KR20230095061A - 기체 스트림 중 수소/산소 제거 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스 스트림에서 수소/산소 기체를 제거하기 위한 컴바이너가 제공되며, 상기 컴바이너는: 가스 스트림의 흐름을 수용할 수 있는 파이프를 포함하되, 상기 파이프는 상기 가스 스트림을 촉매 활성 구조체(CAS)로 전달하도록 구성되고, 여기에서 상기 CAS는: 실질적으로 대부분의 가스 스트림과의 접촉부, 하우징 및 유입구를 가지며, 상기 유입구는 재결합 후의 가스 스트림의 제거를 위해 상기 파이프 및 상기 유출구에 연결되고, 제2 파이프는 상기 컴바이너로부터 멀리 상기 가스 스트림을 전송하도록 상기 CAS의 유출구에 연결된다. 본 발명의 제2 구현예는 전기화학 전지 내에 직접적으로 보유된 CAS를 제시한다.
Description
본 발명은 적어도 일부 산소를 포함하는 기체 스트림에서 수소를 제거하기 위한 수단 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 전해조로부터의 산출물을 함유하는 산소에 사용하기 위한 것이지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
수소는 에너지 저장에서 비료 생산에 이르기까지 다양한 응용 용도를 갖는다. 수소는 종종 색상으로 부여되는 많은 소스로부터 유래될 수 있다. 그레이(gray) 수소는 천연 가스 또는 석유와 같은 화석 연료로부터 유래된다. 블루(blue) 수소는 탄소 포집 기술을 사용하여 그레이와 유사한 방식으로 유래된다. 그린(green) 수소는 탄소 배출없이 얻어지며 종종 재생 가능 에너지 및 전해조를 사용하여 수득된다. 이러한 소스 중 일부인 블루 및 그레이는 명백한 이유로 바람직하지 않다. 따라서, 신뢰할 수 있고 지속 가능한 방식으로 수소를 생산할 수 있는 방법이 필요하다.
전해조는 물을 전기화학적으로 분해하여 수소와 산소를 생성하는 데 사용되는 장치이다. 전해조는 일반적으로 현재 사용 가능한 세 가지 주요 기술, 즉 음이온 교환 멤브레인(AEM), 양성자 교환 멤브레인(PEM) 및 액체 알칼리 시스템 중 하나에 속한다. 액체 알칼리 시스템은 한 세기가 훨씬 넘게 알려진 가장 확립 된 기술이다. PEM 시스템 또한 수십 년 동안 상업적으로 이용 가능했다. AEM 전해조는 비교적 새로운 기술이다. 고체 산화물 전기 분해와 같은 다른 기술이 사용될 수 있다.
특히 AEM 시스템에서, 압력 하에서 수소를 생성하기 위해 전해조를 작동하는 것이 가능하다. 압력 하에서의 작동하면 잠재적인 수소 크로스오버가 발생한다. 산소를 포함하는 스트림 중 수소의 존재는 점화원이 발생하거나 존재하는 경우 특히 중요하다.
현재, 수소 레벨이 잠재적으로 위험한 한계를 초과할 가능성을 줄이기 위해 유출구에서 적절한 환기를 보장하는 것과 같은 다양한 방법으로 위험을 완화시키고 있다. 다른 옵션에는 사용할 압축 시스템에 보다 많은 요건을 부여하는 더 낮은 캐소드 압력에서의 작동, 또는 보다 두꺼운 멤브레인이 포함된다. 이러한 파라미터의 변경은 전해조 또는 전반적인 시스템의 효율성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
PEM 전해조에서는 멤브레인 전체에 산재된 재결합을 수행하는 것이 제안된 바 있다. 이는 전체 효율을 감소시킬 수 있으며, 모든 전기화학 장치에 적합하지 않다. 문헌에 개시된 바와 같은 이러한 접근법은 애노드 전위 및 더 높은 pH로 인해 AEM을 이용하는 전기화학 장치에 사용하기에 적합하지 않다. 따라서 AEM 전기화학 장치에 대한 새로운 접근 방식이 필요한 것으로 확인된다.
수소와 산소는 다양한 상황에서 혼합될 수 있다. 산소 중 수소의 혼합물은 4% 내지 75%(부피) 범위에서 가연성이기 때문에 문제가 될 수 있다. 이러한 혼합물은 산소 중 18.3% 내지 59%(부피) 수소 사이에서 폭발할 수 있다. 본원에 기술된 본 발명은 위험한 임계값에 도달할 수 있는 혼합물의 안전을 보장하기 위해 임의의 이러한 상황에 적용될 수 있다.
본 발명의 목적은 적어도 일부 산소를 포함하는 기체 스트림에서 수소를 제거하기 위한 개선된 수단 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 사용 중, 주로 산소를 포함하는 주 가스 스트림에서 수소 오염물질을 제거하거나 또는 그 반대를 제거하기 위한 컴바이너(combiner) 장치가 제공되며, 상기 컴바이너 장치는:
유입구 및 유출구를 갖는 하우징을 포함하는 촉매 활성 구조체(CAS);
및 상기 주 가스 스트림이 상기 유입구로부터 상기 유출구로 유동하도록, 상기 주 가스 스트림을 상기 하우징 내로 이송하기 위해 상기 유입구에 커플링되는 제1 파이프, 및 상기 주 가스 스트림을 상기 하우징 바깥으로 이송하기 위한 배기관을 포함하되;
상기 CAS는 물을 형성하기 위해 수소 및 산소를 결합시키도록 작동가능한 촉매 물질을 포함하거나 함유하는 구조 요소를 추가로 포함하고, 상기 구조 요소는, 상기 하우징 내에서, 상기 유입구와 상기 유출구 사이의 일부 경로에 위치되고, 그 단면의 실질적인 대부분을 가로질러 연장되어, 사용 중, 상기 주 가스 스트림이 그를 통해 유동하도록 한다.
본원에서 사용되는 용어, "파이프"는 구리, 스테인리스강, 폴리머/플라스틱, 및 알루미늄과 같은 다양한 재료로 제조된 배관을 포함하는 파이프류를 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다. 파이프 또는 배관은 가스 또는 유체의 전달을 위한 모든 수단을 포괄하는 것으로 의도된다.
본원에서 사용되는 용어, "가스 스트림" 및 "기체 스트림"은 적어도 수소 및 산소를 포함하는 임의의 기체 스트림을 포함하는 것으로 사용된다. 대안적으로, 용어 "유체"가 사용될 수 있다. 스트림의 특성에 따라, 다른 잠재적인 오염물질은 해당 제거를 위한 다른 적절한 수단으로 해결해야 한다. 기체 스트림은 기체 및 또는 가스와의 임의의 조합의 액체를 포함할 수 있다. 바람직한 용도에서, 물이 가장 대표적이다.
본원에서 사용되는 용어, "유입구" 및 "유출구"는 하우징으로 또는 하우징으로부터 파이프와 같은 보다 전통적인 유입구/유출구를 포함하여 사용된다. 또한, 이 용어는 시스템의 해당 섹션으로부터 유체가 진입하거나 출발하는 장소 또는 수단을 포함하여 사용된다.
본원에서 사용되는 용어 "촉매 활성 구조체"(CAS)는 촉매의 존재에 의해 촉매적으로 활성화가 되는 임의의 표면 또는 구조체를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 이러한 표면에는 멤브레인, 천, 구조물 또는 등가물이 포함된다. 바람직한 구현예는 촉매 층 반응기, 촉매 변환기, 촉매 버너 또는 다른 것들이다.
본원에 사용되는 바와 같이, 수소/산소에 대한 언급은 컴바이너의 응용에 따르는 산소 또는 수소의 존재를 포함하는 데 사용된다. 바람직한 용도에서 전해조와 함께 사용되는 컴바이너는 애노드로부터 주로 산소 스트림으로부터의 수소를 제거하거나, 캐소드로부터 주로 수소 스트림에서의 임의의 잠재적인 산소를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 대체적으로 기체 스트림의 소수(minority) 성분이 제거된다.
본원에서 사용되는 용어, "연소"는 수소 및 산소의 재조합을 포함하지나 이에 제한되지는 않는다. 연소는 재조합과 같은 다른 용어와 상호교환적으로 사용된다. 대체적으로, 바람직한 응용예에서 언급되는 것은 수소의 제거이며, 이는 산소에 비해 소수로 존재하는 수소일 것이다.
본원에서 사용되는 용어, "데미스터(demister)" 및 "데미스터 패드"는 상호교환적으로 사용된다. 패드의 사용은 데미스터의 형상을 반드시 제한하기 위한 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 구현예에서, CAS는 본원에서 기술되는 바와 같은 유입구 및 유출구 파이프를 통해서만 접근할 수 있는 실질적으로 폐쇄된 하우징 내에 수용된다. 주변 공기, 또는 다른 유체는 하우징에 침투할 수 있도록 의도되지 않는다.
본 발명은 수소 및 산소 둘 모두를 포함하는 기체 스트림에 대해 작동하도록 의도된다. 바람직하게는, 산소 또는 수소 중 하나는 기체 스트림의 주 성분이다. 보다 더 바람직하게는, 오염물질(또는 "소수") 가스는 기체 스트림의 0.1% 내지 50%, 보다 더 바람직하게는 0.1% 내지 20%, 및 더욱 더 바람직하게는 0.1% 내지 10%를 차지한다. 정상 작동 중, 이는 0.01% 내지 5%로 고려된다. 예시적인 조성물은 90% 산소 및 10% 수소, 99.9 % 산소 및 0.1 % 수소, 그 반대 및 그 사이의 모든 범위를 포함한다. 오염물질 가스의 완전한 제거의 경우, 수소 및 산소만을 가정하면, 조성물은 반응의 화학양론에 의해 제한된다. 일부 경우, 오염물질 가스는 50% 이상일 수 있지만, 이러한 시나리오는 바람직하지 않다.
본 발명은 촉매와 같은 다양한 성분에 의해 다양한 온도에서 작동하도록 적용될 수 있다. 바람직한 구현예에서, 온도는 실온(20℃) 이상 및 120℃ 미만이다. 보다 더 바람직하게는, 60℃ 내지 110℃이다. 더욱 더 바람직하게는, 온도는 대략 90℃를 중심으로 하는 70℃ 내지 100℃이다. CAS의 온도는 반응의 발열 특성, 선택적 절연 및 주변 온도의 변화로 인해 더 높아질 수 있다는 점에 주목해야 한다. 이러한 측정은 작동 오류를 나타내는 데 사용될 수 있다.
일부 구현예에서, CAS가 가스를 재결합시키기 위해 존재하는 데 요구되는 오염물질 가스의 최소 레벨이 있을 수 있다. 바람직한 구현예에서는 재결합이 일어나기 위한 필요한 양의 가스의 제공을 위한 수단이 제공된다. 이러한 수단은 가스의 재순환, 또는 컴바이너 이전의 저장소의 사용, 또는 이들의 조합을 포함한다.
일 구현예에서, 컴바이너의 하류의 기체 스트림은 재순환될 수 있다. 재순환은 자동으로 이루어지거나, 상승된 수소/산소가 존재하는 경우 재활용을 활성화하는 하류 수소/산소 센서에 의해 제어 될 수 있다. 온도 또는 습도 센서와 같은 다른 센서가 수소/산소 센서의 대안으로서 채택되고 보정될 수 있다.
수소는 오염물질 가스인 대안적인 구현예서, 오염물질 가스를 흡착하도록 적용된 금속 수소화물 또는 다른 물질이 CAS에 또는 그 앞, 컴바이너의 상류에 존재하는 것을 고려할 수 있다. 수소가 금속 수소화물에 흡착됨에 따라, 이는 수소화물이 최대 흡착이 될 때까지 오염물질 방출이 완화된다. 수소화물의 열 사이클링 또는 압력 사이클링에 의해 수소가 방출될 수 있다. 이러한 사이클링은 가동 시간에 기초하고, 사전에 결정된 간격으로 수행되거나, 흡착된 수소를 방출하는 방법을 촉발하도록 컴바이너의 하류에서의 전술한 바와 같은 센서를 이용할 수 있다.
수소 저장소로서 금속 수소화물을 이용하는 구현예에서 압력 감소는 흡착된 수소의 방출을 촉발한다. 열 조절을 갖는 구현예의 경우, 온도 증가는 흡착된 수소의 방출을 촉발한다.
수소와 산소의 재결합 생성물은 물이다. 과량의 물은 CAS에서 넘칠 수 있다. 반응의 발열 특성은 온도를 상승시켜 과도한 물을 증발시키기 때문에 이를 완화한다. 본 발명의 일 구현예에서, 사전에 결정된 주기 또는 사용된 센서의 임계값을 기반으로 하는, 전술한 간헐적 재결합을 사용하여 물 관리에 도움을 제공할 수 있다. 간헐적 재결합은 생성된 물이 증발 또는 다른 수단을 통해 CAS로부터 제거될 수 있게 하는 동시에, 산출물의 안전한 구성을 보장한다.
반대로, 해당 응용 분야의 오염물질 가스가 무엇인지에 따라 산소를 위한 저장소가 제공될 수 있다.
수소 저장소 또는 산소 저장소가 사용되는지의 여부에 관계없이 저장소는 CAS 또는 별개의 구성 요소와 커플링될 수 있다. 추가적으로, 저장소는 상기 컴바이너 내에 또는 상기 컴바이너의 상류에 수용될 수 있다. 또 다른 구현예에서 저장소는 컴바이너의 하류에 있을 수 있으며, 흡착된 가스의 방출이 촉발될 때 가스를 재활용하는 수단이 제공된다.
일부 구현예에서 제거 및 검출은 컴바이너에 의해 동시에 달성된다. 적절한 경우, 가스의 제거에 대한 언급은 또한, 검출을 위한 수단이 제공되는 구현예에 대한, 상기 가스의 검출에 대한 언급을 포함한다.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 기체 스트림의 전체는 CAS와 접촉하도록 라우팅된다. 이는 CAS가 도면에 도시된 바와 같이 가스 혼합물이 통과하는 경로의 단면의 전부는 아니더라도 실질적인 대부분을 교차하도록 함으로써 달성될 수 있다.
바람직한 구현예에서, 컴바이너는 전기화학 장치, 보다 바람직하게는 전기분해기, 및 보다 더 바람직하게는 AEM 전해조와 조합하여 사용된다. 이러한 전기화학 장치는 종종 물 탱크 또는, 이와 동등한 것을 사용한다. 이러한 물 탱크는 일반적으로 가스 제거를 위한 유출구를 갖는다. 기체 흐름은 일반적으로, 수소와 물을 미량 오염 물질로 포함하는 산소이다.
데미스터는 전술한 응용에서 물 탱크 상에 배치될 수 있을 것으로 고려된다. 본원에 청구된 컴바이너는 데미스터와 직렬로 사용될 수 있으며, 촉매의 성질에 따라 앞 또는 뒤에 배치될 수 있는 것으로 고려된다. 대안적으로, 컴바이너는 데미스터 하우징에 통합되거나, 데미스터 패드 자체와 조합될 수 있다.
일 구현예에서, 리컴바이너/CAS에 커플링된 데미스터는 화염방지기 및 데미스터로서 이중으로 기능할 수 있다. 시동 및 중지 시 발생할 수 있는 제한된 저유량 조건에서 재결합하면 폭발로 완전히 발전할 수 있는 약한 폭연의 가능성이 존재하므로, 최소한 리컴바이너의 유입구에는 화염 방지기가 필요하다. 또한 물을 데미스트/응결시키고 CAS/반응기 챔버로의 직접적인 물 유입을 방지하도록, 화염 방지기는 미세 다공성 소결 물질인 것이 바람직하다. 이러한 일 구현에는 시동 및 중지 시 안전 및 시스템 복원력 모두를 위해 CAS 챔버의 유입구에 부착되는 소결 금속 유착 필터를 가질 것이다.
재조합 장치는 데미스터와 커플링될 수 있는 것으로 사료되며, CAS는: 데미스터 패드의 상류; 데미스터 패드의 하류에 있거나; 데미스터 패드와 결합된다. 또한 데미스터 패드가 CAS의 측면에 있을 수 있으며, 이는 데미스터 패드가 CAS의 상하류 모두에 존재한다는 것을 의미한다.
이들 구현예는, 다른 구현예로서, 데미스터 패드가 화염 방지기로서 이중으로 작용하는 것을 제시하며, 이러한 이중 작용 데미스터/화염 방지기의 구성은 이하에서 추가로 설명된다.
또 다른 안전 고려 사항은 금속 하우징/커넥터를 거치는 물 포화 가스 흐름에서 발생할 수 있는 정전기 방전 이벤트에 대한 구성 요소 복원력을 추가하는 것을 포함한다. 이러한 문제를 회피하기 위해, 중합체성 코팅이 CAS를 포함하는 반응기 챔버의 임의의 또는 모든 내부의 금속 표면에 도포될 수 있다는 것을 또한 고려한다. 이는 부적절한 접지 또는 접지 오류로 인해 구성 요소가 충전되는 경우에도 반응기 챔버 자체 내에서 방전이 발생하지 않는 것을 보장한다.
임의의 코팅은 소수성 또는 친수성일 수 있는 것으로 고려되지만, 바람직한 구현예에서의 중합체성 코팅 또는 이의 등가물은 친수성이다. 금속 기판 상에 절연 배킹/프라이밍 층을 갖는 다수의 코팅층, 및 프라이밍 층 상에 증착된 후속 전도성 및/또는 친수성 코팅 - 정전기 방지 층으로서 기능하는 친수성 및/또는 전도성 층을 포함하는 다른 구현예가 고려된다. 상기 코팅은 CAS, 장치의 나머지 부분, 또는 둘 모두에 도포될 수 있다.
다른 응용예에서, 컴바이너는 수소 유출구에 존재하는 임의의 산소의 제거를 위해, 존재하거나 재조합에 의해 생성된 임의의 물의 제거를 위해 사용되는 건조기와 함께, 캐소드 유출구 상에 위치될 수 있다.
많은 구현예에서는 주로 산소 스트림으로부터 수소를 제거되는 것을 고려하지만, 반대로 본 발명에 따른 컴바이너는 주로 수소 스트림으로부터 산소를 제거하는 데 사용될 수 있다. 다른 구현예에서와 같이, 건조를 위한 수단은 재결합에 의해 생성된 물을 처리하도록 건조기의 하류에 제공될 수 있다.
CAS가 임의의 적합하게 촉매적으로 활성인 표면일 수 있는 것으로 고려되지만, 바람직한 구현예에서 CAS는 촉매 버너이다. CAS는 구조적 골격, 또는 중합체 필름, 또는 다른 적합한 구조체로서의 금속 발포체를 가질 수 있다. CAS는 또한 하우징의 구조체 및/또는 벽부의 중합체 코팅에 존재할 수 있다. 이러한 구현예는 산화 알루미늄 구조물 상에 지지된 PTFE 코팅 백금, 또는 이의 적절한 대안일 수 있다.
CAS는 주변 공기 또는 다른 가스의 유입없이 작동할 것으로 고려된다. 일부 구현예에서, 주변 공기를 도입하는 것이 바람직하다. 이는 완전한 재조합을 보장하는 데 도움이 될 수 있다. 주변 공기는 이미 처리된 기체 스트림의 희석을 위해 하류로 유입될 수 있다.
재조합을 위해 다양한 촉매가 CAS에 사용될 수 있을 것으로 고려된다. 백금과 팔라듐 둘 모두, 및 이의 합금이 적절할 것으로 이해된다. 이러한 촉매의 예는 Pd/Al2O3 및 PtCo 합금을 포함한다.
바람직한 구현예에서, PGM 유리 촉매가 금속 합금, 세라믹, 칼코게나이드, 프닉토게나이드, 유기 금속, 다른 금속 착물 등(이에 한정되지 않음)과 같이 사용된다. 일부 예는 Ni 합금을 포함한다. 수소 산화 반응을 위한 임의의 양호한 촉매, 예컨대 NiLa가 사용될 수 있다.
사용되는 촉매에 관계없이, 반응은 다음과 같다:
2H2 + O2 → 2H2O
이 반응은 기체 스트림 중 수소 또는 산소가 제거되는지의 여부에 관계없이 동일하다. 반응은 두 반응물이 고갈될 때까지 발생한다.
데미스터 또는 다른 건조 수단에 대한 컴바이너의 위치 선정은 촉매의 성질 및 선호도에 의존한다. 물은 전술한 바와 같은 반응에서 생성된다. 일부 촉매는 습한 조건에서 보다 잘 작동하는 친수성이다. 한편, 일부는 소수성이며, 보다 건조한 조건을 선호한다. 또한, 지지체 자체는 친수성 또는 소수성일 수 있다. 물이 생성됨에 따라 소수성 특성이 선호되는 것으로 고려된다. CAS는 촉매의 선호되는 특성에 따라 건조기 또는 데미스터 이전 또는 후에 위치될 수 있다. 액체 상태의 물의 존재는 플러딩(flooding)라고도 알려진 과잉 생성물의 존재로 인해 반응 속도를 억제할 수 있으므로, 이러한 물을 흡수하는 수단 또는 전술한 물의 증발을 위한 가열과 같은 수단, 또는 화학적 전처리와 같은, (생성/초과) 물의 제거를 위한 수단을 제공하는 것이 바람직하다.
바람직한 구현예에서, CAS 및 데미스터는 하우징을 공유하도록 적용되고, CAS는 데미스터 패드 위 또는 아래에 배치되거나, 전술한 데미스터 패드 내에 결합된다. 전술한 하우징 내의 이러한 2개의 층을 분리하기 위해 간격을 부여하는 수단이 제공될 수 있거나, CAS와 데미스터 패드는 접촉할 수 있다. 대안적으로, 전술한 바와 같이 데미스터 패드와 CAS는 결합될 수 있다. 이러한 결합은 전술한 바와 같이 별개의 화염 방지기를 필요로 할 수 있다. 수소 저장을 위해 수소화물을 이용하는 구현예에서, 수소화물은 또한 데미스터 상에 또는 그 안에 수용될 수 있다.
CAS를 형성하기 위해 다양한 지지체가 전술한 촉매에 한정되지 않는 임의의 촉매와 함께 사용될 수 있을 것으로 고려된다. 바람직하게는, 지지체는 다음을 가져야 한다: 기계적 안정성; 열 안정성; 높은 표면적; 및 방수 및 내식성 특성. 이러한 지지체의 예는, 카본 블랙, 세라믹과 같은 금속 산화물, 중합체 필름, Ni 발포체와 같은 금속 발포체, 및 제올라이트/제올라이트계 구조체, 또는 금속-유기 프레임워크를 포함한다. 적합할 수 있는 금속 산화물의 예는, Pd/SnO2 또는 Pd/TiO2를 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 추가적으로, 전술한 조합이 사용될 수 있을 것으로 고려된다.
코어-쉘 모델은 기판 및 촉매 중 어느 하나 또는 둘 모두에 적용될 수 있다. 기판에 대해 행해지는 경우, 하나의 예는, CeO2의 쉘을 갖는 코어로서의 Al2O3으로서, 쉘은 다음의 조합에 대해 선택된다: 열 안정성, 보수성 특성, 내식성 및 내수성, 및 기판의 수명과 관련된 다른 특성. 촉매와 관련하여, 코어 쉘 구성은 PGM 로딩, 또는 비-PGM 구현예를 위한 다른 촉매를 감소시킨다. 예를 들어, Pt의 쉘을 갖는 Co 코어가 가능하다.
또한, 본 발명의 구현예에서, 수소의 제거를 위한 수단은 수소 및 산소의 존재를 검출하기 위한 수단을 포함하도록 추가로 적용된다. 이는 CAS의 온도를 경험적 분석에 의해 달성된 예상 온도와 상관시킴으로써 달성될 수 있다. 수소와 산소의 재결합 및 수소화물 형성은 모두 발열 반응이다. 또한, 본 발명은 수소 또는 산소 센서뿐만 아니라 리컴바이너로도 추가로 적용될 수 있을 것으로 고려된다. 열전대, 또는 다른 온도 감지 수단이 CAS의 온도를 측정하는 데 사용될 수 있다. 온도는 존재하는 오염물질 가스의 비율과 상관될 수 있다. 유량 또한 고려되어야 하며, 이에 더하여 수소화물을 이용하는 구현예 또한 상관관계에서 이를 설명해야 한다. 온도를 측정함으로써, 존재하는 가스의 비율을 결정할 수 있다. 이러한 정보는 누출 또는 잠재적 위험을 알리는 데 사용될 수 있으며 장치의 제어 시스템에서 사용될 수 있다.
안전성, 방출물 중 오염물질 가스 함량의 최소 임계값, 및 반응기 플러딩 가능성 감소를 유지해야 하는 한, CAS 반응기 온도를 제어/조절하는 수단이 필요하다. 따라서, 일부 구현예에서, 열 센서/열전대, 가열을 위한 수단, 및 PID 컨트롤러는 반응의 효율을 보장하기 위해 반응기의 작동 온도를 사전에 결정된 설정점으로 조절하는 방식으로 이용된다. 또한, 주어진 정상 상태 온도에 대해, 전술한 PID 컨트롤러에서 사용되는 히터 출력 데이터로부터 반응 속도 및 따라서 유출물 오염물질 가스 스트림의 함량을 추론할 수 있다. 온도 센서 제어 히터의 추가는 다양한 조성의 위상에서 리컴바이너의 시동 및 정지를 허용하며, 작동 온도는 자체 유지 온도를 보장하도록 기체 흐름 없이 지속될 수 있다. 또한, 히터는 CAS에 대한 활성화 위치의 플러딩을 완화시킨다.
대안적으로, 습도 또는 물 센서가 사용될 수 있으며, 여기에서 물의 양은 존재하는 수소 대 물의 비율에 비례하고/표시된다. 질량 또한 측정될 수 있으며, 존재하는 가스의 비율을 계산하기 위해 질량 측정이 수행된다. 또한, 이를 일정한 시간 간격으로 수행할 수 있도록 컴퓨팅 수단이 사용될 수 있다. 사용될 수 있는 다른 센서는 열 전도도 센서이다.
컴바이너는 실질적으로 대기압에서 사용될 것으로 고려되지만, 일부 구현예에서, 하우징은 1 bar, 10 bar, 또는 심지어 100 bar를 초과하는 상승된 압력을 처리하도록 적용될 수 있다. 실제로, 컴바이너는 압력에 의해 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 컴바이너 및 그 안의 CAS는 스트림을 처리하기에 적절한 크기여야 한다.
본 발명은 산소 및 수소 둘 모두가 기체 스트림 내의 성분일 수 있는 복수의 시나리오들에서 활용될 수 있을 것으로 고려된다. 이는, 수소 연소 엔진으로부터의 배기 가스와 같은 것을 포함하나, 이에 한정되는 않는다. 본 발명이 사용될 수 있는 다른 시나리오는 수소가 완전히 산화되지 않고, 안전 고려를 위해 수소가 제거되어야 하는 시나리오를 포함한다. 바람직한 구현예에서, 이들 수단은 전해조, 보다 바람직하게는 AEM 전해조와 조합하여 활용된다. 일부 전해조는 물 탱크, 또는 액체 탈기 탱크를 사용한다. 이러한 장치는 종종 기체 유출구를 갖는다. 본 발명의 바람직한 구현예에서, CAS는 이러한 기체 유출구와 연통되도록 배치될 것이다. 물 탱크의 기체 유출구는 다른 잘 정립된 응용 분야에서의 데미스터를 사용할 수 있다.
일부 구현예에서, 물을 제거하기 위한 배수 또는 다른 수단이 넘침을 방지하도록 CAS 근처 또는 이후에 제공될 수 있다. 액체의 제거만을 보장하도록 밸브 또는 다른 수단이 사용될 수 있으며, 물은 시스템에서 재사용하기 위해 탱크로 보내질 수 있는 것이 고려된다.
본 발명의 제2 구현예에 따르면, 전기화학 전지가 제공되며, 상기 전기화학 전지는:
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멤브레인 전극 어셈블리(MEA)를 포함하되, 상기 MEA는:
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애노드 층, 캐소드 층 및 그 사이에 위치하는 이온 교환 멤브레인;
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제1 압력에서 작동하도록 적용되는 애노드 구획,
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제2 압력에서 작동하도록 적용되는 캐소드 구획, 및
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전기 절연 촉매 활성 구조체(CAS)를 포함하고, 여기에서, 상기 CAS는:
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상대적으로 낮은 압력으로 상기 구획에 위치되고,
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사용 중, 상기 주 가스 스트림이 이를 통해 흐르도록, 상기 구획의 단면의 실질적인 대부분을 가로질러 연장된다.
본원에서 사용되는 전기화학 전지는, 전해조, 연료 전지 또는 전기화학 컴프레서를 포함하나, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 이러한 장치는, 전통적인 알칼리 또는 PEM일 수 있지만, 바람직하게는 이온 교환 멤브레인이다. 단일 전해 전지가 전해조로서 사용될 수 있거나, 또는 이러한 전해 전지의 스택이 전해조로서 사용될 수 있다. 연료 전지 및 전기화학 컴프레서 또한 마찬가지이다.
본원에 언급된 바와 같이, 전기화학 전지는 애노드 구획 및 캐소드 구획 둘 모두를 갖는다. 애노드 구획은 이온 교환 멤브레인에서 시작하여 애노드 촉매 및 전술한 구성 요소를 수용하는 구획을 향해 바깥쪽으로 연장된다. 반대로, 캐소드 구획은 전술한 이온 교환 멤브레인의 다른 면으로부터 바깥쪽으로 연장되어 캐소드를 수용하는 구획을 둘러싼다.
현재 설명된 구현예는 이온 교환 멤브레인(AEM) 또는 양성자 교환 멤브레인(PEM) 중 어느 하나에 적용될 것으로 고려되지만, 바람직한 구현예는 AEM 전기화학 장치이다. 보다 더 바람직한 것은 건식 캐소드로 작동하는 AEM 전해조라는 것이다. 보다 더 바람직하게는, 건식 캐소드 구현예는 애노드보다 더 높은 압력으로 캐소드를 고려한다. 제1 구현예에서 기술된 컴바이너는 또한 건식 캐소드로 작동하는 AEM 전해조의 애노드 하류 상에서 사용되는 것이 바람직하다. 건조 캐소드는, 임의의 압력, 바람직하게는 1 bar 내지 100 bar의 범위, 보다 바람직하게는 10 bar 내지 50 bar, 보다 더 바람직하게는 30 bar 내지 40 bar, 및 가장 바람직하게는 대략 35 bar일 수 있다. 8 bar의 상한으로 설정된 일본에서와 같이, 일부 관할권에서는 수소에 대한 작업의 경우 보다 낮은 상한을 요구한다.
반대로, 컴바이너는 전기화학 전지가 애노드에서 상승된 압력에서 작동하는 경우 캐소드에 있을 수 있다.
CAS는 MEA로부터 전기적으로 절연되어야 하지만, 바람직한 구현예에서, CAS는 그 내부에 수용되는 구획에 관계없이 전극에 여전히 가깝고 접한다. 다른 구성 요소로부터의 CAS의 전기 절연은 한쪽 또는 양쪽에 도포되는 이오노머 박막에 의해, 또는 2개의 초박막 멤브레인 사이에 CAS를 배치함으로써, 또는 이들의 조합에 의해 달성될 수 있다.
가스의 실질적인 대부분과 접촉하도록 하는 CAS에 대한 적용에 대해, CAS가 내부에 수용되는 하우징 또는 구획의 단면적의 전부는 아닐지라도 실질적인 대부분을 가로질러 확장되는 CAS인 것이 바람직하다.
이 구현예는, 특히 건조 캐소드로 작동하는 전해조에 대해, 캐소드 동역학뿐만 아니라 멤브레인이 충분히 수화되는 것을 보장한다는 이점을 갖는 것으로 밝혀졌다. 이러한 두 가지 예상치 못한 이점은 효율성을 개선하고 전해조에 또 다른 안전 층을 추가하는 데 도움이 된다. 또한, 모든 이점과 관련된 혼합 잠재력이 존재할 가능성을 감소시킨다. 본 장치의 적용은 PEM 전해조에서보다 AEM 기반 전기화학 장치에 보다 유리하다.
본 발명은 AEM 또는 PEM 중 어느 하나를 활용하는 가역성 연료 전지에 유용한 것으로 고려된다. 이러한 구현예에서, 애노드는 산소 발생 및 수소 산화 둘 모두에 대해 활성이고, 혼합 전위에 의해 악영향을 받을 것이다. 따라서, 이는 현재 기술된 발명의 이점이다.
바람직한 구현예에서, 캐소드 구획은 실질적으로 건조하고, 액체가 활성적으로 이에 도입되지 않는다. 이러한 전기화학 장치는 건식 캐소드로 작동하는 것으로 지칭된다. CAS는 건식 캐소드로 작동하는 전기화학 장치인 애노드 구획의 어느 곳에서나 사용될 수 있을 것으로 고려된다. 대안적으로, 컴바이너는 애노드 유출구의 하류 어디에나 배치될 수 있으며, 여기에서 수소는 주 산소 스트림에 존재할 수 있다. 수소는 크로스오버로 인해 존재하며, 크로스오버는 건식 캐소드로 작동하는 이점인, 상승된 압력에서 수소가 생성될 때 발생한다.
제2 구현예는, 제1 구현예에 대해 논의된 적용 가능한 변형 및 구현예 중 어느 하나 또는 모든 것, 예컨대 촉매, CAS, 및 존재하는 가스의 비율을 결정하기 위한 온도 센싱 수단 및 프로세싱을 포함할 수 있다.
CAS는 다양한 방법으로 제조될 수 있으며, 사용되는 지지체의 특성에 따라 달라진다. 대체적으로, 촉매 용액이 사용되며, 선택적으로 이오노머 용액이 인접하는 성분으로부터의 절연을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 촉매 용액은 지지체 상에 스프레이되고, 지지체는 전술한 바와 같은 임의의 적합한 구조체이며, 필요한 경우 선택적인 이오노머 용액이 도포된다. 방법론은 MEA의 제조로부터 공지되어 있으며 이는 스프레이, 페인팅, 슬롯 다이, 데칼 등을 포함한다.
재조합 촉매는 애노드 구획으로부터 이온 교환 멤브레인으로 이동할 때 농도가 증가하거나 감소하는 농도 구배를 가질 수 있는 것으로 고려된다. 대안적으로, CAS가 CAS 전체에 걸쳐 실질적으로 균일한 농도의 촉매를 가질 수 있는 것으로 고려된다. 촉매의 농도는 또한 CAS 내에서 변할 수 있다.
대체적으로 애노드 층 또는 MEA와 같은 다른 구성 요소로부터 CAS를 전기적으로 단리시키는 목적으로, 이오노머 층이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 이오노머 층은 초박막이다.
대안적인 구현예에서, CAS는, 하류 유출구를 통해 배출되기 전에 방출된 산소와 크로스오버 수소를 재조합하도록, 애노드 촉매 층과 결합되고, 여기에서 전술한 유출구는 선택적으로 데미스터를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 수소 및 산소를 포함하는 주 가스 스트림을 활용하는 시스템에서, 주로 산소를 포함하는 주 가스 스트림으로부터 오염물질 수소를 제거하기 위한 방법, 또는 그 반대로 제거하기 위한 방법이 제공되며, 방법은, 전술한 시스템에서, 실질적으로 전술한 주 가스 스트림이 유입구로부터 유출구로 하우징을 통해 유동하도록, 전술한 바와 같은 컴바이너 장치를 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명에서 활용되는 데미스터는 특정 바람직한 구조적 특성을 갖는다. 바람직하게는, 데미스터는 직경 100 마이크론 미만, 보다 바람직하게는 50 마이크론 미만, 보다 더욱 더 바람직하게는 1 내지 20 마이크론의 기공을 갖는 다공성 기판이다. 표면 처리된 기공은 서브마이크론 크기일 수 있다.
바람직한 구현예에서, 데미스터는 금속 발포체 또는 소결된 금속 기판일 것이며, 해당 재료는 임의의 잠재적인 알칼리성 증기에 사용될 수 있도록 선택되고(즉, 스테인리스강, Ni, 또는 그의 합금), 특히 Zn, Sn, Al, 및 이들의 합금과 같은 금속을 회피한다. 데미스터 기판은 또한 세라믹과 같은 금속이 없거나, 알루미나와 같은 소결된 세라믹 또는 탄소계일 수 있다.
기공의 분포는 협소한 범위 내에 있을 수 있고, 원하는 값, 즉 대략 5 마이크론의 분포에 가까운 크기로 실질적으로 균일할 수 있거나, 2개의 상이한 기공 크기(균질하게 또는 금속 멤브레인 필터 스킨 변형과 같은 구배를 통한 - 10 마이크론 벌크 및 1 마이크론 또는 서브마이크론 표면 필름)에 대해 선택하는 이중 모드일 수 있다. 하나 이상의 기공 크기 분포를 갖거나 이의 구배를 갖는 것은 수증기의 응축 및 액체 물을 더 작은 기공으로 끌어당기는 후속 모세관 작용을 허용할 것이다.
완전히 포화되면, 기하학적 구조에 따라, 다공성 매체는 중력 및 상 변화 유도 흐름을 통해 천천히 배출된다. 후자의 공정(PCI - 상 변화 유도 흐름)은 데미스터 구성이 CAS 하우징에 실질적으로 연결되는 경우 중요하다 - 재결합의 열로 인해 PCI는 지속적으로 차가운 쪽으로부터 유입되는 물의 응축을 허용하고 뜨거운 쪽에서 증발/배수를 허용한다. 데미스터의 주요 기능은 리컴바이너가 충분히 높은 정상 상태 온도(즉, 70 내지 90℃)에 도달하기 전 조기 물 유입을 방지하는 것이며, 여기서 도입되거나 생성된 물은 후속적으로 증발되어 CAS에서 배출된다.
데미스터는, 시스템 시동 시 상류 벤트 라인 응축수가 반응 챔버로 즉시 유입되는 것을 방지하는 동시에 생성된 폐열을 사용하여 데미스터가 완전히 흡수되지 않도록 CAS/리컴바이너의 유입구에 장착될 수 있다. CAS가 전해조/시스템 시동 중에 유입수에 도입된 것보다 더 많은 물을 생성하는 경우, 유출구의 데미스터는 적절한 정상 상태로 가열될 때까지 CAS에서 처음 생성된 액체 물을 흡수할 수 있다. 전해조 벤트 라인 응축수가 시스템에서 주요하고 가장 유해한 물 공급원으로 결정되면 상류에 있는 데미스터가 사용된다.
바람직하게는, 데미스터는 재조합 CAS의 상류에서, 플러딩을 방지하기 위해 CAS 전에서 과량의 물을 제거한다. 대안적인 구현예에서, 데미스터는 CAS의 하류에 있고, 리컴바이너에 의해 생성된 물을 수용한다. 또 다른 구현예는, CAS의 2개의 데미스터, 즉 하나의 상류 및 하나의 하류 데미스터를 활용한다.
바람직한 구현예에서, CAS는 (탈착식, 교체 가능한) 카트리지 스타일 하우징 내에 제공되는 것으로 고려되며, 전술한 카트리지는 촉매가 오염되거나 변성되거나 비효율적인 경우, 전체 구성 요소를 교체할 필요없이, CAS를 교체할 수 있도록 조정되어 유지 관리 비용과 가동 중지 시간을 감소시킨다.
또한 리컴바이너로부터의 폐열은 시스템의 다른 영역을 예열하기 위해 또는 시스템의 다른 부분에 대한 냉각 수단으로 작용하는 냉동 사이클의 일부로서 활용될 수 있을 것으로 고려된다.
본 발명의 이해를 돕기 위해, 이의 구체적인 구현예가 이제 예시로서 그리고 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 제1 구현예에 따른 컴바이너를 개략적으로 도시한다.
도 2는, 데미스터와 커플링된, 본 발명의 일 구현예에 따른 컴바이너를 개략적으로 도시한다.
도 3은, 본 발명의 제2 구현예에 따른 컴바이너를 개략적으로 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 각각의 대안적인 구현예를 개략적으로 도시한다.
도 5는, 재활용 루프를 활용하는, 본 발명의 일 구현예에 따른 컴바이너를 개략적으로 도시한다.
도 6은, 본 발명의 일 구현예에 따른 컴바이너를 개략적으로 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 컴바이너를 개략적으로 도시한다.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 제1 구현예에 따른 컴바이너를 개략적으로 도시한다.
도 2는, 데미스터와 커플링된, 본 발명의 일 구현예에 따른 컴바이너를 개략적으로 도시한다.
도 3은, 본 발명의 제2 구현예에 따른 컴바이너를 개략적으로 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 각각의 대안적인 구현예를 개략적으로 도시한다.
도 5는, 재활용 루프를 활용하는, 본 발명의 일 구현예에 따른 컴바이너를 개략적으로 도시한다.
도 6은, 본 발명의 일 구현예에 따른 컴바이너를 개략적으로 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 컴바이너를 개략적으로 도시한다.
도 1a를 참조하면, 하우징(3a), 유입구(1a)를 통해 정화될 가스를 도입하는 파이프(1)가 도시된다. 하우징(3a) 내에는 CAS(4)가 존재한다. CAS(4)에서, 재조합 반응이 일어남으로써, 주 산소 스트림 내의 수소 또는 주 수소 스트림의 산소를 제거한다. 정제된 가스는 유출구(2a)를 통해 파이프(2)로 흐를 수 있다. 가스의 유동을 야기하기 위한 수단은 본원에 미도시되지만, 이는 당업자에게 공지되어 있다.
도 1a에서 도시되는 구현예에서, 일부 오염물질 수소를 갖는 주로 산소를 포함하는 가스의 스트림은 CAS(4)와 접촉하는 유입구(1a)로 진입한다. CAS에서, 수소와 산소를 결합시켜 물을 형성하는 재결합이 발생한다. 전술한 물의 제거를 위한 수단은 도시되어 있지 않다. 또한 오염물질 수소의 농도 검출을 위한, 선택적 센서, 온도 및/또는 습도 또한 도시되지 않는다. 하나 이상의 온도 센서는 통상적으로 CAS에 커플링되는 반면, 하나 이상의 습도 센서는 통상적으로 CAS 직후(즉, 하류)에 위치한다.
도면의 도 1b에 예시된 구현예는 여러 양태에서 도 1a의 구현예와 유사하지만, 하우징(3b)의 기하학적 구조에 있어서 상이하다. 보다 대체적으로, 하우징의 기하학적 구조는 예를 들어, 유입구에서의 압력 및/또는 유출구에서의 원하는 압력을 포함하는, 시스템의 다양한 특성 및 파라미터에 의해 결정될 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 1b에 도시된 구현예는 대부분의 다른 양태에서 도 1a의 것과 유사하며, 이의 작동은 도 1a에 관하여 상술한 것과 유사한 방식으로 발생할 것이다.
도 2a는 물 탱크(6)와 조합된 본 발명의 구현예를 도시한다. 이러한 물 탱크는 통상적으로 전해조와 함께 사용된다. 통상적인 이러한 전해조 장치에서, 그리고 당업자에 의해 잘 이해될 수 있는 바와 같이, 전해질은 전해 스택으로부터 전해질이 재순환되는 물 탱크(6)로 유동한다. AEM 전해조 및 다른 유형을 사용하여, 물 탱크(6) 중 액체를 떠나는 용해된 가스는 산소 및 수소의 조합을 함유할 수 있다. 데미스터 하우징(3c)은 CAS(4) 및 데미스터 패드(5) 둘 모두를 수용한다. 가스는 유입구(7a)를 경유하여 물 탱크(6)로부터 하우징(3c)으로 진입한다. CAS(4)는 사용된 촉매가 소수성인지 친수성인지에 따라, 데미스터 패드(5)의 위 또는 아래(즉, 상류 또는 하류)일 수 있음을 나타내는 점선으로 각각 도시된다. 친수성 촉매는 건조 유출구가 필요한 경우, 재조합 후 추가 건조 수단(미도시)을 필요로 할 수 있다. 결합 후, 가스는 유출구(7b)를 통해 하우징(3c)을 떠난다.
데미스터는 리필링과 같은 유지 보수 빈도를 줄이도록 전해조 내의 액체 레벨을 유지하는 데 사용될 수 있다. 가스의 외부로의 유동과 관련되지 않은 물 탱크와의 연결부는 여기에 도시되지 않았으나, 이는 당업자에게 공지되어 있는 것이다.
도 2b에 예시된 구현예는 주위 공기가 제2 유입구(8)를 통해 CAS로 유입된다는 점에서 도 2a의 구현예와 상이하다. 팬은 주변 공기 또는 다른 가스의 도입을 위해 사용될 수 있다. 압력 하에서 작동하는 경우, 팬 대신 컴프레서를 사용하여 CAS(4)에 공기를 도입할 수 있다.
도 2a 및 도 2b 둘 모두이 장치에서, 용해된 기체, 주로 일부 수소를 갖는 산소를 함유하는 액체가, 바람직하게는 액체 탈기 탱크로서 구성되는 물 탱크(6)로 진입한다. 용해된 가스는 액체로부터 제거되고, 데미스터(3c)로 이동한다. 하우징(3C) 내에서, 데미스터 패드(5)는 액체 레벨을 유지할 수 있고, CAS(4)는 유출구(7b)로부터 안전한 가스 혼합물만이 배출되는 것을 보장한다.
도 2a 및 도 2b에서는 또한, 이들이 단일 구성 요소가 되도록 데미스터 및 CAS를 결합할 수 있다. 추가적으로, 장치는 도 7에 도시되는 바와 같이, 데미스터 이전 및/또는 후에 리컴바이너를 포함하도록 적용될 수 있으며, 이 구현예에서 데미스터는 CAS를 갖지 않는다. 도 2에서, 물은 도시되지 않는다.
도 2a 및 도 2b에서, 탱크(6) 내의 물은 탈기하고, 가스 및 수증기는 데미스터 패드(4)를 통과하기 전에 유입구(7a)를 통해 하우징(3c)으로 진입하고, 그 후 CAS(5)에 진입하거나, CAS(5) 다음의 데미스터 패드(4)를 통과하며, 이러한 순서는 구현예에 따른다. 또한, 데미스터와 CAS는 겹합될 수 있다. 데미스터에 의해 유합된 수증기는 유입구(7a)를 통해 물 탱크로 다시 흐른다. CAS 후에 데미스터가 있는 구현예의 경우, 플러딩을 방지하기 위해, 유합된 수증기(CAS를 우회함)를 탱크(6) 내로 다시 흐르게 하거나 배수할 수 있도록, 바이패스(미도시)가 제공될 수 있다. 하우징(3c)은 또한 CAS의 플러딩을 방지하도록 회전될 수 있다.
도면의 도 3을 참조하면, 하우징(3d)을 갖는, 전해 전지 형태의 본 발명의 구현예가 개략적으로 도시된다. 이 구현예에서, 물 또는 전해질은 유입구(13)를 통해, 전지의 애노드(9)로 진입한다. MEA(11)는 CAS(4)로부터 전기적으로 절연되는 것으로 도시되어 있다(12에서). 작동 중, 수소는 전지의 캐소드(10)에서 생성되고 유출구(15)를 통해 떠난다. 압력 하에서 작동할 경우, 수소는 캐소드(10)으로부터 애노드(9)로 크로스오버될 수 있으며, 따라서 수소 제거가 필요하게 된다. CAS(4)는 크로스오버 수소와 물의 전기 분해를 통해 생성된 산소를 결합하는 역할을 한다. 이어서, 비교적 순수한 산소 스트림은 유출구(14)를 통해 애노드(9)를 떠난다. 도 3에 도시된 전해 전지는 건조 캐소드로 작동하도록 구성된다.
도 4a는, 도 3과 유사하게, 건조 캐소드로 작동하도록 구성된 전해 전지를 도시한다. 이의 차이점은 MEA(11)에서 찾을 수 있다. 이 구현예에서, 이온 교환 멤브레인(15)은 CAS(4)와 밀접하게 접촉하고, 이오노머 층(16)(또는 박막 캐스팅 멤브레인)은 통상적으로 초박막이고, 여기에서 막은 통상적으로 중합체이며, 애노드층(17)으로부터 CAS(4)를 분리한다. 캐소드 층(18)은 이온 교환 멤브레인의 반대편에서 볼 수 있다. 도면의 도 4b에 예시된 구현예에서, 이오노머 층(16)은 CAS를 이온 교환 멤브레인으로부터 분리한다.
도면의 도 3, 도 4a 및 도 4b에 도시된 전해 전지는 다음과 같이 작동한다. 전해질은 유입구(13)를 통해 애노드 구획으로 진입한다. 전기분해는 캐소드 구획(10)에서 애노드 구획(9)보다 높은 압력으로 수소가 생성되면서 발생한다. 그 결과, 일부 수소는 애노드 구획(9)(여기에서 산소가 생성됨)으로 크로스오버될 수 있다. 산소와 수소의 이러한 혼합물은 애노드 구획에만 존재하거나 애노드 구획의 하류에 존재한다. 전술한 애노드 구획에 있는 CAS(4)는 산소와 수소의 재결합을 일으켜 물을 형성함으로써 소수 오염물질 가스를 제거한다.
도 5는, 하우징(3a)은 유입구(1a)를 통해 진입하는 파이프(1)를 갖고; CAS(4) 이후에(즉, 하류에), 파이프(2)를 향하는 유출구(2a)가 있는, 도 1a에 도시된 것과 많은 양태에서 유사한 본 발명의 구현예를 도시한다. 이 경우. 파이프(2)로부터 분기하여, 밸브(21)로의 공급부(20a)를 포함하는 재생 루프가 존재하며, 여기에서 재활용 루프는 파이프(20b)를 통해 하우징으로 진입한다. 대안적으로, 재활용 루프는 CAS(4)의 더 먼 상류에 있을 수 있다. 다른 구현예가 당업자에 의해 고려될 수 있으며, 첨부된 청구항에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않으면서 설명된 구현예에 대한 수정 및 변형이 이루어질 수 있다. 밸브(21)에 대한 제어 수단은 도시되어 있지 않다. 또한, 전체 재활용이 발생하도록 하기 위한 파이프(2)의 BOP도 미도시된다.
도 6은 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명된 것과 유사한 본 발명의 대안적인 구현예를 도시하며, 여기에서는 수소 저장소(22)가 사용된다. 대체적으로, 수소 저장소는 일반적으로 금속 수소화물이며, 이에 대한 옵션 및 대안은 위에 개시되어 있다. 수소 저장소는, 본 구현예에서, CAS(4)의 전(즉, 상류)에 위치한다. 저장소(22)에서 예비 수소의 방출을 촉발하기 위한 수단은 도 6에 도시되어 있지 않지만, 위에 개시되어 있다.
도 5 및 도 6의 내용을 결합하는 구현예는, 저장소(22)가 하우징의 하류에 있지만 재활용이 공급부(20a)에서 시작되기 전에 있는 것을 가능하게 할 수 있다. 이렇게 하면 재결합되지 않은 오염물질이 배출되거나, 문제가 발생할 수 있는 더 낮은 하류로 전달되지 않게 할 수 있다.
구현예 중 어느 하나는, 오염물질 가스의 상이한 비율에서 예상되는 온도로 검출된 온도를 교정하기 위한 온도 감지 수단 및 컴퓨팅 수단의 도입에 의해, 단지 컴바이너가 아니라 검출기로서 작동하도록 적용될 수 있다. 이러한 수단은 본원에서 예시되지 않는다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 습도 센서 및 유사한 컴퓨팅 수단이 사용될 수 있다. 여기에서 중요한 것은, 다양한 유형의 센서가 존재하는 가스의 비율을 계산하는 것이 가능하도록 구성될 수 있으며, 본원에서 청구된 바와 같은 컴바이너와 조합하여 이러한 접근법을 활용하는 임의의 변형이 본 발명의 범위 내에서 고려되어야 한다는 것이다.
도 7a에 따르면, 본 발명에 따른 컴바이너가 도시되어 있다. 일부 산소 및 물/수증기를 갖는 주로 수소를 포함하는 전해조와 같은 장치로부터의 기체 스트림이 유입구(1)로 유입된다. 구조체(50)는 일체형이거나, 대안적인 구현예에서는, 결합된 화염 방지기/데미스터/소결된 금속 필터이다. 물/수증기는 물 유출구(19), 밸브 등을 통해 유합 및 배수되며, 여기에서 물이 배수구 또는 물 탱크 또는 다른 목적지로 가는 밸브는 미도시된다. 가스는 CAS(4)를 포함하는 하우징(3)에 진입한다. 하우징 내에서는 발열 재결합이 발생한다. 하우징에는 온도를 측정하기 위한 수단을 갖는 히터(30)가 부착되어 있다. 또한, CAS가 원하는 온도를 유지하도록 히터를 실행하기 위해 조정되는 옵션 PID 또는 다른 컨트롤러에 대한 연결은 미도시되며, 크로스오버/오염물질 레벨이 낮은 시동 및 중지 중의 가열은 리컴바이너의 양호한 작동을 보장한다. 온도가 너무 높아 과도한 오염물질 가스를 나타내는 경우 사용자에게 경고하도록 적용되는 추가 컴퓨팅 수단은 도시되지 않는다. CAS(4) 이후, 처리된 가스는 유출구(2)를 통해 리컴바이너를 떠난다. 또한, 구성 요소의 선택적 절연 및/또는 중합체 코팅은 미도시된다.
도 7b는 도 7a를 전반적으로 반영하지만, 여기에서의 유일한 차이점은 데미스터/화염 방지기가 CAS(4)의 하류에 있다는 것이다. CAS(4)의 상류 및 하류 모두에 데미스터/화염 방지기를 갖는 구현예는 도시되지 않는다. 유합된 물이 벤트 라인(2)을 빠져나가는 것이 가능할 수 있으므로, 도 7b의 물 유출구(19)는 선택적이다.
실용성의 이유로, 바람직하지 않으나, 전해 스택 또는 그 전지는 본 발명에 따른 도 7 또는 다른 것에 도시된 바와 같이, 데미스터 전 및/또는 후에 리컴바이너를 구비하는 것이 가능하다. 바람직한 구현예에서, 데미스터 및 리컴바이너는 전해질 및 오염물질을 갖는 생성된 가스가 이송되는 물 탱크 상에 위치한다.
도시된 구현예는 하류 가스에 대한 데미스터 패드가 CAS이거나, 수소 또는 산소 저장소의 추가, 또는 리사이클 루프와 같은 본 명세서에 기술된 임의의 특징부를 포함하도록 수정되거나 조합될 수 있다.
본 발명은 전술한 구현예의 세부사항에 대해 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 예를 들어, 사용된 언어 자체는 산소를 함유하는 스트림에서 수소를 제거하는 것을 의미한다. 그러나, 장치는 주로 수소 기반 스트림에서 산소를 제거하기 위해 사용하고 이를 위해 재보정될 수 있다.
본 발명은 전해조의 분야에 한정되는 것으로 의도되지 않는다. 실제로, 이는 모든 응용 분야에서 두 가스를 모두 포함하는 스트림에서 수소 또는 산소를 감지하고 제거하는 데 활용될 수 있다. 본 발명은 2개의 가스가 스트림 중에 존재하고, 재결합될 수 있는 다양한 용도에서 사용하도록 적용될 수 있을 것으로 고려된다. 이러한 반응이 발열 반응인 경우, 농도/비율은 동일한 방식으로 조정될 수 있다. 예를 들어, CO2 스크러버 와 같은 다른 오염물질을 제거하기 위한 다른 수단이 제공될 수 있다.
다른 오염물질이 존재할 수 있으며, 이러한 경우, 제거, 스크러빙 또는 검출의 다른 수단이 또한 제공될 수 있음에 유의한다.
본 발명은 촉매가 유지되는 지지체에 한정되는 것으로 반드시 의도되지 않는다.
전술한 CAS가 전기화학 전지 내에 있는 구현예의 경우, 전지 자체가 하우징으로서 해석되어야 한다.
본 발명은, 전기화학 전지 분야 내에서 청구된 구현예에서의 애노드 또는 캐소드 촉매의 위치에 의해 제한되는 것은 아니다.
구현예 중 어느 하나에서, CAS를 갖는 리컴바이너는, 장치 사이, 예컨대 전해조와 벤트 라인 사이에 배치되는 것으로 의도되지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
Claims (24)
- 사용 중, 주로 산소를 포함하는 주 가스 스트림에서 수소 오염물질을 제거하거나 또는 그 반대를 제거하기 위한 컴바이너(combiner) 장치로서, 상기 컴바이너 장치는:
유입구 및 유출구를 갖는 하우징을 포함하는 촉매 활성 구조체(CAS);
및 상기 주 가스 스트림이 상기 유입구로부터 상기 유출구로 유동하도록, 상기 주 가스 스트림을 상기 하우징 내로 이송하기 위해 상기 유입구에 커플링되는 제1 파이프, 및 상기 주 가스 스트림을 상기 하우징 바깥으로 이송하기 위한 배기관을 포함하되;
상기 CAS는 물을 형성하기 위해 수소 및 산소를 결합시키도록 작동가능한 촉매 물질을 포함하거나 함유하는 구조 요소를 추가로 포함하고, 상기 구조 요소는, 상기 하우징 내에서, 상기 유입구와 상기 유출구 사이의 일부 경로에 위치되고, 그 단면의 실질적인 대부분을 가로질러 연장되어, 사용 중, 상기 주 가스 스트림이 그를 통해 유동하도록 하는, 컴바이너 장치. - 제1항에 있어서, CAS는 주 가스 스트림의 오염물질 가스의 양이 사전에 결정된 양을 초과할 경우, 수소와 산소를 결합하여 물을 형성하도록 구성되며, 상기 장치는 CAS에 의해 상기 주 가스 스트림에서 수소와 산소의 결합이 발생하도록 주 가스 스트림 중 오염물질 가스의 양을 사전에 결정된 임계값 이상으로 증가시키기 위한 보충 수단을 추가로 포함하는, 컴바이너 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 보충 수단은:
· CAS의 하류로부터 다시 이의 상류로 주 가스 스트림을 재순환시키는 수단, 또는
· 오염물질 가스를 저장하는 저장소로서, 사전에 결정된 조건 하에서 상기 오염물질 가스를 방출하도록 적용되는, 저장소를 포함하는, 컴바이너 장치. - 제3항에 있어서, 저장소는 금속 수화물인, 컴바이너 장치.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 오염물질 가스를 주 가스와 동시에 재결합하여 물을 형성하고 상기 오염물질 가스의 존재를 검출하도록 구성되는, 컴바이너 장치.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 오염물질 가스를 검출하기 위해,
· 습도 센서,
· 온도 센서,
· 열 전도도 센서
중 하나 이상을 추가로 포함하는, 컴바이너 장치. - 제6항에 있어서, 하나 이상의 센서는 주 가스 스트림에 존재하는 오염물질 가스의 양을 결정하기 위한 컴퓨팅 수단에 커플링되는, 컴바이너 장치.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, CAS는:
· 데미스터 패드의 상류,
· 데미스터 패드의 하류에 있거나,
· 데미스터 패드화 결합되는, 컴바이너 장치. - 제8항에 있어서, 데미스터는 추가적으로 화염 방지기로서 작용하며, 바람직하게는 상기 데미스터는 유입구에 부착되는, 컴바이너 장치.
- 제8항 또는 제9항에 있어서, 데미스터는 미세다공성 물질, 바람직하게는: 발포체 또는 소결된 물질, 바람직하게는 발포체 또는 소결된 금속; 세라믹, 바람직하게는 소결된 세라믹; 또는 탄소계 물질 중 어느 하나인, 컴바이너 장치.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 생성된 액체의 제거 및 선택적인 재활용을 위한 수단을 추가로 포함하는, 컴바이너 장치.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 구조 요소는 카본 블랙, 세라믹을 포함하는 금속 산화물, 중합체 필름, 금속 발포체, 제올라이트 구조 또는 금속 유기 프레임워크의 백본을 포함하는, 컴바이너 장치.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 구조 요소는 주변 공기를 주 가스 스트림으로 도입하기 위한 수단을 추가로 포함하는, 컴바이너 장치.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매 물질은 백금, 팔라듐 또는 이들의 합금인, 컴바이너 장치.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매 물질은 금속 합금, 세라믹, 칼코게나이드, 피닉토게나이드, 유기금속, 또는 다른 금속 착물을 포함하는 비-PGM 물질인, 컴바이너 장치.
- 전기화학 전지로서:
· 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)로서, 상기 MEA는:
· 애노드 층, 캐소드 층 및 그 사이에 위치하는 이온 교환 멤브레인을 포함하는, MEA;
· 제1 압력에서 작동하도록 적용되는 애노드 구획,
· 제2 압력에서 작동하도록 적용되는 캐소드 구획, 및
· 전기 절연 촉매 활성 구조체(CAS)를 포함하고, 여기에서, 상기 CAS는:
· 상대적으로 낮은 압력으로 상기 구획에 위치되고,
· 사용 중, 상기 주 가스 스트림이 이를 통해 흐르도록, 상기 구획의 단면의 실질적인 대부분을 가로질러 연장되는, 전기화학 전지. - 제16항에 있어서, 전해조, AEM 또는 PEM, 연료 전지, 가역성 연료 전지 또는 전기화학 컴프레서 중 어느 하나를 포함하는, 전기화학 전지.
- 제16항 또는 제17항에 있어서, 건조 캐소드를 갖는 AEM 전해조를 포함하는, 전기화학 전지.
- 제18항에 있어서, 건조 캐소드를 갖는 AEM 전해조는 상승된 압력에서 상기 건조 캐소드로 작동하도록 구성되는, 전기화학 전지.
- 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, CAS는 한 면 또는 양면 상의 이오노머 박막 또는 초박막 또는 이들의 조합에 의해 전기화학 전지의 다른 구성 요소로부터 절연되는, 전기화학 전지.
- 수소 및 산소를 포함하는 주 가스 스트림을 활용하는 시스템에서, 주로 산소를 포함하는 주 가스 스트림으로부터 오염물질 수소를 제거하기 위한 방법, 또는 그 반대로 제거하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은, 상기 시스템에서, 상기 주 가스 스트림이 유입구로부터 유출구로 하우징을 통해 유동하도록, 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 컴바이너 장치를 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제21항에 따른 방법으로서, 상기 시스템은 전기화학 전지를 포함하는, 방법.
- 제21항 또는 제22항에 따른 방법으로서, 상기 주 가스 스트림은 0.4 내지 20%의 오염물질 가스를 포함하는, 방법.
- 제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 방법으로서, 작동 온도는 20 내지 100℃인, 방법.
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