KR20080075012A - 전기분해 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제1 유체를 전기분해하여 생성물 유체를 발생시키기 위한 전해 셀(2)을 포함하는 전기분해 장치(100)에 관한 것이다. 상기 전기분해 장치(100)는 또한 전해질 유체를 전기분해하고 제2 유체를 가열하기 위한 연료 셀(1)을 포함한다. 상기 전기분해 장치는 또한, 전해 셀(1) 내의 제1 유체의 전기분해를 구동시키는 열을 제공하기 위해 상기 가열된 제2 유체를 연료 셀(1)로부터 전해 셀(2)로 전달하기 위한 유체 전달 장치(108B)를 포함한다.
Figure P1020087015916
전기분해, 전해 셀, 연료 셀, 유체 전달 장치, 고체 산화물 전해질, 수소, 전구체 연료, 이젝터

Description

전기분해 장치{AN ELECTROLYSIS APPARATUS}
본 발명은 전기분해 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 배타적인 것은 아니지만, 본 발명은 유체 발생 장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시예는, 전해 셀(electrolysis cell)을 내포하는 수소 발생 장치와 같은, 수소 발생 장치에 관한 것이다.
물의 전기분해는 수소를 제조하기 위한 간단하고도 명확한 기술로서 이용된다. 물은 전기분해되어 애노드에서 산소가 생성되고 캐소드에서 수소가 생성된다. 그런 다음 수소는 저장될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 유체를 전기분해하여 생성물 유체를 발생시키기 위한 전해 셀; 연료를 전기분해시키고 제2 유체를 가열하기 위한 연료 셀; 상기 전해 셀 내의 상기 제1 유체의 전기분해를 구동시키는 열을 제공하기 위해 상기 가열된 제2 유체를 상기 연료 셀로부터 상기 전해 셀로 전달하는 수단을 포함하는 전기분해 장치가 제공된다.
일 실시예에서, 상기 전기분해 장치는 가스와 같은 유체를 발생시키도록 배열될 수 있다. 상기 가스는 수소 또는 일산화탄소일 수 있다.
일 실시예에서, 제1 유체는 물을 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 생성물 유체는 수소를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제1 유체는 이산화탄소를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 생성물 유체는 일산화탄소를 포함할 수 있다.
전해 셀은 800∼1,000℃ 범위의 온도에서 작동하도록 배열될 수 있다. 상기 장치는 가열값(heating value)이 낮은 유체를 가열값이 높은 유체로 변환하는 데 적합하다는 것이 본 발명의 바람직한 실시예의 이점이다.
상기 연료 셀은 고체 산화물 연료 셀을 포함할 수 있다. 상기 전해 셀은 고체 산화물 전해 셀을 포함할 수 있다. 연료 셀과 전해 셀은 각각 동일한 전기분해 스택(stack)의 일부일 수 있다.
제2 유체 전달 수단은 제2 유체 전달 장치를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 연료 셀은 연료를 전기분해하여 연료 생성물을 제공하기 위한 애노드를 포함한다. 이 실시예에서, 연료 셀은 연료를 연료 셀로 공급하기 위한 연료 공급 수단을 포함한다. 연료 셀은 연료 생성물을 연료 셀로부터 배출하기 위한 배출 장치(exhaust arrangement)를 포함할 수 있다.
상기 전기분해 장치는 연료 생성물 중 적어도 일부를 연료 셀로 재순환시키기 위한 연료 재순환 장치를 추가로 포함할 수 있다. 상기 연료 재순환 장치는 연료 생성물 중 적어도 일부를 연료 공급 장치로 재순환시킬 수 있다. 상기 재순환 장치는, 연료 셀로부터 연료 생성물을 재순환시키기 위한 전술한 연료 생성물을 동반하는 이젝터(ejector)와 같은 연료 재순환 기구(fuel recycling device)를 포함할 수 있다. 연료 재순환 장치는 연료 공급 장치 내에 설치되는 것이 바람직하다.
상기 전기분해 장치는 전구체 연료(precursor fuel)를 연료로 변환시키기 위한 연료 변환기(converter)를 포함할 수 있다. 상기 전구체 연료는 탄화수소 연료, 바람직하게는 메탄과 같은 알칸을 포함할 수 있다. 연료 변환기에 의해 제공되는 연료는 수소를 포함할 수 있고, 또한 일산화탄소를 포함할 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 연료 변환기는 개질기(reformer)를 포함할 수 있다.
전기분해 장치는 전술한 변환을 실행시키기 위해 전구체 연료를 가열하는 가열 수단을 포함하는 것이 바람직하다. 가열 수단은 가열 유체를 연료 변환기로 전달하기 위한 가열 유체 공급 어셈블리를 포함할 수 있다. 가열 유체 공급 어셈블리는 제2 유체의 열을 연료 변환기로 전달하도록 배열될 수 있다.
상기 가열 수단은 제1 및 제2 열전달 측면을 가진 열교환기를 포함할 수 있다. 가열 유체는 제1 측면을 따라 통과할 수 있고, 전구체 연료는 제2 측면을 따라 통과하여 연료로 변환될 수 있다.
연료 셀은 캐소드를 포함할 수 있어서, 제2 유체의 성분이 캐소드에 의해 전기분해된다. 연료 셀은 제2 유체를 연료 셀로 공급하기 위한 제2 유체 공급 수단을 포함할 수 있다. 전술한 제2 유체의 전기분해된 성분은 산소를 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 제2 유체는 공기를 포함한다.
일 실시예에서, 전해 셀은 제1 유체를 전기분해하기 위한 캐소드를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 전해 셀은 제1 유체를 전해 셀로 공급하기 위한 제1 유체 공급 장치를 포함한다. 전해 셀은 생성물 유체를 전해 셀로부터 배출시키기 위한 생성물 유체 배출 장치를 포함할 수 있다.
상기 전기분해 장치는 연소 생성물을 제공하기 위한 연소기(combustor)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 연소기는 연료 셀로부터 연료 생성물 중 적어도 일부를 연소시키도록 배열된다.
상기 전기분해 장치는 제2 유체를 연료 셀로 공급하기 위한 제2 유체 공급 장치를 포함할 수 있다. 제2 유체 공급 장치는 제2 유체를 압축하기 위한 압축기를 포함할 수 있다. 제2 유체 공급 장치는 연소기로부터의 연소 생성물을 연료 셀로 재순환시키기 위한 유체 재순환 장치를 포함할 수 있다. 유체 재순환 장치는 전술한 연소 생성물을 동반할 수 있는 유체 재순환 이젝터를 포함할 수 있다.
제2 유체 공급 장치는 제2 유체를 연료 셀의 캐소드측으로 공급하도록 배열될 수 있다.
상기 전기분해 장치는 제2 유체를 전해 셀로부터 배출시키기 위한 제2 유체 배출 장치를 포함할 수 있다.
상기 배출된 제2 유체 중 적어도 일부는 연소기로 공급되어 연소될 수 있다. 연소기로부터의 연소 생성물은 연소 후 배출되는 제2 유체를 포함할 수 있다.
상기 전기분해 장치는 가스 터빈 장치 및 배출된 제2 유체의 일부를 터빈으로 공급하기 위한 터빈 공급 수단을 구비할 수 있다. 바람직하게는, 상기 터빈은 압축기에 연결됨으로써 터빈이 압축기를 구동할 수 있다.
상기 전기분해 장치는 터빈으로부터 인도될 수 있는 상기 배출된 제2 유체로부터 열을 회수하기 위한 증발기를 포함할 수 있다.
상기 전기분해 장치는 생성물 유체 중 적어도 일부를 전해 셀로 재순환시키기 위한 생성물 유체 재순환 장치를 추가로 포함할 수 있다. 생성물 유체 재순환 장치는 생성물 유체 중 적어도 일부를 제1 유체 공급 장치로 재순환시킬 수 있다.
생성물 유체 재순환 장치는 전해 셀로부터 생성물 유체 중 적어도 일부를 재순환시키기 위한 생성물 유체 재순환 기구를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 생성물 유체 재순환 기구는 제1 유체 공급 장치 내에 배열된다. 상기 생성물 유체 재순환 기구는 전술한 생성물 유체를 동반할 수 있는 생성물 유체 재순환 이젝터를 포함할 수 있다.
상기 전기분해 장치는 전해 셀로 공급할 제1 유체를 가열하기 위한 제1 유체 히터를 추가로 포함할 수 있다. 제1 유체 히터는 열을 생성물 유체로부터 제1 유체로 전달하기 위한 열교환기를 포함할 수 있다.
상기 전기분해 장치는 생성물 유체로부터 물을 응축시키고, 응축된 물을 제1 유체로 재순환시키기 위한 분리 장치(separator arrangement)를 포함할 수 있다. 분리 장치는 또한 수소가 그것으로부터 공급될 수 있도록 배열될 수 있다. 분리 장치는 제1 유체를 전해 셀로 펌핑하기 위한 제1 유체 펌프를 포함할 수 있다.
상기 분리 장치는 제1 유체를 증발기로 공급하기 위한 제1 유체 공급 어셈블리를 포함하는 것이 바람직하다. 제1 유체 공급 어셈블리는 제1 유체를 증발기로부터 제1 유체 히터로 공급하도록 배열될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 유체 히터는 제1 유체를 제1 유체의 비등점보다 높은 온도로 가열한다. 제1 유체가 물을 포함하는 경우, 제1 유체 히터는 과열 스팀(superheated steam)을 제공하도록 제1 유체를 가열할 수 있다. 제1 유체 공급 어셈블리는 가열된 제1 유체를 제1 유체 이젝터로 공급하여 생성물 유체를 동반하도록 배열될 수 있다.
이하에서 첨부 도면을 참조하여, 오로지 예로서 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.
도 1은 수소 발생 장치의 개략도이다.
도 2는 연료 셀의 도식적인 단면도이다.
도 3은 전해 셀의 도식적인 단면도이다.
도 4는 전해 셀, 연료 셀 및 연료 변환기의 도식적인 측면도이다.
도 1을 참조하면, 캐소드측(1a)과 애노드측(1b)을 구비한 고체 산화물 연료 셀 형태로 되어 있는 연료 셀(1)을 포함하는 수소 발생 장치(100)의 개략도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 캐소드(30)를 구비한 캐소드측(1a), 애노드(30)를 구비한 애노드측(1b), 및 캐소드(30)와 애노드(32) 사이에 배열된 고체 산화물 전해질(34)을 포함하는 연료 셀(1)이 도시되어 있다.
상기 장치(100)는 또한, 고체 산화물 전해 셀 형태로 되어 있는 전해 셀(2)을 포함한다. 전해 셀(2)은 애노드측(2a)과 캐소드측(2b)을 포함한다.
도 3을 참조하면, 애노드(36)를 구비한 애노드측(2a), 캐소드(38)를 구비한 캐소드측(2b) 및 애노드(36)와 캐소드(38) 사이에 배열된 고체 산화물 전해질(40) 을 포함하는 전해 셀(2)이 도시되어 있다.
연료 셀(1) 및 전해 셀(2)은 전기화학적 셀 튜브(72B)의 단일 스택(70)(도 4 참조)의 부분일 수 있다. 전기화학적 셀 튜브(70)는 당업자에게 친숙한 구조를 가진 공지의 전기화학적 셀 튜브 형태로 되어 있을 수 있다. 전기화학적 셀 튜브의 스택에 대한 예는 WO 2004/032273에 도시되고 기재되어 있다.
도 4에서, 전기화학적 셀 튜브(72)의 일부가 (72A)로 표시되고, 일부는 (72B)로 표시되어 있다. 전기화학적 셀 튜브(72A)는 연료 셀(1)을 형성하고, 전기화학적 셀 튜브(72B)는 전해 셀(2)을 형성한다. 스택(70)의 구조를 이하에서 더 상세히 설명한다.
개질기 형태로 되어 있는 연료 변환기(3)(도 4에 더 상세히 도시됨)는 이하에서 설명하는 바와 같이, 상기 장치(100)용 연료를 사용가능한 형태로 변환시키도록 제공된다. 고온의 공기는 전해 셀(2)의 애노드측(2a)을 통해 변환기(3)의 공기측(3a)(도 1에 도시된 바와 같이)을 따라 통과하고, 연료는 변환기의 연료측(3b)(도 1 참조)을 통과하여 공기측(3a)에서 가열된 공기에 의해 가열됨으로써, 메탄과 같은 전구체 연료로부터 연료, 즉 수소 및 일산화탄소로 변환된다. 이어서, 상기 연료는 변환기(3)의 연료측(3b)으로부터 연료 셀(1)의 애노드측(1b)으로 통과한다.
상기 장치(100)는 또한 전구체 연료를 변환기(3)의 연료측(3b)으로 공급하기 위한 연료 공급 장치(102)를 포함한다. 연료 공급 장치(102)는 연료 공급부(104), 연료를 펌핑하기 위한 펌프(9) 및, 예를 들면 전구체 연료로부터 고위의 탄화수 소(higher hydrocarbon) 및 황 화합물을 제거하기 위해, 연료를 연료 셀(1)에 공급되기 전에 전처리하기 위한 외부 연료 예비처리기(external fuel pre-processor; EFP)(10)를 포함한다. 연료 공급 어셈블리(102)는 또한, 이하에서 설명하는 바와 같이, 연료 재순환 이젝터(4) 형태로 되어 있을 수 있는 연료 재순환 기구를 포함한다. 연료 재순환 이젝터(4)로부터의 전구체 연료는 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이 라인(102A)에 의해 변환기(3)로 공급된다. 변환된 연료는 변환기(3)로부터 라인(102B)(도 4 참조)을 통해 연료 셀(1)의 애노드측(1b)으로 공급된다. 매니폴드(manifold)(103)에 의해 연료는 연료 셀의 애노드측(1b)으로 공급된다. 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 연료 공급 매니폴드(103)는 연료를 연료 셀 튜브(72A)로 공급하기 위해 연료 셀 튜브(72A)에 연통되도록 연결되어 있다.
공기 형태의 제2 유체는 가스 터빈 장치(8)의 압축기(8A)로 이송된다. 가스 터빈 장치(8)는 또한 이하에서 설명할 목적으로 설치되는 터빈(8B)을 포함한다. 터빈(8B)은 압축기(8A)를 구동시키며, 터빈(8B)에 의해 행해진 일은 전력을 발생하기 위해 사용될 수 있다.
압축 장치(8)는 공기 형태의 제2 유체를 연료 셀(1)에 공급하도록 공기 공급 장치 내에 배열된다. 압축기(8A)에 의해 압축된 공기는, 이하에서 설명되는 이유에서, 유체 재순환 이젝터(7)와 같은 유체 재순환 기구를 통과한 다음, 라인(108A)을 통해 연료 셀(1)의 캐소드측(1a)으로 이송된다. 압축기(8)에 의해 압축된 공기의 온도는 약 800℃이다. 연료 셀(1)의 캐소드측(1a)을 통과하는 공기는 전기분해 과정을 거치게 되고, 산소 이온은 고체 전해질(34)을 가로질러 이동된다. 산소가 감소된 공기는 연료 셀의 캐소드측(1a)으로부터 라인(108B)을 통해 이송된다.
연료 셀(1)의 애노드측(1b)으로 유입된 수소 및 일산화탄소 형태의 연료는 애노드(32)에서 전해질(34)로부터의 산소 이온과 함께 전기화학적 반응을 일으키게 되어 물과 이산화탄소를 형성한다.
상기 전기화학적 반응의 발열 특성 및 저항 손실 및 활성 손실에 의해 야기되는 열로 에너지가 소실(dissipation)됨으로 인해 연료 셀(1)을 통해 열이 방출된다. 이러한 열은 캐소드측(1a)을 통과하는 공기에 의해 흡수되고, 연료 셀(1)의 캐소드측(1a)으로부터 통과되어 나오는 공기는 라인(108B)을 통해 전해 셀(2)의 애노드측(2a)으로 이송되어 대략 920℃의 온도로 가열된다. 이렇게 해서 열은 연료 셀(1)로부터 전해 셀(2)로 전달된다. 연료 셀(1)과 전해 셀(2)이 전기화학적 셀 튜브(72)의 동일한 스택의 부분일 경우에, 라인(108B)은 하나의 전기화학적 셀 튜브(72)로부터 다음번 셀 튜브로 공기의 통과를 가능하게 하는 수단이 될 수 있다.
전자 유동(e- 표지의 화살표로 표시됨)은 연료 셀(2)에서의 전기화학적 반응에 의해 생성되고, 도 1에서 110에 표시된 전력을 제공한다. 도 3은 전해 셀(2)이 외부 파워 서플라이(42)를 필요로 한다는 것을 나타낸다. 이 파워의 적어도 일부는, 예를 들면 연료 셀(1)에 의해 생성되는 전력에 의해 수소 발생 장치(100) 내부로부터 얻어질 수 있다.
연료 셀(1)의 애노드측(1b)로부터의 배출 생성물, 즉 일부 전기분해되지 않은 수소 및 일산화탄소와 함께 전기화학적 반응에 의해 생성된 물과 이산화탄소는 라인(102C)을 통해 애노드측(1b)로부터 분할기(splitter)(112)(도 1 참조)로 이송된다.
연료 재순환 이젝터(4)는 라인(102C)을 통해, 라인(102A)을 따라 연료 셀(1)로 재순환시킬 분할기(112)에 있는 연료 셀(1)의 애노드측(1b)로부터의 배출 생성물 일부를 동반한다. 이러한 배출 생성물의 나머지는 이하에서 설명하는 바와 같이, 라인(102D)을 통해 분할기(112)로부터 연소기(6)로 이송된다.
연료 셀(1)의 캐소드측(1a)으로부터 라인(108B)을 따라 통과하는 가열된 공기는 전해 셀(2)의 애노드측(2a)으로 이송된다. 이로써 전해 셀(2)의 캐소드측(2b)에서의 전기화학적 반응을 위한 열이 제공된다. 물은 제1 유체 공급 장치(114)를 통해 전해 셀(2)의 캐소드측(2b)으로 유입된다. 제1 유체 공급 장치(114)는 응축기(18)를 구비한 분리기(116)를 포함한다. 분리기(16)는 라인(17A)을 통해 유입되는 물을 받아들여 이 물을 라인(17B)을 통해 증발기(12)로 보낸다. 증발기(12)는 이 물을 스팀으로 변환시킨다. 증발기(12)는 이하에서 설명하는 바와 같이, 전해 셀(2)로부터의 공기에 의해 가열된다.
스팀은 라인(17C)을 통해 증발기(12)로부터 과열기(11)로 이송되어 500℃ 이하의 온도에서 과열 스팀을 생성한다. 과열된 스팀은 다음으로 라인(17D)을 통해 과열기(11)로부터 생성물 유체 재순환 이젝터(5)로 이송된다. 생성물 유체 재순환 이젝터(5)를 통과한 후, 스팀 및 스팀에 의해 동반된 생성물은 라인(17E)을 통해 매니폴드(130)(도 4 참조)에 이어서 전해 셀(2)의 튜브(72B) 내부의 캐소드측(2b)으로 이송된다.
전해 셀(2b)에서의 전기분해 후, 생성된 수소와 물은 수소 및 나머지 물을 분할기(115)로 보내는 라인(17F)을 통해 배출되고, 분할기(115) 내의 수소 및 물의 일부는 라인(17I)을 통해 이젝터(5)에 의해 동반되어 전해 셀(2)의 캐소드측(2b)으로 되돌려 공급된다. 온도가 800∼850℃인 수소와 물의 잔여분은 라인(17G)을 통해 분할기(115)로부터 과열기(11)로 공급된다.
과열기(11)에서 열교환이 이루어진 후, 물과 수소의 혼합물은 라인(17H)을 통해 분리기(16)로 이송된다. 분리기에서, 물은 응축기(18)에 응축되고 수소는 라인(19)을 통해 제거된다.
응축된 물은 이어서, (15)에 나타낸 바와 같이, 탈염수와 혼합되는 혼합기(combiner)(20)로 공급된다. 그런 다음, 물은 펌프(14)에 의해 펌핑되어 라인(17A)을 통해 분리기(16)로 이송되어 응축기(18)에서 응축된 다음 라인(17B)을 통해 증발기(12)로 이송된다.
연료 셀(1)의 캐소드측(1a)로부터 전해 셀(2)의 애노드측(2a)으로 통과하는 가열된 공기는 전해 셀(2) 내 전해질(40)을 가로질러 수송되는 산소 이온으로부터 산소를 받아들인다. 이 공기는 전해 셀(2)의 애노드측(2a)로부터 라인(108E)을 통해 분할기(116)로 배출된다. 공기 중 일부는 연소를 위해 분할기(116)로부터 연소기(6)로 이송된다. 연소기(6)로부터의 연소 생성물은 유체 재순환 이젝터(7)에 의해 동반되어 라인(108A)을 통해 연료 셀(1)의 캐소드측(1a)으로 재순환된다. 전해 셀(2)의 애노드측(2a)로부터의 가열된 공기의 잔여분은 라인(108F)을 통해 분할기(116)로부터 가스 터빈 장치(8)의 터빈(8B)으로 이송되고, 여기에서 터빈(8B)을 통해 팽창되어 압축기(8A)를 구동시킨다. 터빈(8B)을 빠져나가는 공기는 유입되는 물을 가열하도록 증발기(12)를 통과한다. 그런 다음 공기는 라인(20)을 통해 배출된다.
설명한 바와 같이, 본 발명은 서로 직렬로 배열된 연료 셀과 전해 셀을 활용하여 물로부터 수소를 발생하기 위한 효율적인 장치를 제공한다. 상기 실시예는, 연료 셀이 전기를 발생시킬 수 있을 뿐 아니라 전해셀에서의 전기화학적 반응을 구동시키는 데 필요한 열을 발생할 수 있다는 이점을 가진다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형이 이루어질 수 있다. 예를 들면, 재순환 장치는 필요하지 않을 수 있다. 또한, 전기분해 장치는 일산화탄소 발생기일 수 있고, 그 경우 이산화탄소가 일산화탄소로 전기분해 되도록 전해 셀(2)의 캐소드측(2b)에 공급될 수 있다. 상기 전기분해 장치(10)가 일산화탄소 발생기로서 사용되는 경우에, 전해 셀(2)의 캐소드측(2b)으로부터의 배출 생성물은 일산화탄소 및 미반응 이산화탄소일 것이다. 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 일산화탄소로부터 이산화탄소를 분리하기 위한 적절한 분리 수단이 필요할 것이다.
바람직한 실시예의 이점은 다음과 같다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 생성된 수소는 물로부터 나오므로 오염물이 없는 반면, 천연가스의 개질과 같은 종래의 수단에 의해 생성된 수소는 황 화합물 및 일산화탄소를 제거하기 위해 정제 공정이 필요할 것이다. 이점은, 더 많은 수의 자동차가 연료로서 수소를 사용하도록 제조됨에 따라 수소 생산이 요구될 것이므로 중요하다.
더욱이, 반응을 구동하기 위한 온도 요건이 과도하지 않으며, 열교환기 또는 다른 구성 요소에 대한 설계 요건이 까다롭지 않다. 또한, 상기 바람직한 실시예는 앞에서 설명한 바와 같이, 화학 플랜트의 간단한 설계를 필요로 한다.
몇몇 경우에, 연료 셀(1) 및/또는 가스 터빈 장치(8)에 의해 생성되는 전력은 전해 셀(2)에 의해 소비될 수 있다. 이와는 달리, 연료 셀(1)로부터 출력되는 전력은 AC로 변환된 후, 전기 그리드(electricity grid)로 공급될 수 있다. 그 경우 전해 셀(1)은 DC로 적절히 변환되어 전기 그리드로부터의 전기에 의해 동력 공급이 이루어질 수 있다.
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 (33)

  1. 제1 유체를 전기분해하여 생성물 유체를 발생시키기 위한 전해 셀(2); 연료를 산화시키고 제2 유체를 가열하기 위한 연료 셀(1); 및 상기 전해 셀(1) 내의 상기 제1 유체의 전기분해를 구동시키는 열을 제공하기 위해 상기 가열된 제2 유체를 상기 연료 셀(1)로부터 상기 전해 셀(2)로 전달하는 수단(108B)을 포함하는 전기분해 장치(100).
  2. 물을 포함하는 제1 유체를 전기분해하여 수소를 포함하는 생성물 유체를 발생시키기 위한 전해 셀(2); 연료를 산화시키고 제2 유체를 가열하기 위한 연료 셀(1); 및 상기 전해 셀(2) 내의 상기 제1 유체의 전기분해를 구동시키는 열을 제공하기 위해 상기 가열된 제2 유체를 상기 연료 셀(1)로부터 상기 전해 셀(2)로 전달하기 위한 유체 전달 장치(108B)를 포함하는 전기분해 장치(100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료 셀(1)은 고체 산화물 연료 셀을 포함하고, 상기 전해 셀(2)은 고체 산화물 전해 셀을 포함하는, 전기분해 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 셀(1)이 상기 연료를 산화시켜 연료 생성물을 제공하기 위한 애노 드(1b, 32)를 포함하는, 전기분해 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연료 생성물 중 적어도 일부를 상기 연료 셀(1)로 재순환시키기 위한 연료 재순환 장치(102C, 112, 4, 102A)를 포함하는, 전기분해 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연료 재순환 장치(102C, 112, 4, 102A)가 상기 연료 셀(4)로부터 연료 생성물을 재순환시키기 위한 연료 재순환 기구(device)(4)를 포함하는, 전기분해 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 셀(1)에 의해 생성된 전력 중 적어도 일부는 상기 전해 셀(2)용 동력을 제공하기 위해 상기 전해 셀(2)로 전달될 수 있는, 전기분해 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    전구체 연료(precursor fuel)를 상기 연료로 변환하기 위한 연료 변환기(3)를 포함하는, 전기분해 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변환을 이루기 위해 상기 전구체 연료를 가열하는 가열 수단을 포함하고, 상기 가열 수단은 가열 유체를 상기 연료 변환기(3)로 전달하기 위한 가열 유체 공급 어셈블리를 포함하는, 전기분해 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가열 수단은 제1 측면(3a) 및 제2 측면(3b)을 구비한 열교환기를 포함하고, 상기 가열 유체는 상기 제1 측면(3a)을 통과하고, 상기 전구체 연료는 상기 제2 측면(3b)을 통과하는, 전기분해 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 셀(1)은 캐소드(1b, 30)를 포함하고, 그에 따라 상기 제2 유체의 하나 이상의 성분이 상기 캐소드(1a, 30)에 의해 가수분해되고, 상기 연료 셀(1)은 상기 제2 유체를 상기 연료 셀(1)로 공급하기 위한 제2 유체 공급 수단을 포함하는, 전기분해 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해 셀(1)이 상기 제1 유체를 전기분해하기 위한 캐소드(2b, 38)를 포함하는, 전기분해 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    연소 생성물을 제공하기 위한 연소기(6)를 포함하고, 상기 연소기(6)는 상기 연료 셀(1)로부터의 상기 연료 생성물 중 적어도 일부를 연소시키도록 배열되어 있는, 전기분해 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 장치는 제2 유체 재순환 장치(108E, 116, 6, 7, 108A)를 포함하고, 상기 연소기(6)는 상기 제2 유체 재순환 장치 내에 설치되어 있는, 전기분해 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 유체를 상기 연료 셀(1)에 공급하기 위한 제2 유체 공급 장치(106, 108, 8A, 7, 108A)를 포함하는, 전기분해 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 유체 공급 장치(106, 108, 8A, 7, 108A)는, 상기 제2 유체를 압축하기 위한 압축기(8A)를 포함하는, 전기분해 장치.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 제2 유체 공급 장치(106, 108, 8A, 7, 108A)는 상기 연소기(6)로부터의 연소 생성물을 재순환시키기 위한 유체 재순환 기구(7)를 포함하는, 전기분해 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제2 유체 공급 장치(106, 108, 8A, 7, 108A)는 유체가 상기 연료 셀(1)로부터 상기 전해 셀(2)로 흐르도록 연속된 경로(uninterrupted path)를 제공하는, 전기분해 장치.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 셀(1) 및 상기 전해 셀(2)은 상기 제2 유체의 유동에 관하여 서로 직렬로 연결되어 있는, 전기분해 장치.
  20. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 유체 공급 장치(106, 108, 8A, 7, 108A)는 상기 연료 셀(1)의 캐소드측(1a, 30)으로 상기 제2 유체를 공급하도록 배열되어 있고, 상기 전기분해 장치(100)는 상기 전해 셀(2)로부터 상기 제2 유체를 배출하기 위한 제2 유체 배출 장치를 포함하는, 전기분해 장치.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    터빈(8B) 및 압축기(8A)를 구비한 가스 터빈 장치(8)를 포함하고, 상기 터빈(8B)은 상기 압축기(8A)에 연결되어 있어서 상기 압축기(8A)를 구동시킬 수 있는, 전기분해 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 가스 터빈 장치(8)는 상기 배출된 제2 유체 중 적어도 일부를 상기 터빈(8B)으로 공급하기 위한 터빈 공급 수단(108E, 116, 108F)을 포함하는, 전기분해 장치.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배출된 제2 유체로부터 열을 회수하기 위한 증발기(12)를 포함하고, 상기 제2 유체는 상기 터빈(8B)으로부터 상기 증발기(12)로 이송되는, 전기분해 장치.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    생성물 재순환 장치(17F, 115, 17I, 5, 17E)가 상기 전해 셀(2)로부터 상기 생성물 유체 중 적어도 일부를 재순환시키기 위한 재순환 기구(5)를 포함하고, 상기 생성물 유체 재순환 기구(5)는 상기 제1 유체 공급 장치(114) 내에 설치되어 있는, 전기분해 장치.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해 셀(1)로 공급할 상기 제1 유체를 가열하기 위한 제1 유체 히터(11)를 추가로 포함하고, 상기 제1 유체 히터(11)는 상기 생성물 유체로부터 상 기 제1 유체로 열을 전달하기 위한 열교환기를 포함하는, 전기분해 장치.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 제1 유체 히터(11)는 상기 제1 유체의 비등점보다 높은 온도로 상기 제1 유체를 가열하는, 전기분해 장치.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 생성물 유체로부터의 물을 응축시키기 위한 분리 장치(16)를 포함하는, 전기분해 장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 분리 장치(16)가 상기 응축된 물을 상기 제1 유체로 재순환시키도록 구성된, 전기분해 장치.
  29. 제27항 또는 제28항에 있어서,
    상기 분리 장치(16)가 상기 제1 유체를 증발기(12)로 공급하고 상기 증발기(12)로부터의 상기 제1 유체를 상기 제1 유체 히터(11)로 공급하기 위한 제1 유체 공급 어셈블리를 포함하는, 전기분해 장치.
  30. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료 셀(1)은 고체 산화물 연료 셀을 포함하고, 상기 전해 셀(2)은 고체 전해 셀을 포함하고, 상기 연료 셀(1)은 애노드(1b, 32) 및 캐소드(1a, 30)를 포함하고, 상기 전해 셀(2)은 애노드(2a, 36) 및 캐소드(2b, 38)를 포함하고, 상기 연료 셀(1)의 상기 캐소드(1a, 30)로 상기 제2 유체를 공급하는 수단을 포함하고, 상기 유체 전달 장치는 상기 연료 셀(1)의 상기 캐소드(1a, 30)로부터 상기 전해 셀(2)의 상기 애노드(2a, 36)로 상기 가열된 제2 유체를 전달하고, 상기 연료 셀(1)의 상기 애노드(1b, 32)로 연료를 공급하는 수단을 포함하며, 상기 전해 셀(2)의 상기 캐소드(2b, 38)로 상기 제1 유체를 공급하는 수단을 포함하는, 전기분해 장치.
  31. 제30항에 있어서,
    연료 재순환 장치(102C, 112, 4, 102A)가 상기 연료 생성물 중 적어도 일부를 상기 연료 셀(1)의 상기 애노드(1b, 32)로부터 상기 연료 셀(1)의 상기 애노드(1b, 32)로 재순환시키는, 전기분해 장치.
  32. 제30항 또는 제31항에 있어서,
    제2 유체 재순환 장치(108E, 116, 6, 7, 108A)가 상기 제2 유체 중 적어도 일부를 상기 전해 셀(2)의 상기 애노드(2a, 36)로부터 상기 연료 셀(1)의 상기 캐소드(1a, 30)로 재순환시키는, 전기분해 장치.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 전해 셀(2)로부터 상기 연료 셀(1)로 흐르는 상기 제2 유체에서, 상기 연료 셀(1)의 상기 애노드(1b, 32)로부터의 상기 연료 생성물 중 적어도 일부를 연소시키기 위해 상기 제2 유체 재순환 장치 내에 연소기(6)가 설치되어 있는, 전기분해 장치.
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