KR102021323B1 - 전기분해장치를 가동하기 위한 방법 및 전기분해장치 - Google Patents

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하-테크 시스템즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은 전해조(1)의 하류에 배치되고 전해조(1)로부터 나오는 수소가스흐름 내의 산소분량을 줄이기 위하여 그 안에서 산소가 물속에서 수소와 반응하는 반응기 컨테이너(3)를 포함하는 전기분해장치(10)를 가동하기 위한 방법에 관련되고, 여기서 전기분해장치(10)는 사전설정된 작동압력에서 작동하고, 전해조(1)를 가동할 때 전해조(1)로부터 나오는 수소가스흐름이 바이패스도관(11)을 통해 반응기 컨테이너(3)를 지나쳐 안내된다.

Description

전기분해장치를 가동하기 위한 방법 및 전기분해장치{Method for starting up an electrolyzer}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 특정된 구성에 따라 전기분해장치를 가동하기 위한 방법, 및 청구항 8의 전제부에 따른 전기분해장치에 관한 것이다.
이 기술분야에 따르면, 물을 수소와 산소로 전기분해 하기 위한 전해조를 사용하는 전기분해장치들이 수소를 생성하기 위하여 사용된다. 전기분해장치에 있어서, 생산된 수소에 특히 저 산소 함량의 의문이 있을 때, 촉매전하(탈 산소)와 함께 반응기 컨테이너를 제공하는 것이 알려져 있으며, 그 안에서 산소는 수소와 반응하여 물로 되고 이 물은 그 다음 시스템으로부터 방출된다. 이 반응기 컨테이너는 충전된 촉매제들과 함께 작동하기 때문에, 그것은 가능한 점화원을 나타낸다. 이 때문에, 전기분해장치의 가동동작 전에, 반응기 컨테이너 및 전체시스템을 불활성화하는 질소 또는 다른 가스로 반응기 컨테이너 및 전체시스템을 채우는 것은 이 기술분야에 속하는 것으로 고려되고, 그리고 이것은 폭발의 위험이 있는 가스 혼합물의 형성을 방지한다.
여기서, 질소를 채우는 것은 다루기 힘든 준비의 단점이 있다.
본 발명의 목적은 위와 같은 이유 때문에, 반응기 컨테이너 및 시스템을 불활성화 하기 위하여 질소 또는 다른 가스로 채우는 것 없이 할 수 있는 구성을 갖는, 전기분해장치를 안전하게 가동하기 위한 방법 및 대응하는 전기분해장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 청구항 1에 따른 구성을 갖는, 전기분해장치를 가동하기 위한 방법, 및 청구항 8에 따른 구성을 갖는 전기분해장치에 의해 달성된다. 본 발명의 다른 이점 있는 향상점들은 종속항들 및 상세한 설명에 기재된다. 또한, 본 발명에 따른 이 목적은 대체가능한 것 또는 청구항 2에 따른 방법과의 조합에 의해 달성된다. 대응하는 전기분해장치는 청구항 9의 구성에 의해 정의된다.
본 발명에 따르면, 전기분해장치를 가동하기 위한 방법은 전해조의 하류에 배치되고 전해조로부터 나오는 수소가스흐름 내의 산소분량을 줄이기 위하여 그 안에서 산소가 물속에서 수소와 반응하는 반응기 컨테이너를 포함하고, 여기서 전기분해장치는 설정된 작동압력에서 작동하고, 전해조로부터 나오는 수소가스흐름이, 전기분해장치를 가동할 때, 바이패스도관을 통해 반응기 컨테이너를 지나쳐 안내된다.
본 발명의 기본적 개념은 이 기술분야에서 알려져 있는 불활성 가스에 의해 반응기 컨테이너를 플러싱하는 것이 아니고, 전기분해장치, 특히 전해조를 가동할 때, 공정이 안정적으로 가동되고 반응기 컨테이너 안에서 점화될 수 있는 폭발성 혼합물의 위험이 더 이상 존재하지 않을 때까지, 하류에 배치된 반응기 컨테이너를 우회(바이패스) 또는 지나치는(피해가는) 것이다. 이것은 전기분해장치, 특히 전해조를 가동할 때 그렇지 않으면 복잡한 불활성 가스 플러싱(flushing) 없이 할 수 있는 이점을 갖는다. 장치와 관련한 비용은 비교적 낮다. 반응기에 대하여 단순히, 가장 단순한 방법으로 반응기 컨테이너의 상류 바이패스 도관 내에 차단밸브들로 설계될 수 있고, 그리고 통상적으로 출구 측 차단장치, 특히 반응기 컨테이너에서 달아나는 위치에 할 수 있는, 적절한 밸브들과 함께 바이패스 도관을 제공할 필요가 있다.
한편 또는 청구항 1에 따른 방법과 조합하여, 반응기 컨테이너 내의 사전설정된 작동전압은, 가동 전에, 주변압력 이하의 압력으로, 특히 0.5 바 이하의 압력으로 낮추어 질 수 있다. 반응기 컨테이너 내의 압력의 감소는 폭발의 경우 가능한 압력증가를 약하게 하기 위한 역할을 한다. 폭발의 경우 압력이 10배로 증가하기 때문에, 가능한 압력증가가 또한 따라서 주어진 적절한 압력의 감소로 낮추어질 수 있다. 설계기술과 관련한 장치는 더 낮은 압력으로 설계될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 반응기 컨테이너를 지나쳐가는 바이패스 도관에 의해 가동하는 대신에, 만약 반응기 컨테이너 내의 또는 도관-연결된 시스템 부품들 내의 압력이 이 전에 적절히 낮추어 진다면, 이러한 바이패스 도관 없이 또한 가동을 수행할 수 있다. 이 두 대책을 조합하여 적용하면 특히 이점이 있다.
또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 전기분해장치, 특히 전해조를 가동할 때, 바이패스도관 내에 배치된 제1밸브는, 전해조로부터 나오는 수소가스흐름을 반응기 컨테이너를 지나쳐(우회하여) 안내하기 위하여, 개방되고, 반응기 컨테이너까지 공급도관 내에 배치된 제2밸브는 폐쇄된다.
바람직하게는, 수소가스흐름 내의 수소의 상부폭발한계를 초과할 때, 수소가스흐름이 반응기 컨테이너로 안내되도록, 제1밸브는 폐쇄되고 제2밸브는 개방된다.
본 발명에 따른 상부폭발한계의 초과는 반응기 컨테이너까지 안내하는 도관 내의 산소함량의 측정에 의해 결정될 수 있다. 설비기술과 관련하여 덜 복잡한 것은 전해조에 의해 생산된 수소가스로 반응기 컨테이너로 안내하는 도관의 플러싱을 일시적으로 제어하는 것으로서, 본 발명에 따라 예견할 수 있는 것이다. 이것에 의해, 플러싱 량은 폭발영역이 신뢰할 수 있게 배제될 수 있도록 결정되는데, 이것은 특히 반응기 컨테이너까지 도관의 정격용량의 적어도 다섯 배에 대응하는 플러싱 량과 함께 작동하는 경우이다.
이점 있게, 사전설정된 작동압력은 5 바보다 더 크고, 특히 30 바보다 더 크며, 바람직하게는 50 내지 100 바의 압력범위에 놓인다. 높은 작동압력은 배출하는 수소가 더 이상의 펌프들 없이 처리될 수 있다는, 즉 예를 들면, 가압된 저장장치에 또는 화학적 저장장치에 저장될 수 있는 이점을 갖는다.
만약, 전기분해장치를 가동할 때, 시스템 서버어셈블리들, 특히 반응기 컨테이너의 상류에 배치되고 가스처리를 위한 제1서버어셈블리, 및 반응기 컨테이너의 하류에 배치되고 가스처리를 위한 제2서버어셈블리는, 반응기 컨테이너를 바이패스(우회)하는 중에, 전해조로부터 나오는 수소가스흐름에 의해 관통하여 흐르게 된다면 특히 바람직하다.
본 발명에 따르면, 전해조 및 반응기 컨테이너를 구비하고, 그 안에서 산소가 물속에서 수소와 반응하는 전기분해장치가 제공되고, 여기서 전해조로부터 나오는 수소가스흐름을 반응기 컨테이너를 지나쳐 안내하기 위한 바이패스도관이 전기분해장치에 제공된다.
본 발명에 따르면, 바이패스 도관에 대한 대안으로 또는 부가적으로, 반응기 컨테이너의 사전설정된 작동압력을 주변압력 이하의 압력으로, 특히 0.5 바 이하의 압력으로 낮추기 위한 진공펌프가 제공된다.
통상적으로, 반응기 컨테이너는 전기분해장치 내의 전해조의 하류에 배치된다.
또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 제1밸브, 특히 차단밸브가 바이패스도관 내에 배치되고, 제2밸브, 특히 차단밸브가 반응기 컨테이너까지의 공급도관 내에 배치된다.
한편, 방향제어밸브, 특히 3/2웨이밸브가 반응기 컨테이너까지의 공급도관 내에 제공될 수 있고 이 밸브는 공급도관을 선택적으로 반응기 컨테이너 또는 바이패스 도관에 연결한다.
또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 전해조는 압력 전해조, 특히 양성자 교환 막 전해조이고, 여기서 전해조가 작동하는 사전설정된 작동압력은 5 바보다 더 크고, 특히 30 바보다 더 크다. 특히 사전설정된 작동압력은 바람직하게는 50 내지 100 바의 압력영역에 놓인다.
반응기 컨테이너는 바람직하게는 촉매전하를 함유한다.
전기분해장치는, 본 발명에 따른 방법에 기인하여, 불활성 가스와 함께 반응기 컨테이너의 복잡한 플러싱 없이 안전한 방식으로 가동될 수 있다. 바이패스 도관이 반응기 컨테이너와 병렬로 단순히 제공되고, 이 바이패스 도관은 적절하게 배치된 밸브들에 의해 개방 및 폐쇄될 수 있고 그것을 통해 전해조에 의해 생성된 수소가스가 상부폭발한계를 초과할 때까지 전환된다. 이 동안, 다른 시스템 서버어셈블리들은 상부폭발한계의 이미 언급한 초과 후 수소가 또한 반응기 컨테이너 속으로 도입될 때까지 수소와 함께 플러싱된다. 전기분해장치를 가동하는데 있어서의 위험은 만약 반응기 컨테이너 내에 존재하는 압력이 진공펌프에 의해 주위 또는 주변 압력 이하의 압력으로 낮추어 진다면 더 최소화될 수 있고, 따라서 폭발할 수 있는 혼합물의 형성과 뒤이은 점화가 있을 때, 폭연압력 또는 폭발압력이 감소되고 따라서 허용할 수 있는 작동압력 이하로 남는다. 만약 반응기 컨테이너가 0.5 바 이하의 압력으로 진공되어진다면, 가능성 있게 발생하는 폭발(산소수소반응)이 있을 때, 5 바 이하의 최대압력이 발생하고, 따라서 전기분해장치의 최소작동압력이 그것에 의해 초과되지 않는다.
본 발명의 전기분해장치를 가동하기 위한 방법 및 대응하는 전기분해장치는 반응기 컨테이너 및 시스템을 불활성화 하기 위하여 질소 또는 다른 가스로 채우는 것 없이 할 수 있는 구성을 갖고, 전기분해장치를 안전하게 가동할 수가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기분해장치의 부분에 대한 개념도 이다.
이하에서 도면을 참조하여 일 실시예를 구체적으로 설명한다.
참조번호 1은 이 실시예에서 양성자 교환 막 전해조(PEM)로 설계된 전해조를 나타낸다. 물은 전해조(1) 안에서 전기적으로 수소와 산소로 분리된다. 그러나, 이 방법에 있어서, 전해조(1)의 막을 통한 확산에 기인하여, 작은 량의 산소가 또한 수소 속으로 들어가는데, 10 내지 100 ppm의 산소의 잔류 량이 생성된 수소 내에 존재한다.
여기에 도시된 실시예에 따른 전기분해장치(10)에 있어서, 생성된 수소 내에 낮은 산소함량의 의문이 있다. 이 때문에, 예를 들면, 물이 수소가스 흐름으로부터 제거되고 전기분해장치(10) 밖으로 방출되는 추가가스처리를 위한 제1 서버어셈블리(2)와 같은, 추가 가스처리를 위한 서버어셈블리들(2, 4)을 제외하고, 반응기 컨테이너(3)가 전해조(1) 및 가스처리를 위한 제1 서버어셈블리(2)의 하류에 배치되고, 이 반응기 컨테이너(3) 내에서 수소가스흐름에 있어서 바람직하지않는 산소가 1 ppm으로 감소된다.
그것은 촉매전하를 갖는 반응기 컨테이너(3)의 경우인데, 그 안에서 산소는 뒤이어 전기분해장치(10)로부터 제거되는 물속에서 수소와 반응한다. 반응기 컨테이너(3)가 촉매전하와 작동하기 때문에, 이것은 또한 가능한 점화원을 대신한다. 이 때문에, 전기분해장치(10)를 가동할 때, 우선 반응기 컨테이너(3)가 진공펌프(7)에 의해 주변압력 이하의 압력으로, 여기서는 0.5 바(bar) 이하의 압력으로 배출된다. 동시에, 제1밸브(5)가 개방되고 이 밸브는 여기서 차단밸브로 설계되며 바이패스도관(11) 내에 배치되는데, 이 바이패스도관(11)은 반응기 컨테이너(3)를 바이패스(우회)하기 위하여 제1공급도관(8)으로부터 반응기 컨테이너(3)까지 분기되고 반응기 컨테이너(3)의 하류까지는 아니고 다시 도관부분(9)으로 복귀되며, 이 도관부분(9)은 반응기 컨테이너(3)의 출구로부터 가스처리를 위한 제2서버어셈블리(4)까지 연결된다. 반응기 컨테이너(3)까지의 공급도관(8)에 배치된 제2밸브(6)는 차단밸브로 설계되고 동시에 폐쇄되어 있으며, 따라서 전해조(1)로부터 그리고 가스처리를 위한 제1 서버어셈블리(2)로부터 오는 수소가스흐름이, 가스처리를 위한 제2 서버어셈블리(4)로, 반응기 컨테이너(3)의 하류로 공급되게 하기 위하여, 반응기 컨테이너(3)를 통해 흐르지 못하고 바이패스도관(11)을 통해 흐르게 한다.
상부폭발한계를 초과한 후, 바이패스도관(11)에 배치된 제1밸브(5)가 폐쇄되고, 동시에 반응기 컨테이너(3)까지의 공급도관(8)에 배치된 제2밸브(6)가 개방되며, 따라서 수소가스흐름은 반응기 컨테이너(3)를 통해 흐른다. 공급도관(8) 정격용량의 다섯 배의 플러싱용량과 함께 수소가스의 일시적으로 제어된 플러싱이 상부폭발한계를 안전하게 초과하도록 수행된다. 한편, 상부폭발한계는 그러나 또한 수소가스흐름 내의 산소함량의 측정에 의해 결정될 수 있다.
한편, 차단밸브들(5 및 6) 대신에, 3/2웨이밸브가 또한 사용될 수 있다. 이러한 3/2웨이밸브는 공급도관(8)을 바이패스도관(11) 또는 반응기 컨테이너(3) 중 어느 하나와 연결한다.
앞서 설명한 배열에 있어서, 또 다른 차단밸브가 반응기 컨테이너(3)의 하류에 제공될 수 있다. 바이패스도관 및 반응기 컨테이너(3)로부터 나오는 도관부분(9)을 연결하는 또 다른 3/2웨이밸브가 제2서버어셈블리(4)로 안내하는 도관의 하류에 제공될 수 있다. 이 제2방향제어밸브는 통상적으로 제1방향제어밸브와 동기적으로 절환된다.
1: 전해조 2: 가스처리를 위한 제1서버어셈블리
3: 반응기 컨테이너 4: 가스처리를 위한 제2서버어셈블리
5: 제1밸브 6: 제2밸브
7: 펌프 8: 공급도관
9: 도관부분 10: 전기분해장치
11: 바이패스도관

Claims (15)

  1. 전해조(1)의 하류에 배치되고 전해조(1)로부터 나오는 수소가스흐름 내의 산소분량을 줄이기 위하여 그 안에서 산소가 물속에서 수소와 반응하는 반응기 컨테이너(3)를 포함하고, 상기 반응기 컨테이너(3)는 촉매를 함유하며, 사전설정된 작동압력에서 작동하는 전기분해장치(10)를 가동하기 위한 방법에 있어서, 전해조(1)를 가동할 때 전해조(1)로부터 나오는 수소가스흐름이 바이패스도관(11)을 통해 반응기 컨테이너(3)를 지나쳐 안내되는 것을 특징으로 하는 전기분해장치(10)를 가동하기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 반응기 컨테이너(3) 내의 사전설정된 작동압력은, 가동 전에, 0.5 바 이하의 압력으로 낮추어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 전기분해장치(10)를 가동할 때 바이패스도관(11) 내에 배치된 제1밸브(5)는, 전해조(1)로부터 나오는 수소가스흐름을 반응기 컨테이너(3)를 지나쳐 안내하기 위하여, 개방되고, 반응기 컨테이너(3)까지 공급도관(8) 내에 배치된 제2밸브(6)는 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 수소가스흐름 내의 수소의 상부폭발한계를 초과할 때, 수소가스흐름이 반응기 컨테이너(3)로 공급되도록, 제1밸브(5)는 폐쇄되고 제2밸브(6)는 개방되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상부폭발한계는 반응기 컨테이너(3)까지의 공급도관(8) 내의 산소함량의 측정에 의해, 또는 공급도관(8) 정격용량의 적어도 다섯 배에 대응하는 플러싱용량과 함께, 수소가스와 함께 반응기 컨테이너(3)로 안내하는 공급도관(8)의 일시적으로 제어된 플러싱에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 사전설정된 작동압력은 5 바보다 더 큰 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 전기분해장치(10)를 가동할 때, 시스템 서버어셈블리들인, 반응기 컨테이너(3)의 상류에 배치되고 가스처리를 위한 제1서버어셈블리(2), 및 반응기 컨테이너(3)의 하류에 배치되고 가스처리를 위한 제2서버어셈블리(4)는, 반응기 컨테이너(3)를 바이패스(우회)하는 중에, 전해조(1)로부터 나오는 수소가스흐름에 의해 관통하여 흐르는 되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 전해조(1) 및 그 안에서 산소가 물속에서 수소와 반응하는 반응기 컨테이너(3)를 구비하는 전기분해장치(10)에 있어서, 상기 반응기 컨테이너(3)는 촉매를 함유하며, 전해조(1)로부터 나오는 수소가스흐름을 반응기 컨테이너(3)를 지나쳐 안내하기 위한 바이패스도관(11)이 전기분해장치(10)에 제공되는 것을 특징으로 하는 전기분해장치(10).
  9. 제 8항에 있어서, 진공펌프인 펌프(7)가 반응기 컨테이너(3)의 사전설정된 작동압력을 0.5 바 이하의 압력으로 낮추기 위하여 제공되는 것을 특징으로 하는 전기분해장치(10).
  10. 제 8항에 있어서, 반응기 컨테이너(3)는 전해조(1)의 하류의 전기분해장치(10) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기분해장치(10).
  11. 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 차단밸브인 제1밸브(5)가 바이패스도관(11) 내에 배치되고, 차단밸브인 제2밸브가 반응기 컨테이너(3)까지의 공급도관(8) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기분해장치(10).
  12. 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 3/2웨이밸브인 전환밸브가 반응기 컨테이너(3)까지의 공급도관(8) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기분해장치(10).
  13. 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 전해조(1)는 양성자 교환 막 전해조인 압력 전해조이고, 여기서 전해조(1)가 작동하는 사전설정된 작동압력은 5 바보다 더 큰 것을 특징으로 하는 전기분해장치(10).
  14. 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 사전설정된 작동압력은 50 내지 100 바의 압력범위에 놓이는 것을 특징으로 하는 전기분해장치(10).
  15. 삭제
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