부 가스-이동 반응 동안에, 물은 일산화탄소와 반응하여 추가적인 수소 및 이산화탄소를 생성시킨다.
도 2에 추가로 도시된 바와 같이, 전해/CO2 펌프 반응 동안, 물, 이산화탄소, 및 전력 공급 장치(186)에 의해 공급된 전자는 반응하여, 수소, 탄산염 이온 CO3 =, 및 잔열을 생성시킨다. 잔열은 상술된 내부 개질 및 가스-이동 반응을 촉진시킨다. 애노드(184)에서 반응에 의해 생성된 수소는 전해질 층(183)을 가로질러 캐소드(182)로 흐르는 탄산염 이온으로서의 가스로부터 거의 모든 탄소의 전달에 의해 정제된다. 고순도 수소 가스는 수소 공급 라인(150)을 통해 REP(180)로부터 수소 공급 스트림(제4 배기가스 스트림)으로서 제거되며, 이는 이후에, 에너지 생산을 위한 연료 필요성을 감소시키기 위해 SOFC(170)로 다시 재순환되거나 별도의 생성물 스트림으로서 내보내고 저장될 수 있다. 일부 구현예에서, 애노드 배기가스 스트림은 적어도 90 부피%의 수소를 포함한다. 특정 구현예에서, 애노드 배기가스 스트림은 적어도 98 부피%의 수소를 포함한다.
상기에서 주지된 바와 같이, 전해/CO2 펌프 반응에 의해 생성된 탄산염 이온은 전해질 층(183)을 통해 애노드(184)에서 캐소드(182)로 전달된다. 캐소드(182)에서, 탄산염 이온은 산소, 이산화탄소, 및 전자를 생성하기 위해 분리한다. 이러한 전자는 전력 공급 장치(186)로 회로를 완성하고, 애노드(184)로 되돌아간다. 탄산염 이온으로부터 생성된 산소 및 이산화탄소는 REP 캐소드 배기가스 라인(135)을 통해 REP(180)로부터 제거된다. 이에 따라, 캐소드(182)에서 후속 반응과 함께 탄산염 이온의 전달은 애노드 배기가스 스트림으로부터 순수한 산소 가스와 함께 이산화탄소를 펌핑하는 효과를 갖는다.
도 1에 도시된 바와 같이, REP 캐소드 배기가스 라인(135)은 산소 및 이산화탄소를 함유한 REP 배기가스 스트림을 AGO(190)로 운반한다. 또한, 상술된 바와 같이, 이산화탄소, 수소 및 물을 함유한, SOFC(170)로부터의 애노드 배기가스 스트림의 일부는 또한, AGO 공급 라인(131)을 통해 AGO(190)에 공급된다. 여기에서, REP 캐소드 배기가스 스트림 내에 함유된 산소는 물과 함께 이산화탄소가 AGO 배기가스 스트림의 형태로 제거 라인(160)을 통해 시스템(100)으로부터 제거될 수 있도록 애노드 배기가스 스트림의 산화를 촉진시킨다. AGO 배기가스 스트림이 제거됨에 따라, 이는 먼저 제3 교환기(60)에 의해 냉각되고, 물이 AGO 배기가스 스트림으로부터 응축될 수 있도록 추가적인 냉각(미도시됨)으로 처리되며, 고도로 정제된 농도의 이산화탄소는 저장 목적을 위해 얻어질 수 있다. 일부 구현예에서, 이산화탄소는 적어도 95%의 농도로 제거될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른, 이산화탄소 포집 시스템(100)에 존재하는 다양한 가스 스트림의 조성을 나타낸 표이다. 각 컬럼 1 내지 6은 도 1에 도시된 포인트 1 내지 6에 존재하는 가스 스트림의 조성에 해당한다. 컬럼 1에 나타낸 바와 같이, SOFC(170)에 공급된 탄화수소 연료는 주로 메탄을 함유하며, 잔류양의 이산화탄소 및 물을 함유한다. SOFC(170)에서 전기 에너지를 생산한 후에, REP(180)로의 애노드 배기가스 스트림은 컬럼 3에 나타낸 바와 같이, 물 및 수소와 함께, 훨씬 더 많은 양의 이산화탄소를 함유한다. 표의 컬럼 4에 나타낸 바와 같이, 수소는 REP(180) 내의 반응으로 인하여 90 mol% 초과의 순도로 추출되어, SOFC(170)를 위한 고도로 유용한 공급물(feed supplies) 또는 추가적인 외부 에너지 시스템을 제공할 수 있다. 컬럼 5에 나타낸 바와 같이, AGO(190)로부터의 배기가스는 물 및 미량의 질소와 함께, REP(180)에 공급된 애노드 배기가스 스트림과 비교하여 보다 높은 농도의 이산화탄소(예를 들어, 적어도 44 mol%)를 함유한다. 이러한 포인트에서, 물은 컬럼 5a에 나타낸 바와 같이, 약 99 mol%의 고도로 정제된 형태의 건조 이산화탄소를 생성시키기 위해 AGO 배기가스 스트림으로부터 용이하게 응축될 수 있다. 또한, 컬럼 6에 나타낸 바와 같이, SOFC(170)의 캐소드(172)로부터 시스템(100)으로부터 배기된 배기가스는 거의 질소 가스, 및 소량의 이산화탄소(예를 들어, 1 mol% 미만)를 함유한다.
본원에 기술된 CO2 포집 시스템은 연료 전지, 특히, 고체 산화물 연료 전지에 의해 생성된 애노드 배기가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 고도로 효율적이고 비용-효과적인 방법을 제공한다. REP 형태의 전해조 전지를 도입함으로써, 애노드 배기가스 스트림으로부터 순수한 이산화탄소의 제거를 촉진하기 위해 요구되는 이산화탄소 및 산소 가스를 함유한 스트림이 생성될 수 있다. 또한, 이러한 공정의 부산물로서, 고가의 내보낼 수 있는 고순도 수소 스트림이 생성되어, 전체적으로 시스템의 에너지 생산량을 증가시키고, 이에 의해, 제거 시스템을 구동하기 위해 요구되는 대부분의 에너지를 상쇄한다. 이에 따라, 연료 전지 시스템은, 깨끗하고 신뢰성 있는 에너지가 공급되고 해로운 CO2 방출이 최소화되는 경우에 제공될 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "대략," "약," "실질적으로," 및 유사한 용어들은 본 개시내용의 대상과 관련된 당업자에 의해 일반적으로 허용되는 사용법과 조화하여 넓은 의미를 갖는 것으로 의도된다. 이러한 개시내용을 검토하는 당업자에 의해, 이러한 용어들이 제공된 정확한 수치 범위로 이러한 특징의 범위를 제한하지 않으면서 기술되고 청구된 특정 특징들의 설명을 가능하게 하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다. 이에 따라, 이러한 용어들은 기술되고 청구된 대상의 비실질적이거나 중요하지 않은 변형 또는 변경이 첨부된 청구범위에서 나열된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 여겨진다는 것을 나타내는 것으로 해석되어야 한다.
본원에서 사용되는 용어 "결합된(coupled)," "연결된(connected)," 등은 두 개의 부재를 서로 직접적으로 또는 간접적으로 연결(joining)시키는 것을 의미한다. 이러한 연결은 정지(예를 들어, 영구적)되거나 이동 가능(예를 들어, 제거 가능 또는 배출 가능)할 수 있다. 이러한 연결은 두 개의 부재로 달성될 수 있으며, 두 개의 부재 및 임의의 추가적인 중간 부재는 서로 또는 두 개의 부재와 함께 단일의 통합된 바디로서 일체형으로 형성되며, 두 개의 부재 및 임의의 추가적인 중간 부재는 서로 부착된다.
본원에서 구성요소의 위치에 대한 언급(예를 들어, "상부," "하부," "위," "아래," 등)은 단지 도면에서 다양한 구성요소의 방향을 기술하기 위해 사용된다. 다양한 구성요소의 방향이 다른 예시적인 구현예에 따라 다를 수 있으며, 이러한 변화가 본 개시내용에 의해 포함되는 것으로 의도된다는 것이 주지되어야 한다.
다양한 예시적인 구현예의 구성 및 배열이 단지 예시적인 것이라는 것을 주목하는 것이 중요하다. 단지 몇몇 구현예가 본 개시내용에서 상세히 기술되었지만, 본 개시내용을 검토하는 당업자는, 본원에 기술된 대상의 신규한 교시 및 장점으로부터 실질적으로 벗어나지 않으면서, 다수의 변형(예를 들어, 다양한 구성요소의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율의 변화, 파라미터의 값, 마운팅 배열, 물질의 사용, 칼라, 배향(orientation), 등)이 가능하다는 것을 용이하게 이해할 것이다. 예를 들어, 일체적으로 형성된 것으로 나타낸 구성요소는 다수의 부품 또는 구성요소로 구성될 수 있으며, 구성요소의 위치는 반전되거나 달리 변화될 수 있으며, 별개의 구성요소 또는 위치의 성질 또는 수는 변경되거나 달라질 수 있다. 임의의 공정 또는 방법 단계의 순서 또는 시퀀스(sequence)는 대안적인 구현예에 따라 변경되거나 재배열될 수 있다. 다른 치환, 수정, 변경 및 생략이 또한, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 예시적 구현예의 설계, 작동 조건 및 배열에서 이루어질 수 있다. 예를 들어, 열 회수 열교환기는 더욱 최적화될 수 있다.

Claims (15)

  1. 배기가스 스트림으로부터 이산화탄소를 포집하기 위한 이산화탄소 포집 시스템으로서,
    이산화탄소 및 물을 포함하는 제1 배기가스 스트림을 배출하도록 구성된 연료 전지;
    애노드 및 캐소드를 포함하는 전해조 전지로서, 상기 전해조 전지의 상기 애노드는 상기 제1 배기가스 스트림의 제1 부분을 수용하도록 구성되고, 상기 전해조 전지의 상기 캐소드는 산소 및 이산화탄소를 포함하는 제2 배기가스 스트림을 배출하도록 구성되는, 상기 전해조 전지; 및
    상기 제1 배기가스 스트림의 제2 부분 및 상기 전해조의 상기 캐소드로부터 상기 제2 배기가스 스트림을 수용하고, 물 및 이산화탄소를 포함하는 제3 배기가스 스트림을 배출하도록 구성된 가스 산화기를 포함하고,
    상기 전해조 전지에 공급된 상기 제1 배기가스 스트림의 상기 제1 부분이, 상기 제2 배기가스 스트림에 존재하는 상기 산소가 상기 제1 배기가스 스트림의 상기 제2 부분에 존재하는 수소, 일산화탄소, 및 메탄을 상기 제3 배기가스 스트림에 존재하는 이산화탄소 및 물로 변환시키는데 요구되는 화학량론적 양과 동일한 양으로 존재하는, 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지가 고체 산화물 연료 전지인, 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전해조 전지가 용융 탄산염 전해 전지(molten carbonate electrolysis cell)인, 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 배기가스 스트림이 수소 및 일산화탄소를 추가로 포함하는, 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지가 수소를 생성하기 위해 상기 연료 전지에 공급된 연료를 내부적으로 개질하도록 구성된, 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전해조 전지가 수소 가스를 포함하는 제4 배기가스 스트림을 배출하도록 추가로 구성된, 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제4 배기가스 스트림이 적어도 90 부피% 수소 가스를 포함하는, 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지가 애노드 및 캐소드를 포함하되, 상기 연료 전지의 상기 애노드가 연료를 수용하고 상기 제1 배기가스 스트림을 배출하도록 구성된, 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 연료 전지의 상기 애노드가 상기 제1 배기가스 스트림의 제3 부분을 수용하도록 추가로 구성된, 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 연료가 천연 가스인, 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 상기 연료 전지의 상기 캐소드가 공기 스트림을 수용하도록 구성된, 시스템.
  13. 삭제
  14. 제7항에 있어서, 상기 전해조 전지의 상기 애노드가 상기 제4 배기가스 스트림을 배출하도록 추가로 구성된, 시스템.
  15. 삭제
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