KR20230008700A - 가스 혼합물로부터 성분을 추출하는 방법 및 유닛, 그리고 가스, 특히 수소 또는 암모늄을 운송하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스 혼합물로부터 수소를 추출하기 위한 추출 유닛에 관한 것이며, 이 추출 유닛은 가스 혼합물을 수용 개구로부터 배출 개구로 피드-스루(feed-through) 방향으로 통과시키기 위한 통과 채널을 포함하는 튜브 또는 용기 - 이 튜브 또는 용기는 가스 운송 파이프에 인-라인(in-line)으로 수용되도록 구성됨 -, 적어도 하나의 애노드, 멤브레인 및 캐소드를 가지고 튜브 또는 용기에 구성되는 적어도 하나의 멤브레인-전극 어셈블리 - 이 멤브레인-전극 어셈블리는 애노드 표면이 통과 채널을 향하게 되고 캐소드 표면이 통과 채널로부터 멀어지면서, 피드-스루 채널로부터 분리된 드레인을 향하게 되도록 구성되고 애노드 및 캐소드에는 전압원용 커넥터가 제공되어 있음 - 를 포함한다.

Description

가스 혼합물로부터 성분을 추출하는 방법 및 유닛, 그리고 가스, 특히 수소 또는 암모늄을 운송하는 방법
본 발명은 가스 혼합물로부터 성분을 추출하기 위한 방법 및 유닛, 그리고 가스, 특히 수소 또는 암모늄을 운송하기 위한 방법에 관한 것이다.
수소는 에너지원으로 점점 더 인기를 얻고 있으며, 이에 따라 수소를 운송할 수 있는 능력이 점점 더 중요해지고 있다. 현재 미세 메시(fine-meshed) 수소 분배 네트워크들은 희소하며, 수소는 1회에 200kg 내지 400kg(차량용 수소 충전소에서의 반나절 분에 해당)을 운송할 수 있는 트럭들을 사용하여 분배될 수 있다. 수소를 위한 새로운 분배 네트워크들을 구축한다는 것은 상상할 수 없으며, 기존의 (가스) 분배 네트워크들을 수소 운송에 사용하는 것이 더 유리할 수 있다. 이것은 기존 가스의 분배라는 원래 목적을 위해 가스 분배 네트워크를 계속 사용하면서 수행될 수 있다. 그 다음, 네트워크의 특정 지점에서 수소가 주입된다. 이러한 경우 직면하게 되는 한 가지 도전과제는 이렇게 생성되는 가스 혼합물에서 수소를, 최소한 최종 사용자가 어려움이나 방해를 받지 않고 그들의 장비를 사용할 수 있는 수준까지 회수하는 것이다. 이것은 수소뿐만 아니라 멤브레인을 통해 선택적으로 운송될 수 있는 모든 가스, 예를 들어 암모늄에도 적용된다.
본 발명의 일 목적은 가스 혼합물로부터 성분, 특히 수소를 추출하기 위한 추출 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 가스 운송 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 성분 부피의 1% 내지 60%의 양, 특히 수소가 천연 가스 네트워크에서 가스에 첨가될 수 있다. 성분은 네트워크의 특정 지점에서 분배 시스템에 주입되고, 필요한 지점에서 추출된다. 수소의 경우, 가스 혼합물에서 수소를 추출한 후 수소의 20 % 미만, 바람직하게는 10 % 미만이 남아 있을 때, 최종 사용자의 장비(대부분 가열 및 조리 장치)가 계속 잘 작동하는 것으로 나타났다.
이러한 목적을 위해, 본 발명은 성분, 특히 수소가 필요한 위치에 또는 그 근처에 배치되는 추출 유닛을 제안하며, 이 추출 유닛은 수용 개구로부터 배출 개구로 피드-스루(feed-through) 방향으로 가스 혼합물을 통과시키기 위한 통과 채널을 포함하는 튜브 또는 용기로, 가스 운송 파이프에 인-라인(in-line)으로 수용되도록 구성되는 튜브 또는 용기; 적어도 하나의 애노드, 멤브레인 및 캐소드를 가지고 튜브 또는 용기에 구성되는 적어도 하나의 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)로, 애노드 표면이 통과 채널을 향하게 되고 캐소드 표면이 통과 채널로부터 멀어지면서, 피드-스루 채널로부터 분리된 드레인을 향하게 되도록 구성되고, 상기 애노드 및 상기 캐소드에는 전기 커넥터들이 제공되어 있는, 상기 멤브레인-전극 어셈블리(MEA) 를 포함한다.
멤브레인은 양성자(proton)만 통과시키므로, 혼합 가스에서 성분을 선택적으로 추출할 수 있다. 멤브레인-전극 어셈블리의 양성자 교환 멤브레인은 특정 성분만이 가스 혼합물로부터 추출되도록 치수가 정해질 수 있다.
가스 혼합물에서 추출되는 성분의 실제 백분율은 애노드의 길이와 면적, 가스 혼합물이 애노드 표면을 따라 흐르는 속도와 같은 여러 매개변수들에 따라 달라진다. 나머지 1%까지의 수소 환원이 본 발명에서 실현 가능함을 보여주었다.
추출에는 거의 항상 낮은 수소 함량(5% - 50%)의 가스 혼합물이 포함된다. 본 발명에 따르면, 바람직하게는 5% 내지 25%, 더욱 바람직하게는 8% 내지 15% 성분이 첨가될 수 있다. 이 성분 함량은 가스 혼합물이 MEA를 지나 흐르는 동안 더 감소하는데, 그 이유는 가스 혼합물의 나머지 부분이 남아 있는 상태에서 성분이 제거되기 때문이다. 충분히 높은 회수율(추출된 수소 %)을 달성하려면, 수소 농도의 실질적인 감소가 불가피하다. 예를 들어, 60%의 회수를 위해, 벌크의 초기 수소 농도는 (예를 들어) 10%에서 4%로 감소해야 한다.
본 발명에 따른 추출 유닛은 또한 예를 들어 석탄 또는 바이오매스 및 물의 기화에 의해 수득된 합성가스(syngas)를 정제하거나 헬륨/수소 혼합물로부터 수소를 추출하기 위해 적용될 수 있다. 후자의 경우, 수소는 천연 공급원에서 얻어지는 헬륨의 불순물로 볼 수 있다.
본 발명에 따른 추출 유닛의 또 다른 응용은 질소/수소 혼합물로부터 수소를 추출하는 것이다. 이 경우, 본 발명은 N2와 H2에 있는 액체 암모니아의 분해(cracking)에 관한 것이다. 그러면 암모니아는 운송 수단으로서 사용된다. 암모니아는 (가능하게는 재생 에너지로부터) 얻어지고 수소가 필요한 위치로 배에 의해 운송된다. 촉매에 의해 액체 암모니아가 가스로 분해된 다음, 생성된 질소/수소 가스 혼합물로부터 수소가 정제된다.
추가 응용은 화석 원료(천연 가스, 경질 디젤 등)에서 SMR(steam methane reforming)과 유사한 공정으로 만들어진 스트림에서 수소를 추출하는 것일 수 있다.
일반적으로, 본 발명에 따른 추출 유닛은 인-라인 적용성, 낮은 압력 강하 및 고용량성, 및 경제적 타당성의 이점을 제공한다. 압축으로부터 추출물을 분리하는 것에 의하여, 애노드 표면이 큰 값싼 추출 유닛과 수소와 같은 순수한 성분을 압축하는 단일 압축기 유닛을 함께 사용하면 충분하다. 성분을 추출하고 한 번에 40-900bar로 압축하는 기술의 상태에 따라 요구되는 3 내지 5개의 전기화학 압축기 스택 대신에, 본 발명에 따른 추출 유닛은 추출 유닛 이외의 단일 압축기 스택으로 압축할 수 있다.
또 다른 이점은 본 발명에 따른 추출 유닛이 인-라인, 특히 파이프라인에 있고 거의 압력 차(pressure differential) 없이 작동할 수 있기 때문에, 압축기에서와 같은 유압 밀봉 시스템이 필요하지 않다는 점이다. 이것은 또한 재료 선택에 더 많은 자유를 준다. 고체 상태 압축기와 달리, 본 발명에 따른 추출 유닛은 고압 강철을 필요로 하지 않는다. 이것은 더 많은 m2의 멤브레인/MEA 표면이 필요한 경우에도 유닛 비용을 크게 감소시킨다. 낮은 부분 압력 차 없이 작동할 때, 이 압축기의 경우 네른스트(Nernst) 전압을 극복하는 데 약간의 추가 에너지만 필요하게 된다.
또 다른 이점은 상대적으로 많은 가스가 멤브레인을 통과하여 흐르기 때문에 이 가스 흐름으로 멤브레인을 수동적으로 냉각할 수 있다는 점이다. 결과적으로, 셀에 수냉식 회로가 필요하지 않아, 설계가 더욱 간소화되고 비용이 절감된다.
장치 효율을 증가시키기 위해, 애노드 표면은 접촉 길이를 증가시키고 이에 따라 가스 통과를 위한 접촉 표면을 증가시키기 위해, 수용 개구와 배출 개구 사이에서 비직선적으로 연장될 수 있다. 적합한 구성은 예를 들어 애노드 표면이 구불구불하거나 애노드 표면이 지그재그 톱 배향인 구성이다. 이러한 형태는 튜브 또는 용기의 길이에 비해 가스 혼합물이 애노드와 접촉하여 수소를 추출할 수 있는 실제 길이가 커지게 된다. 또한, 전체 멤브레인에 대한 전류의 더 나은 분포가 얻어지며, 따라서 더 나은 열 및 물 관리 그리고 더 낮은 에너지 사용이 얻어진다.
상대적으로 큰 애노드 표면을 위한 공간을 만들기 위해, 수용 개구와 애노드 표면 사이에 튜브 또는 용기의 단면 확장부가 존재할 수 있다. 추출 유닛이 표준 가스 분배 네트워크에 통합되도록 하기 위해, 애노드 표면과 배출 개구 사이에 튜브 또는 용기의 단면 테이퍼가 존재할 수도 있다.
또한, 가스 혼합물이 애노드를 따라 이동하도록 하기 위해 피드 채널에 위치되는, 피드 방향에 수직인 방향 성분으로 연장되는 적어도 하나의 배플(baffle)이 존재할 수 있다. 추출 유닛은 배출 채널에 연결된 압축기, 특히 고체 상태 압축기와 같은 성분을 위한 압축기를 더 포함할 수 있으며, 애노드 및 캐소드에 연결되는 전압원을 추가로 구비할 수 있다.
캐소드는 바람직하게는 냉각액을 위한 채널 구조를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 추출 유닛의 제 1 타입의 사용 동안, 채널 구조는 H2O와 같은 냉각액을 순환시키는 데 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 가스 혼합물로부터 수소와 같은 성분을 추출하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은 가스 혼합물을 전술한 바와 같은 추출 유닛을 통해 통과시키는 단계, 전압원에 의해 애노드와 캐소드 사이에 전압을 인가하는 단계 및 가스 혼합물로부터 추출된 성분을 배출 채널을 통해 통과시키는 단계를 포함한다.
수소와 같은 성분이 가스 또는 가스 혼합물에 삽입될 수 있으며, 이 방법은 가스 운송 파이프를 통해 수소와 함께 가스 또는 가스 혼합물을 운송하는 단계, 수소와 함께 추출 유닛을 통해 가스 또는 가스 혼합물을 통과시키는 단계, 및 가스 또는 가스 혼합물로부터 수소를 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다.
멤브레인을 가로지르는 평균 표면 전류 밀도는 1.0 A/cm2 미만일 수 있으며, 더욱 특별하게는 0.5 A/cm2 미만일 수 있다.
본 발명은 또한 멤브레인을 습윤화하여 효율을 증가시키거나 오염물로부터 촉매를 세정하여 장치의 효율을 증가시키기 위해, 캐소드 측에서, 산소와 같은 성분을 공급하는 단계를 포함하는, 전술한 바와 같은 방법에 관한 것이다.
본 발명에 대하여 이제 다음 도면들을 참조하여 보다 상세하게 설명할 것이며, 여기서:
- 도 1은 본 발명에 따른 추출 유닛의 단면도를 도시한 것이다.
- 도 2는 본 발명에 따른 추출 유닛의 개략도를 도시한 것이다.
- 도 3은 본 발명에 따른 추출 유닛의 제 1 타입의 사용에 대한 추가 구성 세부 사항을 도시한 것이다.
도 1은 튜브 또는 용기를 포함하는 본 발명에 따른 추출 유닛의 단면도를 나타내며, 이 튜브(tube) 또는 용기(vessel)는 가스 혼합물을 수용 개구(1)로부터 배출 개구(8)로 피드-스루(feed-through) 방향으로 통과시키며, 가스 운송 파이프에 인-라인(in-line)으로 수용되도록 구성된 통과 채널(transit channel)(6), 적어도 하나의 애노드, 멤브레인 및 캐소드와 함께 튜브 또는 용기에 구성되며, 애노드 표면이 통과 채널을 향하게 되고 캐소드 표면이 통과 채널로 멀어지면서, 피드-스루 채널로부터 분리된 드레인(drain)(5)을 향하게 되도록 구성되고, 여기서 애노드 및 캐소드에는 전압원용 커넥터가 제공되는, 적어도 하나의 멤브레인-전극 어셈블리(4)을 포함한다. 애노드 표면은, 접촉 길이를 증가시키고 이에 따라 가스를 통과시키는 접촉 표면을 증가시키기 위해, 수용 개구와 배출 개구 사이에서 비직선적으로 연장된다. 애노드 표면은 구불구불한 배향으로 이루어진다.
수용 개구와 애노드 표면 사이에 튜브 또는 용기의 단면 확장부(widening)(2)가 존재하며, 애노드 표면과 배출 개구 사이에 튜브 또는 용기의 단면 테이퍼(taper)(7)가 존재한다. 또한, 피드 채널(feed channel)에 위치되는, 피드 방향(feed direction)에 수직인 방향 성분으로 연장되는 배플(baffle)(3)이 존재한다.
도 2는 본 발명에 따른 추출 유닛의 작동 원리의 개략도를 나타낸다. 이 도면은 가스 혼합물을 통과시키기 위한 통과 채널(12), 애노드(9), 멤브레인(10) 및 캐소드(11)를 포함하는 멤브레인-전극 어셈블리 및 피드-스루 채널로부터 분리된 드레인(14)을 보여주고 있으며, 여기서 애노드 및 캐소드에는 전압원(15)용 커넥터가 제공된다. 통과 채널(12)로부터 수소(13)가 추출된다.
도 3은 도 2의 구성의 추가 구성 세부 사항을 보여주고 있으며, 이것은 본 발명에 따른 추출 유닛의 제 1 타입의 사용에 대응한다. 이 예에서는, 수소와 같은 성분이 가스 또는 가스 혼합물에 첨가되고, 이 혼합물이 애노드를 포함하는 파이프 또는 용기(16)를 통해 운송된다. 멤브레인(17)은 전압이 캐소드 및 애노드에 걸쳐 인가될 때 어떤 성분(이 예에서는 수소)을 선택적으로 통과시도록 구성된다. 캐소드(18)에는, 펌프(20)에 의해 냉각액으로서 물(19)이 제공되고 상기 냉각액이 다시 배수되는(drained) 채널 구조가 제공된다. 가스 혼합물로부터 상기 성분(예를 들어 수소)이 추출되고 건조기(21)에 의해 건조된다. 이 성분은 추가 처리 단계에서 예를 들어 차량 탱크(vehicle tank)를 채우기 위해 더 높은 압력으로 압축될 수 있다.

Claims (17)

  1. 가스 혼합물로부터 수소 또는 암모늄과 같은 성분을 추출하기 위한 추출 유닛으로서,
    - 가스 혼합물을 수용 개구로부터 배출 개구로 피드-스루(feed-through) 방향으로 통과시키기 위한 통과 채널을 포함하며, 가스 운송 파이프에 인-라인(in-line)으로 수용되도록 구성된 튜브 또는 용기;
    - 적어도 하나의 애노드, 멤브레인 및 캐소드를 가지고 상기 튜브 또는 용기에 구성되며, 애노드 표면이 통과 채널을 향하게 되고 캐소드 표면이 통과 채널로부터 멀어지면서 상기 피드-스루 채널로부터 분리된 드레인(drain)을 향하게 되도록 구성되고 상기 애노드 및 상기 캐소드에는 전기 커넥터들이 제공되어 있는, 적어도 하나의 멤브레인-전극 어셈블리
    를 포함하는, 추출 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 커넥터들은 전원에 연결하기 위한 것이고, 상기 애노드 표면은 접촉 길이를 증가시키고 이에 따라 가스를 통과시키는 접촉 표면을 증가시키기 위해, 상기 수용 개구와 상기 배출 개구 사이에서 비직선적으로 연장되며, 특히 상기 애노드 표면이 구불구불(meandering)하거나, 또는 상기 애노드 표면의 지그재그 톱(zigzag saw) 배향이 확립되는, 추출 유닛.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수용 개구와 상기 애노드 표면 사이에 상기 튜브 또는 용기의 단면 확장부(widening)가 존재하는, 추출 유닛.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 표면과 상기 배출 개구 사이에 상기 튜브 또는 용기의 단면 테이퍼(taper)가 존재하는, 추출 유닛.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피드 방향에 수직인 방향 성분으로 연장되는 적어도 하나의 배플(baffle)이 상기 피드 채널에 위치되는, 추출 유닛.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    배출 채널에 연결되는 수소 또는 암모늄과 같은 성분용 압축기, 특히 고체 상태 압축기를 포함하는, 추출 유닛.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 및 상기 캐소드에 연결되는 전압원을 포함하는, 추출 유닛.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드는 냉각액을 위한 채널 구조를 포함하는, 추출 유닛.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드는 상기 멤브레인을 습윤(moistening)시키기 위한 채널 구조를 포함하는, 추출 유닛.
  10. 가스 혼합물로부터 수소를 추출하는 방법으로서,
    제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 상기 추출 유닛을 통해 상기 가스 혼합물을 통과시키는 단계,
    전압원에 의해 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 전압을 인가하는 단계, 및
    상기 배출 채널을 통해 상기 가스 혼합물로부터 추출된 수소 또는 암모늄과 같은 상기 성분을 통과시키는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 가스 혼합물은 천연 공급원에서 헬륨을 채굴하는 것으로부터 유래되는, 헬륨 및 수소를 포함하는 혼합물인, 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 가스 혼합물은 암모니아로부터 유래되고, 질소와 수소로 분리되는 것인, 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 가스 혼합물은 H2, CO2 및 CO의 혼합물이며, 특히 천연 가스 및/또는 경질 디젤(light diesels)과 같은 화석 원료(fossil raw material)로부터 SMR(Steam Methane Reforming) 공정에 의해 형성되는 혼합물인, 방법.
  14. 수소 또는 암모늄과 같은 성분을 운송하는 방법으로서,
    상기 성분을 가스 또는 가스 혼합물에 공급하는 단계,
    가스 운송 파이프를 통해 상기 성분과 함께 가스 또는 가스 혼합물을 운송하는 단계,
    제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 추출 유닛을 통해 상기 성분과 함께 상기 가스 또는 가스 혼합물을 통과시키는 단계, 및
    제 9 항에 따른 방법에 따라 상기 가스 또는 가스 혼합물로부터 상기 성분을 회수하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    부피 백분율이 5 % 내지 25 %, 특히 8 % 내지 15 %인, 방법.
  16. 제 10 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인을 가로지르는 전류 밀도가 0.5 A/cm2 미만이며, 보다 특별하게는 0.3 A/cm2 미만인, 방법.
  17. 제 10 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인을 습윤시키거나 오염물로부터 촉매(catalyst)를 세정하여 장치의 효율을 증가시키기 위해, 상기 캐소드 측에서, 산소와 같은 성분을 공급하는 단계를 포함하는, 방법.
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