KR101840717B1 - Electrolysis system - Google Patents

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에이취투에스쥐 에너지 피티이 엘티디
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Abstract

본 발명은 물로부터 수소 및 산소를 생성하는 전해 셀 시스템(100)으로서: 양극(107) 및 음극(109)을 포함하는 적어도 한 쌍의 가스 투과성 전극(107, 109), 및 각 쌍의 양극(107) 및 음극(109) 사이에 배치된 이온 전도성 전해질(108)을 구비하는 막 전극 접합체(102)를 포함하는 적어도 하나의 전해 셀(101); 각 전극(107, 109)의 비-전해질 쪽에 있고 양극 가스 공간(104) 및 음극 가스 공간(106)을 포함하며, 적어도 하나의 전극 가스 공간(104)은 입구(130) 및 출구(132)를 포함하는 전극 가스 공간(104, 106); 생성된 산소 생성물 가스의 적어도 일부를 적어도 하나의 전극 가스 공간(104)의 출구(132)로부터 각 전극 가스 공간(104)의 입구(130)로 그리고 각 전극 가스 공간(104)을 통해 재순환시키는 재순환 루프(143); 재순환 루프(143)와 유체 흐름이 가능하도록 연결되며, 재순환 루프(143)의 각 생성물 가스에 의해 제공된 증발열을 이용하여 급수원(144)으로부터의 물을 증발시키고 수증기를 재순환 루프(143)에 공급하는 급수기(142); 및 재순환 루프에 입구 및 출구를 통해 유체 흐름이 가능하도록 연결된 전극 가스 공간(104)에 위치한 양극 가스 공간(104)의 가스 및 막 전극 접합체(102) 사이에 열을 전달하며, 막 전극 접합체(102)와 접촉하고 막 전극 접합체(102) 및 각 전극 가스 공간(104) 사이에 가스 순환이 이루어지도록 하는 열 전달 장치(105)를 포함하는 전해 셀 시스템(100)을 제공한다.An electrolytic cell system (100) for producing hydrogen and oxygen from water, comprising: at least one pair of gas permeable electrodes (107, 109) comprising an anode (107) and a cathode (109) At least one electrolytic cell (101) comprising a membrane electrode assembly (102) having an ion conductive electrolyte (108) disposed between a cathode (107) and a cathode (109); Electrolyte gas side of each electrode 107 and 109 and includes an anode gas space 104 and a cathode gas space 106 and at least one electrode gas space 104 has an inlet 130 and an outlet 132 An electrode gas space (104, 106); At least a portion of the resulting oxygen product gas is recirculated from the outlet 132 of the at least one electrode gas space 104 to the inlet 130 of each electrode gas space 104 and through each electrode gas space 104 Loop 143; The evaporation heat provided by each product gas in the recycle loop 143 is used to vaporize water from the water supply source 144 and supply the water vapor to the recycle loop 143 A water dispenser 142; And a gas and membrane electrode assembly 102 of the anode gas space 104 located in the electrode gas space 104 connected to enable fluid flow through the inlet and outlet to the recycle loop, And a heat transfer device 105 for bringing gas circulation between the membrane electrode assembly 102 and each electrode gas space 104. The electrolytic cell system 100 includes:

Description

전해 시스템{ELECTROLYSIS SYSTEM}Electrolysis System {ELECTROLYSIS SYSTEM}

본 발명은 일반적으로 수소 및 산소와 같은 청정 가스를 생성하는 전해 방법 및 상기 전해 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 물을 전해하는 저온 가스 전해 셀(electrolysis cell) 시스템에 특히 적용 가능하고 이하에서 예시적인 용도와 관련하여 본 발명을 개시하는 것이 편리할 것이다. 그러나 본 발명은 상기 용도에 한정되지 않고 다른 전해 용도에 사용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.Field of the Invention The present invention relates generally to an electrolytic process for producing a clean gas such as hydrogen and oxygen and an apparatus for performing the electrolytic process. The present invention is particularly applicable to low temperature gas electrolysis cell systems for electrolysis of water, and it will be convenient hereinafter to disclose the invention in connection with exemplary applications. However, it is to be understood that the present invention is not limited to the above-mentioned use and can be used for other electrolytic applications.

본 발명의 배경기술에 대한 다음의 논의는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위함이다. 그러나 이 논의는 언급된 어떠한 재료도 본원의 우선일에 공개, 공지 또는 상식의 일부이었음을 인정 또는 시인하는 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다.The following discussion of the background of the present invention is intended to facilitate understanding of the present invention. It should be understood, however, that this discussion is not to admit or admit that any material referred to was a part of the disclosure, notice or common sense at the priority date of the present application.

저온 가스 전해 셀 시스템은 작동 조건에서 물 전해의 발열 반응의 결과로서 막 전극 접합체(membrane electrode assembly)에서(특히 양극 쪽에서) 발생한 상당한 양의 열을 갖는다. 따라서 막 전극 접합체 및 전체 전해 셀의 낮은 작동 온도를 유지하기 위해 냉각 시스템이 사용되어야 한다.The cold gas electrolytic cell system has a significant amount of heat generated in the membrane electrode assembly (especially on the anode side) as a result of the exothermic reaction of water electrolysis under operating conditions. Thus, a cooling system must be used to maintain a low operating temperature of the membrane electrode assembly and the entire electrolytic cell.

열 교환 시스템을 이용하는 하나의 물 전해 장치가 미국 특허 제3,917,520호(Katz 등) 및 제3,905,884호(Edmund 등)에 교시되고, 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이 장치는 음극(cathode)(14) 및 양극(anode)(16) 사이에 샌드위치되고 수성 전해질로 충전된 다공성 매트릭스(matrix)(18)를 구비하는 전해 셀을 포함한다. 셀로부터의 열 제거는 양극(16)에 인접한 다공성 보강판(backup plate)(20)(또한 전해질 저장 매트릭스를 포함) 및 열 교환 부재(22)에 의한다. 또한, 셀은 음극 및 양극 각각의 비-전해질 쪽(nonelectrolyte side)에 가스 공간(gas space)(24, 26)을 포함한다.One water electrolysis device utilizing a heat exchange system is taught in U.S. Patent Nos. 3,917,520 (Katz et al.) And 3,905,884 (Edmund et al.) And is shown in Fig. 1, the apparatus includes an electrolytic cell sandwiched between a cathode 14 and an anode 16 and having a porous matrix 18 filled with an aqueous electrolyte do. Heat removal from the cell is by a porous backing plate 20 (also including an electrolyte storage matrix) and a heat exchange member 22 adjacent to the anode 16. The cell also includes gas spaces 24 and 26 on the nonelectrolyte side of each of the cathode and anode.

작동 중에 전위가 전원(30)에 의해 인가되어 물의 전해를 일으켜서 셀의 양극 쪽에서 산소를 가스 공간(26)으로 유리시키고 셀의 음극 쪽에서 수소를 가스 공간(24)으로 그리고 출구(32)를 통해 유리시킨다. 가스는 각 도관(conduit)(34 및 36)을 이용하여 제거된다. 압력 조절 수단이 가스 공간(24 및 26)에서 실질적으로 동등한 압력을 유지하는데 사용된다. 수소 가스의 일부는 펌프(39)에 의해 셀을 통해 재순환되고 입구(38)에서 셀의 가스 공간(24)으로 다시 들어간다.During operation, a potential is applied by the power supply 30 to cause electrolysis of water to liberate oxygen from the anode side of the cell to the gas space 26 and hydrogen from the cathode side of the cell to the gas space 24, . Gas is removed using each conduit 34 and 36. The pressure regulating means is used to maintain substantially equal pressure in the gas spaces 24 and 26. [ A portion of the hydrogen gas is recycled through the cell by the pump 39 and back into the gas space 24 of the cell at the inlet 38.

열은 냉각제 입구(42) 및 냉각제 출구(44)를 이용하여 열 교환 부재(22)를 통과하는 루프(loop)(41)를 통해 냉각제 유체를 재순환시키는 펌프(46)에 의해 셀로부터 제거된다. 루프(41)는 우회 제어 밸브(50)를 구비한 우회 루프(48), 열 요소(52) 및 라디에이터(54)를 또한 포함한다. 냉각제는 재순환하는 수소 가스에 대해 항류 흐름 방향으로 셀을 통해 순환한다.The heat is removed from the cell by a pump 46 that recirculates the coolant fluid through a loop 41 passing through the heat exchange member 22 using a coolant inlet 42 and a coolant outlet 44. The loop 41 also includes a bypass loop 48, a heat element 52 and a radiator 54 with a bypass control valve 50. The coolant circulates through the cell in the direction of the counter flow toward the recirculating hydrogen gas.

저장부(56)로부터의 물은 셀에 의해 사용된 물 및 도관(34, 36)을 통해 가스와 함께 빠져나가는 물을 대체하기에 충분한 양으로 계량 장치(58)를 이용하여 재순환하는 수소 흐름에 공급된다. 물은 증발기(60)를 이용하여 열 교환 부재(22)를 떠나는 뜨거운 액체 냉각제에 의해 제공된 증발열(heat of evaporation)로 증발된다.The water from the reservoir 56 is supplied to the recycle hydrogen stream using a metering device 58 in an amount sufficient to replace the water used with the cell and water escaping with the gas through the conduits 34, . The water is evaporated by the heat of evaporation provided by the hot liquid coolant leaving the heat exchange member 22 using the evaporator 60.

따라서 미국 특허 제3,905,884호 및 제3,917,520호의 물 전해 셀 시스템 장치는 전해 셀에 부착되는 별도의 열 교환 부재를 포함한다. 이 부재는 가스 크로스오버(crossover)를 피하기 위해 양극 챔버(chamber)와 분리되어야 한다. 결과적으로, 이 시스템은 다음의 단점들을 갖는다.Thus, the water electrolytic cell system arrangement of U.S. Patent Nos. 3,905,884 and 3,917,520 includes a separate heat exchange member attached to the electrolytic cell. This member must be separated from the anode chamber to avoid gas crossovers. As a result, this system has the following disadvantages.

(A) 별도의 열 교환 부재가 셀에 부착될 필요가 있어서 전체 시스템에 추가적인 복잡성을 발생시키고 연결 재료를 통한 열 손실을 발생시킨다.(A) A separate heat exchange member needs to be attached to the cell, creating additional complexity in the overall system and generating heat loss through the connecting material.

(B) 순환을 제공하고 다양한 작동 조건에서 액체 냉각제의 온도를 유지하는 열 센서 및 제어 설비를 포함하는 셀 열 관리 시스템은 고 비용이고 복잡하다.(B) Cell thermal management systems that include a thermal sensor and control facility that provide circulation and maintain the temperature of the liquid coolant at various operating conditions are costly and complex.

(C) 가스 재순환 루프 내의 물 응축으로 인해 신뢰성이 낮다. 셀로부터의 열은 액체 냉각제 루프를 이용하여 제거되고 우회 루프를 통해 방출되거나 증발기에서 물을 증발시키는데 사용된다. 시스템은 셀에 들어가는 액체 냉각제의 일정 온도를 유지한다. 재순환된 수소 가스는 수증기 형태의 물을 증발기로부터 셀로 운반하는데 사용된다. 그러나 기술된 시스템은 가스 재순환 루프에서 실질적으로 일정한 온도를 유지시키는 수단을 갖지 못한다. 상당한 양의 물을 수증기 형태로 전달하기 위해 공정은 상승된 온도에서 수행되어야 함을 이해하여야 한다. 가스 재순환 루프 내의 온도 변화 때문에, 물의 일부는 가스 재순환 루프 내에서 국부적으로 응축될 수 있다. 물 공급은 셀을 떠나는 물의 양에 의해 제한된다. 따라서, 이러한 온도 변화는 결국에는 전극 드라잉 아웃(drying out) 및 이후의 장치 고장을 유발할 수 있다.(C) Low reliability due to water condensation in the gas recirculation loop. Heat from the cell is removed using a liquid coolant loop and is released through a bypass loop or used to evaporate water from the evaporator. The system maintains a constant temperature of the liquid coolant entering the cell. The recycled hydrogen gas is used to transfer water vapor form water from the evaporator to the cell. However, the described system does not have the means to maintain a substantially constant temperature in the gas recirculation loop. It should be understood that the process must be carried out at an elevated temperature to deliver a significant amount of water in the form of water vapor. Because of the temperature change within the gas recirculation loop, a portion of the water can be locally condensed within the gas recirculation loop. The water supply is limited by the amount of water leaving the cell. Thus, this temperature change can eventually lead to electrode drying out and subsequent device failure.

따라서 수소 및 산소와 같은 청정 가스를 생성하는 전해 방법을 수행하기 위한 대안적인 및/또는 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 이러한 시스템은 바람직하게는 장치를 작동하는데 필요한 셀 열 관리 및 제어 설비의 비용 및 복잡성을 감소시킬 것이다.Accordingly, it would be desirable to provide alternative and / or improved methods and apparatus for performing electrolytic processes that produce clean gases such as hydrogen and oxygen. Such a system would preferably reduce the cost and complexity of the cell thermal management and control facility required to operate the device.

본 발명은 물로부터 수소 및 산소를 생성하기 위한 새로운 전해 시스템, 바람직하게는 저온 가스 전해 셀 시스템을 제공한다.The present invention provides a new electrolysis system, preferably a low temperature gas electrolysis cell system, for producing hydrogen and oxygen from water.

본 발명의 제1실시형태는 물로부터 수소 및 산소 생성물 가스(product gas)를 생성하는 전해 셀 시스템으로서:A first embodiment of the invention is an electrolytic cell system for producing hydrogen and oxygen product gas from water comprising:

양극 및 음극을 포함하는 적어도 한 쌍의 가스 투과성 전극, 및 각 쌍의 양극 및 음극 사이에 배치된 이온 전도성 전해질을 구비하는 막 전극 접합체를 포함하는 적어도 하나의 전해 셀;At least one electrolytic cell including at least a pair of gas permeable electrodes including an anode and a cathode, and a membrane electrode assembly including an ion conductive electrolyte disposed between each pair of the anode and the cathode;

각 전극의 비-전해질 쪽에 있는 전극 가스 공간으로서, 이중 적어도 하나는 입구 및 출구를 포함하는 전극 가스 공간;An electrode gas space on the non-electrolyte side of each electrode, wherein at least one of the electrode gas spaces comprises an inlet and an outlet;

생성된 산소 또는 수소 생성물 가스 중 적어도 하나의 적어도 일부를 각 전극 가스 공간의 출구로부터 각 전극 가스 공간의 입구로 재순환시키는 재순환 루프;A recycle loop that recirculates at least a portion of at least one of the oxygen or hydrogen product gas produced from an outlet of each electrode gas space to an inlet of each electrode gas space;

재순환 루프와 유체 흐름이 가능하도록 연결되며(in fluid communication with), 생성물 가스에 의해 제공된 증발열을 이용하여 급수원(water supply)으로부터의 물을 증발시키고 수증기를 재순환 루프에 도입시키는 급수기(water supply vessel); 및In fluid communication with a recirculation loop to allow for a water supply vessel to vaporize water from the water supply and introduce water vapor into the recycle loop using the evaporation heat provided by the product gas ); And

재순환 루프에 입구 및 출구를 통해 유체 흐름이 가능하도록 연결된(fluidly connected) 전극 가스 공간에 위치한 가스 공간의 가스 및 막 전극 접합체 사이에 열을 전달하며, 막 전극 접합체와 접촉하고 막 전극 접합체 및 각 전극 가스 공간 사이에 가스 순환이 이루어지도록 하는 열 전달 장치(heat transfer arrangement)를 포함하는 전해 셀 시스템을 제공한다.Transferring heat between the gas space and the membrane electrode assembly in a gas space located in a fluidly connected electrode gas space to allow fluid flow through the inlet and outlet to the recirculation loop and contacting the membrane electrode assembly and each electrode There is provided an electrolytic cell system including a heat transfer arrangement for causing gas circulation between gas spaces.

(예를 들어 상술한) 종래기술의 전해 셀 구성과 달리, 본 발명은 음극 또는 양극의 전극 가스 공간에서 열 전달 장치를 포함하는데, 상기 장치는 막 전극 접합체와 접촉, 바람직하게는 물질적으로 접촉함으로써 각 수소 또는 산소 생성물 가스 및 막 전극 접합체 사이에 효율적인 가스 순환이 이루어지도록 한다. 각 생성물 가스는 열 전달 장치를 거쳐 전극 가스 공간을 통해 순환하여 상기 전극 가스 공간으로부터 열을 제거한다.Unlike prior art electrolytic cell configurations (e.g., as described above), the present invention includes a heat transfer device in the electrode gas space of the cathode or anode, which is in contact with the membrane electrode assembly, preferably by physical contact Thereby enabling efficient gas circulation between each hydrogen or oxygen product gas and membrane electrode assembly. Each product gas circulates through the electrode gas space via a heat transfer device to remove heat from the electrode gas space.

전해를 유지하는데 필요한 물은 재순환하는 생성물 가스와 함께 증기 형태로 공급된다. 수증기는 유체 흐름이 가능하도록 연결된 전극 가스 공간을 통해 막 전극 접합체에 공급된다. 유리하게도, 재순환 루프는 물 전해 중에 발생한 열이 막 전극 접합체에서의 전해에 필요한 (급수원으로부터의) 물을 증발시키는데 사용되도록 할 수 있다. 물 전해 중에 발생한 열의 나머지는 전해 셀 시스템의 온도를 유지 및 필요할 경우 증가시키는데 이용되는 것으로 이해되어야 한다.The water required to maintain the electrolysis is supplied in vapor form along with the recirculating product gas. The water vapor is supplied to the membrane electrode assembly through the connected electrode gas space to enable fluid flow. Advantageously, the recycle loop may allow heat generated during the water electrolysis to be used to evaporate water (from the water source) necessary for electrolysis in the membrane electrode assembly. It should be understood that the remainder of the heat generated during the water electrolysis is used to maintain and, if necessary, increase the temperature of the electrolytic cell system.

작동 온도가 증가할수록 전해 셀의 효율이 증가함을 이해하여야 한다. 따라서, 시스템의 온도가 증가함에 따라, 일정한 속도의 수소 생성(즉, 일정한 전류 공급)에서, 전해 셀은 열을 덜 발생시킬 것이다. 그 결과, 평형에 도달할 것이고, 여기서 전해 중에 발생한 열은 시스템 내의 상승된 온도를 유지하고 전해 셀의 전해에 필요한 물을 증발시키는 에너지를 제공하는데 사용될 것이다.It should be understood that as the operating temperature increases, the efficiency of the electrolytic cell increases. Thus, as the temperature of the system increases, at a constant rate of hydrogen generation (i.e., constant current supply), the electrolytic cell will generate less heat. As a result, equilibrium will be reached, where heat generated during electrolysis will be used to maintain the elevated temperature in the system and to provide energy to evaporate the water required for electrolytic cell electrolysis.

열 전달 장치는 막 전극 접합체로부터 열 전달 장치를 수용하는 전극 가스 공간 내의 가스로 열을 전달할 수 있는 적절한 몸체, 시스템 또는 장치를 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 열 전달 장치는 각 양극 또는 음극과 직접 물리적으로 접촉하는 히트 싱크(heat sink)를 포함한다. 더욱 바람직하게는, 히트 싱크는 각 양극 또는 음극 중 적어도 하나의 부분에 인접하여 접촉 또는 물리적으로 연결된다. 적절한 열 전달 장치는 바람직하게는 각 전극 가스 공간 및 막 전극 접합체 사이의 가스 흐름을 위한 천공(aperture) 또는 개구(opening), 바람직하게는 다수의 천공/개구를 포함한다. 따라서 열 전달 장치는 바람직하게는 막 전극 접합체의 종축에 평행한 방향으로 가스 투과성이다. 적절한 열 전달 장치는 메쉬(mesh), 바람직하게는 파형 메쉬 부재(corrugated mesh section) 또는 천공 시트(perforated sheet)를 포함한다. 이 형태의 열 전달 장치는 통상적으로 시트 또는 판(plate) 형태를 갖는다. 열 전달 장치는 또한 특정 실시형태에서 전기 전도성일 수 있다. 따라서 열 전달 장치는 바람직하게는 전도성 금속, 예를 들어 니켈 또는 스테인리스강으로 형성된다. 특히 특정 부식성 전해질에 대해서는 내식성이 또한 바람직하다. 따라서, 특정 실시형태에서 열 전달 장치는 바람직하게는 내식성 금속, 바람직하게는 내식성 스레인리스 강으로 형성된다. 이 내식성은 합금 조성, 내식성 코팅 등에 의해 형성될 수 있다.The heat transfer device may comprise a suitable body, system or device capable of transferring heat from the membrane electrode assembly to gas within the electrode gas space that receives the heat transfer device. In certain embodiments, the heat transfer device includes a heat sink that is in direct physical contact with each anode or cathode. More preferably, the heat sink is contacted or physically connected adjacent to at least one of the respective anodes or cathodes. Suitable heat transfer devices preferably include apertures or openings, preferably multiple apertures / openings, for gas flow between each electrode gas space and the membrane electrode assembly. Thus, the heat transfer device is preferably gas permeable in a direction parallel to the longitudinal axis of the membrane electrode assembly. Suitable heat transfer devices include a mesh, preferably a corrugated mesh section or a perforated sheet. This type of heat transfer device typically has the form of a sheet or a plate. The heat transfer device may also be electrically conductive in certain embodiments. Thus, the heat transfer device is preferably formed of a conductive metal, for example nickel or stainless steel. Corrosion resistance is also particularly desirable for certain corrosive electrolytes. Thus, in certain embodiments, the heat transfer device is preferably formed of a corrosion resistant metal, preferably a corrosion resistant stainless steel. This corrosion resistance can be formed by alloy composition, corrosion-resistant coating and the like.

막 전극 접합체는 다수의 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서 각 전해 셀은 전해질의 각 측면에 밀착된 한 쌍의 가스 다공성 전극을 포함한다. 전해질은 바람직하게는 동일한 온도 및 압력에서 순수한 물과 비교하여 그 표면 위에서 낮은 포화 수압을 갖는 적절한 전해 조성물을 포함한다. 특정 실시형태에서, 전해질은 고체 이온교환막 또는 다양한 다공성 매트릭스에 내장된(embedded) 액체 전해질을 포함할 수 있다. 양극 및 음극용 전극은 바람직하게는 전해질의 형태에 따라 산성 또는 알칼리성 매질에서 물 산화 및 환원의 촉매 작용을 하는데 잘 알려진 재료로 구성된다. 다수의 적절한 재료가 이 분야에서 잘 알려져있다.The membrane electrode assembly may comprise a number of configurations. For example, in one embodiment, each electrolytic cell includes a pair of gas porous electrodes in close contact with each side of the electrolyte. The electrolyte preferably comprises a suitable electrolytic composition having a low saturated water pressure on its surface compared to pure water at the same temperature and pressure. In certain embodiments, the electrolyte may comprise a solid ion exchange membrane or a liquid electrolyte embedded in various porous matrices. The electrodes for the anode and cathode preferably consist of materials well known for catalyzing the oxidation and reduction of water in an acidic or alkaline medium depending on the type of electrolyte. A number of suitable materials are well known in the art.

원하는 전해 셀 구성에 따라, 양극의 전극 가스 공간 또는 음극의 전극 가스 공간은 열 전달 장치를 포함하고 재순환 루프에 유체 흐름이 가능하도록 연결될 수 있다. 따라서 특정 실시형태에서, 재순환 루프에 유체 흐름이 가능하도록 연결된 입구 및 출구를 포함하는 전극 가스 공간은 양극의 전극 가스 공간이고, 생성물 가스는 산소를 포함한다. 이러한 실시형태에서, 산소 생성물 가스는 재순환 루프를 통해 순환하고 가습기(humidifier)로 공급된 물의 증발을 위한 증발열을 제공한다. 다른 실시형태에서, 재순환 루프에 유체 흐름이 가능하도록 연결된 입구 및 출구를 포함하는 전극 가스 공간은 음극의 전극 가스 공간이고, 생성물 가스는 수소를 포함한다. 이러한 실시형태에서, 수소 생성물 가스는 재순환 루프를 통해 순환하고 가습기로 공급된 물의 증발을 위한 증발열을 제공한다.Depending on the desired electrolytic cell configuration, the electrode gas space of the anode or the electrode gas space of the cathode may include a heat transfer device and be connected to permit fluid flow to the recycle loop. Thus, in a particular embodiment, the electrode gas space comprising an inlet and an outlet connected to enable fluid flow in the recycle loop is an electrode gas space of the anode, and the product gas comprises oxygen. In this embodiment, the oxygen product gas circulates through the recycle loop and provides heat of vaporization for evaporation of the water supplied to the humidifier. In another embodiment, the electrode gas space comprising an inlet and an outlet connected to enable fluid flow in the recycle loop is an electrode gas space of the cathode, and the product gas comprises hydrogen. In this embodiment, the hydrogen product gas circulates through the recycle loop and provides heat of vaporization for evaporation of the water supplied to the humidifier.

급수기는 열/에너지가 기상(gaseous phase)(재순환 가스 흐름)으로부터 액상(liquid phase)(급수(supply water))으로 전달되어 물을 증발시킬 수 있는 어떠한 구성도 포함한다. 다양한 열 전달 장치가 가능하다. 바람직한 실시형태에서, 급수기는 가습기를 포함한다. 가습기는 가습기로 공급되고 가습기를 통해 흐르는 재순환 루프의 생성물 산소 또는 수소 가스 및 물을 직접 혼합한다. 따라서 재순환 산소 또는 수소 생성물 가스는 가습기를 통과하여 그 내부에 수증기를 혼입(entrain)할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 물 증발을 위한 증발열은 재순환 루프의 생성물 가스에 의해 제공된다.The water dispenser includes any configuration that allows heat / energy to be transferred from the gaseous phase (recycle gas flow) to the liquid phase (supply water) to evaporate the water. Various heat transfer devices are possible. In a preferred embodiment, the water dispenser comprises a humidifier. The humidifier is supplied as a humidifier and directly mixes the product oxygen or hydrogen gas and water in the recycle loop flowing through the humidifier. The recirculated oxygen or hydrogen product gas may thus pass through a humidifier and entrain water vapor therein. In this embodiment, the heat of evaporation for water evaporation is provided by the product gas of the recycle loop.

가습기, 더욱 구체적으로는 가습기의 출구는 바람직하게는 유체 흐름이 가능하도록 연결된 전극 가스 공간의 입구에 가깝게 위치한다. 가습기 및 유체 흐름이 가능하도록 연결된 전극 가스 공간의 입구 사이의 가까운 근접성(proximity)은 가습기 및 전극 가스 공간 사이의 열 손실 및 이들 사이의 유체 연결에서의 응축 가능성을 최소화한다.The outlet of the humidifier, and more particularly the humidifier, is preferably located close to the inlet of the electrode gas space connected so that fluid flow is possible. The close proximity between the humidifier and the inlet of the connected electrode gas space to allow fluid flow minimizes the heat loss between the humidifier and the electrode gas space and the possibility of condensation in the fluid connection therebetween.

시스템은 바람직하게는 저온 전해 시스템이고, 따라서 바람직하게는 0 내지 300℃, 바람직하게는 100 내지 200℃, 더욱 바람직하게는 120 내지 160℃의 온도에서 작동한다.The system is preferably a low temperature electrolytic system and therefore preferably operates at a temperature of from 0 to 300 캜, preferably from 100 to 200 캜, more preferably from 120 to 160 캜.

시스템에 사용된 물은 전해에서 수소 및 산소를 생성한다. 물은 바람직하게는 전해에 의해 시스템에 사용된 물을 보충하는데 필요한 속도로 급수기에 공급된다. 이 실시형태에서, 제어 시스템이 급수기에 공급되는 물의 양을 제어하는데 사용될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 전해 중에 사용되어 (예를 들어 전류계 또는 다른 적절한 센서에 의해) 감지된 양 더하기(plus) 각 전극 가스 공간의 출구를 통해 가스 및 재순환 생성물 가스와 함께 셀로부터 소실된 물의 양과 동등한 물의 양 및 적절한/동등한 양이 급수기에 공급된다.The water used in the system produces hydrogen and oxygen in electrolysis. The water is preferably supplied to the water dispenser at a rate necessary to replenish the water used in the system by electrolysis. In this embodiment, the control system can be used to control the amount of water supplied to the water dispenser. In this embodiment, the amount plus used when used during electrolysis (e.g., by an ammeter or other suitable sensor) is equal to the amount of water lost from the cell along with gas and recirculated product gas through the outlet of each electrode gas space The amount of water and the appropriate / equivalent amount are supplied to the water dispenser.

본 발명의 실시형태에서, 전극 가스 공간은 각 전해 셀의 막 전극 접합체의 종축에 수직으로 배향되는 가스 흐름 축을 따라 위치한 입구 및 출구 개구를 갖는 전극 챔버에 수용된다. 입구 및 출구 개구는 바람직하게는 전극 가스 공간 및 각 전극 챔버를 통한 충분한 가스 흐름을 유지하는 크기를 갖는다. 특정 실시형태에서, 막 전극 접합체의 종축에 수직인 막 전극 접합체의 전체 활성 평면 영역 및 전극 챔버의 각 입구와 출구 개구의 평면 영역 사이의 비율은 1 내지 5이다.In an embodiment of the present invention, the electrode gas space is accommodated in an electrode chamber having an inlet and an outlet opening located along a gas flow axis oriented perpendicularly to the longitudinal axis of the membrane electrode assembly of each electrolytic cell. The inlet and outlet openings preferably have a size to maintain sufficient gas flow through the electrode gas space and each electrode chamber. In a particular embodiment, the ratio between the total active planar area of the membrane electrode assembly perpendicular to the longitudinal axis of the membrane electrode assembly and the planar area of each inlet and outlet opening of the electrode chamber is 1 to 5.

전극 챔버의 입구 및 출구 개구의 크기는 가스가 전극 가스 공간을 통해 0.1 내지 20 m/s, 바람직하게는 1 내지 20 m/s, 더욱 바람직하게는 5 내지 20 m/s의 바람직한 속도로 흐르고 순환하는 것을 용이하게 한다. 낮은 순환 속도는 시스템에서 가스의 높은 작동 온도 및 압력에서 사용될 수 있으며, 저 용량의 순환 가스는 효과적인 열 전달을 제공하고 전해용 원료로서 충분한 양의 물을 공급하는데 필요하다. 높은 속도는 낮은 온도 및 가스 압력에서 원하는 시스템 효율을 유지하는데 필요하다.The size of the inlet and outlet openings of the electrode chamber flows through the electrode gas space at a desired rate of 0.1 to 20 m / s, preferably 1 to 20 m / s, more preferably 5 to 20 m / s, Lt; / RTI > Low circulation rates can be used at high operating temperatures and pressures of gases in the system, and low volume circulation gases are needed to provide efficient heat transfer and to supply a sufficient amount of water as electrolytic raw material. High speeds are required to maintain the desired system efficiency at low temperatures and gas pressures.

특정 실시형태에서, 시스템은 함께 적층된(stacked) 적어도 2개의 전해 셀을 포함한다. 특정 실시형태에서, 시스템은 함께 적층된 다수의 전해 셀을 포함한다. 이러한 시스템은 셀 스택(cell stack)을 포함하는데, 적층된 전해 셀들은 공급된 물로부터 원하는 생성물 가스를 생성하는 기능을 동시에 한다.In a particular embodiment, the system comprises at least two electrolytic cells stacked together. In a particular embodiment, the system comprises a plurality of electrolytic cells stacked together. Such a system includes a cell stack in which the stacked electrolytic cells simultaneously function to produce the desired product gas from the supplied water.

본 발명의 제2실시형태는 양극 및 음극을 포함하는 적어도 한 쌍의 가스 투과성 전극, 및 각 쌍의 양극 및 음극 사이에 배치된 이온 전도성 전해질을 구비하는 막 전극 접합체를 포함하고, 하나 또는 각 가스 투과성 전극은 비-전해질 쪽에 전극 가스 공간을 포함하며, 양극 및 음극의 전극 가스 공간 중 적어도 하나는 입구 및 출구를 포함하는 적어도 하나의 전해 셀을 이용하여 물로부터 수소 및 산소를 생성하는 방법으로서:A second embodiment of the present invention includes a membrane electrode assembly comprising at least a pair of gas permeable electrodes including a positive electrode and a negative electrode and an ion conductive electrolyte disposed between each pair of the positive and negative electrodes, A method of producing hydrogen and oxygen from water using at least one electrolytic cell comprising at least one of an anode and an anode electrode gas space including an inlet and an outlet, wherein the permeable electrode comprises an electrode gas space on the non-electrolyte side,

막 전극 접합체에 전류 및 수증기를 공급하여 음극으로부터 수소 가스 그리고 양극으로부터 산소 가스를 생성하는 단계;Supplying a current and water vapor to the membrane electrode assembly to generate hydrogen gas from the cathode and oxygen gas from the anode;

생성된 산소 가스 또는 수소 가스 중 적어도 하나의 일부를 각 전극 가스 공간의 출구로부터 재순환 루프를 통해 상기 각 가스 공간의 입구로 그리고 상기 각 가스 공간을 통해 재순환시키는 단계;Recycling at least a portion of the generated oxygen gas or hydrogen gas from the outlet of each electrode gas space through the recirculation loop to the inlet of each gas space and through the respective gas space;

필요한 증발열을 제공하도록 상기 재순환 루프에서 각 산소 또는 수소 생성물 가스의 적어도 일부에 의해 제공된 에너지를 이용하여 급수원으로부터 재순환 루프로 공급된 물을 증발시키는 단계; 및Evaporating water supplied from the water source into the recycle loop using energy provided by at least a portion of each oxygen or hydrogen product gas in the recycle loop to provide the required evaporation heat; And

상기 각 전극 가스 공간에 위치하고 막 전극 접합체와 접촉하며 막 전극 접합체 및 상기 각 전극 가스 공간 사이에 가스 순환이 이루어지도록 하는 열 전달 장치를 이용하여 막 전극 접합체 및 상기 각 전극 가스 공간의 생성물 가스 사이에 열을 전달하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.And a heat transfer device which is located in each of the electrode gas spaces and makes contact with the membrane electrode assembly and allows gas circulation between the membrane electrode assembly and each of the electrode gas spaces is used to separate the product gas of the membrane electrode assembly and each of the electrode gas spaces And transferring the heat.

상술한 바와 같이, 원하는 구성에 따라, 양극의 전극 가스 공간 또는 음극의 전극 가스 공간은 열 전달 장치를 포함하고 재순환 루프에 유체 흐름이 가능하도록 연결될 수 있다. 따라서 특정 실시형태에서, 상기 각 가스 공간은 양극의 전극 가스 공간이고 생성물 가스는 산소를 포함한다. 다른 실시형태에서, 상기 각 가스 공간은 음극의 전극 가스 공간이고 생성물 가스는 수소를 포함한다.As described above, depending on the desired configuration, the electrode gas space of the anode or the electrode gas space of the cathode may include a heat transfer device and may be connected to enable fluid flow to the recycle loop. Thus, in a particular embodiment, each gas space is an electrode gas space of the anode and the product gas comprises oxygen. In another embodiment, each gas space is an electrode gas space of a cathode and the product gas comprises hydrogen.

유사하게, 상술한 바와 같이, 물을 증발시키는 단계는 바람직하게는 가습기에서 수행된다. 이 단계에서, 바람직하게는 물이 재순환하는 일부의 생성된 산소 가스에 혼합됨으로써 생성된 산소 생성물 가스로부터 물 증발용 상기 혼합물의 물에 열을 전달한다.Similarly, as described above, the step of evaporating water is preferably carried out in a humidifier. At this stage, water is preferably transferred from the oxygen product gas produced by mixing water to the recirculating part of the produced oxygen gas to the water of the mixture for water evaporation.

본 발명의 제2실시형태에 따른 방법은 본 발명의 제1실시형태에 따른 시스템을 이용하여 수행될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 제1실시형태와 관련하여 기술된 특징들은 본 발명의 제2실시형태에도 동일하게 적용된다.It should be understood that the method according to the second embodiment of the present invention can be performed using a system according to the first embodiment of the present invention. Therefore, the features described in connection with the first embodiment of the present invention are equally applied to the second embodiment of the present invention.

이하, 본 발명은 본 발명의 특히 바람직한 실시형태를 도시하는 첨부 도면을 참조하여 기술될 것이다.
도 1은 종래기술에 해당하고 명세서의 도입부에서 기술된 전해 셀 시스템의 도면이다.
도 2는 본 발명에 해당하는 전해 셀 시스템의 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전해 셀의 산소 챔버의 일반적인 설계도를 제공한다.
도 4는 (도 3에 도시된) 산소 챔버 없이 본 발명의 일 실시형태에 따른 전해 셀의 일부의 사시도이다.
도 5는 도 3 및 4에 도시된 실시형태에 따른 조립된 전해 셀의 사시도를 나타낸다.
도 6은 도 5에 도시된 전해 셀이 다수 개로 셀 스택을 형성하는 사시도를 제공한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings showing particularly preferred embodiments of the present invention.
1 is a diagram of an electrolytic cell system corresponding to the prior art and described in the introduction of the specification.
2 is a view of an electrolytic cell system according to the present invention.
Figure 3 provides a general schematic of an oxygen chamber of an electrolytic cell in accordance with one embodiment of the present invention.
4 is a perspective view of a portion of an electrolytic cell according to an embodiment of the invention without an oxygen chamber (shown in Fig. 3).
Fig. 5 shows a perspective view of an assembled electrolytic cell according to the embodiment shown in Figs. 3 and 4. Fig.
Fig. 6 provides a perspective view in which the electrolytic cells shown in Fig. 5 form a plurality of cell stacks.

본 발명은 급수원으로부터 수소 및 산소 생성물 가스를 생성하는 전해 셀을 제공한다. 본 발명의 전해 셀은 일반적으로 양극, 음극 및 이들 사이의 전해질을 구비하는 막 전극 접합체를 포함한다.The present invention provides an electrolytic cell that produces hydrogen and oxygen product gas from a water source. The electrolytic cell of the present invention generally includes a membrane electrode assembly including an anode, a cathode, and an electrolyte therebetween.

본 발명에 의해 제공된 하나의 개발은 막 전극 접합체 및 이 막 전극 접합체에 의해 생성된 산소 가스 또는 수소 생성물 가스 사이의 효율적인 열 전달을 용이하게 하는 열 전달 장치의 사용이다. 본 발명의 열 전달 장치는 전해 셀의 원하는 구성에 따라 양극 또는 음극의 비-전해질 쪽에 있는 전극 가스 챔버에 수용된다. 열 전달 장치는 각 양극 또는 음극에 물리적으로 연결된다. 생성물 산소 또는 수소 생성물 가스는 열 전달 장치를 거쳐 전극 가스 챔버를 통해 순환함으로써 챔버 및 전해용 급수로부터 열을 제거한다. 가열된 생성물 가스의 일부는 전극 가스 챔버의 출구 및 입구 사이에 연결된 재순환 루프를 통해 재순환한다. 재순환 루프는 급수가 전해를 유지하는데 충분한 양으로 공급되는 가습기를 포함한다. 가습기는 재순환 루프의 생성물 가스의 열을 이용함으로써 공급된 물을 증발시키는데 필요한 에너지(증발열)를 공급한다. 따라서 전해에 필요한 물은 재순환 루프로부터 재순환 생성물 가스와 함께 증기 형태로 막 전극 접합체에 공급된다.One development provided by the present invention is the use of a heat transfer device that facilitates efficient heat transfer between the membrane electrode assembly and the oxygen gas or hydrogen product gas produced by the membrane electrode assembly. The heat transfer device of the present invention is housed in an electrode gas chamber on the non-electrolyte side of the anode or cathode according to the desired configuration of the electrolytic cell. The heat transfer device is physically connected to each anode or cathode. The product oxygen or hydrogen product gas is circulated through the electrode gas chamber via the heat transfer device to remove heat from the chamber and the electrolytic feed water. A portion of the heated product gas recirculates through a recycle loop connected between the outlet and the inlet of the electrode gas chamber. The recirculation loop includes a humidifier in which the water supply is supplied in an amount sufficient to maintain electrolysis. The humidifier supplies the energy (evaporation heat) necessary to evaporate the supplied water by utilizing the heat of the product gas in the recycle loop. Thus, the water required for electrolysis is supplied to the membrane electrode assembly in a vapor form together with the recycle product gas from the recycle loop.

도 2 내지 6은 본 발명에 따른 전해 셀 시스템 또는 전해조(100)의 일 형태를 나타낸다.2 to 6 show one embodiment of an electrolytic cell system or an electrolytic cell 100 according to the present invention.

먼저, 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 하나의 전해 셀 시스템(100)의 공정도를 나타낸다. 도시된 전해 셀 시스템(100)은 적어도 하나의 전해 셀(101)을 포함한다. 각 전해 셀(101)은 이온 전도성 전해질(108)의 양 측면에 배치되는 양극(107) 및 음극(109)을 포함하는 가스 투과성 전극을 갖는 막 전극 접합체(102)를 포함한다. 막 전극 접합체(102)는 이 분야에서 잘 알려진 수단으로 구성된다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에서, 전해 셀(101)은 전해질(108)의 각 측면에 밀착된 한 쌍의 가스 다공성 전극을 포함한다.2, there is shown a process diagram of one electrolytic cell system 100 according to an embodiment of the present invention. The illustrated electrolytic cell system 100 includes at least one electrolytic cell 101. Each electrolytic cell 101 includes a membrane electrode assembly 102 having a gas permeable electrode including a cathode 107 and a cathode 109 disposed on both sides of the ion conductive electrolyte 108. The membrane electrode assembly 102 is constructed by means well known in the art. For example, in one embodiment of the invention, the electrolytic cell 101 comprises a pair of gas porous electrodes in close contact with each side of the electrolyte 108.

전해질(108)은 바람직하게는 고체 이온교환막(상업적으로 구할 수 있는 양성자 교환 막, 예를 들어 NAFION® 또는 음이온 교환 막, 예를 들어 Tokuyama America(미국, IL 60005, 알링턴 하이츠)에서 구할 수 있는 Tokuyama's A201) 또는 다양한 다공성 매트릭스에 내장된 액체 전해질(예를 들어 미국 특허 5,843,297 및 4,895,634에 기술된 것. 상기 특허들의 내용은 참고문헌으로 본 명세서에 도입되는 것으로 이해되어야 함)이다. 전해질(108)에 대한 주요 요건은 동일한 온도 및 압력에서 순수한 물과 비교하여 그 표면 위에서 낮은 포화 수압을 갖는 것이다.Electrolyte 108 is preferably a solid ion exchange membrane (commercially available proton exchange membrane, such as NAFION (R) or anion exchange membrane such as Tokuyama's (available from Tokuyama America, IL 60005, Arlington Heights, A201) or liquid electrolytes embedded in various porous matrices (for example, those described in U.S. Patent Nos. 5,843,297 and 4,895,634, the contents of which are incorporated herein by reference). The main requirement for the electrolyte 108 is that it has a low saturated water pressure on its surface compared to pure water at the same temperature and pressure.

양극(107) 및 음극(109)용 전극은 바람직하게는 전해질의 형태에 따라 산성 또는 알칼리성 매질에서 물 산화 및 환원의 촉매 작용을 하는데 잘 알려진 재료로 구성된다. 예를 들어, 양극(107) 및 음극(109)용 전극은 이온 교환 막의 표면에 분산된 나노입자를 형성하거나(예를 들어 Energy Environ. Sci., 2011, 4, 2993에 기술된 것. 상기 논문의 내용은 참고문헌으로 본 명세서에 도입되는 것으로 이해되어야 함), 천공된 시트 또는 메쉬로 제조될 수 있다(예를 들어 Int. Journal of Hydrogen Energy 37 (2012) 10992-11000에 기술된 것. 상기 논문의 내용은 참고문헌으로 본 명세서에 도입되는 것으로 이해되어야 함).The electrodes for the anode 107 and the cathode 109 are preferably composed of a material well known for catalysing the oxidation and reduction of water in an acidic or alkaline medium depending on the type of electrolyte. For example, the electrodes for the anode 107 and the cathode 109 can be formed by forming nanoparticles dispersed on the surface of the ion exchange membrane (see, for example, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 2993 (To be understood as being incorporated herein by reference), perforated sheets or meshes (see, for example, Int. Journal of Hydrogen Energy 37 (2012) 10992-11000). The contents of which are incorporated herein by reference).

전해 셀(101)은 음극(109) 및 양극(107)의 비-전해질 쪽에 있는 가스 공간(104, 106)을 이용한다. 전해에 의해 생성된 산소 가스는 양극 가스 공간(104)에 수집된다. 전해에 의해 생성된 수소는 음극 가스 공간(106)에 수집된다. 생성된 산소 및 수소 가스는 출구(132 및 132A)를 통해 각 가스 공간(104, 106)을 빠져나간다. 이하에서 설명되듯이, 양극 가스 공간(104)은 전해용 전해 셀(101)에 물을 공급하는데 사용되는 수증기도 포함한다. 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 셀 가스 공간(104, 106)은 음극 챔버(128) 및 양극 챔버(129)에 의해 셀에서 형성된다. 양극 챔버(129)는 입구(130) 및 출구(132)를 갖는다.The electrolytic cell 101 uses the gas spaces 104 and 106 on the non-electrolytic side of the cathode 109 and the anode 107. The oxygen gas produced by electrolysis is collected in the anode gas space 104. Hydrogen produced by electrolysis is collected in the cathode gas space 106. The resulting oxygen and hydrogen gas exits the respective gas spaces 104 and 106 through the outlets 132 and 132A. As will be described below, the anode gas space 104 also includes water vapor used to supply water to the electrolytic cell 101. As shown in Figures 3 and 4, the cell gas spaces 104 and 106 are formed in the cell by a cathode chamber 128 and an anode chamber 129. The anode chamber 129 has an inlet 130 and an outlet 132.

음극 챔버(128)는 예를 들어 Energy Environ. Sci., 2011, 4, 2993(이 논문의 내용은 참고문헌으로 본 명세서에 도입되는 것으로 이해되어야 함)에 기술된 바와 같이 전류가 음극(109)에 공급되도록 하고 바람직하게는 시스템(100)으로부터 제거될 수소 가스를 위한 다수의 채널(미도시)을 전해질 쪽에 포함하는 잘 알려진 수단으로 제조될 수 있다.The cathode chamber 128 may be, for example, Sci., 2011, 4, 2993 (the contents of which are incorporated herein by reference), the current is supplied to the cathode 109 and preferably from the system 100 (Not shown) for the hydrogen gas to be removed on the electrolyte side.

본 발명에 따른 전해 셀(101)의 일 실시형태가 도 3 내지 6에 도시되어 있다. 본 발명의 이 실시형태에 사용된 양극 챔버(129)의 일반적인 설계는 도 3에 도시되어 있다. 도시된 양극 챔버(129)는 얇은 중공 판으로 구성되는데, 이 판은 반대 측면(131A 및 131B)에 있는 입구(130) 및 출구(132)를 포함하는 2개의 개구를 구비함으로써 양극 챔버(129) 및 베이스(131C)의 개구(133)의 안과 밖으로 가스 순환이 이루어지도록 하며, 이때 막 전극 접합체(102)(양극 포함)는 양극(107)을 통해 상기 개구에 장착된다.One embodiment of the electrolytic cell 101 according to the present invention is shown in Figs. The general design of the anodic chamber 129 used in this embodiment of the present invention is shown in Fig. The illustrated anode chamber 129 is comprised of a thin hollow plate having two openings including an inlet 130 and an outlet 132 at opposite sides 131A and 131B, And the membrane electrode assembly 102 (including the anode) is mounted to the opening through the anode 107. The membrane electrode assembly 102 (including the anode)

열 교환기 또는 히트 싱크(105)를 포함하는 열 전달 장치는 양극 가스 공간(104) 내에 위치한다. 양극(107) 및 양극 가스 공간(104)의 가스 사이의 가스 순환/가스 확산을 유지하면서 히트 싱크(105)가 양극(107)과 직접 물리적으로 접촉한다. 히트 싱크(105)는 금속 천공판 또는 메쉬 부재를 포함할 수 있다. 그러나 히트 싱크(105)는 고 용량의 가스 순환을 유지하고 양극(107)으로부터 양극 가스 공간(104)의 가스로의 효율적인 열 전달을 제공할 수 있는 적절한 구성을 가질 수 있는 것으로 이해되어야 한다.A heat transfer device comprising a heat exchanger or heat sink 105 is located within the anode gas space 104. The heat sink 105 is in direct physical contact with the anode 107 while maintaining the gas circulation / gas diffusion between the anode 107 and the gas in the anode gas space 104. The heat sink 105 may include a metal apertured plate or a mesh member. It should be understood, however, that the heat sink 105 may have a suitable configuration to maintain a high gas circulation and to provide efficient heat transfer from the anode 107 to the gas in the anode gas space 104.

양극 챔버(129) 없이 도시된 전해 셀(101)의 이 실시형태의 일부가 도 4에 도시되어 있다. 히트 싱크(105)는 양극(107)으로부터 열을 제거하는데 사용되고 음극 챔버(128) 위에 위치한 막 전극 접합체(102)의 양극(107)에 밀착된다. 바람직한 실시형태에서, 히트 싱크(105)는 금속 시트 또는 금속 메쉬로 제작될 수 있다. 도시된 실시형태에서, 히트 싱크(105)는 양극(107)과의 천공된 접촉 영역(107A) 및 단단한 파형 핀(107B)을 갖는 파형 금속판(사각 파형)을 포함한다. 막 전극 접합체(102)의 양극(107)과 접촉하는 히트 싱크(105)의 영역은 막 전극 접합체(102) 및 양극 챔버(129)의 산소 생성물 가스 사이의 열 및 물 전달을 위한 다수의 개구(145)를 갖는다. 히트 싱크(105)는 알칼리성 막의 경우 니켈 또는 내식성 스테인리스강, 또는 산성 막의 경우 내식성 코팅(예를 들어 Watanabe 등의 2013년 5월 9일자 JP 2013-082985 A에 교시된 탄소 코팅. 상기 특허의 내용은 참고문헌으로 본 명세서에 도입되는 것으로 이해되어야 함)을 갖는 스테인리스강으로 제작될 수 있다.A part of this embodiment of the electrolytic cell 101 shown without the anode chamber 129 is shown in Fig. The heat sink 105 is used to remove heat from the anode 107 and is in close contact with the anode 107 of the membrane electrode assembly 102 located above the cathode chamber 128. In a preferred embodiment, the heat sink 105 may be made of a metal sheet or a metal mesh. In the illustrated embodiment, the heat sink 105 includes a corrugated metal plate (square wave) having a perforated contact area 107A with the anode 107 and a solid corrugated fin 107B. The region of the heat sink 105 that contacts the anode 107 of the membrane electrode assembly 102 has a plurality of openings for transferring heat and water between the oxygen product gas of the membrane electrode assembly 102 and the anode chamber 129 145). The heat sink 105 may be made of nickel or corrosion resistant stainless steel in the case of an alkaline film or a corrosion resistant coating in the case of an acid film such as the carbon coating taught in Watanabe et al., JP 2013-082985 A dated May 9, 2013, Which should be understood as being incorporated herein by reference).

히트 싱크(105)는 막 전극 접합체(102) 및 양극 챔버(129)에서 순환하는 가스 사이의 열 전달을 향상시키는 다양한 설계를 가질 수 있다. 전류는 양극(107)에 직접 또는 대안적으로 전도성 재료가 사용되는 경우 히트 싱크(105)를 통해 공급될 수 있다.The heat sink 105 may have various designs to improve the heat transfer between the gas circulating in the membrane electrode assembly 102 and the anode chamber 129. The current may be supplied through the heat sink 105 if conductive material is used, either directly or alternatively, to the anode 107.

완전 셀 접합체(101)가 도 5에 도시되어 있다. 바람직한 실시형태에서, 양극 챔버(129)(그 외측)는 양극(107)과 직접 전기적으로 접촉하고, 음극 챔버(128)(그 외측)는 음극(109)과 직접 전기적으로 접촉한다.A full cell conjugate 101 is shown in Fig. In the preferred embodiment, the anode chamber 129 (outside thereof) is in direct electrical contact with the anode 107 and the cathode chamber 128 (outside thereof) is in direct electrical contact with the cathode 109.

양극 챔버(129)의 입구(130) 및 출구(132) 개구는 전해 셀(101)의 종축(X-X)에 수직으로 배향된 입구 개구를 갖는 양극 챔버(129)의 측면에 위치한다. 양극 챔버(129)의 입구(130) 및 출구(132)를 통한 가스의 흐름은 막 전극 접합체(102)의 종축(X-X)에 수직으로 배향된 흐름 축을 따라 위치한다. 입구(130) 및 출구(132) 개구는 양극 챔버(129)를 통한 충분한 가스 흐름을 유지하는 크기를 갖는다. 이 목적을 위해, 막 전극 접합체(102)의 활성 표면(종축(X-X)에 수직인 전극, 전해질 등의 평면 영역) 및 양극 챔버(129)의 입구(130)와 출구(132)의 입구 영역(A) 사이의 비율은 바람직하게는 1 내지 5이다.The openings 130 and 132 of the anode chamber 129 are located at the sides of the anode chamber 129 having an inlet opening oriented perpendicular to the longitudinal axis X-X of the electrolytic cell 101. The flow of gas through the inlet 130 and outlet 132 of the anode chamber 129 is located along a flow axis oriented perpendicular to the longitudinal axis X-X of the membrane electrode assembly 102. The openings of the inlet 130 and the outlet 132 are sized to maintain sufficient gas flow through the anode chamber 129. For this purpose, the active surface of the membrane electrode assembly 102 (the planar region of electrodes, electrolyte, etc., perpendicular to the longitudinal axis XX) and the inlet region 130 of the anode chamber 129 and the inlet region A) is preferably from 1 to 5.

시스템의 작동 중에, 전위는 전원(113)으로부터 각 음극(109) 및 양극(107) 사이에 인가되어 전해질(108)에 함유된 물의 일부의 전해를 일으킴으로써, 양극 가스 공간(104)으로 산소 그리고 음극 가스 공간(106)으로 수소를 유리시킨다. 압력 제어 출구(115)를 통해 가스 공간(104 및 106) 내에 실질적으로 동등한 압력을 유지하면서 산소 및 수소 생성물 가스가 시스템(100)으로부터 제거된다. 물 산화 공정의 비효율로 인해, 대부분의 열은 전해 중에 양극(107) 및 전해질(108) 사이의 계면에서 발생한다. 전해질(108)로부터 발생한 열은 양극(107)을 통해 히트 싱크(105)로 전달된다.During operation of the system, the potential is applied between each cathode 109 and the anode 107 from the power source 113 to cause electrolysis of a portion of the water contained in the electrolyte 108, thereby causing oxygen to flow into the anode gas space 104 Thereby liberating hydrogen to the cathode gas space 106. The oxygen and hydrogen product gases are removed from the system 100 while maintaining substantially equivalent pressure in the gas spaces 104 and 106 through the pressure control outlet 115. Due to the inefficiency of the water oxidation process, most of the heat is generated at the interface between the anode 107 and the electrolyte 108 during electrolysis. Heat generated from the electrolyte 108 is transferred to the heat sink 105 through the anode 107.

전해 셀(101)에서의 전해로부터 생성된 산소 가스의 일부는 전해 셀(101) 내에서 펌프(111)에 의해 재순환되어 히트 싱크(105)로부터 열을 제거하는데 사용된다. 재순환하는 산소는 양극 가스 공간(104)의 출구(146)에서 전해 셀(101)을 떠나고 입구(148)에서 전해 셀(101)로 다시 들어간다.A part of the oxygen gas generated from electrolysis in the electrolytic cell 101 is recycled by the pump 111 in the electrolytic cell 101 and used to remove heat from the heat sink 105. [ The recirculating oxygen leaves the electrolytic cell 101 at the outlet 146 of the anode gas space 104 and enters the electrolytic cell 101 at the inlet 148 again.

가스는 양극 챔버(129) 및 그 안의 양극 가스 공간(104)을 통해 0.1 내지 20 m/s의 속도로 순환한다. 낮은 순환 속도는 시스템에서 가스의 높은 작동 온도 및 압력에서 사용될 수 있으며, 저 용량의 순환 가스는 효과적인 열 전달을 제공하고 전해용 원료로서 충분한 양의 물을 공급하는데 필요하다. 높은 속도는 낮은 온도 및 가스 압력에서 시스템(100) 효율을 유지하는 것이 중요할 경우에 필요하다.The gas circulates through the anode chamber 129 and the anode gas space 104 therein at a rate of 0.1 to 20 m / s. Low circulation rates can be used at high operating temperatures and pressures of gases in the system, and low volume circulation gases are needed to provide efficient heat transfer and to supply a sufficient amount of water as electrolytic raw material. High speed is necessary if it is important to maintain system 100 efficiency at low temperatures and gas pressures.

막 전극 접합체(102)의 활성 표면(종축(X-X)에 수직인 평면 영역) 및 양극 챔버의 입구(130)와 출구(132)의 입구 영역(A) 사이의 높은 비율은 효과적인 열 전달을 유지하고 전해용 원료로서 충분한 양의 물을 공급하기 위해 가스의 높은 순환 속도를 필요로 할 것임을 주목해야 한다.A high ratio between the active surface of the membrane electrode assembly 102 (planar region perpendicular to the longitudinal axis XX) and the inlet region 130 of the anode chamber and the inlet region A of the outlet 132 maintains effective heat transfer It should be noted that a high circulation rate of the gas is required to supply a sufficient amount of water as the electrolytic raw material.

생성된 산소 및 수소 가스의 일부는 양극 가스 공간(104)의 출구로부터 가습기(142)를 통해 순환하고 재순환 루프(143)를 경유하여 양극 가스 공간(104)의 입구로 되돌아온다. 가습기(142)는 재순환 루프(143)에 유체 흐름이 가능하도록 연결되고, 이를 통해 (전해로부터의) 산소 생성물 가스가 흐른다. 또한, 가습기(142)는 급수원(144)으로부터 물을 공급 받는다. 공급된 물은 재순환 루프(143)에서 가열된 산소 생성물 가스 흐름에 의해 제공된 에너지를 이용하여 가습기(142)에서 증발되고(즉, 필요한 에너지(증발열)를 전달받아 필요한 온도로 가열되고) 산소 생성물 가스에 혼입된 증기 형태로 가습기(142)의 출구로부터 흘러나온다. 따라서 재순환 산소는 가습기(142)를 통과하여 내부에 수증기를 혼입한다. 수증기는 결과적으로 재순환 루프(143)로부터 각 전해 셀(101)의 양극 가스 공간(104)으로 공급된다.A portion of the generated oxygen and hydrogen gas circulates through the humidifier 142 from the outlet of the anode gas space 104 and back to the inlet of the anode gas space 104 via the recycle loop 143. The humidifier 142 is fluidly connected to the recirculation loop 143 through which oxygen product gas flows (from the electrolysis). Further, the humidifier 142 receives water from the water supply source 144. The supplied water is evaporated in the humidifier 142 (i. E., Heated to the required temperature by receiving the required energy (evaporation heat)) using the energy provided by the oxygen product gas stream heated in the recycle loop 143, In the form of vapor mixed in the humidifier 142. Therefore, the recirculating oxygen passes through the humidifier 142 and mixes water vapor therein. The water vapor is consequently supplied from the recirculation loop 143 to the anode gas space 104 of each electrolytic cell 101.

전해에 의해 시스템(100)에 사용된 물을 보충하는데 필요한 속도로 물이 급수원으로부터 시스템(100)에 공급된다. 생성된 산소 및 수소 가스의 일부는 양극 가스 공간(104)의 출구로부터 가습기(142)를 통해 순환하고 재순환 루프(143)를 경유하여 양극 가스 공간(104)의 입구로 되돌아온다. 가습기(142)는 재순환 루프(143)에 유체 흐름이 가능하도록 연결되고, 이를 통해 (전해로부터의) 산소 생성물 가스가 흐른다. 또한, 가습기(142)는 급수원(144)으로부터 물을 공급 받는데, 물은 재순환 루프(143)에서 가열된 산소 생성물 가스 흐름에 의해 제공된 에너지/열을 이용하여 가습기(142)에서 증발된다. 따라서 수증기는 산소 생성물 가스에 혼입되어 가습기(142)의 출구로부터 흘러나온다. 수증기는 결과적으로 재순환 루프(143)로부터 각 전해 셀(101)의 양극 가스 공간(104)으로 공급된다. 전해에 의해 시스템(100)에 사용된 물을 보충하는데 필요한 속도로 물이 급수원으로부터 시스템(100)에 공급된다.Water is supplied to the system 100 from the water source at a rate necessary to replenish the water used by the system 100 by electrolysis. A portion of the generated oxygen and hydrogen gas circulates through the humidifier 142 from the outlet of the anode gas space 104 and back to the inlet of the anode gas space 104 via the recycle loop 143. The humidifier 142 is fluidly connected to the recirculation loop 143 through which oxygen product gas flows (from the electrolysis). In addition, the humidifier 142 receives water from the water source 144, which is evaporated in the humidifier 142 using the energy / heat provided by the oxygen product gas stream heated in the recycle loop 143. Thus, the water vapor is mixed with the oxygen product gas and flows out of the outlet of the humidifier 142. The water vapor is consequently supplied from the recirculation loop 143 to the anode gas space 104 of each electrolytic cell 101. Water is supplied to the system 100 from the water source at a rate necessary to replenish the water used by the system 100 by electrolysis.

제어 시스템(미도시)이 급수원(144)으로부터 가습기(142)로의 물의 흐름을 제어하는데 사용될 수 있다. 전해 중에 사용되어 전류계(152)로 감지된 양 더하기 출구(115)를 통해 (즉, 재순환 루프(143)를 통한 순환 없이) 가스와 함께 셀로부터 소실된 물의 양과 동등한 물의 양이 가습기(142)로 공급된 후 재순환 산소로 증발된다. 점선(149)은 전류계(152) 및 급수원(144) 사이의 일반적인 제어 라인을 나타낸다. 급수원(144)은 가습기(142)에 공급되는 물의 양을 제어할 수 있는 제어 밸브 또는 유사한 흐름 제한/제어 장치를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.A control system (not shown) may be used to control the flow of water from the water source 144 to the humidifier 142. The amount of water used during electrolysis and equal to the amount of water lost from the cell along with the gas through the quantity plus outlet 115 sensed by the ammeter 152 (i.e., without circulation through the recycle loop 143) And then evaporated to recirculated oxygen. Dashed line 149 represents a typical control line between ammeter 152 and water source 144. It is to be understood that the water supply source 144 includes a control valve or similar flow restriction / control device capable of controlling the amount of water supplied to the humidifier 142.

가습기(142)로 공급되는 물을 증발시키는 증발 에너지는 재순환 산소의 온도/열에 의해 공급된다. 순환되는 생성물 산소 가스로부터 이용 가능한 열이 불충분할 경우, 가습기(142)에서 물을 증발시킬 수 없을 것이다. 따라서, 시스템(100)의 에너지 레벨을 초과하는 수증기는 재순환 루프(143)에 들어갈 수 없고, 이에 따라 재순환 루프(143)에서 이러한 수증기의 응축이 얼어나지 않는다.The evaporation energy for evaporating the water supplied to the humidifier 142 is supplied by the temperature / heat of the recirculating oxygen. If there is insufficient heat available from the circulating product oxygen gas, the water in the humidifier 142 will not evaporate. Thus, water vapor exceeding the energy level of the system 100 can not enter the recirculation loop 143, so that condensation of this water vapor does not freeze in the recirculation loop 143.

전해 셀(101)에서 물 전해 중에 발생한 열은 전해에 필요한 물을 증발시키는데 사용되고 나머지는 전해 셀 시스템(100)에서 온도를 증가시킨다. 전해 셀(101)의 온도가 증가함에 따라, 공정의 효율을 증가할 것이고, 따라서 전해 셀(101)에 의해 발생한 열은 물 증발에 충분해질 것이며, 이에 따라 시스템(100) 내의 열 손실을 상쇄한다. 작동 온도가 증가할수록 전해 셀의 효율이 증가하는 것은 잘 알려져 있다. 따라서, 시스템의 온도가 증가함에 따라, 일정한 속도의 수소 생성(즉, 일정한 전류 공급)에서, 셀은 열을 덜 발생시킬 것이다. 그 결과, 평형에 도달할 것이고, 여기서 전해 중에 발생한 열은 시스템(100) 내의 상승된 온도를 유지하고 전해에 필요한 물을 증발시키는 에너지를 제공하는데 사용될 것이다. 부가적으로, 전해 셀(101)은 가습기(142)와 비교하여 고온에서 유지되어 재순환 산소를 통한 열 전달이 이루어지도록 한다. 대체로, 시스템(100)은 0 내지 300℃에서 작동할 수 있고, 바람직한 작동 모드는 120 내지 160℃이다.The heat generated in the electrolytic cell 101 during water electrolysis is used to evaporate the water required for electrolysis and the remainder increases the temperature in the electrolytic cell system 100. As the temperature of the electrolytic cell 101 increases, the efficiency of the process will increase, and thus the heat generated by the electrolytic cell 101 will be sufficient for water evaporation, thereby offsetting the heat loss in the system 100 . It is well known that as the operating temperature increases, the efficiency of the electrolytic cell increases. Thus, as the temperature of the system increases, at a constant rate of hydrogen generation (i.e., constant current supply), the cell will generate less heat. As a result, equilibrium will be reached, where heat generated during electrolysis will be used to maintain the elevated temperature in the system 100 and provide energy to evaporate the water required for electrolysis. In addition, the electrolytic cell 101 is maintained at a high temperature compared to the humidifier 142, so that heat transfer through the recirculating oxygen occurs. In general, the system 100 can operate at 0-300 占 폚, and the preferred operating mode is 120-160 占 폚.

전해 셀(101)은 산소 및 수소 가스 사이의 실질적으로 동일한 압력에서 작동한다. 막의 종류 및 가스의 요구 순도에 따라, 시스템(100)은 대기압에서부터 30 bar를 초과하는 고압에서까지 작동할 수 있다.The electrolytic cell 101 operates at substantially the same pressure between oxygen and hydrogen gas. Depending on the type of film and the desired purity of the gas, the system 100 can operate from atmospheric pressure to high pressures in excess of 30 bar.

도시된 시스템에서 나타나듯이, 히트 싱크(105)는 양극 가스 공간(104)에 위치한다. 그러나 다른 실시형태에서 히트 싱크(105)는 대안적으로 재순환 루프(143)에 유체 흐름이 가능하도록 연결되는 음극 가스 공간(106)에 위치할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 실시형태에서, 전해 셀 시스템(100)의 구성은 도 2에 도시된 것과 유사할 것이며, 음극(109) 및 양극(107)의 위치가 막 전극 접합체(102) 내에서 교체되거나 바뀌고 이에 따라 대응하는 전기적 연결도 바뀐다. 그 결과 수소 생성물 가스가 재순환 루프(143)를 통해 순환할 것이다. 유사하게, 양극 챔버(129)의 구성은 이 대안적인 실시형태에서 음극 챔버용으로 동일하게 사용될 수 있다. 도시된 실시형태에 대한 논의는 상기 교체 또는 변경을 가지고 이 실시형태에도 동일하게 적용되는 것으로 이해되어야 한다.As shown in the system shown, the heat sink 105 is located in the anode gas space 104. It should be understood, however, that in alternative embodiments, the heat sink 105 may alternatively be located in the cathode gas space 106 that is fluidly connected to the recirculation loop 143. In this embodiment, the configuration of the electrolytic cell system 100 will be similar to that shown in Fig. 2, and the positions of the cathodes 109 and the anodes 107 are replaced or changed in the membrane electrode assembly 102, The electrical connection to the switch also changes. As a result, the hydrogen product gas will circulate through the recycle loop 143. Similarly, the configuration of the anode chamber 129 may be equally used for the cathode chamber in this alternative embodiment. It should be understood that the discussion of the illustrated embodiment applies equally to this embodiment with such alternation or modification.

본 발명에 따라 수 개의 셀(101)들이 시리즈로 연결되고 서로 적층되어 스택을 형성할 수 있다. 예를 들어, 개별 셀(101)들은 도 6에 도시된 바와 같이 셀 스택(160)에서 함께 적층될 수 있다. 각 셀의 개구(162)(양극 챔버(129)의 입구(130) 및 출구(132)를 포함)는 셀(101)의 적층 측면의 표면 영역 중 상당 부분을 포함할 수 있다. 상기 측면(164)의 전체 영역 및 측면(164) 중 개구(130, 132) 영역 사이의 비율은 통상적으로 1 내지 5이다.According to the present invention, several cells 101 are connected in series and stacked on each other to form a stack. For example, individual cells 101 may be stacked together in a cell stack 160 as shown in FIG. The opening 162 of each cell (including the inlet 130 and outlet 132 of the anode chamber 129) may comprise a substantial portion of the surface area of the laminated side of the cell 101. [ The ratio between the areas of the openings 130 and 132 in the entire area of the side 164 and in the side 164 is typically 1 to 5.

이 분야의 기술자는 여기에 기술된 발명이 구체적으로 기술된 것 외에 변경 및 변형될 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 범위 내에 있는 이러한 모든 변경 및 변형을 포함하는 것으로 이해된다.It will be understood by those skilled in the art that the invention described herein may be varied and modified other than as specifically described. It is understood that this invention includes all such variations and modifications as fall within the spirit and scope of the invention.

"포함한다", "포함된다", "포함되는" 또는 "포함하는"의 용어가 명세서(청구범위 포함)에 사용된 경우, 이들은 기재된 특징, 정수, 단계 또는 구성요소의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 구성요소 또는 그 그룹의 존재를 배제하지 않는 것으로 해석되어야 한다.Where the terms "comprises", "includes", "includes", or "comprising" are used in the specification (including the claims), they specify the presence of stated features, integers, Should not be construed as excluding the inclusion of such features, integers, steps, components, or groups thereof.

Claims (26)

물로부터 수소 및 산소 생성물 가스를 생성하는 전해 셀 시스템으로서:
양극 및 음극을 포함하는 적어도 한 쌍의 가스 투과성 전극, 및 각 쌍의 양극 및 음극 사이에 배치된 이온 전도성 전해질을 구비하는 막 전극 접합체를 포함하는 적어도 하나의 전해 셀;
각 전극의 비-전해질 쪽에 있는 전극 가스 공간으로서, 이중 적어도 하나는 입구 및 출구를 포함하는 전극 가스 공간;
생성된 산소 또는 수소 생성물 가스 중 적어도 하나의 적어도 일부를 각 전극 가스 공간의 출구로부터 각 전극 가스 공간의 입구로 재순환시키는 재순환 루프;
재순환 루프와 유체 흐름이 가능하도록 연결되며, 생성물 가스에 의해 제공된 증발열을 이용하여 급수원으로부터의 물을 증발시키고 수증기를 재순환 루프에 도입시키는 급수기; 및
재순환 루프에 입구 및 출구를 통해 유체 흐름이 가능하도록 연결된 전극 가스 공간에 위치한 가스 공간의 가스 및 막 전극 접합체 사이에 열을 전달하며, 막 전극 접합체와 접촉하고 막 전극 접합체 및 각 전극 가스 공간 사이에 가스 순환이 이루어지도록 하는 열 전달 장치를 포함하는 전해 셀 시스템.
An electrolytic cell system for generating hydrogen and oxygen product gas from water comprising:
At least one electrolytic cell including at least a pair of gas permeable electrodes including an anode and a cathode, and a membrane electrode assembly including an ion conductive electrolyte disposed between each pair of the anode and the cathode;
An electrode gas space on the non-electrolyte side of each electrode, wherein at least one of the electrode gas spaces comprises an inlet and an outlet;
A recycle loop that recirculates at least a portion of at least one of the oxygen or hydrogen product gas produced from an outlet of each electrode gas space to an inlet of each electrode gas space;
A water dispenser connected to enable the fluid flow with the recirculation loop and utilizing the evaporation heat provided by the product gas to evaporate water from the water source and introduce water vapor into the recycle loop; And
The gas circulates in the gas space between the membrane electrode assembly and the membrane electrode assembly and between the membrane electrode assembly and the membrane electrode assembly in order to transfer heat between the gas space and the membrane electrode assembly in the gas space located in the connected electrode gas space to allow fluid flow through the inlet and outlet to the recirculation loop. And a heat transfer device for causing gas circulation to occur.
제1항에 있어서,
열 전달 장치는 각 양극 또는 음극과 직접 물리적으로 접촉하는 히트 싱크를 포함하는 전해 셀 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the heat transfer device comprises a heat sink in direct physical contact with each anode or cathode.
제2항에 있어서,
히트 싱크는 각 양극 또는 음극 중 적어도 하나의 부분에 인접하여 접촉 또는 물리적으로 연결되는 전해 셀 시스템.
3. The method of claim 2,
Wherein the heat sink is in contact or physically connected adjacent to at least one of the respective positive or negative electrodes.
제1항에 있어서,
열 전달 장치는:
메쉬;
천공 시트;
시트 또는 판;
중 적어도 하나를 포함하는 전해 셀 시스템.The method according to claim 1,
The heat transfer device comprises:
Mesh;
Perforated sheet;
Sheet or plate;
Wherein the electrolytic cell system comprises at least one of: 삭제delete 제1항에 있어서,
열 전달 장치는 막 전극 접합체의 종축에 평행한 방향으로 가스 투과성인 전해 셀 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the heat transfer device is gas permeable in a direction parallel to the longitudinal axis of the membrane electrode assembly. 삭제delete 제1항에 있어서,
열 전달 장치는 니켈 또는 스테인리스강으로 형성되는 전해 셀 시스템.The method according to claim 1,
An electrolytic cell system in which the heat transfer device is formed of nickel or stainless steel. 제1항에 있어서,
재순환 루프에 유체 흐름이 가능하도록 연결된 입구 및 출구를 포함하는 전극 가스 공간은 양극의 전극 가스 공간이고, 생성물 가스는 산소를 포함하는 전해 셀 시스템.The method according to claim 1,
An electrode gas space including an inlet and an outlet connected to allow fluid flow in the recirculation loop is an electrode gas space of the anode, and the product gas comprises oxygen. 제1항에 있어서,
재순환 루프에 유체 흐름이 가능하도록 연결된 입구 및 출구를 포함하는 전극 가스 공간은 음극의 전극 가스 공간이고, 생성물 가스는 수소를 포함하는 전해 셀 시스템.The method according to claim 1,
An electrode gas space including an inlet and an outlet connected to enable fluid flow in the recirculation loop is an electrode gas space of a cathode, and the product gas comprises hydrogen. 제1항에 있어서,
급수기는 가습기를 포함하는 전해 셀 시스템.The method according to claim 1,
The electrolyzer cell system includes a humidifier. 제11항에 있어서,
가습기로 공급되어 가습기를 통해 흐르는 생성물 가스 및 물이 가습기에서 직접 혼합되는 전해 셀 시스템.12. The method of claim 11,
An electrolytic cell system supplied with a humidifier, in which the product gas and water flowing through the humidifier are directly mixed in the humidifier. 제1항에 있어서,
재순환 산소 또는 수소 생성물 가스는 가습기를 통과하여 내부에 수증기를 혼입하는 전해 셀 시스템.The method according to claim 1,
The recirculation oxygen or hydrogen product gas is passed through a humidifier to introduce water vapor therein. 제1항에 있어서,
물 증발을 위한 증발열은 재순환 루프의 생성물 가스에 의해 제공되는 전해 셀 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the heat of evaporation for water evaporation is provided by the product gas of the recycle loop. 제1항에 있어서,
물은 전해에 의해 시스템에 사용된 물을 보충하는데 필요한 속도로 급수기에 공급되는 전해 셀 시스템.The method according to claim 1,
Water is supplied to the water dispenser at a rate necessary to replenish the water used in the system by electrolysis. 제1항에 있어서,
전극 가스 공간은 각 전해 셀의 막 전극 접합체의 종축에 수직으로 배향되는 가스 흐름 축을 따라 위치한 입구 및 출구 개구를 갖는 전극 챔버에 수용되는 전해 셀 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the electrode gas space is contained in an electrode chamber having an inlet and an outlet opening located along a gas flow axis oriented perpendicular to the longitudinal axis of the membrane electrode assembly of each electrolytic cell. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
함께 적층된 적어도 2개의 전해 셀을 포함하는 전해 셀 시스템.The method according to claim 1,
And at least two electrolytic cells stacked together. 양극 및 음극을 포함하는 적어도 한 쌍의 가스 투과성 전극, 및 각 쌍의 양극 및 음극 사이에 배치된 이온 전도성 전해질을 구비하는 막 전극 접합체를 포함하고, 하나 또는 각 가스 투과성 전극은 비-전해질 쪽에 전극 가스 공간을 포함하며, 양극 및 음극의 전극 가스 공간 중 적어도 하나는 입구 및 출구를 포함하는 적어도 하나의 전해 셀을 이용하여 물로부터 수소 및 산소를 생성하는 방법으로서:
막 전극 접합체에 전류 및 수증기를 공급하여 음극으로부터 수소 가스 그리고 양극으로부터 산소 가스를 생성하는 단계;
생성된 산소 가스 또는 수소 가스 중 적어도 하나의 일부를 각 전극 가스 공간의 출구로부터 재순환 루프를 통해 상기 각 가스 공간의 입구로 그리고 상기 각 가스 공간을 통해 재순환시키는 단계;
필요한 증발열을 제공하도록 상기 재순환 루프에서 각 산소 또는 수소 생성물 가스의 적어도 일부에 의해 제공된 에너지를 이용하여 급수원으로부터 재순환 루프로 공급된 물을 증발시키는 단계; 및
상기 각 전극 가스 공간에 위치하고 막 전극 접합체와 접촉하며 막 전극 접합체 및 상기 각 전극 가스 공간 사이에 가스 순환이 이루어지도록 하는 열 전달 장치를 이용하여 막 전극 접합체 및 상기 각 전극 가스 공간의 생성물 가스 사이에 열을 전달하는 단계를 포함하는 방법.
And a membrane electrode assembly including at least a pair of gas permeable electrodes including an anode and a cathode, and an ion conductive electrolyte disposed between each pair of the anode and the cathode, wherein one or each of the gas permeable electrodes has a non- 1. A method for producing hydrogen and oxygen from water using at least one electrolytic cell comprising a gas space and at least one of the anode and cathode electrode gas spaces comprising an inlet and an outlet,
Supplying a current and water vapor to the membrane electrode assembly to generate hydrogen gas from the cathode and oxygen gas from the anode;
Recycling at least a portion of the generated oxygen gas or hydrogen gas from the outlet of each electrode gas space through the recirculation loop to the inlet of each gas space and through the respective gas space;
Evaporating water supplied from the water source into the recycle loop using energy provided by at least a portion of each oxygen or hydrogen product gas in the recycle loop to provide the required evaporation heat; And
And a heat transfer device which is located in each of the electrode gas spaces and makes contact with the membrane electrode assembly and allows gas circulation between the membrane electrode assembly and each of the electrode gas spaces is used to separate the product gas of the membrane electrode assembly and each of the electrode gas spaces And transferring heat.
제21항에 있어서,
물을 증발시키는 단계는 가습기에서 수행되는 방법.
22. The method of claim 21,
Wherein the step of evaporating water is carried out in a humidifier.
제21항에 있어서,
물을 증발시키는 단계는 재순환하는 일부의 생성된 산소 가스에 물을 혼합함으로써, 생성된 산소 생성물 가스로부터 상기 혼합된 물에 물 증발을 위한 열을 전달하는 것을 포함하는 방법.22. The method of claim 21,
Wherein the step of evaporating water comprises transferring heat for water evaporation from the resulting oxygen product gas to the mixed water by mixing water with some of the recirculating oxygen gas produced. 제21항에 있어서,
상기 각 가스 공간은 양극의 전극 가스 공간이고 생성물 가스는 산소를 포함하는 방법.22. The method of claim 21,
Wherein each gas space is an electrode gas space of the anode and the product gas comprises oxygen. 제21항에 있어서,
상기 각 가스 공간은 음극의 전극 가스 공간이고 생성물 가스는 수소를 포함하는 방법.22. The method of claim 21,
Wherein each gas space is an electrode gas space of a cathode and the product gas comprises hydrogen. 삭제delete
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