KR101962772B1 - 빌딩에 에너지를 공급하는 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 격리된 빌딩에 에너지를 공급하기 위한 장치로서, 전류를 제공하기 위한 하나 이상의 에너지 발생 설비(1), 특히 광기전 설비, 상기 에너지 발생 설비(1)로부터 제공되는 전류를 이용하여 물로부터 수소를 발생시키는 하나 이상의 전해조(2), 상기 전해조(2)에서 발생된 수소를 사용하여 연장된 π-공액 시스템을 가진 하나 이상의 기재를 적어도 부분적으로 수소첨가시키기 위한 하나 이상의 제1 화학적 반응기(3), 상기 제1 화학적 반응기(3)에서 적어도 부분적으로 수소첨가된 상기 기재를 저장하기 위한 하나 이상의 저장 탱크(4), 상기 제1 화학적 반응기(3)에서 발생된 상기 적어도 부분적으로 수소첨가되고 상기 저장 탱크(4)에 저장된 기재를 적어도 부분적으로 탈수소화함과 아울러 수소를 방출하기 위한 하나 이상의 제2 화학적 반응기(5), 및 상기 제2 화학적 반응기(5)에서 방출된 수소를 산화시킴과 아울러 에너지를 방출하기 위한 하나 이상의 연료 전지(6)를 포함하는, 빌딩에 에너지를 공급하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 장치를 이용하여 에너지를 공급하는 방법에 관한 것이다.

Description

빌딩에 에너지를 공급하는 장치 및 방법 {ARRANGEMENT AND METHOD FOR SUPPLYING ENERGY TO BUILDINGS}
본 발명은 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 에너지 공급 장치 및 제12항에 따른 에너지 공급 방법에 관한 것이다.
산소의 산화에 의해 전류를 생성하는 연료 전지의 용도에 관해서는 널리 알려져 있으며 다양한 분야에서 이용되고 있다. 연료 전지를 사용할 때에는, 알려져 있는 바와 같이, 산소의 존재 하에서 매우 폭발성인 수소를 저장하거나 유지하는 문제가 필수적이고 중요한 측면이다.
수소 저장 방법으로는, 현재까지 액체, 또는 고밀도 가스로서의 흡착 방식, 흡수 방식을 포함하는 일련의 방법들이 연구되었다. 이러한 모든 방법이 가지는 단점은 단위 체적당 에너지 밀도가 낮다는 점과, 부분적으로는 캐리어의 비용이 높다는 점이다.
수소를 액체로서 가압 상태 하에 저장하기 위한 이제까지의 통상적인 방법은, 특히 고도의 기술적 어려움과 그와 관련된 높은 비용으로 인해, 일반인의 접근이 가능한 영역에 존재하지 않고, 격리된 건물, 예를 들면 개인 건물, 휴일(holiday) 건물, 상업적으로 사용되는 부동산 또는 제조용 건물에는 전혀 존재하지 않는 기술적 해법들을 제시한다.
압축 수소가 수용된 용기는 밀봉하기가 어렵고, 수소는 공기와 4∼75% 범위로 혼합된 거의 모든 혼합물에서 >1000m/s의 압력파(pressure wave)로 폭발한다. 또한, 최소 인화 에너지가 다른 기체 화합물에 비해 낮다. 수소는 극도로 인화성인(extremely flammable)(F+) 물질로 등급이 매겨져 있고, 높은 유출 속도에서 자연 발화될 수 있는데, 다른 기체의 경우도 마찬가지이다. 공기와 함께 폭발할 때 포뮬러 변환율(formula conversion)은 286kJ/mol로서 매우 높다.
따라서, 순수한 수소의 위험성을 피하여, 연료 전지를 이용한 에너지 공급 기술을 제공하는 것이 바람직하다.
수소에 대한 대체 저장 수단이 알려져 있다. 여러 가지 방향족 화합물, 특히 수소 저장과 같은 어플리케이션에 이용될 수 있는 축합된 다환식 탄화수소가 특허문헌 EP 1 475 349에 기재되어 있다. 이 특허에 기재된 물질은 특히 모바일 시스템에 사용된다.
연장된(extended) π-공액 전자 시스템을 포함하는 축합된 다환식 탄화수소의 작용 방식은, 적합한 촉매의 존재 하에 적당한 온도에서 수소첨가 반응을 일으키는 이들 물질의 성질을 기초로 한다. 그 결과, 불포화 이중결합이 포화되면서 수소가 이들 물질에 결합(수소첨가)된다.
수소첨가에 의해 결합된 수소는, 단순히 온도의 상승 및/또는 수소 압력의 감소에 의해 역반응에서 방향족 물질을 재생시킴으로써, 수소첨가된 생성물로부터 다시 얻어질 수 있다.
그에 대한 예시로서, N-에틸카르바졸(NEC)의 수소첨가/탈수소화가 있다. 여기서, N-에틸카르바졸(NEC)은 유리체(educt)로서 하기 반응 스킴에 따라 퍼하이드로-형태(H12-NEC)로 변환된다.
Figure 112014025997809-pct00001
이 반응에서 수소의 저장 밀도는, 수소로 충전된 700bar 탱크의 경우에 체적으로 약 2배에 달한다.
개인 건물, 휴일 건물, 상업적으로 사용되는 부동산 또는 제조용 건물과 같은 격리된 빌딩을 위한 발전 에너지 공급을 위해 가능한 방법으로는, 태양 전지에 의한 에너지 공급이 현재로서 가장 매력적인 방법이다. 다른 기술로는 어느 것도 수 와트 내지 수 메가와트(MW)의 가변형 전력 범위로 재생가능한 발전이 가능하지 않다. 주택 단지 내에 태양 전지를 집약시키는 것이 통상적 기술이고, 지역, 지붕 면적 및 배향에 따라서는, 30kW 피크 전력 이하의 시스템이 일반적 실시 형태이다.
태양 전지가 재생형 발전의 가장 매력적인 형태이기는 하지만, 이 기술은 생산된 전기가 장시간에 걸쳐 중간에 저장될 수 없고(또한 저장 비용이 높고 용량이 낮기 때문에 전지에도 저장될 수 없음), 즉시 소비되거나 전기 그리드(electricity grid)에 공급되어야 한다는 단점을 가진다. 이는 사용자에 대한 해당 재생 에너지에 관한 법률(EEG)에 기인하지만, 이미 높은 스트레스를 받고 있는 전기 그리드에 대해서는 추가적 부담을 제공한다.
따라서 중간 기간, 예를 들면 수일 내지 수주일에 걸쳐 광기전 전기(photovoltaic electricity)를 비용 효율적으로 저장할 수 있도록 해야 하는 것은 광기전 발전을 더욱 성장시키기 위해서 필수적인 단계이다.
광기전 전기에 의한 수소의 생산은 현재 통상적으로 논의되는 옵션이다.
고효율의 완전한 시스템을 얻기 위해서는, 물을 수소와 산소로 분리하는 전해조에 태양 전지를 효율적으로 결합하는 것이 매우 중요하다. 이때, 피크 전류가 더 유리한지 또는 상대적으로 낮은 레벨이기는 하지만 보다 장시간에 걸쳐 일정하게 전류를 공급하는 것이 더 유리한지에 대해 평가되어야 한다. 예를 들면 흐린 날씨의 경우에, 피크 또는 급속한 감소를 보상하기 위한 급속 전기 저장의 옵션은 결정적으로 기여할 수 있으며, 예를 들면 부분적으로 그늘진 경우에 모듈의 완전한 전원 차단을 야기하지 않는 적절한 전지 기술을 선택하는 것도 마찬가지이다.
광기전과 수소의 발생을 결합시키는 몇 가지 제안 또는 모델이 알려져 있다. 예를 들면, 특허문헌 EP 718 904 A1에는, 완전 밀폐된 조립체로서, PEM 연료 전지 및 PEM 전해조를 통합한 연료 전지 시스템이 기재되어 있다. 이로써 간편하고 비용 효율적인 시스템에 대한 요건이 충족된다. 이 시스템의 전기 공급은, 예를 들면, 태양 에너지 및/또는 풍력 에너지와 같은 재생형 에너지원과 같은 재생형 에너지원에 의해 이루어진다.
제안된 연료 전지 시스템의 구조는 긴 내구 수명을 가능하게 하고, 24시간 연속 가동하도록 설계된다. 목표는 가능한 한 간편한 서비스와 유지보수를 배제하는 것이다. 지능형 컨트롤이 수소 발생으로부터 전기 발생으로의 가동 방식의 즉각적인 전환을 완전히 자동으로 제어한다. 그 결과, 재생형 에너지원과 PEM 연료 전지/PEM 전해조의 특성의 최적 가동 포인트가 고려된다.
PEM-전해조의 가동에는 증류수가 필요하다. 따라서 상기 시스템은 설치된 저장 용기로부터 PEM 전해조가 필요로 하는 물의 밸런스를 자동으로 조절한다.
상기 연료 전지 시스템은 수소 저장고도 포함하는데, 이것은 금속 수소화물 저장고의 형태로 설계된다. 이 저장고는 특수 금속 합금으로 만들어지고, 기체 상태의 수소를 중간 저장할 수 있다. 금속 수소화물 저장고는 주위 압력에 근접한 압력으로 수소로 채워질 수 있다.
그러나, 금속 수소화물 저장고를 수소 저장고로서 사용하는 것은 개인 가정에서 사용하기에는 적합하지 않다. 그러한 저장고는 고가이고, 흔히 비효율적이며 본질적으로 일련의 안전 문제를 가지고 있다.
따라서, 건물이 밀집해 있지 않은, 개인 건물과 같은 격리된 빌딩에 자급자족이고 독립적으로 에너지를 공급할 필요성이 존재한다.
본 발명의 목적은, 특허청구범위 제1항의 특징을 가진 장치 및 제12항의 특징을 가진 방법에 의해 달성된다.
빌딩, 특히 개인 건물, 휴일 건물, 상업적으로 사용되는 부동산 또는 제조용 건물과 같은 단독의 격리된 빌딩에 에너지를 공급하기 위한 장치는,
- 전류를 제공하기 위한 하나 이상의 에너지 발생 설비, 특히 광기전 설비,
- 상기 에너지 발생 설비로부터 제공되는 전류를 이용하여 물로부터 수소를 발생시키는 하나 이상의 전해조,
- 상기 전해조에서 발생된 수소를 사용하여 연장된 π-공액 시스템(π-conjugated system)을 가진 하나 이상의 기재(substrate)를 적어도 부분적으로 수소첨가시키기 위한 하나 이상의 제1 화학적 반응기,
- 상기 제1 화학적 반응기에서 적어도 부분적으로 수소첨가된 상기 기재를 저장하기 위한 하나 이상의 저장 탱크,
- 상기 제1 화학적 반응기에서 상기 적어도 부분적으로 수소첨가되고 상기 저장 탱크에 저장된 기재를 적어도 부분적으로 탈수소화함과 아울러 수소를 방출하기 위한 하나 이상의 제2 화학적 반응기, 및
- 상기 제2 화학적 반응기에서 방출된 수소를 산화시킴과 아울러 에너지를 방출하기 위한 하나 이상의 연료 전지
를 포함한다.
따라서, 격리된 빌딩에 에너지를 공급하기 하기 기능적 요소들은 서로 결합되거나 조합된다:
- 태양 에너지 공급,
- 전기분해에 의한 수소 발생,
- 손실 없이 중간 저장을 위한 효율적이고, 안전하며 비용 효율적인 수소 저장,
- 수소를 재전환(reconversion)시키기 위한 연료 전지, 및
- 효율을 증가시키기 위해 주택에서 열과 전류를 제공하기 위한, 발열성 수소첨가 및 연료 전지의 이용.
통상적인 전해조에서 저압 수소를 발생시키고, 적절한 화합물의 수소첨가 반응을 통해 수소의 중간 변환을 수행하는 것은 매우 흥미롭고, 수소 저장의 난점을 피하면서 광기전체와의 결합을 가능하게 하는 대안이 된다. 그러므로, 수소의 재전환과 연료 전지를 이용한 변환에 의해, 폐쇄된 전기 회로가 제공될 수 있다.
따라서, 본 발명의 장치에 의하면, 현재 사용되는 기반시설에 기초하여, 예를 들어 오일 탱크를 사용함으로써, 주택에서의 일년 내내 자율적인 가동 및/또는 초과량의 전기에 대한 중간 저장 용량을 확보할 수 있다.
본 발명의 장치에 의하면, 예를 들어 광기전체를 이용한 태양광뿐만 아니라 다른 적절한 재생가능한 에너지원으로부터 전기 에너지를 발생시킴으로써 저에너지 기재가 고에너지 형태로 변환되고, 이것은 물의 분해에 의해 수소와 산소를 발생하는 데 이용된다. 형성된 수소는 사용된 탄화수소의 저에너지 형태를 고에너지 형태로 바꾸는 수소첨가 반응에 사용된다. 특히, 적절한 저에너지 기재는 연장된 π-전자 시스템을 가진 다환형 방향족 화합물이며, 수소첨가시 각각 포화된 다환형 화합물을 형성한다. 수소첨가 반응은 발열 반응이고, 수소첨가시 발생된 열은, 예를 들면 주택에서 난방 시스템에 사용될 수 있다. 햇볕이 부족한 시기에는, 수소의 발생에 의해 탄화수소의 고에너지 형태가 다시 저에너지 형태로 변환되고, 이것이 연료 전지에서 전기 에너지와 열을 발생한다.
이하에 기재된 본 발명의 장치 및 방법의 이점은, 개인 건물과 같은 격리된 빌딩이 예를 들면 광기전체와 같은 재생가능한 에너지뿐만 아니라 풍력 에너지를 이용하여 자급자족할 수 있게 가동될 수 있다는 점이다. 즉, 에너지 수요와 에너지 공급이 자급자족 방식으로 커버될 수 있고, 추가의 에너지원과 독립적으로, 그에 따라 전기 그리드와 독립적으로 커버될 수 있다. 또 다른 이점은, 현재까지 알려져 있는 방법 및 모델과는 대조적으로, 에너지 공급을 위해 중요한 인자인 수소가 대량으로 존재할 필요가 없고, 화학 물질 중에 안전하게, 시간적으로 제한받지 않고 활용가능한 기반시설에 가압되지 않은 상태로 저장될 수 있다는 점이다.
바람직한 구현예에 있어서, 하나 이상의 전해조는 제1 화학적 반응기, 저장 탱크 및 제2 화학적 반응기를 통해 하나 이상의 연료 전지에 연결된다. 따라서, 본 발명의 장치의 하나의 컴포넌트 또는 부분은 그 자체로 결합된 에너지 공급 및 저장용 시스템을 형성한다. 본 발명의 장치의 단일 셀과 반응기는 수소의 전달뿐만 아니라 방향족 탄화수소의 저에너지 또는 고에너지 형태의 전달을 위해 적절한 연결 라인에 의해 연결된다. 수소를 수송하기 위한 라인은 바람직하게는 기밀형, 내압 물질로 만들어진다.
연장된 π-공액 시스템을 가진 하나 이상의 저에너지 기재는, 다환형 방향족 탄화수소, 다환형 헤테로 방향족 탄화수소, π-공액 유기 폴리머 또는 이것들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
일 구현예에서, 연장된 π-공액 시스템을 가진 하나 이상의 저에너지 기재는, 헤테로 원자인 N, S 또는 O와 축합된 헤테로 방향족 탄화수소를 함유하는 군으로부터 선택되고, 여기서 헤테로 원자는 치환되거나 또는 치환되지 않고 존재할 수 있다. 축합된 헤테로 방향족 탄화수소는 바람직하게는 C6 내지 C30, 보다 바람직하게는 C8 내지 C20, 특히 C12를 가진 고리 시스템이다.
또 다른 바람직한 구현예에 있어서, 축합된 탄화수소의 헤테로 원자는 하나 이상의 알킬기, 하나 이상의 아릴기, 하나 이상의 알케닐기, 하나 이상의 알키닐기, 하나 이상의 시클로알킬기 및/또는 하나 이상의 시클로알케닐기로 치환되고, 헤테로 원자가 C1-C30 알킬, 바람직하게는 C1-C10 알킬, 특히 C2-C5 알킬로 치환된 것이 바람직하고, 추가의 헤테로 원자를 함유할 수 있다.
특히 바람직한 구현예에 있어서, 수소를 저장하기에 적합한 저에너지 기재로서, N-에틸카르바졸, N-n-프로필카르바졸, 또는 N-이소프로필카르바졸이 사용된다.
"기재"라는 용어가 "알킬", "알키닐", "아릴" 등과 함께 사용될 때에는, 하나 이상의 원자, 보통은 수소 원자가 하나 이상의 하기 치환체, 바람직하게는 1개 또는 2개의 하기 치환체에 의해 치환된 것을 나타낸다: 할로겐, 하이드록시, 보호된 하이드록실, 옥소, 보호된 옥소, C3-C7-시클로알킬, 2환형 알킬, 페닐, 나프틸, 아미노, 보호된 아미노, 모노치환된 아미노, 보호된 모노치환된 아미노, 탈치환된 아미노, 구아니딘, 보호된 구아니딘, 복소환, 치환된 복소환, 이미다졸릴, 인돌릴, 피롤리디닐, C1-C12-알콕실, C1-C12-아실, C1-C12-아실옥시, 아크릴로일옥시, 니트로, 카르복시, 보호된 카르복시, 카르바모일, 시아노, 메틸설포닐아미노, 티올, C1-C10-알킬티올 및 C1-C10-알킬설포닐.
본 명세서에서 사용되는 "알키닐"이라는 용어는, 식 R-R≡C의 모이어티, 특히 "C2-C6-알키닐"을 나타낸다. C2-C6-알키닐의 예로는 다음과 같은 것이 포함된다: 에티닐, 프로피닐, 2-부티닐, 2-펜티닐, 3-펜티닐, 2-헥시닐, 3-헥시닐, 4-헥시닐, 비닐 및 직쇄형 또는 분지형 알킬 사슬의 디- 및 트리-인.
본 명세서에서 사용되는 "아릴"이라는 용어는 방향족 탄화수소, 예를 들면, 페닐, 벤질, 나프틸 또는 안트릴을 나타낸다. 치환된 아릴기는, 앞에 정의된 바와 같이, 하나 이상의 치환체로 치환된 아릴기이다.
"시클로알킬"이라는 용어는 시클로프로필, 시클로부틸, 시클로펜틸, 시클로헥실 및 시클로헵틸 등의 기를 포함한다.
"시클로알케닐"이라는 용어는 시클로펜테닐, 시클로헥세닐, 시클로헵테닐 및 시클로옥테닐 등의 기를 포함한다.
연장된 π-공액 시스템을 가진 저에너지 기재는, 제1 화학적 반응기에서 적절한 귀금속 촉매의 존재 하에 50∼100℃, 바람직하게는 80∼100℃의 온도 및 2∼200bar, 바람직하게는 10∼100bar의 압력에서 적어도 부분적으로 수소첨가되는 것이 유리하다. 저에너지 기재의 수소첨가에 특히 적합한 촉매는 루테늄 원소를 함유하는 것이다.
또 다른 구현예에 있어서, 연료 전지로서 저온 폴리머 전해질 맴브레인 연료 전지(PEM)가 사용된다. 이러한 연료 전지는 수소 산화용의 원래 기능으로 사용됨으로써 수소 산화에 필요한 산소가 공기로부터 얻어질 뿐만 아니라, 전해조로서 반전된 기능으로 사용될 수도 있으며, 이때 전해조에 필요한 물은 오로지 공기중의 습기로부터 얻어진다. 여기서, 필요한 물은 연료 전지로부터 재생되거나 또는 탱크로부터 공급될 수도 있다. 따라서, 하나 이상의 전해조는 반전 가동형 저온 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지(PEM)로서 가동되는 것이 바람직하다.
또한, 하나 이상의 물 저장 매체가 하나 이상의 전해조에 설치되는 것이 유리하다.
사용되는 탄화수소의 고에너지 형태 및 선택적으로 저에너지 형태를 중간 저장하는 데 사용되는 저장 탱크는, 일반적으로 사용되는 통상적인 연료 오일 탱크의 형태와 구조를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 장치에 의하면, 하기 단계에 따라 상기 장치를 이용하여 격리된 빌딩에 에너지를 공급하는 방법을 수행할 수 있다:
- 하나 이상의 재생가능한 에너지원, 특히 광기전 설비 또는 풍력 터빈 플랜트로부터 전류, 바람직하게는 직류를 제공하는 단계,
- 하나 이상의 재생가능한 에너지원으로부터 전류를 사용하고, 선택적으로는 예를 들면 온수를 제공하기 위해 발생된 열을 사용하여, 하나 이상의 전해조에서 물로부터 수소를 발생시키는 단계,
- 발생된 수소를 상기 하나 이상의 전해조로부터 연장된 π-공액 시스템을 가진 하나 이상의 기재가 수용된 제1 화학적 반응기로 이송하고, 상기 기재를 적어도 부분적으로 수소첨가시키는 단계,
- 적어도 부분적으로 수소첨가된 상기 기재를 제1 화학적 반응기로부터 하나 이상의 저장 탱크로 이송하고, 선택적으로 하나 이상의 부분적으로 수소첨가된 기재를 상기 저장 탱크에 저장하는 단계,
- 적어도 부분적으로 수소첨가된 상기 기재를 상기 저장 탱크로부터 하나 이상의 제2 화학적 반응기로 이송하고, 수소를 방출시킴으로써 상기 제2 화학적 반응기 내의 적어도 부분적으로 수소첨가된 기재를 탈수소화하는 단계, 및
- 수소를 상기 제2 화학적 반응기로부터 하나 이상의 연료 전지로 이송하고, 연료 전지 내에 존재하는 산소로 수소를 산화시켜 물을 형성하는 동시에 전류 및 열의 형태로 에너지를 방출시키는 단계.
본 발명의 방법의 일 구현예에 있어서, 전해조에서 발생된 수소는 연장된 π-공액 시스템을 가진 하나 이상의 기재를 제1 화학적 반응기에서 적어도 부분적으로 수소첨가시키기 위해 중간에 저장되지 않고 사용된다. 적어도 부분적으로 수소첨가시킬 탄화수소는 바람직하게는 액체 형태로 제1 화학적 반응기에 존재한다. 그러나, 고체 응집 상태의 탄화수소를 사용하는 것도 생각할 수 있다.
연장된 π-공액 시스템을 가진 하나 이상의 기재를 제1 화학적 반응기에서 적어도 부분적으로 수소첨가하는 동안 발생되는 열은 격리된 빌딩 또는 주택의 난방 시스템으로 공급되는 것이 또한 유리하다. 연장된 π-공액 시스템을 가진 적어도 부분적으로 수소첨가된 기재는 열의 공급에 의해 제2 화학적 반응기에서 탈수소화된다. 탈수소화 반응에 필요한 열은 바람직하게는 격리된 빌딩의 난방 시스템으로부터 공급되지만, 필요할 경우에는 예를 들면 직접적인 태양광과 같은 추가의 외부 열원으로부터 공급될 수도 있다. 계속해서, 제2 화학적 반응기에서 탈수소화된 기재는 제2 화학적 반응기로부터 저장 탱크를 거쳐 전해조 내로 재순환된다. 이렇게 해서, 사용된 물질의 완전한 재순환이 이루어진다. 사용된 기재가 소모되는 것이 아니기 때문에, 매우 긴 사용 시간 또는 많은 수의 재순환 사이클을 도모할 수 있다.
수소 산화시 연료 전지에서 형성된 물이 전해조로 이송되는 것이 또한 유리하다. 연료 전지에서 형성된 물이 부분적으로만 재순환되는 것도 생각할 수 있다.
연료 전지 및 수소첨가 반응기로서 작용하는 제1 화학적 반응기에서 방출된 열은 바람직하게는 난방 시스템으로 전달되고, 방출된 전류는 격리된 빌딩의 전력망으로 전달된다. 따라서, 본 발명의 방법에 의하면 여러 가지 상태의 태양광과 같이 외부 조건이 변동될 때에도 균일하고 일정한 열과 에너지 공급이 보장된다. 전기 그리드를 안정화하기 위해, 재생가능한 하나 이상의 에너지원으로부터 전류와 같은 발생된 에너지를 외부로 전기 그리드에 방출하는 것도 생각할 수 있다. 또한, 전기료가 저렴하거나 심지어 원가 미만인 때에는, 하나 이상의 재생가능한 에너지원에 추가하여 또는 오로지 상기 시스템 내에 상기 에너지를 수용하고, 전기료가 매우 비쌀 때에는 전기를 외부로 송출하는 것이 수익성이 있을 수 있다.
연료 전지에서 수소 산화에 필요한 산소는 공기 또는 순수한 산소의 형태로. 바람직하게는 외부로부터, 즉 빌딩의 외부로부터 연료 전지로 제공된다. 따라서, 산소 발생 장치를 설치할 필요가 없다. 그러나, 물의 가수분해시 전해조에서 형성된 산소를 직접 연료 전지에 공급하는 것도 생각할 수 있다.
이하에서 도면을 참조하여 여러 가지 실시예에 따라 본 발명을 설명하기로 한다.
본 발명에 의하면, 자급자족이 가능한 방식으로 개인 건물과 같은 격리된 빌딩에 에너지를 공급하는 장치가 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 일 구현예의 개략도이다.
도 1에서, 본 발명에 따른 장치의 바람직한 구현예가 개략적으로 예시된다.
빌딩의 지붕에 설치된 복수 개의 태양 전지 패널을 구비한 광기전 설비가 에너지원 또는 에너지 발생 플랜트(1)로서 사용된다. 상기 패널은 바람직하게는 태양 복사(solar radiation)의 가능한 최고의 수율이 보장되도록 설치되어야 한다. 광기전 플랜트(1)는 또한 위험성 없이 수소를 제조할 수 있는 직류를 발생시킬 수 있다.
생성된 직류는 PEM 전해조와 같은 전해조(2) 내로 전달되는데, 전해조는 전기분해 셀로서 가역적으로 가동되는 PEM 연료 전지의 형태로 제공된다. 연료 전지의 이러한 이중 기능은 플랜트를 단순화하며 비용을 감소시킨다. PEM 전해조 대신에 상업적 전기분해 셀 및 별도의 연료 전지를 사용할 수도 있다.
전기분해는 발열 방식으로 진행되고, 전기분해시 생성된 열은 즉시 개인 건물에서 예를 들면 온수 공급용으로 사용될 수 있다. 사용되는 전기분해 셀의 효율이 결정적인 것은 아니다.
발생된 수소는 N-에틸카르바졸 또는 그것의 부분 수소첨가된 고에너지 펜던트(pendent)의 수소첨가를 위해 중간에 저장되지 않고 바로 사용된다. 이를 위해서, 탱크의 내용물은 화학적 반응기(3)를 통해 펌핑되고 부분적으로 수소첨가된다. 완전한 수소첨가 반응도 가능하지만 필수적인 것은 아니다.
에너지를 인출할 때, 저장 탱크(4)의 (부분) 수소첨가된 내용물은 흡열방식으로 가동되는 탈수소화 반응기를 통해 이송되고, 그 결과 수소가 방출된다. 상기 수소는 PEM 연료 전지와 같은 연료 전지(6)에서 전기, 물 및 열로 변환된다. 물은 선택적으로 전기분해용으로 이용될 수 있고, 열은 탈수소화 반응기를 가열하고 빌딩의 열 공급용으로 사용된다.
도 1은 또한 외부 전류의 공급을 가능하게 하는 외부 전력 접속부(9)를 나타낸다. 외부 접속부(9)에 의해 초과량의 에너지를 다시 전기 그리드에 공급할 수도 있다.
실시예
120qm 주택을 기반으로 하는데, 이것은 ENEV 2012에 따라 건축되고 연간 30kWh/qm의 난방 요구량과 12.5kWh/qm의 온수 요구량, 합계 42.5kWh/qm의 요구량을 가진다.
퍼하이드로-N-에틸카르바졸로서 수소의 가열 값에 의하면, 연간 체적 2,400리터 = 5,100kWh/a의 저에너지 물질이며, 따라서 오일 가열은 현재 탱크 크기로 가능하다. 4,065kW의 전기 수요가 그 위에 합쳐지므로, 총 에너지 수요는 9,165kW/a이다.
1qm 태양전지 패널을 100W와 1,000h의 완전 부하시간으로 계산한다면, 완전한 연간 에너지 공급을 위해서 100kWh/qm 또는 9,165kWh 92qm 태양전지 패널이 필요하다.
아울러, 추정에 의하면 92qm 태양 전지와 2,400L 저장 탱크를 구비한 1가구 주택은 자급자족이 가능한 것으로 나타났다.

Claims (22)

  1. 빌딩에 에너지를 공급하기 위한 장치로서,
    - 전류를 제공하기 위한 하나 이상의 에너지 발생 설비(1),
    - 상기 에너지 발생 설비(1)로부터 제공되는 전류를 이용하여 물로부터 수소를 발생시키는 하나 이상의 전해조(2),
    - 상기 전해조(2)에서 발생된 수소를 사용하여 연장된 π-공액 시스템(π-conjugated system)을 가진 하나 이상의 기재(substrate)를 적어도 부분적으로 수소첨가시키기 위한 하나 이상의 제1 화학적 반응기(3),
    - 상기 제1 화학적 반응기(3)에서 적어도 부분적으로 수소첨가된 상기 기재를 저장하기 위한 하나 이상의 저장 탱크(4),
    - 상기 제1 화학적 반응기(3)에서 생성되어 상기 저장 탱크(4)에 저장된 상기 적어도 부분적으로 수소첨가된 기재를 적어도 부분적으로 탈수소화함과 아울러 수소를 방출하기 위한 하나 이상의 제2 화학적 반응기(5),
    - 상기 제2 화학적 반응기(5)에서 방출된 수소를 산화시킴과 아울러 에너지를 방출하기 위한 하나 이상의 연료 전지(6), 및
    - 상기 제1 화학적 반응기(3)에서 발생된 열을 상기 빌딩의 난방 시스템으로 공급하기 위한 열 공급 수단을 포함하는, 빌딩에 에너지를 공급하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전해조(2)는, 상기 제1 화학적 반응기(3), 상기 저장 탱크(4) 및 상기 제2 화학적 반응기(5)를 거쳐 상기 하나 이상의 연료 전지(6)에 연결되는, 빌딩에 에너지를 공급하기 위한 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    연장된 π-공액 시스템을 가진 상기 하나 이상의 기재는, 다환형 방향족 탄화수소, 다환형 헤테로방향족 탄화수소, π-공액 유기 폴리머 또는 이것들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는, 빌딩에 에너지를 공급하기 위한 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    연장된 π-공액 시스템을 가진 상기 하나 이상의 기재는, 헤테로 원자로서 N, S 또는 O와 축합된 헤테로방향족 탄화수소를 함유하는 군으로부터 선택되고, 상기 헤테로 원자는 치환될 수도 있고 치환되지 않을 수도 있는, 빌딩에 에너지를 공급하기 위한 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 축합된 헤테로방향족 탄화수소는 C6 내지 C30를 가진 고리 시스템인, 빌딩에 에너지를 공급하기 위한 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 헤테로 원자는, 하나 이상의 알킬기, 하나 이상의 아릴기, 하나 이상의 알케닐기, 하나 이상의 알키닐기, 하나 이상의 시클로알킬기 및/또는 하나 이상의 시클로알킬렌기로 치환된, 빌딩에 에너지를 공급하기 위한 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 헤테로 원자가 C1-C30-알킬로 치환된, 빌딩에 에너지를 공급하기 위한 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    연장된 π-공액 시스템을 가진 상기 기재로서, N-에틸카르바졸, N-n-프로필카르바졸, 또는 N-이소프로필카르바졸이 사용되는, 빌딩에 에너지를 공급하기 위한 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    연장된 π-공액 시스템을 가진 상기 기재는, 적합한 촉매의 존재 하에 50∼180℃의 온도와 2∼200bar의 압력에서 상기 제1 화학적 반응기(3)에서 적어도 부분적으로 수소첨가되는, 빌딩에 에너지를 공급하기 위한 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 연료 전지(6)는 저온 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지(PEM)이고, 상기 하나 이상의 전해조(2)는 반전 가동형(reverse operated) 저온 폴리머 전해질-멤브레인 연료 전지(PEM)인, 빌딩에 에너지를 공급하기 위한 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전해조(2) 내에 하나 이상의 물 저장 매체가 설치된, 빌딩에 에너지를 공급하기 위한 장치.
  12. 제1항에 따른 빌딩에 에너지를 공급하기 위한 장치를 이용하여 격리된 빌딩에 에너지를 공급하는 방법으로서,
    - 하나 이상의 재생가능한 에너지원(1)로부터 전류를 제공하는 단계,
    - 상기 하나 이상의 재생가능한 에너지원(1)으로부터 전류를 사용하여 하나 이상의 전해조(2)에서 물로부터 수소를 발생시키는 단계,
    - 발생된 수소를 상기 하나 이상의 전해조(2)로부터 연장된 π-공액 시스템을 가진 하나 이상의 기재가 수용된 제1 화학적 반응기(3)로 이송하고, 상기 기재를 적어도 부분적으로 수소첨가시키는 단계,
    - 적어도 부분적으로 수소첨가된 상기 기재를 상기 제1 화학적 반응기(3)로부터 하나 이상의 저장 탱크(4)로 이송하는 단계,
    - 적어도 부분적으로 수소첨가된 상기 기재를 상기 저장 탱크(4)로부터 하나 이상의 제2 화학적 반응기(5)로 이송하고, 수소를 방출시킴으로써 상기 제2 화학적 반응기(5) 내의 적어도 부분적으로 수소첨가된 상기 기재를 탈수소화하는 단계,
    - 수소를 상기 제2 화학적 반응기(5)로부터 하나 이상의 연료 전지(6)로 이송하고, 상기 연료 전지 내에 존재하는 산소로 수소를 산화시켜 물을 형성하는 동시에 전류 및 열의 형태로 에너지를 방출시키는 단계, 및
    - 상기 제1 화학적 반응기(3)에서, 연장된 π-공액 시스템을 가진 상기 하나 이상의 기재를 적어도 부분적으로 수소첨가시키는 동안 발생된 열을 상기 빌딩의 난방 시스템으로 공급하는 단계를 포함하는, 빌딩에 에너지를 공급하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전해조에서 발생된 수소는 중간에 저장되지 않고 상기 제1 화학적 반응기(3)에서, 연장된 π-공액 시스템을 가진 상기 하나 이상의 기재를 적어도 부분적으로 수소첨가하는 데 사용되는, 빌딩에 에너지를 공급하는 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    연장된 π-공액 시스템을 가진 상기 적어도 부분적으로 수소첨가된 기재는 상기 제2 화학적 반응기(5)에서 열의 공급에 의해 탈수소화되는, 빌딩에 에너지를 공급하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 탈수소화에 필요한 열은 상기 격리된 빌딩의 난방 시스템(7)으로부터 제공되어 사용되는, 빌딩에 에너지를 공급하는 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제1 화학적 반응기(3)에서 탈수소화된 상기 기재는 상기 제2 화학적 반응기(5)로부터 상기 저장 탱크(4)를 거쳐 상기 전해조(2)로 재순환되는, 빌딩에 에너지를 공급하는 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 수소의 산화시 상기 연료 전지(6)에서 형성되는 물은 상기 전해조(2)로 전달되는, 빌딩에 에너지를 공급하는 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 연료 전지(6)에서 방출된 열은 난방 시스템(7)으로 전달되고, 방출된 전류는 격리된 빌딩 또는 외부 그리드(9)의 전력망(8)으로 전달되는, 빌딩에 에너지를 공급하는 방법.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 연료 전지(6)에서 수소를 산화시키는 데 필요한 산소는, 공기의 형태로 외부로부터 상기 연료 전지(6)로 공급되는, 빌딩에 에너지를 공급하는 방법.
  20. 제12항에 있어서,
    필요한 경우에 추가적 에너지원(9)으로부터 격리된 빌딩의 전력망(8)으로 추가의 전류가 공급되는, 빌딩에 에너지를 공급하는 방법.
  21. 제12항에 있어서,
    필요한 경우에 상기 연료 전지(6)로부터 외부 전력망(8)으로 추가의 전류가 공급되는, 빌딩에 에너지를 공급하는 방법.
  22. 삭제
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KR20240030338A (ko) 2022-08-30 2024-03-07 한국과학기술연구원 개질 공정 및 액상유기수소운반체를 이용한 수소 생산 시스템

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