KR20240045137A - 하나 이상의 전해 생성물을 생성하기 위한 방법 및 플랜트 - Google Patents

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KR20240045137A
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안드레아스 울프
앤톤 웰렌호퍼
크리스찬 프루만
다니엘라 라우치너
마리우스 딜리그
마리야나 차라코바
올레 뮐러-토르워트
로버트 버크
로버트 헤르조그
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린데 게엠베하
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Abstract

하나 이상의 전해 생성물의 생성을 위한 방법으로서, 여기서 양성자 교환막을 갖는 하나 이상의 전해셀(10)이 사용되고, 수소-풍부 캐소드 추출 가스는 하나 이상의 전해셀(10)의 캐소드 측에서 추출되고, 애노드 추출 가스(3)는 하나 이상의 전해셀(10)의 애노드 측에서 추출되고, 애노드 추출 가스(3)는 하나 이상의 전해셀(10)로부터 2-상 유동(1)의 일부로서 추출되고, 2-상 유동(1)은 애노드 추출 가스(3) 및 수상(2)을 포함하고, 2-상 유동(1) 또는 이의 일부는 분리 장치(20)에서 애노드 추출 가스(3)와 수상(2)으로 분리되는, 방법이 제안된다. 제1 가스 챔버(21a)와 제1 액체 챔버(21b)를 갖는 제1 부분(21), 및 제2 가스 챔버(22a)와 제2 액체 챔버(22b)를 갖는 제2 부분(22)을 갖는 분리 장치(20)가 분리 장치(20)로서 사용되며, 제2 가스 챔버(22a)는 제1 액체 챔버(21b)와 제2 액체 챔버(22b) 사이의 액체 접촉을 차단하고, 제1 액체 챔버(21b)는 제1 가스 챔버(21a)와 제2 가스 챔버(22a) 사이의 가스 접촉을 차단한다. 본 발명은 또한 상응하는 플랜트에 관한 것이다.

Description

하나 이상의 전해 생성물을 생성하기 위한 방법 및 플랜트{METHOD AND PLANT FOR PRODUCING ONE OR MORE ELECTROLYSIS PRODUCTS}
본 발명은 하나 이상의 전해셀, 특히 양성자 교환막을 갖는 하나 이상의 전해셀을 사용하는, 하나 이상의 전해 생성물, 특히 수소 및/또는 산소의 생성을 위한 방법 및 플랜트에 관한 것이다.
양성자 교환막(PEM: proton exchange membrane)을 갖는 전해셀을 사용하는 수소의 생성은 알려져 있다. 상응하는 전해셀에서, 양성자를 전도하고, 생성물 가스를 분리하고, 애노드 측과 캐소드 측을 서로 전기적으로 절연시키는 양성자 교환막은 고체 고분자 전해질에 의해 형성된다. 양성자 교환막을 갖는 전해셀을 사용함으로써, 종래의 알칼라인 전기분해에서 가능하고, 발생하는 부분 로드 작동과 낮은 유동 밀도에 관한 문제 일부가 극복될 수 있다.
양성자 교환막을 갖는 전해셀이 사용되는 경우 비교적 높은 압력의 수소가 형성됨으로 인해, 소비자들은 직접 전력을 공급받을 수 있다. 특히 풍력 및 태양열과 같은, 전력 피크를 사용할 수 없는 동적 전기 에너지원이 사용되는 경우는, 높은 유동 밀도를 사용할 수 있기 때문에 작업 비용이 비교적 낮아진다. 고분자 전해질은 고압에서 동시에 예를 들어 대략 100 내지 200 μm의 박막의 사용을 가능하게 한다. 이는 주로 막을 통한 양성자의 전도와 가압된 수소의 형성에 의해 야기되는 낮은 저항 손실을 유도한다.
이의 고형 구조로 인해, 고분자 전해질 막은 낮은 가스 전이율을 가져, 매우 높은 생성물 가스 순도를 유도할 수 있다. 이는 특히 저장 안전성과 예를 들어 연료 전지에서의 직접적인 사용에 관해 유리할 수 있다.
상응하는 전해셀에서 전압 손실은 특히 내부 전기 저항, 양성자 전도성, 전지를 통한 물질 전달 및 촉매 활용으로 인해 발생할 수 있다.
양성자 교환막을 갖는 전해셀에서의 애노드 반응은 일반적으로 산소 발생 반응(OER: oxygen evolution reaction)으로 지칭된다. 애노드에서, 액체 반응물 물이 촉매로 공급되고, 산화되어 산소, 양성자 및 전자를 형성한다:
2 H2O (l) → O2 (g) + 4 H+ (aq) + 4 e-
캐소드 반응은 일반적으로 수소 발생 반응(HER: hydrogen evolution reaction)으로 지칭된다. 이러한 경우에, 공급된 전자는 막을 통해 전도된 양성자와 조합되어, 이로써 수소 가스를 생성한다:
4 H+ (aq) + 4 e- → 2 H2 (g)
캐소드 측으로부터의 수소 이외에, 상응하는 전해셀의 애노드 측에서 형성된 산소도 사용될 수 있다. 본 발명은 상응하는 전기분해의 캐소드 측에서의 수소의 회수 및 애노드 측에서의 산소의 회수와 관련될 수 있다.
본 발명의 목적은, 특히 양성자 교환막을 갖는 전해셀을 사용하여 수소 및/또는 산소의 생성을 개선하는 것, 특히 그것을 보다 안전하고 보다 신뢰성이 높게 만드는 것이다.
이러한 배경에 대해, 본 발명은 특히 양성자 교환막을 갖는 전해셀을 사용하는 하나 이상의 전해 생성물, 특히 수소 및/또는 산소를 생성하기 위한 방법 및 플랜트를 제안하고, 상기 방법 및 플랜트는 독립항의 특징을 갖는다. 각각의 실시형태는 하기 상세한 설명과 종속항의 주제이다.
본 발명은 양성자 교환막이 사용되는 전기분해에 관련하여 대부분 하기 설명되어 있지만, 원칙적으로, 본 발명의 실시형태는 특히 본 발명에서 다뤄지는 문제가 동일하거나 유사한 방식으로 발생하는 경우, 다른 전기분해 기술을 사용하여서도 이용될 수 있다. 양성자 교환막을 갖는 전기분해에 대한 언급은 단지 단순화를 위해서만 이루어지며, 본 발명을 이에 제한하고자 하는 어떠한 의도는 없다.
용어 "하나의" 전해셀, 특히 "하나의" 양성자 교환막을 갖는 전해셀(각 경우 단수 형태임)이 본원에서 언급되는 경우, 이는 본 발명의 실시형태가 일반적으로 복수의 그러한 전지를 갖는 것으로 인식되는 것을 의미하도록 이해되어야 하며, 여기서 상응하는 전지는 특히 복수의 그러한 전지가 존재하는 알려진 유형의 전지 스택의 일부일 수 있다. 이와 같은 스택에서, 양성자 교환막을 사용하는 전기분해에서, 다수의 배치(arrangement) - 각각은 애노드, 양성자 교환막 및 캐소드로 이루어짐 - 가 제공되며, 이는 각각 분리 디바이스 및 물을 공급하기 위한 수단 또는 가스를 제거하기 위한 수단에 의해 서로 분리된다. 후자는 전체 스택에 전력을 공급하는 공급 또는 수집 라인에 연결될 수 있다. 전기분해의 다른 유형에서, 유사한 스택 구조가 제공될 수 있고, 상응하는 공급 및 수집 라인이 또한 여기에 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명에서 임의의 유형의 전해셀의 "애노드 측" 또는 "캐소드 측"이 언급되는 경우, 이러한 용어는 상응하는 전지 스택의 전지의 캐소드 측 또는 애노드 측을 집합적으로 의미할 수도 있다. 이러한 캐소드 측(들)(집합적으로)으로부터 추출된 가스는 하기에 "캐소드 추출 가스"로도 지칭된다. 애노드 측, 즉 "애노드 추출 가스"에 대해서도 동일하게 적용된다.
캐소드 추출 가스는 수소-풍부하며, 애노드 추출 가스는 산소-풍부하지만, 애노드 추출 가스는 일반적으로 캐소드 추출 가스가 산소를 갖는 것보다 더 많은 수소를 갖는데, 이는 수소가 일반적으로 산소가 캐소드 측으로 전환하는 것보다 애노드 측으로 더 쉽게 전환되기 때문이다. 언급된 바와 같이, 양성자 교환막을 사용하여 높은 생성물 순도가 달성될 수 있고, 이에 따라 캐소드 추출 가스는 매우 적은 산소를 함유한다. 그러나, 각각 더 낮은 비율로 다른 가스를 함유하는 수소-풍부 또는 산소-풍부 캐소드 또는 애노드 추출 가스는 또한 다른 전기분해 기술로 형성될 수 있다. 용어 "풍부"는 특히 부피, 양 또는 몰 기준으로 90% 초과, 95% 초과, 99% 초과 또는 99.5% 초과의 함량일 수 있다.
애노드 추출 가스는 특히 양성자 교환막을 포함하는 전기분해에서 애노드 측에서 물과 함께 추출되며, 즉 2-상 유동은 애노드 측에서 먼저 수행된다. 가스 상 및 액체 상으로 분리 후, 전자는 예를 들어 산소 회수 공정 또는 대기에 공급될 수 있다.
산소와 물을 갖는 2-상 유동에 관한 주요 문제는 이의 가능한 수소 함량으로 인해 발생한다. 예를 들어, 양성자 교환막을 통과하는 압력 구배에 의해, 비록 투과에 의해서라도, 수소는 이러한 양성자 교환막을 통과할 수 있지만, 결함 또는 균열이 발생하면 증가할 수 있다. 예를 들어, 낮은 로드의 시나리오, 대기 상태(standby) 또는 결함의 경우, 이러한 수소 함량은 가능하게는 산소 중 약 4%의 수소의 폭발 하한계(LEL: lower explosion limit)에 도달할 수 있다. 원칙적으로 수소의 상응하는 전환은 다른 전기분해 기술에서도 발생할 수 있다.
가스의 폭발 (하)한계는 산소 함량이 동시에 충분한 경우 발화 또는 폭발이 가능한 가스 혼합물에서의 함량을 나타낸다. 후자는 산소-풍부 애노드 추출 가스 또는 그러한 언급된 2-상 유동에 대한 경우 항상 그러하다.
폭발은 층류 화염 전면(laminar flame front)을 갖는 가연성 가스 혼합물의 제어되지 않은 연소이다. 폭발(explosion)은 전파 속도에 의해 본질적으로 폭파(detonation)와는 상이하다.
폭발의 경우, 이는 음속보다 낮고, 폭파의 경우, 일반적으로 음속보다 상당히 높다. 용기 및 튜브 내 가스 혼합물의 폭발 및 폭파로 인해, 압력이 크게 증가하여 용기 파열과 이에 따른 상응하는 손상이 유도될 수 있다. 일반적으로, 폭발에서, 압력은 10배 증가한다고 가정될 수 있다. 폭파의 영향은 훨씬 더 심각하다. 여기서, 압력 증가 인자는 50 이상일 수 있다. 폭발은 특정 시동 기간과 연료 및 산소의 최소 농도 이후 폭파로 변경될 수 있다.
예를 들어 양성자 교환막 또는 상응하는 스택을 갖는 전해셀 내, 및 이의 다운스트림 영역의 점화원은 완전히 배제될 수 없다. 따라서, 상응하는 플랜트를 설계할 때 폭발성 가스 혼합물의 발화 가능성을 가정해야 한다.
산수소(oxyhydrogen) 가스 반응은 매우 신속히 진행되어 화염 속도는 음속보다 더 높게 매우 빠르게 증가한다. 따라서, 작은 방과 튜브에서도 폭발이 발생하면 폭파로 이어질 수 있다. 폭파 시나리오의 경우, 매우 높은 폭발 압력 조건이 설계에 고려되어야 한다.
이러한 경우, "단지" 2-상 유동을 분리하는 분리기에서만 폭발 또는 폭파가 발생하는 경우에도, 폭발 압력이 비압축성 유체(물)를 통해 전달되기 때문에 다른 영역, 특히 다운스트림 기기, 예컨대 펌프 또는 열 교환기 또는 전해셀 또는 스택 그 자체의 손상이 발생할 수 있다.
본 발명은 상기 경우에 대한 보다 안전한 해결을 가능하게 하며, 이로써 종래 기술의 단점을 극복한다. 전통적으로, 상응하는 폭발 방지 또는 폭파 방지 설계는 비용이 매우 높고, 최악의 경우 기술적으로 구현이 불가능하다. 압력 방출 밸브 또는 파열 디스크에 의한 다운스트림 기기의 보호도 전통적으로 문제가 될 수 있는데, 이는 폭발 또는 폭파의 압력 파동이 매우 신속하게, 즉 대략 3000 m/s로 전파되기 때문이다.
본 발명에서 제안된 하나 이상의 전해 생성물, 특히 수소 및/또는 산소의 생성 방법에서, 특히 양성자 교환막을 갖는 하나 이상의 전해셀이 사용되고, 수소-풍부 캐소드 추출 가스는 하나 이상의 전해셀의 캐소드 측에서 추출되고, 애노드 추출 가스는 하나 이상의 전해셀의 애노드 측에서 추출되고, 애노드 추출 가스는 2-상 유동의 일부로서 하나 이상의 전해셀로부터 추출되고, 2-상 유동은 애노드 추출 가스 및 수상(water phase)을 갖고, 2-상 유동 또는 이의 일부는 분리기 배치(separator arrangement)에서 애노드 추출 가스와 수상으로 분리된다. 애노드 추출 가스는 산소-풍부이고, 설명된 효과로 인해 특정 수소 함량을 가지며, 즉 특정 수소 함량은 완전히 방지될 수 없다.
이러한 경우, 제1 가스 챔버와 제1 액체 챔버를 갖는 제1 부분, 및 제2 가스 챔버와 제2 액체 챔버를 갖는 제2 부분을 갖는 분리기 배치가 분리기 배치로서 사용되는 것이 제공되며, 여기서 분리기 배치는 제1 액체 챔버와 제2 액체 챔버가 채워지는 경우, 제1 가스 챔버와 제2 가스 챔버 사이의 가스 접촉을 차단하는 액체 씰이 형성되도록 설계된다. 액체 씰은 예를 들어 상응하는 실시형태를 기초로 각각의 경우에 하기 설명된 바와 같이, 제1 액체 챔버로 내려가는 댐(dam)과 침수벽, 오버플로우 튜브 또는 라이저 튜브에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 실시형태에서, 각각 제1 가스 챔버와 제1 액체 챔버를 갖는 복수의 상응하는 제1 부분이 또한 제공될 수 있으며, 둘 이상의 제1 부분은 제2 가스 챔버와 제2 액체 챔버를 갖는 공통의 제2 부분에 할당될 수 있다. 이러한 경우, 복수의 제1 부분의 가스 챔버는 각각 액체 씰에 의해 공통의 제2 가스 챔버로부터 분리된다. 복수의 제1 부분은 또한 공통의 제2 부분의 두 측에 형성될 수 있으며, 도 4 및 도 6의 실시형태에 예시된 바와 같이 실질적으로 거울 반전될 수 있다. 하기에서, 오직 단순화를 위해, 제1 부분은 단수형으로 지칭될 것이다.
폭발 또는 폭파의 경우, 액체는 제1 부분의 제1 액체 챔버 외부로 밀려서 제2 부분으로 도입될 수 있다. 제2 부분에 존재한 제2 가스 챔버로 인해, 상기 제2 부분은 압력파가 액체 상을 통해 직접 전달되지 않도록 완충 작용을 할 수 있다. 이러한 방식으로, 다운스트림 기기에 대한 손상이 회피될 수 있다.
원칙적으로, 분리기 배치 및 액체 씰의 상이한 디자인이 사용될 수 있다. 본 발명의 실시형태에서, 분리기 배치는 특히 제1 부분의 수상이 축적 높이까지 댐 또는 제2 격벽에서 축적되어, 제2 격벽을 넘어 제2 부분으로 이동하도록 설계된다. 제1 및 제2 가스 챔버는 제1 부분의 액체 수준 아래로 하향하는 제1 격벽에 의해 서로 분리되고, 제1 격벽과 제2 격벽은 액체 씰을 형성한다. 따라서, 특히, 이와 같은 분리기 배치는 제1 격벽과 제2 격벽을 가질 수 있고, 액체 씰은 제1 격벽과 제2 격벽에 의해 형성된다. 이러한 방식으로, 특히 간단하고, 안정적이며 비용 효율적인 방식으로 제조될 수 있는 분리기 배치는 단지 내압성 외벽과 2개의 격벽에 의해서만 형성될 수 있다.
본 발명의 상응하는 실시형태에서, 분리기 배치는 이에 따라 벽으로 둘러싸인 내부 공간을 가질 수 있고, 여기서 제1 격벽은 단지 내부 공간의 상부만을 유밀식(fluid-tight manner)으로 구획하고, 제2 격벽은 단지 내부 공간의 하부만을 유밀식으로 구획하며, 제1 격벽과 제2 격벽에 의해 유밀식으로 구획된 영역은 서로 중첩된다. 이러한 경우, 중첩은 격벽이 상이한 높이에서 끝나는 실시형태에 의해서만 이루어질 수 있다.
이러한 경우, 제2 격벽은 축적 높이까지 내부 공간의 하부를 유밀식으로 구획할 수 있고, 제1 격벽은 침지 높이까지 내부 공간의 상부를 유밀식으로 구획할 수 있으며, 여기서 침지 높이는 측지학적으로 축적 높이 미만으로 배열된다.
작동 중, 제1 부분의 수상은 제2 격벽을 이용하여 축적 높이까지 축적될 수 있어, 제1 격벽은 축적 높이에서 형성되는 수상의 액체 수준으로 하강될 수 있다. 유리하게는, 상응하는 공급물이 확보되어 수상은 축적된 상태로 유지되며, 이에 따라 액체 씰은 항상 밀봉된 채로 유지된다.
본 발명의 실시형태에서, 제2 부분은 제2 격벽을 통해 제1 부분으로부터의 수상의 오버플로우 스트림을 이용하여 적어도 부분적으로 채워질 수 있다. 예를 들어, 부족분을 보충하기 위해 그리고 다운스트림 펌프의 캐비테이션(cavitation)을 회피하기 위해, 추가적인 물 공급이 제공될 수도 있다.
제2 부분에서, 특히 역류를 방지하고 충분한 완충 부피를 보장하기 위해, 특히 제1 부분의 수상의 액체 수준 아래에 있는 수상의 액체 수준이 형성된다. 이는 추출량을 설정함으로써 확보될 수 있다.
다른 실시형태에서, 분리기 배치는 예를 들어 제2 액체 챔버에 축적된 액체에 침지함으로써 액체 씰을 형성하는 오버플로우 튜브를 가질 수 있다.
본 발명의 특정 실시형태에서, 제1 부분은 특히 1개 또는 2개의 돔형 말단 캡 또는 구상(spherical) 세그먼트형 말단 캡을 갖는 원통형 용기에 의해 형성될 수 있으며, 용기는 수평 배향된 원통축(cylinder axis)을 갖는다. 제1 부분은 원통축에 수직인 제1 직경을 가질 수 있다. 제1 부분에 이어, 제2 부분도 원통형일 수 있고, 여기서 제2 부분의 원통축은 특히 수평으로 배향될 수도 있다. 제2 부분은 원통축에 수직인 제2 직경을 가질 수 있으며, 이는 특히 제1 직경보다 더 크다. 제1 섹션의 원통축에 의해 한정된 평면 아래에 있는 영역으로부터, 라이저 튜브는 제1 부분 외부, 특히 말단 캡 외부로 향할 수 있고, 라이저 튜브의 나머지는 위쪽으로 구부러지고, 튜브가 제2 부분으로 개방된다. 이러한 경우, 배치는 특히 일정량의 액체가 제1 부분으로 공급되고, 일정량의 액체가 제2 부분으로부터 추출되도록 작동되며, 이들 양은 액체 수준이 제2 부분의 라이저 튜브의 입구 아래에 있도록 형성되는 방식으로 측정된다.
직전에 설명한 실시형태는 특히 라이저 튜브가 제1 부분에서 중앙 제2 부분으로 이어지도록 실질적으로 동일하고 거울 반전된 2개의 제1 부분과 중간의 중앙 제2 부분을 포함할 수 있다. 설명은 또한 예를 들어 삼각형, 십자형 또는 성상형 패턴 또는 제2 부분 주위에 일렬로 배열될 수 있는 2개 초과의 제1 부분에도 유사하게 적용된다.
분리기 배치에 공급된 2-상 유동 또는 이의 일부는 제1 부분으로 공급되고, 애노드 추출 가스는 제1 가스 챔버로부터 추출되고, 수상은 제2 부분으로부터 추출된다. 제2 부분의 가스 챔버는 라인을 통해 주변 대기와 연결될 수 있으며, 상응하는 라인은 특히 폭발 또는 폭파 중 외부로 가스를 방출할 수 있다.
본 발명은 언급된 바와 같이 캐소드 추출 가스가 적어도 일시적으로 4% 초과의 수소 함량 및 나머지로서 산소를 갖는 경우에도 폭발 또는 폭파의 결과를 방지하는 데 적합하다.
특히 양성자 교환막을 갖는 하나 이상의 전해셀을 갖는 하나 이상의 전해 생성물, 특히 수소 또는 수소와 산소의 생성을 위한 플랜트는 마찬가지로 본 발명의 주제를 형성하고, 여기서 플랜트는 하나 이상의 전해셀의 캐소드 측에서 수소-풍부 캐소드 추출 가스를 추출하고, 하나 이상의 전해셀의 애노드 측에서 애노드 추출 가스를 추출하도록 구성되는 수단을 갖고, 애노드 추출 가스는 애노드 추출 가스와 수상을 포함하는 2-상 유동의 일부이고, 플랜트는 2-상 유동 또는 이의 일부를 애노드 추출 가스와 수상으로 분리하도록 구성되는 분리기 배치를 갖는다.
이러한 경우, 제1 가스 챔버와 제1 액체 챔버를 갖는 제1 부분, 및 제2 가스 챔버와 제2 액체 챔버를 갖는 제2 부분을 갖는 분리기 배치가 형성되고, 분리기 배치는 제1 액체 챔버와 제2 액체 챔버가 채워지는 경우, 제1 가스 챔버와 제2 가스 챔버 사이의 가스 접촉을 차단하는 액체 씰이 형성되도록 설계된다.
상응하는 플랜트 및 이의 실시형태의 추가의 특징과 이점에 대해, 본 발명과 이의 실시형태에 따라 제안된 방법에 관한 상기 설명을 명시적으로 참조하고, 이는 이들이 본원에 동일한 방식으로 적용되기 때문이다.
이는 본 발명의 일 실시형태에 따라 본 발명의 임의의 실시형태에 따른 방법을 수행하도록 구성되는 플랜트에도 적용된다.
본 발명의 실시형태는 이제 하기와 같은 첨부된 도면을 참조하여, 단지 예로서 하기에 설명될 것이다:
도 1은 본 발명의 배경을 예시하고,
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 플랜트를 예시하고,
도 3 내지 도 6은 도 2에 따른 플랜트의 가능한 상세도를 보여준다.
하기 설명된 실시형태는 상기 청구되고 설명되어 있는 특징을 독자가 이해하는 것을 지원하기 위한 목적으로만 설명된다. 이는 단지 대표적인 예일 뿐이며, 본 발명의 특징에 대해 철저하게 및/또는 제한하는 것으로 간주되도록 의도된 것은 아니다. 상기 및 하기 기재된 이점, 실시형태, 실시예, 기능, 특징, 구조 및/또는 다른 양태가 청구범위에서 정의된 본 발명의 범위를 제한하거나 청구범위에 대한 등가물을 제한하는 것으로 간주되어서는 안되고, 청구된 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시형태가 사용될 수 있고 변경될 수 있다는 점은 말할 필요도 없다.
본 발명의 상이한 실시형태는 설명된 요소, 구성성분, 특징, 부품, 단계, 수단 등의 추가의 편리한 조합을, 심지어 이러한 조합이 본원에 구체적으로 기재되어 있지 않더라도, 이들을 포함할 수 있거나, 가질 수 있거나, 이로 이루어질 수 있거나, 이로 실질적으로 이루어질 수 있다. 추가로, 본 개시내용은 본 발명에 청구되지 않았지만, 특히 독립항의 범위에 포함될 때 향후에 청구될 수 있는 다른 발명을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 디바이스, 기기, 배치, 시스템 등에 관한 설명은 본 발명의 실시형태에 따른 절차, 공정, 방법 등에도 적용될 수 있으며 그 반대도 마찬가지이다. 동일한 방식으로 작동하고 기능면에서 일치하며 동일하거나 유사한 디자인을 갖는 동일한 요소, 방법 단계 등에는 동일한 참조 기호가 부여될 수 있다.
본 발명 및 이의 실시형태는 양성자 교환막을 포함하는 전기분해를 참조로 하기에 설명될 것이다. 그러나, 여러번 언급된 바와 같이, 본 발명은 이에 제한되지 않는
다.
도 1은 본 발명의 배경을 매우 단순화한 흐름도의 기초를 예시한다.
도 1은 양성자 교환막을 갖는 전해셀의 애노드 측에 있는 물 또는 산소 회로를 예시한다. 전해셀 또는 상응하는 복수의 전해셀 스택은 10으로 표시된다. 실질적으로 순수한 수소인 캐소드 측에서 추출된 캐소드 추출 가스와 세부사항은 예시되지 않는다.
상기 이미 설명된 바와 같이, 물과 가스 분획을 갖는 2-상 유동(1)은 전해셀 또는 스택(10)으로부터 애노드 측에서 먼저 형성된다. 산소 외에도, 수소도 양성자 교환막을 통한 투과로 인해 가스 분획에서 발생하고, 양성자 교환막에 결함이 있는 경우 더욱 그러하다.
2-상 유동은 분리기(200)로 공급되며, 이의 하부 영역에서 2-상 유동(1)의 물 분획은 분리되어 물 유동(2)(용존 가스의 특정 잔류 분획 포함)으로서 추출될 수 있다. 물 유동(2)은 펌프(30)를 이용하여 순환될 수 있고, 열 교환기(40)에 의해 온도 제어될 수 있다.
가스 분획은 가스 유동(3)의 형태로 설계될 수 있으며, 방법의 실시형태에 따라, 산소 생성물을 형성하는 데 사용될 수 있거나, 대기로 방출하여 폐기될 수 있다.
들쭉날쭉한 화살표로 예시된 바와 같이, 폭발 또는 폭파는 분리기(200)의 가스 챔버에서 발생할 수 있고, 가스 유동(3)에 상응하는 양의 수소가 존재하는 경우, 상응하는 라인에서도 발생할 수 있다. 상기 언급된 바와 같이, "단지" 분리기(200)에서만 폭발 또는 폭파가 발생하는 경우에도, 폭발 압력이 비압축성 유체(물)를 통해 전달되기 때문에 다른 영역, 특히 다운스트림 기기, 예컨대 펌프(30) 또는 열 교환기(40) 또는 전해셀 또는 스택(10)의 손상이 발생할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 플랜트를 예시하고, 이는 전체를 100으로 표기한다. 상응하는 명칭이 주어져 있는 도 1에 관해 이미 설명된 요소, 즉 전해셀 또는 스택(10), 펌프(30) 및 열 교환기(40)는 다시 설명되지 않을 것이다.
도 2에 예시된 바와 같이, 플랜트(100)는 제1 부분(21)과 제2 부분(22)으로부터 형성되는 분리기 배치(20)를 갖고, 이들 각각은 가스 챔버와 액체 챔버를 포함한다. 부분(21 및 22) 사이에 액체 씰(23)이 형성된다. 즉, 분리기 배치(20)는 플랜트(100)의 작동 중 충전 공정 동안에, 제1 부분(21)과 제2 부분(22)에서의 가스 챔버 사이의 가스 접촉을 차단하는 액체 씰(23)이 형성되는 방식으로 설계된다. 가능한 실시형태의 세부사항은 하기 도면, 도 3 내지 도 6에 예시되어 있다. 이러한 방식으로, 제1 부분(21)의 다운스트림 영역은 폭발 또는 폭파 가능 가스 혼합물이 없는 상태로 유지될 수 있다.
따라서, 도 2에 예시된 플랜트에서는, 2-상 유동(1)과 요소가 직접 연결된 제1 부분(21)의 영역만이 폭발 방지 또는 폭파 방지가 되도록 설계되어야 하고, 특히 제1 부분(21)에서의 폭발 또는 폭파의 경우, 압력파는 펌프(30) 및 열 교환기(40)와 같은 다운스트림 요소를 통과할 수 없거나 단지 감소된 정도로만 통과할 수 있다. 이는 제2 부분(22)에 생성되는 가스 완충 부피와 2개의 액체 챔버 사이의 직접 연결이 차단됨으로써 달성된다.
도 3은 예를 들어 도 2에 따른 플랜트(100)에서 사용될 수 있는 분리기 배치(20)를 예시하고, 이의 통합은 도 2와 동일한 표기를 갖는 유동 1, 2, 및 3으로부터의 결과이다. 추가의 가스 유동은 도 3에서 4로 표기된다.
분리기 배치(20)는 제1 부분(21)과 제2 부분(22)을 형성하는 2개의 챔버가 형성되는 벽(26)을 갖는다. 액체 씰(23)은 2개의 격벽에 의해 형성되며, 제1 격벽(24)은 제2 부분(22)의 가스 챔버(22a)로부터 제1 부분(21)의 가스 챔버(21a)를 분리한다. 대조적으로, 제2 격벽(25)은 제2 부분(22)의 액체 챔버(22b)로부터 제1 부분(21)의 액체 챔버(21b)를 분리한다.
제1 부분(21)과 제2 부분(22)에서의 액체 수준은 각각 점선으로 표시되어 있으며, 삼각형을 사용해서도 표기된다. 이후, 폭발 또는 폭파가 제1 부분(21)에서 발생하는 경우, 액체는 제1 부분(21)의 액체 챔버(21b)로부터 제2 부분(22)의 액체 챔버(22b)로 유동하지만, 폭발 압력파는 다운스트림 기기를 통과할 수 없다. 제2 부분(22)의 가스 챔버(22a)로부터의 가스는 가스 유동(4)의 형태로 빠져나갈 수 있다.
필요한 경우, 예를 들어 전기분해 공정에서 분리된 물을 대체하기 위해, 라인(27) 또는 내부에 배치된 밸브(별도로 표시되지 않음)를 통해 제2 부분(22) 또는 이의 액체 챔버(22b)로 추가의 물이 공급될 수 있다.
즉, 내부 공간(26a)은 벽(26)으로 둘러싸여 있다. 제1 격벽(24)은 내부 공간(26a)의 상부만을 유밀식으로 구획하고, 제2 격벽(25)은 단지 내부 공간(26a)의 하부만을 유밀식으로 구획하며, 제1 격벽(24)과 제2 격벽(25)에 의해 유밀식으로 구획된 영역은 수평으로 바라봤을 때 서로 중첩된다.
보다 정확히는, 제2 격벽(25)은 축적 높이(26c)까지 내부 공간(26a)의 하부를 구획하고, 제1 격벽(24)은 침지 높이(26b)까지 내부 공간(26a)의 상부를 구획한다. 침지 높이(26b)는 측지학적으로 축적 높이(26c) 미만으로 배열되어, 제1 부분(21)의 수상(2)은 제2 격벽(25)을 이용하여 축적 높이(26c)까지 축적될 수 있고, 제1 격벽(24)은 축적 높이(26c)에서 형성되는 수상(2)의 액체 수준으로 하강될 수 있다.
제2 부분(22)은 제1 섹션(21)으로부터의 제2 격벽(25)을 통한 수상(2)의 오버플로우 스트림에 의해 적어도 부분적으로 채워진다. 추가로, 물은 라인(27)을 통해 공급될 수 있다. 임의의 경우에, 수상의 액체 수준은 제1 부분(21)의 수상의 액체 수준 아래에 있는 제2 섹션(22)에서 형성된다.
2-상 유동(1)은 제1 부분(21)으로 공급되고, 애노드 추출 가스(3)는 제1 가스 챔버(21a)로부터 추출된다. 수상(2)은 제2 부분(22)으로부터 특히 펌프(30)로 배출된다. 제2 액체 챔버(22b)의 액체 수준은 유동(2)의 형태로 추출된 양에 따라 설정된다.
도 4는 예를 들어, 도 2에 따르지만 여기에서 20'로 표시되는 플랜트(100)에서 사용될 수 있는 추가의 분리기 배치를 예시한다. 이는 대칭 구조를 갖고, 여기서 전체로서 21'로 제공된 추가의 제1 부분이 제공되며, 이의 구성성분에는 어포스트로피(')가 있는 상응하는 참조 기호가 제공된다. 통합은 도 2에 표기된 것과 동일한 유동(1, 2 및 3) 또는 상응하게 아포스트로피(')로 표기되는 유동(1' 및 3')으로부터의 결과이다. 도 4에 따른 분리기 배치(20')는 특히 복수의 전해셀 또는 스택(10)을 공통 펌프(30)에 연결하는 데 적합하다.
도 5는 예를 들어 도 2에 따르지만 도 5에서는 별도로 표기되지 않은 플랜트(100)에서 사용될 수 있는 추가의 분리기 배치를 예시한다. 이는 오버플로우 튜브(29)를 갖고, 여기서 제1 액체 챔버(21b)의 액체는 축적 높이까지 축적되고, 이는 여기에서 26c로도 표기되고, 오버플로우 튜브(29)는 제2 부분(22)의 액체 챔버(22b) 아래로 하강하여 이로써 액체 씰(23)을 형성한다.
도 6은 예를 들어 도 2에 따르지만 도 6에서는 별도로 표기되지 않은 플랜트(100)에서 사용될 수 있는 추가의 분리기 배치를 예시한다.
여기에 예시된 본 발명의 특정 실시형태에서, 제1 부분(21)(상응하는, 거울상의 추가의 제2 섹션(21')이 존재할 수 있지만, 별도로 설명되지는 않음)은 점선에 의해 도 6에 표시된, 수평으로 배향되어 있는, 특히 1개 또는 2개의 돔형 말단 캡 또는 구상 세그먼트형 말단 캡을 갖는 원통형 용기 및 원통축에 의해 형성된다. 제1 부분(21)은 원통축에 수직인 제1 직경을 가질 수 있다.
제1 부분에 이어, 특히 마찬가지로 원통형이지만 또한 임의의 원하는 디자인을 가질 수 있는 제2 부분(22)이 제공될 수 있으며, 여기서 제2 부분의 원통축은 특히 마찬가지로 수평으로 배향될 수 있고, 예를 들어 제1 부분의 원통축과 일치할 수 있다. 제2 부분(22)은 원통축에 수직인 제2 직경을 가질 수 있으며, 이는 특히 제1 직경보다 더 크다.
제1 부분(21)의 원통축에 의해 한정된 평면 아래에 있는 영역으로부터, 라이저 튜브(31)는 제1 부분 외부, 특히 말단 캡 외부로 향할 수 있고, 이의 나머지는 위쪽으로 구부러지고, 튜브는 제2 부분(22)으로 개방된다. 이러한 경우, 배치는 특히 일정량의 액체가 제1 부분으로 공급되고, 일정량의 액체가 제2 부분으로부터 추출되는 방식으로 작동되며, 이들 양은 각각 점선에 의해 본원에서 예시된 액체 수준이 형성되고, 라이저 튜브가 제2 부분으로 개방되어 있는 곳 아래에 있도록 측정된다.

Claims (15)

  1. 하나 이상의 전해셀(10)이 사용되고, 수소-풍부 캐소드 추출 가스가 상기 하나 이상의 전해셀(10)의 캐소드 측에서 추출되고, 애노드 추출 가스(3)가 하나 이상의 전해셀(10)의 애노드 측에서 추출되고, 상기 하나 이상의 전해셀(10)의 애노드 추출 가스(3)는 2-상 유동(1)의 일부로서 추출되고, 상기 2-상 유동(1)은 애노드 추출 가스(3) 및 수상(water phase)(2)을 갖고, 상기 2-상 유동(1) 또는 이의 일부는 분리기 배치(separator arrangement)(20)에서 상기 애노드 추출 가스(3)와 상기 수상(2)으로 분리되는, 하나 이상의 전해 생성물의 생성 방법으로서, 다음을 특징으로 하는, 하나 이상의 전해 생성물의 생성 방법: 제1 가스 챔버(21a)와 제1 액체 챔버(21b)를 갖는 제1 부분(21), 및 제2 가스 챔버(22a)와 제2 액체 챔버(22b)를 갖는 제2 부분(22)을 갖는 분리기 배치(20)가 상기 분리기 배치(20)로 사용되며, 상기 분리기 배치(20)는 상기 제1 액체 챔버(21b) 및 상기 제2 액체 챔버(22b)가 채워지는 경우, 상기 제1 가스 챔버(21a)와 상기 제2 가스 챔버(22a) 사이의 가스 접촉을 차단하는 액체 씰(23)이 형성되도록 설계되고, 특히 상기 제1 액체 챔버(21b)와 상기 제2 액체 챔버(22b) 사이의 액체 접촉은 상기 제2 부분(22)의 상응하게 제어된 액체 수준을 이용하여 상기 제2 가스 챔버(22a)에 의해 추가적으로 방지됨.
  2. 제1항에 있어서, 양성자 교환막을 갖는 하나 이상의 전해셀(10)이 사용되는, 하나 이상의 전해 생성물의 생성 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분리기 배치(20)는, 상기 수상(2)이 상기 제1 부분(21)에서 축적 높이(26c)까지 축적되고 액체 씰(23)을 통해 상기 제2 부분(22)으로 이동하도록 설계되는, 하나 이상의 전해 생성물의 생성 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 분리기 배치(20)는 제1 격벽(24)과 제2 격벽(25)을 갖고, 상기 액체 씰(23)은 상기 제1 격벽(24)과 상기 제2 격벽(25)에 의해 형성되는, 하나 이상의 전해 생성물의 생성 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 분리기 배치(20)는 상기 액체 씰(23)을 형성하는 오버플로우 튜브(29)를 갖는, 하나 이상의 전해 생성물의 생성 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 부분(21)은 원통형 용기에 의해 형성되며, 그것의 원통축(cylinder axis)은 수평으로 배향되고, 이는 상기 원통축에 수직인 제1 직경을 갖는, 하나 이상의 전해 생성물의 생성 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 원통형 용기는 1개 또는 2개의 돔형 말단 캡 또는 구상(spherical) 세그먼트형 말단 캡을 갖는, 하나 이상의 전해 생성물의 생성 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 제2 부분(22)은 추가의 원통형 용기에 의해 형성되고, 특히 상기 제2 부분(22)의 원통축은 수평으로 배향되는, 하나 이상의 전해 생성물의 생성 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 부분(22)은, 그것의 원통축에 수직인, 상기 제1 직경보다 큰 제2 직경을 갖는, 하나 이상의 전해 생성물의 생성 방법.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 나머지 부분이 위쪽으로 구부러지고, 상기 제2 부분(22)으로 개방되는 라이저 튜브(31)는 상기 제1 부분(21)의 원통축에 의해 한정된 수평면 아래에 있는 상기 제1 부분(21)의 영역 외부로 향하는, 하나 이상의 전해 생성물의 생성 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리기 배치(20)로 공급된 상기 2-상 유동(1) 또는 이의 일부는 상기 제1 부분(21)으로 공급되는, 하나 이상의 전해 생성물의 생성 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 추출 가스(3)는 상기 제1 가스 챔버(21a)로부터 추출되는, 하나 이상의 전해 생성물의 생성 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수상(2)은 상기 제2 부분(22)으로부터 추출되는, 하나 이상의 전해 생성물의 생성 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 때때로, 상기 애노드 추출 가스(3)는 4% 초과의 수소 함량과 나머지로서 산소를 갖는, 하나 이상의 전해 생성물의 생성 방법.
  15. 플랜트(100)는 하나 이상의 전해셀(10)의 캐소드 측에서 수소-풍부 캐소드 추출 가스를 추출하고, 하나 이상의 전해셀(10)의 애노드 측에서 애노드 추출 가스(3)를 추출하도록 구성되어 있는 수단을 갖고, 상기 애노드 추출 가스(3)는 상기 애노드 추출 가스(3) 및 수상(2)을 포함하는 2-상 유동(1)의 일부이고, 상기 플랜트(100)는 상기 2-상 유동(1) 또는 이의 일부를 상기 애노드 추출 가스(3)와 상기 수상(2)으로 분리하도록 구성되어 있는 분리기 배치(20)를 갖는, 하나 이상의 전해셀(10)을 갖는, 하나 이상의 전해 생성물의 생성을 위한 플랜트(100)로서, 다음을 특징으로 하는, 하나 이상의 전해 생성물의 생성을 위한 플랜트(100): 제1 가스 챔버(21a)와 제1 액체 챔버(21b)를 갖는 제1 부분(21), 및 제2 가스 챔버(22a)와 제2 액체 챔버(22b)를 갖는 제2 부분(22)을 갖는 상기 분리기 배치(20)가 형성되며, 상기 분리기 배치(20)는 상기 제1 액체 챔버(21b) 및 상기 제2 액체 챔버(22b)가 채워지는 경우, 상기 제1 가스 챔버(21a)와 상기 제2 가스 챔버(22a) 사이의 가스 접촉을 차단하는 액체 씰(23)이 형성되도록 설계되고, 특히 상기 제1 액체 챔버(21b)와 상기 제2 액체 챔버(22b) 사이의 액체 접촉은 특히 상기 제2 부분(22)의 상응하게 제어된 액체 수준을 이용하여 상기 제2 가스 챔버(22a)에 의해 또한 방지됨.
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