KR102080571B1 - 고순도 일산화탄소 생산 장치 - Google Patents

Abstract

고체 산화물 전기분해 셀 스택 및 가스 분리 유닛에서 CO₂의 전기분해에 의해서 고순도 CO를 생산하기 위한 장치 및 방법이며, 또한 가스 분리 유닛도 고체 산화물 전기분해 셀 스택일 수 있다.

Description

고순도 일산화탄소 생산 장치{APPARATUS FOR PRODUCTION OF HIGH PURITY CARBON MONOXIDE}

본 발명은 고순도 CO₂ 공급원료 및 -100℃ 초과의 온도에서의 가스 세정 작업과 조합된, 이산화탄소(CO₂)의 전기분해에 기초한 고순도 일산화탄소(CO)의 생산 장치에 관한 것이다. 특히, 고체 산화물 전기분해 셀(SOEC)이 전기분해에 사용된다.

제안된 발명은 정제가 극저온 기술을 포함하지 않는 간단하며 저비용인 정제 기술에 의존하는 고순도의 CO의 생산에 관한 것이다.

전통적으로 CO는 탄화수소의 개질에 의해서, 예를 들어: CH₄ + H₂O -> CO + 4H₂ 또는 4CH₄ + O₂ + 2H₂O -> 10H₂ + 4CO에 의해서 상업적 규모로 생산된다.

다음으로, 생성물 가스(CO + H₂)가, 예를 들어 CO로부터 H₂를 분리하고 N₂ 및 Ar의 가능한 불순물을 제거하기 위한 최종 극저온 상태를 포함하는 상이한 단계들에서 고순도 CO(전형적으로 >99%)로 정제된다.

CO는 -205℃에서, H₂는 -252.87℃에서 비등하며, 따라서 이런 극저온 과정은 매우 비용이 많이 들고 대형 중앙 설비에서 수행되어야 한다. 이것은 CO 생산 현장과 최종 사용자 사이에 긴 유통 경로를 초래하며, 게다가 CO는 유독 가스여서 취급, 수송 및 보관 동안 엄격한 안전 요건이 따르는데, 이것은 비용을 상당히 추가시킨다. 결과적으로, 고순도 CO는 소량(예를 들어 <100 N㎥/h)의 가격도 동일한 개질 공정에서 생산된 H₂의 가격보다 5-10배 더 높다.

본 발명의 목적은 상기 언급된 문제를 해결한 CO의 생산을 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

더 구체적으로, 본 발명의 목적은 현재 알려진 기술들보다 더 적은 비용으로 CO를 생산하기 위한 SOEC 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가의 목적은 극저온 기술을 사용하지 않고 저비용 및 고순도로 CO를 생산하기 위한 SOEC 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 간단하며 비싸지 않은 "실온" 가스 세정 및 가스 분리 방법과 조합된 CO₂ 전기분해에 기초한 CO 생산 및 정제 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 예를 들어 소비 현장이나 지역 유통센터에서 소량으로 고순도 CO를 생산하는 것을 기술적으로 그리고 경제적으로 실현가능하게 한다.

CO₂ 전기분해는 물 전기분해보다 덜 알려져 있으며, 소수의 기술이 CO₂ 전기분해에 이용될 수 있다. CO₂ 전기분해에 매우 효과적인 한 가지 기술은 고체 산화물 전기분해 셀이다.

CO₂ 전기분해장치의 원리는 CO₂(아마도 일부 CO를 포함한다)가 전기분해장치 캐소드에 공급된다는 것이다. 전류가 인가됨에 따라 CO₂가 CO로 전환되어 고농도의 CO를 가진 유출 스트림을 제공한다.

2CO₂(캐소드) -> 2CO(캐소드) + O₂(애노드)

만일 순수한 CO₂가 SOEC에 삽입된다면 유출물은 전환된 CO와 전환되지 않은 CO₂일 것이다. 필요하다면 전환되지 않은 CO₂는 -100℃ 초과의 온도에서 작동하는 CO/CO₂ 분리조에서 제거될 수 있으며, 이로써 최종적인 고순도 CO가 생산된다.

-100℃ 초과의 온도에서 작동하는 공지된 가스 분리조 기술이 가진 한 가지 특정한 문제는 이들이 일반적으로 단지 하나의 또는 소수의 분자에 대해서만 선택적이고, 그럼으로써 예를 들어 CO + CO₂ 전기분해장치 유출 스트림으로부터 Ar 또는 N₂를 제거하는데 어려움이 있다는 것이다.

결과적으로, 본 발명의 구체예는 다음을 포함한다:

- 전기분해장치를 위한 공급원료로서 고순도 CO₂의 사용.

- 전기분해장치 스택에 누출이 존재한다 하더라도 생성물 스트림에 불순물이 첨가되지 않는 계획안으로 SOEC 전기분해장치의 작동.

여기서 순도는 농도(CO₂) + 농도(CO)로서 정의된다.

가스 분리

가스 스트림으로부터 CO₂ 또는 CO를 분리하기 위한 네 가지의 주지된 기술이 존재한다. 이들은 흡수, 흡착, 막 여과 및 응축 방법으로 특정될 수 있으며, 전부 본 발명에서 사용될 수 있다.

용매 흡수는 CO₂ 또는 CO가 액체, 전형적으로 물 또는 아민으로 향하는 가스 스트림으로부터 흡수되는 주기적인 공정을 포함한다. 전형적으로, CO₂는 제거되며, 처리된 가스 스트림이 그 다음의 최종 정제된 CO 스트림이다. 흡수제 액체는 CO₂를 제거하기 위해 처리될 수 있으며, 이 CO₂는 다음에 추가의 전기분해에 재사용될 수 있다. 결과의 CO₂-무함유 액체는 흡수에 다시 사용되고 공정이 계속된다. 이 기술은 일련의 용도에서 꽤 널리 사용되지만, 용매를 재생하기 위해 많은 양의 전력이 필요하다.

흡착은 CO₂ 또는 CO가 가스 스트림으로부터 고체, 전형적으로 광물성 제올라이트의 표면 위에 흡착되는 주기적인 공정에 기초한다. 전형적으로, CO₂는 제거되며, 처리된 가스 스트림이 그 다음의 최종 정제된 CO 스트림이다. 다음으로, 고체는 CO₂를 제거하기 위해 압력 또는 온도의 차이를 사용한 단계에서 정제된다. 통상의 흡착 기술은 소위 말하는 압력 스윙 흡착장치(PSA)로서, 이것은 산업에서 널리 사용되지만, 소규모(<2000 N㎥/h) 작업에서도 꽤 비용이 많이 들 수 있다.

폴리머나 세라믹으로 제조된 막이 가스 스트림으로부터 CO₂ 또는 CO를 효과적으로 걸러내는데 사용될 수 있다. 막 재료는 혼합물 중 분자들을 우선적으로 분리할 수 있도록 특별히 설계된다. 간단한 가스 분리 장치나 액체 흡수 단계를 통합한 것으로서 일련의 구성이 존재한다. 이 공정은 아직 대규모로는 적용된 적이 없으며, 유입 가스의 조성 및 온도와 관련된 곤란함이 있다. 또한, 막의 선택성이 제한적이며, 전형적으로 많은 재활용품이 고순도(예를 들어 >99.5%) 가스 유출물을 얻기 위해서 필요할 것이다.

응축 기술은 전기분해장치 가스 스트림으로부터 CO₂를 냉각하고 응축하기 위해서 저온을 사용한다. 하나에서는 CO₂가 응축(예를 들어 -90℃에서)되고, 나머지 하나로부터는 CO₂가 방출(예를 들어 -40℃에서)되는 2개의 냉각장치를 사용하는 것은 응축 CO₂ 제거 유닛의 연속 작업을 허용할 것이다.

SOEC 기반 가스 세정

상기 언급된 전통적인 가스-세정 기술들의 대안으로서, 본 발명은 CO + CO₂ 스트림으로부터 필요한 양의 CO₂를 제거하기 위해서 사용되는 전용 전기분해장치 설계를 가진다.

이후 본 발명에 따른 일련의 구체예들이 기술되며, 이들의 이점이 설명될 것이다.

원칙적으로, 전기분해장치에 공급되는 모든 CO₂는 셀에 정확한 전류와 전압을 인가함으로써 CO로 전환될 수 있다. 전형적으로, 높은 전환율에 대한 실질적인 제한은 스택이, 스택 전체적으로 단일 전류와 스택 내의 상이한 셀들 간에 약간 비균일한 가스 흐름하에서 작동한다는 점이다. 도 2는 스택의 가스 및 전류 흐름을 도식적으로 나타낸다. 가스는 스택의 하부로 공급된 다음 위쪽으로 전파되면서 셀을 가로지른다. 상향 흐름 채널에서 압력 손실과 상이한 셀들에 걸친 압력 손실의 불가피한 차이로 인하여 상이한 셀들에 걸친 흐름에 어떤 변동이 항상 존재할 것이다.

스택 내의 모든 셀에 인가될 수 있는 전류는 최소 흐름하의 하나의 셀에 걸친 흐름에 의해 제한되며, 이로써 최대 전류는 최소 전류하의 셀에서 100% 전환에 상응한다. 만일 전류가 인가되고, 이것이 이 최소 흐름 셀에 대해 100% 초과의 전환율에 상응한다면, 상기 전류는 최소 흐름 셀에 구조적 변화를 도입할 것이고, 셀은 스택과 함께 빠르게 열화할 것이다. 전형적으로, 이것은 70-셀 스택에서 80%의 최대 전환율 및 10-셀 스택에서 90% 전환율을 초래한다.

도 1에 도시된 본 발명의 한 구체예에서, 고순도 CO₂의 유입 가스의 SOEC 전기분해 후 CO₂로부터 CO를 분리하는 것이 필수적이다. 이후 개시된 대로 CO₂ 분리조는 어떤 공지 기술의 것일 수 있으며, SOEC도 또한 그러하다. 분리된 CO₂는 SOEC 전기분해장치의 유입측으로 재순환될 수 있다.

본 발명의 추가의 구체예에서, 매우 고순도(예를 들어 90% 초과 및 예를 들어 99% 초과)의 CO 유출 스트림을 직접 생산할 수 있는 매우 높은 전환율하에 SOEC 스택이 작동하도록 허용하는 계획안이 제안된다. 이 구체예는 각 셀을 가로지른 전압의 모니터링에 기초한 각 셀을 가로지른 전류의 개별 제어에 기초한다.

SOEC 셀을 가로지른 전압은 다음과 같이 표현될 수 있다:

여기서 I_셀 및 R_셀은 각각 관련된 셀의 전류 및 저항이다. p_CO2, p_CO 및 p_O2는 각각 CO₂, CO 및 O₂의 부분 압력(bar 단위)이다.

이것은 가스 중 CO₂의 분율이 감소함에 따라 각 셀을 가로지른 전압이 상당히 꽤 증가한다는 것을 의미한다.

본 발명의 구체예에서, SOEC 스택은 고순도 CO의 직접 생산에 사용된다. 이것은 각 셀을 가로지른 전압을 모니터링하고, 각 셀을 가로지른 전류를 개별적으로 조정하여 원하는 수준의 CO₂에 상응하는 원하는 셀 전압을 획득함으로써 행해진다.

이것은 도 3에 도시되는데, 여기서 스택에는 CO₂의 비균일한 흐름 및 하나의 공통 전류 I_공통이 공급된다. 다음에, 각 셀(예를 들어 셀 "i")를 통한 전류는 셀-특이적 전류(예를 들어, I_i = I_공통 + ΔI_i)를 제공하도록 조정되고(전류 ΔI_i로), 이것은 개별 셀을 가로질러 원하는 전압(예를 들어 V_기준)과 그에 따른 CO 농도를 가져온다. 이런 전류 조정 계획안은 많은 방식으로 실현될 수 있다. 이것은 상대적으로 큰 공통 전류를 제공하고, 이어서 다이오드로 또는 트랜지스터와 트랜지스터 전류 제어 회로로 더 유연하게 과잉 전류를 제거함으로써 행해질 수 있다. 훨씬 에너지 효과적인 대안은 상대적으로 낮은 공통 전류를 제공하고, 이어서 추가 전류를 부가하여(예를 들어 스위치 모드 기술에 기초해서) 원하는 셀 전압을 획득하는 것일 것이다.

도 4에 도시된 본 발명의 추가의 구체예에서, 개별 전압 및 전류 제어는 CO₂의 CO로의 전환에서 마지막 단계에만 적용된다. 다음에, 모든 셀이 동일한 전류에서 작동하는 전통적인 스택에서 대부분의 CO₂ 전환이 수행된다. 이것은 예를 들어 모든 셀에 대해 오직 공통 전류하에서만 작동하는 전통적인 스택에서 100% CO₂ 스트림의 15% CO₂와 85% CO로의 전환일 수 있다. 두 번째 단계에서(전형적으로 더 적은 셀과 더 높은 흐름을 수반한다), 15% CO₂와 85% CO는 상이한 셀들 또는 셀 그룹들에 대해 전류가 개별적으로 제어되는 스택에서 고순도 CO, 예를 들어 99.7% CO와 0.3% CO₂로 전환된다. 이 구체예는 대부분의 CO₂ 전환에는 상대적으로 저비용인 전통적인 SOEC 스택을 제공하고, 적은 부분의 전환에는 상대적으로 비용이 더 많이 드는 개별 전압 및 전류 제어 SOEC 스택을 제공하므로 비용 효과적이다.

SOEC 스택 관련 불순물의 방지

본 발명의 유출 단계에서 비용이 많이 드는 CO₂ 분리를 피하기 위해서 SOEC 전기분해장치가 가스 스트림에 불순물을 부가하지 않는 것이 중요하다.

이러한 잠재적 불순물의 주요 공급원은 SOEC 스택에서의 누출이다. 이것은 스택의 캐소드와 애노드 측 사이의 누출일 수 있으며, 도 5에 나타낸 대로 스택과 외부 분위기 사이의 누출일 수 있다. 이들 종류의 누출들은 고체 산화물 스택에서 종종 경험된다. 누출은 셀과 인터커넥트 사이의 불완전한 실링에 의해서 일부 야기되고, 일부는 제조 후 고체 산화물 셀 전해질에 작은 균열들이 쉽게 존재할 수 있거나 또는 시스템 수명 동안 발달할 수 있기 때문에 야기된다.

전기분해장치가 애노드 측의 순수한 산소하에 작동한다면, 애노드와 캐소드 측 사이의 누출은, 산소가 CO와 함께 연소하여 CO₂를 형성할 것이므로 생산된 가스의 순도(CO₂ 농도 + CO 농도로 정의된다)에 영향을 미치지 않을 것이다. 그러나, 고순도 산소는 SOEC 전해조에서 발생되는 800℃ 근처의 고온에서 취급하기 매우 어렵다. 이런 문제들은 고온 금속 부품의 부식 및 아마도 심지어 연소와 관련된다. 따라서, 산소 농도를 감소시키기 위해서 전해조의 산소 측을 플러싱하는 것이 좋을 수 있다.

본 발명의 구체예에서, 산소 측(애노드)은 SOEC 스택에 내부 누출이 있다 하더라도 SOEC 유출 가스의 CO₂ + CO 순도의 감소 없이 산소 농도를 감소시키기 위해서 CO₂로 플러싱된다.

도 6에 도시된 본 발명의 추가의 구체예에서, SOEC 스택 또는 스택들은 CO₂로 플러싱되는 폐쇄된 구획에 봉쇄된다. 이것은 SOEC 스택에 외부 누출이 있다 하더라도 SOEC 유출 가스의 CO₂ + CO 순도가 유지된다는 것을 의미한다.

본 발명의 추가의 구체예에서, SOEC의 상이한 구획들은 상이한 압력에서 작동된다. 만일 애노드(O₂) 측의 압력이 P1, 캐소드(CO₂) 측의 압력이 P2, 스택 외부의 압력이 P0이면, 스택은 예들 들어 P0 < P1 < P2인 조건에서 작동될 수 있다.

이것은 아주 적은 불순물이 외부 측에서 스택으로 침투하고, 아주 적은 불순물이 애노드 측에서 CO가 생산되는 캐소드 측으로 확산하는 것을 보장할 것이다.

구획 P0은 또한 CO₂로 퍼지될 수 있으며, 이 경우 공기의 첨가 후 퍼지 스트림이 촉매 산화 단계를 통과하고, 이것은 도 6을 참조한다. 촉매 산화 단계는 CO와 O₂ 사이의 산화 반응에서 활성인 촉매를 포함해야 한다.

2CO + O₂ -> 2CO₂

촉매는 예를 들어 알루미나 또는 TiO₂계 캐리어 상의 V₂O₅ 및 WO₃와 선택적으로 조합된 Pt 및/또는 Pd와 같은 귀금속 촉매일 수 있다. 국소 환경에 배출된 CO의 제거를 보장하기 위하여 촉매는 100℃ 초과, 바람직하게 150 내지 250℃에서 작동해야 한다. 이에 더하여, PO로 표시된 구획의 절대 압력은 PO로 누출하는 CO가 어떤 환경하에서 주변으로 탈출할 수 없도록 보장하기 위하여 대기압 이하로 설정되도록 선택될 수 있다.

SOEC 유입 가스의 순도 개선

매우 값비싼 CO₂ 공급원료의 사용을 피하기 위해서 본 발명은 CO₂ 공급가스가 원치않는 "오염" 가스의 함량을 일부 갖는 것을 고려해야 한다. 이것은 시스템에 두 가지 바람직하지 않은 효과를 가질 수 있다:

- 오염 가스는 SOEC 또는 CO/CO₂ 분리 장치의 작동이나 심지어 피독에 영향을 미칠 수 있다.

- 잘 설계된 CO/CO₂ 분리 장치에서 오염 가스는 일반적으로 CO₂ 스트림으로 분리될 것이다. 전형적으로 이 스트림을 SOEC로 재순환하는 것이 유익하므로, 오염 가스는 시스템에 축적될 수 있다.

이들 잠재적 문제들을 다루기 위해서 본 발명은 도 10에 나타낸 구체예를 포함하며, 여기서

- 원치않는 가스 오염을 제거하기 위해 SOEC 전에 흡착제 또는 흡수제가 사용된다. 특히 과잉 종들과 실록산류는 고체 산화물 셀을 피독시킨다고 알려져 있다. 이들은 예를 들어 활성탄 또는 Ni- 또는 Cu-계 흡수장치로 흡수될 수 있다.

- 오염 가스의 축적을 피하기 위해 "퍼지"가 재순환 스트림에 설계될 수 있다. 그러나, 재순환 스트림은 전형적으로 CO를 포함하며, 이것은 대부분의 경우에 안전하게 환기될 수 없다. 본 발명의 한 구체예는 공기 또는 SOEC의 산소 출구로부터의 산소와 조합된 재순환 스트림의 퍼지 출구를 포함하며, 이 경우 CO와 과량의 O₂는 산화 촉매(CatOx) 상에서 CO₂를 형성한다.

탄소 형성 및 금속 더스팅의 방지

상승된 온도에서 작동하는 고순도 CO 생산 장치와 관련된 한 가지 실질적인 문제는 소위 말하는 부다 반응을 통해서 일산화탄소로부터 탄소가 형성될 수 있다는 것이다:

CO + CO -> C + CO₂

탄소의 부착은 대략 700℃ 이하의 온도 영역에서 열역학적으로 유리하며, CO 부화 가스가 냉각됨에 따라 예를 들어 배관이나 열교환기의 금속 표면에 탄소가 부착될 수 있다. 이것은 금속 더스팅으로 알려진 메커니즘을 통해서 금속을 부식시킬 수 있고, 궁극적으로 해당하는 금속 부품을 파괴할 수 있다. 탄소 부착 및 금속 더스팅은 해당하는 표면에 특수 금속이나 특수 코팅을 사용함으로써 CO 부화 환경에서 방지될 수 있다. 본 발명의 특수 구체예에서, SOEC 전기분해장치의 유출 구간에서 탄소 형성 및 금속 더스팅을 방지하기 위해서 선택된 금속 또는 코팅이 사용된다.

이 구체예는 Inconel, 또는 구체적으로 Inconel 693과 같은 Ni-부화 금속의 사용을 포함한다. 또한, 이 구체예는 Cu 또는 예를 들어 55-65% Sn을 가진 Sn/Ni 코팅으로 코팅된 표면과 같은 금속 표면의 특수 코팅을 포함한다.

언급된 코팅에 더하여, 다른 가능성은 이중 관 구조를 사용하는 것이다. Cu의 경우, 실행가능한 옵션은 필요한 기계 강도를 가진 관 내부에 구리 관을 삽입하는 것이다. 구리 관은 상승된 온도에서는 기계 강도를 느슨하게 하지만, 예를 들어 고 합금 스테인리스 스틸 관 내부에 구리 관을 적용하고, 관 표면들 사이에 긴밀한 접촉을 보장함으로써 스틸 관의 기계 강도가 구리 관의 금속 더스팅에 대한 내성과 조합될 수 있다. 금속 더스팅에 대한 보호는 가스의 대부분이 Cu 표면 쪽으로 노출된다는 것 때문이다. 적은 부분의 가스가 라이닝에 있는 결함에 의해서 야기된 구획들로 흘러갈 수 있지만, 이들 구획들에 금속 더스팅 효력 가스가 정체되고, 따라서 금속 표면에는 의미없는 효과만을 가질 수 있다. 이것은 시스템 압력 감소시 관들을 분리하는 힘은 시스템의 압력 수준에 직접 의존하므로 대기압에 가깝게 작동하는 용도에서 특별히 유익하다.

본 발명의 특징들

1. 90% 초과의 순도를 가진 CO₂가 장치에 제공될 때 90% 초과의 순도를 가진 CO의 생산을 위한 장치로서, 상기 장치는 애노드 측과 캐소드 측을 가진 적어도 하나의 고체 산화물 전기분해 셀을 포함하고, 상기 장치는 유출 가스 분리 유닛을 더 포함하며, 유출 가스 분리 유닛은 0℃-50℃ 사이의 온도, 바람직하게 10℃-40℃, 바람직하게 실온에서 작동하는 장치.

2. 제1항에 있어서, 상기 장치는 스택에 배열된 복수의 고체 산화물 전기분해 셀을 포함하고, 상기 장치는 선택된 고체 산화물 전기분해 셀을 가로지른 전류의 개별 제어를 위한 수단을 더 포함하는 장치.

3. 제2항에 있어서, 전류의 상기 개별 제어는 선택된 고체 산화물 전기분해 셀을 가로지른 전압의 모니터링에 기초한 장치.

4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 유출 가스 분리 유닛은 상기 스택에 통합된 장치.

5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 유출 가스 분리 유닛은 가스 분리 고체 산화물 전기분해 셀 스택에 배열된 복수의 셀을 포함하며, 상기 스택은 선택된 셀을 가로지른 전류의 개별 제어를 위한 수단을 포함하는 장치.

6. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 장치는 적어도 하나의 고체 산화물 전기분해 셀의 애노드 측을 CO₂로 플러싱하기 위한 수단을 더 포함하는 장치.

7. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 장치는 적어도 하나의 고체 산화물 전기분해 셀을 봉쇄한 구획을 포함하며, 상기 구획은 구획에 의해서 봉쇄된 공간을 플러싱하기 위한 수단을 포함하는 장치.

8. 제7항에 있어서, 캐소드 측의 압력은 애노드 측의 압력보다 높고, 애노드 측의 압력은 구획의 압력보다 높으며, 구획의 압력은 주변 압력 이하이고, 구획은 CO₂로 플러싱되며, CO₂ 퍼지는 구획으로부터 알루미나 또는 TiO₂계 캐리어 상의 V₂O₅ 및 WO₃와 선택적으로 조합된 Pt 및/또는 Pd와 같은 귀금속 촉매를 포함하는 촉매를 이용하는 촉매 산화 반응기로 향하고, 촉매는 100℃ 초과, 바람직하게 150℃ 내지 250℃에서 작동하는 장치.

9. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유출 가스 분리 유닛은 물/아민 세척, 압력 스윙 흡착 또는 선택적 막 중 하나인 장치.

10. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 스택화된 고체 산화물 전기분해 셀 및 복수의 스택을 포함하며, 상기 스택은 네트워킹 연결로 연결된 장치.

11. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 금속 더스팅을 겪는 선택된 구성요소는 Inconel, 바람직하게 Inconel 693과 같은 Ni-부화 금속으로 제조되거나, 또는 상기 구성요소는 Cu 또는 Sn/Ni 코팅, 바람직하게 55-65% Sn으로 코팅된 장치.

12. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 금속 더스팅을 겪는 선택된 구성요소는 이중 관으로 제조되며, 구리 관인 내부 관이 구리 관보다 높은 기계 강도를 가진 외부 관 내부에 위치되고, 이로써 금속 더스팅 보호를 달성함과 동시에 외부 관의 기계 강도와 구리 관의 금속 더스팅에 대한 내성을 조합한 장치.

13. - 90% 초과의 순도를 가진 제1 CO₂ 가스를 적어도 하나의 고체 산화물 전기분해 셀을 포함하고 가스 분리 유닛을 포함하는 장치에 제공하는 단계,

- 적어도 하나의 고체 산화물 전기분해 셀에 전류를 제공하고, CO₂ 전기분해에 의해서 상기 고체 산화물 전기분해 셀에서 CO를 포함하는 제2 가스를 생산하는 단계,

- 상기 제2 가스를 유출 가스 분리 유닛에 제공하는 단계,

- 상기 가스 분리 유닛을 0℃-50℃ 사이의 온도, 바람직하게 10℃-40℃, 바람직하게 실온에서 작동시켜서, 이로써 90% 초과의 순도를 가진 CO를 포함하는 제3 유출 가스를 생산하는 단계

를 포함하는 고순도 CO의 생산 방법.

14. 제13항에 있어서, 상기 장치는 스택에 배열된 복수의 고체 산화물 전기분해 셀을 포함하며, 상기 방법은

- 선택된 고체 산화물 전기분해 셀을 가로지른 전류를 개별적으로 제어하는 단계

를 더 포함하는 방법.

15. 제13항 또는 제14항에 있어서,

- 적어도 하나의 고체 산화물 전기분해 셀의 애노드 측을 CO₂로 플러싱하는 단계

를 더 포함하는 방법.

16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 고체 산화물 전기분해 셀을 봉쇄한 구획을 더 포함하며,

- 상기 구획에 의해서 봉쇄된 공간을 플러싱하는 단계

를 더 포함하는 방법.

17. 제16항에 있어서,

- 캐소드 챔버로의 확산을 감소시키기 위해 구획, 고체 산화물 전기분해 셀의 애노드 챔버 및 고체 산화물 전기분해 셀의 캐소드 챔버의 압력을 상이한 수준으로 제어하는 단계

를 더 포함하는 방법.

18. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 분리는

- 상기 제2 가스를 가스 분리 고체 산화물 전기분해 셀 스택에 제공하는 단계,

- 상기 가스 분리 고체 산화물 전기분해 셀 스택에서 각 개별 셀을 가로지른 전류를 제어하는 단계

를 포함하는 방법.

19. 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 95% 초과, 바람직하게 99% 초과, 바람직하게 99.5% 초과의 순도를 가진 CO의 생산을 위한 방법.

20. CH₃COOH의 생산을 위한 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 장치에 의해서 제조된 CO의 사용.

실시예

완전한 시스템

도 7은 본 발명의 한 가지 가능한 구체예의 모식도를 도시한다.

고순도 CO₂로 SOEC 스택의 "연료"와 "산소" 측을 모두 플러싱한다. 시스템으로부터의 열의 대부분을 회수하기 위해서 연료 측의 유입 CO₂는 2개의 열교환기를 통과하지만, "산소" 측의 유입 측에는 단지 하나의 열교환기가 사용된다. 이런 비대칭 형태의 이유는 산소가 연료로부터 산소 측으로 통과하고, 따라서 열 용량이 연료 유입 및 산소 유출 스트림에서 최고이기 때문이다. 이것은 또한 도 7에 도시된 상이한 열교환기의 온도 및 듀티에도 반영된다.

금속 더스팅과 탄소 형성을 피하기 위해서 SOEC 연료 측(캐소드 측)에서 열교환기는 Inconel, 특히 Inconel 693과 같은 Ni-부화 금속 또는 코팅된 금속 부품, 예를 들어 Sn/Ni 코팅된 부품으로 제조된다.

이런 형태에서 스택 가장 가까이에 있는 열교환기의 유출물 온도는 연료 및 산소 측에서 각각 675℃ 및 750℃이다. SOEC 스택은 800℃의 온도에서는 열 중성 작동 지점에서 작동될 수 있다고 가정된다. 결과적으로, 유입 CO₂ 스트림은 2개의 전기 히터에서 800℃까지 가열된다. 이런 형태의 단순한 변형은 연료 유입물에서 하나의 전기 히터를 사용하고, 여기서 스트림을 대략 825℃까지 가열하고, SOEC 스택의 열 교환 용량을 산소 측 유입물을 가열하도록 하는 것이다.

이런 형태에서, SOEC 스택은 대략 1.2 N㎥/h CO를 생산할 수 있는 용량을 가진다. 이것은 예를 들어 10x10cm의 유효 면적을 가진 50-셀에 기초한 스택으로 실현될 수 있었다. 이들 셀들은 0.75 A/㎠ 정도의 전류 밀도, 1.25V의 셀 전압 및 3.1 KWh/N㎥의 유효 SOEC 전환 효율에서 작동할 수 있었다. SOEC 셀은 Ni/YSZ 지지층, Ni/YSZ 연료 측 전극, YSZ 전해질 및 산소 측의 LSM 전극에 기초할 수 있다.

CO₂ 유입 스트림은 여기서 연료 및 산소 측 모두에서 2 N㎥/h 근처이도록 선택된다. 이것은 유출물에서 단지 63%의 꽤 적당한 CO 농도를 제공한다. 이것은 스택 내에서 비균일한 흐름 분포를 허용하도록 선택되지만, 예를 들어 개별 셀 전류 제어를 사용함으로써 훨씬 더 높은 유출물 농도도 가능하다.

산소 측으로의 2 N㎥/h 유입 흐름은 유출물에서 50% 훨씬 이하의 O₂를 보장하기 위해서 선택된다. 이것은 산소 측 유출물에서 부식 속도를 감소시키고, 열교환기와 배관에 대한 재료 선택을 단순화한다.

연료 측 유출물에서 가스 스트림이 냉각되고, 대부분의 CO가 분리조에서 제거되는데, 이것은 예를 들어 막에 기초할 수 있다. 이 실시예에서 나머지 CO₂는 바로 공기로 보내지지만, 또한 연료 측 유입물로 재순환될 수 있었다(일부 가능한 CO 분획을 포함해서). 이 형태에서 SOEC 유출물의 분획이 유입물로 재순환되며, 여기서 잔류 CO는 또한 SOEC 스택의 연료 측의 유입물에서 산화를 피하는 것을 도울 수 있다.

스택 네트워킹 실시예

도 8은 스택 네트워킹의 실시예를 도시한다. 하부 스택은 20-셀로 이루어지고, 상부 스택은 10-셀로 이루어진다. 이 경우에 양 스택의 바닥이 내부 매니폴트 플레이트와 마주보고 있다.

SOEC 스택 누출로부터 오염의 방지

도 9는 스택 누출에 의해서 SOEC 시스템의 유출 스트림에 도입된 가능한 불순물들을 능동적으로 취급하는 것의 중요성을 도시한다.

테스트 1은 균일한 압력과 산소 측 플러싱에 사용된 공기하에 작동하는 스택의 불순물(N₂ 및 O₂)을 도시한다.

테스트 2에서 산소 측을 플러싱하는데 CO₂가 공기 대신에 사용되었고, 이 경우에 불순물 수준은 대략 1.5 몰%에서 0.75 몰% 미만까지 감소되었다.

테스트 3에서 연료 측(캐소드)의 압력은 산소 측과 외부 스택 구획에서보다 대략 100mbar 더 높게 증가되었다. 산소 측을 플러싱하는데 CO₂가 사용되었다. 이 테스트에서 불순물 수준은 0.3 몰% 이하였으며, 이것은 예를 들어 병에 든 CO에 대한 표준 산업 등급을 충족하기에 충분하다.

Claims (20)

1. 90% 초과의 순도를 가진 CO₂가 장치에 제공될 때 90% 초과의 순도를 가진 CO의 생산을 위한 장치로서, 상기 장치는 애노드 측과 캐소드 측을 가진 적어도 하나의 고체 산화물 전기분해 셀을 포함하고, 상기 장치는 유출 가스 분리 유닛을 더 포함하며, 유출 가스 분리 유닛은 0℃-50℃, 또는 10℃-40℃의 온도에서 작동하고,
   상기 장치는 적어도 하나의 고체 산화물 전기분해 셀을 봉쇄한 구획을 포함하며, 상기 구획은 구획에 의해서 봉쇄된 공간을 플러싱하기 위한 수단을 포함하고,
   캐소드 측의 압력은 애노드 측의 압력보다 높고, 애노드 측의 압력은 구획의 압력보다 높으며, 구획의 압력은 주변 압력보다 낮고,
   구획은 CO₂로 플러싱되며, CO₂ 퍼지는 구획으로부터 (i) 알루미나 또는 TiO₂계 캐리어 상의 Pt 및/또는 Pd를 포함하는 촉매 또는 (ii) 알루미나 또는 TiO₂계 캐리어 상의 V₂O₅ 및 WO₃와 조합된, Pt 및/또는 Pd를 포함하는 촉매를 이용하는 촉매 산화 반응기로 향하고, 촉매는 100℃ 초과, 또는 150℃ 내지 250℃에서 작동하는, 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 장치는 스택에 배열된 복수의 고체 산화물 전기분해 셀을 포함하고, 상기 장치는 선택된 고체 산화물 전기분해 셀을 가로지른 전류의 개별 제어를 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 전류의 상기 개별 제어는 선택된 고체 산화물 전기분해 셀을 가로지른 전압의 모니터링에 기초한 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제 2 항에 있어서, 유출 가스 분리 유닛은 상기 스택에 통합된 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 장치는 적어도 하나의 고체 산화물 전기분해 셀의 애노드 측을 CO₂로 플러싱하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 유출 가스 분리 유닛은 물/아민 세척, 압력 스윙 흡착 또는 선택적 막 중 하나인 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 스택화된 고체 산화물 전기분해 셀 및 복수의 스택을 포함하며, 상기 복수의 스택은 네트워킹 연결로 연결된 것을 특징으로 하는 장치.
8. 고순도 CO의 생산 방법으로서,
   - 90% 초과의 순도를 가진 제1 CO₂ 가스를 적어도 하나의 고체 산화물 전기분해 셀을 포함하고 유출 가스 분리 유닛을 포함하는 장치에 제공하는 단계,
   - 적어도 하나의 고체 산화물 전기분해 셀에 전류를 제공하고, CO₂ 전기분해에 의해서 상기 고체 산화물 전기분해 셀에서 CO를 포함하는 제2 가스를 생산하는 단계,
   - 상기 제2 가스를 유출 가스 분리 유닛에 제공하는 단계,
   - 상기 유출 가스 분리 유닛을 0℃-50℃, 또는 10℃-40℃의 온도에서 작동시켜서, 이로써 90% 초과의 순도를 가진 CO를 포함하는 제3 유출 가스를 생산하는 단계를 포함하고,
   상기 장치는 적어도 하나의 고체 산화물 전기분해 셀을 봉쇄한 구획을 더 포함하며, 상기 고순도 CO의 생산 방법은
   - 상기 구획에 의해서 봉쇄된 공간을 플러싱하는 단계, 및
   - 캐소드 챔버로의 확산을 감소시키기 위해 구획, 적어도 하나의 고체 산화물 전기분해 셀의 애노드 챔버 및 적어도 하나의 고체 산화물 전기분해 셀의 캐소드 챔버의 압력을 상이한 수준으로 제어하는 단계
   를 더 포함하는, 고순도 CO의 생산 방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 장치는 스택에 배열된 복수의 고체 산화물 전기분해 셀을 포함하며, 상기 방법은
   - 선택된 고체 산화물 전기분해 셀을 가로지른 전류를 개별적으로 제어하는 단계
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 CO의 생산 방법.
10. 제 8 항에 있어서,
    - 적어도 하나의 고체 산화물 전기분해 셀의 애노드 측을 CO₂로 플러싱하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 CO의 생산 방법.
11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 95% 초과, 99% 초과, 또는 99.5% 초과의 순도를 가진 CO의 생산을 위한 것을 특징으로 하는 고순도 CO의 생산 방법.
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