KR20230107140A - 모듈형 전해조 시스템 - Google Patents

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KR20230107140A
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hydrogen
electrolyzer system
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다코 크리스찬
말러 제시카
주데이 사무엘
파커 로스
맥클린틱 코리
존슨 라이언
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블룸 에너지 코퍼레이션
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Abstract

모듈형 전해조 시스템은 복수의 발전기 모듈들 - 복수의 발전기 모듈들 각각은 핫박스를 포함함 -, 및 복수의 발전기 모듈들 각각에 수소를 공급하도록 구성된 가스 분배 모듈을 포함한다.

Description

모듈형 전해조 시스템{MODULAR ELECTROLYZER SYSTEM}
본 발명의 실시예들은 일반적으로 고체 산화물 전해조 전지(SOEC)를 포함하는 전해조 시스템 및 이의 동작 방법에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 이러한 전해조 시스템의 설치 및 유지에 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 지칭될 수 있고, SOFC 애노드(SOEC 캐소드)는 연료 전극(fuel electrode)으로 지칭될 수 있다. 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.
신속하고 저렴한 설치는 SOFC/SOEC 시스템의 보급을 증가시키는데 도움이 될 수 있다. 일반적으로 배관 및 전기선을 위한 트렌칭이 필요한 맞춤형 설계 콘크리트 패드의 설치는 막대한 비용이 들 수 있다. 콘크리트 타설 및 트렌치는 일반적으로 하나 이상의 건축 허가와 건축 검사관의 검토가 필요하기 때문에 대부분의 현장에서 설치 시간이 또한, 문제가 된다. 일반적인 시스템 설치에는 가령, 도관의 사용, 스터브업(stub-ups)이 있는 하드-파이프 트렌치 배관, 내진 고정용 콘크리트 앵커 등과 같은 건설 기술이 포함된다.
추가로, 고정식 SOFC/SOEC 시스템은, 부동산 비용이 상당히 높거나 사용 가능한 공간이 제한된 위치(예컨대, 하역장, 좁은 골목, 또는 건물 사이의 공간 등)에 설치될 수 있다. SOFC/SOEC 시스템 설치는 가용 공간의 활용도가 높아야 한다. 도어 등을 통해 시스템에 접근하기 위해 상당한 양의 스탠드-오프(stand-off) 공간이 필요한 경우, 설치 부동산 비용이 크게 증가할 수 있다.
현장(site)에 설치될 SOFC/SOEC 시스템의 수가 증가할 때 일반적으로 발생하는 한 가지 문제는, (하나의 유닛 또는 다른 유닛의 유지를 허용하기 위해) 이러한 시스템들 사이에 스탠드-오프 공간이 필요하다는 것이다. 시스템의 고객이 사용할 가능성의 측면에서 시스템들 사이의 공간이 손실된다.
일부 SOFC 시스템 설계의 경우, 이러한 문제는 모놀리식 시스템 설계의 전체 용량을 증가시킴으로써 해결된다. 그러나 필요한 콘크리트 패드의 크기와 무게가 증가함에 따라 새로운 문제가 발생한다. 따라서, 이 전략은 시스템 설치 시간을 늘리는 경향이 있다. 또한, 시스템의 최소 크기가 증가함에 따라 설계의 내결함성이 감소한다.
시스템의 연료 전지/전해조 스택 또는 컬럼은, 일반적으로 핫 박스(즉, 단열 용기)에 위치한다. 기존의 대형 고정식 연료 전지/전해조 시스템의 핫 박스는, 캐비닛, 하우징, 또는 인클로저(enclosure)에 보관된다. 캐비닛, 엔클로저 및 하우징이라는 용어는 본 명세서에서 같은 의미로 사용된다. 캐비닛은 일반적으로 금속으로 만들어진다. 금속은, 긁힘, 찌그러짐 및 부식에 취약한, 자동차 또는 산업용 분말 코팅 페인트로 칠해진다. 이러한 캐비닛의 대부분은 현재의 산업용 HVAC 장비 캐비닛과 유사하다.
따라서, 본 발명은 관련 기술의 한계 및 단점으로 인한 하나 이상의 문제를 실질적으로 제거하는 모듈형 전해조 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일목적은 신속한 배치를 위해 전해조 모듈형 블록 사이트 키트들을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 대형 현장 스탬프 구조(large site stamp architecture)를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 특징 및 이점은, 후속되는 설명에서 기술될 것이며, 부분적으로는 설명으로부터 명백해지거나, 본 발명의 실시에 의해 학습될 수 있다. 본 발명의 목적 및 다른 장점은, 첨부된 도면뿐만 아니라 기재된 상세한 설명 및 특허청구범위에서 특히 언급되는 구조에 의해 실현되고 달성될 것이다.
전술한 일반적인 설명과 후술할 상세한 설명은 모두 예시적이고 설명적이며 청구된 본 발명의 추가 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 SOFC/SOEC 모듈형 시스템을 도시한다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 패드의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 모듈형 사이트 키트를 도시한다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 모듈형 사이트 키트의 구현을 도시한다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 대형 사이트 전해조 시스템을 도시한다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 서비스 통로를 도시한다.
도 7은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 대형 사이트 전해조 시스템을 도시한다.
도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 생성기 모듈을 도시한다.
도 9a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 후면 배관 접합 박스(rear plumbing junction box)에서의 방출구 수소 생성물을 도시한다.
도 9b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 후면 배관 접합 박스에서의 수소 생성물 방출구 및 후방 배관 접합 박스에서의 증기 유입구를 도시한다.
이제 본 발명의 실시예를 상세히 참조할 것이며, 그 예시들은 첨부된 도면에 도시되어 있다. 전술한 일반적인 설명과 후술할 상세한 설명은 모두 예시이며, 청구된 본 발명을 제한하지 않는다는 것을 이해해야 한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 SOFC/SOEC 모듈형 시스템(10)을 도시한다.
SOFC/SOEC 시스템(10)의 모듈형 설계는, 유연한 시스템 설치 및 작동을 제공한다. 이전의 모듈형 시스템과 대조적으로, 실시예는 설치 및 유지 보수 속도를 높이고 비용을 감소시키도록 배관 및 전기 배선을 위하여 지상 라우팅을 사용한다. 또한, 설치를 위한 전문 기술자의 필요성도 줄어든다. 모듈은, 단일 설계 세트로 설치된 발전 용량의 확장, 안정적인 전력 생성, 연료 처리의 유연성, 전력 출력 전압 및 주파수의 유연성을 허용한다. 모듈형 설계는 가용성과 안정성이 매우 높은 "상시 가동(always on)" 유닛을 제공하며, 개선된 유지 관리 및 확장 수단을 제공한다. 모듈형 설계는 또한, 고객 및/또는 지역에 따라 다를 수 있는 사용 가능한 연료와 필요한 전압 및 주파수의 사용을 가능하게 한다.
SOFC/SOEC 모듈형 시스템(10)은 발전기 모듈(12)(바람직하게는 "SGM"이라고도 하는 복수의 발전기 모듈(12)), 하나 이상의 연료 처리 모듈(16) 및 하나 이상의 전력 조절 모듈(18)(즉, 발전기 모듈 또는 "SPM"이라고도 하는 전기 출력) 중의 적어도 하나가 배치되는 하우징(14)을 포함한다. 실시예에서, 전력 조절 모듈(18)은 직류(DC)를 전달하도록 구성된다. 대안적인 실시예에서, 전력 조절 모듈(18)은 교류(AC)를 전달하도록 구성된다. 이러한 예시적인 실시예에서, 전력 조절 모듈(18)은 가령, 인버터와 같이 DC를 AC로 변환하는 메커니즘을 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템(10)은 가령, 2개 내지 30개의 발전기 모듈, 3개 내지 12개의 발전기 모듈, 6개 내지 12개의 모듈, 또는 발전기 모듈의 다른 대규모 사이트 구성과 같은 원하는 수의 모듈들을 포함할 수 있다.
도 1의 예시적인 시스템(10)은 6개의 발전기 모듈(12)(측면으로 적층된 6개의 모듈의 하나의 행(row)), 하나의 연료 처리 모듈(16), 및 패드(20) 상의 하나의 전력 조절 모듈(18)을 포함한다. 하우징(14)은 각 모듈(12, 16, 18)을 수용하는 캐비닛을 포함할 수 있다. 대안적으로, 모듈(16 및 18)은 단일 캐비닛에 배치될 수 있다. 발전기 모듈(12)의 하나의 행이 도시되어 있지만, 시스템은 모듈(12)의 한 행보다 많은 행을 포함할 수 있다. 예를 들어, SOFC/SOEC 시스템(10)은 연달아/단대단으로(back to back/end to end) 배열된 발전기 모듈(12)의 2개의 행을 포함할 수 있다.
각각의 발전기 모듈(12)은 하나 이상의 핫 박스(13)를 수용하도록 구성된다. 각각의 핫 박스는, 가령 도전성 상호접속 플레이트에 의해 분리된 세라믹 산화물 전해질을 갖는 고체 산화물 연료 전지들의 하나 이상의 스택이나 칼럼과 같은, 하나 이상의 스택이나 칼럼의 연료/전해조 전지들을 포함한다(명확성을 위해 도시되지는 않음). PEM, 용융 탄산염, 인산 등과 같은 다른 연료 전지 유형도 사용될 수 있다.
연료 전지 스택은, 외부 및/또는 내부 매니폴드 스택을 포함할 수 있다. 예를 들어, 스택은 연료 전지 층 및/또는 연료 전지 사이의 상호접속 플레이트의 개구를 통해 연장되는 연료 및 공기 라이저로, 연료 및 공기를 위해 내부적으로 매니폴드될 수 있다.
대안적으로, 전문이 참조로 본 명세서에 통합되는 미국 특허 제7,713,649호에 기재된 바와 같이, 연료 전지 스택은 연료를 위해 내부적으로 매니폴드되고 공기를 위해 외부적으로 매니폴드될 수 있으며, 여기서 연료 유입 및 배기 라이저들은 연료 전지들 사이의 상호접속 플레이트들 내에서 및/또는 연료 전지층들 내 개구들을 통해 연장된다. 연료 전지는 교차 흐름(각 연료 전지의 전해질의 대향하는 측들 상에서 공기와 연료가 서로 거의 수직으로 흐르는 경우), 역류 평행(공기와 연료가 서로 거의 평행하지만, 각 연료 전지 내 전해질의 대향하는 측들 상에서 반대 방향으로 흐르는 경우), 또는 병류 병렬(공기 및 연료가 각 연료 전지에서 전해질의 대향하는 측들 상에서 동일한 방향으로 서로 거의 평행하게 흐르는 경우) 구성을 가질 수 있다.
모듈형 연료 전지 시스템(10)은 또한, 적어도 하나의 연료 처리 모듈(16)을 포함한다. 연료 처리 모듈(16)은 가령, 흡착 베드(예를 들어, 탈황기 및/또는 다른 불순물 흡착) 베드와 같은 연료의 전처리를 위한 구성요소를 포함한다. 연료 처리 모듈(16)은 특정 유형의 연료를 처리하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 시스템은 동일하거나 별도의 캐비닛에 제공될 수 있는, 디젤 연료 처리 모듈, 천연 가스 연료 처리 모듈, 및 에탄올 연료 처리 모듈을 포함할 수 있다. 특정 연료에 맞춰진 상이한 베드 조성(bed composition)이 각 모듈에 제공될 수 있다. 처리 모듈(들)(16)은: 파이프라인으로부터 제공된 천연 가스, 압축 천연 가스, 메탄, 프로판, 액체 석유 가스, 가솔린, 디젤, 가정용 난방유, 등유, JP-5, JP-8, 항공 연료, 수소, 암모니아, 에탄올, 메탄올, 합성 가스, 바이오 가스, 바이오 디젤, 및 다른 적합한 탄화수소 또는 수소 함유 연료로부터 선택된 연료들 중의 적어도 하나를 처리할 수 있다. 원하는 경우, 연료 처리 모듈(16)은 개질기(17)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 개질기(17)를 연료/전해조 전지 스택(들)과 열적으로 통합하는 것이 바람직한 경우, 별도의 개질기(17)가 각각의 발전기 모듈(12) 내 각각의 핫 박스(13)에 위치될 수 있다. 또한, 내부 개질 연료/전해조 전지가 사용되는 경우 외부 개질기(17)가 완전히 생략될 수 있다.
전력 조절 모듈(18)은 연료 전지 스택이 생성한 DC 전력을 AC 전력으로 변환하기 위한 구성요소(예컨대, 전문이 본 명세서에 참조로 통합되는 미국 특허 제7,705,490호에 기술된 DC/DC 및 DC/AC 컨버터), 그리드로의 AC 전원 출력용 전기 커넥터, 전기 과도 상태를 관리하기 위한 회로, 시스템 컨트롤러(예컨대, 컴퓨터 또는 전용 제어 논리 장치 또는 회로)를 포함한다. 전력 조절 모듈(18)은 연료 전지 모듈로부터의 DC 전력을 상이한 AC 전압 및 주파수로 변환하도록 설계될 수 있다. 208 V, 60 Hz; 480 V, 60 Hz; 415 V, 50 Hz; 및 다른 공통 전압 및 주파수를 위한 설계들이 제공될 수 있다.
연료 처리 모듈(16) 및 전력 조절 모듈(18)은 하우징(14)의 하나의 캐비닛에 수용될 수 있다. 단일 입력/출력 캐비닛이 제공되는 경우, 모듈(16 및 18)은 캐비닛에서 나란히 또는 수직으로(예를 들어, 연료 처리 모듈(16) 탈황기 캐니스터/베드 위의 전력 조정 모듈(18) 구성요소가 있음) 위치될 수 있다.
도 1의 예시적인 실시예에 도시된 바와 같이, 하나의 캐비닛(14)은 입력/출력 모듈(14)의 일측면에 선형으로 나란히 배열된 6개의 발전기 모듈(12)의 하나의 행에 대해 제공된다. 모듈들의 행은, 예를 들어, 시스템이 전력을 제공하는 건물에 인접하게 위치해야 한다(예컨대, 모듈의 캐비닛 후면이 건물 벽을 향함).
발전기 모듈(12)의 선형 어레이는 쉽게 스케일링된다. 예를 들어, 더 많거나 더 적은 발전기 모듈(12)이, 연료 전지 시스템(10)에 의해 서비스되는 건물 또는 다른 시설의 전력 수요에 따라 제공될 수 있다. 발전기 모듈(12) 및 입력/출력 모듈(14)은 또한, 다른 비율로 제공될 수 있다. 예를 들어, 다른 예시적인 실시예에서, 더 많거나 더 적은 수의 발전기 모듈(12)이 입력/출력 모듈(14)에 인접하여 제공될 수 있다. 또한, 지원 기능은, (예를 들어, 별도의 연료 처리 모듈(16) 및 전력 조절 모듈(18) 캐비닛을 갖는) 하나보다 많은 입력/출력 모듈(14)에 의해 제공될 수 있다. 추가로, 입력/출력 모듈(14)은 발전기 모듈(12)의 행의 끝에 있고, 발전기 모듈(12)의 행의 중앙 또는 다른 위치에 위치할 수도 있다.
SOFC/SOEC 모듈형 시스템(10)은 시스템(10)의 구성요소의 서비스를 용이하게 하는 방식으로 구성될 수 있다. 서비스 담당자에게 필요한 시간을 줄이기 위해, 예컨대 일상적으로 또는 자주 사용되는 구성 요소(예컨대, 소모성 구성 요소)는 단일 모듈에 배치될 수 있다. 예를 들어, 퍼지 가스(선택 사항) 및 천연 가스 연료 시스템용 탈황제 재료는, 단일 모듈(예컨대, 연료 처리 모듈(16) 또는 조합된 입력/출력 모듈(14) 캐비닛)에 배치될 수 있다. 이것은 일상적인 유지 관리 중에 액세스하는 유일한 모듈 캐비닛일 수 있다. 따라서, 각 모듈(12, 14, 16, 18)은, 다른 모듈 캐비닛을 열지 않고, 그리고 다른 모듈을 서비스, 수리 또는 제거하지 않고, 시스템으로부터 서비스, 수리 또는 제거될 수 있다. 또한, 콘크리트 패드와 발전기 모듈(12) 사이에 배치된 강철 오버레이 위에 배관 및 전기 부품이 배치될 수 있다.
예를 들어, 전술한 바와 같이, 시스템(10)은 다수의 발전기 모듈(12)을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 발전기 모듈(12)이 오프라인으로 되는 경우(즉, 오프라인 모듈(12) 내 핫 박스(13)에서 스택들에 의해 전력이 생성되지 않는 경우), 나머지 발전기 모듈(12), 연료 처리 모듈(16), 및 전력 조절 모듈(18)(또는 조합된 입력/출력 모듈(14))은 오프라인 상태가 되지 않는다. 또한, 연료 전지 시스템(10)은 각 유형의 모듈(12, 14, 16 또는 18) 중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 특정 유형의 적어도 하나의 모듈이 오프라인이 되는 경우, 동일한 유형의 나머지 모듈들은 오프라인이 되지 않는다.
따라서, 복수의 모듈을 포함하는 시스템에서, 각각의 모듈(12, 14, 16, 또는 18)은 전기적으로 분리될 수 있거나, 연료/전해조 전지 모듈형 시스템(10)으로부터 제거될 수 있거나, 및/또는 시스템 내 다른 모듈의 동작의 중단 없이 서비스되거나 수리될 수 있고, 연료 전지 시스템이 전기를 계속 생성하게 할 수 있다. 전체 SOFC/SOEC 모듈형 시스템(10)은, 하나의 핫 박스(13)에 있는 하나의 연료 전지 스택이 오작동하거나 서비스를 위해 오프라인 상태가 되는 경우, 정지될 필요가 없다.
모듈형 시스템(10)은, 가령 각각의 전문이 본 명세서에 참조로 통합되는, 2007년 1월 22일에 출원된 미국 특허출원 제11/656,006호, 2014년 3월 13일에 출원된 미국 특허출원 제14/208,190호, 및 2016년 3월 4일에 출원된 미국 특허출원 제15/061,673호에 설명된 것과 같은 추가적인 모듈 및 구성요소를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 패드(210)의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 2를 참조하면, 패드(210)는 베이스(212)를 포함한다. 베이스(212)는 콘크리트 또는 유사한 재료로 형성될 수 있다. 대안적으로, 베이스(212)는 가령, 강철 또는 다른 금속과 같은 임의의 다른 적합한 구조 재료로 만들어질 수 있고, 단일 몸체로서 미리 주조될 수 있거나, 섹션으로 주조될 수 있다. 베이스(212)는 패턴이 있는 몰드에서 베이스 재료를 캐스팅하고, 몰드로부터 캐스팅 베이스(212)를 제거한 다음, 베이스(212)를 몰드의 위치(예를 들어, 베이스 제조 시설 내)에서 연료 전지 시스템의 작업 현장(즉, 전력을 생성하기 위해 연료 전지 시스템이 위치할 곳)으로 운반함으로써 제조될 수 있다. 베이스(212)는 일체형으로 구성될 수도 있고, 다수의 연결된 섹션들을 포함할 수도 있다.
베이스(212)는, 제1 및 제2 관통 구멍(214, 216), 배수 리세스(drainage recess; 218), 배선 리세스(220) 및 배관 리세스(222)를 포함할 수 있다. 베이스(212)는 또한, 고정 포켓(tie-down pockets; 224), 고정 인서트(226), 및 배관 브래킷(228)을 포함할 수 있다.
예시적인 구성에서, 배수 리세스(218)는, 모듈들의 행들 사이에서, 베이스(212)의 중간을 따라 연장될 수 있고, 예를 들어 베이스(212) 상에 축적된 비 또는 파편을 모으도록 구성될 수 있다. 고정 포켓(224) 및 고정 인서트(226)는 상응하는 모듈을 베이스(212)에 고정하도록 구성될 수 있다. 배관 리세스(222)는 베이스(212)의 둘레 주위로 연장될 수 있다. 특히, 배관 리세스(222)는 베이스(212)의 둘레를 따라 (예를 들어, 또는 베이스(212)의 3개 이상의 에지를 따라) 형성될 수 있다. 배선 리세스(220)는 제1 관통 구 멍(214)에서 제2 관통 구멍(216)으로 연장되며 대략 U자형일 수 있다.
패드(210)는 또한, 배관(230), 배선(232), 및 가령 버스 바(234)와 같은 시스템 전기 연결부를 포함할 수 있다. 특히, 배선(232)은 배선 리세스(220)에 배치될 수 있고, 하나 이상의 모듈에 연결될 수 있다. 예를 들어, 배선(232)은 버스 바(234) 및 각각의 발전기 모듈(12)에 연결될 수 있다. 버스 바(234)는 전력 조절 모듈(18)에 연결될 수 있다. 전력 조절 모듈(18)은 제2 관통 구멍(216)을 통해 외부 부하에 연결될 수 있다. 버스 바(234)는 배선(232)이 관통 구멍(216)을 가로질러 연장되지 않도록 관통 구멍(216)의 에지 상에 배치될 수 있다. 그러나, 버스 바(234)는, 배선(232)이 관통 구멍(216)을 가로질러 연장되도록 시스템 요구 사항을 만족시키기 위해 그러한 위치가 필요한 경우에, 관통 구멍(216)의 대향하는 측 상에 배치될 수 있다.
배관(230)은 배관 리세스(222)에 배치될 수 있다. 배관(230)은 제1 관통 구멍(214)을 통해 외부의 물 및/또는 연료 공급원에 연결될 수 있으며, 배관 브라켓(228)에 부착될 수 있다. 특히, 배관(230)은 연료 처리 모듈(16)을 발전기 모듈(12)에 연결하는 연료 파이프(230A)를 포함할 수 있다. 배관(230)은 또한, 발전기 모듈(12)에 물을 제공하도록 구성된 물 파이프(230B)를 포함할 수 있다. 배관(230)은 배관 브래킷(228) 사이에서 발전기 모듈(12)로 연장된다.
모듈형 시스템의 개별 모듈을 서로 신속하고 확실하게 연결하기 위해, 실시예는 고도로 전문화된 기술자 없이도 신속하게 설치할 수 있는 지상 라우팅을 활용한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예는 모듈형 블록(또는 발전기 모듈 및 하나 이상의 발전기 모듈로 정의되는 "빌딩 블록")을 위한 사이트 키트를 활용한다.
전해조 시스템 아키텍처는 개별 모듈에 전체 시스템의 다양한 기능을 포함하는 시스템 구성에 대한 모듈형 접근 방식이다. 각 모듈은 별도의 모듈로 제조 및 설치되지만, 이후 고객의 사이트에서 서로와 연결될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 각각의 모듈 블록(예를 들어, 하나의 모듈 및 하나 이상의 발전기 모듈)은 스키드(skid) 상에 미리 구성되고, 모듈 수준이 아닌 모듈형 블록 수준으로 설치된다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 모듈형 사이트 키트(300)를 도시한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 모듈형 사이트 키트는, 베이스(예를 들어, 베이스(212)) 상의 강철 오버레이(340), (예를 들어, 배관 포함하는) 패드 배관층(320), 전기층(330)(예를 들어, 배선 포함), 및 모듈층(310)을 포함한다. 여기에서, 물, 연료, 전기 또는 제어를 위한 사이트 유틸리티로부터의 임의의 요구된 스터브업(stub-ups)은, 스탬프를 위한 베이스의 단일 위치(예를 들어, 모듈형 블록 그룹)에 제공될 수 있어서, 현장에 설치되는 각각의 개별 모듈 또는 모듈형 블록에 대한 현장 준비 필요성을 감소시킨다. 일부 구성에서는, 배관을 위해, 스터브업 위치에서 다른 모듈들로 물과 가스를 라우팅하기 위해, 추가적인 서브어셈블리가 추가될 수 있다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 모듈형 사이트 키트(400)의 구현을 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 모듈형 사이트 키트(400)는 베이스(412) 상의 강철 오버레이(440), 배관층(420) 및 전기층(430)을 포함한다. 모듈층은 다른 구성요소를 더 잘 나타내기 위해 도 4에 도시되지 않았다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 대형 사이트 전해조 시스템(500)을 도시한다.
대형 사이트 전해조 시스템(large-site electrolyzer system; 500)은 복수의 모듈형 블록(510, 520, 530, 540)에 시동 수소를 공급하도록 구성된 가스 분배 모듈("GDM"; 550)을 포함한다. SOEC 및 SOFC 시스템은 일반적으로 시동 및 종료를 위해 신선한 수소 가스를 필요로 한다. 가스 분배 모듈(550)은, 압력 검출기, 열 검출기, 가스 안전 차단기, 및 퍼지 가스 분배기를 더 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 각각의 모듈형 블록은 예를 들어, 하나의 전력 모듈("SPM") 및 하나 이상의 발전기 모듈("SGM")을 포함한다. 모듈형 블록을 시스템들의 집단으로 그룹화하는 것을 스탬프(stamp)라고 한다. 따라서, 대형 사이트 전해조 시스템(500)은 스탬프이다. 수소는 압력에서 각 SGM에 공급되는 가연성 가스이기 때문에, 안전 이벤트가 감지되면 발전기 모듈(SGM) 그룹에 대한 가스를 차단하는 안전한 방법이 필요하다. 따라서, GDM(550)은 안전 이벤트가 감지되는 경우 SGM에 공급되는 수소를 차단하도록 구성된다. 압력 감지, 과압 보호, 및 가스 안전 차단과 같은 안전 설계는, GDM(550) 및/또는 연료 처리 모듈(예를 들어, 16)에 의해 전해조 시스템(500) 내에서 쉽게 적용된다. 또한, GDM 550에서 스탬프 레벨 컨트롤러가 제공될 수 있다.
4개의 모듈형 블록(510, 520, 530, 540)의 그룹화는 예시적인 구성이지만, 이 구성은 가스 안전을 위한 효율적인 그룹화이다. 또한, 4개의 모듈형 블록(510, 520, 530, 540)의 그룹화는 서비스 통로(560) 내의 수소 생성물의 수집에 효율적이다. 서비스 통로(560) 내의 배관(561)은, 하류 압축 시스템과의 통합을 위해 수소 생성물을 수집하도록 구성된다. 배관(561)은 응축수가 발전기 모듈(SGM)로 역류하는 것을 방지하도록 구성된다. 응축수 관리는 또한, 다양한 모니터링 및 제어 장치와 물 방출구(또는 BOP1)로 돌아가는 배관을 사용할 수 있게 한다.
도 6a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 서비스 통로(560)를 도시한다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 배관(561)은 서비스 통로(560)에서 접근 가능하다. 배관(561)은 설계 및 공간 가용성의 고려에 따라 발전기 모듈(SGM)의 후방 또는 상부 표면에 결합될 수 있다. 서비스 통로(560)는 예를 들어, 1미터 또는 1.5미터의 폭을 가질 수 있다. 설치 사이트가 서비스 통로(561)의 공간을 수용할 수 없는 경우, 배관(561)은 예를 들어, 서비스 통로가 30 센티미터 미만으로 감소되는, 도 6b에 도시된 바와 같은, 오버헤드에 구성될 수 있다. 여기서, 배관(561)은 환기 모듈(562)의 캐소드 배기에 의해 추가로 가열되며, 내부 응축수 관리가 필요하지 않다. 다른 실시예에서, 배관(561)이 발전기 모듈(SGM)의 오버헤드에 배치될 때에도 배관은 발전기 모듈(SGM)의 후면에 결합될 수 있다. 다시 말해, 수소 배출구는 SGM의 후면과 수집 헤더 배관(561)까지 이동한다. 후면은 접합 박스(junction box)(예컨대, 813)를 포함하거나, 이를 포함하지 않고 구성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 대형 사이트(예를 들어, 10 메가와트 시스템) 전해조 시스템(700)을 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 전해조 시스템(700)은 복수의 스탬프(710, 720, 730, 740, 750, 760 및 770)를 포함한다. 또한, 전해조 시스템(700)은 가령, 수원(BOP1), 수소 생성물 수집기(BOP2)(예를 들어, 배관(561)을 포함함), 및 수소 압축 및 처리(BOP3)와 같은 추가적인 BOP(balance of plant) 구성요소들을 더 포함한다. 수소 압축 및 처리(BOP3)는 각각의 개별 스탬프(710, 720, 730, 740, 750, 760 및 770)의 가스 분배 모듈(예를 들어, GDM(550))에 수소를 압력으로 공급하도록 기능적으로 구성된다. 따라서, 스탬프 구조는, 반복되는 구성요소를 사용하여 대규모 사이트 설치를 구축하는 대규모 사이트 레이아웃에서 반복될 수 있다.
도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 발전기 모듈(800)을 도시한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 발전기 모듈(800)은 전해조 구획(812) 및 전자 장치 구획(814)을 포함한다. 전해조 및 전자 장치를 위한 별도의 구획 또는 영역은 수소 생성 요소(즉, 전해조) 및 수반되는 전자 지원 시스템의 설치를 용이하게 한다. 발전기 모듈(800)의 하우징 내에서, 각각의 전해조 및 전자 지원 시스템은 공기 공간 분리 영역에 수용된다.
전해조 구획(812)과 전해조 구획(814)의 내부 물리적 분리는, 판금, 개스킷, 케이블 글랜드 등을 사용하여 달성될 수 있다. 일부 경우에, 실시예는 환기 팬을 사용함으로써 전자장치 구획(812)과 전해조 구획(814) 사이의 공기압 차이를 달성하고 유지한다.
전해조 구획(812) 내에는 서비스 통로(예를 들어, 560)를 통해 접근될 수 있는 후방 배관 접합 박스(813)가 있을 수 있다. 또한, 수소 생성물은 후방 배관 접합 박스(813)를 통해 방출될 수 있고, 배관(예를 들어, 배관(561))을 통해 다운스트림 압축 시스템과의 통합을 위해 수집될 수 있다. 예를 들어, 도 9a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 후방 배관 접합 박스(813)에서의 방출구 수소 생성물을 도시한다.
도 8로 돌아가서, 발전기 모듈(800)은 내부 증기 및 외부 증기 구성을 모두 지원한다. 발전기 모듈(800)은 내부 및 외부 증기 공급원 사이를 전환하는 기능을 추가로 지원한다. 유입 증기는 후방 배관 접합 박스(813) 또는 다른 접합 박스에서 공급될 수 있다. 예를 들어, 도 9b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 후방 배관 접합 박스(813)의 방출구 수소 생성물 및 후방 배관 접합 박스(815)의 증기 유입구를 도시한다. 접합 박스(813 또는 815)에는 연결이 용이하도록 유연한 호스가 포함될 수 있다. 이러한 접합 박스는 발전기 모듈(800) 설치 공간(footprint)을 증가시키지 않는다. 후방 배관 접합 박스(815)에서의 증기 유입구는 사용하지 않을 경우 캡을 씌울 수 있다.
따라서, 연료 생성/소비 요소(즉, 전해조)와 동일한 인클로저 내에 고전압 전력 전자 장치의 안전한 통합이 달성된다. 실시예는 사이트 수준에서 인클로저의 모듈형 설치를 가능하게 한다. 또한, 인클로저는 내부 증기 또는 외부 증기와 호환가능하다. 또한, 실시예는 수소 방출을 위한 액세스 및 연결 지점과, 모듈형 풋프린트 내 선택적 증기 유입구(예컨대, 외부 증기)를 가능하게 한다.
본 발명의 다양한 실시예를 이용함으로써, 연결 구성은 여러 수소 생성 모듈을 공유된 수소 수집 및 공유된 공급 증기에 연결하는 반복 가능한 방법 및 위치를 용이하게 한다. 연결 구성은, 수소 생성 모듈의 연속적 또는 선형 구성 후에, 수소 수집/증기 공급을 위한 공통의 서비스 통로 및 공간을 가능하게 한다. 이를 통해 더 많거나 더 적은 수소 생성 모듈로 사이트 설계를 쉽게 확장할 수 있다.
본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고, 본 발명의 모듈형 전해조 시스템에 대하여 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있다는 점이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위 및 그 등가물의 범위 내에 있는 본 발명의 수정 및 변경을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (15)

  1. 모듈형 전해조 시스템으로서,
    각각이 핫 박스(hot box)를 포함하는 복수의 발전기 모듈; 및
    상기 복수의 발전기 모듈 각각에 수소를 공급하도록 구성되는 가스 분배 모듈;
    을 포함하는, 모듈형 전해조 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    강철 오버레이(steel overlay)를 갖는 베이스를 더 포함하고,
    배관 구성요소 및 전기 구성요소가 상기 베이스와 발전기 모듈 사이에 배치되는, 모듈형 전해조 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스 분배 모듈은, 시동시 수소를 상기 복수의 발전기 모듈에 공급하는, 모듈형 전해조 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스 분배 모듈은, 적어도 하나의 안전 이벤트를 감지하고 상기 안전 이벤트에 응답하여 수소의 공급을 중단하도록 구성되는, 모듈형 전해조 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스 분배 모듈은: 압력 검출기, 열 검출기, 가스 안전 차단기, 및 퍼지 가스 분배기 중의 적어도 하나를 더 포함하는, 모듈형 전해조 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 발전기 모듈이, 전해조 구획(compartment) 및 전자장치 구획을 포함하는, 모듈형 전해조 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 발전기 모듈이, 수소 방출구 연결부를 포함하는, 모듈형 전해조 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 발전기 모듈이, 접합 박스(junction box)에서 수소 방출구 연결부를 포함하는, 모듈형 전해조 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 발전기 모듈은, 오버헤드 수소 생성물 배관에 결합된 적어도 하나의 발전기 모듈의 상부 표면 상에 배치된 수소 방출구 연결부를 포함하는, 모듈형 전해조 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 발전기 모듈은, 적어도 하나의 발전기 모듈의 후면에 배치된 수소 방출구 연결부를 포함하는, 모듈형 전해조 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    수소 방출구 연결부가, 오버헤드 수소 생성물 배관에 결합되는, 모듈형 전해조 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    수소 방출구 연결부가, 상기 복수의 발전기 모듈의 행들(rows) 사이에 배치된 수소 생성물 배관에 결합되는, 모듈형 전해조 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 발전기 모듈이 증기 유입구 연결부를 포함하는, 모듈형 전해조 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 발전기 모듈이, 접합 박스에서 증기 유입구 연결부를 포함하는 모듈형 전해조 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 발전기 모듈은 내부 및/또는 외부 증기를 사용하도록 구성되는, 모듈형 전해조 시스템.
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