KR100498234B1 - Electrolytic Hydrogen-Oxygen generator - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 양극실과, 음극실과, 상기 양극실과 상기 음극실을 분리하고 전도체역할을 하는 막-전극 접합체로 구성된 전해셀을 구비한 수소-산소 발생 장치로서, 상기 양극실 및 상기 음극실 각각에, 전해질 배출 라인과, 상기 전해질 배출 라인보다 길이가 짧고 상기 전해질 배출 라인보다 단면적이 큰 가스 배출 라인을 구비한다.The present invention provides a hydrogen-oxygen generator having an anode cell, a cathode chamber, and an electrolytic cell composed of a membrane-electrode assembly that separates the anode chamber and the cathode chamber and serves as a conductor. And an electrolyte discharge line and a gas discharge line shorter in length than the electrolyte discharge line and having a larger cross-sectional area than the electrolyte discharge line.

Description

전기화학적 수소-산소 발생 장치{Electrolytic Hydrogen-Oxygen generator}Electrochemical Hydrogen-Oxygen Generator

고순도 수소와 산소가스는 실리콘 산화물 막, CVD막, 단결정 성장막, 반도체 공정등의 열처리 공정, 핵발전소 냉매용 물의 배관 및 부식 방지와 세라믹 소성등 많은 분야에 사용된다. 수소 가스는 일반적으로 석유화학 공장이나 가성소다 공장에서 부산물로 발생하는 수소를 정제하여 얻으며, 가압을 하거나 액화를 한 후 실린더에 저장하여, 수소를 필요로 하는 곳에 실린더로 이송한다. 고압 수소 가스가 채워진 실린더는 자체가 매우 위험하고 이송과 저장중에 누설로 인한 가스 폭발의 위험성이 있다. 또한 가스압축기로 수소가스를 압축시킬 때에 압축기 윤활유나 탄화수소등의 불순물이 유입될 수 있다.High purity hydrogen and oxygen gas are used in many fields such as silicon oxide film, CVD film, single crystal growth film, heat treatment process such as semiconductor process, piping of water for nuclear power plant refrigerant, corrosion prevention and ceramic firing. Hydrogen gas is generally obtained by purifying hydrogen generated as a by-product from a petrochemical plant or caustic soda plant, pressurized or liquefied, stored in a cylinder, and transferred to a cylinder where hydrogen is needed. Cylinders filled with high pressure hydrogen gas are very dangerous in themselves and there is a risk of gas explosion due to leakage during transport and storage. In addition, when the hydrogen gas is compressed by the gas compressor, impurities such as compressor lubricating oil or hydrocarbon may be introduced.

반면, 산소 가스는 저온으로 공기를 냉각하는 방법에 의해 액체산소를 얻을 수 있다. 액체 산소는 반도체 공정 등의 산소가 필요한 곳으로 이동되어 사용시 기화하여 사용한다. 수소 가스와 달리 산소 가스 자체는 폭발성이나 인화성이 없지만 금속과는 급격한 반응이 일어나 수소 가스와 같이 산소 가스도 수송, 저장과 사용 중에 위험할 수가 있다. 따라서 고압 상태의 수소나 산소로 채워진 실린더의 보관과 이송과 관련하여 많은 문제가 일어날 수가 있다.Oxygen gas, on the other hand, can obtain liquid oxygen by cooling air at low temperature. The liquid oxygen is moved to the place where oxygen is needed such as semiconductor process and vaporized when used. Unlike hydrogen gas, oxygen gas itself is not explosive or flammable, but reacts rapidly with metals, so oxygen gas, like hydrogen gas, can be dangerous during transportation, storage and use. Therefore, many problems may arise regarding the storage and transportation of cylinders filled with hydrogen or oxygen at high pressure.

위에서 언급한 문제는 수소와 산소가 단독으로 또는 동시에 필요한 곳에서 물을 전기분해하여 수소와 산소를 발생시키는 시스템을 이용하여 해결할 수 있다. 즉 수소와 산소 발생시스템을 설치하여 고압의 수소와 산소 가스의 이송, 저장등과 관련한 안전문제를 해결할 수 있다.The above mentioned problems can be solved by using a system that generates hydrogen and oxygen by electrolyzing water where hydrogen and oxygen are needed alone or simultaneously. In other words, by installing a hydrogen and oxygen generating system can solve the safety problems associated with the transport and storage of high-pressure hydrogen and oxygen gas.

물을 전기분해하여 수소와 산소를 생산하는 방법은 널리 알려져 있으며 가스 발생시스템은 제품 측면에서는 발생되는 수소 제품의 순도가 높고, 압력이 높아야 하며, 운전 측면에서 전기에너지 사용이 적고, 운전이 편리하여야 하며, 내구성이 길어야 하며, 설비측면에서는 콤팩트한 시스템의 특성을 가져야 한다.The method of producing hydrogen and oxygen by electrolysis of water is widely known, and the gas generating system should have high purity, high pressure, low use of electric energy in terms of operation, and convenient operation. It must be durable and have the characteristics of a compact system in terms of equipment.

전해질(가성소다 혹은 황산)을 사용하는 대신 순수를 전기분해 하는 경우 전기분해장치의 운전은 고전류 밀도(0.5A/㎡ 이상의 전류밀도)와 고압의 운전이 가능하다. 고전류 밀도 운전의 설계를 하면 콤팩트한 장치 설계가 가능하며, 고압의 운전 설계는 수소와 산소를 별도의 가압기 없이 고압으로 고순도 가스를 제조하여 소비자가 원하는 곳에서 사용할 수 있게 한다.In the case of electrolyzing pure water instead of using an electrolyte (caustic soda or sulfuric acid), the operation of the electrolysis device can be operated at high current density (current density of 0.5 A / m 2 or more) and at high pressure. The design of high current density operation enables compact device design, and the high pressure operation design enables the production of high purity gas at high pressure without hydrogen and oxygen to be used where the customer wants.

첨부 도면 제1도는 수소-산소 발생용 순수 전기분해 장치의 기본구성을 나타낸 도면이다. 전해셀은 크게 산소가 발생하는 양극촉매(31)와 수소가 발생하는 음극촉매(21), 그리고 이들을 분리하고 전도체 역할을 하는 막(10)으로 구분되며, 이들의 결합된 형태인 막-전극 접합체(1)가 기본 구성이 된다.1 is a view showing the basic configuration of the pure electrolysis device for hydrogen-oxygen generation. The electrolytic cell is largely divided into a cathode catalyst 31 that generates oxygen, a cathode catalyst 21 that generates hydrogen, and a membrane 10 that separates and serves as a conductor, and is a membrane-electrode assembly in a combined form. (1) becomes a basic configuration.

순수(90)를 양극촉매(31)에 공급하면서 전류를 양극촉매(31)에 가하면, 순수(90)는 다음 식1에의하여 막-전극 접합체(1)의 양극촉매(31)에 의해 산소(72)와 양이온(80,수소이온, 프로톤), 전자(62)로 분해된다. 양이온(80)은 음극쪽으로 이동하며, 전자(62)는 전원 공급기(900)로 이동한다.When pure water 90 is supplied to the anode catalyst 31 and current is applied to the anode catalyst 31, the pure water 90 is formed by oxygen (the anode catalyst 31 of the membrane-electrode assembly 1) by the following equation (1). 72) and cations (80, hydrogen ions, protons), electrons (62). The cation 80 moves toward the cathode and the electron 62 moves to the power supply 900.

양극촉매(31)에서 음극촉매(21)로 이동한 양이온(80)과 전원 공급기(900)에서 이동한 전자(62)와 만나 다음식(2)에의해 막-전극 접합체(1)의 음극촉매(21)에서 수소(82)가 발생한다.The negative electrode catalyst of the membrane-electrode assembly 1 meets the positive electrode 80 moving from the positive electrode catalyst 31 to the negative electrode catalyst 21 and the electrons 62 moving from the power supply 900. Hydrogen 82 is generated at 21.

제1도에 표시된 바와 같이 양극에만 순수를 공급하는 방법은 통과하는 물의 농도 구배(Concentration Gradient)가 매우 적기 때문에 막(10)의 전기적 저항은 전해 셀에 공급되는 전류에 영향을 거의 받지 않는다. 따라서, 양극실 공급 전해 시스템은 최대 3.2A/㎡의 전류밀도를 얻을 수 있다. 90a는 순수(90)가 반응되지 않은 순수이다.As shown in FIG. 1, the method of supplying pure water only to the anode has a very small concentration gradient of water passing through, so that the electrical resistance of the membrane 10 is hardly influenced by the current supplied to the electrolytic cell. Therefore, the anode chamber supply electrolytic system can obtain a current density of up to 3.2 A / m 2. 90a is pure water to which pure water 90 has not reacted.

그러나, 전류밀도가 증가하면 할수록 전해셀 내에 많은 가스가 발생하게 되며 제2도와 같이 전해질과 가스가 제한된 배출구(10,20)로 원할히 배출하지 못하고 가스와 액체가 교대로 배출하게 된다. 양극실과 음극실 각각에 압력계(Pa, Pc)를 설치하여 전해셀내의 압력변동을 관측하면 제3도과 같이 양극실과 음극실의 압력이 합체(PT= Pa-Pc)되어 매우 큰 압력 요동(Fluctuation)이 발생하게 되며, 이렇게 양극실과 음극실에서 발생하는 압력 요동은 제4도와 같이 전극-막 접합체(1)가 다공질 전도체(32,22)와 마찰되면서 막이 손상을 받아 핀홀(Pinhole)이 생길수 있으며, 산소가 수소가스가 혼입되어 제품의 순도와 가스 폭발과 같은 안전에 위협을 줄 수 있어 전류밀도 운전에 제한을 주게 된다.However, as the current density increases, more gas is generated in the electrolytic cell, and as shown in FIG. 2, the electrolyte and the gas do not smoothly discharge to the restricted outlets 10 and 20, and the gas and the liquid are alternately discharged. When pressure gauges (Pa, Pc) are installed in the anode and cathode chambers to observe the pressure fluctuations in the electrolytic cell, the pressures in the anode and cathode chambers are combined (PT = Pa-Pc) as shown in FIG. In this way, the pressure fluctuations generated in the anode chamber and the cathode chamber may be damaged as the electrode-membrane assembly 1 rubs against the porous conductors 32 and 22, resulting in pinholes. Oxygen is mixed with hydrogen gas, which can threaten safety of product and safety such as gas explosion, thus limiting current density operation.

현재까지 위의 문제를 해결한 예는 없으며 단지 고압운전에 따른 전해셀내의 압력을 견딜 수 있는 구조에 관한 특허는 다수 있다. 고압 운전과 관련한 막의 손상 및 전해질 및 가스의 누출 방지는 방지하는 방법은 일반적으로 널리 알려져 있으며 두가지 방법으로 개선되어 왔다.There is no example that solves the above problem to date, there are a number of patents on the structure that can only withstand the pressure in the electrolytic cell according to the high pressure operation. Methods for preventing membrane damage and leakage of electrolytes and gases associated with high pressure operation are generally well known and have been improved in two ways.

한가지 방법은 셀내의 가스켓의 표면처리를 통한 방법으로 가스켓을 특수하게 설계하여, 전해질 및 가스의 누설 및 막을 보호하는 방법이다. 이와 관련한 특허로는 미국특허 6,365,032B1, 미국특허 6,270,636B1, 미국특허 6,099,716등이 있다.One method is to specially design the gasket by surface treatment of the gasket in the cell to protect the electrolyte and gas leakage and the membrane. Related patents include US Pat. No. 6,365,032B1, US Pat. No. 6,270,636B1, US Pat. No. 6,099,716, and the like.

다른 한가지 방법은 셀내의 압력과 셀 외부의 압력차를 제거하기 위해 별도의 고압수조의 용기내에 전해스택을 설치하여 전해스택 내부와 외부의 압력차를 줄여 막의 손상 방지와 전해질과 가스의 누출을 감소시키는 방법이다. 이와 관련한 특허로는 미국특허 5,665,211, 미국특허 5,690,297, 미국특허 5,888,361, 미국특허 5,783,051등이 있다.Another method is to install an electrolytic stack in a separate high-pressure water tank to eliminate pressure in the cell and pressure outside the cell, reducing the pressure differential between the electrolytic stack and preventing electrolyte damage and reducing electrolyte and gas leakage. This is how you do it. Related patents include U.S. Patent 5,665,211, U.S. Patent 5,690,297, U.S. Patent 5,888,361, U.S. Patent 5,783,051, and the like.

그러나, 이 같은 선행 기술은 전해셀내의 압력 요동을 제거하지 못하므로 고전류 밀도 운전과 고압 운전에 한계를 가진다. 일반적으로 이들 시스템의 최대 전류밀도는 7kA/m2과 9bar이다.However, this prior art does not eliminate the pressure fluctuations in the electrolytic cell and thus has limitations in high current density operation and high pressure operation. Typically, the maximum current densities of these systems are 7kA / m2 and 9bar.

고전류밀도와 고압의 운전은 수소 발생시스템의 투자비, 운전비용을 절감하고, 컴팩트한 사이즈로 시스템 설계를 가능하게 한다. 그러나, 고전류 밀도 및 고압의 운전조건에서 전해 셀 내부의 압력 변동은 매우 커서 막-전극 접합체의 손상을 야기하고, 이에 제품의 순도가 떨어 지고, 발생 수소와 산소 가스 혼합에 따는 폭발 위험성이 있어 기존 시스템은 매우 제한된 전류밀도와 압력 조건을 가진다. 따라서, 고전류밀도와 고압의 운전조건에서 전해셀 내부의 압력 변동을 최소화하는 전해셀 개발이 필요하다.High current density and high pressure operation reduces the investment cost and operating cost of the hydrogen generation system and enables the system design to be compact. However, under high current density and high pressure operating conditions, the pressure fluctuations inside the electrolytic cell are very large, causing damage to the membrane-electrode assembly, thus reducing the purity of the product and the risk of explosion due to the mixing of generated hydrogen and oxygen gas. The system has very limited current density and pressure conditions. Accordingly, there is a need for developing an electrolysis cell that minimizes pressure fluctuations inside the electrolysis cell under high current density and high pressure operating conditions.

본 발명은 전류밀도 20kA/m2 이상과 20bar 이상의 운전 압력 조건에서 운전 가능한 전해셀에 관한 것이다. 본 발명의 핵심적인 기술중의 하나는 고전류 밀도와 고압의 운전 조건에서 전해 셀 내부의 압력 변동폭을 최소화하는 셀 구조에 관한 것이다.The present invention relates to an electrolytic cell operable at a current density of 20 kA / m 2 or more and an operating pressure of 20 bar or more. One of the key techniques of the present invention relates to a cell structure that minimizes the pressure fluctuation inside the electrolytic cell under high current density and high pressure operating conditions.

이하, 본 발명을 실시예로한 첨부 도면 제5도 내지 제8도를 참고로 하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 5 to 8 as an embodiment.

첨부 도면 제5도는 수소-산소 발생용 순수 전기분해 장치의 전해셀(210)의 분해사시도이다. 전해셀(210)은 산소가 발생하는 양극실(A)과 수소가 발생하는 음극실(B), 그리고 이들을 분리하고 전도체 역할을 하는 막-전극 접합체(1)로 구성된다.5 is an exploded perspective view of an electrolysis cell 210 of a pure hydrogen electrolysis device for hydrogen-oxygen generation. The electrolytic cell 210 is composed of an anode chamber (A) in which oxygen is generated, a cathode chamber (B) in which hydrogen is generated, and a membrane-electrode assembly (1) that separates them and serves as a conductor.

상기 양극실(A)은 물과 같은 전해질을 공급해주는 기능과 전기에너지를 양극촉매에 공급해주는 기능을 가진다.The anode chamber (A) has a function of supplying an electrolyte such as water and a function of supplying electrical energy to the anode catalyst.

양극실(A)의 기능중 전해질 및 반응물을 공급하고 배출하는 방법은 다음과 같다.The method of supplying and discharging the electrolyte and the reactant during the function of the anode chamber (A) is as follows.

양극실(A) 한쪽 측에는 물을 공급하기 위한 공급로(35)가 있고, 다른 반대측에는 전극반응에 의해 발생된 산소를 전해 셀(210) 외부로 이동시키기 위한 이중 배출 라인(Double Discharge Line)(37a)(37b)이 있다. 이 배출라인(37a)(37b)은 전해셀(210)내의 가스와 전해질을 각각 다른 경로를 통해 외부로 배출하며, 이 같이 구성함으로 한라인을 통해 가스와 전해질을 동시에 배출하는 경우(기존 선행 기술)의 가스와 액체의 경쟁에 따른 전해셀 양극실 내의 압력 요동을 제거하였다. 이때, 압력을 배출라인(37a)은 전해질의 배출라인이며, 다른 배출라인(37b)은 가스 배출라인이다. 전해질 배출라인(37a)과 가스 배출라인(37b)의 길이는 일반적으로 전해질 배출라인이 1.2배이상 길며 바람직하게는 3mm 길다. 전해질 배출라인(37a)과 가스 배출라인(37b)의 단면적은 일반적으로 가스 배출라인(37b)이 1.2배이상 크며 바람직하게는 1.5배 큰 것이 바람직하다. 전해질 배출라인(37a)과 가스 배출라인(37b)의 재질은 양극실의 재질과 동일한 플라스틱으로 구성하며, 바람직하게는 테프론, 폴리프로필렌이 바람직하다. 이중배출라인(37a)(37b)은 도면에서와 같이 별도의 라인으로 구성할 수도 있으며, 그림에서 표기되지는 않았지만 큰 면적을 가지는 배출구에 작은 면적의 배출구를 넣은 형태도 가능하지만, 전해셀의 제작 측면에서 별도의 라인을 갖는 것이 바람직하다.One side of the anode chamber (A) has a supply passage 35 for supplying water, and the other side of the anode chamber (A) has a double discharge line for moving oxygen generated by the electrode reaction to the outside of the electrolytic cell 210 ( 37a) and 37b. The discharge lines 37a and 37b discharge the gas and the electrolyte in the electrolytic cell 210 to the outside through different paths, and in this way, when the gas and the electrolyte are simultaneously discharged through one line (the existing prior art) Pressure fluctuations in the anode cell of the electrolytic cell were eliminated due to the competition between the gas and the liquid. At this time, the pressure discharge line 37a is a discharge line of the electrolyte, and the other discharge line 37b is a gas discharge line. The length of the electrolyte discharge line 37a and the gas discharge line 37b is generally 1.2 times longer than the electrolyte discharge line and preferably 3 mm long. The cross-sectional area of the electrolyte discharge line 37a and the gas discharge line 37b is generally 1.2 times larger than the gas discharge line 37b and preferably 1.5 times larger. The material of the electrolyte discharge line 37a and the gas discharge line 37b is made of the same plastic as that of the anode chamber, and preferably Teflon or polypropylene is preferable. The double discharge lines 37a and 37b may be configured as separate lines as shown in the drawing, and although not shown in the figure, a discharge area having a large area may be inserted into a discharge area having a large area. It is desirable to have a separate line on the side.

양극실의 다른 기능인 전기에너지를 전극촉매에 공급하는 방법은 다음과 같다.The method of supplying electric energy, which is another function of the anode chamber, to the electrode catalyst is as follows.

공급된 전기에너지는 양극실(A) 내부의 바이폴라 전극판(40)과 접촉된 다공성 전도체(32)를 통과하여 양극촉매(31) 표면으로 이동하여 전기분해반응을 유도한다.The supplied electrical energy passes through the porous conductor 32 in contact with the bipolar electrode plate 40 in the anode chamber A and moves to the surface of the anode catalyst 31 to induce an electrolysis reaction.

본발명의 막-전극 접합체(1)의 양극촉매(31)로는 산소과전압이 낮은 전극촉매인 귀금속류족의 전기화학촉매가 바람직하다. 특히 물 전해에 적합한 산소발생용 전극촉매로는 이리듐등 백금족의 금속 또는 산화물이 바람직하다.As the anode catalyst 31 of the membrane-electrode assembly 1 of the present invention, an electrochemical catalyst of a noble metal group which is an electrode catalyst having a low oxygen overvoltage is preferable. Particularly suitable as an oxygen generating electrode catalyst for water electrolysis, a metal or oxide of platinum group such as iridium is preferable.

전기전도체의 기능을 가지는 양극실(A)의 다공성 전도체(32)는 티타늄을 모재로 하며, 산소과전압이 낮은 전극촉매인 귀금속류족의 전기화학 촉매가 코팅된 금속이 바람직하다. 특히 티타늄 모재위에 주석과 이리듐이 코팅된 것이 바람직하다.The porous conductor 32 of the anode chamber (A) having the function of an electrical conductor is preferably made of titanium, and is preferably a metal coated with an electrochemical catalyst of a noble metal group which is an electrode catalyst having a low oxygen overvoltage. Particularly, it is preferable that the tin and iridium are coated on the titanium base material.

음극실(B)은 전기에너지를 음극촉매(21)에 공급해주는 기능과 전기분해에 의해 생성된 수소와 양극실(A)에서 이동한 물을 전해셀(210) 외부로 배출하는 기능을 가진다.The cathode chamber B has a function of supplying electrical energy to the cathode catalyst 21 and a function of discharging hydrogen generated by electrolysis and water moved from the anode chamber A to the outside of the electrolysis cell 210.

음극실(B)에는 물을 공급하기 위한 공급로가 없고, 전극반응에 의해 발생된 수소와 물을 전해 셀 외부로 이동시키기 위한 이중 배출 라인(Double Discharge Line)(27a)(27b)이 있다. 이중 배출라인(27a)(27b)은 양극실(A)의 경우와 동일하게 전해셀 음극실(B)내의 압력 요동을 제거하였다. 배출라인(27a)은 전해질의 배출라인이며, 다른 배출라인(27b)은 가스 배출라인이며 크기와 길이는 양극실(A)의 경우와 동일하다.In the cathode chamber B, there is no supply path for supplying water, and there are double discharge lines 27a and 27b for moving hydrogen and water generated by the electrode reaction to the outside of the electrolytic cell. The double discharge lines 27a and 27b eliminated pressure fluctuations in the electrolytic cell cathode chamber B in the same manner as in the anode chamber A. The discharge line 27a is a discharge line of the electrolyte, the other discharge line 27b is a gas discharge line, and the size and length are the same as in the case of the anode chamber A.

본 발명의 이중 배출라인을 갖는 전해셀(210)의 압력변동은 제7도와 같다. 제7도는 전류밀도 20kA/m2 운전 조건에서 순수를 분해하는 경우의 예로서 제3도의 6kA/m2 운전조건에서의 기존 전해셀내의 압력 변동폭보다 고전류밀도 운전 경우에도 압력요동이 크게 감소하였다.The pressure variation of the electrolytic cell 210 having the double discharge line of the present invention is shown in FIG. 7 is a case of decomposing pure water under a current density of 20 kA / m 2 operating conditions, and the pressure fluctuations are greatly reduced even at a high current density operation than the pressure fluctuations in a conventional electrolytic cell under a 6 kA / m 2 operating condition of FIG. 3.

음극실(B)의 다른 기능인 전기에너지를 음극촉매(21)에 공급하는 방법은 다음과 같다. 공급된 전기에너지는 음극실(B) 내부의 바이폴라 전극판(40)과 접촉된 다공성 전도체(22)를 통과하여 음극촉매(21) 표면으로 이동하여 전기분해반응을 유도한다.A method of supplying electrical energy, which is another function of the cathode chamber B, to the cathode catalyst 21 is as follows. The supplied electrical energy passes through the porous conductor 22 in contact with the bipolar electrode plate 40 in the cathode chamber B and moves to the surface of the anode catalyst 21 to induce an electrolysis reaction.

본발명의 막-전극 접합체(1)의 음극촉매(21)로는 수소과전압이 낮은 전극촉매인 백금족류족의 전기화학촉매가 바람직하다. 가장 적합한 전극촉매로는 백금 또는 그 산화물이 바람직하다. 음극실(B)의 다공성 전도체(22)는 티타늄을 모재로 하며, 수소과전압이 낮은 전극촉매인 백금이 코팅된 것이 바람직하다.As the cathode catalyst 21 of the membrane-electrode assembly 1 of the present invention, an electrochemical catalyst of the platinum group group, which is an electrode catalyst having a low hydrogen overvoltage, is preferable. Most suitable electrocatalyst is platinum or its oxide. The porous conductor 22 of the cathode chamber B has titanium as a base material, and is preferably coated with platinum, an electrode catalyst having a low hydrogen overvoltage.

또한, 양극실(A)과 음극실(B)과 막-전극 접합체(1) 사이와 양극실(A)과 음극실(B)과 바이폴라 전극판(40) 사이에는 일정 간격을 유지하면서 동시에, 이들 사이의 밀폐역할을 수행하는 가스켓(25,36)가 설치되어 있다. 가스켓(25,36)은 고저항계수와 고온 저항성의 에칠렌 프로필렌(EPDM) 고무가 가장 바람직하다.In addition, while maintaining a constant gap between the anode chamber (A) and the cathode chamber (B) and the membrane-electrode assembly 1 and between the anode chamber (A) and the cathode chamber (B) and the bipolar electrode plate 40, Gaskets 25 and 36 are provided for performing a sealing role therebetween. The gaskets 25 and 36 are most preferably high ethylene propylene (EPDM) rubbers having high coefficient of resistance and high temperature resistance.

막-전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly)(1)의 막(10)은 설폰산 그룹을 가지는 불소고분자로 제조된 양이온 교환막 300시리즈(예, Nafion , 듀폰사(Dupont de Nemours, Wilmington, Del.))가 가장 적합한 것으로 알려져 있다.음극실 프레임(24)은 음극실(B) 내의 생성물의 이동과 다공성 전도체(22)와 가스켓(25)을 유지한다. 양극실 프레임(34)은 반응물(예로, 물)과 생성물(예로, 산소)의 이동과 다공성 전도체(32)와 가스켓(36)을 유지한다.The membrane 10 of the membrane-electrode assembly 1 is composed of 300 series of cation exchange membranes (eg, Nafion) made of fluoropolymers having sulfonic acid groups. Dupont de Nemours (Wilmington, Del.) Is known to be most suitable. The cathode chamber frame 24 holds the porous conductors 22 and the gasket 25 and the movement of the product in the cathode chamber B. do. The anode chamber frame 34 maintains the movement of reactants (eg, water) and products (eg, oxygen) and porous conductors 32 and gaskets 36.

그리고, 본 발명에서 바이폴라전극판(40)은 티타늄위에 백금을 도금한 것이 바람직하다.In the present invention, the bipolar electrode plate 40 is preferably plated with platinum on titanium.

제6도의 양극실(A), 가스켓(36,25), 막-전극 접합체(1), 음극실(B)은 결합되어 전기분해셀 1개의 유니트(Unit)를 구성하게 된다. 제6도는 하나의 전형적인 전해셀을 도시한 것이며, 용량에 따라 연속 결합하여 제8도와 같이 전해스택(500, Electrolyzer)을 구성하게 된다. 따라서, 산소와 수소의 발생량은 이들 전해셀의 갯수에 따라 달라진다.6, the anode chamber A, the gaskets 36 and 25, the membrane-electrode assembly 1, and the cathode chamber B are combined to form one unit of an electrolysis cell. FIG. 6 illustrates one typical electrolytic cell, and is continuously coupled according to capacity to form an electrolytic stack 500 (electrolyzer) as shown in FIG. Therefore, the amount of oxygen and hydrogen generated depends on the number of these electrolytic cells.

상기 구성 전해스택(500)은 제8도와 같이 최종 바깥쪽에 전해셀를 둘러싸는 프레임(98a, 98b)은 300psi하에서도 견디어 낼 수 있도록 스테인레스 구조체로 형성하거나, 전체적인 기기의 중량을 감소시켜기 위하여 고강력 라스틱재질로 구성할 수도 있다. 이때 프레임(98a,98b)은 볼트(92)와 너트(93)에 의해 고정시킨다. 또한 프레임 양쪽에 전원공급기(900)의 양극부과 음극부의 연결로를 통하여 전원을 인가하면, 각 전해셀에 전류를 공급하는 전도체의 역할을 한다.The configuration electrolytic stack 500 is formed of a stainless steel structure to withstand the electrolytic cell at the final outer side as shown in FIG. 8 to 300 psi, or to reduce the weight of the overall device high strength It may be made of a plastic material. At this time, the frames 98a and 98b are fixed by the bolts 92 and the nuts 93. In addition, when power is applied to both sides of the frame through the connection part of the anode and cathode of the power supply 900, it serves as a conductor for supplying current to each electrolytic cell.

또한 전해스택(500)은 유체공급 통로(330)를 통하여 구성된 모든 전해셀(210)에 물을 공급하며, 전해셀(210) 각각에서 발생된 수소 가스를 모아 외부로 배출하는 수소 가스 배출로(290)를 가지며, 동시에 양극에서 발생한 산소 가스를 동시에 모아 외부로 배출하는 산소 가스 배출로(390)를 가진다.In addition, the electrolytic stack 500 supplies water to all the electrolytic cells 210 configured through the fluid supply passage 330, and collects hydrogen gas generated in each of the electrolytic cells 210 and discharges the hydrogen gas to the outside ( It has a 290, and at the same time has an oxygen gas discharge path 390 for collecting the oxygen gas generated at the anode at the same time and discharged to the outside.

상기 구성 전해스택(500)은 제9도와 같이 일정압력 용기(600)에 넣어 운전을 한다. 제9도는 고압과 고순도의 수소를 생산하기 위한 공정의 일례를 나타낸 것이다. 전해스택(500)의 프레임 일측에서 모아진 수소는 열교환기(200)에서 부분적으로 냉각된후 고압 압력용기(600) 외부의 수소-물 상분리기(700)로 이동하여 물과 수소가 상 분리되며, 상분리가 된 후 수소는 수소중의 미세 수분을 제거하기 위한 제습기(800)로 이동한다. 이 제습기(800)에서 수분을 제거한 후 수소 저장조(910)에 저장한다. 이때 상분리기에서 제거된 물은 순수저장조(100)에 모은다.The configuration electrolytic stack 500 is put into a constant pressure vessel 600, as shown in FIG. 9 shows an example of a process for producing high pressure and high purity hydrogen. Hydrogen collected at one side of the frame of the electrolytic stack 500 is partially cooled in the heat exchanger 200 and then moved to a hydrogen-water phase separator 700 outside the high-pressure pressure vessel 600 to phase-separate water and hydrogen. After phase separation, the hydrogen moves to a dehumidifier 800 to remove fine moisture in hydrogen. The moisture is removed from the dehumidifier 800 and then stored in the hydrogen storage tank 910. At this time, the water removed from the phase separator is collected in the pure water storage tank (100).

그리고 프레림 다른측에서는 산소가 발생하여 압력 용기(600) 상부측으로 올라가게 된다. 상부측으로 올라간 가스는 압력용기(600)를 거쳐 가스에 존재하는 수분을 제거하는 제습기(810)로 이동하여 수분을 제거한 후 산소저장조(920)에 저장된다.Oxygen is generated on the other side of the praim to rise to the upper side of the pressure vessel 600. The gas raised to the upper side is moved to the dehumidifier 810 to remove the moisture present in the gas via the pressure vessel 600, and the moisture is removed and then stored in the oxygen storage tank 920.

이때, 산소 및 수소 발생장치로 물을 계속적으로 공급해주기 위하여 순수 저장조(100)와 압력용기(600)의 사이에 고압펌프(120)가 설치되어 있다.At this time, the high pressure pump 120 is installed between the pure water storage tank 100 and the pressure vessel 600 in order to continuously supply water to the oxygen and hydrogen generator.

현재는 사용되는 가스는 화학공장 및 제철소에서 부산물로 발생하는 수소를 정제하여 고압용기에 충진하여 실린더로 이동 사용하고 있다. 이 같은 수소 분배 환경은 이동부터 사용때까지 상시 폭발위험성에 노출되어 있는 실정이다. 공업적으로 생산된 수소는 고순도의 질을 연속적으로 공급 받기가 어려우며, 실린더에 가스를 충분히 사용하지 못하기 때문에 효율성이 떨어지고 있다. 이에 본 발명은 폭발위험성 없이 순수만으로 고순도, 고압의 수소를 안정적으로 생산할 수 있으며, 현재 100% 수입하고 있는 본 장치에 대하여 수입대체 효과는 물론이고 해외 시장 개척에도 도움이 될 수 있을 것이다.Currently, the gas used is used to purify hydrogen generated as a by-product from chemical plants and steel mills and fill it with a high-pressure container and move it to a cylinder. This hydrogen distribution environment is exposed to the explosion risk from the time of movement to use. Industrially produced hydrogen is difficult to continuously receive high-purity quality, and the efficiency is inferior because of insufficient use of gas in the cylinder. Therefore, the present invention can stably produce high purity, high pressure hydrogen with only pure water without the risk of explosion, and it may be helpful for the overseas market as well as the import substitution effect for the present device imported at 100%.

도 1은 전기화학적 수소-산소 발생 원리를 나타낸 도면이고,1 is a view showing the electrochemical hydrogen-oxygen generation principle,

도 2는 전해셀내 가스-액체 배출 현상을 나타낸 도면이고,2 is a view showing a gas-liquid discharge phenomenon in the electrolytic cell,

도 3은 기존 전해셀내의 압력 변동 현상을 나타낸 도면이고,3 is a view showing a pressure fluctuation phenomenon in an existing electrolytic cell,

도 4는 막-전극 접합체의 요동을 나타낸 도면이고,4 is a view showing the fluctuation of the membrane-electrode assembly,

도 5는 본 발명의 단위셀의 분해를 나타낸 도면이고,5 is a diagram illustrating decomposition of a unit cell of the present invention.

도 6은 본 발명의 단위셀을 나타낸 도면이고,6 is a view showing a unit cell of the present invention,

도 7은 본 발명의 전해셀내 압력 변동을 나타낸 도면이고,7 is a view showing the pressure variation in the electrolytic cell of the present invention,

도 8은 전해스택의 조립을 나타낸 도면이고,8 is a view showing the assembly of the electrolytic stack,

도 9는 수소-산소 발생기를 나타낸 도면이다.9 shows a hydrogen-oxygen generator.

Claims (3)

양극실과, 음극실과, 상기 양극실과 상기 음극실을 분리하고 전도체역할을 하는 막-전극 접합체로 구성된 전해셀을 구비한 수소-산소 발생 장치로서,A hydrogen-oxygen generator having an anode chamber, a cathode chamber, and an electrolytic cell composed of a membrane-electrode assembly separating the anode chamber and the cathode chamber and acting as a conductor, 상기 양극실 및 상기 음극실 각각에, 전해질 배출 라인과, 상기 전해질 배출 라인보다 길이가 짧고 상기 전해질 배출 라인보다 단면적이 큰 가스 배출 라인을 구비한 것을 특징으로 하는 전기화학적 수소-산소 발생 장치.And an electrolyte discharge line and a gas discharge line having a length shorter than that of the electrolyte discharge line and having a larger cross-sectional area than the electrolyte discharge line in each of the anode chamber and the cathode chamber. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전해질 배출 라인의 길이는 상기 가스 배출 라인의 길이보다 1.2배이상 긴 것을 특징으로 하는 전기화학적 수소-산소 발생 장치.The length of the electrolyte discharge line is an electrochemical hydrogen-oxygen generator, characterized in that more than 1.2 times longer than the length of the gas discharge line. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 가스 배출 라인의 단면적은 상기 전해질 배출 라인의 단면적보다 1.2배이상 큰 것을 특징으로 하는 전기화학적 수소-산소 발생 장치.The cross-sectional area of the gas discharge line is more than 1.2 times larger than the cross-sectional area of the electrolyte discharge line electrochemical hydrogen-oxygen generator.
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