KR20220150213A - 수소 펌프를 포함하는 고체 산화물 전해조 시스템 및 그 작동 방법 - Google Patents

수소 펌프를 포함하는 고체 산화물 전해조 시스템 및 그 작동 방법 Download PDF

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Abstract

고체 산화물 전해조 시스템을 작동시키는 방법은, 적어도 하나의 고체 산화물 전해조 전지(SOEC)에 물 유입 스트림을 제공하는 단계, 적어도 하나의 SOEC로부터 습윤 수소 생성물 스트림을 생성하는 단계, 적어도 하나의 수소 펌프에 상기 습윤 수소 생성물 스트림을 제공하는 단계, 적어도 하나의 수소 펌프에서 압축된 수소 생성물 및 펌핑되지 않은 유출물을 생성하는 단계, 및 상기 적어도 하나의 수소 펌프의 상류에서 펌핑되지 않은 유출물의 적어도 일부를 재순환시키는 단계를 포함한다.

Description

수소 펌프를 포함하는 고체 산화물 전해조 시스템 및 그 작동 방법{SOLID OXIDE ELECTROLYZER SYSTEMS CONTAINING HYDROGEN PUMP AND METHOD OF OPERATING THEREOF}
본 출원은 2021년 5월 3일자로 출원된 미국 임시특허출원 제63/183,275호에 대한 우선권의 이익을 주장하는 정규출원이며, 그 내용은 그 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다.
본 개시내용은 일반적으로 전해조 시스템, 특히 수소 펌프를 구비한 고체 산화물 전해조 전지(solid oxide electrolyzer cell; SOEC) 시스템에 관한 것이다.
고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cells; SOFC)는 물로부터 수소 및 산소를 생성하기 위해 전해조 전지로서 작동될 수 있다. 이러한 전지를 고체 산화물 전해조 전지(SOEC)라고 한다. SOFC 모드에서, 산소 이온은 캐소드 측(공기)에서 애노드 측(연료)으로 수송되고, 그 구동력은 전해질을 가로지르는 산소의 분압(partial pressure)의 화학적 구배이다. SOEC 모드에서 양의 전위는 전지의 공기 측에 적용되고 산소 이온은 연료 측에서 공기 측에 전달된다. SOFC 및 SOEC(즉, SOFC 캐소드는 SOEC 애노드, SOFC 애노드는 SOEC 캐소드임) 사이에서 캐소드 및 애노드가 반대이기 때문에, SOFC 캐소드(SOEC 애노드)를 공기 전극, SOFC 애노드(SOEC 캐소드)를 연료 전극이라고 한다. SOEC는: 세라믹(예컨대, 고체 산화물) 전해질(예컨대, 이트리아, 스칸디아 및/또는 세리아 안정화 지르코니아), 공기 전극 및 연료 전극을 포함한다. SOEC 모드에서, 연료 흐름의 물은 환원되어(H2O + 2e → O-2 + H2) H2 가스와 O-2 이온을 형성하고, O-2 이온은 고체 전해질을 통해 수송된 다음 공기 측에서 산화되어서(2O-2 → O2) 분자 산소를 생성한다.
일실시예에 따르면, 고체 산화물 전해조 시스템을 작동시키는 방법은: 적어도 하나의 고체 산화물 전해조 전지(SOEC)에 물 유입 스트림을 제공하는 단계, 적어도 하나의 SOEC로부터 습윤 수소 생성물 스트림을 생성하는 단계, 습윤 수소 생성물 스트림을 적어도 하나의 수소 펌프로 보내고, 적어도 하나의 수소 펌프에서 압축된 수소 생성물 및 펌핑되지 않은 유출물을 생성하고, 적어도 하나의 수소 펌프의 상류에서 상기 펌핑되지 않은 유출물의 적어도 일부를 재순환시키는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 방법은 습윤 수소 생성물 스트림을 적어도 하나의 수소 펌프에 제공하기 전에, 물을 응축시키고 습윤 수소 생성물 스트림으로부터 물을 배출시키는 단계를 추가로 포함한다. 펌핑되지 않은 유출물의 적어도 일부는, 송풍기에 의해, 적어도 하나의 수소 펌프의 유입구(inlet)로 재순환될 수 있고/있거나 송풍기에 의해 적어도 하나의 응축기를 통해 물 유입 스트림으로 재순환될 수 있다. 적어도 하나의 수소 펌프는, 99 부피% 초과의 수소를 포함하는 압축된 수소 생성물을 생성하는 전기화학적 수소 펌프를 포함할 수 있다. 선택적으로, 방법은, 적어도 하나의 수소 펌프로부터 적어도 하나의 추가적인 고압 수소 펌프로 압축된 수소 생성물을 제공하는 단계, 적어도 하나의 추가적인 고압 수소 펌프에서 추가적인 고압 압축된 수소 생성물 및 추가의 펌핑되지 않은 유출물을 생성하는 단계 및 추가의 펌핑되지 않은 유출물의 적어도 일부를 물 유입 스트림으로 재순환시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 고체 산화물 전해조 시스템은, 적어도 하나의 고체 산화물 전해조 전지(SOEC)를 포함하는 고온 박스에 유체 연결된 물 유입 도관, 적어도 하나의 수소 펌프, 적어도 하나의 수소 펌프의 유입구에 고온 박스의 생성물 방출구를 유체 연결하는 적어도 하나의 생성물 도관, 적어도 하나의 수소 펌프의 압축된 수소 생성물 방출구에 연결된, 압축된 수소 생성물 도관, 및 적어도 하나의 수소 펌프의 펌핑되지 않은 방출물 방출구에 연결되고, 적어도 하나의 수소 펌프의 상류의 펌핑되지 않은 유출물의 적어도 일부를 재순환시키도록 구성된 적어도 하나의 재순환 도관을 포함한다.
일실시예에서, 시스템은, 적어도 하나의 생성물 도관에 유체 연결된 응축기를 더 포함한다. 시스템은 또한, 펌핑되지 않은 유출물의 적어도 일부를, 적어도 하나의 수소 펌프의 유입구 및/또는 물 유입 도관으로 재순환시키도록 구성된 송풍기를 포함할 수 있다. 시스템은 선택적으로, 압축된 수소 생성물 도관에 유체 연결되고, 추가적인 고압 압축된 수소 생성물 및 추가의 펌핑되지 않은 유출물을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 추가 고압 수소 펌프, 및 물 유입 도관과, 적어도 하나의 추가 고압 수소 펌프의 추가의 펌핑되지 않은 유출물 방출구 사이에 유체 연결되는 적어도 하나의 수소 재순환 도관을 포함할 수 있다.
도 1, 2 및 3은 본 개시내용의 실시예에 따른 SOEC 시스템의 구성요소의 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, SOEC 시스템(100)은 적어도 하나의 SOEC 고온 박스(102)를 포함한다. 예를 들어, n개의 고온 박스(102)가 있을 수 있으며, 여기서 n은 1과 100 사이의 정수, 예를 들어 2에서 10, 예를 들어 4에서 8이다. 고온 박스(102)는, 그 고온 박스 전용의 추가적인 BOP(Balance of Plant) 장비를 포함하는 고온 박스 인클로저(103) 내부에 존재할 수 있다. 각각의 고온 박스(102)는, 가령 하나 이상의 SOEC 스택 또는 칼럼과 같은, 복수의 SOEC들을 포함한다. 각각의 고온 박스(102) 또는 고온 박스 인클로저(103)는 또한, 열 교환기, 수증기 생성기(water vaporizer), 송풍기, 도관, 밸브 등과 같은, 임의의 다른 적절한 BOP 구성요소를 포함할 수 있다. 각 고온 박스(102)는 또한, SOEC들에서 물의 전기분해를 생성하기 위해 전력을 공급하는 전기 입력부(예컨대, 전력 버스)를 포함할 수 있다.
각각의 고온 박스(102)는, 고온 박스(102)의 연료 유입구 내로 물 유입 스트림을 제공하는 물 유입 도관(2)(예를 들어, 파이프 또는 매니폴드)을 포함한다. 물은 도관(2)으로부터 고온 박스 내 각 SOEC 연료 전극으로 제공될 수 있다. 각각의 고온 박스(102)는 또한, 고온 박스(102)의 공기 유입구에 연결된 공기 유입 도관(4)을 포함할 수 있다. 공기 유입 스트림은, 도관(4)으로부터 고온 박스 내의 각각의 SOEC 공기 전극으로 제공될 수 있다. 도관(4)은 송풍기(미도시)에 연결될 수 있다.
전류 또는 전압이 고온 박스(102) 내의 각각의 SOEC에 인가된 후, SOEC들은, 산소가 풍부한(oxygen enriched) 공기 방출 스트림 및 습윤 수소 생성물 스트림을 생성한다. 산소가 풍부한 공기 스트림은 배출구(vent; 6)를 통해 각 고온 박스(102)의 공기 방출구로부터 배출될 수 있다. 생성물 스트림은 생성물 도관(8)을 통해 각 고온 박스(102)의 생성물 방출구로부터 출력된다. 생성물 스트림은, 약 70~90 부피%의 수소 가스와 10~30 부피%의 수증기를 포함하는, 수소와 수증기의 고온의 습윤한 혼합물이다. 생성물 스트림은, 100 내지 150℃의 온도일 수 있고, 0.1 내지 1 psig의 압력을 가질 수 있으며, 이는 하류의 장비 구성요소 및 도관을 통해 흐르는데 필요한 배압(backpressure)에 따라 상이하다.
복수의 고온 박스(102)가 시스템(100)에 존재하는 경우, 고온 박스(102)로부터의 생성물 스트림은, 생성물 도관(8)에 연결된 매니폴드(104)에서 조합될 수 있다.
고온 가스 혼합물은 매니폴드(104)로부터 도관(10)을 통해 응축기(106)로 배출된다. 응축기(condenser)는, 가령 냉각수 및/또는 공기와 같은 냉각 매체에 의해 냉각되어, 수증기를 액체인 물로 응축하고, 가령 50 내지 70℃와 같은 100℃ 미만으로 수소 온도를 감소시킨다. 액체 물은, 물 배출 도관(12)을 통해 응축기로부터 제거된다. 부분적으로 탈수된 생성물 스트림은, 응축기(106)로부터 도관(14)을 통해 하나 이상의 수소 펌프(108)로 제공된다. 하나 이상의 수소 펌프(108)는 전기화학 펌프 또는 펌프들을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 전기화학적 수소 펌프(108)는, 멤브레인을 가로질러 전류 또는 전압이 인가될 때에 중합체 멤브레인을 통해 순수 수소를 전기화학적으로 펌핑하는 분리기 및 수소 펌프를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 전기화학적 수소 펌프(108)는, "H2RENEWtm"이라는 명칭으로서, Skyre, Inc.로부터 입수할 수 있거나, 및/또는 미국 특허 제10,756,361호 및/또는 제10,648,089호에 기재된 고압 수소 분리 및 압축 시스템을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 수소 펌프(108)는, 수소의 더 높은 전체 회수율 및/또는 더 높은 처리량을 가능하게 하기 위해, 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 펌프(예를 들어, 복수의 분리 멤브레인 스택들)를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 펌프(108)는 탈수된 생성물 스트림에서 수소의 80% 초과를 회수할 수 있고, 압축 수소 생성물 도관(16)을 통해 99% 초과의 순수한 압축 수소 생성물을 출력할 수 있다. 예를 들어, 압축 수소 생성물은 15 psig 내지 10,000 psig, 가령 15 psig 내지 2,000 psig, 예컨대, 15 psig 내지 150 psig의 압력으로 가압되는, 적어도 99.99% 순수한(즉, 건조된) 수소일 수 있다. 압축된 수소 생성물은 추가적인 기계적 압축이나 건조 없이 보관하거나 사용할 수 있다.
수소 펌프(108)로부터의 펌핑되지 않은 유출물은, 주로 물(예를 들어, 수증기 및/또는 액체 물)과, 도관(14)에서 탈수된 생성물 스트림으로부터 분리되지 않은 나머지 수소를 함유한다. 예를 들어, 펌핑되지 않은 유출물은, 1~10 부피%의 수소와 같은 1 내지 15 부피%의 수소와, 일반적으로 물에 함유된 나머지 물과 다른 불순물을 함유할 수 있다. 펌핑되지 않은 유출물은, 수소 펌프(108)로부터 도관(18)을 통해 재순환 송풍기 및/또는 압축기(110)로 제공된다.
펌핑되지 않은 유출물 스트림은 송풍기(110)에 의해 재순환 도관(20)으로 재순환될 수 있다. 펌핑되지 않은 유출물은, 송풍기 및/또는 압축기(110)에 의해 2 내지 15 psig로 압축될 수 있다. 압력은, 의도되지 않은 물의 응축 아래로 발생되는 이슬점(dew point)을 유지하도록 선택될 수 있다. 압력이 높을수록 압축열로 인해 방출구 온도가 높아진다. 압축된 유출물이 재순환 도관(20)에서 우발적인 응축을 피하기에 충분히 뜨거워지도록 하기 위해 펌핑되지 않은 유출물을 더 높은 압력으로 압축하는 것이 바람직할 수 있다. 하나 이상의 선택적인 추가 응축기가 도관(18 및/또는 20)에 위치할 수 있으며, 이는 도 2와 관련하여 아래에서 더 상세히 설명될 것이다.
선택적인 압력 경감(relief) 구성요소(예컨대, 압력 경감 밸브 또는 배압 조절기) 및/또는 수동 액체 물 녹아웃(knockout) 구성요소(예컨대, 응축 플레이트 및/또는 중력 분리기)(112)는 재순환 도관(20)에 제공되어서, 펌핑되지 않은 유출물의 압력을 제어하고/하거나 펌핑되지 않은 유출물에서 액체 물의 일부를 수동적으로 제거한다. 그 다음, 펌핑되지 않은 유출물은, 복귀 도관(return conduit; 22)을 통해 수소 펌프(108)의 상류의 구성요소(112)로부터 재순환된다. 복귀 도관(22)은, 체크 밸브(check valve; 24)와 같은 흐름 제어 구성요소를 포함할 수 있다. 펌핑되지 않은 유출물은, 수소 펌프(108) 유입구의 상류 및 응축기(106) 방출구의 하류에 위치한 도관(14)으로 재순환될 수 있다. 대안적으로, 펌핑되지 않은 유출물은, 매니폴드(104) 및/또는 도관(10)으로 제공될 수 있다. 펌핑되지 않은 유출물은, 수소 펌프(108)의 상류 위치에서 생성물 스트림과 혼합된다. 따라서, 펌핑되지 않은 유출물의 나머지 수소가 낭비되는 대신에 수소 펌프(108)에 의해 회수될 수 있다.
도 2는, 펌핑되지 않은 유출물의 적어도 일부가 도관(2)의 물 유입 스트림을 통해 고온 박스(102) 내로 재순환되는, 본 개시내용의 대안적인 실시예의 시스템(200)을 도시한다. 시스템(200)은 또한, 선택적으로 송풍기(110) 및 수소 펌프(108) 펌핑되지 않은 유출물 방출구 사이에서 도관(18) 상에 위치하는 적어도 하나의 제2 응축기9114)를 포함할 수 있다. 도관(18)의 부분(18A)은 수소 펌프(108)를 제2 응축기(114)에 연결하고, 도관(18)의 부분(18B)은 제2 응축기(114)를 송풍기(110)에 연결한다. 적어도 하나의 응축기(114)는 직렬로 위치된 2개의 응축기를 포함할 수 있다. 상류 응축기는, 수냉식 또는 공랭식 응축기일 수 있고, 하류측 응축기는 수냉식 또는 공랭식 응축기의 하류에 위치한 냉각식 응축기(refrigerated condenser)일 수 있다. 펌핑되지 않은 유출물(effluent)은, 먼저 주변 온도 기반 냉각 매체(예컨대, 공기 또는 냉각수)로 가능한 한 많이 냉각된다. 그런 다음, 냉각식 응축기에서 5C 미만, 예를 들어 약 3C로 냉각하여, 복잡한 동결을 처리하지 않고 수분 제거를 최대화한다. 응축수는 물 배출 도관(32)을 통해 제2 응축기(114)로부터 제거된다. 물 녹아웃(water knockout)은, 제2 응축기(들)(114)의 설계에 통합되거나, 제2 응축기(들)(114)의 하류에 별도의 구성요소로서 포함될 수 있다. 도관(12 및 32)으로부터의 응축수는 정수 및/또는 재사용을 거칠 수 있다.
수소 및 잔류 물을 함유하는 건조된 펌핑되지 않은 유출물은, 제2 응축기(114)로부터 도관(18)의 부분(18B)을 통해 송풍기/압축기(110)로 제공된다. 건조된 펌핑되지 않은 유출물은, 송풍기/압축기(110)로 2-15 psig로 압축되고, 재순환 도관(20) 내에 제공된다. 건조된 펌핑되지 않은 유출물의 압력의 높을수록, 압축열로 인해 방출구 온도가 더 높아진다. 압축된 유출물이 도관(20)에서 우발적인 응축을 피하기에 충분히 뜨거워지도록 하기 위해, 펌핑되지 않은 건조 유출물을 더 높은 압력으로 압축하는 것이 바람직할 수 있다. 응축기의 더 낮은 온도는 또한, 도관(20) 내 스트림의 수분 함량을 낮추는 역할을 하고, 따라서, 부주의한 물의 응결의 가능성도 감소시킨다.
저압의 거의 건조된 유출물은, 도관(20)으로부터 압력 경감(relief) 구성요소(112)를 통하여, 복귀 도관(26)을 통해 SOEC 고온 박스(102)로 다시 재순환될 수 있다. 유출물은 단지 약 500 내지 10,000ppm의 물과 나머지 수소 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 복귀 도관(26)은, 유출물을 고온 박스(102) 외부 및/또는 고온 박스(102) 내부의 물 유입 도관(2)으로 재순환시킬 수 있다. 이 실시예에서, 고온 박스(102) 내의 SOEC는, 주로 수소를 함유하는 재순환된 유출물 및 물의 혼합물을 함유하는 유입 스트림 상에 작동한다. 선택적으로, 질량 유량 제어기(mass flow controller; MFC) 또는 비례 솔레노이드 밸브(PSV)와 같은 유량 제어기(28)는, 복귀 도관(26)과 물 유입 도관(2) 사이에 위치하여, 물 유입 도관(2) 내부로 재순환되는 수소의 양을 제어할 수 있다. 유량 제어기(28) 및 송풍기(110)는 가령, 컴퓨터 또는 전용 로직 칩과 같은, 제어 유닛에 의해 제어될 수 있다. 임의의 과량의 재순환된 수소는, 수소 펌프에 대한 공급 스트림으로서 수소 펌프(108) 상류의 도관(22)을 통해 복귀될 수 있다. 작은 수소 펌프 재순환 유량(flowrate)의 경우, 수소 펌프 유입 스트림의 이슬점(dewpoint)은, 거의 건조한 재순환된 수소를 주입해도 상대적으로 변하지 않으므로, 재순환 유출 스트림의 가습은 필요하지 않다. 수소 펌프(108)로의 상당한 재순환 흐름이 사용되는 경우, 도관(22)의 유출물 스트림은 재가습되거나 제1 응축기(106) 및/또는 제2 응축기(114)의 상류로 우회된다.
도 3은 수소 회수율을 증가시키기 위해 저압 및 고압 수소 펌프를 포함하는 본 개시내용의 다른 대안적인 실시예의 시스템(300)을 도시한다. 구체적으로, 적어도 하나의 수소 펌프(108)는, 수소를 비교적 낮은 압력(예를 들어, 15-150psig)으로 수소 유출 도관(34)으로 펌핑하도록 구성될 수 있다. 상대적으로 저압 수소 펌프(즉, 저압 펌프)(108)로부터의 압축된 수소 생성물은, 도관(34)을 통해 상기 적어도 하나의 상대적으로 고압의 수소 펌프(즉, 고압 펌프)(116)에 공급되며, 이는 물 함량이 여전히 적절하였음을 가정한다. 저압 펌프로부터의 펌핑되지 않은 유출물은, 시스템(100, 200)과 관련하여 전술한 바와 같이, 고온 박스들(102) 및/또는 저압 펌프(108) 내로 재순환을 위하여 도관(18)으로 제공될 수 있다.
고압 펌프(116)는, 펌핑된 압축 수소 생성물을 도관(16)으로 출력한다. 도관(16) 내의 압축 수소 생성물은, 비교적 높은 압력(예를 들어, 200 내지 10,000 psig)으로 압축된다. 비교적 건조한 수소와, 무시할 수 있는 양의 잔류 물을 함유하는 펌핑되지 않은 유출물은, 고압 펌프(116)에서 수소 재순환 도관(36)으로 제공된다. 펌핑되지 않은 유출물은, 수소 재순환 도관(36)으로부터 선택적인 압력 경감 구성요소(118)를 통해 복귀 도관(38)을 통해 고온 박스(102)의 물 유입 도관(2) 내로 및/또는 도관(40)을 통해 저압 펌프(108) 유입구의 상류의 도관(14)으로 제공될 수 있다. 시스템(300)에서, 수소는 도관(26 또는 38)에 의해 고온 박스들(102)로 재순환될 수 있다. 따라서, 도관(26)은, 수소가 복귀 도관(38)에 의해 고온 박스(102)로 재순환되는 경우 시스템(300)에서 생략될 수 있다. 대안적으로, 그러나 덜 바람직하게는, 도관(26)이 시스템(300)에 존재할 수 있고, 수소는 도관(26 및 38) 모두에 의해 고온 박스(102)로 재순환될 수 있다. 도관(40)은 체크 밸브(42)와 같은 흐름 제어 구성요소를 포함할 수 있다. 따라서, 더 건조한 수소 스트림을 고온 박스(102)로 재순환시키기 위해, 2개의 수소 펌프(108, 116)를 사용함으로써 냉각식 응축기가 생략될 수 있다.
저압 펌프(108)로부터의 도관(34)의 펌핑된 생성물이, 고압 펌프(116)에 대한 공급물로서 적합하지 않은 경우, 고압 펌프(116)는 저압 펌프(108)의 펌핑되지 않은 유출물 방출구의 하류 또는 저압 펌프(108) 유입구의 상류에 배치될 수 있다. 예를 들어, 고압 펌프(116)는 도관(18)(예를 들어, 도관(18)의 부분(18A) 또는 부분(18B)) 또는 도관(14) 상에 배치될 수 있다. 대안적으로, 저압 펌프(108)로부터 펌핑된 생성물이 고압 펌프(116)로 공급하기에 너무 건조하면, 저압 펌프(108) 및 고압 펌프(116)는 직렬 대신에 병렬로 도관(14)에 연결될 수 있다.
따라서, 시스템(100, 200 또는 300)은, 생성물 스트림으로부터 본질적으로 모든 수소가, 압축된 수소 생성물로서 도관(16)에 제공될 때까지, 각각의 고온 박스(102)로부터 출력된 생성물 스트림을 연속적으로 재순환시킬 수 있다. 도관(2)의 물 유입 스트림이 소량의 용존 공기(dissolved air)를 포함할 수 있다는 점을 감안할 때, 시스템(100, 200 또는 300)에는 질소 및/또는 아르곤을 포함하지만, 이에 국한되지 않는, 불활성 화학종의 축적(buildup) 가능성이 있다. 따라서, 선택적인 소형(불연속(batch) 또는 연속) 불활성 화학종의 퍼지 방출구는, 도관(10) 및/또는 도관(18)의 부분(18B)과 같은, 재순환 루프의 어느 곳에나 제공될 수 있다.
고온 박스(102)에서 SOEC의 시동 동안 생성된 재순환된 수소가 존재하지 않는다. 일실시예에서, SOEC 작동의 시동 기간 동안 수소가 필요한 경우, 수소는 수소 저장 용기(예컨대, 수소 실린더/탱크)에 저장될 수 있다. 이러한 저장 용기(storage vessel)는, 외부 수소 공급원에서 제공될 수 있거나, 및/또는 시스템(100, 200 또는 300)의 이전의 작동 중에 수소로 충전될 수 있다. 따라서, 수소는: SOEC의 시동 기간 동안 물 유입 도관(2)에 제공되거나, 및/또는 컨트롤러에 의해 결정되고 센서에 의해 감지되는 바와 같이, SOEC 동작을 위해 요구되는 수소 압력 아래로 복귀 도관(26 또는 38)의 압력이 떨어지는 경우 정상 상태 동작 동안에 제공될 수 있다.
선택적으로, 버퍼 탱크(buffer tanks)는 시스템(100, 200 또는 300)의 하나 이상의 도관에 위치할 수 있다. 버퍼 탱크는, 고온 박스(102)에서 생성된 수소 유량이 수소 펌프(108) 및.또는 다른 수소 재순환 구성요소의 처리량과 일치하지 않는 경우, 추가 흐름 용량을 제공한다.
개시된 양태들에 대한 상술한 설명은, 당업자가 본 발명을 제조하거나 사용할 수 있도록 제공되는 것이다. 이러한 양태들에 대한 다양한 수정사항들이, 당업자에게 용이하게 명백할 것이며, 본 명세서에 정의된 일반적인 원리는, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 양태들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 도시된 양태들에 제한되도록 의도되지 않고, 본 발명에는, 본 명세서에 개시된 원리 및 신규한 특징과 일치하는 가장 넓은 범위가 부여되어야 한다.

Claims (12)

  1. 고체 산화물 전해조 시스템을 작동시키는 방법으로서,
    적어도 하나의 고체 산화물 전해조 전지(solid oxide electrolyzer cell; SOEC)에 물 유입 스트림(water inlet stream)을 제공하는 단계;
    적어도 하나의 SOEC로부터 습윤 수소 생성물 스트림을 생성하는 단계;
    적어도 하나의 수소 펌프에 상기 습윤 수소 생성물 스트림을 제공하는 단계;
    적어도 하나의 수소 펌프에서 압축된 수소 생성물 및 펌핑되지 않은 유출물을 생성하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 수소 펌프의 상류에서 펌핑되지 않은 유출물의 적어도 일부를 재순환(recycle)시키는 단계
    를 포함하는, 고체 산화물 전해조 시스템을 작동시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 수소 펌프에 습윤 수소 생성물 스트림을 제공하기 이전에 상기 습윤 수소 생성물 스트림으로부터 물을 응축(condense) 및 배출시키는 단계를 더 포함하는, 고체 산화물 전해조 시스템을 작동시키는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펌핑되지 않은 유출물의 적어도 일부는, 송풍기에 의해 적어도 하나의 수소 펌프의 유입구로 재순환되는, 고체 산화물 전해조 시스템을 작동시키는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 펌핑되지 않은 유출물의 적어도 일부는, 송풍기에 의해 적어도 하나의 응축기를 통해 물 유입 스트림으로 재순환되는, 고체 산화물 전해조 시스템을 작동시키는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 수소 펌프는, 99 부피% 초과의 수소를 포함하는 압축된 수소 생성물을 생성하는, 전기화학적 수소 펌프를 포함하는, 고체 산화물 전해조 시스템을 작동시키는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 수소 펌프로부터의 압축된 수소 생성물을, 적어도 하나의 추가 고압 수소 펌프에 제공하는 단계;
    상기 적어도 하나의 추가 고압 수소 펌프에서 추가 고압 압축된 수소 생성물 및 추가 펌핑되지 않은 유출물을 생성하는 단계; 및
    상기 추가 펌핑되지 않은 유출물의 적어도 일부를, 물 유입 스트림으로 재순환시키는 단계
    를 더 포함하는, 고체 산화물 전해조 시스템을 작동시키는 방법.
  7. 고체 산화물 전해조 시스템으로서,
    적어도 하나의 고체 산화물 전해조 전지(SOEC)를 포함하는 고온 박스에 유체 연결(fluidly connect)되는 물 유입 도관;
    적어도 하나의 수소 펌프;
    상기 적어도 하나의 수소 펌프의 유입구에 고온 박스의 생성물 방출구를 유체 연결하는 적어도 하나의 생성물 도관;
    상기 적어도 하나의 수소 펌프의 압축된 수소 생성물 방출구에 연결된 압축된 수소 생성물 도관; 및
    상기 적어도 하나의 수소 펌프의 펌핑되지 않은 유출물 방출구에 연결되고, 상기 적어도 하나의 수소 펌프의 상류에서 펌핑되지 않은 유출물의 적어도 일부를 재순환시키도록 구성되는, 적어도 하나의 재순환 도관
    을 포함하는, 고체 산화물 전해조 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    적어도 하나의 생성물 도관에 유체 연결되는 응축기를 더 포함하는, 고체 산화물 전해조 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 펌핑되지 않은 유출물의 적어도 일부를 적어도 하나의 수소 펌프의 유입구로 재순환시키도록 구성된 송풍기를 더 포함하는, 고체 산화물 전해조 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 펌핑되지 않은 유출물의 적어도 일부를, 물 유입 도관으로 재순환시키도록 구성된 송풍기를 더 포함하는, 고체 산화물 전해조 시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 수소 펌프는, 99 부피% 초과의 수소를 포함하는 압축된 수소 생성물을 생성하는, 전기화학적 수소 펌프를 포함하는, 고체 산화물 전해조 시스템.
  12. 제7항에 있어서,
    압축된 수소 생성물 도관에 유체 연결되고, 추가 고압 압축된 수소 생성물 및 추가 펌핑되지 않은 유출물을 생성하도록 구성되는, 적어도 하나의 추가 고압 수소 펌프; 및
    상기 적어도 하나의 추가 고압 수소 펌프의 추가 펌핑되지 않은 유출물 방출구와, 상기 물 유입 도관 사이에 유체 연결되는, 적어도 하나의 수소 재순환 도관
    을 더 포함하는, 고체 산화물 전해조 시스템.
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3122669B1 (fr) * 2021-05-04 2023-04-21 Commissariat Energie Atomique Système d’électrolyseur haute température à compression optimisée
US20230155214A1 (en) * 2021-11-12 2023-05-18 Bloom Energy Corporation Electrolyzer system with steam generation and method of operating same
KR20230107139A (ko) * 2022-01-07 2023-07-14 블룸 에너지 코퍼레이션 고체 산화물 전해조용 기화기 및 외부 스팀
KR20230107140A (ko) * 2022-01-07 2023-07-14 블룸 에너지 코퍼레이션 모듈형 전해조 시스템
TW202405245A (zh) * 2022-01-07 2024-02-01 美商博隆能源股份有限公司 蒸汽用途及安全系統
JP2023113576A (ja) * 2022-01-18 2023-08-16 ブルーム エネルギー コーポレイション Ｓｏｅｃシステムの大気動作のためのコンプレッサー統合及び安全な動作始動
DE102022211743A1 (de) * 2022-11-08 2024-05-08 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Elektrolysesystem, insbesondere zur atmosphärischen Wasserelektrolyse

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8293412B2 (en) * 2007-11-20 2012-10-23 Bloom Energy Corporation Enhanced efficiency of a combined SORFC energy storage and fuel generation system
FR2969179B1 (fr) * 2010-12-20 2013-02-08 Commissariat Energie Atomique Cellule de production d'hydrogene comprenant une cellule d'electrolyseur de la vapeur d'eau a haute temperature.
US10756361B2 (en) 2014-12-29 2020-08-25 Skyre, Inc. Intermediate module for electrochemical cell stack
EP3879005A4 (en) * 2018-11-05 2022-01-05 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. ELECTROCHEMICAL HYDROGEN COMPRESSION DEVICE AND METHOD OF OPERATING AN ELECTROCHEMICAL HYDROGEN COMPRESSION DEVICE

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