KR20240038249A - 발전 설비 결합형 고온 수전해 시스템 - Google Patents
발전 설비 결합형 고온 수전해 시스템 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20240038249A KR20240038249A KR1020220116781A KR20220116781A KR20240038249A KR 20240038249 A KR20240038249 A KR 20240038249A KR 1020220116781 A KR1020220116781 A KR 1020220116781A KR 20220116781 A KR20220116781 A KR 20220116781A KR 20240038249 A KR20240038249 A KR 20240038249A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- working fluid
- heat exchanger
- water
- discharged
- turbine
- Prior art date
Links
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 title claims abstract description 85
- 238000010248 power generation Methods 0.000 title claims abstract description 67
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 266
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 247
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 claims abstract description 195
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 95
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 95
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 84
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 19
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 8
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 6
- 230000004992 fission Effects 0.000 claims description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 90
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 24
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 22
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 19
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 19
- 229910021642 ultra pure water Inorganic materials 0.000 description 16
- 239000012498 ultrapure water Substances 0.000 description 16
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 15
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 10
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 239000012809 cooling fluid Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000008236 heating water Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 description 1
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
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
- 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
- C25B15/00—Operating or servicing 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
- C25B9/60—Constructional parts of cells
- C25B9/67—Heating or cooling means
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
- F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K11/00—Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers
- F01K11/02—Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers the engines being turbines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
- F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
- F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
- F01K25/103—Carbon dioxide
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
- F01K7/32—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines using steam of critical or overcritical pressure
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21D—NUCLEAR POWER PLANT
- G21D5/00—Arrangements of reactor and engine in which reactor-produced heat is converted into mechanical energy
- G21D5/04—Reactor and engine not structurally combined
- G21D5/08—Reactor and engine not structurally combined with engine working medium heated in a heat exchanger by the reactor coolant
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
본 발명에 의하면, 수증기를 전기분해하여 수소와 산소를 분리하여 생성하는 수전해기와, 액체 상태의 물을 가열하여 수증기를 발생시키는 증기 생성부와, 상기 증기 생성부에서 발생한 수증기를 가열하여 상기 수전해기로 공급되는 수증기를 생성하는 수증기 가열부를 구비하는 고온 수전해 설비; 및 작동유체의 유동에 의해 회전하는 터빈과, 상기 터빈의 회전력에 의해 구동되어서 전기 에너지를 생산하는 발전기와, 작동유체를 가열하는 열원 모듈과, 상기 작동유체를 냉각하는 냉각기를 구비하는 발전 설비를 포함하며, 상기 증기 생성부는 액체 상태의 물과 상기 작동유체를 열교환시켜서 상기 액체 상태의 물을 가열하는 물-작동유체 열교환기를 구비하며, 상기 작동유체는 상기 열원 모듈, 상기 터빈, 상기 물-작동유체 열교환기, 상기 냉각기의 순서로 순환 유동하는, 고온 수전해 시스템이 제공된다.
Description
본 발명은 고온 수전해 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고온의 수증기 생성에 폐열을 활용하는 고온 수전해 기술에 관한 것이다.
수소 에너지는 환경 친화적인 에너지원으로서, 자동차 동력원, 휴대용 전자기기용 연료전지의 연료로 활용이 가능하며, 연료전지 가격 또한 매년 감소하고 있어 수소에너지 시대가 앞당겨지고 있다.
수소 생산 기술 중 하나인 수전해 기술은 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 기술이다. 고온 수전해 기술은 고온의 수증기를 전기분해하는 것으로서, 저온의 물을 전기분해하는 것에 비해 에너지 효율이 높기 때문에, 고온 수전해 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
본 발명의 기술분야와 관련된 선행특허인 등록특허 제10-1925290호에는 고온의 수증기를 전기분해하여 수소와 산소로 분리하는 전기화학셀로 유입되는 수증기를 가열하는 히터와, 외부에서 공급되는 물이 상기 히터로 공급되기 전에 물을 전기화학셀로부터 배출되는 배출가스의 폐열을 이용하여 가열함으로써, 에너지 효율을 향상시킨 수전해 시스템의 구성이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 효율이 향상된 고온 수전해 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 수증기를 전기분해하여 수소와 산소를 분리하여 생성하는 수전해기와, 액체 상태의 물을 가열하여 수증기를 발생시키는 증기 생성부와, 상기 증기 생성부에서 발생한 수증기를 가열하여 상기 수전해기로 공급되는 수증기를 생성하는 수증기 가열부를 구비하는 고온 수전해 설비; 및 작동유체의 유동에 의해 회전하는 터빈과, 상기 터빈의 회전력에 의해 구동되어서 전기 에너지를 생산하는 발전기와, 작동유체를 가열하는 열원 모듈과, 상기 작동유체를 냉각하는 냉각기를 구비하는 발전 설비를 포함하며, 상기 증기 생성부는 액체 상태의 물과 상기 작동유체를 열교환시켜서 상기 액체 상태의 물을 가열하는 물-작동유체 열교환기를 구비하며, 상기 작동유체는 상기 열원 모듈, 상기 터빈, 상기 물-작동유체 열교환기, 상기 냉각기의 순서로 순환 유동하는, 고온 수전해 시스템이 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 수증기를 전기분해하여 수소와 산소를 분리하여 생성하는 수전해기와, 액체 상태의 물을 가열하여 수증기를 발생시키는 증기 생성부와, 상기 증기 생성부에서 발생한 수증기를 가열하여 상기 수전해기로 공급되는 수증기를 생성하는 수증기 가열부를 구비하는 고온 수전해 설비; 및 작동유체의 유동에 의해 회전하는 터빈과, 상기 터빈의 회전력에 의해 구동되어서 전기 에너지를 생산하는 발전기와, 작동유체를 가열하는 열원 모듈과, 상기 작동유체를 냉각하는 냉각기와, 상기 작동유체 사이에 열교환이 이루어지는 작동유체 열교환기를 구비하는 발전 설비를 포함하며, 상기 작동유체는 상기 열원 모듈, 상기 터빈, 상기 작동유체 열교환기, 상기 냉각기, 상기 작동유체 열교환기의 순서로 순환 유동하며, 상기 수증기 가열부는 상기 증기 생성부에서 생성된 증기를 상기 작동유체와 열교환시켜서 가열하는 수증기-작동유체 열교환기를 구비하는, 고온 수전해 시스템이 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 수증기를 전기분해하여 수소와 산소를 분리하여 생성하는 수전해기와, 상기 수전해기로 공급되는 공기를 가열하는 공기 가열부를 구비하는 고온 수전해 설비; 및 작동유체의 유동에 의해 회전하는 터빈과, 상기 터빈의 회전력에 의해 구동되어서 전기 에너지를 생산하는 발전기와, 작동유체를 가열하는 열원 모듈과, 상기 작동유체를 냉각하는 냉각기와, 상기 작동유체 사이에 열교환이 이루어지는 작동유체 열교환기를 구비하는 발전 설비를 포함하며, 상기 작동유체는 상기 열원 모듈, 상기 터빈, 상기 작동유체 열교환기, 상기 냉각기, 상기 작동유체 열교환기의 순서로 순환 유동하며, 상기 공기 가열부는 상기 수전해기로 공급되는 공기를 상기 작동유체와 열교환시켜서 가열하는 수증기-작동유체 열교환기를 구비하는 고온 수전해 시스템이 제공된다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로, 원자력 발전 설비와 같은 발전 설비에서 사용하는 작동유체를 고온 수전해 설비에서 사용하는 고온 증기의 생성에 활용함으로써 고온 수전해 시스템의 효율이 향상되며, 그에 따라 고온 수전해 시스템의 수소 생산량이 증대되고 에너지 소모는 감소한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 설비 결합형 고온 수전해 시스템의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1의 블록도에서 고온 수전해 설비와 주발전 설비의 제1 실시예에 따른 구성을 설명하는 계통도이다.
도 3은 도 1의 블록도에서 고온 수전해 설비와 부발전 설비의 일 실시예의 구성을 설명하는 계통도이다.
도 4는 도 1의 블록도에서 고온 수전해 설비와 수소 압축 설비의 일 실시예에 따른 구성을 설명하는 계통도이다.
도 5는 도 1의 블록도에서 고온 수전해 설비와 주발전 설비의 제2 실시예에 따른 구성을 설명하는 계통도이다.
도 6은 도 1의 블록도에서 고온 수전해 설비와 주발전 설비의 제3 실시예에 따른 구성을 설명하는 계통도이다.
도 7은 도 1의 블록도에서 고온 수전해 설비와 주발전 설비의 제4 실시예에 따른 구성을 설명하는 계통도이다.
도 8은 도 1의 블록도에서 고온 수전해 설비와 주발전 설비의 제5 실시예에 따른 구성을 설명하는 계통도이다.
도 2는 도 1의 블록도에서 고온 수전해 설비와 주발전 설비의 제1 실시예에 따른 구성을 설명하는 계통도이다.
도 3은 도 1의 블록도에서 고온 수전해 설비와 부발전 설비의 일 실시예의 구성을 설명하는 계통도이다.
도 4는 도 1의 블록도에서 고온 수전해 설비와 수소 압축 설비의 일 실시예에 따른 구성을 설명하는 계통도이다.
도 5는 도 1의 블록도에서 고온 수전해 설비와 주발전 설비의 제2 실시예에 따른 구성을 설명하는 계통도이다.
도 6은 도 1의 블록도에서 고온 수전해 설비와 주발전 설비의 제3 실시예에 따른 구성을 설명하는 계통도이다.
도 7은 도 1의 블록도에서 고온 수전해 설비와 주발전 설비의 제4 실시예에 따른 구성을 설명하는 계통도이다.
도 8은 도 1의 블록도에서 고온 수전해 설비와 주발전 설비의 제5 실시예에 따른 구성을 설명하는 계통도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용을 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 수전해 시스템의 개략적인 구성이 블록도로서 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 고온 수전해 시스템(100)은 고온 수전해 방식으로 수소를 생성하는 고온 수전해 설비(110)와, 연료를 이용하여 전기를 발생시키는 주발전 설비(130), 고온 수전해 설비(110)로부터 배출되는 가스를 이용하여 전기를 발생시키는 부발전 설비(160)와, 고온 수전해 설비(110)에서 생성된 수소를 압축하는 수소 압축 설비(170)와, 전력 계통을 제어하는 전력 제어 설비(190)를 포함한다.
고온 수전해 설비(110)는 고온 수전해 방식으로 수소를 생성한다. 도 2, 도 3 및 도 4를 참조하면, 고온 수전해 설비(110)는 고온의 수증기를 전기분해하여 수소를 생성하는 수전해기(111)와, 초순수를 제조하는 초순수 제조기(113)와, 초순수 제조기(113)에서 제조된 초순수를 가열하여 수증기를 발생시키는 증기 생성부(115)와, 초순수 제조기(113)에서 제조된 초순수를 증기 생성부(115)로 공급하는 물 공급 펌프(117)와, 증기 생성부(115)로부터 배출되는 수증기를 주발전 설비(130)로부터 이송된 작동유체와 열교환시켜서 가열하는 수증기-작동유체 열교환기(119)와, 수증기-작동유체 열교환기(119)로부터 배출되는 수증기를 가열하는 수증기 히터(121)와, 공기를 압축하는 공기 압축기(123)와, 공기 압축기(123)로부터 배출되는 공기를 수전해기(111)로부터 배출되는 배출가스와 열교환시켜서 가열하는 공기-배출가스 열교환기(125)와, 공기-배출가스 열교환기(125)로부터 배출되는 공기를 주발전 설비(130)로부터 이송된 작동유체와 열교환시켜서 가열하는 공기-작동유체 열교환기(127)와, 공기-작동유체 열교환기(127)로부터 배출된 공기를 가열하는 공기 히터(129)를 구비한다.
수전해기(111)는 고온의 수증기를 전기분해하여 수소를 생성한다. 도시되지는 않았으나, 수전해기(111)는 전기분해를 위한 전력을 전력 제어 설비(190)로부터 공급받는다. 본 실시예에서, 수전해기(111)는 고온 수전해 기술에서 수증기를 전기분해하기 위해 사용되는 통상적인 전기화학 셀의 구성을 포함하는 것이므로, 여기서 이에 대한 상세한 설명은 생략된다. 도시되지는 않았으나, 수전해기(111)는 산화전극(Anode)와 환원전극(Cathod)을 구비한다. 고온의 공기는 산화전극으로 공급되고, 고온의 수증기는 환원전극으로 공급된다. 산화전극에서는 배출되는 가스인 산화전극 배출가스(EG1)는 수증기의 전기분해에 의해 생성된 산소와 미반응 공기를 포함한다. 본 실시예에서 산화전극 배출가스(EG1)의 온도는 450 ~ 840℃이다. 산화전극 배출가스(EG1)는 공기-배출가스 열교환기(125)로 공급된다. 환원전극에서 배출되는 환원전극 배출가스(EG2)는 수증기의 전기분해에 의해 생성된 수소와 미반응 수증기를 포함한다. 본 실시예에서 환원전극 배출가스(EG2)의 온도는 450 ~ 840℃이다. 환원전극 배출가스(EG2)는 증기 생성부(115)로 공급된다.
초순수 제조기(113)는 액체 상태의 물을 공급받아서 초순수를 제조한다. 초순수 제조기(113)는 통상적인 구성의 것이므로, 여기서 이에 대한 상세한 설명은 생략된다. 초순수 제조기(113)에서 제조된 초순수는 물 공급 펌프(117)에 의해 증기 생성부(115)로 공급된다.
증기 생성부(115)는 액체 상태의 물을 가열하여 수증기를 발생시킨다. 증기 생성부(115)에서 가열되어서 수증기가 되는 물은 초순수 제조기(113)에서 제조된 액체 상태의 초순수이다. 증기 생성부(115)는 증기 생성부(115)로 유입된 물의 유동하는 따라서 차례대로 위치하는 물-작동유체 열교환기(1151), 제1 물-환원전극 배출가스 열교환기(1152), 물-산화전극 배출가스 열교환기(1153) 및 제2 물-환원전극 배출가스 열교환기(1154)를 구비한다. 증기 생성부(115)로 유입된 초순수는 물-작동유체 열교환기(1151), 제1 물-환원전극 배출가스 열교환기(1152), 물-산화전극 배출가스 열교환기(1153) 및 제2 물-환원전극 배출가스 열교환기(1154)를 차례대로 통과하면서 가열되어서 기화된다. 증기 생성부(115)에서 발생한 수증기는 배출되어서 수증기-작동유체 열교환기(119)로 유입된다.
물-작동유체 열교환기(1151)는 증기 생성부(115)로 유입되는 물을 주발전 설비(130)에서 사용되는 작동유체와 열교환시킨다. 물-작동유체 열교환기(1151)에서 물이 고온의 작동유체에 의해 가열된다. 본 실시예에서 물-작동유체 열교환기(1151)로부터 배출되는 물의 온도는 20 ~ 100℃인 것으로 설명한다. 물-작동유체 열교환기(1151)로부터 배출된 물은 제1 물-환원전극 배출가스 열교환기(1152)로 유입된다. 작동유체의 온도는 물-작동유체 열교환기(1151)를 통과하면서 낮아진다.
제1 물-환원전극 배출가스 열교환기(1152)는 물-작동유체 열교환기(1151)로부터 배출되는 물을 환원전극 배출가스(EG2)와 열교환시킨다. 제1 물-환원전극 배출가스 열교환기(1152)에서 물이 고온의 환원전극 배출가스(EG2)에 의해 가열된다. 본 실시예에서 제1 물-환원전극 배출가스 열교환기(1152)로부터 배출되는 물의 온도는 70 ~ 150℃인 것으로 설명한다. 제1 물-환원전극 열교환기(1152)로부터 배출된 물은 물-산화전극 배출가스 열교환기(1153)로 유입된다. 제1 물-환원전극 배출가스 열교환기(1152)로 유입되는 환원전극 배출가스(EG2)는 제2 물-환원전극 배출가스 열교환기(1154)로부터 배출되는 것이다. 환원전극 배출가스(EG2)의 온도는 제1 물-환원전극 배출가스 열교환기(1152)를 통과하면서 낮아지고 수소 압축 설비(170)로 공급된다.
물-산화전극 배출가스 열교환기(1153)는 제1 물-환원전극 배출가스 열교환기(1152)로부터 배출되는 물을 산화전극 배출가스(EG1)와 열교환시킨다. 물-산화전극 배출가스 열교환기(1153)에서 물이 고온의 산화전극 배출가스(EG1)에 의해 가열된다. 본 실시예에서 물-산화전극 배출가스 열교환기(1153)로부터 배출되는 물의 온도는 100 ~ 200℃인 것으로 설명한다. 물-산화전극 열교환기(1153)로부터 배출된 물은 제2 물-환원전극 배출가스 열교환기(1154)로 유입된다. 산화전극 배출가스(EG1)의 온도는 물-산화전극 배출가스유체 열교환기(1153)를 통과하면서 낮아진다. 물-산화전극 배출가스유체 열교환기(1153)를 통과한 산화전극 배출가스(EG1)는 부발전 설비(160)로 공급된다.
제2 물-환원전극 배출가스 열교환기(1154)는 물-산화전극 배출가스 열교환기(1153)로부터 배출되는 물을 환원전극 배출가스(EG2)와 열교환시킨다. 제2 물-환원전극 배출가스 열교환기(1154)에서 물이 고온의 환원전극 배출가스(EG2)에 의해 가열된다. 본 실시예에서 제2 물-환원전극 배출가스 열교환기(1154)로부터 배출되는 물의 온도는 100 ~ 200℃인 것으로 설명한다. 제2 물-환원전극 열교환기(1154)로부터 배출된 물은 기체 상태인 수증기로서 수증기-작동유체 열교환기(119)로 유입된다. 제2 물-환원전극 배출가스 열교환기(1154)로 유입되는 환원전극 배출가스(EG2)는 수전해기(111)로부터 배출되는 것이다. 환원전극 배출가스(EG2)의 온도는 제2 물-환원전극 배출가스 열교환기(1154)를 통과하면서 낮아지고 제1 물-환원전극 배출가스 열교환기(1152)로 유입된다. 즉, 수전해기(111)로부터 배출되는 환원전극 배출가스(EG2)는 제2 물-환원전극 배출가스 열교환기(1154)와 제1 물-환원전극 배출가스 열교환기(1152)를 차례대로 통과한 후 수소 압축 설비(170)로 공급된다.
물 공급 펌프(117)는 액체 상태의 물을 기화 대상으로 증기 생성부(115)로 공급한다. 물 공급 펌프(117)에 의해 증기 생성부(115)로 공급되는 물은 초순수 제조부(113)에서 제조된 초순수이다. 물 공급 펌프(117)는 전력 제어 설비(190)로부터 전력을 공급받아서 작동한다.
수증기-작동유체 열교환기(119)는 증기 생성부(115)로부터 배출되는 수증기를 주발전 설비(130)에서 사용되는 작동유체와 열교환시켜서 가열한다. 수증기-작동유체 열교환기(119)에서 수증기가 고온의 작동유체에 의해 가열된다. 본 실시예에서 수증기-작동유체 열교환기(119)로부터 배출되는 수증기의 온도는 200 ~ 600℃인 것으로 설명한다. 수증기-작동유체 열교환기(119)로부터 배출된 수증기는 수증기 히터(121)로 유입된다. 작동유체의 온도는 수증기-작동유체 열교환기(119)를 통과하면서 낮아진다.
수증기 히터(121)는 수증기-작동유체 열교환기(119)로부터 배출되는 수증기를 가열한다. 수증기 히터(121)는 전력 제어 설비(190)로부터 공급되는 전력을 가열원으로 하는 전기 히터이다. 본 실시예에서 수증기 히터(121)로부터 배출되는 수증기의 온도는 500 ~ 850℃인 것으로 설명한다. 수증기 히터(121)로부터 배출되는 고온의 수증기는 수전해기(111)의 환원전극으로 공급된다. 수증기-작동유체 열교환기(119)와 수증기 히터(121)는 증기 생성부(115)로부터 배출되는 수증기를 가열하여 고온의 수증기를 생성하는 수증기 가열부를 구성한다.
공기 압축기(123)는 외부의 공기를 압축하여 공기-배출가스 열교환기(125)로 공급한다. 본 실시예에서 공기 압축기(123)에서 배출되어서 공기-배출가스 열교환기(125)로 공급되는 압축 공기의 온도는 100 ~ 250℃인 것으로 설명한다. 공기 압축기(123)는 전력 제어 설비(190)로부터 전력을 공급받아서 구동된다.
공기-배출가스 열교환기(125)는 공기 압축기(123)로부터 배출되는 공기를 수전해기(111)로부터 배출되는 산화전극 배출가스(EG1)과 열교환시켜서 가열한다. 공기 압축기(123)에서 배출되어서 공기-배출가스 열교환기(125)로 공급되는 압축 공기는 공기-배출가스 열교환기(125)에서 고온의 산화전극 배출가스(EG1)에 의해 가열된다. 본 실시예에서 공기-배출가스 열교환기(125)로부터 배출되는 공기의 온도는 200 ~ 400℃인 것으로 설명한다. 공기-배출가스 열교환기(125)로부터 배출된 공기는 공기-작동유체 열교환기(127)로 유입된다. 산화전극 배출가스(EG1)의 온도는 공기-배출가스 열교환기(125)를 통과하면서 낮아진 후 물-산화전극 배출가스 열교환기(1153)로 공급된다. 즉, 수전해기(111)로부터 배출되는 산화전극 배출가스(EG1)는 공기-배출가스 열교환기(125)와 물-산화전극 배출가스 열교환기(1153)를 차례대로 통과한 후 부발전 설비(160)로 공급된다.
공기-작동유체 열교환기(127)는 공기-배출가스 열교환기(125)로부터 배출되는 공기를 주발전 설비(130)에서 사용되는 작동유체와 열교환시켜서 가열한다. 공기-작동유체 열교환기(127)에서 공기가 고온의 작동유체에 의해 가열된다. 본 실시예에서 공기-작동유체 열교환기(127)로부터 배출되는 공기의 온도는 200 ~ 600℃인 것으로 설명한다. 공기-작동유체 열교환기(127)로부터 배출된 공기는 공기 히터(129)로 유입된다. 작동유체의 온도는 공기-작동유체 열교환기(127)를 통과하면서 낮아진다.
공기 히터(129)는 공기-작동유체 열교환기(127)로부터 배출된 공기를 가열한다. 공기 히터(129)는 전력 제어 설비(190)로부터 공급되는 전력을 가열원으로 하는 전기 히터이다. 본 실시예에서 공기 히터(129)로부터 배출되는 공기의 온도는 500 ~ 850℃인 것으로 설명한다. 공기 히터(129)로부터 배출되는 고온의 공기는 수전해기(111)의 산화전극으로 공급된다. 공기-배출가스 열교환기(125), 공기-작동유체 열교환기(127) 및 공기 히터(129)는 공기를 가열하는 공기 가열부를 구성한다.
주발전 설비(130)는 연료를 이용하여 전기를 발생시킨다. 본 실시예에서는 주발전 설비(130)가 원자력 발전 설비인 것으로 설명한다. 주발전 설비(130)는 작동유체의 유동에 의해 회전하는 주발전용 터빈(131)과, 주발전용 터빈(131)의 회전에 의해 전기 에너지를 발생시키는 주발전기(133)와, 핵분열에 의해 발생한 열을 이용하여 작동유체를 가열하는 원자로 모듈(135)과, 주발전용 터빈(131)으로부터 배출되는 작동유체를 냉각시키는 냉각기(137)와, 주발전용 터빈(131)으로부터 배출되는 고온의 작동유체와 냉각기(137)로부터 배출되는 저온의 작동유체를 열교환시키는 제1, 제2 작동유체 열교환기(139, 141)와, 냉각기(137)로부터 배출되어서 원자로 모듈(135)로 유동하는 작동유체를 가압하는 제1, 제2 가압기(143, 145)를 구비한다. 본 실시예에서 주발전 설비에서 사용되는 작동유체는 수증기 또는 초임계 이산화탄소인 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
주발전용 터빈(131)은 작동유체의 유동에 의해 회전한다. 주발전용 터빈(131)의 회전력은 주발전기(133)로 전달되어서 주발전기(133)를 구동시킨다. 주발전용 터빈(131)으로 유입되는 작동유체(FT1)는 원자로 모듈(135)로부터 배출되는 작동유체(FN2)의 일부이고, 주발전용 터빈(131)으로부터 배출되는 작동유체(FT2)의 전체는 제2 작동유체 열교환기(141)로 유입된다. 주발전용 터빈(131)은 원자력 발전 설비에서 통상적으로 사용되는 터빈의 구성을 포함하므로, 여기서 이에 대한 상세한 설명은 생략된다.
주발전기(133)는 주발전용 터빈(131)의 회전력에 의해 구동되어서 전기 에너지를 생산한다. 주발전기(133)에서 생산된 전기 에너지는 전력 제어 설비(190)로 전달된다.
원자로 모듈(135)은 핵연료를 이용한 핵분열에 의해 발생한 열을 이용하여 원자로 모듈(135)로 유입되는 작동유체(FN1)를 가열하여 배출된다. 도시되지는 않았으나, 원자로 모듈(135)은 핵분열이 일어나는 원자로와, 원자로에서 일어나는 핵분열에 의해 발생한 열과 작동유체를 열교환시키는 원자로 열교환부를 구비한다. 본 실시예에서 원자로 모듈(135)은 SMR(Small Modular Reactor)인 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 작동유체가 초임계 이산화탄소인 경우에, 본 실시예에서 원자로 모듈(135)에서 배출되는 작동유체(FN2)의 온도 및 압력은 600 ~ 650℃ 및 240 ~ 250 bara(절대압력)이다. 원자로 모듈(135)에서 배출되는 작동유체(FN2)는 분기되어서 주발전용 터빈(131)과 고온 수전해 설비(110)로 각각 공급된다. 원자로 모듈(135)에서 배출되는 작동유체(FN2)에서 주발전용 터빈(131)으로 유입되는 작동유체(FT1)는 주발전용 터빈(131)을 회전시킨다.
원자로 모듈(135)에서 배출되는 작동유체(FN2)에서 고온 수전해 설비(110)로 공급되는 작동유체(FS)는 분기되어서 고온 수전해 설비(110)의 수증기-작동유체 열교환기(119)와 공기-작동유체 열교환기(127)로 유입된다. 수증기-작동유체 열교환기(119)로 유입되는 작동유체는 수증기-작동유체 열교환기(119)를 통과하는 수증기의 온도를 높인다. 공기-작동유체 열교환기(127)로 유입되는 작동유체는 공기-작동유체 열교환기(127)를 통과하는 공기의 온도를 높인다. 수증기-작동유체 열교환기(119)로부터 배출되는 작동유체와 공기-작동유체 열교환기(127)로부터 작동유체는 원자로 모듈(135)로 유입되는 작동유체(FN1)에 합류하여 원자로 모듈(135)로 다시 유입된다.
냉각기(137)는 냉매 공기 또는 물을을 이용하여 작동유체를 냉각한다. 냉각기(137)로 유입되는 작동유체(FC1)는 물-작동유체 열교환기(1151)로부터 배출되는 냉각유체이다. 냉각기(137)로부터 배출되는 작동유체(FC2)는 제1 가압기(143)로 유입된다. 작동유체가 초임계 이산화탄소인 경우에, 본 실시예에서 냉각기(137)에서 배출되는 작동유체(FC2)의 온도 및 압력은 15 ~ 25℃ 및 72 ~ 75 bara(절대압력)이다.
제1 작동유체 열교환기(139)와 제2 작동유체 열교환기(141)는 주발전용 터빈(131)으로부터 배출되어서 물-작동유체 열교환기(1151)로 공급되는 고온의 작동유체와 냉각기(137)로부터 배출되어서 원자로 모듈(135)로 공급되는 저온의 작동유체를 열교환시킨다. 주발전용 터빈(131)으로부터 배출되어서 제1 작동유체 열교환기(139)로 공급되는 고온의 작동유체는 제2 작동유체 열교환기(141)와 제1 작동유체 열교환기(139)를 차례대로 통과하면서 그 온도가 저하된다. 냉각기(137)로부터 배출되어서 원자로 모듈(135)로 공급되는 작동유체는 제1 작동유체 열교환기(139)와 제2 작동유체 열교환기(141)를 차례대로 통과하면서 그 온도가 상승한다.
제1 가압기(143)과 제2 가압기(145)는 냉각기(137)로부터 배출되어서 원자로 모듈(135)로 유동하는 작동유체를 차례대로 가압한다. 제1 가압기(143)는 냉각기(137)로부터 배출되는 작동유체(FC2)를 가압한다. 제1 가압기(143)에 의해 가압된 냉각유체는 제1 작동유체 열교환기(139)로 공급된다. 제2 가압기(145)는 제1 작동유체 열교환기(139)로부터 배출되는 작동유체를 가압한다. 제2 가압기(145)에 의해 가압된 냉각유체는 제2 작동유체 열교환기(141)로 공급된다. 제1 가압기(143)와 제2 가압기(145)는 전력 제어 설비(190)로부터 전력을 공급받아서 구동된다.
도 2를 통해 설명된 원자력 발전 설비와 결합된 제1 실시예는 원자력 발전 설비와 결합되지 않은 시스템에 비해 현저하게 향상된 효율을 갖는다. 시뮬레이션에 의하면, 제1 실시예에 따른 시스템의 효율은 86 ~ 96%로서, 67 ~ 73% 효율의 기존 시스템(발전 설비가 결합되지 않은 시스템)에 비해 18 ~ 25% 향상된 효율을 제공한다. 제1 실시예에 따른 시스템의 효율 증가로 동일한 수소 생산에 필요한 전기량이 감소한다. 시뮬레이션에 의하면, 제1 실시예에 따른 시스템은 기존 시스템에 비해 전력 생산 필요량이 20 ~ 23% 감소하고, 작동유체 유량이 17 ~ 20% 감소하며, 에너지 공급 장치의 필요 열량이 11 ~ 14% 감소한다.
부발전 설비(160)는 고온 수전해 설비(110)의 수전해기(111)로부터 배출되는 산화전극 배출가스를 이용하여 전기를 생산한다. 도 3을 참조하면, 부발전 설비(160)는 고온 수전해 설비(110)의 물-산화전극 배출가스 열교환기(1153)로부터 배출되는 산화전극 배출물(EG12)에서 액체 성분과 가스 성분을 분리하는 상분리기(161)와, 상분리기(161)에서 배출되는 가스 성분의 유동에 의해 회전하는 부발전 터빈(163)과, 터빈(163)의 회전에 의해 구동하여 전기를 생산하는 부발전기(165)를 구비한다.
상분리기(161)는 고온 수전해 설비(110)의 물-산화전극 배출가스 열교환기(1153)로부터 배출되는 산화전극 배출물(EG12)에서 액체 성분과 가스 성분을 분리한다. 상분리기(161)로 유입되는 산화전극 배출물(EG12)의 온도는 50 ~ 150℃이다. 상분리기(161)에서 분리된 가스 성분은 부발전 터빈(163)으로 공급된다.
부발전 터빈(163)은 상분리기(161)에서 배출되는 가스 성분의 유동에 의해 회전한다. 부발전 터빈(163)의 회전력은 발전기(165)의 구동을 위해 발전기(165)로 전달된다.
부발전기(165)는 부발전 터빈(163)의 회전에 의해 구동하여 전기를 생산한다. 부발전기(165)에서 생산된 전기는 전력 제어 설비(190)로 전달된다.
수소 압축 설비(170)는 고온 수전해 설비(110)에서 생성된 수소를 압축한다. 도 4를 참조하면, 수소 압축 설비(170)는 고온 수전해 설비(110)로부터 배출되는 수소 함유 가스(H1)를 냉각하는 수소 냉각기(171)와, 수소 냉각기(171)로부터 배출되는 수소 함유물(H2)에서 수소를 분리하는 수소 분리기(173)와, 수소 분리기(173)에서 분리된 수소 가스를 압축하는 수소 압축부(175)와, 수소 분리기(173)에서 분리된 수소 가스 중 일부를 압축하여 고온 수전해 설비(110)로 공급하는 수소 재순환 압축기(178)을 구비한다.
냉각기(171)는 수소 압축 설비(170)는 고온 수전해 설비(110)의 제1 물-환원전극 배출가스 열교환기(1152)로부터 배출되는 수소 함유 가스(H1)를 냉각한다. 냉각기(171)로 유입되는 수소 함유 가스(H1)의 온도는 100 ~ 150℃이다. 냉각기(171)로부터 배출되는 수소 함유물(H2)의 온도는 10 ~ 50℃이다.
수소 분리기(173)는 수소 냉각기(171)로부터 배출되는 수소 함유물(H2)에서 액체 성분과 기체 성분을 분리한다. 수소 분리기(173)에서 분리된 액체 성분은 물이며, 수소 분리기(173)에서 분리된 물은 펌프에 의해 이송되어서 고온 수전해 설비(110)에서 펌프(117)로부터 배출되는 물과 함께 물-작동유체 열교환기(1151)로 유입된다. 수소 분리기(173)에서 분리된 기체 성분은 수소로서 대부분은 수소 압축부(175)로 공급되고 나머지 일부는 수소 재순환 압축기(178)로 공급된다.
수소 압축부(175)는 수소 분리기(173)에서 분리된 수소 가스를 압축한다. 수소 압축부(175)는 복수 개의 수소 압축 모듈(176)들을 구비한다. 복수 개의 수소 압축 모듈(176)들은 수소의 유동방향을 따라서 차례대로 직렬로 연결되어서 다단 압축 구조를 형성한다.
복수 개의 수소 압축 모듈(176)들 각각은 수소의 유동방향을 따라서 차례대로 배치되는 수소 압축기(1761)와 수소 냉각기(1762)를 구비한다. 수소 압축 모듈(176)로 유입되는 수소는 수소 압축기(1761)와 수소 냉각기(1762)를 차례대로 통과하여 배출된다.
수소 압축기(1761)는 수소 압축 모듈(176)로 유입되는 수소를 압축한다. 수소 압축기(1761)로부터 배출되는 수소는 수소 냉각기(1762)로 유입된다. 수소 압축기(1761)는 전력 제어 설비(190)로부터 전력을 공급받아서 구동된다.
수소 냉각기(1762)는 수소 압축기(1761)로부터 배출되는 수소를 냉각한다. 수소 냉각기(1762)에 의해 수소의 온도가 낮아져서 수소의 압축에 필요한 일의 양이 감소하여, 에너지 효율을 높일 수 있다.
수소 재순환 압축기(178)은 수소의 순도를 높이가 위하여 수소 분리기(173)에서 분리된 수소 가스 중 일부를 압축하여 고온 수전해 설비(110)로 공급한다. 수소 재순환 압축기(178)에 의해 압축된 수소는 고온 수전해 설비(110)의 물-작동유체 열교환기(1151), 물-산화전극 배출가스 열교환기(1153) 및 제2 물-환원전극 배출가스 열교환기(1154)로 공급되는 물에 합류된다. 본 실시예에서 수소 재순환 압축기(178)에 의해 고온 수전해 설비(110)로 공급되는 수소의 양은 수소 분리기(173)에서 물과 혼합된 수소의 몰분율이 0.5이하, 바람직하기로는 0 ~ 0.1 수준이다.
전력 제어 설비(190)는 고온 수전해 시스템(100)의 전력 계통을 제어하여, 주발전 설비(130) 및 부발전 설비(160)에서 생산된 전기 에너지를 저장하거나, 외부로 공급한다. 전력 제어 설비(190)는 고온 수전해 설비(110)의 압축기(123), 수증기 히터(121) 및 공기 히터(129)의 구동에 필요한 전력, 수소 압축 설비(170)의 수소 압축기(1761) 및 수소 재순환 압축기(178)의 구동에 필요한 전력을 공급한다.
도 5는 도 1의 블록도에서 고온 수전해 설비(110)와 주발전 설비(130)의 제2 실시예에 따른 구성을 설명하는 계통도이다. 도 5를 참조하면, 수증기-작동유체 열교환기(119)로부터 배출되는 작동유체와 공기-작동유체 열교환기(127)로부터 작동유체는 모두 주발전 모듈(130)의 주발전용 터빈(131)으로부터 배출되는 작동유체(FT2)에 합류되어서 제2 작동유체 열교환기(141)로 유입된다. 그 외의 구성은 도 2에 도시된 구성과 동일하다.
도 5를 통해 설명된 원자력 발전 설비와 결합된 제2 실시예는 원자력 발전 설비와 결합되지 않은 시스템에 비해 현저하게 향상된 효율을 갖는다. 시뮬레이션에 의하면, 제2 실시예에 따른 시스템의 효율은 83 ~ 93%로서, 67 ~ 73% 효율의 기존 시스템에 비해 15 ~ 21% 향상된 효율을 제공한다. 제2 실시예에 따른 시스템의 효율 증가로 동일한 수소 생산에 필요한 전기량이 감소한다. 시뮬레이션에 의하면, 제2 실시예에 따른 시스템은 기존 시스템에 비해 전력 생산 필요량이 18 ~ 21% 감소하고, 작동유체 유량이 18 ~ 21% 감소하며, 에너지 공급 장치의 필요 열량이 11 ~ 14% 감소한다.
도 6은 도 1의 블록도에서 고온 수전해 설비(110)와 주발전 설비(130)의 제3 실시예에 따른 구성을 설명하는 계통도이다. 도 6을 참조하면, 주발전 모듈(130)의 주발전용 터빈(131)으로부터 배출되는 작동유체(FT2)는 분기되어서 제2 작동유체 열교환기(141)와 고온 수전해 설비(110)로 공급된다. 주발전용 터빈(131)에서 배출되는 작동유체(FT2)에서 고온 수전해 설비(110)로 공급되는 작동유체(FS)는 분기되어서 고온 수전해 설비(110)의 수증기-작동유체 열교환기(119)와 공기-작동유체 열교환기(127)로 유입된다. 주발전용 터빈(131)으로부터 배출되어서 제2 작동유체 열교환기(141)로 유입되는 초임계 이산화탄소인 작동유체(FH)의 온도 및 압력은 350 ~ 500℃ 및 73 ~ 80 bara(절대압력)이다. 그 외의 구성은 도 5에 도시된 구성과 동일하다.
도 6을 통해 설명된 원자력 발전 설비와 결합된 제3 실시예는 원자력 발전 설비와 결합되지 않은 시스템에 비해 현저하게 향상된 효율을 갖는다. 시뮬레이션에 의하면, 제3 실시예에 따른 시스템의 효율은 87 ~ 97%로서, 67 ~ 73% 효율의 기존 시스템에 비해 19 ~ 26% 향상된 효율을 제공한다. 제2 실시예에 따른 시스템의 효율 증가로 동일한 수소 생산에 필요한 전기량이 감소한다. 시뮬레이션에 의하면, 제3 실시예에 따른 시스템은 기존 시스템에 비해 전력 생산 필요량이 21 ~ 24% 감소하고, 작동유체 유량이 21 ~ 24% 감소하며, 에너지 공급 장치의 필요 열량이 12 ~ 15% 감소한다.
도 7은 도 1의 블록도에서 고온 수전해 설비(110)와 주발전 설비(130)의 제4 실시예에 따른 구성을 설명하는 계통도이다. 도 7을 참조하면, 주발전 모듈(130)의 주발전용 터빈(131)으로부터 배출되는 작동유체(FT2)는 물-작동유체 열교환기(1151)를 통과한 후 제2 작동유체 열교환기(141)로 유입된다. 물-작동유체 열교환기(1151)를 통과한 후 제2 작동유체 열교환기(141)로 유입되는 초임계 이산화탄소인 작동유체(FH)의 온도 및 압력은 400 ~ 500℃ 및 73 ~ 80 bara(절대압력)이다. 제2 작동유체 열교환기(141)로부터 배출되어서 제1 작동유체 열교환기(139)로 유입된 작동유체는 제1 작동유체 열교환기(139)로부터 배출된 후 냉각기(137)로 유입된다. 그 외의 구성은 도 5에 도시된 구성과 동일하다.
도 8은 도 1의 블록도에서 고온 수전해 설비(110)와 주발전 설비(130)의 제5 실시예에 따른 구성을 설명하는 계통도이다. 도 8을 참조하면, 주발전 설비(130)는 보일러 모듈(235)를 구비한다. 도시되지는 않았으나, 보일러 모듈(235)은 천연가스 또는 수소 등의 연료를 연소시켜서 열을 발생시키는 보일러와, 보일러에서 발생한 열을 작동유체와 열교환시켜서 작동유체를 가열하는 열교환 장비를 구비한다. 그 외의 구성은 도 7에 도시된 구성과 동일하다. 도시되지는 않았으나, 보일러 모듈(235)에 공급되는 연료에는 고온 수전해 설비(110)를 통해 생산된 수소가 혼합되어서 사용될 수 있다.
이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
100: 고온 수전해 시스템
110: 고온 수전해 설비
111: 수전해기 115: 증기 생성부
119: 수증기-작동유체 열교환기 121: 수증기 히터
125: 공기-배출가스 열교환기 127: 공기-작동유체 열교환기
129: 공기 히터 130: 주발전 설비
131: 주발전용 터빈 133: 주발전기
135: 원자로 모듈 137: 냉각기
139: 제1 작동유체 냉각기 141: 제2 작동유체 냉각기
143: 제1 가압기 145: 제2 가압기
160: 부발전 설비 170: 수소 압축 설비
190: 전력 제어 설비 1151: 물-작동유체 열교환기
111: 수전해기 115: 증기 생성부
119: 수증기-작동유체 열교환기 121: 수증기 히터
125: 공기-배출가스 열교환기 127: 공기-작동유체 열교환기
129: 공기 히터 130: 주발전 설비
131: 주발전용 터빈 133: 주발전기
135: 원자로 모듈 137: 냉각기
139: 제1 작동유체 냉각기 141: 제2 작동유체 냉각기
143: 제1 가압기 145: 제2 가압기
160: 부발전 설비 170: 수소 압축 설비
190: 전력 제어 설비 1151: 물-작동유체 열교환기
Claims (15)
- 수증기를 전기분해하여 수소와 산소를 분리하여 생성하는 수전해기와, 액체 상태의 물을 가열하여 수증기를 발생시키는 증기 생성부와, 상기 증기 생성부에서 발생한 수증기를 가열하여 상기 수전해기로 공급되는 수증기를 생성하는 수증기 가열부를 구비하는 고온 수전해 설비; 및
작동유체의 유동에 의해 회전하는 터빈과, 상기 터빈의 회전력에 의해 구동되어서 전기 에너지를 생산하는 발전기와, 작동유체를 가열하는 열원 모듈과, 상기 작동유체를 냉각하는 냉각기를 구비하는 발전 설비를 포함하며,
상기 증기 생성부는 액체 상태의 물과 상기 작동유체를 열교환시켜서 상기 액체 상태의 물을 가열하는 물-작동유체 열교환기를 구비하며,
상기 작동유체는 상기 열원 모듈, 상기 터빈, 상기 물-작동유체 열교환기, 상기 냉각기의 순서로 순환 유동하는,
고온 수전해 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 열원 모듈은 핵분열이 일어나는 원자로와, 열교환을 이용하여 상기 원자로에서 일어나는 핵분열에 의해 발생한 열로 상기 작동유체를 가열하는 열원 열교환부를 구비하는,
고온 수전해 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 열원 모듈은 연료를 연소시켜서 열을 발생시키는 보일러와, 열교환을 이용하여 상기 보일러에서 발생한 열로 상기 작동유체를 가열하는 열원 열교환부를 구비하는,
고온 수전해 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 발전 설비는 작동유체 사이에 열교환이 이루어지는 작동유체 열교환기를 더 구비하며,
상기 터빈으로부터 배출된 작동유체는 상기 냉각기로 유입되기 전에 상기 작동유체 열교환기와 상기 물-작동유체 열교환기를 차례대로 통과하고, 상기 냉각기로부터 배출된 작동유체는 상기 작동유체 열교환기를 거쳐서 상기 열원 모듈로 유입되는,
고온 수전해 시스템. - 청구항 4에 있어서,
상기 수증기 가열부는 상기 증기 생성부에서 생성된 수증기를 상기 작동유체와 열교환시켜서 가열하는 수증기-작동유체 열교환기를 구비하는,
고온 수전해 시스템. - 청구항 5에 있어서,
상기 수증기-작동유체 열교환기로 유입되는 작동유체는 상기 열원 모듈로부터 배출되는 작동유체가 상기 터빈으로 유입되기 전에 분기된 것이며,
상기 수증기-작동유체 열교환기로부터 배출되는 작동유체는 상기 작동유체 열교환기로부터 배출되어서 상기 열원 모듈로 유입되는 작동유체에 합류하는,
고온 수전해 시스템. - 청구항 5에 있어서,
상기 수증기-작동유체 열교환기로 유입되는 작동유체는 상기 열원 모듈로부터 배출되는 작동유체가 상기 터빈으로 유입되기 전에 분기된 것이며,
상기 수증기-작동유체 열교환기로부터 배출되는 작동유체는 상기 터빈으로부터 배출되어서 상기 작동유체 열교환기로 유입되는 작동유체에 합류하는,
고온 수전해 시스템. - 청구항 5에 있어서,
상기 수증기-작동유체 열교환기로 유입되는 작동유체는 상기 터빈으로부터 배출되는 작동유체가 상기 작동유체 열교환기로 유입되기 전에 분기된 것이며,
상기 수증기-작동유체 열교환기로부터 배출되는 작동유체는 상기 터빈으로부터 배출되어서 상기 작동유체 열교환기로 유입되는 작동유체에 합류하는,
고온 수전해 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 발전 설비는 작동유체 사이에 열교환이 이루어지는 작동유체 열교환기를 더 구비하며,
상기 터빈으로부터 배출된 작동유체는 상기 냉각기로 유입되기 전에 상기 물-작동유체 열교환기와 상기 작동유체 열교환기를 차례대로 통과하고, 상기 냉각기로부터 배출된 작동유체는 상기 작동유체 열교환기를 거쳐서 상기 열원 모듈로 유입되는,
고온 수전해 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 작동유체는 초임계 이산화탄소인,
고온 수전해 시스템. - 수증기를 전기분해하여 수소와 산소를 분리하여 생성하는 수전해기와, 액체 상태의 물을 가열하여 수증기를 발생시키는 증기 생성부와, 상기 증기 생성부에서 발생한 수증기를 가열하여 상기 수전해기로 공급되는 수증기를 생성하는 수증기 가열부를 구비하는 고온 수전해 설비; 및
작동유체의 유동에 의해 회전하는 터빈과, 상기 터빈의 회전력에 의해 구동되어서 전기 에너지를 생산하는 발전기와, 작동유체를 가열하는 열원 모듈과, 상기 작동유체를 냉각하는 냉각기와, 상기 작동유체 사이에 열교환이 이루어지는 작동유체 열교환기를 구비하는 발전 설비를 포함하며,
상기 작동유체는 상기 열원 모듈, 상기 터빈, 상기 작동유체 열교환기, 상기 냉각기, 상기 작동유체 열교환기의 순서로 순환 유동하며,
상기 수증기 가열부는 상기 증기 생성부에서 생성된 증기를 상기 작동유체와 열교환시켜서 가열하는 수증기-작동유체 열교환기를 구비하는,
고온 수전해 시스템. - 청구항 11에 있어서,
상기 수증기-작동유체 열교환기로 유입되는 작동유체는 상기 열원 모듈로부터 배출되는 작동유체가 상기 터빈으로 유입되기 전에 분기된 것이며,
상기 수증기-작동유체 열교환기로부터 배출되는 작동유체는 상기 작동유체 열교환기로부터 배출되어서 상기 열원 모듈로 유입되는 작동유체에 합류하는,
고온 수전해 시스템. - 청구항 11에 있어서,
상기 수증기-작동유체 열교환기로 유입되는 작동유체는 상기 열원 모듈로부터 배출되는 작동유체가 상기 터빈으로 유입되기 전에 분기된 것이며,
상기 수증기-작동유체 열교환기로부터 배출되는 작동유체는 상기 터빈으로부터 배출되어서 상기 작동유체 열교환기로 유입되는 작동유체에 합류하는,
고온 수전해 시스템. - 청구항 11에 있어서,
상기 수증기-작동유체 열교환기로 유입되는 작동유체는 상기 터빈으로부터 배출되는 작동유체가 상기 작동유체 열교환기로 유입되기 전에 분기된 것이며,
상기 수증기-작동유체 열교환기로부터 배출되는 작동유체는 상기 터빈으로부터 배출되어서 상기 작동유체 열교환기로 유입되는 작동유체에 합류하는,
고온 수전해 시스템. - 수증기를 전기분해하여 수소와 산소를 분리하여 생성하는 수전해기와, 상기 수전해기로 공급되는 공기를 가열하는 공기 가열부를 구비하는 고온 수전해 설비; 및
작동유체의 유동에 의해 회전하는 터빈과, 상기 터빈의 회전력에 의해 구동되어서 전기 에너지를 생산하는 발전기와, 작동유체를 가열하는 열원 모듈과, 상기 작동유체를 냉각하는 냉각기와, 상기 작동유체 사이에 열교환이 이루어지는 작동유체 열교환기를 구비하는 발전 설비를 포함하며,
상기 작동유체는 상기 열원 모듈, 상기 터빈, 상기 작동유체 열교환기, 상기 냉각기, 상기 작동유체 열교환기의 순서로 순환 유동하며,
상기 공기 가열부는 상기 수전해기로 공급되는 공기를 상기 작동유체와 열교환시켜서 가열하는 수증기-작동유체 열교환기를 구비하는,
고온 수전해 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220116781A KR20240038249A (ko) | 2022-09-16 | 2022-09-16 | 발전 설비 결합형 고온 수전해 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220116781A KR20240038249A (ko) | 2022-09-16 | 2022-09-16 | 발전 설비 결합형 고온 수전해 시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240038249A true KR20240038249A (ko) | 2024-03-25 |
Family
ID=90473884
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220116781A KR20240038249A (ko) | 2022-09-16 | 2022-09-16 | 발전 설비 결합형 고온 수전해 시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240038249A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101925290B1 (ko) | 2017-09-15 | 2018-12-06 | 한국기계연구원 | 열회수를 통한 고효율 양방향 수전해 시스템 |
-
2022
- 2022-09-16 KR KR1020220116781A patent/KR20240038249A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101925290B1 (ko) | 2017-09-15 | 2018-12-06 | 한국기계연구원 | 열회수를 통한 고효율 양방향 수전해 시스템 |
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 | |
| EP2800186B1 (en) | Fuel cell hybrid system | |
| JP5143427B2 (ja) | 複合発電設備 | |
| US8840764B2 (en) | Electrolysis apparatus for the production of electricity and hydrogen | |
| Chen et al. | Thermodynamic study of a hybrid PEMFC-solar energy multi-generation system combined with SOEC and dual Rankine cycle | |
| JP5183119B2 (ja) | 発電システム | |
| JP2009513829A (ja) | 電気分解 | |
| CN114243056B (zh) | 一种具有能量回收模块的燃料电池系统 | |
| KR20070088992A (ko) | 연료전지 복합발전시스템 | |
| Dai et al. | Multi-criteria sensitivity study and optimization of an electricity/cooling/hydrogen production scheme combined with SOFC-based sequential heat recovery: Sustainability and economic analyses | |
| KR20150071872A (ko) | 연료전지 하이브리드 시스템 | |
| Zhao et al. | Thermodynamic performance analysis of a novel energy storage system consist of asymmetric PEMEC and SOFC combined cycle | |
| CN1151575C (zh) | 固体氧化物燃料电池蒸汽轮机联合发电系统 | |
| JP2002056880A (ja) | 水電解装置−固体高分子形燃料電池系発電システム | |
| KR20240038249A (ko) | 발전 설비 결합형 고온 수전해 시스템 | |
| KR102387117B1 (ko) | 열 및 신재생에너지를 이용한 발전 시스템 | |
| WO2009058110A1 (en) | Method and apparatus for operating a fuel cell in combination with an orc system | |
| CN114123521A (zh) | 一种针对可再生能源的电解氢与压缩二氧化碳联合储能系统 | |
| JP2002056879A (ja) | 水電解装置−リン酸形燃料電池系発電システム | |
| KR20240038840A (ko) | 고온 수전해를 이용한 복합 발전 시스템 | |
| WO2024119391A1 (zh) | 基于无氮燃烧和二氧化碳循环的可再生能源利用系统 | |
| JP2001076750A (ja) | 高温燃料電池設備 | |
| US20230175706A1 (en) | Integrated systems for generating thermal energy and hydrogen | |
| WO2024157023A1 (en) | Electrolyser System for an Intermittent Electricity Supply | |
| CN115976539A (zh) | 基于无氮燃烧和二氧化碳循环的可再生能源利用系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal |