KR101314238B1

KR101314238B1 - 원자력 발전 설비, 수전해 설비 및 연료전지 발전 설비와 연계된 고온증기 전기분해 장치를 이용한 수소 생산 시스템

Info

Publication number: KR101314238B1
Application number: KR1020130003549A
Authority: KR
Inventors: 이주형
Original assignee: 주식회사 엑스에프씨
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2013-10-02

Abstract

본 발명은 원자력 발전 설비, 수전해설비 및 연료전지 발전 설비와 연계된 고온증기 전기분해 장치를 이용한 수소 생산 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면 연료전지 발전 시스템에서 나오는 폐열을 고온 증기 전기분해에 활용함으로서, 수소 생산 시스템의 효율을 향상시킬 수 있고, 연료전지 및 원자력 발전에서 발생하는 전력을 시스템 각 설비의 전원으로 이용할 수 있어 시스템 효율은 더욱 향상된다. 또한, 수전해 설비와 고온 증기 전기분해 장치에서 생성되는 수소를 통하여 연료전지 발전을 유지 조절할 수 있을 뿐만 아니라 연계된 원자력 발전의 비상 발전 시스템도 구비할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 시스템에 의해서 수전해, 원자력, 연료전지 및 각종 화학 플랜트의 복합 시스템을 구현할 수 있다.

Description

원자력 발전 설비, 수전해 설비 및 연료전지 발전 설비와 연계된 고온증기 전기분해 장치를 이용한 수소 생산 시스템{Hydrogen production system using high temperature steam electrolysis connected with nuclear power plant, electrolyzer of water and fuel cell power generation system}

본 발명은 원자력 발전 설비, 수전해설비 및 연료전지 발전 설비와 연계된 고온증기 전기분해 장치를 이용한 수소 생산 시스템에 관한 것이다.

수소는 미래의 근본적인 동력원으로서, 그리고 무한 청정 에너지로서 화석연료 체제 하의 에너지 고갈 위기와 탄산가스로 인한 환경문제에 대처할 수 있는 유일무이한 대안으로 부각되고 있다. 또한, 청정 재생에너지원을 이용해야 한다는 요구가 급격히 증대되고 있는데, 현재 태양, 풍력 에너지원이 일부 이를 대체하고 있으나 시간적, 공간적으로 제약되고 비용이 너무 높아 여전히 한계점을 갖고 있다. 반면에 수소는 이러한 단점을 보완할 수 있는 에너지로서 여러 가지 수소 생산 방법으로 제조되고 있다.

그 중에서 수전해는 재생에너지 혹은 원자력과 결부된다면 탄소를 배출하지 않고서 수소를 생산할 수 있는 확립된 기술이긴 하나 높은 전기소모가 여전히 상업화에 걸림돌이 되고 있다. 또한, 고온전기분해는 고온에서 에너지가 적게 소모되므로 전기소모는 해결되나, 여전히 고온의 에너지 공급이 문제되고 있다.

최근에는 원자력 발전에서 사용되는 초고온가스로(VHTR)의 고온 수증기를 이용하여 여러 방식이 열화학적 수소 생산이 제안되고 있다. 현재까지 제안되고 있는 기술이 VHTR의 고온 스팀을 이용한 황-요오드 열화학 사이클(Sulfur-Iodine Thermochemical Cycle) 방식과 VHTR-고온증기 전기분해(HTSE) 방식이다. VHTR-SI 방식은 고온에서 발생하는 부식이 문제가 되고 있고, VHTR-HTSE 방식은 투입 에너지 대비 시스템의 효율이 낮다는 문제점을 갖고 있다. 또한, 이러한 문제를 해결하기 위하여 최근에 HTSE 방식을 이용하면서, HTSE의 출구에서 발생하는 고온의 열을 다시 활용하는 방식이 제안되고 있으나 여전히 활용 효율이 낮은 문제점을 갖고 있다.

따라서, VHTR과 연계된 고온증기 전기분해 방식을 이용하면서 전체 수소 생산 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 수소 생산 방식이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 원자력 발전 설비, 수전해설비, 연료전지 발전 설비 등과 연계되어 전체적으로 수소 생산 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 고온증기 전기분해를 이용한 수소 생산 시스템을 제공하고자 하는 것이다. 또한, 수전해설비와 고온증기 전기분해를 이용한 수소 생산과 더불어 연료전지 발전설비와도 연계되어 신재생 에너지를 확보할 수 있는 수소 생산 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 원자력 발전 설비, 연료전지 발전 설비 및 수전해 설비가 연계되고, 고온 증기 전기분해 장치를 이용한 수소 생산 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 수소 생산 시스템은 공기가 주입되는 애노드, 수증기와 수소의 제1 혼합기체가 주입되는 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 구비되는 전해질을 포함하고, 전기분해 반응을 수행하여 수소 및 산소를 생산하는 고온 증기 전기분해 스택부;

상기 캐소드로 주입되는 제1 혼합기체가 유입되는 제1 혼합기체 유입구와 상기 애노드로 주입되는 공기가 유입되는 공기 유입구;

상기 제1 혼합기체 중의 증기를 가열하는 제1 가열기;

상기 캐소드 및 애노드로 주입되는 제1 혼합기체 및 공기를 가열하는 제2 가열기;

상기 캐소드에서 발생된 수소와 수증기를 포함하는 제2 혼합기체를 수소와 수증기로 분리하기 위한 응축기와 분리기;

상기 분리기에서 분리된 수소가 이송되어 저장되는 수소 저장 탱크;

상기 애노드에서 발생된 산소가 이송되어 저장되는 산소 저장 탱크; 및

상기 분리기와 수소 저장 탱크 사이 및 상기 애노드와 산소 저장 탱크 사이에 구비되어 산소와 수소를 냉각시키는 냉각기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 수증기는 상기 원자력 발전의 고온 가스로(HTR)에서 발생한 수증기일 수 있고, 상기 제1 가열기 및 제2 가열기는 연료전지 발전에서 발생한 폐열을 이용하여 가열될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 수전해 설비는 상기 원자력 발전에 공급되는 냉각수를 이용하여 수소를 생산하며, 상기 생산된 수소는 상기 수소 저장 탱크로 이송되어 저장될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 수증기는 상기 원자력 발전의 터빈에서 나온 추기(extraction steam)일 수 있고, 상기 추기는 상기 냉각기로 이동되어 수소와 산소를 냉각시킨 후 제1 가열기로 이송되며, 상기 제1 가열기로 이송되어 가열된 추기는 제1 혼합기체 유입구로 이동한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 분리기에서 분리된 수증기는 상기 제1 혼합기체 유입구로 이동하여 제1 혼합기체의 수증기로 이용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 공기 유입구는 상기 산소 저장 탱크와 연결되고, 공기 유입구와 제2 가열기 사이에 제1 블로워를 더 구비할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 혼합기체 유입구와 수소 저장 탱크 사이에 제2 블로워를 더 구비할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 고온 증기 전기분해 스택부를 운영하는 전력은 상기 원자력 발전에서 생성된 전력을 이용하거나 또는 상기 연료전지 발전에서 생성된 전력을 이용하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 수전해 설비를 운영하는 전력은 상기 연료전지 발전에서 생성된 전력을 이용하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 혼합기체 중 수소는 제1 혼합기체 전체 기준 10-50 부피%이고, 캐소드로 주입시 제1 혼합기체는 제1 가열기와 제2 가열기에 의해서 650-950 ℃로 가열되어 주입되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제2 혼합기체 중 수소는 제2 혼합기체 전체 기준 60-90 부피%일 수 있다.

본 발명에 따르면 연료전지 발전 시스템에서 나오는 폐열을 고온 증기 전기분해에 활용함으로서, 수소 생산 시스템의 효율을 향상시킬 수 있고, 연료전지 및 원자력 발전에서 발생하는 전력을 시스템 각 설비의 전원으로 이용할 수 있어 시스템 효율은 더욱 향상된다. 또한, 수전해 설비와 고온 증기 전기분해 장치에서 생성되는 수소를 통하여 연료전지 발전을 유지 조절할 수 있을 뿐만 아니라 연계된 원자력 발전의 비상 발전 시스템도 구비할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 시스템에 의해서 수전해, 원자력, 연료전지 및 각종 화학 플랜트의 복합 시스템을 구현할 수 있다.

도 1은 일반적인 원자력 발전 설비의 개략 구성도이다.
도 2는 일반적인 수전해 설비의 개략 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 고온 증기 전기분해 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따라 원자력 발전 설비, 연료전지 발전 설비 및 수전해 설비가 연계되고, 고온 증기 전기분해 장치를 이용한 수소 생산 시스템의 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

본 발명은 원자력 발전, 연료전지 발전, 수전해 설비 및 고온 증기 전기분해 설비가 연계된 수소 생산 통합 시스템에 관한 것이다.

구체적으로 원자력 발전의 고온가스로(HTR)에서 발생하는 수증기(스팀)을 활용하여 고온 증기 전기분해장치(HTSE)를 이용하여 수소 생산의 효율을 향상시킨 시스템으로서, 원자력 발전에서 나오는 폐수를 이용한 수전해 설비가 연계되어 수소 생산 효율을 더욱 높이고, 고온 증기 전기분해장치와 수전해설비에서 생성된 수소를 통하여 연료전지 발전을 구현하여 여기에서 생성된 전력을 각 시스템의 전력 및 비상전력으로 활용할 수 있는 것을 특징으로 한다.

일반적으로 원자력 발전 시스템(10)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 핵반응이 일어나는 반응기(2), 이 반응기의 냉각 및 열교환을 위한 열교환 수단(3), 이 열교환 수단(3)으로부터 생성되는 스팀을 이용하여 발전하는 터빈(6) 및 발전기(7)와 증기를 냉각시켜 주는 냉각수단(8)을 포함하여 이루어진다. 또한, 고온의 스팀 발생을 위해 스팀 발생기(4)를 더 포함하여 구성되고, 상기 터빈(6)은 터빈에서 빠져나오는 추기(extraction steam)를 배출하는 추기 배출구(9)를 더 포함한다. 발전기(7)에서 생성된 전력은 변압기(100), 개폐소(101), 송전탑(102)으로 이동된다.

또한, 도 2를 참조하면, 수전해설비(20)는 정류기(11)를 통해 변환된 DC 전원을 각각 양극판(12a) 및 음극판(12b)에 연결하고, 전해수로 일례로 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 생산한다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고온 증기 전기분해 수소 생산 장치(43)는 고온 고압의 증기를 전기분해하여 수소(H₂)와 산소(O₂)를 생산하는 장치로서, 수소 및 증기의 제1 혼합 기체가 주입되는 캐소드(41), 공기가 주입되는 애노드(42) 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 구비되는 전해질(44)을 포함한다. 주입된 고온의 증기는 캐소드 멤브레인에서 산소를 이온화시키면서 분리되어 수증기와 수소가 일정비율로서 전해질(44)로 입력되며, 산소는 애노드에서 생성되어 배출되고, 캐소드에서는 생성된 수소와 증기가 함께 배출되는데, 이때 수소는 응축기(미도시)와 분리기(45)를 통과하면서 증기와 분리되어 수소만 수소 저장탱크로 이송된다. 분리된 증기는 다시 제1 혼합기체 유입구(46)로 이동하여 다시 주입된다. 다만, 일정 비율의 반응비를 만들기 위해 수소 저장 탱크(50)로부터 수소를 공급받아 수소를 일부 포함한 증기, 즉 제1 혼합기체로 다시 캐소드(41)로 주입된다.

한편, 상기 전해질(44)은 Ni/YSZ 복합체 또는 산화지르코늄 등의 전극 멤브레인과 YSZ, scandium doped zirconia(SDZ), strontium doping lanthanum gallate(SDLG) 등의 전해질로 구성되고, 전력 공급부(54)에 의해 공급되는 전기가 흘러 들어가면 수증기는 수소와 산소로 분해된다.

또한 상기 응축기는 캐소드에서 수소와 증기가 함께 배출되기 때문에 증기 제거를 위함이며, 분리기(45)는 증기가 제거된 수소를 수소 저장탱크(50)로 보내고, 제거된 증기를 다시 캐소드(41)로 보내기 위한 장치이다.

상기 수소 저장탱크(50)는 분리기(45)에서 배출한 순수한 수소를 냉각기(48)를 거쳐서 저장하는 탱크이고, 산소 저장탱크(49)는 애노드(42)에서 생성된 산소를 냉각기(48)를 거쳐서 저장하는 탱크이다.

하기 도 4는 본 발명에 따라 원자력 발전 설비, 연료전지 발전 설비 및 수전해 설비가 연계되고, 고온 증기 전기분해 장치를 이용한 수소 생산 시스테의 구성도로서, 도 4를 참조하여 본 발명의 수소 생산 시스템의 일 작동예를 설명한다.

본 발명에 따른 시스템은 고온 증기 전기분해 장치, 원자력 발전 설비, 연료전지 발전 설비, 수전해 설비가 연계되어 있는 것을 특징으로 한다.

먼저, 원자력 발전 시스템(10)의 고온 가스로 반응기(2)와 열교환 수단(3) 및 스팀 발생기(4)를 통하여 생성된 고온의 스팀을 이용하여 터빈을 구동하면서, 터빈에서 빠져나온 추기(extraction steam)를 고온 증기 전기분해 장치에서 필요한 증기로 이용한다. 또한, 원자력 발전 시스템의 냉각수단(8)에서 배출되는 폐수를 이용하여 수전해 설비(20)에서 생성된 수소가 수소 저장 탱크(50)에 저장된다.

상기 추기는 제1 가열기(51)를 통하여 예비 가열된 후 제1 혼합기체 유입구(46)로 이동하고, 수소 저장 탱크(50)에서 일부의 수소가 제1 혼합기체 유입구(46)로 이동한다. 여기서 수소와 증기의 혼합에 의해서 형성된 제1 혼합기체는 제2 가열기(55)를 통하여 고온 증기 전기분해에 필요한 온도까지 가열된 후 캐소드(41)로 주입된다. 또한, 공기 유입구(47)를 통하여 유입된 공기가 제2 가열기를 통하여 고온 증기 전기분해에 필요한 온도까지 가열된 후 애노드(42)로 주입된다.

상기 캐소드(41)에 주입된 고온의 제1 혼합기체는 캐소드 멤브레인에서 산소를 이온화시키면서 분리되어 수증기와 수소가 일정비율로서 전해질(44)로 입력되며, 산소는 애노드에서 생성되어 배출되고, 캐소드에서는 생성된 수소와 증기가 함께 배출되는데, 이때 수소는 응축기(미도시)와 분리기(45)를 통과하면서 증기와 분리되어 수소만 수소 저장탱크(50)로 이송되고, 분리된 증기는 제1 혼합기체 유입구(46)로 이송되어 다시 활용된다.

고온 증기 전기분해 스택부에서 생성된 수소와 산소는 각각 저장탱크에 저장되기 전에 냉각기를 거쳐서 약 70 ℃ 이하로 냉각되어 저장된다. 이때 냉각기를 냉각수단은 원자력 발전 설비의 터빈에서 빠져나온 추기를 활용한다.

캐소드(41)에 주입되는 제1 혼합기체 중 수소는 제1 혼합기체 전체 기준 10-50 부피%이고, 캐소드(41)로 주입시 제1 가열기(51) 및 제2 가열기(55)에 의해서 650-950 ℃로 가열되어 주입된다. 여기서 상기 제1가열기 및 제2 가열기의 가열은 본 발명에 따른 시스템에 연계된 연료전지 발전 설비(30) 및 고온 증기 전기분해 스택(43)에서 발생하는 폐열에 의해서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이와 같이, 고온 증기 전기분해에 필요한 전력은 본 발명에 따른 시스템 내에 갖추어진 원자력 발전 시스템(10)과 연료전지 발전 시스템(30)으로부터 공급받고, 주입되는 혼합기체 및 공기를 가열하는 수단은 연료전지 발전 시스템(30)에서 발생하는 폐열을 이용할 수 있어서, 전체 시스템의 에너지 효율이 향상된다.

또한, 본 발명에 따른 고온 증기 전기분해 장치에 의해서 생성된 수소는 수소 저장탱크(50)에 저장되고, 수소를 이용하여 연료전지 발전을 하고, 연료전지에서 발생하는 DC 전류는 별도의 정류가 없이 수전해 설비의 DC 전원으로 또는 고온증기 전기분해 장치의 DC 전원으로도 공급이 가능하다. 따라서, 정류기 효율 만큼의 에너지 손실도 없는 바 전체 시스템의 효율은 더욱 향상될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 시스템 내에 갖추어진 연료전지 발전 설비에서 발생하는 DC 전압을 DC/AC 컨버터를 통하여 전환된 신재생 에너지를 전력 판매에도 이용할 수 있다.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims

공기가 주입되는 애노드, 수증기와 수소의 제1 혼합기체가 주입되는 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 구비되는 전해질을 포함하고, 전기분해 반응을 수행하여 수소 및 산소를 생산하는 고온 증기 전기분해 스택부;
상기 캐소드로 주입되는 제1 혼합기체가 유입되는 제1 혼합기체 유입구와 상기 애노드로 주입되는 공기가 유입되는 공기 유입구;
상기 제1 혼합기체 중의 수증기를 가열하는 제1 가열기;
상기 캐소드 및 애노드로 주입되는 제1 혼합기체 및 공기를 가열하는 제2 가열기;
상기 캐소드에서 발생된 수소와 수증기를 포함하는 제2 혼합기체를 수소와 수증기로 분리하기 위한 응축기와 분리기;
상기 분리기에서 분리된 수소가 이송되어 저장되는 수소 저장 탱크;
상기 애노드에서 발생된 산소가 이송되어 저장되는 산소 저장 탱크; 및
상기 분리기와 수소 저장 탱크 사이 및 상기 애노드와 산소 저장 탱크 사이에 구비되어 산소와 수소를 냉각시키는 냉각기;를 포함하는 수소 생산 시스템으로서,
원자력 발전 설비, 연료전지 발전 설비 및 수전해 설비와 연계되어 있는 것을 특징으로 하고,
상기 수증기는 상기 원자력 발전의 터빈에서 나온 추기(extraction steam)이고, 상기 추기는 상기 냉각기로 이동되어 수소와 산소를 냉각시킨 후 제1 가열기로 이송되며, 상기 제1 가열기로 이송되어 가열된 추기는 제1 혼합기체 유입구로 이동하며,
상기 제1 가열기 및 제2 가열기는 연료전지 발전 및 고온 증기 전기분해 스택부에서 발생한 폐열을 이용하여 가열되고,
상기 수전해 설비는 상기 원자력 발전에서 발생하는 폐수를 이용하여 수소를 생산하며, 상기 생산된 수소는 상기 수소 저장 탱크로 이송되어 저장되는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 분리기에서 분리된 수증기는 상기 제1 혼합기체 유입구로 이동하여 제1 혼합기체의 수증기로 이용되는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
제1항에 있어서,
상기 공기 유입구는 상기 산소 저장 탱크와 연결되고, 공기 유입구와 제2 가열기 사이에 제1 블로워를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 혼합기체 유입구와 수소 저장 탱크 사이에 제2 블로워를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
제1항에 있어서,
상기 고온 증기 전기분해 스택부를 운영하는 전력은 상기 원자력 발전에서 생성된 전력을 이용하거나 또는 상기 연료전지 발전에서 생성된 전력을 이용하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
제1항에 있어서,
상기 수전해 설비를 운영하는 전력은 상기 연료전지 발전에서 생성된 전력을 이용하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 혼합기체 중 수소는 제1 혼합기체 전체 기준 10-50 부피%이고, 캐소드로 주입시 제1 혼합기체는 제1 가열기와 제2 가열기에 의해서 650-950 ℃로 가열되어 주입되는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제2 혼합기체 중 수소는 제2 혼합기체 전체 기준 60-90 부피%인 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
제1항에 있어서,
상기 고온 증기 전기분해 스택부의 전해질은 YSZ, SDZ(scandium doped zirconia) 또는 SDLG(strontium doped lanthanum gallate)인 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.