KR102526672B1 - 수소 품질을 안정적으로 유지할 수 있는 수전해 시스템의 운전 방법 - Google Patents

수소 품질을 안정적으로 유지할 수 있는 수전해 시스템의 운전 방법 Download PDF

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Abstract

수전해 스택과, 상기 수전해 스택으로부터 배출되는 수분-함유 수소 가스로부터 수분을 제거하기 위한 재생형 흡착제를 포함하는 복수의 제습 장치와, 상기 복수의 제습 장치 각각의 내부 온도 및 압력을 감지하는 온도 및 압력 센서와, 상기 복수의 제습 장치를 가열하는 가열 장치를 포함하고, 상기 복수의 제습 장치는 상기 수전해 스택과 상기 복수의 제습 장치를 연결하는 공급관과 상기 복수의 제습 장치로부터 수분이 저감된 수소 가스를 배출하는 배출관에 병렬로 연결되어 서로 교대로 상기 수분-함유 수소 가스의 수분 제거에 이용되고, 상기 공급관과 배출관에는 상기 복수의 제습 장치로의 가스의 공급과 배출을 제어하는 입구 및 출구 밸브가 구비된 수전해 시스템의 운전 방법으로서, 상기 복수의 제습 장치 중 수분 제거에 이용되지 않는 제습 장치는 상기 재생형 흡착제의 재생에 이용되며, 상기 재생형 흡착제의 재생 공정은, 상기 입구 밸브 및 출구 밸브를 폐쇄한 채로, 상기 가열 장치를 작동시켜 상기 제습 장치 내부의 온도 및 압력을 증가시키는 단계; 상기 제습 장치 내부의 압력이 일정 이상을 초과할 시에, 상기 제습 장치로부터 수증기를 배출하는 단계; 및 상기 수증기가 배출된 제습 장치에 수소 가스를 공급하여, 상기 제습 장치를 냉각하면서 그 내부에 잔존하는 수증기를 퍼지하는 단계;를 포함하는 수전해 시스템의 운전 방법이 제공된다.

Description

수소 품질을 안정적으로 유지할 수 있는 수전해 시스템의 운전 방법{METHOD FOR OPERATING WATER ELECTROLYSIS SYSTEM CAPABLE OF STABLY MAINTAINING QUALITY OF HYDROGEN}
본 발명은 수소 품질을 안정적으로 유지할 수 있는 수전해 시스템의 운전 방법에 관한 것이다.
최근 태양광·풍력과 같은 재생에너지 발전원 및 수소를 이용한 수소연료전지 자동차와 발전용 연료전지 등의 보급이 확대되면서 재생에너지원의 이용률 증가와 에너지 저장 관점에서의 수소를 에너지 캐리어로 활용하면서 내구성이 있는 수전해 시스템 기술의 중요성이 부각되고 있다.
수전해를 이용하여 수소를 생산하는 기술으로는, 산성 및 알칼리 수전해 기술, 양이온 교환막(Proton Exchange Membrane; PEM) 수전해 기술, 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane; AEM) 수전해 기술 등이 알려져 있다.
이 중 AEM 수전해 기술은 양이온 교환막 수전해 기술에 비해 설비의 소형화가 가능하다는 장점이 있지만, 수소의 순도가 상대적으로 낮으며, 설비와 작동의 안정성이 떨어진다는 단점이 있다.
이처럼 수소에 포함되는 물이나 각종 불순물은 수소의 순도를 낮게 하는 원인이 되는 것은 물론이고, 수전해 스택의 하류에 배치되는 각종 배관이나 센서 또는 밸브 등을 부식시키는 원인이 된다.
수전해를 이용하여 생산된 수소를 정제하는 기술로는 특허문헌 1이 알려져 있다. 특허문헌 1에는 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 수소 정제장치가 개시되어 있다.
그러나 특허문헌 1의 흡착기를 가열함과 동시에 수소 가스를 공급하여 그 내부의 수증기를 퍼지함으로써 흡착 능력이 저하된 흡착제의 흡착 능력을 회복시키고 있어, 흡착기의 온도를 유지하는 데에 과도한 에너지가 소모될 뿐만 아니라, 수증기를 퍼지하기 위해 수소 가스가 과도하게 사용되는 문제가 있다.
등록특허 제2470199호
본 발명의 여러 목적 중 하나는, 수소 품질을 안정적으로 유지할 수 있는 수전해 시스템과 그 운전 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 물의 전기분해 반응에 의해 생산된 수분-함유 수소 가스를 배출하는 수전해 스택과, 상기 수전해 스택으로부터 배출되는 수분-함유 수소 가스로부터 수분을 제거하기 위한 재생형 흡착제를 포함하는 복수의 제습 장치와, 상기 복수의 제습 장치 각각의 내부 온도 및 압력을 감지하는 온도 및 압력 센서와, 상기 복수의 제습 장치를 가열하는 가열 장치를 포함하고, 상기 복수의 제습 장치는 상기 수전해 스택과 상기 복수의 제습 장치를 연결하는 수소 가스 공급관과 상기 복수의 제습 장치로부터 수분이 저감된 수소 가스를 배출하는 수소 가스 배출관에 서로 병렬로 연결되어 서로 교대로 상기 수분-함유 수소 가스의 수분 제거에 이용되고, 상기 가스 공급관과 가스 배출관에는 상기 복수의 제습 장치로의 가스의 공급과 배출을 제어하는 복수의 입구 밸브 및 출구 밸브가 구비된 수전해 시스템의 운전 방법에 있어서, 상기 복수의 제습 장치 중 수분 제거에 이용되지 않는 나머지 제습 장치는 상기 재생형 흡착제의 재생에 이용되며, 상기 재생형 흡착제의 재생 공정은, 상기 입구 밸브 및 출구 밸브를 폐쇄한 채로, 상기 가열 장치를 작동시켜 상기 제습 장치 내부의 온도 및 압력을 증가시키는 제1 단계; 상기 제습 장치 내부의 압력이 일정 이상을 초과할 시에, 상기 제습 장치로부터 수증기를 배출하는 제2 단계; 및 상기 수증기가 배출된 제습 장치에 수소 가스를 공급하여, 상기 제습 장치를 냉각하면서 그 내부에 잔존하는 수증기를 퍼지하는 제3 단계;를 포함하는 수전해 시스템의 운전 방법을 제공한다.
일 실시예에 따르면, 상기 재생형 흡착제의 재생 공정에서 상기 제습 장치 내부의 온도는 300~400℃일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 단계는 상기 제습 장치의 압력 증가가 일정 이하가 될 때까지 반복하여 실시할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 수전해 시스템은 상기 수소 가스 배출관에 구비되어 상기 수분이 저감된 수소 가스의 수분 함유량을 감지하는 노점 센서를 더 포함하고, 상기 노점 센서에 의해 감지되는 수분 함유량이 일정 이상을 초과할 시에, 수분의 제거에 이용되던 제습 장치의 전단 및 후단에 구비된 입구 밸브 및 출구 밸브를 폐쇄하여 재생형 흡착제의 재생에 이용하고, 재생형 흡착제의 재생에 이용되던 제습 장치의 전단 및 후단에 구비된 입구 밸브 및 출구 밸브를 개방하여 수분-함유 수소 가스의 수분 제거에 이용할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제3 단계에서 공급되는 수소 가스는 상기 수전해 스택으로부터 배출되는 수분-함유 수소 가스이고, 상기 제3 단계에서 공급되는 수소 가스는 상기 입구 밸브의 전단에서 상기 수소 가스 공급관으로부터 분기되어, 상기 입구 밸브의 후단에서 상기 수소 가스 공급관으로 합류하는 우회관을 통해 공급되며, 상기 우회관에는 상기 제습 장치로 공급되는 수분-함유 수소 가스의 유량을 조절하는 유량 조절 밸브가 구비될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 단계에서 배출되는 수증기와 상기 제3 단계에서 배출되는 수증기 및 수소 가스는, 상기 출구 밸브의 전단에서 상기 수소 가스 배출관으로부터 분기된 수증기 배출관을 통해 상기 수전해 시스템의 외부로 배출될 수 있다.
본 발명에 따르면 재생형 흡착제의 재생 공정에서 수증기압을 통해 수증기를 배출하므로 적은 에너지만으로 제습 장치의 온도를 유지할 수 있으며, 제습 장치에 공급되는 수소 가스가 온전히 제습 장치 내부의 수증기 퍼지 및 제습 장치의 냉각에만 사용되므로, 수소 사용량을 현저히 절감할 수 있다.
본 발명에 따른 수전해 시스템의 운전 방법은 수증기의 퍼지에 사용되는 수소 가스 사용량이 적어, 수전해 시스템의 용량 증가시에도 수소 가스 배출에 따른 안전 문제로부터 자유로울 수 있다.
본 명세서의 일 측면의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 명세서의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 운전 방법에 있어서, 잔류 수분 제거 공정에 이용되는 수소 가스의 흐름을 보여주는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 운전 방법에 있어서, 재생형 흡착제의 재생 공정에 이용되는 수소 가스의 흐름을 보여주는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 운전 방법을 보여주는 플로우 차트이다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 함을 밝혀둔다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있음을 이해하여야 한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 본 명세서 전체에서 단수형은 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하였다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
수전해 스택(101)은 복수의 단위셀(막전극 접합체)과 분리판이 적층된 구조로 이루어지며, 외부로부터 전원을 인가받아 물을 전기분해하여 수소와 산소를 생산한다.
단위셀은 음이온 교환막과, 음이온 교환막의 일 측에 밀착 형성된 애노드 전극과, 음이온 교환막의 타 측에 밀착 형성된 캐소드 전극을 포함할 수 있다.
캐소드 전극에서는 하기 반응식 1과 같이 외부 전원으로부터 공급된 전자와 물(H2O)이 반응하여 수소 가스와 OH-를 생성하고, 이 OH-는 이온교환막(격막)을 통해 애노드 전극으로 이동하여 하기 반응식 2와 같이 물(H2O)과 산소 가스를 생성할 수 있다.
(반응식 1) H2O + 2e- → 2OH- + H2
(반응식 2) 2OH- → 1/2O2 + H2O + 2e-
분리판은 이웃한 두 개의 단위셀을 직렬로 연결함과 동시에 이들을 견고하게 지지하는 기능을 수행한다. 이웃한 두 개의 단위셀 사이에 하나의 분리판이 위치할 수 있으며, 이를 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라고 한다. 분리판에는 단위셀에 전해질을 공급하기 위한 유로가 형성되어 있을 수 있다.
전해질은 탈이온수(deionized water)에 수산화칼륨(KOH), 탄산칼륨(K2CO3) 등의 염이 용해된 알칼리 수용액일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 알칼리 수용액은 캐소드 전극과 애노드 전극 모두에 공급되거나, 애노드 전극에만 공급될 수 있다. 후자의 경우 캐소드 전극에서 건조한 수소가 생성된다.
전해질 탱크(117)에 보관된 전해질은 전해질 펌프(118)에 의해 수전해 스택(101)으로 공급되며, 열 교환기(122)를 거쳐 전해질 탱크(117)로 회수된다.
전해질 펌프(118)에 의해 공급되는 전해질은 수전해 스택(101)으로 공급되기에 앞서 가열 장치(119)를 거쳐 수전해 반응에 적합한 온도로 승온될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
가열 장치(119)와 수전해 스택(101)의 사이, 그리고 수전해 스택(101)과 열 교환기(122) 사이에는 온도 및 압력 센서(120, 121)가 구비되어 있을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전기분해 반응에 의해 소실된 물을 보충하기 위해, 전해질 탱크(117)는 탈이온수 펌프(116)에 의해 탈이온수 탱크(115)에 저장된 탈이온수를 공급받을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
애노드에서 생성된 수분-함유 산소 가스는 열교환기(123)를 거쳐 냉각되어 응축수를 생성하며, 생성된 응축수는 애노드 분리조(124)에서 산소 가스와 분리되어 전해질 탱크(117)로 회수될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 응축수와 분리된 산소 가스는 수전해 시스템(100) 외부로 배출된다.
캐소드에서 생성된 수분-함유 수소 가스는 열교환기(103)를 거쳐 냉각되어 응축수를 생성하며, 생성된 응축수는 캐소드 분리조(104)에서 수소 가스와 분리될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
수전해 스택(101)과 열교환기(103) 사이에는 온도 및 압력 센서(102)가 구비되어 있을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
캐소드 분리조(104)에 의해 응축수가 제거된 수소 가스에는, 수전해 시스템(100)의 운전 과정에서 혹은 정지 과정에서 애노드 전극 측의 산소가 음이온 교환막을 통과하여 캐소드 전극 측으로 누설됨으로써 혼입된 산소 가스가 일부 혼입되어 있을 수 있다.
캐소드 분리조(104)의 후단에는 캐소드 가스에 혼입된 산소를 제거하기 위한 탈산소 촉매반응기(105)가 구비되어 있을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
응축수가 제거된 수소 가스는 수소 가스 공급관(S10)을 통해, 재생형 흡착제를 포함하는 복수의 제습 장치(107, 107a)로 공급된다. 도 1에는 2개의 제습 장치만이 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 경우에 따라, 3개 이상의 제습 장치가 구비될 수 있다. 복수의 제습 장치(107, 107a)로부터 잔류 수분이 제거된 수소 가스는 수소 가스 배출관(S20)을 통해 수전해 시스템(100)의 외부로 배출된다.
수소 가스 공급관(S10)과 수소 가스 배출관(S30)에는 복수의 제습 장치(107, 107a)로의 가스의 공급과 배출을 제어하는 복수의 입구 밸브(106, 106a) 및 출구 밸브(109, 109a)가 구비된다.
복수의 제습 장치(107, 107a) 각각에는 내부 온도 및 압력을 감지하는 온도 및 압력 센서(125, 126)가 구비되어 있을 수 있으며, 그 내부를 가열하는 가열 장치(108, 108a)가 구비되어 있을 수 있다. 가열 장치는 제습 장치의 외주면에 마련되는 밴드형 히터일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
복수의 제습 장치(107, 107a)는 수소 가스 공급관(S10) 및 수소 가스 배출관(S20)에 서로 병렬로 연결되어, 서로 교대로 수소 가스의 잔류 수분 제거에 이용되며, 잔류 수분 제거에 이용되지 않는 나머지 제습 장치는 재생형 흡착제의 재생에 이용된다.
수소 가스 배출관(S20)에는 잔류 수분이 제거된 수소 가스의 수분 함유량을 감지하는 노점 센서(111)가 구비되어 있을 수 있으며, 노점 센서(111)에 의해 감지된 수분 함유량이 일정 이상을 초과할 시에 수소 가스의 잔류 수분 제거에 이용되던 제습 장치(108)의 폐쇄 및 재생형 흡착제의 재생 공정으로의 전환, 그리고 재생형 흡착제의 재생 공정에 이용되던 제습 장치(108a)의 개방 및 수소 가스의 잔류 수분 제거 공정으로의 전환이 일어날 수 있다.
수소 가스 배출관(S20)에는 압력 조절 장치(110)가 구비되어 있을 수 있으며, 제습 장치(108)로부터 배출되는 잔류 수분이 제거된 수소 가스의 압력이 일정 이상 초과할 시에 잔류 수분이 제거된 수소 가스 중 일부를 수증기 배출관(S30)으로 배출함으로써, 수소 가스 배출관(S20)을 통해 배출되는 잔류 수분이 제거된 수소 가스의 압력을 적정한 범위로 유지할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
수소 가스 배출관(S20)에는 산소 농도 센서(112)가 구비되어 있을 수 있으며, 이를 통해 수소 가스에 혼입된 산소 가스의 함량을 일정 범위 내로 관리함으로써, 수소 생산 품질을 안정적으로 유지할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
재생형 흡착제의 재생 공정에서는 수증기의 퍼지를 위해 수소 가스가 이용되며, 수증기의 퍼지에 이용되는 수소 가스는, 캐소드 분리조를 거쳐 응축수가 제거된 수소 가스일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 재생형 흡착제의 재생 공정에 이용되는 수소 가스는 입구 밸브(106, 106a)의 전단에서 수소 가스 공급관(S10)으로부터 분기되어, 입구 밸브(106, 106a)의 후단에서 수소 가스 공급관으로 합류하는 우회관(S30)을 통해 공급될 수 있다.
우회관(S30)에는 제습 장치(107, 107a)로의 가스의 공급을 제어하는 복수의 입구 밸브(113, 113a)가 구비된다.
우회관(S30)에는 제습 장치(107, 107a)로 공급되는 가스의 유량을 조절하는 유량 조절 밸브(127)가 추가로 구비될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이처럼 유량 조절 밸브(127)를 구비할 경우, 재생형 흡착제의 재생 공정에 이용되는 수소 가스량을 최소화하면서도, 안정적인 수소생산 품질을 유지할 수 있다.
재생형 흡착제의 재생 공정에 이용된 수소 가스와 재생 공정을 통해 재생형 흡착제로부터 분리된 수증기는 출구 밸브(109, 109a)의 전단에서 수소 가스 배출관(S20)으로부터 분기된 수증기 배출관(S40)을 통해 수전해 시스템(100)의 외부로 배출될 수 있다.
수증기 배출관(S40)에는 제습 장치(107, 107a)로부터 가스의 배출을 제어하는 복수의 출구 밸브(114, 114a)가 구비된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 운전 방법에 있어서, 잔류 수분 제거 공정에 이용되는 수소 가스의 흐름을 보여주는 개념도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 운전 방법에 있어서, 재생형 흡착제의 재생 공정에 이용되는 수소 가스의 흐름을 보여주는 개념도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 운전 방법을 보여주는 플로우 차트이다.
수전해 시스템(100)에 가열 장치(119)에 의해 가열된 고온의 전해질을 순환시켜 수전해 스택(101)을 기동하고, 수전해 스택(101)의 온도가 일정한 작동 온도로 승온되면 수전해 시스템(100)의 정격 운전을 개시하여 수소와 산소를 생산한다.
수전해 시스템(100)의 정격 운전이 개시되면, 일부 제습 장치(107)의 입구 밸브(106) 및 출구 밸브(109)를 개방하여, 수소 가스의 잔류 수분 제거 공정을 진행한다. 이때, 수소 가스의 잔류 수분 제거 공정을 진행하는 일부 제습 장치(107) 외 나머지 제습 장치(107a)의 입구 밸브(106a) 및 출구 밸브(109a)는 폐쇄하여 수소 가스의 잔류 수분 제거 공정으로의 전환을 대기한다.
노점 센서(111)에 의해 감지되는 수분 함유량이 일정 이상으로 될 때까지 일부 제습 장치(107)에 의해 수소 가스의 잔류 수분을 제거한다. 여기서, 일정 이상이란 예컨대 5ppm 이상을 의미할 수 있으며, 이는 곧 재생형 흡착제가 포화되어 사용 한계에 도달하였음을 나타낸다.
이처럼 노점 센서(111)에 의해 감지되는 수분 함유량이 일정 이상으로 될 시에, 일부 제습 장치(107)의 전단 및 후단의 입구 밸브(106) 및 출구 밸브(109)를 폐쇄하여 재생형 흡착제의 재생 공정으로 전환하고, 나머지 일부 제습 장치(107a)의 전단 및 후단의 입구 밸브(106a) 및 출구 밸브(109a)를 폐쇄하여 수소 가스의 잔류 수분 제거 공정으로 전환한다.
재생형 흡착제의 재생 공정으로 전환된 일부 제습 장치(107)의 가열 장치(108)를 작동시켜 그 내부의 온도 및 압력을 증가시킨다. 이 때, 가열 장치(108)의 작동에 따른 일부 제습 장치(107)의 내부 온도는 300~400℃로 유지될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
온도 및 압력 센서(125)에 의해 감지되는 일부 제습 장치(107) 내부의 압력이 소정의 값(예컨대, 제습 장치의 최고 충전 압력 또는 한계 압력)을 초과하면, 수증기 배출관(S40)에 마련된 출구 밸브(114)를 개방하여 일부 제습 장치(107)로부터 수증기압에 의해 수증기를 배출한다.
수증기압에 의한 수증기 배출이 완료되면, 수증기 배출관(S40)에 마련된 출구 밸브(114)를 폐쇄하고, 가열 장치(108)를 작동시켜 일부 제습 장치(107)의 내부 온도를 재차 300~400℃로 유지한다.
온도 및 압력 센서(125)에 의해 감지되는 일부 제습 장치(107) 내부의 압력이 소정의 값을 초과하면, 수증기 배출관(S40)에 마련된 출구 밸브(114)를 개방하여 제습 장치(107)로부터 수증기압에 의해 수증기를 재차 배출하고, 수증기의 배출이 완료되면 수증기 배출관(S40)에 마련된 출구 밸브(114)를 폐쇄하고, 가열 장치(108)를 재차 작동시킨다.
이러한 제습 장치(107)의 가열과 수증기의 배출은 제습 장치(107)의 가열에 의한 압력 증가가 일정 이하가 될 때까지 수 회 반복하여 실시한다.
제습 장치의 가열에 의한 압력 증가가 일정 이하가 되면, 제습 장치 내부에 수소 가스를 공급하여 잔류 수증기를 퍼지함과 더불어 제습 장치(107)를 냉각한다. 이를 위해, 우회관(S30)에 마련된 입구 밸브(113)과 수증기 배출관(S40)에 마련된 출구 밸브(114)를 개방한다.
수소 가스의 공급은 일부 제습 장치(107) 내부의 온도가 일정 이하(예컨대 30℃ 이하)가 될 때까지 진행되며, 일부 제습 장치(107) 내부의 온도가 일정 이하에 도달하면, 모든 밸브(106, 109, 113, 114)를 폐쇄하고, 수소 가스의 잔류 수분 제거 공정으로의 전환을 대기한다.
종래의 재생 공정에서는 제습 장치의 가열과 수소에 의한 퍼지를 동시에 진행함으로써, 저온의 수소 가스로 인해 제습 장치의 온도 상승이 저해되어 제습 장치의 온도를 유지하는 데에 과도한 에너지가 소모될 뿐만 아니라, 수증기를 퍼지하는 데에 수소 가스가 과도하게 사용되는 문제가 있어 왔다.
이와 달리, 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 운전 방법에서는, 수증기 자체의 압력을 통해 수증기를 배출하게 되므로 적은 에너지만으로도 제습 장치의 온도를 유지할 수 있으며, 제습 장치에 공급되는 수소 가스가 온전히 제습 장치 내부의 수증기 퍼지 및 제습 장치의 냉각에만 사용되므로, 수소 사용량을 현저히 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 운전 방법은 수증기의 퍼지에 사용되는 수소 가스 사용량이 적어, 수전해 시스템의 용량 증가시에도 수소 가스 배출에 따른 안전 문제로부터 비교적 자유로울 수 있다.
전술한 본 명세서의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 명세서의 일 측면이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서에 기재된 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 명세서의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 수전해 시스템 101: 수전해 스택
102: 온도 및 압력 센서 103: 열교환기
104: 캐소드 분리조 105: 탈산소 촉매반응기
106,106a: 입구 밸브 107,107a: 제습 장치
108,108a: 가열 장치 109,109a: 출구 밸브
110: 압력 조절 장치 111: 노점 센서
112: 산소 농도 센서 113,113a: 입구 밸브
114,114a: 출구 밸브 115: 탈이온수 탱크
116: 탈이온수 펌프 117: 전해질 탱크
118: 전해질 펌프 119: 가열 장치
120,121: 온도 및 압력 센서 122,123: 열교환기
124: 애노드 분리조 125,126: 온도 및 압력 센서
127: 유량 조절 밸브 S10: 수소 가스 공급관
S20: 수소 가스 배출관 S30: 우회관
S40: 수증기 배출관

Claims (6)

  1. 물의 전기분해 반응에 의해 생산된 수분-함유 수소 가스를 배출하는 수전해 스택과, 상기 수전해 스택으로부터 배출되는 수분-함유 수소 가스로부터 수분을 제거하기 위한 재생형 흡착제를 포함하는 복수의 제습 장치와, 상기 복수의 제습 장치 각각의 내부 온도 및 압력을 감지하는 온도 및 압력 센서와, 상기 복수의 제습 장치를 가열하는 가열 장치를 포함하고, 상기 복수의 제습 장치는 상기 수전해 스택과 상기 복수의 제습 장치를 연결하는 수소 가스 공급관과 상기 복수의 제습 장치로부터 수분이 저감된 수소 가스를 배출하는 수소 가스 배출관에 서로 병렬로 연결되어 서로 교대로 상기 수분-함유 수소 가스의 수분 제거에 이용되고, 상기 수소 가스 공급관과 수소 가스 배출관에는 상기 복수의 제습 장치로의 가스의 공급과 배출을 제어하는 복수의 입구 밸브 및 출구 밸브가 구비된 수전해 시스템의 운전 방법에 있어서,
    상기 복수의 제습 장치 중 수분 제거에 이용되지 않는 나머지 제습 장치는 상기 재생형 흡착제의 재생에 이용되며, 상기 재생형 흡착제의 재생 공정은,
    상기 입구 밸브 및 출구 밸브를 폐쇄한 채로, 상기 가열 장치를 작동시켜 상기 제습 장치 내부의 온도 및 압력을 증가시키는 제1 단계;
    상기 제습 장치 내부의 압력이 일정 이상을 초과할 시에, 상기 제습 장치로부터 수증기를 배출하는 제2 단계; 및
    상기 수증기가 배출된 제습 장치에 수소 가스를 공급하여, 상기 제습 장치를 냉각하면서 그 내부에 잔존하는 수증기를 퍼지하는 제3 단계;
    를 포함하고,
    상기 제3 단계에서 공급되는 수소 가스는 상기 수전해 스택으로부터 배출되는 수분-함유 수소 가스이고,
    상기 제3 단계에서 공급되는 수소 가스는 상기 입구 밸브의 전단에서 상기 수소 가스 공급관으로부터 분기되어, 상기 입구 밸브의 후단에서 상기 수소 가스 공급관으로 합류하는 우회관을 통해 공급되며,
    상기 우회관에는 상기 제습 장치로 공급되는 수분-함유 수소 가스의 유량을 조절하는 유량 조절 밸브가 구비된, 수전해 시스템의 운전 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 재생형 흡착제의 재생 공정에서 상기 제습 장치 내부의 온도는 300~400℃인 수전해 시스템의 운전 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 단계는 상기 제습 장치의 압력 증가가 일정 이하가 될 때까지 반복하여 실시하는 수전해 시스템의 운전 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수전해 시스템은 상기 수소 가스 배출관에 구비되어 상기 수분이 저감된 수소 가스의 수분 함유량을 감지하는 노점 센서를 더 포함하고,
    상기 노점 센서에 의해 감지되는 수분 함유량이 일정 이상을 초과할 시에, 수분의 제거에 이용되던 제습 장치의 전단 및 후단에 구비된 입구 밸브 및 출구 밸브를 폐쇄하여 재생형 흡착제의 재생에 이용하고, 재생형 흡착제의 재생에 이용되던 제습 장치의 전단 및 후단에 구비된 입구 밸브 및 출구 밸브를 개방하여 수분-함유 수소 가스의 수분 제거에 이용하는 수전해 시스템의 운전 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 단계에서 배출되는 수증기와 상기 제3 단계에서 배출되는 수증기 및 수소 가스는, 상기 출구 밸브의 전단에서 상기 수소 가스 배출관으로부터 분기된 수증기 배출관을 통해 상기 수전해 시스템의 외부로 배출되는, 수전해 시스템의 운전 방법.
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