TUBE CELL-BASED PRESSURE-TYPE COELECTROLYSIS MODULE

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가압형 공전해 모듈은 수소, 질소, 이산화탄소로 이루어진 연료가스를 사용하는 공전해 셀; 상기 공전해 셀을 가압하기 위한 가압챔버; 상기 공전해 셀에 스팀을 제공하기 위한 기화기; 및 상기 공전해 셀에 연료가스를 제공하기 위한 질량 유량 제어기를 포함한다.

공전해 셀은 캐소드에 이산화탄소와 스팀을, 애노드에 공기를 주입하고, 고온을 유지하면서 전기를 가해주면 전기 분해 반응에 의해 합성가스(Syngas)를 생산하는 장치로, 이산화탄소로부터 재사용 가능한 연료를 획득할 수 있는 신재생 에너지 생산 장치이다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 공전해 셀은 가압 운전에도 우수한 내구성을 유지하는 튜브형 공전해 셀인 것이 바람직하다.

구체적으로 원통형 지지체, 상기 원통형 지지체 표면에 형성된 캐소드 층, 상기 캐소드 층 표면에 형성된 고체전해질 층 및 상기 고체전해질 층 표면에 형성된 애노드 층을 포함한다.

상기 지지체는 NIO, YSZ는 니켈(NIO)/이트리아 안정된 지르코니아 (Yttria Stabilized Zirconia;YSZ)의 서멧(cermet)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 캐소드는 금속-세라믹 복합체인 Ni-YSZ, 페로브스카이트 계열 세라믹 캐소드인 LSCM ((La_0.75, Sr_0.25)_0.95Mn_0.5Cr_0.5O₃), LST 계열 세라믹 캐소드인 (Sr_1-xLa_x)(Ti1-yM_y)O₃ (M = V, Nb, Co, Mn)가 사용될 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니다.

특히 캐소드로는 (Sr_1-xLa_x)(Ti1-yM_y)O₃ (M = V, Nb, Co, Mn)를 사용하는 것이 바람직하다. LST계열 세라믹 캐소드인 (Sr_1-xLa_x)(Ti1-yM_y)O₃ (M = V, Nb, Co, Mn)는 레독스 저항성이 우수하여 연료에 고농도의 H₂O가 함유되어 있을 경우에도 레독스 사이클링을 발생시키지 않아 전기전도도와 기계적 강도를 일정하게 유지할 수 있다.

애노드는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 알려진 것을 사용할 수 있으며, 예를 들어, LSCF-GDC, YSZ/LSM과 LSM composite이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 가압챔버는 내부에 상기 튜브형 공전해 셀을 가열하기 위한 히팅 장치를 더 포함한다.

히팅 장치는 공전해 셀이 500℃ 내지 1000℃의 온도를 가지도록 공전해 셀을 가열할 수 있다.

히팅 장치로는 예를 들어, 석영관 외벽을 히팅 라인으로 감싸고, 석면 단열재를 이용하여 열 손실을 최소화한 히팅 장치를 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

가압챔버는 연료가스와 스팀을 튜브형 공전해 셀에 공급하기 위한 연료가스 공급 피드스루, 튜브형 공전해 셀에서 반응 후 생성된 물질과 미반응 물질을 상기 튜브형 공전해 셀로부터 배출하기 위한 연료가스 배출 피드스루를 포함한다.

또한, 공기를 상기 튜브형 공전해 셀로 공급하기 위한 공기 공급 피드스루, 미반응 공기를 배출하기 위한 공기 배출 피드스루를 포함한다.

또한, 튜브형 공전해 셀 내부 집전을 위한 한 쌍의 피드스루, 튜브형 공전해 셀 외부 집전을 위한 한 쌍의 피드스루를 포함한다.

마지막으로, 상기 히팅장치에 에너지를 공급하는 히팅 라인 피드스루 한 쌍을 포함한다.

이 때, 바람직하게는 상기 연료가스 공급 피드스루와 튜브형 공전해 셀 내부 집전을 위한 하나의 피드스루는 T자형 관을 이용하여 설치되고, 상기 연료가스 배출 피드스루와 셀 내부 집전을 위한 다른 하나의 피드스루가 T자형 관을 이용하여 설치될 수 있으나, 이는 바람직한 하나의 실시예를 서술한 것으로 가압챔버 내부에 상기 피드스루들이 설치되는 형태가 이에 한정되는 것은 아니다.

가압챔버는 내부가 완전 밀폐 되도록 모든 연결부에서 메탈 피팅을 사용하여 조립하는 것이 바람직하며, 조립시 각 연결부에서 가스가 새는지 확인하는 단계를 거치는 것이 바람직하다. 최종적으로 가압챔버의 커버를 덮은 후 고압 밀봉, 절연 처리하여 가압챔버를 형성할 수 있다.

상기 튜브형 공전해 셀의 캐소드로 주입되는 연료가스는 수소, 질소, 이산화탄소 및 스팀을 포함하며, 각 유체별로 공급되는 유량을 조절할 수 있는 질량유량 제어기를 포함한다.

이 때 연료로 사용되는 이산화탄소 외에 수소와 질소는 안정화 기체로서 투입되며, 안정화 기체를 주입함으로써 튜브형 공전해 셀의 내구성을 유지하면서 공전해 반응을 이끌어 낼 수 있다.

상기 연료가스를 튜브형 공전해 셀의 캐소드로 공급하기 위한 공급관 중 수소 공급관, 질소 공급관, 이산화탄소 공급관은 각 공급관의 후단에서 만나 수소, 질소, 이산화탄소가 혼합된 혼합 기체를 형성한다.

상기 혼합 기체에 기화기로부터 기화되어 배출된 스팀이 혼합되어 연료가스를 형성하고, 이 연료가스가 튜브형 공전해 셀의 캐소드로 공급될 수 있다.

본 발명에 따른 가압형 공전해 모듈은 상기 수소, 질소, 이산화탄소 및 스팀이 혼합된 혼합 기체가 캐소드에 공급되는 압력과 공기를 가압챔버로 공급하는 압력을 1보다 높게 주어, 공전해 셀 내부와 공전해 셀 외부, 즉 가압 챔버 내부를 동시에 가압하도록 형성된다.

상기와 같이 공전해 셀 내, 외부를 동시에 가압하도록 형성하여 공전해 반응으로 생성되는 합성 가스의 생산량을 증가시킬 수 있다.

합성 가스의 생산량을 증가시키면서도 공전해 셀 자체의 내구성을 유지하려면 공전해 셀 자체가 느끼는 압력이 0이 되도록 셀 내부와 외부에 가해지는 압력을 조절해야 하므로, 본 발명에 따른 가압형 공전해 모듈은 차압 조절 시스템을 포함한다.

상기 차압 조절 시스템은 공기 주입부에 설치되는 제 1 밸브; 공기 배출부에 설치되는 압력계; 상기 공기 주입부와 상기 공기 배출부 사이에 설치되는 압력 조절기; 상기 공전해 셀 연료 주입부에 설치되는 제 2 밸브; 상기 공전해 셀 배출부와 상기 공기 배출부 사이의 차압을 측정하는 차압계; 상기 제 2 밸브와 연결되는 차압 조절기를 포함한다.

차압 조절 단계는 다음과 같다.

먼저 가압챔버를 거쳐 나온 공기 배출부에 설치된 압력계의 압력을 측정한다.

측정된 압력에 따라 공기 주입부와 공기 배출부 사이에 설치되는 압력 조절기를 4 내지 10 bar로 설정하고, 공기 주입부에 설치된 제 1밸브를 사용하여 가압챔버의 압력을 설정된 압력으로 조절한다.

이후 공전해 셀 배출부와 공기 배출부 사이의 차압을 측정하는 차압계의 차압이 0.3 bar 이하가 되도록 차압계와 공전해 셀 연료 주입부에 설치되는 제 2 밸브를 연결하는 차압조절기를 조절한다.

본 발명에서는 상술한 구조를 사용하여 공전해 셀 내부에 공급되는 연료가스와 가압챔버에 공급되는 공기의 압력이 동일해지도록 조절할 수 있다.

본 발명의 가압형 공전해 모듈에 있어서, 상기 공전해 셀과 가압챔버의 부피를 비교해 보면 공전해 셀에 비해 가압 챔버의 부피가 월등히 크다. 이러한 부피 차이 때문에 차압 조절이 어렵고, 차압 조절시 문제가 발생할 수 있어 본 발명의 가압형 공전해 모듈은 상기 부피 차이를 극복하기 위한 버퍼 챔버를 구비할 수 있다.

상기 버퍼챔버는 공전해 셀 배출부 후단에 위치하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 가압형 공전해 모듈의 가압챔버는 상기에 서술한 바와 같이 완전 밀폐되도록 형성되므로, 가압에 따른 위험을 방지하기 위한 안전장치가 추가로 설치될 수 있다.

안전장치로는 예를 들어, 가압 챔버 내 수소, 일산화탄소 또는 이산화탄소의 농도가 일정량을 초과하여 검출되면 모든 가스 공급 라인에 락을 거는 장치가 사용될 수 있다.

또는, 공기 배출부에 설치되는 압력계가 나타내는 압력이 10 bar를 초과하거나, 상기 공전해 셀 배출부와 상기 공기 배출부 사이의 차압을 측정하는 차압계의 압력이 0.3 bar를 초과할 때 모든 가스 공급 라인에 락을 거는 장치가 사용될 수 있다.

다른 예로, 가압 모듈 내의 압력이 10 bar를 초과하면 압력을 낮추도록 가압모듈에 rupture disk를 설치할 수도 있다.

한편, 본 발명의 가압형 공전해 모듈은 공전해 셀로 공급되는 연료가스, 가압챔버로 공급되는 공기의 유량을 측정하는 유량계, 공전해 셀로 공급되는 스팀의 압력, 공전해 셀의 압력, 가압챔버의 압력을 측정하는 압력계를 포함하고, 각 포인트에서의 압력, 유량, 전압 등을 체크하는 모니터링 시스템을 더 포함할 수 있다.

실시예

상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브형 셀을 적용한 가압 공전해 모듈을 세팅한 후, 튜브형 공전해 셀의 온도가 750℃가 되도록 히팅 장치를 가열하고, 차압 조절 시스템에 따라 차압 조절을 수행한 결과를 도 5 내지 도 8에 나타내었다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가압형 공전해 모듈의 운전을 시작한 후 가압챔버 내부와 공전해 셀의 온도 변화를 도 5에 나타내었고, 가압챔버와 공전해 셀의 차압의 변화를 도 6에 나타내었다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 가압형 공전해 모듈의 운전을 시작한 후 가압챔버와 공전해 셀 내부의 압력의 변화를 도 7에 나타내었고, 가압챔버와 공전해 셀에 공급되는 연료가스와 스팀의 유량 변화를 도 8에 나타내었다.

실험 결과, 본 발명의 일 실시예에 따른 가압형 공전해 모듈에 있어서, 공전해 셀 내부와 가압챔버의 차압이 시간이 지남에 따라 0으로 수렴하는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 상기 가압형 공전해 모듈의 압력을 1기압부터 5기압 범위에서 1기압씩 올려가며 운전한 결과를 도 9에 나타내었다.

운전 결과 운전시 가해주는 압력이 높을수록 오버포텐셜(Overpotential)이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이고 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.