KR20230070163A - 스팀 생성을 이용하는 전해조 시스템 및 이의 동작 방법 - Google Patents

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바인개르트너 데이비드
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블룸 에너지 코퍼레이션
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Abstract

시스템에 의해 생성된 수소 스트림들을 압축하도록 구성된 수소 송풍기를 포함하는 전해조 시스템 및 연료 전지 시스템이 개시된다. 전해조 시스템은 스팀을 생성하도록 구성된 스팀 생성기, 스팀 생성기로부터 수용된 스팀을 사용하여 수소 스트림을 생성하도록 구성된 고체 산화물 전해조 전지들의 스택, 스택에 의해 생성된 수소 스트림을 가압하도록 구성된 수소 송풍기, 및 가압된 수소 스트림을 압축하도록 구성된 수소 처리기를 포함한다.

Description

스팀 생성을 이용하는 전해조 시스템 및 이의 동작 방법{ELECTROLYZER SYSTEM WITH STEAM GENERATION AND METHOD OF OPERATING SAME}
본 발명은 고체 산화물 전해조 전지(SOEC)를 포함하는 전해조 시스템 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell; SOFC)들은, 고체 산화물 전해조 전지(solid oxide electrolyzer cell; SOEC)라 일컬어지는, 수소 및 산소를 생성하기 위한 전해조로서 동작할 수 있다. SOFC 모드에서, 산화물 이온은 캐소드 측(공기)으로부터 애노드 측(연료)으로 수송되며, 그 구동력은 전해질에 걸친 산소 분압의 화학적 구배이다. SOEC 모드에서, 전지의 공기 측에 양의 전위가 가해지고, 산화물 이온은 연료 측으로부터 공기 측으로 수송된다. SOFC와 SOEC 간에 캐소드와 애노드가 반대이기 때문에(즉, SOFC 캐소드는 SOEC 애노드이고, SOFC 애노드는 SOEC 캐소드임), 이하에서, SOFC 캐소드(SOEC 애노드)는 공기 전극(air electrode)으로 지칭되고, SOFC 애노드(SOEC 캐소드)는 연료 전극(fuel electrode)으로 지칭될 것이다. SOEC 모드 동안, 연료 스트림 중의 물은 환원되어(H2O + 2e → O2- + H2) H2 가스 및 O2- 이온을 형성하고, O2- 이온은 고체 전해질을 통해 수송된 이후 공기 측에서 산화되어(O2- 에서 O2) 분자 산소를 생성한다. 공기 및 습식 연료(수소, 개질된 천연 가스)를 이용하여 동작하는 SOFC용 개방 회로 전압은 0.9 내지 1V(수분 함량에 따라 다름) 정도이므로, SOEC 모드에서 공기 측 전극에 가해지는 양의 전압은 전지의 전압을 1.1 내지 1.3V의 일반적인 동작 전압까지 상승시킨다.
다양한 실시예들에서, 전해조 시스템이 제공되고, 상기 전해조 시스템은: 스팀을 생성하도록 구성된 스팀 생성기; 스팀 생성기에 의해 생성된 스팀을 사용하여 수소 스트림을 생성하도록 구성된 고체 산화물 전해조 전지들의 스택; 상기 스택에 의해 생성된 수소 스트림을 가압하도록 구성된 수소 송풍기; 및 가압된 수소 스트림을 압축하도록 구성된 수소 처리기를 포함한다.
다양한 실시예들에서, 연료 전지 시스템이 제공되고, 상기 연료 전지 시스템은: 고온 박스(hot box); 전력을 생성하도록 구성되고 상기 고온 박스 내에 배치된 고체 산화물 연료 전지들의 스택; 상기 고온 박스 내에 배치된 애노드 테일 가스 산화기(ATO); 상기 스택으로부터 수용된 애노드 배기 스트림을 분리하고 이산화탄소 스트림 및 수소 스트림을 출력하도록 구성된 연료 배기 처리기; 수소 스트림을 가압하도록 구성된 수소 송풍기; 가압된 수소 스트림을 압축하도록 구성된 수소 처리기; 및 이산화탄소 스트림을 압축하도록 구성된 이산화탄소 처리기를 포함한다.
본 명세서에 통합되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면들은, 본 발명의 예시적인 실시예를 도시하고, 위에서 주어진 일반적인 설명 및 아래에 주어진 상세한 설명과 함께 본 발명의 특징들을 설명하는 역할을 한다.
도 1a는 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 스택의 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 스택의 일부의 측단면도이다.
도 2a 및 2b는 본 개시내용의 다양한 실시예들에 따른 전해조 시스템을 통한 공정 흐름을 보여주는 공정 흐름도에 대한 개략도이다.
도 3은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 대안적인 전해조 시스템(201)의 공정 흐름을 도시하는 개략도이다.
도 4는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템의 개략적 표현이다.
도 5는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 도 4의 연료 전지 시스템의 연료 처리기에서의 공정 흐름을 도시하는 개략도이다.
첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예들이 상세하게 설명될 것이다. 가능하면 도면 전체에 걸쳐 동일한 참조 번호를 사용하여, 동일하거나 유사한 부분들을 언급할 것이다. 특정 실시예 및 구현예에 대한 참조는 예시를 위한 것이며, 본 발명이나 청구항들의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.
범위는 본 명세서에서 "약(about)" 하나의 특정 값, 및/또는 "약" 다른 특정 값으로 표현될 수 있다. 그러한 범위가 표현될 때, 예시들은 하나의 특정 값에서부터 및/또는 다른 특정 값까지를 포함한다. 유사하게, 값이 근사치로 표현될 때, 선행사 "약" 또는 "실질적으로"를 사용함으로써, 특정 값이 또 다른 측면을 형성함을 이해할 것이다. 일부 실시예에서, "약 X"의 값은 +/- 1% X의 값을 포함할 수 있다. 각각의 범위의 종점은, 다른 종점과 관련하여, 그리고 다른 종점과 독립적으로 모두 유의미하다는 것이 추가로 이해될 것이다.
본 개시내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 개시내용에 대해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 본 개시내용의 사상 및 내용을 포함하는, 개시된 실시예의 수정, 조합, 하위 조합 및 변형이 당업자에게 발생될 수 있으므로, 본 발명은 첨부된 청구항들 및 이들의 균등물의 범위 내의 모든 것을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서, "고체 산화물 전지(solid oxide cell)"는 고체 산화물 전해조 전지 및/또는 고체 산화물 연료 전지를 지칭할 수 있다.
SOEC 시스템
도 1a는 고체 산화물 전지 스택(100)의 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 스택(100) 일부의 측단면도이다. 도 1a 및 1b를 참조하면, 스택(100)은, 고체 산화물 연료 전지 또는 고체 산화물 전해조 전기일 수 있는 다수의 고체 전지(1)를 포함한다. 고체 산화물 전지(1)는, 가스 흐름 분리기 플레이트들(gas flow separator plates) 또는 바이폴라 플레이트들(bipolar plates)로도 지칭될 수 있는 상호접속부들(interconnects; 10)에 의해 분리된다. 각각의 고체 산화물 전지(1)는 공기 전극(air electrode; 3), 고체 산화물 전해질(solid oxide electrolyte; 5) 및 연료 전극(fuel electrode; 7)을 포함한다. 스택(100)은 또한 내부 연료 라이저 채널들(internal fuel riser channels; 22)을 포함한다.
각각의 상호접속부(10)는 스택(100) 내의 인접한 고체 산화물 전지들(1)을 전기적으로 연결한다. 특히, 상호접속부(10)는 하나의 고체 산화물 전지(1)의 연료 전극(7)을 인접한 고체 산화물 전지(1)의 공기 전극(3)에 전기적으로 연결할 수 있다. 도 1b는 하부 고체 산화물 전지(1)가 두 개의 상호접속부들(10) 사이에 위치하는 것을 보여준다.
각각의 상호접속부(10)는, 연료 채널들(8)(집합적으로 층(9))을 적어도 부분적으로 정의하는 리브들(ribs)을 포함한다. 상호접속부(10)는, 스택(100) 내에서 인접 고체 산화물 전지(1)의 공기 전극(3)으로 흐르는, 가령 공기와 같은 산화물로부터, 스택(100) 내에서 하나의 고체 산화물 전지(1)의 연료 전극(7)으로 흐르는, 가령 탄화수소 연료와 같은 연료를 분리하는 가스-연료 분리기로서 동작할 수 있다. 스택(100)의 양 단부에는, 단부 전극에 공기 또는 연료를 각각 제공하기 위한 공기 단부 플레이트 또는 연료 단부 플레이트(미도시)가 있을 수 있다.
도 2a 및 2b는 본 개시내용의 다양한 실시예들에 따른 전해조 시스템(200)의 공정 흐름을 보여주는 개략도이다. 도 1a, 1b, 2a 및 2b를 참조하면, 시스템(200)은 도 1a 및 도 1b와 관련하여 설명한 바와 같이 구성될 수 있는, 복수의 고체 산화물 전해조 전지(SOEC)들을 포함하는 전해조 전지(SOEC) 스택(100)을 포함할 수 있다. 시스템(200)은 또한, 스팀 생성기(steam generator; 104), 스팀 복열기(steam recuperator; 108), 스팀 히터(steam heater; 110), 공기 복열기(air recuperator; 112) 및 공기 히터(air heater; 114)를 포함할 수 있다. 시스템(200)은 또한 선택적인 물 예열기(water preheater; 102) 및 선택적인 혼합기(mixer; 106)를 포함할 수 있다.
시스템(200)은, 가령, 스택(100), 스팀 복열기(108), 스팀 히터(110), 공기 복열기(112) 및/또는 공기 히터(114)와 같은 다양한 구성요소들을 수용(house)하기 위한 고온 박스(hotbox; 250)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 고온 박스(250)는 복수의 스택들(100)을 포함할 수 있다. 물 예열기(102) 및 스팀 생성기(104)는 도 2a 및 2b에 나타낸 바와 같이 고온 박스(250)의 외부에 위치할 수 있다. 대안적으로, 물 예열기(102) 및/또는 스팀 생성기(104)는 고온 박스(250)의 내부에 위치할 수 있다.
동작 동안, 스택(100)에는 외부 전원으로부터의 전류 또는 전압과 스팀이 제공될 수 있다. 특히, 스팀은 스택(100)의 전해조 전지들(1)의 연료 전극들(7)에 제공될 수 있고, 전원은 연료 전극들(7)과 공기 전극들(3) 사이에 전압을 인가할 수 있어, 물 분자가 전기화학적으로 분해되어 수소(예를 들어, H2) 및 산소(예를 들어, O2)가 생성될 수 있다. 공기 전극들(3)로부터 산소를 쓸어내기(sweep) 위해, 공기 전극들(3)에도 공기가 제공될 수 있다. 이와 같이, 스택(100)은 산소가 풍부한 공기 스트림("산소 배기 스트림(oxygen exhaust stream)")과 같은 산소가 풍부한 배기 스트림 및 수소 스트림을 출력할 수 있다.
스팀을 생성하기 위해, 물이 물 공급원(water source; 50)으로부터 시스템(200)으로 제공될 수 있다. 물은, 기화 동안 스케일링(scaling)을 방지 및/또는 최소화하기 위해, 실용적인 만큼(예를 들어, <0.1 μS/cm) 탈이온화된 탈이온수(deionized(DI) water)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 물 공급원(50)은 탈이온화 베드(deionization bed)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 시스템(200)은, 시스템(200)에 원하는 물 유량을 제공하기 위해, 질량 흐름 제어기, 용적식 펌프, 제어 밸브/물 유량계 등과 같은 물 흐름 제어 장치(미도시)를 포함할 수 있다.
시스템(200)이 물 예열기(102)를 포함하는 경우, 물은 물 공급원(50)으로부터 물 예열기(102)로 제공될 수 있다. 물 예열기(102)는, 산소 배기 스트림으로부터 회수된 열을 이용하여 물을 가열하도록 구성된 열 교환기일 수 있다. 물을 예열하는 것은, 생성된 수소의 단위당 시스템(200)의 총 전력 소비를 감소시킬 수 있다. 특히, 물 예열기(102)는 후술되는 바와 같이 공기 복열기(112)에 의해 회수될 수 없는 산소 배기 스트림으로부터 열을 회수할 수 있다. 산소 배기 스트림은 물 예열기(102)로부터 80℃ 초과의 온도로, 예를 들어 100℃ 초과의 온도로, 예를 들어 약 110℃ 내지 120℃의 온도로 출력될 수 있다.
물 예열기(102) 또는 물 공급원(50)으로부터 출력된 물은 스팀 생성기(104)에 제공될 수 있다. 물의 일부는 물 예열기에서 기화될 수 있다. 스팀 생성기(104)는 물 예열기에서 기화되지 않은 물을 가열하여 스팀으로 변환하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 스팀 생성기(104)는 물을 기화시켜 스팀을 생성하는 가열 요소(heating element)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스팀 생성기(104)는 AC 또는 DC 저항 가열 요소, 또는 유도 가열 요소를 포함할 수 있다.
스팀 생성기(104)는, 기계적으로 분리되거나 분리되지 않을 수 있는 복수의 구역들/요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 스팀 생성기(104)는 물을 비등점까지 또는 비등점 근처까지 가열하기 위한 예비 보일러를 포함할 수 있다. 스팀 생성기(104)는 또한 미리 비등된 물을 스팀으로 변환하도록 구성된 기화기를 포함할 수 있다. 스팀 생성기(104)는 또한 벌크(bulk) 기화 이전에 물로부터 용존 공기를 제거하기 위해 비교적 작은 스팀 퍼지(purge)를 제공하는 탈기기(deaerator)를 포함할 수 있다. 스팀 생성기(104)는 또한 기화기에서 생성된 스팀의 온도를 더욱 상승시키도록 구성된 선택적 과열기(superheater)를 포함할 수 있다. 스팀 생성기(104)는 가열 요소의 하류 및/또는 과열기의 상류에 위치하는 데미스터 패드(demister pad)를 포함할 수 있다. 데미스터 패드는 스팀 생성기(104)로부터 출력되고/되거나 과열기에 제공되는 스팀에서 액체 물의 연행(entrainment)을 최소화하도록 구성될 수 있다.
스팀 생성물이 과열되면, 주변 조건으로의 열 손실로 인해 스팀 생성기(104)의 하류에서 응축될 가능성이 더 적을 것이다. 응축된 물은 시간에 따라 전달되는 질량 유량의 현저한 변화를 일으킬 수 있는 물의 슬러그를 형성할 가능성이 더 높기 때문에, 응축을 피하는 것이 바람직하다. 또한, 시스템(200)의 총 전력 소비를 제한하기 위해, 과도한 과열을 피하는 것이 유익할 수 있다. 예를 들어, 스팀은 약 10℃ 내지 약 100℃ 범위의 양으로 과열될 수 있다.
스팀 생성기(104)로부터의 블로우다운(blowdown)은, 탈이온화 이후에 물이 어느 정도의 무기질화(mineralization)를 포함할 가능성이 있기 때문에, 장기간의 동작에 유익할 수 있다. 일반적인 액체 블로우다운은 1% 정도일 수 있다. 블로우다운은 연속적일 수도 있고, 간헐적일 수도 있는데, 예를 들어 매 1분 중 6초 동안 정상 상태 흐름의 10배, 매 5분 중 1분 동안 정상 상태 흐름의 5배 등일 수 있다. 블로우다운을 고온의 산소 배기구로 펌핑함으로써 물 배출 스트림의 필요성이 제거될 수 있다.
스팀 생성기(104)로부터 출력되는 스팀은 스팀 복열기(108)에 제공될 수 있다. 그러나, 시스템(200)이 선택적인 혼합기(106)를 포함하는 경우, 스팀은 스팀 복열기(108)에 제공되기 이전에 혼합기(106)에 제공될 수 있다. 특히, 스팀은 소량의 용존 공기 및/또는 산소를 포함할 수 있다. 이와 같이, 혼합기(106)는 스택(100), 특히 연료 전극들(7)에서의 환원 환경을 유지하기 위해, 스팀을 수소 가스와 혼합하도록 구성될 수 있다.
혼합기(106)는 스팀을 수소 저장 장치(52)로부터 공급되는 수소 및/또는 스택(100)으로부터 출력되는 수소 스트림의 일부와 혼합하도록 구성될 수 있다. 수소 첨가율은 스팀에 용해된 산소의 양과 반응하는데 필요한 수소의 양을 초과하는 양의 수소를 제공하도록 설정될 수 있다. 수소 첨가율은 고정될 수도 있고 또는 일정한 물 대 수소 비율로 설정될 수도 있다. 그러나, 완전히 탈기된 물을 사용하여 스팀이 형성되는 경우, 혼합기(106) 및/또는 수소 첨가는 선택적으로 생략될 수 있다.
일부 실시예들에서, 수소는 시스템 시동 동안 및/또는 정상 상태 동작 동안 외부 수소 공급원에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 시동 동안 수소는 수소 저장 장치(52)로부터 제공될 수 있고, 정상 상태 동안 수소는 수소 저장 장치로부터 제공될 수 있고/있거나 스택(100)에 의해 생성되는 수소 스트림의 일부(즉, 수소 배기 스트림)를 혼합기(106)로 전환(divert)시킴으로써 제공될 수 있다. 특히, 시스템(200)은, 정상 상태 동작 동안, 생성된 수소 스트림의 일부를 혼합기(106)로 선택적으로 전환시키도록 구성된 스플리터(splitter), 펌프, 송풍기(blower) 및/또는 밸브와 같은 수소 전환기(hydrogen diverter; 116)를 포함할 수 있다.
스팀 복열기(108)는 스택(100)으로부터 출력되는 수소 스트림으로부터 열을 회수하도록 구성된 열 교환기일 수 있다. 이와 같이, 스팀 복열기(108)는 시스템(200)의 효율을 높이도록 구성될 수 있다. 스팀은 스팀 복열기(108)에서 700℃ 이상, 가령 720℃ 내지 780℃ 사이 범위의 온도로 가열될 수 있다.
스팀 복열기(108)로부터 출력되는 스팀은 도 2a에 나타낸 바와 같이 스팀 복열기(108)의 하류에 위치한 스팀 히터(110)에 제공될 수 있다. 스팀 히터(110)는, 예를 들어 저항성 또는 유도성 가열 요소와 같은 가열 요소를 포함할 수 있다. 스팀 히터(110)는 스팀을 스택(100)의 동작 온도보다 높은 온도로 가열하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 스택(100)의 상태(health), 스택(100)의 물 활용률 및 스택(100)으로의 공기 유량에 따라, 스팀 히터(110)는 약 900℃ 내지 약 1200℃ 범위의 온도로, 예를 들어, 920℃ 내지 980℃ 범위의 온도로 스팀을 가열할 수 있다. 따라서, 스택(100)에는 효율적인 수소 생성을 허용하는 온도로 스팀 또는 스팀-수소 혼합물이 제공될 수 있다. 열은 복사(즉, 복사 열 전달)에 의해 스팀 히터로부터 스택에 직접 전달될 수도 있다.
도 2b에 도시된 하나의 대안적인 실시예에서, 스팀 복열기(1080는 스팀 히터(110)로부터 하류에 위치할 수 있어서, 반대의 경우 대신에, 스팀 히터(110)를 빠져나가는 스팀이 스팀 복열기(108)로 진입하도록 한다. 다른 대안적인 실시예에서, 스팀 히터(110)는, 예를 들어 약 1200℃ 이상으로 가열된 유체와 같은 고온의 유체로부터 추출된 열을 사용하여 스팀을 가열하도록 구성된 열 교환기를 포함할 수 있다. 이 유체는, 예를 들어 원자로 발전소와 같은 발전소 또는 태양열 집광기 농장으로부터 제공될 수 있다. 대안적으로, 유체가 예를 들어 원자로 발전소로부터 제공되는 스팀과 같은 고온의 스팀인 경우, 이러한 스팀은 스택(100)의 연료 전극들(7)에 제공될 수 있다. 이 경우, 물 공급원(50)은 고온의 스팀의 공급원을 포함할 수 있으며, 물 예열기(102), 스팀 생성기(104), 스팀 복열기(108) 및/또는 스팀 히터(110) 중 하나 이상은 생략될 수 있다.
일부 실시예들에서, 열 균일성을 향상시키기 위해, 스팀 히터(110)는 (수직으로 또는 원주 방향으로 또는 이들 둘 다로 분할된) 독립적인 전력 레벨들을 갖는 복수의 스팀 히터 구역들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 스팀 복열기(108) 및 스팀 히터(110)의 동작들은 단일 구성 요소로 결합될 수 있다. 예를 들어, 스팀 복열기(108)는, 스팀 복열기(108)의 열 교환 핀(fin)들에 전압을 인가하여 열 교환 핀들이 저항성 가열 요소로서 동작하게끔 하고, 예를 들어 약 900℃ 내지 약 1200℃ 범위의 온도와 같은, 스팀을 스택(100)에 제공되기에 충분히 높은 온도로 가열하게끔 하도록 구성된 전압원을 포함할 수 있다. 스팀 히터(110)로부터 출력되는 고온의 스팀(또는 선택적으로 스팀/수소 혼합물)은 스택(100)의 연료 전극들(7)에 제공될 수 있다.
스택(100)으로부터 출력되는 산소 배기는 공기 복열기(112)에 제공될 수 있다. 공기 복열기(112)에는 공기 송풍기(air blower; 118)에 의해 주변 공기가 제공될 수 있다. 공기 복열기(112)는 산소 배기로부터 추출되는 열을 이용하여 공기를 가열하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 주변 공기는 공기 복열기(112) 또는 공기 송풍기(118)에 제공되기 이전에 오염물 제거를 위해 여과될 수 있다.
공기 복열기(112)로부터 출력되는 공기는 공기 히터(114)에 제공될 수 있다. 공기 히터는 공기를 스택(100)의 동작 온도를 초과하는 온도로 가열하도록 구성된 저항성 또는 유도성 가열 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스택(100)의 상태, 스택(100)의 물 활용률 및 스택(100)으로의 공기 유량에 따라, 공기 히터(114)는 공기를 약 900℃ 내지 약 1200℃ 범위의 온도로, 예를 들어 920℃ 내지 980℃ 범위의 온도로 가열할 수 있다. 따라서, 스택(100)에는 효율적인 수소 생성을 허용하는 온도의 공기가 제공될 수 있다. 열은 복사에 의해 공기 히터로부터 스택에 직접 전달될 수도 있다.
공기 복열기로부터 출력되는 온도가 더 높을수록, 공기 히터(114)에 필요한 전력은 더 적어진다. 공기 복열기(112)의 양 측 상의 증가된 압력 강하는 증가된 공기 송풍기(118) 파워(power)로 상쇄될 수 있다. 증가된 압력 강하는 원주 방향의 질량 흐름 균일성을 돕고, 보다 균일한 열 전달 환경을 조성하며, 공기 복열기(112)로부터 출력되는 공기 유입 스트림(air inlet stream)에 대해 보다 높은 온도를 제공할 수 있다.
대안적인 실시예들에서, 공기 히터(114)는, 예를 들어 약 1200℃ 이상으로 가열된 유체와 같은 고온의 유체로부터 추출되는 열을 이용하여 공기를 가열하도록 구성된 열 교환기를 포함할 수 있다. 이 유체는, 예를 들어 태양열 집광기 농장 또는 원자로로부터 제공될 수 있다.
일부 실시예들에서, 열 균일성을 향상시키기 위해, 공기 히터(114)는 (수직으로 또는 원주 방향으로 또는 이들 둘 다로 분할된) 독립적인 전력 레벨들을 갖는 복수의 공기 히터 구역들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 공기 히터(114)는 공기 복열기(112) 아래에, 또는 스택(100)과 스팀 복열기(108) 사이에 배치될 수 있다. 공기 히터(114)는, 공기 히터(114)를 따르는 모든 높이에서, 공기가 온도 및 높이 모두에서 대략 균일하게 공기 히터(114)를 빠져나갈 수 있도록, 배플(baffle)들을 따라 상이한 높이에서 상이한 크기의 슬릿들을 갖는 배플들을 포함할 수 있다. 공기 히터(114)로부터의 공기는 스택(100)의 공기 전극들(3)에 제공된다.
일부 실시예들에서, 공기 복열기(112) 및 공기 히터(114)는 단일 구성 요소로 결합될 수 있다. 예를 들어, 공기 복열기(112)는, 공기 복열기(112) 결합된 구성 요소에 포함된 열 교환기의 열 교환 핀들에 전압을 인가하여 핀들이 저항성 가열 요소로서 동작하게끔 하고, 약 900℃ 내지 약 1200℃ 범위의 온도와 같이, 공기를 스택(100)에 제공되기에 충분히 높은 온도로 가열하게끔 하도록 구성된 전압원을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 시스템(200)은 고온 박스(250)의 외부에 배치된 선택적인 공기 예열기(54)를 포함할 수 있다. 특히, 공기 예열기(54)는 공기 송풍기(118)에 의해 고온 박스(250)에 제공되는 공기를 예열하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 공기 예열기(54)는 전기를 사용하여 작동할 수 있다. 다른 실시예에서, 공기 예열기(54)는, 가령 천연 가스 등과 같은 탄화수소 연료를 사용하여 작동할 수 있다. 예를 들어, 시스템(200)이 가령, 태양열 또는 풍력 발전 시스템과 같은 전기 히터를 작동시키기에 간헐적이거나 불충분한 양의 전력을 제공하는 전원으로부터 전력을 공급받는 경우, 공기 예열기(54)는 탄화수소 전력 공급원(54)(예컨대, 가스 히터)을 이용할 수 있다. 대안적으로, 공기 예열기(54)는 생략될 수 있다.
공기 예열기(54)가 고온 박스(250)의 외부에 위치하기 때문에, 공기 예열기(54)는 유리하게는, 고온 박스(250)의 내부에 접근할 필요 없이, 및/또는 고온 박스(250) 내부에 위치하는 다른 구성 요소들 및/또는 스택(100)의 동작을 방해할 필요 없이, 서비스될 수 있다. 일부 실시예에서, 공기 예열기(54)는, 공기 예열기(54)가 스택 온도 이상으로 공기를 가열하는 경우 공기 히터(114)가 생략되는 것을 허용할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 시스템(200)은 공기 예열기(54) 및 공기 히터(114) 둘 다를 포함할 수 있다.
시스템 시동 동안, 공기 예열기(54)는 고온 박스(250)의 내부 온도 및/또는 스택(100)의 온도를 이의 동작 온도에 근접하는 온도까지 증가시키기에 충분한 온도로 고온 박스에 제공된 공기를 가열하도록 구성될 수 있다. 공기 복열기(112)에 제공되는 예열된 공기는 또한, 시스템 시동 동안 공기 복열기(112)를 통해 물 예열기(102)로 제공되는 스택 배기를 예열하도록 동작할 수 있다. 스택 산소 배기는 초기에 비교적 낮은 온도에서 출력될 수 있으므로, 공기 예열기(54)는 물 공급원(50)에서 고온 박스(250)로 제공되는 물을 간접적으로 예열하기 위해 사용될 수 있다.
정상 상태 동작 동안, 공기 예열기(54)는 또한, 가령 750℃ 내지 950℃와 같은 정상 상태 작동 온도에서, 고온 박스(250)를 유지하기에 충분한 온도로 공기를 가열하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 공기 예열기(54)의 열 출력은, 시스템 시동 동안보다 정상 상태 동작 중에 더 낮을 수 있다.
일부 실시예들에서, 시스템(200)은 열-중성(thermal neutral) 구성으로 동작될 수 있으며, 여기서 스택(100) 내 각각의 전해조 전지(1)는 열-중성 전압을 제공받는다. 특히, 각각의 전해조 전지(1)에 제공되는 전류는 I2R 가열에 의해 생성되는 열이 (흡열) 반응열과 균형을 이루도록 가변될 수 있다. 따라서, 정상 상태 열 중성 동작 동안 스팀 히터(110) 및/또는 공기 히터(114)의 사용이 최소화되거나 제거될 수 있다.
스택(100)으로부터의 수소 스트림(즉, 수소 배기 스트림)은, 수소 가스 및 물을 함유하는 따뜻한(warm) 스트림일 수 있다. 수소 스트림은 120℃ 내지 150℃의 온도에서 스팀 복열기(108)로부터 출력될 수 있다. 스팀 복열기(108)는 출력 도관(502)에 의해 수소 처리기(500)에 유체 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 수소 처리기(500)는 수소 저장 장치 또는 탱크(504)에 연결될 수 있다.
수소 처리기(500)는 수소 펌프, 응축기(condenser), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 수소 펌프는 전기화학적 수소 펌프일 수 있고/있거나 고온에서 작동하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 수소 펌프는, 수소 스트림으로부터 수소의 약 70% 내지 약 90%를 제거하기 위해, 약 120℃ 내지 약 150℃의 온도에서 작동하도록 구성될 수 있다. 압축기는 예를 들어 액봉식 압축기(liquid ring compressor) 또는 다이어프램 압축기(diaphragm compressor)일 수 있다. 일부 실시예에서, 응축기는 수소 스트림에서 수증기를 응축시키기에 충분한 온도로 수소 스트림을 냉각시키도록 구성된, 공냉식 또는 수냉식 응축기 및/또는 열 교환기일 수 있다. 예를 들어, 수소 처리기(500)는 수소 스트림을 약 2500 내지 약 8000 psig와 같은, 원하는 압력으로 압축하도록 구성될 수 있다. 압축에는 단계간(inter-stage) 냉각 및 물 제거와 함께 다수의 단계가 포함될 수 있다.
다양한 실시예에서, 수소 처리기(500)는 수소 스트림을 압축하기 위해, 수소 스트림의 유동 방향에 대해 직렬 및/또는 병렬로 배치될 수 있는, 일련의 전기화학적 수소 펌프들을 포함할 수 있다. 압축의 최종 생성물에는 여전히 미량의 물이 포함될 수 있다. 이와 같이, 수소 처리기(500)는, 가령, 온도 변동 흡착 반응기 또는 압력 변동 흡착 반응기와 같은 탈수 장치(dewatering device)를 포함하여, 필요에 따라 이러한 잔류하는 물을 제거할 수 있다. 최종 생성물은 고압(예를 들어, 약 2500 내지 약 8000 psig)의 정제된 수소일 수 있다. 생성물에는 또한, 물에 용해된 공기일 수 있는, 일부 질소 가스가 포함될 수 있다. 질소는 전기화학적 압축 동안 자동으로 제거될 수 있다.
수소 처리기(500)로부터의 나머지 펌핑되지 않은 유출물은, 완전히 기화된 물이 풍부한 스트림일 수 있다. 이 수분이 풍부한 스트림은, 혼합기(106) 또는 스팀 복열기(108)로 재순환하기 위해 송풍기로 공급될 수 있어서, 스팀 생성기(104)에서 수증기가 증발할 필요가 없다. 시스템은 (예를 들어, DI 베드에서) 잔류하는 물을 정제하고, 압축된 수소 스트림으로부터 제거된 잔류하는 물을 물 예열기로 제공하도록 구성될 수 있다. 전기화학적 압축은, 기존 압축보다 전기적으로 더 효율적일 수 있다.
사이트에서의 다수의 스택들(100)의 수소 스트림들은, 단일 스트림으로 조합될 수 있다. 이 조합된 스트림은, 예를 들어 수소 처리기(500)의 일부일 수 있는 현장 냉각수 타워(site cooling water tower)에 의해 냉각되는 열 교환기 또는 공기 냉각기를 사용하여, 실제적으로 가능한 한 많이 냉각될 수 있다. 수소 처리기(500)로부터 출력되는 수소는, 연료 전지 전력 생성 시스템에서 연료로 사용되는 것과 같이, 저장 또는 사용을 위하여 수소 탱크(504)에 제공될 수 있다.
예를 들어, 수소 스트림으로의 스팀의 손실은 수소 펌프 압력을 약 20 내지 약 50 psig 범위의 압력으로 증가시킴으로써 최소화될 수 있다. 이러한 분리(separation)는 전해조 모듈 레벨, 시스템 레벨, 스탬프(stamp) 레벨, 또는 현장(site) 레벨에서 있을 수 있다.
수소 스트림의 물 응축 및 압축은 상당한 양의 전력을 소비할 수 있다. 일부 실시예들에서, 스택(100)으로의 공기 흐름이 감소되거나 정지되어, 스택(100)은 순수한 또는 거의 순수한 산소 가스를 스택 배기로서 출력할 수 있다. 또한, 전해조 전지들(1)의 공기 측들 및 연료 측들은 약 20 psig 내지 약 50 psig 범위의 동일한 압력으로 동작될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스택(100)에 제공되는 공기는 약 100 slm 이하의 압력으로 제공될 수 있다.
고압 작동은, 수소 스트림 압축의 제 1 스테이지와 관련된 전력 및 장비의 제거를 허용할 수 있고, 더 높은 압력으로 인한 더 높은 이슬점으로 인해 초기 응축기 스테이지의 크기를 감소시킬 수 있으며, 및/또는 더 높은 압력과 관련된 더 높은 밀도로 인해 흐름 채널들에 필요한 물리적 공간을 감소시킬 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 시스템(200)은 제3자에 의해 현장에서 제공될 수 있는, 다양하고 상이한 수소 처리기들(500)을 이용하여 동작하도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 시스템(200)으로부터 출력되는 수소 스트림의 유량 및/또는 생성 속도를, 특정 수소 처리기(500)의 처리량(throughput)과 일치시키는 것이 어려울 수 있다. 특히, 이러한 변화는 출력 도관(502) 내에서 양압(positive pressure) 및/또는 음압(negative pressure)의 변동을 유발할 수 있다. 예를 들어, 수소 처리기(500)의 처리량이 너무 높으면(예를 들어, 수소 처리기(500)가 수소 스트림을 너무 세게 잡아당기는 경우), 시스템(200) 내에서 음압이 유도될 수 있거나, 처리량이 너무 낮은 경우, 시스템(200) 내에서 양압이 유도될 수 있다.
그러한 압력 변동은 시스템(200) 내에서 문제를 일으킬 수 있다. 예를 들어, 과도한 음압들은, 시스템(200)으로의 공기 누출을 초래할 수 있거나, 스택(100)의 전해질에 걸쳐 높은 압력 변동을 초래할 수 있으며, 이는, 가령 균열과 같은 전해질의 손상의 위험을 증가시킬 수 있다. 지나치게 높은 압력은 또한, 전해질 전반에 걸쳐 압력 변화를 일으켜서, 전해질 손상의 위험을 증가시킬 수 있다.
따라서, 시스템은 제1 출력 도관(502A), 제2 출력 도관(502B), 및 수소 송풍기(510)를 포함할 수 있다. 제1 출력 도관(502A)은, 연료 전지 스택(100)과 수소 송풍기(510)의 유입구를 유체 연결할 수 있다. 제2 출력 도관(502B)은 수소 송풍기(510)의 방출구를 수소 처리기(500)에 유체 연결할 수 있다. 수소 송풍기(510)는 고온 박스(250)로부터 출력되는 수소 스트림의 압력을 증가시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 수소 송풍기(510)는 약 2 내지 약 15 psig(pounds per square in gauge), 가령, 약 5 내지 약 10 psig만큼 수소 스트림의 압력을 증가시키도록 구성될 수 있다. 수소 송풍기(510)는 또한, 가령 스택(100)과 같은 고온 박스(250)의 구성 요소를, 수소 처리기(500)의 동작에 의해 유도된 압력 변동으로부터 격리하도록 동작할 수 있다.
일부 실시예에서, 수소 송풍기(510)는 도 2a에 도시된 바와 같이, 단일 전해조 시스템(250) 또는 스택(100)에 의해 생성된 수소 스트림을 수용하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 수소 송풍기(510)는 다중 전해조 시스템(250) 및/또는 다중 스택(100)에 의해 생성된 수소 스트림을 수용하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예에서, 시스템(200)은 수소 송풍기(510)에서 액체 물의 축적을 감소 및/또는 방지하기 위해, 수소 스트림으로부터 응축된 물을 제거하도록 구성된 선택적인 물 녹아웃 장치(water knockout device; 530)를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 수소 전환기(116)는, 수소가 시스템(200) 내의 증기의 대부분 또는 전부를 대체하게끔 공급될 수 있도록, 수소 스트림을 전환하는데 사용될 수 있다. 추가적인 수소 소비 없이, 수소 전환기(116)는 이후, 스택(100)의 감소되는 대기압을 유지하기 위해, 폐쇄될 수 있다. 스택(100)으로의 공기 흐름은 상당히 감소되거나 제거될 수 있다. 일부 실시예에서, 공기 히터(114)가 과열되는 것을 방지하기 위해 최소한의 공기 흐름이 존재할 수 있다.
일부 실시예에서, 응축된 물은, 물 공급원(50)으로부터 공정의 공급물(DI 베드로의 공급물)로 재순환될 수 있다. 혼합기(106)에서 스팀에 첨가된 수소는, 압축 트레인(compression train)의 제1 단계 또는 임의의 중간 단계 동안 생성될 수 있고, 필요한 경우 제습될 수 있다. 수소 저장 장치(52)는, 혼합기(106)를 통해 스택(100)으로 제공되는 수소를 위한 저압/중간압 저장 탱크(low/intermediate pressure storage tank)를 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 시스템(200)은, 예를 들어 중앙 처리 장치와 같은 시스템(200)의 동작을 제어하도록 구성된 제어기(125)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어기(125)는 시스템(200)의 다양한 요소들에 유선 또는 무선으로 연결되어 이들을 제어할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제어기(125)는 수소 처리기(500)에 의해 생성된 유입 압력(inlet pressure) 및/또는 수소 스트림의 유량(flow rate)에 기반하여 수소 송풍기(510)의 속도를 제어하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 제어기(122)는, 시스템(200)이 수소 스트림이 생성되지 않는 대기 상태 모드(standby mode)로 동작될 수 있도록, 시스템(200)을 제어하도록 구성될 수 있다. 대기 상태 모드 동안, 스택(100)과 관련된(즉, 스택(100)과 열 전달 관계에 위치된) 전기 히터들은, 전해조 전지들(1)을 원하는 대기 상태 온도로 유지하는데 필요한 최소 전력 레벨로 구동될 수 있다. 원하는 대기 상태 온도는 원하는 생산 동작 온도와는 상이할 수 있으며, 원하는 동작 온도로 복귀하는 데 필요한 허용 가능한 시간에 의해 영향을 받을 수 있다.
대기 상태 모드로부터 정상 상태 동작으로의 회복은 수소 생성이 표준 정상 상태 동작 온도보다 더 낮은 온도에서 개시될 수 있게끔 할 수 있다. 더 낮은 온도에서, 전지 저항은 더 높을 수 있으며, 이는 스택(100)을 정상 상태 동작 온도로 상승시키기 위한 추가 가열을 제공할 수 있다. 물/스팀 공급은 현저히 감소되거나 제거될 수 있다. 혼합기(106)에서 스팀에 대한 수소 첨가 역시 현저히 감소되거나 제거될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 제어기(125)는 다양한 현장 전체(site-wide) 제어 파라미터들을 기반으로 시스템(200)의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어기(125)는 각각의 SOEC 스택의 동작 한계; 전력 가용성; 모든 계층에서의 수요 요금의 영향을 포함하는 순간 평균 전력 비용; 모든 계층에서의 수요 요금의 영향을 포함하는 순간 한계 전력 비용; 순간 전력 재생 가능 콘텐츠; 사용 가능한 수소 저장 용량; 사용 가능한 저장된 에너지(예를 들어, 열적 저장 또는 전기적 저장); 수소 생산 계획 (예를 들어, 일간, 주간 또는 월간 계획 등); 수소 생산 수익 영향(예를 들어, 판매 가격, 생산 수준 조정, 불이행에 대한 처벌 등); 유지 보수 계획; 현장에 있는 모든 고온 박스의 상대적인 상태; 압축/응축 트레인의 기계적 상태; 물/스팀/수소 공급 가용성; 기상 조건 및/또는 예보; 순간적이거나 또는 일부 생산 계획 기간 동안의 기타의 알려진 외부 제약 조건(예를 들어, 한 달에 매우 많은 물만이 허용되거나, 한 달에 매우 많은 MW-시간 만이 허용); 및/또는 대기 상태 모드로부터 수소 생산을 시작할 수 있는 최소 허용 시간 (대기 상태가 여러 시간 지속될 것으로 예상되는 경우, 전지들을 정상 동작 온도 이하로 냉각시키는 것이 바람직할 수 있음); 중 어느 하나를 기반으로 수소 생산을 제어하도록 구성될 수 있다.
도 3은 본 개시내용의 다양한 실시예들에 따른 대안적인 전해조 시스템(201)에서의 공정 흐름을 보여주는 개략도이다. 전해조 시스템(201)은 전해조 시스템(200)과 유사할 수 있으므로, 이들의 차이점만이 상세히 논의될 것이다.
도 3을 참조하면, 전해조 시스템(201)은 고온 박스(250)의 내부에 배치되는 공기 예열기(154)를 포함할 수 있다. 공기 예열기(154)는, 스팀 복열기(108)로부터 출력되는 수소 스트림으로부터 추출된 열을 이용하여, 공기 송풍기(118)로부터 제공되는 공기를 예열하도록 구성된 열 교환기일 수 있다. 예열된 공기는 공기 복열기(112)에 제공될 수 있다. 따라서, 고온 박스(250) 내부에 위치한 내부 공기 예열기(154)가 고온 박스(250) 외부에 위치한 외부 공기 예열기(54)(도 2a 및 2b에 도시됨)를 대체한다. 이러한 실시예에서, 공기 예열기(154)에 열을 제공하기 위한 추가적인 전기 또는 추가적인 가스 히터가 필요하지 않다. 공기 예열기는 또한, 수소 전환기(116)로의 수소/스팀 스트림이 실질적으로 더 냉각되어 수소 분리기가 더 저렴한 재료로 제조되도록 할 수 있어서 유익하다.
일부 실시예들에서, 소량의 액체 물(예를 들어, 유입되는 물의 약 0.5% 내지 약 2%)이 스팀 생성기(104)로부터 주기적으로 또는 연속적으로 배출될 수 있다. 특히, 배출되는 액체 물은, 스팀을 생성하기 위해 물을 기화시키는 동안 스팀 생성기(104)에 축적될 수 있는 스케일(scale) 및/또는 기타의 미네랄 불순물들을 포함할 수 있다. 따라서, 이러한 배출되는 액체 물이 물 공급원(50)으로부터 물 유입 스트림으로 재순환되는 것은 바람직하지 않다. 이러한 액체 배출물은 물 예열기(102)로부터 배기 도관으로 출력되는 고온의 산소 배기 스트림과 혼합될 수 있다. 고온의 산소 배기 스트림의 온도는 100℃ 초과, 예를 들어 110℃ 내지 130℃, 예를 들어 120℃일 수 있다. 따라서, 액체 물 배출물은 고온의 산소 배기 스트림에 의해 증발될 수 있어, 시스템(201)으로부터 액체 물이 배출될 필요가 없다. 시스템(201)은 선택적으로 스팀 생성기(104)로부터 출력되는 액체 물 배출물을 물 예열기(102)로부터 출력되는 산소 배기에 펌핑하고 조절(regulate)하도록 구성된 펌프(124)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 펌프(124) 이외에도 비례 솔레노이드 밸브가 추가되어 액체 물 배출물의 흐름을 추가적으로 조절할 수 있다.
SOFC 시스템
도 4는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템(300)의 개략도이다. 도 4를 참조하면, 시스템(300)은 고온 박스(350) 및 그 안에 또는 그에 인접하여 배치된 다양한 구성요소들을 포함한다. 고온 박스(350)는, 가령 교번하는 연료 전지들 및 상호접속부를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 스택과 같은, 적어도 하나의 연료 전지 스택(302)을 포함할 수 있다. 스택의 하나의 고체 산화물 연료 전지는: 가령, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(SSZ), 스칸디아 및 세리아 안정화 지르코니아 또는 스칸디아, 이트리아 및 세리아 안정화 지르코니아와 같은 세라믹 전해질, 가령, 니켈-YSZ, 니켈-SSZ 또는 니켈 도핑된 세리아 서멧과 같은 애노드 전극, 및 가령, 란탄 스트론튬 망가나이트(LSM)와 같은 캐소드 전극을 포함한다. 상호접속부는 가령, 크롬-철 합금 상호접속부와 같은 금속 합금 상호접속부일 수 있다. 스택(302)은 복수의 칼럼(column)으로 서로의 위에 배열될 수 있다.
고온 박스(350)는 또한, 애노드 복열기(310), 캐소드 복열기(320), 애노드 테일 가스 산화기(ATO; 330), 애노드 배기 냉각기(340), 와류 생성기(372), 및 물 분사기(360)를 포함할 수 있다. 시스템(300)은 또한, 촉매 부분 산화(CPOx) 반응기(312), 혼합기(316), CPOx 송풍기(314)(예컨대, 공기 송풍기), 주 송풍기(342)(예컨대, 시스템 송풍기), 및 애노드 재순환 송풍기(318)를 포함하며, 이는 고온 박스(350)의 외부에 배치될 수 있다. 그러나, 본 개시내용은 고온 박스(350)와 관련하여 구성요소들 각각에 대해 임의의 특정 위치로 제한되지 않는다.
CPOx 반응기(312)는 연료 도관(301A)을 통해 연료 유입구(30)로부터 연료 유입 스트림을 수용한다. 연료 유입구(30)는, CPOx 반응기(312)에 제공되는 연료의 양을 제어하기 위한 밸브를 포함하는 유틸리티 천연 가스 라인 또는 연료 탱크일 수 있다. CPOx 송풍기(314)는 시스템 시동 동안 CPOx 반응기(202)에 공기를 제공할 수 있다. 연료 및/또는 공기는 연료 도관(301B)에 의해 혼합기(316)에 제공될 수 있다. 연료는 혼합기(316)로부터 연료 도관(301C)을 통해 애노드 복열기(310)로 흐른다. 연료는 연료 배기의 일부에 의해 애노드 복열기(310)에서 가열되고, 이후 연료는 연료 도관(301D)을 통해 애노드 복열기(310)로부터 스택(302)으로 흐른다.
주 공기 송풍기(342)는, 공기 도관(302A)을 통해 애노드 배기 냉각기(340)에 공기 스트림(예를 들어, 공기 유입 스트림)을 제공하도록 구성될 수 있다. 공기는 애노드 배기 냉각기(340)로부터 공기 도관(302B)을 통해 캐소드 복열기(320)로 흐른다. 공기는 캐소드 복열기(320)에서 ATO 배기에 의해 가열된다. 공기는 캐소드 복열기(320)로부터 공기 도관(302C)을 통해 스택(302)으로 흐른다.
스택(302)에서 발생된 애노드 배기(예를 들어, 연료 배기)는 애노드 배기 도관(306A)을 통해 애노드 복열기(310)에 제공된다. 애노드 배기는, 미반응 연료를 포함할 수 있으며, 본 명세서에서는 연료 배기로도 지칭될 수 있다. 애노드 배기는 애노드 배기 도관(306B)에 의해, 애노드 복열기(310)로부터 가령, 수성 가스 시프트(water gas shift; WGS) 반응기와 같은 시프트 반응기(shift reactor; 380)로 제공될 수 있다. 물 분사기(360)는 애노드 배기 도관(306B)에 유체 연결될 수 있다. 애노드 배기는, 애노드 배기 도관(306C)에 의해 시프트 반응기(380)로부터 애노드 배기 냉각기(340)로 제공될 수 있다. 애노드 배기는 애노드 배기 냉각기(340)의 공기 유입 스트림을 가열한 다음, 애노드 배기 냉각기(340)로부터 연료 배기 처리기(400)로 제공될 수 있다.
특히, 애노드 배기는 제1 재순환 도관(308A)에 의해 애노드 배기 냉각기(340)로부터 연료 배기 처리기(400)로 출력될 수 있다. 일부 실시예에서, 애노드 배기는, 선택적인 제2 재순환 도관(308B)에 의해 연료 배기 처리기(400)에 제공될 수 있다. 특히, 제2 재순환 도관(308B)은, 제1 재순환 도관(308A)보다 연료 배기 처리기(400)에 더 고온의 애노드 배기를 제공하도록 구성될 수 있는데, 이는 애노드 배기가 제1 재순환 도관(308A)에 진입하기 전에 애노드 배기 냉각기(340)에서 냉각되기 때문이다.
시프트 반응기(380)는 연료 배기의 성분들을 유리 수소(H2) 및/또는 물로 변환하는 임의의 적절한 장치일 수 있다. 예를 들어, 시프트 반응기(380)는, 수성 가스 시프트 반응(CO + H2O ↔ CO2 + H2)을 통해, 연료 배기 스트림 내 일산화탄소(CO) 및 수증기를 이산화탄소와 수소로 전환하는 촉매를 포함하는 튜브나 도관을 포함할 수 있다. 따라서, 시프트 반응기(380)는 애노드 배기에서 수소 및 이산화탄소의 양을 증가시키고, 애노드 배기에서 일산화탄소의 양을 감소시킨다. 예를 들어, 시프트 반응기(380)는, 애노드 배기 내의 일산화탄소의 양을 가령, 약 4% 이하, 또는 약 3% 이하와 같이 약 5 부피% 이하로 감소시킬 수 있다. 촉매는 가령, 산화철 또는 크롬 촉진 산화철 촉매와 같은 임의의 적합한 촉매일 수 있다.
스택(302)에서 생성된 캐소드 배기는, 캐소드 배기 도관(304A)을 통해 ATO(330)로 흐른다. 와류 생성기(372)는 캐소드 배기 도관(304A)에 배치될 수 있고 캐소드 배기를 소용돌이치게끔(swirl) 구성될 수 있다. 와류된 캐소드 배기는, ATO(330)에 제공되기 전에 연료 배기 처리기(400)에서 출력된 수소와 혼합될 수 있다. 혼합물은 ATO 배기를 생성하기 위해 ATO(330)에서 산화될 수 있다. ATO 배기는 ATO(330)로부터 캐소드 배기 도관(304B)을 통해 캐소드 복열기(320)로 흐른다. 배기는 캐소드 복열기(320)로부터 캐소드 배기 도관(304C)을 통해 고온 박스(350) 밖으로 흐른다.
물은, 가령 수조 또는 수도관과 같은 물 공급원(50)으로부터 물 도관을 통해 물 분사기(360)로 흐른다. 물 분사기(360)는, 애노드 배기 도관(306C)에 제공된 애노드 배기의 제1 부분에 직접 물을 분사(inject)한다. 배기 도관(306C)에 제공된 애노드 배기(재순환된 애노드 배기 스트림이라고도 함)의 제1 부분으로부터의 열은 물을 기화시켜 증기를 생성한다. 증기는 애노드 배기와 혼합되고, 생성된 혼합물은 애노드 배기 냉각기(340)에 제공된다. 그 다음 혼합물은 연료 배기 처리기(400)를 통과하여, 혼합기(316)에 제공된다. 혼합기(316)는 증기와 애노드 배기의 제1 부분을 새로운 연료(즉, 연료 유입 스트림)를 혼합하도록 구성된다. 이 가습된 연료 혼합물은 이후, 스택(302)에 제공되기에 앞서 애노드 배기에 의해 애노드 복열기(310)에서 가열될 수 있다. 시스템(300)은 또한, 애노드 복열기(310)의 내부 및/또는 하류에 위치한 하나 이상의 연료 개질 촉매를 포함할 수 있다. 개질 촉매(들)는 가습된 연료 혼합물을, 스택(302)에 제공되기 전에, 개질시킨다.
시스템(300)은 시스템(300)의 다양한 구성요소들을 제어하도록 구성된 시스템 제어기(325)를 더 포함할 수 있다. 시스템 제어기(325)는 저장된 명령어를 실행하도록 구성된 중앙 처리 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템 제어기(325)는 연료 조성 데이터에 따라 시스템(300)을 통한 연료 및/또는 공기 흐름을 제어하도록 구성될 수 있다.
연료 배기 처리기
도 5는 본 개시내용의 다양한 실시예들에 따른, 연료 배기 처리기(400)의 구성요소들을 도시한 개략도이다. 도 4 및 5를 참조하면, 연료 배기 처리기(400)는 수소 분리기(410), 시스템 제어기(425), 스플리터(440), 저온 시프트 반응기(450) 및 열 교환기(444)를 포함할 수 있다. 시스템 제어기(425)는 저장된 명령어를 실행하도록 구성된 중앙 처리 장치일 수 있다. 예를 들어, 시스템 제어기(425)는 연료 배기 처리기(400)를 통한 애노드 배기, 수소 및/또는 이산화탄소의 흐름을 제어하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템 제어기(425)는, SOFC 시스템의 시스템 제어기(325)에 동작 가능하게 연결될 수 있어서, 시스템 제어기(425)가 SOFC 시스템(300)의 동작 조건들에 기초하여 연료 배기 처리기를 제어하도록 한다.
스플리터(440)는 제1 재순환 도관(308A)으로부터 애노드 배기를 수용하도록 구성될 수 있다. 스플리터(440)는 고온 박스(350) 및 수소 분리기(410)에 유체 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 복귀 도관(return conduit; 406A)은 스플리터(440)의 방출구를 고온 박스(350)에 유체 연결할 수 있고, 제1 분리기 도관(401A) 및 제2 분리기 도관(401B)은 스플리터(440)의 방출구를 수소 분리기(410)에 유체 연결할 수 있다. 특히, 애노드 배기의 제1 부분은 스플리터(440)로부터 출력될 수 있고 제1 분리기 도관(401A)을 통해 시프트 반응기(450)에 제공될 수 있고, 시프트 반응기(450)로부터 출력된 애노드 배기는 제2 분리기 도관(401B)에 의해 수소 분리기(410)에 공급될 수 있다. 애노드 배기의 제2 부분은 스플리터(440)의 방출구로부터 제1 복귀 도관(406A)으로 출력될 수 있다. 연료 배기 처리기(400)로부터 출력된 애노드 배기는, 애노드 재순환 송풍기(318)에 의해, 제1 복귀 도관(406A)을 통해 SOFC 시스템(300)의 혼합기(316)로 이동될 수 있다. 그러나, 애노드 재순환 송풍기(318)는 임의의 다른 적절한 위치에 배치될 수 있다.
시프트 반응기(450)는 시프트 반응기(380)와 유사한 WGS 반응기일 수 있으나, 시프트 반응기(380)보다 낮은 온도에서 작동하도록 구성될 수 있다. 따라서, 시프트 반응기(380)는 고온 시프트 반응기로 지칭될 수 있고, 시프트(450)는 저온 시프트 반응기로 지칭될 수 있다. 시프트 반응기(450)는, 연료 배기 처리기(400)에 제공되는 애노드 배기의 일산화탄소 함량을 더욱 감소시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 시프트 반응기(450)는 애노드 배기의 일산화탄소 함량을 가령, 약 0.2% 미만, 또는 약 0.1% 미만과 같이 0.3 부피%만큼 감소시키도록 구성될 수 있다.
시프트 반응기(450)로부터 출력되는 정제된 애노드 배기(예를 들어, 낮은 일산화탄소 함량 애노드 배기)는 제2 분리기 도관(401B)에 의해 수소 분리기(410)에 제공될 수 있다. 열 교환기(444)는 제2 분리기 도관(401B)에 동작 가능하게 연결될 수 있고, 이를 통과하는 애노드 배기를 냉각시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 열 교환기(444)는 공급되는 공기로 열을 전달하도록 구성된 팬들(fans) 및/또는 냉각 핀들(cooling fins)을 포함할 수 있다. 따라서, 열 교환기(444)는 수소 분리기(410)의 과열 및/또는 손상을 방지하기 위해 애노드 배기를 냉각하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 열 교환기(444)는 생략될 수 있다. 예를 들어, 시프트 반응기(450)가 내부 냉각 시스템을 포함하는 경우, 도 4a 및 4b와 관련하여 아래에서 개시된 바와 같이, 열 교환기(444)가 선택적으로 생략될 수 있다.
다양한 실시예에서, 연료 배기 처리기(400)는 다수의 연료 전지 시스템(10)에 유체 연결될 수 있다. 예를 들어, 연료 배기 처리기(400)는 2개 이상의 연료 전지 시스템으로부터 출력되는 애노드 배기를 처리하도록 구성될 수 있고, 수소가 풍부한 연료 스트림을 양 연료 전지 시스템들로 반환하도록 구성될 수 있다.
수소 분리기(410)는 각각 전기화학적 수소 펌핑 전지들(420)을 포함할 수 있는 하나 이상의 수소 펌프를 포함할 수 있다. 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 수소 분리기(410)는: 제1 수소 펌프(414A), 제2 수소 펌프(414B), 및 제3 수소 펌프(414C)를 포함할 수 있으며, 이들 각각은 적층된 수소 펌핑 전지들(420)을 포함한다. 그러나, 본 개시내용은 임의의 특정 개수의 수소 펌프들로 제한되지 않는다. 예를 들어, 다양한 실시예에서, 제1 수소 펌프(414A) 및 제2 수소 펌프(414B)는 수소 펌핑 전지들(420)의 단일 스택으로 조합될 수 있다. 다른 실시예에서, 제1, 제2 및 제3 수소 펌프(414A, 414B, 414C)는 수소 펌핑 전지들(420)의 단일 스택으로 조합될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 수소 펌프(414A)는 제2 및/또는 제3 수소 펌프(414B, 414C)보다 더 많은 수의 수소 펌핑 전지들(420)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 수소 펌프(414A)는 제2 수소 펌프(414B) 및/또는 제3 수소 펌프(414C)보다 2배수의 수소 펌핑 전지들(420)을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 연료 배기 처리기(400)는 단일 수소 스트림만을 출력할 수 있다. 예를 들어, 제3 수소 펌프(414C)는 생략될 수 있다. 특히, ATO(330)에서 발열 반응(exothermic reaction)에 의해 발생된 열은, ATO 배기를 이용하여 캐소드 복열기(320)의 연료 전지 스택(302)에 제공되는 공기를 가열함으로써, 애노드 복열기(310)에서 발생하는, 흡열(endothermic) 연료 개질 반응들로 인한 열 손실을 상쇄(offset)하는데 사용될 수 있다.
제2 분리기 도관(401B)은 제1 수소 펌프(414A)의 애노드 유입구에 애노드 배기를 제공할 수 있다. 제1 수소 펌프(414A)의 애노드 방출구는, 제1 배기 도관(402A)에 의해 제2 수소 펌프(414B)의 애노드 유입구에 유체 연결될 수 있다. 제2 수소 펌프(414B)의 애노드 방출구는, 제2 배기 도관(402B)에 의해 제3 수소 펌프(414C)의 애노드 유입구에 유체 연결될 수 있다. 제3 수소 펌프(414C)의 애노드 방출구는, 제3 출력 도관(502C) 및 제4 출력 도관(502D)에 의해 이산화탄소 처리기(520)에 유체 연결될 수 있다.
이산화탄소 처리기(520)는 이산화탄소 저장 장치 또는 탱크(524)에 유체 연결될 수 있다. 이산화탄소 처리기(520)는 연료 배기 처리기(400)로부터 수용된 이산화탄소 스트림을 압축 및/또는 냉각하도록 작동할 수 있다. 처리기는 이산화탄소 스트림에서 물을 제거하도록 구성된 응축기 및/또는 건조기일 수 있다. 이산화탄소 스트림은 증기, 액체, 고체, 또는 초임계 이산화탄소의 형태로, 이산화탄소 처리기(520)에 제공될 수 있다.
제1 수소 도관(404A)은, 제1 스택(410A)의 캐소드 방출구에 유체 연결될 수 있고, 제2 수소 도관(404B)은 제2 스택(410B)의 캐소드 방출구에 유체 연결될 수 있고, 제3 수소 도관(404C)은 제3 스택(410C)의 캐소드 방출구에 유체 연결될 수 있다. 제1 수소 도관은 제1 복귀 도관(406A)에 유체 연결될 수 있고, 제2 수소 도관(404B)은 제1 수소 도관(404A)에 유체 연결될 수 있다. 특히, 제1 복귀 도관(406A)은 제1 수소 펌프(114A), 제2 수소 펌프(414B), 및/또는 제3 수소 펌프(414C)에 의해, 애노드 배기로부터 추출된 수소를 혼합기(316)에 제공하도록 구성될 수 있어서, 수소가 스택(302)으로 재순환되도록 할 수 있다.
제3 수소 도관(404C)은 제2 복귀 도관(406B)에 의해 연료 전지 시스템(300)에 유체 연결될 수 있다. 특히, 제2 복귀 도관(406B)은 제3 스택(114C)에 의해 애노드 배기로부터 추출된 수소를, ATO(330)에 수소를 제공할 수 있는 제2 복귀 도관(406B)에 제공하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 선택적인 제4 수소 도관(404D)은 제3 수소 도관(404C)을 제1 수소 도관(404A)에 유체 연결할 수 있다. 선택적인 제5 수소 도관(404E)은 제2 수소 도관(404B)을 제3 수소 도관(404C)에 유체 연결할 수 있다. 제1 출력 도관(502A) 및 제2 출력 도관(502B)은 제1 수소 도관(404A)을 수소 처리기(500)에 유체 연결할 수 있다.
수소 처리기(500)는 예를 들어, 응축기 및/또는 압축기를 포함할 수 있고, 수소 저장 탱크(504)에 유체 연결될 수 있다. 응축기는, 수소 스트림 내 수증기를 응축시키기에 충분한 온도로, 연료 배기 처리기(400)로부터 수용된 수소 스트림을 냉각시키도록 구성된 공냉식 또는 수강화식(water-enhanced), 공냉식 응축기 및/또는 열 교환기일 수 있다. 압축기 또한, 수소를 압축하도록 구성될 수 있고, 수소 탱크(504)는 압축된 수소를 저장하도록 구성될 수 있다.
제1 복귀 도관(406A)은 스플리터(440)를 연료 전지 시스템(300)의 혼합기(316)에 유체 연결할 수 있다. 제2 복귀 도관(406B)은 제1 분리기 도관(401A)을 ATO(330)에 유체 연결할 수 있고, 또한, 제3 수소 도관(404C)에 유체 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 복귀 도관(406B)은 스플리터(440)의 방출구에 유체 연결될 수 있다. 제3 복귀 도관(406C)은 제2 분리기 도관(401B)을 제2 복귀 도관(406B)에 유체 연결할 수 있다.
다양한 실시예에서, 연료 배기 처리기(400)는 유체 흐름을 제어하기 위한 다양한 밸브를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 분리기 도관 밸브(401V1) 및 제2 분리기 도관 밸브(401V2)는 각각 제1 및 제2 분리기 도관(401A, 401B)을 통한 애노드 배기 흐름을 제어하도록 구성될 수 있다. 제1 수소 도관 밸브(404V1), 제2 수소 도관 밸브(404V2), 제3 수소 도관 밸브(404V3), 제4 수소 도관 밸브(404V4), 및 제5 수소 도관 밸브(404V5)는 각각 제1, 제2, 제3, 제4 및 제5 수소 도관(404A, 404B, 404C, 404D, 404E)을 통한 수소 흐름을 제어하도록 구성될 수 있다. 가령, 양방향 밸브와 같은 수소 저장 밸브(503)는, 제1 수소 도관(404A)으로부터 출력 도관(502)으로의 수소 흐름을 제어하도록 구성될 수 있다. 제2 복귀 도관 밸브(406V2) 및 제3 복귀 도관 밸브(406V3)는, 제2 및 제3 복귀 도관(406B, 406C)을 통한 애노드 배기 흐름을 각각 제어하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 연료 배기 처리기(400)는 다수의 고온 박스(100)에 유체 연결될 수 있다. 예를 들어, 스플리터(440)는 다수의 재순환 도관(308A/308B)으로부터 애노드 배기를 수용할 수 있고, 다수의 복귀 도관(406A, 406B)에 유체 연결될 수 있다. 예를 들어, 재순환 도관(308A/308B) 및 복귀 도관(406A, 406B)은 분기되어 상이한 고온 박스(100)에 연결될 수 있다.
시스템(300)은 제3자에 의해 현장에서 제공될 수 있는, 다양한 상이한 수소 처리기(500) 및/또는 이산화탄소 처리기(520)와 함께 작동하도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 연료 배기 처리기(410)로부터 출력되는 수소 및/또는 이산화탄소 스트림의 유량 및/또는 생성 속도를 특정 이산화탄소 처리기(520)의 처리량과 일치시키는 것이 어려울 수 있다. 특히, 이러한 변화는 양압 및/또는 음압의 변동을 유도할 수 있다. 예를 들어, 수소 처리기(500)의 처리량이 너무 높으면(예를 들어, 수소 처리기(500)가 수소 스트림을 너무 세게 당기는 경우), 시스템(300) 내에서 음압이 유도될 수 있고, 처리량이 너무 낮은 경우, 양압이 시스템(300) 내에서 유도될 수 있다.
이러한 압력 변동은 시스템(300) 내에 문제를 일으킬 수 있다. 예를 들어, 과도한 음압은 시스템(300) 내로의 공기 누출을 초래할 수 있거나, 시스템(300)의 전해질에 걸쳐 높은 압력 변동을 초래할 수 있으며, 이는 가령, 균열과 같은 전해질 손상의 위험을 증가시킬 수 있다. 지나치게 높은 압력은 또한, 전해질 전반에 걸쳐 압력 변화를 발생시킬 수 있고, 전해질 손상의 위험을 증가시킬 수 있다.
따라서, 시스템(300)은 제1 및 제2 출력 도관(502A, 502B)에 유체 연결된 수소 송풍기(510)를 포함할 수 있다. 제1 출력 도관(502A)은 연료 배기 처리기(400)의 수소 방출구를 수소 송풍기(510)의 유입구에 유체 연결할 수 있다. 제2 출력 도관(502B)은 수소 송풍기(510)의 방출구를 수소 처리기(500)에 유체 연결할 수 있다. 수소 송풍기(510)는 수소 스트림의 압력을 증가시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 수소 송풍기(510)는, 가령 약 5 내지 약 10 파운드/제곱 게이지(psig)와 같이 약 2 내지 약 15 psig만큼 수소 스트림의 압력을 증가시키도록 구성될 수 있다. 수소 송풍기(510)는 또한, 수소 처리기(500)에 의해 유도된 압력 변동으로부터, 가령 연료 배기 처리기(400) 및/또는 스택(302)과 같은 시스템(300)의 구성요소를 격리하도록 작동할 수 있다.
시스템(300)은 또한, 제3 및 제4 출력 도관(502C, 502D)에 유체 연결되는 이산화탄소 송풍기(512)를 포함할 수 있다. 제3 방출 도관(502C)은 연료 배기 처리기(400)의 이산화탄소 방출구와 이산화탄소 송풍기(512)의 유입구를 유체 연결할 수 있다. 제2 이산화탄소 도관(502B)은, 이산화탄소 송풍기(512)의 방출구를 이산화탄소 처리기와 유체 연결할 수 있다. 이산화탄소 송풍기(512)는 이산화탄소 스트림의 압력을 증가시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소 송풍기(512)는 이산화탄소 스트림의 압력을, 가령 약 5 내지 약 10 psig와 같이 약 2 내지 약 15 psig만큼 증가시키도록 구성될 수 있다. 이산화탄소 송풍기(512)는 또한, 연료 배기 처리기(400) 및/또는 스택(302)과 같은 시스템(300)의 구성요소들을, 이산화탄소 처리기(520)에 의해 유도되는 압력 변동으로부터 격리하도록 동작할 수 있다.
다양한 실시예에서, 시스템(300)은 수소 송풍기(510)에서 액상의 물(liquid water)의 축적(accumulation)을 감소 및/또는 방지하기 위해, 수소 스트림으로부터 응축수를 제거하도록 구성된 선택적인 물 녹아웃 장치(530)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 시스템(300)은, 이산화탄소 송풍기(512)에서의 액상의 물의 축적을 감소 및/또는 방지하기 위해, 이산화탄소 스트림으로부터 응축수를 제거하도록 구성된 선택적인 물 녹아웃 장치(532)를 포함할 수 있다.
개시된 양태들에 대한 전술한 설명은 당업자가 본 발명을 제조하거나 이용할 수 있게끔 하기 위해 제공된다. 이러한 양상들에 대한 다양한 변형들은 당업자들에게 용이하게 명백할 것이며, 본 명세서에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 양상들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 나타난 양상들로 제한되는 것이 아니라, 본 명세서에 개시된 원리들 및 신규 특징들과 일치되는 가장 넓은 범위를 갖도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 전해조 시스템으로서,
    스팀을 생성하도록 구성된 스팀 생성기;
    상기 스팀 생성기에 의해 생성된 스팀을 사용하여 수소 스트림을 생성하도록 구성된 고체 산화물 전해조 전지들의 스택;
    상기 스택에 의해 생성된 수소 스트림을 가압하도록 구성된 수소 송풍기; 및
    가압된 상기 수소 스트림을 압축하도록 구성된 수소 처리기
    를 포함하는, 전해조 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    가압된 상기 수소 스트림이 약 2 psig(pounds per square inch gauge) 내지 약 15 psig 범위의 압력을 갖도록, 상기 수소 송풍기의 동작을 제어하도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 전해조 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스택을 하우징하는 고온 박스;
    상기 고온 박스의 수소 방출구를 상기 수소 송풍기에 유체 연결하는 제1 출력 도관; 및
    상기 수소 송풍기의 방출구를 상기 수소 처리기의 유입구에 유체 연결하는 제2 출력 도관
    을 더 포함하는, 전해조 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수소 송풍기는, 상기 수소 처리기에 의해 생성된 압력 변동이 상기 스택에 전달되는 것을 방지하도록 구성되는, 전해조 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 수소 처리기의 방출구에 유체 연결된 수소 탱크를 더 포함하는, 전해조 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 수소 펌프는 복수의 고온 박스들로부터 수소 스트림을 수용하는, 전해조 시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    수소를 상기 스팀 생성기로부터 출력된 스팀과 혼합하도록 구성된 혼합기; 및
    수소를 상기 제1 출력 도관으로부터 상기 혼합기로 전환하도록 구성된 수소 전환기(hydrogen diverter)를 더 포함하고,
    상기 혼합기의 방출구는 상기 스택의 유입구에 유체 연결되는, 전해조 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 혼합기는 상기 고온 박스의 외부에 배치되는, 전해조 시스템.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제1 출력 도관으로부터 응축된 물을 제거하도록 구성된 물 녹아웃 장치(water knockout device)를 더 포함하는, 전해조 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스택으로부터 출력된 산소 배기로부터 추출된 열을 사용하여 상기 스팀 생성기에 제공된 물을 예열하도록 구성된 물 예열기;
    상기 예열된 물을 기화시킴으로써 스팀을 생성하도록 구성된 기화기; 및
    약 10℃ 내지 약 100℃만큼 상기 스팀의 온도를 증가시키도록 구성된 과열기(super heater)를 더 포함하는, 전해조 시스템.
  11. 연료 전지 시스템으로서,
    고온 박스;
    전력을 생성하도록 구성되고, 상기 고온 박스 내에 배치된 고체 산화물 연료 전지들의 스택;
    상기 고온 박스 내에 배치된 애노드 테일 가스 산화기(ATO);
    상기 스택으로부터 수용된 애노드 배기 스트림을 분리시키고, 이산화탄소 스트림과 수소 스트림을 출력하도록 구성된 연료 배기 처리기;
    상기 수소 스트림을 가압하도록 구성된 수소 송풍기;
    상기 가압된 수소 스트림을 압축하도록 구성된 수소 처리기; 및
    상기 이산화탄소 스트림을 압축하도록 구성된 이산화탄소 처리기
    를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    가압된 상기 수소 스트림이 약 2 psig(pounds per square inch gauge) 내지 약 15 psig 범위의 압력을 갖도록, 상기 수소 송풍기의 동작을 제어하도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 연료 배기 처리기의 수소 방출구를 상기 수소 송풍기에 유체 연결하는 제1 출력 도관; 및
    상기 수소 송풍기의 방출구를 상기 수소 처리기의 유입구에 유체 연결하는 제2 출력 도관을 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 수소 송풍기는, 상기 수소 처리기에 의해 생성된 압력 변동이 상기 연료 배기 처리기에 전달되는 것을 방지하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 수소 처리기의 방출구에 유체 연결된 수소 탱크를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 이산화탄소 스트림이 상기 이산화탄소 처리기에 제공되기 전에 상기 이산화탄소 스트림을 가압하도록 구성된 이산화탄소 송풍기를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 연료 배기 처리기의 이산화탄소 방출구를 상기 이산화탄소 송풍기에 유체 연결하는 제3 출력 도관; 및
    상기 이산화탄소 송풍기의 방출구를 상기 이산화탄소 처리기의 유입구에 유체 연결하는 제4 출력 도관을 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 이산화탄소 송풍기는, 상기 이산화탄소 처리기에 의해 생성된 압력 변동이 상기 연료 배기 처리기로 전달되는 것을 방지하도록 구성되는, 연료 전지 시스템.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리기의 방출구에 유체 연결된 이산화탄소 탱크를 더 포함하는, 연료 전지 시스템.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 연료 배기 처리기는:
    상기 스택으로부터 수용된 애노드 배기 스트림으로부터 수소를 추출하고, 상기 연료 배기 처리기에 제공되는 제1 수소 스트림으로 수소를 출력하도록 구성된 제1 수소 펌프;
    상기 제1 수소 펌프로부터 출력된 애노드 배기로부터 수소를 추출하고, 상기 제1 수소 스트림으로 수소를 출력하도록 구성된 제2 수소 펌프; 및
    상기 제2 수소 펌프로부터 출력된 애노드 배기로부터 수소를 추출하고, ATO에 제공되는 제2 수소 스트림으로 수소를 출력하도록 구성된 제3 수소 펌프
    를 포함하는, 연료 전지 시스템.
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