KR20220141815A

KR20220141815A - 산소의 전기화학적 생성을 위한 방법 및 플랜트

Info

Publication number: KR20220141815A
Application number: KR1020227028812A
Authority: KR
Inventors: 안드레아스 페스첼; 벤자민 헨츠슈엘
Original assignee: 린데 게엠베하
Priority date: 2020-02-14
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2022-10-20
Also published as: EP4103763A1; WO2021160235A1; US20230076096A1; AU2020429156A1; CA3167827A1; CN115038814A; ZA202208961B

Abstract

본 발명은 산소를 함유하는 가스 생성물(10)의 생성 방법으로서, 물을 함유하는 공급 원료(1)에 전기 분해(E)를 적용하여 산소가 풍부하고 수소를 함유하는 미가공 애노드 가스(2), 및 산소가 적고 수소가 풍부한 미가공 캐소드 가스(14)를 수득하는 것인, 방법에 관한 것이다. 상기 미가공 애노드 가스에 수소의 물로의 촉매 전환(C)을 적어도 부분적으로 적용하여 수소 함량이 격감된 제1 혼합물(4)을 수득한다. 상기 제1 혼합물(4)의 제1 부분이 상기 전기 분해(E) 하류와 상기 촉매 전환(C) 상류의 상기 미가공 애노드 가스(2)로 복귀되고, 상기 제1 혼합물의 적어도 제2 부분을 사용하여 상기 산소를 함유하는 가스 생성물이 형성된다. 본 발명은 또한 이 유형의 방법을 수행하기 위한 플랜트에 관한 것이다.

Description

산소의 전기화학적 생성을 위한 방법 및 플랜트

본 발명은 독립 청구항의 전제부에 따른 산소의 전기화학적 생성을 위한 방법 및 플랜트에 관한 것이다.

일반적으로, 산소를 기체로서 제공할 수 있는 가능성은 다양하다. 예를 들어, 공기가 먼저 액화된 후 분별 증류되는 공기 분리는 매우 광범위하다.

예를 들어, 물 또는 이산화탄소와 같은 다양한 산소 함유 화합물의 전기화학적 반응이 또한 공지되어 있고, 이는 산소를 제공한다. 그러나, 대부분의 경우, 형성된 산소는 생성물로서 이용되지 않고, 공정으로부터 배출되어 폐기된다.

용도에 따라, 산소의 순도에 대해 엄격한 요건이 충족될 필요가 있을 수 있어서, 산소로부터 이물질을 가능한 한 정량적으로 분리하는 것이 필요할 수 있다. 또한, 산소를 다룰 때의 일반적인 문제는 증가된 산소 농도의 영향 하에 있게 되는 플랜트 부품이 내부식성이 되도록 설계되어야 한다는 것이다.

더욱이, 높은 산소 농도가 존재하는 가스 혼합물에서, 성분의 조성에 따라, 안전상의 위험을 구성하는 폭발성 혼합물의 형성이 또한 가능하다. 이는 특히 수소가 형성되는 전기 분해 공정으로부터 산소가 생길 때 그러하다.

수소는 전형적으로 전기 분해 공정에서 캐소드 측 상에 형성되지만, 작은 수소 분자의 높은 이동성은 전기 분해의 애노드 측 상에 형성된 산소가 애노드 측과 캐소드 측을 분리하는 막, 예를 들어, 양성자 교환 막(proton exchange membrane, PEM), 음이온 교환 막(nion exchange membrane, AEM), 또는 고체 산화물 전기 분해 전지(solid oxide electrolysis cell, SOEC)의 고체 산화물 고온 막을 통과하는 수소로 오염되는 것을 완전히 방지하는 것을 불가능하게 한다.

원칙적으로, 하기 반응이 전기 분해 동안 발생한다.

이미 상술된 바와 같이, 산소를 함유하는 다른 화합물이 또한 산소를 수득하기 위해 전기 분해될 수 있다. 사용되는 반응물이 무수가 아닌 경우, 상술된 반응은 부반응으로서 일어날 수 있어서, 수소의 형성은 당연하다.

본 발명을 보다 상세히 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어들 중 일부를 먼저 설명할 것이다.

본 출원의 맥락에서 명시되는 혼합물의 모든 조성, 농도, 및 비율은, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 각 경우에 건조, 즉, 물이 없는 혼합물을 기준으로 한 부피 조성 또는 농도 또는 부피 분율을 지칭한다.

본 특허 출원에서 사용되는 용어에서, 가스 혼합물은 이것이 상기의 하나 이상의 성분의 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 98%, 99%, 99.9%, 또는 99.99% 초과의 비율을 가질 때 하나 이상의 성분이 풍부하며, 여기서, 여러 성분들의 경우, 비율은 개별 분율들의 합인 것으로 이해된다.

따라서, 혼합물은 상기의 성분 또는 성분들이 풍부하지 않을 때 하나 이상의 성분이 낮으며; 이에 따라 전체 혼합물 중 이들의 비율은 50%, 40%, 30%, 20%, 10%, 5%, 2%, 1%, 0.1%, 또는 0.01% 미만이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에서, 하나 이상의 성분이 없는 가스 또는 혼합물은 상기의 성분이 매우 낮고, 1,000 ppm, 100 ppm, 10 ppm, 1 ppm, 100 ppb, 10 ppb, 또는 1 ppb 미만의 비율을 갖는다. 특히, 가스 또는 혼합물이 없는 성분들의 비율은 성분들의 검출 한계 미만이다.

하나 이상의 성분이 풍부한 가스 또는 혼합물은 출발 가스 또는 혼합물과 관련하여 더 높은 농도의 하나 이상의 성분을 갖는 가스 또는 혼합물을 나타낸다. 특히, 성분이 풍부한 가스는 대응하는 소스 가스에 비해 상기의 성분의 적어도 1.1, 1.3, 2, 3, 10, 30, 100, 300, 또는 1,000배의 비율을 갖는다.

따라서, 성분이 격감된 가스는 대응하는 소스 가스와 비교하여 상기의 성분의 최대 0.001, 0.003, 0.01, 0.03, 0.1, 0.3, 0.5, 또는 0.9배 비율을 갖는다.

이하에서 가스 또는 혼합물의 일부가 사용되는 것으로 언급되는 경우, 이는 원래의 가스 또는 혼합물과 동일한 조성을 갖는 원래의 가스 또는 혼합물의 총 표준 부피의 최대 100%의 가스 또는 혼합물의 부피 분율이 사용되는 것을 의미하거나, 원래의 가스 또는 혼합물의 소정 성분만을 사용하여 형성된 가스 또는 혼합물이 사용되는 것을 의미할 수 있다. 따라서, 가스 또는 혼합물의 일부는 원래의 가스 또는 혼합물과 동일한 조성 또는 상이한 조성을 가질 수 있다.

폭발(explosion)은 본 명세서에서 사용되는 용어로 폭연(deflagration) 또는 기폭(detonation)을 의미하는 것으로 이해된다.

본 발명의 목적은 전기 분해 반응에서 수득된 산소를 수소의 촉매 산화에 의해 방출하여 촉매 반응 동안 과도한 온도 증가를 방지하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 독립 청구항의 특징들을 갖는 산소의 전기화학적 생성을 위한 방법 및 플랜트를 제안한다. 실시예들은 종속 청구항들 및 하기의 설명의 요지이다.

수소가 풍부한 전기 분해로부터의 가스(캐소드 미가공 가스) 중의 산소는 수소와 함께 물로 전환될 수 있으며, 전기 분해 동안 전환되지 않았던 물과 함께 수소가 풍부한 가스로부터 제거될 수 있다. 본 발명의 맥락에서, 산소를 제거하기 위해 통상적으로 사용되는 이 기술은 산소가 풍부하고 애노드에서 형성되는 가스(미가공 애노드 가스) 중의 수소 불순물을 제거하기 위해 사용된다. 전형적인 미가공 캐소드 가스 중의 통상적인 산소 함량과 대조적으로, 미가공 애노드 가스 중의 수소 함량은 통상적으로 더 높은데, 이는 캐소드 측이 보통 더 높은 압력에서 작용되기 때문이다.

본 발명에 따르면, 전술한 목적은 전기 분해 유닛의 하류에서, 전기 분해 유닛에서 공급 원료로부터 수득되고 산소 및 일부의 수소를 함유하는 미가공 애노드 가스에 적어도 부분적으로 수소와 산소의 물로의 촉매 전환을 적용하여 수소가 격감된 중간 혼합물을 수득하며, 이때 중간 혼합물의 제1 부분을 전기 분해의 하류 및 촉매 전환의 상류에서 미가공 애노드 가스로 복귀시킴으로써 달성된다. 산소를 함유하는 가스 생성물이 격감된 수소 함량을 갖는 중간 혼합물의 제2 부분을 사용하여 형성된다. 언급된 바와 같이, "중간 혼합물의 제1 부분"은 중간 혼합물의 순수하게 정량적인 비율일 수 있지만, 이는 또한 상이한 물질 조성을 갖고 후속 단계들에서 얻어지는 비율일 수도 있다. "중간 혼합물의 제2 부분"에도 동일하게 적용된다.

본 발명에 따라 제안된 수단들을 사용함으로써, 대응하는 플랜트 섹션들에서 수소의 농도가 감소된다. 특히, 촉매 전환에서의 단열 온도 증가가 원하는 값으로 제한되도록 수소 농도가 낮아지는 것이 제공된다. 이는 낮은 투자 비용을 갖는 종래의 단열 반응기가 사용될 수 있다는 이점을 갖는다. 따라서, 등온 반응기 개념을 비용 집약적으로 사용할 필요가 없다.

본 발명에 따라, 특히 수소가 없거나 낮을 수 있는, 격감된 수소 함량을 갖는 중간 혼합물의 제1 부분을 전기 분해 하류의 미가공 애노드 가스로 복귀시킨 결과, 심지어 미가공 애노드 가스에서 고농도의 수소를 갖는 경우에도, 수소 함량이 문제 없는 값으로 희석될 수 있고, 이에 따라 미가공 애노드 가스에 존재하는 산소가 정제되고 이용될 수 있다. 수소 격감의 하류에서, 수소는 또한 대응하는 제거로 인해 문제 없는 농도로 존재한다.

바람직하지 않게 높은 수소 농도가 얻어지지 않는 것을 보장하기 위해, 센서들은 특히 바람직하게는, 생산 플랜트의 특정 위치들에서 - 예를 들어, 전기 분해 유닛으로부터의 출력부에서 또는 촉매 전환 유닛에서 - 제공될 수 있다. 이들은, 예를 들어, 수소 농도를 직접 검출할 수 있고, 미리 결정된 임계값이 초과되는 경우, 수소 함량이 격감된 중간 혼합물의 제1 부분을 갖는 미가공 애노드 가스의 본 발명에 따른 희석은 - 예를 들어, 밸브를 개방함으로써, 또는 수소 함량이 격감된 중간 혼합물의 복귀량을 증가시킴으로써 - 달성될 수 있다.

이러한 센서들의 추가의 바람직한 실시예는 온도 모니터링을 용이하게 할 수 있고, 결과적으로, 촉매 전환의 제어되거나 조절된 스위칭 오프, 또는, 차례로, 미가공 애노드 가스의 제어되거나 조절된 희석이 달성될 수 있다. 이는 바람직하지 않은 온도 증가가 배제될 때에만 촉매 전환이 작용되고, 이에 따라 촉매 전환기의 손상 또는 파괴를 초래할 수 있는 촉매 전환기 상의 과도하게 높은 열 부하가 방지된다는 이점을 갖는다.

최대 수소 농도에 대한 임계값이 예를 들어, 관련 플랜트 섹션에서의 압력 및/또는 온도와 같은 다른 검출된 파라미터들의 함수로서 가변적인 방법이 특히 바람직하고, 이에 따라 수소가 없거나 수소가 적은 가스가 필요한 정도로만 미가공 애노드 가스로 복귀되며, 이에 따라 예를 들어, 압축 에너지가 촉매 전환의 하류에서 보존될 수 있다는 점에서 효율적인 공정 제어가 용이해진다.

본 발명에 따른 방법들 및 플랜트들의 모든 변형에서, 전기 분해로부터 원래 나오는 가스 스트림만이 수소 농도를 감소시키기 위해 사용되는 것이 특히 바람직하게 제공된다. 이는 생성물 가스로부터 제거하기 어려울 수 있는 오염물, 이를테면, 예를 들어, 질소 또는 아르곤이 공정으로 도입되는 것을 방지하는 것을 가능하게 한다.

본 방법의 일 실시예에서, 바람직하게는 상술된 중간 혼합물을 적어도 부분적으로 축합시켜 수분 함량이 격감된 중간 혼합물 분획, 및 물이 풍부한 축합물을 수득한다. 중간 혼합물 분획 또는 이의 일부에 건조를 적용하여 산소, 및 산소 함량이 격감되고 수분 함량이 풍부한 잔류 가스를 함유하는 가스 생성물을 수득할 수 있고, 잔류 가스는 설명된 방식으로 부분적으로 또는 완전히 복귀될 수 있다. 이 실시예에서, 잔류 가스 또는 이의 복귀 부분은 따라서 여러 번 설명된 중간 혼합물의 제1 부분을 나타내는 반면, 제2 부분은 산소를 함유하는 가스 생성물의 형태로 제공된다. 이는 가스 생성물에서 잠재적으로 간섭할 수 있는 물이 가스 생성물로 전달되지 않는다는 이점을 갖는다.

본 방법의 추가의 바람직한 실시예에서, 상기 미가공 애노드 가스로 복귀되는 상기 중간 혼합물의 제1 부분은 상기 중간 혼합물 및/또는 상기 중간 혼합물 분획 및/또는 상기 잔류 가스 및/또는 상기 가스 생성물의 적어도 일부를 사용하여 형성된다. 이는 공정에 존재하는 가스만이 수소 농도를 감소시키는 데 사용된다는 이점을 갖는다. 이는 가스 생성물로부터 단지 어렵게 제거될 수 있는 가스로 이루어진 방해 불순물이 공정에 도입되는 것을 방지한다.

건조는 바람직하게는, 적어도 하나의 TSA(temperature swing adsorption)를 포함하는데, 이는 이것이 다른 방법 단계들과 특히 효율적으로 조합될 수 있기 때문이다. 그러나, 상이한 형태의 건조, 예를 들어, PSA(pressure swing adsorption) 또는 막 방법이 사용되는 것도 고려할 수 있다.

바람직하게는, 축합 후에 잔류하는 언급된 중간 혼합물 분획은 후속 건조의 상류에서 압축되고, 추가의 중간 혼합물 분획 및 추가의 축합물을 수득하기 위해 추가의 축합을 거치고, 이때 추가의 중간 혼합물 분획은 적어도 부분적으로 건조에 공급된다. 그 결과, 건조에 바람직한 압력이 구성될 수 있고, 건조 전에도 물이 분리될 수 있어서, 건조 유닛이 더 작은 치수를 가질 수 있다.

특히, 언급된 축합물 각각 또는 축합물 양자는, 형성되는 경우, 공급 원료와 함께 전기 분해로 부분적으로 또는 완전히 복귀될 수 있다. 그 결과, 본 실시예에 따른 방법은 물질의 관점에서 특히 효율적으로 수행될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 수소 농도 및/또는 가스 온도 및/또는 가스 압력을 포함하는 하나 이상의 공정 파라미터가 전기 분해의 하류에서 그리고/또는 촉매 전환에서 검출된다. 중간 혼합물의 제1 부분은 상기 하나 이상의 공정 파라미터가 각각 미리 결정된 임계값을 초과할 때 상기 미가공 애노드 가스로 복귀된다. 또한, 하나 이상의 공정 파라미터에 기초하여 중간 혼합물의 복귀량의 연속적인 조절을 수행하는 것이 특히 바람직하다. 그 결과, 한편으로는 방법이 수행될 때 잠재적으로 위험한 상황이 발생하지 않고, 다른 한편으로는 과도한 재순환 스트림으로 인한 플랜트 상의 불필요한 추가 부하가 회피되는 것이 보장될 수 있다.

또한, 바람직하게는, 하나 이상의 공정 파라미터의 미리 결정된 한계값 - 특히, 촉매 전환에서 온도의 증가 - 이 초과될 때, 미가공 애노드 가스가 공정으로부터 배출 - 예를 들어, 분출 - 되는 것이 제공될 수 있다. 이는 수소 농도의 감소가 온도 전개를 제한하기에 충분하지 않은 경우 플랜트가 보호되도록 한다.

흡착 압력에서의 촉매 전환의 작용 및/또는 건조가 또한 작용되는 압력에서의 전기 분해의 작용 - 특히, 흡착 압력 및/또는 촉매 전환 압력 수준으로의 재순환 압력의 증가 - 이 또한 바람직할 수 있는데, 이는 이에 따라 전체 공정이 실질적으로 균일한 압력 수준에서 작용될 수 있기 때문이다.

미가공 애노드 가스 또는 원료 산소는 바람직하게는 공정 열을 보존하기 위해, 촉매 전환 전에 열 교환에 의해 제1 혼합물에 대해 가열될 수 있다. 이 경우, 생성물 스트림에 함유된 물의 적어도 부분적인 축합이 또한 발생할 수 있으며, 이는 결과적으로 축합의 작용 동안 에너지를 보존한다.

본 발명에 따르면, 산소를 함유하는 가스 생성물의 생성 플랜트가 또한 물을 함유하는 공급 원료에 전기 분해를 적용하여 산소가 풍부하고 수소를 함유하는 미가공 애노드 가스, 및 산소가 적고 수소가 풍부한 미가공 캐소드 가스를 수득하도록 설계된 전기 분해 유닛을 구비한다. 수소 함량이 격감된 중간 혼합물을 얻기 위해 미가공 애노드 가스를 적어도 부분적으로 수소의 물로의 촉매 전환을 거치도록 설계된 촉매 전환 유닛이 제공된다. 전기 분해의 하류 및 촉매 전환의 상류에서, 중간 혼합물의 제1 부분을 미가공 애노드 가스로 복귀시키도록 설계된 수단이 제공된다. 또한, 플랜트는 중간 혼합물의 제2 부분을 사용하여 산소를 함유하는 가스 생성물을 형성하도록 구성된 수단을 갖는다.

바람직하게는, 플랜트는 상술된 바람직한 실시예들 중 하나에 따라 방법을 수행할 수 있는 수단들을 추가로 구비한다.

본 발명의 추가의 이점들, 실시예들 및 추가의 상세는 첨부 도면들을 참조하여 아래에서 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예를 개략적인 블록도의 형태로 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 방법, 특히 고압 전기 분해를 사용하는 방법의 추가의 바람직한 실시예를 개략적인 블록도의 형태로 도시한다.
도 1에 도시된 본 발명에 따른 방법의 예시적인 실시예에서, 주된 부분이 물로 이루어진 공급 원료(1)가 전기 분해(E)에 적용된다. 이 경우, 산소가 적고 수소가 풍분한 미가공 캐소드 가스(14), 및 산소가 풍부하고 수소를 함유하는 미가공 애노드 가스(2)가 형성된다.
미가공 애노드 가스는 적어도 부분적으로 공급 원료(3)로서 촉매 전환(C)에 적용되며, 이때 미가공 애노드 가스에 비해 수소 함량이 격감된 중간 혼합물(4)이 형성된다. 촉매 전환(C)에서, 예를 들어, 0.1% 내지 2%의 특정 비율로 미가공 애노드 가스(2)에 함유된 수소가 미가공 애노드 가스(2)의 주요 비율을 구성하는 산소의 일부와 함께 물로 전환된다. 이는 촉매 전환(C) 하류에서의 수소의 농도를 효과적으로 감소시킨다.
촉매 전환(C)을 떠나는 중간 혼합물(4)은 여기서 도시된 예시적인 실시예에서 제1 축합물(K1)을 거치며, 이때 중간 혼합물(4)에 비해 물 함량이 격감된 중간 혼합물 분획(5) 및 물이 풍부한 축합물(6)이 형성된다. 중간 혼합물 분획(5)은 흡착 압력 수준으로 압축되고 냉각된다. 냉각 후, 압축된 중간 혼합물 분획(5)은 추가의 축합(K2)을 거치며, 이때 다시 중간 혼합물 분획(5)에 비해 물 함량이 격감된 추가의 중간 혼합물 분획(8) 및 추가의 축합물(9)이 형성된다. 축합물(6, 9)은 공급 원료(1)와 함께 전기 분해(E)로 적어도 부분적으로 복귀된다.
도 1에 도시된 예시적인 실시예에서, 추가의 중간 혼합물 분획(8)은 TSA(temperature swing adsorption) 형태의 건조(T)를 거치며, 이때 건조기 공급 원료에 함유된 잔류수가 흡착 단계 동안 흡착제 상에 흡착된다. 추가의 중간 혼합물 분획(8)에 함유된 산소는 실질적으로 흡착제 상에 흡착되지 않고, 가스 생성물(10)로 전달된다. 탈착 단계 동안, 유출구는 가스 생성물(10)의 방향으로 폐쇄되고, TSA 디바이스 또는 건조(T)의 온도는 데워진 퍼지 가스에 잠기게 하거나 흡착제를 직접 가열함으로써 증가된다. 결과적으로, 이전에 흡착된 분자 - 특히 물 분자 - 는 흡착제 상에서 탈착되고, 예를 들어, 생성물 스트림(10)을 사용하여 형성되는 퍼지 가스(도시되지 않음)와 잔류 가스(11, 12)로 전달될 수 있다. 흡착제에 흡착된 물 및 다른 불순물이 거의 없는 경우, 온도는 다시 감소되고, 추가의 흡착 단계가 도입된다.
여러 TSA 디바이스가 바람직하게는 서로 병렬로 작동되어, 여러 TSA 디바이스들 중 적어도 하나는 임의의 시점에서 흡착 단계에 있다. 이는 가스 생성물(10)의 연속 스트림이 제공될 수 있게 한다.
특히, 흡착된 종의 주된 부분이 미리 결정된 시간에 걸쳐 상승된 온도를 유지함으로써, 또는 TSA 디바이스의 하류에서 농도 측정을 하거나 잔류 가스(11, 12)를 건조(T)함으로써 다시 탈착되는 것이 보장될 수 있다. 시구간이 미리 결정되는 경우에, 본 방법은 바람직하게는 여러 TSA 디바이스들이 건조(T)에서 교대로 작동될 수 있도록 제어될 수 있는 한편, 농도 의존 제어는 탈착 단계가 필요에 따라 측정될 수 있고 불필요하게 끌지 않는다는 이점을 갖는다 그 결과, 전체 방법의 효율이 증가될 수 있다.
잔류 가스(12)의 적어도 일부는 수소 농도를 낮춤으로써 촉매 전환에서의 온도 증가를 조절하기 위해, 촉매 전환(C)의 상류에서, 미가공 애노드 가스 또는 공급 원료(3)로 복귀될 수 있다. 동일한 목적을 위해, 건조(T)의 상류에서, 추가의 중간 생성물 분획(8)의 일부가 또한 제어 스트림(13)으로서 미가공 애노드 가스(2) 또는 공급 원료(3)로 복귀될 수 있다.
선택적으로, 촉매 전환(C)의 하류에 있는 잔류 가스(11)의 추가 부분이 중간 혼합물(4)(도시되지 않음) 또는 중간 혼합물 분획(5)으로 복귀될 수도 있다. 그 결과, 퍼지 가스로서 사용되는 생성물은 촉매 전환(C)에서 온도 제어에 사용되지 않더라도, 공정 수율을 증가시키기 위해 공정으로 여전히 복귀될 수 있다.
도 1에 도시된 예시적인 실시예에서, 일련의 센서들이 개별 방법 단계들의 상태에 관한 정보를 검색할 수 있도록, 그리고 이에 의해 복귀 스트림들(12 또는 13)을 구성함으로써 촉매 전환(C)에서의 온도 증가를 조절할 수 있도록 플랜트로 통합된다. 예를 들어, 수소 센서들(15)은 예를 들어, 미가공 애노드 가스(2)의 다양한 가스 스트림들의 수소 농도를 검출한다. 물론, 수소 농도는 또한 다른 지점들(도시되지 않음)에서 - 특히, 촉매 전환(C)의 가스 스트림 하류에서 - 검출되어 전환의 정도를 정량화할 수 있다.
추가적으로, 온도 센서(16)는 촉매 전환에서의 온도를 검출할 수 있다. 이러한 정보의 보조로, 바람직하게는, 촉매 전환(C)으로의 미가공 애노드 가스 또는 공급 원료(3)의 공급은, 촉매 반응의 결과로서 온도가 너무 상승하여 촉매 분해의 위험이 존재하는 경우, 감소 또는 중단될 수 있다. 촉매 전환에서 이러한 온도 상승의 경우에, 미가공 애노드 가스는 온도가 공정에 허용되는 수준으로 다시 안정화될 때까지 공정으로부터 일시적으로 배출될 수 있다. 그러나, 온도 센서(16)에 의해 검출된 온도는 또한 제어 전류(13)를 구성하기 위한 제어 변수로서 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예가 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 이 예시적인 실시예에서, 전기 분해(E)는 미가공 애노드 가스(2)가 이미 흡착 압력 수준에서 발생한 고압 전기 분해의 형태로 설계된다. 따라서, 바람직하게는, 촉매 전환(C)의 하류에서의 압축에 대한 필요성이 없어서, 추가 축합(K2)에 대한 필요성 또한 불필요하다. 이 경우, 건조(T)로부터의 잔류 가스의 복귀, 및 제어 스트림(17)으로서 사용되는 건조 상류의 가스 스트림(8)의 일부의 복귀를 위해 단지 하나의 압축기만 필요하다. 제어 스트림(17)을 위한 별도의 압축기를 절감하기 위해, 건조(T)로부터의 잔류 가스는 압축기를 통해 제어 스트림(17)과 함께 복귀될 수 있고, 촉매 전환(C)의 상류(스트림(12)) 또는 하류(스트림(11))의 온도 제어에 따라 압축기의 하류로 공급될 수 있다. 그 외, 절차는 도 1을 참조하여 설명된 방법과 동일할 수 있다.

Claims

산소를 함유하는 가스 생성물(10)의 생성 방법으로서, 물을 함유하는 공급 원료(1)에 전기 분해(E)를 적용하여 산소가 풍부하고 수소를 함유하는 미가공 애노드 가스(2), 및 산소가 적고 수소가 풍부한 미가공 캐소드 가스(14)를 수득하되, 상기 미가공 애노드 가스(2)에 수소의 물로의 촉매 전환(C)을 적어도 부분적으로 적용하여 수소 함량이 격감된 중간 혼합물(4)을 수득하고, 상기 중간 혼합물(4)의 제1 부분이 상기 전기 분해(E) 하류와 상기 촉매 전환(C) 상류의 상기 미가공 애노드 가스(2)로 복귀되며, 상기 중간 혼합물(4)의 적어도 제2 부분을 사용하여 상기 산소를 함유하는 가스 생성물을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 중간 혼합물(4)을 적어도 부분적으로 축합(K1)시켜 수분 함량이 격감된 중간 혼합물 분획(5), 및 물이 풍부한 축합물(6)을 수득하는 것인, 방법.
제2항에 있어서, 상기 중간 혼합물 분획(5)의 적어도 일부를 건조(T)시켜 산소를 함유하는 상기 가스 생성물(10), 및 산소 함량이 격감되고 물 함량이 풍부한 잔류 가스(12)를 수득하는 것인, 방법.
제1항 내지 제3항 중 한 항에 있어서, 상기 미가공 애노드 가스(2)로 복귀되는 상기 중간 혼합물(4)의 제1 부분은 적어도 정량적 비율의 상기 중간 혼합물(4) 및/또는 상기 중간 혼합물 분획(5) 및/또는 상기 잔류 가스(12) 및/또는 상기 가스 생성물(10)을 사용하여 형성되는 것인, 방법.
제1항 내지 제4항 중 한 항에 있어서, 상기 중간 혼합물의 제1 부분은 상기 미가공 애노드 가스(2) 또는 상기 애노드 측 공급 원료(1)로 복귀되며, 상기 복귀의 하류에서의 상기 원료 애노드 가스(2) 내의 수소 농도가 최대 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.5%, 1%, 또는 2%가 되도록 측정되는 양으로 복귀되는 것인, 방법.
제3항에 있어서, 상기 건조(T)는 TSA(temperature swing adsorption)를 포함하는 것인, 방법.
제3항 또는 제6항에 있어서, 상기 건조(T)의 상류에서 상기 중간 혼합물 분획(5)에 압축을 적용하고, 추가의 중간 혼합물 분획(8) 및 추가의 축합물(9)을 수득하기 위해, 추가의 축합(K2)을 적용하는 것인, 방법.
제1항 내지 제7항 중 한 항에 있어서, 상기 축합물(6, 9) 중 적어도 하나가 상기 공급 원료(1)와 함께 상기 전기 분해(E)로 부분적으로 또는 완전히 복귀되는 것인, 방법.
제1항 내지 제8항 중 한 항에 있어서, 상기 전기 분해(E)의 하류 및/또는 상기 촉매 전환(C)에서, 수소 농도 및/또는 가스 온도 및/또는 두 가스 온도 사이의 차이 및/또는 가스 압력을 포함하는 하나 이상의 공정 파라미터가 검출되고, 상기 제1 혼합물(4)의 제1 부분이
i) 상기 하나 이상의 공정 파라미터가 미리 결정된 임계값을 초과할 때 상기 미가공 애노드 가스(2)로 복귀되거나; 또는
ii) 상기 검출된 공정 파라미터를 사용하여 연속적으로 제어되는 양으로 복귀되는 것인, 방법.
제9항에 있어서, 미가공 애노드 가스(2)는 상기 하나 이상의 공정 파라미터 - 특히, 상기 두 가스 온도 사이의 차이 - 가 미리 결정된 한계값을 초과할 때 상기 공정으로부터 배출되는 것인, 방법.
제1항 내지 제10항 중 한 항에 있어서, 상기 전기 분해(E) 및/또는 상기 촉매 전환(C)은 상기 건조(T)가 또한 작용되는 압력 수준에서 작용되고/되거나; 상기 미가공 애노드 가스(2)로 복귀된 상기 제1 혼합물(4)의 부분은 상기 촉매 전환(C)이 작용되는 압력 수준으로 압축되는 것인, 방법.
제1항 내지 제11항 중 한 항에 있어서, 상기 미가공 애노드 가스(2)는 열교환기에서 상기 제1 혼합물(4)에 대해 가열되는 것인, 방법.
물을 함유하는 공급 원료(1)에 전기 분해(E)를 적용하여 산소가 풍부하고 수소를 함유하는 미가공 애노드 가스(2), 및 산소가 적고 수소가 풍부한 미가공 캐소드 가스(14)를 수득하도록 구성된 전기 분해 유닛을 갖는, 산소를 함유하는 가스 생성물(10)의 생성 플랜트로서, 상기 중간 혼합물(4)의 제1 부분을 상기 전기 분해(E) 하류와 상기 촉매 전환(C) 상류의 상기 미가공 애노드 가스(3)로 복귀시키고, 상기 중간 혼합물(4)의 제2 부분을 사용하여 산소를 함유하는 상기 가스 생성물(10)을 형성하도록 구성된 수단에 의해, 상기 미가공 애노드 가스(2)의 적어도 일부를 사용하여, 수소를 물로 촉매 전환(C)시켜 수소 함량이 격감된 중간 혼합물(4)을 수득하도록 구성된 촉매 전환 유닛을 특징으로 하는, 플랜트.
제13항에 있어서, 제2항 내지 제12항 중 한 항에 따른 방법의 모든 단계들을 수행하도록 구성된 수단을 더 포함하는, 플랜트.