KR101069532B1 - 열회수 방식을 적용한 고온전기분해 수소 생산 장치 - Google Patents

열회수 방식을 적용한 고온전기분해 수소 생산 장치 Download PDF

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Abstract

물을 이용하여 수소와 산소를 생성하는 고온전기분해하는 장치 내에서 에너지 효율을 극대화하기 위한 수소 장치가 개시된다. 고온전기분해의 수소 생산 장치를 구성할 때, 안정적인 수소 생산뿐만 아니라, 고온전기분해 스택의 출구에서 발생되는 고온열을 다시 장치 내에 활용하여 고온전기분해에 필요한 온도(약 800~ 1000℃)까지 가열하기 위해 필요한 열에너지를 감소시킴으로써, 전체 시스템의 효율이 향상될 수 있는 다양한 형태의 수소 장치를 제시한다.
Figure R1020090129020
수소, 열회수 방식, 고온전기분해, 열 효율

Description

열회수 방식을 적용한 고온전기분해 수소 생산 장치{HIGH TEMPERATURE ELECTROLYSIS HYDROGEN PRODUCTION APPARATUS APPLIED TO HEAT RECOVERY METHOD}
본 발명은 수소 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 물을 이용하여 수소와 산소를 생성하는 고온전기분해하는 장치 내에서 에너지 효율을 극대화하기 위한 수소 장치에 관한 것이다.
산업혁명 이후, 자동차 등의 동력원으로서는 물론 전력 발생 등 다방면에 걸쳐서 가솔린, 경유 등의 화석 연료가 이용되어 왔다. 이 화석 연료의 이용에 의해, 인류는 비약적인 생활 수준의 향상이나 산업의 발전을 누렸다.
그러나, 그 반면에 지구는 심각한 환경 파괴의 위협에 노출되고, 또 화석 연료의 장기적 안정 공급에도 의문이 던져지고 있다. 이에 따라, 화석 연료를 대신하는 대체 크린(청정) 에너지로서 수소 에너지가 주목받고 있다.
통상, 수소 에너지는 정유회사에서 원유 정제용으로, 화학공장에서 암모니아 비료 제조용으로 사용되는데, 주로 천연가스, 원유, 및 석탄과 같은 에너지로부터 생산되는 것이 대부분이다. 그러나, 최근에는 물을 이용한 수소 에너지를 얻으려는 노력을 꾸준히 진행되어 왔으나, 효율성이 높은 수소 에너지를 얻는 장치는 전 무한 상태이다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 물을 고온전기분해하여 수소, 산소와 같은 에너지를 대량 생산하고, 이 속에서 발생되는 고온열을 회수한 뒤, 입력측으로 공급하여 장치 내에서 에너지 효율을 극대화한 열회수 방식을 적용한 수소 생산 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징적 구성은 다음과 같다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 공급받은 액체 상태의 물(101)을 일정한 유량으로 조절하는 펌프부(110), 가스 상태의 질소(102), 수소(103), 스위프 가스(104)를 각각 공급받아 일정한 유량으로 조절하는 질량 유량계부(120, 121, 122), 상기 질량 유량계부(120)에서 조절된 질량과 펌프부(110)에서 조절된 액체 상태의 물을 200 ~ 500℃의 온도로 가열하여 수증기 상태의 물을 생성하는 샌드 배스부(130), 상기 샌드 배스부(130)에서 생성된 물과, 상기 질량 유량계부(121)에서 조절된 수소를 혼합하여 제1 가열기(140)을 통하여 응축되지 않도록 가열되어 공급받고, 상기 질량 유량계부(122)에서 조절된 스위프 가스를 제2 가열기(141)를 통하여 가열되어 공급받아 800℃의 전기로 내부에서 전기분해 반응을 일으키게 하는 전기분해 스택부(150A)를 구비하는 고온 전기로부(150), 상기 전기분해 스택부(150A)에서 전기분해의 결과로 수소극(캐소드)으로 수소, 물, 질소 성분을 배출 하고, 공기극(애노드)으로 산소와 스위프 가스를 배출하는 전기분해 스택부(150A), 상기 전기분해 스택부(150A)의 수소극에서 배출된 성분 중 물 성분을 제거하고 나머지 성분을 배출하는 응축기부(170), 및 상기 전기분해 스택부(150A)와 펌프부(110)의 사이에는 상기 액체의 물이 상기 샌드 배스부(130)로 공급되기 전에 상기 전기분해 스택부(150A)의 수소극 및 공기극에서 발생된 여러 고온열을 회수하여 입력측으로 공급하는 제1 열회수부(160), 제2 열회수부(161), 제3 열회수부(162)를 포함하는 수소 생산 장치가 제공된다.
본 발명에 의하면, 전기분해 스택부(150A)에서 효율이 높은 수소를 생산해내고, 전기분해 스택부(150A)에서 배출된 수소, 산소, 스위프 가스의 고온열을 회수하여 사용하므로, 장치 내의 에너지 효율을 극대화하여 각종 비용을 절감하는 효과가 달성된다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
제1 실시예
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소 생산 장치의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수소 생산 장치(100)는 펌프부(110), 질량 유량계부(120, 121, 122), 샌드 배스부(130), 고온 전기로부(150), 전기분해 스택부(150A), 제1 열회수부(160), 응축기부(170)를 포함한다.
먼저, 펌프부(110)에 대하여 설명하면, 본 발명의 펌프부(110)는 액체 상태의 물을 공급받아 일정한 유량으로 조절하여 배출하는 역할을 하고, 질량 유량계부(120, 121, 122)는 캐리어 가스로 사용될 질소(N2), 소량의 수소(H2), 스위프 가스(sweep gas, 상기 스위프 가스는 질소와 산소의 혼합물질인 공기 가스를 의미함)를 의미함)를 각각 공급받아 일정한 유량으로 조절하는 역할을 한다. 이때, 공급 받은 각 가스를 일정한 유량으로 조절하는 것은 이후에 설명될 회수되는 고온열에 따라 그 만큼의 효율을 감안한 것이다.
본 발명의 샌드 배스부(130)는 질량 유량계부(120)에서 조절된 질량과 펌프부(110)에서 조절된 액체 상태의 물을 200 ~ 500℃의 온도로 가열하여 수증기 상태의 물을 생성하는 역할을 하고, 고온 전기로부(150)는 고온전기분해 반응이 안정적으로 이루어지도록 800℃ 이상의 온도를 유지시켜 주는 역할을 하는 것으로, 전기분해 스택부(150A)을 구비한다.
본 발명의 전기분해 스택부(150A)는 샌드 배스부(130)에서 생성된 물과, 질량 유량계부(121)에서 조절된 수소를 혼합하여 제1 가열기(140)를 통하여 응축되지 않도록 가열되어 공급받고, 질량 유량계부(122)에서 조절된 스위프 가스를 제2 가열기(141)를 통하여 가열되어 공급받은 뒤, 이를 800℃의 전기로 내부에서 전기분해 반응을 일으키는 역할을 하고, 이 결과로 수소극(Cathode)으로 수소, 물, 질소 성분을 배출하고, 공기극(Anode)으로 산소와 스위프 가스를 배출하는 역할을 하며, 응축기부(170)는 전기분해 스택부(150A)의 수소극에서 배출된 성분 중 물 성분을 제거하고, 나머지 성분인 수소, 질소 에너지를 배출하는 역할을 한다.
본 발명의 제1 열회수부(160)는 전기분해 스택부(150A)와 펌프부(110)의 사이 또는 전기분해 스택부(150A)와 샌드 배스부(130)의 사이에 배치되어, 펌프부(110)에서 액체의 물이 샌드 배스부(130)로 공급되기 전에 전기분해 스택부(150A)의 수소극에서 발생된 수소에 의한 고온열을 회수하여 샌드 배스부(130)로 공급하는 역할을 한다. 이로써, 샌드 배스부(130)는 펌프부(110)에서 조절된 액체 상태의 물을 회수된 열로 가열하게 되어 에너지 효율 측면에서 많은 비용을 절감하게 되는 것이다.
본 발명의 응축기부(170)는 전기분해 스택부(150A)에서 고온전기분해 반응의 결과로 수소(H2), 물(H2O), 질소(N2) 성분을 수소극(Cathode)으로 배출할 경우, 수소극에서 배출된 성분 중 물 성분을 제거하여 나머지 수소(H2)와 질소(N2)를 최종적으로 배출하는 역할을 한다. 이로써, 본 발명의 수소 생산 장치(100)는 효율이 높은 수소를 생산하게 되는 것이다.
아울러, 앞서 설명한 전기분해 스택부(150A)는 공기극(Anode)으로 산소와 스위프 가스(질소와 산소의 혼합으로 이루어진 공기)를 최종적으로 배출하게 된다.
이외에도, 전기분해 스택부(150A)의 전기분해를 위하여 필요한 전기를 공급하는 DC 전력 공급부(190) 및 입구측에서의 물 유량, 가스 유량과 DC 공급 전류를 제어하는 데이터 취득/제어부(195)를 더 포함할 수 있다.
제2 실시예
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따라 제2 열회수부(161)를 포함한 수소 생산 장치(100A)의 구성을 예시적으로 나타낸 부분도이다.
도 2에 도시된 수소 생산 장치(100A)는 앞서 설명한 도 1의 수소 생산 장치(100)의 구성을 모두 포함하므로 그와 관련된 구성요소는 생략하였음을 밝혀둔다. 다만 도 2에서의 수소 생산 장치(100A)는 전기분해 스택부(150A)와 펌프부(110)의 사이 또는 전기분해 스택부(150A)와 샌드 배스부(130)의 사이에 제1 열 회수부(160)와 더불어 2 열회수부(161)를 더 구비된다. 이때의 제2 열회수부(161)는 전기분해 스택부(150A)의 수소극에 연결된 제1 열회수부(160)와 달리 전기분해 스택부(150A)의 공기극에 연결되는 특징을 갖는다.
이에 따라, 본 발명의 제2 열회수부(161)는 액체의 물이 샌드 배스부(130)로 공급되기 전에 전기분해 스택부(150A)의 공기극에서 발생된 산소에 의한 고온열을 회수하여 샌드 배스부(130)로 더 공급하는 역할을 하게 되는 것이다. 아울러, 제2 열회수부(161)는 전기분해 스택부(150A)의 공기극에서 공급된 산소 및 스위프 가스를 최종적으로 배출하는 역할도 하게 되는 것이다.
제3 실시예
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따라 제3 열회수부(162)를 포함한 수소 생산 장치(100B)의 구성을 예시적으로 나타낸 부분도이다.
도 3에 도시된 수소 생산 장치(100B)는 도 1 및 도 2의 구성을 모두 포함하므로, 그와 관련된 구성요소는 생략하였으며, 다만 제2 열회수부(161)와 질량 유량계부(122) 또는 제2 열회수부(161)와 제2 가열기(141)의 사이에 제3 열회수부(162)를 더 배치하는 특징을 갖는다.
이러한 제3 열회수부(162)에 대하여 설명하면, 본 발명의 제3 열회수부(162)는 전기분해 스택부(150A)의 공기극(Anode)에서 발생되는 산소와 스위프 가스(질소와 산소의 혼합으로 이루어진 공기)의 열을 회수하여 제2 가열기(141)에서 가열과정을 거친 후, 전기분해 스택부(150A)로 공급하는 역할을 한다.
이와 같이, 실시된 수소 생산 장치(100)는 제3 열회수부(162)를 더 구비함으 로써, 복잡한 구조를 이뤄야 하는 단점이 있으나, 전기분해 스택부(150A) 출구측의 수소극 및 공기극에서 배출된 수소, 산소, 스위프 가스에 의한 고온열 모두를 회수는 하는 장점을 가질 수 있어, 수소 생산 장치의 열 효율을 극대화할 수 있다.
제4 실시예
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 수소 생산 장치(100C)의 구성을 예시적으로 나타낸 부분도이다.
도 4에 도시된 수소 생산 장치(100C)는 도 3의 수소 생산 장치(100B)의 구성 중 전기분해 스택부(150A)와 제3 열회수부(162)의 사이에 배치된 제2 열회수부(162)를 제외하고, 전기분해 스택부(150A)와 제3 열회수부(162)가 바로 연결될 뿐, 각 구성의 역할은 앞서 설명한 것과 동일함을 밝혀둔다.
이하에서는 도 1의 수소 생산 장치(100)에 대하여 입구측의 유량비에 따른 시스템 효율 최적화를 위해 각각의 유량에 따른 민감도를 식 (1)과 표 1를 기본 조건으로 하여 그 결과를 표 2와 같이 도출하였다.
즉, 실험을 위한 기본 가정 조건은 입,출구측 유량 온도, 압력 : ２０℃, 1기압이고, 출구측 공기극의 온도: ８００℃ 이며, 고온 전기로 내부의 온도 : ８００℃, 1 기압이고, 입구측 유량은 표 1과 같다.
표 1
구분 Water(H2O) Nitrogen(N2) Hydrogen(H2) Sweep Gas(Air =N2+O2)
상태 액체 기체 기체 기체
유량 0.001 kg/s 0.001 kg/s 0.001 kg/s 0.001 kg/s
효율 ＝ (ＬＨＶ×수소 생산량) ／（공정열 ＋ 전기적 일 ＋ ｈｅａｔｉｎｇ－ｓａｎｄｂａｔｈ ＋ Ｑｈｅａｔｉｎｇｃａｔｈｏｄｅ＋Ｑｈｅａｔｉｎｇａｎｏｄｅ）×１００ ..... 식 (1)
상기 ＬＨＶ는 수소의 저위발열량(Low Heating Value)으로 242kJ/mol의 값을 나타내고, 수소 생산량은 수소 생산 장치(100)에서 발생된 순수 수소 생산량을 나타내며, 공정열은 고온전기분해를 위해 필요한 열량을 나타내고, 전기적 일은 고온전기분해를 위해 공급하는 전력을 나타내며, ｈｅａｔｉｎｇ－ｓａｎｄｂａｔｈ는 샌드 배스부의 열량을 나타내고, Ｑｈｅａｔｉｎｇｃａｔｈｏｄｅ는 제1 가열기에서 공급되는 열량을 나타내며, Ｑｈｅａｔｉｎｇａｎｏｄｅ는 제2 가열기에서 공급되는 열량을 나타낸다.
입구측의 물(H2O), 질소(N2), 수소(H2), 스위프 가스(Air=N2+O2) 각 유량에 대해 각각 0.001kg/s에서 0.009kg/s까지 변화시켰을 경우의 열 효율은 표 2와 같이 나타낼 수 있다.
표 2
구분 Water(H2O) Nitrogen(N2) Hydrogen(H2) Sweep Gas(Air
=N2+O2)
유량 0.001 kg/s 0.001 kg/s 0.001 kg/s 0.001 kg/s
0.001 kg/s 40.50% 40.50% 40.50% 40.50
0.002 kg/s 52.11% 39.05% 29.20% 39.37%
0.003 kg/s 57.61% 38.26% 22.83% 38.30%
0.004 kg/s 60.82% 37.22% 18.74% 37.28%
0.005 kg/s 62.92% 36.25% 15.89% 36.32%
0.006 kg/s 64.41% 35.32% 13.79% 35.41%
0.007 kg/s 65.54% 34.44% 12.19% 34.54%
0.008 kg/s 66.37% 33.60% 10.92% 33.71%
0.009 kg/s 67.05% 32.80% 9.88% 32.92%
상기 표 2의 결과로 표 3과 같이 최적의 입구측 유량을 구할 수 있으며, 이를 도 1 내지 4의 수소 생산 시스템에 의한 열회수 메카니즘을 적용할 경우 표 4와 같이 개선된 열 효율을 얻을 수 있었다.
표 3
구분 Water(H2O) Nitrogen(N2) Hydrogen(H2) Sweep Gas(Air
=N2+O2)
상태 액체 기체 기체 기체
유량 0.009 kg/s 0.001 kg/s 0.001 kg/s 0.001 kg/s
표 4
적용대상 열회수 미적용 시스템 도 1의 수소 생산 시스템 도 2의 수소 생산 시스템 도 3의 수소 생산 시스템 도 4의 수소 생산 시스템
효율 67.05% 79.00% 80.93% 81.02% 79.23%
개선효과 - +11.95% +13.88% +13.97% +12.18%
상기 표 4의 결과로, 열회수 방식을 적용한 고온전기분해의 수소 생산 시스템을 적용할 경우, 열회수 방식을 적용하지 않을 경우보다 10%이상의 시스템 효율이 개선되었음을 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소 생산 장치의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따라 제2 열회수부(161)를 포함한 수소 생산 장치(100A)의 구성을 예시적으로 나타낸 부분도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따라 제3 열회수부(162)를 포함한 수소 생산 장치(100B)의 구성을 예시적으로 나타낸 부분도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 수소 생산 장치(100C)의 구성을 예시적으로 나타낸 부분도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 수소 생산 장치 110 : 펌프부
120, 121, 122 : 질량 유량계부 130 : 샌드 배스부
140 : 제1 가열기 141 : 제2 가열기
150 : 고온 전기로부 150A : 전기분해 스택부
160 : 열회수부 170 : 응축기부

Claims (4)

  1. 공급받은 액체 상태의 물(101)을 일정한 유량으로 조절하는 펌프부(110),
    가스 상태의 질소(102), 수소(103), 스위프 가스(104)를 각각 공급받아 일정한 유량으로 조절하는 질량 유량계부(120, 121, 122),
    상기 질량 유량계부(120)에서 조절된 질량과 펌프부(110)에서 조절된 액체 상태의 물을 200 ~ 500℃의 온도로 가열하여 수증기 상태의 물을 생성하는 샌드 배스부(130),
    상기 샌드 배스부(130)에서 생성된 물과, 상기 질량 유량계부(121)에서 조절된 수소를 혼합하여 제1 가열기(140)를 통하여 응축되지 않도록 가열되어 공급받고, 상기 질량 유량계부(122)에서 조절된 스위프 가스를 제2 가열기(141)를 통하여 가열되어 공급받아, 800℃의 전기로 내부에서 전기분해 반응을 일으키게 하는 전기분해 스택부(150A)을 구비하는 고온 전기로부(150),
    상기 전기분해 스택부(150A)에서 전기분해의 결과로 수소극(Cathode)으로 수소, 물, 질소 성분을 배출하고, 공기극(Anode)으로 산소와 스위프 가스를 배출하는 전기분해 스택부(150A),
    상기 전기분해 스택부(150A)의 수소극에서 배출된 성분 중 물 성분을 제거하고 나머지 성분을 배출하는 응축기부(170), 및
    상기 전기분해 스택부(150A)와 펌프부(110)의 사이에는 상기 액체의 물이 상기 샌드 배스부(130)로 공급되기 전에 상기 전기분해 스택부(150A)의 수소극에서 발생된 수소에 의한 고온열을 회수하여 상기 샌드 배스부(130)로 공급하는 제1 열회수부(160)를 포함하는 것인 열회수 방식을 적용한 수소 생산 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    제2 열회수부(161)를 더 포함하고, 상기 제2 열회수부(161)는,
    상기 액체의 물이 상기 샌드 배스부(130)로 공급되기 전에 상기 전기분해 스택부(150A)의 공기극에서 발생된 산소에 의한 고온열을 회수하여 상기 샌드 배스부(130)로 더 공급하는 것인 열회수 방식을 적용한 수소 생산 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    제3 열회수부(162)를 더 포함하고, 상기 제3 열회수부(162)는,
    상기 액체의 물이 상기 샌드 배스부(130)로 공급되기 전에 상기 전기분해 스택부(150A)의 공기극에서 발생된 스위프 가스에 의한 고온열을 제2 열회수부를 통하여 회수하여 제2 가열기(141)를 거치게 한 후, 상기 전기분해 스택부(150A)로 더 공급하는 것을 특징으로 하는 열회수 방식을 적용한 수소 생산 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가열기(140)와 제2 가열기(141)는,
    장치의 이상시 또는 상기 전기분해 스택부(150A)의 가스가 역류하는 경우에 가스의 공급을 차단하는 것을 특징으로 하는 열회수 방식을 적용한 수소 생산 장 치.
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