KR102277912B1 - 물 전기분해를 이용한 고압 수소 및 산소 생산 장치 - Google Patents
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Abstract
Description
도 2는 물 전기분해장치의 스택과 보조장치를 내부에 담고 있는 하우징의 구조도.
도 3a는 스택을 외각으로 감싸는 튜브형 보강체를 위에서 보는 평면도(planar view).
도 3b는 보강체의 사시도.
도 3c는 단위셀 구성요소인 개스킷 골격의 사시도.
도 3d는 도 3a의 보강체의 내부 공간에 도 3c의 개스킷 골격이 삽입된 상태를 보여주는 평면도로 수소가스 유로는 열려있음.
도 3e는 도 3a의 보강체의 내부 공간에 도 3c의 개스킷 골격이 삽입된 상태를 보여주는 평면도로 산소가스 유로는 열려있음.
도 4는 보강체에 형성된 수소가스가 용해된 전해액 유로와 스택 단위 셀과의 연결을 보여주는 스택의 단면도(cross-sectional view).
도 5는 수소와 산소 기수분리기로의 전해액 공급 및 분리기로부터 가스 배출로를 종합적으로 보여주는 도면.
도 6a는 전해액을 기수분리기로부터 스택으로 공급하는 비펌프식 순환장치(pumpless circulator)의 설명도.
도 6b는 비펌프식 순환장치(pumpless circulator)의 유체 순환경로의 각 지점에서 측정되는 가스 압력의 시간에 따른 변화를 보여주는 그래프.
이상의 내용을 구성요소 중심으로 다시 설명하면 다음과 같다. 단위 셀들이 적층되어 형성되는 스택을 수용하는 상기 하우징은 하부 하우징과 상부 하우징을 포함하고, 상기 상부 하우징에는 일측만 개방된 중공부가 형성되어 있고, 그 개방된 부분의 둘레를 따라 외측으로 연장된 플랜지가 형성되어 있으며, 상기 하부 하우징에는 일측만 개방된 중공부가 형성되어 있고, 그 개방된 부분의 둘레를 따라 외측으로 연장된 것으로 상기 상부 하우징의 플랜지를 수용하는 'L'자형 플랜지가 형성되어 있으며, 상기 플랜지를 상기 'L'자형 플랜지를 향하여 누르면서 고정되는 가압부를 더 구비하고, 상기 'L'자형 플랜지와 상기 가압부를 볼트로 체결함으로써 하우징 내부의 중공부에서의 압력이 증가하는 경우 상기 가압부와 상기 플랜지 사이의 기밀성이 강화된다.
다시 설명하면, 상기 스택을 고분자 소재의 튜브형 보강체 내부의 중공부에 배치하여 외곽을 구조적으로 보강한 후 상기 하우징 내에 배치한다. 상기 보강체는 튜브 형태의 본체로 형성되어서 내측 중공부는 상기 스택을 수용하고 상기 중공부의 둘레에 서로 이격되고 상기 중공부와 연결되며 수직방향으로 연장된 수소 진입 유로, 수소 방출 유로, 산소 진입 유로 및 산소 방출 유로가 형성되어 있다. 상기 수소 진입 유로, 수소 방출 유로, 산소 진입 유로 및 산소 방출 유로가 각각 스택과 연결될 수 있는 수평방향 연결로가 형성되어 있다.
상기 스택에 포함되는 복수 개의 단위 셀은 각각 그 중앙부에 배치된 분리막을 사이에 두고 아래에는 산소 전극, 위에는 수소 전극이 배치되고 각 전극에 접촉하여 다공성 기체 확산층과 양극성 배전판이 배치되며, 수소 전극, 산소 전극, 다공성 기체 확산층들을 외측에서 감싸는 동시에 배전판에 밀착하는 링 형태의 개스킷 골격을 포함한다.
상기 링 형태의 개스킷 골격은 상기 분리막 일측에 위치한 수소전극, 다공성 기체 확산층을 감싸고 양극성 배전판과 밀착하는 부분과 분리막 다른 일측에 위치한 산소전극, 다공성 기체 확산층을 감싸고 양극성 배전판과 밀착하는 부분을 포함하고, 그 외측으로 돌출되어서 상기 보강체의 수평방향으로 형성된 수평방향 연결로에 삽입 되는 4개의 돌출부들을 구비하며, 상기 돌출부들 중 2개는 상기 수평방향 연결로를 폐쇄하고, 나머지 돌출부 2개에는 개스킷 골격 유로가 형성되어 상기 수평방향 연결로를 통한 유체 이동이 가능하도록 하며, 산소 전극을 감싸는 개스킷 골격과 수소 전극을 감싸는 개스킷 골격에서 개스킷 골격 유로가 형성된 돌출부가 서로 상이하여서 일측의 개스킷 골격 유로는 수소전극과 연통되고, 타측의 개스킷 골격은 산소 전극과 연통된다.
상기 보강체의 중공부를 형성하는 내벽과, 상기 보강체의 중공부에 배치되는 스택의 구성 요소인 상기 개스킷 골격의 측 방향 외벽이 서로 밀착된다.
수소 전극을 감싸는 개스킷 골격(수소 전극용 개스킷 골격)의 돌출부 4개 중 2개에는 개스킷 골격 유로가 형성되어 각각 수직성 수소 진입 유로 및 수소 방출 유로와 연결되고, 산소 전극을 감싸는 개스킷 골격(산소 전극용 개스킷 골격)의 돌출부 4개 중 2개에는 개스킷 골격 유로가 형성되어 각각 수직성 산소 진입 유로 및 산소 방출 유로와 연결되며, 수소 전극용 개스킷 골격과 산소 전극용 개스킷 골격은 중공부 연장 방향과 나란한 중심축에 대해 서로 90도 회전된 형태로 배치된다.
다시 설명하면, 상기 스택에서 전기분해 진행과 함께 상기 수소 전극에서 소모되는 물을 공급하는 물 공급부가 더 설치된다. 상기 물 공급부에서 배수로 인해 생기는 빈 공간은 전기분해로부터 생산되는 수소가스로 채워진다. 상기 스택에서 전기분해 진행과 함께 산소전극에서 생성되는 물로 인해 산소 기수분리기 수위가 상한선을 초과하면 그 초과분은 스택 외부로 방출 시키거나 혹은 수소 기수분리기로 이동시킨다. 산소 기수분리기로부터 방출된 초과분은 단위 셀들이 적층되어 형성된 스택으로부터 배출된 수소가스와 전해액의 혼합물과 합류시킨 후 전기화학 촉매칼럼을 통과시켜 수소 기수분리기로 유입시킨다.
이상의 내용을 다시 설명하면 다음과 같다. 장치 전체에서 전기분해 시작 후에 생성되는 수소가스와 산소가스가 유입될 공간은, 산소가스가 유입될 공간이 수소가스가 유입될 공간의 50% 이하이고, 수소가스가 유입되는 공간에는 물 저장소의 물이 배수되어 생기는 공간이 포함되고, 산소가스가 유입되는 공간에는 상기 하우징 내부를 채운 물이 배수되어 생기는 공간이 포함되며, 산소가스와 수소가스의 압력을 동등하게 조절할 수 있도록 상기 하우징에는 하우징 내부의 물을 배수하여 산소가스 공간의 부피를 조정하는 배수 조절부가 설치된다.
밸브 번호 | 341 | 342 | 343 | 344 | 345 |
step 1 | c | o | c | o | o |
step 2 | o | c | o | c | o |
step 3 | o | c | o | o | o |
이상의 내용을 다시 설명하면 다음과 같다. 수소 고압가스 챔버는, 상기 스택으로부터 생성되어 상기 수소 방출 유로로 배출된 수소/전해액이 수소용 전기화학 촉매 칼럼과 수소용 기수분리기를 거치게 될 때, 수소용 기수분리기의 출구에서 수소 가스가 유입될 수 있도록 연결된다.
산소 고압가스 챔버는 상기 스택으로부터 생성되어 상기 산소 방출 유로로 배출된 산소/전해액이 산소용 전기화학 촉매 칼럼과 산소용 기수분리기를 거치게 될 때, 산소용 기수분리기의 출구에서 산소 가스가 유입될 수 있도록 연결된다.
전해액 공급용기는 내부가 피스톤에 의해 두 개의 공간으로 분리되고, 일측의 공간은 상기 수소 고압가스 챔버 또는 상기 산소 고압가스 챔버와 연결되고, 타측은 상기 수소용 기수분리기 또는 상기 산소용 기수분리기로부터 전해액이 공급되도록 연결되며, 상기 수소 또는 산소 고압가스 챔버에서 공급되는 압력에 의해 상기 수소용 기수분리기 또는 산소용 기수분리기로부터 공급된 전해액이 상기 보강체의 수소 진입 유로 또는 산소 진입 유로를 통해 상기 스택 내부로 공급되도록 한다.
110: 하우징
112: 상부 하우징에 형성된 환상형 플랜지
114: 하부 하우징에 형성된"ㄷ"형태의 환상형 구조.
116: 볼트
118: 너트
121: 물 공급 밸브
122: 물 공급 라인
150: 하우징의 내부의 빈 공간을 채우는 물
152: 하우징의 내부의 빈 공간을 채우는 고압 산소가스
153: 하부 밸브
200: 물 전기분해 스택
201: 전기화학 촉매칼럼
202: 물 전기분해부에서 스택을 제외한 구성요소.
205: 직류전원
210: 산소전극 220: 수소전극
230: 고분자 분리막
232: 다공성 금속 기체 확산층
234: 양극성 배전판(bipolar current collector)
240: 튜브형 스택 보강체
242: 스택이 배치되는 보강체 중앙부의 공간
243: 보강체에 형성된 볼트 체결공
251: 수소 진입 유로
252: 수소 방출 유로
255: 수소용 연결로
261: 산소 진입 유로
262: 산소 방출 유로
265: 산소용 연결로
270: 개스킷 골격
271: 유로 형성 돌출부
272: 개스킷 골격 유로
273: 유로 폐쇄 돌출부
300: 수소용 기수분리기
301: 스택으로부터 수소용 기수분리기로의 진입로
302: 수소용 기수분리기로부터 스택으로의 진입로
303: 수소용 기수분리기로부터 수소저장용기로의 배출로
308: 수소 저장용기의 수소가스
310: 기수분리기의 수소가스
311: 피스톤을 밀기 위한 고압 수소가스
312: 수소가스 정화칼럼
314: 수소가스 건조칼럼
320: 수소가스가 용해된 전해액
330: 수소가스가 용해된 전해액 혼합물의 순환을 돕는 수소 고압가스 챔버
335: 스택으로의 수소가스가 용해된 전해액 공급 용기
336: 수소가스가 용해된 전해액을 밀어내기 위한 피스톤
341, 342, 343, 344, 345: 밸브
400: 산소용 기수분리기
401: 스택으로부터 산소용 기수분리기로의 진입로
402: 산소용 기수분리기로부터 스택으로의 진입로
403: 산소용 기수분리기로부터 하우징 내부 산소가스층으로의 배출로.
405: 산소용 기수분리기 과잉 전해액의 수소용 기수분리기로의 공급로
406: 산소용 기수분리기 과잉 전해액의 전기분해부 외부로의 배수로.
410: 기수분리기의 산소가스
412: 산소가스 정화칼럼
414: 산소가스 건조칼럼
420: 산소가스가 용해된 전해액
620: 저장된 물
700: 고압 수소가스 저장용기
800: 고압 산소가스 저장용기
Claims (10)
- 삭제
- 산소 전극과 수소 전극을 포함하는 복수 개의 단위 셀이 적층되고 전기분해에 의해 사용처의 수소 충전에 필요한 수소를 생산하고 압축하는 스택;
상기 스택에서 생산된 수소가스를 저장하는 수소가스 저장용기; 및
내부 공간에 스택이 설치된 것으로 외부와 내부 공간을 차단하는 하우징을 포함하고,
상기 스택은 상기 하우징 내에서 불연성 액체에 잠긴 상태로 배치되고,
상기 하우징에는 하부에 하우징 내의 불연성 액체를 배수할 수 있는 배수 조절부가 배치되며,
상기 스택에서 생산된 산소가스의 일부는 상기 하우징 내부 상부의 공간을 채우고 상기 배수 조절부가 상기 하우징으로부터 불연성 액체를 배수하여 산소가스의 압력을 조절함으로써 산소가스 압력은 수소가스 저장용기의 수소가스 압력과 평형을 유지하고,
상기 스택을 고분자 소재의 튜브형 보강체 내부의 중공부에 배치하여 외곽을 구조적으로 보강한 후 상기 하우징 내에 배치하고,
상기 보강체는 튜브 형태의 본체로 형성되어서 보강체의 내측 중공부는 상기 스택을 수용하고 상기 중공부의 둘레에 서로 이격되고 상기 중공부와 연결되며 수직방향으로 연장된 수직성 수소 진입 유로, 수소 방출 유로, 산소 진입 유로 및 산소 방출 유로가 형성되어 있고, 상기 수직성 수소 진입 유로, 수소 방출 유로, 산소 진입 유로 및 산소 방출 유로가 각각 스택과 연결될 수 있는 수평방향 연결로가 형성되어 있으며,
상기 스택에 포함되는 복수 개의 단위 셀에서 수소 전극, 산소 전극, 다공성 기체 확산층들을 외측에서 감싸는 동시에 배전판에 밀착하는 링 형태의 개스킷 골격은, 외측으로 돌출되어서 상기 보강체의 수평방향으로 형성된 수평방향 연결로에 삽입 되는 4개의 돌출부들을 구비하며, 상기 돌출부들 중 2개는 상기 수평방향 연결로를 폐쇄하고, 나머지 돌출부 2개에는 개스킷 골격 유로가 형성되어 상기 수평방향 연결로를 통한 유체 이동이 가능하도록 하며, 산소 전극을 감싸는 개스킷 골격과 수소 전극을 감싸는 개스킷 골격에서 개스킷 골격 유로가 형성된 돌출부가 서로 상이하여서 일측의 개스킷 골격 유로는 수소전극과 연통되고, 타측의 개스킷 골격은 산소 전극과 연통되며,
상기 보강체의 중공부를 형성하는 내벽과, 상기 보강체의 중공부에 배치되는 스택의 구성 요소인 상기 개스킷 골격의 측 방향 외벽이 서로 밀착된 것을 특징으로 하는 물 전기분해를 이용한 고압 수소 및 산소가스 생산 및 저장 장치. - 제2항에 있어서,
수소 전극을 감싸는 개스킷 골격(수소 전극용 개스킷 골격)의 돌출부 4개 중 2개에는 개스킷 골격 유로가 형성되어 수소용 연결로를 통한 유체 유동이 가능하도록 하면서 하나의 개스킷 골격 유로는 수직성 수소 진입 유로에 연결되고 다른 하나의 개스킷 골격 유로는 수직성 수소 방출 유로와 연결되며,
산소 전극을 감싸는 개스킷 골격(산소 전극용 개스킷 골격)의 돌출부 4개 중 2개에는 개스킷 골격 유로가 형성되어 산소용 연결로를 통한 유체 유동이 가능하도록 하면서 하나의 개스킷 골격 유로는 수직성 산소 진입 유로에 연결되고 다른 하나의 개스킷 골격 유로는 수직성 산소 방출 유로와 연결되며,
수소 전극용 개스킷 골격과 산소 전극용 개스킷 골격은 동일한 형태이나 중공부 연장 방향과 나란한 중심축에 대해 서로 90도 회전된 상태로 배치된 것을 특징으로 하는 물 전기분해를 이용한 고압 수소 및 산소가스 생산 및 저장 장치. - 제3항에 있어서,
내부 중공부를 갖는 상기 보강체의 환상 외벽과 내벽의 간격은 중공부 내경의 10% 내지 100% 로 형성되고,
상기 개스킷 골격 돌출부가 삽입되는 상기 보강체의 수평방향 연결로(수소용 연결로 및 산소용 연결로)의 단면적은 상기 수직성 수소 진입 유로, 수소 방출 유로, 산소 진입 유로 및 산소 방출 유로의 단면적의 2% 내지 200% 이며,
상기 수소 전극용 개스킷 골격의 돌출부 4개 중 수소용 연결로가 형성되지 않은 2개는 산소 진입 유로나 산소 방출 유로와 보강체의 내측 중공부 사이를 공간을 폐쇄하고,
상기 산소 전극용 개스킷 골격의 돌출부 4개 중 산소용 연결로가 형성되지 않은 2개는 수소 진입 유로나 수소 방출 유로와 보강체의 내측 중공부 사이 공간을 폐쇄하며,
상기 보강체 내벽과 상기 개스킷 골격 측면 외벽과의 접촉면에는 액상 접착제를 사용하여 밀착하고,
상기 보강체의 중공부에 평행하게 관통하도록 형성된 볼트 체결공을 통해 볼트에 의해 상하 방향으로 인접한 단위 셀 구성 요소 사이가 밀착된 것을 특징으로 하는 물 전기분해를 이용한 고압 수소 및 산소가스 생산 및 저장 장치. - 제2항에 있어서,
상기 복수의 단위 셀들 사이에 배치되어 인접한 단위 셀의 수소 전극과 산소 전극을 분리하는 분리막은 양이온 교환수지 분리막, 음이온 교환수지 분리막 또는 다공성 분리막을 포함하는 분리막의 그룹에서 선택된 분리막인 것을 특징으로 하는 물 전기분해를 이용한 고압 수소 및 산소가스 생산 및 저장 장치. - 제2항에 있어서,
상기 복수의 단위 셀들 사이에 배치되어 인접한 단위 셀의 수소 전극과 산소 전극을 분리하는 분리막으로 다공성 고분자 분리막이 사용되고,
상기 수소 전극에서 생산된 수소가스와 전해액의 혼합물은 수소용 전기화학 촉매 칼럼, 수소용 기수분리기를 거쳐 고압 수소가스 저장 용기에 저장되며,
상기 수소용 전기화학 촉매 칼럼에서는 상기 수소가스에 포함된 미량의 산소를 제거하고,
상기 산소 전극에서 생산된 산소가스와 전해액의 혼합물은 산소용 전기화학 촉매 칼럼, 산소용 기수분리기를 거쳐 고압 산소가스 저장 용기에 저장되며,
상기 산소용 전기화학 촉매 칼럼에서는 상기 산소가스에 포함된 미량의 수소를 제거하고,
상기 전기화학 촉매 칼럼 내부에는 고표면적 촉매 전극이 배치되고, 상기 고표면적 촉매 전극은 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 탄소를 포함하는 소재의 그룹에서 선택된 하나 이상의 소재로 만들어지고, 고표면적 촉매 전극 표면에는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 철(Fe), 코발트(Co) 및 은(Ag)을 포함하는 금속의 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속이 코팅되어 있으며,
상기 고표면적 촉매 전극 표면에서는 수소의 산화반응과 산소의 환원반응이 동시에 일어나 물이 생성되면서 불순물인 산소 또는 수소가 제거되는 것을 특징으로 하는 물 전기분해를 이용한 고압 수소 및 산소가스 생산 및 저장 장치. - 제6항에 있어서,
상기 스택에서 전기분해 진행과 함께 상기 수소 전극에서 소모되는 물을 공급하는 물 공급부를 더 포함하고,
상기 물 공급부에서 배수로 인해 생기는 빈 공간은 전기분해로부터 생산되는 수소가스로 채우고,
상기 스택에서 전기분해 진행과 함께 산소전극에서 생성되는 물로 인해 산소 기수분리기 수위가 상한선을 초과하면 상한선 초과분은 스택 외부로 방출 시키거나 혹은 수소 기수분리기로 이동시키며,
산소 기수분리기로부터 방출된 초과분은 단위 셀들이 적층되어 형성된 스택으로부터 배출된 수소가스와 전해액의 혼합물과 합류시킨 후 전기화학 촉매칼럼을 통과시켜 수소 기수분리기로 유입시키는 방식을 특징으로 하는 물 전기분해를 이용한 고압 수소 및 산소가스 생산 및 저장 장치. - 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 스택으로부터 생성되어 상기 수소 방출 유로로 배출된 수소가스가 용해된 전해액은 수소용 전기화학 촉매 칼럼과 수소용 기수분리기를 거치게 되고, 수소용 기수분리기의 출구에서 수소 가스가 유입될 수 있도록 연결된 수소 고압가스 챔버;
상기 스택으로부터 생성되어 상기 산소 방출 유로로 배출된 산소가스가 용해된 전해액은 산소용 전기화학 촉매 칼럼과 산소용 기수분리기를 거치게 되고, 산소용 기수분리기의 출구에서 산소 가스가 유입될 수 있도록 연결된 산소 고압가스 챔버; 및
내부가 피스톤에 의해 두 개의 공간으로 분리되고, 일측의 공간은 상기 수소 고압가스 챔버 또는 상기 산소 고압가스 챔버와 연결되고, 타측은 상기 수소용 기수분리기 또는 상기 산소용 기수분리기로부터 전해액이 공급되도록 연결되며, 상기 수소 또는 산소 고압가스 챔버에서 공급되는 압력에 의해 상기 수소용 기수분리기 또는 산소용 기수분리기로부터 공급된 전해액이 상기 보강체의 수직성 수소 진입 유로 또는 산소 진입 유로를 통해 상기 스택 내부로 공급되도록 하는 전해액 공급용기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물 전기분해를 이용한 고압 수소 및 산소가스 생산 및 저장 장치. - 제2항에 있어서,
장치 전체에서 전기분해 시작 후에 생성되는 수소가스와 산소가스가 유입될 공간은, 산소가스가 유입될 공간이 수소가스가 유입될 공간의 50% 이하인 것을 특징으로 하는 물 전기분해를 이용한 고압 수소 및 산소가스 생산 및 저장 장치. - 제2항에 있어서,
단위 셀들이 적층되어 형성되는 스택을 수용하는 상기 하우징은 하부 하우징과 상부 하우징을 포함하고,
상기 상부 하우징에는 일측만 개방된 중공부가 형성되어 있고, 개방된 부분의 둘레를 따라 외측으로 연장된 플랜지가 형성되어 있으며,
상기 하부 하우징에는 일측만 개방된 중공부가 형성되어 있고, 개방된 부분의 둘레를 따라 외측으로 연장된 것으로 상기 상부 하우징의 플랜지를 수용하는 'L'자형 플랜지가 형성되어 있으며,
상기 플랜지를 상기 'L'자형 플랜지를 향하여 누르면서 고정되는 가압부를 더 구비하고,
상기 'L'자형 플랜지와 상기 가압부를 볼트로 체결함으로써 하우징 내부의 중공부에서의 압력이 증가하는 경우 상기 가압부와 상기 플랜지 사이의 기밀성이 강화되는 것을 특징으로 하는 물 전기분해에 의한 고압 수소 및 산소가스 생산 및 저장 장치.
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