KR102448821B1 - 물 전기분해 장치의 작동 방법 - Google Patents

Abstract

물로부터 수소 및 산소를 생성하기 위한 물 전기분해 장치를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다. PEM 전해기(1)의 서비스 수명을 증가시키기 위해 밸브(17, 18)의 적절한 작동에 의해 관통흐름 방향이 역전된다. 이는 양 방향으로의 통과흐름이 동일하게 영향을 받도록 주기적으로 수행되므로, 서비스 수명이 늘어나게 된다.

Description

물 전기분해 장치의 작동 방법

본 발명은 청구항 제1항의 서문에 명시된 특징에 따른 수소 및 산소를 생성하기 위한 물 전기분해 장치의 작동 방법 및 청구항 제5항의 서문에 명시된 특징에 따른 이러한 방법을 수행하기 위한 물 전기분해 장치에 관한 것이다.

PEM 전해기가 물 회로에 통합되는 것에 관한 EP 1 243 671 A1의 물 전기분해 장치는 최첨단 기술에 속하는 것으로 간주된다. PEM 전해기로 공급되는 물은 수소와 산소로 분해되고, 산소와 함께 과량의 물은 가스 분리 용기로 공급되며, 이의 유체-유도 출구 도관은 냉각 장치로 공급되고 이어서 필터를 통해 PEM 전해기로 다시 공급된다. 전기분해 시 수소 및 산소로 분해된 물은 탈염수로 대체되어 가스 분리 용기로 공급된다.

이 전기분해 장치가 작동하는 동안에, 금속 이온은 PEM 전해기에서 방출되며, 이들은 물의 재생된 공급에 대한 전기분해 공정에 부정적인 영향을 미치고 PEM 전해기를 손상시킨다. 이는 이온 교환기를 상류에 배치함으로써 방지될 수 있지만, 이는 약 60 ℃의 최고 허용 온도를 초과하지 않기 위해 공급 수의 온도 감소를 요구한다. 그러나, 수온의 감소는 PEM 전해기의 성능 및 효율을 악화시키며, 상기 PEM 전해기는 바람직하게는 70 ℃ 내지 80 ℃ 사이의 온도 또는 그 이상의 온도의 물로 작동된다. EP 1 243 671 A1에 공지된 장치와 관련하여, 이러한 온도 감소는 PEM 전해기의 상류에 배치된 이온 교환기를 포기함으로써 가능해지며, PEM 전해기에 공급되는 물의 금속 이온 함량이 탈염수의 연속 공급에 의해 허용 가능한 값을 초과하지 않는 것이 보장되어야 한다.

도관 회로에서 PEM 전해기의 상류에 이온 교환기가 배치되는 것에 관한 EP 2 792 769 A1의 물 전기분해 장치는, 종래의 기술에 속하는 것으로 간주된다. 여기서 한편으로는 이온 교환기에 허용되는 온도를 초과하지 않고 다른 한편으로는 이온 교환기로부터 PEM 전해기로 배출되는 것보다 더 높은 온도의 물을 공급하기 위해, 열 교환기가 제공되며 이 온도 문제를 개선하기 위해 여기서 1차측에서는 이온 교환기에 공급되는 물을 유도하고 2차측에서는 반대 흐름으로 이온 교환기로부터 멀어지는 물을 인도한다. 그러나, 이온 교환기에 필요한 진입 온도를 보장하기 위해, 열 교환기와 이온 교환기 사이에는 냉각 장치가 추가로 필요하다. 이러한 배치의 한 가지 문제점은 동일한 도관 회로에 있기 때문에 동일한 수량이 항상 상류에 배치된 열 교환기를 통해 1차측 및 2차측에서 공급되어야 한다는 사실이다. 이러한 모순된 온도 요구를 충족시키기 위해 실제의 냉각 장치의 조절기는 불충분한 것으로 밝혀졌다.

여기서, PEM 전해기의 서비스 수명은 공급수의 사용 기간 및 순도에 크게 좌우된다. PEM 전해기의 전력 성능은 사용 기간이 증가함에 따라 감소한다.

이 종래의 기술에 기초하여, 본 발명의 목적은 특히 PEM 전해기의 효율 및 서비스 수명과 관련하여 물 전기분해 장치를 작동시키는 방법을 개선하는 것이다. 또한, 이러한 개선된 방법을 수행할 수 있는 물 전기분해 장치가 제공되어야 한다.

이 목적의 일부는 방법과 관련하여 청구항 제1항에 명시된 방법에 의하여 그리고 장치와 관련하여 청구항 제5항에 따른 전기분해 장치에 의하여 달성된다. 본 발명의 유리한 실시 예는 종속항, 이하의 설명 및 도면에 기재되어 있다.

본 발명의 맥락에서 PEM 전해기는 일반적으로 최신 기술에 속하는 것으로 간주되는 PEM 전해기 셀들의 스택으로 이해되어야 한다. 여기서, 다른 형태로 병렬로 연결된 다수의 PEM 전기분해 셀의 경우일 수도 있다.

본 출원에서, 한편으로 물 회로 또는 도관 회로라는 용어 및 다른 한편으로 열 전달 매체 회로라는 용어는 전체에 걸쳐 사용된다. 물 회로 또는 도관 회로는 PEM 전해기와 이온 교환기가 놓인 1차 회로를 나타내고, 열 전달 매체 회로는 2차측에서 이온 교환기의 상류 또는 하류에 배치되지만 열 전달 매체로서의 물과 동일한 방식으로 작동될 수 있는 열 교환기를 통과하는 2차 회로를 나타낸다. 여기서, 일반적으로 사용되는 탈염수 또는 증류수가 아닌 글리세린 또는 다른 첨가제의 혼합 중에 가능한 일반적인 수돗물이다.

PEM 전해기의 서비스 수명을 늘리기 위해, 상기 PEM 전해기는 일반적으로 스택으로 설계되므로 장기적으로 성능의 향상을 보장할 수 있으며, 본 발명의 추가 개발에 따르면, PEM 전해기를 통한 관통흐름 방향을 주기적으로 반전시키는 것이 제공되며, 본 발명에 따르면 각각의 방향으로 항상 동일하게 긴 관통 간격을 달성할 필요는 없지만, 작동 기간에 걸쳐 다소 균일한 분포를 달성할 필요가 있다. 따라서, 본 발명의 맥락에서 주기적으로 엄격한 수학적 의미로가 아니라 교대의 의미로 이해되어야 한다. 여기서, 작동 중이 아니라 전기분해 장치의 정지 후 또는 시동 전 등 이것이 정지 상태에 있는 어떠한 경우에 그러한 반전이 일어나도록 하는 것이 바람직하다. 그러나, 전기분해 장치가 연속적인 방식으로 작동하는 경우라면, 이러한 반전은 작동 중에 수행될 수도 있다. PEM 전해기를 통한 유동 방향 변화의 이러한 조치는 독립적으로 적용될 수 있지만 또한 유리하게는 청구항 제2항에 따른 방법과 조합되어 적용될 수 있으며, 따라서 예를 들어 처음에 언급된 바와 같이 최신 기술에 따른 전기분해 장치의 작동에 관해서만 적용되는 것은 아니다.

수소 및 산소를 생성하기 위한 물 전기분해 장치의 작동시키기 위해 적용된 본 발명에 따른 방법으로서, 물 회로에서 PEM 전해기로부터 나오는 물은 냉각을 위해 제1 열 교환기로 공급되고 이어서 이온 교환기로 그리고 이어서 가열을 위해 제2 열 교환기로 공급되고 다시 PEM 전해기로 공급되는 방법은, 2차측의 열 교환기는 공통 열 전달 매체 회로의 일부를 형성하고, 상기 열 전달 매체 회로는 냉각 장치를 포함하며, 이온 교환기에 공급되는 물의 온도 및/또는 PEM 전해기에 공급되는 물의 온도의 제어 및/또는 조절을 위해, 냉각 장치를 통한 열 전달 매체 흐름이 완전히 또는 부분적인 방식 중에 선택적으로 전달되거나 또는 전혀 전달되지 않게 된다.

본 발명에 따른 방법의 기본 개념은 먼저 전해기의 물 회로에 냉각 장치를 사용하지 않고 이것 대신에, 2차측의 열 교환기를 통해 전달되는 열 전달 매체 흐름이 요구조건에 따라 냉각 장치에 완전히 공급되거나, 부분적으로 공급되거나 또는 전혀 공급되지 않는 방식에 의해, 이온 교환기에 공급되는 물의 온도 또는 PEM 전해기에 공급되는 물의 온도를 제어하거나 또는 둘 모두의 온도를 제어, 바람직하게는 조절(폐-루프 제어)하는 것이다. 여기서, 냉각 장치는 혼합 밸브를 통해 제2 열 교환기에 병렬로 연결되는 것이 바람직하며, 냉각 장치로부터 배출되는 열 전달 매체 흐름은 먼저 제1 열 교환기로 공급된 다음 완전히 또는 부분적으로 제2 열 교환기로 공급되거나 또는 다시 냉각 장치로 공급된다. 이러한 배치와 함께 적절한 제어 및 조절 장치를 적용하면, PEM 전해기에 공급되는 물의 온도 또는 열 교환기에 공급되는 물의 온도는 필요한 방식으로 조절될 수 있다. 마찬가지로, 본 발명에 따라 제공되는 바와 같이, 이들 온도 모두가 조절되어야 한다면, 추가 조절기(액추에이터)를 제공할 필요가 있으며, 이는 예를 들어 냉각 장치의 성능, 즉 냉각 용량 및/또는 열 전달 매체 회로를 통한 흐름 처리량일 수 있으며, 상기 흐름 처리량은 예를 들어 속도-제어 가능한 순환 펌프의 적절한 활성화에 의해 변경될 수 있다.

대안적으로, 열 전달 매체 회로의 냉각 장치는 유리하게는 제1 열 교환기의 상류에 관통흐름 방향으로 배치될 수 있으며, 이와 직렬로 되어 있다. 이어서, 제2 열 교환기로 공급되거나 제2 열 교환기를 우회하면서 냉각 장치로 공급되는 처리량은 혼합 밸브를 통해 제어된다. 그러한 배치가 주어지면 냉각 장치는 그 성능이 제어될 수 있어야 한다.

따라서 기본 개념은 직접적으로 물 회로를 냉각시키는 것이 아니라, 2차 회로에 냉각 장치를 포함시키는 것이며, 유리하게는 열 교환기 둘 다가 동일한 열 전달 매체 회로에 할당되고 온도 제어 또는 조절은 단지 열 전달 매체 흐름이 완전히 또는 부분적으로 전달되거나 또는 전혀 전달되지 않는 방식으로 수행된다.

제1 및 제2 열 교환기는 단일 열 교환기로 구성될 필요는 없으며, 이는 또한 병렬 및/또는 직렬로 연결된 하나 이상의 개별 열 교환기의 경우일 수 있다. 이것은 냉각 장치와 이온 교환기에 유사하게 적용되고, 냉각 장치는 전형적으로 열 교환기를 포함하며, 이것의 1차측은 열 전달 매체 회로에 있고 2차측을 통해 냉각 매체, 예를 들어 냉각 어셈블리로부터의 공기 또는 냉각 유체가 흐를 수 있다.

본 발명에 따른 유리한 추가 개발에 따르면, 물 전기분해 장치를 시동할 때 바이패스 도관을 통해 PEM 전해기를 지나쳐서 물 회로를 유도하는 것이 고려된다. 이러한 조치는 청구항 제1항 및 제2항에 명시된 방법과 독립적으로 수행 될 수 있다. 이온 교환기는 통과 흐름에 영향을 받지 않지만 내부의 매체가 정지된 전기분해 장치에서와 같은 정지 상태에 있을 때, 일반적으로 금속 이온을 물로 방출하는 특성을 가지며, 상기 금속 이온은 장치의 다음 시동과 함께 PEM 전해기로 들어가서 이를 손상시키기 때문에, 이러한 조치는 마찬가지로 PEM 전해기의 긴 수명에 기여한다. 이는 시동 시 바이패스를 통해 유도함으로써 효과적으로 방지할 수 있다. 물 회로에 위치한 금속 이온은 이온 교환기를 통한 재생 흐름이 주어지면 제거된다.

전기분해 장치를 시동할 때 PEM 전해기의 전력을 최대한 빨리 높은 수준으로 끌어 올리기 위해, 본 발명의 추가 개발에 따르면, PEM 전해기에 공급되는 물은 가열 장치를 통해 예열되는 것이 제공된다. 이것은 일반적으로 장치를 시동할 때 차가운 물을 가열하는 전기 히터에 의해 연속적인 히터의 방식으로 이루어진다. 이러한 조치는 본 발명에 따른 조절을 이상적인 방식으로 보완하고, 상기 조절은 물 회로의 온도가 너무 낮으면 초기에 원하는 방식으로 아직 기능하지 않는다. 가열 장치는 반드시 1차 회로에 배치될 필요는 없지만 열 전달 매체 회로에도 제공될 수 있으며, 예를 들어 관통 유동 방향으로 추가 열 교환기의 상류에 제공될 수 있고, 상기 추가 열 교환기는 PEM 전해기에 공급되는 물을 가열하기 위한 임의의 경우에 작용한다.

물로부터 수소 및 산소를 생성하기 위한 본 발명에 따른 물 전기분해 장치는 PEM 전해기를 통한 흐름 방향을 변경하기 위한 수단을 포함한다. 도관 회로 내에서 PEM 전해기를 통한 흐름의 방향 반전을 허용하기 위해, 본 발명에 따르면 이것이 실현될 수 있는 밸브 배치가 제공된다. 기본적으로 방향 반전은 펌프의 적절한 작동을 통해서도 또한 수행될 수 있지만, 실제로는 적절한 밸브 배치가 더 작거나 중간 크기의 장치에 더 유리하다.

유리하게는, 이것은 두 개의 3/2-웨이 밸브를 제공함으로써 수행될 수 있으며, 밸브 중 하나는 PEM 전해기의 하나의 물 연결부와 도관 회로의 공급 및 배출 도관에 연결되고, 다른 밸브는 PEM 전해기의 다른 하나의 도관 연결부와 마찬가지로 도관 회로의 공급 및 배출 도관에 연결된다. 이러한 3/2-웨이 밸브는 도관 회로에 필요한 특별한 재료 요구가 있음에도 불구하고 시중에서 저렴하게 구입할 수 있다. 물 회로와 접촉하는 밸브 부분은 예를 들어 테플론으로 코팅되거나 티타늄 코팅되거나 이들로 구성된다.

유리하게는, 두 개의 3/2-웨이 밸브가 3/3-웨이 밸브로 교체되면, PEM 전해기를 통한 유동 방향의 반전은 이들 밸브에 의해 제어될 수 있을 뿐만 아니라 추가적인 바이패스 밸브 및 바이패스 도관이 제공되지 않아도 바이패스 작동이 가능하다. 여기서, 이들 3/3-웨이 밸브가 볼-콕 타입의 방식으로 설계되는 경우, 비용이 효율적이고 기능적으로 신뢰할 수 있는 방식으로 실현될 수 있기 때문에 특히 유리하다. 이러한 방향 밸브는 전형적으로 서로 90° 오프셋 된 세 개의 연결부 및 T 자형 내부 보어가 있는 볼을 포함하며, 스위칭 위치에 따른 각각의 경우에 세 개의 연결부 중 두 개의 연결부가 전도성으로 서로 연결된다.

두 개의 3/2-웨이 밸브 대신, 도관 회로로의 PEM 전해기의 연결은 또한 4/2-웨이 밸브에 의해 유리하게 수행될 수 있으며, 여기서 두 개의 스위칭 위치는 두 개의 관통흐름 방향에 대응한다. 유리한 4/2-웨이 밸브 대신에, 제3 스위칭 위치에서 도관 회로의 공급 및 배출 도관을 서로 연결하는 4/3-웨이 밸브가 사용된다면, 단일 밸브를 통해, 전기분해 장치를 시동하기 위한 바이패스 기능뿐만 아니라 PEM 전해기를 통한 유동의 방향 반전은 하나의 밸브로 실현될 수 있으며, 이는 유리하다.

밸브는 유리하게는 스테인레스 스틸로 형성된다. 대안적으로, 적절하게 코팅된 밸브, 예를 들어 테프론-코팅 또는 티타늄-코팅된 밸브가 사용될 수 있고, 티타늄 또는 다른 적합한 재료의 밸브를 제조하는 것도 고려될 수 있다.

추가 개발에 따른 본 발명에 따른 전기분해 장치는 유리하게는 시동 단계에서 PEM 전해기를 우회하는 동안 바이패스를 통해 도관 회로를 유도하는 시동 제어를 포함한다. 이 시동 제어는 제어 및 조절 장치의 일부일 수 있지만, 이것과 독립적으로 실현될 수 있으며 가장 간단한 형태로 시동 단계에서 차단 밸브가 열리도록 활성화한다. 앞에서 설명한대로 4/3-웨이 밸브를 사용할 때, 이 시동 제어는 바이패스를 형성하는 밸브의 제3 스위칭 위치를 활성화하도록 설계될 수 있다.

전기분해 장치는 유리하게는 관통흐름 방향의 반전을 달성하기 위해 PEM 전해기에 할당된 밸브를 시간 간격으로 경로를 변경하는 반전 제어를 포함한다. 이 반전 제어는 마찬가지로 제어 및 조절 장치의 일부로서 설계되거나 또는 별도의 방식으로 설계될 수 있다.

물 전기분해 장치는 적어도 탈염수를 증류하기 위한 도관 회로를 포함하며, 회로에서 PEM 전해기, 제1 열 교환기, 이온 교환기 및 추가 열 교환기가 연속적으로 배치되고, 추가 열 교환기의 출구는 PEM 전해기에 전도성으로 연결된다. PEM 전해기의 물-유도 출구는 전형적으로 산소-유도 출구이고, 여기서 물과 산소가 동시에 빠져 나가며, 이것들은 이후에 분리되고, 물은 도관 회로에 공급된다. 본 발명에 따르면, 제1 열 교환기 및 추가의 열 교환기는 2차측에서 공통 열 전달 매체 회로에 통합되며, 제어 가능한 피팅을 통해 열 전달 매체 회로에 가변적으로 통합될 수 있는 냉각 장치가 이 열 전달 매체 회로에 할당된다. 여기서, 냉각 장치는 또한 바람직하게는 냉각력과 관련하여 자체적으로 제어될 수 있고, 대안적으로 또는 추가적으로 열 전달 매체 회로에서 처리 속도를 통한 제어가 제공될 수 있다.

여기서, 기본 개념은 이온 교환기의 상류 및 하류의 열 교환기를 공통의, 2차측 열 전달 매체 회로에 할당하는 동시에 도관 회로에서 냉각 장치를 포기하고, 이 열 전달 매체 회로에 냉각 장치를 통합하는 것이며, 상기 냉각 장치는 제어 가능한 피팅을 통해 바람직하게는 연속적으로, 열 전달 매체 회로에 완전히 또는 부분적인 방식으로 통합되거나 또는 전혀 통합되지 않을 수 있다.

본 발명의 추가 개발에 따르면, 물 전기분해 장치는 이온 교환기 또는 PEM 전해기 또는 둘 다에 공급되는 물의 온도 조절을 위해 피팅 또는 냉각 장치 또는 둘 다를 제어하는 제어 및 조절 장치를 포함한다. 조절 장치는 바람직하게는 PEM 전해기에 공급되는 물의 온도 조절을 위해 설계되는데, 이 온도는 전체 장치의 성능에 결정적이기 때문이다. 유리하게는, 이 제어 및 조절 장치는 바이패스 제어뿐만 아니라 PEM 전해기를 통한 흐름 방향의 방향 반전을 위한 밸브의 경로 변경을 위해 제어 장치에 통합된다.

공정에서, PEM 전해기에 공급될 물을 가열하는데 필요한 것보다 더 많은 열이 도관 회로에서 소산되기 때문에, 본 발명에 따르면, 단계적인 조절이 수행될 수 있으며, 이는 PEM 전해기에 공급되는 수온이 주로 조절되고 이온 교환기에 공급되는 수온은 제한 온도와 관련하여 단지 조절되는 성질을 갖는데, 여기서 이 제한 온도는 예를 들어 최대 60℃ 이다.

본 발명의 유리한 추가 개발에 따르면, 피팅은 예를 들어 가열 기술로부터 최신 기술에 속하는 것으로 간주되는 혼합 밸브(믹서라고도 함)이다. 이러한 혼합 밸브는 서보 모터에 의해 제어될 수 있고 비용이 효율적인 방식으로 제공될 수 있다. 그것은 (2차측) 열 전달 매체 회로의 경우이기 때문에, 여기서는 가열 기술로부터 간단하고 검증된 저렴한 피팅이 사용될 수 있다.

본 발명의 유리한 추가 개발에 따르면, 제어 및 조절 장치에 의해 속도가 제어되는 속도 제어 가능한 순환 펌프가 열 전달 매체 회로에 배치된다. 주파수 변환기에 의해 전형적으로 제어되는 이러한 순환 펌프는 마찬가지로 가열 기술로부터 저렴하게 이용 가능하고 넓은 전력 범위에서 작동할 수 있다. 이러한 순환 펌프의 사용은 전달 흐름이 조절을 위한 추가 제어 변수로 사용될 경우뿐만 아니라, 이러한 요구사항이 주어지지 않은 경우라도 열 전달 매체 회로를 에너지 적으로 유리한 방식으로 작동시키기 위해 의미가 있다.

냉각 장치는 유리하게는 추가 열 교환기와 평행하게 연결되어, 이온 교환기와 PEM 전해기 사이의 열 교환기에 연결되며, 냉각 장치로부터 배출되는 열 전달 매체 흐름은 먼저 이온 교환기로 유입되는 물을 냉각시키기 위해 제공되는 제1 열 교환기로 공급된다. 피팅, 특히 혼합 밸브는 첫 번째 열 교환기로부터 추가 열 교환기로 이어지거나 또는 냉각 장치로 이어지는 분기 도관에 모두 통합될 수 있으며, 또는 바람직하게는 이들 도관의 런-아웃 영역, 즉 추가 열 교환기로부터의 도관, 냉각 장치로부터 나오는 도관 및 제1 열 교환기로 이어지는 도관이 서로 만나는 곳에 통합될 수 있다. 용어들은 모두 지정된 관통 방향과 관련이 있음을 이해해야 한다. 대안적으로, 냉각 장치는 제1 열 교환기로 연결되는 열 전달 매체 회로의 도관에 통합될 수 있고, 그것은 바람직하게는 자체의 힘으로 제어될 수 있는 냉각 장치의 경우이다. 혼합 밸브를 사용하면 열 전달 매체 흐름의 어느 부분이 추가 열 교환기를 통해 전달되는지 그리고 어느 부분이 이를 지나쳐서(이를 우회하여) 전달되는지 제어한다.

전기분해 장치를 시동할 때 높은 전력으로 최대한 빨리 도달하려면, 다시 말해 PEM 전해기의 전력 소비와 이에 따른 가능한 많은 양의 가스를 생성을 위해, 본 발명에 따르면 가열 장치가 유리하게는 이온 교환기와 PEM 전해기 사이의 도관 회로에 제공될 수 있다. 유용하게는, 이 가열 장치는 추가 열 교환기의 하류 및 PEM 전해기의 상류에 배치된다. 대안적으로, 이러한 가열 장치는 열 전달 매체 회로에 제공될 수 있고, 구체적으로 추가 열 교환기의 상류에 2차측의 관통흐름 방향으로 배치될 수 있다. 가열 장치는 반드시 전기 히터일 필요는 없지만, 열 교환기가 또한 여기에 제공될 수 있으며, 다른 측면은 예를 들어 연소 엔진으로부터 방출된 열을 유도한다.

본 발명의 유리한 추가 개발에 따르면, 바람직하게는 밸브를 통해 차단될 수 있는 바이패스 도관이 PEM 전해기와 평행하게 도관 회로에 제공된다. 이 바이패스 도관은 또한 아래에서 더 설명되는 바와 같이 밸브 자체에 의해 형성될 수도 있다. 이러한 바이패스 도관은, 예를 들어 이온 교환기에서 정체되고 금속 이온으로 농축될 수 있는 물을 전해기를 통해 유도하지 않고, PEM 전해기에 공급되는 물에 충분한 정도로 금속 이온이 없는 것, 즉 이온 교환기가 효과적인 방식으로 작동하는 것이 보장될 때 전해기를 도관 회로에 통합하기 위해서, 물 회로를 PEM 전해기를 지나치게 하도록 상기 전기분해 장치를 시동하는데 유리하다.

본 발명의 실시 예들은, PEM 전해기의 효율 및 서비스 수명과 관련하여 물 전기분해 장치를 작동시키는 방법을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명에 필수적이지 않은 구성 요소가 도시되지 않은 전기분해 장치의 회로도이다.

이하, 본 발명은 일 실시 예에 의해 보다 상세하게 설명된다. 크게 단순화된 표현의 단일 도면은 본 발명에 필수적이지 않은 구성 요소가 도시되지 않은 전기분해 장치의 회로도를 도시한다.

표현된 물 전기분해 장치는 일반적인 형태의 스택(stack)으로 설계되고 제1 도관 연결부(2) 및 제2 도관 연결부(3)를 포함하는 PEM 전해기(1)를 포함하며, 스택(1)은 PEM 전해기(1)로부터 멀어지는 도관(5)을 포함하는 도관 회로(4)에 통합되고 PEM 전해기(1)로부터 배출된 물은 그 안에 생성된 산소와 함께 한편으로는 산소를 분리하고 다른 한편으로는 전해기(1)에 물을 공급하는 역할을 하는 용기(6)로 공급된다. 따라서 이 용기(6)는 공급 용기이다. 전해기(1)를 통해 전기분해에 의해 도관 회로(4)로부터 제거된 물은 도관(7)을 통해 용기(6)에 공급된다. 이것은 탈염수 또는 증류수의 경우이다. 용기(6)의 물-유도 출구(8)는 순환 펌프(9)를 통해 제1 열 교환기(10)에 전도성으로 연결되며, 그의 출구는 이온 교환기(11)의 입구에 전도성으로 연결되고, 그의 출구는 추가의 제2 열 교환기(12)에 연결되며, 이의 출구는 3/2-웨이 밸브(13)를 통해 바이패스 도관(14)에 연결되거나 또는 PEM 전해기로 이어지고 전기 히터(16)가 통합된 도관(15)에 연결된다.

배출 도관(5) 및 공급 도관(15)은 각각 3/2-웨이 밸브를 통해 PEM 전해기(1)에 연결되며, 구체적으로 이들 도관을 전해기(1)의 제1 연결부(2)에 연결하는 제1 3/2-웨이 밸브(17)를 통해, 그리고 이들 도관을 PEM 전해기의 제2 연결부(3)에 연결하는 제2 3/2-웨이 밸브(18)를 통해 연결된다.

정상 작동 시, 물은 용기(6)로부터 배출되는 방식으로 도관 회로(4)로 유도되며 먼저 순환 펌프(9)로 유도되고 거기서부터 제1 열 교환기(10)의 1차측을 통과한다. 물은 이 열 교환기(10)에서 후속 이온 교환기(11)의 허용 가능한 높은 작동 온도가 초과되지 않도록 하기 위한 온도(예를 들어 60 ℃ 미만)로 냉각된다. 이온 교환기(11)를 빠져 나간 후, 물은 제2 열 교환기(12)의 1차측으로 공급되고, 여기서 물은 예를 들어 70 ℃ 내지 80 ℃의 온도로 가열되며, 그 후 PEM 전해기(1)에 공급되기 위해서 제1 연결부(2)를 통해 공급되거나 또는 제2 연결부(3)를 통한 관통흐름 방향의 반전으로 공급된다. 여기에서, 제2 열 교환기(12)가 물을 가열하는 온도는 전해기(1)에서의 후속 전기분해 공정이 고효율 및 고출력으로 진행되도록 선택된다. 산소와 함께 전해기(1)로부터 배출되는 물은 제2 연결부(3)를 통해 또는 흐름 반전이 주어지면 제2 연결부(2)를 통해, 가스 분리가 수행되는 용기(6)를 향하는 배출 도관(5) 내로 공급되고 회로(4)는 물 측에서 폐쇄된다.

열 교환기(10, 12)는 2차측에서 속도 제어가 가능한 순환 펌프(21)를 통해 열 전달 매체를 공급하는 공통 열 전달 매체 회로(20)에 할당되며, 전형적으로 물에 첨가제가 포함된 열 전달 매체는 2차측에서 제1 열 교환기(10)를 빠져 나가고, 도관(22)을 통해 제2 열 교환기(12)의 2차측 입구뿐만 아니라, 도관(23)을 통해 제2 열 교환기(12)에 평행하게 배치된 냉각 장치(24)로 공급되며 혼합 밸브(25)를 통해 열 전달 매체 회로에 통합된다. 혼합 밸브는 2차측의 제2 열 교환기(12)로부터 나오는 도관(26)을 냉각 장치(24)로부터 오는 도관(27)과 함께 제1 열 교환기(10)로 이어지는 도관(28)으로 통합한다. 혼합 밸브(25)의 종료 위치에서, 냉각 장치(24)는 열 전달 매체 회로(20)에 통합되지 않으며, 열 교환기(10, 12)의 2차측은 도관(26, 28)을 통해 서로 전도성으로 연결되고, 순환은 펌프(21) 및 이를 연결하는 도관(22)을 통해 수행된다. 혼합 밸브의 위치를 제1 단부 위치로부터 제2 단부 위치로 변경함으로써, 제2 열 교환기(12)로부터 나오는 도관(26)은 제1 열 교환기(10)로 이어지는 도관(28)에 대해 차단되고 냉각 장치(24)로부터 오는 도관(27)은 도관(28)에 연결된다. 이 단부는 다소 이론적인 특성인데, 실제로 도관(26)이 완전히 폐쇄되지 않기 때문이다. 도관(27)을 통해 냉각 장치(24)를 빠져 나가는 즉, 도관(28)을 통해 제1 열 교환기(10)로 안내되는 열 전달 매체 흐름의 방출 정도에 따라 열 전달 매체 회로(20)로부터 얼마나 많은 열이 소산되는지가 결정된다.

도면에 도시되지 않은 제어 및 조절 장치가 제공되며, 이는 혼합 밸브(25)의 위치가 PEM 전해기(1)에 공급되는 물이 예를 들어 80 ℃의 미리 정해진 온도를 갖도록 활성화되는 것을 보장한다. 이 온도는 PEM 전해기(1)의 성능 및 완전한 전기분해 장치를 위해 결정적이다. 기본적으로, 이온 교환기(10)에 공급되는 수온은 또한 혼합 밸브(25)를 작동시킴으로써 조절될 수 있다. 그러나 여기에서는 정확한 온도를 유지하는 것이 아니라 진입 온도가 예를 들어 60 ℃ 이하로 유지되도록 하는 것이 문제이기 때문에, 여기서 2차 조절이 중첩되며, 상기 2차 조절은 순환 펌프(21)의 속도 활성화를 통해 또는 냉각 장치(24)의 전력을 제어함으로써 수행된다.

이 제어 및 조절 장치는 전기분해 장치를 시동할 때, 따라서 회로(4)에 위치된 물이 아직 원하는 작동 온도를 갖지 않을 때, 이 물이 전기 히터(16)를 통해 예열되는 것을 추가로 보장한다. 그러나 이러한 예열이 이루어지기 전에, PEM 전해기(1)가 바이패스 도관(14)에 의해 연결되는 방식과 같은 시동 제어를 통해 3/2-웨이 밸브는 경로가 변경되는데, 말하자면 이온 교환기(11)로부터 배출되어 제2 열 교환기(12)를 통해 공급되는 물이 먼저 PEM 전해기(1)로 공급되지 않고 리딩-백 도관(5)을 향하고 다음으로 용기(6)로 공급된다. 이 활성화는 이온 교환기에 위치하고 그 곳에 위치했었던 모든 물이 리딩-백 도관(5)으로 들어가는 것을 보장할 때까지 수행된다. 그런 다음에 밸브(13)는 경로가 변경되어, 물 회로(4)에 유도된 물이 히터(16)로 공급되고 따라서 예열되어 PEM 전해기(1) 내로 유입된다.

또한, 제어 및 조절 장치는 PEM 전해기(1)를 통한 관통흐름 방향을 결정하는 3/2-웨이 밸브(17, 18)가 시간 간격을 두고 경로를 변경하는 것을 보장한다. 제1 위치에서, 3/2-웨이 밸브(17)는 공급 도관(15)을 PEM 전해기(1)의 제1 도관 연결부(2)에 연결하고, 배출 도관(5)에 대한 도관 연결부(2)가 차단되며, 유사한 방식으로 제2 3/2-웨이 밸브는 PEM 전해기(1)의 제2 도관 연결부(3)를 배출 도관(5)에 연결하고, 공급 도관(15)에 대한 도관 연결이 차단된다. 동시에 발생하는 두 밸브 17, 18 모두의 경로 변경 후, 3/2-웨이 밸브(17)는 PEM 전해기(1)의 제1 도관 연결부(2)를 배출 도관(5)에 연결하고 공급 도관(15)을 차단하는 반면, 제2 3/2-웨이 밸브는 PEM 전해기(1)의 제2 도관 연결부(3)를 공급 도관(15)에 연결하고 배출 도관(5)에 대한 도관 연결부를 차단한다. 이것에 의해, PEM 전해기(1)는 반대 방향으로 관통흐름이 수행된다.

3/2-웨이 밸브(17, 18) 대신에 3/3-웨이 밸브가 제공되면, 3/2-웨이 밸브(13) 및 바이패스 도관(14)이 제거될 수 있다. 이 두 3/3-웨이 밸브에 의해 바이패스 기능뿐만 아니라 관통흐름의 반전을 실현할 수 있다. 이를 위해 볼콕 구조 타입의 방향 밸브가 유리하게 적용될 수 있으며, 밸브 케이싱(3) 내의 상기 밸브는 밸브(17, 18)의 도면에 개략적으로 도시된 바와 같이 서로 90 ° 오프셋된 도관 연결부를 가지고, 단면이 T 자형인 관통 보어를 갖는 볼 형태의 밸브 몸체를 가지며, 총 세 개의 연결부 중 두 개가 전도성으로 연결되어 있다.

도관(23, 27)에 냉각 장치(24)를 배치하여 제2 열 교환기(12)와 평행하게 하는 대신에, 이것은 도관(28)에 배치될 수 있으며, 이때 냉각력으로 제어될 수 있는 냉각 장치의 경우이어야 바람직하다. 따라서, 제2 열 교환기(12)에 평행하게 배치된 도관(23, 27)은 유지되고, 이어서, 제2 열 교환기(12)에 공급되고 도관(23, 27)을 병렬로 지나치는(바이패스 되는) 열 전달 매체 흐름은 혼합 밸브(25)를 통해 제어될 것이다.

전술된 실시 예에서, 전기 히터는 PEM 전해기(1)로 이어지는 도관(15)에 배치된다. 대안적으로, 이러한 전기 히터는 또한 열 전달 매체 회로에 배치될 수 있으며, 일반적으로 관통흐름 방향으로 제2 열 교환기(12)의 상류, 즉 도관(22)에 배치될 수 있다. 이러한 배치는 가열이 주 회로에 대한 요구에 특히 적합하게 조절될 필요는 없으며, 가열 기술 또는 다른 기술로 알려진 저렴한 구성 요소도 이와 관련하여 적용될 수 있다는 이점이 있다.

1 : PEM 전해기
2 : 제1 연결부
3 : 제2 연결부
4 : 도관 회로/물 회로
5 : 배출 도관
6 : 용기
7 : 물-유도 도관
8 : 용기의 도관 출구
9 : 도관 회로를 위한 순환 펌프
10 : 제1 열 교환기
11 : 이온 교환기
12 : 제2 열 교환기
13 : 바이패스 도관용 3/2-웨이 밸브
14 : 바이패스 도관
15 : 공급 도관
16 : 전기 히터
17 : 3/2-웨이 밸브
18 : 3/2-웨이 밸브
20 : 열 전달 매체 회로
21 : 열 전달 매체 회로용 순환 펌프
22 : 제2 열 교환기(22)로 향하는 도관
23 : 냉각 장치로 향하는 도관
24 : 냉각 장치
25 : 혼합 밸브
26 : 제2 열 교환기(12)로부터 혼합 밸브로 향하는 도관
27 : 냉각 장치로부터 혼합 밸브로 향하는 도관
28 : 혼합 밸브로부터 제1 열 교환기(10)로 향하는 도관

Claims (17)

1. 수소 및 산소를 생성하기 위한 물 전기분해 장치의 작동 방법으로서, PEM 전해기(1)가 적용되고, 상기 PEM 전해기(1)를 통과하는 유동 방향은 주기적으로 반전되며, 상기 전기분해 장치를 정지시킨 후의 각 경우에 반전되는 것을 특징으로 하는 수소 및 산소를 생성하기 위한 물 전기분해 장치의 작동 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 PEM 전해기(1)에 공급되는 물은 상기 물 전기분해 장치를 시동할 때 가열 장치(16)에 의해 예열되는 것을 특징으로 하는 수소 및 산소를 생성하기 위한 물 전기분해 장치의 작동 방법.
5. 제1항에 따른 방법을 수행하기 위한 물로부터 수소 및 산소를 생성하기 위한 물 전기분해 장치로서, 상기 PEM 전해기(1)를 관통하는 유동 흐름의 방향 반전을 위한 밸브 배치(17, 18)가 상기 PEM 전해기(1)에 할당되는 것을 특징으로 하는 물로부터 수소 및 산소를 생성하기 위한 물 전기분해 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 PEM 전해기(1)의 입구(2) 및 출구(3)는 각각 3/2-웨이 밸브(17, 18)를 통해 도관 회로(4)의 공급 도관(15) 및 배출 도관(5)에 연결되는 것을 특징으로 하는 물로부터 수소 및 산소를 생성하기 위한 물 전기분해 장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 PEM 전해기(1)의 입구(2) 및 출구(3)는 각각 3/3-웨이 밸브를 통해 도관 회로(4)의 공급 도관(15) 및 배출 도관(5)에 연결되며, 상기 밸브는 볼-콕 구조 타입에 따라 설계되는 것을 특징으로 하는 물로부터 수소 및 산소를 생성하기 위한 물 전기분해 장치.
8. 제5항에 있어서, 상기 PEM 전해기(1)의 입구(2) 및 출구(3)는 각각 4/2-웨이 밸브를 통해, 또는 4/3-웨이 밸브를 통해 도관 회로(4)의 공급 도관(15) 및 배출 도관(5)에 연결되는 것을 특징으로 하는 물로부터 수소 및 산소를 생성하기 위한 물 전기분해 장치.
9. 제5항에 있어서, 시동 제어가 제공되며, 상기 시동 제어는 시동 단계에서 도관 회로(4)를 상기 PEM 전해기(1)를 우회하면서 바이패스(14)를 통해 유도하는 것을 특징으로 하는 물로부터 수소 및 산소를 생성하기 위한 물 전기분해 장치.
10. 제5항에 있어서, 상기 PEM 전해기(1)에 할당된 상기 밸브(17, 18)를 시간 간격을 두고 경로를 변경하는 반전 제어가 제공되는 것을 특징으로 하는 물로부터 수소 및 산소를 생성하기 위한 물 전기분해 장치.
11. 제5항에 있어서, PEM 전해기(1), 제1 열 교환기(10), 이온 교환기(11) 및 출구가 상기 PEM 전해기(1)에 전도성으로 연결된 추가 열 교환기(12)가 도관 회로(4)에 연속적으로 배치되며, 상기 열 교환기(10, 12)는 2차측에서 공통 열 전달 매체 회로(20)에 통합되고, 냉각력에 대하여 제어될 수 있고 제어 가능한 피팅(25)을 통해 상기 열 전달 매체 회로(20)에 통합될 수 있는 냉각 장치(24)가 상기 열 전달 매체 회로에 할당되는 것을 특징으로 하는 물로부터 수소 및 산소를 생성하기 위한 물 전기분해 장치.
12. 제11항에 있어서, 제어 및 조절 장치가 제공되며, 상기 제어 및 조절 장치는 상기 이온 교환기(11) 및/또는 상기 PEM 전해기(1)에 공급되는 물의 온도 조절을 위해 상기 피팅(25) 및/또는 상기 냉각 장치(24)를 활성화시키는 것을 특징으로 하는 물로부터 수소 및 산소를 생성하기 위한 물 전기분해 장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 피팅(25)은 혼합 밸브인 것을 특징으로 하는 물로부터 수소 및 산소를 생성하기 위한 물 전기분해 장치.
14. 제12항에 있어서, 상기 제어 및 조절 장치에 의해 속도가 제어되는 속도 제어 가능한 순환 펌프(21)가 상기 열 전달 매체 회로(20)에 배치되는 것을 특징으로 하는 물로부터 수소 및 산소를 생성하기 위한 물 전기분해 장치.
15. 제12항에 있어서, 상기 열 전달 매체 회로(20)의 상기 냉각 장치(24)는 상기 추가 열 교환기(12)에 평행하게 연결되거나 또는 관통흐름 방향으로 이것의 상류에 있는 상기 제1 열 교환기(10)에 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 물로부터 수소 및 산소를 생성하기 위한 물 전기분해 장치.
16. 제11항에 있어서, 가열 장치(16)가 상기 추가 열 교환기(12)의 출구와 상기 PEM 전해기(1)의 입구 사이의 상기 도관 회로(4)에 통합되거나, 또는 가열 장치(16)가 상기 열 전달 매체 회로(20)에서 상기 추가 열 교환기(12)의 상류에 연결되는 것을 특징으로 하는 물로부터 수소 및 산소를 생성하기 위한 물 전기분해 장치.
17. 제5항에 있어서, 밸브(13)에 의해 차단될 수 있는 바이패스 도관(14)이 상기 PEM 전해기(1)에 평행하게 도관 회로(4)에 제공되는 것을 특징으로 하는 물로부터 수소 및 산소를 생성하기 위한 물 전기분해 장치.

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