KR102487921B1 - Tubular heat exchanger for water electrolysis stacks and systems for recovery and increased hydrogen purity - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 회수 및 발생 수소 순도증가를 위한 수전해 스택 및 시스템용 관형 열교환기에 관한 것이다.The present invention relates to a tubular heat exchanger for a water electrolysis stack and system for recovering and increasing the purity of generated hydrogen.
전세계적으로 탄소중립 선언과 수소사회로의 진입을 준비하면서 수소생산방법에 관련하여 많은 관심을 가지고 있다. 수소생산방법에 따라 수소를 크게 3가지로 분류하고 있다. As the world prepares for the declaration of carbon neutrality and entry into the hydrogen society, there is a lot of interest in the hydrogen production method. According to the hydrogen production method, hydrogen is largely classified into three types.
1) 화석연료를 사용하여 생산되는 ‘그레이수소’1) ‘Gray Hydrogen’ produced using fossil fuels
2) ‘그레이수소’에서 이산화탄소 포집을 통해 생산된 ‘블루수소’2) ‘Blue Hydrogen’ produced through carbon dioxide capture in ‘Gray Hydrogen’
3) 전 주기적으로 이산화탄소 배출이 없는 ‘그린수소’3) ‘Green hydrogen’ that does not emit carbon dioxide on a regular basis
이 중 ‘그린수소’를 생산하는 방법은 수전해 기술과 관련되어 있고, ‘그린수소’는 물의 전기분해를 통해 얻어지는 수소로, 신재생에너지(태양광, 풍력 등)를 통해 얻은 전기에너지를 물에 가해 수소와 산소를 생산하는 ‘궁극적인 친환경 수소 생산기술이다. Among them, the method of producing 'green hydrogen' is related to water electrolysis technology, and 'green hydrogen' is hydrogen obtained through electrolysis of water, and electric energy obtained through renewable energy (solar light, wind power, etc.) It is an 'ultimate eco-friendly hydrogen production technology' that produces hydrogen and oxygen.
수전해 스택은 공급된 전기에너지를 통해 수소와 산소를 발생하는 장치로 이론적으로는 순수한 물이 공급되어 순수수소와 순수산소만을 배출하게 된다. The water electrolysis stack is a device that generates hydrogen and oxygen through supplied electrical energy. In theory, pure water is supplied to emit only pure hydrogen and pure oxygen.
하지만 스택의 작동특성과 성능향상, DIW의 정제 한계로 인하여 배출되는 생산물은 여러 가지 불순물을 포함(수소의 순도: 99.5%~99.9%)하고, 시스템 내에 별도의 수소정제장치를 추가하여 순수한 수소를 생산하고 있다. 여기서 발생하는 수소의 불순물 중 높은 비중을 차지하는 물질은 수분이다.However, due to the operational characteristics and performance improvement of the stack and the limitation of DIW purification, the discharged product contains various impurities (hydrogen purity: 99.5% to 99.9%), and a separate hydrogen purification device is added in the system to obtain pure hydrogen. are producing Among the impurities of hydrogen generated here, a substance that accounts for a high specific gravity is moisture.
따라서 스택을 통해 발생하는 수소가 포함하고 있는 수분을 포집하고 열 회수 효율을 향상시키기 위한 장비 및 시스템에 대한 니즈가 높아지고 있는 실정이다.Therefore, there is a growing need for equipment and systems for collecting moisture contained in hydrogen generated through the stack and improving heat recovery efficiency.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 수전해 스택에서 발생하는 수소 순도증가와 폐열 활용을 위한 수전해 스택용 관형 열교환기를 사용자에 제공하는 것이다.Therefore, the present invention has been made to solve the above problems, and the problem to be solved by the present invention is to provide a user with a tubular heat exchanger for a water electrolysis stack for increasing the purity of hydrogen generated in a water electrolysis stack and utilizing waste heat. will be.
본 발명은 스택에서 발생하는 수소가 포함하고 있는 수분을 제올라이트 수분 흡착제가 흡착하여 수소의 순도가 높아지고, 폐열의 열 회수가 동시에 가능한 장치 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a device and system capable of simultaneously increasing the purity of hydrogen and recovering waste heat by adsorbing moisture contained in hydrogen generated in a stack by a zeolite moisture adsorbent.
본 발명은 반응수를 이용한 생성물의 열 회수를 통해 반응수 온도상승을 위한 시스템의 소비 동력을 저감하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to reduce power consumption of a system for raising the temperature of reaction water through heat recovery of a product using reaction water.
본 발명은 수분 제거를 통해 발생 수소의 순도를 증가시키고, 열교환으로 인한 수소의 온도 감소로 수분 흡착제의 성능을 증가시키는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to increase the purity of generated hydrogen through moisture removal and to increase the performance of a moisture adsorbent by reducing the temperature of hydrogen due to heat exchange.
즉, 본 발명은 발생하는 수소가 포함하고 있는 수분을 포집하고 열 회수 효율 향상을 위해 관형 열교환기에 수분 흡착제를 넣어 수전해 스택 및 시스템에 적용하는 것을 목적으로 하고, 열교환을 통해 발생 수소의 온도를 낮추면 수분 흡착제에 흡착되는 수분의 양이 증가하여 온도가 낮아질수록 수소의 순도가 상승하게 된다.That is, the object of the present invention is to collect moisture contained in generated hydrogen and to apply it to a water electrolysis stack and system by putting a moisture adsorbent in a tubular heat exchanger to improve heat recovery efficiency, and to increase the temperature of generated hydrogen through heat exchange. When lowered, the amount of moisture adsorbed to the moisture adsorbent increases, and as the temperature decreases, the purity of hydrogen increases.
다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical problems not mentioned will be clear to those skilled in the art from the description below. You will be able to understand.
상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일예와 관련된 관형 열교환기는, 유체가 입력되는 일단 및 상기 유체가 배출되는 타단을 구비하고, 코일 (coil)의 형태인 유체 이동부; 상기 유체 이동부가 내부에 배치되고, 상기 유체 이동부의 일단이 삽입되기 위한 제 1-1 영역 및 상기 유체 이동부의 타단이 삽입되기 위한 제 1-2 영역을 구비하고, 기체가 입력되는 제 2-1 영역 및 상기 기체가 배출되는 제 2-2 영역을 구비하는 바디부; 및 상기 바디부 내부 영역 중 상기 유체 이동부가 배치된 제 1 공간을 제외한 제 2 공간에 배치되는 복수의 수분흡착제;를 포함하고, 수전해 스택 (Stack)에서 물의 전기분해를 진행하기 위해, 상기 제 1-1 영역을 통해 유입된 물이 상기 제 1-2 영역으로 배출되어 상기 수전해 스택 (Stack)에 공급되고, 상기 수전해 스택에서 상기 전기분해를 통해 획득된 수소가 상기 제 2-1 영역으로 입력되며, 상기 제 2-1 영역으로 입력된 수소가 상기 제 2-2 영역으로 이동하고, 상기 이동 과정에서 상기 수분흡착제와 접촉하여 잔존하는 수분이 흡수되고, 상기 잔존하는 수분이 제거된 수소가 상기 제 2-2 영역으로 배출될 수 있다.A tubular heat exchanger related to one embodiment of the present invention for realizing the above object has one end into which fluid is input and the other end through which the fluid is discharged, and includes a fluid movement unit in the form of a coil (coil); The fluid moving unit is disposed inside, and has a 1-1 area into which one end of the fluid moving unit is inserted and a 1-2 area into which the other end of the fluid moving unit is inserted, and a 2-1 th area into which gas is input. a body having an area and a 2-2 area through which the gas is discharged; and a plurality of moisture adsorbents disposed in a second space of the inner region of the body, excluding the first space in which the fluid moving unit is disposed, to perform electrolysis of water in a water electrolysis stack. Water introduced through the 1-1 region is discharged to the 1-2 region and supplied to the water electrolysis stack, and hydrogen obtained through the electrolysis in the water electrolysis stack is stored in the 2-1 region. Hydrogen input into the 2-1 area moves to the 2-2 area, and in the process of moving, the remaining moisture is absorbed in contact with the moisture absorbent, and the hydrogen from which the remaining moisture is removed. may be discharged to the 2-2 area.
또한, 상기 제 1-1 영역을 통해 유입된 물은, 상기 제 2-1 영역으로 입력되어 상기 제 2-2 영역으로 배출되는 수소의 열을 통해 가열되어 상기 제 1-2 영역으로 배출되고, 상기 물의 온도 상승을 통해, 상기 수전해 스택에서의 상기 전기분해 효율이 증가될 수 있다.In addition, the water introduced through the 1-1 region is heated through the heat of hydrogen input into the 2-1 region and discharged to the 2-2 region, and discharged to the 1-2 region; Through the temperature increase of the water, the electrolysis efficiency in the water electrolysis stack may be increased.
또한, 상기 물의 온도 상승에 따라 상기 제 2-1 영역으로 입력되어 상기 제 2-2 영역으로 이동되는 수소의 온도는 낮아지고, 상기 수소의 온도 하강을 통해, 상기 수분흡착제의 수분 흡수 효율이 증가될 수 있다.In addition, as the temperature of the water rises, the temperature of hydrogen input into the 2-1 region and moved to the 2-2 region decreases, and the water absorption efficiency of the moisture absorbent increases through the temperature decrease of the hydrogen. It can be.
또한, 선택적으로 상기 제 2-2 영역이 상기 기체가 입력되는 영역으로 사용되고, 상기 제 2-1 영역이 상기 기체가 배출되는 영역으로 사용될 수 있다.Alternatively, the 2-2 area may be used as an area where the gas is input, and the 2-1 area may be used as an area where the gas is discharged.
또한, solid oxide steam electrolyser (SOEC) 방식으로 상기 수소가 상기 수전해 스택에서 상기 전기분해를 통해 획득되는 경우, 상기 제 2-2 영역이 상기 기체가 입력되는 영역으로 사용되고, 상기 제 2-1 영역이 상기 기체가 배출되는 영역으로 사용될 수 있다.In addition, when the hydrogen is obtained through the electrolysis in the water electrolysis stack in a solid oxide steam electrolyser (SOEC) method, the 2-2 region is used as a region where the gas is input, and the 2-1 region This gas can be used as an area to be discharged.
또한, 상기 바디부는 단열재로 구현되거나 상기 단열재가 부착되는 형태로 구현되고, 상기 유체 이동부는 열전도율 향상을 위해 동관으로 구현될 수 있다.In addition, the body part may be implemented as a heat insulating material or implemented in a form to which the heat insulating material is attached, and the fluid moving part may be implemented as a copper pipe to improve thermal conductivity.
또한, 상기 복수의 수분흡착제는 다공성 구조를 가질 수 있다.In addition, the plurality of moisture absorbents may have a porous structure.
또한, 상기 수소의 온도 하강 및 상기 물의 온도 상승은, 상기 유체 이동부 및 상기 바디부의 길이 (length), 너비 (width) 및 높이 (height) 중 적어도 하나의 치수 변경을 통해 조절 가능할 수 있다.In addition, the decrease in temperature of the hydrogen and the increase in the temperature of the water may be adjustable by changing at least one dimension of the length, width, and height of the fluid moving part and the body part.
또한, 상기 수소의 온도 하강 및 상기 물의 온도 상승 변화는, 상기 바디부의 길이와 상기 제 2-1 영역 및 제 2-2 영역의 너비에 비례할 수 있다.In addition, the temperature drop of the hydrogen and the temperature rise of the water may be proportional to the length of the body and the widths of the 2-1 and 2-2 regions.
또한, 상기 수소의 온도 하강 및 상기 물의 온도 상승 변화는, 상기 유체 이동부의 길이, 너비 및 높이에 비례하고, 상기 코일 형태의 유체 이동부의 권선수에 비례하며, 상기 동관 형태의 유체 이동부 중 상기 유체가 이동하는 공간을 제외한 영역의 두께에 반비례할 수 있다.In addition, the temperature drop of the hydrogen and the change in the temperature rise of the water are proportional to the length, width, and height of the fluid moving unit and proportional to the number of windings of the coil-shaped fluid moving unit, and the copper tube-shaped fluid moving unit It may be in inverse proportion to the thickness of the area excluding the space where the fluid moves.
또한, 상기 바디부의 전체 길이 중 상기 제 2-1 영역 및 상기 제 2-2 영역을 제외한 길이가 L1이고, 상기 제 2-1 영역 및 상기 제 2-2 영역의 너비가 d1인 경우, 상기 복수의 수분흡착제는, 상기 바디부의 전체 부피 중 
한편, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 다른 일예와 관련된 유체가 입력되는 일단 및 상기 유체가 배출되는 타단을 구비하고, 코일 (coil)의 형태인 유체 이동부; 상기 유체 이동부가 내부에 배치되고, 상기 유체 이동부의 일단이 삽입되기 위한 제 1-1 영역 및 상기 유체 이동부의 타단이 삽입되기 위한 제 1-2 영역을 구비하고, 기체가 입력되는 제 2-1 영역 및 상기 기체가 배출되는 제 2-2 영역을 구비하는 바디부; 및상기 바디부 내부 영역 중 상기 유체 이동부가 배치된 제 1 공간을 제외한 제 2 공간에 배치되는 복수의 수분흡착제;를 포함하는 관형 열교환기의 제어방법에 있어서, 수전해 스택 (Stack)에서 물의 전기분해를 진행하기 위해, 상기 제 1-1 영역을 통해 유입된 물이 상기 제 1-2 영역으로 배출되어 상기 수전해 스택 (Stack)에 공급되는 제 1 단계; 상기 수전해 스택에서 상기 전기분해를 통해 획득된 수소가 상기 제 2-1 영역으로 입력되는 제 2 단계; 상기 제 2-1 영역으로 입력된 수소가 상기 제 2-2 영역으로 이동하고, 상기 이동 과정에서 상기 수분흡착제와 접촉하여 잔존하는 수분이 흡수되는 제 3 단계; 및 상기 잔존하는 수분이 제거된 수소가 상기 제 2-2 영역으로 배출되는 제 4 단계;를 포함하고, 상기 제 1-1 영역을 통해 유입된 물이 상기 제 2-1 영역으로 입력되어 상기 제 2-2 영역으로 배출되는 수소의 열을 통해 가열되어 상기 제 1-2 영역으로 배출되고, 상기 물의 온도 상승을 통해, 상기 수전해 스택에서의 상기 전기분해 효율이 증가되며, 상기 물의 온도 상승에 따라 상기 제 2-1 영역으로 입력되어 상기 제 2-2 영역으로 이동되는 수소의 온도는 낮아지고, 상기 수소의 온도 하강을 통해, 상기 수분흡착제의 수분 흡수 효율이 증가될 수 있다.On the other hand, having one end to which the fluid is input and the other end to which the fluid is discharged related to another example of the present invention for realizing the above object, the fluid moving unit in the form of a coil (coil); The fluid moving unit is disposed inside, and has a 1-1 area into which one end of the fluid moving unit is inserted and a 1-2 area into which the other end of the fluid moving unit is inserted, and a 2-1 th area into which gas is input. a body having an area and a 2-2 area through which the gas is discharged; And A plurality of moisture absorbents disposed in a second space other than the first space in which the fluid moving unit is disposed among the inner regions of the body part; A first step of discharging the water introduced through the 1-1 region to the 1-2 region and supplying the water to the water electrolysis stack to proceed with decomposition; a second step of inputting hydrogen obtained through the electrolysis in the water electrolysis stack to the 2-1 region; a third step in which the hydrogen input to the 2-1 area moves to the 2-2 area, and in the process of moving, the hydrogen remaining in contact with the moisture absorbent is absorbed; and a fourth step of discharging hydrogen from which the remaining moisture has been removed to the 2-2 area, wherein the water introduced through the 1-1 area is input to the 2-1 area and It is heated through the heat of hydrogen discharged to the 2-2 area and discharged to the 1-2 area, and the electrolysis efficiency in the water electrolysis stack is increased through the temperature rise of the water, and the temperature rise of the water Accordingly, the temperature of hydrogen input into the 2-1 region and moved to the 2-2 region is lowered, and through the temperature drop of the hydrogen, the moisture absorption efficiency of the moisture absorbent may be increased.
본 발명은 수전해 스택에서 발생하는 수소 순도증가와 폐열 활용을 위한 수전해 스택용 관형 열교환기를 사용자에 제공할 수 있다The present invention can provide a user with a tubular heat exchanger for a water electrolysis stack for increasing the purity of hydrogen generated in the water electrolysis stack and utilizing waste heat.
본 발명은 스택에서 발생하는 수소가 포함하고 있는 수분을 제올라이트 수분 흡착제가 흡착하여 수소의 순도가 높아지고, 폐열의 열 회수가 동시에 가능한 장치 및 시스템을 제공할 수 있다.The present invention can provide a device and system capable of simultaneously increasing the purity of hydrogen and recovering waste heat by adsorbing moisture contained in hydrogen generated in a stack by a zeolite moisture adsorbent.
또한, 본 발명은 반응수를 이용한 생성물의 열 회수를 통해 반응수 온도상승을 위한 시스템의 소비 동력을 줄일 수 있다.In addition, the present invention can reduce the consumption power of the system for raising the temperature of the reaction water through the heat recovery of the product using the reaction water.
또한, 본 발명은 수분 제거를 통해 발생 수소의 순도를 증가시키고, 열교환으로 인한 수소의 온도 감소로 수분 흡착제의 성능을 증가시킬 수 있다.In addition, the present invention can increase the purity of generated hydrogen through moisture removal and increase the performance of the moisture adsorbent by reducing the temperature of hydrogen due to heat exchange.
즉, 본 발명은 발생하는 수소가 포함하고 있는 수분을 포집하고 열 회수 효율 향상을 위해 관형 열교환기에 수분 흡착제를 넣어 수전해 스택 및 시스템에 적용하는 것을 목적으로 하고, 열교환을 통해 발생 수소의 온도를 낮추면 수분 흡착제에 흡착되는 수분의 양이 증가하여 온도가 낮아질수록 수소의 순도가 상승하게 된다.That is, the object of the present invention is to collect moisture contained in generated hydrogen and to apply it to a water electrolysis stack and system by putting a moisture adsorbent in a tubular heat exchanger to improve heat recovery efficiency, and to increase the temperature of generated hydrogen through heat exchange. When lowered, the amount of moisture adsorbed to the moisture adsorbent increases, and as the temperature decreases, the purity of hydrogen increases.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. You will be able to.
도 1a는 알칼라인 수전해 모식도이고, 도 1b는 PEM 수전해 모식도이며, 도 1c는 AEM 수전해 모식도이고, 도 1d는 SOEC 수전해 모식도이다.
도 2는 본 발명과 관련하여, 유체 이동부가 내부에 배치되고, 기체가 입력되어 배출되는 영역을 구비한 바디부를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명과 관련하여, 유체가 입력 및 배출되는 공간을 구비하고, 코일 (coil)의 형태인 유체 이동부를 도시한 것이다.
도 4a는 본 발명과 관련된 다양한 제올라이트 구조를 도시한 것이고, 도 4b는 바디부 내부에 배치되는 복수의 수분흡착제를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명과 관련하여, 다공성 구조의 수분 흡착 모습의 일례를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 관형 열교환기의 단면도 일례를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명과 관련하여, 관형 열교환기의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명과 관련하여, 실험을 통해 측정한 온도변화에 따른 제올라이트의 수분 흡착량을 나타낸 것이다.
도 9a는 향류 흐름이 적용된 열교환기로 활용하다가 필요에 따라 급격한 온도변화를 위해 병류 흐름으로 적용가능한 일례를 도시한 것이다.
도 9b는 본 발명과 관련된 열 교환 방법에 따른 온도 변화 및 범위를 도시한 것이다.1A is a schematic diagram of alkaline water electrolysis, FIG. 1B is a schematic diagram of PEM water electrolysis, FIG. 1C is a schematic diagram of AEM water electrolysis, and FIG. 1D is a schematic diagram of SOEC water electrolysis.
FIG. 2 illustrates a body having a region in which a fluid moving unit is disposed and gas is input and discharged, in relation to the present invention.
FIG. 3 shows a fluid moving unit in the form of a coil and having a space through which fluid is input and discharged, in relation to the present invention.
Figure 4a shows various zeolite structures related to the present invention, and Figure 4b shows a plurality of moisture absorbents disposed inside the body.
5 shows an example of moisture adsorption of a porous structure in relation to the present invention.
6 shows an example of a cross-sectional view of a tubular heat exchanger according to the present invention.
7 is a view for explaining the operation of the tubular heat exchanger in relation to the present invention.
8 shows the moisture adsorption amount of zeolite according to the temperature change measured through the experiment in relation to the present invention.
FIG. 9A shows an example in which a countercurrent flow is applied as a heat exchanger and then a cocurrent flow is applied for rapid temperature change as needed.
Figure 9b shows the temperature change and range according to the heat exchange method related to the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. However, since the description of the present invention is only an embodiment for structural or functional description, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described in the text. That is, since the embodiment can be changed in various ways and can have various forms, it should be understood that the scope of the present invention includes equivalents capable of realizing the technical idea. In addition, since the object or effect presented in the present invention does not mean that a specific embodiment should include all of them or only such effects, the scope of the present invention should not be construed as being limited thereto.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.The meaning of terms described in the present invention should be understood as follows.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.Terms such as "first" and "second" are used to distinguish one component from another, and the scope of rights should not be limited by these terms. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element. It should be understood that when an element is referred to as “connected” to another element, it may be directly connected to the other element, but other elements may exist in the middle. On the other hand, when an element is referred to as being “directly connected” to another element, it should be understood that no intervening elements exist. Meanwhile, other expressions describing the relationship between components, such as “between” and “immediately between” or “adjacent to” and “directly adjacent to” should be interpreted similarly.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions should be understood to include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise, and terms such as “comprise” or “having” refer to a described feature, number, step, operation, component, part, or It should be understood that it is intended to indicate that a combination exists, and does not preclude the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, unless defined otherwise. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as consistent with meanings in the context of related art, and cannot be interpreted as having ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present invention.
종래기술 및 종래기술의 문제점Prior art and prior art problems
전세계적으로 탄소중립 선언과 수소사회로의 진입을 준비하면서 수소생산방법에 관련하여 많은 관심을 가지고 있다. 수소생산방법에 따라 수소를 크게 3가지로 분류하고 있다. As the world prepares for the declaration of carbon neutrality and entry into the hydrogen society, there is a lot of interest in the hydrogen production method. According to the hydrogen production method, hydrogen is largely classified into three types.
1) 화석연료를 사용하여 생산되는 ‘그레이수소’1) ‘Gray Hydrogen’ produced using fossil fuels
2) ‘그레이수소’에서 이산화탄소 포집을 통해 생산된 ‘블루수소’2) ‘Blue Hydrogen’ produced through carbon dioxide capture in ‘Gray Hydrogen’
3) 전 주기적으로 이산화탄소 배출이 없는 ‘그린수소’3) ‘Green hydrogen’ that does not emit carbon dioxide on a regular basis
여기서, 그린수소는 태양광이나 풍력 등 재생에너지에서 나온 전기로 물을 전기분해하여 생산한 수소를 의미하고, 그레이수소는 천연가스를 고온·고압 수증기와 반응시키는 개질수소와 석유화학 공정에서 발생하는 부생수소를 의미하며, 블루수소는 그레이수소를 만드는 과정에서 발생한 이산화탄소를 포집·저장하여 탄소 배출을 줄인 수소를 말한다.Here, green hydrogen refers to hydrogen produced by electrolysis of water with electricity from renewable energy such as solar or wind power, and gray hydrogen is reformed hydrogen that reacts natural gas with high-temperature and high-pressure steam and is generated from petrochemical processes. It refers to by-product hydrogen, and blue hydrogen refers to hydrogen that reduces carbon emissions by capturing and storing carbon dioxide generated in the process of making gray hydrogen.
나아가 갈탄·석탄을 태워 생산하는 개질수소를 브라운수소로 분류할 수도 있다.Furthermore, reformed hydrogen produced by burning lignite or coal can be classified as brown hydrogen.
수소(Hydrogen, 원소기호 H)는 주기율표의 첫 번째 자리를 차지하며, 우주 질량의 약 75%를 차지하는 가장 풍부한 원소이다. 그리고 이 수소를 활용한 수소에너지는 수소의 형태로 에너지를 저장하고 사용할 수 있도록 한 대체에너지를 말한다.Hydrogen (element symbol H) occupies the first position in the periodic table and is the most abundant element, accounting for about 75% of the mass of the universe. And hydrogen energy using this hydrogen refers to alternative energy that can store and use energy in the form of hydrogen.
수소에너지는 화석연료와 달리 고갈될 우려나 지역적 편중이 없는 것은 물론, 무엇보다 환경보호에 기여할 수 있는 무공해 연료라는 점에서 최근 매우 많은 주목을 받고 있다. Unlike fossil fuels, hydrogen energy has recently attracted a lot of attention in that it is a non-polluting fuel that can contribute to environmental protection, as well as having no fear of depletion or regional bias.
수소는 산소와의 화학반응을 통해 열과 전기를 생산하는데, 이산화탄소를 배출하는 화석연료와는 달리 부산물로 순수한 물만을 남긴다. 또 대용량으로 장기간으로 저장할 수 있다는 특성이 있어 재생에너지의 한계를 보완하는 에너지이다. Hydrogen produces heat and electricity through a chemical reaction with oxygen, but unlike fossil fuels that emit carbon dioxide, only pure water is left as a by-product. In addition, it is an energy that supplements the limitations of renewable energy because it can be stored for a long time in large quantities.
유럽연합(EU)은 2016년부터 ‘그린수소 인증제도(CertifHy Guarantee of Origin)’를 통해 수소의 친환경성을 인증하고 있다. Since 2016, the European Union (EU) has been certifying the eco-friendliness of hydrogen through the ‘CertifHy Guarantee of Origin’.
가장 친환경적인 그린수소는 태양광·풍력 발전 등에서 나온 전기로 물을 전기분해해 생산한다. The most eco-friendly green hydrogen is produced by electrolysis of water with electricity from solar and wind power generation.
가장 많이 이산화탄소를 발생시키는 브라운수소와 그레이수소는 각각 화석연료인 석탄·갈탄이나 천연가스(CH4)를 통해 생산한다. Brown hydrogen and gray hydrogen, which generate the most carbon dioxide, are produced through fossil fuels such as coal, lignite, or natural gas (CH4), respectively.
블루수소는 이산화탄소를 포집·압축·수송해 지하에 저장하는 CCS(Carbon Capture & Storage) 기술을 적용해 생산하는 수소를 말한다.Blue hydrogen refers to hydrogen produced by applying CCS (Carbon Capture & Storage) technology that captures, compresses, transports, and stores carbon dioxide underground.
전술한 것과 같이, ‘그린수소’를 생산하는 방법은 수전해 기술과 관련되어 있고, ‘그린수소’는 물의 전기분해를 통해 얻어지는 수소로, 신재생에너지(태양광, 풍력 등)를 통해 얻은 전기에너지를 물에 가해 수소와 산소를 생산하는 ‘궁극적인 친환경 수소 생산기술이다. As described above, the method of producing 'green hydrogen' is related to water electrolysis technology, and 'green hydrogen' is hydrogen obtained through electrolysis of water, and electricity obtained through renewable energy (solar light, wind power, etc.) It is the ultimate eco-friendly hydrogen production technology that produces hydrogen and oxygen by applying energy to water.
수전해 스택은 공급된 전기에너지를 통해 수소와 산소를 발생하는 장치로 이론적으로는 순수한 물이 공급되어 순수수소와 순수산소만을 배출하게 된다. The water electrolysis stack is a device that generates hydrogen and oxygen through supplied electrical energy. In theory, pure water is supplied to emit only pure hydrogen and pure oxygen.
도 1a는 알칼라인 수전해 모식도이고, 도 1b는 PEM 수전해 모식도이며, 도 1c는 AEM 수전해 모식도이고, 도 1d는 SOEC 수전해 모식도이다.1A is a schematic diagram of alkaline water electrolysis, FIG. 1B is a schematic diagram of PEM water electrolysis, FIG. 1C is a schematic diagram of AEM water electrolysis, and FIG. 1D is a schematic diagram of SOEC water electrolysis.
물 전기분해에 의한 수소 제조기술로서, 도 1a에 따른 알칼라인 수전해, 도 1b에 따른 PEM 수전해, 도 1c에 따른 AEM 수전해, 도 1d에 따른 SOEC 수전해를 대표적인 예로 들 수 있다.As hydrogen production technology by water electrolysis, alkaline water electrolysis according to FIG. 1a, PEM water electrolysis according to FIG. 1b, AEM water electrolysis according to FIG. 1c, and SOEC water electrolysis according to FIG. 1d may be cited as representative examples.
하지만 스택의 작동특성과 성능향상, DIW의 정제 한계로 인하여 배출되는 생산물은 여러 가지 불순물을 포함(수소의 순도: 99.5%~99.9%)하고, 시스템 내에 별도의 수소정제장치를 추가하여 순수한 수소를 생산하고 있다. 여기서 발생하는 수소의 불순물 중 높은 비중을 차지하는 물질은 수분이다.However, due to the operational characteristics and performance improvement of the stack and the limitation of DIW purification, the discharged product contains various impurities (hydrogen purity: 99.5% to 99.9%), and a separate hydrogen purification device is added in the system to obtain pure hydrogen. are producing Among the impurities of hydrogen generated here, a substance that accounts for a high specific gravity is moisture.
따라서 본 명세서에서는 스택을 통해 발생하는 수소가 포함하고 있는 수분을 포집하고 열 회수 효율을 향상시키기 위한 장비 및 시스템을 제안하고자 한다.Therefore, in the present specification, equipment and systems for collecting moisture contained in hydrogen generated through the stack and improving heat recovery efficiency are proposed.
열 회수 및 발생 수소 순도증가를 위한 수전해 스택 및 시스템용 관형 열교환기Tubular heat exchangers for water electrolysis stacks and systems for heat recovery and increased purity of generated hydrogen
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 수전해 스택에서 발생하는 수소 순도증가와 폐열 활용을 위한 수전해 스택용 관형 열교환기를 사용자에 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object to be solved by the present invention is to provide a user with a tubular heat exchanger for a water electrolysis stack for increasing the purity of hydrogen generated in the water electrolysis stack and utilizing waste heat.
본 발명은 스택에서 발생하는 수소가 포함하고 있는 수분을 제올라이트 수분 흡착제가 흡착하여 수소의 순도가 높아지고, 폐열의 열 회수가 동시에 가능한 장치 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a device and system capable of simultaneously increasing the purity of hydrogen and recovering waste heat by adsorbing moisture contained in hydrogen generated in a stack by a zeolite moisture adsorbent.
본 발명은 반응수를 이용한 생성물의 열 회수를 통해 반응수 온도상승을 위한 시스템의 소비 동력을 저감하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to reduce power consumption of a system for raising the temperature of reaction water through heat recovery of a product using reaction water.
본 발명은 수분 제거를 통해 발생 수소의 순도를 증가시키고, 열교환으로 인한 수소의 온도 감소로 수분 흡착제의 성능을 증가시키는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to increase the purity of generated hydrogen through moisture removal and to increase the performance of a moisture adsorbent by reducing the temperature of hydrogen due to heat exchange.
즉, 본 발명은 발생하는 수소가 포함하고 있는 수분을 포집하고 열 회수 효율 향상을 위해 관형 열교환기에 수분 흡착제를 넣어 수전해 스택 및 시스템에 적용하는 것을 목적으로 하고, 열교환을 통해 발생 수소의 온도를 낮추면 수분 흡착제에 흡착되는 수분의 양이 증가하여 온도가 낮아질수록 수소의 순도가 상승하게 된다.That is, the object of the present invention is to collect moisture contained in generated hydrogen and to apply it to a water electrolysis stack and system by putting a moisture adsorbent in a tubular heat exchanger to improve heat recovery efficiency, and to increase the temperature of generated hydrogen through heat exchange. When lowered, the amount of moisture adsorbed to the moisture adsorbent increases, and as the temperature decreases, the purity of hydrogen increases.
본 발명에 따르면, 수전해 스택에서 발생하는 수소 순도증가와 폐열 활용을 위한 수전해 스택용 액세서리를 제공할 수 있고, PEM, 알카라인, SOEC, AEM 수전해 등 다양한 수전해에 적용 가능할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide an accessory for a water electrolysis stack for increasing the purity of hydrogen generated in the water electrolysis stack and utilizing waste heat, and can be applied to various water electrolysis such as PEM, alkaline, SOEC, and AEM water electrolysis.
종래의 수전해 시스템 내부의 열교환기는 보편적인 상용 열교환기를 적용하고 있으며, 전통적인 방식의 열교환만을 진행하고 있다. The heat exchanger inside the conventional water electrolysis system uses a universal commercial heat exchanger, and only heat exchange in a traditional method is performed.
이에 반해 본 발명이 제안하는 기술을 수전해 스택 및 시스템에 확장 적용하면 스택에서 발생하는 수소가 포함하고 있는 수분을 제올라이트 수분 흡착제가 흡착하여 수소의 순도가 높아지고, 폐열의 열 회수를 동시에 가능하게 할 수 있다.On the other hand, if the technology proposed by the present invention is extensively applied to the water electrolysis stack and system, the zeolite moisture adsorbent adsorbs the moisture contained in the hydrogen generated in the stack, increasing the purity of hydrogen and enabling heat recovery of waste heat at the same time. can
본 발명에 따른 관형 열교환기 (100)는 유체 이동부 (20), 바디부 (10) 및 수분흡착제 (30)를 포함할 수 있다.The
도 2는 본 발명과 관련하여, 유체 이동부가 내부에 배치되고, 기체가 입력되어 배출되는 영역을 구비한 바디부를 도시한 것이고, 도 3은 본 발명과 관련하여, 유체가 입력 및 배출되는 공간을 구비하고, 코일 (coil)의 형태인 유체 이동부를 도시한 것이다.2 shows a body portion having a region in which a fluid moving unit is disposed and gas is input and discharged in relation to the present invention, and FIG. 3 shows a space in which fluid is input and discharged in relation to the present invention. It is provided and shows a fluid moving part in the form of a coil (coil).
도 3을 참조하면, 유체 이동부 (20)는 유체가 입력되는 일단(21) 및 유체가 배출되는 타단 (22)을 구비하고, 코일 (coil)의 형태로 구현될 수 있다.Referring to FIG. 3 , the
또한, 도 2를 참조하면, 바디부 (10)는 유체 이동부 (20)가 내부에 배치될 수 있다.Also, referring to FIG. 2 , the
이때, 유체 이동부 (20)의 일단이 삽입되기 위한 제 1-1 영역 (130) 및 유체 이동부 (20)의 타단이 삽입되기 위한 제 1-2 영역(14)을 구비할 수 있다.At this time, the first-first region 130 into which one end of the
또한, 기체가 입력되는 제 2-1 영역 (12) 및 기체가 배출되는 제 2-2 영역(11)을 구비할 수 있다.In addition, a 2-1
여기서 유체는, 수전해 스택 (Stack, 200)에서 물의 전기분해를 진행하기 위해 유입되는 고온의 물이 될 수 있다.Here, the fluid may be high-temperature water introduced to proceed with water electrolysis in the water electrolysis stack (Stack, 200).
또한, 여기서 기체는 수전해 스택 (200)에서 상기 전기분해를 통해 획득된 수소가 될 수 있다.Also, here, the gas may be hydrogen obtained through the electrolysis in the
한편, 수분흡착제 (30)는 바디부 (10) 내부 영역 중 유체 이동부 (20)가 배치된 제 1 공간을 제외한 제 2 공간에 배치되고, 복수일 수 있다.On the other hand, the
도 4a는 본 발명과 관련된 다양한 제올라이트 구조를 도시한 것이고, 도 4b는 바디부 내부에 배치되는 복수의 수분흡착제를 도시한 것이다.Figure 4a shows various zeolite structures related to the present invention, and Figure 4b shows a plurality of moisture absorbents disposed inside the body.
도 4a에 도시된 제올라이트는 미세한 기공을 가지고 있어 단위 질량당 표면적이 상당히 커서 흡착제로서 매우 효과적인 재료이다. The zeolite shown in FIG. 4a has fine pores and has a very large surface area per unit mass, so it is a very effective material as an adsorbent.
해당 분자체는 복잡한 단위구조 중심의 공동들을 가지고 있어, 해당 부분에 수분 분자를 흡착 및 포집시키는 역할을 한다. 해당 수분흡착제는 제올라이트 외에도 다공성 구조를 가지고 있는 활성탄같은 물질로 대체 가능하다.The molecular sieve has cavities centered on a complex unit structure, and serves to adsorb and collect moisture molecules in the corresponding portion. The moisture adsorbent can be replaced with a material such as activated carbon having a porous structure in addition to zeolite.
도 4a는 다양한 제올라이트 구조를 도시한 것으로, (a)제올라이트 A, (b)제올라이트 A, (c)제올라이트 L, (d)ZSM-5 등이 제시되었다.Figure 4a shows various zeolite structures, (a) zeolite A, (b) zeolite A, (c) zeolite L, (d) ZSM-5 and the like are presented.
도 4b는 실제 수분흡착제 (30)의 형태를 이미지로 도시하였다.4b shows the shape of the actual moisture absorbent 30 as an image.
또한, 도 5는 본 발명과 관련하여, 다공성 구조의 수분 흡착 모습의 일례를 도시한 것이다.In addition, FIG. 5 shows an example of moisture adsorption of a porous structure in relation to the present invention.
도 5를 참조하면, 다공성 구조의 수분 흡착 모습을 도시한 것으로, 수분흡착제 (30) 중 막힌 영역 (31)이 아닌 다공 영역 (32)으로 수분 (33)이 흡착되어 스택에서 생성된 수소에 남아있는 수분을 추가로 흡수하는 것이 가능하다.Referring to FIG. 5, it shows the moisture adsorption of the porous structure, and moisture 33 is adsorbed to the
바디부 (10)의 내부와 유체 이동부 (20) Coil의 외부에서 실제적인 열교환이 이루어지고, 해당 열교환의 효율을 위해 바디부 (10)는 외부의 단열이 잘 유지되는 물질 또는 SUS, Al과 같은 금속품에 단열재를 부착하여 구성한다. Actual heat exchange is performed between the inside of the
유체 이동부 (20) Coil은 열전도율이 좋은 동관으로 구성하여 효과적인 열교환을 진행한다. The coil of the fluid moving part (20) is composed of a copper tube with good thermal conductivity, so that effective heat exchange is carried out.
바디부 (10)의 Inlet (12)에서는 수전해 스택에서 발생하는 고온의 수소가 유입되고 유체 이동부 (20) Coil의 Inlet (13)에서는 저온의 반응수가 공급된다. High-temperature hydrogen generated in the water electrolysis stack is introduced into the inlet (12) of the body part (10), and low-temperature reaction water is supplied from the inlet (13) of the coil of the fluid moving part (20).
필요에 따라서는 반응수가 수전해 스택에 주입되기 전에 승온을 하는 별도의 장비가 추가로 구축 가능하다.If necessary, a separate equipment that increases the temperature before the reaction water is injected into the water electrolysis stack can be additionally constructed.
바디부 (10)의 L1과 D1의 길이가 길고 단열이 잘될수록, 유체 이동부 (20) Coil의 D2, d2, L2와 권선수 n이 크거나 많고 t2가 얇을수록 상호간에 더 많은 열이 교환된다.The longer the length of L1 and D1 of the body part (10) and the better the insulation, the larger or more the number of turns n and the number of turns D2, d2, and L2 of the coil of the fluid moving part (20), and the thinner the t2, the more heat is exchanged with each other do.
수분흡착제 (30)는 상용 관형 열교환기 대비 본 특허에서 독창성을 가지는 부분으로 제올라이트와 같은 미세 다공성 물질을 활용하여 수소에 포함되어있는 미세 수분을 흡착한다. The
해당 수분흡착제 (30)는 바디부 (10)의 
도 6은 본 발명에 따른 관형 열교환기의 단면도 일례를 도시한 것이다.6 shows an example of a cross-sectional view of a tubular heat exchanger according to the present invention.
도 6을 참조하면, 유체가 입력되는 일단 및 상기 유체가 배출되는 타단을 구비하고, 코일 (coil)의 형태인 유체 이동부 (20)가 도시되고, 여기서 유체는 수전해 스택 (Stack)에서 물의 전기분해를 진행하기 위해, 상기 제 1-1 영역을 통해 유입된 물이 될 수 있다.Referring to FIG. 6 , a
또한, 물은 제 1-2 영역으로 배출되어 상기 수전해 스택 (Stack, 200)에 공급될 수 있다.In addition, water may be discharged to the first and second regions and supplied to the water electrolysis stack (Stack, 200).
또한, 바디부 (10)는, 유체 이동부 (20)가 내부에 배치되고, 유체 이동부 (20)의 일단이 삽입되기 위한 제 1-1 영역 (13) 및 상기 유체 이동부 (20)의 타단이 삽입되기 위한 제 1-2 영역 (14)을 구비하고, 기체가 입력되는 제 2-1 영역 (12) 및 상기 기체가 배출되는 제 2-2 영역 (11)을 구비한다.In addition, the
여기서, 기체는, 수전해 스택에서 상기 전기분해를 통해 획득된 수소가 될 수 있다.Here, the gas may be hydrogen obtained through the electrolysis in the water electrolysis stack.
수소는 상기 제 2-1 영역 (12)으로 입력되며, 상기 제 2-1 영역 (12)으로 입력된 수소가 상기 제 2-2 영역 (11)으로 이동하게 된다.Hydrogen is input to the 2-1
또한, 바디부 (10) 내부 영역 중 상기 유체 이동부 (20)가 배치된 제 1 공간을 제외한 제 2 공간에 배치되는 복수의 수분흡착제 (30)가 배치되고, 수소가 제 2-1 영역 (12)에서 제 2-2 영역 (11)으로 이동하는 과정에서 상기 수분흡착제 (30)와 접촉하여 잔존하는 수분이 흡수된다.In addition, a plurality of
이후, 잔존하는 수분이 제거된 수소가 제 2-2 영역 (11)으로 배출될 수 있다.Thereafter, hydrogen from which remaining moisture has been removed may be discharged to the 2-2
특히, 본 발명에 따르면, 제 1-1 영역 (13)을 통해 유입된 물은, 제 2-1 영역 (12)으로 입력되어 제 2-2 영역 (11)으로 배출되는 수소의 열을 통해 가열되어 제 1-2 영역 (14)으로 배출될 수 있다.In particular, according to the present invention, water introduced through the 1-1
이와 같은 물의 온도 상승을 통해, 상기 수전해 스택에서의 상기 전기분해 효율이 증가될 수 있다.Through such an increase in water temperature, the electrolysis efficiency in the water electrolysis stack may be increased.
또한, 상기 물의 온도 상승에 따라 제 2-1 영역 (12)으로 입력되어 제 2-2 영역 (11)으로 이동되는 수소의 온도는 낮아지고, 수소의 온도 하강을 통해 수분흡착제 (30)의 수분 흡수 효율이 증가될 수 있다.In addition, as the temperature of the water rises, the temperature of hydrogen input into the 2-1
또한, 바디부 (10)는 단열재로 구현되거나 상기 단열재가 부착되는 형태로 구현되고, 유체 이동부 (20)는 열전도율 향상을 위해 동관으로 구현될 수 있다.In addition, the
또한, 복수의 수분흡착제 (30)는 다공성 구조를 가질 수 있다.In addition, the plurality of
또한, 수소의 온도 하강 및 상기 물의 온도 상승은, 유체 이동부 (20) 및 바디부 (10)의 길이 (length), 너비 (width) 및 높이 (height) 중 적어도 하나의 치수 변경을 통해 조절 가능할 수 있다.In addition, the decrease in temperature of hydrogen and the increase in temperature of water may be adjustable by changing at least one dimension of the length, width, and height of the
특히, 수소의 온도 하강 및 상기 물의 온도 상승 변화는, 바디부 (10)의 길이와 제 2-1 영역 (12) 및 제 2-2 영역 (11)의 너비에 비례할 수 있다.In particular, the temperature drop of hydrogen and the change in temperature increase of the water may be proportional to the length of the
또한, 수소의 온도 하강 및 상기 물의 온도 상승 변화는, 유체 이동부 (20)의 길이, 너비 및 높이에 비례하고, 코일 형태의 유체 이동부 (20)의 권선수에 비례하며, 동관 형태의 유체 이동부 (20) 중 물이 이동하는 공간을 제외한 영역의 두께에 반비례할 수 있다.In addition, the temperature drop of hydrogen and the change in temperature rise of the water are proportional to the length, width, and height of the
또한, 바디부 (10)의 전체 길이 중 제 2-1 영역 (12) 및 제 2-2 영역 (11)을 제외한 길이가 L1이고, 상기 제 2-1 영역 (12) 및 상기 제 2-2 영역 (11)의 너비가 d1인 경우, 복수의 수분흡착제 (30)는 바디부 (10)의 전체 부피 중 
열교환기의 동작 및 효과 데이터Heat exchanger operation and effect data
도 7은 본 발명과 관련하여, 관형 열교환기의 동작을 설명하기 위한 도면이다.7 is a view for explaining the operation of the tubular heat exchanger in relation to the present invention.
도 7을 참조하면, 수전해 스택 (Stack, 200)에서 물의 전기분해를 진행하기 위해, 상기 제 1-1 영역 (13)을 통해 유입된 물이 상기 제 1-2 영역 (14)으로 배출되어 상기 수전해 스택 (Stack, 200)에 공급되는 제 1 단계, 수전해 스택 (200)에서 상기 전기분해를 통해 획득된 수소가 상기 제 2-1 영역 (12)으로 입력되는 제 2 단계가 진행된다.Referring to FIG. 7 , in order to perform water electrolysis in the water electrolysis stack (Stack, 200), the water introduced through the 1-1
이후, 제 2-1 영역 (12)으로 입력된 수소가 상기 제 2-2 영역 (11)으로 이동하고, 상기 이동 과정에서 상기 수분흡착제 (30)와 접촉하여 잔존하는 수분이 흡수되는 제 3 단계가 진행된다.Thereafter, the hydrogen input to the 2-1
또한, 잔존하는 수분이 제거된 수소가 상기 제 2-2 영역 (11)으로 배출되는 제 4 단계가 진행된다.In addition, a fourth step in which hydrogen from which remaining moisture is removed is discharged to the 2-2
이때, 제 1-1 영역 (13)을 통해 유입된 물이 제 2-1 영역 (12)으로 입력되어 제 2-2 영역 (11)으로 배출되는 수소의 열을 통해 가열되어 제 1-2 영역 (14)으로 배출될 수 있다.At this time, the water introduced through the 1-1
또한, 물의 온도 상승을 통해, 상기 수전해 스택 (200)에서의 상기 전기분해 효율이 증가된다.In addition, the electrolysis efficiency in the
또한, 물의 온도 상승에 따라 상기 제 2-1 영역 (12)되어 상기 제 2-2 영역 (11)되는 수소의 온도는 낮아지고, 수소의 온도 하강을 통해, 상기 수분흡착제 (30)의 흡수 효율이 증가된다.In addition, as the temperature of water rises, the temperature of the hydrogen in the 2-1
도 8은 본 발명과 관련하여, 실험을 통해 측정한 온도변화에 따른 제올라이트의 수분 흡착량을 나타낸 것이다.8 shows the moisture adsorption amount of zeolite according to the temperature change measured through the experiment in relation to the present invention.
도 8을 참조하면, 물의 온도 상승에 따라 상기 제 2-1 영역 (12)되어 상기 제 2-2 영역 (11)되는 수소의 온도는 낮아지고, 수소의 온도가 낮아짐에 따라 수분 흡착제 (30)가 흡수하는 수분의 양이 매우 높게 증가하는 것이 실험적으로 증명되었다.Referring to FIG. 8, as the temperature of water increases, the temperature of the hydrogen in the 2-1
향류 흐름 및 병류 흐름이 선택적으로 적용 가능한 열교환기Heat exchanger with countercurrent flow and cocurrent flow selectively applicable
도 9a는 향류 흐름이 적용된 열교환기로 활용하다가 필요에 따라 급격한 온도변화를 위해 병류 흐름으로 적용가능한 일례를 도시한 것이다.FIG. 9A shows an example in which a countercurrent flow is applied as a heat exchanger and then a cocurrent flow is applied for rapid temperature change as needed.
본 특허에 적용된 열교환은 반응수의 주입방향에 따라 병류 흐름 열교환이나 향류 흐름 열교환 2가지로 선택적으로 적용 가능하다.The heat exchange applied in this patent can be selectively applied to two types of cocurrent flow heat exchange and countercurrent flow heat exchange according to the injection direction of the reaction water.
도 9a의 (a)에 도시된 것과 같이 일반적으로 향류 흐름이 적용된 열교환기로 활용된다.As shown in (a) of FIG. 9A, it is generally used as a heat exchanger to which countercurrent flow is applied.
단, SOEC와 같이 작동온도가 높은 수전해 스택 및 시스템에는 필요에 따라 급격한 온도변화를 위해, 도 9a의 (b)에 도시된 병류 흐름으로 적용 가능하다.However, the co-current flow shown in (b) of FIG. 9a can be applied to a water electrolysis stack and system having a high operating temperature, such as SOEC, for rapid temperature change as needed.
즉, 선택적으로 제 2-2 영역 (11)이 수소가 입력되는 영역으로 사용되고, 제 2-1 영역 (12)이 상기 기체가 배출되는 영역으로 사용될 수 있다.That is, selectively, the 2-
구체적으로 solid oxide steam electrolyser (SOEC) 방식으로 상기 수소가 상기 수전해 스택에서 상기 전기분해를 통해 획득되는 경우, 제 2-2 영역 (11)이 수소가 입력되는 영역으로 사용되고, 제 2-1 영역 (11)이 상기 기체가 배출되는 영역으로 사용된다.Specifically, when the hydrogen is obtained through the electrolysis in the water electrolysis stack in a solid oxide steam electrolyser (SOEC) method, the 2-2
한편, 도 9b는 본 발명과 관련된 열 교환 방법에 따른 온도 변화 및 범위를 도시한 것이다.Meanwhile, FIG. 9B shows temperature change and range according to the heat exchange method related to the present invention.
도 9b에 적용된 열 교환량 계산은 C(비열), 
도 9b의 (a)는 향류 온도 변화를 나타낸 것이고, 도 9b의 (b)는 병류 온도변화를 도시한 것이다.Figure 9b (a) shows the counter-current temperature change, Figure 9b (b) shows the co-current temperature change.
1) 외부 단열 100%, 2) 오염도 0, 3) 스택에서 배출되는 가스 조성 (H2 : 수분 : 기타 = 
향류 열교환량 (qc) : ｜CDI x 
병류 열교환량 (qp) : ｜CDI x 
qc > qp q c > q p
본 발명의 경우, 복적에 맞는 온도 변화(△T)는 보완사항 1에서 언급 했듯이 부품을 구성하는 제품의 Dimension의 변화로 조정 가능하다. In the case of the present invention, the temperature change (ΔT) suitable for clothing can be adjusted by changing the dimension of the product constituting the part, as mentioned in
본 발명에 따른 효과Effect according to the present invention
본 발명은 수전해 스택에서 발생하는 수소 순도증가와 폐열 활용을 위한 수전해 스택용 관형 열교환기를 사용자에 제공할 수 있다The present invention can provide a user with a tubular heat exchanger for a water electrolysis stack for increasing the purity of hydrogen generated in the water electrolysis stack and utilizing waste heat.
본 발명은 스택에서 발생하는 수소가 포함하고 있는 수분을 제올라이트 수분 흡착제가 흡착하여 수소의 순도가 높아지고, 폐열의 열 회수가 동시에 가능한 장치 및 시스템을 제공할 수 있다.The present invention can provide a device and system capable of simultaneously increasing the purity of hydrogen and recovering waste heat by adsorbing moisture contained in hydrogen generated in a stack by a zeolite moisture adsorbent.
또한, 본 발명은 반응수를 이용한 생성물의 열 회수를 통해 반응수 온도상승을 위한 시스템의 소비 동력을 줄일 수 있다.In addition, the present invention can reduce the consumption power of the system for raising the temperature of the reaction water through the heat recovery of the product using the reaction water.
또한, 본 발명은 수분 제거를 통해 발생 수소의 순도를 증가시키고, 열교환으로 인한 수소의 온도 감소로 수분 흡착제의 성능을 증가시킬 수 있다.In addition, the present invention can increase the purity of generated hydrogen through moisture removal and increase the performance of the moisture adsorbent by reducing the temperature of hydrogen due to heat exchange.
즉, 본 발명은 발생하는 수소가 포함하고 있는 수분을 포집하고 열 회수 효율 향상을 위해 관형 열교환기에 수분 흡착제를 넣어 수전해 스택 및 시스템에 적용하는 것을 목적으로 하고, 열교환을 통해 발생 수소의 온도를 낮추면 수분 흡착제에 흡착되는 수분의 양이 증가하여 온도가 낮아질수록 수소의 순도가 상승하게 된다.That is, the object of the present invention is to collect moisture contained in generated hydrogen and to apply it to a water electrolysis stack and system by putting a moisture adsorbent in a tubular heat exchanger to improve heat recovery efficiency, and to increase the temperature of generated hydrogen through heat exchange. When lowered, the amount of moisture adsorbed to the moisture adsorbent increases, and as the temperature decreases, the purity of hydrogen increases.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects obtainable in the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. will be.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. You will be able to.
또한, 상기와 같이 설명된 시스템 및 그 제어방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.In addition, the above-described system and its control method are not limited to the configuration and method of the above-described embodiments, but all or part of each of the embodiments is optional so that various modifications can be made. It may be configured in combination with.
Claims (1)
상기 유체 이동부가 내부에 배치되고, 상기 유체 이동부의 일단이 삽입되기 위한 제 1-1 영역 및 상기 유체 이동부의 타단이 삽입되기 위한 제 1-2 영역을 구비하고, 기체가 입력되는 제 2-1 영역 및 상기 기체가 배출되는 제 2-2 영역을 구비하는 바디부; 및
상기 바디부 내부 영역 중 상기 유체 이동부가 배치된 제 1 공간을 제외한 제 2 공간에 배치되는 복수의 수분흡착제;를 포함하고,
수전해 스택 (Stack)에서 물의 전기분해를 진행하기 위해, 상기 제 1-1 영역을 통해 유입된 물이 상기 제 1-2 영역으로 배출되어 상기 수전해 스택 (Stack)에 공급되고,
상기 수전해 스택에서 상기 전기분해를 통해 획득된 수소가 상기 제 2-1 영역으로 입력되며,
상기 제 2-1 영역으로 입력된 수소가 상기 제 2-2 영역으로 이동하고, 상기 이동 과정에서 상기 수분흡착제와 접촉하여 잔존하는 수분이 흡수되고,
상기 잔존하는 수분이 제거된 수소가 상기 제 2-2 영역으로 배출되며,
상기 제 1-1 영역을 통해 유입된 물은,
상기 제 2-1 영역으로 입력되어 상기 제 2-2 영역으로 배출되는 수소의 열을 통해 가열되어 상기 제 1-2 영역으로 배출되고,
상기 물의 온도 상승을 통해, 상기 수전해 스택에서의 전기분해 효율이 증가되며,
상기 물의 온도 상승에 따라 상기 제 2-1 영역으로 입력되어 상기 제 2-2 영역으로 이동되는 수소의 온도는 낮아지고,
상기 수소의 온도 하강을 통해, 상기 수분흡착제의 수분 흡수 효율이 증가되며,
상기 복수의 수분흡착제는 다공성 구조를 갖고,
상기 수소의 온도 하강 및 상기 물의 온도 상승은,
상기 유체 이동부 및 상기 바디부의 길이 (length), 너비 (width) 및 높이 (height) 중 적어도 하나의 치수 변경을 통해 조절 가능하며,
상기 수소의 온도 하강 및 상기 물의 온도 상승 변화는,
상기 바디부의 길이와 상기 제 2-1 영역 및 제 2-2 영역의 너비에 비례하고,
상기 수소의 온도 하강 및 상기 물의 온도 상승 변화는,
상기 유체 이동부의 길이, 너비 및 높이에 비례하고,
상기 코일 형태의 유체 이동부의 권선수에 비례하며,
상기 유체 이동부는 열전도율 향상을 위해 동관으로 구현되고,
상기 동관 형태의 유체 이동부 중 상기 유체가 이동하는 공간을 제외한 영역의 두께에 반비례하며,
상기 바디부의 전체 길이 중 상기 제 2-1 영역 및 상기 제 2-2 영역을 제외한 길이가 L1이고, 상기 제 2-1 영역 및 상기 제 2-2 영역의 너비가 d1인 경우,
상기 복수의 수분흡착제는, 상기 바디부의 전체 부피 중
The fluid moving unit is disposed inside, and has a 1-1 area into which one end of the fluid moving unit is inserted and a 1-2 area into which the other end of the fluid moving unit is inserted, and a 2-1 th area into which gas is input. a body having an area and a 2-2 area through which the gas is discharged; and
A plurality of moisture adsorbents disposed in a second space excluding the first space in which the fluid moving unit is disposed among the inner regions of the body,
In order to proceed with electrolysis of water in the water electrolysis stack, the water introduced through the 1-1 region is discharged to the 1-2 region and supplied to the water electrolysis stack,
Hydrogen obtained through the electrolysis in the water electrolysis stack is input to the 2-1 region,
The hydrogen input into the 2-1 area moves to the 2-2 area, and in the process of moving, the moisture remaining in contact with the moisture absorbent is absorbed,
Hydrogen from which the remaining moisture has been removed is discharged to the 2-2 region,
The water introduced through the 1-1 region,
Heated by the heat of the hydrogen input to the 2-1 region and discharged to the 2-2 region, and discharged to the 1-2 region;
Through the temperature increase of the water, the electrolysis efficiency in the water electrolysis stack is increased,
As the temperature of the water rises, the temperature of hydrogen input into the 2-1 region and moved to the 2-2 region decreases,
Through the temperature drop of the hydrogen, the moisture absorption efficiency of the moisture absorbent is increased,
The plurality of moisture absorbents have a porous structure,
The decrease in the temperature of the hydrogen and the increase in the temperature of the water,
It is adjustable by changing at least one dimension of the length, width, and height of the fluid moving part and the body part,
The temperature drop of the hydrogen and the change in the temperature rise of the water,
In proportion to the length of the body and the widths of the 2-1 and 2-2 regions,
The temperature drop of the hydrogen and the change in the temperature rise of the water,
Proportional to the length, width and height of the fluid moving part,
Proportional to the number of windings of the coil-shaped fluid moving unit,
The fluid moving part is implemented as a copper tube to improve thermal conductivity,
It is inversely proportional to the thickness of the area excluding the space in which the fluid moves among the copper tube-shaped fluid moving parts,
When the length of the total length of the body excluding the 2-1 and 2-2 regions is L1, and the widths of the 2-1 and 2-2 regions are d1,
The plurality of moisture absorbents, of the total volume of the body portion
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