KR102549839B1 - 수소 기체를 제공하고 추가로 이용하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소 기체의 제공을 위한 시스템에 관한 것으로, 이 시스템은 적어도 부분적으로 적재된 수소 운반 매체로부터 수소 기체를 함유한 기체 혼합물을 방출하기 위한 탈수소화 유닛(4)을 포함하고, 기체 혼합물로부터 수소 기체를 적어도 부분적으로 분리하기 위해 그리고 분리된 수소 기체를 정화하기 위해서 탈수소화 유닛(4)에 연결되고 분리 막(17)을 갖는 분리/정화 유닛(5), 정화된 수소 기체를 이용하기 위해 분리/정화 유닛(5; 5a)에 연결되는 이용 유닛(6), 및 잔여 기체 혼합물을 열적으로 이용하기 위해 분리/정화 유닛(5; 5a)에 연결되는 열 변환 유닛(7)을 포함한다.

Description

수소 기체를 제공하고 추가로 이용하기 위한 시스템 및 방법
본 특허 출원은 독일 특허 출원 DE 10 2017 217 748.9의 우선권을 주장하며, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.
본 발명은 수소 기체를 제공하고 추가로 이용하는 설비 및 방법에 관한 것이다.
수소 기체는 연료 전지에서 발전을 위해 이용될 수 있다. 이를 위해, 수소 기체에는 예를 들어 99.9% 이상의 고순도가 제공되어야 한다. 일산화탄소(CO) 또는 탄화수소(TOC)와 같은 불순물은 특히 불리하며 연료 전지의 동작을 손상시킨다.
수소 기체를 제공하는 공지된 방법은 수소 운반 매체, 특히 액체 유기 수소 캐리어(LOHC)로도 알려진 액체 유기 수소 운반 매체의 탈수소화이다. JP 2002/134141 A는 LOHC 탈수소화로부터 기체 혼합물에서 수소 기체를 분리하는 것을 개시한다. LOHC 탈수소화로부터의 수소 기체의 정화에 관련해 높은 수준의 비용이 들기 때문에, 정화된 수소 기체는 가능한 한 발전에 사용되어야 한다. 연료 전지의 최대 효율은 55%이다. 연료 전지의 효율 및 98%의 수소 운반 매체의 수소화와 70%의 수소 운반 매체의 이후의 탈수소화로부터 발생하는 이론적인 전체 효율은 최대 38%이다. 연료 전지의 실제 효율은 일반적으로 45% 내지 50%이고, 따라서 실제 전체 효율은 약 30% 내지 34%이다.
본 발명의 목적은 특히 연료 전지에서의 이용을 위해 수소 기체의 제공을 향상시키는 것, 특히 이론적 최대 전체 효율인 38%까지 효율을 증가시키는 것이다.
상기 목적은 청구항 1항에 명시된 특징을 갖는 설비 및 청구항 6항에 명시된 특징을 갖는 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 핵심은 분리/정화 유닛 내의 탈수소화 유닛으로부터 발생하는 기체 혼합물로부터 수소 기체를 적어도 부분적으로 분리하고 정화하는 것이다. 놀랍게도, 기체 혼합물의 서브스트림만이 이후의 발전을 위해 정화되는 경우에 이 방법의 전체 효율이 상승되는 것으로 밝혀졌다. 발전에 사용될 서브스트림의 정화에 관련된 지출이 감소되고, 따라서 전체 효율이 증가된다. 분리/정화 유닛이 기체 혼합물로부터 수소 기체의 분리 및 수소 기체의 정화를 위한 분리 막을 갖는 경우에 특히 유리하다. 본 발명은 또한 분리 막이 LOHC 탈수소화로부터 수소 기체의 정화에 이용될 수 있다는 발견에 기초한다. 상류 분리 단계 및 하류 정화 단계를 갖는 선행 기술로부터 공지된 2 단계 방법은, 분리 막에 의한 조합된 1 단계 공정으로서 본 발명에 따라 수행될 수 있다. 이 방법, 특히 수소 기체의 정화에 관련된 지출이 감소된다. 본 발명의 본질적인 장점은 전체 효율이 증가되고, 동시에 수소 기체의 정화에 관련된 지출이 감소된다는 것이다.
사용된 수소 운반 매체가 LOHC이면, 수소는 유기 분자 또는 유기 분자의 혼합물로부터 촉매화된 탈수소화 반응에 의해 방출된다. 이는 촉매화된 탈수소화 반응에 의해 언로딩 유닛에서의 비움에 의해서 채워진 캐리어 물질의 물리적 변형에 의해 수소가 방출됨을 의미한다. 채워진 상태에서, 운반 매체는 특히 포화 다환식 화합물, 특히 퍼하이드로다이벤질톨루엔 또는 퍼하이드로벤질톨루엔이며, 이들은 순수한 물질, 이성질체 혼합물 또는 서로의 혼합물의 형태로 사용될 수 있다. 대안적으로, 채워진 운반 재료는 예를 들어 질소 또는 산소와 같은 헤테로 원자를 함유하는 포화 다환식 화합물, 특히 퍼하이드로-N-에틸카바졸, 퍼하이드로-N-프로필카바졸, 퍼하이드로-N-이소프로필카바졸, 퍼하이드로-N-부틸카바졸 또는 이들 물질의 혼합물이다. 대안적으로, 사용된 채워진 캐리어 매체는 또한 촉매 탈수소화에 의해 연장된 π-공액 전자계를 갖는 올리고머 또는 폴리머로 전환될 수 있는 포화 유기 올리고머 또는 폴리머일 수 있다. 채워진 캐리어 매체는 100℃ 내지 450℃, 바람직하게는 150℃ 내지 420℃, 특히 180℃ 내지 390℃의 공정 온도에서 압력-안정적 화학 반응기에서 특히 언로딩 유닛 내에 비워진다. 공정 압력은 0.1 내지 30 bar, 특히 1 내지 10 bar이고, 금속-함유 촉매, 특히 백금 및/또는 팔라듐을 함유하는 촉매가 사용될 수 있다. 촉매는 수소 기체로서 LOHC 운반 매체로부터 방출된 수소를 방출 할 수 있어야 한다. 백금 및/또는 팔라듐뿐 아니라, 크롬, 철, 코발트, 니켈, 구리, 이리듐 또는 루테늄과 같은 금속이 이 목적에 특히 적합하다.
제 1 유체 도관을 통해 분리/정화 유닛에 연결된 이용 유닛은 특히 발전 유닛에서의 발전에 의해 분리된 정화된 수소 기체의 직접적인 이용을 가능하게 한다. 이용 유닛은 물리적으로 수소 기체를 이용하기 위해 다른 형태를 취할 수도 있다. 발전 유닛은 특히 고분자 전해질 막, 특히 PEM 연료 전지를 갖는 연료 전지이다.
제 2 유체 도관을 통해 분리/정화 유닛, 특히 수소 버너에 연결된 열 변환 유닛은 잔류 기체 혼합물이 유리하게 연소되어 열적으로 변환될 수 있다는 점에서 설비의 전체 효율의 유리한 상승을 가능하게 한다. 잔류 기체 혼합물은 수소 기체가 분리된 탈수소화 유닛으로부터의 기체 혼합물의 서브스트림이다. 잔류 기체 혼합물은 특히 비정제되고 특히 탄화수소 화합물 형태의 불순물을 포함할 수 있다. 이러한 불순물은 잔류 기체 혼합물의 열 전환과 관련하여 문제가 되지 않는다. 이는 한편으로는 연료 전지에서 수소 기체를 이용한 발전에 부분적인 정화만으로 충분하고, 다른 한편으로는 열 변환 장치에서의 잔류 기체 혼합물의 열 변환과 관련하여 문제가 없다는 발견에 기초한다.
제 2 항에 따라 발전 유닛으로 열 변환 유닛을 연결하는 것은 특히 연료 전지로부터의 잔류 수소가 수소 버너에 공급되는 전체 효율의 추가적인 증가를 가능하게 한다. 분리된 정화된 수소 기체가 부분적으로, 특히 불완전하게 발전 유닛에서의 발전에 사용될 때 전체 효율의 추가 증가가 가능함이 밝혀졌다. 따라서 연료 전지에서의 발전에 관련된 지출이 감소되기 때문에, 발전에 관한 부분적인 효율은 특히 최대 55%까지 증가된다. 실제 전체 효율성은 최대 38%까지 향상될 수 있다. 연료 전지에 대한 최대 효율은 완전한 활용, 즉 들어오는 수소 흐름을 이용한 전체 발전의 경우에는 달성되지 않는다.
제 3 항에 따른 전기화학적 압축기는 분리/정화 유닛에서 수소의 유리한 분리를 가능하게 한다. 전압을 인가하는 것은 분리 막을 통한 수소 기체의 통과를 촉진하는 반면, 다른 물질, 특히 불순물은 막을 관통할 수 없다. 보다 구체적으로, 전위의 제어된 인가에 의해, 발전 유닛을 위해 분리된 정화된 수소 기체의 비율이 제어된 방식으로 분리될 기체 스트림의 비율에 영향을 미치는 것이 가능하며, 그에 따라 발전 유닛을 위해 분리된 정화된 수소 기체의 비율이 조정 가능하다. 보다 구체적으로, 탈수소화 유닛에서 확립된 요구되는 절대 압력이 감소된다. 이는 탈수소화 유닛을 동작시키는 것과 관련된 지출을 감소시키며, 따라서 설비의 전체 효율이 추가로 증가된다. 연료 전지에 필요한 동작 압력은 전기화학적 압축기에 의해 제공된다.
제 4 항에 따른 세척 유닛은 특히 기체 혼합물로부터 드롭릿 형태의 LOHC 성분을 분리하도록 기체 세척 유닛의 형태를 취한다. 세척 유닛은 특히 열 변환 유닛의 상류에 배치된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 세척 유닛은 분리/정화 유닛의 상류에 배치될 수 있다.
제 5 항에 따른 열 전달 유닛은 전체 효율을 추가로 증가시키는 역할을 한다. 수소 연소에서 나오는 열은 수소 기체의 방출에 필요한 반응 엔탈피를 제공하기 위해 탈수소화 유닛로 직접 공급될 수 있다. 잔류 기체 혼합물의 비율이 부피의 측면에서 결정되어 열 변환 유닛에서 발생된 열이 탈수소화를 위한 반응 엔탈피를 제공하기에 충분할 때 유리하다. 이를 위해서, 한편으로는 탈수소화 유닛의 열 요구량을, 그리고 다른 한편으로는 분리/정화 유닛의 기체 혼합물로부터 수소 기체의 분리를 모니터링 및 제어하도록 중앙 폐쇄-루프 제어 유닛이 제공될 수 있다. 폐쇄-루프 제어, 특히 기체 혼합물로부터 수소 기체의 분리를 위해 사용되는 조작된 변수는 전기화학적 압축기에 공급되는 전기 에너지 또는 공급된 전압일 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 발전 유닛으로부터의 폐열은 탈수소화 유닛의 열 전달 유닛에 의해 재순환될 수 있다.
청구항 6 내지 11에 따른 본 발명의 방법의 장점은 여기에서 참조되는 상응하는 설비의 각각의 장점에 대응한다.
제 8 항에 따른 방법은 경제적으로 실행 가능한 방식으로 수행 가능하고 전체 효율을 증가시킬 수 있게 한다. 탈수소화 유닛의 가압에 관련된 지출이 감소된다. 전기화학적 압축에 의한 가압은 수소 기체가 다양한 방식으로 이용될 수 있는 방식으로 분리/정화 유닛에서 고압 레벨을 제공하는 것이 유리하다. 발전 유닛에서 수소 기체를 이용한 발전뿐만 아니라, 다른 옵션은 예를 들어 수소 기체의 물리적 이용이다. 전기화학적 압축에 의해 달성될 수 있는 수소 압력은 특히 5 bar 초과, 특히 10 bar 초과이므로, 추가 압축 단계가 특히 불필요하다. 장치 및 설비 기술 측면에서 복잡성이 감소된다. 이 방법은 복잡하지 않고 유리하게 수행 가능하다.
제 9 항에 따른 방법은 전체 효율이 증가시킨다. 탈수소화 유닛의 열 공급에 관련된 지출이 감소된다.
제 10 항에 따른 방법은 기체 혼합물을 서브스트림으로 유리하게 분할한다. 놀랍게도, 분리/정화 유닛으로 공급되고 하류 전력 발생을 위해 정화된 기체 스트림으로부터 최대 85%, 특히 80% 그리고 특히 최대 75%의 서브스트림이 분리될 때 방법의 전체 효율이 증가될 수 있음이 밝혀졌다. 분리되지 않은 잔류 기체 혼합물은 열 변환으로 직접 유도될 수 있다. 잔류 기체 혼합물 내의 임의의 불순물은 문제가 되지 않는다.
제 11 항에 따른 방법은 전체 열 필요조건을 감소시킨다.
제 12 항에 따른 방법은 발전 유닛, 특히 연료 전지의 전체 효율을 증가시키는 것을 가능하게 한다. 발전을 위해 발전 유닛에 공급된 분리된 정화된 수소 기체의 오직 일부의 제어된 사용으로 인해, 이러한 부분적인 발전을 위한 연료 전지의 전체 효율이 증가된다. 발전에 사용되지 않은 수소 기체의 비율이 열 변환 유닛에 직접 공급되어 에너지적으로 실행 가능한 방식으로 사용될 수 있는 것이 특히 유리하다. 전력으로 전환되지 않은 수소 기체의 양이 수소 기체의 적어도 5%, 특히 적어도 8%, 특히 적어도 10%이며 특히 적어도 15% 이상인 경우에 특히 유리하다.
각각의 경우 단독으로 또는 서로 조합하여 청구범위에 명시된 특징 및 본 발명의 설비의 예시에서 명시된 특징 모두가 본 발명의 주제를 추가로 개발할 수 있다. 특징들의 개별 조합은 본 발명의 주제의 추가 개발과 관련한 제한을 구성하지 않으며, 본질적으로 단지 예시적인 특성이다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 도면을 참조하여 작업 예시에 따른 설명으로부터 명백하다. 도면은 다음과 같다:
도 1은 수소 기체의 제공 및 이용을 위한 본 발명의 설비의 개략도,
도 2는 도 1의 설비의 제 1 작업 예시에서 분리/정화 유닛의 개략도,
도 3은 제 2 작업 예시에서의 분리/정화 유닛의 도 2에 대응하는 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 설비(1)는 수소 기체의 제공 및 이용을 위한 역할을 한다. 설비(1)는 적어도 부분적으로 채워진 수소 운반 매체가 LOHC 형태로 저장되는 제 1 저장 용기(2)를 포함한다. 제 1 저장 용기(2)는 유체 도관(3)에 의해 탈수소화 유닛(4)에 연결된다. 유체 도관(3)은 특히 액체 및/또는 기체를 운반하기 위한 파이프라인이다. 탈수소화 유닛(4)은 추가 유체 도관(3)에 의해 분리/정화 유닛(5)에 연결된다. 분리/정화 유닛(5)은 기체 혼합물로부터 수소 기체를 분리 및 정화하기 위한 분리 막(17)을 갖는다.
분리/정화 유닛(5)은 추가 유체 도관(3)에 의해 연료 전지 형태의 발전 유닛(6)에 연결된다. 분리/정화 유닛(5)은 유체 도관(3)을 통해 열 변환 유닛(7)에 연결된다. 열 변환 유닛(7)은 수소 버너의 형태를 취한다. 유체 도관(3)을 따라, 기체 세척기 형태의 세척 유닛(8)이 분리/정화 유닛(5)과 열 변환 유닛(7) 사이에 제공된다.
세척 유닛(8)에 추가로 또는 대안적으로, 추가 세척 유닛(8)(도시되지 않음)이 분리/정화 유닛(5)의 상류, 특히 탈수소화 유닛(4)과 분리/정화 유닛(5) 사이에 배치될 수 있다.
발전 유닛(6)은 추가 유체 도관(3)을 통해 열 변환 유닛(7)에 연결된다.
발전 유닛(6)은 전선(10)을 통해 전력 소비자(9)에 연결된다. 전력 소비자(9)는 발전 유닛(6)에서 생성된 전력을 수용 및/또는 사용하는 역할을 한다. 전력 소비자(9)는 직접 전력을 소비하는 역할을 할 수 있다. 전력 소비자(9)는 또한 전력으로 전력 격자에 연결된 추가 소비자에게 전력을 제공하도록 생성된 전력이 공급되는 개인 또는 공공 전력 격자일 수 있다.
설비(1)는 도시된 작업 예시에서 열 도관(12)을 통해 열 변환 유닛(7) 및 발전 유닛(6)에 연결된 열 전달 유닛(11)을 더 포함한다. 열 도관(12)은 열 전달 매체, 특히 열 전달 유체를 전달하는 역할을 한다. 열 전달 유닛(11)은 열을 제공하기 위해 추가의 열 도관(12)에 의해 탈수소화 유닛(4)에 연결된다.
열 전달 유닛(11)은 발전 유닛(6) 및/또는 열 변환 유닛(7)으로부터의 열을 저장하고 이후의 정션에서 시간 분리 방식으로 이용 가능하도록 열 저장 수단(30)에 연결될 수 있다. 도시된 작업 예시에서, 열 저장 수단(30)은 열 전달 유닛(11)에 통합된다. 열 저장 수단(30)은 또한 외부 설계에 있을 수 있으며, 즉 열 전달 유닛(11)에 추가될 수 있다.
설비(1)는 또한 신호 도관(14)에 의해 설비(1)의 구성요소에 연결되고 그에 신호를 전송할 수 있는 폐쇄-루프 제어 유닛(13)을 갖는다. 신호 도관(14)은 도 1에서 무선 신호 전송에 의해 상징적으로 도시되었다. 신호 도관(14)은 또한 케이블-연결된 형태일 수 있다. 보다 구체적으로, 폐쇄-루프 제어 유닛(13)은 탈수소화 유닛(4), 분리/정화 유닛(5), 발전 유닛(6), 열 변환 유닛(7), 전력 소비자(9) 및/또는 열 전달 유닛(11)에 연결된다.
탈수소화 유닛(4)은 유체 도관(3)을 통해 세척 유닛(8)에 연결된다. 세척 유닛(8)은 추가의 유체 도관(3)을 통해 제 2 저장 용기(15)에 연결된다. 제 2 저장 용기(15)는 특히 LOHC 형태인, 적어도 부분적으로 탈수소화된 수소 전달 매체를 저장하는 역할을 한다. 탈수소화 유닛(4)은 추가 유체 도관(3)에 의해 제 2 저장 용기(15)에 직접 연결될 수 있다.
원칙적으로, 제 1 저장 용기(2) 및 제 2 저장 용기(15)보다는 단일 저장 용기만을 제공하는 것이 고려될 수 있다. 이 경우에, 적어도 부분적으로 수소화되고 적어도 부분적으로 탈수소화된 수소 저장 매체는 하나의 그리고 동일한 저장 용기 내에 저장될 수 있다.
제 2 저장 용기(15)는 유체 도관(3)을 통해 수소화 유닛(16)에 연결된다. 수소화 유닛(16)은 추가의 유체 도관(3)에 의해 제 1 저장 용기(2)에 연결된다. 수소화 유닛(16)은 또한 생략될 수도 있다.
수소화 유닛(16)이 제공되면, 수소 저장 매체는 순환 공정에서 수소 기체가 풍부해질 수 있고, 즉 채워질 수 있으며, 수소 기체의 방출, 즉 비우기에 사용될 수 있다. 이는 각각이 언급된 순서로 유체 도관(3)에 의해 서로 쌍으로 연결된 탈수소화 유닛(4), 제 2 저장 용기(15), 수소화 유닛(16) 및 제 1 저장 용기(2)의 원형 배열로 가능하다. 특히 전력을 발생시키는 것이 가능하며, 특히 일사량 또는 바람에 의한 재생 에너지에 의해서 전력이 발생될 수 있는 경우, 계절 기준으로 및/또는 고에너지 기간 중의 하루 시간에 따라서 수소화 유닛(16)에서 수소 저장 매체의 전기분해 및 수소화를 위해 이를 이용하는 것이 특히 가능하다. 상응하게, 탈수소화 유닛(4)에 의해 특히 에너지 부족, 즉 에너지가 요구되는 저에너지 기간 동안 기체 혼합물에 수소 기체가 제공될 수 있다.
아래에서는 설비(1)에 의해 수소 기체를 제공하고 이용하는 방법이 도 1을 참조하여 설명되었다. 적어도 부분적으로 채워진 LOHC는 유체 도관(3)을 통해 제 1 저장 용기(2)로부터 탈수소화 유닛(4)으로 운반된다. 탈수소화 유닛(4)에서, 수소 운반 매체는 적어도 부분적으로 탈수소화되어 기체 혼합물이 방출된다. 방출된 기체 혼합물은 수소 기체를 포함한다.
기체 혼합물은 유체 도관(3)을 통해 탈수소화 유닛(4)으로부터 분리/정화 유닛(5)으로 공급된다. 분리 막(17)에 의해, 수소 기체는 기체 혼합물로부터 적어도 부분적으로 분리되어 정화된다. 특히, 분리/정화 유닛(5)에 공급된 기체 혼합물에 기초해, 분리된 수소 기체의 부피 유량은 최대 85%, 특히 최대 80%, 특히 최대 75%이다.
분리된 수소 기체의 서브스트림은 적어도 99.9%, 특히 적어도 99.99%의 순도를 갖는다. 수소 기체의 정화된 서브스트림은 유체 도관(3)을 통해 발전 유닛(6)으로 공급되어 직접 전력으로 변환된다. 발전 유닛(6)은 연료 전지의 형태를 취한다. 연료 전지에서, 공급된 수소 기체의 서브스트림만이 전력으로 변환된다. 도시된 작업 예시에서 약 10%인, 전력으로 변환되지 않은 수소 기체의 잔여 부분은 열 변환을 위해 열 변환 유닛(7)에 공급되어 그 안에서 연소된다.
예를 들어, 탈수소화 유닛(4)으로부터의 기체 혼합물은 분리/정화 유닛(5)에서 분할되어 수소의 80%가 분리된 정화된 서브스트림으로서 발전 유닛(6)에 공급될 수 있다. 20%의 수소 함량을 갖는 잔여 기체 혼합물은, 선택적으로 세척 유닛(8)을 통해 열 변환 유닛(7)에 공급된다. 80%의 수소 기체를 갖는 정화된 서브스트림은 단지 부분적으로, 특히 불완전하게, 발전 유닛(6) 내에서 발전에 사용된다. 발전에 사용되지 않은 예를 들어 10%의 수소 기체의 잔여 비율은 발전 유닛(6)으로부터 열 변환 유닛, 특히 수소 연소기(7)로 공급되어 그 안에서 연소된다. 이 방법의 이러한 버전에서, 수소 함량의 70%가 전력 생성에 사용되며 수소 함량의 30%가 열적으로 변환, 즉 연소된다. 발전 유닛(6)에서 전체가 발전을 위해 사용되는 것을 방지함으로써, 전반적인 효율이 더 높으며 특히 38%이다.
분리/정화 유닛(5)에서 30% 수소 기체를 갖는 잔여 기체 혼합물이 분리되는 이러한 버전의 방법에서, 발전 유닛의 발전을 위해 70%의 수소 기체 함량 전체를 사용하는 것이 필요할 수 있다. 이는 효율성을 전체적으로 약 35%로 감소시킨다.
발생된 전력은 전력 라인(10)을 통해 전력 소비자(9)에 공급될 수 있다.
수소 기체가 분리된 후 분리/정화 유닛(5)으로부터 배출된 잔여 기체 혼합물은 유체 도관(3)을 통해 세척 유닛(8)에 공급된다. 세척 유닛(8)에서, 잔여 기체 혼합물은 탈수소화 유닛(4)으로부터 적어도 부분적으로 탈수소화된 LOHC에 분사될 수 있다. 이는 드롭릿의 잔여 기체 혼합물을 자유롭게 한다. 이렇게 정화된 잔여 기체 혼합물은 도관(3)을 통해 세척 유닛(8)으로부터 열 변환 유닛(7)으로 공급되어 그 안에서 연소된다. 탈수소화된, 즉 적어도 부분적으로 언로드된 LOHC는 유체 도관을 통해 세척 유닛(8)으로부터 제 2 저장 용기(15)로 공급된다. 특히, 탈수소화 유닛(4)으로부터의 LOHC의 전체 유량이 세척 유닛(8)에서의 기체 세정에 필요하지 않기 때문에, LOHC의 서브스트림은 유체 도관(3)을 통해 탈수소화 유닛(4)으로부터 제 2 저장 용기(15)로 직접 재순환될 수 있다. 탈수소화 유닛(4) 및/또는 세척 유닛(8)으로부터 탈수소화된 LOHC는 제 2 저장 용기(15)로부터 및/또는 직접 운송될 수 있다. 전방 운송은 운송 차량 및/또는 운송 도관에 의해 수행될 수 있다. 탈수소화된 LOHC는 또한 파이프(1) 내의 수소화 유닛(16)에 의해 다시 수소화될 수 있으며, 즉 수소 기체가 가득차고 유체 도관(3)을 통해 제 1 저장 용기(2)에 공급된다. 특히, 수소 운반 매체의 촉매 수소화 및 탈수소화를 위한 설비(1) 내의 폐쇄된 순환 시스템을 제공하는 것이 가능하다.
발전 유닛(6) 및 열 변환 유닛(7)에서 발생하는 열은 열 전달 유닛(11) 및 열 도관(12)을 통해 탈수소화 유닛(4)에 제공된다. 수소 방출의 반응 엔탈피에 필요한 열이 결과적으로 감소된다. 보다 구체적으로, 별도의 추가적인 가열이 생략될 수 있다.
폐쇄-루프 제어 유닛(13)은 특히 분리/정화 유닛(5)에서 재료의 스트림을 분할하는 역할을 한다. 폐쇄-루프 제어 유닛(13)은, 분리/정화 유닛(5)에 의해 발전 유닛(6)으로 운반되는 정화된 수소 기체 유속 및/또는 열 변환 유닛(7)으로 운반하기 위한 잔여 기체 혼합물이 현재 프로세스 파라미터에 따라 제어되는 방식으로 설정된다. 정화된 수소 기체의 유속에 있어서의 필수 인자는 제공될 전력이다. 잔여 기체 혼합물의 양에 대한 결정적인 요인은 특히 탈수소화 유닛에서의 열 수요이다.
아래에서 도 2를 참조하여 분리/정화 유닛(5)의 구조 및 기능이 상세하게 설명된다. 분리/정화 유닛(5)은 길이방향 축(19)에 대해 본질적으로 원통 형태인 하우징(18)을 갖는다. 하우징(18)은 탈수소화 유닛(4)으로부터의 기체 혼합물 내의 공급을 위해 공급 오리피스(20)를 갖는다. 유체 도관(3)은 공급 오리피스(20)에 연결된다. 공급 오리피스(20)는 도 2의 좌측에 도시된 하우징(18)의 제 1 단부면 끝(21)에 배치된다. 제 1 단부면 끝(21) 반대편의 제 2 단부면 끝(22)에는 잔여 기체 혼합물 제거 오리피스(23)가 제공된다. 추가의 유체 도관(3)은 잔여 기체 혼합물 제거 오리피스(23)를 통해 연결되고 세척 유닛(8)에 연결된다.
하우징(18)의 외부 실린더 벽에는 수소 기체 제거 오리피스(24)가 제공되며, 여기에는 분리/정화 유닛(5)을 발전 유닛(6)에 연결하는 추가의 유체 도관(3)이 연결된다.
다수의 분리 막(17)이 하우징(18)에 배치된다. 분리 막(17)은 예를 들어 중공 필라멘트의 형태를 취한다. 분리 막(17)의 작용 모드는 막 표면을 통한 선택적 투과 원리에 기초한다.
탈수소화 유닛(4)으로부터 기체 막을 통해서 기체 혼합물이 분리/정화 유닛(5)에 공급되는 수소 기체를 투과시키기 위해, 잔여 기체 혼합물 측과 수소 기체 측 사이의 기체 혼합물의 분압 차이가 요구된다. 분리 막(17)의 잔여 기체 혼합물 측은 분리 막(17)의 내부 루멘, 즉 내측에 의해 형성된다. 수소 기체 측은 분리 막(17)의 외측, 즉 특히 개별 분리 막(17) 사이의 중간 공간에 의해 형성된다. 압력 차가 클수록 개별 분리 막(17)을 통해서 더 많은 수소 기체가 침투한다.
도 3을 참조하여 분리/정화 유닛의 제 2 작업 예시가 아래에 기술된다. 동일한 구성의 부분에는 제 1 작업 예시에서와 동일한 참조번호가 부여되고, 그에 대한 설명을 참조한다. 구성은 다르지만 기능의 측면에서 동등한 부분에는 "a"가 이어지는 동일한 참조번호가 부여된다.
이전 작업 예시와의 본질적인 차이는 분리 막(17)에 더하여 분리/정화 유닛(5a)이 전기화학적 압축기(25)를 갖는다는 것이다. 전기화학적 압축기(25)는 양극(27) 및 음극(28)에 연결된 전원(26)을 포함한다. 분리 막(17)은 양극(27)와 음극(28) 사이에 배치된다. 양극(27), 음극(28) 및 분리 막(17)은 하우징(18) 내에 배치된다. 분리 막(17)으로부터 떨어진 양극 측 상에서, 공급 오리피스(20) 및 잔여 기체 혼합물 제거 오리피스(24)는 하우징(18) 내의 분리 막(17)으로부터 음극(28)의 반대쪽에 배치된다.
분리/정화 유닛(5a)의 기능 모드는 본질적으로 제 1 작업 예시의 기능 모드에 대응한다. 전원에 의해 추가로 전압이 인가됨으로써, 연료 전지의 작용 원리는 본질적으로 역전되는데, 이는 수소 기체가 분리 막(17)을 통해 양극(27)으로부터 음극(28)으로 전달됨을 의미한다. 특히, 기체 혼합물 중의 불순물과 같은 모든 다른 물질은 분리 막(17)을 관통할 수 없다. 수소의 정화는 통합되어 단순화된다. 수소의 침투를 위한 추가적인 구동력으로서 작용하는 전압으로 인해, 선택된 기계적 분압은 더 적을 수 있고, 특히 기계적 분압 차이를 제거할 수 있다. 이는 탈수소화 유닛(4)의 절대 압력을 감소시켜 수소 기체의 방출이 특히 1.0 bara 내지 1.5 bara의 범위 내에서 일어날 수 있게 한다. 공정 온도는 적어도 200℃이며 특히 240℃ 내지 320℃ 범위 내이다.
이러한 응용 예시는 특히 수소 충전 스테이션의 응용에 사용될 수 있다. 분리/정화 유닛(5)으로서 전기화학적 압축기를 갖는 탈수소화 유닛(4)의 및 수소 충전 스테이션에 수소 기체를 연속적으로 공급하기 위한 열 변환 유닛(7)의 조합으로 인해, 수소 제공을 위한 특히 유리한 실행이 보장된다. 이는 추가적인 정화 단계 및 외부 에너지 공급 없이, 특히 가열을 위한 전력의 형태로 동작될 수 있다. 기체 수소는 적용에 필요한 순도 및 자동차, 버스 또는 운송 차량의 충전을 위해 350 내지 700 bara로 추가 압축하기 위해 필요한 압력 레벨을 갖는다.
도시된 작업 예시에서, 분리 막(17)은 상류 컨디셔닝 유닛(29)을 갖는다. 컨디셔닝 유닛(29)은 분리 막(17)에 대해 분리/정화 유닛(5a)에 공급된 기체 스트림을 컨디셔닝하고 특히 수분량을 조절하는 역할을 한다. 도시된 작업 예시에서 컨디셔닝 유닛(29)은 공급된 기체 스트림의 수분을 조절하기 위한 유닛이다. 컨디셔닝 유닛(29)은 또한 생략될 수도 있다. 컨디셔닝 유닛(29)은 기체 스트림의 추가적인 물리적 특성, 예를 들어 온도에 영향을 미치는 역할을 할 수 있다.
컨디셔닝 유닛(29)은 하우징(18) 내의 공급 오리피스(20)의 영역에 통합되어 배치된다. 컨디셔닝 유닛(29)은 또한 분리/정화 유닛(5a)의 상류에 연결된 외부 구성 요소의 형태를 취할 수 있다.
일반적으로, 양극(27)과 음극(28) 사이의 전위차는 약 -0.03V이다.

Claims (21)

  1. 수소 기체의 제공을 위한 설비로서,
    a. 적어도 부분적으로 채워진 수소 운반 매체로부터 수소 기체를 함유한 기체 혼합물을 방출하기 위한 탈수소화 유닛(4);
    b. 상기 기체 혼합물로부터 수소 기체의 적어도 부분적인 분리를 위해서 그리고 분리된 수소 기체를 정화하기 위해서 상기 탈수소화 유닛(4)에 연결되고, 분리 막(17)을 갖는 분리/정화 유닛(5; 5a);
    c. 정화된 수소 기체를 이용하기 위해서 상기 분리/정화 유닛(5; 5a)에 연결되는 이용 유닛(6);
    d. 잔여 기체 혼합물의 열 변환을 위해 상기 분리/정화 유닛(5; 5a)에 연결되는 열 변환 유닛(7)을 포함하고,
    상기 이용 유닛은 발전 유닛으로부터(6)의 배기 기체(offgas) 스트림의 공급을 위해 상기 열 변환 유닛(7)에 연결되는 발전 유닛(power generation unit)(6)이며,
    상기 분리/정화 유닛(5; 5a)은 잔류 기체 혼합물의 열 변환을 위해 상기 열 변환 유닛(7)으로 제 2 유체 도관(3)에 의해 연결되고, 잔류 기체 혼합물은 수소 기체가 분리되는 상기 탈수소화 유닛(4)으로부터의 기체 혼합물의 서브스트림인, 설비.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리/정화 유닛(5a)은 전기화학적 압축기(25)를 갖는 것으로 특징지어지는, 설비.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리/정화 유닛(5; 5a)으로부터 잔여 기체 혼합물을 세척하기 위한 세척 유닛(8)에 의해 특징지어지는, 설비.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 세척 유닛(8)은 상기 열 변환 장치(7)의 상류에 배치되는, 설비.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전 유닛(6) 및 상기 열 변환 유닛(7) 중 적어도 하나로부터 상기 탈수소화 유닛(4)으로 열을 공급하기 위한 열 전달 유닛(11)에 의해 특징지어지는, 설비.
  6. 수소 기체를 제공하는 방법으로서,
    - 탈수소화 유닛(4)에 의해 적어도 부분적으로 채워진 수소 운반 매체로부터 수소 기체를 함유한 기체 혼합물을 방출하는 단계,
    - 상기 탈수소화 유닛(4)에 연결된 분리/정화 유닛(5; 5a)에 의해서 상기 기체 혼합물로부터 수소 기체를 적어도 부분적으로 분리하고 상기 분리된 수소 기체를 정화하는 단계,
    - 여기서 상기 기체 혼합물로부터 수소 기체의 적어도 부분적인 분리 및 분리된 수소 기체의 정화는 분리 막(17)에 의해 수행되고,
    - 상기 분리/정화 유닛(5; 5a)에 연결된 이용 유닛(6)에 의해 상기 정화된 수소 기체를 전력으로 변환하는 단계,
    - 상기 분리/정화 유닛(5; 5a)에 연결된 열 변환 유닛(7)에 의해 잔여 기체 혼합물을 열 변환하는 단계를 포함하고,
    - 적어도 부분적인 분리는 상기 분리/정화 유닛(5; 5a)에 적용된 기체 혼합물에 기초하여 80 중량% 이하의 수소 기체 산출을 발생시키는, 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 분리된 수소 기체는 전기화학적 압축에 의해 정화되는 것으로 특징지어지는, 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 수소 기체를 함유한 기체 혼합물이 1.0 bara 내지 3.5 bara 범위 내의 절대 압력에서 방출되는 것으로 특징지어지는, 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 수소 기체를 함유한 기체 혼합물이 1.0 bara 내지 2.0 bara 범위 내의 절대 압력에서 방출되는 것으로 특징지어지는, 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 수소 기체를 함유한 기체 혼합물이 1.0 bara 내지 1.5 bara 범위 내의 절대 압력에서 방출되는 것으로 특징지어지는, 방법.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 수소 기체를 함유한 기체 혼합물이 적어도 200℃의 온도에서 방출되는 것으로 특징지어지는, 방법.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 수소 기체를 함유한 기체 혼합물이 240℃ 내지 320℃ 범위 내의 온도에서 방출되는 것으로 특징지어지는, 방법.
  13. 제 6 항에 있어서,
    적어도 부분적인 분리는 상기 분리/정화 유닛(5; 5a)에 적용된 기체 혼합물에 기초하여 75 중량% 이하의 수소 기체 산출을 발생시키는 것으로 특징지어지는, 방법.
  14. 제 6 항에 있어서,
    상기 발전 유닛(6) 및 상기 열 변환 유닛(7) 중 적어도 하나로부터 상기 탈수소화 유닛(4)으로 열을 공급하는 단계에 의해서 특징지어지는, 방법.
  15. 제 6 항에 있어서,
    발전 유닛(6)의 형태로 상기 이용 유닛에 공급된 정화된 수소 기체는 발전을 위해서 부분적으로만 사용되는 것으로 특징지어지는, 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    발전 유닛(6)의 형태로 상기 이용 유닛에 공급된 정화된 수소 기체는 발전을 위해서 부분적으로만 사용되고, 발전에 사용되지 않은 잔여 수소 기체 스트림은 상기 발전 유닛(6)으로부터 제거되는 것으로 특징지어지는, 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    발전 유닛(6)의 형태로 상기 이용 유닛에 공급된 정화된 수소 기체는 발전을 위해서 부분적으로만 사용되고, 발전에 사용되지 않은 잔여 수소 기체 스트림은 상기 열 변환 유닛(7)에 공급되는 것으로 특징지어지는, 방법.
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