KR20170118802A - 파워 생산 가스 분리 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

파워 생산 시스템은 연도 가스 생성 조립체로부터 산출되는 연도 가스를 활용하도록 구성되며, 연도 가스는 이산화탄소 및 산소를 포함한다. 파워 생산 시스템은 애노드 부분 및 캐소드 부분을 포함하는 연료 전지로서, 상기 캐소드 부부은 상기 연도 가스 생성 조립체로부터 산출되는 상기 연도 가스를 함유하는 유입 옥시던트(inlet oxidant) 가스를 받도록 구성되는, 상기 연료 전지를 포함한다. 또한, 파워 생성 시스템은 상기 연료 전지의 상기 애노드 부분으로부터 산출되는 애노드 배기가스를 받도록 구성되는 가스 분리 조립체로서, 상기 애노드 배기가스 중의 이산화탄소를 액화시키도록 미리결정된 온도로 상기 애노드 배기가스를 냉각시키도록 구성되는 냉동기 조립체를 포함하는, 상기 가스 분리 조립체를 포함한다. 상기 연료 전지 및 상기 냉동기 조립체는 상기 연료 전지에서 생산되는 폐열이 상기 냉동기 조립체를 구동하기 위해서 활용되도록 구성된다.

Description

파워 생산 가스 분리 시스템 및 방법

관련 특허 출원에 대한 교차 참조

본원은 미국 특허 출원 번호 14/631,239(2015년 2월 25일 출원)에 대한 우선권 및 이의 이익을 청구하며, 명세서, 도면, 청구항 및 요약을 포함하는 이의 개시는 전체로 참조에 의해서 여기에 포함된다.

본원은 연료 전지 파워 생산 시스템에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로, 연료 전지 파워 생산 가스 분리 시스템 및 방법에 관한 것이다.

연료 전지는 연료에 저장된 화학 에너지를 전기화학적 반응을 통해서 전기 에너지로 직접적으로 변환시키는 장치이다. 일반적으로, 연료 전지는 전해질에 의해서 분리된 애노드 및 캐소드를 포함하며, 이 전해질은 전기적으로 전하를 띤 이온을 도전하는 역할을 한다. 용융 탄산염 연료 전지(MCFCs)는 애노드를 통해서 반응물 연료 가스를 통과시킴으로써 동작되는 한편, 산화 가스, 예를 들어 이산화탄소 및 산소가 캐소드를 통과된다.

연소-기반의 파워 플랜트는 석탁, 천연 가스, 바이오가스 및 합성가스를 포함하는 가연성 탄화수소 기반 연료를 연소시킴으로써 에너지를 생성한다. 연소 프로세스의 결과로서, 연소-기반 파워 플랜트는 연도 가스를 생성하며, 이 연도 가스가 종종 대기 배출물로서 제거된다. 그러나, 이러한 배출물은, 이들이 지구 기후 변화에 일조하는 이산화탄소를 포함하고 있기 때문에 환경에 해롭다.

따라서, 연소-기반 파워 플랜트로부터의 이산화탄소 방출을 제어하거나 제한하기 위해서 많은 접근법이 사용되고 있다. 그러나, 후-연소 연도 가스로부터 이산화탄소를 분리하는 것은 이산화탄소 포획 시스템의 적용의 결과로서 상당한 에너지 손실(파워 및/또는 열) 때문에 비용 효과적이지 않다.

일 시스템이 미국 특허 번호 5,232,793에서 개시되며, 이 시스템에서, 화석 연료 파워 플랜트의 연도 가스의 이산화탄소 배출은 파워 플랜트와 함께 탄산염 연료 전지를 사용함으로써 감소된다. 이 시스템에서, 연도 가스는 산화물 공급에 더해지고 그리고 이 결합된 가스는 용융 탄산염 연료 전지의 캐소드를 위한 공급 가스로서 사용된다. 다음으로 연료 전지에서 전기화학적 반응은 연료 전지의 캐소드로부터 애노드까지 전달되고 있는 공급 가스에서 이산화탄소로 귀결된다. 따라서 애노드 배기 가스는 이산화탄소 가스로 농축된다. 이것은 이산화탄소 가스가 연도 가스로부터 분리되는 것을 허여한다. '793 특허의 시스템은 외부 개질(externally reforming) 연료 전지 시스템을 사용한다. 이 시스템에서, 애노드 배기 가스는 임의의 양의 일산화 탄소, 메탄 및 물에 부가하여 실질적인 양의 수소를 여전히 갖는다. 물의 큰 부분은 응축될 수 있으나, '793 특허는 남은 수소, 메탄 및 일산화탄소를 애노드 배기가스로부터 분리하기 위한 비용 효과적인 방법을 제공하지 못한다. 수소, 일산화탄소 및 메탄을 제거함에 의한 애노드 배기가스 스트림의 정화가 이산화 탄소의 유용한 형태로의 전환 또는 격리 전에 요구된다.

통합된 파워 생산 시스템은 미국 특허 번호 7,396,603에 의해서 개시되며 여기서 화석 기반 연료를 처리하기 위한 화석 연료 파워 플랜트는 애노드 및 캐소드를 갖는 탄산염 연료 전지와 함께 협력하도록 배열된다. '603 특허의 시스템에서, 파워 플랜트의 연도 가스는 연료 전지의 캐소드 부분을 위한 유입 가스로서 기능한다. 또한, '603의 시스템은 내부 개질 탄산염 연료 전지를 사용하며, 이 전지는 애노드 배기가스 내의 메탄의 양을 무시할 수 있을 정도의 양으로 감소시킨다. 그러나, 연료 전지의 애노드 부분을 떠나는 애노드 배기 가스는 상당한 양의 수소, 일산화탄소 및 물 불순물을 포함한다. 애노드 배기가스는 이산화탄소 분리기를 사용하여 배기 가스 중의 이산화탄소의 정화 및 포획을 포함하는 프로세스를 겪는다. 그러나, '603 특허의 통합된 파워 생산 시스템은 연도 가스에 존재하는 열 및 유용한 가스를 회수하지 않고, 그리고 애노드 배기가스로부터 CO2 분리의 상세한 내용을 개시하지 않는다.

예시적인 실시형태에 따르면, 파워 생산 시스템은 연도 가스 생성 조립체로부터 산출(output)되는 연도 가스를 활용하도록 구성된다. 연도 가스는 이산화탄소 및 산소를 포함하고 그리고 파워 생산 시스템은 애노드 부분 및 캐소드 부분을 포함하는 연료 전지로서, 상기 캐소드 부분은 상기 연도 가스 생성 조립체로부터 산출되는 연도 가스를 함유하는 유입 옥시던트 가스를 수용하도록 구성되는, 상기 연료 전지; 및 연료 전지의 애노드 부분으로부터 산출되는 애노드 배기가스를 받도록 구성되고, 그리고 상기 애노드 배기가스 중의 이산화탄소를 액화시키도록 미리결정된 온도로 상기 애노드 배기가스를 냉각하도록 구성되는 냉동기 조립체를 포함하는 가스 분리 조립체를 포함한다. 상기 연료 전지 및 상기 냉동기 조립체는 상기 연료 전지에서 생산되는 폐열이 상기 냉동기 조립체를 구동하기 위해서 활용되도록 구성된다.

다른 예시적인 실시형태에 따르면, 파워 생산 시스템에서 사용을 위한 가스 분리 방법은 연도 가스 생성 조립체로부터 산출되는 연도 가스를 활용한다. 연도 가스는 이산화탄소 및 산소를 포함하고, 그리고 상기 방법은, 상기 연도 가스 생성 조립체로부터 산출되는 연도 가스를 받고 그리고 연료 전지의 캐소드 부분에 유입 옥시던트 가스로서 연도 가스를 제공하는 단계; 상기 캐소드 부분 및 애노드 부분을 갖는 연료 전지를 동작시키며, 애노드 배기가스가 상기 연료 전지의 동작 동안에 상기 연료 전지의 애노드 부분으로부터 산출되는 단계; 상기 애노드 배기가스 중의 이산화탄소를 액화시키도록 냉동기 조립체에서 미리결정된 온도로 상기 애노드 배기가스를 냉각함으로써 상기 애노드 배기가스 중의 잔존 연료 및 이산화탄소를 분리하는 단계; 및 상기 연료 전지를 동작시킴으로써 생성되는 폐열을 활용하여 상기 냉동기 조립체를 구동하는 단계를 포함한다.

다른 예시적인 실시형태에 따르면, 가스 분리 조립체는 연도 가스 생성 조립체와 통합된 연료 전지 시스템에서 사용을 위해 구성된다. 연료 전지 시스템은 애노드 부분 및 캐소드 부분을 포함하고, 여기서 캐소드 부분은 연도 가스 생성 조립체로부터 산출되는 연도 가스를 함유하는 유입 가스를 받도록 구성되고, 그리고 연도 가스는 이산화탄소 및 산소를 함유한다. 가스 분리 조립체는 애노드 배기가스를 받고 그리고 상기 애노드 배기가스 중의 이산화탄소를 액화시키도록 미리결정된 온도로 냉각시키도록 구성되는 냉동기 조립체; 및 상기 연료 전지에 의해서 생성되는 폐열을 회수하도록 구성되는 열 회수 조립체를 포함한다. 상기 열 회수 조립체 및 상기 냉동기 조립체는 상기 열 회수 조립체에 의해서 회수되는 상기 폐열이 활용되어 상기 냉동기 조립체를 구동하도록 구성된다.

도 1a는 연료 전지의 개략도를 도시한다.
도 1b는 예시적인 실시형태에 따른 통합된 파워 생산 시스템을 도시한다.
도 2는 파워 생산 가스 분리 및 격리 시스템의 다이어그램을 도시한다.
도 3은 파워 생산 시스템을 위한 가스 분리 방법의 흐름도를 도시한다.

본원은 통합된 파위 생산 시스템, 또는 화석 연료를 공급받는 장치, 파워 플랜트, 보일러 또는, 철강 산업에서 코크 오븐(coke oven) 및 시멘트 공장에서 가마(kiln)와 같은 임의의 타입의 연소기를 포함하는 설비 또는 시설과 통합될 수 있는 연료 전지 시스템에 관한 것이고, 그리고 가스의 효율적인 분리, 특히 연료 전지 배기가스에서 이산화탄소의 분리를 포함한다. 본원은 또한 연료 전지 배기가스로부터 고순도 이산화탄소의 분리를 개시하여 분리된 이산화탄소가 다른 산업에서 이용될 수도 있다.

예시적인 실시형태에 따르면, 파워 생산 시스템은, 화석 연료를 공급받는 설비, 시설 또는 장치와 통합되도록 그리고 화석 연료를 공급받는 설비, 시설 또는 장치로부터 산출되는 이산화탄소 및 산소를 함유하는 연도 가스를 사용하도록 제공되고 그리고 구성된다. 파워 생산 시스템은: 애노드 부분 및 캐소드 부분을 포함하는 연료 전지로서, 상기 연료 전지의 상기 캐소드 부분에 대한 유입 옥시던트 가스가 상기 연도 가스 생성 조립체로부터 산출되는 연도 가스를 함유하는, 상기 연료 전지; 및 상기 연료 전지의 애노드 부분으로부터 산출되는 애노드 배기가스를 받고, 그리고 상기 애노드 배기가스 중의 이산화탄소를 액화시키도록 미리결정된 온도로 상기 애노드 배기가스를 냉각하기 위한 냉동기 조립체를 포함하는 가스 분리 조립체를 포함한다. 어떤 실시형태에서, 상기 연료 전지의 상기 캐소드 부분에 공급되는 상기 유입 옥시던트 가스는 화석 연료를 공급받는 설비, 시설 또는 장치에 의해서 산출되는 연도 가스의 전부 또는 부분을 배타적으로 함유한다. 어떤 실시형태에서, 냉동기 조립체는 하나 이상의 흡수 냉동기를 포함하는 한편, 다른 실시형태에서, 냉동기 조립체는 하나 이상의 흡착 냉동기를 포함한다. 상기 가스 분리 조립체는 상기 연료 전지의 상기 캐소드 부분에 의해서 산출되는 캐소드 배기가스로부터 폐열을 회수하고 그리고 상기 회수된 폐열의 적어도 일부분을 상기 냉동기 조립체를 구동하기 위해서 활용한다.

어떤 실시형태에서, 상기 가스 분리 조립체는 상기 애노드 배기가스로부터 물을 분리하기 위한 그리고 물-분리된 애노드 배기가스를 산출하기 위한 물 제거 조립체를 더 포함하고, 그리고 냉동기 조립체는 물-분리된 애노드 배기가스를 받는다. 상기 가스 분리 조립체는 상기 물-분리된 애노드 배기가스가 상기 냉동기 조립체에 전달되기 전에 상기 물 제거 조립체로부터 산출되는 상기 물-분리된 애노드 배기가스를 압축하기 위한 압축기를 더 포함한다. 어떤 실시형태에서, 압축기는 상기 애노드 배기가스를 적어도 200 psi로 압축하고 그리고 상기 냉동기 조립체는 약 -40℃ 또는 이보다 높은 온도로 상기 애노드 배기가스를 냉각한다. 상기 압축기의 압력이 더 높을수록 채용될 냉동기의 온도는 더 따뜻해진다. 디자인 포인트는 더 큰 듀티(duty)를 갖는 더 차가운 냉동기와 더 높은 기생 파워 소비를 갖는 압축기 사이의 트레이드 오프 연구의 결과이다. 또한, 가스 분리 조립체는, 냉동기 조립체로부터 냉각된 애노드 배기가스를 받고 그리고 상기 냉각된 애노드 배기가스 중의 잔존 연료 가스로부터 액화된 이산화탄소를 분리하기 위한 가스 분리 장치를 더 포함한다. 어떤 실시형태에서, 상기 가스 분리 조립체는, 상기 애노드 배기가스가 상기 물 제거 조립체에 전달되기 전에 상기 애노드 배기가스 중의 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키도록 구성되는 쉬프트 반응기(shift reactor)를 더 포함한다.

어떤 실시형태에서, 상기 파워 생산 시스템은 또한, 상기 가스 분리 장치에 의해서 분리되는 잔존 연료 가스 및 화석 연료를 공급받는 설비, 시설 또는 장치에 의해서 산출되는 연도 가스를 받는 산화기를 포함하며, 상기 산화기는 가열된 연도 가스를 상기 연료 전지의 상기 캐소드 부분에 산출한다. 상기 파워 생산 시스템은 또한, 화석 연료를 공급받는 설비, 시설 또는 장치에 의해서 산출되는 연도 가스 및 상기 애노드 부분에 입력될 연료 가스 중 적어도 하나를 가열하기 위해 캐소드 배기가스 중의 폐열을 활용하기 위한 적어도 하나의 열 교환기를 포함한다. 어떤 실시형태에서, 연료 전지는 내부 개질 용융 탄산염 연료 전지(MCFC)인 한편, 다른 실시형태에서 연료 전지는 외부 개질 MCFC이다.

파워 생산 시스템에서 사용을 위한 그리고 화석 연료를 공급받는 설비, 시설 또는 장치로부터 산출되는 이산화탄소 및 산소를 함유하는 연도 가스를 활용하는 가스 분리 방법이 또한 설명된다. 또한, 화석 연료를 공급받는 설비, 시설 또는 장치 및 상술된 파워 생산 시스템을 포함하는 통합된 파워 생산 시스템이 또한 제공된다. 또한, 화석 연료를 공급받는 설비, 시설 또는 장치와 통합된 연료 전지 시스템에서 사용을 위한 가스 분리 조립체가 또한 설명된다.

도 1a는 연료 전지(1)의 개략도를 도시한다. 연료 전지(1)는 전해질 매트릭스(2), 애노드(3) 및 캐소드(4)를 포함한다. 애노드(3) 및 캐소드(4)는 매트릭스(2)에 의해서 서로 분리된다. 연소 배기가스 공급 유닛으로부터의 연도 가스가 옥시던트 가스로서 캐소드(4)에 공급된다. 연료 전지(1)에 있어서, 연료 가스 및 옥시던트 가스는 전해질 매트릭스(2)의 미세공에 존재하는 탄산염 전해질의 존재로 전기화학적 반응을 겪는다. 아래에 개시되는 도해적인 시스템에 있어서, 연료 전지(1)는, 복수의 개별 연료 전지(1)가 적층되고 직렬로 연결되는 연료 전지 적층 조립체를 포함한다.

도 1b는 연도 가스 생성 조립체(6)로 구성되는 통합된 파워 생산 시스템(1)을 도시하며, 연도 가스 생성 조립체는, 하나 이상의 화석 연료를 공급받는 시설, 설비 또는 장치, 보일러, 연소기, 시멘트 공장의 가마 및 노(이하, "화석 연료를 공급받는 시설, 설비 또는 장치"), 및, 예시적인 실시형태에 따른 탄산염 연료 전지 조립체(10) 및 가스 분리 조립체(25)를 포함하는 파워 생산 가스 분리 및 이산화탄소의 격리를 위한 포획 시스템(200)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 탄산염 연료 전지 조립체(10)는 캐소드 부분(12) 및 애노드 부분(14)을 포함하고, 그리고 본 도해적인 실시형태에서, 연료 전지 조립체(10)는 내부 개질형 또는 직접 용융 탄산염 연료 조립체이며, 여기서 애노드를 위한 연료는 조립체에서 내부적으로 개질된다. 다른 도해적인 실시형태에서, 외부 개질형 탄산염 연료 전지 조립체는 또한, 개질제가 연료 전지 애노드 부분에 대한 전달 전에 연료를 개질하기 위해서 사용될 수도 있는 경우에 또한 채용될 수 있다.

도시되는 바와 같이, 화석 연료를 공급받는 시설, 설비 또는 장치(6) 및 파워 생산 가스 분리 및 격리 시스템(200)의 연료 전지 조립체(10)는, 조립체의 캐소드 부분(12)이 화석 연료를 공급받는 시설, 설비 또는 장치로부터 연도 가스를 공급받도록 나란히 배열된다. 도 1b에 도시된 실시형태에서, 캐소드 부분(12)은 화석 연료를 공급받는 설비, 시설 또는 장치로부터 연도 배기 가스를 배타적으로 공급받는다. 특히, 석탄, 천연 가스 또는 다른 탄화수소 연료와 같은 화석 연료는, 공기 공급부(4)로부터 전달되는 공기와 함께 화석 연료 공급부(2)로부터 화석 연료를 공급받는 설비, 시설 또는 장치(6)에 전달된다. 화석 연료 및 공기는 화석 연료를 공급받는 설비, 시설 또는 장치(6)에서 연소 반응을 겪으면서 파워를 생산하고 그리고 산출되는 연도 가스 배기가스로 귀결된다. 연도 가스 배기가스는 전형적으로 대략 3-15%의 이산화탄소, 10-20%의 물 및 5-15%의 산소를 포함하고, 잔부 질소를 갖는다. 이 성분의 정확한 양은 화석 연료의 타입 및 공기 공급부(4)로부터의 공기의 양에 의존할 것이다. 산소 함량은 공기 공급부(4)를 조절함으로써 또는, 연도 가스(8)에 연료 전지 캐소드 부분(12)으로 들어가기 전에 보조 공기(7)를 첨가함에 의해서 변경될 수 있다. 보조 공기의 목적은, 연료 전지 동작을 위해서 요구되는 연도 가스(8)에서 충분한 산소가 없는 경우에, 결합된 스트림(9)의 산소 부분을 증가시키는 것이다.

도시되는 바와 같이, 라인(9)은, 캐소드 유입구에 대한 옥시던트 가스 공급이 연도 가스 배기가스를 포함하도록 캐소드 부분(12)의 유입구(12A)에 연도 배기 가스의 일부 또는 전부를 연결시킨다. 도시되는 실시형태에서, 가능한 보조 공기 스트림과 함께 연도 가스는 유입구(12A)에 대한 배타적인 옥시던트 가스 공급이다. 동시에, 석탄 가스, 천연 가스 또는 다른 수소-함유 연료와 같은 공급부(16)로부터의 연료가 애노드 부분(14)의 유입구(14A)에 라인(15)를 거쳐서 전달된다. 연료 전지 조립체(10)에서, 연도 가스 배기가스를 포함하는 캐소드 부분(12)의 옥시던트 가스 및 애노드 부분(14)의 개질된 수소는 전기화학적 반응을 겪어 파워 산출을 생산한다. 또한, 이 전기화학적 반응은 캐소드 부분으로부터 연료 전지의 애노드 부분으로 전달되고 있는 연도 가스에서 이산화탄소의 실질적인 부분(대략 65 내지 85% 이상)으로 귀결된다. 좀 더 구체적으로, 연도 가스의 이산화탄소 및 산소는 연료 전지의 캐소드 부분(12)에서 반응하여 탄산염 이온을 생산하며, 이 이온은 연료 전지 전해질을 통해서 전지의 애노드 부분(14)으로 운반된다. 애노드 부분(14)에서, 탄산염 이온은 연료로부터의 수소에 의해서 환원되어 물 및 이산화탄소를 생산한다. 최종적 결과는 캐소드 부분으로부터 애노드 부분으로 연도 가스의 이산화탄소의 실질적인 부분의 위에서 언급된 전달이다. 연료 전지(10)의 애노드 격실의 유출구(14B)에서 애노드 배기 가스는, 따라서 이산화탄소의 농도가 높아, CO₂ 격리 시스템을 사용하여 이산화탄소 가스가 더욱 용이하게 그리고 효율적으로 포집되고 격리되는 것을 허여한다.

도 1b에 도시된 실시형태에서, 이산화탄소가 저감된 연도 가스는 라인(18)을 거쳐 캐소드 유출구(12B)를 통해서 캐소드 부분(12)을 떠나고, 미반응된 수소, 일산화탄소, 수증기 및 미량의 다른 가스뿐만 아니라 대부분 이산화탄소를 함유하는 애노드 배기 가스는 애노드 유출구(14B)를 떠나고 라인(20)에 의해서 가스 분리 조립체(25)로 전달된다. 도 1b에 도시되는 바와 같이 그리고 아래에서 그리고 도 2에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 가스 분리 조립체(25)는 애노드 배기가스로부터 물을 회수하기 위한 적어도 물 회수 조립체(21) 및 남은 애노드 배기가스로부터 이산화탄소를 분리하기 위한 이산화탄소 분리 조립체(22)를 포함한다. 이산화탄소 분리 조립체(22)는 도 2에 대해서 아래에 더욱 상세히 설명된다. 또한, 캐소드 가스는 높은 온도에서 연료 전지를 떠나기 때문에, 이 스트림으로부터 현열의 전부 또는 일부가 하나 이상의 열 회수 유닛(17)에 의해서 회수되고, 그리고 연료 전지 조립체(10) 안으로 들어오는 가스를 선-가열하기 위해서 사용될 수도 있다. 어떤 실시형태에서, 열은 가스 분리 조립체(25)로 전달되기 전에 연료 전지 애노드 부분을 나가는 애노드 배기 가스로부터 회수될 수도 있다.

도 2는 예시적인 실시형태에 따른 파워 생산 가스 분리 및 격리 시스템(200)을 좀 더 구체적으로 도시한다. 시스템(200)은, 연소-기반 파워 플랜트, 화석 연료를 공급받는 설비, 시설 또는 장치 등에서, 예를 들어, 석탄, 천연 가스, 바이오가스, 합성가스 및, 에탄올과 같은 다른 탄화수소 연료를 포함하는 가연성 탄화수소의 연료로부터 생산되고, 주로 이산화탄소, 물, 산소 및 질소를 함유하는 연도 가스를 연소 배기가스 공급부(205)로부터 받는다. 연소 배기가스 공급부(205)는 가스 스트림 도관(210a)를 통해서 미량 오염물질/공해물질 가스 제거 디바이스(215)에 연도 가스 배기가스를 공급한다. 미량 오염물질/공해물질 가스 제거 디바이스(215)는 유황 산화물 가스, 예를 들어, SO₂, 수은, 미립자, 및 질소 산화물 가스(NOx)을 포함하는 연소 부산물을 제거한다. 도 2에 도시된 도해적인 실시형태에 있어서, 부산물 가스 제거 장치(215)는 깨끗해진 연도 가스를 가스 스트림 도관(210b)를 통해서 연도 가스 블로어(220)에 산출한다. 연도 가스 블로어(220)는, 연도 가스가 시스템(200)을 통해서 가압되도록 깨끗해진 연도 가스의 압력을 증가시킨다.

도시된 도해적인 실시형태에서, 연도 가스 블로어(220)는 제1 열 교환기(225)에 연도 가스를 산출하며, 이 열 교환기는 연도 가스를 대략 500℃ 내지 650℃의 온도로 가열하도록 구성된다. 연도 가스가 고온인 경우에, 만약 필요하면, 제1 열 교환기(225)는 또한 연도 가스로부터 열을 제거하고 그리고 이 열을 열 회수를 위해 전향시킨다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 열 교환기(225)는 가스 스트림 도관(210b)을 통해서 연소 배기가스 공급부(205)로부터 세정된 연도 가스를 받고, 그리고 또한 연료 전지(235)의 캐소드 측(236)으로부터 산출되는 캐소드 배기가스를 받는다. 연도 가스가 소정 온도로 제1 열 교환기(225)에서 가열된 후, 가열된 연도 가스는 산화기(230)를 포함하는 산화기 조립체에 산출된다. 산화기(230)는 또한 연료를 함유하는 가스, 예를 들어 애노드 배기가스의 일 부분 또는 여기서 후술되는 가스 분리 장치(275)에서 애노드 배기가스로부터 분리되는 잔존 연료의 전부 또는 일부를 받는다. 산화기(230)에서, 연료 함유 가스는 연도 가스의 존재에서 산화되어 연도 가스를 더욱 가열한다. 산화기(230)는 연료 전지(235)에 가스 스트림 도관(210c)을 통해서 더욱 가열된 연도 가스를 산출한다.

연료 전지(235)는 캐소드 부분(236) 및 애노드 부분(237)을 포함한다. 상술된 바와 같이, 도 2의 도해적인 실시형태에서, 연료 전지(235)는 내부 개질 용융 탄산염 연료 전지(MCFC)이다. 그러나, 다른 실시형태에서, 연료 전지는 외부 개질 연료 전지일 수도 있거나, 또는 외부 및 내부 개질 모두를 사용할 수도 있으며, 이 경우에 외부 개질제(reformer)는 또한, 애노드 부분(237)에 전달되기 전에 연료를 개질하도록 제공된다. 캐소드 부분(236)은 가스 스트림 도관(210a-c)를 통해서 연소 배기가스 공급부(205)에 연결되고, 그리고, 연도 가스가 부산물 가스 제거 장치(215)에서 프로세스되고 그리고 제1 열 교환기(225) 및 산화기(230)에서 가열된 후에 가스 스트림 도관(210b-c)을 통해서 연소 배기가스 공급부(205)로부터 연도 가스를 받는다. 본 도해적인 실시형태에서, 캐소드 부분(236)은 연소 배기가스 공급부(205)로부터 제공되는 연도 가스, 또는 처리된 연도 가스를 배타적으로 받는다. 그러나, 다른 실시형태에서, 연도 가스 또는 처리된 연도 가스는 다른 소스로부터의 공기 또는 옥시던트 가스와 혼합될 수도 있다.

연료 전지에서 전기화학적 반응을 겪을 후, 캐소드 부분(236)은 가스 스트림 도관(212)을 통해서 제2 열 교환기(240)에 캐소드 배기가스를 산출하며, 이 열 교환기는 또한 연료, 예를 들어, 연료 공급 도관(242)을 통해서 연료 공급부(241)로부터 천연 가스를 받는다. 도 2의 도해적인 실시형태에서, 천연 가스는 연료로서 사용되나, 그러나 연료의 소스는, 석탄-유도 합성가스, 혐기성 소화조(anaerobic digester), 그리고 재생가능한 연료, 예를 들어 에탄올 또는 수소를 포함하나 이에 한정되지 않는 다늘 타입의 연료일 수도 있다. 또한 다른 실시형태에서, 연도 가스는, 연료 전지에서 사용 전에, 연료 전지-유해성 오염물질, 예를 들어 황-함유 종으로부터 깨끗해질 필요가 있을 수도 있다. 제2 열 교환기(240)에서, 수신된 연료가 캐소드 배기가스로부터의 폐열을 사용하여 대략 450℃ 내지 650℃의 온도로 가열되고, 그리고 가열된 연료는 다음으로 제2 열 교환기(240)로부터 연료 전지(235)의 애노드 부분(237)으로 전달된다. 제2 열교환기는 또한 냉각된 캐소드 배기가스를 산출하며, 이 배기가스는 다음으로 제1 열 교환기(225)를 통해서 전달되어 깨끗해진 연도 가스를 선-가열한다.

도 2에 도시되는 바와 같이, 애노드 부분(237)은 선-가열된 연료를 받으며, 이 연료는 전형적으로 도관(252)를 통해서 물을 첨가함으로써 가습되고, 그리고 가스가 연료 전지(235)에서 전기화학적 반응을 겪은 후, 애노드 부분(237)은 도관(214)을 통해서 가스 분리 조립체(25)에 애노드 배기가스를 산출한다. 도 2의 실시형태에서, 가스 분리 조립체(25)는 쉬프트 반응기(245), 물 제거 조립체(250), 압축기(260) 및 이산화탄소 분리 조립체(22)를 포함하며, 이산화탄소 분리 조립체는 연료 전지(235)의 폐열에 의해서 구동되는 냉동기 조립체(265) 및 플래시 드럼(flash drum; 275) 또는 다른 적합한 가스-액체 분리 장치를 포함한다.

도 2의 시스템에서, 쉬프트 반응기(245)는 다음 반응에 따라서, 애노드 배기가스에 존재하는 실질적으로 모든 일산화탄소를 이산화탄소로 전환한다:

CO + H₂O -> CO₂ + H₂

그래서 쉬프트 반응기(245)로부터 산출되는 애노드 배기가스는 실질적으로 이산화탄소, 수소 및 물을 포함한다. 쉬프트 반응기(245)로부터 산출되는 애노드 배기가스는 다음으로 물 제거 조립체(250)에 이송되며, 물 제거 조립체는 응축기 등을 포함하며, 여기서 애노드 배기가스에 존재하는 물이 나머지 가스, 예를 들어 이산화탄소 및 수소로부터 응축을 통해서 분리된다. 물 제거 조립체(250)는 물 제거 도관(251)을 통해서 응축된 물을 산출하며, 이 물 제거 도관으로부터 응축된 물이 시스템(200)에 다시 리사이클되거나 또는 시스템(200) 외부에서의 사용을 위해 생성수 수집기(255)에 산출되고 그리고/또는 시스템에 다시 리사이클된다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 응축된 물의 전부 또는 일부는 물 리사이클링 도관(252)을 통해서 물을 연료 공급 도관(242)으로 경로 지음으로써 리사이클될 수도 있다. 또한 도시된 바와 같이, 응축된 물의 나머지 부분은 시스템(200)으로부터 산출되거나 또는 생성수 수집기(255)에 수집되고 그리고 필요할 때 시스템(200)에 다시 리사이클될 수도 있다.

응축기 조립체(250)는 물-분리된 애노드 배기가스를 가스 스트림 도관(216)을 통해서 압축기(260)에 산출하며, 압축기는 애노드 배기가스를 약 200 평방 인치당 파운드(psi) 이상의 압력으로 압축한다. 상기 압축기의 압력이 더 높을 수록 냉동기에 의해서 제공될 수 있는 온도가 더 높아진다. 디자인 포인트는 더 큰 냉각 냉동기와 더 많은 냉각 냉동기 또는 더 높은 압축 파워 소비 사이의 트레이드-오프(trade-off)이다. 압축기(260)는 압축된 애노드 배기가스를 냉동기 조립체(265)에 산출한다. 냉동기 조립체(265)는, 애노드 배기가스 내의 개별 가스의 분리를 유발하도록 압축된 물-분리된 애노드 배기가스의 냉각을 구동하기 위해 열을 사용하는 하나 이상의 장치를 포함한다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 냉동기 조립체(265)는 하나 이상의 흡수 냉동기, 즉 하나 이상의 흡수 냉각장치를 포함한다. 어떤 실시형태에서, 직렬로 연결된 복수의 흡수 냉동기 조립체가 사용될 수도 있으며, 여기서 흡수 냉동기 각각은 압축된 물-분리된 애노드 배기가스의 전부 또는 일부를 압축기(260)로부터 받는다. 다른 실시형태에서, 하나 이상의 흡착(adsorption) 냉동기가 흡수(absorption) 냉동기 대신에 사용될 수 있다.

냉동기 조립체(265)에서, 물-분리된 압축된 애노드 배기가스는 압축된 상태를 유지하면서 미리결정된 온도로 냉각된다. 특히, 애노드 배기가스는, 가스의 높은 압력, 즉 약 200 psi 이상을 유지하면서 약 -40℃ 또는 더 따뜻한 온도로 냉각된다. 이 온도와 압력에서, 애노드 배기가스에 존재하는 이산화탄소는 액화되어 애노드 배기 가스에 존재하는 다른 가스, 예를 들어 잔존 수소 연료로부터 이산화탄소의 분리를 유발한다. 냉동기 조립체(265)는 연료 전지(237)에 의해서 생성되고 열 회수 조립체(270)에서 연료 전지 배기가스로부터 회수되는 폐열을 활용한다. 구체적으로, 캐소드 배기가스는, 제2 열 교환기(240)를 통해서 그리고 제1 열 교환기(225)를 통과한 후 도관(266)을 거쳐서 열 회수 조립체(270)에 전달된다. 열 회수 조립체(270)는 캐소드 배기가스로부터 남아있는 폐열을 회수하고 그리고 회수된 폐열을 사용하여 냉동기 조립체(265)를 구동한다. 열 회수 조립체(270)을 통해서 전달된 후, 캐소드 배기가스는 시스템(200)으로부터 제거되고 그리고 배기가스 도관(271)을 통해서 시스템 배기가스 덕트(280)에 의해서 대기에 배출된다.

냉동기 조립체(265)는 냉각된 애노드 배기가스를 가스-액화 분리 장치(275)에 산출하며, 여기서 이산화탄소는, 잔존 연료가 가스 상태인 채로 액화된다. 또한 플래시 드럼으로 불리는 가스 분리 장치(275)는 잔존 연료 가스로부터 액화된 이산화탄소를 분리하고 분리된 거의 순수한 그리고 액화된 이산화탄소를 격리 조립체(280), 예를 들어 지하 저장소에 산출하는 탱크이다. 펌프(281) 등은 분리되고 액화된 순수 이산화탄소의 가스 분리 장치(275)로부터의 유동이 더 용이하도록 하기 위해서 사용될 수도 있다. 예를 들어, 펌프(281)는 이산화탄소를 초임계 상태로 변형하여 격리 장소(280)로의 장거리 이송을 용이하게 하도록 하기 위해서, 액화된 이산화탄소 압력을 2200 psi 초과로 증가시키기 위해서 활용될 수도 있다. 어떤 실시형태에서, 분리된 이산화탄소는 다른 프로세스 및 응용, 예를 들어 석유 회수 증진법(Enhanced Oil Recovery)(EOR), 화학물질의 생산에 의해서 활용되고, 그리고 식품 산업에서 사용된다. 가스 분리 조립체(275)는 또한 분리된 잔존 연료 가스, 예를 들어, 수소를 연료 가스 리사이클링 도관(276)을 통해서 산출한다. 도 2의 도해적인 실시형태에서, 연료 가스 리사이클링 도관(276)은 산화기 유닛(230)에 연결되어 분리된 잔존 연료 산출이 가스 분리 장치(275)로부터 산화기 유닛(230)으로 연도 가스의 선-가열을 위해서 산출된다. 다른 실시형태에서, 분리된 잔존 연료 가스는, 시스템(200) 내에 수용되지 않은 다른 연료 전지, 연소 터빈 및 정유공장을 포함하나 이에 한정되지 않는 다른 프로세스에서 합성가스 부산물로서 활용될 수도 있다.

도 2에 도시되는 시스템의 동작은 도 3에 도해되며, 도 3은 도 2의 파워 생산 가스 분리 및 격리 시스템을 사용하는 가스 분리 방법의 흐름도를 도시한다. 도 3의 단계(305)에서, 연소-기반 파워 플랜트에 의해서 생성되고 그리고 이산화탄소, 물, 산소 및 질소를 포함하는 연도 가스는 시스템에 공급되고, 그리고 유황 산화물 및 다른 미량 종을 제거하도록 프로세스될 수도 있다. 단계(310)에서, 단계(305)에서 공급되고 프로세스된 연도 가스는 연료 전지 캐소드 배기가스로부터의 폐열을 사용하여 그리고/또는 산화기에서 연료를 산화시킴으로써 가열된다. 도 2를 참조하여 위헤서 논의된 바와 같이, 산화기에 제공되는 연료는 연료 전지 애노드 배기가스로부터 분리된 수소 연료일 수도 있다. 단계(315)에서, 선-가열된 연도 가스는 연료 전지의 캐소드 부분에 제공되며, 여기서 연도 가스가 수소 연료와의 전기화학적 반응에 사용된다. 단계(320)에서, 사용된 연료, 이산화탄소, 물 및 일산화탄소를 포함하는 애노드 배기가스는 연료 전지의 애노드 부분으로부터 산출되고, 그리고 쉬프트 반응기에서 프로세스되어 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키고 그리고 물 제거 조립체를 사용하여 애노드 배기가스로부터 물을 제거한다. 단계(325)에서, 단계(320)에서 생산된 물-분리된 애노드 배기가스는 이산화탄소 분리 조립체에 제공되며, 여기서 애노드 배기가스는 미리결정된 압력, 예를 들어 200 psi 이상의 압력으로 압축된다. 다음 단계(330)에서, 압축된 애노드 배기가스는 냉동기 조립체에서 미리결정된 온도로 냉동되거나 냉각되어, 잔존 연료(수소)를 가스 상태로 유지하면서 이산화탄소가 액화되도록 한다. 위에서 논의된 바와 같이, 미리결정된 온도는 -40℃ 이상이며 압축기 유출구 압력에 의존된다. 단계(330)에서, 연료 전지에 의해서 생산되는 폐열은 캐소드 배기가스로부터 회수되고 그리고 냉동기 조립체에서 냉각/냉동 작동을 구동하기 위해서 활용된다. 단계(335)에서, 액화된 이산화탄소는 가스 분리 장치에서 잔존 연료 가스로부터 분리된다. 단계(335)에서 가스 분리에 의해서 분리된 이산화탄소는 실질적으로 순수하고, 그리고 적어도 90% 그리고 바람직하게는 99% 이상의 순도를 갖는다. 고순도의 분리된 이산화탄소는 이송, 격리 및/또는 다른 산업, 예를 들어 석유 회수 증진법(EOR)에 의한 사용에 적합하다. 최종적으로, 단계(340)에서, 단계(335)에서 애노드 배기가스로부터 분리된 잔존 연료는 산화기에 제공되며 여기서 이 잔존 연료가 산화되고 그리고 들어오는 연도 가스를 선-가열하기 위해서 사용된다. 잔존 연료 또는 이것의 일부는 가스 분리 시스템 외부의 다른 프로세스, 예를 들어 보일러, 연소 터빈 또는 정유 공장에서 합성가스로서 사용될 수도 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 시스템 및 방법은 연료 전지 시스템에서 연도 가스의 효율적인 사용 및 애노드 배기가스로부터 잔존 연료 및 고순도 이산화탄소의 분리를 위해서 제공된다. 특히, 애노드 배기가스 중 잔존 연료로부터 이산화탄소의 분리는, 이산화탄소가 액화되고 그리고 잔존 연료로부터 용이하게 분리되는 온도로 애노드 배기가스를 냉각하는 흡수 냉동기의 사용에 의해서 달성된다. 흡수 냉동기는 상업적으로 이용가능한 장치이며, 이 장치는 연료 전지 시스템과 사용되도록 구성될 수 있어, 제조 효율로 귀결된다. 또한, 상술된 바와 같이, 흡수 냉동기는 연료 전지 시스템에 의해서 생산되는 폐열을 활용하여, 전체 시스템의 동작 효율을 향상시키는 한편, 또한 격리 및 다른 산업에서 사용에 적합한 고순도 이산화탄소을 얻는다.

여기서 활용될 때, 용어 "대략", "약", "실질적으로" 및 유사한 용어는, 이 개시이 주제가 관련된 기술 분야의 일반적인 기술자에 의한 공통된 그리고 수용되는 용례와 조화롭게 넓은 의미를 갖는 것을 의도한다. 이 용어가, 어떤 특징의 설명이 제공되는 정확한 수치적 영역에 대해 이 특징의 범위를 한정하지 않으면서 설명되고 청구되는 것을 허여하는 것을 의도하는 점이 이 개시를 리뷰하는 당업자에 의해서 이해되어야 한다. 따라서, 이 용어는 설명되고 청구되는 주제의 비실질적이거나 또는 중요하지 않은 수정 또는 변경이 첨부된 청구항에 기재되는 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다는 점을 나타내는 것으로서 해석되어야 한다.

용어 "결합되는", "연결되는" 등은, 여기서 사용될 때, 2개의 부재가 직접적으로 또는 간접적으로 서로 이어지는 것을 의미한다. 이러한 이어짐은 고정적(예를 들어, 영구적) 또는 이동가능(예를 들어, 제거가능 또는 해제가능)할 수도 있다. 이러한 이어짐은 2개의 부재 또는 2개의 부재 및 서로 단일의 일체로서 통합적으로 형성되는 임의의 추가적인 중간 부재들 또는 2개의 부재 또는 2개의 부재 및 서로 부착된 임의의 추가적인 중간 부재들로 달성될 수도 있다.

구성요소의 위치(예를 들어, "상측", "바닥", "위", "아래" 등)에 대한 여기서의 기준은 단지 도면에서 다양한 구성요소의 배향을 설명하기 위해서 사용된다. 다양한 구성요소의 배향이 다른 예시적인 실시형태에 따라 상이할 수도 있고 그리고 이러한 변형이 본 개시에 의해서 포함되도록 의도된다는 점이 주의된다.

다양한 예시적인 실시형태의 구성요소의 구성 및 배열은 단지 도해적이다. 비록 본 개시의 몇 몇 실시형태가 상세히 설명되었으나, 이 개시를 리뷰하는 당업자는, 많은 변경이 기재된 주제의 신규한 교시 및 장점으로부터 실질적으로 벗어나지 않으면서 가능하다(예를 들어, 사이즈, 치수, 구조, 형상 및 다양한 요소의 비율, 변수의 값, 장착 배열, 재료, 색깔, 배향 등에서의 변형)는 점을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들어, 일체적으로 형성되는 것으로 도시되는 구성요소가 복수의 부품 또는 구성요소로 구성될 수도 있고, 구성요소의 위치가 역으로 되거나 또는 달리 변경될 수도 있고, 그리고 명확한 구성요소의 개수 또는 성질 또는 위치가 변경되거나 변할 수도 있다.

추가적으로, 단어"예시적인"은 예, 보기 또는 도해로서 기능하는 것을 의미하기 위해서 사용된다. "예시적"으로 여기서 설명되는 임의의 실시형태 또는 구성이 반드시 다른 실시형태 또는 구성에 비해서 바람직하거나 또는 유리한 것으로 해석될 필요는 없다(그리고 이러한 용어는 이러한 실시형태가 반드시 놀랍거나 최상의 실시예라는 점을 함축하는 것을 의도하지 않는다. 차라리, 단어 "예시적"의 사용은 구체적인 방식으로 개념을 제공하려는 의도이다. 따라서, 모든 이러한 변경은 본 개시의 범위 내에 포함되는 것이 의도된다. 다른 치환, 변경, 변형 및 생략이 바람직한 그리고 다른 예시적인 실시형태의 구성, 동작 조건 및 배열체에서 첨부된 청구항의 범위로부터 벗어나지 않으면서 만들어질 수도 있다.

또한 다른 치환, 변경, 변형 및 생략이 다양한 다른 예시적인 실시형태의 구성, 동작 조건 및 배열체에서 첨부된 청구항의 범위로부터 벗어나지 않으면서 만들어질 수도 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서 개시된 임의의 구성요소는 여기서 개시되는 임의의 다른 실시형태와 함께 포함되거나 활용될 수도 있다. 또한, 예를 들어, 임의의 프로세스 또는 방법의 단계의 순서 또는 차례는 대안적인 실시형태에 따라서 변경되거나 또는 재-배열될 수도 있다. 다른 치환, 변경, 변형 및 생략이 바람직한 그리고 다른 예시적인 실시형태의 구성, 동작 환경(operating configuration) 및 배열체에서 첨부된 청구항의 범위로부터 벗어나지 않으면서 만들어질 수도 있다.

Claims (40)

1. 연도 가스 생성 조립체로부터 산출되는 연도 가스를 활용하도록 구성되는 파워 생산 시스템에 있어서, 상기 연도 가스는 이산화탄소 및 산소를 포함하고 그리고 상기 파워 생산 시스템은,
   애노드 부분 및 캐소드 부분을 포함하는 연료 전지로서, 상기 캐소드 부부은 상기 연도 가스 생성 조립체로부터 산출되는 상기 연도 가스를 함유하는 유입 옥시던트(inlet oxidant) 가스를 받도록 구성되는, 상기 연료 전지; 및
   상기 연료 전지의 상기 애노드 부분으로부터 산출되는 애노드 배기가스를 받도록 구성되는 가스 분리 조립체로서, 상기 애노드 배기가스 중의 이산화탄소를 액화시키도록 미리결정된 온도로 상기 애노드 배기가스를 냉각시키도록 구성되는 냉동기 조립체를 포함하는, 상기 가스 분리 조립체를 포함하며,
   상기 연료 전지 및 상기 냉동기 조립체는 상기 연료 전지에서 생산되는 폐열이 상기 냉동기 조립체를 구동하기 위해서 사용되도록 구성되는, 파워 생산 시스템.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 연료 전지의 상기 캐소드 부분은 상기 연도 가스 생성 조립체에 의해서 산출되는 상기 연도 가스의 전부 또는 일부로 구성되는 유입 옥시던트 가스를 받도록 구성되는, 파워 생산 시스템.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 냉동기 조립체는 하나 이상의 흡수 냉동기를 포함하는, 파워 생산 시스템.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 가스 분리 조립체는 상기 연료 전지의 상기 캐소드 부분에 의해서 산출되는 캐소드 배기가스로부터 폐열을 회수하고 그리고 상기 회수된 폐열의 적어도 일부분을 상기 냉동기 조립체를 구동하기 위해서 활용하는, 파워 생산 조립체.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 가스 분리 조립체는 상기 애노드 배기가스로부터 물을 분리하고 그리고 물-분리된 애노드 배기가스를 산출하도록 구성되는 물 제거 조립체를 더 포함하며, 상기 냉동기 조립체는 상기 물-분리된 애노드 배기가스를 받도록 구성되는, 파워 생산 시스템.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 가스 분리 조립체는 상기 물-분리된 애노드 배기가스가 상기 냉동기 조립체에 전달되기 전에 상기 물 제거 조립체로부터 산출되는 상기 물-분리된 애노드 배기가스를 압축하도록 구성되는 압축기를 더 포함하는, 파워 생산 시스템.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 가스 분리 조립체는 상기 냉동기 조립체로부터 냉각된 애노드 배기가스를 받고 그리고 상기 냉각된 애노드 배기가스 중의 잔존 연료 가스로부터 액화된 이산화탄소를 분리하도록 구성되는 가스 분리 장치를 더 포함하는, 파워 생산 시스템.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 가스 분리 조립체는, 상기 애노드 배기가스가 상기 물 제거 조립체에 전달되기 전에 상기 애노드 배기가스 중의 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키도록 구성되는 쉬프트 반응기(shift reactor)를 더 포함하는, 파워 생산 시스템.
9. 청구항 7에 있어서, 상기 연도 가스 생성 조립체에 의해서 산출되는 연도 가스를 받고 그리고 상기 잔존 연료를 산화시켜 상기 연도 가스를 가열하도록 구성되는 산화기를 더 포함하며, 상기 산화기는 상기 연료 전지의 상기 캐소드 부분에 가열된 연도 가스를 산출하도록 구성되는, 파워 생산 시스템.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 연도 가스 생성 조립체에 의해서 산출되는 연도 가스 및 상기 애노드 부분에 입력되는 연료 가스 중 적어도 하나를 가열하기 위해 상기 캐소드 배기가스 중의 폐열을 활용하도록 구성되는 적어도 하나의 열 교환기를 더 포함하는, 파워 생산 시스템.
11. 청구항 7에 있어서, 상기 가스 분리 장치는 플래시 드럼(flash drum)을 포함하는, 파워 생산 시스템.
12. 청구항 6에 있어서, 상기 압축기는 상기 애노드 배기가스를 적어도 200 psi로 압축하도록 구성되며, 그리고 상기 냉동기 조립체는 상기 압축기 유출구 압력에 근거하여 -40℃ 또는 이보다 높은 온도로 상기 애노드 배기가스를 냉각하도록 구성되는, 파워 생산 시스템.
13. 청구항 1에 있어서, 상기 연도 가스 생성 조립체는 (i) 화석-연료를 공급받는 연도 가스 생성 조립체, (ii) 보일러, (iii) 연소기, 및 (iv) 시멘트 공장의 노 및 가마로 구성되는 군으로부터 선택되는, 파워 생산 시스템.
14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지는 내부 개질 용융 탄산염 연료 전지(MCFC)인, 파워 생산 시스템.
15. 연도 가스 생성 조립체로부터 산출되는 연도 가스를 활용하는 파워 생산 시스템에서 사용을 위한 가스 분리 방법에 있어서, 상기 연도 가스는 이산화탄소 및 산소를 포함하고 그리고 상기 방법은,
    상기 연도 가스 생성 조립체로부터 산출되는 상기 연도 가스를 받고 그리고 상기 연도 가스를 연료 전지의 캐소드 부분에 유입 옥시던트 가스로서 제공하는 단계;
    상기 캐소드 부분 및 애노드 부분을 갖는 상기 연료 전지를 동작시키며, 상기 연료 전지의 동작 동안 상기 연료 전지의 상기 애노드 부분으로부터 애노드 배기가스가 산출되는 단계;
    상기 애노드 배기가스 중의 이산화탄소를 액화시키도록 상기 애노드 배기가스를 냉동기 조립체에서 미리결정된 온도로 냉각하여 상기 애노드 배기가스 중의 상기 이산화탄소 및 잔존 연료를 분리하는 단계; 및
    상기 연료 전지를 동작시킴으로써 생성되는 폐열을 활용하여 상기 냉동기 조립체를 구동시키는 단계를 포함하는, 가스 분리 방법.
16. 청구항 15에 있어서, 상기 연도 가스 생성 조립체에 의해서 산출되는 상기 연도 가스의 전부 또는 일부가 상기 유입 옥시던트 가스로서 상기 연료 전지의 상기 캐소드 부분에 배타적으로 제공되는, 가스 분리 방법.
17. 청구항 15에 있어서, 상기 냉동기 조립체는 하나 이상의 흡수 냉동기를 포함하는, 가스 분리 방법.
18. 청구항 15에 있어서, 상기 연료 전지의 상기 캐소드 부분으로부터 산출되는 캐소드 배기가스로부터 폐열을 회수하는 단계를 더 포함하며, 상기 회수된 폐열의 일 부분이 활용되어 상기 활용하는 단계에서 상기 냉동기 조립체를 구동하는, 가스 분리 방법.
19. 청구항 15에 있어서, 상기 애노드 배기가스 중의 상기 잔존 연료 및 상기 이산화탄소를 분리하기 전에 상기 애노드 배기가스로부터 물을 분리하고 그리고 물-분리된 애노드 배기가스를 산출하는 단계를 더 포함하는, 가스 분리 방법.
20. 청구항 19에 있어서, 상기 애노드 배기가스 중의 상기 잔존 연료 및 상기 이산화탄소를 분리하기 전에 물-분리된 애노드 배기가스를 압축하는 단계를 더 포함하는, 가스 분리 방법.
21. 청구항 20에 있어서, 상기 애노드 배기가스로부터 물을 분리하기 전에 상기 애노드 배기가스 중의 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키는 단계를 더 포함하는, 가스 분리 방법.
22. 청구항 20에 있어서, 상기 분리 단계에서 분리되는 잔존 연료 가스 및 상기 연도 가스 생성 조립체에 의해서 산출된 연도 가스를 산화시키고 그리고 가열된 연도 가스를 상기 연료 전지의 상기 캐소드 부분에 산출하는 단계를 더 포함하는, 가스 분리 방법.
23. 청구항 22에 있어서, 상기 연도 가스 생성 조립체에 의해서 산출되는 연도 가스 및 상기 연료 전지의 상기 애노드 부분에 입력되는 연료 가스 중 적어도 하나를 가열하기 위해 상기 캐소드 배기가스로부터 회수되는 폐열을 활용하는 단계를 더 포함하는, 가스 분리 방법.
24. 청구항 20에 있어서, 상기 압축하는 단계는 상기 물-분리된 애노드 배기가스를 적어도 200 psi로 압축하는 단계를 포함하고 그리고 상기 미리결정된 온도는 -40℃ 이상인, 가스 분리 방법.
25. 청구항 15 내지 청구항 24 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연도 가스 생성 조립체는 화석-연료를 공급받는 연도 가스 생성 조립체인, 가스 분리 방법.
26. 청구항 15 내지 청구항 24 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연도 가스 생성 조립체는 보일러인, 가스 분리 방법.
27. 청구항 15 내지 청구항 24 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연도 가스 생성 조립체는 연소기인, 가스 분리 방법.
28. 청구항 15 내지 청구항 24 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연도 가스 생성 조립체는 시멘트 공장(cement factory)의 가마(kiln) 및 노(furnace)를 포함하는, 가스 분리 방법.
29. 청구항 15에 있어서, 상기 애노드 배기가스 중의 잔존 연료와 이산화탄소를 분리하는 상기 단계로부터 얻어지는 상기 이산화탄소는 적어도 90%의 순도를 갖는, 가스 분리 방법.
30. 청구항 29에 있어서, 상기 애노드 배기가스 중의 잔존 연료와 이산화탄소를 분리하는 상기 단계로부터 얻어지는 상기 이산화탄소는 적어도 99%의 순도를 갖는, 가스 분리 방법.
31. 청구항 29에 있어서, 상기 애노드 배기가스 중의 잔존 연료와 이산화탄소를 분리하는 상기 단계로부터 얻어지는 상기 액체 이산화탄소는 저장 매체에서 저장에 적합한, 가스 분리 방법.
32. 청구항 29에 있어서, 상기 애노드 배기가스 중의 잔존 연료와 이산화탄소를 분리하는 상기 단계로부터 얻어지는 상기 액체 이산화탄소는 석유 회수 증진법(enhanced oil recovery)에서 사용에 적합한, 가스 분리 방법.
33. 청구항 29에 있어서, 상기 애노드 배기가스 중의 잔존 연료와 이산화탄소를 분리하는 상기 단계로부터 얻어지는 상기 액체 이산화탄소는 식품 산업에서 사용에 적합한, 가스 분리 방법.
34. 연도 가스 생성 조립체와 통합되는 연료 전지 시스템에서 사용을 위한 가스 분리 조립체에 있어서, 상기 연료 전지 시스템은 애노드 부분 및 캐소드 부분을 포함하고, 상기 캐소드 부분은 상기 연도 가스 생성 조립체로부터 산출되는 연도 가스를 함유하는 유입 가스를 받도록 구성되고, 상기 연도 가스는 이산화탄소 및 산소를 함유하고, 그리고 상기 가스 분리 조립체는:
    애노드 배기가스를 받아 상기 애노드 배기가스 중의 이산화탄소를 액화시키도록 미리결정된 온도로 상기 애노드 배기가스를 냉각하도록 구성되는 냉동기 조립체; 및
    상기 연료 전지에 의해서 생성되는 폐열을 회수하도록 구성되는 열 회수 조립체;를 포함하며,
    상기 열 회수 조립체 및 상기 냉동기 조립체는 상기 열 회수 조립체에 의해서 회수되는 상기 폐열이 활용되어 상기 냉동기 조립체를 구동하도록 구성되는, 가스 분리 조립체.
35. 청구항 34에 있어서, 상기 냉동기 조립체는 하나 이상의 흡수 냉동기를 포함하는, 가스 분리 조립체.
36. 청구항 34에 있어서,
    상기 애노드 배기가스로부터 물을 분리하고 물-분리된 애노드 배기가스를 산출하도록 구성되는 물 제거 조립체; 및
    상기 물 제거 조립체로부터 산출되는 상기 물-분리된 애노드 배기가스를 압축하고 그리고 압축된 물-분리된 애노드 배기가스를 상기 냉동기 조립체에 산출하도록 구성되는 압축기를 더 포함하는, 가스 분리 조립체.
37. 청구항 36에 있어서, 상기 물 제거 조립체에 상기 애노드 배기가스를 전달하기 전에 상기 애노드 배기가스 중의 일산화탄소를 이산화탄소로 변환시키도록 구성되는 쉬프트 반응기를 더 포함하는, 가스 분리 조립체.
38. 청구항 36에 있어서, 상기 압축기는 상기 물-분리된 애노드 배기가스를 적어도 500 psi로 압축하도록 구성되고 그리고 상기 냉동기 조립체는 상기 애노드 배기가스를 -29°C 이하로 냉각하도록 구성되는, 가스 분리 조립체.
39. 청구항 36에 있어서, 상기 냉동기 조립체로부터 냉각된 애노드 배기가스를 받고 상기 냉각된 애노드 배기가스 중의 잔존 연료 가스로부터 액화된 이산화탄소를 분리하도록 구성되는 가스 분리 장치를 더 포함하는, 가스 분리 조립체.
40. 청구항 34에 있어서, 상기 연도 가스 생성 조립체는 (i) 화석-연료를 공급받는 연도 가스 생성 조립체, (ii) 보일러, (iii) 연소기, 및 (iv) 시멘트 공장의 노 및 가마로 구성되는 군으로부터 선택되는, 가스 분리 조립체.

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