KR20080074142A - 전기분해 - Google Patents

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KR20080074142A
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제라드 다니엘 애그뉴
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Abstract

수소 또는 다른 연료 공급원으로부터 전기를 발생시키기 위한 연료 전지로서 고체 산화물 스택이 사용된다. 전기 분해 공정에 의해, 그러한 표준 연료 전지를 사용하여 수소 또는 다른 전기화학적 부산물을 생성할 수 있다. 불행하게도, 스택(1)은 일반적으로, 순전히 경제적 이유에서 지속시키기 어려운 비교적 높은 온도에서 조작된다. 그러한 상태에서, 요구되는 해리를 일으키기 위해 입력되는 전력과 균형을 맞춤으로써 공기 비저항이 더 높은 경우에, 보다 낮은 온도에서 상대적으로 효율이 낮은 조작이 이루어질 수 있다. 그러한 상태에서, 부수적 열 공급원을 제공하되, 압축 공기 유동을 가열하는 열교환기, 또는 스택으로부터 배기되는 것 일부의 재순환, 또는 스택 해리로부터 생성물의 연소 등 어느 것을 통하든, 그 결과 해리를 얻는 데 필요한 고비용의 전기 공급량을 감소시키는 지속적인 전기분해 조작이 이루어질 것이다.
전기분해, 스택, 부수적 열 공급원, 고체 산화물 전지, 연료 전지

Description

전기분해{ELECTROLYSIS}
본 발명은 전기분해 및 예를 들어 다른 용도를 위한 연료로서 수소를 발생시키기 위해 연료 전지 기술을 활용하는 방법에 관한 것이다.
여러 가지 응용분야에 사용되는 전기분해 장치는 알려져 있으며, 수소를 제조하기 위해 간단하고 청정한 기술로서 물의 전기분해를 이용하는 것이 제안되어 있다. 전기분해는 연료 전지에서의 연료 산화에 대한 역 공정이다. 그러한 공정의 개략도가 도 1에 예시되어 있다. 전기분해 공정에서, 스팀은 캐소드 표면에서 해리되면서 수소 분자를 형성한다. 고체 산화물 전지에서, 캐소드 반응은 다음과 같다:
H20 + 2e- = H2 + O2 -
산소 이온은 전해질을 통해 이동하여 전자를 방출하면서 애노드 표면 상에서 산소 분자를 형성한다.
O2 - = ½O2 + 2e-
위와 같은 상태에서, 전기화학적 반응 포텐셜을 극복하면서 애노드로부터 캐 소드로 전자를 끌어오기 위해 전력 공급원이 필요하다는 것을 이해할 것이다.
낮은 온도에서 공지된 기술을 통해 상업적인 물의 전기분해를 이용할 수 있지만, 이러한 전해장치(electrolyser)에 대한 가동 효율은 낮은 편이다. 고온의 연료 전지 기술은 그러한 고온의 연료 전지를 800℃를 넘는 온도, 전형적으로는 800℃∼1000℃ 범위의 온도에서 조작해야 하기 때문에 사용할 수 없다. 그러한 경우에, 그러한 접근방법의 유효성 및 실용성을 떨어뜨리는 특정한 히터를 사용하는 것이 필요하다.
현재, 수소 생산에 관하여 가장 발달된 기술은 스팀 개질(steam re-forming)과 관계되어 있다. 이 공정에서, 화석 연료 공급원이 활용되고, 이것은 CO2 방출의 주요 원인이 된다. 물의 전기분해는 원자력 또는 재생 전력 공급원과 같은 비-화석 연료 전지 공급원의 활용을 가능하게 하는 "온실 가스 없는" 수소 생산 기술로서 제안된다. 불행하게도, 앞에서 지적한 바와 같이 효율이 상대적으로 낮다는 점에서 물의 전기분해를 통한 현재의 수소 생산에는 현저한 단점이 있다. 그러한 낮은 효율로 인해 상대적으로 높은 전기 소비율의 이용이 필요하고, 그에 따라 물의 전기분해에 의해 생산되는 수소의 비용은 스팀 개질을 통해 현재 생산되는 기술에 비해 상업적으로 실행되기에는 너무 고가이다. 또한, 현재의 물의 전해장치를 위한 장치비가 높아서, 이점 역시 천연 가스 또는 기타 탄화수소의 스팀 개질과 비교할 때 수소 생산을 위해 물의 전기분해가 더 비용이 많이 드는 옵션이 되게 하는 중요한 요인이라는 것을 이해할 것이다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 생성물을 제조하기 위한 전기분해 장치로서, 산화에 의해 전력을 제공하되 전기분해에 의해 스택(stack) 상태의 캐소드에서 생성물을 제공하도록 배치되며 일반적으로 800∼1,000℃에서 조작될 수 있는 전기분해 셀을 포함하고, 상기 전기분해 셀은 애노드와 캐소드 사이에서 파워 공급원에 의해 전력이 공급되는 상태에서 공급물 및 공기의 공급에 의해 생성물을 발생하도록 사용되고, 상기 스택을 위한 공기는 상기 전기분해 셀에 공급되기 전에 부수적 열 공급원(incident heat source)을 이용하여 예열되는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치가 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 태양에 따르면, 수소를 제조하기 위한 물의 전기분해 장치로서, 수소의 산화에 의해 전력을 제공하되 전기분해에 의해 스택 상태의 캐소드에서 수소 생성물을 제공하도록 배치되며 일반적으로 800∼1,000℃에서 조작될 수 있는 전기분해 셀을 포함하고, 상기 전기분해 셀은 애노드와 캐소드 사이에서 파워 공급원에 의해 전력이 공급되는 상태에서 스팀 공급물 및 공기 공급물의 공급에 의해 수소 생성물을 발생하도록 사용되고, 상기 스택을 위한 공기는 상기 전기분해 셀에 공급되기 전에 부수적 열 공급원을 이용하여 예열되는 것을 특징으로 하는 물의 전기분해 장치가 제공된다. 일반적으로, 상기 전기분해 셀은 연료 전지와 같은 전기화학적 셀이다.
전형적으로, 상기 부수적 열 공급원은 파워 공급원 또는 다른 공정으로부터의 처리된 열에 의해 제공된다. 가능하게는, 상기 부수적 열 공급원은 발생된 생성물의 일부를 연소시킴으로써 제공된다.
가능하게는, 상기 공기는 압축되고 500∼800℃의 온도로 예열된다.
가능하게는, 환원 능력(reducing capability)을 유지하기 위해, 발생된 생성물의 작은 비율이 캐소드에 공급된다.
전형적으로, 상기 스택으로부터 나오는 공기의 일부는 스택으로 재순환된다.
전형적으로, 상기 공기는 터빈 엔진에 의해 스택 방향으로 이송된다.
전형적으로, 상기 공기는 열교환기에 의해 가열된다. 가능하게는, 스택을 위한 부수적 열을 발생시키기 위해 가스 터빈 엔진의 배기로부터 열을 받아들이도록 회수 설비(recovery arrangement)가 제공된다.
전형적으로, 상기 스택으로부터 생성물 유동을 분리하기 위해 분리기가 제공된다.
가능하게는, 상기 스택에 공급되는 상기 공급물의 가열을 위한 열을 회수하기 위해 과열기(super heater)가 제공된다.
이제 예로서 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.
도 1은 전기분해 공정의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 특정한 태양에 따른 물의 전기분해 장치의 제1 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 특정한 태양에 따른 제2의 대안적 물의 전기분해 장치를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 특정한 태양에 따라 개조된 개방 루프 사이클(open loop cycle) 전기분해 장치를 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 특정한 태양에 따른 물의 전기분해 장치의 제5 실시예를 나타내는 개략도이다.
고체 산화물 연료 전지 시스템의 조작은 알려져 있으며, 일례가 국제 특허출원 번호 PCT/GB 2003/004089호(Rolls Ryoce Plc)에 제시되어 있다. 이러한 설비에서, 전기를 발생시키기 위해 산화반응에 의해 수소를 소비하도록 애노드와 캐소드 사이에 삽입되어 있는 전해질을 포함하는, 연료 전지 스택 형태의 전기분해 셀 또는 전기화학적 셀이 제공된다. 상기 장치는, 예를 들면, 연료 자체로서 사용할 수소를 발생하는 전기분해 장치로서 작용시키기 위한 전기화학적 셀과 같은 전기분해 셀에서의 전기분해를 활용하는 것에 관계된다. 수소는 자동차의 연료로서 사용될 수 있고, 그렇지 않으면 그러한 차량이나 기계에서의 원동기(prime mover)를 위한 에너지 공급원을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 이제까지 수소의 비용은 특히 연료 전지 기술을 이용한 물의 전기분해에 의해 생성될 경우 상대적으로 높았다. 그러한 상태에서, 비교적 작은 기계 및 자동차에서 수소 연료 전지 기술로부터의 낮은 방출률의 이점은 경제적 불이익의 견지에서 문제가 있었다.
도 2는 본 발명의 특정한 태양에 따른 물의 전기분해 장치의 제1 실시예를 개략적으로 나타낸다. 이 실시예 및 다른 실시예들은 예로서 제시되는 것이며, 기술되는 접근 방법은 수소를 제외한 생성물의 제조를 위한 전기분해 장치에 관해 활 용될 수 있다. 따라서, 스택(1)은 각각 이젝터(ejector)(3)로부터 압축 공기가 제공되고 이젝터(2)로부터 스팀이 제공되는 애노드부와 캐소드부를 포함한다. 상기 물의 전기분해 장치의 조작을 이하에 설명하는데, 반전(reversal)에 의해 본 발명은 최소의 변형으로 전형적인 고체 산화물 연료 전지 구조를 활용함을 이해할 것이다.
표시된 바와 같은 스택(1)은 애노드측 및 캐소드측과 함께 고체 산화물 전해질을 포함한다. 그러한 상태에서, 본 발명의 일 태양에 따른 물의 전기분해 실시예에서 이젝터(3)로부터의 압축 공기는 애노드(1a) 방향으로 이송된다. 이것은 연료 전지 조작에서는 캐소드일 것이다. 애노드(1a)에 공급된 압축 공기는 전기분해 모드에서 전기화학적 셀 조작을 촉진하기 위해 700∼800℃보다 높은 온도에 있게 될 것이다. 캐소드측(1b)(연료 전지 조작에서는 애노드)으로의 공급물은 이젝터(2)에 공급되는 고온의 과열 스팀으로 구성된다. 전형적으로는 해리된 수소의 약 10%인 작은 분획은 물의 전기분해 셀 요건에 맞추기 위해 캐소드에 제공될 수 있다. 물은 스택(1) 내부에서 전기 화학적 반응을 하게 되어 수소 분자가 발생된다. 해리된 산소 이온은 스택(1) 내 전해질층을 통해 이동하고, 따라서 애노드측에 있는 공기는 산소 함량이 높아진다는 것을 이해할 것이다. 전형적으로, 스팀 활용 인자는 0.85 수준일 것이며, 이는 캐소드 출구에서의 수소 농후 혼합물(hydrogen rich mixture) 내의 스팀 함량이 15% 수준임을 의미한다. 상기 전기분해 장치는 연료 전지 설비 조작으로부터 애노드와 캐소드를 전환하고 상이한 공급물을 애노드와 캐소드에 제공하기만 하면 되므로, 셀 및 스택의 설계, 형상 및 규모의 관점에서, 기본적 연료 전지 구성으로부터 중대하거나 주된 변형이 필요없을 것임을 이해할 것이다. 전형적으로, 스택(1)은 가압 용기 내에 제공될 것이다.
위에서 지적한 바와 같이, 스택(1)으로 스팀을 공급하기 위한 이젝터(2)는 캐소드(1b) 입구에 공급되는 생성된 수소 농후 혼합물(12)의 작은 분획을 재순환하기 위해 배열되는 것이 일반적이다. 캐소드(1b) 입구를 환원 분위기로 유지하고, 불완전한 물의 탈염(de-mineralisation) 및/또는 스팀 공급 라인에서의 공기 누설의 결과로서 이젝터(2)로부터 스택으로의 스팀 공급물 중에 동반된 미량의 산소에 의한 산화를 피하는 것을 보장하기 위해 소량의 수소가 필요하다.
표시된 바와 같이 이젝터(3)는 압축되고 가열된 공기를 스택(1)의 애노드(1a)로 공급한다. 역시 일반적으로, 스택(1)으로부터 나오는 산소 농후 공기의 분획이 재순환된다. 스택(1)으로부터 나오는 공기의 벌크는 비교적 높은 온도에 있으며, 공기는 터빈(4)을 구동시킨다. 터빈(4)은 내부 개질 장치(reformer) 및 오프 가스 연소기(off gas combustor)의 부재로 인해 공기 재순환 루프(33)에서 압력 강하가 낮도록, 스택(1)으로부터 2차 유동을 동반시키는 데 사용된다. 그러한 상태에서, 전형적인 연료 전지 조작에서와 동일한 재순환 비율이 1차 입구 사이에서 압력 강하, 즉 압축기(4a)와 터빈(4b) 사이의 더 낮은 압력 강하로 사용될 수 있다. 재순환 루프(33)를 통과하여 이젝터(3)로 이송되는 산소 농후 공기의 순환은 고온에서 이루어질 것이므로, 이러한 재순환 공기는 애노드(1a)로의 압축 공기 공급물 온도를 상승시키게 되어 스택(1)으로의 압축 공기 공급물의 온도를 올려야 하는 열교환기(5)에 대한 용량 및 수요를 감소시키게 됨을 이해할 것이다.
앞에서 지적한 바와 같이, 스택으로의 공기 공급물을 가압하기 위해 가스 터빈 엔진이 사용된다. 스택의 애노드(1a)측으로부터의 고온의 생성물은 전술한 바와 같이 공기 공급물의 압력 상승을 일으키기 위해 압축기(4a)를 구동시키는 터빈(4b)으로 이송된다. 터빈(4)으로부터 초과되는 파워는 전력을 위한 교류발전기의 구동에 사용될 수 있고, 이것은 시스템을 위한 파워 공급원에 대한 전력 소비를 감소시킬 수 있음을 이해할 것이다. 앞에서 지적한 바와 같이, 스택(1)에서의 전기화학적 반응을 진행시키려면 애노드와 캐소드를 가로질러 전력을 제공해야 한다. 이러한 파워 공급원은 원자로일 수 있다.
앞에서 지적한 바와 같이, 열교환기(5)는 스택(1)으로 유입되는 압축 공기 유동에 필요한 열을 공급하기 위해 제공된다. 공기 공급물의 온도를 올리면 전기분해 공정이 촉진될 것이다. 그러한 상태에서, 압축기(4a)로부터의 공기(15)는 열교환기(5)의 저온측으로 인도되고, 외부 열 벡터(thermal vector)는 열교환기(5)의 고온측으로 공급된다. 열 벡터는, 상기 장치를 위한 전력 공급원, 예를 들어 원자로에 의해 발생된 부수적 열, 또는 전기분해 장치로 부수적 또는 편리하게 활용 가능한 다른 공정의 열로부터, 또는 수소 농후 유동의 일부의 연소를 통하여, 여러 가지 공정으로부터 유도될 수 있다. 지나치게 높은 온도는 필요하지 않으므로, 공급물(25)을 통해 이젝터(3)로 후속하여 공급되는 공기(51)의 온도를 올리기 위해 열교환기(5)에 의해 활용되는 열 벡터를 위한 잠재적 공급원의 범위가 넓어질 수 있음을 이해할 것이다. 알 수 있는 바와 같이, 열 벡터(11)는 열교환기(5)를 가로질러 종래 방식으로 공급되고, 필요할 경우에는 재순환될 수 있다.
열 벡터에 관하여, 본 발명의 장치를 고온의 원자로와 통합시킬 경우에, 1차 반응기 냉매 루프와 본 발명의 전해장치 사이에는 다음과 같은 이유에서 반응기 내에 중간 헬륨 회로가 필요할 수 있음을 이해할 것이다. 1차 반응기 냉매를 직접 사용하는 것은, 열교환기(5)에 대해 너무 높은 온도를 초래하여 기본적 안전 문제 및 방사선 보호와 관련한 추가적 문제를 야기할 수 있다. 2단계 열교환기의 설계는, 전형적으로 40∼70 bar 수준에 있는 반응기 내의 1차 냉매 루프와 전형적으로 7 bar 수준에 있는 전해장치 사이클 내 공기의 압력 사이에 상승된 압력차의 영향을 완화시킬 수 있다.
재순환 루프(33)를 통한 공기 재순환 사이클이 있다는 것은, 열교환기에서의 1차 공기에 대해 필요한 예열이 단기 500∼600℃ 범위이면 충분할 수 있음을 의미하며, 따라서 콤팩트한 축열식(recuperative type) 열교환기의 설계로 조작 효율성을 위해 시스템으로의 필요한 열을 유입시킬 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 말단 온도(terminal temperature)는, 문제점을 초래할 수 있는 세라믹 재료를 필요로 하지 않고 열교환기(5)를 구성하기 위한 최신 기술의 금속 재료를 사용할 수 있게 한다.
지적한 바와 같이, 전형적으로 압축기로부터의 공기의 일부는 중간 열교환기를 우회하여 스택(1)을 수용하는 가압된 용기의 내벽에 대한 냉매로서 사용될 수 있다.
정상적으로, 스팀 증발기(6)는 본 발명의 장치에서 가스 터빈(4b) 배기로부터 열을 수용하도록 설치되어 있다. 그러면 이렇게 회수된 열은 스택(1)으로의 스 팀 공급물을 위한 열을 생성하도록 활용된다.
스팀 과열기는 전형적으로 스택(1)의 캐소드(1b)측에서 방출된 스팀으로부터 열을 탈취하도록 활용된다. 정상적으로, 이러한 과열기는 스택(1)을 위한 격납 용기의 외부에 위치하고, 최대 스팀 온도가 500∼550℃에 달하는 표준 스팀 과열기로 구성될 것이다. 스택으로 공급하기 이전에 추가의 스팀 과열기가 필요할 것이다. 이것은 압력 용기 내의 내부 열교환기를 통해 달성될 수 있다.
스택(1)에 의해 생성된 수소 농후 혼합물을 위한 물 응축기 및 분리기(7)가 설치된다. 오프 가스 냉각 및 스팀 응축에서 방출된 열은 물을 가열하기 위해 탈취된다. 본 발명의 전기분해 장치에 있어서, 물의 전기분해 사이클에서의 탈염을 위한 요건을 감소하기 위해 응축기(7)에서 응축된 물이 재순환되어 장치 내의 "보충수(make up water)"와 혼합되도록 하는 데에는 탈염수가 중요하다는 것을 이해할 것이다. 전기분해 사이클의 크기와 배열에 따라서, 응축기 분리기 내의 온도를 어림잡아 35도가 되도록 하고 원하는 물의 응축 및 수소의 순도, 즉 99%보다 높은 순도를 얻기 위해, 추가적 열 냉각기로부터의 부가적 폐기물이 필요할 수 있음을 이해할 것이다.
공급물의 순환을 구동하기 위해 스팀 발생 장치로 공급수를 가압하는 공급물 펌프(9)가 설치된다. 이 펌프(9)는 일반적으로 10 bar보다 높은 물의 압력을 생성할 것이다. 또한, 앞에서 지적한 바와 같이, 본 발명의 물 가수분해 공정에 있어서 공급수의 탈염 및 탈기(de-aeration)가 중요하고 그러한 상태에서 물이 스팀을 생성하도록 탈염/탈기 유닛(10)이 설치된다.
열교환기(5)로의 열 공급은 특히 중간 열교환기의 사용과 관련하여 도 1에 도시된 장치에 대해 핵심적 제약이 된다는 것을 이해할 것이다. 열교환기(5)로부터의 유출 온도가 낮을수록 유효성은 감소되지만 보다 콤팩트한 설계가 가능하다. 또한, 스택(1)을 수용하는 압력 용기에 매우 고온의 공기가 공급되는 것은 그 자체로 수용가능한 재료 및 비용에 관해 문제점을 초래할 것임을 이해할 것이다. 그러나, 앞에서 지적한 바와 같이, 스택으로의 압축 공기 공급 온도를 높이는 데 사용할 수 있는 부수적 열 공급원이 이용되며, 이점은 본 발명에 있어서 중요하다. 그러한 경우에, 유출을 위한 압축기에 축열식 열교환기 및 가압 용기 내부의 고온 열교환기로 구성되는 2단계 열교환 공정이 제공될 수 있다. 그러나 이러한 접근 방법은 매우 중요한 열교환기 및 압력 용기에 공급하기 위한 핫 라인(hot line)의 설계가 필요할 것이다.
스택(1) 내부의 파워 소실로 인한 열 발생은 지속적인 조작을 위해 물의 전기분해 사이클에 대해 필요한 1차 공기 온도를 저하시킨다는 것을 이해할 것이다. 스택(1) 면적 비저항(area specific resistance; ASR)은 일반적으로 온도가 저하됨에 따라 증가하므로, 스택(1)에서의 내부 열 발생을 증가시키면 중간 열교환기를 통한 열 유입에서의 모든 감소를 상쇄할 것이다. 저항의 손실로 인해 스택(1)으로부터 열이 방출되어 공기 재순환 루프(33)를 통해 스택(1)으로 재순환된다는 것을 이해할 것이다.
연료 전지 조작에 비해, 본 발명의 장치의 물 전기분해 사이클은, 스택(1)에서 나오는 공기(13)의 유출 온도를 저하시키는 경향이 있는 물 가수분해 반응의 흡 열 특성으로 인해 하나의 스택(1)당 필요한 공기 유속이 더 낮다. 그러한 상태에서, 동일한 터빈(4)이 혼성 시스템에서 사용되는 경우, 즉 연료 전지와 물 가수분해 조작을 모두 허용하는 구성인 경우에, 스택으로의 총 공기 질량 유속이 동일해진다. 스택(1) 내의 평균 공기 온도 및 화학 반응의 효율을 증가시키기 위해 스택(1)의 양을 각각의 압력 용기 내에 맞추어지도록 하는 것이 유리하다. 그럼에도 불구하고, 이러한 조작은 가스 터빈 배기로부터 회수되고 스택(1)에 의해 소비되는 열에 의해 재생 가능한 스팀의 최대량에 의해 제한된다.
스택(1)으로 유입되는 1차 공기 온도를 저하시키면 평균 스택(1) 온도도 저하될 것이며, 이것은 앞에서 지적한 바와 같이 스택(1) 면적 비저항(ASR)을 증가시킬 것이고, 따라서 스택(1) 내부의 저항에 의한 열 발생을 증가시키고 공기의 온도는 재순환 루프(33)를 통해 공기가 스택(1)으로 되돌아갈 때 상승된다는 것을 알 수 있다. 그러한 상태에서, 공기 재순환은 스택(1)으로 유입되는 공기 유입 온도의 저하를 완화시킨다.
또한, 열교환기(5)로부터의 공기 유출 온도의 전체적 효과는 이상 설명한 바와 같은 공기 재순환이 있으면 최소화될 수 있고, 따라서 상기 장치의 실용성 및 비용 효율성 측면에서 온도 저하의 이점을 더욱 용이하게 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 물 가수분해 장치에 관한 높은 효율 레벨을 얻기 위해 연료 전지 모듈에 대한 공기 비저항(ASR) 값을 감소시키는 총체적 목적이 있기는 하지만, 실질적으로 일관된 성능을 달성할 수 있도록, 애노드와 캐소드에 걸친 전력 및 시스템으로의 열 파워 공급 요구량에서의 변동을 통해 간단히 조절될 수 있는 이러한 파라미터에 대해 성능은 덜 민감하다. 그러한 상태에서, 상대적으로 비용이 많이 드는 전기 공급은 공정 열과 같은 보다 저렴한 부수적 열에 비해 사용되는 고가의 전기의 양을 감소시키기 위해 활용가능할 경우 부수적 공정 열을 이용함으로써 상쇄될 수 있고, 그렇지 않으면 가열을 위해 공기 유입이 이로울 것이다. 일반적으로 열 공급은 항상 애노드와 캐소드에 걸친 전력보다 훨씬 저렴하다는 것을 이해할 것이다.
하나의 스택(1)당 압축 공기의 유량은 물 전기분해 사이클 내의 내부 열 회수 공정, 즉 가스 터빈 출구에서의 회수로부터 생성가능한 최대 스팀 유량에 의해 제한된다. 물 전기분해 장치의 대안적, 즉 제2 실시예를 도 3에 나타내는데, 여기서는 스팀 발생용 열을 제공하기 위해 활용되는 열교환기(55)로부터 얻어진 열을 탈취함으로써 부가적 스팀 발생 능력이 제공된다. 열교환기(55)로부터의 출구에서의 온도는 압축기로부터 나오는 공기의 유입 온도에 대한 델타 T에 충분히 접근할 수 있도록, 일반적으로 적어도 350∼400℃의 범위에 있다는 것을 이해할 것이다.
도 3에서, 도 2에 부여된 것과 동일한 구성 요소는 동일하게 번호 부여되어 있으며, 부가적 설명은 이 제1 실시예의 부가적 특징에 의해 제공된다. 이러한 상태에서, 열교환기(55)로부터 유출되는 열을 이용하여, 다른 기술적 제약에 의해 부과되는 한계까지 단위 면적당 스택(1)의 양이 얻어지므로, 스택(1)은 더 높은 평균 온도, 더 낮은 면적 비저항(ASR) 및 더 높은 효율로 조작될 수 있다. 도 3에 도시된 물 전기분해 사이클은 부가적 스팀 발생기가 제공되어 추가적 공정 열을 받아들이기 때문에 도 2에 도시된 것과 비교된다. 따라서, 열교환기(55)로부터의 열은 스팀 증발기(56)로 공급되어 증발기(6)에 의해 제공된 것에 부가하여 추가적 스팀(57)이 발성된다. 그러므로, 앞에서 지적한 바와 같이, 도 3에 도시된 장치의 스팀 발생 능력은 도 2에 도시된 것보다 훨씬 크다. 또한 열교환기(55) 및 증발기(56)를 통해 공정 열의 추가적 회수에 의해 더 큰 효율이 얻어진다는 것을 이해할 것이다. 효율을 더욱 향상시키기 위해, 증발기(6, 56)에서의 증발 전에 공급수 예열을 위해 부가적 열 회수 이코노마이저(economiser)를 설치할 수 있다. 이러한 이코노마이저(58)는 터빈(4) 배기로부터 또는 독립적인 열적 공정의 열 공급원을 통해 열을 흡수하기 위해 설치될 수 있다.
앞에서 지적한 바와 같이, 물의 전기분해를 위한 전력을 발생시키는 메커니즘에서 유래되거나 물의 전기분해 장치에 인접한 공정에서 유래되는가에 관계없이 부수적 열 공급원을 활용함으로써, 전기분해 장치로의 압축 공기 공급을 조절할 수 있다. 또한, 스택에서 유출되는 공기의 일부에 대해 재순환을 제공함으로써, 스택 공기 공급 온도를 효율적인 조작을 위해 허용가능한 온도로 유지할 수 있다. 그러한 상태에서, 연료 품질 수소를 발생하기 위해 원하는 물 전기분해의 조작 효율을 얻도록 전력 및 공기 공급/스팀의 온도의 쌍을 이룬 밸런싱 공정(balancing process)을 상대적으로 조절할 수 있다.
본 발명의 물 전기분해 장치는 이하의 개요와 같은 몇 가지 본질적 특징을 가진다.
A) 전기분해 반응의 흡열 특성이 스택(1)에서의 저항 손실에 의한 열 발생을 상쇄한다. 이것은 연료 전지 방식의 조작에 비교할 경우 스택(1) 내부의 온도 구 배(gradient)를 감소시킴으로써, 고온의 연료 전지 조작에 있어서 전형적으로 핵심적 문제인 열 응력을 감소시킨다. 전력 입력 및 공급물의 온도의 균형을 통해, 특정 환경에서의 등온 스택 조작(isothermal stack operation)에 접근할 수 있다.
B) 스택에 유입되는 공기 공급에 있어서 더 낮은 온도를 사용함으로써, 면적 비저항(ASR)의 증가 및 스택(1) 저항 손실에 의한 열 발생을 순조롭게 할 수 있다. 재순환 루프(33)를 이용함으로써, 장치 효율에 대한 총체적 영향이 매우 낮다.
C) 스택(1)에 대한 면적 비저항(ASR)에 관한 특정 목표(specific target)는 물 전기분해 장치의 성능에 대해 매우 제한된 효과를 가진다. 공기 비저항의 온도 의존 관계로 인해, 스택은 목표치보다 공칭 30% 더 높은 공기 비저항을 가지며, 더 높은 평균 온도에서 조작되어 약 10%로 제한된 면적 비저항(ASR) 및 거의 일정한 시스템 효율의 실제적 증가를 초래하는 저항 손실을 증가시킨다. 지적한 바와 같은 이러한 저항 손실에서의 증가는 스택(1)으로부터 배기된 공기 온도를 증가시키고, 이어서 그 일부는 루프(33)로 재순환되어 이젝터(3)를 통해 공급된 공기를 조절한다. 또한, 최대 스택(1) 온도 및 터빈 입구 온도는 그러나 허용가능한 한계보다 훨씬 낮게 유지된다는 것을 이해할 것이다.
D) 스택에 관한 엄청난 수소 누설 목표는 장치 성능에 대해 제한된 효과를 가질 것이다. 누설이 많을수록 스택 조작 온도는 더 높아지지만, 아직은 면적 비저항(ASR)을 낮추게 되는 최대 허용치 범위 내이다.
E) 물 전기분해 조작을 달성하기 위해 기존의 연료 전지 구조에 대해 변형이 거의 필요하지 않다.
물 전기분해에 적절한 배관 및 구성 요소들 사이의 도관(ducting)을 제공하기 위해 전형적으로 여러 개의 스택(1)이 설치된다는 것을 이해할 것이다.
도 4는 개방 루프 전기분해 장치를 개략적으로 나타낸다. 이 장치는 지적한 바와 같이 스택(1)으로부터 스택을 위한 공급물까지 공기 재순환이 없는 개방 루프이다. 그러한 상태에서, 앞에서와 마찬가지로, 스택(1)은 애노드 측(1a)과 캐소드(1b) 사이의 산화물 전기분해 셀로 형성된다. 여기서도 이젝터(2)는 캐소드측(1b)에 수소를 제공하도록 캐소드에 재순환을 제공한다. 가스 터빈 엔진(4)은 애노드(1a)로 공급되는 공기(25)를 제공하고 압축하기 위해 설치된다. 부수적 처리 열에 의해 제공되는 적절한 열 벡터를 가진 중간 열교환기(5)는 전기분해 셀 스택으로 유입되는 공기(25)가 예열되도록 작용한다. 스팀 발생기(6)는 증발을 통해 스팀을 발생하기 위해 터빈(4) 배기로부터 열을 흡수한다. 물 전해 장치 생성물에 동반되는 물을 위한 응축기는 물 전해 장치로의 물/스팀 공급물에 대해 이코노마이저로서 작용한다. 스팀 과열기(9)는 이젝터(2)를 통해 캐소드(1b) 내로 스팀을 순환시키도록 설치된다. 앞에서와 마찬가지로, 물 전기분해 공정에서 사용되는 물에 관한 용도의 공급 펌프(9) 및 탈염/탈기 장치가 있다.
상기와 같은 상태에서, 도 2 및 도 3에 도시된 선행 실시예와 비교할 때, 공기 재순환 루프(도 2 및 도 3에서의 (33))가 없다는 것을 알 것이다. 그러한 상태에서, 도 4에 도시된 장치는 열교환기(5)에서의 공기의 온도에 더 민감하다. 이 온도는 사이클 배열에서의 공기의 스택 유입 온도와 동일하기 때문에, 최소 허용가능한 값은 750∼800℃이다. 이에 따라, 저온 열교환기를 위한 스택(1)을 수용하는 가압 용기의 외부에 축열식 열교환기 및 상기 가압 용기의 내부에 고온 열교환기라는 두 가지 기능을 제공해야 하는, 중간 열교환기(5)의 설계가 더욱 중요해진다. 이것은 설계상의 안전에 관해 당연한 고려와 함께 가압 용기에 공급하기 위해, 거의 모든 경우에 원자력 발전소로부터 얻어지는 열 벡터를 위한 핫 라인의 설계를 필요로 한다.
2단계 열교환기를 이용함으로써 이제 2개의 저효율 열교환기로 공기에 대한 열전달 효과를 얻을 수 있다. 그러나, 이러한 개방 사이클 배열을 사용하여, 시스템에 대한 열적 입력과 전기적 입력 사이의 더 높은 비율이 얻어지지만, 그것은 일반적으로 공기 재순환을 내포하는 것(도 2 및 도 3)보다 비효율적이며, 더욱 중요한 것은 기존의 연료 전지 조작형 배열로부터 시스템을 완전히 재설계해야 한다는 점이다.
도 5는 본 발명의 특정한 태양에 따른 전기분해 장치의 추가적 제4의 다른 실시예로서, 외부 열교환기 또는 열 공급원에 대한 필요성을 배제한 대신 공기 재순환 루프(43)에서 생성된 수소의 작은 분획을 연소시킴으로써 스택(1)에 공급된 압축 공기를 가열하기 위한 열을 제공하는 실시예를 제공한다. 따라서, 이러한 비율의 생성된 수소를 연소시키기 위해 연소기(combustor)(65)가 설치된다.
앞에서와 같이, 스택(1)에는 스택(1)의 애노드(1a)측과 캐소드(1b)측으로 각각 압축 공기 및 스팀이 공급된다. 이젝터(2)는 캐소드(1b) 입구로 재순환되는 수소를 캐소드(1b)에 공급한다. 이젝터(3)는 오프 가스 연소기(65)와 결합되는 킹크(kink)(43)를 통해 공기를 재순환시킨다. 앞에서 지적한 바와 같이, 이 연소 기(65)는 생성된 수소의 작은 분획을 연소시키고, 열은 이젝터(3)에서 압축 공기 유동(35)과 합쳐지도록 루프(43)를 통과하여 스택(1)의 애노드(1a)로 공급된다. 이어서, 이러한 조합물은 공급물로서 애노드(1a)에 공급된다. 앞에서와 같이, 터빈(4)으로부터의 배기를 활용하여 물을 증발시키는 스팀 발생기(6)가 제공된다. 전기분해 장치 생성물에 동반되는 물의 응축기(7)는 물 전해 장치로 공급되는 물/스팀에 대한 이코노마이저로서 작용한다. 스택(1)의 캐소드(1b)로부터 재순환된 수소와 합치기 위한 스팀을 이젝터(2)에 제공하기 위해 스팀 과열기(8)가 설치된다. 여기서도 물 공급에 대해 허용가능한 것을 보장하기 위해 공급 펌프(9) 및 탈염/탈기 장치가 작동된다.
단위 공기당 스택의 양을 증가시키면 더 높은 온도에서, 그리고 그에 따라 더 높은 효율로 스택을 조작할 수 있다는 것은 명백할 것이다. 그러나, 자체 유지 시스템에 있어서, 압축 공기의 단위 유량당 스택의 최대량은 오로지 가스 터빈 배기로부터 회수되는 열로부터 감지할 수 있는 최대 스팀 유량에 의해 부과된다. 열은 스팀 발생을 위해서만 필요하기 때문에, 보조적 연소형 스팀 발생기의 추가 또는 비교적 낮은 온도에서라도 외부의 부수적 열 공급원의 통합(integration)은 총체적 전기분해 장치의 효율을 증가시킬 것이다.
본 발명의 특정한 태양은, 일반적으로 제공하기에 더 비용이 많이 드는 전력 투입의 감소를 보상하기 위해 스택으로 공급되는 공기의 온도를 상승시키도록 부수적 열을 활용한다. 일반적으로, 도 2에 도시된 실시예에 따라 스택에 직접적인 도입에 의한 부수적 공정 열의 이용을 가능하게 하는 데 필요한 최소의 온도는 600℃ 정도이지만, 후속 실시예에 기재된 바와 같은 외부 공급원 및 오프 가스 연소를 포함하는 혼성 배열 또는 오로지 스팀 발생을 위한 공정 열의 이용은 가능한 응용 범위를 확장할 수 있어서, 부수적 공정 열 공급원은 통합을 위한 30℃ 수준으로 제공하면 될 것이다. 그러한 상태에서, 열교환을 위한 열 벡터를 제공하는 본 발명의 시스템에 의한 통합을 가능하게 할 수 있는 부수적 처리 장치는 다음을 포함할 것이다:
정류 및 화학적 처리 장치,
고온 원자로,
가스 터빈 사이클,
조합된 열 및 파워 플랜트,
폐기물 소각, 및
태양열 발전 공급원.
스팀 전기분해 공정을 통한 수소의 제조에 부가하여, 고체 산화물 전기분해 공정은 다음을 포함하는 여러 가지 기술적 분야에 적용될 수 있음을 이해할 것이다:
a) 원하는 생성물 함량을 제고하기 위해 산소 이온을 인도하는 멤브레인을 이용한 전기화학적 분리에 적합한 여러 가지 공정 부산물의 전기분해.
b) 물의 전기분해에 의한 산소 및 수소의 공동 제조. 산소 중 공기의 농도를 높이는 가능한 방법은, 압축기 입구에서의 주변 공기 "보충" 및 터빈 출구에서의 산소 농후 스트림의 인출을 구비한 가스 터빈을 포함하는 폐쇄된 공기 루프의 설계일 것이다. 원칙적으로 폐쇄 회로는 스택 애노드측 상에 설계될 수 있고 처음에는 순수한 산소로 충전될 수 있다. 이 시스템은 애노드측에서 산소를 사용하여 가동되어 판매 가능한 부산물이 될 고순도 산소를 생성한다. 그러나, 이러한 배열은 폭발 등에 대한 가능성을 피하기 위해 장치의 모든 부분에서 산소 농후 스트림과 수소 농후 스트림 사이에 엄격한 분리를 보장하기 위한 커다란 안전 문제를 가질 것이다.
본 발명은 또한 피크 전력을 이용한 재생형 연료 전지 조작, 즉 필요할 경우 연료 전지에서 소비될 연료를 전기분해를 통해 제공하는 재생가능 파워 공급원들의 결합을 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 변형 및 변경은 당업자가 이해할 것이다. 따라서, 지적한 바와 같이, 전형적으로는 가장 효율적이고 경제적 공정을 제공하기 위해 압력 용기 내에 소정 개수의 스택이 제공될 것이며, 조작 온도/전기적 투입이 변동될 것이다.
언급된 경우에 애노드와 캐소드 재순환은 이젝터 배열 또는 송풍기나 임의의 다른 적절한 메커니즘을 포함하는 장치를 사용하여 수행된다는 것을 이해할 것이다.
이상과 같은 명세서에서 본 발명의 특징들에 대해 주의를 환기시키기 위해 노력했지만, 특별한 강조 유무와 관계없이, 이제까지 도면에 언급되거나 또는 제시된 모든 특허성 특징 또는 그러한 특징들의 조합에 관해 본 출원인은 보호를 청구한다는 것을 이해해야 한다.

Claims (11)

  1. 생성물 제조를 위한 전기분해 장치로서,
    산화에 의해 전력을 제공하되 전기분해에 의해 스택(stack)(1) 상태의 캐소드(1b)에서 생성물을 제공하도록 배치된, 800∼1,000℃에서 조작될 수 있는 전기분해 셀을 포함하고, 상기 전기분해 셀은 애노드(1a)와 캐소드(1b) 사이에서 파워 공급원에 의해 전력이 공급되는 상태에서 공급물 및 공기의 공급에 의해 상기 생성물을 발생하도록 사용되는 전기분해 장치로서,
    상기 공기는 터빈 엔진(4)에 의해 스택(1)으로 구동되고,
    상기 스택(1)을 위한 상기 공기는 상기 전기분해 셀에 공급되기 전에 부수적 열 공급원(incident heat source)을 이용하여 예열되는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  2. 수소의 제조를 위한 물의 전기분해 장치로서,
    수소의 산화에 의해 전력을 제공하되 전기분해에 의해 스택(1) 상태의 캐소드(1b)에서 수소 생성물을 제공하도록 배치된, 800∼1,000℃에서 조작될 수 있는 전기분해 셀을 포함하고, 상기 전기분해 셀은 애노드(1a)와 캐소드(1b) 사이에서 파워 공급원에 의해 전력이 공급되는 상태에서 스팀 공급물 및 공기 공급물의 공급에 의해 수소 생성물을 발생하도록 사용되는 물의 전기분해 장치로서,
    상기 공기는 터빈 엔진(4)에 의해 스택(1)으로 구동되고,
    상기 스택(1)을 위한 상기 공기는 상기 전기분해 셀에 공급되기 전에 부수적 열 공급원을 이용하여 예열되는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 부수적 열 공급원은 파워 공급원 또는 다른 공정으로부터의 처리된 열에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부수적 열 공급원은 연소기(65)에서 발생된 생성물의 일부를 연소시킴으로써 제공되는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공기는 압축되고 500∼800℃의 온도로 예열되는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스택(1)으로부터 유출되는 공기의 일부는 상기 스택(1) 내로 재순환되는 것(3, 33)을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스택(1)으로부터 유출되는 생성물의 일부는 상기 스택(1) 내로 재순환되는 것(2)을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스택(1) 내로 재순환된 생성물(2)의 일부는 상기 스택 내에서 환원성 분위기를 유지하는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공기는 열교환기(5)에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스택(1)용 부수적 열을 생성하기 위해 터빈 엔진(4) 배기관으로부터 열을 받아들이기 위한 회수 설비(6)가 구비된 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스택(1)으로부터의 생성물 유동을 분리하기 위한 분리기(7)가 구비된 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
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