KR102470199B1 - 물 전기분해를 이용한 수소 생산 시스템에서의 수소 정제장치 - Google Patents

물 전기분해를 이용한 수소 생산 시스템에서의 수소 정제장치 Download PDF

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Abstract

이 발명은 물 전기분해를 이용한 수소 생산 시스템에서의 수소 정제장치(500)로서, 수분이 함유된 수소를 공급받아 열교환시키는 혼합기(501)와, 혼합기를 통해 냉각된 후 일부 수분이 제거된 수소를 공급받아 수분을 완전히 흡착 제거하여 수소의 순도를 높이는 제1 흡착기(503)와, 제1 흡착기에서 정제된 수소의 일부분을 공급받아 압력을 강하함과 더불어 흡착제에 흡착된 수분을 탈착시켜 공급된 수소에 수분을 함유하도록 하는 제2 흡착기(515)와, 제2 흡착기에 의해 낮은 압력 및 수분을 함유하는 수소를 고압으로 압축하는 전기화학적 수소 압축기(519)와, 전기화학적 수소 압축기에서 고압으로 압축된 수소를 냉각하는 냉각기(520), 및 냉각기에서 냉각된 수소에 함유된 수분의 일부분을 제거한 후 혼합기에 공급하는 수분제거기(521)를 포함한다.

Description

물 전기분해를 이용한 수소 생산 시스템에서의 수소 정제장치{Hydrogen purification apparatus in hydrogen generating system using water electrolysis}
이 발명은 물 전기분해(이하, 수전해)를 이용한 수소 생산 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 생산된 수소를 정제하여 고순도화하고 압축하여 고압화하는 수소 정제장치에 관한 것이다.
일반적으로 수소를 생산하는 방법은 다양하나, 재생에너지를 이용한 전력원과 물을 이용하여 물을 전기분해하여 수소를 얻는 방법은 수소 제조 과정 중에서 CO2가 발생하지 않아, CO2 free 수소, 또는 그린 수소란 다른 명칭으로 최근 각광을 받고 있다.
물을 전기분해하는 수전해 시스템의 실용화를 위해서는 시스템을 구성하는 요소들의 에너지 소비량 저하(고효율화), 저비용화가 필요하다.
도 1 내지 도 3은 물을 전기분해하여 수소를 얻는 전형적인 전기화학 셀(전기화학 반응기)의 기본원리, 단위 전기화학 셀, 전기화학용 스택 구조를 나타낸 것이다.
도 1은 물을 전기화학적으로 분해하여 수소가스와 산소가스를 생산하는 전형적인 전기화학 셀의 일부분을 구성하는 막전극접합체(100)의 개념도로서, 막전극접합체(100)는 전기화학 반응이 일어나는 핵심 구성요소이다.
물(H20)을 전기분해하여 산소가스(O2)와 수소가스(H2)를 생산하는 전기분해용 전기화학 셀은 제1 전기화학 반응층(104), 제2 전기화학 반응층(108), 막(106), 제1 확산층(102) 및 제2 확산층(110)을 포함하여 구성된다. 이때, 제1 전기화학 반응층(104)은 제1 전기화학 촉매(112)와 제1 담체(114)로 구성되고, 제2 전기화학 반응층(108)은 제2 전기화학 촉매(116)와 제2 담체(118)로 구성된다.
제1 확산층(102)과 제2 확산층(110)은 제1, 제2 전기화학 촉매(112, 116)로(또는 에서) 전자와 반응물 또는 생성물의 이동을 돕는다. 제1, 제2 전기화학 촉매(112, 116)는 전기분해를 하거나 전기에너지를 만드는 가장 중요한 물질이며, 제1, 제2 담체(114, 118)는 제1, 제2 전기화학 촉매(112, 116)의 지지체 역할과 전자의 이동경로를 제공한다.
제1, 제2 전기화학 촉매(112, 116)는 제1, 제2 담체(114, 118), 바인더(Binder) 및 용매(Solvent)와 같이 혼합되어 슬러리(Slurry)나 페이스트(Paste) 상태로 만들어진 후, 막(106)에 도포하거나 또는 제1, 제2 확산층(102, 110)에 도포하여 제1, 제2 전기화학 반응층(104, 108)으로 만들어진다. 이때, 이와 같이 만들어진 "전기화학 반응층(104, 108)-막(106)" 또는 "전기화학 반응층(104, 108)-막(106)-확산층(102, 110)"을 막전극접합체(100)(Membrane Electrode Assembly, 이하 "MEA"라 함)라고 한다.
MEA(100)에 형성된 제1 전기화학 반응층(104)과 제2 전기화학 반응층(108)의 간격은 물리적인 막의 두께 값을 가지며, 제1 전기화학 반응층(104)과 제2 전기화학 반응층(108) 내에는 기포가 존재하지 않아 저전압, 고전류의 운전이 가능하다. 또한, 알카리 전기화학 셀에서와 같이 전해액의 전도성을 이용하지 않기 때문에 원료인 물을 고순도로 사용가능하고, 이에 고순도의 수소와 산소를 얻을 수 있는 장점이 있다.
도 1에 도시된 구성을 이용하여, 물을 전기분해하는 과정을 설명하면 다음과 같다. 여기서, 산화 반응이 일어나는 곳을 제1 전기화학 반응층(104)으로 하고, 환원 반응이 일어나는 곳을 제2 전기화학 반응층(108)으로 하며, 산화 반응과 환원 반응은 동시에 일어난다.
먼저, 물(H20)이 제1 확산층(102)을 거쳐 제1 전기화학 반응층(104)에 공급되면, 물은 제1 전기화학 촉매(112)(산화촉매, 양극 활물질, 산소가스 발생 전극이라고도 함)에서 아래 반응식 1과 같이 산소가스(O2)와 전자(e-) 그리고 수소이온(H+)(프로톤)으로 분해반응이 일어난다. 이때, 산소가스(O2)는 확산에 의해 전기화학 셀(전기분해 셀)의 외부로 유출되며, 수소이온(H+)은 전기장에 의해 막(106)을 통과하여 제2 전기화학 촉매(116)(환원촉매, 음극활물질, 수소가스 발생극이라고도 함)로 이동하며, 반응에 의하여 생성된 전자(e-)는 제1 전기화학 촉매(112)에서 제1 확산층(102), 외부회로(미도시)를 거쳐 제2 확산층(110), 제2 전기화학 촉매(116)로 이동한다.
한편, 제2 전기화학 촉매(116)에서는 제1 전기화학 촉매(112)에서 이동한 수소이온(H+)과 전자(e-)가 반응하여 반응식 2와 같이 수소가스(H2)가 생성된다. 그리고, 제1 전기화학 반응층(104)으로 공급된 물 중에서 일부는 전기장에 의해 제2 전기화학 반응층(108)으로 이동하여 수소가스(H2)와 함께 전기분해 셀의 외부로 유출된다.
제1 전기화학 촉매(112)와 제2 전기화학 촉매(116)에서 각각 일어난 전기화학적 반응을 표현하면 아래의 반응식 1 및 반응식 2와 같고, 전기화학 셀에서의 전체 반응(총괄 반응)은 반응식 3과 같다.
[반응식 1]
2H2O → 4H+ + 4e- + O2 (양극)
[반응식 2]
4H+ + 4e- → 2H2 (음극)
[반응식 3]
2H2O → O2 (양극) + 2H2 (음극)
도 2는 도 1의 MEA를 구비하여 물을 전기분해하는 전형적인 전기화학 셀의 구조도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전기화학 셀(200)은 제1 엔드플레이트(202)(End Plate), 제1 절연판(204), 제1 전류공급판(206), 제1 전기화학 반응실 프레임(208), 제1 전기화학 반응실(210), MEA(도 1의 100), 제2 전기화학 반응실(212), 제2 전기화학 반응실 프레임(214), 제2 전류공급판(216), 제2 절연판(218) 및 제2 엔드플레이트(220)로 구성되며, 전기화학 셀에 전류를 공급하는 전력변환장치(224)로 직류전원 공급장치가 있다.
제1 엔드플레이트(202)와 제2 엔드플레이트(220)는 단위 전기화학 셀 조립을 위한 볼트/너트 체결 구멍(미도시), 반응물 및 생성물의 통로(미도시) 기능을 제공하며, 제1 절연판(204)과 제2 절연판(218)은 각각 제1 엔드플레이트(202)와 제1 전류공급판(206) 사이 및 제2 엔드플레이트(220)와 제2 전류공급판(216) 사이에서의 전기적 절연 기능을 하고, 제1 전류공급판(206)과 제2 전류공급판(216)은 전력변환장치(224)와 연결되어 전기화학 셀(200)에 필요한 전류를 공급하는 역할을 한다.
한편, 제1 전기화학 반응실(210)에 제1 전기화학 반응층(112)이 위치하여 산화 반응이 일어나는 경우, 반응물인 물과 생성물인 산소의 이동을 위한 공간이 되며, 막(106)을 중심으로 제1 전기화학 반응실(210)의 반대편에 위치하는 제2 전기화학 반응실(212)에서는 환원 반응에 의해 생성된 수소와 제1 전기화학 반응실(210)에서 이동한 물의 이동을 위한 공간이 제공된다.
제1 전기화학 반응실(210)은 제1 전기화학 반응실 프레임(208)에 의해 외부와 차단되고, 제2 전기화학 반응실(212)은 제2 전기화학 반응실 프레임(214)에 의해 외부와 차단된다. 그리고, MEA(100)와 제1 전기화학 반응실 프레임(208), 제2 전기화학 반응실 프레임(214) 사이에는 반응물과 생성물의 외부 누설을 막는 가스켓(또는 패킹)(222)이 각각 설치된다.
전기화학 셀(200)을 구성하는 구성요소 중에서 제1 전기화학 반응실 프레임(208), 제2 전기화학 반응실 프레임(214), 가스켓(222)은 전기화학 셀을 통하여 반응물 또는 생성물의 유입 및 유출이 용이하도록 적당한 홀을 가지며, 제1 전기화학 반응실 프레임(208)과 제2 전기화학 반응실 프레임(214)에는 유체(산소, 수소, 물)의 유로(도 2의 (가)에 점선으로 표시됨)가 형성되어 있다.
도 3은 종래의 일반적인 전기화학용 스택의 개념도이다. 전기분해 반응에서 원하는 양의 생성물을 얻기 위해서는 단위 전기화학 셀이 복수개 필요하며, 이때 2개 이상 적층한 전기화학 셀들의 집합체를 전기화학용 스택이라고 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전기화학용 스택(300)을 구성하기 위해 전기화학 셀을 적층할 때, 기본 전기화학 셀(200) 사이에 원하는 수의 단위 전기화학 셀을 반복 설치한다. 전기화학용 스택에서 단위 전기화학 셀들은 제1, 제2 엔드플레이트(202, 220)의 가장자리에 형성된 구멍을 통해 볼트(306)와 너트(310)의 결합으로 조립된다.
전기화학용 스택(300)에는 도 2의 제1 전기화학 반응실 프레임(208)과 제2 전기화학 반응실 프레임(214)이 일체화된 바이폴라판(bipolar plate, 304)이 적용된다. 바이폴라판(304)은 일체형 판으로 양극실과 음극실의 기능을 갖는다.
도 4는 도 3의 전기화학용 스택과 동일 개념의 전기분해 스택을 이용해 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 시스템을 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 수소 발생기 시스템(400)은 전기분해 스택(420), 전기분해 스택(420)에 공급하는 물을 처리하는 수처리부, 그리고 전기분해 스택(420)에서 발생되는 수소가스를 정제하고 압력을 제어하는 가스처리부로 구성된다.
전기분해 스택(420)에 사용하는 원료인 물은 1Mega ohm cm 이상의 순수가 사용되고, 순수는 순수 공급라인(s1) 중에 설치된 자동밸브(402)의 조절에 의해 공급되며, 자동밸브(402) 조절은 산소-물 분리조(404)의 수위 감지용 레벨센서(405)에 의해 제어된다(점선 e2). 산소-물 분리조(404)의 물은 순환배관(s2) 중에 설치된 순환펌프(406)에 의해 전기분해 스택(420)으로 공급되고, 수소-물 분리기(424)에서 순환되는 순환라인(s9)과 합쳐져 열교환기(408), 수질 감지센서(410) 및 이온교환필터(412)가 설치된 배관을 거쳐, 전기분해 스택(420)의 제1 전기화학 반응실(414, 산화 반응이 일어나는 곳)로 공급된다. 한편, 전력변환장치(440)에서 전선(e1)을 통하여 전기분해 스택(420)에 직류전류가 공급되면, 물 분해 반응이 일어나게 된다.
제1 전기화학 반응실(414)에서 발생한 산소와 미반응 물은 배출배관(s4)을 거쳐 산소-물 분리조(404)로 이동되고, 배출배관(s4)에는 온도를 감시하는 온도센서(416)가 설치된다. 산소-물 분리조(404)에서 분리된 산소는 산소 배출배관(s5)을 통하여 외부로 배출되며, 물은 재순환 과정을 거치게 된다.
제2 전기화학 반응실(422)에서 발생한 수소가스에는 물이 동반되며, 배출관(s6)을 거쳐 수소-물 분리조(424)로 이동되어 가스와 물이 분리된다. 수소-물 분리조(424)에는 수위 조절을 위한 수위 감지용 레벨센서(426)가 구비된다. 만약, 수소-물 분리조(424)의 수위가 일정값 이상이 되면 자동밸브(428)가 오픈되어(전기적 신호 e3) 순환라인(s9)을 거쳐 순환배관(s2)으로 공급된다.
한편, 수소-물 분리조(424)에서 분리된 수소가스는 가스배관(s7)을 거쳐 수소가스 정제기(430)로 공급되어 수소 중에 함유된 수분이 제거된다. 일반적으로 수소가스 정제기(430)는 흡습제가 충진된 베드가 적용된다. 수소가스 정제기(430)를 거친 수소는 고순도 수소가스배관(s8)을 거쳐 수소를 필요로 하는 현장에 공급된다. 이때, 고순도 수소가스배관(s8)에는 수소의 압력을 조절하는 압력조절밸브(434)가 있어 전기분해 스택(420)에서 발생하는 수소가스의 압력이 조절된다. 압력조절밸브(434)의 전단과 후단에는 압력을 측정하는 압력센서(432, 438)가 설치되고, 가스의 흐름을 일정 방향으로 유지하는 체크밸브(436)가 설치된다.
대한민국 특허등록 제10-1357146호 대한민국 특허공개 제10-2008-0032962호
이 발명은 물 전기분해 공정에서 생산되는 수소에 함유된 수분을 제거하는 정제공정을 통해 수소를 고순도화하고, 고순도의 수소를 전기화학적 수소 압축기를 이용해 저에너지로 고압으로 압축이 가능한 수소 정제장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명은 물 전기분해를 이용한 수소 생산 시스템에서의 수소 정제장치로서, 수분이 함유된 수소를 공급받아 열교환시키는 혼합기와, 상기 혼합기를 통해 냉각된 후 일부 수분이 제거된 수소를 공급받아 수분을 완전히 흡착 제거하여 수소의 순도를 높이는 제1 흡착기와, 상기 제1 흡착기에서 정제된 수소의 일부분을 공급받아 압력을 강하함과 더불어 흡착제에 흡착된 수분을 탈착시켜 공급된 수소에 수분을 함유하도록 하는 제2 흡착기와, 상기 제2 흡착기에 의해 낮은 압력 및 수분을 함유하는 수소를 고압으로 압축하는 전기화학적 수소 압축기와, 상기 전기화학적 수소 압축기에서 고압으로 압축된 수소를 냉각하는 냉각기, 및 상기 냉각기에서 냉각된 수소에 함유된 수분의 일부분을 제거한 후 상기 혼합기에 공급하는 수분제거기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 전기화학적 수소 압축기는 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly)를 포함하며, 상기 막전극접합체는 고분자 전해질 막과, 상기 고분자 전해질 막의 일측에 형성되어 산화반응이 일어나는 제1 전기화학 반응층과, 상기 고분자 전해질 막의 타측에 형성되어 환원반응이 일어나는 제2 전기화학 반응층을 포함할 수 있다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 제1, 제2 전기화학 반응층은 전기화학 촉매를 각각 포함하며, 상기 전기화학 촉매는 백금, 팔라듐, 루테늄, 이리듐, 로듐, 오스뮴의 백금족 원소, 철, 납, 구리, 크롬, 코발트, 니켈, 망간, 바나듐, 몰리브덴, 갈륨 및 알루미늄 중 어느 하나의 금속, 이들의 합금, 산화물 및 복산화물 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 전기화학 촉매는 0.5 ~ 20㎚의 입경을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 제1, 제2 전기화학 반응층은 담체를 각각 포함하며, 상기 담체는 티타늄 산화물, 카본블랙, 그래파이트, 흑연, 활성탄, 카본 파이버, 카본 나노튜브 및 풀러린 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 담체는 10 ~ 1,000㎚의 입경을 갖는 것이 바람직하다.
이 발명은 물 전기분해 공정에서 생산되는 수소에 함유된 수분을 제거하는 정제공정을 통해 수소를 고순도화하고, 고순도의 수소를 전기화학적 수소 압축기를 이용해 저에너지로 고압으로 압축할 수 있는 장점이 있다. 즉, 이 발명은 기존의 수소 정제 공정에 적용중인 기계식 압축기를 전기화학적 수소 압축기로 대체 적용이 가능해 장치의 컴팩트화와 에너지 비용의 절감이 가능한 장점이 있다.
도 1은 물을 전기화학적으로 분해하여 수소가스와 산소가스를 생산하는 전형적인 전기화학 셀의 일부분인 MEA의 개념도이다.
도 2는 도 1의 MEA를 구비하여 물을 전기분해하는 전형적인 전기화학 셀의 구조도이다.
도 3은 종래의 일반적인 전기화학용 스택의 개념도이다.
도 4는 도 3의 전기화학용 스택을 이용해 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 시스템을 나타내는 도면이다.
도 5는 이 발명의 한 실시예에 따른 수소 정제장치의 상세 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 전기화학적 수소 압축기의 원리를 나타내는 도면이다.
도 7은 이 발명에 따른 발명예 1의 성능을 나타내는 그래프이다.
도 8은 이 발명에 따른 발명예 2의 성능을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 이 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 사용한다.
이 발명은 도 4에 도시된 수소 발생기 시스템(400)을 구성하는 수소가스 정제기(430)를 개량한 것으로서, 아래에서 그 구성관계에 대해 상세하게 설명한다. 도 5는 이 발명의 한 실시예에 따른 수소 정제장치의 상세 도면이다.
수소를 정제하는 방법은 수소 중에 존재하는 물을 흡착법을 이용해 제거하는 것으로서, 일반적으로 2층 베드 흡착(dual bed adsorption) 공정이 이용된다. 일측의 베드는 제습을 수행하고, 타측의 베드는 재생을 수행하도록 구성된다.
흡착제로 사용하는 물질로는 실리카겔, 알루미나 또는 그 밖의 다른 무기다공성 고체를 사용하며, 바람직하게는 규칙적이고 미세한 기공구조를 갖는 제올라이트나 분자체 등이 높은 수소 순도(99.999%)를 얻는데 적합하다. 재생 과정은 열을 이용하거나 압력을 강하하여 운영이 가능하나, 전기분해 장치의 특성(낮은 운전압력 및 고압가스법 적용)을 고려하면 열을 이용하는 것이 바람직하다.
도 5에 도시된 수소 정제장치를 이용한 흡착-재생 공정을 설명하면 다음과 같다. 도 5에서 빨강색은 운영되지 않는 것을 나타내고, 파랑색은 운영되고 있는 상태를 나타낸 것이다.
[정제공정]
제2 전기화학 반응실(도 4, 422)에서 발생하여 수소-물 분리조(도 4, 424)에서 분리된 수소(도 4, s7)는 80℃ 온도와 0.1% 수분을 함유하는데, 이 수소는 라인(s501)을 따라 공급되어 열교환기를 구비하는 혼합기(501)를 통해 냉각된 후(30℃), 응축된 수분은 라인(s502)을 거쳐 수분제거기(522)에서 제거되며, 수분이 제거된 수소는 라인(s503)을 거쳐 제1 솔레노이드밸브(502)를 통해 제1 흡착기(503, 정제공정)에 공급되어, 나머지 수분이 완전히 제거(흡착)되어 수소 순도가 높아지고, 원하는 고순도의 수소(99.999%)를 얻게 된다. 이렇게 순도가 높아진 수소는 제품기준을 만족하는 것으로서, 라인(s505)을 따라 제2 솔레노이드밸브(504), 제1 유량조절밸브(505), 제1 매뉴얼 조절밸브(506) 및 샘플링밸브(521)를 거쳐 사용하면 된다.
[재생공정]
한편, 라인(s505)을 따라 유동하는 수소 중에서 일부분은 제2 유량조절 밸브(511), 제3 솔레노이드밸브(512) 및 제4 솔레노이드밸브(514)를 거쳐, 200℃ 이상 고온으로 작동하는 제2 흡착기(515, 재생공정)으로 공급되어 흡착제에서 흡착된 수분을 탈착한다. 그로 인해, 제2 흡착기(515, 재생공정)에서는 공급된 수소의 압력을 강하함과 더불어 흡착제에 흡착된 수분을 탈착시켜 공급된 수소에 수분을 함유시킨다.
[수소 순환공정]
제2 흡착기(515, 재생공정)를 통한 재생공정을 거친 후 라인(s512)을 따라 유동하는 수소는 압력 강하가 일어나고, 다량의 수분 및 수소를 가지고 있어, 경제성을 고려하면 수소의 순환이 필요하다. 이렇게 낮은 압력 및 수분을 가지는 수소는 제5 솔레노이드밸브(518), 전기화학적 수소 압축기(519), 냉각기(520) 및 수분제거기(512)를 거침에 따라 수분 0.1%를 가지게 되며, 이런 수분을 갖는 수소는 라인(s513)을 따라 혼합기(501)로 공급된다.
[솔레노이드 밸브의 운전]
도 5에서 정제공정은 제1 흡착기(503, 정제공정)에서 수분을 제거하는 공정이고, 재생공정은 제2 흡착기(515, 재생공정)에서 재생하는 공정이다. 제3 솔레노이드밸브(512)는 재생을 위해 수소를 공급하는 밸브로서 항상 운전상태에 있다. 한편, 솔레노이드밸브는 주기별로 밸브 상태가 On(가동) 또는 Off(가동 정지)를 가지는데, 그 작동상태는 다음과 같다.
제1 그룹이 On(가동)이면, 제2 그룹은 Off(가동 정지)이며, 제1 그룹이 Off(가동 정지)이면, 제2 그룹이 On(가동)이다. 제1 그룹의 솔레노이드 밸브는 제1 솔레노이드밸브(502), 제2 솔레노이드밸브(504), 제4 솔레노이드밸브(514), 제5 솔레노이드밸브(518)이다. 제2 그룹의 솔레노이드 밸브는 제6 솔레노이드밸브(517), 제7 솔레노이드밸브(516), 제8 솔레노이드밸브(513), 제9 솔레노이드밸브(523)이다.
도 6은 도 5에 도시된 전기화학적 수소 압축기의 원리를 나타내는 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 전기화학적 수소 압축기(도 5, 519)는 수소를 전기화학적으로 압축하여 고압의 수소가스를 만드는 것으로서, 도 1의 물 전기분해 반응의 원리와 유사하게 구성한 것이다.
이 실시예의 수소 압축기(도 5, 519)는 수분을 가지는 수소 가스(H2)를 압축하는 것으로서, 막전극접합체(600)(Membrane Electrode Assembly, 이하 "MEA"라 함)를 포함하여 구성된다. 상기 막전극접합체(600)는 제1 전기화학 반응층(620), 제2 전기화학 반응층(630), 막(610), 제1 확산층(602) 및 제2 확산층(612)으로 이루어진다. 제1 전기화학 반응층(620)은 제1 전기화학 촉매(604, 붉은색)와 제1 담체(606, 회색)로 구성되고, 제2 전기화학 반응층(630)은 제2 전기화학 촉매(614, 파랑색)와 제2 담체(616, 회색)로 구성된다.
제1 확산층(602)과 제2 확산층(612)은 제1, 제2 전기화학 촉매(604, 614)로(또는 에서) 전자와 반응물 또는 생성물의 이동을 돕는다. 제1, 제2 전기화학 촉매(604, 614))는 전기분해를 수행하는 가장 중요한 물질이며, 제1, 제2 담체(606, 616)는 제1, 제2 전기화학 촉매(604, 614)의 지지체 역할과 전자의 이동경로를 제공한다.
제1, 제2 전기화학 촉매(604, 614)는 제1, 제2 담체(606, 616), 바인더(Binder) 및 용매(Solvent)와 같이 혼합되어 슬러리(Slurry)나 페이스트(Paste) 상태로 만들어진 후, 막(610)에 도포하거나 또는 제1, 제2 확산층(602, 612)에 도포하여 제1, 제2 전기화학 반응층(620, 630)으로 만들어진다. 이때, 이와 같이 만들어진 "전기화학 반응층(620, 630)-막(610)" 또는 "전기화학 반응층(620, 630)-막(610)-확산층(602, 612)"을 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, 이하 "MEA"라 함)라고 한다.
도 6에 도시된 구성을 이용하여, 수소를 압축하는 과정을 설명하면 다음과 같다. 산화 반응이 일어나는 곳을 제1 전기화학 반응층(620)으로 하고, 환원 반응이 일어나는 곳을 제2 전기화학 반응층(630)으로 하며, 전기화학 반응은 산화 반응과 환원 반응들은 동시에 일어난다.
먼저, 수소와 불순물(H2, H2O)이 제1 확산층(602)을 거쳐 제1 전기화학 반응층(620)에 공급되면, 수소는 제1 전기화학 촉매(604)에서 아래 반응식 4과 같이 전자(e-)와 수소이온(H+)(프로톤)으로 분해된다. 수소이온(H+)은 전기장에 의해 막(610)을 통과하여 제2 전기화학 촉매(614)로 이동하며, 반응식 4에서 생성된 전자(e-)는 제1 전기화학 촉매(604)에서 제1 확산층(602), 외부회로(미도시)를 거쳐 제2 확산층(612), 제2 전기화학 촉매(614)로 이동한다.
한편, 제2 전기화학 촉매(614)에서는 제1 전기화학 촉매(604)에서 이동한 수소이온(H+)과 전자(e-)가 반응하여 반응식 5와 같이 수소가스(H2)가 생성된다.
제1 전기화학 촉매(604)와 제2 전기화학 촉매(614)에서 각각 일어난 전기화학적 반응을 표현하면 아래의 반응식 4 및 반응식 5와 같고, 전기화학 셀에서의 전체 반응(총괄 반응)은 반응식 6와 같다.
[반응식 4]
H2 → 2H+ + 2e-(양극)
[반응식 5]
2H+ + 2e- → H2 (음극)
[반응식 6]
(저압, 양극) H2 → H2 (고압, 음극)
이 실시예의 막(610)은 수소이온(프로톤) 전도성을 가지는 것이면 되는데, 불소계 고분자 전해질, 탄화수소계 고분자 전해질을 이용할 수 있다. 이때, 불소계 고분자 막으로는 예를 들면, 듀폰사의 Nafion(나피온, 등록상표), 아사히유리(주)의 Flemion(플레미온, 등록상표), 아사히카세이(주)의 Aciplex(아시플렉스, 등록상표), 고어사의 Gore Select(고어 셀렉트, 등록상표) 등이 이용될 수 있고, 탄화수소계 고분자 막으로는 설폰화 폴리에테르케톤, 설폰화 폴리에테르설폰, 설폰화 폴리에테르에테르설폰, 설폰화 폴리설파이드, 설폰화 폴리페닐렌 등의 전해질 막이 이용될 수 있다. 이들 중에서도 고분자막으로 듀폰사의 Nafion(등록상표)계 재료를 이용하는 것이 적합하다.
이 실시예의 제1, 제2 전기화학 반응층(620, 630)은 막(610)의 양면에 형성되는 것으로서, 촉매 잉크를 이용하여 형성된다. 제1 전기화학 반응층(620)을 위한 촉매 잉크는 적어도 제1 전기화학 촉매(604), 제1 담체(606), 고분자 전해질 및 용매를 포함하고, 제2 전기화학 반응층(630)을 위한 촉매 잉크는 적어도 제2 전기화학 촉매(614), 제2 담체(616), 고분자 전해질 및 용매를 포함한다.
이 실시예의 촉매 잉크에 포함되는 고분자 전해질로는 프로톤 전도성을 갖는 불소계 고분자 전해질, 탄화수소계 고분자 전해질 등이 이용될 수 있다. 그리고, 불소계 고분자 전해질로는 예를 들면, 듀폰사의 Nafion(등록상표)계 재료 등이 이용될 수 있고, 탄화수소계 고분자 전해질로는 설폰화 폴리에테르케톤, 설폰화 폴리에테르설폰, 설폰화 폴리에테르에테르설폰, 설폰화폴리설파이드, 설폰화 폴리페닐렌 등의 전해질이 이용될 수 있다. 그 중에서도 제1, 제2 전기화학 반응층(620, 630)과의 밀착성을 고려하면, 막(610)과 동일한 재료를 이용하는 것이 바람직하다.
이 실시예에서 이용하는 제1, 제2 전기화학 촉매(604, 614)로는 백금이나 팔라듐, 루테늄, 이리듐, 로듐, 오스뮴의 백금족 원소 외, 철, 납, 구리, 크롬, 코발트, 니켈, 망간, 바나듐, 몰리브덴, 갈륨, 알루미늄 등의 금속 또는 이들의 합금, 또는 산화물, 복산화물(複酸化物) 등이 사용될 수 있는데, 전극 반응성이 뛰어나고, 전극 반응을 효율적으로 안정되게 장기간 사용하기 위해 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄 및 이리듐에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속 또는 산화물이 사용되는 게 바람직하다.
이 실시예의 제1, 제2 전기화학 촉매(604, 614)는 입경이 너무 크면 촉매의 활성이 저하하고, 입경이 너무 작으면 촉매의 안정성이 저하하기 때문에, 입경은 0.5~20㎚가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1~5㎚이다.
한편, 촉매를 담지하는 담체(또는 담지체)(606, 616)는 전자 전도성의 분말로 티타늄산화물, 카본 입자가 사용된다. 이들 담체는 미립자 형상으로 도전성을 가지고, 또한 촉매에 침범되지 않는 것이면 어떠한 것이 사용되더라도 상관은 없으나, 티타늄 산화물, 카본블랙, 그래파이트, 흑연, 활성탄, 카본 파이버, 카본 나노튜브, 풀러린(fullerene)이 사용되는 게 바람직하다.
그리고, 담체(606, 616)는 입경이 너무 작으면 전자 전도 패스(electron conductive path)가 형성되기 어려워지고, 입경이 너무 크면 담체 위에 형성된 전극 촉매층으로의 가스 확산성이 저하하거나 촉매의 이용률이 저하하므로, 입경은 10~1,000㎚가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10~100㎚이다.
아래에서는 이 발명의 실시예에 따른 MEA의 제조방법에 대해 설명한다.
제1 공정 : 막(610)의 전처리 공정
막(610)은 금속 전구체 용액에 일정시간 동안 침적시킨 후 환원 과정을 거쳐 막(610) 위에 전자전도 기능을 갖는 금속 박막층을 형성시킨다. 이때, 금속 박막층의 두께는 침적 환원 과정을 반복하여 형성시킨다. 이에 대한 자세한 과정은 후술하기로 한다.
제2 공정 : 제1, 제2 전기화학 반응층(620, 630)의 형성 공정
제2 공정은 제1 공정에서 얻은 막(610) 위에 제1, 제2 전기화학 반응층(620, 630)을 형성시키는 공정으로 촉매 합성 공정, 촉매 잉크 제조 공정, 촉매 잉크 전사 공정, 및 열압착 공정으로 구성된다. 상기 촉매 합성 공정은 원하는 촉매의 전구체와 산화제와의 반응을 통하여 혼합 산화물을 얻고, 이를 건조하여 분말 구조의 전기화학 촉매를 얻는 공정이고, 촉매 잉크 제조 공정은 촉매 합성 공정에서 합성한 전기화학 촉매와 분체, 분산제, 막(610) 재질의 바인더 등을 혼합한 촉매잉크를 제조하는 공정이다. 또한, 촉매 잉크 전사 공정은 촉매 잉크 제조 공정에서 제조된 촉매 잉크를 스프레이 등을 이용하여 테프론 시트위에 전사한 후 건조하는 공정이고, 열압착 공정은 제1 공정에서 얻어진 막(610)의 양면에 촉매 잉크 전사 공정에서 얻어진 테프론 시트를 고착한 후, 이를 핫프레스 등을 이용하여 열압착하는 공정이다. 이에 대한 자세한 과정은 후술하기로 한다.
전기화학 셀의 구조는 도 2를 사용한다. 이 실시예의 전기화학 셀은 제1 엔드플레이트, 제1 절연판, 제1 전기화학 반응실 프레임, 제1 전기화학 반응실, MEA, 제2 전기화학 반응실, 제2 전기화학 반응실 프레임, 제2 절연판, 및 제2 엔드플레이트로 구성되며, 전기화학 셀을 구동하기 위해 직류전원 공급장치가 전력변환장치로 사용된다.
아래에서는 이 실시예의 발명예들에 대한 전기화학적 수소 압축기용 막전극접합체의 제조방법에 대해 구체적으로 설명함과 더불어 실험결과에 대해 설명한다. 하지만, 이 발명이 아래의 발명예들로 한정되는 것은 아니다.
[발명예 1]
수소 압축용 전기화학 셀을 제작 평가한 후, 수소 발생기 시스템(400)과 도 5의 수소 정제장치(500)에 적용하였다.
1. 일반적 MEA 공정을 이용한 전기화학적 수소 압축기의 제작
(1) 수소 압축기용 MEA(600) 제조 공정
제1, 제2 전기화학 반응층(620, 630)의 형성 공정은 제1 공정의 막(610) 위에 형성하는 공정으로서, 잉크 제조 공정, 잉크 전사 공정, 및 열압착 공정으로 구성된다.
(1-1) 제1, 제2 전기화학 촉매(604, 614)의 합성 공정
제1, 제2 전기화학 촉매(604, 614)는 상용화된 Pt/C(Premetek사, 백금담질량 30%)를 사용하였다.
(1-2) 제1, 제2 전기화학 촉매(604, 614)의 잉크 제조 공정
제1, 제2 전기화학 촉매(604, 614)로 Pt/C(Premetek사, 백금담질량 30%), 바인더로 나피온 용액(등록상품, 듀폰사)을 사용하였다. 사용된 촉매와 Nafion 용액은 고체 중량 대비 1:7.5가 되도록 이소프로필 알코올 용매에 혼합하였다. 촉매의 분산을 위하여 교반과 초음파를 번갈아 1시간씩 2번 처리하였다.
(1-3) 제1, 제2 전기화학 촉매(604, 614)의 전사 공정
제1-2 공정에서 얻은 잉크를 전기방사(Electrospray) 전용 주사기에 옮기고, 카본 시트에 전사한 후 대기 분위기 중 90℃에서 30분간 건조시킴으로써 전기화학 촉매층을 제작하였다. 전기화학 반응층의 두께는 산화물 촉매 담지량이 약 1㎎/㎠가 되도록 조절하였다.
(1-4) 열압착 공정
상기에서 제작된 제1, 제2 전기화학 촉매(604, 614)는 각각으로 막(610)의 일측 및 반대쪽 각각의 표면에 120℃의 조건에서 10MPa의 압력으로 2분 동안 열압착 처리를 하여 도 6에 도시한 것과 같은 MEA(600)를 얻었다.
2. 평가용 전기화학 셀 및 평가 시스템
평가용 전기화학 셀을 구성함에 있어서는 발명예 1의 MEA에 카본 파이버 섬유를 제1, 제2 확산층(602, 612)으로 끼워 지지하도록 붙여 구성하였다.
도 4에서와 같이 전기분해 셀(또는 스택)에서 발생하는 수소를 수소-물 분리기(424)에서 분리한 후 전기화학적 수소 압축기에 공급하였고, 온도는 50℃(도 4의 416 온도센서)를 유지했고, 전기분해 셀의 전류-전압, 수소 입력, 수소 출구에서의 압력을 측정하였다.
3. 측정 결과
도 7은 발명예 1에 의해 제작된 전기화학적 수소 압축기에 대한 수소 압축 효과와 압축시 에너지 소비량을 각각 나타낸 것이다. 도 7의 (가)에서 알 수 있듯이, 음극의 수소압력이 양극의 수소압력보다 높음을 알 수 있다. 이는 발명예 1에 의해 제작된 전기화학적 수소 압축기를 이용할 경우, 수소 압축 효과가 우수함을 의미한다. 또한, 도 7의 (나)에서 알 수 있듯이, 전류의 변화에 따른 전압값의 변화가 일정함을 알 수 있다. 이는 발명예 1에 의해 제작된 전기화학적 수소 압축기를 이용할 경우, 전기에너지 소비량이 일정하여 저에너지로 수소를 고압으로 압축할 수 있음을 의미한다.
[발명예 2]
1. 백금층을 막에 직접 형성한 MEA 공정을 이용한 전기화학적 수소 압축기의 제작
가. MEA(600) 제조
(1) 제1 공정 : 막(610)을 염화백금화물((NH3)4PtCl2*H2O) 전구체 용액에 5 시간 동안 침적시킨다. 침적과정을 거친 고분자 전해질 막을 순수로 세척하고, 금속 전구체를 환원시키기 위해 NaBH4 용액을 적용하여 환원시킨다. 환원이 끝난 전자층을 갖는 고분자 전해질 막은 90℃에서 NaOH 용액에 1시간 동안 담가서 처리한 후 순수로 다시 세척하여 상기의 함침 환원 과정을 원하는 수 만큼 반복하여 막(610) 위에 백금층을 형성한다.
2. 평가용 전기화학 셀 및 평가 시스템
발명예 1과 동일하게 평가하였다.
3. 측정 결과
도 8은 발명예 2에 의해 제작된 전기화학적 수소 압축기에 대한 수소 압축 효과와 압축시 에너지 소비량을 각각 나타낸 것이다. 도 8의 (가)에서 알 수 있듯이, 음극의 수소압력이 양극의 수소압력보다 높음을 알 수 있다. 이는 발명예 2에 의해 제작된 전기화학적 수소 압축기를 이용할 경우, 수소 압축 효과가 우수함을 의미한다. 또한, 도 8의 (나)에서 알 수 있듯이, 전류의 변화에 따른 전압값의 변화가 일정함을 알 수 있다. 이는 발명예 2에 의해 제작된 전기화학적 수소 압축기를 이용할 경우, 전기에너지 소비량이 일정하여 저에너지로 수소를 고압으로 압축할 수 있음을 의미한다.
상술한 발명예들을 통해 알 수 있듯이, 이 발명은 전기화학적 수소 압축기를 이용할 경우 저에너지로 수소를 고압으로 압축이 가능하다. 이는 기존의 수소 정제 공정에 적용중인 기계식 압축기를 이 발명의 전기화학적 수소 압축기로 대체 적용이 가능해 장치의 컴팩트화와 에너지 비용의 절감이 가능하다.
이상에서 이 발명의 물 전기분해를 이용한 수소 생산 시스템에서의 수소 정제장치에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이다. 따라서, 이 발명이 상기에 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 이 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 그러한 변형예 또는 수정예들 또한 이 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.
500 : 수소 정제장치 501 : 혼합기
503 : 제1 흡착기 515 : 제2 흡착기
519 : 전기화학적 수소 압축기
520 : 냉각기 521 : 수분제거기
600 : MEA 602 : 제1 확산층
604 : 제1 전기화학 촉매 606 : 제1 담체
610 : 막 612 : 제2 확산층
614 : 제2 전기화학 촉매 616 : 제2 담체
620 : 제1 전기화학 반응층 630 : 제2 전기화학 반응층

Claims (6)

  1. 물 전기분해를 이용한 수소 생산 시스템에서의 수소 정제장치로서,
    수분이 함유된 수소를 공급받아 열교환시키는 혼합기와,
    상기 혼합기를 통해 냉각된 후 일부 수분이 제거된 수소를 공급받아 수분을 완전히 흡착 제거하여 수소의 순도를 높이는 제1 흡착기와,
    상기 제1 흡착기에서 정제된 수소의 일부분을 공급받아 압력을 강하함과 더불어 흡착제에 흡착된 수분을 탈착시켜 공급된 수소에 수분을 함유하도록 하는 제2 흡착기와,
    상기 제2 흡착기에 의해 낮은 압력 및 수분을 함유하는 수소를 고압으로 압축하는 전기화학적 수소 압축기와,
    상기 전기화학적 수소 압축기에서 고압으로 압축된 수소를 냉각하는 냉각기, 및
    상기 냉각기에서 냉각된 수소에 함유된 수분의 일부분을 제거한 후 상기 혼합기에 공급하는 수분제거기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 정제장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기화학적 수소 압축기는 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly)를 포함하며,
    상기 막전극접합체는 고분자 전해질 막과, 상기 고분자 전해질 막의 일측에 형성되어 산화반응이 일어나는 제1 전기화학 반응층과, 상기 고분자 전해질 막의 타측에 형성되어 환원반응이 일어나는 제2 전기화학 반응층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 정제장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1, 제2 전기화학 반응층은 전기화학 촉매를 각각 포함하며,
    상기 전기화학 촉매는 백금, 팔라듐, 루테늄, 이리듐, 로듐, 오스뮴의 백금족 원소, 철, 납, 구리, 크롬, 코발트, 니켈, 망간, 바나듐, 몰리브덴, 갈륨 및 알루미늄 중 어느 하나의 금속, 이들의 합금, 산화물 및 복산화물 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 수소 정제장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전기화학 촉매는 0.5 ~ 20㎚의 입경을 갖는 것을 특징으로 하는 수소 정제장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1, 제2 전기화학 반응층은 담체를 각각 포함하며,
    상기 담체는 티타늄 산화물, 카본블랙, 그래파이트, 흑연, 활성탄, 카본 파이버, 카본 나노튜브 및 풀러린 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 수소 정제장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 담체는 10 ~ 1,000㎚의 입경을 갖는 것을 특징으로 하는 수소 정제장치.
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