KR101693826B1 - 수전해 장치 및 이의 운전 방법 - Google Patents

Abstract

수전해 장치는 수전해 스택, 저장 탱크, 열 교환기, 및 바이패스 배관을 포함한다. 수전해 스택은 수전해 반응을 이용하여 수소와 산소를 생산한다. 저장 탱크는 수전해 스택으로부터 산소가 포함된 순환수를 제공받아 산소와 순환수를 분리하고, 순환수를 수전해 스택으로 재공급한다. 열 교환기는 저장 탱크와 수전해 스택을 연결하는 순환 배관에 설치되어 순환수의 온도를 낮춘다. 바이패스 배관은 순환 배관에 병렬로 연결 설치되고, 열 교환기를 바이패스하여 저장 탱크의 순환수를 수전해 스택으로 공급한다.

Description

수전해 장치 및 이의 운전 방법 {WATER ELECTROLYSIS APPARATUS AND DRIVING METHOD THEREOF}

본 발명은 수전해 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 순환수 저장 탱크와 열 교환기를 구비한 수전해 장치 및 이의 운전 방법에 관한 것이다.

통상의 수전해 장치는 수전해 반응을 이용하여 수소와 산소를 생산하는 알칼리 수전해 스택과, 수전해의 재료인 순환수(알칼리 용액)를 저장하는 저장 탱크와, 순환수를 냉각시키는 공랭식 열 교환기와, 수소를 정제하는 수소 정제기와, 수소의 배출 압력을 조절하는 압력 조절기 등을 포함한다.

저장 탱크에는 순환수가 유입되는 유입구와, 산소를 배출하는 산소 배출구가 형성된다. 그런데 유입구를 통해 유입되는 순환수는 수위를 출렁이게 만들어 수위 센서의 오작동을 유발할 수 있으며, 산소 배출 과정에서 저장 탱크의 내벽에 형성된 응축수가 산소와 함께 배출되어 순환수의 손실을 유발할 수 있다.

통상의 수전해 장치는 순환수를 순환시키는 단일 순환 경로를 가지고 있으며, 알칼리 수전해 스택의 반응열에 의해 순환수의 온도가 상승하여 알칼리 수전해 스택의 운전 온도(대략 40℃ 내지 50℃)를 초과하면 공랭식 열 교환기에 장착된 팬(fan)을 가동하여 순환수의 온도를 낮추게 된다.

그런데 팬을 가동하지 않더라도 공랭식 열 교환기의 넓은 표면적에 의해 순환수의 열이 방출되므로 초기 기동에 많은 시간을 소비하게 된다. 또한, 겨울철과 같이 외부 온도가 낮은 경우 기동 시간은 더 늘어나며, 정격 운전시 발생하는 반응열만으로 순환수의 온도를 유지하기 어렵기 때문에 히터를 동작시켜야 한다. 그런데 히터 동작은 전력 소모를 증가시켜 수전해 장치의 효율을 감소시킨다.

본 발명은 순환수의 순환 경로를 개선하여 초기 기동 시간을 줄이고, 히터 사용을 최소화하여 전력 소모를 낮추며, 저온의 외부 공기 유입을 차단하여 안정적인 운전을 할 수 있는 수전해 장치 및 이의 운전 방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 저장 탱크의 내부 구조를 개선하여 수위 센서의 오작동을 방지함과 아울러 응축수가 산소와 함께 배출되지 않도록 하여 순환수의 손실을 억제할 수 있는 수전해 장치 및 이의 운전 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 장치는, ⅰ) 수전해 반응을 이용하여 수소와 산소를 생산하는 수전해 스택과, ⅱ) 수전해 스택으로부터 산소가 포함된 순환수를 제공받아 산소와 순환수를 분리하고, 순환수를 수전해 스택으로 재공급하기 위한 저장 탱크와, ⅲ) 저장 탱크와 수전해 스택을 연결하는 순환 배관에 설치되어 순환수의 온도를 낮추는 열 교환기와, ⅳ) 순환 배관에 병렬로 연결 설치되고, 열 교환기를 바이패스하여 저장 탱크의 순환수를 수전해 스택으로 공급하기 위한 바이패스 배관을 포함한다.

수전해 장치는, 열 교환기의 전단에서 순환 배관과 바이패스 배관의 연결 지점에 설치되어 저장 탱크의 순환수를 순환 배관과 바이패스 배관 중 어느 하나에 선택적으로 공급하는 삼방향 밸브를 더 포함할 수 있다.

다른 한편으로, 수전해 장치는 순환 배관과 바이패스 배관에 각각 설치되면서 어느 하나가 선택적으로 개방되는 제1 밸브 및 제2 밸브를 더 포함할 수 있다.

저장 탱크는 측벽의 상측에 형성된 순환수 유입구와, 내부 공간에 설치된 수위 센서와, 순환수 유입구와 수위 센서 사이에 배치되어 내부 공간을 두 개의 격실로 구분하는 격벽을 포함할 수 있다.

격벽은 저장 탱크의 바닥과 이격되어 순환수가 이동하는 공간을 제공할 수 있고, 저장 탱크의 덮개와 이격되어 산소가 이동하는 공간을 제공할 수 있다. 격벽은 순환수 유입구와 인접 배치되어 순환수 유입구를 통해 유입된 순환수가 격벽을 타고 아래로 흐르도록 할 수 있다.

저장 탱크는 덮개에 형성된 산소 배출구와, 산소 배출구와 접하면서 내부를 향해 돌출된 관 모양의 돌출부를 포함할 수 있으며, 돌출부의 하단은 순환수의 최대 수위보다 높게 위치할 수 있다. 돌출부의 하단에는 그물망이 설치될 수 있다. 저장 탱크는 돌출부와 격벽 사이에 위치하는 보조 격벽을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 장치는 수전해 스택과 저장 탱크 및 열 교환기를 순환하는 순환수의 순환 경로와, 열 교환기를 바이패스하여 저장 탱크의 순환수를 수전해 스택으로 공급하는 바이패스 경로와, 저장 탱크에 설치된 온도 센서와, 순환수의 경로를 제어하는 제어부를 포함하며, 수전해 장치의 운전 방법은, ⅰ) 저장 탱크의 순환수 온도를 측정하는 제1 단계와, ⅱ) 제어부에 기 설정된 기준값과 측정값을 비교하여 측정값이 기준값 이하이면 열 교환기를 바이패스하여 순환수를 순환시키고, 측정값이 기준값보다 높으면 열 교환기를 통과하여 순환수를 순환시키는 제2 단계와, ⅲ) 측정값이 기준값보다 높으면 수전해 스택에 전압을 인가하여 수전해를 진행하는 제3 단계를 포함한다.

저장 탱크에는 히터가 설치될 수 있고, 제2 단계에서 제어부는 측정값이 기준값 이하일 때 히터를 켜고, 열 교환기를 바이패스하여 순환수를 순환시킨 다음 측정값이 기준값보다 높으면 히터를 끄고, 열 교환기를 통과하여 순환수를 순환시킬 수 있다.

순환 경로와 바이패스 경로의 연결 지점에 삼방향 밸브가 설치될 수 있고, 제어부는 삼방향 밸브의 두 출구 중 어느 하나를 선택적으로 개방하여 순환수 흐름을 제어할 수 있다.

다른 한편으로, 순환 경로와 바이패스 경로 각각에 제1 밸브와 제2 밸브가 설치될 수 있고, 제어부는 제1 밸브와 제2 밸브 중 어느 하나를 선택적으로 개방하여 순환수 흐름을 제어할 수 있다.

수전해 장치의 운전 방법은 제3 단계 이후, 저장 탱크의 순환수 온도를 측정하는 제4 단계와, 제어부에 기 설정된 기준값과 측정값을 비교하여 측정값이 기준값 이하이면 열 교환기를 바이패스하여 순환수를 순환시키고, 측정값이 기준값보다 높으면 열 교환기를 통과하여 순환수를 순환시키는 제5 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 수전해 장치는 액적 상태의 순환수 손실을 최소화할 수 있고, 수위 센서의 오작동을 방지할 수 있다. 또한, 수전해 장치는 외기 온도에 따라 저장 탱크의 순환수가 열 교환기를 거치지 않도록 함으로써 저온 환경에서 기동 시간을 단축할 수 있고, 수전해 스택의 운전 온도를 조절하여 안정적인 작동을 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수전해 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수전해 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 수전해 장치의 기동 운전 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 수전해 장치의 정격 운전 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 도 1에 도시한 수전해 장치 중 저장 탱크의 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시한 저장 탱크의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 수전해 장치 중 저장 탱크의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 수전해 장치 중 저장 탱크의 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수전해 장치의 구성도이다.

도 1을 참고하면, 수전해 장치(100)는 수전해 스택(10), 저장 탱크(20), 열 교환기(30), 바이패스 배관(43), 및 삼방향 밸브(50)를 포함한다. 수전해의 재료인 알칼리 용액(순환수)은 수전해 스택(10)과 저장 탱크(20)를 순환한다.

수전해 스택(10)은 단일 또는 복수의 수전해 셀로 구성되며, 수전해 셀은 양극과 음극 사이에 고분자 전해질막이 배치된 구조로 이루어진다. 고분자 전해질막에 전압을 인가하면 수전해 스택(10)에 제공된 알칼리 용액이 전기 분해되어 수소와 산소가 발생한다. 수소는 음극을 통해 배출되고, 산소는 양극을 통해 배출된다.

저장 탱크(20)는 제1 배관(41)을 통해 수전해 스택(10)의 양극과 연결되어 수전해 스택(10)으로부터 산소가 포함된 순환수를 공급받는다. 저장 탱크(20)는 산소와 수증기를 분리하여 배기시킨다. 즉, 저장 탱크(20)는 산소와 순환수를 분리시키는 기액 분리기로 작용한다.

수전해 장치(100)는 수전해 스택(10)과 연결되어 수소를 정제하는 수소 정제기와, 수소의 배출 압력을 조절하는 압력 조절기 등을 더 포함하나, 편의상 도 1에서는 이들의 도시를 생략하였다.

저장 탱크(20)는 제2 배관(순환 배관)(42)에 연결되며, 산소가 분리된 순환수는 순환 배관(42)을 통해 수전해 스택(10)으로 공급된다. 순환 배관(42)에는 저장 탱크(20) 내부의 순환수를 펌핑하는 펌프(60)와, 순환수의 온도를 낮추는 열 교환기(30)가 설치된다.

수전해 스택(10)은 대략 40℃ 내지 50℃ 범위에서 운전되며, 수전해 장치(100)의 정격 운전 시 저장 탱크(20)로 유입되는 순환수의 온도는 수전해 스택(10)의 운전 온도보다 높다. 열 교환기(30)는 순환수의 온도를 낮추어 수전해 스택(10)이 적정 운전 온도를 유지하도록 한다.

열 교환기(30)는 팬(fan)을 구비한 공랭식 열 교환기일 수 있으며, 순환수를 팬에 의해 흡입된 대기 공기와 열 교환하여 순환수를 냉각시킨다. 열 교환기(30) 내부에서 순환 배관(42)은 순환수의 방열 면적을 최대로 늘리기 위하여 지그재그 형태로 꺾인 형태로 구성될 수 있다.

제3 배관(바이패스 배관)(43)은 순환 배관(42)에 병렬로 연결 설치되며, 저장 탱크(20)의 순환수가 열 교환기(30)를 거치지 않고 수전해 스택(10)으로 공급되도록 한다. 삼방향 밸브(50)는 펌프(60)와 열 교환기(30) 사이에서 순환 배관(42)과 바이패스 배관(43)의 연결 지점에 설치되고, 바이패스 배관(43)의 반대측 단부는 열 교환기(30) 후단의 순환 배관(42)에 연결된다.

삼방향 밸브(50)는 순환수를 제공받는 입구(51)와, 열 교환기(30)를 향한 제1 출구(52)와, 바이패스 배관(43)에 연결된 제2 출구(53)를 포함한다. 삼방향 밸브(50)는 제어부(70)의 제어 신호에 의해 제1 출구(52)와 제2 출구(53) 중 어느 하나를 개방하여 펌프(60)에 의해 펌핑된 순환수를 열 교환기(30)와 바이패스 배관(43) 중 어느 하나로 공급한다.

전술한 공랭식 열 교환기(30)는 팬을 가동시키지 않을 때에도 자연 방열로 인해 열 손실이 발생한다. 즉, 열 교환기(30)는 대기 공기 중에 노출되어 있으므로 겨울철과 같이 외부 온도가 낮은 경우 자연 방열에 의한 순환수의 열 손실이 커진다. 이 경우 수전해 스택(10)은 정상적인 운전 운도를 유지하기 어려워진다.

수전해 장치(100)는 삼방향 밸브(50)와 바이패스 배관(43)을 구비함으로써 외기 온도가 수전해 스택(10)의 운전 온도와 큰 차이가 발생할 때, 저장 탱크(20)의 순환수가 열 교환기(30)를 바이패스하여 수전해 스택(10)으로 바로 공급되도록 한다. 따라서 수전해 장치(100)는 수전해 스택(10)의 운전 온도 하강을 방지하여 외부 온도가 낮을 때에도 안정적인 운전을 행할 수 있다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수전해 장치의 구성도이다.

도 2를 참고하면, 제2 실시예의 수전해 장치(200)는 삼방향 밸브 대신 순환 배관(42)과 바이패스 배관(43)에 각각 제1 밸브(55)와 제2 밸브(56)가 설치된 구성으로 이루어진다.

바이패스 배관(43)의 일단은 펌프(60)와 열 교환기(30) 사이에서 순환 배관(42) 상의 제1 지점(P1)에 연결되고, 바이패스 배관(43)의 타단은 열 교환기(30) 후단에서 순환 배관(42) 상의 제2 지점(P2)에 연결된다. 제1 밸브(55)는 제1 지점(P1)과 열 교환기(30) 사이에 설치되며, 제2 밸브(56)는 바이패스 배관(43)에 설치된다.

제1 밸브(55)와 제2 밸브(56)는 제어부(70)의 제어 신호에 의해 둘 중 하나가 선택적으로 개방된다. 제1 밸브(55) 개방 시 펌프(60)에 의해 펌핑된 순환수는 열 교환기(30)를 거쳐 수전해 스택(10)으로 공급되고, 제2 밸브(56) 개방 시 펌프(60)에 의해 펌핑된 순환수는 열 교환기(30)를 거치지 않고 수전해 스택(10)으로 바로 공급된다.

제2 실시예의 수전해 장치(200)는 삼방향 밸브 대신 제1 및 제2 밸브(55, 56)를 구비한 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 같은 구성으로 이루어진다.

도 3은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 수전해 장치의 기동 운전 방법을 나타낸 순서도이다.

도 3을 참고하면, 수전해 장치의 기동 운전 방법은 저장 탱크의 순환수 온도를 측정하는 제1 단계(S10)와, 기 설정된 기준값과 측정값을 비교하여 측정값이 기준값 이하이면 열 교환기를 바이패스하여 순환수를 순환시키고, 측정값이 기준값보다 높으면 열 교환기를 통과하여 순환수를 순환시키는 제2 단계(S20)와, 측정값이 기준값보다 높으면 수전해 스택에 전압을 인가하여 수전해를 진행하는 제3 단계(S30)를 포함한다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 저장 탱크(20)는 순환수 온도를 측정하는 온도 센서(21)와, 순환수를 가열하는 히터(22)를 포함한다. 제어부(70)는 온도 센서(21)와 연결되어 온도 센서(21)로부터 측정 신호를 입력받으며, 히터(22)와 연결되어 히터(22)의 온/오프를 제어한다. 제어부(70)에는 기준값이 저장되어 있는데, 기준값은 예를 들어 수전해 스택의 정상적인 운전 범위인 40℃ 내지 50℃ 범위에 속할 수 있다.

제1 단계(S10)에서 온도 센서(21)가 저장 탱크(20)의 순환수 온도를 측정하고, 제2 단계(S20)에서 제어부(70)는 기준값과 측정값을 비교한다. 측정값이 기준값 이하이면 제어부(70)는 히터(22)를 켜고, 바이패스 배관(43)을 개방하여 저장 탱크(20)의 순환수가 열 교환기(30)를 거치지 않고 수전해 스택(10)으로 바로 공급되도록 한다.

수전해 스택(10)과 저장 탱크(20)를 순환하는 순환수는 히터(22)에 의해 지속적으로 온도가 상승한다. 측정값이 기준값보다 높으면 제어부(70)는 히터(22)를 끄고, 열 교환기(30)와 연결된 순환 배관(42)을 개방하여 저장 탱크(20)의 순환수가 열 교환기(30)를 거친 후 수전해 스택(10)으로 공급되도록 한다. 순환 배관(42)의 개방과 동시에 바이패스 배관(43)은 폐쇄된다.

수전해 장치(100)가 삼방향 밸브(50)를 포함하는 경우, 제어부(70)는 삼방향 밸브(50)의 제1 출구(52)와 제2 출구(53) 중 어느 하나를 선택적으로 개방하여 순환수의 흐름을 제어한다. 수전해 장치(200)가 제1 및 제2 밸브(55, 56)를 포함하는 경우, 제어부(70)는 제1 밸브(55)와 제2 밸브(56) 중 어느 하나를 선택적으로 개방하여 순환수의 흐름을 제어한다.

제3 단계(S30)에서 제어부(70)는 수전해 스택(10)에 전압이 인가되도록 하며, 이로써 수전해 스택(10)의 정격 운전이 시작된다.

전술한 기동 운전 방법에 따르면, 기동 초기에는 순환수가 열 교환기(30)를 거치지 않도록 하여 열 교환기(30) 통과에 따른 순환수의 열 손실을 최소화한다. 따라서 순환수를 빠른 시간 안에 승온시켜 정격 운전을 위한 기동 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 히터(22) 사용 시간을 줄여 전력 소모를 최소화할 수 있으며, 저온 환경에서 수전해 장치(100, 200)를 안정적으로 운전할 수 있다.

도 4는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 수전해 장치의 정격 운전 방법을 나타낸 순서도이다. 도 4에 도시한 운전 방법은 저온 환경에서의 운전 방법일 수 있으며, 이때의 '저온'은 작업자에 의해 제어부에 기 설정 및 저장된 임의의 온도로 정의된다.

도 4를 참고하면, 수전해 장치의 정격 운전 방법은 저장 탱크의 순환수 온도를 측정하는 제4 단계(S40)와, 기 설정된 기준값과 측정값을 비교하여 측정값이 기준값 이하이면 열 교환기를 바이패스하여 순환수를 순환시키고, 측정값이 기준값보다 높으면 열 교환기를 통과하여 순환수를 순환시키는 제5 단계(S50)를 포함한다.

도 1과 도 2 및 도 4를 참고하면, 수전해 장치(100, 200)의 정격 운전 중 외기 온도가 낮으면 수전해 스택(10)의 운전 온도가 기준값보다 낮아질 수 있다.

제5 단계(S50)에서 제어부(70)는 기준값과 측정값을 비교하고, 측정값이 기준값 이하이면 바이패스 배관(43)을 개방하여 저장 탱크(20)의 순환수가 열 교환기(30)를 거치지 않도록 한다. 순환수는 열 교환기(30)에 의한 열 손실 없이 수전해 스택(10)의 반응열에 의해 점점 승온된다.

순환수 승온에 의해 측정값이 기준값보다 높아지면 제어부(70)는 열 교환기(30)와 연결된 순환 배관(42)을 개방하여 저장 탱크(20)의 순환수가 열 교환기(30)를 거치도록 한다. 순환수는 열 교환기(30)에서 냉각되어 수전해 스택(10)의 운전 온도를 유지하면서 순환한다. 순환 배관(42)의 개방과 동시에 바이패스 배관(43)은 폐쇄된다.

전술한 정격 운전 방법에 따르면, 저온 환경에서 순환수의 열 손실을 최소화하여 수전해 스택(10)의 정상적인 운전 온도를 유지할 수 있다. 따라서 전술한 기동 운전 방법과 마찬가지로 저온 환경에서 수전해 장치(100, 200)를 안정적으로 운전할 수 있다.

도 5는 도 1에 도시한 수전해 장치 중 저장 탱크의 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시한 저장 탱크의 단면도이다.

도 5와 도 6을 참고하면, 저장 탱크(20)는 바닥(201)과 덮개(202) 및 적어도 하나의 측벽(203)을 포함한다. 저장 탱크(20)에는 순환수 유입구(23), 순환수 배출구(24), 및 산소 배출구(25)가 형성되며, 저장 탱크(20) 내부에 수위 센서(26), 온도 센서(21), 및 히터(22)가 설치된다.

순환수 유입구(23)는 측벽(203)의 상측에 위치하고, 순환수 배출구(24)는 측벽(203)의 하측에 위치한다. 산소 배출구(25)는 덮개(202)에 위치한다. 순환수 유입구(23)를 통해 산소와 순환수가 저장 탱크(20) 내부로 유입되면, 순환수는 자유 낙하하면서 떨어지고, 산소는 순환수 위에 모인다.

수전해 장치(100)의 운전 과정에서 저장 탱크(20) 내부에서는 자연적으로 순환수와 산소가 분리되며, 지속적으로 공급되는 산소에 의해 저장 탱크(20) 내부의 압력이 상승한다. 산소는 압력에 의해 산소 배출구(25)로 자동 배출되고, 산소가 분리된 순환수는 펌핑되어 순환수 배출구(24)를 통해 외부로 배출된다.

수위 센서(26)는 저장 탱크(20) 내부의 순환수 수위를 감지하는데, 자유 낙하하는 순환수로 인해 수위가 출렁이게 되면 오작동을 일으킬 수 있다. 저장 탱크(20)는 수위 센서(26)의 오작동을 방지하기 위한 격벽(27)을 포함한다.

격벽(27)은 순환수 유입구(23)와 수위 센서(26) 사이에 배치되며, 특히 순환수 유입구(23)와 인접 배치될 수 있다. 격벽(27)은 저장 탱크(20)의 바닥(201)과 소정 거리로 이격되어 격벽(27)과 바닥(201) 사이 공간을 통해 순환수가 이동하도록 한다. 또한, 격벽(27)은 저장 탱크(20)의 덮개(202)와 소정 거리로 이격되어 덮개(202)와 격벽(27) 사이 공간을 통해 산소가 이동하도록 한다.

이와 같이 격벽(27)은 저장 탱크(20) 내부를 순환수가 유입되는 제1 격실과, 수위 센서(26)가 위치하는 제2 격실로 구분한다. 제1 격실로 유입된 순환수는 제2 격실로 이동하며, 격벽(27)에 의한 두 격실의 수위 차이는 존재하지 않는다. 격벽(27)은 유입 순환수의 충격으로 인해 발생하는 출렁임과 이에 따른 수위 변화를 최소화한다.

더욱이 격벽(27)이 순환수 유입구(23)와 인접 배치됨에 따라, 유입된 순환수는 격벽(27)을 타고 떨어지므로 낙하에 따른 출렁임을 보다 효과적으로 줄일 수 있다. 저장 탱크(20)는 격벽(27)을 이용하여 수위 변화를 최소화함으로써 수위 센서(26)의 오작동을 방지할 수 있다.

한편, 순환수와 외기의 온도 차이에 의해 저장 탱크(20)의 덮개(202)에는 다량의 응축수가 존재한다. 산소 배출구(25)를 통해 산소가 배출되는 과정에서 응축수가 함께 배출되면 순환수의 손실로 이어진다. 순환수가 손실되면 순환수의 교체 주기가 단축되고, 순환수의 수소이온농도(pH)가 낮아져 수전해 스택(10)의 수소 발생량이 감소한다.

저장 탱크(20)는 순환수의 손실을 방지하기 위한 돌출부(28)를 포함한다. 돌출부(28)는 산소 배출구(25)와 접하면서 저장 탱크(20) 내부를 향해 돌출된 관(tube)으로 이루어진다. 돌출부(28)는 순환수와 접하지 않도록 순환수의 최대 수위보다 높게 위치한다. 즉 돌출부(28)의 하단은 항상 수면보다 높게 위치한다.

산소 배출구(25)는 돌출부(28)로 인해 저장 탱크(20)의 내부 공간에 직접 노출되지 않으므로, 응축수가 산소와 함께 배출되는 것을 최소화할 수 있다. 따라서 저장 탱크(20)는 순환수의 손실을 최소화하여 순환수의 교체 주기를 늘리며, 순환수의 수소이온농도(pH) 저하 및 이에 따른 수소 발생량 저감을 방지할 수 있다.

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 수전해 장치 중 저장 탱크의 사시도이다.

도 7을 참고하면, 제3 실시예의 수전해 장치에서 저장 탱크(20)는 돌출부(28)의 하단에 배치된 그물망(29)을 더 포함한다. 그물망(29)은 돌출부(28) 내부로 응축수의 방울이 유입되는 것을 억제하는 기능을 한다. 저장 탱크(20)는 돌출부(28)와 그물망(29)을 이용하여 산소 배출구(25)를 통한 응축수 배출을 보다 효과적으로 억제할 수 있다.

제3 실시예의 수전해 장치는 저장 탱크(20)의 돌출부(28) 하단에 그물망(29)이 설치된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예 또는 제2 실시예와 같은 구성으로 이루어진다.

도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 수전해 장치 중 저장 탱크의 단면도이다.

도 8을 참고하면, 제4 실시예의 수전해 장치에서 저장 탱크(20)는 돌출부(28)와 격벽(27) 사이에 위치하는 보조 격벽(275)을 더 포함한다. 보조 격벽(275)은 저장 탱크(20)의 덮개(202)에 고정되거나, 덮개(202)와 극히 작은 거리를 두고 이격된다. 보조 격벽(275)의 하단은 돌출부(28)의 하단과 같은 높이를 유지하거나 이보다 낮은 높이를 유지할 수 있다.

보조 격벽(275)은 순환수 유입구(23)를 통해 유입되는 순환수가 돌출부(28)로 튀는 것을 차단하는 기능을 한다. 저장 탱크(20)는 보조 격벽(275)을 이용하여 산소 배출구(25)를 통한 순환수 배출 및 이에 따른 순환수 손실을 효과적으로 억제할 수 있다.

제4 실시예의 수전해 장치는 저장 탱크(20)에 보조 격벽(275)이 설치된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예 내지 제3 실시예 중 어느 한 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 한편, 도 3과 도 4를 참조로 하여 설명한 수전해 장치의 운전 방법은 전술한 제3 실시예와 제4 실시예에도 동일하게 적용된다.

이와 같이 본 발명에 따른 수전해 장치(100, 200)는 산소를 포함한 순환수가 회수되는 저장 탱크(20)에 있어서, 액적 상태의 순환수 손실을 최소화할 수 있고, 수위 센서(26)의 오작동을 방지할 수 있다. 또한, 수전해 장치(100, 200)는 외기 온도에 따라 저장 탱크(20)의 순환수가 열 교환기(30)를 거치지 않도록 함으로써 저온 환경에서 기동 시간을 단축할 수 있고, 수전해 스택(10)의 운전 온도를 조절하여 안정적인 작동을 수행할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100, 200: 수전해 장치 10: 수전해 스택
20: 저장 탱크 21: 온도 센서
22: 히터 23: 순환수 유입구
24: 순환수 배출구 25: 산소 배출구
26: 수위 센서 27: 격벽
275: 보조 격벽 28: 돌출부
29: 그물망 30: 열 교환기
41: 제1 배관 42: 제2 배관(순환 배관)
43: 제3 배관(바이패스 배관) 50: 삼방향 밸브
55: 제1 밸브 55: 제2 밸브
60: 펌프 70: 제어부

Claims (14)

1. 수전해 반응을 이용하여 수소와 산소를 생산하는 수전해 스택;
   상기 수전해 스택으로부터 산소가 포함된 순환수를 제공받아 산소와 순환수를 분리하고, 순환수를 상기 수전해 스택으로 재공급하기 위한 저장 탱크;
   상기 저장 탱크와 상기 수전해 스택을 연결하는 순환 배관에 설치되어 순환수의 온도를 낮추는 열 교환기; 및
   상기 순환 배관에 병렬로 연결 설치되고, 상기 열 교환기를 바이패스하여 상기 저장 탱크의 순환수를 상기 수전해 스택으로 공급하기 위한 바이패스 배관
   을 포함하며,
   상기 저장 탱크는 덮개에 형성된 산소 배출구와, 산소 배출구와 접하면서 내부를 향해 돌출된 관 모양의 돌출부를 포함하고,
   상기 돌출부의 하단은 순환수의 최대 수위보다 높게 위치하며 그물망으로 덮이는 수전해 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 열 교환기의 전단에서 상기 순환 배관과 상기 바이패스 배관의 연결 지점에 설치되어 상기 저장 탱크의 순환수를 상기 순환 배관과 상기 바이패스 배관 중 어느 하나에 선택적으로 공급하는 삼방향 밸브를 더 포함하는 수전해 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 순환 배관과 상기 바이패스 배관에 각각 설치되고, 어느 하나가 선택적으로 개방되는 제1 밸브 및 제2 밸브를 더 포함하는 수전해 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 저장 탱크는 측벽의 상측에 형성된 순환수 유입구와, 내부 공간에 설치된 수위 센서와, 순환수 유입구와 수위 센서 사이에 배치되어 내부 공간을 두 개의 격실로 구분하는 격벽을 포함하는 수전해 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 격벽은 상기 저장 탱크의 바닥과 이격되어 순환수가 이동하는 공간을 제공하고, 상기 저장 탱크의 덮개와 이격되어 산소가 이동하는 공간을 제공하는 수전해 장치.
6. 제4항에 있어서,
   상기 격벽은 상기 순환수 유입구와 인접 배치되어 상기 순환수 유입구를 통해 유입된 순환수가 상기 격벽을 타고 아래로 흐르도록 하는 수전해 장치.
7. 삭제
8. 삭제
9. 제4항에 있어서,
   상기 저장 탱크는 상기 돌출부와 격벽 사이에 위치하는 보조 격벽을 더 포함하는 수전해 장치.
10. 제1항의 수전해 장치의 운전 방법으로서,
    상기 저장 탱크의 순환수 온도를 측정하는 제1 단계;
    제어부에 기 설정된 기준값과 측정값을 비교하여 측정값이 기준값 이하이면 상기 열 교환기를 바이패스하여 순환수를 순환시키고, 측정값이 기준값보다 높으면 상기 열 교환기를 통과하여 순환수를 순환시키는 제2 단계; 및
    측정값이 기준값보다 높으면 상기 수전해 스택에 전압을 인가하여 수전해를 진행하는 제3 단계
    를 포함하는 수전해 장치의 운전 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 저장 탱크에 히터가 설치되고,
    상기 제2 단계에서 상기 제어부는 측정값이 기준값 이하일 때 상기 히터를 켜고, 상기 열 교환기를 바이패스하여 순환수를 순환시킨 다음 측정값이 기준값보다 높으면 상기 히터를 끄고, 상기 열 교환기를 통과하여 순환수를 순환시키는 수전해 장치의 운전 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 순환 배관과 상기 바이패스 배관의 연결 지점에 삼방향 밸브가 설치되고,
    상기 제어부는 상기 삼방향 밸브의 두 출구 중 어느 하나를 선택적으로 개방하여 순환수 흐름을 제어하는 수전해 장치의 운전 방법.
13. 제11항에 있어서,
    상기 순환 배관과 상기 바이패스 배관 각각에 제1 밸브와 제2 밸브가 설치되고,
    상기 제어부는 상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브 중 어느 하나를 선택적으로 개방하여 순환수 흐름을 제어하는 수전해 장치의 운전 방법.
14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 단계 이후,
    상기 저장 탱크의 순환수 온도를 측정하는 제4 단계; 및
    상기 제어부에 기 설정된 기준값과 측정값을 비교하여 측정값이 기준값 이하이면 상기 열 교환기를 바이패스하여 순환수를 순환시키고, 측정값이 기준값보다 높으면 상기 열 교환기를 통과하여 순환수를 순환시키는 제5 단계
    를 더 포함하는 수전해 장치의 운전 방법.

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