KR20170131199A

KR20170131199A - 전해 시스템

Info

Publication number: KR20170131199A
Application number: KR1020167032831A
Authority: KR
Inventors: 이반 이즈고로딘; 알렉시 이즈고로딘
Original assignee: 에이취투에스쥐 에너지 피티이 엘티디
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2017-11-29
Also published as: MY199464A; WO2016148637A1; CA2979659A1; CA2979659C; JP6371413B2; JP2018511694A; SG11201609603YA; US20170152605A1; EP3137654A1; CN106661741A; AU2015387266B2; KR101840717B1; CN106661741B; AU2015387266A1; EP3137654A4

Abstract

본 발명은 물로부터 수소 및 산소를 생성하는 전해 셀 시스템(100)으로서: 양극(107) 및 음극(109)을 포함하는 적어도 한 쌍의 가스 투과성 전극(107, 109), 및 각 쌍의 양극(107) 및 음극(109) 사이에 배치된 이온 전도성 전해질(108)을 구비하는 막 전극 접합체(102)를 포함하는 적어도 하나의 전해 셀(101); 각 전극(107, 109)의 비-전해질 쪽에 있고 양극 가스 공간(104) 및 음극 가스 공간(106)을 포함하며, 적어도 하나의 전극 가스 공간(104)은 입구(130) 및 출구(132)를 포함하는 전극 가스 공간(104, 106); 생성된 산소 생성물 가스의 적어도 일부를 적어도 하나의 전극 가스 공간(104)의 출구(132)로부터 각 전극 가스 공간(104)의 입구(130)로 그리고 각 전극 가스 공간(104)을 통해 재순환시키는 재순환 루프(143); 재순환 루프(143)와 유체 흐름이 가능하도록 연결되며, 재순환 루프(143)의 각 생성물 가스에 의해 제공된 증발열을 이용하여 급수원(144)으로부터의 물을 증발시키고 수증기를 재순환 루프(143)에 공급하는 급수기(142); 및 재순환 루프에 입구 및 출구를 통해 유체 흐름이 가능하도록 연결된 전극 가스 공간(104)에 위치한 양극 가스 공간(104)의 가스 및 막 전극 접합체(102) 사이에 열을 전달하며, 막 전극 접합체(102)와 접촉하고 막 전극 접합체(102) 및 각 전극 가스 공간(104) 사이에 가스 순환이 이루어지도록 하는 열 전달 장치(105)를 포함하는 전해 셀 시스템(100)을 제공한다.

Description

전해 시스템{ELECTROLYSIS SYSTEM}

본 발명은 일반적으로 수소 및 산소와 같은 청정 가스를 생성하는 전해 방법 및 상기 전해 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 물을 전해하는 저온 가스 전해 셀(electrolysis cell) 시스템에 특히 적용 가능하고 이하에서 예시적인 용도와 관련하여 본 발명을 개시하는 것이 편리할 것이다. 그러나 본 발명은 상기 용도에 한정되지 않고 다른 전해 용도에 사용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 배경기술에 대한 다음의 논의는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위함이다. 그러나 이 논의는 언급된 어떠한 재료도 본원의 우선일에 공개, 공지 또는 상식의 일부이었음을 인정 또는 시인하는 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다.

저온 가스 전해 셀 시스템은 작동 조건에서 물 전해의 발열 반응의 결과로서 막 전극 접합체(membrane electrode assembly)에서(특히 양극 쪽에서) 발생한 상당한 양의 열을 갖는다. 따라서 막 전극 접합체 및 전체 전해 셀의 낮은 작동 온도를 유지하기 위해 냉각 시스템이 사용되어야 한다.

열 교환 시스템을 이용하는 하나의 물 전해 장치가 미국 특허 제3,917,520호(Katz 등) 및 제3,905,884호(Edmund 등)에 교시되고, 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이 장치는 음극(cathode)(14) 및 양극(anode)(16) 사이에 샌드위치되고 수성 전해질로 충전된 다공성 매트릭스(matrix)(18)를 구비하는 전해 셀을 포함한다. 셀로부터의 열 제거는 양극(16)에 인접한 다공성 보강판(backup plate)(20)(또한 전해질 저장 매트릭스를 포함) 및 열 교환 부재(22)에 의한다. 또한, 셀은 음극 및 양극 각각의 비-전해질 쪽(nonelectrolyte side)에 가스 공간(gas space)(24, 26)을 포함한다.

작동 중에 전위가 전원(30)에 의해 인가되어 물의 전해를 일으켜서 셀의 양극 쪽에서 산소를 가스 공간(26)으로 유리시키고 셀의 음극 쪽에서 수소를 가스 공간(24)으로 그리고 출구(32)를 통해 유리시킨다. 가스는 각 도관(conduit)(34 및 36)을 이용하여 제거된다. 압력 조절 수단이 가스 공간(24 및 26)에서 실질적으로 동등한 압력을 유지하는데 사용된다. 수소 가스의 일부는 펌프(39)에 의해 셀을 통해 재순환되고 입구(38)에서 셀의 가스 공간(24)으로 다시 들어간다.

열은 냉각제 입구(42) 및 냉각제 출구(44)를 이용하여 열 교환 부재(22)를 통과하는 루프(loop)(41)를 통해 냉각제 유체를 재순환시키는 펌프(46)에 의해 셀로부터 제거된다. 루프(41)는 우회 제어 밸브(50)를 구비한 우회 루프(48), 열 요소(52) 및 라디에이터(54)를 또한 포함한다. 냉각제는 재순환하는 수소 가스에 대해 항류 흐름 방향으로 셀을 통해 순환한다.

저장부(56)로부터의 물은 셀에 의해 사용된 물 및 도관(34, 36)을 통해 가스와 함께 빠져나가는 물을 대체하기에 충분한 양으로 계량 장치(58)를 이용하여 재순환하는 수소 흐름에 공급된다. 물은 증발기(60)를 이용하여 열 교환 부재(22)를 떠나는 뜨거운 액체 냉각제에 의해 제공된 증발열(heat of evaporation)로 증발된다.

따라서 미국 특허 제3,905,884호 및 제3,917,520호의 물 전해 셀 시스템 장치는 전해 셀에 부착되는 별도의 열 교환 부재를 포함한다. 이 부재는 가스 크로스오버(crossover)를 피하기 위해 양극 챔버(chamber)와 분리되어야 한다. 결과적으로, 이 시스템은 다음의 단점들을 갖는다.

(A) 별도의 열 교환 부재가 셀에 부착될 필요가 있어서 전체 시스템에 추가적인 복잡성을 발생시키고 연결 재료를 통한 열 손실을 발생시킨다.

(B) 순환을 제공하고 다양한 작동 조건에서 액체 냉각제의 온도를 유지하는 열 센서 및 제어 설비를 포함하는 셀 열 관리 시스템은 고 비용이고 복잡하다.

(C) 가스 재순환 루프 내의 물 응축으로 인해 신뢰성이 낮다. 셀로부터의 열은 액체 냉각제 루프를 이용하여 제거되고 우회 루프를 통해 방출되거나 증발기에서 물을 증발시키는데 사용된다. 시스템은 셀에 들어가는 액체 냉각제의 일정 온도를 유지한다. 재순환된 수소 가스는 수증기 형태의 물을 증발기로부터 셀로 운반하는데 사용된다. 그러나 기술된 시스템은 가스 재순환 루프에서 실질적으로 일정한 온도를 유지시키는 수단을 갖지 못한다. 상당한 양의 물을 수증기 형태로 전달하기 위해 공정은 상승된 온도에서 수행되어야 함을 이해하여야 한다. 가스 재순환 루프 내의 온도 변화 때문에, 물의 일부는 가스 재순환 루프 내에서 국부적으로 응축될 수 있다. 물 공급은 셀을 떠나는 물의 양에 의해 제한된다. 따라서, 이러한 온도 변화는 결국에는 전극 드라잉 아웃(drying out) 및 이후의 장치 고장을 유발할 수 있다.

따라서 수소 및 산소와 같은 청정 가스를 생성하는 전해 방법을 수행하기 위한 대안적인 및/또는 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 이러한 시스템은 바람직하게는 장치를 작동하는데 필요한 셀 열 관리 및 제어 설비의 비용 및 복잡성을 감소시킬 것이다.

본 발명은 물로부터 수소 및 산소를 생성하기 위한 새로운 전해 시스템, 바람직하게는 저온 가스 전해 셀 시스템을 제공한다.

본 발명의 제1실시형태는 물로부터 수소 및 산소 생성물 가스(product gas)를 생성하는 전해 셀 시스템으로서:

양극 및 음극을 포함하는 적어도 한 쌍의 가스 투과성 전극, 및 각 쌍의 양극 및 음극 사이에 배치된 이온 전도성 전해질을 구비하는 막 전극 접합체를 포함하는 적어도 하나의 전해 셀;

각 전극의 비-전해질 쪽에 있는 전극 가스 공간으로서, 이중 적어도 하나는 입구 및 출구를 포함하는 전극 가스 공간;

생성된 산소 또는 수소 생성물 가스 중 적어도 하나의 적어도 일부를 각 전극 가스 공간의 출구로부터 각 전극 가스 공간의 입구로 재순환시키는 재순환 루프;

재순환 루프와 유체 흐름이 가능하도록 연결되며(in fluid communication with), 생성물 가스에 의해 제공된 증발열을 이용하여 급수원(water supply)으로부터의 물을 증발시키고 수증기를 재순환 루프에 도입시키는 급수기(water supply vessel); 및

재순환 루프에 입구 및 출구를 통해 유체 흐름이 가능하도록 연결된(fluidly connected) 전극 가스 공간에 위치한 가스 공간의 가스 및 막 전극 접합체 사이에 열을 전달하며, 막 전극 접합체와 접촉하고 막 전극 접합체 및 각 전극 가스 공간 사이에 가스 순환이 이루어지도록 하는 열 전달 장치(heat transfer arrangement)를 포함하는 전해 셀 시스템을 제공한다.

(예를 들어 상술한) 종래기술의 전해 셀 구성과 달리, 본 발명은 음극 또는 양극의 전극 가스 공간에서 열 전달 장치를 포함하는데, 상기 장치는 막 전극 접합체와 접촉, 바람직하게는 물질적으로 접촉함으로써 각 수소 또는 산소 생성물 가스 및 막 전극 접합체 사이에 효율적인 가스 순환이 이루어지도록 한다. 각 생성물 가스는 열 전달 장치를 거쳐 전극 가스 공간을 통해 순환하여 상기 전극 가스 공간으로부터 열을 제거한다.

전해를 유지하는데 필요한 물은 재순환하는 생성물 가스와 함께 증기 형태로 공급된다. 수증기는 유체 흐름이 가능하도록 연결된 전극 가스 공간을 통해 막 전극 접합체에 공급된다. 유리하게도, 재순환 루프는 물 전해 중에 발생한 열이 막 전극 접합체에서의 전해에 필요한 (급수원으로부터의) 물을 증발시키는데 사용되도록 할 수 있다. 물 전해 중에 발생한 열의 나머지는 전해 셀 시스템의 온도를 유지 및 필요할 경우 증가시키는데 이용되는 것으로 이해되어야 한다.

작동 온도가 증가할수록 전해 셀의 효율이 증가함을 이해하여야 한다. 따라서, 시스템의 온도가 증가함에 따라, 일정한 속도의 수소 생성(즉, 일정한 전류 공급)에서, 전해 셀은 열을 덜 발생시킬 것이다. 그 결과, 평형에 도달할 것이고, 여기서 전해 중에 발생한 열은 시스템 내의 상승된 온도를 유지하고 전해 셀의 전해에 필요한 물을 증발시키는 에너지를 제공하는데 사용될 것이다.

열 전달 장치는 막 전극 접합체로부터 열 전달 장치를 수용하는 전극 가스 공간 내의 가스로 열을 전달할 수 있는 적절한 몸체, 시스템 또는 장치를 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 열 전달 장치는 각 양극 또는 음극과 직접 물리적으로 접촉하는 히트 싱크(heat sink)를 포함한다. 더욱 바람직하게는, 히트 싱크는 각 양극 또는 음극 중 적어도 하나의 부분에 인접하여 접촉 또는 물리적으로 연결된다. 적절한 열 전달 장치는 바람직하게는 각 전극 가스 공간 및 막 전극 접합체 사이의 가스 흐름을 위한 천공(aperture) 또는 개구(opening), 바람직하게는 다수의 천공/개구를 포함한다. 따라서 열 전달 장치는 바람직하게는 막 전극 접합체의 종축에 평행한 방향으로 가스 투과성이다. 적절한 열 전달 장치는 메쉬(mesh), 바람직하게는 파형 메쉬 부재(corrugated mesh section) 또는 천공 시트(perforated sheet)를 포함한다. 이 형태의 열 전달 장치는 통상적으로 시트 또는 판(plate) 형태를 갖는다. 열 전달 장치는 또한 특정 실시형태에서 전기 전도성일 수 있다. 따라서 열 전달 장치는 바람직하게는 전도성 금속, 예를 들어 니켈 또는 스테인리스강으로 형성된다. 특히 특정 부식성 전해질에 대해서는 내식성이 또한 바람직하다. 따라서, 특정 실시형태에서 열 전달 장치는 바람직하게는 내식성 금속, 바람직하게는 내식성 스레인리스 강으로 형성된다. 이 내식성은 합금 조성, 내식성 코팅 등에 의해 형성될 수 있다.

막 전극 접합체는 다수의 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서 각 전해 셀은 전해질의 각 측면에 밀착된 한 쌍의 가스 다공성 전극을 포함한다. 전해질은 바람직하게는 동일한 온도 및 압력에서 순수한 물과 비교하여 그 표면 위에서 낮은 포화 수압을 갖는 적절한 전해 조성물을 포함한다. 특정 실시형태에서, 전해질은 고체 이온교환막 또는 다양한 다공성 매트릭스에 내장된(embedded) 액체 전해질을 포함할 수 있다. 양극 및 음극용 전극은 바람직하게는 전해질의 형태에 따라 산성 또는 알칼리성 매질에서 물 산화 및 환원의 촉매 작용을 하는데 잘 알려진 재료로 구성된다. 다수의 적절한 재료가 이 분야에서 잘 알려져있다.

원하는 전해 셀 구성에 따라, 양극의 전극 가스 공간 또는 음극의 전극 가스 공간은 열 전달 장치를 포함하고 재순환 루프에 유체 흐름이 가능하도록 연결될 수 있다. 따라서 특정 실시형태에서, 재순환 루프에 유체 흐름이 가능하도록 연결된 입구 및 출구를 포함하는 전극 가스 공간은 양극의 전극 가스 공간이고, 생성물 가스는 산소를 포함한다. 이러한 실시형태에서, 산소 생성물 가스는 재순환 루프를 통해 순환하고 가습기(humidifier)로 공급된 물의 증발을 위한 증발열을 제공한다. 다른 실시형태에서, 재순환 루프에 유체 흐름이 가능하도록 연결된 입구 및 출구를 포함하는 전극 가스 공간은 음극의 전극 가스 공간이고, 생성물 가스는 수소를 포함한다. 이러한 실시형태에서, 수소 생성물 가스는 재순환 루프를 통해 순환하고 가습기로 공급된 물의 증발을 위한 증발열을 제공한다.

급수기는 열/에너지가 기상(gaseous phase)(재순환 가스 흐름)으로부터 액상(liquid phase)(급수(supply water))으로 전달되어 물을 증발시킬 수 있는 어떠한 구성도 포함한다. 다양한 열 전달 장치가 가능하다. 바람직한 실시형태에서, 급수기는 가습기를 포함한다. 가습기는 가습기로 공급되고 가습기를 통해 흐르는 재순환 루프의 생성물 산소 또는 수소 가스 및 물을 직접 혼합한다. 따라서 재순환 산소 또는 수소 생성물 가스는 가습기를 통과하여 그 내부에 수증기를 혼입(entrain)할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 물 증발을 위한 증발열은 재순환 루프의 생성물 가스에 의해 제공된다.

가습기, 더욱 구체적으로는 가습기의 출구는 바람직하게는 유체 흐름이 가능하도록 연결된 전극 가스 공간의 입구에 가깝게 위치한다. 가습기 및 유체 흐름이 가능하도록 연결된 전극 가스 공간의 입구 사이의 가까운 근접성(proximity)은 가습기 및 전극 가스 공간 사이의 열 손실 및 이들 사이의 유체 연결에서의 응축 가능성을 최소화한다.

시스템은 바람직하게는 저온 전해 시스템이고, 따라서 바람직하게는 0 내지 300℃, 바람직하게는 100 내지 200℃, 더욱 바람직하게는 120 내지 160℃의 온도에서 작동한다.

시스템에 사용된 물은 전해에서 수소 및 산소를 생성한다. 물은 바람직하게는 전해에 의해 시스템에 사용된 물을 보충하는데 필요한 속도로 급수기에 공급된다. 이 실시형태에서, 제어 시스템이 급수기에 공급되는 물의 양을 제어하는데 사용될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 전해 중에 사용되어 (예를 들어 전류계 또는 다른 적절한 센서에 의해) 감지된 양 더하기(plus) 각 전극 가스 공간의 출구를 통해 가스 및 재순환 생성물 가스와 함께 셀로부터 소실된 물의 양과 동등한 물의 양 및 적절한/동등한 양이 급수기에 공급된다.

본 발명의 실시형태에서, 전극 가스 공간은 각 전해 셀의 막 전극 접합체의 종축에 수직으로 배향되는 가스 흐름 축을 따라 위치한 입구 및 출구 개구를 갖는 전극 챔버에 수용된다. 입구 및 출구 개구는 바람직하게는 전극 가스 공간 및 각 전극 챔버를 통한 충분한 가스 흐름을 유지하는 크기를 갖는다. 특정 실시형태에서, 막 전극 접합체의 종축에 수직인 막 전극 접합체의 전체 활성 평면 영역 및 전극 챔버의 각 입구와 출구 개구의 평면 영역 사이의 비율은 1 내지 5이다.

전극 챔버의 입구 및 출구 개구의 크기는 가스가 전극 가스 공간을 통해 0.1 내지 20 m/s, 바람직하게는 1 내지 20 m/s, 더욱 바람직하게는 5 내지 20 m/s의 바람직한 속도로 흐르고 순환하는 것을 용이하게 한다. 낮은 순환 속도는 시스템에서 가스의 높은 작동 온도 및 압력에서 사용될 수 있으며, 저 용량의 순환 가스는 효과적인 열 전달을 제공하고 전해용 원료로서 충분한 양의 물을 공급하는데 필요하다. 높은 속도는 낮은 온도 및 가스 압력에서 원하는 시스템 효율을 유지하는데 필요하다.

특정 실시형태에서, 시스템은 함께 적층된(stacked) 적어도 2개의 전해 셀을 포함한다. 특정 실시형태에서, 시스템은 함께 적층된 다수의 전해 셀을 포함한다. 이러한 시스템은 셀 스택(cell stack)을 포함하는데, 적층된 전해 셀들은 공급된 물로부터 원하는 생성물 가스를 생성하는 기능을 동시에 한다.

본 발명의 제2실시형태는 양극 및 음극을 포함하는 적어도 한 쌍의 가스 투과성 전극, 및 각 쌍의 양극 및 음극 사이에 배치된 이온 전도성 전해질을 구비하는 막 전극 접합체를 포함하고, 하나 또는 각 가스 투과성 전극은 비-전해질 쪽에 전극 가스 공간을 포함하며, 양극 및 음극의 전극 가스 공간 중 적어도 하나는 입구 및 출구를 포함하는 적어도 하나의 전해 셀을 이용하여 물로부터 수소 및 산소를 생성하는 방법으로서:

막 전극 접합체에 전류 및 수증기를 공급하여 음극으로부터 수소 가스 그리고 양극으로부터 산소 가스를 생성하는 단계;

생성된 산소 가스 또는 수소 가스 중 적어도 하나의 일부를 각 전극 가스 공간의 출구로부터 재순환 루프를 통해 상기 각 가스 공간의 입구로 그리고 상기 각 가스 공간을 통해 재순환시키는 단계;

필요한 증발열을 제공하도록 상기 재순환 루프에서 각 산소 또는 수소 생성물 가스의 적어도 일부에 의해 제공된 에너지를 이용하여 급수원으로부터 재순환 루프로 공급된 물을 증발시키는 단계; 및

상기 각 전극 가스 공간에 위치하고 막 전극 접합체와 접촉하며 막 전극 접합체 및 상기 각 전극 가스 공간 사이에 가스 순환이 이루어지도록 하는 열 전달 장치를 이용하여 막 전극 접합체 및 상기 각 전극 가스 공간의 생성물 가스 사이에 열을 전달하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.

상술한 바와 같이, 원하는 구성에 따라, 양극의 전극 가스 공간 또는 음극의 전극 가스 공간은 열 전달 장치를 포함하고 재순환 루프에 유체 흐름이 가능하도록 연결될 수 있다. 따라서 특정 실시형태에서, 상기 각 가스 공간은 양극의 전극 가스 공간이고 생성물 가스는 산소를 포함한다. 다른 실시형태에서, 상기 각 가스 공간은 음극의 전극 가스 공간이고 생성물 가스는 수소를 포함한다.

유사하게, 상술한 바와 같이, 물을 증발시키는 단계는 바람직하게는 가습기에서 수행된다. 이 단계에서, 바람직하게는 물이 재순환하는 일부의 생성된 산소 가스에 혼합됨으로써 생성된 산소 생성물 가스로부터 물 증발용 상기 혼합물의 물에 열을 전달한다.

본 발명의 제2실시형태에 따른 방법은 본 발명의 제1실시형태에 따른 시스템을 이용하여 수행될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 제1실시형태와 관련하여 기술된 특징들은 본 발명의 제2실시형태에도 동일하게 적용된다.

이하, 본 발명은 본 발명의 특히 바람직한 실시형태를 도시하는 첨부 도면을 참조하여 기술될 것이다.
도 1은 종래기술에 해당하고 명세서의 도입부에서 기술된 전해 셀 시스템의 도면이다.
도 2는 본 발명에 해당하는 전해 셀 시스템의 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전해 셀의 산소 챔버의 일반적인 설계도를 제공한다.
도 4는 (도 3에 도시된) 산소 챔버 없이 본 발명의 일 실시형태에 따른 전해 셀의 일부의 사시도이다.
도 5는 도 3 및 4에 도시된 실시형태에 따른 조립된 전해 셀의 사시도를 나타낸다.
도 6은 도 5에 도시된 전해 셀이 다수 개로 셀 스택을 형성하는 사시도를 제공한다.

본 발명은 급수원으로부터 수소 및 산소 생성물 가스를 생성하는 전해 셀을 제공한다. 본 발명의 전해 셀은 일반적으로 양극, 음극 및 이들 사이의 전해질을 구비하는 막 전극 접합체를 포함한다.

본 발명에 의해 제공된 하나의 개발은 막 전극 접합체 및 이 막 전극 접합체에 의해 생성된 산소 가스 또는 수소 생성물 가스 사이의 효율적인 열 전달을 용이하게 하는 열 전달 장치의 사용이다. 본 발명의 열 전달 장치는 전해 셀의 원하는 구성에 따라 양극 또는 음극의 비-전해질 쪽에 있는 전극 가스 챔버에 수용된다. 열 전달 장치는 각 양극 또는 음극에 물리적으로 연결된다. 생성물 산소 또는 수소 생성물 가스는 열 전달 장치를 거쳐 전극 가스 챔버를 통해 순환함으로써 챔버 및 전해용 급수로부터 열을 제거한다. 가열된 생성물 가스의 일부는 전극 가스 챔버의 출구 및 입구 사이에 연결된 재순환 루프를 통해 재순환한다. 재순환 루프는 급수가 전해를 유지하는데 충분한 양으로 공급되는 가습기를 포함한다. 가습기는 재순환 루프의 생성물 가스의 열을 이용함으로써 공급된 물을 증발시키는데 필요한 에너지(증발열)를 공급한다. 따라서 전해에 필요한 물은 재순환 루프로부터 재순환 생성물 가스와 함께 증기 형태로 막 전극 접합체에 공급된다.

도 2 내지 6은 본 발명에 따른 전해 셀 시스템 또는 전해조(100)의 일 형태를 나타낸다.

먼저, 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 하나의 전해 셀 시스템(100)의 공정도를 나타낸다. 도시된 전해 셀 시스템(100)은 적어도 하나의 전해 셀(101)을 포함한다. 각 전해 셀(101)은 이온 전도성 전해질(108)의 양 측면에 배치되는 양극(107) 및 음극(109)을 포함하는 가스 투과성 전극을 갖는 막 전극 접합체(102)를 포함한다. 막 전극 접합체(102)는 이 분야에서 잘 알려진 수단으로 구성된다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에서, 전해 셀(101)은 전해질(108)의 각 측면에 밀착된 한 쌍의 가스 다공성 전극을 포함한다.

전해질(108)은 바람직하게는 고체 이온교환막(상업적으로 구할 수 있는 양성자 교환 막, 예를 들어 NAFION® 또는 음이온 교환 막, 예를 들어 Tokuyama America(미국, IL 60005, 알링턴 하이츠)에서 구할 수 있는 Tokuyama's A201) 또는 다양한 다공성 매트릭스에 내장된 액체 전해질(예를 들어 미국 특허 5,843,297 및 4,895,634에 기술된 것. 상기 특허들의 내용은 참고문헌으로 본 명세서에 도입되는 것으로 이해되어야 함)이다. 전해질(108)에 대한 주요 요건은 동일한 온도 및 압력에서 순수한 물과 비교하여 그 표면 위에서 낮은 포화 수압을 갖는 것이다.

양극(107) 및 음극(109)용 전극은 바람직하게는 전해질의 형태에 따라 산성 또는 알칼리성 매질에서 물 산화 및 환원의 촉매 작용을 하는데 잘 알려진 재료로 구성된다. 예를 들어, 양극(107) 및 음극(109)용 전극은 이온 교환 막의 표면에 분산된 나노입자를 형성하거나(예를 들어 Energy Environ. Sci., 2011, 4, 2993에 기술된 것. 상기 논문의 내용은 참고문헌으로 본 명세서에 도입되는 것으로 이해되어야 함), 천공된 시트 또는 메쉬로 제조될 수 있다(예를 들어 Int. Journal of Hydrogen Energy 37 (2012) 10992-11000에 기술된 것. 상기 논문의 내용은 참고문헌으로 본 명세서에 도입되는 것으로 이해되어야 함).

전해 셀(101)은 음극(109) 및 양극(107)의 비-전해질 쪽에 있는 가스 공간(104, 106)을 이용한다. 전해에 의해 생성된 산소 가스는 양극 가스 공간(104)에 수집된다. 전해에 의해 생성된 수소는 음극 가스 공간(106)에 수집된다. 생성된 산소 및 수소 가스는 출구(132 및 132A)를 통해 각 가스 공간(104, 106)을 빠져나간다. 이하에서 설명되듯이, 양극 가스 공간(104)은 전해용 전해 셀(101)에 물을 공급하는데 사용되는 수증기도 포함한다. 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 셀 가스 공간(104, 106)은 음극 챔버(128) 및 양극 챔버(129)에 의해 셀에서 형성된다. 양극 챔버(129)는 입구(130) 및 출구(132)를 갖는다.

음극 챔버(128)는 예를 들어 Energy Environ. Sci., 2011, 4, 2993(이 논문의 내용은 참고문헌으로 본 명세서에 도입되는 것으로 이해되어야 함)에 기술된 바와 같이 전류가 음극(109)에 공급되도록 하고 바람직하게는 시스템(100)으로부터 제거될 수소 가스를 위한 다수의 채널(미도시)을 전해질 쪽에 포함하는 잘 알려진 수단으로 제조될 수 있다.

본 발명에 따른 전해 셀(101)의 일 실시형태가 도 3 내지 6에 도시되어 있다. 본 발명의 이 실시형태에 사용된 양극 챔버(129)의 일반적인 설계는 도 3에 도시되어 있다. 도시된 양극 챔버(129)는 얇은 중공 판으로 구성되는데, 이 판은 반대 측면(131A 및 131B)에 있는 입구(130) 및 출구(132)를 포함하는 2개의 개구를 구비함으로써 양극 챔버(129) 및 베이스(131C)의 개구(133)의 안과 밖으로 가스 순환이 이루어지도록 하며, 이때 막 전극 접합체(102)(양극 포함)는 양극(107)을 통해 상기 개구에 장착된다.

열 교환기 또는 히트 싱크(105)를 포함하는 열 전달 장치는 양극 가스 공간(104) 내에 위치한다. 양극(107) 및 양극 가스 공간(104)의 가스 사이의 가스 순환/가스 확산을 유지하면서 히트 싱크(105)가 양극(107)과 직접 물리적으로 접촉한다. 히트 싱크(105)는 금속 천공판 또는 메쉬 부재를 포함할 수 있다. 그러나 히트 싱크(105)는 고 용량의 가스 순환을 유지하고 양극(107)으로부터 양극 가스 공간(104)의 가스로의 효율적인 열 전달을 제공할 수 있는 적절한 구성을 가질 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

양극 챔버(129) 없이 도시된 전해 셀(101)의 이 실시형태의 일부가 도 4에 도시되어 있다. 히트 싱크(105)는 양극(107)으로부터 열을 제거하는데 사용되고 음극 챔버(128) 위에 위치한 막 전극 접합체(102)의 양극(107)에 밀착된다. 바람직한 실시형태에서, 히트 싱크(105)는 금속 시트 또는 금속 메쉬로 제작될 수 있다. 도시된 실시형태에서, 히트 싱크(105)는 양극(107)과의 천공된 접촉 영역(107A) 및 단단한 파형 핀(107B)을 갖는 파형 금속판(사각 파형)을 포함한다. 막 전극 접합체(102)의 양극(107)과 접촉하는 히트 싱크(105)의 영역은 막 전극 접합체(102) 및 양극 챔버(129)의 산소 생성물 가스 사이의 열 및 물 전달을 위한 다수의 개구(145)를 갖는다. 히트 싱크(105)는 알칼리성 막의 경우 니켈 또는 내식성 스테인리스강, 또는 산성 막의 경우 내식성 코팅(예를 들어 Watanabe 등의 2013년 5월 9일자 JP 2013-082985 A에 교시된 탄소 코팅. 상기 특허의 내용은 참고문헌으로 본 명세서에 도입되는 것으로 이해되어야 함)을 갖는 스테인리스강으로 제작될 수 있다.

히트 싱크(105)는 막 전극 접합체(102) 및 양극 챔버(129)에서 순환하는 가스 사이의 열 전달을 향상시키는 다양한 설계를 가질 수 있다. 전류는 양극(107)에 직접 또는 대안적으로 전도성 재료가 사용되는 경우 히트 싱크(105)를 통해 공급될 수 있다.

완전 셀 접합체(101)가 도 5에 도시되어 있다. 바람직한 실시형태에서, 양극 챔버(129)(그 외측)는 양극(107)과 직접 전기적으로 접촉하고, 음극 챔버(128)(그 외측)는 음극(109)과 직접 전기적으로 접촉한다.

양극 챔버(129)의 입구(130) 및 출구(132) 개구는 전해 셀(101)의 종축(X-X)에 수직으로 배향된 입구 개구를 갖는 양극 챔버(129)의 측면에 위치한다. 양극 챔버(129)의 입구(130) 및 출구(132)를 통한 가스의 흐름은 막 전극 접합체(102)의 종축(X-X)에 수직으로 배향된 흐름 축을 따라 위치한다. 입구(130) 및 출구(132) 개구는 양극 챔버(129)를 통한 충분한 가스 흐름을 유지하는 크기를 갖는다. 이 목적을 위해, 막 전극 접합체(102)의 활성 표면(종축(X-X)에 수직인 전극, 전해질 등의 평면 영역) 및 양극 챔버(129)의 입구(130)와 출구(132)의 입구 영역(A) 사이의 비율은 바람직하게는 1 내지 5이다.

시스템의 작동 중에, 전위는 전원(113)으로부터 각 음극(109) 및 양극(107) 사이에 인가되어 전해질(108)에 함유된 물의 일부의 전해를 일으킴으로써, 양극 가스 공간(104)으로 산소 그리고 음극 가스 공간(106)으로 수소를 유리시킨다. 압력 제어 출구(115)를 통해 가스 공간(104 및 106) 내에 실질적으로 동등한 압력을 유지하면서 산소 및 수소 생성물 가스가 시스템(100)으로부터 제거된다. 물 산화 공정의 비효율로 인해, 대부분의 열은 전해 중에 양극(107) 및 전해질(108) 사이의 계면에서 발생한다. 전해질(108)로부터 발생한 열은 양극(107)을 통해 히트 싱크(105)로 전달된다.

전해 셀(101)에서의 전해로부터 생성된 산소 가스의 일부는 전해 셀(101) 내에서 펌프(111)에 의해 재순환되어 히트 싱크(105)로부터 열을 제거하는데 사용된다. 재순환하는 산소는 양극 가스 공간(104)의 출구(146)에서 전해 셀(101)을 떠나고 입구(148)에서 전해 셀(101)로 다시 들어간다.

가스는 양극 챔버(129) 및 그 안의 양극 가스 공간(104)을 통해 0.1 내지 20 m/s의 속도로 순환한다. 낮은 순환 속도는 시스템에서 가스의 높은 작동 온도 및 압력에서 사용될 수 있으며, 저 용량의 순환 가스는 효과적인 열 전달을 제공하고 전해용 원료로서 충분한 양의 물을 공급하는데 필요하다. 높은 속도는 낮은 온도 및 가스 압력에서 시스템(100) 효율을 유지하는 것이 중요할 경우에 필요하다.

막 전극 접합체(102)의 활성 표면(종축(X-X)에 수직인 평면 영역) 및 양극 챔버의 입구(130)와 출구(132)의 입구 영역(A) 사이의 높은 비율은 효과적인 열 전달을 유지하고 전해용 원료로서 충분한 양의 물을 공급하기 위해 가스의 높은 순환 속도를 필요로 할 것임을 주목해야 한다.

생성된 산소 및 수소 가스의 일부는 양극 가스 공간(104)의 출구로부터 가습기(142)를 통해 순환하고 재순환 루프(143)를 경유하여 양극 가스 공간(104)의 입구로 되돌아온다. 가습기(142)는 재순환 루프(143)에 유체 흐름이 가능하도록 연결되고, 이를 통해 (전해로부터의) 산소 생성물 가스가 흐른다. 또한, 가습기(142)는 급수원(144)으로부터 물을 공급 받는다. 공급된 물은 재순환 루프(143)에서 가열된 산소 생성물 가스 흐름에 의해 제공된 에너지를 이용하여 가습기(142)에서 증발되고(즉, 필요한 에너지(증발열)를 전달받아 필요한 온도로 가열되고) 산소 생성물 가스에 혼입된 증기 형태로 가습기(142)의 출구로부터 흘러나온다. 따라서 재순환 산소는 가습기(142)를 통과하여 내부에 수증기를 혼입한다. 수증기는 결과적으로 재순환 루프(143)로부터 각 전해 셀(101)의 양극 가스 공간(104)으로 공급된다.

전해에 의해 시스템(100)에 사용된 물을 보충하는데 필요한 속도로 물이 급수원으로부터 시스템(100)에 공급된다. 생성된 산소 및 수소 가스의 일부는 양극 가스 공간(104)의 출구로부터 가습기(142)를 통해 순환하고 재순환 루프(143)를 경유하여 양극 가스 공간(104)의 입구로 되돌아온다. 가습기(142)는 재순환 루프(143)에 유체 흐름이 가능하도록 연결되고, 이를 통해 (전해로부터의) 산소 생성물 가스가 흐른다. 또한, 가습기(142)는 급수원(144)으로부터 물을 공급 받는데, 물은 재순환 루프(143)에서 가열된 산소 생성물 가스 흐름에 의해 제공된 에너지/열을 이용하여 가습기(142)에서 증발된다. 따라서 수증기는 산소 생성물 가스에 혼입되어 가습기(142)의 출구로부터 흘러나온다. 수증기는 결과적으로 재순환 루프(143)로부터 각 전해 셀(101)의 양극 가스 공간(104)으로 공급된다. 전해에 의해 시스템(100)에 사용된 물을 보충하는데 필요한 속도로 물이 급수원으로부터 시스템(100)에 공급된다.

제어 시스템(미도시)이 급수원(144)으로부터 가습기(142)로의 물의 흐름을 제어하는데 사용될 수 있다. 전해 중에 사용되어 전류계(152)로 감지된 양 더하기 출구(115)를 통해 (즉, 재순환 루프(143)를 통한 순환 없이) 가스와 함께 셀로부터 소실된 물의 양과 동등한 물의 양이 가습기(142)로 공급된 후 재순환 산소로 증발된다. 점선(149)은 전류계(152) 및 급수원(144) 사이의 일반적인 제어 라인을 나타낸다. 급수원(144)은 가습기(142)에 공급되는 물의 양을 제어할 수 있는 제어 밸브 또는 유사한 흐름 제한/제어 장치를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

가습기(142)로 공급되는 물을 증발시키는 증발 에너지는 재순환 산소의 온도/열에 의해 공급된다. 순환되는 생성물 산소 가스로부터 이용 가능한 열이 불충분할 경우, 가습기(142)에서 물을 증발시킬 수 없을 것이다. 따라서, 시스템(100)의 에너지 레벨을 초과하는 수증기는 재순환 루프(143)에 들어갈 수 없고, 이에 따라 재순환 루프(143)에서 이러한 수증기의 응축이 얼어나지 않는다.

전해 셀(101)에서 물 전해 중에 발생한 열은 전해에 필요한 물을 증발시키는데 사용되고 나머지는 전해 셀 시스템(100)에서 온도를 증가시킨다. 전해 셀(101)의 온도가 증가함에 따라, 공정의 효율을 증가할 것이고, 따라서 전해 셀(101)에 의해 발생한 열은 물 증발에 충분해질 것이며, 이에 따라 시스템(100) 내의 열 손실을 상쇄한다. 작동 온도가 증가할수록 전해 셀의 효율이 증가하는 것은 잘 알려져 있다. 따라서, 시스템의 온도가 증가함에 따라, 일정한 속도의 수소 생성(즉, 일정한 전류 공급)에서, 셀은 열을 덜 발생시킬 것이다. 그 결과, 평형에 도달할 것이고, 여기서 전해 중에 발생한 열은 시스템(100) 내의 상승된 온도를 유지하고 전해에 필요한 물을 증발시키는 에너지를 제공하는데 사용될 것이다. 부가적으로, 전해 셀(101)은 가습기(142)와 비교하여 고온에서 유지되어 재순환 산소를 통한 열 전달이 이루어지도록 한다. 대체로, 시스템(100)은 0 내지 300℃에서 작동할 수 있고, 바람직한 작동 모드는 120 내지 160℃이다.

전해 셀(101)은 산소 및 수소 가스 사이의 실질적으로 동일한 압력에서 작동한다. 막의 종류 및 가스의 요구 순도에 따라, 시스템(100)은 대기압에서부터 30 bar를 초과하는 고압에서까지 작동할 수 있다.

도시된 시스템에서 나타나듯이, 히트 싱크(105)는 양극 가스 공간(104)에 위치한다. 그러나 다른 실시형태에서 히트 싱크(105)는 대안적으로 재순환 루프(143)에 유체 흐름이 가능하도록 연결되는 음극 가스 공간(106)에 위치할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 실시형태에서, 전해 셀 시스템(100)의 구성은 도 2에 도시된 것과 유사할 것이며, 음극(109) 및 양극(107)의 위치가 막 전극 접합체(102) 내에서 교체되거나 바뀌고 이에 따라 대응하는 전기적 연결도 바뀐다. 그 결과 수소 생성물 가스가 재순환 루프(143)를 통해 순환할 것이다. 유사하게, 양극 챔버(129)의 구성은 이 대안적인 실시형태에서 음극 챔버용으로 동일하게 사용될 수 있다. 도시된 실시형태에 대한 논의는 상기 교체 또는 변경을 가지고 이 실시형태에도 동일하게 적용되는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따라 수 개의 셀(101)들이 시리즈로 연결되고 서로 적층되어 스택을 형성할 수 있다. 예를 들어, 개별 셀(101)들은 도 6에 도시된 바와 같이 셀 스택(160)에서 함께 적층될 수 있다. 각 셀의 개구(162)(양극 챔버(129)의 입구(130) 및 출구(132)를 포함)는 셀(101)의 적층 측면의 표면 영역 중 상당 부분을 포함할 수 있다. 상기 측면(164)의 전체 영역 및 측면(164) 중 개구(130, 132) 영역 사이의 비율은 통상적으로 1 내지 5이다.

이 분야의 기술자는 여기에 기술된 발명이 구체적으로 기술된 것 외에 변경 및 변형될 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 범위 내에 있는 이러한 모든 변경 및 변형을 포함하는 것으로 이해된다.

"포함한다", "포함된다", "포함되는" 또는 "포함하는"의 용어가 명세서(청구범위 포함)에 사용된 경우, 이들은 기재된 특징, 정수, 단계 또는 구성요소의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 구성요소 또는 그 그룹의 존재를 배제하지 않는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

물로부터 수소 및 산소 생성물 가스를 생성하는 전해 셀 시스템으로서:
양극 및 음극을 포함하는 적어도 한 쌍의 가스 투과성 전극, 및 각 쌍의 양극 및 음극 사이에 배치된 이온 전도성 전해질을 구비하는 막 전극 접합체를 포함하는 적어도 하나의 전해 셀;
각 전극의 비-전해질 쪽에 있는 전극 가스 공간으로서, 이중 적어도 하나는 입구 및 출구를 포함하는 전극 가스 공간;
생성된 산소 또는 수소 생성물 가스 중 적어도 하나의 적어도 일부를 각 전극 가스 공간의 출구로부터 각 전극 가스 공간의 입구로 재순환시키는 재순환 루프;
재순환 루프와 유체 흐름이 가능하도록 연결되며, 생성물 가스에 의해 제공된 증발열을 이용하여 급수원으로부터의 물을 증발시키고 수증기를 재순환 루프에 도입시키는 급수기; 및
재순환 루프에 입구 및 출구를 통해 유체 흐름이 가능하도록 연결된 전극 가스 공간에 위치한 가스 공간의 가스 및 막 전극 접합체 사이에 열을 전달하며, 막 전극 접합체와 접촉하고 막 전극 접합체 및 각 전극 가스 공간 사이에 가스 순환이 이루어지도록 하는 열 전달 장치를 포함하는 전해 셀 시스템.
제1항에 있어서,
열 전달 장치는 각 양극 또는 음극과 직접 물리적으로 접촉하는 히트 싱크를 포함하는 전해 셀 시스템.
제2항에 있어서,
히트 싱크는 각 양극 또는 음극 중 적어도 하나의 부분에 인접하여 접촉 또는 물리적으로 연결되는 전해 셀 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
열 전달 장치는 메쉬, 바람직하게는 파형 메쉬 부재, 또는 천공 시트를 포함하는 전해 셀 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
열 전달 장치는 시트 또는 판을 포함하는 전해 셀 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
열 전달 장치는 바람직하게는 막 전극 접합체의 종축에 평행한 방향으로 가스 투과성인 전해 셀 시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
열 전달 장치는 전기 전도성인 전해 셀 시스템.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
열 전달 장치는 금속, 바람직하게는 니켈 또는 스테인리스강, 더욱 바람직하게는 내식성 스레인리스강으로 형성되는 전해 셀 시스템.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
재순환 루프에 유체 흐름이 가능하도록 연결된 입구 및 출구를 포함하는 전극 가스 공간은 양극의 전극 가스 공간이고, 생성물 가스는 산소를 포함하는 전해 셀 시스템.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
재순환 루프에 유체 흐름이 가능하도록 연결된 입구 및 출구를 포함하는 전극 가스 공간은 음극의 전극 가스 공간이고, 생성물 가스는 수소를 포함하는 전해 셀 시스템.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
급수기는 가습기를 포함하는 전해 셀 시스템.
제11항에 있어서,
가습기는 가습기로 공급되고 가습기를 통해 흐르는 생성물 가스 및 물을 직접 혼합하는 전해 셀 시스템.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
재순환 산소 또는 수소 생성물 가스는 가습기를 통과하여 내부에 수증기를 혼입하는 전해 셀 시스템.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
물 증발을 위한 증발열은 재순환 루프의 생성물 가스에 의해 제공되는 전해 셀 시스템.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
물은 전해에 의해 시스템에 사용된 물을 보충하는데 필요한 속도로 급수기에 공급되는 전해 셀 시스템.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
전극 가스 공간은 각 전해 셀의 막 전극 접합체의 종축에 수직으로 배향되는 가스 흐름 축을 따라 위치한 입구 및 출구 개구를 갖는 전극 챔버에 수용되는 전해 셀 시스템.
제16항에 있어서,
막 전극 접합체의 종축에 수직인 막 전극 접합체의 전체 활성 평면 영역 및 각 전극 챔버의 각 입구와 출구 개구의 평면 영역 사이의 비율은 1 내지 5인 전해 셀 시스템.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
가스는 재순환 루프에 유체 흐름이 가능하도록 연결된 전극 가스 공간을 통해 0.1 내지 20 m/s의 속도로 흐르고 순환하는 전해 셀 시스템.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
시스템은 0 내지 300℃, 바람직하게는 120 내지 160℃의 온도에서 작동하는 전해 셀 시스템.
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
함께 적층된 적어도 2개의 전해 셀을 포함하는 전해 셀 시스템.
양극 및 음극을 포함하는 적어도 한 쌍의 가스 투과성 전극, 및 각 쌍의 양극 및 음극 사이에 배치된 이온 전도성 전해질을 구비하는 막 전극 접합체를 포함하고, 하나 또는 각 가스 투과성 전극은 비-전해질 쪽에 전극 가스 공간을 포함하며, 양극 및 음극의 전극 가스 공간 중 적어도 하나는 입구 및 출구를 포함하는 적어도 하나의 전해 셀을 이용하여 물로부터 수소 및 산소를 생성하는 방법으로서:
막 전극 접합체에 전류 및 수증기를 공급하여 음극으로부터 수소 가스 그리고 양극으로부터 산소 가스를 생성하는 단계;
생성된 산소 가스 또는 수소 가스 중 적어도 하나의 일부를 각 전극 가스 공간의 출구로부터 재순환 루프를 통해 상기 각 가스 공간의 입구로 그리고 상기 각 가스 공간을 통해 재순환시키는 단계;
필요한 증발열을 제공하도록 상기 재순환 루프에서 각 산소 또는 수소 생성물 가스의 적어도 일부에 의해 제공된 에너지를 이용하여 급수원으로부터 재순환 루프로 공급된 물을 증발시키는 단계; 및
상기 각 전극 가스 공간에 위치하고 막 전극 접합체와 접촉하며 막 전극 접합체 및 상기 각 전극 가스 공간 사이에 가스 순환이 이루어지도록 하는 열 전달 장치를 이용하여 막 전극 접합체 및 상기 각 전극 가스 공간의 생성물 가스 사이에 열을 전달하는 단계를 포함하는 방법.
제21항에 있어서,
물을 증발시키는 단계는 가습기에서 수행되는 방법.
제21항 또는 제22항에 있어서,
물을 증발시키는 단계는 재순환하는 일부의 생성된 산소 가스에 물을 혼합함으로써 생성된 산소 생성물 가스로부터 물 증발용 상기 혼합물의 물에 열을 전달하는 것을 포함하는 방법.
제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각 가스 공간은 양극의 전극 가스 공간이고 생성물 가스는 산소를 포함하는 방법.
제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각 가스 공간은 음극의 전극 가스 공간이고 생성물 가스는 수소를 포함하는 방법.
제21항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 시스템을 이용하는 방법.