KR20230007243A - 친환경 수전해 시스템 및 이의 작동 방법 - Google Patents

친환경 수전해 시스템 및 이의 작동 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20230007243A
KR20230007243A KR1020220082519A KR20220082519A KR20230007243A KR 20230007243 A KR20230007243 A KR 20230007243A KR 1020220082519 A KR1020220082519 A KR 1020220082519A KR 20220082519 A KR20220082519 A KR 20220082519A KR 20230007243 A KR20230007243 A KR 20230007243A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
water electrolysis
eco
heat
supply device
electrolysis system
Prior art date
Application number
KR1020220082519A
Other languages
English (en)
Inventor
정수호
Original Assignee
주식회사 오버플러스파워
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 오버플러스파워 filed Critical 주식회사 오버플러스파워
Publication of KR20230007243A publication Critical patent/KR20230007243A/ko

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00Operating or servicing cells
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/02Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B13/00Diaphragms; Spacing elements
    • C25B13/04Diaphragms; Spacing elements characterised by the material
    • C25B13/05Diaphragms; Spacing elements characterised by the material based on inorganic materials
    • C25B13/07Diaphragms; Spacing elements characterised by the material based on inorganic materials based on ceramics
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00Operating or servicing cells
    • C25B15/02Process control or regulation
    • C25B15/021Process control or regulation of heating or cooling
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C25B9/23Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60Constructional parts of cells
    • C25B9/67Heating or cooling means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23GCREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/44Details; Accessories
    • F23G5/46Recuperation of heat
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23GCREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G7/00Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
    • F23G7/06Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases
    • F23G7/07Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23GCREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2209/00Specific waste
    • F23G2209/14Gaseous waste or fumes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10Process efficiency
    • Y02P20/133Renewable energy sources, e.g. sunlight

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

본 실시예들은, 친환경 수전해 시스템 및 이의 작동 방법에 관한 것이다. 불완전 연소물들을 연소하는 과정에서 발생하는 열 에너지를 생산 및 저장하는 열 공급 장치, 신재생 에너지원으로부터 전기 에너지를 생산 및 저장하는 전기 공급 장치, 및 상기 열 생산 장치로부터 공급되는 열과 상기 신재생 에너지원으로부터 생산되는 상기 전기 공급 장치에 의해 수전해 반응을 수행하여 수소를 생산하는 수전해 장치를 포함할 수 있다.

Description

친환경 수전해 시스템 및 이의 작동 방법{ECO-FRIENDLY WATER ELECTROLYSIS SYSTEM AND METHOD OF OPERATING THEREOF}
본 발명은 수전해 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 친환경 수전해 시스템 및 이의 작동 방법에 관한 것이다.
종래의 에너지원인 석탄 또는 석유의 경우 탄소를 포함하는 것과 대비하여, 수소 가스는 탄소를 전혀 포함하지 않고 대부분 물로 전환되므로, 에너지원으로 사용되더라도 불필요한 부산물의 생성이 전혀 없고, 물로 전환될 경우 큰 에너지를 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 수소 가스를 이용하여 에너지를 얻는 기술에 대한 연구가 주목받고 있으며, 상기 수소 가스는 친환경적이며 이상적인 에너지원으로 고려되고 있다.
상기 수소 가스를 확보하기 위해 전기에너지에 의해 수전해하여 수소를 생산하는 방법이 활용되고 있다. 상기 수전해를 통해 수소를 생산하는 방법으로서, 알칼리 수전해(Alkaline water electrolysis, AWE), 고분자 전해질(Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis, PEM) 수전해 및 고체 산화물(Solid Oxide Electrolysys Cell, SOEC) 수전해가 있다.
특히, 상기 고분자 전해질 수전해는 작동 온도가 낮고 스타팅 시간이 빠르기 때문에 잉여 에너지가 생성되었을 때, 이를 이용하여 즉시 수소를 생산할 수 있다. 이에 반해, 상기 고체 산화물 수전해는 고온에서 작동하기 때문에 상기 고분자 전해질 수전해 보다 고효율로 수소를 생산할 수 있어 효율적이다.
그러나, 상기 고체 산화물 수전해는 고온 상태를 일정하게 유지해야 하기 때문에, 열처리를 위한 추가 에너지를 소비할 필요가 있고, 이는 자원의 낭비를 유발하는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 수전해 시 수소 생산의 효율을 높일 뿐만 아니라, 버려지거나 소실될 자원을 재활용하여 자원 낭비를 방지하는 친환경 수전해 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 이점을 갖는 친환경 수전해 시스템의 작동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 친환경 수전해 시스템은 불완전 연소물들을 연소하는 과정에서 발생하는 열 에너지를 생산 및 저장하는 열 공급 장치, 신재생 에너지원으로부터 전기 에너지를 생산 및 저장하는 전기 공급 장치, 및 상기 열 생산 장치로부터 공급되는 열과 상기 신재생 에너지원으로부터 생산되는 상기 전기 공급 장치에 의해 수전해 반응을 수행하여 수소를 생산하는 수전해 장치를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른, 상기 열 공급 장치는 RTO(Regenerative Thermal Oxidation) 장치, RCO(Regenerative Catalytic Oxidation) 장치, FRTO(Flameless Regenerative Thermal Oxidation) 장치, CRTO(Concentrated Regenerative Thermal Oxidation), CCO(Concentrated Catalytic Oxidation), SRF 보일러 장치, 열병합 발전 장치, 일반 보일러 장치, 복합 발전 장치, 및 폐기물 소각 장치 중 하나일 수 있다.
일 실시예에 따른, 상기 열 공급 장치는 발열 반응에 의해 열 에너지를 생산할 수 있다. 일 실시예에 따른, 상기 열 공급 장치로부터 공급되는 열의 온도는 650 ℃ 내지 750 ℃ 내의 범위를 가질 수 있다.
일 실시예에 따른, 상기 신재생 에너지원은 태양광, 풍력, 중 소수력 적어도 하나일 수 있다. 다른 실시예에 따른, 상기 신재생 에너지원으로부터 생성된 전기 에너지 중 잉여 전기 에너지를 사용하여 상기 수전해 반응을 할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 수전해 장치는 고체 산화물 수전해기(Solid Oxide Electrolysys Cell, SOEC)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 불완전 연소물들을 연소하는 과정에서 발생하는 열 에너지를 열 공급 장치에 생산 및 저장하는 단계, 신재생 에너지원으로부터 생산된 전기 에너지를 전기 공급 장치에 생산 및 저장되는 단계, 상기 열 공급 장치로부터 수전해 반응을 수행하는 수전해 장치에 상기 열 에너지가 공급되는 단계, 상기 열 에너지가 공급된 상태를 유지한 채, 상기 전기 에너지에 의해 상기 수전해 장치에서 수전해 반응을 수행하는 단계, 및 상기 수전해 반응을 통해 수소를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열 공급 장치는 RTO(Regenerative Thermal Oxidation) 장치 RCO(Regenerative Catalytic Oxidation) 장치, SRF 보일러 장치, 열병합 발전 장치, 일반 보일러 장치, 복합 발전 장치, 및 폐기물 소각 장치 중 하나일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 열 에너지는 상기 열 공급 장치의 발열 반응에 의해 생산될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 신재생 에너지원은 태양광, 풍력, 중 소수력 적어도 하나일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 신재생 에너지원으로부터 생성된 전기 에너지 중 잉여 전기 에너지를 사용할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 수전해 장치는 고체산화물 수전해기(Solid Oxide Electrolysys Cell, SOEC)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 수전해 시스템은, 열 공급 장치가 연소물들을 연소하는 과정에서 발생하는 잠열과 신재생 에너지원으로부터 생산되는 전기 에너지 중 잉여 전기 에너지를 수전해 반응 시 활용함으로써, 폐기 또는 잉여 자원의 활용도 및 전환율을 높여 수소 가스의 생성 및 저장 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 친환경 수전해 시스템의 작동 방법은 전술한 이점을 갖는 상기 친환경 수전해 시스템을 이용해 수소 가스 생산 효율을 높일 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른, 친환경 수전해 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른, 친환경 수전해 시스템의 작동 방법의 순서도이다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 1은 일 실시예에 따른, 친환경 수전해 시스템(10)의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 친환경 수전해 시스템(10)은 열 공급 장치(100), 전기 공급 장치(200), 및 수전해 장치(300)를 포함한다. 수전해 시스템(10)은 열 공급 장치(100), 전기 공급 장치(200), 및 수전해 장치(300)를 활용하여, 수소 가스를 생산 및 저장할 수 있다.
열 공급 장치(100)는 불완전 연소물들을 연소하는 과정에서 발생하는 열 에너지를 생산 및 저장할 수 있다. 일 실시예에서, 열 공급 장치(100)는 RTO(Regenerative Thermal Oxidation) 장치, RCO(Regenerative Catalytic Oxidation) 장치, FRTO(Flameless Regenerative Thermal Oxidation) 장치, CRTO(Concentrated Regenerative Thermal Oxidation), CCO(Concentrated Catalytic Oxidation), SRF 보일러 장치, 열병합 발전 장치, 일반 보일러 장치, 복합 발전 장치, 및 폐기물 소각 장치 중 하나일 수 있다.
상기 RTO 장치는 축열연소산화설비로서, VOCs 물질이 포함된 가스가 고온에서 연소 시 발생하는 열량을 직접 열 교환용으로 사용하고 축열재를 이용하여 발생 열량을 축열하는 장치일 수 있다. 상기 RCO 장치는 축열촉매연소산화설비로서, 버너를 이용하여 시스템을 초기 승온한 후, 유입되는 VOCs 가스를 예열하고 유입 가스를 저온에서 산화 가능한 촉매층에 통과시켜, 저온 예를 들어 200 ℃ 내지 400 ℃ 정도의 연소온도로 운전하는 장치일 수 있다.
상기 FRTO 장치는 무화염축열연소설비로서, 상기 RTO 장치와 유사하게 초기 승온 시 상부에 설치된 버너로 연소실 운전 온도까지 승온시킨 후, 연소실 온도가 일정 온도 이하로 하락하는 경우 버너에 의한 연료 공급이 차단되고, 유입덕트에 설치된 특수한 혼합기를 통해 보조 연료 공급 장치에서 보조 연료가 공급되도록 하는 장치일 수 있다. 상기 CRTO(Concentrated Regenerative Thermal Oxidation)는 저농도 대풍량의 공정배기가스를 고농도 소풍량 가스로 농축하여 상기 가스의 자체 발열량을 활용하여 연료 소비를 최소화하는 장치일 수 있다.
상기 CCO는 농축촉매산화설비로서, 대풍량 저능도의 VOCs 가스 처리에 적합한 설비로서, 제올라이트 로터의 구동을 통하여 흡착 및 탈착이 연속적으로 이루어지는 농축시스템과 저온도에서 산화 가능한 촉매산화시스템을 융합한 장치일 수 있다. 상기 SRF 보일러 장치는 저품위 혼합 폐기물을 에너지화 하기 위해 가연성 또는 유기성 폐기물을 연료화한 고형연료를 연소시킬 때 발생하는 열을 증기로 변환시키는 보일러 장치일 수 있다.
상기 복합 발전 장치는 가스 터빈을 통과한 연소가스가 이코너마이저로 공급되는 엔진의 배기가스와 혼합되어 고온 고압의 스팀을 충분히 발생시키는 장치일 수 있다. 상기 폐기물 소각 장치는 고농도 VOCs 배출 공장 중 공장 운영에 필요한 열원을 스팀으로 사용하는 경우에 적용가능한 장치로서, VOCs 연소열을 이용하여 스팀을 생산하는 장치일 수 있다.
이와 같이, 열 공급 장치(100)는 가스 배출 과정에서 불완전 연소로 발생하는 악취가스, 연기, 유기용제 가스(VOCs), 및 미세먼지와 같은 유해 가스를 완전 연소시키고 이산화탄소(CO2)와 수증기(H2O)로 전환하는 역할을 할 수 있으며, 이 과정에서 열이 발생할 수 있다.
일 실시예에서, 열 공급 장치(100)는 발열 반응에 의해 열 에너지를 생산할 수 있다. 예를 들어, 열 공급 장치(100)가 RTO 장치 또는 RCO 장치인 경우, 가스 배출 과정에서 불완전 연소로 발생하는 가스들을 완전 연소시키고 이산화탄소 및 수증기로 전환하는 과정에서 계가 열을 방출하는 발열 반응이 발생할 수 있다. 상기 발열 반응에 의해, 열 공급 장치(100)는 가스 연소 과정에서 열 에너지가 생성될 수 있다.
일 실시예에서 열 공급 장치(100)는 생성된 상기 열 에너지를 저장할 수 있으며, 상기 열 에너지가 저장된 상태를 축열이라 정의할 수 있다. 상기 열 에너지를 저장하기 위해, 열 공급 장치(100)는 가스의 연소 과정에서 발생하는 잠열을 저장하고, 상기 잠열을 수분해 장치(300)에 공급하여 수분해 장치(300)가 고온 상태를 유지하도록 할 수 있다. 상기 잠열은 폐기 처리되는 것이 일반적이나, 본 발명의 일 실시예에서, 수분해 장치(300)의 상기 고온 상태를 유지하는데 일조함으로써, 수전해 반응에 요구되는 열역학적 총 에너지 중 열에너지를 높일 수 있다. 이에 따라, 상기 수전해 반응에 소모되는 전기에너지를 최소화하여 효율을 향상시키며, 소실될 잉여 자원의 효율적인 활용을 도모할 수 있다.
전기 공급 장치(200)는 전기 에너지를 생산 및 저장하는 장치일 수 있다. 일 실시예에서, 전기 공급 장치(200)는 신재생 에너지원으로부터 전기 에너지를 생산 및 저장할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 신재생 에너지원은 태양광, 풍력, 또는 소수력 중 하나일 수 있으며, 더욱 구체적으로, 태양광에 의해 생성된 전기 에너지를 생산 및 저장할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전기에너지는 잉여 전기 에너지일 수 있다. 상기 잉여 전기 에너지는 전기 공급 장치(200)가 생산한 전기 에너지의 발전량 중 계통 또는 부하에 공급되어 사용되는 전기에너지 이외에 사용되지 않는 잉여 전기에너지일 수 있다. 예를 들어, 상기 신재생 에너지원이 태양광인 경우, 상기 태양광으로부터 생성된 전기 에너지 중 잉여 전기 에너지를 사용할 수 있다. 상기 잉여 전기 에너지를 수분해 장치(300)에 공급함으로써, 사용되지 않고 소실될 잉여 자원의 효율적인 활용을 도모할 수 있다.
수전해 장치(300)는 물(H2O)을 전기분해하여 수소(H2) 및 산소(O2)를 생산하는 장치이다. 일 실시예에서, 수전해 장치(300)는 고체 산화물 수전해기(Solid Oxide Electrolysys Cell)일 수 있다. 상기 고체 산화물 수전해기는 고온, 예를 들어 500℃ 내지 1000 ℃의 고온에서 수증기를 전기분해하여 다량의 수소와 순수한 산소를 분리하는 장치이다. 상기 고체 산화물 수전해기는 고온에서 수전해 반응이 발생하는 것이어서, 상기 고온 상태를 유지할 필요가 있다. 일 실시예에서, 상기 고온 상태를 유지하기 위해 열 공급 장치(100)로부터 저장된 열 에너지를 공급받아 수전해 반응이 일어나도록 할 수 있다.
일 실시예에서, 수전해 장치(300)는 전기 공급 장치(200)에서 나오는 전기에너지에 의해 수전해 반응이 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 수전해 장치(300)는 전기 공급 장치(200)에서 나오는 전기에너지 중 부하에 공급되는 전기에너지를 제외한 나머지 전기에너지인 여유 전기 에너지에 의해 고압의 수소를 생산할 수 있다. 이에 따라, 수전해 장치(300)는 여유 전기 에너지의 활용도 및 전환율을 높일 수 있다.
일 실시예에서, 친환경 수전해 시스템(10)은 수소 저장 장치를 더 포함할 수 있다. 상기 수소 저장 장치는 수전해 장치(300)로부터 생산된 수소를 저장할 수 있다. 상기 수소 저장 장치로부터 상기 수소는 연료전지와 같은 수소 소비 장치로 전달되어 활용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 친환경 수전해 시스템(10)은 잠열 및 잉여 전기 에너지를 활용하여 수전해 반응을 수행함으로써, 폐기되거나 사용되지 않는 잉여 자원들의 활용도 및 전환율을 높일 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른, 친환경 수전해 시스템(10)의 작동 방법의 순서도이다.
도 2를 참조하면, 친환경 수전해 시스템(10)의 작동 방법은 불완전 연소물들을 연소하는 과정에서 발생하는 열 에너지를 열 공급 장치(100)에 생산 및 저장하는 단계(S1O0), 신재생 에너지원으로부터 생산된 전기 에너지를 전기 공급 장치(200)에 생산 및 저장되는 단계(S200), 열 공급 장치(100)로부터 수전해 반응을 수행하는 수전해 장치(300)에 상기 열 에너지가 공급되는 단계(S300), 상기 열 에너지가 공급된 상태를 유지한 채, 상기 전기 에너지에 의해 수전해 장치(300)에서 수전해 반응을 수행하는 단계(S400), 및 상기 수전해 반응을 통해 수소를 생성하는 단계(S500)를 포함할 수 있다. 열 공급 장치(100), 전기 공급 장치(200), 및 수전해 장치(300)에 대한 상세한 설명은 모순되지 않는 범위에서 도 1과 동일할 수 있다.
불완전 연소물들을 연소하는 과정에서 발생하는 열 에너지를 열 공급 장치(100)에 생산 및 저장하는 단계(S1O0)는, 가스 배출 과정에서 불완전 연소로 발생하는 가스들을 완전 연소시키고 발열 반응을 발생시켜 상기 발열 반응에 의해 발생한 열 에너지를 열 공급 장치(100)에 생산 및 저장할 수 있다.
신재생 에너지원으로부터 생산된 전기 에너지를 전기 공급 장치(200)에 생산 및 저장되는 단계(S200)에서, 상기 신재생 에너지원이 예를 들어, 태양광인 경우, 상기 태양광으로부터 생성된 전기 에너지를 전기 공급 장치(200)에 생산 및 저장할 수 있다.
열 공급 장치(100)로부터 수전해 반응을 수행하는 수전해 장치(300)에 상기 열 에너지가 공급되는 단계(S300)에서, 상기 열 에너지는 잠열로서, 열 공급 장치(100)의 발열 반응에 의해 발생된 열 일 수 있다. 상기 열 에너지는 열 공급 장치(100)에서 이용되지 못하고 버려지는 열을 열 공급 장치(100)에 저장하고, 저장된 열인 축열을 재활용하여, 수전해 장치(300)의 수전해 반응 시 필요한 열처리에 따라 소모되는 원가의 대폭적인 절감효과를 기대할 수 있으며, 바람직한 폐열 재활용 방안을 구축할 수 있다.
상기 열 에너지가 공급된 상태를 유지한 채, 상기 전기 에너지에 의해 수전해 장치(300)에서 수전해 반응을 수행하는 단계(S400)에서, 상기 전기 에너지는 상기 신재생 에너지원으로부터 생산된 것일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 전기 에너지는 잉여 전기 에너지일 수 있다. 이에 따라, 상기 잉여 전기 에너지를 수분해 장치(300)에 공급함으로써, 사용되지 않고 소실될 잉여 자원을 효율적으로 활용할 수 있다. 일 실시예에서, 수전해 장치(300)는 고온 상태를 유지한 채, 수전해 반응을 수행하는 고체 산화물 수전해기일 수 있다.
상기 수전해 반응을 통해 수소를 생성하는 단계(S500)는, 상기 수전해 반응을 통해 물을 수소 및 산소로 전기 분해함으로써, 상기 수소를 생산할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (13)

  1. 불완전 연소물들을 연소하는 과정에서 발생하는 열 에너지를 생산 및 저장하는 열 공급 장치;
    신재생 에너지원으로부터 전기 에너지를 생산 및 저장하는 전기 공급 장치; 및
    상기 열 생산 장치로부터 공급되는 열과 상기 신재생 에너지원으로부터 생산되는 상기 전기 공급 장치에 의해 수전해 반응을 수행하여 수소를 생산하는 수전해 장치를 포함하는 친환경 수전해 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 공급 장치는 RTO(Regenerative Thermal Oxidation) 장치, RCO(Regenerative Catalytic Oxidation) 장치, FRTO(Flameless Regenerative Thermal Oxidation) 장치, CRTO(Concentrated Regenerative Thermal Oxidation), CCO(Concentrated Catalytic Oxidation), SRF 보일러 장치, 열병합 발전 장치, 일반 보일러 장치, 복합 발전 장치, 및 폐기물 소각 장치 중 하나인 친환경 수전해 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열 공급 장치는 발열 반응에 의해 열 에너지를 생산하는 친환경 수전해 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 공급 장치로부터 공급되는 열의 온도는 650 ℃ 내지 750 ℃ 내의 범위를 갖는 친환경 수전해 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 신재생 에너지원은 태양광, 풍력, 중 소수력 적어도 하나인 친환경 수전해 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 신재생 에너지원으로부터 생성된 전기 에너지 중 잉여 전기 에너지를 사용하여 상기 수전해 반응을 하는 친환경 수전해 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 수전해 장치는 고체 산화물 수전해기(Solid Oxide Electrolysys Cell, SOEC)인 친환경 수전해 시스템.
  8. 불완전 연소물들을 연소하는 과정에서 발생하는 열 에너지를 열 공급 장치에 생산 및 저장하는 단계;
    신재생 에너지원으로부터 생산된 전기 에너지를 전기 공급 장치에 생산 및 저장되는 단계;
    상기 열 공급 장치로부터 수전해 반응을 수행하는 수전해 장치에 상기 열 에너지가 공급되는 단계;
    상기 열 에너지가 공급된 상태를 유지한 채, 상기 전기 에너지에 의해 상기 수전해 장치에서 수전해 반응을 수행하는 단계; 및
    상기 수전해 반응을 통해 수소를 생성하는 단계를 포함하는 친환경 수전해 시스템 작동 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 열 공급 장치는 RTO(Regenerative Thermal Oxidation) 장치 RCO(Regenerative Catalytic Oxidation) 장치, SRF 보일러 장치, 열병합 발전 장치, 일반 보일러 장치, 복합 발전 장치, 및 폐기물 소각 장치 중 하나인 친환경 수전해 시스템 작동 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 열 에너지는 상기 열 공급 장치의 발열 반응에 의해 생산되는 친환경 수전해 시스템 작동 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 신재생 에너지원은 태양광, 풍력, 중 소수력 적어도 하나인 친환경 수전해 시스템 작동 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 신재생 에너지원으로부터 생성된 전기 에너지 중 잉여 전기 에너지를 사용하여 상기 수전해 반응을 하는 친환경 수전해 시스템 작동 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 수전해 장치는 고체산화물 수전해기(Solid Oxide Electrolysys Cell, SOEC)인 친환경 수전해 시스템 작동 방법.
KR1020220082519A 2021-07-05 2022-07-05 친환경 수전해 시스템 및 이의 작동 방법 KR20230007243A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210088130 2021-07-05
KR20210088130 2021-07-05

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230007243A true KR20230007243A (ko) 2023-01-12

Family

ID=84923767

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220082519A KR20230007243A (ko) 2021-07-05 2022-07-05 친환경 수전해 시스템 및 이의 작동 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20230007243A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN215578650U (zh) 使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统
JP2014519177A (ja) 燃料電池と往復動ガソリン/ディーゼルエンジンとのハイブリッドシステム
CN113506902A (zh) 使用氨气为燃料的固体氧化物燃料电池与质子交换膜燃料电池混合系统
KR20040067952A (ko) Mhd 단독 고효율 발전방법 및 시스템
CN113851671B (zh) 一种净零排放的固体氧化物燃料电池系统
KR101566980B1 (ko) 폐기물 소각-고체산화물 연료전지의 복합발전장치
CN109385307B (zh) 一种生物质的燃料电池热电联供系统及其发电方法
KR20230007243A (ko) 친환경 수전해 시스템 및 이의 작동 방법
CN116435541A (zh) 一种基于生物质高效利用负碳排放发电系统及方法
KR102571663B1 (ko) Co2 포집을 수반하는 하이브리드 파워 플랜트
CN114744261A (zh) 一种固体氧化物燃料电池发电系统
Zhu et al. Modeling and simulation of a SOFC/MGT hybrid system fueled by hydrogen
CN109638331B (zh) 一种基于甲醇的燃料电池混合发电系统
KR101461166B1 (ko) 하이브리드 발전 시스템
JP5688777B2 (ja) 複合発電設備
Frenzel et al. An innovative burner concept for the conversion of anode off-gases from high temperature fuel cell systems
CN105244525A (zh) 利用级联燃料电池的电力生成系统和方法
KR100686714B1 (ko) 코제너레이션 연료전지 시스템의 폭발방지형 열회수장치
KR20130030998A (ko) 촉매 연소기를 구비하는 가정용 연료전지 보일러 시스템
CN113471492B (zh) 使用固废合成气的燃料电池发电系统及发电方法
JPH11336562A (ja) 水素エンジンシステム
JPH04274172A (ja) 溶融炭酸塩型燃料電池発電装置
CN114852963B (zh) 一种碳基燃料向氢燃料转化的零碳排放加热系统
Azegami MCFC/MGT hybrid generation system
JPH11162488A (ja) カソードへ蒸気注入する燃料電池発電装置

Legal Events

Date Code Title Description
E601 Decision to refuse application