KR20240117546A - 수소 회수 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20240117546A
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KR1020247017923A
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재커리 윌리엄 던바
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에드워즈 배큠 엘엘시
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Abstract

본 발명의 관점은 프로세스 가스로부터 수소를 추출하기 위한 수소 회수 시스템(1)에 관련된다. 수소 회수 시스템(1)은 프로세스 가스에서 발생하는 수소 중 적어도 일부를 추출하기 위한 전기화학 펌프(11)를 포함할 수도 있다. 전기화학 펌프(11)는 적어도 하나의 애노드(14)를 구비하는 애노드 격실(13)과, 적어도 하나의 캐소드(16)를 구비하는 캐소드 격실(15)과, 애노드 격실(13)과 캐소드 격실(15) 사이에 배치되는 멤브레인(17)을 구비한다. 전기화학 펌프(11)에 공급되는 전류를 제어하기 위해 컨트롤러(59)가 제공된다. 애노드 격실(13)은 프로세스 가스를 애노드 격실(13) 내로 유입하기 위한 애노드 격실 유입구(23)와, 애노드 격실(13)로부터 폐가스를 배출하기 위한 애노드 격실 유출구(25)를 구비한다. 캐소드 격실(15)은 프로세스 가스로부터 추출된 수소를 배출하기 위한 캐소드 격실 유출구(27)를 구비한다.

Description

수소 회수 시스템 및 방법
본 개시는 수소 회수 시스템 및 방법에 관련된다. 수소 회수 시스템은 프로세스 가스에 존재하는 수소 중 적어도 일부를 제거하도록 구성될 수도 있다. 본 발명의 관점은 진공 시스템, 전기화학 펌프 및 프로세스 가스로부터 수소를 회수하는 방법에 관련된다.
진공 및 저감 시스템은 보통, 사용 시에, 대기압으로 프로세스 가스를 배출하는 진공 펌프를 포함한다. 예를 들어, 진공 펌프는 건식 펌프일 수도 있다. 대기압으로 프로세스 가스를 배출하기 위한 진공 펌프의 작동은 높은 전력 소비를 필요로 할 수도 있다. 이는 특히 대량의 가스를 펌핑해야 하는 진공 시스템과 관련이 있다. 예로서, 극자외선(EUV) 리소그래피를 위한 진공 시스템은 대량의 수소를 펌핑해야 할 수도 있다. 수소는 일반적으로 대기압으로 배출되고 대기압으로 공기로 희석된다.
본 발명은 종래 기술과 관련된 단점 중 하나 이상을 처리하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 관점 및 실시예는 첨부된 청구범위에 청구된 수소 회수 시스템, 진공 시스템, 전기화학 펌프 및 프로세스 가스로부터 수소를 회수하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 청구항 1에 따른 진공 시스템이 제공된다.
본 발명에 따르면, 프로세스 가스는 대기압 미만으로 공급된다. 수소 회수 시스템은 진공 시스템과 함께 사용된다. 진공 시스템의 프로세스 가스는 수소 회수 시스템에 공급된다. 프로세스 가스는 대기압보다 낮은 압력으로 수소 회수 시스템으로 배출된다. 프로세스 가스를 대기압 미만으로 배출함으로써, 진공 시스템의 전력 소모를 줄일 수도 있다. 진공 시스템에서 건식 펌프를 작동하기 위해 50% 이상의 전력 절감을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. 게다가, 극자외선(EUV) 시스템과 같은 수소 시스템에서는, 질소 퍼지 가스의 필요성을 줄이거나 제거할 수도 있다. 프로세스 가스는 700mbar, 600mbar, 500mbar, 400mbar, 300mbar 또는 200mbar 중 하나 이하의 압력으로 수소 회수 시스템에 공급될 수도 있다.
전기화학 펌프를 EUV 건식 펌프의 배기 장치에 연결하면, 진공 펌프의 배기 압력을 낮춰서, 예를 들면, 약 200mbar의 배출 출력으로 수소를 더 효율적으로 펌핑할 수 있다. 적어도 특정 실시예에서, 이는 전력 소모를 감소시키거나 질소 퍼지를 수행할 필요성을 제거할 수도 있다. 전기화학 펌프는 최종 스테이지로서 작동할 수도 있으며, 수소를 대기압 이상으로 압축하기 위해 작동할 수도 있다. 수소 회수 시스템에서 회수한 수소는 원하는 경우, 고객 수소 네트워크로 재활용할 수도 있다. 수소 회수 시스템은 진공 시스템에서 사용하기 전에 회수된 수소 가스를 건조하기 위한 건조기를 포함할 수도 있다.
프로세스 가스는 가스의 혼합물을 포함할 수도 있다. 프로세스 가스는 하나 이상의 다른 가스와 혼합될 수도 있는 수소를 포함한다. 사용 시에, 수소 회수 시스템은 프로세스 가스로부터 적어도 일부의 수소를 제거하도록 작동한다. 수소는 프로세스 가스로부터 제거되어서 예를 들면, 산업 프로세스에서 재사용될 수도 있다. 처리된 프로세스 가스는 저감 시스템으로 배출되는 폐가스일 수도 있다. 수소 회수 시스템은 프로세스 가스를 형성하는 수소의 적어도 80%를 제거할 수도 있다. 프로세스 가스는 진공 시스템으로부터 출력될 수도 있다. 진공 시스템은 예를 들면, 반도체 제조와 관련되는 산업 프로세스에 진공을 설정하기 위해 작동할 수도 있다. 예를 들어, 산업 프로세스는 극자외선(EUV) 리소그래피일 수도 있다.
전기화학 펌프는 전기화학 프로세스를 통해 수소를 펌핑하는 전기화학 수소 펌프(압축기)를 포함한다.
컨트롤러는 프로세스 가스로부터 수소 회수를 제어하기 위해 전기화학 펌프의 작동을 제어하도록 구성된다. 컨트롤러는 예를 들면, 직류(DC) 전력 공급 장치에 의해 전기화학 펌프에 공급되는 전류를 제어하도록 구성될 수도 있다. 컨트롤러는 적어도 하나의 애노드와 적어도 하나의 캐소드 사이의 전위차를 제어할 수도 있다. 컨트롤러는 멤브레인을 가로지르는 전기장 밀도를 제어할 수도 있다.
전기화학 펌프는 프로세스 가스에 존재하는 수소의 적어도 일부를 제거하도록 작동할 수 있다. 이에 의해, 프로세스 가스의 수소 함량이 감소된다. 폐가스는 애노드 격실에 수집된다. 폐가스는 전기화학 펌프에 공급되는 프로세스 가스보다 수소 함량이 낮은 가스를 포함한다. 폐가스는 저감 유닛으로 출력될 수도 있다.
프로세스 가스는 프로세스 가스 공급 압력으로 공급될 수도 있다. 프로세스 가스 공급 압력은 대기압보다 낮을 수도 있다(즉, 1바아 미만일 수도 있다).
수소 회수 시스템은 애노드 격실 유입구에서 애노드 격실 유입구 압력을 측정하기 위한 유입구 압력 센서를 포함할 수도 있다. 애노드 격실 유입구 압력은 프로세스 가스 공급 압력에 대응할 수도 있다. 유입구 압력 센서는 애노드 격실 유입구 압력을 나타내는 애노드 격실 유입구 압력 신호를 컨트롤러에 출력하도록 구성될 수도 있다. 대안적으로 또는 게다가, 수소 회수 시스템은 애노드 격실 유출구 압력을 측정하기 위한 유출구 압력 센서를 포함할 수도 있다. 유출구 압력 센서는 애노드 격실 유출구 압력을 나타내는 애노드 격실 유출구 압력 신호를 컨트롤러에 출력하도록 구성될 수도 있다.
수소는 캐소드 격실 유출구 압력으로 캐소드 격실로부터 배출될 수도 있다. 캐소드 격실 유출구 압력은 애노드 격실 유입구 압력보다 클 수도 있다. 캐소드 격실 유출구 압력은 대기압보다 클 수도 있다(예를 들면, 5bar 초과일 수도 있다). 캐소드 격실 유출구 압력은 8bar 이상일 수도 있다. 특정 실시예에서, 캐소드 격실 유출구 압력은 10bar보다 크거나 같을 수도 있다.
컨트롤러는 애노드 격실 유입구 압력 및 애노드 격실 유출구 압력 중 적어도 하나에 따라 전기화학 펌프의 작동을 제어하도록 구성될 수도 있다. 컨트롤러는 애노드 격실 유입구 압력 및 애노드 격실 유출구 압력을 사용하여, 전기화학 펌프의 애노드가 프로세스 가스로부터 과도한 수소를 추출하는 것을 방지하는데 도움이 될 수도 있다. 전기화학 펌프의 작동을 제어함으로써, 애노드에서 전기화학 프로세스의 효율을 유지할 수도 있다. 컨트롤러는 애노드 격실 유입구 압력과 애노드 격실 유출구 압력 사이의 압력 차이에 따라 전기화학 펌프의 작동을 제어하도록 구성될 수도 있다. 애노드 격실 유입구 압력과 애노드 격실 유출구 압력 사이의 압력차가 사전결정된 임계값 이상으로 증가하면, 컨트롤러는 전기화학 펌프에 공급되는 전류 및/또는 전압을 감소시킨다. 본 제어는 적어도 하나의 애노드에 수소를 적절히 공급하는 것을 보장하는데 도움이 된다.
컨트롤러는 전기화학 펌프에 대한 전류 설정치 및/또는 전압 설정치를 결정하도록 구성될 수도 있다. 전류 설정치 및/또는 전압 설정치는 애노드 격실 유입구 및 유출구 압력 중 적어도 하나에 따라 결정될 수도 있다. 컨트롤러는 애노드 격실 유입구 압력과 애노드 격실 유출구 압력 사이의 압력 차이에 따라 전기화학 펌프에 대한 전류 설정치 및/또는 전압 설정치를 결정하도록 구성될 수도 있다.
컨트롤러는 전기화학 펌프에 공급되는 전류 및/또는 전압을 증가 및 감소시키도록 선택적으로 구성될 수도 있다.
컨트롤러는 애노드 격실 유입구 압력 및 애노드 격실 유출구 압력 중 적어도 하나가 사전결정된 압력 임계값보다 작다는 결정에 따라 전기화학 펌프의 작동을 제어하도록 구성될 수도 있다. 컨트롤러는 애노드 격실 유입구 압력 및 애노드 격실 유출구 압력이 사전결정된 압력 임계값보다 낮다는 결정에 따라 전기화학 펌프의 작동을 제어하도록 구성될 수도 있다. 컨트롤러는 애노드 격실 유입구 압력 및 애노드 격실 유출구 압력 중 적어도 하나가 사전결정된 압력 임계값보다 작다는 결정에 따라 전기화학 펌프에 공급되는 전류 및/또는 전압을 감소시키도록 구성될 수도 있다. 컨트롤러는 전류 및/또는 전압을 사전결정된 양 또는 사전결정된 비율만큼 감소시킬 수도 있다. 예를 들어, 애노드 격실 유입구 및 유출구 압력이 압력 임계값 250mbar보다 작다는 결정에 따라 전기화학 펌프에 공급되는 전류가 1%만큼 감소될 수도 있다.
컨트롤러는 애노드 격실 유입구 압력 및 애노드 격실 유출구 압력 중 적어도 하나가 사전결정된 압력 임계값보다 크다는 결정에 따라 전기화학 펌프의 작동을 제어하도록 구성될 수도 있다. 컨트롤러는 애노드 격실 유입구 압력 및 애노드 격실 유출구 압력이 사전결정된 압력 임계값보다 크다는 결정에 따라 전기화학 펌프의 작동을 제어하도록 구성될 수도 있다. 컨트롤러는 애노드 격실 유입구 압력 및 애노드 격실 유출구 압력 중 적어도 하나가 사전결정된 압력 임계값보다 크다는 결정에 따라 전기화학 펌프에 공급되는 전류 및/또는 전압을 증가시키도록 구성될 수도 있다. 컨트롤러는 전류 및/또는 전압을 사전결정된 양 또는 사전결정된 비율만큼 증가시킬 수도 있다. 예를 들어, 애노드 격실 유입구 및 유출구 압력이 압력 임계값인 250mbar 초과라는 결정에 따라 전기화학 펌프에 공급되는 전류를 1%만큼 증가시킬 수도 있다.
컨트롤러는 하나 이상의 측정된 압력에 따라 수소 회수 시스템의 작동을 제어하는 것으로 설명되었다. 대안적으로 또는 게다가, 컨트롤러는 적어도 하나의 질량 유량에 따라 수소 회수 시스템의 작동을 제어하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 컨트롤러는 전기화학 펌프에 의해 회수된 수소의 질량 유량에 따라 전기화학 펌프에 공급되는 전류를 제어하도록 구성될 수도 있다. 다른 제어 기술도 고려된다.
수소 회수 시스템은 캐소드 격실로부터 수소의 질량 유량을 측정하기 위한 질량 유량계(MFM)를 포함할 수도 있다. 컨트롤러는 수소의 질량 유량에 따라 전기화학 펌프에 대한 전류 설정치를 결정하도록 구성될 수도 있다. 전류는 수소 회수 시스템의 정상 상태 작동을 유지하도록 제어될 수 있다. 베이스 전류는 전기화학 펌프로부터 출력되는 1개의 수소 분자당 입력되는 2개의 전자에 대응하는 값으로 결정될 수도 있다. 정상 상태 작동을 유지하기 위해 베이스 전류에 보충(이득) 전류를 추가할 수도 있다.
수소 회수 시스템은 애노드 격실 유출구와 유체 연통하는 보조 펌프를 포함할 수도 있다. 보조 펌프는 애노드 격실을 통해 프로세스 가스를 펌핑하도록 작동할 수도 있다. 보조 펌프는 캐소드 격실 유출구의 압력을 증가시키도록 작동할 수도 있다. 보조 펌프의 유출구 압력은 애노드 격실 유출구의 압력보다 클 수도 있다. 보조 펌프의 유출구 압력은 약 대기압(1bar)일 수도 있다. 컨트롤러는 수소 회수 시스템을 시동하는 동안 보조 펌프를 활성화하도록 구성될 수도 있다. 컨트롤러는 수소 회수 시스템의 정상 상태 작동 동안에 보조 펌프를 비활성화하도록 구성될 수도 있다.
수소 회수 시스템은 보조 펌프의 유입구 압력을 측정하기 위한 보조 펌프 유입구 압력 센서를 포함할 수도 있다. 컨트롤러는 보조 펌프의 유입구 압력에 따라 보조 펌프의 작동을 제어하도록 구성될 수도 있다. 컨트롤러는 보조 펌프의 유입구 압력이 사전결정된 상한 임계값보다 크다는 결정에 따라 프로세스를 재시작하도록 구성될 수도 있다. 수소 회수 프로세스의 재시작은 수소 회수 시스템의 상류측에 배치된 진공 펌프에 질소를 공급하는 것을 포함할 수도 있다.
수소 회수 시스템은 애노드 격실로부터 보조 펌프로의 폐가스 배출을 제어하기 위한 스로틀 밸브를 포함할 수도 있다. 컨트롤러는 애노드 격실 유출구 압력 또는 보조 펌프의 유입구 압력에 따라 스로틀 밸브를 제어하도록 구성될 수도 있다. 컨트롤러는 폐가스의 압력을 사전결정된 압력 설정치와 적어도 실질적으로 동일하게 유지하기 위해 스로틀 밸브를 제어하도록 구성될 수도 있다. 스로틀 밸브는 애노드 격실로부터의 폐가스의 유량을 증가 및 감소시키기 위해 선택적으로 조절할 수도 있다.
수소 회수 시스템은 애노드 격실을 통한 프로세스 가스의 펌핑을 용이하게 하기 위해 보조 펌프에 비활성 가스를 공급하는 공급 채널을 포함할 수도 있다.
수소 회수 시스템은 애노드 격실 유출구로부터 보조 펌프를 분리하도록 작동 가능한 적어도 하나의 밸브를 포함할 수도 있다. 적어도 하나의 밸브는 병렬 구성의 제 1 밸브와 제 2 밸브를 포함할 수도 있다.
컨트롤러는 보조 펌프를 작동하고, 불순물을 제거하기 위해 적어도 하나의 밸브를 선택적으로 개방하도록 구성될 수도 있다. 보조 펌프는 유입구 압력을 감소시키도록 작동될 수도 있다. 컨트롤러는 불순물을 퍼지하도록 적어도 하나의 밸브의 개방을 펄스할 수도 있다.
수소 회수 시스템은 보조 펌프를 선택적으로 바이패스하기 위한 제어(바이패스) 밸브를 포함할 수도 있으며, 컨트롤러는 수소 회수 시스템의 정상 상태 작동을 위해 보조 펌프를 바이패스하기 위해 제어 밸브를 작동하도록 구성된다. 제어 밸브는 3방향 밸브를 포함할 수도 있다.
수소 회수 시스템의 정상 상태 작동은 사전한정된 압력 또는 사전한정된 압력 범위 내에서의 작동에 대응할 수도 있다.
컨트롤러는 비활성 가스의 공급을 제어하도록 제어 신호를 출력하도록 구성될 수도 있다. 컨트롤러는 수소 회수 시스템의 정상 상태 작동 동안에 비활성 가스가 진공 시스템 내로 유입되는 것을 억제하기 위해 제어 신호를 출력하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 비활성 가스는 질소일 수도 있다. 적어도 특정 실시예에서, 수소 회수 시스템의 상류측의 프로세스 가스에 유입되는 질소의 양은 감소될 수도 있다.
수소 회수 시스템은 가스가 애노드 격실 유출구로부터 배출되는 속도를 제어하도록 작동 가능한 유량 제한기를 포함할 수도 있다. 유량 제한기는 데드헤드 실행을 활성화하는데 적용할 수 있다.
예를 들어, 진공 펌프는 건식 펌프일 수도 있다. 진공 시스템은 극자외선(EUV) 시스템일 수도 있다. EUV 시스템은 EUV 리소그래피와 같은 EUC 프로세스를 수행하도록 작동할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 청구항 16에 따른 전기화학 펌프를 사용하여 프로세스 가스로부터 수소를 회수하는 방법이 제공된다.
본 방법은 프로세스 가스로부터의 수소의 회수를 제어하도록 전기화학 펌프에 공급되는 전류를 제어하는 것을 포함할 수도 있다.
본 방법은 프로세스 가스로의 비활성 가스 공급을 제어하는 것을 포함할 수도 있다. 본 방법은 전기화학 펌프가 정상 상태 조건 하에서 작동할 때 프로세스 가스로의 비활성 가스의 유입을 억제하는 것을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 비활성 가스는 질소일 수도 있다. 적어도 특정 실시예에서, 수소 회수 시스템의 상류측의 프로세스 가스에 유입되는 질소의 양은 감소될 수도 있다.
본 명세서에 설명된 임의의 제어 유닛 또는 컨트롤러는 하나 이상의 전자 프로세서를 구비하는 계산 디바이스를 적절히 포함할 수도 있다. 본 시스템은 단일 제어 유닛 또는 전자 컨트롤러를 포함할 수도 있고, 또는 대안적으로, 컨트롤러의 상이한 기능은 상이한 제어 유닛 또는 컨트롤러에 구현되거나 호스팅될 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "컨트롤러" 또는 "제어 유닛"이라는 용어는 단일 제어 유닛 또는 컨트롤러와, 임의의 명시된 제어 기능을 제공하기 위해 집합적으로 작동하는 복수의 제어 유닛 또는 컨트롤러 둘 모두를 포함하는 것으로 이해된다. 컨트롤러 또는 제어 유닛을 구성하기 위해, 실행 시에 상기 제어 유닛 또는 계산 디바이스가 본 명세서에 명시된 제어 기술을 구현하게 하는 적절한 명령 세트가 제공될 수도 있다. 명령 세트는 상기 하나 이상의 전자 프로세서에 적합하게 내장될 수도 있다. 대안적으로, 명령 세트는 상기 계산 디바이스에서 실행되도록 상기 컨트롤러와 관련된 하나 이상의 메모리에 저장되는 소프트웨어로서 제공될 수도 있다. 제어 유닛 또는 컨트롤러는 하나 이상의 프로세서에서 실행되는 소프트웨어로 구현될 수도 있다. 하나 이상의 다른 제어 유닛 또는 컨트롤러는 하나 이상의 프로세서, 선택적으로는 제 1 컨트롤러와 동일한 하나 이상의 프로세서에서 실행되는 소프트웨어에서 구현될 수도 있다. 다른 적절한 배열이 사용될 수도 있다.
이제, 본 발명의 하나 이상의 실시예는 예로서만, 첨부 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 시동 모드에서 작동하는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 수소 회수 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 정상 상태에서 작동하는 도 1에 도시된 수소 회수 시스템의 개략도를 도시한다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 수소 회수 시스템의 작동을 제어하기 위한 컨트롤러의 개략도를 도시한다.
도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 수소 회수 시스템의 전기화학 펌프의 개략도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수소 회수 시스템의 작동의 개략도를 제공하는 제 1 블록도이다.
도 6은 시동 모드에서 작동하는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수소 회수 시스템의 개략도를 도시한다.
도 7은 정상 상태에서 작동하는 도 5에 도시된 수소 회수 시스템의 개략도를 도시한다.
이제, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 회수 시스템(1)이 첨부 도면을 참조하여 설명된다. 수소 회수 시스템(1)은 프로세스 가스의 혼합물로부터 수소 가스(H2)를 추출하도록 구성된다.
가스의 체적 유량은 표준 온도 및 압력 조건(STP)에서 가스의 분당 표준 리터(SLM 또는 SLPM)를 기준으로 본 명세서에 설명된다.
본 실시예의 수소 회수 시스템(1)은 진공 시스템(3)으로부터 배출되는 프로세스 가스로부터 수소를 회수하도록 구성된다. 프로세스 가스는 대기압보다 낮은 프로세스 가스 공급 압력에서 수소 회수 시스템(1)에 공급된다. 수소 회수 시스템(1)은 도 1에 도시된 바와 같은 시동 모드와 도 2에 도시된 바와 같은 정상 상태 모드에서 작동가능하다. 본 실시예의 진공 시스템(3)은 극자외선(EUV) 시스템이고 EUV 리소그래피와 같은 EUV 프로세스를 수행하기 위한 작업 챔버(도시되지 않음)에 진공을 설정하도록 구성된다. 진공 시스템(3)은 다른 적용에 사용될 수도 있다. 예를 들어, 진공 시스템(3)은 반도체 에칭 프로세스 또는 화학 기상 증착(CVD) 프로세스에 사용될 수도 있다. 수소 회수 시스템(1)은 진공 시스템(3) 내로 통합될 수도 있다. 본 실시예에서, 수소 회수 시스템(1)은 진공 시스템(3)에 연결된 개별 시스템이다.
진공 시스템(3)은 시스템 진공 펌프(5)를 포함한다. 진공 펌프(5)는 예를 들면, 건식 펌프일 수도 있다. 진공 펌프(5)는 진공 시스템(3)으로부터 프로세스 가스를 펌핑하기 위해 작동한다. 본 실시예의 진공 시스템(3)은 수소 가스에 따라 달라지는 EUV 시스템이다. 진공 시스템(3)의 진공 펌프(5)로부터 배출되는 결과적인 프로세스 가스는 주로 수소 가스로 구성된다. 그러나, EUV 시스템으로부터 배출되는 프로세스 가스는 다른 프로세스 가스로 오염될 수도 있다. 예를 들어, 프로세스 가스는 펌핑을 용이하게 하기 위해 진공 펌프(5)에 공급되는 질소를 포함할 수도 있다. 수소와 다른 프로세스 가스의 혼합물을 본 명세서에서는 "프로세스 가스"라고 한다. 본 실시예에서, 프로세스 가스는 1000SLM의 유량으로 수소 회수 시스템(1) 내로 도입된다. 본 실시예의 진공 펌프(5)는 펌핑을 용이하게 하기 위해, 질소(N2)와 같은 비활성 가스를 선택적으로 도입하기 위한 제 1 펌핑 가스 공급원(7)을 포함한다. 제 1 가스 공급 밸브(8)는 제 1 펌핑 가스 공급원(7)으로부터의 가스 공급을 제어하기 위해 제공된다. 제 1 펌핑 가스 공급원(7)은 질소(N2) 가스를 200SLM으로 진공 펌프(5) 내로 도입하도록 구성된다. 수소 회수 시스템(1)은 선택적으로 진공 펌프(5)로부터 배출된 프로세스 가스를 저장하기 위한 저장소(9)를 포함할 수도 있다. 저장소(9)는 도 1에 도시된 실시예에는 존재하지 않는다.
수소 회수 시스템(1)은 프로세스 가스로부터 수소를 추출하기 위한 전기화학 펌프(11)를 포함한다. 전기화학 펌프(11)는 전기화학 프로세스를 통해 수소를 펌핑하기 위한 전기화학 수소 펌프(압축기)이다. 전기화학 펌프(11)는 단일 스테이지 스택을 포함한다. 변형예에서, 전기화학 펌프(11)는 복수의 스테이지를 포함할 수도 있다. 전기화학 펌프(11)는 적어도 하나의 애노드(14)를 구비하는 애노드 격실(13), 적어도 하나의 캐소드(16)를 구비하는 캐소드 격실(15), 및 애노드 격실(13)과 캐소드 격실(15) 사이에 배치된 멤브레인(17)을 포함한다. 멤브레인(17)은 폴리머 멤브레인일 수도 있는 전기화학 멤브레인이다. 멤브레인(17)은 예를 들면, 폴리벤지미다졸(PBI) 멤브레인, 양성자-도핑 탄화수소 멤브레인, 고체산 멤브레인, 예를 들면, 인산이수소 세슘 멤브레인 또는 퍼플루오로술폰산계 멤브레인 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 멤브레인(17)은 나피온(TM)으로 구성될 수도 있다. 직류(DC) 전력 공급원(20)은 EC 펌프(11)에 전류 및 전압을 공급하기 위해 제공된다. 전기화학 펌프(11)의 개략도는 도 4에 도시된다. 변형예에서, 수소 회수 시스템(1)은 하나 초과의 애노드 격실(13) 및/또는 하나 초과의 캐소드 격실(15)을 포함할 수도 있다. 애노드 격실(13)은 진공 펌프(5)로부터 프로세스 가스를 수용하기 위한 애노드 격실 유입구(23)와, 수소 함량이 감소된 폐가스를 배출하기 위한 애노드 격실 유출구(25)를 포함한다. 폐가스는 애노드 폐기물이라고 할 수 있다. 캐소드 격실(15)은 프로세스 가스로부터 분리된 수소를 배출하기 위한 캐소드 격실 유출구(27)를 포함한다.
프로세스 가스는 애노드 격실 유입구 압력(ACP-IN)으로 전기화학 펌프(11)의 애노드 격실(13) 내로 유입된다. 폐가스는 애노드 격실 유출구 압력(ACP-OUT)으로 애노드 격실(13)로부터 배출된다. 전기화학 펌프(11)의 압력 강하를 감소시키기 위해, 통상 유동장 단면보다 더 큰 단면을 사용할 수도 있다. 가스 확산층은 유공성을 최대화하여 압력 강하를 최소화하도록 설계될 수도 있다. 전기화학 펌프(11)의 온도는 양성자 전도 멤브레인으로부터의 수분 증발을 최소화하기 위해, 통상 전기화학 펌프보다 더 낮게 작동할 수도 있다. 다량의 물이 증발하면, 가스 확산층과 촉매층으로의 수소 확산을 차단할 수도 있다. 전기화학 펌프(11)는 선택적으로 열교환기를 포함할 수도 있다. 열교환기는 예를 들면, 응축을 감소시키거나 방지하기 위해 멤브레인(17)의 냉각을 제공할 수도 있다. 적어도 하나의 애노드(14) 및/또는 적어도 하나의 캐소드(16)는 백금족 금속 입자 및 탄소-지지 백금족 금속 입자 중 하나를 포함할 수도 있다. 수소의 낮은 분압이 통상 전기화학 펌핑 시스템보다 더 쉽게 질량 전달 과전위를 생성하기 때문에, 상이한 애노드 촉매를 사용할 수도 있다. 가습 방식은 애노드 물 함량을 제한하기 위해 캐소드 물을 직접 주입하는 방식에 의존할 수도 있다.
제 1 제어 밸브(29)는 진공 펌프(5)로부터 전기화학 펌프(11)로 프로세스 가스를 선택적으로 공급하기 위해 제공된다. 제 1 제어 밸브(29)는 본 실시예에서 3방향 밸브를 포함한다. 제 1 제어 밸브(29)는 전기화학 펌프(11)의 애노드 격실 유입구(23) 또는 저감 유닛(31)에 프로세스 가스를 공급하기 위해 작동된다.
폐가스는 전기화학 펌프(11)로부터 애노드 격실 유출구(25)를 통해 배출된다. 본 실시예의 폐가스는 수소와 질소의 혼합물을 포함한다. 수소 성분은 200SLM의 유량을 가질 수도 있고, 질소 성분은 200SLM의 유량을 가질 수도 있다. 제 2 제어 밸브(33)는 전기화학 펌프(11)의 애노드 격실 유출구(25)로부터 배출되는 폐가스를 제어하기 위해 제공된다. 제 2 제어 밸브(33)는 본 실시예에서 3방향 밸브를 포함한다. 제 2 제어 밸브(33)는 애노드 격실 유출구(25)에 연결된 유출구 채널(35)에 배치된다. 제 2 제어 밸브(33)는 애노드 격실 유출구(25)를 보조 진공 펌프(37)에 연결하기 위해 선택적으로 작동할 수 있다. 제 2 제어 밸브(33)는 예를 들면, 정상 상태 작동 동안에, 보조 진공 펌프(37)를 바이패스하도록 구성될 수 있다. 보조 진공 펌프(37)는 애노드 격실 유출구(25)와 유체 연통하는 보조 진공 펌프 유입구(38)와, 저감 유닛(31)과 유체 연통하는 보조 진공 펌프 유출구(39)를 포함한다. 보조 진공 펌프(37)는 애노드 격실(13)을 통해 프로세스 가스를 펌핑하고, 폐가스를 저감 유닛(31)으로 펌핑하도록 작동한다. 대안적으로, 폐가스의 적어도 일부는 전기화학 펌프(11)를 통해 재순환되거나 추가 처리를 위해 다른 전기화학 펌프(11)로 공급될 수도 있다. 보조 진공 펌프(37)는 본 실시예에서 전용 펌프로 도시된다. 변형예에서, 수소 회수 시스템(1)은 진공 시스템(3)의 다른 진공 펌프 또는 관련 저감 시스템을 사용할 수도 있다. 이에 의해, 수소 회수 시스템(1)은 기존 진공 펌프에 "피기 백(piggy-back)"하여, 전기화학 펌프(11)를 통해 프로세스 가스를 펌핑할 수도 있다. 제 2 펌핑 가스 공급원(40)은 질소와 같은 비활성 가스를 보조 진공 펌프(37)에 선택적으로 공급하기 위해 제공된다. 제 2 가스 공급 밸브(41)는 제 2 펌핑 가스 공급원(40)으로부터 보조 진공 펌프(37)로의 가스 공급을 제어하기 위해 제공된다.
스로틀 밸브(43)는 보조 진공 펌프(37)의 유입구측에 제공되어서, 애노드 격실 유출구(25)에서의 폐가스의 압력을 제어한다. 스로틀 밸브(43)의 작동을 제어하기 위한 컨트롤러(45)가 제공된다. 본 실시예의 컨트롤러(45)는 비례 적분 미분(PID) 컨트롤러를 포함하지만, 다른 유형의 컨트롤러도 고려된다. 컨트롤러(45)는 애노드 격실 유출구 압력(ACP-OUT)을 측정하도록 구성된 유출구 압력 센서(47)로부터의 유출구 압력 신호(SP-OUT)를 수신한다. 컨트롤러(45)는 또한 선택적으로, 애노드 격실 유입구 압력(ACP-IN)을 측정하도록 구성된 유입구 압력 센서(본 실시예에는 도시되지 않음)로부터의 유입구 압력 신호(SP-IN)를 수신할 수도 있다. 컨트롤러(45)는 스로틀 밸브(43)를 제어하여 애노드 격실 유출구 압력(ACP-OUT)을 설정치(목표) 압력으로 유지하도록 구성된다. 본 실시예에서, 설정치 압력은 250mbar로 사전한정된다. 설정치 압력을 더 높거나 낮게 한정할 수도 있다. 컨트롤러(45)는 스로틀 밸브(43)를 선택적으로 개방 및 폐쇄하여, 애노드 격실 유출구 압력(ACP-OUT)을 설정치 압력과 적어도 실질적으로 동일하게 유지한다. 대안적으로, 컨트롤러(45)는 스로틀 밸브(43)를 제어하여, 애노드 격실 유출구 압력(ACP-OUT)을 목표 압력 범위 내로 유지할 수도 있다. 제 2 제어 밸브(33)는 선택적으로 작동하여, 애노드 격실 유출구(25)를 보조 진공 펌프(37)를 바이패스하기 위한 바이패스 채널(49)에 연결한다. 바이패스 채널(49)을 통해 가스의 일방향(one-way) 유동을 제공하기 위해 체크 밸브(51)가 제공된다. 바이패스 채널(49)은 폐가스 저감을 위해 저감 유닛(31)에 연결된다.
전기화학 펌프(11)는 프로세스 가스로부터 수소를 추출하고 압축하도록 작동한다. 수소는 캐소드 격실(15)에 배치된 적어도 하나의 캐소드(16)에서 수집된다. 수소는 전기화학 펌프(11)로부터 캐소드 격실 유출구(27)를 통해 배출된다. 수소는 캐소드 격실(15)에서 캐소드 격실 유출구 압력(CCP-OUT)으로 배출된다. 본 실시예에서, 수소는 캐소드 격실 유출구(27)로부터 유량 800SLM 및 캐소드 격실 유출구 압력(CCP-OUT) 약 135psi(931kPa)(약 120psig)로 배출된다. 유출구 채널(53)은 수소를 블렌더 박스(55)로 이송하기 위해 캐소드 격실 유출구(27)에 연결된다. 수소는 블렌더 박스(55)에 축적되며, 이후에 EUV 공정에 사용될 수도 있다. 블렌더 박스(55)에 수집된 수소의 순도가 너무 낮으면, 블렌더 박스(55)는 저감 유닛(31)에 연결될 수도 있다. 블렌더 박스(55)의 수소는 선택적으로 외부 공급원으로부터 보충될 수도 있으며, 예를 들면, EUV 공정에 적절한 공급을 유지하기 위해 보충될 수도 있다.
수소 회수 시스템(1)은 컨트롤러(59)를 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 컨트롤러(59)는 적어도 하나의 전자 프로세서(60)와 메모리 디바이스(61)를 포함하는 전자 제어 유닛(ECU)이다. 적어도 하나의 전자 프로세서(60)는 메모리 디바이스(61)에 저장된 일련의 계산 명령을 실행하여 본 명세서에 설명된 방법(들)을 수행하도록 구성된다. 전자 프로세서(60)는 하나 이상의 센서 신호를 수신하기 위한 적어도 하나의 전기 입력부(62)와, 하나 이상의 제어 신호(CS-n)를 출력하기 위한 적어도 하나의 전기 유출부(63)를 구비한다. 전기화학 펌프(11)의 작동을 제어하기 위한 컨트롤러(59)가 제공된다. 특히, 컨트롤러(59)는 전원 공급 장치(20)에 의해 전기화학 펌프(11)의 전극에 공급되는 전류 및/또는 전압을 제어하도록 구성된다. 컨트롤러(59)는 전기화학 펌프(11)의 전류 설정치 및/또는 전압 설정치를 결정하도록 구성된다. 컨트롤러(59)는 전기화학 펌프(11)에 공급되는 전류가 결정된 전류 설정치와 적어도 실질적으로 동일하도록 전원 공급 장치(20)를 제어한다. 대안적으로, 컨트롤러(59)는 전기화학 펌프(11)에 공급되는 전압이 결정된 전압 설정치와 적어도 실질적으로 동일하도록 전원 공급 장치(20)를 제어한다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 컨트롤러(59)는 수소 회수 시스템(1)의 하나 이상의 작동 파라미터에 따라 전류 설정치 및/또는 전압 설정치를 증가시키거나 감소시킬 수도 있다. 컨트롤러(59)는 또한 제 1 제어 밸브(29), 제 2 제어 밸브(33) 및 보조 진공 펌프(37)를 제어하도록 구성된다. 컨트롤러(59)는 진공 펌프(5) 및 보조 진공 펌프(37) 중 적어도 하나에 질소 공급을 제어하도록 구성된다.
사용 시에, 진공 펌프(5)는 대기압 이하(예를 들면, 200mbar 또는 300mbar 이하)에서 가스를 배출하도록 구성된다. 이는 대응하는 펌프가 일반적으로 대기압으로 배출되도록 구성되는 종래기술 배열과 대조적이다. 전기화학 펌프(11)는 추가(최종) 펌프 스테이지로서 작동하고, 진공 펌프(5)로부터 배출되는 프로세스 가스에 존재하는 수소를 추출한다. 전기화학 펌프(11)는 프로세스 가스로부터 추출된 수소를 압축하기 위해 작동한다. 적어도 특정 실시예에서, 전기화학 펌프(11)는 수소를 대기압 이상의 압력으로 압축할 수도 있다.
컨트롤러(59)는 시동 모드와 정상 상태 모드에서 작동하도록 수소 회수 시스템(1)을 제어하도록 구성된다. 시동 모드는 진공 시스템(3)이 작동하는 동안에 시작할 수도 있고, 또는 진공 시스템(3)이 활성화되기 전에 시작할 수도 있다. 시동 모드는 전기화학 펌프(11)에 전력을 공급하는 것을 포함한다. 적어도 하나의 애노드(14)와 적어도 하나의 캐소드(16) 사이에 전위차가 설정된다. 컨트롤러(59)는 전기화학 펌프(11)의 작동을 제어하도록 전류 설정치를 제어한다. 컨트롤러(59)는 진공 시스템(3)으로부터 전기화학 펌프(11)의 애노드 격실(13) 내로 프로세스 가스를 지향시키도록 제 1 제어 밸브(29)를 구성한다. 컨트롤러(59)는 보조 진공 펌프(37)를 활성화하고, 진공 시스템(3)의 폐가스를 보조 진공 펌프(37)로 지향시키도록 제 2 제어 밸브(33)를 구성한다. 보조 진공 펌프(37)는 전기화학 펌프(11)를 통해 프로세스 가스를 펌핑하기 위해 작동한다. 폐가스는 애노드 격실(13)로부터 배출되고 저감 유닛(31)으로 펌핑된다. 본 실시예의 컨트롤러(59)는 시동 모드 동안 진공 펌프(5)에 질소를 공급하도록 구성된다. 질소는 예를 들면, 200SLM의 유량으로 공급될 수도 있다.
컨트롤러(59)는 애노드 격실 유출구 채널(35)의 압력이 사전결정된 설정치에 도달하고, 및/또는 적어도 실질적으로 일정할 때(즉, HRC(1)가 정상 상태 조건에서 작동할 때) 시동 모드가 완료된 것으로 결정한다. 본 실시예에서, 컨트롤러(59)는 애노드 격실 유출구 채널(35)의 압력이 250mbar 미만인 경우 시동 모드가 완료된 것으로 결정한다. 본 결정에 따라, 컨트롤러(59)는 정상 상태 모드에서 작동으로 전환된다. PID 컨트롤러(45)는 애노드 격실 유출구(25)의 압력을 설정치 압력과 적어도 실질적으로 동일하게 유지하도록 스로틀 밸브(43)를 제어한다. 본 실시예에서, 설정치 압력은 250mbar로 한정된다. 설정치 압력은 250mbar보다 크거나 작을 수도 있다. 컨트롤러(59)는 유출구 압력 센서(47)로부터의 유출구 압력 신호(SP-OUT)가 애노드 격실 유출구 압력(ACP-OUT)이 설정치 압력(예를 들면, 250mbar) 미만임을 나타낼 때, 제 1 펌핑 가스 공급원(7)으로부터의 질소 공급을 감소시키거나 중단하도록 제 1 가스 공급 밸브(8)를 적어도 부분적으로 폐쇄하도록 구성된다. 컨트롤러(59)는 선택적으로 보조 진공 펌프(37)에 질소를 공급하도록 구성될 수도 있다. 본 실시예에서, 질소는 50SLM의 유량으로 보조 진공 펌프(37)에 공급된다. 보조 진공 펌프(37)는 약 250SLM의 유량으로 정상 상태 펌핑을 달성하거나 유지하도록 작동한다. 보조 진공 펌프(37)의 유출구 압력은 대기압과 적어도 실질적으로 동일할 수도 있다. 폐가스는 저감을 위해 저감 유닛(31)으로 펌핑된다.
전기화학 펌프(11)는 진공 펌프(5)로부터 배출되는 프로세스 가스에 존재하는 수소 중 적어도 일부를 추출한다. 추출된 수소는 적어도 하나의 캐소드(16)에서 수집되어서 캐소드 격실(15)에 축적된다. 전기화학 펌프(11)는 프로세스 가스로부터 추출된 수소를 가압하도록 작동한다. 수소는 캐소드 격실(15)로부터 캐소드 격실 유출구(27)를 통해 배출되어서 블렌더 박스(55)에 수집된다. 본 실시예에서, 수소는 800SLM의 유량과, 약 135psi(931kPa)(약 120psig)의 캐소드 격실 유출구 압력(CCP-OUT)을 갖는다.
본 실시예에 따른 수소 회수 시스템(1)은 진공 펌프(5)의 필요한 출력 압력을 감소시키고, 이에 의해 펌프 효율 및 전력 절감을 향상시킬 수도 있다. 예로서, 펌프당 2kW의 전력 절감이 달성될 수도 있다. 진공 시스템(3)은 복수의 펌프, 예를 들면, 5개의 진공 펌프를 포함할 수도 있다. 전력 절감은 각 펌프에 따라 이용가능할 수도 있다. 전기화학 펌프(11)는 질소 불순물이 거의 또는 전혀 없는 고순도의 수소를 회수할 수도 있다. 적어도 특정 실시예에서, 수소 회수 시스템(1)은 EUV 시스템으로 도입된 수소의 약 80% 내지 100%를 회수할 수도 있다.
이제, 수소 회수 시스템(1)을 사용하여 프로세스 가스로부터 수소를 회수하는 방법이 도 5에 도시된 제 1 블록 다이어그램(100)을 참조하여 설명된다. 컨트롤러(59)는 본 명세서에 설명된 방법(들)을 실행하도록 구성된다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 수소 회수 시스템(1)은 애노드 격실(13)과 캐소드 격실(15)을 갖는 전기화학(수소) 펌프(11)를 포함한다. 멤브레인(17)은 애노드 격실(13)과 캐소드 격실(15) 사이에 배치된다. 본 방법은 진공 시스템(3)의 진공 펌프(5)로부터 프로세스 가스를 배출하는 것을 포함한다(블록(105)). 질소와 같은 비활성 가스는 선택적으로 프로세스 가스의 펌핑을 용이하게 하기 위해 진공 펌프(5) 내로 도입될 수도 있다(블록(110)). 전기화학 펌프(11)의 유출구측에 배치된 보조 진공 펌프(37)가 활성화된다. 예를 들어, 진공 시스템(3)은 극자외선(EUV) 시스템(3)일 수도 있다. 제 1 제어 밸브(29)는 프로세스 가스를 전기화학 펌프(11) 내로 도입하도록 구성된다(블록(115)). 제 2 제어 밸브(33)는 전기화학 펌프(11)로부터 보조 펌프(37)로 폐가스를 지향시키도록 구성된다(블록(120)). 보조 펌프(37)가 활성화된다(블록(125)). 보조 펌프(37)는 전기화학 펌프(11)의 애노드 챔버(13)를 통해 프로세스 가스를 펌핑한다(블록(125)). 스로틀 밸브(45)는 보조 펌프(37)로의 폐가스 공급을 제어하도록 선택적으로 작동될 수도 있다(블록(130)). 스로틀 밸브(45)는 보조 펌프(37)에 공급되는 폐가스에 대한 설정치 압력을 유지하도록 제어될 수도 있다. 보조 펌프(37)는 폐가스를 저감 유닛(31)으로 펌핑한다(블록(135)). 전기화학 펌프(11)는 프로세스 가스에 존재하는 수소 가스의 적어도 일부를 필터링하도록 작동한다(블록(140)). 회수된 수소는 캐소드 격실(15)로부터 예를 들면, 저장용 저장소(블렌더 박스(55))로 배출된다(블록(145)). 본 방법은 선택적으로 프로세스 가스로부터 수소의 회수를 제어하도록 전기화학 펌프(11)에 공급되는 전류 및/또는 전압을 제어하는 것을 포함할 수도 있다. 전기화학 펌프(11)의 폐가스가 사전결정된 압력 임계값(예를 들면, 250mbar) 미만의 애노드 격실 유출구 압력(ACP-OUT)으로 보조 펌프(37)에 출력되면, 진공 펌프(5)로의 질소 공급이 정지된다(블록(150)). 압력 임계값은 수소 회수 시스템(1)의 정상 상태 작동에 대응하도록 한정될 수도 있다.
정상 상태 작동 동안에, 제 2 제어 밸브(33)는 보조 펌프(37)를 바이패스하도록 구성된다(블록(155)). 수소 회수 시스템(1)의 정상 상태 작동 동안에 보조 펌프(37)의 작동 속도는 감소될 수도 있고, 또는 보조 펌프(37)는 정지될 수도 있다(블록(160)). 애노드 격실(13)로부터의 폐가스는 저감 유닛(31)으로 직접 보내진다(블록(165)). 체크 밸브(51)는 전기화학 펌프(11)로의 폐가스의 복귀를 적어도 실질적으로 억제할 수도 있다(블록(170)). 본 방법은 예를 들어, 애노드 격실(13)로부터 배출되는 폐가스의 압력이 사전결정된 임계값보다 크거나 작은 경우 펌핑 공정을 재시작하는 것을 포함할 수도 있다(블록(175)). 본 방법은 퍼지 작동을 수행하기 위해 보조 펌프(37)로의 폐가스의 공급을 선택적으로 제어하는 것을 포함할 수도 있으며, 이는 예를 들어, 보조 펌프(37)가 작동하는 동안 폐기물 가스의 간헐적 공급을 제공하도록 제어 밸브를 펄싱(pulsing)하는 것을 포함한다. 진공 시스템(3)이 운전정지되면 수소 회수 프로세스가 중지된다(블록(180)).
본 방법은 전기화학 펌프(11)에 공급되는 전류를 선택적으로 증가 및 감소시키는 것을 포함할 수도 있다. 본 방법은 전기화학 펌프(11)의 애노드 격실 유입구 압력(ACP-IN) 및 애노드 격실 유출구 압력(ACP-OUT) 중 적어도 하나가 사전결정된 압력 임계값 미만이라는 결정에 따라, 전기화학 펌프(11)에 공급되는 전류를 감소시키는 것을 포함할 수도 있다. 본 방법은 전기화학 펌프(11)의 애노드 격실 유입구 압력(ACP-IN) 및 애노드 격실 유출구 압력(ACP-OUT) 중 적어도 하나가 사전결정된 압력 임계값보다 크다는 결정에 따라 전기화학 펌프(11)에 공급되는 전류를 증가시키는 것을 포함할 수도 있다.
이제 도 6 내지 도 7을 참조하여, 수소 회수 시스템(1)의 작동 방법을 설명한다. 본 실시예에 따른 수소 회수 시스템(1)은 도 1 및 도 2에 도시된 실시예의 개발예이다. 유사한 도면부호는 유사한 구성요소에 사용된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 수소 회수 시스템(1)은 진공 시스템(3)으로부터 배출된 프로세스 가스를 축적하기 위한 저장소(9)를 포함한다. 수소 회수 시스템(1)은 애노드 격실 유입구(23)에서 애노드 격실 유입구 압력(ACP-IN)을 측정하기 위한 유입구 압력 센서(65)를 포함한다. 유입구 압력 센서(65)는 유입구 압력 신호(SP-IN)를 컨트롤러(59)로 출력한다. 유출구 압력 센서(67)는 애노드 격실 유출구(27)에서 애노드 격실 유출구 압력(ACP-OUT)을 측정하기 위해 제공된다. 유출구 압력 센서(67)는 유출구 압력 신호(SP-OUT)를 컨트롤러(59)로 출력한다. 컨트롤러(59)는 애노드 격실 유입구 압력(ACP-IN) 및 애노드 격실 유출구 압력(ACP-OUT) 중 적어도 하나에 따라 전기화학 펌프(11)의 작동을 제어하도록 구성된다.
컨트롤러(59)는 애노드 격실 유입구 압력(ACP-IN) 및 애노드 격실 유출구 압력(ACP-OUT)이 사전결정된 제 1 압력 임계값 미만이라는 결정에 따라 전기화학 펌프(11)에 공급되는 전류를 감소시키도록 구성된다. 본 실시예의 제 1 압력 임계값은 250mbar이다. 제 1 압력 임계값이 250mbar보다 크거나 작을 수도 있음이 이해된다. 컨트롤러(59)는 애노드 격실 유입구 압력(ACP-IN) 및 애노드 격실 유출구 압력(ACP-OUT) 둘 모두가 사전결정된 제 1 압력 임계값보다 작다는 결정에 따라 전기화학 펌프(11)에 공급되는 전류를 사전결정된 비율, 예를 들면, 1%만큼 감소시키도록 구성된다.
컨트롤러(59)는 애노드 격실 유입구 압력(ACP-IN) 및 애노드 격실 유출구 압력(ACP-OUT)이 사전결정된 제 2 압력 임계값보다 크다는 결정에 따라 전기화학 펌프(11)에 공급되는 전류를 증가시키도록 구성된다. 본 실시예의 제 2 압력 임계값은 250mbar이다. 제 2 압력 임계값은 250mbar보다 크거나 작을 수 있음이 이해된다. 컨트롤러(59)는 애노드 격실 유입구 압력(ACP-IN) 및 애노드 격실 유출구 압력(ACP-OUT) 둘 모두가 사전결정된 제 1 압력 임계값보다 크다는 결정에 따라 전기화학 펌프(11)에 공급되는 전류를 소정의 비율, 예를 들면, 1%만큼 증가시키도록 구성된다.
본 실시예의 애노드 격실 유출구 채널(35)은 애노드 격실 유출구(25)에 연결된 유출구 채널(35)에 배치된 제 1 및 제 2 유출구 제어 밸브(69, 71)를 포함한다. 본 실시예에서, 제 1 및 제 2 유출구 제어 밸브(69, 71)는 제 2 제어 밸브(33)와 스로틀 밸브(43) 사이에 배치된다. 유출구 채널(35) 내의 제 1 및 제 2 유출구 제어 밸브(69, 71)의 위치가 다양할 수도 있음이 이해된다. 제 1 및 제 2 유출구 제어 밸브(69, 71)는 본 실시예에서 공압 밸브를 각각 포함한다. 솔레노이드 밸브와 같은 다른 유형의 밸브를 사용할 수도 있다. 제 1 및 제 2 유출구 제어 밸브(69, 71)는 서로 병렬로 배열된다. 제 1 및 제 2 유출구 제어 밸브(69, 71)의 작동은 컨트롤러(59)에 의해 제어될 수 있다. 유량 제한기(73)는 제 2 유출구 제어 밸브(71)와 직렬로 제공된다. 유량 제한기(73)는 수소 회수 시스템(1)의 데드헤드 작동(deadheaded running)을 가능하게 한다.
원하는 작동 압력(예를 들면, 250mbar)에 도달한 후, 진공 펌프(5)로의 질소 공급이 차단될 수도 있다. 이러한 작동 조건 하에서, 진공 펌프(5)를 통해 배출되는 가스는 적어도 실질적으로 순수한 수소이다. 본 상태에서는, 애노드 격실(13)의 배출구는 완전히 폐쇄될 수 있다. 본 실시예의 애노드 격실(13)은 제 1 및 제 2 유출구 제어 밸브(69, 71)를 폐쇄함으로써 폐쇄될 수도 있다. 대안적으로, 또는 게다가, 개별 전용 온/오프 밸브(도시되지 않음)는 애노드 격실(13)의 유출구를 폐쇄하도록 제공될 수도 있다. 전기화학 펌프(11) 내부의 압력이 증가하기 시작한다. 컨트롤러(59)는 진공 펌프(5)로부터의 유입되는 모든 수소가 전기화학 멤브레인(17)을 통해 이송되는 정상 상태 조건에 도달할 때까지, 전기화학 펌프(11)에 공급되는 전류 및/또는 전압을 비례적으로 증가시킨다. 전기화학 펌프(11)에서 나오는 매우 순수한 수소는 비활성 가스 성분의 빠른 축적을 방지한다. 때때로, 미량의 질소와 같은 비활성 성분이 최종적으로 축적되는 것으로 인해 애노드 격실(13)의 통기/퍼지가 필요할 수도 있다. 이는 제 1 및 제 2 유출구 제어 밸브(69, 71)를 일시적으로 개방하고 수소(및 미량의 비활성 성분)의 일시적인 유동이 애노드 격실(13)에서 공정 폐가스 라인 내로 흐르도록 허용함으로써 달성된다. 이 모드의 이점은 진공 펌프 수소의 거의 100%를 포집하여 전기화학 펌프(11)의 캐소드 격실(15) 내로 가압된다는 것이다. 그 다음에, 원래의 상류측 프로세스로 다시 재활용하여 수소의 “폐쇄 루프”를 만들 수 있다. 수소 공급에는 토핑 오프(topping off)가 필요할 수도 있지만, 적어도 특정 실시예에서는, 이러한 토핑이 감소된다. 본 발명의 특정 관점에 따른 수소 회수 시스템(1)은 수소 생산의 물류, 비용 및/또는 환경 영향을 단순화할 수도 있다.
캐소드 격실(15)로부터 수소의 질량 유량을 측정하기 위한 질량 유량계(MFM)(75)가 제공된다. MFM(75)은 컨트롤러(59)에 유량 신호(SMF)를 출력한다. 본 실시예에서는, MFM(75)은 블렌더 박스(55)에 배치된다. MFM(75)은 예를 들면, 캐소드 격실(15)의 유출구에서 블렌더 박스(55)와 분리될 수 있다. 컨트롤러(59)는 수소의 질량 유동에 따라 전기화학 펌프(11)의 전류 설정치를 결정하도록 구성된다. 수소 회수 시스템(1)의 정상 상태 작동을 유지하기 위해 전류 설정치를 결정할 수 있다. 전류 설정치는 전기화학 펌프(11)로부터 원하는 수소 유량을 제공하도록 결정될 수도 있다. 전류 설정치는 기본(정상 상태) 전류와 전류 "이득(gain)"의 합에 대응할 수도 있다. 수소 회수 시스템(1)의 정상 상태 작동을 위한 베이스 전류는 펌핑된 각 1개 수소 분자당 입력된 2개 전자의 질량 유량 측정값에 대응한다. 전류 '이득'은 베이스 전류에 중첩될 수도 있다. 전류 "이득"은 애노드 격실 유입구(23) 및/또는 애노드 격실 유출구(25)에서 측정된 압력에 따라 결정될 수도 있다. 애노드 격실 유입구(23) 및/또는 애노드 격실 유출구(25)에서 측정된 압력은 사전결정된 목표 압력과 비교할 수도 있다. 대안적으로, 또는 게다가, 애노드 격실 유입구(23)와 애노드 격실 유출구(25)에서 측정된 압력은 예를 들면, 압력 차이를 결정하기 위해 서로 비교될 수도 있다. 컨트롤러(59)는 애노드 격실 유입구(23) 및 애노드 격실 유출구(25)에서 측정된 압력 중 적어도 하나가 사전결정된 압력 임계값(예를 들면, 250mbar) 미만인 경우, 전류 '이득'을 1%만큼 증가시키도록 구성될 수도 있다. 컨트롤러(59)는 애노드 격실 유입구(23) 및 애노드 격실 유출구(25)에서 측정된 압력 중 적어도 하나가 사전결정된 압력 임계값(예를 들면, 250mbar) 초과인 경우, 전류 '이득'을 1%만큼 감소시키도록 구성될 수도 있다.
수소 회수 시스템(1)은 스로틀 밸브(43)의 작동을 제어하기 위한 컨트롤러(45)를 포함한다. 보조 펌프 유입구 압력 센서(75)는 보조 진공 펌프(37)의 유입구 압력을 측정하도록 제공된다. 스로틀 밸브(43)는 보조 진공 펌프(37)의 측정된 유입구 압력에 따라 제어된다. 컨트롤러(59)는 보조 진공 펌프(37)의 유입구에서 측정된 압력에 따라 보조 진공 펌프(37)의 작동을 제어하도록 구성된다. 본 실시예에서, 컨트롤러(59)는 보조 진공 펌프(37)의 유입구에서 측정된 압력이 사전결정된 상한 임계값(예를 들면, 500mbar)보다 크다는 결정에 따라 수소 회수 프로세스를 재시작하도록 구성된다. 수소 회수 시스템(1)을 재시작하는 것은 진공 펌프(5)에 질소를 공급하도록 제 1 펌핑 가스 공급원(7)을 제어하는 것, 및/또는 보조 진공 펌프(37)에 질소를 공급하도록 제 2 펌핑 가스 공급원(40)을 제어하는 것을 포함할 수도 있다.
수소 회수 시스템(1)의 작동은 보조 진공 펌프(37) 및/또는 관련 채널에 불순물이 축적되게 할 수도 있다. 본 실시예의 컨트롤러(59)는 축적된 불순물을 폐기물로 배출하기 위한 퍼지 프로세스를 구현하도록 구성된다. 컨트롤러(59)는 제 1 및 제 2 유출구 제어 밸브(69, 71)를 폐쇄하고 보조 진공 펌프(37)를 활성화한다. 제 1 및 제 2 유출구 제어 밸브(69, 71) 중 적어도 하나는 펄스 개방되어서 폐가스를 보조 진공 펌프(37)로 유입하여 축적된 불순물을 폐기물로 퍼지할 수도 있다.
사용 시에, 컨트롤러(59)는 도 7에 개략적으로 도시된 바와 같이, 수소 회수 시스템(1)이 정상 상태에서 작동할 때 제 1 및 제 2 유출구 제어 밸브(69, 71)를 폐쇄하도록 구성된다. 컨트롤러(59)는 MFM(75)에 의해 측정된 질량 유량에 따라 전기화학 펌프(11)의 전류 설정치를 계속 결정할 수도 있다. 정상 상태 작동 동안, 컨트롤러(59)는 측정된 질량 유량, 및 애노드 격실 유입구 압력(ACP-IN) 및 애노드 격실 유출구 압력(ACP-OUT) 중 적어도 하나에 따라 전기화학 펌프(11)에 공급되는 전류를 제어할 수도 있다. 예를 들어, 컨트롤러(59)는 측정된 질량 유량 및 애노드 격실 유입구 압력(ACP-IN)에 따라 전기화학 펌프(11)에 공급되는 전류를 제어할 수도 있다. 정상 상태 작동 동안에, 컨트롤러(59)는 보조 진공 펌프(37)를 비활성화할 수도 있다.
본 출원의 범위를 일탈하는 일 없이 본 발명에 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 캐소드 격실 유출구(27)에 압력 센서가 제공될 수도 있다. 컨트롤러(59)는 캐소드 격실 유출구(27)에서 측정된 압력에 따라 전기화학 펌프(11)의 전류 설정치를 제어하도록 구성될 수도 있다. 특정 실시예에서, 보조 진공 펌프(37)는 생략될 수도 있다.
수소 회수 시스템(1)은 선택적으로 회수된 수소 가스를 건조하기 위한 건조기를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 건조기는 수소가 진공 시스템(3) 내로 재유입될 수 있도록 건조 작동을 수행할 수도 있다.
본 발명은 특히 대기압 미만으로 공급되는 프로세스 가스로부터 수소를 추출하는 것과 관련하여 설명되었다. 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법(들)은 대기압 이상의 압력으로 공급되는 프로세스 가스로부터 수소를 회수하는데 사용될 수도 있음을 이해할 것이다.
블록 다이어그램 라벨
1: 수소 회수 시스템(HRS)
3: 진공 시스템
5: 진공 펌프
7: 제 1 펌핑 가스 공급원
8: 제 1 가스 공급 밸브
9: 저장소(버퍼 탱크)
11: 전기화학 펌프
13: 애노드 격실
14: 애노드
15: 캐소드 격실
16: 캐소드
17: 멤브레인
19: (DC) 전원 공급 장치
23: 애노드 격실 유입구
25: 애노드 격실 유출구
27: 캐소드 격실 유출구
29: 제 1 제어 밸브
31: 저감 유닛
33: 제 2 제어 밸브
35: 유출구 채널
37: 보조 진공 펌프
38: 보조 진공 펌프 유입구
39: 보조 진공 펌프 유출구
40: 제 2 펌핑 가스 공급원
41: 제 2 가스 공급 밸브
43: 스로틀 밸브
45: 스로틀 밸브 컨트롤러
47: 유출구 압력 센서
49: 바이패스 채널
51: 체크 밸브
53: 캐소드 격실 유출구 채널
55: 블렌더 박스
59: 컨트롤러
60: 프로세서
61: 메모리 디바이스
62: 전기 입력부
63: 전기 출력부
65: 유입구 압력 센서
67: 유출구 압력 센서
69: 제 1 유출구 제어 밸브
71: 제 2 유출구 제어 밸브
73: 유량 제한기
75: 질량 유량계
77: 보조 펌프 압력 센서

Claims (18)

  1. 진공 시스템에 있어서,
    프로세스 가스로부터 수소를 추출하기 위한 수소 회수 시스템과,
    상기 프로세스 가스를 대기압 미만으로 상기 수소 회수 시스템에 공급하도록 작동 가능한 진공 펌프를 포함하며,
    상기 수소 회수 시스템은,
    프로세스 가스에서 발생하는 수소 중 적어도 일부를 추출하기 위한 전기화학 펌프로서, 상기 전기화학 펌프는 적어도 하나의 애노드를 구비하는 애노드 격실과, 적어도 하나의 캐소드를 구비하는 캐소드 격실과, 상기 애노드 격실과 상기 캐소드 격실 사이에 배치된 멤브레인을 포함하는, 상기 전기화학 펌프와,
    상기 전기화학 펌프의 작동을 제어하기 위한 컨트롤러와,
    상기 프로세스 가스를 상기 애노드 격실 내로 유입하기 위한 애노드 격실 유입구와,
    상기 애노드 격실로부터 폐가스를 배출하기 위한 애노드 격실 유출구와,
    상기 프로세스 가스로부터 추출된 수소 가스를 배출하기 위한 캐소드 격실 유출구를 포함하는
    진공 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드 격실 유입구에서 애노드 격실 유입구 압력(ACP-IN)을 측정하기 위한 제 1 압력 센서와, 상기 애노드 격실 유출구에서 애노드 격실 유출구 압력(ACP-OUT)을 측정하기 위한 제 2 압력 센서를 포함하며, 상기 컨트롤러는 상기 애노드 격실 유입구 및 유출구 압력(ACP-IN, ACP-OUT) 중 적어도 하나에 따라 상기 전기화학 펌프의 작동을 제어하도록 구성되는
    진공 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 애노드 격실 유입구 압력 및 상기 애노드 격실 유출구 압력(ACP-IN, ACP-OUT) 사이의 압력 차이에 따라 상기 전기화학 펌프의 작동을 제어하도록 구성되는
    진공 시스템.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 애노드 격실 유입구 압력 및 상기 애노드 격실 유출구 압력 중 적어도 하나가 사전결정된 압력 임계값보다 작다는 결정에 따라 상기 전기화학 펌프에 공급되는 전류 및/또는 전압을 감소시키도록 구성되는
    진공 시스템.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 애노드 격실 유입구 압력 및 상기 애노드 격실 유출구 압력 중 적어도 하나가 사전결정된 압력 임계값보다 크다는 결정에 따라 상기 전기화학 펌프에 공급되는 전류 및/또는 전압을 증가시키도록 구성되는
    진공 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드 격실로부터의 수소의 질량 유량을 측정하기 위한 질량 유량계를 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 수소의 질량 유량에 따라 상기 전기화학 펌프에 대한 전류 설정치를 결정하도록 구성되는
    진공 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 격실 유출구와 유체 연통하는 보조 펌프를 포함하고,
    상기 보조 펌프는 상기 애노드 격실을 통해 상기 프로세스 가스를 펌핑하도록 작동 가능한
    진공 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 보조 펌프의 유입구 압력을 측정하기 위한 보조 펌프 유입구 압력 센서를 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 보조 펌프의 유입구 압력에 따라 상기 보조 펌프의 작동을 제어하도록 구성되는
    진공 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 보조 펌프의 유입구 압력이 사전결정된 상한 임계값보다 크다는 결정에 따라 상기 프로세스를 재시작하도록 구성되는
    진공 시스템.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 격실로부터 상기 보조 펌프로의 폐가스의 배출을 제어하기 위한 스로틀 밸브를 포함하는
    진공 시스템.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 격실을 통한 상기 프로세스 가스의 펌핑을 용이하게 하기 위해 상기 보조 펌프에 비활성 가스를 공급하기 위한 가스 공급원을 포함하는
    진공 시스템.
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 격실 유출구로부터 상기 보조 펌프를 분리하도록 작동 가능한 적어도 하나의 밸브를 포함하는
    진공 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 보조 펌프를 작동하고, 불순물을 퍼지하기 위해 상기 적어도 하나의 밸브 중 하나 이상을 선택적으로 개방하도록 구성되는
    진공 시스템.
  14. 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보조 펌프를 선택적으로 바이패스하기 위한 제어 밸브를 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 수소 회수 시스템의 정상 상태 작동을 위해 상기 보조 펌프를 바이패스하도록 상기 제어 밸브를 작동하도록 구성되는
    진공 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 수소 회수 시스템의 정상 상태 작동 동안에 상기 진공 시스템으로의 비활성 가스의 유입을 억제하기 위해 제어 신호를 출력하도록 구성되는
    진공 시스템.
  16. 전기화학 펌프를 사용하여 진공 시스템에서 프로세스 가스로부터 수소를 회수하는 방법에 있어서,
    상기 전기화학 펌프는 적어도 하나의 애노드를 구비하는 애노드 격실과, 적어도 하나의 캐소드를 구비하는 캐소드 격실과, 상기 애노드 격실과 상기 캐소드 격실 사이에 배치된 멤브레인을 포함하고,
    상기 방법은,
    대기압 미만으로 진공 펌프로부터 상기 전기화학 펌프의 애노드 격실 내로 상기 프로세스 가스를 도입하는 것과,
    상기 애노드 격실로부터 폐가스를 배출하는 것과,
    상기 캐소드 격실로부터 수소 가스를 배출하는 것을 포함하는
    수소 회수 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 프로세스 가스로부터의 수소 회수를 제어하도록 상기 전기화학 펌프를 제어하는 것을 포함하는
    수소 회수 방법.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 전기화학 펌프가 정상 상태 조건 하에서 작동할 때 상기 프로세스 가스로의 비활성 가스의 유입을 억제하는 것을 포함하는
    수소 회수 방법.
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