KR20230071089A - 스팀 재순환 및 캐소드 배출물 냉각기를 포함하는 전기화학 전지 시스템 - Google Patents

스팀 재순환 및 캐소드 배출물 냉각기를 포함하는 전기화학 전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20230071089A
KR20230071089A KR1020220152286A KR20220152286A KR20230071089A KR 20230071089 A KR20230071089 A KR 20230071089A KR 1020220152286 A KR1020220152286 A KR 1020220152286A KR 20220152286 A KR20220152286 A KR 20220152286A KR 20230071089 A KR20230071089 A KR 20230071089A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hydrogen
vapor
soec
stack
solid oxide
Prior art date
Application number
KR1020220152286A
Other languages
English (en)
Inventor
바인개르트 데이비드
페리 마틴
타 앤디
벤카타라만 스와미나탄
Original Assignee
블룸 에너지 코퍼레이션
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 블룸 에너지 코퍼레이션 filed Critical 블룸 에너지 코퍼레이션
Publication of KR20230071089A publication Critical patent/KR20230071089A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B15/087—Recycling of electrolyte to electrochemical cell
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C25B1/042—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water by electrolysis of steam
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B13/00—Diaphragms; Spacing elements
    • C25B13/04—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material
    • C25B13/05—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material based on inorganic materials
    • C25B13/07—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material based on inorganic materials based on ceramics
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C25B15/021—Process control or regulation of heating or cooling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B15/083—Separating products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/67—Heating or cooling means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템 및 방법은 스팀을 수용하고 수소 및 스팀 배출 스트림을 생성하도록 구성된 전해조 전지들의 스택, 및 스팀 배출 스트림 및 수소의 일부를 스택으로 다시 재순환시키도록 구성된 스팀 재순환 송풍기를 포함한다.

Description

증기 재순환 및 캐소드 배기 냉각기를 포함하는 전기화학 전지 시스템{ELECTROCHEMICAL CELL SYSTEM INCLUDING SYSTEM RECYCLE AND CATHODE EXHAUST COOLER}
본 발명의 실시예는 일반적으로, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC)를 포함하는 전해조 시스템에 관한 것이며, 특히 증기 재순환 및 캐소드 배기 냉각의 사용 및 이를 작동시키는 방법에 관한 것이다.
연료 전지와 같은 전기화학 장치는, 연료에 저장된 에너지를 고효율로 전기 에너지로 변환할 수 있다. 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템과 같은 연료 전지 시스템에서, 산화 흐름은 연료 전지의 캐소드 측을 통과하고, 연료 도관 흐름은 연료 전지의 애노드 측을 통과한다. 산화 흐름은 일반적으로 공기이며, 연료 흐름은 가령, 메탄, 천연 가스, 액화 석유 가스(LPG)/프로판, 에탄올 또는 메탄올과 같은 탄화수소 연료일 수 있다. 연료 전지는 음으로 하전된 산소 이온을 캐소드 흐름 스트림에서 애노드 흐름 스트림으로 수송할 수 있으며, 여기서 이온은 자유 수소 또는 탄화수소 분자의 수소와 결합하여 수증기를 형성하거나, 및/또는 일산화탄소와 결합하여 이산화탄소를 형성한다. 음으로 하전된 이온으로부터의 과잉 전자는, 애노드와 캐소드 사이에 완성된 전기 회로를 통해 연료 전지의 캐소드 측으로 다시 보내져서, 회로를 통해 전류가 흐르도록 한다. 연료 전지 시스템은 각각 전기를 생성할 수 있는 여러 개의 고온 박스를 포함할 수 있다. 고온 박스는 하나 이상의 연료 스택에 산화 연료를 제공하는 연료 도관 스트림을 포함할 수 있으며, 여기서 연료는 발전 동안 산화된다.
SOFC는, 수소 및 산소를 생성하기 위해, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC)로 지칭되는 전해조로서 작동될 수 있다. SOFC 모드에서, 산화물 이온은 캐소드 측(공기)에서 애노드 측(연료)으로 이송되며, 그 구동력은 전해질을 가로지르는 산소 분압의 화학적 구배이다. SOEC 모드에서, 전지의 공기 측에 양의 전위가 적용되고, 이제 산화 이온이 증기 측에서 공기 측으로 이동한다. SOFC와 SOEC 사이에서 캐소드와 애노드가 뒤바뀌어 있기 때문에(즉, SOFC 캐소드는 SOEC 애노드이고, SOFC 애노드는 SOEC 캐소드임), 앞으로는 SOFC 캐소드(SOEC 애노드)는 공기 전극으로, SOFC 애노드(SOEC 캐소드)는 증기 전극으로 지칭될 수 있다.
SOEC 모드 동안, 연료 스트림의 물은 H2 가스 및 O2- 이온을 형성하도록 환원(H2O + 2e → O2- + H2)되고, O2- 이온은 고체 전해질을 통해 수송된 다음 공기 측에서 산화되어서(O2-에서 O2로) 산소 분자를 생성한다. 공기와 습식 연료(수소, 개질 천연 가스)로 작동하는 SOFC의 개방 회로 전압은 (수분 함량에 따라) 0.9~1 V 정도이므로, SOEC 모드에서 공기측 전극에 인가되는 양의 전압은, 1.1 ~ 1.45V의 일반적인 작동 전압까지 전지 전압을 상승시킨다.
따라서, 본 발명의 실시예는, 관련 기술의 한계 및 단점으로 인한 하나 이상의 문제를 실질적으로 제거하는, 증기 재순환 및 캐소드 배기 냉각을 포함하는 전기화학 전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일목적은, 가령 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템과 같은 전해조 전지 시스템의 전력 소모를 개선(즉, 감소)시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템과 같은 전해조 전지 시스템의 물 이용률을 개선하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 증기/수소(H2) 재순환을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 캐소드 배기 냉각을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 특징 및 이점은, 이하의 상세한 설명에서 설명될 것이며, 부분적으로는 상세한 설명으로부터 명백해지거나 본 발명의 실시에 의해 학습될 수 있다. 본 발명의 목적 및 다른 장점은 첨부된 도면뿐만 아니라 기재된 상세한 설명 및 특허청구범위에서 특히 지시되는 구조에 의해 실현되고 달성될 것이다.
이러한 것들과, 다른 이점을 달성하기 위해 그리고 본 발명의 목적에 따라 구체화되고 광범위하게 설명된 바와 같이, 증기 재순환 및 캐소드 배기 냉각기를 포함하는 전기화학 전지 시스템은 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템을 포함하고, 상기 SOEC 시스템은: 증기를 수용하고, 수소 및 증기 배기 스트림을 생성하도록 구성된 전해조 전지들의 스택; 및 수소 및 증기 배기 스트림의 일부를 스택으로 재순환시키도록 구성된 증기 재순환 송풍기를 포함한다.
또 다른 양태에서, 증기 재순환 및 캐소드 배기 냉각기를 포함하는 전기화학 전지 시스템은 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템을 작동시키는 방법을 포함하며, 이 방법은: 전해조 전지들의 스택에서 증기를 수용하는 단계; 스택에서 수소 및 증기 배기 스트림을 생성하는 단계; 및 증기 재순환 송풍기에서, 수소 및 증기 배기 스트림의 일부를 다시 스택으로 재순환하는 단계를 포함한다.
전술한 일반적인 설명 및 이하의 상세한 설명은 모두 예시적이고 설명적이며 청구된 본 발명의 추가적인 설명을 제공하기 위한 것임을 이해해야 한다.
본 발명의 추가 이해를 제공하기 위해 포함되고, 본 명세서에 포함되어 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은, 본 발명의 실시예를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 SOEC 시스템 프로세스 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 고온 박스를 통한 프로세스 흐름을 도시하는 고온 박스 프로세스 흐름도이다.
첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예를 상세히 설명한다. 가능하면 동일하거나 유사한 부분들을 나타내기 위해 도면 전체에서 동일한 참조 번호가 사용된다. 특정 실시예 및 구현예에 대한 참조는 설명을 위한 것이며 본 발명의 실시예 또는 청구범위를 제한하려는 의도가 아니다.
값 및 범위는, 본 명세서에서 "약(about)" 하나의 특정 값 및/또는 "약" 또 다른 특정 값으로 표현될 수 있다. 그러한 범위가 표현될 때, 실시예는 하나의 특정 값에서 및/또는 다른 특정 값까지를 포함한다. 유사하게, 값이 근사치로 표현될 때 선행사 "약" 또는 "실질적으로(substantially)"를 사용함으로써 특정 값이 또 다른 양태를 형성한다는 것이 이해될 것이다. 일부 실시예에서, "약 X"의 값은 +/- 1%의 X 또는 +/- 5%의 X의 값을 포함할 수 있다. 각각의 범위의 종점은 다른 종점과 관련하여, 그리고 다른 종점과는 독립적으로 유의미하다는 것이 추가로 이해될 것이다. 값과 범위는 실시예를 제공하지만, 본 발명의 실시예는 이에 제한되지 않는다.
본 개시내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본 개시내용에 대해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 본 개시내용의 사상 및 실체를 포함하는 개시된 실시예의 수정 조합, 하위 조합 및 변형이 당업자에게 떠오를 수 있으므로, 본 개시내용은 첨부된 청구항들 및 그 등가물의 범위 내에 있는 모든 것을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
가령, SOEC(solid oxide electrolyzer cell) 시스템과 같은 전해조 전지 시스템의 전력 소비는, 시스템 용수 이용률에 따라 달라질 수 있다. 물 이용률을 높이면 전체 전력 소비량을 낮출 수 있다(kW-hr/kg H2). 본 개시내용의 일부 실시예에서, 증기는 SOEC 시스템에서 재순환된다. 재순환 증기는, 증기 재순환 송풍기에 공급되기 전에 추가 열 교환기를 사용하여, 약 100℃ 내지 180℃(예컨대, 150℃ 미만)로 냉각될 수 있다. 도 1 및 2는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템 및 다양한 유체 흐름의 개략도이다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 SOEC 시스템(100)이다.
도 1에 도시된 바와 같이, SOEC 시스템(100)은: 공기 도관(105), 공기 송풍기(106), 증기 도관(110), 고온 박스(120), 선택적 수소 도관(130), 농축 공기 도관(125), 증기 및 수소 생성물 방출구(150), 스플리터(160) 및 증기 재순환 송풍기(170)를 포함한다.
도 1에 도시된 예시적인 구성에서, SOEC 시스템(100)의 구성요소 및 각각의 동작이 설명될 것이다. 예시적인 구성 및 동작에 따르면, 증기 도관(110)에서의 증기 입력은, 약 120℃ 내지 130℃(예를 들어, 127℃) 또는 확장된 범위에 대해 약 100℃ 내지 200℃의 온도와, 약 1 psig의 압력을 가질 수 있다. 다양한 실시예에서, 증기는 외부 소스로부터 SOEC 시스템(100)으로 입력될 수 있거나, 국부적으로 생성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 물이 SOEC 시스템(100)에 입력될 수 있다.
공기 도관(105)에서의 공기 입력(예를 들어, 주변 공기)은, 아마도 국부 대기압에서 약 -20℃와 +45℃ 사이의 주변 온도일 수 있다. 공기 도관(105)으로부터의 공기는 공기 송풍기(106)에서 수용되고, 공기 송풍기(106)에 의한 공기 출력은 압축열로 인해 주위 온도보다 약간 더 높을 것이다. 예를 들어, 공기 송풍기(106)에 의해 출력되는 공기의 온도는, 20℃의 주변 공기 온도와 비교할 때 1.0 psig에서 약 30℃일 수 있다.
선택적인 수소 도관(130)으로부터의 수소는, SOEC 시스템(100)에 의해 달리 수소가 생성되지 않는 경우, 시동 및 과도 상태에만 필요할 수 있다. 예컨대, 정상 상태에서 별도의 수소 공급물 스트림 또는 수소 재순환 증기에 대한 필요가 더는 존재하지 않는다. 이러한 수소 스트림에 대한 압력은 사이트 건축 당시의 설계 선택사항이며, 5 psig 내지 3000 psig 사이에 있을 수 있다. 온도는 보관 상태일 가능성이 있으므로 주변 온도에 가깝다.
공기 도관(105)에서의 공기 입력, 증기 도관(110)에서의 증기 입력, 및 수소 도관(130)에서의 선택적 수소에서의 수소 입력은, 고온 박스(120)에 입력된다. 그 결과, 고온 박스(120)는, 고온 박스(120)의 증기 및 수소 생성물 방출구(150)에서 수소 생성물 H2-H2O-G 및 증기를 출력하고, 여기서 G는 Gross를 나타낸다. 고온 박스의 출력 H2-H2O-G은 약 100℃ 내지 180℃(예컨대, 130℃)의 온도와 약 0.1 내지 0.5 psig의 압력을 가질 수 있다.
또한, 고온 박스 출력 H2-H2O-G는 스플리터(160)에 입력되고, 증기 재순환 스트림 RECH2OLP(여기서 LP는 저압을 나타냄) 및 순 생성물(net product) H2-H2O-N(여기서 N은 Net을 나타냄)으로 분할된다(예컨대, 상업적 사용 또는 저장을 위한 출력임). 여기서 순 생성물 H2-H2O-N은 약 100℃와 180℃ 사이의 온도(예컨대, 130℃), 약 0.1 psig와 0.5 psig 사이의 압력을 가질 수 있다. 증기 재순환 스트림 RECH2OLP는 약 100℃ 내지 180℃(예를 들어, 130℃)의 온도, 약 0.1 psig 내지 0.5 psig의 압력을 가질 수 있다. 고온 박스(120)는 본질적으로 국부 대기압(예를 들어, 0.5 psig 미만 또는 0.05 psig 미만)에서 약 120℃ 내지 300℃의 온도를 가질 수 있는 농축 공기 도관(125)에서 농축 공기(enriched air)를 추가로 출력할 수 있다.
증기 재순환 스트림 RECH2OLP는 증기 재순환 송풍기(170)로 유입된다. 생성된 재순환 증기 REC-STM은, 약 100℃ 내지 180℃(예를 들어, 140℃)의 온도, 약 0.5 내지 1.5 psig의 압력을 가질 수 있고, 고온 박스(120)로 입력된다. 일부 실시예에서, 캐소드 배기 냉각기 열 교환기(즉, 도 2의 구성요소(188))는, 증기 재순환 송풍기(170)의 상류에 위치하여서, 재순환된 증기가 증기 재순환 송풍기(170)에 도달하기 이전에 냉각되도록 한다. 추가로, 재순환된 증기와 함께 포함된 재순환된 수소 공급물이 존재하지 않을 수 있다.
예시적인 시뮬레이션 결과가 아래의 표 1에 도시되어 있다. 예시적인 결과는, 패스당 물 이용률(per pass water utilization)이 70%이고, 전체 물 이용률이 90%라고 추정한다. 따라서, 본 개시내용의 예시적인 실시예는, 패스당 약 70%(예를 들어, 50% 내지 80%)의 물 이용률 및 약 90%(예를 들어, 75% 내지 95%)의 전체 물 이용률을 제공한다. 최적의 전체 물 이용률은, 생산된 수소(H2) kg당 전체 전력 소비를 최소화하거나, 생산된 수소(H2) kg당 총 유틸리티 비용(예컨대, 증기 입력 및 전력 입력의 복합 비용)을 최소화하도록 선택될 수 있다. 최적의 값은 일반적으로 전체 증기 이용률의 약 70% 내지 90% 사이다. 따라서, 실시예는 특정 패스당 또는 전체 물 이용률에 제한되지 않는다. 증기 재순환을 사용하면, 전체 물 사용률보다 패스당 물 사용률을 낮출 수 있다. 가령, 70/85, 65/85 및 60/80 등과 같이 전체 물 이용률에 대한 패스당 다양한 비율이 달성될 수 있다.
그 결과는 증기 복열기 단독으로는 증기 및 수소 생성물 방출구(150)에서 증기 및 수소 생성물 H2-H2O-G를, 다수의 상업적으로 이용가능한 재순환 송풍기에 충분히 낮은 온도로 냉각시키기에 충분하지 않을 수 있음을 나타낸다. 증기 재순환 증기에 추가된 새로운 증기 공급물의 열 용량은, 나가는 증기와 수소 생성물에 대해 충분한 정합(match)이 되지 않는다. SOFC 시스템 애노드 배기 냉각기와 유사할 수 있는, 캐소드 배기 냉각기 열 교환기(예를 들어, 도 2의 구성요소(188))를 추가함으로써 개선된 열 정합이 얻어진다.
패스 당 약 70%의 물 이용률 및 약 90%의 전체 물 이용률을 달성하기 위해, 총 생성물 스트림의 약 73%와 같이 적어도 70%(예를 들어, 약 70 내지 75%)가 재순환되어야 한다. 전체 물 이용률과 패스당 물 이용률의 다른 조합은 다른 재순환 비율을 이용한다. 재순환 비율은 40%에서 75%까지 다양할 수 있다. 이 경우의 스트림 결과에 대한 실시예들은 아래 표 1에 나와 있다.
[표 1]
Figure pat00001
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 도 1의 고온 박스(120)를 통한 프로세스 흐름을 도시하는 고온 박스 프로세스 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, SOEC 시스템(100)은: 공기 도관(105), 공기 송풍기(106), 증기 도관(110), 고온 박스(120), 선택적 수소 도관(130), 농축 공기 도관(125), 증기 및 수소 생성물 방출구(150), 스플리터(160), 및 도 1에 또한, 도시되는 증기 재순환 송풍기(170)를 포함한다. 추가로, 도 2는 고온 박스(120), 믹서(181), 열 교환기(185, 186, 187, 188, 189), 증기 가열기(191) 및 공기 가열기(192)의 스택(121)의 에너지 균형을 유지하도록 구성된 다양한 전기 구성요소들(103)을 도시한다.
증기 도관(110)에서의 증기 입력 및 선택적 수소 도관(130)에서의 수소 입력은 믹서(181)에서 혼합될 수 있다. 여기서, 증기 입력(또는 물 입력), 수소 입력 및/또는 이들의 조합은, 증기 재순환 송풍기(170)에 의해 출력되는 재순환 증기(171)를 사용하여 믹서(181)에서 가열될 수 있다. 믹서(181)의 출력은 열 교환기(185)에 입력될 수 있고, 열 교환기(185)는 스택(121)으로의 다운스트림 입력을 위해 고온의 증기를 출력한다. 열 교환기로부터의 고온 스트림의 방출구 온도는, 스택 온도에 따라, 그리고 설계에 따라 달라질 수 있고, 스택 온도보다 약 20-150℃ 낮을 수 있다. 스택 온도는 약 680℃에서 850℃ 사이일 수 있다. 고온 증기는 증기 가열기(191)와 같은 하나 이상의 가열기(heater)에 의해 추가로 가열될 수 있다. 열 교환기(185)는 스택(121)에 의한 수소 출력을 이용하여 고온 증기를 발생시키도록 구성된다. 열 교환기(185)는 추가로, 수소를 캐소드 배기 냉각기 열 교환기(188)로 출력한다.
열 교환기(185)로부터의 수소에 더하여, 공기 송풍기(106)에 의해 출력된 공기는 캐소드 배기 냉각기 열 교환기(188)에 공급된다. 열 교환기(188)는 스플리터(160)에 공급되는 증기 및 수소 생성물 H2-H2O-G를 출력한다. 열 교환기(188)는, 하나 이상의 공기 가열기, 가령 공기 가열기(192)뿐만 아니라 하나 이상의 열 교환기, 가령 열 교환기(186)를 통해 스택(121)에 공급되는 따뜻한 공기(예컨대, 주변 온도에 따라 약 60℃ 내지 150℃ 사이의 온도를 가짐)를 추가로 출력한다. 이어서 농축 공기 도관(125)에서 스택(121)에 의해 출력되는 농축 공기는, 열 교환기(186, 187, 189)와 같은 일련의 열 교환기들에 의해 냉각된다. 여기서, 열 교환기(187, 189)는 선택적이고, 예를 들어 물 공급 시스템에서 전형적으로 사용된다.
캐소드 배기 냉각기 열 교환기(188)에서, 재순환된 증기는 스택(121)에 제공되는 공기 도관 스트림에 의해 냉각된다. 추가로, 증기 재순환 송풍기(170)에 의해 출력되는 증기 재순환 스트림은 상당한 양의 수소를 포함하기 때문에, 정상 상태에서 별도의 수소 재순환 증기 또는 수소 공급 스트림에 대한 필요가 더는 존재하지 않는다. (예컨대, 실린더나 사이트 저장소로부터의) 수소는, 수소가 생성되지 않는 시스템 시동, 셧다운, 또는 과도/대기 시에 여전히 이용될 수 있다.
바람직하게는, 캐소드 배기 냉각기 열 교환기(188)는, 재순환 송풍기의 상류에 위치하여서, 재순환 스트림이 재순환 송풍기에 도달하기 전에 냉각되도록 한다. 캐소드 배기 냉각기 열 교환기(188)는, 스플리터(160)의 상류 또는 하류에 위치할 수 있어서, 전체 수소 및 증기 스트림 H2-H2O-G 또는 오로지 증기 재순환 스트림 RECH2OLP만이 캐소드 배기 냉각기 열 교환기(180)에서 공기 도관 스트림에 의해 냉각되도록 한다.
본 발명의 정신 또는 범위를 벗어나지 않고, 본 발명의 증기 재순환 및 캐소드 배기 냉각기를 포함하는 전기화학 전지 시스템에서 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은, 첨부된 특허청구항들 및 그들의 등가물의 범위 내에 있는, 본 발명의 수정 및 변경을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템으로서,
    증기를 수용하고, 수소 및 증기 배기 스트림을 생성하도록 구성되는 전해조 전지들의 스택; 및
    수소 및 증기 배기 스트림의 일부를 다시 스택으로 재순환하도록 구성되는 증기 재순환 송풍기(steam recycle blower);
    를 포함하는, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수소 및 증기 배기 스트림이, 상기 스택에 제공되는 공기 도관 스트림에 의해 냉각되는, 캐소드 배기 냉각기 열 교환기를 더 포함하는, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    재순환 송풍기로부터 상류에 위치하는 캐소드 배기 냉각기 열 교환기를 더 포함하는, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수소 및 증기 배기의 일부를 상기 증기 재순환 송풍기에 공급하는 스플리터를 더 포함하는, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    캐소드 배기 냉각기 열 교환기가 상기 스플리터의 상류에 위치하는, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    캐소드 배기 냉각기 열 교환기가 상기 스플리터의 하류에 위치하는, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전해조 전지들의 스택은 증기 및 수소를 수용하도록 구성되는, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전해조 전지들의 스택은, SOEC 시스템이 정상 상태에서 작동하는 경우 수소를 수용하는 것을 중단하도록 구성되는, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 전해조 전지들의 스택은, SOEC 시스템이 시동, 정지 중인 경우, 또는 SOEC 시스템이 수소를 생산하지 않는 경우, 수용하도록 구성되는, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 수소 및 증기 배기의 재순환된 부분은: 증기를 포함하고 수소를 포함하지 않는, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템.
  11. 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템의 작동 방법으로서,
    전해조 전지들의 스택에서, 증기를 수용하는 단계;
    상기 스택에서, 수소 및 증기 배기 스트림을 생성하는 단계; 및
    증기 재순환 송풍기에서, 상기 수소 및 증기 배기 스트림의 일부를 다시 상기 스택으로 재순환시키는 단계;
    를 포함하는, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템의 작동 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 스택에 제공되는 공기 도관 스트림을 사용하여, 캐소드 배기 냉각기 열 교환기에 의해, 상기 수소 및 증기 배기 스트림을 냉각하는 단계를 더 포함하는, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템의 작동 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    캐소드 배기 냉각기 열 교환기가 재순환 송풍기로부터 상류에 위치하는, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템의 작동 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    스플리터가 상기 수소 및 증기 배기의 일부를 상기 증기 재순환 송풍기에 공급하는, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템의 작동 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    캐소드 배기 냉각기 열 교환기가 상기 스플리터의 상류에 위치하는, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템의 작동 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    캐소드 배기 냉각기 열 교환기가 상기 스플리터의 하류에 위치하는, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템의 작동 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 전해조 전지들의 스택은 증기 및 수소를 수용하도록 구성되는, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템의 작동 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전해조 전지들의 스택은, SOEC 시스템이 정상 상태에서 작동하는 경우 수소를 수용하는 것을 중단하도록 구성되는, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템의 작동 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 전해조 전지들의 스택은, SOEC 시스템이 시동, 정지 중인 경우, 또는 SOEC 시스템이 수소를 생산하지 않는 경우, 수용하도록 구성되는, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템의 작동 방법.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 수소 및 증기 배기의 재순환된 부분은: 증기를 포함하고 수소를 포함하지 않는, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC) 시스템의 작동 방법.




KR1020220152286A 2021-11-15 2022-11-15 스팀 재순환 및 캐소드 배출물 냉각기를 포함하는 전기화학 전지 시스템 KR20230071089A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202163279381P 2021-11-15 2021-11-15
US63/279,381 2021-11-15

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230071089A true KR20230071089A (ko) 2023-05-23

Family

ID=84358258

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220152286A KR20230071089A (ko) 2021-11-15 2022-11-15 스팀 재순환 및 캐소드 배출물 냉각기를 포함하는 전기화학 전지 시스템

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20230183874A1 (ko)
EP (1) EP4186996A1 (ko)
JP (1) JP2023073236A (ko)
KR (1) KR20230071089A (ko)
CA (1) CA3182094A1 (ko)
TW (1) TW202332108A (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW202405245A (zh) * 2022-01-07 2024-02-01 美商博隆能源股份有限公司 蒸汽用途及安全系統
EP4212648A1 (en) * 2022-01-14 2023-07-19 Bloom Energy Corporation Steam recycle control
TW202340535A (zh) * 2022-01-14 2023-10-16 美商博隆能源股份有限公司 固體氧化物電解器之控制

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020197120A1 (ko) * 2019-03-25 2020-10-01 한국기계연구원 양방향 수전해 시스템 및 이의 동작방법
CN113278992B (zh) * 2021-07-23 2021-09-17 北京思伟特新能源科技有限公司 一种水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统及其工作方法

Also Published As

Publication number Publication date
CA3182094A1 (en) 2023-05-15
EP4186996A1 (en) 2023-05-31
US20230183874A1 (en) 2023-06-15
TW202332108A (zh) 2023-08-01
JP2023073236A (ja) 2023-05-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7170630B2 (ja) 電解槽と結合された水素化物タンクを含む水の高温可逆電解用システム
US7306871B2 (en) Hybrid power generating system combining a fuel cell and a gas turbine
Lanzini et al. Experimental investigation of direct internal reforming of biogas in solid oxide fuel cells
KR20230071089A (ko) 스팀 재순환 및 캐소드 배출물 냉각기를 포함하는 전기화학 전지 시스템
US7846599B2 (en) Method for high temperature fuel cell system start up and shutdown
Saebea et al. Cycle analysis of solid oxide fuel cell-gas turbine hybrid systems integrated ethanol steam reformer: Energy management
Liu et al. Thermodynamic modeling and exergy analysis of proton exchange membrane fuel cell power system
JP2018504744A (ja) 高効率溶融炭酸塩形燃料電池システム及び方法
Torii et al. Anode gas recirculation for improving the performance and cost of a 5-kW solid oxide fuel cell system
US7674538B2 (en) Apparatus and method for high efficiency operation of a high temperature fuel cell system
US10714783B2 (en) Integrated fuel cell systems
Araki et al. Cycle analysis of low and high H2 utilization SOFC/gas turbine combined cycle for CO2 recovery
US20080318091A1 (en) Method and system of operating a high-temperature fuel cell
Nakajima et al. Development of highly-efficient SOFC system using anode off-gas regeneration technique
Monanteras et al. Towards synthesis optimization of a fuel-cell based plant
US20070122677A1 (en) Fuel cell system
Orhan et al. Design and optimization of fuel cells: A case study on polymer electrolyte membrane fuel cell power systems for portable applications
US20110129746A1 (en) Thermal management system for high-temperature fuel cell
JP2024513317A (ja) ガス燃料を製造するための方法
CN118054036A (zh) 包括蒸汽再循环和阴极排气冷却器的电化学电池系统
CN112164817A (zh) 一种固体氧化物燃料电池发电系统
US8216735B2 (en) Thermal management system for high-temperature fuel cell
JP2001076750A (ja) 高温燃料電池設備
JP2004247247A (ja) 固体酸化物形燃料電池システム
EP4084163A1 (en) Fuel cell system and method for operating the same