KR102468372B1 - 격막이 구비된 전해액 보정부를 포함하는 수전해 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 격막이 구비된 전해액 보정부를 포함하는 수전해 장치에 관한 것으로, 전해액 내 농도 차이를 제거하기 위한 격막을 포함하는 전해액 보정부를 포함으로써 수전해 장치의 기상 영역 중의 가스 조성이 폭발 한계에 도달하는 것을 방지함과 동시에, 양극실에서 배출되는 전해액과 음극실에서 배출되는 전해액을 각각 독립적으로 순환시키는 경우에도 전해액의 농도 차이로 인한 액면 차이가 발생하지 않아, 이를 해소하기 위한 부가적인 장치를 필요로 하지 않으며 전해액 재주입 및 가동 안정화에 따른 공정성이 저하되는 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 격막이 구비된 전해액 보정부를 포함하는 수전해 장치에 관한 것이다.
대표적인 수소 생산기술인 수전해 기술은 전기에너지를 이용하여 물로부터 수소를 직접 생산하는 기술로서 고순도의 수소를 친환경적으로 제조할 수 있다. 상기 수전해 기술은 알칼리 수전해, 고분자 전해질 수전해 및 고체 산화물 수전해로 구분된다.
상기 수전해 기술 중에서도 알칼리 수전해 기술은 가격이 저렴하고 대용량으로 수소 생산이 가능하다는 이점이 있다. 알칼리 수전해 장치는 수소를 생산하는 전해조, 전해조에서 배출된 기상의 수소 또는 산소와 전해액을 분리하는 기액분리기, 기액분리기에서 배출된 액상을 저장하고 이를 다시 전해조로 투입하는 전해액 저장조 및 전해액을 적절하게 공급하고 전력을 제어 및 관리하는 운전장치(Balance of Plant)로 구성된다.
또한, 상기 전해조는 전해질, 분리막 및 전극인 양극(애노드)과 음극(캐소드)으로 이루어지고, 상기 양극 및 음극에서는 하기의 반응이 일어난다:
양극: 2OH- → 1/2O2 + H2O + 2e-
음극: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
상기 전해조의 양극실에서 상기 반응에 의해 생산된 용존 산소 가스를 포함하는 전해액이 양극측 기액분리기를 통하여 산소 가스 및 전해액으로 분리되고, 상기 전해조의 음극실에서 상기 반응에 의해 생산된 용존 수소 가스를 포함하는 전해액이 음극측 기액분리기를 통하여 수소 가스 및 전해액으로 분리된다.
이때, 상기 알칼리 수전해를 이용한 수소의 생산에 있어서 용존 가스의 문제가 존재하게 된다. 즉, 전해조의 양극실로부터 회수되는 전해액에는 양극 반응에서 발생한 산소 가스의 일부가 용존하고 있고 음극실에서 회수되는 전해액에는 음극 반응에서 발생한 수소 가스의 일부가 용존하고 있다. 여기서, 전해액에 용존하는 산소 가스 및 용존하는 수소 가스란 전해액 내에 산소 가스 및 수소 가스가 용해되어 있는 상태 및 산소 가스 및 수소 가스가 미세기포 형태로 잔존하는 상태를 포함하는 개념이다. 양극실에서 회수된 전해액과 음극실에서 회수된 전해액이 전해액 저장조 내에서 혼합되므로, 전해액 저장조 내의 전해액에는 산소 가스 및 수소 가스가 모두 용존하고 있다. 전해액 저장조 내의 전해액 중에 용존하고 있는 산소 가스 및 수소 가스는 서서히 기상 중에 방출되므로, 전해액 저장조 상부의 기상 부분에는 산소 가스 및 수소 가스의 농도가 서서히 상승한다. 따라서, 수전해 장치의 운전을 계속하는 동안 전해액 저장조 상부의 기상 부분에서 가스 조성이 폭발 한계에 도달할 우려가 있다.
수소 가스를 발생시키는 수전해 장치에 대한 특허문헌 1에는 양극을 수용하고 양극 가스를 발생시키는 양극실, 음극을 수용하고 수소 가스를 발생시키는 음극실, 상기 양극실과 상기 음극실을 구획하는 격막 및 전해액을 상기 양극실에서 배출함과 동시에 상기 양극실로 되돌리는 양극측 순환 라인를 구비하는 수전해 장치로서, 상기 양극측 순환 라인이 상기 전해액에서 상기 양극 가스를 분리하는 양극측 기액분리기와 상기 양극실과 상기 양극측 기액분리기를 접속하고 상기 전해액과 상기 양극 가스를 상기 양극실에서 배출하여 상기 양극측 기액분리기에 송급하는 양극측 배출 라인과 상기 양극실과 상기 양극측 기액분리기를 접속하고 상기 전해액을 상기 양극측 기액분리기에서 배출하여 상기 양극실에 송급하는 양극측 공급 라인를 구비하고, 용존된 상기 수소 가스가 기상으로서 존재하고, 상기 수소 가스와 상기 양극 가스가 혼합하는 기상 영역과 상기 양극측 기액분리기를 접속하는 양극 가스 송급 라인을 가지며, 상기 양극 가스 송급 라인이 상기 양극 가스 중 적어도 일부를 상기 기상 영역에 송급하고 상기 기상 영역 중의 상기 수소 가스 농도가 폭발 한계 하한치 미만임을 특징으로 하는 전해 장치가 기재되어 있다. 특허문헌 1의 형태를 가지는 수전해 장치는 미량의 수소 가스가 전해액의 순환 라인에 점차 축적되어 수소의 폭발 한계에 도달할 가능성을 해소할 수 있다고 기재되어 있다.
그러나 특허문헌 1에는 전해액 저장조의 기상 영역에서 배출된 가스를 계 외로 방출하는 것이 기재되어 있으며, 양극 가스를 이용하여 전해액 저장조의 기상 영역 중의 가스를 퍼지한 후 이를 배출하는 경우, 배출되는 가스를 회수했다고 하더라도 순도가 높은 가스를 얻는 것은 어려운 문제가 있다.
한편, 양극실에서 회수된 전해액과 음극실에서 회수된 전해액을 각각 다른 전해액 저장조로 저장 및 순환시키는 경우에는 양극 반응과 음극 반응에서 소비하는 몰 수 차이로 인해 양극측 전해액 저장조와 음극측 전해액 저장조 내에 존재하는 전해액의 농도 차이가 발생하는 문제가 있다.
양극측 전해액 저장조와 음극측 전해액 저장조 내에 존재하는 전해액의 농도 차이 발생을 방지하기 위하여 양극측 전해액 저장조의 액상 영역과 음극측 전해액 저장조의 액상 영역에 연통 배관을 추가로 설치하는 경우에는 연통 배관을 통해 유입되는 전해액이 용존 가스를 포함하고 있으므로 연통 배관을 통해 전해액이 유입되는 측의 저장조에서 기상 영역 중의 가스 조성이 폭발 한계에 도달할 우려가 있다.
따라서, 전해액 저장조의 기상 영역 중의 가스 조성이 폭발 한계에 도달하는 것을 방지함과 동시에, 양극실에서 배출되는 전해액과 음극실에서 배출되는 전해액을 각각 독립적으로 순환시키는 경우에도 전해액의 농도 차이가 발생하지 않는 수전해 장치가 요구된다.
본 발명은, 수전해 장치의 기상 영역 중의 가스 조성이 폭발 한계에 도달하는 것을 방지함과 동시에, 양극실에서 배출되는 전해액과 음극실에서 배출되는 전해액을 각각 독립적으로 순환시키는 경우에도 전해액의 농도 차이가 발생하지 않는 수전해 장치를 제공한다.
본 발명은 격벽으로 구분된 양극실 및 음극실을 포함하는 전해조; 양극실 전해액 수용부 및 음극실 전해액 수용부를 포함하고, 상기 양극실 전해액 수용부 및 상기 음극실 전해액 수용부는 격막에 의해 구분된 전해액 보정부; 상기 전해조의 양극실 및 상기 전해액 보정부의 양극실 전해액 수용부를 연통하는 양극 순환라인; 및 상기 전해조의 음극실 및 상기 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부를 연통하는 음극 순환라인을 포함하는 수전해 장치를 제공한다.
일 실시예로서, 상기 양극 순환라인에 구비되는 양극측 기액분리기; 및 상기 음극 순환라인에 구비되는 음극측 기액분리기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 양극측 기액분리기는 양극 순환라인을 따라 전해조의 양극실의 후단 및 전해액 보정부의 양극실 전해액 수용부의 전단에 구비되고, 상기 음극측 기액분리기는 음극 순환라인을 따라 전해조의 음극실의 후단 및 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부의 전단에 구비될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 양극측 기액분리기는 양극 순환라인을 따라 전해액 보정부의 양극실 전해액 수용부의 후단 및 전해조의 양극실의 전단에 구비되고, 상기 음극측 기액분리기는 음극 순환라인을 따라 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부의 후단 및 전해조의 음극실의 전단에 구비될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 격막은 전해액 및 이온은 투과 가능하고, 기체는 불투과성일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 격막은 다공막일 수 있다.
일 실시예로서, 격막은 양이온 교환막 또는 음이온 교환막일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 격막은 복수로 구비되며, 상기 양극실 전해액 수용부 및 상기음극실 전해액 수용부가 서로 교번하며 배치될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 양극실 전해액 수용부 및 상기 음극실 전해액 수용부가 서로 교번하며 배치될 때, 수용부가 교번하여 배열되는 방향에 따라 교대로 배치되는 복수의 격막은 양이온 교환막과 음이온 교환막이 교대로 구비되는 것일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 전해액 보정부 내 양단에는 각각 양극 및 음극이 구비되어, 양극과 음극 사이에 격막이 위치할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 격막은 양이온 교환막 또는 음이온 교환막이고, 양극실 전해액 수용부의 양극과 인접한 측면에는 양이온교환막이 위치하고, 음극과 인접한 측면에는 음이온교환막이 위치하며, 음극실 전해액 수용부의 양극과 인접한 측면에는 음이온교환막이 위치하고, 음극과 인접한 측면에는 양이온교환막이 위치할 수 있다.
일 실시예로서, 전해조의 음극실, 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부 및 음극 순환라인 중 적어도 하나에는 물을 공급하기 위한 물 공급관 및 물 공급 펌프가 더 구비될 수 있다.
일 실시예로서, 음극측 기액분리기에는 물을 공급하기 위한 물 공급관 및 물 공급 펌프가 더 구비될 수 있다.
본 발명은, 전해액의 농도 차이를 제거하기 위한 격막을 포함하는 전해액 보정부를 포함으로써 수전해 장치의 기상 영역 중의 가스 조성이 폭발 한계에 도달하는 것을 방지함과 동시에, 양극실에서 배출되는 전해액과 음극실에서 배출되는 전해액을 각각 독립적으로 순환시키는 경우에도 전해액의 농도 차이가 발생하지 않아, 이를 해소하기 위한 부가적인 장치를 필요로 하지 않으며 전해액 재주입 및 가동 안정화에 따른 공정성이 저하되는 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 수전해 장치의 전해조, 전해액 보정부, 양극 순환라인 및 음극 순환라인을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 수전해 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 수전해 장치의 구성도이다.
도 4은 본 발명의 전해액 보정부 내부의 격막의 형태를 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 전해액 보정부 내부에 양이온 교환막이 복수로 구성된 형태를 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 전해액 보정부 내부에 음이온 교환막이 복수로 구성된 형태를 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 전해액 보정부 내부에 양이온 교환막과 음이온 교환막이 복수로 구성된 형태를 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명의 전해액 보정부에 전극이 형성된 형태를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 수전해 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 수전해 장치의 구성도이다.
도 4은 본 발명의 전해액 보정부 내부의 격막의 형태를 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 전해액 보정부 내부에 양이온 교환막이 복수로 구성된 형태를 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 전해액 보정부 내부에 음이온 교환막이 복수로 구성된 형태를 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 전해액 보정부 내부에 양이온 교환막과 음이온 교환막이 복수로 구성된 형태를 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명의 전해액 보정부에 전극이 형성된 형태를 나타낸 개략도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다", "구비한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 격벽(110)으로 구분된 양극실(130) 및 음극실(150)을 포함하는 전해조(100); 양극실 전해액 수용부(410) 및 음극실 전해액 수용부(420)를 포함하고, 상기 양극실 전해액 수용부(410) 및 상기 음극실 전해액 수용부(420)는 격막(500)에 의해 구분된 전해액 보정부(400); 상기 전해조의 양극실(130) 및 상기 전해액 보정부의 양극실 전해액 수용부(410)를 연통하는 양극 순환라인(250); 및 상기 전해조의 음극실(!50) 및 상기 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부(420)를 연통하는 음극 순환라인(350)을 포함하는 수전해 장치를 제공한다.
상기 수전해 장치는 전해액을 이용하여 전기 분해에 의해 산소 가스 및 수소 가스를 제조하는 장치이다.
상기 전해조(100)는 양극(140)을 포함하고 산소 가스를 발생시키는 양극실(130) 및 음극(160)을 포함하고 수소 가스를 발생시키는 음극실(150)을 포함한다. 상기 양극실(130) 및 음극실(150)은 격벽(110)을 통해 구분된다.
상기 격벽(110)은 양극실(130)과 음극실(150)을 구획하고, 가스 차단성을 가지는 것으로, 그 형태나 소재는 특별히 제한되지 않는다.
상기 격벽(110)은 소정의 두께를 가지는 판상일 수 있으며, 상기 격벽(110)은 높은 전해액 투과성, 높은 이온 투과성 및 높은 가스 차단성을 가지는 것이 바람직하다. 상기 격벽의 소재로는 고분자 수지 섬유와 무기 화합물을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 다공질 고분자 필름을 이용할 수 있다.
상기 양극실(130) 및 음극실(150)은 각각 격벽(110)과 외부 프레임(120)에 의해 둘러 쌓인 공간이 마련되고, 전해액 보정부(400)로부터 유입된 전해액이 이를 통과한다.
이때, 상기 양극실의 양극과, 음극실의 음극에서는 하기의 반응이 일어난다.
양극: 2OH- → 1/2O2 + H2O + 2e-
음극: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
즉, 양극실에서는 수산화 이온(OH-)이 소모되며 산소 가스가 발생하고, 음극실에서는 수산화 이온(OH-)이 생성되며 수소 가스가 발생한다.
이때, 상기 알칼리 수전해를 이용한 수소의 생산에 있어서 용존 가스의 문제가 존재하게 된다. 즉, 전해조의 양극실로부터 배출되는 전해액에는 양극 반응에서 발생한 산소 가스의 일부가 용존하고 있고 음극실에서 배출되는 전해액에는 음극 반응에서 발생한 수소 가스의 일부가 용존하고 있다.
본 발명에서 전해액에 용존하는 산소 가스 및 수소 가스란 전해액 내에 산소 가스 및 수소 가스가 용해되어 있는 상태 및 산소 가스 및 수소 가스가 미세기포 형태로 잔존하는 상태를 포함하는 개념이다.
따라서, 수전해 장치의 운전을 계속하는 동안 전해액의 순환 흐름 과정에서 상기 전해액에 용존하는 산소 가스 및 수소 가스의 농도가 소정의 범위(폭발 범위)를 초과하는 경우, 수전해 장치가 폭발할 수 있는 우려가 존재한다.
본 발명에서는 상기 전해액에 용존하는 산소 가스 및 수소 가스의 농도를 폭발 한계치 이하로 조절하기 위하여, 상기 전해조(100)의 전단 또는 후단에 전해액 보정부(400)를 마련한 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명은 상기 양극 순환라인(250)에 구비되는 양극측 기액분리기(200) 및 상극 음극 순환라인(350)에 구비되는 음극측 기액분리기(300)를 더 포함할 수 있다.
이때, 하나의 실시 형태로서, 상기 양극측 기액분리기(200)는 양극 순환라인(250)을 따라 전해조의 양극실(130)의 후단 및 전해액 보정부의 양극실 전해액 수용부(410)의 전단에 구비되고, 상기 음극측 기액분리기(300)는 음극 순환라인(350)을 따라 전해조의 음극실(150)의 후단 및 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부(420)의 전단에 구비될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 실시 형태에서는 양극 순환라인(250)은 양극실(130)과 양극측 기액분리기(200)를 연통하는 양극 회수관(210), 양극측 기액분리기(200)와 양극실 전해액 수용부(410)를 연통하는 양극 전해액 회수관(230) 및 양극실 전해액 수용부(410)와 양극실(130)을 연통하는 양극 전해액 공급관(440)으로 구분될 수 있다.
또한, 음극 순환라인(350)은 음극실(150)과 음극측 기액분리기(300)를 연통하는 음극 회수관(310), 음극측 기액분리기(300)와 음극실 전해액 수용부(420)를 연통하는 음극 전해액 회수관(330) 및 음극실 전해액 수용부(420)와 음극실(150)을 연통하는 음극 전해액 공급관(450)으로 구분될 수 있다.
구체적으로, 상기 양극측 기액분리기(200)는 양극 회수관(210)을 통해 양극실(130)에 연통하고, 양극실(130)에서 배출된 전해액 및 산소 가스를 기액 분리한다. 상기 음극측 기액분리기(300)는 음극 회수관(310)을 통해 음극실(150)에 연통하고, 음극실(150)에서 배출된 전해액 및 수소 가스를 기액 분리한다.
이때, 상기 양극 회수관(210) 및 음극 회수관(310)은 상기 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)의 상부에 연통될 수 있다.
양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)의 상부에 양극 회수관(210) 및 음극 회수관(310)이 연통하는 경우, 전해조로부터 배출된 용존 가스를 포함하는 전해액이 기액분리기 내부에서 액면으로 떨어지는 시간이 늘어남으로써, 기액 분리 효율을 증가시킬 수 있다.
상기 전해액 보정부(400)는 양극 전해액 회수관(230)을 통해 양극측 기액분리기(200) 및 음극 전해액 회수관(330)을 통해 음극측 기액분리기(300)와 연통하고, 상기 전해액 보정부(400) 내부에는 격막(500)이 구비되어 있다.
구체적으로, 상기 전해액 보정부(400)는 양극측 기액분리기(200)와 양극 전해액 회수관(230)을 통해 연통하는 양극실 전해액 수용부(410) 및 상기 음극측 기액분리기(300)와 음극 전해액 회수관(330)을 통해 연통하는 음극실 전해액 수용부(420)를 포함하고, 상기 양극실 전해액 수용부(410) 및 상기 음극실 전해액 수용부(420)는 격막(500)에 의해 구분되어 있다.
이때, 상기 양극 전해액 회수관(230)은 양극측 기액분리기(200)의 액상 영역과 연통하며, 상기 음극 전해액 회수관(330)은 음극측 기액분리기(300)의 액상 영역과 연통한다.
상기 전해액 보정부(400)는 상기 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)의 액상 영역에 존재하는 전해액을 수용하고, 이를 각각 양극실 전해액 수용부(410)와 연통된 양극 전해액 공급관(440) 및 음극실 전해액 수용부(420)와 연통된 음극 전해액 공급관(450)을 통해 전해조(100)의 양극실(130) 및 음극실(150)로 공급한다.
또한, 상기 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)에는 전해액 보정부(400)의 전해액을 전해조(100)에 공급하기 위한 순환 펌프(600)를 구비할 수 있다. 이때, 상기 순환 펌프(600)는 상기 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)을 하나의 공급관으로 합친 후 하나의 순환 펌프만으로 구성하여도 좋다.
상기 전해액 보정부(400)에 구비된 격막(500)으로 양극측 기액분리기(200)에서 유입된 전해액과 음극측 기액분리기(300)에서 유입된 전해액이 전해액 보정부 내에서 구분될 수 있다.
상기 격막(500)은 이온 및 전해액은 통과시키고, 전해조에서 생성된 수소 가스 및 산소 가스를 격리하기 위하여 액체와 기체의 투과도가 다를 수 있다.
구체적으로, 상기 격막은 기공을 포함하고, 기공의 크기를 조절함으로써, 액체와 기체의 투과도를 다르게 할 수 있다. 또는, 고분자 수지 섬유 또는 무기 입자의 크기를 조절함으로써, 액체와 기체의 투과도를 다르게 할 수 있다.
예를 들어, 상기 기공, 고분자 수지 섬유 또는 무기 입자의 크기는 0.01μm 내지 10μm일 수 있다.
상기와 같은 특성을 가지는 격막은 기공의 지름, 표면적, 친수화도 및 기공의 형성 구조를 조절함으로써 달성할 수 있으며, 예를 들어, 고분자 다공막, 무기 다공막, 직포 또는 부직포를 이용할 수 있다.
상기 격막은 전해액 및 이온은 투과 가능하고, 기체는 불투과성일 수 있다.
상기 기체가 불투과성이라함은 기체의 투과율이 5 bar의 압력에서 측정 시 10 l/min·cm3이하인 것일 수 있으며, 예를 들어, 상기 격막은 5 bar의 압력에서 측정 시 기체 투과율이 7 l/min·cm3이하 또는 5 l/min·cm3이하일 수 있다.
상기 격막의 소재로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리술폰, 폴리페닐렌 술피드, 폴리에테르 술폰, 폴리페닐 술폰, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌옥시드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아미드, 폴리에테르 에테르 케톤, 술폰화 폴리에테르 에테르 케톤, 폴리이미드 및 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.
상기 격막은 다공막일 수 있으며, 3차원 다공성 네트워크를 가질 수 있다.
다공막의 기공의 크기는 전해액 및 이온은 투과 가능하고, 기체는 불투과성으로 제어할 수 있으면, 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 0.01μm 내지 10μm 일 수 있다.
또한, 상기 격막은 이온 교환막일 수 있으며, 상기 이온 교환막은 음이온 교환막 또는 양이온 교환막일 수 있다. 상기 이온 교환막의 예로는 불소 함유계 이온 교환막을 들 수 있다. 이때, 상기 이온 교환막은 다공성 또는 비다공성일 수 있다.
본 발명은 상기 전해액 보정부(400)에 상기와 같은 격막(500)을 구비함으로써, 전해액 보정부 내에서 양극에서 발생된 산소 가스와 음극에서 발생된 수소 가스의 혼입을 방지할 수 있으며, 이를 통해, 산소 가스 내 수소 가스의 농도 및 수소 가스 내 산소 가스의 농도를 폭발범위 이하로 유지할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 수전해 장치는 전해조(100)의 양극실(130), 양극 회수관(210), 양극측 기액분리기(200), 양극 전해액 회수관(230), 양극실 전해액 수용부(410) 및 양극 전해액 공급관(440)을 순환하는 전해액과 전해조(100)의 음극실(150), 음극 회수관(310), 음극측 기액분리기(300), 음극 전해액 회수관(330), 음극실 전해액 수용부(420) 및 음극 전해액 공급관(450)을 순환하는 전해액이 각각 독립적으로 순환한다.
따라서, 본 발명에 따른 수전해 장치는 각각 산소 가스와 수소 가스가 용존하는 양극실 및 음극실의 전해액의 상기 산소 및 수소 가스가 혼합되지 않으므로 수소 가스의 농도를 폭발범위 이내에서 유지할 수 있다.
또한, 전해조(100)의 양극실(130) 및 음극실(150)에서는 각각 수산화이온(OH-)이 소모되는 반응과 생성되는 반응에 의해 양극실에서 배출되는 전해액과 음극실에서 배출되는 전해액 간의 농도 구배가 발생하여 이에 따른 전해액의 농도 차이를 보정하는 과정에서 수소 가스와 산소 가스가 혼합되는 문제가 있었으나, 본 발명은 전해액 보정부에 격막(500)을 구비하고, 상기 격막은 이온 투과성을 가지기 때문에 양극실(130)에서 배출된 전해액과 음극실(150)에서 배출된 전해액의 농도 차이를 보정할 수 있다. 따라서, 상기 전해액 액면 차이 발생으로 인한 부가적인 장치를 필요로 하는 문제와 전해액 재주입 및 가동 안정화에 따른 공정성이 저하되는 문제를 해결할 수 있다.
또한, 상기 전해액 보정부(400)는, 양극측 기액분리기(200)에서 유입되는 전해액과 음극측 기액분리기(300)에서 유입되는 전해액이 복수의 격막을 사이에 두고 서로 교번하여 유입할 수 있다.
즉, 상기 전해액 보정부(400)는, 격막이 복수로 구비됨으로써, 양극실 전해액 수용부(410) 및 상기 음극실 전해액 수용부(420)가 복수로 형성될 수 있으며, 이때, 양극실 전해액 수용부(410) 및 상기 음극실 전해액 수용부(420)는 서로 교번하며 복수로 배치될 수 있다.
상기와 같이 양극실 전해액 수용부(410) 및 상기 음극실 전해액 수용부(420)가 복수의 격막을 사이에 두고 형성되면, 양극측 기액분리기(200)에서 유입된 상대적으로 저 농도의 전해액과 음극측 기액분리기(300)에서 유입된 상대적으로 고 농도의 전해액이 서로 이온을 교환함으로써, 농도 차이가 해소될 수 있다.
이때, 상기 복수의 격막은 양이온 교환막이거나 음이온 교환막일 수 있으며, 양이온 교환막으로만 형성되거나, 음이온 교환막으로만 형성될 수 있다.
또한, 상기 복수의 격막은 양이온 교환막과 음이온 교환막이 교대로 구비된 것일 수 있다.
이때, 양극실 전해액 수용부(410) 및 상기 음극실 전해액 수용부(420)가 서로 교번하며 배치될 때, 수용부가 교번하여 배열되는 방향에 따라 교대로 배치되는 복수의 격막은 양이온 교환막과 음이온 교환막이 교대로 구비되는 것일 수 있다.
또한, 상기 전해액 보정부(400) 내 양단에는 양극 및 음극이 구비되어, 양극과 음극 사이에 격막이 위치할 수 있다. 전극에 전원을 인가하여 기전력 차이가 발생하면, 상기 이온의 교환 속도가 빨라져서 생산성이 향상될 수 있다.
구체적으로, 상기 격막은 양이온 교환막 또는 음이온 교환막이고, 양극실 전해액 수용부의 양극과 인접한 측면에는 양이온교환막이 위치하고, 음극과 인접한 측면에는 음이온교환막이 위치하며, 음극실 전해액 수용부의 양극과 인접한 측면에는 음이온교환막이 위치하고, 음극과 인접한 측면에는 양이온교환막이 위치할 수 있다. 또한, 양극 및 음극이 구비된 공간에는 별도의 전해질을 공급하도록 구성할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 전해액은 알칼리염이 용해된 알칼리 수용액일 수 있다. 예를 들어, 상기 전해액은 NaOH 수용액 또는 KOH 수용액 일 수 있다.
이때, 알칼리염의 농도는 1질량% 내지 50질량%일 수 있으며, 예를 들어, 전핵액이 NaOH 수용액인 경우 NaOH의 함량은 1질량% 내지 20질량% 또는 10질량% 내지 15질량%일 수 있다. 또한, 전해액이 KOH 수용액인 경우 KOH의 함량은 20질량% 내지 50질량%일 수 있으며, 예를 들어, 25 질량% 내지 40질량% 또는 25질량% 내지 35질량%일 수 있다.
또한, 상기 전해조의 음극실(150), 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부(420), 음극측 기액분리기(300) 및 음극 순환라인(350)에는 물 저장조로부터 물을 공급하기 위한 물 공급관 및 물 공급 펌프가 구비될 수 있다.
본 발명은 다른 실시 형태로서, 상기 양극측 기액분리기(200)는 양극 순환라인(250)을 따라 전해액 보정부의 양극실 전해액 수용부(410)의 후단 및 전해조의 양극실(130)의 전단에 구비되고, 상기 음극측 기액분리기(300)는 음극 순환라인(350)을 따라 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부(420)의 후단 및 전해조의 음극실(150)의 전단에 구비될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 실시 형태에서는 양극 순환라인(250)은 양극실(130)과 양극실 전해액 수용부(410)를 연통하는 제2 양극 회수관(211), 양극실 전해액 수용부(410)와 양극측 기액분리기(200)를 연통하는 제2 양극 전해액 회수관(231) 및 양극측 기액분리기(200)와 양극실(130)을 연통하는 제2 양극 양극 전해액 공급관(441)으로 구분될 수 있다.
또한, 음극 순환라인(350)은 음극실(150)과 음극실 전해액 수용부(420)를 연통하는 제2 음극 회수관(311), 음극실 전해액 수용부(420)와 음극측 기액분리기(300)를 연통하는 제2 음극 전해액 회수관(331) 및 음극측 기액분리기(300)와 음극실(150)을 연통하는 제2 음극 전해액 공급관(451)으로 구분될 수 있다.
상기 양극실 전해액 수용부(410)는 제2 양극 회수관(211)을 통해 양극실(130)에 연통하고, 양극실(130)에서 배출된 전해액 및 산소 가스를 수용한다. 상기 음극실 전해액 수용부(420)는 제2 음극 회수관(311)을 통해 음극실(150)에 연통하고, 음극실(150)에서 배출된 전해액 및 수소 가스를 수용한다.
상기 전해액 보정부(400)에서는 격막(500)을 통해 상기 양극실 전해액 수용부(410) 내의 전해액과 상기 음극실 전해액 수용부(420) 내의 전해액의 이온을 교환한다.
상기 이온 교환을 통해 양극실 전해액 수용부(410) 내의 전해액과 상기 음극실 전해액 수용부(420) 내의 전해액 간의 농도 차이가 해소된다.
상기 양극실 전해액 수용부(410)는 제2 양극 전해액 회수관(231)을 통해 양극측 기액분리기(200)에 연통하고, 상기 음극실 전해액 수용부(420)는 제2 음극 전해액 회수관(331)을 통해 음극측 기액분리기(300)에 연통한다.
상기 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)의 액상 영역에 존재하는 전해액은 제2 양극 전해액 공급관(441) 및 제2 음극 전해액 공급관(451)을 통해 각각 전해조(100)의 양극실(130) 및 음극실(150)로 공급된다.
상기 도 2에 따른 실시 형태와 도 3에 따른 실시 형태는 양극측 기액분리기(200)및 음극측 기액분리기(300)의 위치가 전해조의 전단인지 후단인지에 따른 차이만 있을 뿐, 전해액 보정부(400)의 주요한 역할 및 구조는 공통되며, 전술한 주요 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 전해액은 KOH를 사용할 수 있으며, 전해액의 농도는 20 내지 50%일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
또한, 운전 조건을 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 전해액의 온도는 30℃ 내지 200℃일 수 있고, 전해조의 전류 밀도는 1kA/m2 내지 50kA/m2 일 수 있으며, 전해조의 압력은 0.1 Mpa 내지 20Mpa일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로써 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
제1-1 실시 형태
도 2를 참조하면, 본 발명은 일 실시 형태로서, 격벽(110)으로 구분된 양극실(130) 및 음극실(150)을 포함하는 전해조(100), 상기 양극실(130)과 양극 회수관(210)을 통해 연통하는 양극측 기액분리기(200), 상기 음극실(150)과 음극 회수관(310)을 통해 연통하는 음극측 기액분리기(300), 및 상기 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)와 각각 양극 전해액 회수관(230) 및 음극 전해액 회수관(330)을 통해 연통하는 전해액 보정부(400)의 양극실 전해액 수용부(410) 및 음극실 전해액 수용부(420)를 포함하고, 상기 전해액 보정부(400) 내부에는 격막(500)이 구비되며, 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)을 통해 전해조(100)의 양극실 및 음극실로 전해액을 공급한다. 이때, 상기 양극 전해액 공급관(440) 및 상기 음극 전해액 공급관(450)에는 순환 펌프(600)가 구비될 수 있다.
상기 전해액으로는 KOH 수용액를 사용할 수 있다.
상기 전해조(100)에서는 전해액 보정부(400)로부터 몰 농도가 x인 전해액을 공급받아 하기와 같은 반응이 일어난다.
양극: 2OH- → 1/2O2 + H2O + 2e-
음극: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
즉, 양극실에서는 수산화 이온(OH-)이 소모되며 산소 가스가 발생하고, 음극실에서는 수산화 이온(OH-)이 생성되며 수소 가스가 발생한다. 이에 따라, 양극실에서 배출되는 전해액의 몰 농도는 (x-a) 몰이 되고 여기에는 산소 가스가 용존하고 있다. 또한, 음극실에서 배출되는 전해액의 몰 농도는 (x+a) 몰이 되며 여기에는 수소 가스가 용존하고 있다.
상기 양극실(130) 및 음극실(150)에서 배출된 전해액은 양극 회수관(210) 및 음극 회수관(310)을 통해 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)로 이동한다.
상기 양극측 기액분리기(200)에서는 전해액 내의 용존 산소 가스는 기상 영역으로, 전해액은 액상 영역으로 존재하며, 상기 기상 영역에는 계 외부로 상기 산소 가스를 배출하기 위한 산소 가스 배출관(220)이 구비될 수 있다. 또한, 상기 액상 영역에 존재하는 전해액은 양극 전해액 회수관(230)을 통해 전해액 보정부(400)의 양극실 전해액 수용부(410)로 유입된다.
상기 음극측 기액분리기(300)에서는 전해액 내의 용존 수소 가스는 기상 영역으로, 전해액은 액상 영역으로 존재하며, 상기 기상 영역에는 계 외부로 상기 수소 가스를 배출하기 위한 수소 가스 배출관(320)이 구비될 수 있다. 또한, 상기 액상 영역에 존재하는 전해액은 음극 전해액 회수관(330)을 통해 전해액 보정부(400)의 음극실 전해액 수용부(420)로 유입된다.
이때, 상기 액상 영역에 존재하는 전해액에는 산소 및 수소 가스가 일부 용존하고 있다.
도 4를 참조하면, 상기 전해액 보정부(400)는 격막(500)에 의해 상기 양극 전해액 회수관(230)을 통해 유입되는 (x-a) 몰의 전해액과 상기 음극 전해액 회수관(330)을 통해 유입되는 (x+a) 몰의 전해액이 각각 양극실 전해액 수용부(410)와 음극실 전해액 수용부(420)에 공급된다.
상기 격막(500)은 이온은 통과시키고, 전해조에서 생성된 수소 가스 및 산소 가스의 투과를 차단하기 위하여 이온 투과성 격막이 이용된다.
상기 격막은 복수의 미세한 관통 기공을 가지고, 전해액을 투과할 수 있는 구조를 가지며, 전해액 내에 용존하는 수소 가스 및 산소 가스는 투과하지 못하도록 가스 차단성을 가진다.
따라서, 음극 전해액 회수관(330)을 통해 유입된 (x+a) 몰의 전해액은 양극 전해액 회수관(230)을 통해 유입된 (x-a) 몰의 전해액 보다 농도가 높으므로, 음극 전해액 회수관을 통해 유입된 전해액의 이온은 상기 격막을 통하여 양극 전해액 회수관(230)을 통해 유입된 전해액으로 이동하게 되고, 이에 따라 격막으로 구분된 전해액 보정부(400) 내의 전해액의 농도 구배는 사라지게 된다.
또한, 상기 전해액 보정부(400)는 상기 격막(500)에 의하여 산소 가스 및 수소 가스의 혼입이 방지되므로, 산소 가스 내에 수소 가스의 농도가 폭발범위 이상으로 형성되어 폭발하는 위험성을 방지할 수 있다.
제1-2 실시 형태
제1-2 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400) 내에 다공성 격막이 복수로 구비되어 있는 것을 제외하고는 제1-1 실시 형태와 동일하게 구성된다.
상기 전해액 보정부(400)는 n개의 복수의 다공성 격막에 의해 n+1개의 전해액 수용부가 발생하고, 상기 n+1개의 전해액 수용부에는 양극측 기액분리기(200)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액과 음극측 기액분리기(300)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액이 교번하여 유입된다.
이때, 전해액 보정부(400)에서 전해조(100)로 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)은 각각 하나로 형성될 수 있고, 전해액 수용부로 원할한 공급을 위하여 내부에 분지(매니폴드)를 가질 수 있다. 또한, 상기 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
제1-3 실시 형태
제1-3 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400) 내에 다공성 격막이 아닌 양이온 교환막(510)을 사용하는 것을 제외하고는 제1-1 실시 형태와 동일하게 구성된다.
상기 양이온 교환막(510)은 전해액 내 양이온만을 선택적으로 투과시키며, 가스 차단성을 가진다.
이때, 전해액 보정부(400)의 내부에서는 음극측 기액분리기(300)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 양이온(즉, K+ 이온)이 농도 구배에 의해 양이온 교환막을 통해 인접하는 양극측 기액분리기(200)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이후, 이온 밸런스를 맞추기 위하여 양이온 교환막은 양이온 선택성을 가짐에도 불구하고, 음이온이 막을 통과하여 이동할 수 있다. 즉, 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 음이온(즉, OH- 이온)이 양이온 교환막을 통해 인접하는 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이에 따라, 최종적으로 전해액 보정부(400)에서 배출되는 전해액의 농도는 x 몰이 된다.
제1-4 실시 형태
제1-4 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400) 내에 양이온 교환막(510)이 복수로 구비되어 있는 것을 제외하고는 제1-3 실시 형태와 동일하게 구성된다.
도 5를 참조하면, 상기 양이온 교환막은 전해액 내 양이온만을 선택적으로 투과시키며, 가스 차단성을 가진다.
상기 전해액 보정부(400)는 n개의 복수의 양이온 교환막에 의해 n+1개의 전해액 수용부가 발생하고, 상기 n+1개의 전해액 수용부에는 양극측 기액분리기(200)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액과 음극측 기액분리기(300)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액이 교번하여 유입된다.
이때, 전해액 보정부(400)의 내부에서는 음극측 기액분리기(300)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 양이온(즉, K+ 이온)이 농도 구배에 의해 양이온 교환막을 통해 인접하는 양극측 기액분리기(200)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이후, 이온 밸런스를 맞추기 위하여 양이온 교환막은 양이온 선택성을 가짐에도 불구하고, 음이온이 막을 통과하여 이동할 수 있다. 즉, 이온 밸런스를 맞추기 위하여 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 음이온(즉, OH- 이온)이 이온 교환막을 통해 인접하는 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이에 따라, 최종적으로 전해액 보정부(400)에서 배출되는 전해액의 농도는 x 몰이 된다.
이때, 전해액 보정부(400)에서 전해조(100)로 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 상기 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
또한, 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)에서 전해액 보정부(400)로 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 회수관(230) 및 음극 전해액 회수관(330)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 양극 전해액 회수관(230) 및 음극 전해액 회수관(330)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
상기 전해액 보정부의 내부에는 전해액의 원할한 공급 및 배출을 위하여 분지(매니폴드)를 가질 수 있다.
또한, 상기 양이온 교환막(510)은 가스 차단성을 가지므로, 산소 가스 및 수소 가스의 혼입이 방지되고, 산소 가스 내에 수소 가스의 농도 및 수소 가스 내에 산소 가스의 농도가 폭발범위 이상으로 형성되어 폭발하는 위험성을 방지할 수 있다.
제1-5 실시 형태
제1-5 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400) 내에 다공성 격막이 아닌 음이온 교환막(520)을 사용하는 것을 제외하고는 제1-1 실시 형태와 동일하게 구성된다.
상기 음이온 교환막(520)은 전해액 내 음이온만을 선택적으로 투과시키며, 가스 차단성을 가진다.
이때, 전해액 보정부(400)의 내부에서는 음극측 기액분리기(300)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액의 음이온(즉, OH- 이온)이 농도 구배에 의해 음이온 교환막(520)을 통해 인접하는 양극측 기액분리기(200)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이후, 이온 밸런스를 맞추기 위하여 음이온 교환막은 음이온 선택성을 가짐에도 불구하고, 양이온이 막을 통과하여 이동할 수 있다. 즉, 음극측 기액분리기(300)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액의 양이온(즉, K+ 이온)이 음이온 교환막을 통해 인접하는 양극측 기액분리기(200)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이에 따라, 최종적으로 전해액 보정부(400)에서 배출되는 전해액의 농도는 x 몰이 된다.
제1-6 실시 형태
제1-6 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400) 내에 음이온 교환막(520)이 복수로 구비되어 있는 것을 제외하고는 제1-5 실시 형태와 동일하게 구성된다.
도 6을 참조하면, 상기 음이온 교환막(520)은 전해액 내 음이온만을 선택적으로 투과시키며, 가스 차단성을 가진다.
상기 전해액 보정부(400)는 n개의 복수의 음이온 교환막에 의해 n+1개의 전해액 유입 공간이 발생하고, 상기 n+1개의 전해액 유입 공간에는 양극측 기액분리기(200)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액과 음극측 기액분리기(300)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액이 교번하여 유입된다.
이때, 전해액 보정부(400)의 내부에서는 음극측 기액분리기(300)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액의 음이온(즉, OH- 이온)이 농도 구배에 의해 음이온 교환막을 통해 인접하는 양극측 기액분리기(200)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이후, 이온 밸런스를 맞추기 위하여 음이온 교환막은 음이온 선택성을 가짐에도 불구하고, 양이온이 막을 통과하여 이동할 수 있다. 즉, 음극측 기액분리기(300)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액의 양이온(즉, K+ 이온)이 이온 교환막을 통해 인접하는 양극측 기액분리기(200)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이에 따라, 최종적으로 전해액 보정부(400)에서 배출되는 전해액의 농도는 x 몰이 된다.
이때, 전해액 보정부(400)에서 전해조(100)로 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 상기 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
또한, 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)에서 전해액 보정부(400)로 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 회수관(230) 및 음극 전해액 회수관(330)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 양극 전해액 회수관(230) 및 음극 전해액 회수관(330)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
상기 전해액 보정부의 내부에는 전해액의 원할한 공급 및 배출을 위하여 분지(매니폴드)를 가질 수 있다.
또한, 상기 음이온 교환막(520)은 가스 차단성을 가지므로, 산소 가스 및 수소 가스의 혼입이 방지되고, 산소 가스 내에 수소 가스의 농도 및 수소 가스 내에 산소 가스의 농도가 폭발범위 이상으로 형성되어 폭발하는 위험성을 방지할 수 있다.
제1-7 실시 형태
도 7을 참조하면, 제1-7 실시 형태는 상기 전해조 보정부(400) 내에 복수의 양이온 교환막(510) 및 복수의 음이온 교환막(520)이 교대로 구비된 것이다. 이때, 상기 양이온 교환막은 전해액 내 양이온만을 선택적으로 투과시키고, 상기 음이온 교환막은 전해액 내 음이온만을 선택적으로 투과시킨다.
상기 전해액 보정부(400)는 n개의 복수의 양이온 교환막(510) 및 음이온 교환막(520)에 의해 n+1개의 전해액 수용부가 발생하고, 상기 n+1개의 전해액 수용부에는 양극측 기액분리기(200)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액과 음극측 기액분리기(300)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액이 교번하여 유입된다.
이때, 전해액 보정부(400)의 내부에서는 음극측 기액분리기(300)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 음이온(즉, OH- 이온)이 농도 구배에 의해 음이온 교환막(520)을 통해 인접하는 양극측 기액분리기(200)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 또한, 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 양이온(즉, K+ 이온)이 양이온 교환막(510)을 통해 인접하는 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이에 따라, 최종적으로 전해액 보정부(400)에서 배출되는 전해액의 농도는 x 몰이 된다.
이때, 전해액 보정부(400)에서 전해조(100)로 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 상기 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
또한, 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)에서 전해액 보정부(400)로 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 회수관(230) 및 음극 전해액 회수관(330)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 양극 전해액 회수관(230) 및 음극 전해액 회수관(330)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
상기 전해액 보정부의 내부에는 전해액의 원할한 공급 및 배출을 위하여 분지(매니폴드)를 가질 수 있다.
또한, 상기 양이온 교환막(510)은 가스 차단성을 가지므로, 산소 가스 및 수소 가스의 혼입이 방지되고, 산소 가스 내에 수소 가스의 농도 및 수소 가스 내에 산소 가스의 농도가 폭발범위 이상으로 형성되어 폭발하는 위험성을 방지할 수 있다.
제1-8 실시 형태
도 8을 참조하면, 제1-8 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400)의 양단부에 전극이 구비되어 있는 것을 제외하고는 제1-7 실시 형태와 동일하게 구성된다.
상기 전해조 보정부(400)의 양단부에는 양극(460) 및 음극(470)이 구비된다. 상기 양극(460) 및 음극(470)에 전원을 인가하여 전위차를 발생시키면, 상기 전해조 보정부(400) 내부의 전해액은 양이온 교환막(510) 및 음이온 교환막(520)을 통해 이온이 이동하게 된다.
이때, 양극실 전해액 수용부(410)의 양극과 인접한 측면에는 양이온교환막(510)이 위치하고, 음극과 인접한 측면에는 음이온교환막(520)이 위치하며, 음극실 전해액 수용부(420)의 양극과 인접한 측면에는 음이온교환막(520)이 위치하고, 음극과 인접한 측면에는 양이온교환막(510)이 위치한다.
상기와 같이 전극을 사용하여 기전력의 차이를 이용하는 경우 이온의 이동이 빨라지므로, 전해액의 농도 보정의 시간을 줄일 수 있다.
제2-1 실시 형태
도 3을 참조하면, 본 발명은 일 실시 형태로서, 격벽(110)으로 구분된 양극실(130) 및 음극실(150)을 포함하는 전해조(100), 상기 양극실(130)과 제2 양극 회수관(211)을 통해 연통하는 전해액 보정부(400)의 양극실 전해액 수용부(410), 상기 음극실(150)과 제2 음극 회수관(311)을 통해 연통하는 전해액 보정부(400)의 음극실 전해액 수용부(420), 상기 전해액 보정부(400) 내부는 격막(500)에 의해 양극실 전해액 수용부(410)와 음극실 전해액 수용부(420)가 구분되며, 상기 양극실 전해액 수용부(410) 및 음극실 전해액 수용부(420)와 각각 제2 양극 전해액 회수관(231) 및 제2 음극 전해액 회수관(331)을 통해 연통하는 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)를 포함하고, 상기 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)는 제2 양극 전해액 공급관(441) 및 제2 음극 전해액 공급관(451)을 통해 전해조(100)의 양극실 및 음극실로 전해액을 공급한다. 이때, 상기 제2 양극 전해액 공급관(441) 및 상기 제2 음극 전해액 공급관(451)에는 순환 펌프(600)가 구비될 수 있다.
상기 전해액으로는 KOH 수용액을 사용할 수 있다.
상기 전해조(100)에서는 전해액 보정부(400)로부터 몰 농도가 x인 전해액을 공급받아 하기와 같은 반응이 일어난다.
양극: 2OH- → 1/2O2 + H2O + 2e-
음극: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
즉, 양극실에서는 수산화 이온(OH-)이 소모되며 산소 가스가 발생하고, 음극실에서는 수산화 이온(OH-)이 생성되며 수소 가스가 발생한다. 이에 따라, 양극실에서 배출되는 전해액의 몰 농도는 (x-a) 몰이 되고 여기에는 산소 가스가 용존하고 있다. 또한, 음극실에서 배출되는 전해액의 몰 농도는 (x+a) 몰이 되며 여기에는 수소 가스가 용존하고 있다.
상기 양극실(130) 및 음극실(150)에서 배출된 전해액은 제2 양극 회수관(211) 및 제2 음극 회수관(311)을 통해 전해액 보정부(400)의 양극실 전해액 수용부(410) 및 음극실 전해액 수용부(420)로 이동한다.
상기 제2 양극 회수관(211) 및 제2 음극 회수관(311)을 통해 전해액 보정부(400)로 유입되는 전해액은 각각 산소 가스 및 수소 가스가 용존하고 있다. 본 실시 형태에 따른 수전해 장치는 전해조에서 배출된 산소 가스 및 수소 가스와 전해액이 양극측 기액 분리기(200) 및 음극측 기액 분리기(300)를 통과하기 전이므로, 상기 제1 실시 형태에 비하여 상대적으로 고농도의 산소 가스 및 수소 가스가 용존하고 있다.
도 4를 참조하면, 상기 전해액 보정부(400)는 격막(500)에 의해 상기 제2 양극 회수관(211)을 통해 유입되는 (x-a) 몰의 전해액과 상기 제2 음극 회수관(311)을 통해 유입되는 (x+a) 몰의 전해액이 각각 양극실 전해액 수용부(410)와 음극실 전해액 수용부(420)에 공급된다.
상기 격막(500)은 이온은 통과시키고, 전해조에서 생성된 수소 가스 및 산소 가스를 격리하기 위하여 이온 투과성 격막이 이용된다.
상기 격막은 복수의 미세한 관통 기공을 가지고, 전해액을 투과할 수 있는 구조를 가지며, 전해액 내에 용존하는 수소 가스 및 산소 가스는 투과하지 못하도록 가스 차단성을 가진다.
따라서, 제2 음극 회수관(311)을 통해 유입된 음극실 전해액 수용부(420)의 (x+a) 몰의 전해액은 제2 양극 회수관(211)을 통해 유입된 양극실 전해액 수용부(410)의 (x-a) 몰의 전해액 보다 농도가 높으므로, 음극실 전해액 수용부(420)의 전해액의 이온은 상기 격막을 통하여 양극실 전해액 수용부(410)의 전해액으로 이동하게 되고, 이에 따라 격막으로 구분된 전해액 보정부 내의 전해액의 농도 구배는 사라지게 된다.
또한, 상기 전해액 보정부(400)는 상기 격막(500)에 의하여 산소 가스 및 수소 가스의 혼입이 방지되므로, 산소 가스 내에 수소 가스의 농도가 폭발범위 이상으로 형성되어 폭발하는 위험성을 방지할 수 있다.
상기 양극측 기액분리기(200)에서는 전해액 내의 용존 산소 가스는 기상 영역으로, 전해액은 액상 영역으로 존재하며, 상기 기상 영역에는 계 외부로 상기 산소 가스를 배출하기 위한 산소 가스 배출관(220)이 구비될 수 있다. 또한, 상기 액상 영역에 존재하는 전해액은 제2 양극 전해액 공급관(441)을 통해 전해조(100)의 양극실(130)로 유입된다.
상기 음극측 기액분리기(300)에서는 전해액 내의 용존 수소 가스는 기상 영역으로, 전해액은 액상 영역으로 존재하며, 상기 기상 영역에는 계 외부로 상기 수소 가스를 배출하기 위한 수소 가스 배출관(320)이 구비될 수 있다. 또한, 상기 액상 영역에 존재하는 전해액은 제2 음극 전해액 공급관(451)을 통해 전해조(100)의 음극실(150)로 유입된다.
제2-2 실시 형태
제2-2 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400) 내에 다공성 격막이 복수로 구비되어 있는 것을 제외하고는 제2-1 실시 형태와 동일하게 구성된다.
상기 전해액 보정부(400)는 n개의 복수의 다공성 격막에 의해 n+1개의 전해액 수용부가 발생하고, 상기 n+1개의 전해액 수용부에는 양극실(130)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액과 음극실(150)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액이 교번하여 유입된다.
이때, 전해액 보정부(400)에서 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)로 전해액을 공급하기 위한 제2 양극 전해액 회수관(231) 및 제2 음극 전해액 회수관(331)은 각각 하나로 형성될 수 있고, 전해액 수용부로 원할한 공급을 위하여 내부에 분지(매니폴드)를 가질 수 있다. 또한, 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
제2-3 실시 형태
제2-3 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400) 내에 다공성 격막이 아닌 양이온 교환막(510)을 사용하는 것을 제외하고는 제2-1 실시 형태와 동일하게 구성된다.
상기 양이온 교환막(510)은 전해액 내 양이온만을 선택적으로 투과시키며, 가스 차단성을 가진다.
이때, 전해액 보정부(400)의 내부에서는 음극실(150)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 양이온(즉, K+ 이온)이 농도 구배에 의해 양이온 교환막을 통해 인접하는 양극실(130)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이후, 이온 밸런스를 맞추기 위하여 양이온 교환막은 양이온 선택성을 가짐에도 불구하고, 음이온이 막을 통과하여 이동할 수 있다. 즉, 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 음이온(즉, OH- 이온)이 양이온 교환막을 통해 인접하는 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이에 따라, 최종적으로 전해액 보정부(400)에서 배출되는 전해액의 농도는 x 몰이 된다.
제2-4 실시 형태
제2-4 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400) 내에 양이온 교환막(510)이 복수로 구비되어 있는 것을 제외하고는 제2-3 실시 형태와 동일하게 구성된다.
도 5를 참조하면, 상기 양이온 교환막은 전해액 내 양이온만을 선택적으로 투과시키며, 가스 차단성을 가진다.
상기 전해액 보정부(400)는 n개의 복수의 양이온 교환막에 의해 n+1개의 전해액 수용부가 발생하고, 상기 n+1개의 전해액 수용부에는 양극실(130)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액과 음극실(150)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액이 교번하여 유입된다.
이때, 전해액 보정부(400)의 내부에서는 음극실(150)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 양이온(즉, K+ 이온)이 농도 구배에 의해 양이온 교환막을 통해 인접하는 양극실(130)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이후, 이온 밸런스를 맞추기 위하여 양이온 교환막은 양이온 선택성을 가짐에도 불구하고, 음이온이 막을 통과하여 이동할 수 있다. 즉, 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 음이온(즉, OH- 이온)이 이온 교환막을 통해 인접하는 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이에 따라, 최종적으로 전해액 보정부(400)에서 배출되는 전해액의 농도는 x 몰이 된다.
이때, 전해액 보정부(400)에서 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)로 전해액을 공급하기 위한 제2 양극 전해액 회수관(231) 및 제2 음극 전해액 회수관(331)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 제2 양극 전해액 회수관(231) 및 제2 음극 전해액 회수관(331)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
또한, 전해조(100)에서 전해액 보정부(400)로 전해액을 공급하기 위한 극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)로 전해액을 공급하기 위한 제2 양극 회수관(211) 및 제2 음극 회수관(311)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 제2 양극 회수관(211) 및 제2 음극 회수관(311)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
상기 전해액 보정부의 내부에는 전해액의 원할한 공급 및 배출을 위하여 분지(매니폴드)를 가질 수 있다.
또한, 상기 양이온 교환막(510)은 가스 차단성을 가지므로, 산소 가스 및 수소 가스의 혼입이 방지되고, 산소 가스 내에 수소 가스의 농도 및 수소 가스 내에 산소 가스의 농도가 폭발범위 이상으로 형성되어 폭발하는 위험성을 방지할 수 있다.
제2-5 실시 형태
제2-5 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400) 내에 다공성 격막이 아닌 음이온 교환막(520)을 사용하는 것을 제외하고는 제2-1 실시 형태와 동일하게 구성된다.
상기 음이온 교환막(520)은 전해액 내 음이온만을 선택적으로 투과시키며, 가스 차단성을 가진다.
이때, 전해액 보정부(400)의 내부에서는 음극실(150)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 음이온(즉, OH- 이온)이 농도 구배에 의해 음이온 교환막을 통해 인접하는 양극실(130)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이후, 이온 밸런스를 맞추기 위하여 음이온 교환막은 음이온 선택성을 가짐에도 불구하고, 양이온이 막을 통과하여 이동할 수 있다. 즉, 음극실(150)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 양이온(즉, K+ 이온)이 음이온 교환막을 통해 인접하는 양극실(130)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이에 따라, 최종적으로 전해액 보정부(400)에서 배출되는 전해액의 농도는 x 몰이 된다.
제2-6 실시 형태
제2-6 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400) 내에 음이온 교환막(520)이 복수로 구비되어 있는 것을 제외하고는 제2-5 실시 형태와 동일하게 구성된다.
도 6을 참조하면, 상기 음이온 교환막(520)은 전해액 내 음이온만을 선택적으로 투과시키며, 가스 차단성을 가진다.
상기 전해액 보정부(400)는 n개의 복수의 음이온 교환막에 의해 n+1개의 전해액 수용부가 발생하고, 상기 n+1개의 전해액 수용부에는 양극실(130)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액과 음극실(150)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액이 교번하여 유입된다.
이때, 전해액 보정부(400)의 내부에서는 음극실(150)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 음이온(즉, OH- 이온)이 농도 구배에 의해 음이온 교환막을 통해 인접하는 양극실(130)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이후, 이온 밸런스를 맞추기 위하여 음이온 교환막은 음이온 선택성을 가짐에도 불구하고, 양이온이 막을 통과하여 이동할 수 있다. 즉, 음극실(150)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 양이온(즉, K+ 이온)이 이온 교환막을 통해 인접하는 양극실(130)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이에 따라, 최종적으로 전해액 보정부(400)에서 배출되는 전해액의 농도는 x 몰이 된다.
이때, 전해액 보정부(400)에서 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)로 전해액을 공급하기 위한 제2 양극 전해액 회수관(231) 및 제2 음극 전해액 회수관(331)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 제2 양극 전해액 회수관(231) 및 제2 음극 전해액 회수관(331)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
또한, 전해조(100)에서 전해액 보정부(400)로 전해액을 공급하기 위한 극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)로 전해액을 공급하기 위한 제2 양극 회수관(211) 및 제2 음극 회수관(311)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 제2 양극 회수관(211) 및 제2 음극 회수관(311)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
상기 전해액 보정부의 내부에는 전해액의 원할한 공급 및 배출을 위하여 분지(매니폴드)를 가질 수 있다.
또한, 상기 음이온 교환막(520)은 가스 차단성을 가지므로, 산소 가스 및 수소 가스의 혼입이 방지되고, 산소 가스 내에 수소 가스의 농도 및 수소 가스 내에 산소 가스의 농도가 폭발범위 이상으로 형성되어 폭발하는 위험성을 방지할 수 있다.
제2-7 실시 형태
도 7을 참조하면, 제2-7 실시 형태는 상기 전해조 보정부(400) 내에 복수의 양이온 교환막(510) 및 복수의 음이온 교환막(520)이 교대로 구비된 것이다. 이때, 상기 양이온 교환막은 전해액 내 양이온만을 선택적으로 투과시키고, 상기 음이온 교환막은 전해액 내 음이온만을 선택적으로 투과시킨다.
상기 전해액 보정부(400)는 n개의 복수의 양이온 교환막(510) 및 n개의 복수의 음이온 교환막(520)에 의해 n+1개의 전해액 수용부가 발생하고, 상기 n+1개의 전해액 수용부에는 양극실(130)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액과 음극실(150)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액이 교번하여 유입된다.
이때, 전해액 보정부(400)의 내부에서는 음극실(150)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 음이온(즉, OH- 이온)이 농도 구배에 의해 음이온 교환막(520)을 통해 인접하는 양극실(130)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 또한, 음극실(150)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 양이온(즉, K+ 이온)은 양이온 교환막(510)을 통해 인접하는 양극실(130)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이에 따라, 최종적으로 전해액 보정부(400)에서 배출되는 전해액의 농도는 x 몰이 된다.
이때, 전해액 보정부(400)에서 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)로 전해액을 공급하기 위한 제2 양극 전해액 회수관(231) 및 제2 음극 전해액 회수관(331)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 제2 양극 전해액 회수관(231) 및 제2 음극 전해액 회수관(331)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
또한, 전해조(100)에서 전해액 보정부(400)로 전해액을 공급하기 위한 극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)로 전해액을 공급하기 위한 제2 양극 회수관(211) 및 제2 음극 회수관(311)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 제2 양극 회수관(211) 및 제2 음극 회수관(311)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
상기 전해액 보정부의 내부에는 전해액의 원할한 공급 및 배출을 위하여 분지(매니폴드)를 가질 수 있다.
또한, 상기 음이온 교환막(520)은 가스 차단성을 가지므로, 산소 가스 및 수소 가스의 혼입이 방지되고, 산소 가스 내에 수소 가스의 농도 및 수소 가스 내에 산소 가스의 농도가 폭발범위 이상으로 형성되어 폭발하는 위험성을 방지할 수 있다.
제2-8 실시 형태
도 8을 참조하면, 제2-8 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400)의 양단부에 전극이 구비되어 있는 것을 제외하고는 제2-7 실시 형태와 동일하게 구성된다.
상기 전해조 보정부(400)의 양단부에는 양극(460) 및 음극(470)이 구비된다. 상기 양극(460) 및 음극(470)에 전원을 인가하여 전위차를 발생시키면, 상기 전해조 보정부(400) 내부의 전해액은 양이온 교환막(510) 및 음이온 교환막(520)을 통해 이온이 이동하게 된다.
이때, 양극실 전해액 수용부의 양극(460)과 인접한 측면에는 양이온교환막(510)이 위치하고, 음극(470)과 인접한 측면에는 음이온교환막(520)이 위치하며, 음극실 전해액 수용부의 양극과 인접한 측면에는 음이온교환막(520)이 위치하고, 음극과 인접한 측면에는 양이온교환막(510)이 위치한다.
상기와 같이 전극을 사용하여 기전력의 차이를 이용하는 경우 이온의 이동이 빨라지므로, 전해액의 농도 보정의 시간을 줄일 수 있다.
100: 전해조
110: 격벽
120: 외부 프레임
130: 양극실
140: 양극
150: 음극실
160: 음극
200: 양극측 기액분리기
210: 양극 회수관
211: 제2 양극 회수관
220: 산소 가스 배출관
230: 양극 전해액 회수관
231: 제2 양극 전해액 회수관
250: 양극 순환라인
300: 음극측 기액분리기
310: 음극 회수관
311: 제2 음극 회수관
320: 수소 가스 배출관
330: 음극 전해액 회수관
331: 제2 음극 전해액 회수관
350: 음극 순환라인
400: 전해액 보정부
410: 양극실 전해액 수용부
420: 음극실 전해액 수용부
440: 양극 전해액 공급관
441: 제2 양극 전해액 공급관
450: 음극 전해액 공급관
451: 제2 음극 전해액 공급관
460: 양극
470: 음극
500: 격막
510: 양이온 교환막
520: 음이온 교환막
600: 순환 펌프
110: 격벽
120: 외부 프레임
130: 양극실
140: 양극
150: 음극실
160: 음극
200: 양극측 기액분리기
210: 양극 회수관
211: 제2 양극 회수관
220: 산소 가스 배출관
230: 양극 전해액 회수관
231: 제2 양극 전해액 회수관
250: 양극 순환라인
300: 음극측 기액분리기
310: 음극 회수관
311: 제2 음극 회수관
320: 수소 가스 배출관
330: 음극 전해액 회수관
331: 제2 음극 전해액 회수관
350: 음극 순환라인
400: 전해액 보정부
410: 양극실 전해액 수용부
420: 음극실 전해액 수용부
440: 양극 전해액 공급관
441: 제2 양극 전해액 공급관
450: 음극 전해액 공급관
451: 제2 음극 전해액 공급관
460: 양극
470: 음극
500: 격막
510: 양이온 교환막
520: 음이온 교환막
600: 순환 펌프
Claims (13)
- 격벽으로 구분된 양극실 및 음극실을 포함하는 전해조;
양극실 전해액 수용부 및 음극실 전해액 수용부를 포함하고, 상기 양극실 전해액 수용부 및 상기 음극실 전해액 수용부는 격막에 의해 구분된 전해액 보정부;
상기 전해조의 양극실 및 상기 전해액 보정부의 양극실 전해액 수용부를 연통하는 양극 순환라인; 및
상기 전해조의 음극실 및 상기 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부를 연통하는 음극 순환라인을 포함하며,
격막은 복수로 구비되며, 상기 양극실 전해액 수용부 및 상기 음극실 전해액 수용부가 서로 교번하며 배치되는 수전해 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 양극 순환라인에 구비되는 양극측 기액분리기; 및
상기 음극 순환라인에 구비되는 음극측 기액분리기를 더 포함하는 수전해 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 양극측 기액분리기는 양극 순환라인을 따라 전해조의 양극실의 후단 및 전해액 보정부의 양극실 전해액 수용부의 전단에 구비되고,
상기 음극측 기액분리기는 음극 순환라인을 따라 전해조의 음극실의 후단 및 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부의 전단에 구비되는 수전해 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 양극측 기액분리기는 양극 순환라인을 따라 전해액 보정부의 양극실 전해액 수용부의 후단 및 전해조의 양극실의 전단에 구비되고,
상기 음극측 기액분리기는 음극 순환라인을 따라 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부의 후단 및 전해조의 음극실의 전단에 구비되는 수전해 장치.
- 제1항에 있어서,
격막은 전해액 및 이온은 투과 가능하고,
기체는 불투과성인 수전해 장치.
- 제1항에 있어서,
격막은 다공막인 수전해 장치.
- 제1항에 있어서,
격막은 양이온 교환막 또는 음이온 교환막인 수전해 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
양극실 전해액 수용부 및 상기 음극실 전해액 수용부가 서로 교번하며 배치될 때, 수용부가 교번하여 배열되는 방향에 따라 교대로 배치되는 복수의 격막은 양이온 교환막과 음이온 교환막이 교대로 구비되는 것인 수전해 장치.
- 제1항에 있어서,
전해액 보정부 내 양단에는 각각 양극 및 음극이 구비되어, 양극과 음극 사이에 격막이 위치하는 수전해 장치.
- 제10항에 있어서,
격막은 양이온 교환막 또는 음이온 교환막이고,
양극실 전해액 수용부의 양극과 인접한 측면에는 양이온교환막이 위치하고, 음극과 인접한 측면에는 음이온교환막이 위치하며,
음극실 전해액 수용부의 양극과 인접한 측면에는 음이온교환막이 위치하고, 음극과 인접한 측면에는 양이온교환막이 위치하는 수전해 장치.
- 제1항에 있어서,
전해조의 음극실, 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부 및 음극 순환라인 중 적어도 하나에는 물을 공급하기 위한 물 공급관 및 물 공급 펌프가 더 구비된 수전해 장치.
- 제2항에 있어서,
전해조의 음극실, 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부, 음극측 기액분리기 및 음극 순환라인 중 적어도 하나에는 물을 공급하기 위한 물 공급관 및 물 공급 펌프가 더 구비된 수전해 장치.
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