KR101083109B1 - 합성가스 생산 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 효율적이면서 경제성이 향상되는 수소를 포함한 합성가스 생산 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 합성가스 생산 장치는 이산화탄소와 고온 증기가 셀로 공급되며, 이를 통해 일산화탄소 및 수소를 생성하는 전해조와, 상기 전해조 내부에 증기 밀도, 수소 유량 및 전기 분해 셀의 전류를 계측하는 유량 계측 시스템과, 상기 전해조로부터 가스가 누설될 경우에 폭발 위험치 이하에서 유지되도록 조절하며, 환기 설비가 갖추어진 공간에 배치되는 가스 안전 시스템과, 상기 가스 유량, 전압, 각 셀당 전위차가 저장되고 화면에 표시되도록 설계되는 데이터 취득 시스템과, 상기 이산화탄소와 증기를 질량 유량 제어기를 통해 일정한 온도와 압력으로 조절되도록 제어하는 유량 제어 시스템과, 상기 수소, 증기 및 이산화탄소의 온도 및 압력을 계측하며, 상기 수소, 증기 및 이산화탄소의 온도 및 압력을 제어하는 온도 및 압력 제어 시스템과, 상기 전해조로부터 방출되는 기체의 열을 회수하는 적어도 하나 이상의 열회수 시스템과, 상기 수소 생산 및 전력 생산을 동시에 수행할 수 있도록 설계된 원전 구성체계 시스템과, 상기 원전 구성체계 시스템과 연결되어 음극과 양극에 열을 제공하는 중간열교환기와, 상기 원전 구성체계 시스템과 연결되어 있는 상기 중간 열교환기로부터 열을 공급받아 공기를 가열하는 양극 중간열교환기와, 상기 중간열교환기로부터 열을 받아 증기와 이산화탄소를 가열하는 음극 중간열교환기와, 상기 음극에서 생성된 합성가스를 저장하는 합성가스 저장탱크와, 상기 합성가스를 액체합성연료로 변환처리하는 화학공정 플래트와, 상기 화학공정 플랜트로부터 생성된 액체합성연료를 저장하는 액체연료 저장탱크와, 상기 전해조, 유량 계측 시스템, 가스 안전 시스템, 데이터 취득 시스템, 유량 제어 시스템, 온도 및 압력 제어 시스템, 열회수 시스템, 양극 중간 열교환기, 중간 열교환기, 음극 중간 열교환기, 원전 구성체계 시스템, 합성가스 저장탱크, 화학공정 플랜트, 액체연료 저장탱크의 운전 및 안전 관리에 활용할 수 있도록 주요 변수를 전산 모니터에 지시하는 주요 변수 지시계통 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.
수소, 합성가스, 원자력
Description
본 발명은 효율적이면서 경제성이 향상되는 수소를 포함한 합성가스 생산 장치에 관한 것이다.
요즘, 청정 재생 에너지원을 이용해야한다는 요구가 급격히 증가하고 있다. 이에 태양 에너지와 풍력 에너지는 가장 풍부한 재생 에너지원으로서 화석연료를 일정 부분 대체하고 있다.
그러나 태양 에너지 및 풍력 에너지는 이용에 있어서 시간적, 공간적으로 제약이 크며 비용이 너무 비싸 대체 미래 에너지로서의 한계성을 지닌다.
이에 따라, 수소는 화석연료의 에너지 위기와 환경 문제에 대처할 수 있는 유일무이한 대안으로 수소를 포함한 합성가스는 미래의 대체 에너지로서 전망이 매우 크다. 이에, 효율적이면서 경제성이 향상되는 수소를 포함한 합성가스 생산 장치가 필요하다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 효율적이면서 경제성이 향상되는 수소를 포함한 합성가스 생산 장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 합성가스 생산 장치는 이산화탄소와 고온 증기가 셀로 공급되며, 이를 통해 일산화탄소 및 수소를 생성하는 전해조와, 상기 전해조 내부에 증기 밀도, 수소 유량 및 전기 분해 셀의 전류를 계측하는 유량 계측 시스템과, 상기 전해조로부터 가스가 누설될 경우에 폭발 위험치 이하에서 유지되도록 조절하며, 환기 설비가 갖추어진 공간에 배치되는 가스 안전 시스템과, 상기 가스 유량, 전압, 각 셀당 전위차가 저장되고 화면에 표시되도록 설계되는 데이터 취득 시스템과, 상기 이산화탄소와 증기를 질량 유량 제어기를 통해 일정한 온도와 압력으로 조절되도록 제어하는 유량 제어 시스템과, 상기 수소, 증기 및 이산화탄소의 온도 및 압력을 계측하며, 상기 수소, 증기 및 이산화탄소의 온도 및 압력을 제어하는 온도 및 압력 제어 시스템과, 상기 전해조로부터 방출되는 기체의 열을 회수하는 적어도 하나 이상의 열회수 시스템과, 상기 수소 생산 및 전력 생산을 동시에 수행할 수 있도록 설계된 원전 구성체계 시스템과, 상기 원전 구성체계 시스템과 연결되어 음극과 양극에 열을 제공하는 중간열교환기와, 상기 원전 구성체계 시스템과 연결되어 있는 상기 중간 열교환기로부터 열을 공급받아 공기를 가열하는 양극 중간열교환기와, 상기 중간열교환기로부터 열을 받아 증기와 이산화탄소를 가열하는 음극 중간열교환기와, 상기 음극에서 생성된 합성가스를 저장하는 합성가스 저장탱크와, 상기 합성가스를 액체합성연료로 변환처리하는 화학공정 플래트와, 상기 화학공정 플랜트로부터 생성된 액체합성연료를 저장하는 액체연료 저장탱크와, 상기 전해조, 유량 계측 시스템, 가스 안전 시스템, 데이터 취득 시스템, 유량 제어 시스템, 온도 및 압력 제어 시스템, 열회수 시스템, 양극 중간 열교환기, 중간 열교환기, 음극 중간 열교환기, 원전 구성체계 시스템, 합성가스 저장탱크, 화학공정 플랜트, 액체연료 저장탱크의 운전 및 안전 관리에 활용할 수 있도록 주요 변수를 전산 모니터에 지시하는 주요 변수 지시계통 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 셀은 세라믹으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 전해조는 천연가스와 반응하여 산소를 제거하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전해조는 가압경수로, 초임계압수냉각로 및 초고온가스로와 같은 원자로의 열을 이용하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 가압경수로를 열원으로 이용할 경우에 상기 원전 구성체계 시스템으로부터 방출되는 온도인 노심출구 온도를 200~400℃의 범위로 설정함으로써 상기 전해조 전류와 전압을 증가시켜 발열반응으로 인해 온도가 800~1100℃의 범위로 증가시키도록 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 초고온가스로를 열원으로 이용할 경우에 온도를 800~1100℃의 범위로 운전되도록 하여 상기 전해조의 운전 온도와 일치시켜 전류와 전압을 중립으 로 운전하여 온도가 일정하게 유지하도록 조절시키는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 전해조는 전해조 열유입량, 수소유량, 증기유량, 이송가스유량, 공기유량, 셀 전류 밀도, 셀 유효 면적, 초기 생성 수소 온도와 같은 운전 변수를 고려하여 운전하도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 운전 변수는 에너지 방정식에 따라 각 유입, 유출 기체의 몰유량, 몰당 표준엔탈피를 이용하여 열량 및 필요 전류를 계산하고, 필요 전류량을 기초로 파라데이 상수를 이용하여 생산될 수소량을 계산하고, 셀 평균 네스트 전위는 네스트 방정식을 이용하여 수소와 산소에 대해 온도로 적분하여 전체값을 나누어 산출하며, 운전 전압은 셀 평균 네스트 전압에 전류와 온도 및 스택 면적에 따른 저항을 곱한 값을 더하여 산출하며, 전기분해 에너지 방정식에 의해 운전 온도를 산출하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 합성가스 생산 장치에 포함된 다수의 시스템 중 적어도 하나의 시스템을 선택하여 HYSYS, UniSim, Aspen Plus의 코드와 같은 시뮬레이션 코드를 이용하여 모델링되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고온 증기를 수소로부터 분리시키기 위해 응축시키는 응축기와, 상기 가스 및 증기를 공급하는 가스 및 증기 공급 유량 계통을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 가스 및 증기 공급 유량 계통과, 전해조, 온도 및 압력 제어 시스템, 데이터 취득 시스템, 응축기 및 가스 배출 계통은 HYSYS, UniSim, Aspen Plus의 코드와 같은 시뮬레이션 코드를 이용하여 모델링되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 합성가스 생산 장치는 이산화탄소 및 고온 증기를 이용하여 일산화탄소 및 수소의 액체연료를 생산하는 것으로, 탄산 가스를 배출하지 않으며 원자력을 이용한다. 즉, 연료전지의 가역적 특성을 이용하여 고온 증기와 이산화탄소를 셀에 공급함으로써 합성가스의 원료인 수소 및 일산화탄소를 생산한다.
또한, 본 발명에 따른 합성가스 생산 장치는 초고온가스로를 이용함으로써 화석연료를 사용하지 않을 뿐만 아니라 온실가스를 배출하지 않고서 수소를 포함한 합성가스를 생산할 수 있다.
그리고, 고온 증기 전해는 열에너지와 전기 에너지로 구성되며 고온으로 인해 온도가 높아져 전기에너지 요구량이 적어짐에 따라 단위 에너지당 수소 에너지 생산 효율이 증가한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도 1을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 합성가스 생산 장치에 대한 블록도이다.
도 1를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 합성가스 생산 장치는 전해조(20), 유량 계측 시스템(22), 가스 안전 시스템(24), 데이터 취득 시스템(26), 유량 제어 시스템(28), 온도 및 압력 제어 시스템(30), 열회수 시스템(40-1,40-2,40-3), 주요 변수 지시계통 시스템(32), 양극 중간열교환기(34), 중간열교환기(38), 음극 중간열교환기(42), 원전 구성체계 시스템(36), 합성가스 저장탱크(44), 화학공정 플랜트(46), 액체연료 저장탱크(50), 가스 및 증기 공급 유량 계통(56), 응축기(54)를 포함한다.
전해조(20)는 이산화탄소(CO2)와 고온 증기(H2O)가 셀로 공급되며, 이들은 수소(H2), 일산화탄소(CO) 및 산소 이온으로 되며, 이 중 산소 이온은 전해질을 통하여 양극으로 이동하면서 전자를 잃고 산소로 변환된다. 여기서, 증기는 고온 증기를 이용한다.
이때, 고온 증기 전해는 고체산화물 전해전지를 이용하여 이산화탄소를 일산화탄소와 산소로 변환할 수 있다. 이에 따라, 증기와 이산화탄소를 이용하여 수소와 일산화탄소의 합성 가스를 생성할 수 있다. 합성 가스는 촉매 반응 거쳐 액체 연료로 생산되며, 고효율, 에너지 밀도, 유연한 연료 유용성을 가진 연료 전지에서 전력을 생산하는데 이용된다.
이와 같이 고온 증기를 이용하여 전기분해를 함으로써 전극이 활성화되어 음극과 양극의 초과 전압을 낮출 수 있으며 전류 밀도를 높일 수 있어 분극 손실을 줄임으로써 프로세스 효율을 증대시킬 수 있다. 셀은 예로 들어 세라믹으로 형성되며, 세라믹으로 형성함으로써 고온 내식성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 고체산화물 전해전지에서 천연가스와의 반응을 통해 산소를 제거함으로써 양극에서 소요 전류량을 줄여줄 수 있다. 따라서, 전기를 적게 소모하면서 수소를 생산할 수 있다.
또한, 전해조(20)는 전극, 전해질 및 셀의 구조물을 운전 온도에 따라 재료 를 선택함으로써 최적의 효율을 구현할 수 있다. 특히, 고효율의 고온 발전 시스템과 결합할 경우에 고온 증기 전해 프로세스는 수소 생성하는데 있어 상당히 효율적이다. 따라서, 가압경수로, 초임계압수냉각로 및 초고온가스로와 같은 고효율의 고온 원자로를 이용한다.
이와 같이 가압 경수로를 열원으로 이용할 경우에 원자로에서 방출되는 온도, 즉 노심출구 온도를 200~400℃의 범위로 바람직하게는 300℃로 설정함으로써 전해조 전류와 전압을 증가시켜 발열반응으로 인해 온도가 800~1100℃의 범위로 바람직하게는 950℃로 증가시키도록 조절한다.
초고온가스로를 열원으로 이용할 경우에 온도가 800~1100℃의 범위로 바람직하게는 950℃에서 운전되도록 하여 전해조의 운전 온도와 일치함으로써 전류와 전압을 중립으로 운전하여 온도가 일정하게 유지하도록 정상 상태로 운전한다.
이와 같은 전해조(20)는 전해조 열유입량, 수소유량, 증기유량, 이송가스유량, 공기유량, 셀 전류 밀도, 셀 유효 면적, 초기 생성 수소 온도와 같은 운전 변수를 고려하여 운전한다. 운전 변수를 고려하여 운전설정치 최적화 방법은 다음과 같다. 우선, 에너지 방정식에 따라 각 유입, 유출 기체의 몰유량, 몰당 표준엔탈피를 이용하여 열량 및 필요 전류를 계산하고, 필요 전류량을 기초로 파라데이 상수를 이용하여 생산될 수소량을 계산한다. 또한, 셀 평균 네스트 전위는 네스트 방정식을 이용하여 수소와 산소에 대해 온도로 적분하여 전체값을 나누어 산출하며, 운전 전압은 셀 평균 네스트 전압에 전류와 온도 및 스택 면적에 따른 저항을 곱한 값을 더하여 산출한다. 여기서 저항은 전자에 의한 저항, 이온에 의한 저항, 접촉저항으로 이뤄진다. 에너지 방정식에 의한 전기적인 일은 운전 전압과 전류를 곱하여 산출한다. 이 밖에 전기분해 에너지 방정식에 의해 운전 온도를 산출한다.
유량 계측 시스템(22)은 증기 밀도, 수소 유량 및 전기 분해 셀의 전류를 계측한다. 다시 말하여, 유량 계측 시스템(22)은 증기 밀도를 전해조(20) 내외부에 설치된 유량계에 의해 감지되며, 가스 유량계에 의해 수소 유량이 계측되며, 전기 분해 셀의 전류는 표준 저항기에 의해 계측된다.
또한, 전해조(20)는 공기 압축기로부터 건조한 공기를 일정한 유량으로 공급받는다. 이러한 공기 유량은 양극(Anode)의 재질인 LSM(Lanthanum Strontium Manganate)가 낮은 산소 분압에서 분해되지 않도록 제어기에 의해 조절된다.
가스 안전 시스템(24)은 가스가 누설되더라도 폭발 위험치 이하에서 유지되도록 조절하며, 환기 설비가 갖추어진 공간에 배치된다. 다시 말하여, 가스 안전 시스템(24)은 다수의 센서(CO2 센서, H2 센서)로부터 입력 신호를 공급받으며 가스 농도가 폭발 위험치 이상으로 증가하면 가스 농도를 줄일 수 있도록 조절 밸브를 제어한다. 정상 시 닫힌 밸브는 차단되며 정상 시 열린 밸브는 열리도록 한다. 즉, 위험 영역으로부터 가스가 방출될 수 있도록 제어한다.
데이터 취득 시스템(26)은 가스 유량, 전압, 각 셀당 전위치가 저장되고 화면에 표시되도록 설계된다. 데이터 취득 시스템(26)은 인터넷에 연결되어 원격으로 접근 가능하도록 구성한다. 즉, 데이터 취득 시스템(26)은 소프트웨어 연계장치를 이용한 데이터 전송 시스템에 의해 고온의 가스 및 증기 유량을 설정하여 셀 온도, 증기 온도 및 전류값을 제어하며 원격 컴퓨터로 기록된 데이터를 관찰할 수 있다.
유량 제어 시스템(28)은 증기와 이산화탄소 가스가 일정한 온도 및 압력으로 질량 유량 제어기로 통해 제어되며, 제어된 증기와 이산화탄소가 혼합된다. 이러한 증기와 이산화탄소 혼합 가스는 전해조 내로 흐른다.
온도 및 압력 제어 시스템(30)은 수소, 증기 및 이산화탄소의 온도 및 압력을 계측하며, 수소, 증기 및 이산화탄소의 온도 및 압력을 제어한다. 이때, 온도 및 압력 제어 시스템은 수소, 증기 및 이산화탄소의 온도를 예로 들어 밀봉 히터를 이용하여 제어할 수 있다. 온도 제어 시스템(30)은 음극(Cathode)에서 생성되는 수소, 일산화탄소, 미전환된 증기 및 이송 가스를 냉각 배관에 의해 120℃까지 냉각시켜 증기 응축을 방지하도록 한다. 온도 제어 시스템(30)은 외부에서 공급된 공기를 전해조 내에서 800~1000℃의 범위로 가열시키도록 제어한다. 이러한 고온의 증기는 양극에서 생성된 산소와 혼합되어 전해조 출구에 있는 열회수기에 의해 냉각된다.
또한, 전해조(20)에서 온도가 급격히 변동하게 되어 섬세한 스택 구조물 손상되는 것을 방지하기 위해 온도 및 압력 제어 시스템(30)은 스택 온도를 제어한다. 온도 및 압력 제어 시스템(30)은 셀로 공기 유동을 형성해 고해산화물 전해 전지 스택의 온도를 조절하게 된다. 이에 따라, 고온의 산화 환경에 노출됨으로써 야기되는 스택과 보조기기의 침식의 가능성을 감소시킬 수 있다.
그리고, 전해조(20) 내부 표면에는 다수개의 열전대 온도계가 전해조(20) 내 부 표면에 설치되며, 바람직하게는 5개의 열전대 온도계가 설치되어 온도를 계측한다. 또한, 전해조(20) 표면 온도를 측정하기 위해 다수개의 열전대 온도계를 설치하며, 바람직하게는 4개의 열전대 온도계를 설치한다. 이때, 전해조(20) 내부 표면 온도 분포는 전해셀 온도 분포와 거의 같다.
열회수 시스템(40-1,40-2,40-3)은 열회수기에서 방출 유체를 이용하여 급수 유체를 예열함으로써 방출 유체의 대부분을 회수 할 수 있도록 설계한다. 다시 말하여, 열회수 시스템(40-1,40-2,40-3)은 전해조(20)에 부가된 열의 대부분이 방출되는 기체에 함유되어 있어 방출되는 기체로부터 열을 회수한다. 이때, 전해조(20)의 급수 유체는 일정한 온도까지 예열되도록 설계한다.
열회수 시스템(40-1,40-2,40-3)은 고체 산화물 전해 전지에서 필요로 하는 950℃ 운전 온도까지 가열하기 위해 전해조 전원 공급 시스템을 전류와 전압을 발열반응 모드로 운전한다. 전체 열효율은 전기와 열 에너지 생산 방법과 열회수 시스템(40-1,40-2,40-3)에 따라 결정된다.
주요 변수 지시계통 시스템(32)은 운전 및 안전 관리에 활용할 수 있도록 주요 변수를 전산 모니터에 지시한다. 이때, 주요 변수 지시계통 시스템(32)은 데이터 취득 시스템(26)에서 자료가 입력된다.
양극 중간열교환기(Anode Intermedia Heat Exchanger)(34)는 원전 구성체계 시스템(36)에 연결되어 있는 중간열교환기로부터 열을 공급받아 공기를 가열한다.
중간열교환기(Intermedia Heat Exchanger)(38)는 원전 구성체계 시스템(36)에 연결되어 음극(연료극)과 양극(공기극)에 열을 제공한다.
음극 중간열교환기(Cathode Intermedia Heat Exchanger)(42)는 중간열교환기(38)로부터 열을 받아 증기와 이산화탄소를 가열한다.
원전 구성체계 시스템(36)은 수소 생산과 전력 생산을 동시에 수행할 수 있는 다용도 활용을 위한 설계로서, 고온, 에너지 집약적, 비전력 공정에 공정열을 공급하도록 설계하고 있고, 병합 발전을 위해 전력 생산 설비도 설계하고 있다. 초고온 가스 냉각로는 원자로 압력 용기와 냉각재계통으로 구성된다. 특히, 950℃ 운전 조건에서 노심의 구성, 계통 및 기기로 구성된다. 원자력 수소 생산 시스템은 초고온 가스 냉각로 계통과 수소 생산 계통을 원자로-수소 연계계통에 의해 연결하는 간접루프로 설계한다. 원자로-수소 연계 계통은 중간 열교환기로부터 원자로의 열을 공급받아 공정열교환기를 통하여 고온의 열을 수소생산계통으로 전달하며 열교환기, 순환기 및 냉각재 배관으로 구성된다.
합성가스 저장탱크(44)는 음극에서 생성된 합성가스를 저장한다.
화학공정 플랜트(46)는 합성가스를 액체합성연료인 메탄올로 변환처리한다.
응축기(54)는 고온 증기를 수소로부터 분리시킨다.
액체연료 저장탱크(50)는 화학공정 플랜트(46)로부터 생성된 액체합성연료(메탄올)을 저장한다. 이러한 액체합성연료는 액체연료이용시스템(연료전지)에 공급되어 전력 생산, 잠수함, 우주항공기 등에 사용된다. 액체 연료는 단위 중량당 칼로리가 높고 공해 물질을 배출하지 않는 장점이 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 합성가스 생산 장치는 고온 전기 분해 성능 해석을 위해 합성가스 생산 장치에 포함된 다수의 시스템 중 적어도 하나를 선택하여 모델링한다.
다시 말하여, 합성가스 생산 장치의 모델링 방법은 합성가스 생산 장치에 포함된 다수의 시스템 중 적어도 하나의 시스템을 선택하여 HYSYS, UniSim, Aspen Plus의 코드와 같은 시뮬레이션 코드를 이용하여 고온 전기 분해 성능 해석을 할 수 있다.
합성가스 생산 장치의 모델링 방법은 합성가스 생산 장치 중 가스 및 증기 공급 유량 계통(56)과, 전해조(20), 온도 및 압력 제어 시스템(30), 데이터 취득 시스템(26), 응축기(54) 및 가스 배출 계통을 선택하여 각각 계통의 데이터를 HYSYS, UniSim, Aspen Plus의 코드에 입력하여 모델링하여 고온 전기 분해 성능 해석을 할 수 있다.
이 모델링 방법 외에도 간단한 모델링 방법으로 합성가스 생산 장치 중 가스 및 증기 공급 유량 계통(56), 전해조(20), 응축기(54), 생산된 수소 및 산소 계통을 선택하여 각각 계통의 데이터를 HYSYS, UniSim, Aspen Plus의 코드에 입력하여 모델링하여 고온 전기 분해 성능 해석을 할 수 있다.
이와 같이 모델링을 바탕으로 시뮬레이션하여 온도, 압력 및 유량 등을 분석할 수 있다. 또한, 모델링을 바탕으로 시뮬레이션함으로써 시스템 내의 압력에 따라 크기 및 운전 조건이 달라지는 것을 고려하여 최적의 운전 결과를 산출할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 합성가스 생산 장치는 고온 전기 분해 성능 해석을 위해 합성가스 생산 장치에 포함된 다수의 시스템 중 적어도 하나를 선택하여 모델링한다.
다시 말하여, 합성가스 생산 장치의 모델링 방법은 합성가스 생산 장치에 포함된 다수의 시스템 중 적어도 하나의 시스템을 선택하여 HYSYS, UniSim, Aspen Plus의 코드와 같은 시뮬레이션 코드를 이용하여 고온 전기 분해 성능 해석을 할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 합성가스 생산 장치의 효율 분석 방법을 설명하기로 한다.
전해조에서 증기와 이산화탄소가 환원이 일어나 수소와 일산화탄소로 분리되는 과정은 [화학식1]과 같다. 이러한 과정이 일어나기 위해 흡열반응으로 전기 에너지와 열에너지가 필요하다.
CO2→CO+1/2O2
전해조 생산효율은 다음과 같다. 즉 생산된 물질의 고발열량은 효율을 고려한 전기에너지 양, 투입된 열에너지로 나눈다.
연료전지의 개회로 전압은 다음 식으로 계산된다.
단위셀 전압은 개회로 전압에 활성화손실, 저항손실 및 농도손실 만큼 높은 값으로 공급한다.
총 에너지 요구량은 온도에 관계없이 동일함으로 생산물질의 고발열량은 투입된 전기에너지와 열에너지에 손실에너지를 감해준다.
증기가 100% 반응하지 않기 때문에 열손실이 일어난다. 표 1은 수소 및 일산화탄소의 생산효율을 계산하였다. 여기서는 발전소는 가압경수로와 초고온가스로를 고려하였으며 전기생산효율을 각각 33%, 50%로 간주하여 계산한다.
| 분야 | Hydrogen | Carbon Monoxide | ||
| PWR | VHTR | PWR | VHTR | |
| 발열량(kJ/mol) | 241.82 | 241.82 | 282.99 | 282.99 |
| 손실량 (kJ/mol) (엔지니어 판단값) |
10 | 10 | 10 | 10 |
| Hel(kJ/mol) | 215.3 | 177.4 | 244.55 | 172.98 |
| Hth(kJ/mol) | 36.52 | 74.42 | 48.44 | 120.01 |
| 운전 온도 | 300℃ | 1000℃ | 300℃ | 1000℃ |
| 발전소 효율(%) (엔지니어 판단값) |
0.33 | 0.50 | 0.33 | 0.50 |
| 수소생산효율(%) | 0.35 | 0.56 | 0.36 | 0.61 |
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음이 자명하다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 합성가스 생산 장치에 대한 블록도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
20 : 전해조 22 : 유량 계측 시스템
24 : 가스 안전 시스템 26 : 데이터 취득 시스템
28 : 유량 제어 시스템 30 : 온도 및 압력 제어 시스템
32 : 주요 변수 지시 계통 시스템 34 : 양극 중간열교환기
36 : 원전 구성체계 38 : 중간열교환기
40-1, 40-2,40-3 : 열회수 시스템 42 : 음극 중간열교환기
44 : 합성가스 저장탱크 46 : 화학공정 플랜트
50 : 액체연료 저장탱크 52 : 액체연료 이용시스템
54 : 응축기 56 : 가스 및 증기 공급 유량 계통
Claims (11)
- 이산화탄소와 고온 증기가 셀로 공급되며, 이를 통해 일산화탄소 및 수소를 생성하는 전해조와;상기 전해조 내부에 증기 밀도, 수소 유량 및 전기 분해 셀의 전류를 계측하는 유량 계측 시스템과;상기 전해조로부터 가스가 누설될 경우에 폭발 위험치 이하에서 유지되도록 조절하며, 환기 설비가 갖추어진 공간에 배치되는 가스 안전 시스템과;상기 가스 유량, 전압, 각 셀당 전위차가 저장되고 화면에 표시되도록 설계되는 데이터 취득 시스템과;상기 이산화탄소와 증기를 질량 유량 제어기를 통해 일정한 온도와 압력으로 조절되도록 제어하는 유량 제어 시스템과;상기 수소, 증기 및 이산화탄소의 온도 및 압력을 계측하며, 상기 수소, 증기 및 이산화탄소의 온도 및 압력을 제어하는 온도 및 압력 제어 시스템과;상기 전해조로부터 방출되는 기체의 열을 회수하는 적어도 하나 이상의 열회수 시스템과;상기 수소 생산 및 전력 생산을 동시에 수행할 수 있도록 설계된 원전 구성체계 시스템과;상기 원전 구성체계 시스템과 연결되어 음극과 양극에 열을 제공하는 중간열교환기와;상기 원전 구성체계 시스템과 연결되어 있는 상기 중간 열교환기로부터 열을 공급받아 공기를 가열하는 양극 중간열교환기와;상기 중간열교환기로부터 열을 받아 증기와 이산화탄소를 가열하는 음극 중간열교환기와;상기 음극에서 생성된 합성가스를 저장하는 합성가스 저장탱크와;상기 합성가스를 액체합성연료로 변환처리하는 화학공정 플래트와;상기 화학공정 플랜트로부터 생성된 액체합성연료를 저장하는 액체연료 저장탱크와;상기 전해조, 유량 계측 시스템, 가스 안전 시스템, 데이터 취득 시스템, 유량 제어 시스템, 온도 및 압력 제어 시스템, 열회수 시스템, 양극 중간 열교환기, 중간 열교환기, 음극 중간 열교환기, 원전 구성체계 시스템, 합성가스 저장탱크, 화학공정 플랜트, 액체연료 저장탱크의 운전 및 안전 관리에 활용할 수 있도록 주요 변수를 전산 모니터에 지시하는 주요 변수 지시계통 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 합성가스 생산 장치.
- 제1항에 있어서,상기 셀은 세라믹으로 형성하는 것을 특징으로 하는 합성가스 생산 장치.
- 제1항에 있어서,상기 전해조는 천연가스와 반응하여 산소를 제거하는 것을 특징으로 하는 합성가스 생산 장치.
- 제1항에 있어서,상기 전해조는 가압경수로, 초임계압수냉각로 및 초고온가스로와 같은 원자로의 열을 이용하는 것을 특징으로 하는 합성가스 생산 장치.
- 제4항에 있어서,상기 가압경수로를 열원으로 이용할 경우에 상기 원전 구성체계 시스템으로 부터 방출되는 온도인 노심출구 온도를 200~400℃의 범위로 설정함으로써 상기 전해조 전류와 전압을 증가시켜 발열반응으로 인해 온도가 800~1100℃의 범위로 증가시키도록 조절하는 것을 특징으로 하는 합성가스 생산 장치.
- 제4항에 있어서,상기 초고온가스로를 열원으로 이용할 경우에 온도를 800~1100℃의 범위로 운전되도록 하여 상기 전해조의 운전 온도와 일치시켜 전류와 전압을 중립으로 운전하여 온도가 일정하게 유지하도록 조절시키는 것을 특징으로 하는 합성가스 생산 장치.
- 제1항에 있어서,상기 전해조는 전해조 열유입량, 수소유량, 증기유량, 이송가스유량, 공기유량, 셀 전류 밀도, 셀 유효 면적, 초기 생성 수소 온도와 같은 운전 변수를 고려하여 운전하도록 하는 것을 특징으로 하는 합성가스 생산 장치.
- 제7항에 있어서,상기 운전 변수는 에너지 방정식에 따라 각 유입, 유출 기체의 몰유량, 몰당 표준엔탈피를 이용하여 열량 및 필요 전류를 계산하고, 필요 전류량을 기초로 파라데이 상수를 이용하여 생산될 수소량을 계산하고, 셀 평균 네스트 전위는 네스트 방정식을 이용하여 수소와 산소에 대해 온도로 적분하여 전체값을 나누어 산출하며, 운전 전압은 셀 평균 네스트 전압에 전류와 온도 및 스택 면적에 따른 저항을 곱한 값을 더하여 산출하며, 전기분해 에너지 방정식에 의해 운전 온도를 산출하는 것을 특징으로 하는 합성가스 생산 장치.
- 제1항에 있어서,상기 합성가스 생산 장치에 포함된 다수의 시스템 중 적어도 하나의 시스템을 선택하여 HYSYS, UniSim, Aspen Plus의 코드와 같은 시뮬레이션 코드를 이용하여 모델링되는 것을 특징으로 하는 합성가스 생산 장치.
- 제1항에 있어서,상기 고온 증기를 수소로부터 분리시키기 위해 응축시키는 응축기와;상기 가스 및 증기를 공급하는 가스 및 증기 공급 유량 계통을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 합성가스 생산 장치.
- 제10항에 있어서,상기 가스 및 증기 공급 유량 계통과, 전해조, 온도 및 압력 제어 시스템, 데이터 취득 시스템, 응축기 및 가스 배출 계통은 HYSYS, UniSim, Aspen Plus의 코드와 같은 시뮬레이션 코드를 이용하여 모델링되는 것을 특징으로 하는 합성가스 생산 장치.
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