KR20220151597A - 수소 생성 시스템 및 이용 방법 - Google Patents

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매튜 도슨
니콜라스 파란도스
제이슨 다나
진 도슨
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유틸리티 글로벌 인코포레이티드
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Abstract

본 명세서에서는, 촉매 부분 산화(catalytic partial oxidation: CPOX) 반응기; 스팀 발생기; 및 전기 화학적(EC) 반응기를 구비하되, CPOX 반응기의 생성 스트림(product stream)이 EC 반응기로 도입되고, 스팀 발생기가 스팀을 EC 반응기에 제공하며, 생성 스트림과 스팀이 EC 반응기에서 서로 접촉하지 않는, 수소 생성 시스템이 논의된다. 실시 예에 있어서, EC 반응기는 CO 및 CO2를 구비한 제 1 생성 스트림과, H2 및 H2O를 구비한 제 2 생성 스트림을 발생하며, 2개의 생성 스트림들은 서로 접촉하지 않는다.

Description

수소 생성 시스템 및 이용 방법
본 발명은, 일반적으로, 수소 생성에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 전기 화학적 경로들(electrochemical pathways)을 수반하는 수소 생성에 관한 것이다.
석유 및 화학 산업에서는 대량의 수소가 필요하다. 예를 들어, 화석 연료를 개질하고 암모니아 또는 메탄올 또는 염산의 생산에 있어서 대량의 수소가 이용된다. 석유 화학 플랜트들은 수소화분해(hydrocracking), 수소화탈황(hydrodesulfurization), 수소화탈알킬화(hydrodealkylation)를 위해 수소를 필요로 한다. 불포화 지방 및 오일의 포화 레벨을 증가시키기 위한 수소 첨가 공정들은 수소를 필요로 한다. 또한, 수소는 금속 광석(metallic ores)의 환원제이다. 수소는, 물의 전기 분해, 스팀 개질, 실험실 규모 금소-산 공정(lab-scale metal-acid process), 열화학 방법 또는 혐기성 부식(anaerobic corrosion)으로부터 생성될 수 있다. 많은 국가들이 수소 경제를 목표로 하고 있다.
수성-가스 시프트(water-gas shift: WGS) 반응은 이산화탄소와 수소를 형성하기 위한 일산화탄소와 수증기의 반응을 설명한다: CO + H2O ⇔ CO2　+ H2. 역방향 수성 가스 시프트(reverse water gas shift: RWGS) 반응은 역방향 반응, 즉, 일산화탄소와 물을 형성하기 위한 이산화탄소와 수소의 반응이다. 이러한 2가지 반응들, 즉, WGS와 RWGS는 평형 상태이다. 예를 들어, 암모니아, 탄화수소, 메탄올 및 수소의 생성과 같은, 많은 애플리케이션에서 WSG 평형이 존재한다. 그것은, 메탄과 다른 탄화수소의 스팀 개질과 공조하여 이용되는 경우도 있다. Fischer-Tropsch 공정에 있어서, WGS 평형 반응은 H2/CO 비율의 균형을 맞추는데 이용되는 가장 중요한 반응들 중 하나이다. 추가적으로, WGS 평형 반응들은 수소를 생성하기 위해 석탄의 가스화와 조합된다. 통상적으로, WGS 반응들은 2개 카테고리의 촉매들, 즉, 고온 시프트(high temperature shift: HTS) 촉매와 저온 시프트(low temperature shift: LTS) 촉매에 의해 촉매화된다. HTS 촉매는 산화크롬(chromium oxide)에 의해 안정화되는 산화철로 구성되며, LTS 촉매는 구리에 기반한다. 지금까지, WGS 평형 반응은 화학적으로 수행되어 왔다.
통상적인 실시와 다르게, 본 개시는 전기 화학적으로 수행되는 WGS 반응의 예상밖의 발견을 논의한다. 전기 화학적 반응기 및 그러한 반응을 수행하기 위한 방법이 논의된다. 특히, 본 개시는 수소 생성을 위한 방법 및 시스템에 대한 논의를 포함한다.
본 명세서에서는, 촉매 부분 산화(catalytic partial oxidation: CPOX) 반응기; 스팀 발생기; 전기 화학적(EC) 반응기를 구비하는 수소 생성 시스템이 논의되며, CPOX 반응기의 생성 스트림(product stream)은 EC 반응기로 도입되고, 스팀 발생기는 스팀을 EC 반응기에 제공하며, 생성 스트림과 스팀은 EC 반응기에서 서로 접촉하지 않는다. 실시 예에 있어서, EC 반응기는 CO 및 CO2를 구비한 제 1 생성 스트림과, H2 및 H2O를 구비한 제 2 생성 스트림을 발생하며, 2개의 생성 스트림들은 서로 접촉하지 않는다. 실시 예에 있어서, 시스템은 제 2 생성 스트림의 일부가 재순환되어 EC 반응기에 인가되도록 구성된다.
실시 예에 있어서, CPOX 반응기는 산화제로서 공기를 이용하며, 선택적으로 CPOX 반응기의 생성 스트림은 가스 분리없이 EC 반응기에 직접 도입된다. 실시 예에 있어서, 시스템은, 제 1 생성 스트림의 적어도 일부가 재순환되어 스팀 발생기에 인가되도록 구성된다.
실시 예에 있어서, CPOX 반응기는 산화제로서 산소를 이용하며, 선택적으로 CPOX 반응기의 생성 스트림은 가스 분리없이 EC 반응기로 직접 도입된다.
실시 예에 있어서, 시스템은, 제 1 생성 스트림의 적어도 일부가 CPOX 반응기로 재순환되도록 구성된다. 실시 예에 있어서, 시스템은, 제 1 생성 스트림의 적어도 일부가 탄소 포획 유닛(carbon capture unit)으로 보내지도록 구성된다.
실시 예에 있어서, EC 반응기는 이온 전도성 멤브레인(ionically conducting membrane)을 구비하며, 반응기는 전기 화학적으로 수성 가스 시프트 반응들을 수행할 수 있고, 전기 화학적 수성 가스 시프트 반응들은 멤브레인을 통한 이온의 교환을 수반하고 순방향 수성 가스 시프트 반응(forward water gas shift reaction), 역방향 수성 가스 시프트 반응 또는 그 둘 모두를 포함한다. 실시 예에 있어서, 멤브레인은 전자적으로 전도성이다.
실시 예에 있어서, EC 반응기는 금속 페이즈(metallic phase) 및 세라믹 페이즈(ceramic phase)를 구비한 다공성 전극을 구비하며, 금속 페이즈는 전자적 전도성이고, 세라믹 페이즈는 이온 전도성이다. 실시 예에 있어서, EC 반응기는 애노드, 캐소드 및 애노드 측상의 촉매를 구비하며, 촉매는 화학적 역방향 수성 가스 시프트(RWGS) 반응을 촉진시킨다.
또한 본 명세서에서는, 탄화수소를 촉매 부분 산화(CPOX) 반응기에 도입하여 생성 스트림을 발생하고, 상기 생성 스트림과 스팀을 전기 화학적(EC) 반응기로 제공하는 것을 구비한 수소 생성 방법이 논의되며, 생성 스트림과 스팀은 EC 반응기에서 서로 접촉하지 않는다.
실시 예에 있어서, EC 반응기는 이온 전도성 멤브레인(ionically conducting membrane)을 구비하며, 반응기는 전기 화학적으로 수성 가스 시프트 반응들을 수행할 수 있고, 전기 화학적 수성 가스 시프트 반응들은 멤브레인을 통한 이온의 교환을 수반하고 순방향 수성 가스 시프트 반응(forward water gas shift reaction), 역방향 수성 가스 시프트 반응 또는 그 둘 모두를 포함한다. 실시 예에 있어서, 멤브레인은 전자적으로 전도성이다. 실시 예에 있어서, 멤브레인은 스팀으로부터 생성 스트림을 분리한다.
실시 예에 있어서, EC 반응기는 환원 환경에서 CPOX 반응기의 생성 스트림을 산화시키고, CO 및 CO2를 구비한 제 1 생성 스트림을 발생하며, EC 반응기는 전기 화학적으로 스팀을 수소로 환원시키고, H2 및 H2O를 구비한 제 2 생성 스트림을 발생한다. 실시 예에 있어서, 멤브레인은 제 1 및 제 2 생성 스트림들을 분리한다. 실시 예에 있어서, 제 2 생성 스트림의 적어도 일부는 재순환되어 EC 반응기로 인가된다.
실시 예에 있어서, CPOX 반응기는 산화제로서 공기를 이용하며, 선택적으로, CPOX 반응기의 생성 스트림은 가스 분리없이 EC 반응기에 직접 도입된다. 실시 예에 있어서, 제 1 생성 스트림의 적어도 일부는 물로부터 스팀을 생성하는데 이용된다.
실시 예에 있어서, CPOX 반응기는 산화제로서 산소를 이용하며, 선택적으로 CPOX 반응기의 생성 스트림은 가스 분리없이 EC 반응기로 직접 도입된다. 실시 예에 있어서, 제 1 생성 스트림의 적어도 일부는 CPOX 반응기로 재순환되며, 선택적으로, 제 1 생성 스트림의 적어도 일부는, CO2를 격리시키기 위해 탄소 포획 유닛으로 보내진다.
실시 예에 있어서, EC 반응기는 애노드, 캐소드 및 애노드 측상의 촉매를 구비하며, 촉매는 화학적 역방향 수성 가스 시프트(RWGS) 반응들을 촉진시킨다.
추가적인 측면들 및 실시 예들이 이하에 도면들, 상세 설명 및 청구항들에 제공된다. 다르게 특정하지 않는다면, 본 명세서에 서술된 특징들은 조합 가능하며, 그러한 조합들의 모두는 본 개시의 범주내에 있다.
본 명세서에 서술된 특정 실시 예들을 예시하기 위해 이하의 도면들이 제공된다. 그 도면들은 단지 예시적인 것으로 청구된 발명들의 범주를 제한하기 위한 것도 아니고, 청구된 발명들의 모든 잠재적인 특징 또는 실시 예를 보여주기 위한 것도 아니다. 그 도면들은 축척으로 도시되지 않았으며, 일부 예시들에 있어서, 도면의 특정 요소들은 예시를 위해 도면의 다른 요소들에 대해 확대될 수 있다.
도 1은 본 개시의 실시 예에 따른, 전기 화학적 반응기 또는 전기 화학적(EC) 가스 생성기를 도시한 도면이다.
도 2a는 본 개시의 실시 예에 따른, 관 모양의 전기 화학적 반응기를 도시한 도면이다.
도 2b는 본 개시의 실시 예에 따른, 관 모양의 전기 화학적 반응기의 단면도이다.
도 3a는 본 개시의 실시 예에 따른 수소 생성 시스템을 도시한 도면이다.
도 3b는 본 개시의 실시 예에 따른 대안적인 수소 생성 시스템을 도시한 도면이다.
개요
본 명세서에서의 개시는 전기 화학적 WGS 반응기 및 이용 방법을 서술한다. 특히, 본 개시는 수소 생성을 위한 방법들 및 시스템들을 논의한다. 전극들 및 멤브레인들과, 그 구성 요소들의 구성 물질과 같은 반응기의 다양한 구성 요소들이 서술된다. 이하의 설명은 본 명세서에 개시된 발명들의 다양한 측면 및 실시 예들을 나열한다. 본 발명의 범주를 정의하기 위한 특정 실시 예는 없다. 그 보다는, 그 실시 예들은 청구된 발명들의 범주내에 포함되는 다양한 구성물들 및 방법들의 비-제한적 예시를 제공한다. 그 설명은, 본 기술 분야의 숙련자 관점으로부터 읽혀져야 한다. 그러므로, 본 기술 분야의 숙련자에게 잘 알려진 정보는 포함되지 않을 수 있다.
이하의 용어들 및 어구들은, 본 명세서에서 다르게 제공하지 않는다면, 이하에 나타낸 의미를 가진다. 본 개시는 본 명세서에서 명확하게 정의되지 않은 다른 용어들 및 어구들을 채용할 수 있다. 그러한 다른 용어들 및 어구들은, 본 개시의 문맥내에서 그들이 본 기술 분야의 숙련자에게 지니는 의미들을 가져야 한다. 일부 예시들에 있어서, 용어 또는 어구는 단수형 또는 복수형으로 정의될 수 있다. 그러한 예시들에 있어서, 명백하게 반대로 표시되지 않는다면, 단수형의 임의 용어는 그의 복수형을 포함할 수 있으며, 그 반대로도 가능함을 알 것이다.
본 명세서에서 이용되는 단수형은, 그 문맥이 명확하게 다르게 지시하지 않는다면, 복수형의 지시 대상을 포함한다. 예를 들어, "치환기(substituent)"라는 언급은 단일 치환기 및 2개 이상의 치환기 등을 포괄한다. 본 명세서에서 이용되는 "예를 들어", "와 같은" 또는 "포함하는"은 보다 일반적인 주제를 추가적으로 명확하게 하는 예시들을 도입하기 위한 것이다. 명확하게 다르게 표시하지 않는다면, 그러한 예시들은 단지 본 개시에서 예시된 실시 예들을 이해하는데 도움을 주기 위해서 제공되며, 임의 방식으로 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한, 이 어구들이 개시된 실시 예에 대한 임의 유형의 선호를 나타내지도 않는다.
본 명세서에서 이용된 구성물들 및 물질들은, 다르게 특정되지 않는다면, 상호 교환하여 이용된다. 각 구성물/물질은 다수의 요소들, 페이즈들 및 구성 요소들을 가질 수 있다. 본 명세서에서 이용된 가열은 구성물들 또는 물질들에 에너지를 능동적으로 추가하는 것을 지칭한다.
본 개시에 있어서, 상당량의 아닌 H2는, 수소의 부피 콘텐츠(volume content)가 최대 5% 이하, 최대 3% 이하, 최대 2% 이하, 최대 1% 이하, 최대 0.5% 이하, 최대 0.1% 이하 또는 최대 0.05% 이하임을 의미한다.
본 명세서에서 이용된, CGO는 가돌리늄 도핑된 세리아(Gadolinium-Doped Ceria)를 지칭하는데, 이는 또한 대안적으로, 가돌리니아(gadolinia) 도핑된 세리아, 가돌리늄 도핑된 세륨 산화물(gadolinium-doped cerium oxide), 세륨(IV) 산화물, 가돌리늄 도핑된 GDC 또는 GCO(화학식 Gd:CeO2)로서 알려져 있다. CGO 및 GDC는 다르게 특정하지 않는다면 상호 교환 가능하게 이용된다. 본 개시에 있어서 합성가스(Syngas, 즉, synthesis gas)는 주로 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소로 구성된 혼합물을 지칭한다.
본 명세서에 이용된, 세리아는, 세릭 산화물(ceric oxide), 세릭 이산화물(ceric dioxide) 또는 세륨 이산화물(cerium dioxide)로 알려진 세륨 산화물을 지칭하며, 이는 희토류 금속 세륨의 산화물이다. 도핑된 세리아는, 사마리아-도핑된 세리아(SDC), 가돌리늄-도핑된 세리아(GDC 또는 CGO)와 같이, 다른 요소들로 도핑된 세리아를 지칭한다. 본 명세서에서 이용된, 크로마이트(chromite)는, 크롬 산화물들의 산화 상태 모두를 포함하는, 크롬 산화물을 지칭한다.
본 명세서에서 이용된 불침투성의 층 또는 물질은 그것이 유체 흐름에 대해 불침투성임을 지칭한다. 예를 들어, 불침투성 층 또는 물질은 1 마이크로 다시(micro darcy) 미만 또는 1 나노 다시 미만의 침투성을 가진다.
본 개시에 있어서, 소결은 액화 정도까지 물질을 용융시키지 않고, 열, 압력 또는 그들의 조합에 의해 고체 물질 덩어리를 형성하기 위한 공정을 지칭한다. 예를 들어, 물질 입자들은 가열됨에 의해 고체 또는 다공성 덩어리로 합쳐지며, 물질 입자들에 있어서의 원자들은 입자들의 경계를 가로질러 확산되며, 그에 따라 그 입자들이 함께 융합되어 하나의 고체 조각을 형성한다.
전기 화학은, 측정 가능한 양적 현상으로서의 전위와 식별 가능한 화학적 변화간의 관계와 연관된 물리 화학의 한 가지로서, 특정 화학적 변화의 결과로서의 전위 또는 그 반대의 경우가 가능하다. 이러한 반응들은 이온 전도성이고 전자적 절연인 멤브레인(또는 용제에 있어서의 이온 종(ionic species))에 의해 분리되는, 전자적-전도성 페이즈(전형적으로 그러나 필수적인 것은 아니지만, 외부 전기 회로)를 통해 전극들간에 이동하는 전자들을 수반한다. 화학적 반응이, 전기 분해에서 처럼, 전위차에 의해 이루어지거나, 전위가 배터리 또는 연료 셀에서 처럼 화학적 반응으로부터 결과하면, 이를 전기 화학적 반응이라 한다. 화학적 반응과 다르게, 전기 화학적 반응에 있어서의 전자들(또는 필연적으로 결과하는 이온들)은 분자들간에 직접 전달되는 것이 아니라, 각각 상술한 전자적 전도성 및 이온 전도성 회로들을 통해 전달된다. 이러한 현상이 화학적 반응과 구별되는 전기 화학적 반응이다.
통상적인 실시와는 다르게, 이온 전도성 멤브레인을 구비한 전기 화학적 반응기가 발견되었으며, 그 반응기는 전기 화학적으로 수성 가스 시프트 반응들을 수행할 수 있고, 전기 화학적 수성 가스 시프트 반응들은 멤브레인을 통한 이온의 교환을 수반하고, 순방향 수성 가스 시프트 반응(forward water gas shift reaction), 역방향 수성 가스 시프트 반응 또는 그 둘 모두를 포함한다. 이것은, 화학 경로들을 통한 수성 가스 시프트 반응과 다른데, 그 이유는 화학 수성 가스 시프트 반응이 반응물(reactant)들의 직접적인 조합을 수반하기 때문이다.
실시 예에 있어서, 그 반응기는 금속 페이즈(metallic phase) 및 세라믹 페이즈(ceramic phase)를 구비한 다공성 전극을 구비하며, 금속 페이즈는 전자적 전도성이고, 세라믹 페이즈는 이온 전도성이다. 다양한 실시 예들에 있어서, 전극들은 그들에 부착된 전류 콜렉터(current collector)가 없다. 다양한 실시 예들에 있어서, 그 반응기는 어떠한 전류 콜렉터도 포함하지 않는다. 명백히, 그러한 반응기는 어떠한 전기 분해 디바이스 또는 연료 셀과 기본적으로 다르다.
실시 예에 있어서, 반응기에 있어서의 전극들 중 하나는 전기 화학적으로 산화 반응을 실행하면서 환원 환경에 노출되도록 구성되는 애노드이다. 다양한 실시 예들에 있어서, 전극들은, YSZ, CGO, SDC, SSZ, LSGM 및 그들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질과 Ni 또는 NiO를 구비한다.
반응기에서 이루어지는 전기 화학적 수성 가스 시프트 반응들은 전기 화학적 반-전지 반응(electrochemical half-cell reaction)들을 구비하며, 반-전지 반응은 아래와 같다.
1. H2(gas) + O2- ⇔ H2O(gas) + 2e-
2. H2O(gas) + 2e- ⇔ H2(gas) + O2-
다양한 실시 예들에 있어서, 반-전지 반응은 3-페이즈 경계들(triple phase boundaries)에서 이루어지며, 3-페이즈 경계들은 전자적 전도성 페이즈 및 이온 전도성 페이즈와 공극들(pores)의 교차점이다. 또한, 반응기는 화학적 수성 가스 시프트 반응들을 실행할 수 있다.
다양한 실시 예들에 있어서, 이온 전도성 멤브레인은 양자(proton)들 또는 산화물 이온들을 도통시킨다. 다양한 실시 예들에 있어서, 이온 전도성 멤브레인은 고체 산화물을 구비한다. 다양한 실시 예들에 있어서, 이온 전도성 멤브레인은 유체 흐름에 대해 불침투성이다. 다양한 실시 예들에 있어서, 이온 전도성 멤브레인은 전자들을 도통시키며, 반응기는 상호 접속체를 구비하지 않는다.
실시 예에 있어서, 멤브레인은 도핑된 란탄 크로마이트(lanthanum chromite), 전자적 전도성 금속 또는 그들의 조합을 함유한 전자적 전도성 페이즈를 구비하며, 멤브레인은 가돌리늄 또는 사마리늄 도핑된 세리아, 산화이트륨 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 란탄 스트론튬 갈산염 마그네사이트(lanthanum strontium gallate magnesite, LSGM), 스칸디아-안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, SSZ), Sc 및 Ce 도핑된 지르코니아, 및 그들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질을 함유한 이온 전도성 페이즈를 구비한다. 실시 예에 있어서, 도핑된 란탄 크로마이트는 스트론튬 도핑된 란탄 크로마이트, 철 도핑된 란탄 크로마이트, 스트론튬 및 철 도핑된 란탄 크로마이트, 란탄 칼슘 크로마이트 또는 그들의 조합을 구비하고, 전도성 금속은 Ni, Cu, Ag, Au, Pt, Rh 또는 그들의 조합을 구비한다.
본 명세서에서는, 이원 기능층(bi-functional layer)과 혼합 전도성 멤브레인을 구비하는 반응기가 논의되며, 이원 기능층 및 혼합 전도성 멤브레인은 서로 접촉하며, 이원 기능층은 역방향 수성 가스 시프트(RWGS)에 대한 촉매로 작용하고, 전기 화학적 반응에 있어서 애노드(anode)로서 기능한다. 실시 예에 있어서, 애노드로서의 이원 기능층은 환원 환경에 노출되며, 이원 기능층에서 일어나는 전기 화학적 반응은 산화이다. 실시 예에 있어서, 이원 기능층에 부착되는 전류 콜렉터는 없다. 실시 예에 있어서, 이원 기능층은 YSZ, CGO, SDC, SSZ, LSGM 및 그들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질과 Ni 또는 NiO를 구비한다.
실시 예에 있어서, 멤브레인은 도핑된 란탄 크로마이트(lanthanum chromite), 전자적 전도성 금속 또는 그들의 조합을 함유한 전자적 전도성 페이즈를 구비하며, 멤브레인은 가돌리늄 또는 사마리늄 도핑된 세리아, 산화이트륨 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 란탄 스트론튬 갈산염 마그네사이트(lanthanum strontium gallate magnesite, LSGM), 스칸디아-안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, SSZ), Sc 및 Ce 도핑된 지르코니아, 및 그들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질을 함유한 이온 전도성 페이즈를 구비한다. 실시 예에 있어서, 도핑된 란탄 크로마이트는 스트론튬 도핑된 란탄 크로마이트, 철 도핑된 란탄 크로마이트, 스트론튬 및 철 도핑된 란탄 크로마이트, 란탄 칼슘 크로마이트 또는 그들의 조합을 구비하고, 전도성 금속은 Ni, Cu, Ag, Au, Pt, Rh 또는 그들의 조합을 구비한다. 다양한 실시 예에 있어서, 반응기는 상호 접속체를 구비하지 않는다.
그러한 반응기는 다양한 애플리케이션을 가진다. 실시 예에 있어서, 반응기는 이산화탄소의 수소 첨가를 통해 일산화탄소를 생성하는데 이용된다. 또 다른 실시 예에 있어서, 반응기는 H2를 CO로 변환하거나 CO를 H2로 변환함에 의해 합성 가스 구성물(즉, H2/CO 비율)을 조절하는데 이용된다. 이하의 논의는 수소 생성을 예시적으로 다루지만, 반응기의 애플리케이션이 수소 생성에 국한되는 것은 아니다.
전기 화학적 반응기
도 1은 본 개시의 실시 예에 따른, 전기 화학적 반응기 또는 전기 화학적(EC) 가스 생성기(100)를 도시한 도면이다. EC 가스 생성기 디바이스(100)는 제 1 전극(101), 멤브레인(103) 및 제 2 전극(102)을 구비한다. 제 1 전극(101)(이는 애노드 또는 이원-기능층(bi-functional layer)로서 지칭됨)은 연료(104)를 수용하도록 구성된다. 스트림(104)은 산소를 함유하지 않는다. 제 2 전극(102)은 105로 나타낸 바와 같이 물(예를 들어, 스팀)을 수용하도록 구성된다.
실시 예에 있어서, 디바이스(100)는 제 1 전극(101)에서 CO, 즉 일산화탄소(104)를 수용하고 CO/CO2(106)를 발생하도록 구성된다. 디바이스(100)는 제 2 전극(102)에서 물 또는 스팀(105)을 수용하고 수소(107)를 발생하도록 구성된다. 일부 경우에, 제 2 전극은 스팀과 수소의 혼합물을 수용한다. 물이 반대측 전극에서 CO를 산화시키는데 필요한 (멤브레인을 통해 운송되는) 산화물 이온을 제공하기 때문에, 물은 본 시나리오에서 산화제인 것으로 간주된다. 그래서, 제 1 전극(101)은 환원 환경에서 산화 반응을 수행한다. 여러 실시 예들에 있어서, 103은 산화물 이온 전도성 멤브레인을 나타낸다. 실시 예에 있어서, 제 1 전극(101)과 제 2 전극(102)은 Ni-YSZ 또는 NiO-YSZ을 구비할 수 있다. 실시 예에 있어서, 산화물 이온 전도성 멤브레인(103)은 전자들을 도통시킨다.
실시 예에 있어서, 디바이스(100)는 제 2 전극(102)으로부터의 수소(107)와 제 1 전극(101)으로부터의 합성 가스(106)를 동시에 생성하도록 구성된다. 실시 예에 있어서, 104는 디바이스(100)에 인가되는 메탄 및 물 또는 메탄 및 이산화탄소를 나타낸다. 다른 실시 예에 있어서, 103은 산화물 이온 전도성 멤브레인을 나타낸다. 실시 예에 있어서, 제 1 전극(101)과 제 2 전극(102)은 Ni-YSZ 또는 NiO-YSZ를 구비한다. 화살표(104)는 탄화수소 및 물 또는 탄화수소 및 이산화탄소의 유입을 나타낸다. 화살표(105)는 물 또는 물과 수소의 유입을 나타낸다. 일부 실시 예들에 있어서, 전극(101)은 Cu-CGO를 구비하거나, 추가적으로 및 선택적으로 CuO 또는 Cu2O 또는 그들의 조합을 구비한다. 전극(102)은 Ni-YSZ 또는 NiO-YSZ를 구비한다. 화살표(104)는 물이 거의 없거나 아예 없고, 이산화탄소가 없고, 산소가 없는 탄화수소의 유입을 나타나며, 105는 물 또는 물과 수소의 유입을 나타낸다. 물이 반대측 전극에서 탄화수소/연료를 산화시키는데 필요한 (멤브레인을 통해 운송되는) 산화물 이온을 제공하기 때문에, 물은 본 시나리오에서 산화제인 것으로 간주된다.
본 개시에 있어서, 무산소(no oxygen)는 제 1 전극(101)에 존재하는 산소가 없거나, 적어도 반응을 방해할 정도로 산소가 충분하지 않음을 의미한다. 또한, 본 개시에 있어서, 물은 단지, 의도된 피드스톡(feedstock)이 물임을 의미하며, 물내의 미량 원소(trace element) 또는 본질적인 성분을 배제하는 것은 아니다. 예를 들어, 소금 또는 철을 함유한 물은 단지 물의 범주내인 것으로 간주된다. 물은, 100% 순수한 물을 요구하는 것이 아니며 본 실시 예를 포함한다. 실시 예에 있어서, 제 2 전극(102)으로부터 생성된 수소는 순수한 수소이며, 이것은, 제 2 전극으로부터 생성된 가스 페이즈에 있어서, 수소가 주요 성분임을 의미한다. 일부 경우에 있어서, 수소 콘텐츠는 최소 99.5% 이상이다. 일부 경우에 있어서, 수소 콘텐츠는 최소 99.9% 이상이다. 일부 경우에 있어서, 제 2 전극으로부터 생성된 수소는 물의 전기 분해로부터 생성된 것과 동일한 순도를 가진다.
실시 예에 있어서, 제 1 전극(101)은 메탄 및 물 또는 메탄 및 이산화탄소를 수용하도록 구성된다. 실시 예에 있어서, 그 연료는 1-12, 1-10 또는 1-8 범위내의 탄소 번호를 가진 탄화수소를 구비한다. 가장 바람직하게, 그 연료는 메탄 또는 압도적으로 메탄이 많은 천연 가스이다. 실시 예에 있어서, 디바이스는 전기를 발생하지도 않으며 연료 셀도 아니다.
다양한 실시 예에 있어서, 그 디바이스는 전류 콜렉터를 포함하지 않는다. 실시 예에 있어서, 그 디바이스는 상호 접속체를 구비하지 않는다. 전기가 필요치 않으며, 그러한 디바이스는 전해조(electrolyzer)가 아니다. 멤브레인(103)은 전자들을 도통시키도록 구성되며 그래서 혼합 전도성, 즉, 전자적 전도성이고 이온 전도성이다. 실시 예에 있어서, 멤브레인(103)은 산화물 이온과 전자들을 도통시킨다. 실시 예에 있어서, 전극들(101,102) 및 멤브레인(103)은 관 모양이다(도 2a 및 2b를 참조). 실시 예들에 있어서, 전극들(101,102)과 멤브레인(103)은 평면이다. 이 실시 예들에 있어서, 애노드 및 캐소드에서의 전기 화학적 반응은, 반응기에 전위/전기를 인가할 필요가 없는, 자발성이다.
실시 예에 있어서, 전기 화학적 반응기(또는 EC 가스 생성기)는 제 1 전극, 제 2 전극 및 전극들 사이의 멤브레인을 구비한 디바이스이며, 제 1 전극과 제 2 전극은, 그 디바이스가 사용중일 때, 플래티늄 그룹 금속을 함유하지 않은 금속 페이즈를 구비하며, 멤브레인은 산화물 이온 전도성이다. 실시 예에 있어서, 제 1 전극(101)은 YSZ, CGO, SDC(samaria-doped ceria), SSZ(scandia-stabilized zirconia), LSGM 및 그들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질과, Ni 또는 NiO를 구비한다. 실시 예에 있어서, 제 1 전극은 연료를 수용하도록 구성된다. 실시 예에 있어서, 연료는 탄화수소, 수소, 일산화탄소 또는 그들의 조합을 구비한다.
실시 예에 있어서, 제 2 전극은 YSZ(yttria-stabilized zirconia), CGO(ceria gadolinium), SDC(samaria-doped ceria), SSZ(scandia-stabilized zirconia), LSGM(lanthanum strontium gallate magnesite) 및 그들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질과, Ni 또는 NiO를 구비한다. 실시 예에 있어서, 제 2 전극은 물과 수소를 수용하도록 구성되고, 물을 수소로 환원시키도록 구성된다. 다양한 실시 예에 있어서, 그러한 환원은 전기 화학적으로 이루어진다.
실시 예에 있어서, 멤브레인은 도핑된 란탄 크로마이트(lanthanum chromite), 전자적 전도성 금속 또는 그들의 조합을 함유한 전자적 전도성 페이즈를 구비하며, 멤브레인은 가돌리늄 또는 사마리늄 도핑된 세리아, 산화이트륨 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 란탄 스트론튬 갈산염 마그네사이트(lanthanum strontium gallate magnesite, LSGM), 스칸디아-안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, SSZ), Sc 및 Ce 도핑된 지르코니아, 및 그들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질을 함유한 이온 전도성 페이즈를 구비한다. 실시 예에 있어서, 도핑된 란탄 크로마이트는 스트론튬 도핑된 란탄 크로마이트, 철 도핑된 란탄 크로마이트, 스트론튬 및 철 도핑된 란탄 크로마이트, 란탄 칼슘 크로마이트 또는 그들의 조합을 구비하고, 전도성 금속은 Ni, Cu, Ag, Au, Pt, Rh 또는 그들의 조합을 구비한다.
실시 예에 있어서, 멤브레인은 가돌리늄 도핑된 세리아, 사마리늄 도핑된 세리아, 소결 보조제 또는 그들의 조합을 구비한다. 다양한 실시 예들에 있어서, 소결 보조제는, 2가 또는 3가 전이 금속 이온들(di-valent or tri-valent transition metal ions) 또는 그들의 조합을 구비한다. 실시 예에 있어서, 금속 이온들은 산화물들이다. 실시 예에 있어서, 전이 금속은 Co, Mn, Fe, Cu 또는 그들의 조합을 구비한다. 실시 예에 있어서, 멤브레인은 CGO를 구비한다. 실시 예에 있어서, 멤브레인은 코발트 도핑된 CGO(CoCGO)를 구비한다. 실시 예에 있어서, 멤브레인은 필수적으로 CGO로 구성된다. 실시 예에 있어서, 멤브레인은 CGO로 구성된다. 실시 예에 있어서, 멤브레인은 필수적으로 CoCGO로 구성된다. 실시 예에 있어서, 멤브레인은 CoCGO로 구성된다.
도 2a는, 본 개시의 실시 예에 따른, 관 모양의 전기 화학적(EC) 반응기 또는 EC 가스 생성기(200)를 도시한 도면이다. 관 모양의 생성기(200)는 내측 관 모양 구조(202), 외측 관 모양 구조(204) 및 내측 및 외측 관 모양 구조들(202,204) 사이에 배치된 멤브레인(206)을 포함한다. 관 모양 생성기(200)는 유체 통과를 위한 진공(void space, 208)을 추가로 포함한다. 도 2b는, 본 개시의 실시 예에 따른, 관 모양 생성기(200)의 단면도(축척으로 도시된 것은 아님)이다. 관 모양 생성기(200)는 제 1 내측 관 모양 구조(202), 제 2 외측 관 모양 구조(204), 내측 및 외측 관 모양 구조들(202,204) 사이의 멤브레인(206)을 포함한다. 관 모양 생성기(200)는 유체 통과를 위한 진공(208)을 추가로 포함한다.
실시 예에 있어서, 전극들과 멤브레인은 관 모양이며, 제 1 전극은 최외각(outermost)에 있고 제 2 전극은 최내각(innermost)에 있으며, 제 2 전극은 물과 수소를 수용하도록 구성된다. 실시 예에 있어서, 전극들과 멤브레인은 관 모양이고, 제 1 전극은 최내각에 있고, 제 2 전극은 최외각에 있으며, 제 2 전극은 물과 수소를 수용하도록 구성된다. 실시 예에 있어서, 전극들과 멤브레인은 관 모양이며, 제 1 및 제 2 전극들은 Ni-YSZ 또는 NiO-YSZ를 구비한다.
실시 예에 있어서, 반응기는 화학적 역방향 수성 가스 시프트(RWGS) 반응들을 촉진시키는 촉매를 구비한다. 실시 예에 있어서, 촉매는 고온 RWGS 촉매이다. 실시 예에 있어서, 촉매는 반응기에 있어서의 애노드의 일부이다. 실시 예에 있어서, 촉매는 애노드의 외부에 있도록 구성된다. 예를 들어, 그러한 촉매로서 Ni-Al2O3 펠릿(pellet)들이 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 튜브(tube)들을 둘러싼 반응기에 자리한다. 실시 예에 있어서, 촉매는 Ni, Cu, Fe, Pt 그룹 금속들 또는 그들의 조합을 구비한다. 실시 예에 있어서, 촉매는 Pt, Cu, Rh, Ru, Fe, Ni 또는 그들의 조합을 구비한다.
수소 생성 시스템 및 방법
본 명세서에서는, 제 1 전극, 제 2 전극 및 그 전극들 사이의 멤브레인을 구비한 디바이스를 제공하고, 제 1 전극으로 제 1 스트림을 도입시키고, 제 2 전극으로 제 2 스트림을 도입시키고, 제 2 전극으로부터 수소를 추출하되, 제 1 전극과 제 2 전극은, 그 디바이스가 이용중일 때, 플래티늄 그룹 금속을 함유하지 않은 금속 페이즈를 구비한, 방법이 개시된다. 실시 예에 있어서, 멤브레인은 산화물 이온 전도성이다.
실시 예에 있어서, 디바이스는 최소 500℃ 이상, 최소 600℃ 이상, 최소 700℃ 이상, 최소 750℃ 이상, 최소 800℃ 이상, 최소 850℃ 이상, 최소 900℃ 이상, 최소 950℃ 이상 또는 최소 1000℃ 이상의 온도에서 동작한다. 다양한 실시 예들에 있어서, 제 1 전극과 제 2 전극간의 압력차는 최대 2psi 이하, 최대 1.5psi 이하 또는 최대 1psi 이하이다. 실시 예에 있어서, 제 1 스트림은 최대 10psi 이하, 최대 5psi 이하 또는 최대 3psi 이하의 압력으로 디바이스에 인가된다. 실시 예에 있어서, 제 2 스트림은, 최대 10psi 이하, 최대 5psi 이하 또는 최대 3psi 이하의 압력으로 디바이스에 인가된다.
실시 예에 있어서, 제 1 스트림은 연료를 구비한다. 실시 예에 있어서, 상기 연료는 탄화수소, 수소, 일산화탄소 또는 그들의 조합을 구비한다. 실시 예에 있어서, 제 1 스트림이 제 1 전극내로 직접 도입되거나 제 2 스트림이 제 2 전극에 직접 도입되거나 또는 제 1 스트림과 제 2 스트림이 두 전극에 직접 도입된다. 실시 예에 있어서, 그 방법은, 제 1 전극의 CPOX(Catalytic Partial Oxidation) 반응기 업스트림(upstream) 또는 개질기를 제공하는 것을 구비하되, 제 1 스트림은 제 1 전극으로 도입되기 전에 개질기 또는 CPOX 반응기를 통과하고, 제 1 전극은 Ni 또는 NiO를 구비한다. 실시 예에 있어서, 개질기는 스팀 개질기 또는 자가열 개질기(autothermal reformer)이다.
실시 예에 있어서, 제 1 스트림은 연료를 구비한다. 실시 예에 있어서, 연료는 탄화수소, 수소, 일산화탄소 또는 그들의 조합을 구비한다. 실시 예에 있어서, 제 2 스트림은 물과 수소로 구성된다. 실시 예에 있어서, 상기 제 1 스트림은 일산화탄소와, 상당량이 아닌 수소, 탄화수소 또는 물로 구성된다. 그 경우에 있어서, 업스트림 개질기가 필요치 않다. 본 개시에 있어서, 상당량이 아닌 수소, 탄화수소 또는 물은, 수소, 탄화수소 또는 물의 부피 콘텐츠(volume content)가 최대 5% 이하, 최대 3% 이하, 최대 2% 이하, 최대 1% 이하, 최대 0.5% 이하, 최대 0.1% 이하 또는 최대 0.05% 이하임을 의미한다.
다양한 실시 예들에 있어서, 제 1 스트림은, 부피 백분율이 최소 50% 이상인 CO, 부피 백분율이 최소 60% 이상인 CO, 부피 백분율이 최소 70% 이상인 CO, 부피 백분율이 최소 80% 이상인 CO 또는 부피 백분율이 최소 90% 이상인 CO를 구비한다. 실시 예에 있어서, 제 1 스트림은 CO2를 구비한다. 실시 예에 있어서, 제 1 스트림은 합성 가스(CO 및 H2)를 구비한다. 실시 예에 있어서, 제 1 스트림은 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스(inert gas)를 구비한다. 실시 예에 있어서, 제 2 스트림은 물과 수소로 구성된다.
실시 예에 있어서, 그 방법은, FT(Fischer-Tropsch) 반응, 건식 개질 반응, 니켈에 의해 촉매화된 사바티에 반응(Sabatier reaction), 보시 반응(Bosch reaction), 역방향 수성 가스 시프트 반응(reverse water gas shift reaction), 전기를 생성하기 위한 전기 화학적 반응, 암모니아 생산, 비료 생산, 수소 저장을 위한 전기 화학적 압축기, 연료 수소 차량, 수소 첨가 반응 또는 그들의 조합 중 하나에서 추출된 수소를 이용하는 것을 구비한다.
본 명세서에는, 전기 화학적 반응기를 제공하고, 연료를 구비한 제 1 스트림을 디바이스에 도입시키고, 물을 구비한 제 2 스트림을 디바이스에 도입시키고, 제 2 스트림에 있어서의 물을 수소로 환원시키고, 디바이스로부터 수소를 추출하는 것을 구비하되, 제 1 스트림과 제 2 스트림은 디바이스에 있어서 서로 접촉하지 않은, 수소 생성 방법이 개시된다. 다양한 실시 예에 있어서, 물에서 수소로의 환원은 전기 화학적으로 이루어진다. 실시 예에 있어서, 제 1 스트림은 수소와 접촉하지 않는다. 실시 예에 있어서, 제 1 스트림과 제 2 스트림은 디바이스내의 멤브레인에 의해 분리된다.
실시 예에 있어서, 연료는 탄화수소, 수소, 일산화탄소 또는 그들의 조합을 구비한다. 실시 예에 있어서, 제 2 스트림은 수소를 구비한다. 실시 예에 있어서, 제 1 스트림은 연료를 구비한다. 실시 예에 있어서, 연료는 일산화탄소로 구성된다. 실시 예에 있어서, 제 1 스트림은 일산화탄소 및 이산화탄소로 구성된다. 실시 예에 있어서, 제 2 스트림은 물과 수소로 구성된다. 실시 예에 있어서, 제 2 스트림은 스팀과 수소로 구성된다.
도 3a에는 수소 생성 시스템(300)이 도시된다. 그 시스템은 CPOX(catalytic partial oxidation) 반응기(310); 스팀 발생기(330) 및 EC 반응기(320)를 구비하되, CPOX 반응기의 생성 스트림(323)은 EC 반응기로 도입되고, 스팀 발생기는 EC 반응기에 스팀(321)을 제공하며, 생성 스트림(323)과 스팀(321)은 EC 반응기에 있어서 서로 접촉하지 않는다. CPOX 반응기의 생성 스트림(323)은 EC 반응기(320)에서 연료로서 이용된다. CPOX 반응기(310)는 탄화수소(예를 들어, 메탄, 에탄, 프로판, 가솔린, 제트 연료 등)를 가진 스트림(311)을 수령하고, 탄화수소를 산화시켜 합성 가스, CO2 및 물 등을 생성한다. EC 반응기가 질소, 아르곤, 이산화탄소와 같은 가스들의 존재시에 효율적으로 의도된 반응을 실행할 수 있기 때문에, CPOX 반응기와 EC 반응기간의 가스 분리가 필요치 않다. 또한, 이것은 CPOX 반응기가 산화제로서 공기를 이용할 수 있게 한다. 물론, 정제된 산소가 CPOX 반응기에 항상 이용될 수 있지만, 공기를 직접 이용하면 자본설비 비용 및 운용 비용에 있어서 상당한 절약을 제공한다.
실시 예에 있어서, EC 반응기(320)는 화학적 역방향 수성 가스 시프트(RWGS) 반응들을 촉진시키는 촉매를 구비한다. 실시 예에 있어서, 촉매는 고온 RWGS 촉매이다. 실시 예에 있어서, 촉매는 반응기에 있어서의 애노드의 일부이다. 실시 예에 있어서, 촉매는 애노드의 외부에 있도록 구성된다. 예를 들어, 그러한 촉매로서 Ni-Al2O3 펠릿(pellet)들이 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 튜브(tube)들을 둘러싼 반응기에 자리한다. 실시 예에 있어서, 촉매는 Ni, Cu, Fe, Pt 그룹 금속들 또는 그들의 조합을 구비한다. 실시 예에 있어서, 촉매는 Pt, Cu, Rh, Ru, Fe, Ni 또는 그들의 조합을 구비한다.
EC 반응기(320)는 CO 및 CO2를 구비한 제 1 생성 스트림(324)과, H2 및 H2O를 구비한 제 2 생성 스트림(322)을 발생하되, 그 두개의 생성 스트림들은 서로 접촉하지 않는다. 일부 경우에, 제 1 생성 스트림(324)의 적어도 일부(스트림 331)는 재순환되어 스팀 발생기에 인가됨으로써 물로부터 스팀을 생성하기 위한 열을 제공한다. 일부 경우에, 제 2 생성 스트림(322)의 일부는 재순환되어 (캐소드(cathode) 측상의) EC 반응기에 인가된다. 다양한 실시 예들에 있어서, EC 반응기(320)는 이온 전도성 멤브레인을 구비하며(도 3a에 도시되지 않음), 그 멤브레인은 애노드와 함께, 반응기가 전기 화학적 수성 가스 시프트 반응을 실행할 수 있게 하며, 전기 화학적 수성 가스 시프트 반응들은 멤브레인을 통한 이온의 교환을 수반하고, 순방향 수성 가스 시프트 반응, 역방향 수성 가스 시프트 반응, 또는 그 둘 모두를 포함한다. 애노드는 반응기가 화학적 수성 가스 시프트 반응을 실행할 수 있게 한다.
도 3b에는 대안적인 수소 생성 시스템(301)이 도시된다. 이 실시 예에 있어서, CPOX 반응기(310)는 산화제로서 산소(313)를 이용하며, 그에 따라, 거기에는 질소가 거의 없거나 최소량의 질소가 존재한다. CPOX 반응기로부터의 생성 스트림(325)은 EC 반응기로 보내지고, 애노드에서 산화되며, 애노드 배출(anode exhaust, 326)로서 EC 반응기에서 배출되며, 애노드 배출(326)의 일부(스팀 314)는 CPOX 반응기로 재순환되며, 선택적으로 애노드 배출(326)의 일부(스팀 341)는 CO2를 격리시키기 위해 탄소 포획 유닛(340)으로 보내진다.
그래서, CPOX 반응기내로 탄화수소를 도입시켜 생성 스트림을 발생하고; 상기 생성 스트림과 스팀을 EC 반응기에 제공하는 것을 구비하되, 생성 스트림과 스팀이 EC 반응기내에서 서로 접촉하지 않은, 방법을 통해 수소가 생성된다. EC 반응기는 이온 전도성 멤브레인을 구비하고, 그 반응기는 수성 가스 시프트 반응들을 전기 화학적으로 수행할 수 있으며, 전기 화학적 수성 가스 시프트 반응들은 멤브레인을 통한 이온 교환을 수반하고, 순방향 수성 가스 시프트 반응들, 역방향 수성 가스 시프트 반응들 또는 그 둘 모두를 포함한다. 또한, 멤브레인은 스팀으로부터 생성 스트림을 분리시킨다. 다양한 실시 예들에 있어서, 생성 스트림측과 스팀측간의 압력차는 최대 2psi 이하, 최대 1.5psi 이하, 최대 1psi 이하이다.
다양한 실시 예들에 있어서, CPOX 반응기는 산화제로서 공기를 이용한다. 다양한 실시 예들에 있어서, CPOX 반응기의 생성 스트림은 가스 분리없이 EC 반응기에 직접 인가된다. 다양한 실시 예들에 있어서, EC 반응기는 환원 환경에서 CPOX 반응기의 생성 스트림을 산화시키고, CO 및 CO2를 구비한 제 1 생성 스트림을 발생하고, EC 반응기는 전기 화학적으로 스팀을 수소로 환원시키고, H2 및 H20를 구비한 제 2 생성 스트림을 발생한다. 다양한 실시 예들에 있어서, 멤브레인은 제 1 스트림과 제 2 스트림을 분리시킨다. 다양한 실시 예들에 있어서, 제 1 생성 스트림의 적어도 일부는 물로부터 스팀을 생성하는데 이용된다. 다양한 실시 예들에 있어서, 제 2 생성 스트림의 적어도 일부는 재순화되어 EC 반응기로 인가된다.
스팀 발생기는 물로부터 스팀을 생성한다. 실시 예에 있어서, 전기 화학적 반응기로 인가되는 스팀은 최소 600℃ 이상, 최소 700℃ 이상, 최소 800℃ 이상, 최소 850℃ 이상, 최소 900℃ 이상, 최소 950℃ 이상, 최소 1000℃ 이상 또는 최소 1100℃ 이상의 온도를 가진다. 실시 예에 있어서, 전기 화학적 반응기로 인가되는 스팀은, 최대 10psi 이하, 최대 5psi 이하, 또는 최대 3psi 이하의 압력을 가진다.
본 개시가 본 발명의 다른 특징들, 구조들 또는 기능들을 구현하기 위한 예시적인 실시 예들을 설명하고 있음을 알 것이다. 구성 요소, 배열 및 구성의 예시적인 실시 예들은 본 개시를 간소화하도록 설명되지만, 이 예시적인 실시 예들은 단지 예시적으로 제공되며, 본 발명의 범주를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에 안출된 실시 예들은, 다르게 특정하지 않는다면, 조합될 수 있다. 그러한 조합들이 본 개시의 범주를 벗어나는 것은 아니다.
추가적으로, 특정 구성 요소 또는 단계들을 지칭하기 위해 상세한 설명 및 청구항들 전반에 걸쳐 특정 용어들이 이용된다. 본 기술 분야의 숙련자라면, 다양한 엔티티들이 다른 이름에 의해 동일한 구성 요소 또는 프로세스 단계들을 지칭하고 있고, 그 경우, 본 명세서에서 설명된 요소들의 명명 규칙(naming convention)이 본 발명의 범주를 제한하기 위한 것은 아님을 알 것이다. 또한, 본 명세서에서 이용된 용어들 및 명명 규칙들은 기능이 아닌 이름이 다른 구성 요소들, 특징들 및/또는 단계들을 구별하기 위한 것이 아니다.
본 개시가 다양한 수정 및 대안적인 형태를 허용하지만, 도면 및 상세 설명은 그의 특정 실시 예들을 예시적으로 보여준다. 그러나, 도면들 및 상세 설명은 본 개시를 개시된 특정 형태로 제한하는 것이 아니라, 오히려 본 개시의 사상 및 범주내에 속하는 모든 수정들, 등가들 및 대안들을 포괄한다.

Claims (20)

  1. 촉매 부분 산화(catalytic partial oxidation: CPOX) 반응기;
    스팀 발생기; 및
    전기 화학적(EC) 반응기를 구비하되,
    CPOX 반응기의 생성 스트림(product stream)이 EC 반응기로 도입되고, 스팀 발생기가 스팀을 EC 반응기에 제공하며, 생성 스트림과 스팀이 EC 반응기에서 서로 접촉하지 않는,
    수소 생성 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    EC 반응기는 CO 및 CO2를 구비한 제 1 생성 스트림과, H2 및 H2O를 구비한 제 2 생성 스트림을 발생하며, 2개의 생성 스트림들은 서로 접촉하지 않는,
    수소 생성 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 수소 생성 시스템은 제 2 생성 스트림의 일부가 재순환되어 EC 반응기에 인가되도록 구성되는,
    수소 생성 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    CPOX 반응기는, 산화제로서 공기를 이용하며, 선택적으로, CPOX 반응기의 생성 스트림은 가스 분리없이 EC 반응기에 직접 도입되는,
    수소 생성 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 수소 생성 시스템은 제 1 생성 스트림의 적어도 일부가 재순환되어 스팀 발생기에 인가되도록 구성되는,
    수소 생성 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    CPOX 반응기는 산화제로서 산소를 이용하며, 선택적으로, CPOX 반응기의 생성 스트림은 가스 분리없이 EC 반응기로 직접 도입되는,
    수소 생성 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 수소 생성 시스템은, 제 1 생성 스트림의 적어도 일부가 CPOX 반응기로 재순환되도록 구성되는,
    수소 생성 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 수소 생성 시스템은, 제 1 생성 스트림의 적어도 일부가 탄소 포획 유닛(carbon capture unit)으로 보내지도록 구성되는,
    수소 생성 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    EC 반응기는 이온 전도성 멤브레인(ionically conducting membrane)을 구비하며, 멤브레인은 전자적으로 전도성이고, 반응기는 전기 화학적으로 수성 가스 시프트 반응들을 수행할 수 있고, 전기 화학적 수성 가스 시프트 반응들은 멤브레인을 통한 이온의 교환을 수반하고 순방향 수성 가스 시프트 반응(forward water gas shift reaction), 역방향 수성 가스 시프트 반응 또는 그 둘 모두를 포함하는,
    수소 생성 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    EC 반응기는 애노드, 캐소드 및 애노드 측상의 촉매를 구비하며, 촉매는 화학적 역방향 수성 가스 시프트(RWGS) 반응을 촉진시키는
    수소 생성 시스템.
  11. 탄화수소를 촉매 부분 산화(CPOX) 반응기에 도입하여 생성 스트림을 발생하고,
    상기 생성 스트림과 스팀을 전기 화학적(EC) 반응기로 제공하는 것을 구비하되,
    생성 스트림과 스팀은 EC 반응기에서 서로 접촉하지 않는,
    수소 생성 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    EC 반응기는 이온 전도성 멤브레인(ionically conducting membrane)을 구비하며, 반응기는 전기 화학적으로 수성 가스 시프트 반응들을 수행할 수 있고, 전기 화학적 수성 가스 시프트 반응들은 멤브레인을 통한 이온의 교환을 수반하고 순방향 수성 가스 시프트 반응(forward water gas shift reaction), 역방향 수성 가스 시프트 반응 또는 그 둘 모두를 포함하는,
    수소 생성 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    멤브레인은 전자적으로 전도성인,
    수소 생성 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    멤브레인은 스팀으로부터 생성 스트림을 분리하는,
    수소 생성 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    EC 반응기는 애노드, 캐소드 및 애노드 측상의 촉매를 구비하며, 촉매는 화학적 역방향 수성 가스 시프트(RWGS) 반응들을 촉진시키는,
    수소 생성 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    EC 반응기는 환원 환경에서 CPOX 반응기의 생성 스트림을 산화시키고, CO 및 CO2를 구비한 제 1 생성 스트림을 발생하며, EC 반응기는 전기 화학적으로 스팀을 수소로 환원시키고, H2 및 H2O를 구비한 제 2 생성 스트림을 발생하는,
    수소 생성 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    멤브레인은 제 1 및 제 2 생성 스트림들을 분리하는,
    수소 생성 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    제 2 생성 스트림의 적어도 일부는 재순환되어 EC 반응기로 인가되는
    수소 생성 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    CPOX 반응기는 산화제로서 공기를 이용하며, 선택적으로, CPOX 반응기의 생성 스트림은 가스 분리없이 EC 반응기에 직접 도입되는,
    수소 생성 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    CPOX 반응기는 산화제로서 산소를 이용하며, 선택적으로 CPOX 반응기의 생성 스트림은 가스 분리없이 EC 반응기로 직접 도입되는,
    수소 생성 방법.
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