KR100468541B1

KR100468541B1 - 수소및산소발생장치

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Publication number: KR100468541B1
Application number: KR1019970017549A
Authority: KR
Inventors: 히라이 키요시; 야수이 신니치; 코바야시 히로코; 모리오카 테루유키; 미야케 아키코; 하라다 히로유키
Original assignee: 가부시키가이샤 신꼬간꾜우솔루션
Priority date: 1996-05-08
Filing date: 1997-05-07
Publication date: 2005-05-27
Also published as: US5888361A; TW347417B; KR970074981A; CN1519393A; CN1170779A; CN1143009C; EP0806498A1; EP0806498B1; DE69706225T2; DE69706225D1

Abstract

본 발명은 고순도의 수소 및 산소를 발생시키기 위한 수소 및 산소 발생장치, 특히 수소기체와 산소기체를 발생시키기 위하여 전해셀을 함유하는 탱크에서 탈이온수를 전기분해하고 전해셀을 함유하는 탱크에서 탈이온수를 냉각시킬 수 있는 수소 및 산소 발생장치에 관한 것으로서, 전해셀을 수용한 탈이온수탱크를 구비한 수소 및 산소 발생장치에 있어서, 탈이온수탱크 안의 탈이온수를 냉각하는 열교환기가 탈이온수탱크 외부에 설치되고, 열교환기의 입구가 탈이온수탱크 안의 탈이온수의 수위보다 낮은 제 1위치에 연결되며, 열교환기의 출구가 탈이온수탱크 안의 제 1위치보다 낮은 제 2위치에 연결된 것을 특징으로 한다.

Description

수소 및 산소 발생장치

본 발명은 고순도의 수소 및 산소를 발생시키기 위한 수소 및 산소 발생장치에 관한 것으로서, 특히 수소기체와 산소기체를 발생시키기 위하여 전해셀을 수용하는 탱크에서 탈이온수를 전기분해하고, 탈이온수를 냉각시킬 수 있는 수소 및 산소 발생장치에 관한 것이다.

도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 고압형 수소 및 산소 발생장치는 탈이온수를 전기분해하기 위한 전해셀이 내장된 수소 및 산소를 발생시키기 위한 탈이온수탱크(53)와, 탈이온수를 탈이온수탱크(53)에 공급하기 위한 탈이온수 공급탱크(54)와, 수소기체(H₂)로부터 수분을 제거하는 수소기체용 기액분리탱크(gas-liquid separation tank)(55)로 이루어진다. 도면 중 부호 "56"은 탈이온수 공급펌프이다. 탈이온수탱크(53) 안의 전해셀에서 수소기체(H₂) 및 산소기체(O₂)를 발생시키기 위하여 전해셀(52) 안에 있는 탈이온수를 전기분해한다. 발생된 산소기체(O₂)는 탈이온수탱크(53) 안의 탈이온수를 직접 통과하여 산소기체방출관 (57)을 통해 수집된다. 반면 발생된 수소기체(H₂)는 탈이온수탱크(53) 안의 탈이온수를 통과하지 않는다. 수소기체(H₂)는 전해셀(52)로부터 수소기체방출관(58)을 통해 수소기체의 수분을 제거하는 수소기체용 기액분리탱크(55) 안으로 안내된다.

상기 전해셀(52)은 원통형이며 그 구조는 도 11 및 도 12에 도시되어 있다. 도 11은 조립 전의 전해셀(52)을 도시한 것이고 도 12는 조립 후의 전해셀(52)을 도시한 것이다. 전해셀(52)은 함께 적층된 다수개의 전해질막(electrolyte membrane)(62)을 포함한다. 각각의 전해질막(62)의 양측에는 각각 전극판(61)과 환형개스킷(64)이 구비된다. 상기 전해질막(62)의 일측의 상기 부재(61)(62)(64)에 의하여 밀폐된 공간은 양극챔버(anode chamber)를 형성하고, 상기 전해질막(62)의 타측의 상기 부재(61)(62)(64)에 의하여 밀폐된 공간은 음극챔버(cathode chamber)를 형성한다. 상기 양극챔버와 음극챔버에는 각각 다공질 컨덕터(porous conductor)(63)가 구비된다. 각 전극판(61)은 전해셀(52) 양단의 전극판을 제외하고는 복극식 전극판(bipolar-type electrode plate)이며, 상기 복극식 전극판은 통전(energized)되었을 때 반대의 극성을 가지는 표면과 이면을 가지는 단일의 전극판이다. 부호 "65"는 보호판(protective sheet)이다. 한편 부호 "66"은 수소기체 방출경로이고 "66a"는 수소기체 방출덕트이다. 부호 "67"은 산소기체 방출경로이고 부호 "67a"는 산소기체 방출덕트이다. 부호 "68a"와 "68b"는 말단판(end plate)이다. 본 도면에는 탈이온수 공급경로는 도시되어 있지 않지만, 수소기체 방출경로(66)와 비슷한 형상을 가진다.

도 11에 도시되어 있는 바와 같이, 전술한 부품류는 볼트(69)에 의하여 말단판(68a)(68b) 사이에서 클램핑되어 전해셀(52)을 형성한다.

도 10에 도시되어 있는 전해셀(52)은 수평으로 배치(전해셀의 중앙축이 실질적으로 수평함)되지만, 수직으로 배치된 전해셀도 존재한다.

통상 전술한 탈이온수탱크 안의 탈이온수의 온도는 전기분해시 열의 발생으로 인해 상승하게 된다. 이것은 전해셀(52)의 부품 등의 열적 열화(thermal degrading)의 관점에서 바람직하지 않다. 더구나 탈이온수의 온도가 상승하면 탈이온수탱크(53) 안의 수증기량이 증가하는 한편 발생된 기체중의 수분량이 증가하게 된다. 결과적으로 제습부하(dehumidification load)가 증가하게 된다. 또 탈이온수탱크(53)의 온도가 높으면 장치의 주변에서 일하는 작업자에게 좋지 않다.

이에 따라 종래에는 고압형 수소 및 산소 발생장치의 탈이온수탱크(53)에 탈이온수를 냉각시키기 위하여 도 10에 도시된 바와 같이 탈이온수의 온도를 조절하기 위한 열교환기(59)를 설치한다. 그러므로 탈이온수탱크(53)의 외부로부터 열교환기(59)를 통해 냉매(coolant)를 순환시킬 필요가 있다. 따라서 냉매를 통과시키기 위한 관(60a)(60b)을 냉매 공급부(도시하지 않음)로부터 설치하는데, 이 관은 탈이온수탱크(53)의 용기벽을 관통한다. 열교환기(59)의 입구까지의 관(60a)에 냉매를 공급하기 위한 펌프(60c)가 구비된다.

전해셀(52)을 수용하고 전기분해에 필요한 양의 탈이온수를 함유하기에 충분한 용적이 되도록 전술한 탈이온수탱크(53)의 용적을 제한하는 것이 일반적이다. 그 이유는 수소 및 산소를 발생시키는데 필요한 용적보다 용적이 크면 경제적 효율이 감소되기 때문이다. 따라서 열교환기(59)의 크기도 감소시켜야 한다. 또한 열교환기(59)가 전해셀(52)의 위에 설치되는 경우에는 전해셀(52)에서 발생한 산소기체의 기포가 열교환기의 표면에 부착되어 열교환기의 효율을 저하시킨다. 그러므로 열교환기(59)를 전해셀(52)의 측방에, 즉 전해셀(52)과 탈이온수탱크(53)의 내벽면 사이의 간격에 설치하는 것은 필수적이다.

냉매재킷(coolant jacket)이 탈이온수탱크의 외주면에 형성된 이중 용기식의 탈이온수탱크를 사용할 수도 있다. 하지만 탱크의 내압이 10kg/㎠에 가깝기 때문에 고압의 이중용기식의 탱크의 제조비용이 상당히 상승한다. 더욱이 고압탱크는 탈이온수탱크의 벽두께가 더 두꺼워야 하기 때문에 열교환기의 효율이 저하된다.

전술한 바와 같은 수소 및 산소 발생장치에서는 열교환기(59)를 반드시 탈이온수탱크(53) 안쪽으로 전해셀(52)의 측방에 설치하여 한다. 따라서 열교환기(59)의 크기도 제한된다. 바꾸어 말하면 열교환기(59)를 전해셀(52)의 측방에 설치하기 위하여는 탈이온수탱크(53)의 용적을 증가시켜야 한다. 또한 열교환기(59)가 전해셀(52)의 측방에 설치될 때에는 냉각에 따르는 탈이온수의 효율적인 자연대류를 기대하기 어렵다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것이며 탈이온수탱크 안의 탈이온수를 효율적으로 냉각시키는 냉각장치를 구비한 수소 및 산소 발생장치를 제공함을 목적으로 한다. 본 발명에 따르면 열교환기는 탈이온수탱크의 외부에 설치된다. 특별한 펌프가 필요하지 않고 열교환기가 일종의 열발생원을 가진 탈이온수탱크와 일종의 냉열원을 가진 열교환기를 포함하는 루프를 통한 자연대류에 의해 탈이온수가 순환되는 시스템을 구축하도록 배관되어 탈이온수탱크까지 연결된다. 또한 열교환기가 탈이온수탱크의 외부에 설치되기 때문에 탈이온수탱크를 경량화 및 소형화하고 사용조건 및 설치조건에 따라 열교환기의 종류를 선택할 수 있다.

한편, 전해셀을 원통형으로 형성함으로써 열교환기를 전해셀의 중앙공동(center cavity) 내에 배치할 수 있어 탈이온수탱크의 용적을 작게 할 수 있다. 나아가 탈이온수의 자연대류가 효율적으로 이루어져 냉각 효율이 향상된다.

본 발명의 수소 및 산소 발생장치는 전해셀이 내장된 탈이온수탱크를 구비한 수소 및 산소를 발생시키기 위한 장치로서, 탈이온수탱크 안의 탈이온수를 냉각하는 열교환기가 탈이온수탱크의 외부에 설치되고, 열교환기의 입구는 탈이온수탱크안의 탈이온수의 수위보다 낮은 제 1위치에 연결되며, 열교환기의 출구는 탈이온수탱크 안의 상기 제 1위치보다 낮은 제 2위치에 연결되는 것을 특징으로 한다.

따라서 열교환기, 탈이온수탱크 그리고 열교환기와 탈이온수를 연결하는 수단(배관 등)을 포함하는 루프에서의 자연대류로 인해 탈이온수가 자연순환하게 된다. 탈이온수탱크 안의 탈이온수는 가열되어 위쪽으로 이동하고 열교환기 안의 탈이온수는 냉각되어 아래쪽으로 이동하게 된다. 따라서 탈이온수탱크 안의 탈이온수는 탈이온수탱크의 제 1위치로부터 열교환기로 흐르고 열교환기 안의 탈이온수는 탈이온수탱크의 제 2위치로부터 탈이온수탱크로 흐르게 된다.

전술한 바와 같이 탈이온수를 순환시키기 위한 펌프는 필요하지 않다. 순환되어야 할 액체가 점도가 극히 낮은 탈이온수이기 때문에 탈이온수는 양호하게 자연순환하게 된다. 탈이온수의 강제 순환이 필요한 경우에는 펌프가 구비될 수도 있다. 예를 들어 탈이온수탱크 안의 탈이온수를 냉각하는 열교환기가 탈이온수탱크의 외부에 설치되고, 열교환기의 입구는 탱크 안의 탈이온수의 수위보다 낮은 제 1위치에 연결되며, 전해셀에 냉각된 탈이온수를 공급하기 위하여 열교환기의 출구로부터 탱크의 벽을 관통하여 전해셀까지 배관이 구비되는 것을 특징으로 하는 수소 및 산소 발생장치도 가능하다.

또한, 열교환기가 탱크의 외부에 설치되므로 탈이온수탱크는 종래의 것보다 경량화 및 소형화될 수 있다. 따라서 제조비용이 절감되며, 수송 및 설치를 위한 취급이 용이하다. 더욱이 종래기술에 비하여 열교환기의 크기, 형상, 종류 등이 탱크의 용적에 의하여 제한 받지 않는다. 수소 및 산소 발생장치의 사용조건, 수소 및 산소 발생장치가 설치되는 공장의 설비, 설치면적 등에 따라 다양한 종류의 열교환기를 선택하는 것이 가능하다.

열교환기의 종류는 제한되지 않는데, 예를 들면 플레이트형 열교환기 그리고 여러 가지의 튜브형상을 가지는 셀튜브형 열교환기(shell-tube type heat exchanger)가 주로 사용된다.

전술한 열교환기가 탱크에 착탈가능하게 장착되어 있는 수소 및 산소 발생장치의 경우에는, 먼저 열교환기를 탱크와 연결하기 위해 탱크에 배관하여.탱크에 일체로 장착될 수도 있다. 따라서 열교환기와 탱크를 일체로 수송할 수 있어서, 비용의 절감에 기여하게 된다. 이 냉각기구를 설치하는 경우에는 열교환기와 탱크를 일체로 설치할 수 있어서, 설치현장에서 탱크와 열교환기에 배관을 행할 필요가 없게 된다. 이는 비용절감에 기여하게 된다. 더욱이 조립을 생산 공장에서 행하기 때문에 종래에 설치현장에서 수행되던 누수검사(leakage test), 내압검사 및 기밀검사(tight test) 등의 각종의 검사를 제조공장에서 효율적으로 수행할 수 있다. 이것은 매우 바람직한 것이다.

본 발명의 수소 및 산소 발생장치는 고체 전해질막에 의하여 격리되며 전극판 사이에 배치되는 양극챔버 및 음극챔버를 구비한 전해셀인 본 발명의 원통형 전해셀과, 상기 전해셀을 수용하는 탈이온수탱크를 구비하며, 상기 양극챔버 및 음극챔버는 그 내주면과 외주면이 외부로부터 격리되는 환상격실(annular compartment)에 따라 형성되고 전해셀 전체가 그 중앙부에 공동을 가진 원통형이며, 탈이온수탱크안의 탈이온수를 냉각하는 열교환기는 전해셀의 중앙공동에 배치되는 것을 특징으로 한다.

전술한 구성에 의해 원통형 전해셀의 중앙공동에 열교환기를 설치하고 탈이온수탱크를 더욱 소형화할 수 있다. 또한 열교환기에 의해 냉각되는 탈이온수는 상기 중앙공동에서는 하강하고 전해셀의 외부면과 탈이온수탱크의 내벽면 사이의 간격을 통해 상승하게 된다. 요컨대, 탈이온수의 자연대류에 대해 매우 효율적인 경로가 형성된다.

상기 원통형 전해셀의 양단에 링형 말단판(ring-shaped end plate)이 구비되고, 상기 양극챔버 및 음극챔버의 내주면측 및 외주면측에 다수개의 클램핑수단으로 상기 말단판 사이에 양극챔버 및 음극챔버가 유지되도록 상기 말단판을 함께 클램핑할 때에는 전해셀의 구속부(restraining portion)가 그 외주측 및 내주측에 형성된다. 따라서 전해셀의 강성(rigidity)이 향상된다. 상기 클램핑수단으로는 여러가지 공지수단을 이용할 수도 있다. 이러한 수단 중에서 볼트 및 너트는 입수와 조립이 용이하므로 비용의 증가를 피할 수 있다.

상기 원통형 전해셀은 링형 전해질막, 상기 막의 양측에 구비되는 링형 다공질 컨덕터, 상기 다공질 컨덕터의 양측에 구비되는 링형 전극판, 상기 다공질 컨덕터의 외주면측에 구비되는 외부측폐쇄수단, 그리고 상기 다공질 컨덕터의 내주면측에 구비되는 내부측폐쇄수단을 구비하는 것이 바람직하다. 상기 셀이 전체적으로 소형화될 수 있기 때문이다. 상기 외부측 및 내부측폐쇄부재에 개스킷을 사용할 수도 있다. 이 개스킷의 재료로는 주성분이 실리콘 수지인 것이 좋은데, 그 이유는 실링 작용이 우수하기 때문이다.

전술한 다수개의 전해셀을 적층하여 전해모듈(electrolytic module)을 형성하는 것이 바람직하다. 상기 구조는 탈이온수탱크를 소형화하고 다량의 기체를 발생시킬 수 있기 때문이다.

전술한 바와 같이, 탈이온수탱크를 수직으로 설치(탱크의 중심축이 실질적으로 수직이 되도록 탱크를 설치함)할 때에는, 열교환기에 의하여 냉각된 탈이온수는 전해셀의 중앙공동에서 하강하고, 전해셀에 의하여 가열된 탈이온수는 전해셀의 외주면과 탈이온수탱크의 내벽면 사이의 간격을 통해 상승하게 된다. 이러한 자연대류는 전체의 탈이온수를 효과적으로 냉각할 수 있다. 이 경우, 전해셀의 산소방출경로가 전해셀의 외주면측에서 개방되면, 산소기체는 전해셀의 외주면측의 탈이온수 안에서 상승하게 되어, 탈이온수의 편승류(entrained flow)는 가열된 탈이온수의 상승을 가속하게 된다. 따라서 더욱 효과적인 탈이온수의 대류가 발생하게 된다. 원통형 전해셀의 중앙공동의 중심축과 탈이온수탱크의 중심축이 일치되도록 배치하는 것이 더욱 바람직하다.

상기 탈이온수탱크를 탱크용기와 탱크커버로 구성하고 상기 탱크커버가 상기 탱크용기에 결합된 상태에서 전해셀이 탱크용기의 내부에 있게 되도록 탱크커버의 내측면에 상기 전해셀을 착탈가능하게 장착하는 것이 바람직하다. 상기의 배치는 전해셀을 탈이온수탱크에 설치하는 것을 용이하게 하기 때문이다. 이와 마찬가지로, 탈이온수탱크에서 전술한 열교환기를 탱크커버의 내측면에 착탈가능하게 장착하는 것이 바람직한데, 이것이 열교환기의 해체와 설치를 용이하게 하기 때문이다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "원통형"은 단순히 원통형만을 의미하는 것이 아니고 다각통형(prismatic), 장원통형(oval cylindrical), 타원통형(elliptic cylindrical) 등을 포함하는 의미이다. 용어 "환상(annular form)"은 단지 원환상만을 의미하는 것이 아니라 다각환상, 장원환상 및 타원환상 등을 포함하는 의미로 사용된다. 또한 용어 "링형"은 원형링형만이 아니라 다각형링형, 장원형링형 및 타원형링형등도 포함하는 의미로 사용된다.

이하 첨부도면에 도시된 실시예를 참조로 하여 본 발명의 수소 및 산소 발생장치를 설명한다. 도 1에서 부호 "1"은 탈이온수탱크를 나타내며, 이 탱크(1)에 전해셀(2)이 장착된다. 발생된 수소기체를 밖으로 안내하는 수소기체방출관(4)이 전해셀(2)로부터 탱크(1)의 벽을 관통하여 수소기체용의 기액분리탱크(도시되지 않음)까지 연장된다. 부호 "5"는 산소기체(O₂)를 밖으로 안내하는 산소기체방출관이다. 부호 "6"은 탈이온수공급관을 나타낸다. 부호 "7"은 공지된 판형 열교환기를 나타낸다. 부호 "8"은 냉매를 냉매공급부(도시되지 않음)로부터 열교환기(7)로 공급하는 냉매공급펌프를 나타낸다. 냉매로는 냉수, 프레온 등이 사용된다.

피냉각유체인 탈이온수의 입구인 열교환기(7)의 입구(7a)는 관(9a)에 의해 탱크(1)의 탈이온수유출구(청구범위에서의 제 1 위치)(10)에 연결된다. 탈이온수의 출구인 열교환기(7)의 출구(7b)는 관(9b)에 의해 탱크(1)의 탈이온수유입구(청구범위에서의 제 2 위치)(11)에 연결된다. 상기 관(9a)(9b)들은 플랜지(도시되지 않음)를 개재하여 착탈가능하게 결합된다.

전술한 탈이온수유출구(10)는 탱크(1)에서 탈이온수유입구(11)보다 위에 형성되며, 수소 및 산소 발생장치의 운전 중에 탱크(1)에 있는 탈이온수의 수위는 탈이온수유출구(10)보다 높게 유지된다. 후술되는 바와 같이 이것은 자연대류에 의하여 탈이온수를 냉각시키는데 필수적이다.

전술한 구성에 의하여 전해셀(2) 또는 열공급원에 의하여 가열되는 탈이온수탱크 안의 탈이온수는 탈이온수탱크 안에서 상승하게 되는 한편, 열교환기에 의하여 냉각되는 탈이온수는 열교환기 안에서 하강하게 된다. 이러한 자연대류는 탱크(1), 열교환기(7), 그리고 관(9a)(9b)으로 이루어지는 루프에서 탈이온수의 자연순환을 발생시키게 된다.

열공급원인 전해셀(2)의 위치에 대한 냉각된 탈이온수유입구(11)의 상하 상대 위치에 관하여는, 이들을 상하 방향으로 동일한 위치에 배치하거나, 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이 전해셀(2) 아래쪽에 탈이온수유입구(11)를 형성하여 탱크(1)안의 탈이온수의 온도상승을 효율적으로 조절할 수 있도록 하는 것이 좋다. 그 이유는 냉각된 탈이온수가 직접 전해셀(2)에 공급되기 때문이다.

비상시에 대비하여, 기포를 이루며 상승하는 발생된 산소기체가 탈이온수유출구(10)로 흘러들어 열교환기(7)로 유입되는 것을 방지하기 위하여 도시되어 있는 바와 같이 탈이온수유출구(10)의 하부로부터 산소기체의 유입을 방지하기 위한 커버(12)가 설치될 수도 있다. 이 커버(12)는 탱크(1) 안쪽의 탈이온수유출구(10)의 하부와 측부를 덮는다. 이 커버의 형상은 실질적으로 반구형을 수직 방향으로 반분한 형상을 가진다. 이러한 형상의 커버(12)를 사용하면 탈이온수가 커버(12)의 내측으로 탈이온수유출구(10)를 향해 아래쪽으로 흐른다. 반면 산소기체의 기포는 부력으로 인해 위쪽으로 이동한다. 그러므로 산소기체의 기포는 열교환기(7)로 흐르지 않는다. 커버(12)의 형상은 특별히 한정되지는 않는다. 커버(12)의 형상은 상승하는 산소기체의 기포가 탈이온수유출구(10) 부근을 통과하지 못하도록 하면 충분하다.

도 2에 도시된 냉각기구는 도 1의 냉각기구와 같은 원리로 탈이온수를 냉각하지만, 전술한 열교환기(7)가 탱크(1)에 직접 장착되어 일체화된다.

본 실시예에 있어서 열교환기(7)는 볼트(도시되지 않음)에 의해 탱크(1)의 가대(13)에 착탈가능하게 장착된다. 관(9a)(9b)은 플랜지(도시되지 않음)로 착탈가능하게 결합된다.

전술한 구성에 의거하면, 탱크(1)의 가대가 열교환기(7)의 가대로 사용될 수 있으므로, 열교환기(7)용으로 별도의 가대를 설치할 필요가 없다. 더욱이 관(9a)(9b)의 길이도 줄어든다. 그러므로 장치가 더욱 소형화될 수 있다.

본 발명에 따르면 탱크와 열교환기의 일체화는 하나의 가대를 가진 것에 한정되지 않는다. 예로써 열교환기(7)가 경량이면 전술한 관(9a)(9b)만에 의하여도 지지가 가능하다.

탱크(1)가 고압에서 사용되고 탱크(1)로부터의 탈이온수의 누출을 방지하여야 하는 경우에는 탱크(1)에서 배관구의 개수를 감소시키는 것이 좋다. 이러한 관점에서 도 3에 도시된 냉각기구에서는 열교환기(7)로부터 탈이온수를 안내하는 관(9b)과 탈이온수공급관(6)을 함께 연결하여 탱크(1)로 향하는 두개의 탈이온수의 흐름이 하나로 합류되도록 한다. 또한 열교환기(7)와 결합부(14) 사이의 라인에 체크밸브(15)가 구비되어 도 1에 도시된 두개의 배관구가 하나로 감소될 수 있다. 이러한 구성에 의하여 배관구가 감소될 수 있는 한편 탱크(1)의 실링작용과 안전성이 향상된다. 그리고 탈이온수공급관(6)을 통해 공급펌프(도시되지 않음)에 의하여 탈이온수가 공급될 때에는 열교환기(7)로부터의 냉각 탈이온수가 강제적으로 탱크(1)로 유입될 수 있다. 체크밸브(15)는 냉각된 탈이온수가 열교환기(7)로 역류하는 것은 방지한다.

도 4에 도시된 냉각기구에서는 도 3에 도시된 냉각기구와 마찬가지로 탈이온수를 열교환기(7)로부터 탱크(1)로 안내하는 관(9b)과 탈이온수공급관(6)이 함께 연결된다. 하지만 도 4의 냉각기구는 펌프(16)가 열교환기(7)와 결합부(14) 사이의 상기 관(9b)에 구비된다는 점에서 도 3의 냉각기구와 다르다. 이러한 구성에 의하면 배관이 단순화될 수 있고, 또 열교환기(7)에 의하여 냉각된 탈이온수가 탱크(1)안으로 강제유입될 수 있다. 결국 탱크(1) 안의 탈이온수가 교반되게 되고 탱크(1)에서의 냉각효과가 향상되게 된다.

도 5에 도시된 냉각기구에서는 도 4에 도시된 냉각기구와 마찬가지로 탈이온수를 열교환기(7)로부터 탱크(1)로 안내하는 관(9b)과 탈이온수공급관(6)이 함께 연결되고, 열교환기(7)와 결합부(14)사이의 상기 관(9b)에 펌프(16)가 구비된다. 하지만 상기 관(9b)이 탱크(1)에 단순히 연결만 되는 것이 아니고 탱크(1)의 벽을 관통하여 탱크(1) 안으로 연장하여 전해셀(2)에 직접 연결된다. 환언하면 냉각된 탈이온수가 전해셀(2) 안의 탈이온수 공급경로(도시되지 않음)로 직접 공급되는 구성이다.

상기 구성에 의하면 배관이 단순화될 수 있음과 아울러 열공급부인 전해셀(2)이 직접 냉각될 수 있다. 결과적으로 고체 전해질막과 개스킷(도시되지 않음) 등과 같은 전해셀(2) 구성부품의 열적 열화가 효율적으로 방지될 수 있다.

상기 관(9b)을 전해셀(2)에 직접 연결하는 구성은 도 5에 도시된 냉각기구에만 한정되는 것이 아니고 도 1 내지 도 4에 도시된 냉각기구에도 적용될 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 수소 및 산소 발생장치의 냉각기구를 전술한 냉각기구와 종래의 냉각기구의 냉각효율을 비교하여 냉각기능면에서 설명한다.

일반적으로 전술한 실시예에 사용되는 판형 열교환기의 열전달계수 α (a)는 1000 내지 3000 kcal/㎡/hr/℃(평균값은 2000 kcal/㎡/hr/℃로 설정됨)이고, 종래의 코일튜브형 열교환기(coil- tube type heat exchanger)의 열전달계수α (b)는 200 내지 1000 kcal/㎡/hr/℃(평균값은 500 kcal/㎡/hr/℃로 설정됨)이다. 한편 종래기술 및 본 실시예에서 사용되는 통상적인 전해셀의 발열량 Q는 600A의 전류와 50V의 전압에서 25800 kcal/hr이다.

냉각조건에 관하여는, 피냉각 탈이온수의 냉각온도 또는 온도강하 △t는 80℃로부터 50℃까지의 30℃로 설정된다. 열교환기에서 냉매의 온도상승 △t는 32℃로부터 37℃까지의 5℃로 설정된다.

본 실시예(판형 열교환기를 사용함)의 열교환기의 필요열전달면적 A(a)는 다음식으로 주어진다.

반면 종래기술(코일튜브형 열교환기를 사용함)의 열교환기의 필요열전달면적 A(b)는 다음 식으로 주어진다.

이와 같이, 열전달면적이 종래기술의 것보다 약 1/4인, 환언하면 열교환기가 소형(박형)인 열교환기를 사용할 수 있다. 이와 같이 소형 및 박형 열교환기를 사용할 수 있으므로 열교환기와 탱크를 일체화하는 것이 용이하다. 이와 같이 종래 기술과는 달리 탱크의 내벽면과 전해셀 사이의 형상이 한정된 공간에 열교환기를 설치할 필요가 없기 때문에 열교환기의 종류와 크기를 임의로 선택할 수 있다. 또한, 바꾸어 말하면, 종래의 열교환기와 비슷한 크기의 판형 열교환기를 사용하여 냉각효율을 현저히 향상시킬 수 있다.

전술한 열교환기의 열전달면적이 종래 기술과 본 실시예에 대해 같은 것으로 가정하면, 종래 기술에서는 냉매유량과 피냉각체인 탈이온수의 유량을 본 실시에의 약 4배로 하여야 할 필요가 있다. 이것은 비현실적이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 수소 및 산소 발생장치는 경량화 및 소형화가 가능하고 냉각효율의 현저한 향상이 가능하다.

이하 효율적인 탈이온수 냉각기구를 가진 다른 방식의 수소 및 산소 발생장치를 설명한다. 이 수소 및 산소 발생장치의 탈이온수 냉각효율은 도 6 내지 도 10에 도시된 바와 같이 전해셀을 변형함으로써 대폭 향상된다.

도 6 내지 도 8에 원통형 전해셀(21)이 도시되어 있다. 부호 "22a" 및 "22b"는 말단판을 나타낸다. 후술할 전해셀(21)의 구성부품들은 볼트(23)의 체결에 의하여 상기 말단판들 사이에 지지된다. 다수의 볼트(23)는 원통형 전해셀(21)의 외주면측과 내주면측의 외측에 체결된다. 도 8에 도시되어 있는 바와 같이 "내주면측의 외측"은 셀의 내주면의 외부에 중앙부 공동측을 의미한다. 따라서 외주면측과 내주면측에 모두 볼트가 구비되므로 전해셀(21)은 종래보다 강성이 향상된다. 또한 체결볼트의 개수가 증가하므로 직경이 작은 볼트를 사용할 수 있다.

부호 "24"는 원형 링형 전극판을 나타내고 부호 "25"는 원형 링형 전해질막을 나타낸다. 부호 "26a"와 "26b"는 각각 원형 링형 다공질 컨덕터를 나타낸다. 부호 "27"은 원형 링형 말단 개스킷을 나타내고, 부호 "28"은 원형 링형 보호시트를 나타낸다. 부호 "29"는 산소기체 방출경로를, 부호 "29a"는 산소기체 방출덕트를 나타낸다. 부호 "30"은 수소기체 방출경로를, 부호 "30a"는 수소기체 방출덕트를 나타낸다. 탈이온수 공급경로는 도면에는 도시되어 있지 않지만 수소기체 방출경로(30)와 유사한 형상을 갖는다.

전해셀(21)은 다수개의 전해셀 유니트를 적층한 것이다. 각각의 전해셀 유니트는 상기 전해질막(25)에 의하여 격리되고 상기 전극판(24) 사이에 배치되는 양극챔버와 음극챔버를 구비한다. 서로 인접한 전해셀 유니트는 복극식 전극판으로 사용하기 위한 단일 전극판(24)을 가진다. 그러므로, 서로 인접한 전해셀 유니트 사이의 상기 전극판(24)은 전해셀(21)에 전류가 인가되었을 때 대향면이 서로 반대의 극성을 가진다.

양극챔버와 음극챔버는 모두 중간부 개스킷(31)에 의해 내주면측 및 외주면측이 외부로부터 격리된 환상격실로 형성된다.

상기 중간부 개스킷(31)은 양극챔버 및 음극챔버를 내주면측 및 외주면측의 외부로부터 격리한다. 중간부 개스킷(31)은 두개의 부재, 즉 내측폐쇄부재인 전해셀의 내주면측의 개스킷(31i)과 외측폐쇄부재인 외주면측의 개스킷(31o)으로 구성된다. 보호 시트(28)도 두개의 부재, 즉 전해셀의 내주면측 시트(28i)와 외주면측 시트(28o)로 구성된다. 이들은 양극챔버와 음극챔버가 각각 환상형으로 형성되도록 설계된다. 상기 양극챔버 및 음극챔버에는 각각 상기 다공질 컨덕터(26a)(26b)가 구비된다. 상기 산소기체방출경로(29)는 상기 양극챔버 및 산소기체덕트(29a)를 연결한다. 수소기체방출경로(30)는 상기 음극챔버(26b) 수소기체덕트(30a)를 연결한다.

상기 전극판(24)의 재질로는 판상의 티타늄을 사용하는 것이 좋다. 다공질 컨덕터(26a)(26b)로는 메쉬상의 티타늄이 사용된다.

상부 말단판(22a)의 상단에는 엘보우(32)가 구비되어 산소기체덕트(29a)와 연결된다. 이것은 후술되는 바와 같이 전해셀(21)에서 발생한 산소기체를 전해셀(21)의 외주면측 밖으로 안내하기 위한 것이다. 하부 말단판(22b)의 하단에는 니플(33)이 구비되어 수소기체덕트(30a)와 연결된다. 이것은 후술되는 바와 같이 전해셀(21)에서 발생한 수소기체를 탈이온수탱크(41)의 밖으로 안내하는 수소기체방출관(45)을 연결하기 위한 것이다.

전술한 바와 같은 구성에 의하여 본 발명의 전해셀(21)은 그 중앙에 공동(H)을 가지는 원형 실린더로 형성된다.

전술한 실시예에서는 도 6 내지 도 8에 도시되어 있는 바와 같이 두개의 고체 전해질막을 가지는 전해셀이 설명되었다. 하지만 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 산소기체 또는 수소기체의 요구량에 적합한 개수의 고체 전해질막을 사용할 수도 있다.

도 9는 상기 전해셀(21)이 2단으로 형성된 탈이온수탱크(41)를 도시한 것이다. 탈이온수탱크(41)는 수소 및 산소 발생장치의 주요 구성기기이다. 탈이온수(W)는 탈이온수탱크(41)에 저장되며, 이 탈이온수(W)가 전해셀(21) 안으로 보내져서 전기분해된다. 부호 "42"는 전해셀(21)을 탈이온수탱크(41)의 저부에 고정시키기 위한 가대이다. 부호 "43"은 전해셀(21)을 서로 연결하는 커넥터이다.

전해셀(21)에서 발생한 산소기체는 전술한 엘보우(32)로부터 전해셀(21)의 외주면측의 탈이온수 중으로 방출된다. 다음 산소기체는 탈이온수탱크(41)의 상단에 연결된 산소기체방출관(44)을 통해 제습기(dehumidifier)로 공급된다. 산소기체는 제습 후에 수집된다.

한편 전해셀(21)에서 발생한 수소기체는 전술한 니플(33)에 연결된 수소기체방출관(45)을 통해 안내되어 탈이온수탱크(41)의 벽을 관통하여 기액분리탱크(도시되지 않음)로 공급된다. 그리고 수소기체는 계속해서 제습기(도시되지 않음)로 보내진다. 수소기체는 제습 후에 수집된다. 부호 "46"은 탈이온수공급관(도시되지 않음)이 연결되는 탈이온수공급구이다.

전해셀(21)의 중앙부 공동(H)에는 튜브형 열교환기(47)가 설치된다. 열교환기(47)의 일단은 탈이온수탱크(41)의 벽에 형성된 냉매입구(48)에 연결되고, 타단은 탈이온수탱크(41)의 벽에 형성된 냉매출구(49)에 연결된다. 냉매로는 냉수, 프레온 등이 사용된다.

전술한 구성에 의하면 탈이온수탱크(41)에서 열교환기(47)에 의해 냉각된 탈이온수(W)는 전해셀(21)의 중앙의 공동(H)을 통해 하강하고, 전해셀(21)에 의해 가열된 탈이온수(W)는 부분적으로 발생한 산소기체가 상승하는 것과 함께 전해셀(21)의 외주면측으로 상승한다. 그러므로 효과적인 대류가 일어나 전체적으로 탈이온수의 냉각효율이 향상된다. 더욱이, 종래와 비교하여 열교환기를 상기 전해셀 외측의 좁은공간에 설치하는 것이 아니므로 탈이온수탱크를 보다 컴팩트하게 제조할 수 있다.

또한 도시되지는 않았지만 탈이온수탱크는 두개의 부재, 즉 각각 플랜지를 구비한 용기(shell)와 헤드플레이트로 구성되거나, 또는 각각 플랜지를 구비한 세 개의 부재, 즉 하나의 용기와 두개의 헤드플레이트로 구성될 수도 있다. 상기 부재들은 플랜지 결합에 의해 일체화되도록 형성될 수도 있다. 이렇게 하면 상기 전해셀(21) 및/또는 상기 열교환기(47)는 하나의 헤드플레이트의 내부면에 미리 설치될 수도 있다. 이러한 구성에 의하면 탈이온수탱크(41)의 분해 및 조립이 더욱 용이하게 될 수 있다.

상기 고체 전해질막으로는 고체고분자 전해질을 막상으로 형성한 것의 양면에 귀금속, 특히 백금족 금속으로 된 다공질 층을 화학적으로 무전해 도금하여 형성한 고체고분자 전해질막을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 고체고분자 전해질로서는 양이온교환막(플루오로카본수지계 술폰산 양이온교환막으로서, 예를 들면 듀퐁사제 『나피온(NAFION)117』)이 바람직하다. 이 경우 전극판은 모두 백금으로 만들어지는 것이 바람직하다. 특히 전극판이 모두 백금과 이리듐의 2층 구조로 될 때에는 예를 들어 80℃에서 200A/d㎡의 높은 전류밀도로 약 4년간의 장기간동안 전기분해할 수 있지만, 전극판이 이온교환막과 물리적으로 접촉하고 있는 종래의 고체 전해질막은 50 내지 70A/d㎡에서 전기분해할 수 있다. 상기의 경우 전술한 이리듐 외에 두 개 이상의 백금족 금속을 도금한 다층구조의 고체고분자 전해질막을 사용하는 것도 가능하다. 전술한 막을 사용하면 고전류밀도로 작업할 수 있다.

본 발명의 고체전해질막이 귀금속 또는 귀금속류의 전극들이 고체고분자 전해질의 대향면에 화학도금으로 결합되도록 구성될 때에는 고체고분자 전해질과 양 전극사이에 물이 존재하지 않는다. 따라서 용액저항이나 기체저항이 전혀 없는 한편 고체고분자 전해질과 양 전극사이의 접촉저항이 낮고, 전압이 낮으며, 전류분포는 균일하다. 결과적으로 고전류밀도를 사용하고 고온 및 고압에서 물을 전기분해하는 것이 가능하며 고순도의 산소 및 수소기체를 상당히 효율적으로 생산할 수 있게 된다.

상기 고체고분자 전해질막 대신에 세라믹막 등의 다른 고체 전해질막을 사용할 수도 있다.

전술한 실시예에서는 전해셀이 2단으로 설치된 고순도의 수소 및 산소 발생장치를 예로 들어 본 발명을 설명하였다. 하지만 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 전해셀이 1단으로 설치되거나 전해셀이 3단 이상으로 설치된 장치에 적용할 수도 있다.

본 실시예에서는 수직탱크(탱크의 중심축이 실질적으로 수직함)를 예로써 이용하였다. 하지만 본 발명은 수직탱크에만 한정되는 것이 아니고 수평탱크(탱크의 중심축이 실질적으로 수평함)에 사용될 수도 있다.

본 발명의 냉각기구를 사용하면 탈이온수는 자연대류에 의해 순환하면서 냉각될 수 있다. 그러므로 별도의 장치가 필요치 않으며 최종 형상이 단순하다. 물론 강제순환을 위한 장치(펌프 등)를 설치할 수도 있다. 그리고 열교환기가 탱크의 외부에 설치되기 때문에 탱크가 더욱 경량화 및 소형화될 수 있다. 따라서 제조비용, 수송비용 그리고 설치비용이 절감된다. 열교환기의 종류는 사용조건과 설치조건에 따라 자유롭게 선정될 수 있다. 그러므로 냉각효율이 향상된다.

원통형 전해셀을 사용하는 본 발명의 수소 및 산소 발생장치에 의하면 열교환기가 원통형 전해셀의 중앙공동에 설치되고, 탈이온수탱크가 더욱 소형으로 형성될 수 있다. 그리고 열교환기에 의하여 냉각되는 탈이온수가 상기 공동에서 하강하고 전해셀의 외주면과 탈이온수탱크의 내벽면 사이의 간격에서 탈이온수가 상승하는 탈이온수 전체를 효과적으로 냉각하기 위한 탈이온수의 자연대류를 위한 매우 적절한 루트가 형성된다.

또한 전해셀의 외주면측과 내주면측이 모두 압축 체결되어 종래의 전해셀에 비해 전해셀의 강성이 향상된다.

도 1은 본 발명에 따른 수소 및 산소 발생장치의 일실시예를 도시한 단면도

도 2는 본 발명에 따른 수소 및 산소 발생장치의 다른 실시예를 도시한 정면 부분단면도

도 3은 본 발명에 따른 수소 및 산소 발생장치의 다른 실시예를 도시한 단면도

도 4는 본 발명에 따른 수소 및 산소 발생장치의 다른 실시예를 도시한 단면도

도 5는 본 발명에 따른 수소 및 산소 발생장치의 다른 실시예를 도시한 단면도

도 6은 본 발명에 따른 수소 및 산소 발생장치의 원통형 전해셀(cylindrical electrolytic cell)을 도시한 개략도

도 7은 조립 이전의 도 6의 원통형 전해셀을 도시한 단면도

도 8은 조립 이후의 도 6의 원통형 전해셀을 도시한 단면도

도 9는 도 6의 원통형 전해셀이 적용되는 탈이온수탱크(deionized water tank)의 일실시예를 도시한 단면도

도 10은 종래의 냉각 기구를 구비한 수소 및 산소 발생장치의 일례를 도시한 설명도

도 11은 조립 이후의 종래의 전해셀의 일례를 도시한 단면도

도 12는 조립 이전의 도 11의 종래의 전해셀의 일례를 도시한 단면도

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

1: 탈이온수탱크 2: 전해셀

4: 수소기체방출관 5: 산소기체방출관

6: 탈이온수공급관 7: 열교환기

8: 냉매공급펌프 9a,9b: 관

10: 탈이온수유출구 11: 탈이온수유입구

12: 커버 13: 가대

14: 결합부 15: 체크밸브

16: 펌프

Claims

전해셀을 수용한 탈이온수탱크를 구비한 수소 및 산소 발생장치에 있어서,

상기 탈이온수탱크 안의 탈이온수를 냉각하는 열교환기가 상기 탈이온수탱크 외부에 설치되고, 상기 열교환기의 입구가 상기 탈이온수탱크 안의 탈이온수의 수위보다 낮은 제 1위치에 연결되며, 상기 열교환기의 출구가 상기 탈이온수탱크 안의 제 1위치보다 낮은 제 2위치에 연결된 것을 특징으로 하는 수소 및 산소 발생장치.
전해셀을 수용한 탈이온수탱크를 구비한 수소 및 산소 발생장치에 있어서,

상기 탈이온수탱크 안의 탈이온수를 냉각하는 열교환기가 상기 탈이온수탱크의 외부에 설치되고, 상기 열교환기의 입구가 상기 탈이온수탱크 안의 탈이온수의 수위보다 낮은 제 1위치에 연결되고, 상기 열교환기의 출구로부터 상기 탈이온수탱크의 벽을 관통하여 상기 전해셀까지 배관이 구비되며, 상기 배관은 상기 전해셀에 냉각된 탈이온수를 공급하도록 상기 셀에 직접 연결된 것을 특징으로 하는 수소 및 산소 발생 장치.
전해질막에 의하여 분리되고 전극판 사이에 배치된 양극챔버 및 음극챔버를 구비한 전해셀과, 상기 전해셀을 수용한 탈이온수탱크를 구비한 수소 및 산소 발생장치에 있어서,

상기 양극챔버 및 음극챔버가 그 내주면과 외주면이 외부로부터 격리된 환상격실을 형성하며, 상기 전체 전해셀이 그 중앙부에 공동을 가진 원통형으로 형성되고, 상기 탈이온수탱크 안의 탈이온수를 냉각하는 열교환기가 상기 전해셀의 중앙부 공동안에 배치된 것을 특징으로 하는 수소 및 산소 발생 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 원통형 전해셀은 그 양단에 형성된 링형 말단판과, 상기 원통형 전해셀의 내주면측 및 외주면측 모두의 양극챔버 및 음극챔버 외부에 위치된 복수의 클램핑수단을 포함하며, 상기 양 말단판은 상기 클램핑수단에 의하여 그들 사이에 상기 양극챔버 및 음극챔버의 구성부품을 클램핑하는 것을 특징으로 하는 수소 및 산소 발생 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 원통형 전해셀은 링형 전해질막과, 상기 전해질막의 양단에 형성된 링형 다공질 컨덕터와, 상기 양 다공질 컨덕터의 외측에 형성된 링형 전극판과, 상기 다공질 컨덕터의 외주면측에 형성된 외측폐쇄부재와, 상기 다공질 컨덕터의 내주면측에 형성된 내측폐쇄부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 및 산소 발생 장치.
제 3 항에 있어서, 함께 적층된 복수의 원통형 전해셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 및 산소 발생 장치.
제 3 항에 있어서, 발생한 산소를 방출시키는 경로가 상기 원통형 전해셀의 외주면측의 산소기체방출구와 상기 양극챔버를 연결하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 및 산소 발생 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 원통형 전해셀의 중앙부 공동의 중심축은 상기 탈이온수탱크의 중심축과 일치하게 배치되는 것을 특징으로 하는 수소 및 산소 발생 장치.