KR101200561B1 - 해수전해설비를 이용한 연료전지, 해수전해설비를 이용하여 가성소다, 암모니아, 요소, pvc의 제조방법 및 그 통합시스템 - Google Patents

해수전해설비를 이용한 연료전지, 해수전해설비를 이용하여 가성소다, 암모니아, 요소, pvc의 제조방법 및 그 통합시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해수전해설비에서 발생하는 폐수소를 이용한 연료전지 시스템, 연료전지 시스템과 해수전해설비를 이용하여 가성소다를 제조하는 방법과 해수전해설비로부터 발생하는 염소를 이용하여 PVC, 암모니아 및 요소를 제조하는 방법 및 그 통합시스템에 관한 것으로서, 본 발명의 시스템에 의하면, 나피온 막을 이용한 해수전해 공정에 연료전지 발전을 도입하여 에너지 효율을 높이고 REC(Renewable energy credit)를 취득할 수 있는 장점이 있다. 또한, 연료전지에서 생산된 전력을 Power grid에 연결하여 판매할 수 있으며, 이 전력을 본 발명에 따른 가성소다, 암모니아, 요소 및 PVC 각 생산공정의 전원으로 공급함으로써 화학 플란트의 경제성을 최대화할 수 있다. 또한, 인근 발전소에서 포집된 이산화탄소를 이용하여 요소를 생산하고, 해수전해설비에서 발생하는 염소로부터는PVC, 남은 부산물인 가성소다를 생산함으로서 이산화탄소를 줄이고 경제성을 최대화할 수 있다.

Description

해수전해설비를 이용한 연료전지, 해수전해설비를 이용하여 가성소다, 암모니아, 요소, PVC의 제조방법 및 그 통합시스템{Fuel cell using electrolyzer of sea water, method for manufacturing of caustic soda, ammonia, urea, PVC using electrolyzer of sea water and integrated system thereof}
본 발명은 해수전해설비에서 발생하는 폐수소를 이용한 연료전지 시스템, 연료전지 시스템과 해수전해설비를 이용하여 가성소다를 제조하는 방법과 해수전해설비로부터 발생하는 염소를 이용하여 PVC, 암모니아 및 요소를 제조하는 방법 및 그 통합시스템에 관한 것이다.
발전 시스템에 사용되는 방대한 양의 냉각수 확보를 위해 통상적으로 냉각수로 해수를 이용하게 되는데, 해수 수로가 연결된 냉각수 취수 설비에는 통상적으로 홍합, 조개 등의 어패류와 해조류 등의 부착성 생물이 생장하고 있으며, 이들 해양 생물들은 따뜻한 온도 조건과 유속이 느린 이상적인 환경 조건을 제공해 주는 해수 수로를 통해 냉각수 취수 설비 내로 유입되게 된다. 이렇게 냉각수 취수 설비로 유입되는 해양 생물들은 통상적으로 해수 수로 내벽이나 이를 포함하는 냉각수 취수설비의 각 구성 부위에 부착되어 생장하게 됨에 따라 이들 구성 부위의 부식 및 손상을 초래하게 되고, 그 부착 정도나 생장 크기에 따라 해수 수로나 냉각수 취수 설비를 부분적으로 또는 전체적으로 폐쇄시키게 되어 냉각수 펌프의 효율저하와 파손 내지는 그에 따른 해수의 유입량 감소는 물론 콘덴서나 열교환기 등 관련 설비의 부식 및 그 운전 가동이 저하되는 등의 문제를 초래하고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 발전 시스템에는 해수전해설비가 설치되어 있다. 해수전해설비는 해수 중의 염화나트륨을 전기분해하여 차아염소산나트륨(NaOCl, 이하 염소물질이라 한다.)을 생산하여 취수구에 주입, 살균함으로써 배관, 열교환기의 튜브에 패류, 해조류 등이 부착, 성장하는 것을 방지하는 설비이다.
해수전해설비는 정류기를 통해 변환된 DC 전원을 각각 양극판 및 음극판에 연결하고, 해수를 통과시킴으로써 해수의 NaCl과 H2O가 반응하여 염소물질을 생성하고 있다. 즉, 정류기를 통해 공급된 DC 전류에 의해 해수의 NaCl과 H2O가 전기분해되어 생성된 이온(Na, Cl, H, OH) 중 Cl은 양극으로 이동하여 염소(Cl2)를 만들고, H는 음극으로 이동하여 수소기체(H2)를 발생시킨다. Cl보다 반응성이 큰 Na는 이온상태로 존재하다 OH와 결합하여 NaOH가 생성되고, 생성된 수산화나트륨(NaOH)은 염소(Cl2)와 반응하여 염소물질(NaOCl)을 생산하며, 공급되는 DC 전류의 크기에 따라 전기분해 양이 다르므로, 차아염소산나트륨 농도의 조절이 가능하다.
그런데, 해수전해설비에서 발생되는 염소물질과 부수적으로 발생되는 수소는 역지밸브를 거쳐 저장탱크로 이동되고, 이중 저장탱크 상부의 수소가스는 블로워를 통해 대기중으로 방출하고 있다. 즉, 현재 해수전해설비에서는 부수적으로 발생되는 페수소를 아무런 활용 없이 대기 중으로 그냥 흘려보내고 있는 실정이다. 또한, 해수전해설비를 사용하여 해수를 전기 분해하여 발생하는 염소의 활용 역시 미비한 실정이다.
다양한 PVC 제조방법, 가성소다 (NaOH)의 제조방법 및 암모니아, 요소의 제조방법은 널리 알려져 있다. 또한, 해수 전해시 발생하는 부산물인 수소를 이용하여 연료전지를 가동하는 방법 역시 최근에 개발되고 있다. 다만, 해수전해설비를 기초로 하여 연료전지 발전과 병합하여 동시에 PVC, 가성소다, 암모니아 및 요소를 제조하는 방법에 대한 기술은 전혀 보고된 바가 없다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 해수전해설비에서 부가적으로 발생되는 폐수소를 활용하여 전기를 발생시키는 연료전지 시스템과 이와 동시에 해수전해설비를 이용하여 가성소다를 제조하고, 해수전해설비에서 발생하는 염소를 이용하여 폴리비일클로라이드(Polyvinylchloride, PVC), 암모니아 및 요소를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 해수전해설비를 이용한 연료전지 시스템, 가성소다 제조공정, PVC 제조공정, 암모니아 및 요소의 제조공정을 통합한 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,
(a) 발전 시스템 또는 화학 플랜트에서 사용되는 해수를 전기분해하여 염소물질을 생성하는 해수전해설비;
(b) 상기 해수전해설비의 일측에 연결되어 상기 전기분해 과정에서 발생되는 수소를 이송하는 수소이송관 및 이송된 수소가 저장되는 수소저장소;
(c) 상기 수소저장소에 연결되어 이로부터 공급되는 수소를 연료로 하여 전기를 생성하는 연료전지;
(d) 상기 해수전해설비의 일측에 연결되어 상기 전기분해 과정에서 발생되는 염소를 이송하는 염소이송관 및 이송된 염소가 저장되는 염소저장소;
(e) 상기 염소저장소에 연결되어 이로부터 공급되는 염소를 이용하여 PVC를 제조하는 PVC 플랜트;
(f) 상기 수소저장소에 연결되어 이로부터 공급되는 폐수소를 이용하여 암모니아를 제조하는 암모니아 플랜트; 및
(g) 상기 암모니아 플랜트에서 제조된 암모니아를 이용하여 요소를 제조하는 요소 플랜트;를 포함하는 통합 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 해수전해설비는 분리막(membrane)에 의하여 구분되는 양이온실과 음이온실을 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 분리막은 이온 교환막으로서 나피온, Flemion, Aciplex, Dow, PFSA 등의 불소계 양이온전도막 (Fluorinated Proton Exchange Membrane) 또는 비불소계 양이온전도막(Surfonated Aromatic Polymer를 포함하는 Non-Fluorinated PEM일 수 있으며 그라핀(Graphene)막 또는 CNT(Carbon NanoTube)막일 수 있다.
상기 양이온실은 포화농축해수 주입관, 폐해수 배출관 및 염소 가스 배출구를 포함하고, 상기 음이온실은 순수 주입관, 가성소다 배출구 및 수소가스 배출구를 포함하며,
상기 수소 가스 배출구는 상기 수소이송관과 연결되고, 상기 염소 가스 배출구는 상기 염소이송관과 연결되며,
상기 양이온실과 음이온실에 설치된 양극판과 음극판에 전원을 인가하여 전기분해하여 염소 가스, 수소 가스 및 가성소다를 각각 분리 배출할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 해수전해설비, 상기 PVC, 요소, 암모니아 플랜트는 각각 상기 연료전지와 전기적으로 연결되어 상기 연료전지에서 발생되는 전기에 의해서 가동되고,
상기 연료전지는 발생되는 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 DC/AC 컨버터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 PVC 플랜트는 에틸렌을 생성하는 크랙킹 공정탑; 상기 수전해설비에서 발생하는 염소가스와 상기 에틸렌을 이용하여 비닐클로라이드모노머(VCM)을 생산하는 VCM 반응기; 및 상기 생성된 VCM을 이용하여 PVC를 제조하는 PVC 반응기;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 암모니아 플랜트는 공기로부터 질소를 생성하는 냉동기; 및 상기 수전해설비에서 발생하는 수소가스와 상기 질소를 혼합한 후 반응시켜서 요소를 생성하는 합성탑을 포함하고,
상기 합성탑은 수소와 질소를 혼합하는 혼합기; 상기 혼합가스를 고온, 고압에서 압축하여 반응시키는 반응기; 및 상기 반응기를 냉각시켜서 액체 암모니아를 생성하는 냉각기;를 포함하며,
상기 합성탑에서 수소와 질소를 3 : 1의 부피비로 혼합한 후, 450-550 ℃, 150-1000 기압에서 반응시킨 후, 20-30 ℃로 냉각한 후 액체 암모니아를 생성할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 냉동기는 상기 연료전지와 전기적으로 연결되어 상기 연료전지에서 발생되는 전기에 의해서 가동될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 반응기는 사삼산화철 및 K2O, Al2O3, CaO 및 SiO2 중에서 선택되는 어느 하나의 촉진제를 포함하는 촉매가 충진될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 요소 플랜트는 상기 암모니아 플랜트에서 생성된 액체 암모니아와 이산화탄소를 반응시켜 요소와 물을 생성하는 합성기; 상기 합성기에서 생성된 물을 제거하는 농축기; 및 상기 생성된 요소를 입상화시키는 입상화기;를 포함하고,
상기 합성기에서 액체 암모니아와 이산화탄소를 150-200 ℃, 120-400 기압 하에서 반응시켜서 요소와 물을 생성하고, 이후 감압 농축하여 물을 제거하고, 입상화시켜서 입상 요소를 생성할 수 있다.
또한, 상기 요소 플랜트에 사용되는 이산화탄소는 화력 발전소의 배가스탑에서 이산화탄소 분리기를 통하여 분리된 이산화탄소를 고압 액화하여 수득한 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 연료전지는 상기 발전 시스템 또는 화학플랜트로부터 배출되는 제1 냉각수와 상기 연료전지로 유입되는 제2 냉각수의 열을 상호 열교환 해주는 열교환기를 더 포함하고,
상기 연료전지는 상기 연료전지로부터 배출되는 제2 냉각수를 열원으로 하는 난방장치를 추가로 포함하며,
상기 난방장치는 상기 열교환기와 냉각수 순환관에 의해 연결되어, 상기 제2 냉각수가 상기 연료전지, 상기 난방장치 및 상기 열교환기를 통과하면서 순환되는 것일 수 있다.
또한, 상기 연료전지는 상기 암모니아 플랜트 및 요소 플랜트로부터 배출되는 제3 냉각수와 상기 연료전지로 유입되는 제2 냉각수의 열을 상호 열교환 해주는 열교환기를 더 포함하고,
상기 연료전지는 상기 연료전지로부터 배출되는 제2 냉각수를 열원으로 하는 난방장치를 추가로 포함하며,
상기 난방장치는 상기 열교환기와 냉각수 순환관에 의해 연결되어, 상기 제2 냉각수가 상기 연료전지, 상기 난방장치 및 상기 열교환기를 통과하면서 순환되는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 통합시스템에서, 연료전지는 상기 암모니아 플랜트, 요소 플랜트, PVC 플랜트 및 해수전해설비 각각과 내부 전력망을 통해 연결되어 있으며 DC-DC 및 DC-AC 컨버터를 통하여 외부 전력망(Power Grid)과 연결되어 연료전지에서 발생하는 전기를 외부전력망을 통하여 일부 송전하고 남은 전기로 상기 암모니아 플랜트, 요소 플랜트, PVC 플랜트 및 해수전해설비 각각을 운전할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 통합시스템에서, 상기 외부 전력망이 단전될 시에 상기 연료전지는 수소저장소에 충전된 수소를 연료로 상기 암모니아 플랜트, 요소 플랜트, PVC 플랜트 및 해수전해설비 각각에 내부 전력망을 통해 전력을 공급함으로써 상기 암모니아 플랜트, 요소 플랜트, PVC 플랜트 및 해수전해설비 각각을 비상 운전할 수 있다.
본 발명의 시스템에 의하면, 나피온 막을 이용한 해수전해 공정에 연료전지 발전을 도입하여 에너지 효율을 높이고 REC(Renewable energy credit)를 취득할 수 있는 장점이 있다. 또한, 연료전지에서 생산된 전력을 Power grid에 연결하여 판매할 수 있으며, 이 전력을 본 발명에 따른 가성소다, 암모니아, 요소 및 PVC 각 생산공정의 전원으로 공급함으로써 화학 플란트의 경제성을 최대화할 수 있다. 또한, 인근 발전소에서 포집된 이산화탄소를 이용하여 요소를 생산하고, 해수전해설비에서 발생하는 염소로부터는PVC, 남은 부산물인 가성소다를 생산함으로서 이산화탄소를 를 줄이고 경제성을 최대화할 수 있다.
도 1은 일반적인 해수전해설비의 개략적인 구성도이다.
도 2는 PEMFC의 일예를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수전해설비에서 발생되는 폐수소를 활용한 연료전지 시스템의 개략 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수전해설비에서 발생되는 염소를 이용하여 PVC를 제조하는 공정도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수전해설비에서 발생되는 폐수소를 이용하여 암모니아를 제조하는 공정도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수전해설비에서 발생되는 폐수소를 이용하여 제조된 암모니아와 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 이용하여 요소를 제조하는 공정도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 가성소다를 제조할 수 있는 해수전해설비의 구체적인 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수전해설비에서 가성소다를 제조시 수반되는 화학반응식을 나타낸 도면이다.
도 9는 해수전해설비, 이를 이용한 연료전지, 가성소다 제조 플랜트, 암모니아 및 요소 제조 플랜트, PVC 제조 플랜트를 통합한 통합시스템의 구성도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 해수전해설비를 중심으로 하여 해수전해설비에서 발생하는 폐수소를 활용하여 전기를 발생시킬 수 있는 연료전지를 구현하고, 상기 연료전지와 전기적으로 연결되어 연료전지로부터 전원을 인가받아서 해수전해설비에서 가성소다를 생성하고, 또한, 해수전해설비에서 발생하는 염소를 이용하여 PVC를 제조하고, 나아가서 인근의 화력발전소에서 생성되는 이산화탄소와 해수전해설비에서 발생하는 수소를 이용하여 암모니아, 요소를 제조할 수 있는 화학 플랜트를 통합 운영하는 시스템인 것을 특징으로 한다.
먼저, 본 발명에 따른 해수전해설비(10)는 하기 도 1에 도시된 바와 같이, 정류기(11)를 통해 변환된 DC 전원을 각각 양극판(12a) 및 음극판(12b)에 연결하고, 해수를 통과시킴으로써 해수의 NaCl과 H2O가 반응하여 염소물질을 생성한다. 즉, 정류기를 통해 공급된 DC 전류에 의해 해수의 NaCl과 H2O가 전기분해되어 생성된 이온(Na, Cl, H, OH) 중 Cl은 양극으로 이동하여 염소(Cl2)를 만든다. 그리고, H는 음극으로 이동하여 수소기체(H2)를 발생시킨다. Cl보다 반응성이 큰 Na는 이온상태로 존재하다 OH와 결합하여 NaOH가 생성되고, 생성된 수산화나트륨(NaOH)은 염소(Cl2)와 반응하여 염소물질(NaOCl)을 생산하며, 공급되는 DC 전류의 크기에 따라 전기분해 양이 다르므로, 차아염소산나트륨 농도가 조절될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 해수전해설비는 나피온 멤브레인과 같은 이온교환막 방식의 해수전해 설비를 이용하여 차아염소산나트륨이 생성되지 않게 하고 이때 발생하는 수소, 염소, 가성소다를 이용하여 암모니아 및 요소, PVC, 가성소다를 제조한다.
즉, 하기 도 7 내지 도 8에 나타나 있는 바와 같이, 전해조(511)는 양이온실(512)과 음이온실(513)로 구성되어 있고, 이 양이온실(512) 및 음이온실(513) 사이에는 이 양이온실(512) 및 음이온실(513)을 구분하는 막(514)이 설치되어 있다.
양이온실(513)로는 눙축포화해수가 주입관(515)을 통하여 주입되어 반응하고 남은 폐해수와 전기분해시 발생하는 염소가스가 양이온실 배출관(516)을 통하여 양이온실 배출탱크(517)에 저장되고 염소가스는 다시 염소가스 배출관(518)을 통하여 배출되고 반응하고 남은 염수와 반응하지 않은 잔류해수는 폐해수 배출관(519)을 통하여 배출된다. 또한, 음이온실(513)로는 순수가 순수 주입관(520)을 통하여 주입되어 음이온실(513)에서 생성되는 반응물인 수소가스와 가성소다 수용액이 음이온실 배출관(521)을 통하여 음이온실 배출탱크(522)에 저장되고 수소가스는 다시 수소가스 배출관(523)을 통하여 배출되고 가성소다 수용액은 가성소다 수용액 배출관(524)을 통하여 배출된다. 이와 같이, 본 발명에 따른 해수전해설비를 통하여 가성소다(NaOH)를 제조할 수 있다. 구체적인 화학반응 관계는 하기 도 8 및 하기 반응식으로 설명된다.
[반응식]
2 Na+Cl-+ 2 H2O+2e- → H2 + 2 Cl-+ 2 NaOH
상기 가성소다, 염소, 수소의 발생에 필요한 전력의 일부는 본 발명에 따라 구비된 연료전지를 통하여 해결하므로, 경제적, 공정적 효율의 상승을 기대할 수 있다.
다음으로, 연료전지는 그 전해질 종류에 따라 인산 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융 탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 메탄올 연료전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell), 알칼리 연료전지(AFC, Alkaline Fuel Cell) 등 여섯 가지 종류 정도가 실용화되었거나 계획 중에 있다. 이 중, 고분자 전해질형 연료전지(Ploymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 출력 밀도가 높아 자동차용 등으로 많이 사용되고 있다.
본 발명에서는 발생하는 수소가 전처리 과정을 거친 고순도 이므로 고분자 전해질 연료전지가 적합하나, 전체 발전 효율을 고려하면 고온형 연료전지인 PAFC, MCFC, SOFC 도 가능하다.
하기 도 2는 자동차에 사용된 PEMFC 시스템의 일예를 나타내는 구성도이다.
PEMFC 시스템에서는 수소탱크(22)로부터 수소가 연료전지(23)에 공급되고, 압축기(21)에 의해 압축공기가 연료전지(23)에 공급되며, 상기 수소와 공기의 전기화학반응에 의해 생성된 열을 냉각하기 위해 라디에이터(24)를 지나는 냉각수가 연료전지를 냉각하게 된다.
본 발명은 해수전해설비에서 부가적으로 발생되는 페수소를 연료전지 시스템의 연료로 사용하여 전기를 생성하는 데에 그 특징이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폐수소를 활용한 연료전지 시스템(100)은, 발전 시스템에서 냉각수로 이용되는 해수를 전기분해하여 염소물질을 생성하는 해수전해설비(30); 상기 해수전해설비의 일측에 연결되어 상기 전기분해 과정에서 발생되는 폐수소를 이송하는 수소이송관(31); 및 상기 수소이송관에 연결되어 이로부터 공급되는 폐수소를 연료로 하여 전기를 생성하는 연료전지(40);를 포함한다.
하기 도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수전해설비에서 발생되는 폐수소를 활용한 연료전지 시스템(100)의 개략적인 구조도이다.
즉, 해수전해설비(30)에서 해수의 전기분해를 통해 발생되는 수소는 수소이송관(31)을 거쳐 연료전지(40)로 전달된다. 이 때, 상기 수소를 저장하기 위해 수소이송관에는 수소저장소(32)가 설치될 수 있으며, 연료전지(40)로 원활한 수소를 공급하기 위해 상기 수소이송관에 수소공급펌프 또는 이젝터(33)가 더 설치될 수 있다.
연료전지(40)는 다수개의 단위셀을 적층하여 이루어지며, 각 단위셀은 전해질막과, 이 전해질막을 사이에 두고 양측에 적층하는 연료극과 공기극, 그리고 이 연료극과 공기극의 외측에 적층하여 각각 연료극과 공기극에 각각 접촉하면서 순환할 수 있도록 하는 분리판으로 이루어져 있다. 그리고, 양측 분리판의 외측에는 집전전극을 형성하는 집전기를 각각 적층하고 있다. 연료전지의 구체적 내부구조는 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기와 같은 연료전지는 일정량의 수소가 수소저장소(31)로부터 수소공급펌프(33)에 의해 펌핑되어 연료전지(40) 내부의 연료극으로 공급되고, 이와 함께 연료전지 내부로 공기가 공급되어 연료극으로 공급된 수소와 함께 산화반응과 환원반응을 일으키면서 전기에너지를 발생시키게 된다.
여기서 발생되는 전기에너지는 직류전압이므로, 별도의 정류기 없이도 해수전해설비의 전기분해의 전원으로 사용될 수 있다. 즉, 연료전지에서 발생되는 DC 전압를 해수전해설비의 극판에 공급함으로써 연료전지에서 발생되는 전력의 일부를 해수전해설비를 가동하는 데에 사용될 수 있다.
이와 같이, 연료전지로부터 발생되는 DC 전압을 직접 해수전해설비에 사용하게 되면, 버려지는 폐수소를 이용하여 전기를 생산해 낼 수 있다는 장점 이외에도 별도의 정류기가 필요치 않으므로, 정류기의 효율(대략 50%) 만큼의 에너지 손실을 줄일 수 있는 부가적인 이점도 있다. 따라서, 종래의 해수전해설비에 전원을 공급하는 전원공급부(15)를 연료전지가 대체할 수 있다.
또한, 연료전지(40)에서 발생되는 전기에너지는 DC/AC 컨버터(41)를 통해 가정용으로 필요한 교류전압으로 전환되어 전력 판매에 이용될 수 있고, 후술하는 PVC 플랜트, 요소 및 암모니아 플랜트의 전력원으로로 일부 사용할 수 있어 화학플랜트 시스템을 친환경적으로 가동하면서 동시에 효율을 증가시킬 수 있다.
한편, 연료전지에서 발생되는 열은 냉각수를 이용하여 제거되며, PEMFC의 경우 바람직한 동작온도가 대략 60 ℃내지 80 ℃이므로, 연료전지의 반응성 향상 및 예열을 위해 연료전지 내부로 유입되는 냉각수의 온도는 대략 60 ℃인 것이 바람직하다. 여기서, 연료전지의 냉각수로는 순수가 사용될 수 있다.
연료전지로 공급되는 냉각수(제2 냉각수)의 온도를 대략 60 ℃로 승온시키기 위해, 발전 시스템(1)에서 배출되는 냉각수(제1 냉각수)의 폐열을 이용할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 발전 시스템 또는 화학플랜트(1)에서 배출되는 제1 냉각수와 상기 연료전지로 유입되는 제2 냉각수의 열을 상호 열교환 해주는 열교환기(50)를 더 포함할 수 있다.
발전 시스템 또는 화학플랜트로부터 냉각과정을 거친 제1 냉각수의 온도는 대략 90 ℃이며, 종래에는 이 냉각수를 별도의 냉각시스템을 이용하여 냉각시킨 후 주변 해수로 배출하였다. 하지만, 본 발명에서는 제1 냉각수가 지니고 있는 폐열을 연료전지에 유입되는 제2 냉각수를 가열하는 데에 이용할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 제1 냉각수와 제2 냉각수 간의 상호 열교환을 위한 열교환기(50)를 구비함으로써 종래 발전 시스템 또는 화학플랜트에서 버려지는 폐열을 연료전지를 구동하는 데에 재활용할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료전지로부터 배출되는 냉각수를 열원으로 하는 난방장치(60)를 더 포함할 수 있다. 연료전지로부터 배출되는 제1 냉각수의 온도는 대략 80 ℃이며, 이 제2 냉각수를 냉각수순환관(42)을 통해 난방장치에 공급함으로써 연료전지의 폐열을 재활용할 수 있다. 그리고, 이 냉각수순환관(42)은 상기 제2 냉각수가 열교환기(50), 연료전지(40) 및 난방장치(60)를 통과하여 순환하도록 배치될 수 있다.
따라서, 연료전지로부터 배출된 제2 냉각수가 지니는 폐열은 난방장치에 활용되고, 난방장치를 통과하면서 온도가 낮아진 제2 냉각수는 열교환기(50)에서 상기 제1 냉각수와 열교환되어 대략 60 ℃ 정도로 승온된 후, 다시 연료전지 내부로 들어가 연료전지를 냉각시키게 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)은 해수전해설비에서 발생되는 폐수소를 연료로 하여 전기를 발생시키고, 발전 시스템에서 버려지는 폐열을 이용하여 연료전지를 예열 및 냉각시키며, 연료전지의 냉각 후 발생되는 폐열을 다시 난방장치에 이용함으로써 발전 시스템, 화학 플랜트 및 연료전지 시스템의 폐열 및 해수전해설비의 폐수소를 획기적으로 재활용할 수 있다.
다음으로, 본 발명은 본 발명의 일 실시예에 다른 상기의 해수전해설비에서 발생하는 염소를 이용하여 폴리비닐클로라이드(PVC)를 생산하는 플랜트를 동시에 구비할 수 있다.
하기 도 4에 도시된 바와 같이, 해수전해설비(201)에서 발생하는 염소는 염소이송관을 통하여 염소저장소로 이동하고, 이로부터 염소를 공급받을 수 있다. 또한, PVC 제조에 필요한 에틸렌은 크랙킹 공정탑(202)을 통하여 에틸렌을 공급받을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 PVC 플랜트는 상기 염소와 질소를 이용하여 비닐클로라이드모노머(VCM)를 생산하는 VCM 반응기(203)를 구비하고, 이후 이를 중합하여 PVC를 생산하는 PVC 반응기(204)를 구비한다. 또한, PVC를 다양한 물성을 갖는 소재로 생산하기 위하여 블렌드 반응기를 더 구비할 수 있다.
다음으로, 본 발명은 본 발명의 일 실시예에 따른 상기의 해수전해설비에서 발생하는 수소를 이용하여 연료전지 시스템을 구현함과 동시에 수소를 활용하여 액체 암모니아를 생산하는 암모니아 플랜트를 동시에 구비할 수 있다.
하기 도 5에 도시된 바와 같이, 암모니아 플랜트(300)는 공기로부터 질소를 생성하는 냉동기(301) 및 상기 수전해설비에서 발생하는 수소가스와 상기 질소를 혼합한 후 반응시켜서 요소를 생성하는 합성탑을 포함하고, 상기 합성탑은 수소와 질소를 혼합하는 혼합기(303), 상기 혼합가스를 고온, 고압에서 압축하여 반응시키는 반응기(304) 및 상기 반응기를 냉각시켜서 액체 암모니아를 생성하는 냉각기(305)를 포함한다.
상기 합성탑에서는 수소와 질소를 3 : 1의 부피비로 혼합한 후, 450-550 ℃, 150-1000 기압에서 반응시킨 후, 20-30 ℃로 냉각한 후 액체 암모니아를 생성한다. 여기서, 암모니아 플랜트 가동 전력은 본 발명에 따른 연료전지로부터 일부 제공받을 수 있으며, 상술한 연료전지와 같이, 반응탑과 연료전지의 냉각수간의 열교환을 통하여 전체 공정의 에너지 효율을 높일 수 있다.
또한, 질소는 냉동기를 이용하여 공기를 액화시킬 때 질소의 끓는점이 낮으므로 먼저 기체 상태로 분리되므로 순도 높은 질소를 얻을 수 있으며, 이때 냉동기 전력 역시 그 일부는 본 발명에 따른 연료전지 시스템으로부터 공급받을 수 있다.
또한, 수소와 질소를 3 : 1 부피비가 되게 혼합한 후 본 발명에 따른 폐수소를 이용한 연료전지 시스템으로부터 공급되는 전력을 이용하여 압축기를 가동하고, 150-1000 기압 정도의 고압, 온도 450-550 ℃의 고온에서 철을 주성분으로 하는 촉매를 충진한 합성탑에서 반응시켜 암모니아를 생산한다. 상기 촉매는 사삼산화철에 K2O, Al2O3, CaO 및 SiO2 중에서 선택되는 어느 하나의 촉진제를 소량 포함시킨 것을 사용한다.
다음으로, 본 발명은 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 암모니아 플랜트에서 발생하는 암모니아를 이용하여, 연료전지 시스템을 구현함과 동시에 요소를 생산하는 요소 플랜트를 동시에 구비할 수 있다.
요소 플랜트는 화력 발전 시스템을 이용할 경우에 특히 적용할 수 있는 것으로서, 암모니아 플랜트에서 생성된 암모니아와 화력 발전소에서 포집된 이산화탄소를 고압 액화하여 원료로 사용하여 요소를 제조한다.
하기 도 6에 도시된 바와 같이, 요소 플랜트(400)는 상기 암모니아 플랜트에서 생성된 액체 암모니아(404)와 이산화탄소를 반응시켜 요소와 물을 생성하는 합성기(405), 상기 합성기에서 생성된 물을 제거하는 농축기(406) 및 상기 생성된 요소를 입상화시키는 입상화기(407)를 포함한다.
또한, 화력 발전 시스템의 배가스탑(401)에서 이산화탄소 분리기(402)를 통하여 분리된 이산화탄소를 이용한다.
상기 합성기에서 액체 암모니아와 이산화탄소를 150-200 ℃, 120-400 기압 하에서 반응시켜서 요소와 물을 생성하고, 이후 감압 농축하여 물을 제거하고, 입상화시켜서 입상 요소를 생성한다.
암모니아는 연료전지로부터 공급되는 전력을 이용하여 압축 액화하여 액체암모니아 저장 태크(404)에 저장하고 이산화탄소는 화력발전소 내부의 이산화탄소 분리기(403)에서 얻어져 정제된 것을 사용한다. 액체 암모니아와 액체 이산화탄소를 150-200 ℃, 120-400 기압 하에서 반응시키면 카바민산암모늄을 거쳐 요소로 합성된다.
여기서 반응물은 암모니아, 물, 카바민산암모늄, 이산화탄소를 함유하는데 여기서 요소를 분리하고, 요소액은 열 방출을 통하여 감압시켜 농축하여 결정요소 입상요소로 생산되며, 미반응물은 다시 합성탑으로 돌려보내거나 황산암모늄 등으로 회수한다.
상기와 같이, 화력 발전 시스템으에서 배출되는 이산화탄소를 이용하여 요소를 생산하는 요소 플랜트를 동시에 구비할 경우에, RPS(Renewable Portfolio Standard)제도가 시행됨에 따라 이산화타소 배출 저감되는 발전 및 공정으로 활용이 가능하다.
마지막으로, 본 발명은 해수전해설비에서 발생하는 폐수소를 이용한 염료전지 시스템, 해수전해설비로부터 가성소다를 제조하는 시스템, 해수전해설비에서 발생하는 폐수소를 이용한 암모니아 및 요소를 제조하는 시스템, 해수전해설비에서 발생하는 염소를 이용한 PVC 제조 시스템을 동시에 구비하는 통합시스템을 제공할 수 있다.
하기 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 통합 시스템(600)은 해수전해설비(602)를 기준으로 4 개의 플랜트를 구성할 수 있으며, 각 플랜트는 암모니아 및 요소 생산 플랜트(601), 연료전지 시스템(603), 가성소다 생산 플랜트(604), PVC 생산 플랜트(605)로서, 연료전지와 연결된 내부 전력망과 전기적으로 연결이 가능하고, 외부 전력망(power grid)과도 연결된다.
본 발명에 따른 통합 시스템은 수소를 생산하는 해수전해설비의 효율은 외부 전력이 정류기 (AC-DC) 및 수전해를 거치므로 50% 정도로 떨어지게 된다. 이때 발생하는 수소로 연료전지 발전을 할 경우 효율도 50% 정도이므로 결과적으로 Input AC 외부 전력의 20-40% 정도만을 연료전지 발전을 해서 Grid에 제공하여 판매할 수 있는 있는 것을 특징으로 한다.
RPS 제도하의 전기요금이 200 원/kwh, 산업용 전기는 50 원/kwh로서, 4 배 정도 차이가 나므로, 30 MW 정도의 수전해설비를 사용하여 7.5 MW 연료전지 발전을 하고 남는 수소 및 부산물로서 본 발명에 따른 각 플랜트를 가동한다면, 전기료가 들지 않고 수익의 극대화를 이룰 수 있다. 또한, 정전시 수소 저장소의 수소를 이용하여 연료전지를 비상 발전용으로도 사용이 가능하므로, 본 발명에 따른 각 플랜트에서의 정전 사태에도 대비할 수 있는 장점이 있다.

Claims (14)

  1. (a) 발전 시스템 또는 화학플랜트에서 사용되는 해수를 전기분해하여 염소물질을 생성하는 해수전해설비;
    (b) 상기 해수전해설비의 일측에 연결되어 상기 전기분해 과정에서 발생되는 폐수소를 이송하는 수소이송관 및 이송된 수소가 저장되는 수소저장소;
    (c) 상기 수소저장소에 연결되어 이로부터 공급되는 폐수소를 연료로 하여 전기를 생성하는 연료전지;
    (d) 상기 해수전해설비의 일측에 연결되어 상기 전기분해 과정에서 발생되는 염소를 이송하는 염소이송관 및 이송된 염소가 저장되는 염소저장소;
    (e) 상기 염소저장소에 연결되어 이로부터 공급되는 염소를 이용하여 PVC를 제조하는 PVC 플랜트;
    (f) 상기 수소저장소에 연결되어 이로부터 공급되는 폐수소를 이용하여 암모니아를 제조하는 암모니아 플랜트; 및
    (g) 상기 암모니아 플랜트에서 제조된 암모니아를 이용하여 요소를 제조하는 요소 플랜트;를 포함하는 통합 시스템으로서, 상기 해수전해설비는 분리막에 의하여 구분되는 양이온실과 음이온실을 구비하고,
    상기 양이온실은 포화농축해수 주입관, 폐해수 배출관 및 염소 가스 배출구를 포함하고, 상기 음이온실은 순수 주입관, 가성소다 배출구 및 수소가스 배출구를 포함하며,
    상기 수소 가스 배출구는 상기 수소이송관과 연결되고, 상기 염소 가스 배출구는 상기 염소이송관과 연결되며,
    상기 양이온실과 음이온실에 설치된 양극판과 음극판에 전원을 인가하여 전기분해하여 염소 가스, 수소 가스 및 가성소다를 각각 분리 배출하는 것을 특징으로 하는 통합 시스템..
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  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 해수전해설비, 상기 PVC, 요소, 암모니아 플랜트는 각각 상기 연료전지와 전기적으로 연결되어 상기 연료전지에서 발생되는 전기에 의해서 가동되고,
    상기 연료전지는 발생되는 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 DC/AC 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 통합 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 PVC 플랜트는 에틸렌을 생성하는 크랙킹 공정탑; 상기 수전해설비에서 발생하는 염소가스와 상기 에틸렌을 이용하여 비닐클로라이드모노머(VCM)을 생산하는 VCM 반응기; 및 상기 생성된 VCM을 이용하여 PVC를 제조하는 PVC 반응기;를 포함하는 통합 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 암모니아 플랜트는 공기로부터 질소를 생성하는 냉동기; 및 상기 수전해설비에서 발생하는 수소가스와 상기 질소를 혼합한 후 반응시켜서 요소를 생성하는 합성탑을 포함하고,
    상기 합성탑은 수소와 질소를 혼합하는 혼합기; 상기 수소와 질소의 혼합가스를 고온, 고압에서 압축하여 반응시키는 반응기; 및 상기 반응기를 냉각시켜서 액체 암모니아를 생성하는 냉각기;를 포함하며,
    상기 합성탑에서 수소와 질소를 3 : 1의 부피비로 혼합한 후, 450-550 ℃, 150-1000 기압에서 반응시킨 후, 20-30 ℃로 냉각한 후 액체 암모니아를 생성하는 것을 특징으로 하는 통합 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 냉동기는 상기 연료전지와 전기적으로 연결되어 상기 연료전지에서 발생되는 전기에 의해서 가동되는 것을 특징으로 하는 통합 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 반응기는 사삼산화철 및 K2O, Al2O3, CaO 및 SiO2 중에서 선택되는 어느 하나의 촉진제를 포함하는 촉매가 충진된 것을 특징으로 하는 통합 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 요소 플랜트는 상기 암모니아 플랜트에서 생성된 액체 암모니아와 이산화탄소를 반응시켜 요소와 물을 생성하는 합성기; 상기 합성기에서 생성된 물을 제거하는 농축기; 및 상기 생성된 요소를 입상화시키는 입상화기;를 포함하고,
    상기 합성기에서 액체 암모니아와 이산화탄소를 150-200 ℃, 120-400 기압 하에서 반응시켜서 요소와 물을 생성하고, 이후 감압 농축하여 물을 제거하고, 입상화시켜서 입상 요소를 생성하는 것을 특징으로 하는 통합 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 요소 플랜트에 사용되는 이산화탄소는 화력 발전소의 배가스탑에서 이산화탄소 분리기를 통하여 분리된 이산화탄소를 고압 액화하여 수득한 것을 특징으로 하는 통합 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지는 상기 발전 시스템 또는 화학 플랜트로부터 배출되는 제1 냉각수와 상기 연료전지로 유입되는 제2 냉각수의 열을 상호 열교환 해주는 열교환기를 더 포함하고,
    상기 연료전지는 상기 연료전지로부터 배출되는 제2 냉각수를 열원으로 하는 난방장치를 추가로 포함하며,
    상기 난방장치는 상기 열교환기와 냉각수 순환관에 의해 연결되어, 상기 제2 냉각수가 상기 연료전지, 상기 난방장치 및 상기 열교환기를 통과하면서 순환되는 것을 특징으로 하는 통합 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지는 상기 암모니아 플랜트 및 요소 플랜트로부터 배출되는 제3 냉각수와 상기 연료전지로 유입되는 제2 냉각수의 열을 상호 열교환 해주는 열교환기를 더 포함하고,
    상기 연료전지는 상기 연료전지로부터 배출되는 제2 냉각수를 열원으로 하는 난방장치를 추가로 포함하며,
    상기 난방장치는 상기 열교환기와 냉각수 순환관에 의해 연결되어, 상기 제2 냉각수가 상기 연료전지, 상기 난방장치 및 상기 열교환기를 통과하면서 순환되는 것을 특징으로 하는 통합 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지는 상기 암모니아 플랜트, 요소 플랜트, PVC 플랜트 및 해수전해설비 각각과 내부 전력망을 통해 연결되어 있으며 DC-DC 및 DC-AC 컨버터를 통하여 외부 전력망(Power Grid)과 연결되어 연료전지에서 발생하는 전기를 외부전력망을 통하여 일부 송전하고 남은 전기로 상기 암모니아 플랜트, 요소 플랜트, PVC 플랜트 및 해수전해설비 각각을 운전하는 것을 특징으로 하는 통합 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 외부 전력망이 단전될 시에 상기 연료전지는 수소저장소에 충전된 수소를 연료로 상기 암모니아 플랜트, 요소 플랜트, PVC 플랜트 및 해수전해설비 각각에 내부 전력망을 통해 전력을 공급함으로써 상기 암모니아 플랜트, 요소 플랜트, PVC 플랜트 및 해수전해설비 각각을 비상 운전하는 것을 특징으로 하는 통합 시스템.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016021876A1 (ko) * 2014-08-08 2016-02-11 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 염소 또는 염소계 활성물질을 생산하는 이차전지， 이를 이용한 선박 평형수 처리 장치 및 처리 방법
KR20170018950A (ko) * 2014-06-16 2017-02-20 지멘스 악티엔게젤샤프트 간헐적 리뉴어블 에너지 소스로부터의 에너지를 사용하여 에너지 그리드를 공급하기 위한 시스템 및 방법
KR20170020464A (ko) * 2014-06-16 2017-02-22 지멘스 악티엔게젤샤프트 간헐적 리뉴어블 에너지 소스로부터의 에너지를 사용하여 에너지 그리드를 공급하기 위한 시스템 및 방법
KR102005805B1 (ko) * 2018-06-05 2019-10-01 (주)케이워터크레프트 Ai기반 해양정보 조사 및 감시를 위한 에너지 자립형 해양 드론 및 그의 방법
KR102257467B1 (ko) * 2020-12-24 2021-06-01 한국해양과학기술원 암모니아 생산 플랫폼 및 생산 방법
KR20230105243A (ko) * 2022-01-03 2023-07-11 한국세라믹기술원 마이크로파 가열을 이용한 수산화나트륨의 제조방법

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017098039A (ja) * 2015-11-20 2017-06-01 東京瓦斯株式会社 副生水素利用システム
WO2017216272A1 (de) 2016-06-16 2017-12-21 Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers Gmbh Verfahren und anlage zur bereitstellung von nachhaltigem polyvinylchlorid (pvc)
DE102016210841A1 (de) 2016-06-17 2017-12-21 Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers Gmbh Verfahren zur Bereitstellung von nachhaltigem Polyvinylchlorid (PVC)
JP7163853B2 (ja) * 2019-04-11 2022-11-01 株式会社豊田自動織機 改質システム及びエンジンシステム
KR20220050256A (ko) * 2020-10-15 2022-04-25 현대자동차주식회사 연료 전지 시스템을 구비하는 차량
TW202235372A (zh) * 2020-12-17 2022-09-16 丹麥商托普索公司 回收綠色氨製造中所產生之餘熱之方法
US20230357941A1 (en) * 2022-05-06 2023-11-09 Ohmium International, Inc. Systems and methods for hydrogen and ammonia production
CN115536553A (zh) * 2022-09-20 2022-12-30 北京清新环境技术股份有限公司 一种利用烟气中二氧化碳和电解制氢耦合的碳减排系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060243585A1 (en) * 2003-07-23 2006-11-02 Jeffrey J. Spiegelman And Daniel Alvarez, Jr Method for the point of use production of ammonia from water and nitrogen

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4180547A (en) * 1977-11-25 1979-12-25 Ecodyne Process for recovery of chemicals from saline water
US20050211567A1 (en) * 2004-03-29 2005-09-29 Fleming Edward A Apparatus and method for integrated hypochlorite and hydrogen fuel production and electrochemical power generation
KR20070010742A (ko) * 2005-07-18 2007-01-24 주식회사 정일테크 연료전지를 사용한 전원공급장치
CN101981744A (zh) * 2007-04-03 2011-02-23 新空能量公司 用于产生可再生氢并截留二氧化碳的电化学系统、装置和方法
WO2009048685A1 (en) * 2007-10-11 2009-04-16 Los Alamos National Security Llc Method of producing synthetic fuels and organic chemicals from atmospheric carbon dioxide
KR101628664B1 (ko) * 2009-12-29 2016-06-10 재단법인 포항산업과학연구원 전로 가스를 이용한 암모니아 제조방법 및 요소 제조방법
KR101215336B1 (ko) * 2010-06-14 2012-12-26 주식회사 엑스에프씨 해수전해설비에서 발생되는 폐수소를 활용한 연료전지 시스템

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060243585A1 (en) * 2003-07-23 2006-11-02 Jeffrey J. Spiegelman And Daniel Alvarez, Jr Method for the point of use production of ammonia from water and nitrogen

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Buried Pipe Design/A.P.Moser-2nd ed., 2001*

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170018950A (ko) * 2014-06-16 2017-02-20 지멘스 악티엔게젤샤프트 간헐적 리뉴어블 에너지 소스로부터의 에너지를 사용하여 에너지 그리드를 공급하기 위한 시스템 및 방법
KR20170020464A (ko) * 2014-06-16 2017-02-22 지멘스 악티엔게젤샤프트 간헐적 리뉴어블 에너지 소스로부터의 에너지를 사용하여 에너지 그리드를 공급하기 위한 시스템 및 방법
KR101884282B1 (ko) 2014-06-16 2018-08-01 지멘스 악티엔게젤샤프트 간헐적 리뉴어블 에너지 소스로부터의 에너지를 사용하여 에너지 그리드를 공급하기 위한 시스템 및 방법
KR101884938B1 (ko) 2014-06-16 2018-08-29 지멘스 악티엔게젤샤프트 간헐적 리뉴어블 에너지 소스로부터의 에너지를 사용하여 에너지 그리드를 공급하기 위한 시스템 및 방법
US10323544B2 (en) 2014-06-16 2019-06-18 Siemens Aktiengesellschaft System and method for supplying an energy grid with energy from an intermittent renewable energy source
WO2016021876A1 (ko) * 2014-08-08 2016-02-11 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 염소 또는 염소계 활성물질을 생산하는 이차전지， 이를 이용한 선박 평형수 처리 장치 및 처리 방법
KR102005805B1 (ko) * 2018-06-05 2019-10-01 (주)케이워터크레프트 Ai기반 해양정보 조사 및 감시를 위한 에너지 자립형 해양 드론 및 그의 방법
WO2019235842A1 (ko) * 2018-06-05 2019-12-12 (주)케이워터크레프트 Ai기반 해양정보 조사 및 감시를 위한 에너지 자립형 해양 드론 및 그의 방법
US11014837B2 (en) 2018-06-05 2021-05-25 KWaterCraft Co., Ltd. Energy self-contained oceanic drone for AI-based marine information survey and surveillance and method using same
KR102257467B1 (ko) * 2020-12-24 2021-06-01 한국해양과학기술원 암모니아 생산 플랫폼 및 생산 방법
KR20230105243A (ko) * 2022-01-03 2023-07-11 한국세라믹기술원 마이크로파 가열을 이용한 수산화나트륨의 제조방법
KR102607849B1 (ko) 2022-01-03 2023-11-30 한국세라믹기술원 마이크로파 가열을 이용한 수산화나트륨의 제조방법

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