KR20220152536A - 신규한 전기화학 전지, 스택, 모듈 및 시스템 - Google Patents

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조셉 피터 마세다
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Abstract

본 발명은 i) 이온 전도성 액체 전해질 중에 탄소질 화학종을 포집하고 수소를 생성하기 위한 액체상 전기화학 개질기(ECR), ii) 수소 및/또는 열 및/또는 전기를 사용하여 이온 전도성 전해질을 탈탄화하여 하나의 전극에서 산소를 발생시키고 다른 전극에서 탄화수소 또는 산소화된 탄화수소를 발생시키는 탄소 포집 및 재사용(CCR) 전지, iii) 연료 전지, iv) 통합 ECR/CCR 스택(stack), 모듈 및 시스템, 및 v) 통합 ECR/연료 전지/CCR 모듈 및 시스템의 역할을 하는 신규한 전지, 스택, 모듈 및 시스템을 기술한다.

Description

신규한 전기화학 전지, 스택, 모듈 및 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 2월 12일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62975231호의 출원일의 이익을 주장하며, 이의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
기술분야
본 발명은 평면 전기화학 전지 분야에 관한 것이다. 이러한 전지는 전기 및/또는 열 구동될 수 있으며, i) 액체상, 전기화학 개질(ECR), ii) 액체상, 탄소 포집 및 재사용(CCR), 및 iii) 고체 또는 액체 전해질을 갖는 연료 전지를 위해 사용될 수 있다.
평면 전기화학 전지에서, 전극과 전해질 사이에 열 구배(thermal gradient)가 형성되는 경우 전지가 뜨겁거나 차가울 때 전위 변화가 존재한다. 이러한 조건은 전극에서 애노드 및 캐소드 반응의 엔트로피, 반응물 및 생성물의 열 용량, 시스템의 부품의 열전도도 차이 및 이들의 조합으로 인해 발생한다. 본 발명은, 효율을 증가시키고, 수명을 증가시키고, 전극 중독(electrode poisoning)을 방지하고, 원치 않는 부반응을 방지하고, 전지 및 스택(stack)의 균일성을 증가시키도록 이러한 열 격차(thermal disparity)를 주의 깊게 관리하고 열 또는 전기 구동될 수 있는 광범위한 전기화학 모듈 및 시스템으로 구성될 수 있는 전지 및 스택 설계를 기술한다. 본 발명은 또한 전기 투입과 지역 조건 및 수요에 기초하여 전기 투입과 열 투입 중 어느 것이 최적의 구동력이 되느냐에 따라 이들 투입 사이에서 전환하는 능력을 이용하여 빠른 시동 및 부하 추종을 가능하게 할 것이다.
이러한 전지는 반응-특이적 모듈로 만들어질 수 있으며, 이는 이어서 전체 성능을 향상시키는 밀접하게 결합된 통합 시스템으로 통합될 수 있으며 외부 투입물 공급기 및 생성물 오프테이커(offtaker)와 열적으로 그리고 전기적으로 추가로 통합될 수 있다. 하기 표 1은 관심 있는 3가지 초기 전기화학적 공정을 나타낸다.
[표 1]
Figure pct00001
예를 들어, 본 발명의 제1 실시 형태(이의 예는 표 1의 첫 번째 행에 나타나 있음)는 그림스(Grimes)의 하기 특허, 즉 미국 특허 제8,419,922호 및 제8,318,130호에 개시된 전기화학적 개질 요소로서 알려진 액체상 그림스 공정이다. 이 공정의 다른 실시 형태는 미국 특허 제6,994,839호에서 파생된 라이히만(Reichman)의 국제특허 출원의 패밀리에 개시되어 있다. 이러한 공정에서, 탄소질 연료(산화성 반응물 A)는, 물을 환원시켜 기체 수소를 방출하면서 반응물 A의 탄산염으로의 추가 산화를 구동하고 액체 전해질을 탄화하는 데 도움을 주기 위해 전기 및/또는 열을 사용하는 전지에 공급되는 물(환원성 반응물 B) 및 이온 전도성 전해질(산성, 염기성 또는 완충제 용액일 수 있음)과 혼합된다.
본 발명의 제2 실시 형태(이의 예는 표 1의 두 번째 행에 나타나 있음)는 탄소 포집 및 재사용으로 알려진 액체상 그림스 공정이며, 이의 요소는 미국 특허 제8,828,216호에 개시되어 있다. 이 반응에서는, 탄화된 중탄산염 전해질이 전지에 공급되며, 전해질을 수산화물로 환원시키기 위해 전기 또는 수소가 사용되어, 하나의 전극에서 산소를 발생시키고 다른 전극에서 탄화수소 또는 산소화된 탄화수소를 발생시킨다.
반응물들을 조합하여 전기를 생성하는 알칼리 연료 전지인 본 발명의 제3 실시 형태의 예가 표 1의 세 번째 행에 나타나 있다. 이러한 전지는 잘 이해되지만, 개별 전극 내외로의 열 유동을 정밀하게 제어하는 능력은 독특한 것이다. 이러한 연료 전지는 고체 또는 액체 전해질에 의해 알칼리, 중성 또는 산성일 수 있고, 기체 또는 액체 반응물을 공급받을 수 있다.
본 발명은 또한 역반응인 전기분해를 작동시키는 전지 및 스택의 성능을 개선할 것이다.
이들 공정 모두는 예혼합, 혼합 또는 분리가 수행될 수 있는 반응 챔버 전에 통합된 유사한 구조를 가질 수 있다. 이러한 전지는 또한 저압 또는 고압 작동을 위해 설계될 수 있다. 액체 전해질 압력 초과의 작은 압력으로 가스가 발생하기 때문에, 수소, 산소 또는 다른 생성물 및 부산물의 외부 기체상 압축이 필요하지 않을 것이다.
본 발명의 핵심은 각각의 전극에서의 열 관리 능력을 통합하여 전지 작동 사이클을 통해 이상적인 균일한 작동 조건이 유지될 수 있도록 하는 전지 설계이다. 이러한 전지는 또한 다양한 상이한 전극 및 전해질을 유지할 수 있고 광범위한 생성물 및 연산물(co-product)을 제조하도록 구성될 수 있다는 점에서 모듈식이다. 이어서, 이러한 전지는 다양한 구성에서 반전지 또는 완전 전지 능력을 갖는 독립형 유닛으로 구성될 수 있는 별개의 모듈로 적층될 수 있다. 일 실시 형태에서, 복수의 단일 전극 ECR 전지는 수소를 제공하도록 구성될 수 있으며, 탄화 전해질은 후속 탈탄화를 위한 저장 또는 운송을 위해 제거된다. 다른 실시 형태에서, ECR 전지는 복수의 CCR 전지와 통합될 수 있으며, 탄화 전해질은 즉시 탈탄화되고 재생된 전해질은 ECR로 다시 직접 공급된다.
제2 실시 형태는 CCR 전지들을 통합하여, 시스템의 1차 에너지원과 동일한 탄화수소 또는 산소화된 탄화수소를 생성하고 이러한 CCR 산출물은 필요한 임포트(import)되는 에너지의 양을 감소시키기 위해 시스템 투입물 내로 다시 공급될 것인 반면, 산소는 엑스포트(export)될 것이다.
제3 실시 형태에서, CCR의 탈탄화 전해질은 ECR 내로 다시 공급될 것인 반면, 탄화수소 또는 산소화된 탄화수소는 엑스포트될 것이다. 제4 실시 형태에서, ECR은 수소를 생성할 수 있는 반면, CCR은 산소를 생성할 수 있고, 이들 각각은 전기를 생성하기 위해 연료 전지의 적절한 전극에 공급될 수 있는 한편, CCR에서 재생된 탄화 전해질은 재사용을 위해 ECR 내로 다시 공급되는 반면, 생성된 탄화수소 또는 산소화된 탄화수소는 전체 시스템 효율을 개선하기 위해 ECR 투입물 내로 다시 공급된다.
본 발명의 제5 실시 형태는 제4 실시 형태와 유사할 것이지만, 생성되는 산소화된 탄화수소는 별도의 연료 전지에서 즉시 저장, 운반 또는 사용될 수 있는 반응물, 즉 포름산염, 포름산 또는 메탄올일 수 있다.
이들 전지는 기능별로 하위-스택으로 배열될 수 있거나, 반응물 이동 거리를 최소화하도록 인터리브(interleave)될 수 있거나, 상당한 거리만큼 지리적으로 분리되거나 공간적으로 밀접하게 통합되어 열 손실을 최소화할 수 있다. 모든 경우에 열적 통합이 최대화될 것이다.
이들 실시 형태는 예시적이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
도 1은 탄소의 바닥 상태가 이산화탄소(CO2)가 아니라 탄산염(CO3)임을 나타낸다. 이는 또한 상당한 양의 회수 가능한 에너지가 CO2로부터 여전히 이용 가능함을 보여준다.
도 2는 카르노(Carnot) 스케일(왼쪽) 및 깁스(Gibbs) 스케일(우측) 둘 모두에서 다양한 탄소계 연료 및 공급원료의 에너지 함량을 나타낸다.
도 3은 열 에너지 및 전기 에너지 둘 모두에 의해 구동되는 그림스 자유 에너지 공정을 도시한다. 필요한 투입은 산화성 반응물 A, 환원성 반응물 B, 이온 전도성 전해질 및 일부 형태의 일이다. 적절한 조건 하에서, 이들은 원하는 합성 생성물 C 및 부산물 D를 생성할 것이다.
도 4는 도 3의 산화환원 반응기에 의해 처리될 수 있는 다양한 산화성 반응물, 환원성 반응물, 이온 전도성 전해질, 일, 전력 및 델타 G 투입, 전자 전달 재료, 원하는 합성 생성물 및 부산물을 나타내는 표이다. 표의 아래 부분은 메탄올(CH3OH)의 투입으로부터 메탄(CH4)을 합성할 수 있는 방법 및 메탄의 투입으로부터 합성될 수 있는 메탄올의 역합성의 예를 나타낸다.
도 5는 ECR이 2가지의 현재의 상업적 수소 생산 기술인 스팀 메탄 개질(SMR > 95%), 즉 열화학적 공정과 전기분해, 즉 전기화학적 공정으로부터의 특징들을 통합하는 방법을 나타낸다.
도 6은 2가지 전기화학 장치의 유동의 예를 나타낸다: 상부 반응기는 전기화학 개질기(ECR)이며, 이는 열 스트리핑 또는 전해질 포화 상태에서의 작동을 가정하여, 메탄올 및 물과 열 및/또는 전기를 수용하고 원하는 생성물로서의 수소 가스 및 부산물로서의 이산화탄소를 산출한다. 하부 반응기는 탄소 포집 및 재사용(CCR) 장치이며, 이는 이산화탄소, 물, 열 및 전기를 수용하고 원하는 생성물로서의 메탄올(CH3OH) 및 부산물로서의 산소를 산출한다.
도 7은 더 정밀하고 효율적인 열 관리를 위해 각각의 전극에서 열교환기를 사용하여 전기 및/또는 열에 의해 구동될 수 있는 평면 전기화학 개질기(ECR) 전지를 도시한다.
도 8은 더 정밀하고 효율적인 열 관리를 위해 각각의 전극에서 열교환기를 갖는, 전기 및/또는 열에 의해 구동될 수 있는 전기화학 탄소 포집 및 재사용(CCR) 전지를 도시한다.
도 9는 재생 가능한 전기를 위한 바람직한 벌크 운송 방법으로서 ECR/CCR 시스템과 액화 전해 수소를 비교한 것을 나타낸다.
도 10은 재생 가능한 에너지원으로부터의 전해 수소를 위한 액체 유기 수소 담체로서 ECR/CCR 시스템과 암모니아를 비교한 것을 나타낸다.
도 11은 더 정밀하고 효율적인 열 관리를 위해 각각의 전극에서 열교환기를 갖는 전지를 나타낸다.
도 12는 더 정밀하고 효율적인 열 관리를 위해 각각의 전극에서 열교환기를 갖는 통합 ECR/CCR 모듈을 나타낸다.
도 13은 더 정밀하고 효율적인 열 관리를 위해 각각의 전극에서 열교환기를 갖는 통합 ECR/연료 전지/CCR 모듈을 나타낸다.
본 발명은 전기화학 전지, 스택, 모듈 및 시스템의 열 효율, 탄소 효율 및 경제적 효율을 개선할 새로운 구성에 이를 통합하는 근본적인 기술 및 방법을 기술한다. 통합된 시스템의 핵심 요소는 현재 "폐열"(ΔH - 엔탈피)로 불리는 것을 회수 및 재사용하는 능력 및 화학 포텐셜의 발열적 변화(ΔG - 깁스 자유 또는 이용 가능 에너지)를 회수 및 재사용하는 더 중요한 능력이다.
도 1은 탄소 원자로부터 회수 가능한 에너지의 둘 모두의 형태를 나타낸다. 맨 위의 단계는 탄소의 연소로부터 최종 연소 부산물인 이산화탄소까지 이용 가능한 400 kJ/몰의 ΔH를 나타낸다. 이는 탄소 유용성에 대해 일반적으로 받아들여지는 견해이며 현재의 모든 카르노 효율 등급은 시스템으로부터 회수 가능한 총 에너지(전기, 열 등)를 이 수치로 나누어서 계산된다. 그러나, 이산화탄소는 탄소의 바닥 상태가 아니며, 탄산염 광물은 더 낮은 에너지 상태를 갖는다. 아래의 단계는 이용 가능한 화학 포텐셜, ΔG의 값의 범위를 나타낸다. 이 수치는 탄소가 발열적으로 그의 탄산염 광물을 형성할 때(풍화로 불리는 자연 발생 과정), 탄소 그 자체가 어떤 금속에 부착하느냐에 따라 달라진다. 카르노는 온도가 효율에 대한 궁극적인 한계라고 말했지만, 화학 포텐셜 변화의 영향을 배제하였기 때문에 그의 근거는 불완전하였다. 이것은 온도에 따라 달라지는 효율의 궁극적인 한계이다.
도 2는 왼쪽의 ΔH 카르노 스케일 및 오른쪽의 ΔG 깁스 스케일로 광범위한 화합물의 에너지 함량을 나타낸다. 여기서, CO2는 카르노 스케일에서 0이지만, 깁스 스케일에서는 여전히 약 200 kJ이 이용 가능하다. ΔG 스케일에서, 일부 광물조차도 여전히 유용한 양의 가용 에너지를 갖는다(중탄산나트륨 또는 알카 셀처(Alka Seltzer) 참조).
이러한 가용 에너지로부터 이득을 얻기 위해, 자유 에너지 구동 공정이 필요하다. 도 3은 산화성 반응물 A 및 환원성 반응물 B가 반응기에서 산성, 중성 또는 염기성일 수 있는 이온 전도성 전해질, 전자 전달 재료와 조합되고 일부 형태의 전력 또는 일(열, 전기 또는 다른 형태의 ΔG)이 추가되는 공정의 단순화된 개략도를 나타낸다. 이는 용액 중에 포집되거나 반응기로부터 추출될 수 있는, 부산물 D와 함께 원하는 합성 생성물 C를 생성할 것이다. 도 4는 이러한 반응물, 전해질, 일의 형태, 전자 전달 재료, 생성물 및 부산물의 부분적인 목록을 갖는 매트릭스를 나타낸다. 원하는 시스템은 부산물 D뿐만 아니라 생성물 C를 제조하는 공정을 설계할 것이다. 이것은 전체 효율 계산을
효율
Figure pct00002
로부터
효율
Figure pct00003
로 변화시킬 것이다.
도 5는 그림스 액체상 ECR을 오늘날 사용되는 2가지의 상업적으로 이용 가능한 수소 생성 방법, 즉 스팀 메탄 개질(SMR) 및 물 전기분해와 비교하여 이러한 원리의 실시 형태를 나타낸다. ECR은 각 시스템의 최상의 특징들을 조합하여 각각의 결함을 보완한다. SMR에는 이온 전도성 전해질 및 전도성 촉매가 없다. 전해조에는 산화성 반응물이 없다. 이러한 누락 효과의 비교가 하기 표 2에 나타나 있다.
[표 2]
Figure pct00004
여기서 산화성 반응물의 결여는 물로부터 1 몰의 수소를 생성하는 데 필요한 에너지를 67.94 kJ로 증가시킨다는 것을 알 수 있다. SMR은 10.10 kJ의 에너지 비용으로 동일한 몰의 수소를 전달할 수 있지만, 온도가 75℃에서 800℃로 상승하였다. ECR은 절반의 온도(400℃)에서 열적으로 메탄으로부터 1 몰의 수소를 전달할 수 있으며 에너지 소비는 7.49 kJ로 감소한다. ECR을 구동하기 위해 전기가 사용되는 경우, 에너지 소비는 8.70 kJ로 상승할 것이지만, 온도는 25℃로 떨어질 것이다. 그러나, 공정에는 액체뿐만 아니라 기체 투입도 공급될 수 있기 때문에, 메탄올이 산화성 반응물로서 사용되는 경우, 1 몰의 수소는 200℃의 온도에서 단지 0.96 kJ을 소비할 것이다. 이는 ECR이 연료/물/전해질 혼합물보다 다소 더 높은 압력에서 수소를 발생시킨다는 사실과 결합된다. 기체상 수소 압축에 대한 필요성이 감소되거나 제거될 수 있어서, 상당한 상업적 이점을 제공한다. 도 6은 탄화 전해질을 재생하는 열적 CO2 스트리퍼와 CO2를 포집하고 생성물 및 부산물로서 메탄올과 산소를 생성하는 탄소 포집 및 재사용(CCR) 전지를 갖는 메탄올 ECR의 기본 다이어그램을 나타낸다.
도 7은, 전기 및/또는 열에 의해 구동될 수 있는 평면 ECR 전지인 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대한 유동 및 반전지 반응의 세부 사항을 나타낸다. 이 예에서, 메탄올은 산화성 반응물이고, 물은 환원성 반응물이고, 수산화물은 이온 전도성 전해질이다. 순 수소 생성 반응은 하기 식 1에 기재되어 있다.
CH 3 OH + 2OH => 3H 2 + CO 3 [식 1]
이러한 전지는 고체 또는 액체 전해질을 가질 수 있으며, 투입 반응물 및 원하는 시스템 성능에 따라, 광범위한 온도 및 압력에서 작동할 수 있다. 탄산염이 탄화 전해질 산출물로서 나타나 있지만, 체류 시간 및 유량에 따라, 이러한 탄산염은 모든 탄산염이 중탄산염 HCO3으로 전환될 때까지 계속 더 많은 탄소를 흡수할 수 있다. 이들 종 중 어느 하나는 i) 즉시 탈탄화될 수 있거나, ii) 추후 사용을 위해 저장될 수 있거나, 또는 iii) 다른 위치로 운송되고 추후에 재생될 수 있으며, 결과적인 산출은 복귀되어 수소 발생 사이클을 다시 개시한다.
도 8은 하기 식 2에 나타나 있는 바와 같이, 메탄올 및 산소를 생성하도록 전기적으로 구동되는 평면 CCR 전지인 본 발명의 다른 실시 형태를 나타낸다
HCO 3 + 2H 2 O => CH 3 OH + 1.5O 2 + OH [식 2]
본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 생성된 메탄올 및 산소는 저장 및 운송 비용을 감소시키거나 없애기 위해 즉시 사용될 것이다. 그러나, 메탄올은 엑스포트를 위해 판매될 수 있거나, 추후 사용을 위해 저장될 수 있거나, 또는 탈탄화 전해질과 함께 다른 위치로 수송될 수 있으며, 그 쌍은 액화 수소에 대한 비용 효율적 대안으로서(도 9 참조), 수소 이동 방법으로서, 또는 암모니아 또는 톨루엔과 같은 대안과 경쟁하는 액체 유기 수소 담체로서(도 10 참조) 작용할 수 있다.
도 11은 수소 및 산소로부터 전기를 생성하는 연료 전지에서의 본 발명의 실시 형태를 나타낸다.
H 2 O + 0.5O 2 => H 2 O + 2e - [식 3]
본 발명의 다른 실시 형태는 물 전기분해 전지에서의 역반응이다.
캐소드 환원:
2H 2 O (l) + 2e - => 2H 2 (g) + 2OH (aq) [식 4]
애노드 산화:
2OH (aq) => 0.5O 2 (g) + 2H 2 O (l) + 2e - [식 5]
전체 반응:
2H 2 O (l) => 2H 2 (g) + O 2(g) [식 6]
그러나, 열 관리 및 효율을 개선 뿐만 아니라 기계적 가스 압축의 필요성을 감소시키는 능력은 물 전기분해에만 적용되는 것은 아니다. 리튬, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘 및 알루미늄과 같은 염소 및 금속의 생성과 같은 영역에서의 공정 개선을 위한 다수의 다른 기회가 존재한다.
캐소드 환원:
Al 3 + + 3e - => AL [식 7]
애노드 산화:
O 2- + C => CO + 2e - [식 8]
전체 반응:
Al 2 O 3 + 3C => 2AL + 3CO [식 9]
현재의 상업적 관행에서, 이러한 전지는 공기 냉각되며 대부분의 CO가 CO2로 전환된다. 적절한 밀봉 및 열 관리는 생성된 Al 1 ㎏당 평균 15.37 kWh로부터 6.23 kWh의 이론적 이상치에 더 가깝게 이러한 에너지 소비를 감소시킬 기회를 제공할 것이다. 이러한 전지가 단지 물 전기분해만큼 비효율적일 뿐이라면, 전력 소비는 약 11.2 kWh/㎏으로 26% 감소할 것이고, 모든 탄소 방출이 포집되고 재사용될 수 있다.
도 12는 다음의 단계들로 작동하는 통합 ECR/CCR 모듈을 나타낸다;
1. 연료/물/전해질 혼합물이 ECR 전지에 들어가고,
2. 연료가 산화되고 물이 환원되어 탄화 전해질을 생성하며, 이는
3.에서 CCR 전지의 투입부로 재순환되면서, 외부 사용을 위해
4.에서 전극에서 발생한 생성물 수소가 배기되고 3에서 투입된 탄화 전해질이 CCR 전지 애노드에서 산소를 발생시키고,
5. 이는 외부 사용을 위해 배기되는 반면,
6.에서 빠져나온 탈탄화 전해질은 또한 탄화수소 발생 전극에서 탄화수소 또는 산소화된 탄화수소를 산출하고,
7. 이는 엑스포트를 위해 배기되거나, 재순환되어
8.에서 투입 연료 및 물과 혼합된다.
이들 2개의 전지는 수소 및 산소를 생성하고 있기 때문에, ECR 전지로부터의 수소와 CCR 전지로부터의 산소가 이 연료 전지 투입물을 위해 적절한 유동장 내로 직접 발생하게 하는 방식으로 배열된 ECR 및 CCR 전지와 연료 전지의 통합을 나타내는, 본 발명의 명백한 바람직한 실시 형태가 도 13에 나타나 있다. 이러한 방식으로, 연료 전지는 어떠한 공기 중(airborne) 불순물도 보이지 않을 것이고, 일반적으로 이러한 조건은 전지 성능을 개선하고 수명을 증가시킬 것이다.
그러나, 이는 본 발명의 유일한 실시 형태가 아니다. 이러한 전지는 전체 시스템에서 통합 스택 또는 적절한 경우 통합된 분리된 스택 및 모듈의 상이한 섹션으로 분리될 수 있다. 이러한 장소-독립적, 시간-독립적, 저비용, 고성능 모듈성은 공장 구축 모듈이 임의의 규모로 고효율 시스템을 제공할 수 있게 할 것이다.
본 명세서에 기재된, 특허를 비롯한, 모든 문헌은 임의의 우선권 45개 문서 및/또는 시험 절차를 포함하여 본 명세서에 참고로 포함된다. 본 발명의 원리, 바람직한 실시 형태, 및 작동 방식이 전술한 명세서에 기술되어 있다. 본 명세서에서 본 발명은 특정 실시 형태를 참조하여 기술되었지만, 이들 실시 형태는 단지 본 발명의 원리 및 응용을 예시하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 예시적인 실시 형태에 대해 수많은 수정이 이루어질 수 있으며, 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고서 다른 배열이 고안될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (39)

  1. 수소 발생 캐소드 및 탄화수소 연료 애노드를 갖는 전지에 산화성 반응물(연료), 환원성 반응물(물) 및 이온 전도성 전해질(즉, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 탄산염, 완충제 또는 산)의 혼합물을 공급하는 평면 전기화학 개질기(ECR)로서, 이러한 평면 반응기는 각각의 전극에서 열 또는 전기 투입량 및/또는 산출량의 추가에 의해 제어될 수 있는, 평면 ECR.
  2. 제1항에 있어서, 투입 연료로서 이산화탄소를 사용하는, ECR.
  3. 제1항에 있어서, 투입 연료로서 이산화탄소를 사용하는, ECR.
  4. 제1항에 있어서, 투입 연료로서 일산화탄소를 사용하는, ECR.
  5. 제1항에 있어서, 투입 연료로서 메탄올을 사용하는, ECR.
  6. 제1항에 있어서, 투입 연료로서 에탄올을 사용하는, ECR.
  7. 제1항에 있어서, 투입 연료로서 천연 가스를 사용하는, ECR.
  8. 제1항에 있어서, 투입 연료로서 바이오가스를 사용하는, ECR.
  9. 제1항에 있어서, 투입 연료로서 탄소를 사용하는, ECR.
  10. 제1항에 있어서, 투입 연료로서 전처리 석탄으로부터 제조된 슬러리를 사용하는, ECR.
  11. 제1항에 있어서, 투입 연료로서 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 가스, 액체 또는 왁스를 사용하는, ECR.
  12. 제1항에 있어서, 투입 연료로서 바이오차(biochar)를 사용하는, ECR.
  13. 제1항에 있어서, 투입 연료로서 도시 고형 폐기물(municipal solid waste)의 열수 탄화로부터의 차(char)를 사용하는, ECR.
  14. 제1항에 있어서, 투입 연료로서 의료 폐기물의 열수 탄화로부터의 차를 사용하는, ECR.
  15. 제1항에 있어서, 투입 연료로서 바이오매스의 열수 탄화로부터의 차를 사용하는, ECR.
  16. 제1항에 있어서, 투입 연료로서 바이오가스 또는 석탄의 가스화로부터의 발생로 가스(producer gas)를 사용하는, ECR.
  17. 제1항에 있어서, 투입 연료로서 바이오매스, 바이오가스, 도시 고형 폐기물, 바이오솔리드 또는 석탄의 플라스마 파괴로부터의 발생로 가스를 사용하는, ECR.
  18. 제1항에 있어서, 제2항 내지 제17항 중 어느 한 항의 연료 중 임의의 것이 공급되고, 변형 벤필드(Benfield) 공정에서 상기 탄화 전해질이 컬럼의 상부로 공급되고 스팀이 하부에서 주입되는 외부 수소 스트리퍼를 갖는, ECR.
  19. 초기 전해질에 공급되는 추가 탄소의 공급원으로서 제1항에서의 투입 연료를 사용하는 평면 전기화학 CCR 탈탄화기로서, 이러한 평면 반응기는 각각의 전극에서 열 또는 전기 투입량 및/또는 산출량의 추가에 의해 제어될 수 있는, 평면 전기화학 CCR 탈탄화기.
  20. 제19항에 있어서, 상기 전해질에 공급되는 추가 탄소의 상기 공급원으로서 외부 포집 서브시스템으로부터의 이산화탄소를 사용하는, CCR 탈탄화기.
  21. 제19항에 있어서, 상기 초기 전해질에 공급되는 추가 탄소의 상기 공급원으로서 제1항에서의 상기 투입 연료를 사용하는, CCR 탈탄화기.
  22. 각각의 전극에서 열 또는 전기 투입량 및/또는 산출량의 추가에 의해 제어될 수 있는, 평면 연료 전지.
  23. 제22항에 있어서, 캐소드 공급물로서 공기를 사용하는, 연료 전지.
  24. 제22항에 있어서, 캐소드 공급물로서 산소를 사용하는, 연료 전지.
  25. 제22항에 있어서, 애노드 공급물로서 수소를 사용하는, 연료 전지.
  26. 제22항에 있어서, 애노드 공급물로서 개질물(reformate)을 사용하는, 연료 전지.
  27. 제22항에 있어서, 애노드 공급물로서 메탄올을 사용하는, 연료 전지.
  28. 제22항에 있어서, 애노드 공급물로서 에탄올을 사용하는, 연료 전지.
  29. 제22항에 있어서, 애노드 공급물로서 암모니아를 사용하는, 연료 전지.
  30. 제22항에서와 같은 연료 전지.
  31. 최적의 열 관리 및 최소한의 외부 전기 및/또는 열 투입을 위해 밀접하게 결합된, 제1항에서와 같은 ECR 및 제19항에서와 같은 CCR 탈탄화기로 구성되며 애노드 공급물로서 포름산염을 사용하는, 통합 연료 처리 시스템.
  32. 제31항에 있어서, 연산물(co-product) 탄화수소는 하류 외부 사용을 위해 수집되는, 통합 연료 처리 시스템.
  33. 제31항에 있어서, 연산물 탄화수소는 내부 재사용을 위해 재순환되는, 통합 연료 처리 시스템.
  34. 최적의 열 관리 및 최소한의 외부 전기 및/또는 열 투입을 위해 제22항에서와 같은 연료 전지와 밀접하게 결합된, 제1항에서와 같은 ECR 및 제19항에서와 같은 탈탄화기로 구성된, 통합 전기 발생 시스템.
  35. 제34항에 있어서, 전기 수요를 충족시키는 데 필요한 양의 수소 및 산소만을 생성하며, 따라서 상기 연료 전지를 모든 외부 오염으로부터 밀봉하는, 통합 전기 발생 시스템.
  36. 제34항에 있어서, 전기 수요를 초과하는 양으로 수소 및 산소를 생성하고 다른 사용을 위해 이들 가스를 엑스포트(export)하는, 통합 전기 발생 시스템.
  37. 물 전기분해를 위해 설계된 제22항에서와 같은 연료 전지와 유사한 구성으로 제조된, 전해 전지.
  38. 염소 생성을 위해 설계된 제22항에서와 같은 연료 전지와 유사한 구성으로 제조된, 전해 전지.
  39. 알루미늄 또는 다른 금속 생성을 위해 설계된 제22항에서와 같은 연료 전지와 유사한 구성으로 제조된, 전해 전지.
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