KR102526673B1 - 내구성이 우수한 수전해 시스템 및 그 운전 방법 - Google Patents
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Abstract
복수의 단위셀과 분리판이 적층된 구조로 이루어지며, 물의 전기분해 반응으로 수소와 산소를 생산하는 수전해 스택; 상기 수전해 스택의 작동에 필요한 전기에너지를 공급하는 전류가변형 전원공급기; 상기 수전해 스택에 공급되는 전해질이 순환하는 전해질 순환 라인; 상기 전해질 순환 라인에 구비되어 고온의 전해질을 보관하며, 가열 수단이 구비된 제1 전해질 탱크; 전해질의 흐름 방향을 기준으로 상기 제1 전해질 탱크의 전단에 위치한 제1 지점에서 상기 전해질 순환 라인으로부터 분기되어, 상기 제1 전해질 탱크를 바이패스하여 상기 제1 전해질 탱크의 후단에 위치한 제2 지점에서 상기 전해질 순환 라인으로 합류하는 제1 바이패스 라인; 및 상기 제1 바이패스 라인에 구비되어 저온의 전해질을 보관하는 제2 전해질 탱크;를 포함하는 수전해 시스템과 그 운전 방법에 개시된다.
Description
본 발명은 내구성이 우수한 수전해 시스템 및 그 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 방식으로는, 산성 및 알칼리 수전해 방식, 양이온 교환막(Proton Exchange Membrane; PEM) 수전해 방식, 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane; AEM) 수전해 방식 등이 알려져 있다.
물이 수소와 산소로 분해되는 반응은 열역학적으로 비자발적인 흡열반응으로서 외부의 전기 에너지를 사용하여 전기화학적 반응이 이루어진다. 통상 100℃ 이하에서 작동하는 저온 수전해 시스템은 공급되는 열 에너지와 전기 에너지에 의해 물 전기분해 반응이 일어나고, 이때 이론적으로 고위 발열량 기준으로 수전해 스택의 셀 전압은 1.48V 이상의 과전압이 필요하다. 수전해 시스템의 효율을 증가시키기 위해서는 물 전기분해 반응에 필요한 전기 에너지를 저감하는 것이 주요하다.
이러한 수전해 시스템은 재생 에너지 또는 계통 전원과 연계되어 기동과 정지를 반복하면서 작동하는데, 수전해 스택에 전기 에너지가 공급되지 않는 기간, 즉 전류가 흐르지 않는 기간 동안 수전해 스택은 아래와 같은 다양한 요인에 의해 열화될 수 있다.
수전해 스택 내부에 전류가 흐르지 않을 때 발생하는 역전류는 수소 발생 반응이 일어나는 캐소드 전극에서 산화 반응을 유발하여 촉매 전극의 영구적인 손상을 초래할 수 있으며, 이는 촉매의 용출, 스택 성능의 저하 등의 다양한 문제를 초래할 수 있다. 또한, 수전해 시스템의 정지 시에 수전해 스택 셀의 촉매 전극에 잔존하는 미세 버블 형태의 수소와 산소는 열역학적으로 자발적인 물 합성 반응을 일으킬 수 있으며, 이는 전해질막과 인접한 촉매 전극에 치명적인 비가역적 손상을 불러일으킬 수 있다. 이러한 비가역적 손상은 수전해 스택의 성능 저하와 내구성의 저하를 가져올 수 있다.
수전해 시스템의 기동 시와 정지 시에 발생하는 역전류를 방지하기 위한 기술로서 특허문헌 1이 알려져 있다. 특허문헌 1에는 복수의 막-전극 접합체를 포함하며, 전해액 탱크로부터 공급받은 알칼리 수용액을 전기분해하여 수소와 산소를 발생시키기 위한 수전해 스택; 상기 수전해 스택으로 전기분해에 필요한 전압을 출력하는 전압 인가부; 상기 수전해 스택이 무부하 상태일 때 상기 수전해 스택과 통전되어 상기 수전해 스택의 잔류 전압을 소모하여 제거하는 전압 소모 장치; 및 상기 수전해 스택, 상기 전압 인가부, 및 상기 전압 소모 장치의 작동을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 전압 소모 장치가 상기 전해액 탱크에 설치된 보조 히터로 구성되는 수전해 시스템이 제안되어 있다.
그러나, 특허문헌 1은 수전해 시스템 운영 시 기동 단계와 정지 단계에서 빈번하게 발생하는 수전해 스택의 역전류를 근본적으로 방지하는 방법을 제공하고 있지는 못하다.
본 발명의 여러 목적 중 하나는, 안정적인 작동이 가능하고, 내구성이 향상된 수전해 시스템 및 그 운전 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 복수의 단위셀과 분리판이 적층된 구조로 이루어지며, 물의 전기분해 반응으로 수소와 산소를 생산하는 수전해 스택; 상기 수전해 스택의 작동에 필요한 전기에너지를 공급하는 전류가변형 전원공급기; 상기 수전해 스택에 공급되는 전해질이 순환하는 전해질 순환 라인; 상기 전해질 순환 라인에 구비되어 고온의 전해질을 보관하며, 가열 수단이 구비된 제1 전해질 탱크; 전해질의 흐름 방향을 기준으로 상기 제1 전해질 탱크의 전단에 위치한 제1 지점에서 상기 전해질 순환 라인으로부터 분기되어, 상기 제1 전해질 탱크를 바이패스하여 상기 제1 전해질 탱크의 후단에 위치한 제2 지점에서 상기 전해질 순환 라인으로 합류하는 제1 바이패스 라인; 및 상기 제1 바이패스 라인에 구비되어 저온의 전해질을 보관하는 제2 전해질 탱크;를 포함하는 수전해 시스템을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 수전해 시스템은, 상기 제1 및 제2 지점에 각각 구비되어 상기 전해질을 상기 전해질 순환 라인 또는 상기 제1 바이패스 라인으로 선택적으로 유동시키는 제1 및 제2 삼방향 밸브를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수전해 시스템은, 상기 전해질의 흐름 방향을 기준으로 상기 제1 지점의 전단에 위치한 제3 지점에서 상기 전해질 순환 라인으로부터 분기되어, 상기 제1 및 제3 지점의 사이에 위치한 제4 지점에서 상기 전해질 순환 라인으로 합류하는 제2 바이패스 라인; 및 상기 제2 바이패스 라인에 구비되어 상기 전해질로부터 냉각수로 열을 회수하는 열교환기;를 더 포함하 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수전해 시스템은, 상기 제3 지점에 구비되어 상기 전해질을 상기 전해질 순환 라인 또는 상기 제2 바이패스 라인으로 선택적으로 유동시키는 제3 삼방향 밸브를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수전해 시스템은, 상기 수전해 스택의 정지시 셀 전압을 감소시키는 셀전압 감소기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수전해 시스템은, 상기 수전해 스택에서 배출되는 수소 함유 가스로부터 수분을 분리하는 분리조; 상기 수분이 분리된 수소 함유 가스에 혼입된 산소를 제거하는 산소 제거기; 상기 산소 제거기 내부 온도를 감지하는 온도 센서; 및 상기 산소가 제거된 수소 함유 가스로부터 잔류 수분을 제거하는 제습기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 상기 수전해 시스템의 운전 방법으로서, 상기 수전해 시스템의 정지 시에 상기 전류가변형 전원공급기에 일정 전류를 흘려, 상기 수전해 스택에 인가되는 전압을 상기 단위셀의 이론적인 전해 전압보다 높게 유지하면서, 상기 제1 및 제2 삼방향 밸브를 조작하여, 상기 제2 전해질 탱크에 보관된 저온의 전해질을 상기 수전해 스택에 공급하는 단계를 포함하는 수전해 시스템의 운전 방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 수전해 시스템의 정지 시에 상기 수전해 스택에 인가되는 전압은 1.50~1.65V일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수전해 시스템의 정지 시에 상기 제3 삼방향 밸브를 조작하여, 상기 수전해 스택에서 배출되는 전해질을 상기 열교환기로 공급할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 저온의 전해질 공급에 의해 상기 수전해 스택에서 배출되는 전해질의 온도가 일정 이하로 된 후에, 상기 전류가변형 전원공급기에 의한 전원의 공급을 차단하고, 상기 셀전압 감소기에 의해 셀 전압을 감소시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전원의 공급을 차단하는 온도는 40℃ 이하일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 수전해 시스템의 운전 방법으로서, 상기 수전해 시스템의 정지 시에 상기 온도 센서로부터 상기 산소 제어기 내부의 온도를 감지하여 상기 수전해 스택의 크로스 리크(cross-leak)을 실시간으로 검지하는 수전해 시스템의 운전 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 수전해 스택이 무부하 상태일 때, 수전해 스택의 단위셀의 냉각 시간을 최소화함으로써, 역전류의 발생을 방지하고, 전해질막과 촉매 전극 사이에서 발생하는 열화를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 수전해 스택이 무부하 상태일 때, 수전해 스택의 촉매 전극에 잔류하는 잔류 미세 버블 형태의 수소와 산소로부터 기인하는 전해질막과 인접한 촉매 전극에 대한 치명적인 비가역적 손상을 방지할 수 있으며, 이를 통해 수전해 스택의 성능 및 내구성을 향상시킬 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, 수전해 시스템의 기동 시의 전해질의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 운전 방법에 있어서, 수전해 시스템의 정상 가동 중 전해질의 온도가 과도하게 상승할 시의 전해질의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 운전 방법에 있어서, 수전해 시스템의 정지 시의 전해질의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 운전 방법에 있어서, 수전해 시스템의 기동 시의 전해질의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 운전 방법에 있어서, 수전해 시스템의 정상 가동 중 전해질의 온도가 과도하게 상승할 시의 전해질의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 운전 방법에 있어서, 수전해 시스템의 정지 시의 전해질의 흐름을 나타내는 도면이다.
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. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 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.
수전해 시스템
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. 정상 가동 상태에서 각 단위셀에는 대략 1.7V에서 2.1V의 전압이 인가된다.
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.
전류가변형 전류공급기(102)는 수전해 스택(101)의 작동에 필요한 전기 에너지를 공급한다. 수전해 시스템(100)이 정지하여 수전해 스택(101)이 무부하 상태에 노출되면, 잔류 전압(전류)가 애노드 및 캐소드 전극의 촉매와 음이온 교환막의 열화를 가속시키며, 그 결과 수전해 스택(101)의 장기적인 성능에 악영향을 미칠 수 있다. 전류가변형 전원공급기(102)은 수전해 시스템(100)의 정지 상태에서도 수전해 스택(101)에 일정 전류가 흐르도록 하여 각 단위셀의 전압 범위를 1.50~1.65V로 유지시킴으로써, 역전류의 발생을 억제할 수 있다.
셀전압 감소기(103)는 수전해 스택(100)에 전기적으로 연결되어, 수전해 스택(101)에 인가된 전압을 실시간으로 감지하며, 수전해 시스템(100)의 정지 상태에서 수전해 스택(100)에 인가된 전압이 임계치 미만인 경우 잔류 전압을 제거함으로써, 수전해 스택(101)의 비가역적 열화를 방지할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
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.
캐소드에서 생성된 수소 가스는 캐소드 분리조(104) 및 제습기(105)를 거쳐 수소 가스 배출관(S40)을 통해 수전해 시스템(100)의 외부로 배출될 수 있다.
캐소드에서 생성된 수소 가스에는 음이온 교환막을 통과한 수분이 일부 함유되어 있으며, 장치의 열화 등에 의한 불순물도 함유되어 있을 수 있다. 이러한 수분과 불순물은 캐소드 분리조(104)에서 가스 상의 수소와 분리되어 제거될 수 있다.
캐소드 분리조(104)를 통과한 수소 가스에는 미량의 수분이 잔류할 수 있으며, 이러한 미량의 수분은 제습기(105) 내부에 마련된 재생형 흡착제에 흡착되어 제거될 수 있다. 재생형 흡착제에 의해 흡착된 수분은 흡착제의 재생 공정을 통해 수소 가스 배출관(S40)에서 분기된 수증기 배출관(S50)을 통해 수전해 시스템(100)의 외부로 배출될 수 있다.
한편, 수전해 시스템(100)의 운전 과정 혹은 정지 과정에서는 애노드 전극 측의 산소가 음이온 교환막을 통과하여 캐소드 전극으로 누설되는, 이른바 크로스 리크(cross-leak)가 발생될 수 있다. 이처럼 크로스 리크가 발생되면 수소 생산 효율이 저하되므로, 이를 방지할 필요가 있다. 이를 위해, 캐소드 분리조(104)와 제습기(105)의 사이에는 수소 가스에 혼입된 산소 가스를 제거하는 산소 제거기(116)가 구비되어 있을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 산소 제거기(116)에는 온도 센서가 마련되어 산소 제거기(116) 내부의 온도를 감지할 수 있으며, 이를 통해 크로스 리크를 실시간으로 검지하여 수전해 시스템(100)의 이상 유무를 판정할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
수소 가스 배출관(S40)을 통해 배출되는 수소 가스의 적어도 일부는 캐소드로 재순환될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 음이온 교환막은 투수성이 낮아 습윤 상태에서 효율적으로 작동하며, 캐소드 내부의 온도가 높아지면 음이온 교환막이 건조해져 그 작동 효율이 저하될 수 있으므로 캐소드 내부의 온도는 일정 범위로 유지할 필요가 있다. 수소 가스의 재순환 공정을 실시할 경우, 재순환된 수소 가스가 냉각 매체로서 작용함으로써, 단위셀에 대한 별도의 냉각 시스템을 구비하지 않더라도, 전해 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1에서는 전해질이 애노드 전극에만 공급되는 수전해 시스템을 예시하고 있다.
전해질은 전해질 펌프에 의해 전해질 순환 라인(S10) 또는 제1 바이패스 라인(S20)을 통해 순환하며, 전해질 순환 라인(S10)에 구비된 제1 전해질 탱크(108) 또는 제1 바이패스 라인(S20)에 구비된 제2 전해질 탱크(109)에 보관된다.
애노드에서 생성된 산소 가스는 전해질 순환 라인(S10)을 따라 제1 전해질 탱크(108)를 거쳐 혹은 제1 바이패스 라인(S20)을 따라 제2 전해질 탱크(109)를 거쳐, 애노드 분리조(114)로 공급되며, 애노드 분리조(114)에서 수분 및 불순물과 분리되어 가스 상의 산소가 수전해 시스템의 외부로 배출될 수 있다.
제1 전해질 탱크(108)에는 고온의 전해질이 보관되며, 제1 전해질 탱크(108)는 전해질의 온도를 높이기 위해, 전해질의 가열 및 온도 유지를 위한 가열 수단(108-1)을 구비할 수 있다.
제2 전해질 탱크(109)에는 저온의 전해질이 보관되며, 제2 전해질 탱크(109)는 전해질의 온도를 낮추기 위해, 탈이온수 펌프(107)에 의해 탈이온수 탱크(106)에 저장된 탈이온수를 공급받을 수 있다.
제1 바이패스 라인(S10)은 전해질의 흐름 방향을 기준으로 제1 전해질 탱크(108)의 전단에 위치한 제1 지점(117)에서 전해질 순환 라인(S10)으로부터 분기되어, 제1 전해질 탱크(108)를 바이패스하여 제1 전해질 탱크(108)의 후단에 위치한 제2 지점(118)에서 전해질 순환 라인으로 합류할 수 있다.
제1 지점(117) 및 제2 지점(118)의 각각에는 전해질을 제1 전해질 탱크(108)의 방향 또는 제2 전해질 탱크(109)의 방향으로 선택적으로 유동시키는 제1 및 제2 삼방향 밸브(110, 111)가 구비되어 있을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
수전해 시스템의 기동시 수전해 스택을 안정적으로 작동시키기 위해서는 전해질의 온도를 급격히 증가시킬 필요가 있으며, 반대로 수전해 시스템의 정지시 수전해 스택에서 발생하는 비가역적 열화반응을 최소화하기 위해서는 전해질의 온도를 급격히 낮춰 수전해 스택의 냉각 시간을 단축시킬 필요가 있다. 수전해 시스템의 구동에 필요한 전해질을 모두 가열하거나 냉각할 경우, 그에 필요한 가열 및 냉각 설비를 마련하는 데에 과도한 비용이 소요되며, 전해질 펌프의 소비 전력이 과도하게 증가할 수 있다.
본 발명에서는 각각의 상황에 맞춰 고온의 전해질과 저온의 전해질을 선택적으로 이용할 수 있도록 구성함으로써, 가열 및 냉각 설비의 설치 비용을 절감하면서도, 수전해 시스템의 기동 시간을 대폭 단축하고, 수전해 시스템의 내구성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
전해질의 흐름 방향을 기준으로 제1 지점(117)의 전단에는 전해질 순환 라인(S10)으로부터 분기되어(제3 지점, 119), 열교환기(115)를 거쳐 전해질 순환 라인으로 합류하는(제4 지점, 120) 제2 바이패스 라인(S30)이 구비되어 있을 수 있다. 열교환기(115)의 일 측에는 전해질이 유입되고, 타 측에는 냉각수가 유입되어, 전해질로부터 냉각수로 열을 회수할 수 있다.
제3 지점(119)에는 전해질을 전해질 순환 라인(S10) 또는 제2 바이패스 라인(S30)으로 선택적으로 유동시키는 제3 삼방향 밸브(112)가 구비되어 있을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
수전해 시스템의 정상 가동시 단위셀의 과전압에 의해 전해질의 온도가 과도하게 상승할 수 있으며, 이 경우, 전해질을 냉각하여 수전해 스택의 온도를 일정하게 유지시킬 필요가 있다. 또한, 수전해 시스템의 정지시 수전해 스택에서 발생하는 비가역적 열화반응을 최소화하기 위해서는 수전해 스택을 통과하면서 온도가 상승한 전해질을 냉각시킬 필요가 있다.
본 발명에서는 각각의 상황에 맞춰 전해질이 열교환기를 통과하거나 통과하지 않도록 구성함으로써, 수전해 시스템을 보다 안정적으로 운영할 수 있다.
수전해 시스템의 운전 방법
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 운전 방법에 있어서, 수전해 시스템의 기동 시의 전해질의 흐름을 나타내는 도면이다.
수전해 시스템(100)의 기동시에는 수전해 스택(101)의 안정적인 작동 온도인 100℃ 이하의 범위, 예컨대 40~80℃의 범위에서 작동하므로, 가열 수단(108-1)이 구비된 제1 전해질 탱크(108) 내의 고온의 전해질을 사용하며, 전해질이 열교환기(115)를 거치지 않도록 제3 삼방향 밸브(112)를 조절하여 수전해 스택(101)을 승온시킨다.
수전해 스택(101)의 온도가 일정한 작동 온도로 승온되면, 전류가변형 전원공급기(102)의 전류 제어(constant current)를 통해 수전해 시스템(100)을 정상 가동시켜 수소와 산소를 생산한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 운전 방법에 있어서, 수전해 시스템의 정상 가동 중 전해질의 온도가 과도하게 상승할 시의 전해질의 흐름을 나타내는 도면이다.
수전해 시스템(100)의 정상 가동 중 단위셀의 과전압에 의해 전해질의 온도가 과도하게 상승하면 전해질이 열교환기(115)를 거치도록 제3 삼방향 밸브(112)를 조절하여 수전해 스택(101)의 작동 온도를 일정하게 유지시킨다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 운전 방법에 있어서, 수전해 시스템의 정지 시의 전해질의 흐름을 나타내는 도면이다.
수전해 시스템(100)의 정지시 전류가변형 전원공급기(102)로 일정 전류를 흘려 수전해 스택(101)에 인가되는 전압을 단위셀의 이론적인 전해 전압(1.23V)보다 높게 유지하면서, 제1 및 제2 삼방향 밸브(110, 111)를 조작하여 제2 전해질 탱크(109)에 보관된 저온의 전해질을 수전해 스택(101)에 공급함으로써, 수전해 스택(101)을 급속도로 냉각시킨다.
수전해 시스템(100)의 정지시 수전해 스택(101)에 인가되는 전압 범위는 1.50~1.65V일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이 경우, 무부하 상태에서 단위셀에 역전류가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
저온의 전해질에 의한 수전해 스택의 냉각은 수전해 스택(101)에서 배출되는 전해질의 온도가 목표 온도(예컨대 40℃ 이하)에 도달할 때까지 지속될 수 있으며, 냉각 시간은 5~10분일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서는 수전해 시스템의 정지시 제2 전해질 탱크에 보관된 저온의 전해질을 이용하여 수전해 스택을 급속도로 냉각시킴으로써, 단위셀의 촉매 전극에 잔류하는 미세 수소 및 산소를 빠르게 제거하여, 물의 전기분해 반응 이외의 반응에 의해 발생할 수 있는 수전해 스택의 열화를 방지할 수 있다. 또한, 수전해 스택의 냉각 시간이 길어지는 경우에 발생할 수 있는 비가역적 열화 반응을 최소화할 수 있다.
수전해 시스템(100)의 정지시 수전해 스택(101)에서 배출되는 전해질이 열교환기(115)를 거치도록 제3 삼방향 밸브(112)를 조작할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이처럼 수전해 시스템(100)의 정지시 전해질이 열교환기(115)를 거치도록 함으로써, 수전해 스택(101)의 냉각 시간을 보다 단축시킬 수 있다.
수전해 시스템(100)의 정지시 저온의 전해질 공급에 의해 수전해 스택(101)에서 배출되는 전해질의 온도가 목표 온도에 도달하면, 전류가변형 전원공급기(102)에 의한 전원의 공급을 차단하고, 셀전압 감소기(103)에 의해 셀 전압을 감소시킬 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이처럼 셀전압 감소기(103)에 의해 잔류 전압을 소모하여 제거함으로써, 애노드 및 캐소드 전극의 촉매와 음이온 교환막의 열화를 방지할 수 있고, 그 결과 수전해 스택(101)의 수명과 내구성을 향상시킬 수 있다.
한편, 수전해 시스템(100)의 운전 과정 혹은 정지 과정에서는 애노드 전극 측의 산소가 음이온 교환막을 통과하여 캐소드 전극 측으로 누설됨으로써, 수소 가스에 산소 가스가 혼입되는, 이른바 크로스 리크(cross-leak)가 발생될 수 있다. 이처럼 크로스 리크가 발생되면 수소 생산 효율이 저하되므로, 이를 방지할 필요가 있다. 이를 위해, 캐소드 분리조(104)와 제습기(105)의 사이에는 수소 가스에 혼입된 산소를 제거하는 산소 제거기(116)가 구비되어 있을 수 있다.
한편, 산소 제거기(116)에는 온도 센서가 마련되어 산소 제거기(116) 내부의 온도를 감지할 수 있으며, 이를 통해 크로스 리크를 실시간으로 검지하여 수전해 시스템(100)의 이상 유무를 판정할 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: 전류가변형 전류공급기 103: 셀전압 감소기
104: 캐소드 분리조 105: 제습기
106: 탈이온수 탱크 107: 탈이온수 펌프
108: 제1 전해질 탱크 108-1: 가열 수단
109: 제2 전해질 탱크 110: 제1 삼방향 밸브
111: 제2 삼방향 밸브 112: 제3 상방향 밸브
113: 전해질 펌프 114: 애노드 분리조
115: 열교환기 116: 산소 제거기
117: 제1 지점 118: 제2 지점
119: 제3 지점 120: 제4 지점
S10: 전해질 순환 라인 S20: 제1 바이패스 라인
S30: 제2 바이패스 라인 S40: 수소 가스 배출관
S50: 수증기 배출관
102: 전류가변형 전류공급기 103: 셀전압 감소기
104: 캐소드 분리조 105: 제습기
106: 탈이온수 탱크 107: 탈이온수 펌프
108: 제1 전해질 탱크 108-1: 가열 수단
109: 제2 전해질 탱크 110: 제1 삼방향 밸브
111: 제2 삼방향 밸브 112: 제3 상방향 밸브
113: 전해질 펌프 114: 애노드 분리조
115: 열교환기 116: 산소 제거기
117: 제1 지점 118: 제2 지점
119: 제3 지점 120: 제4 지점
S10: 전해질 순환 라인 S20: 제1 바이패스 라인
S30: 제2 바이패스 라인 S40: 수소 가스 배출관
S50: 수증기 배출관
Claims (12)
- 복수의 단위셀과 분리판이 적층된 구조로 이루어지며, 물의 전기분해 반응으로 수소와 산소를 생산하는 수전해 스택;
상기 수전해 스택의 작동에 필요한 전기에너지를 공급하는 전류가변형 전원공급기;
상기 수전해 스택에 공급되는 전해질이 순환하는 전해질 순환 라인;
상기 전해질 순환 라인에 구비되어 고온의 전해질을 보관하며, 가열 수단이 구비된 제1 전해질 탱크;
전해질의 흐름 방향을 기준으로 상기 제1 전해질 탱크의 전단에 위치한 제1 지점에서 상기 전해질 순환 라인으로부터 분기되어, 상기 제1 전해질 탱크를 바이패스하여 상기 제1 전해질 탱크의 후단에 위치한 제2 지점에서 상기 전해질 순환 라인으로 합류하는 제1 바이패스 라인;
상기 제1 바이패스 라인에 구비되어 저온의 전해질을 보관하는 제2 전해질 탱크;
상기 전해질의 흐름 방향을 기준으로 상기 제1 지점의 전단에 위치한 제3 지점에서 상기 전해질 순환 라인으로부터 분기되어, 상기 제1 및 제3 지점의 사이에 위치한 제4 지점에서 상기 전해질 순환 라인으로 합류하는 제2 바이패스 라인; 및
상기 제2 바이패스 라인에 구비되어 상기 전해질로부터 냉각수로 열을 회수하는 열교환기;
를 포함하는 수전해 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 지점에 각각 구비되어 상기 전해질을 상기 전해질 순환 라인 또는 상기 제1 바이패스 라인으로 선택적으로 유동시키는 제1 및 제2 삼방향 밸브를 더 포함하는 수전해 시스템. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제3 지점에 구비되어 상기 전해질을 상기 전해질 순환 라인 또는 상기 제2 바이패스 라인으로 선택적으로 유동시키는 제3 삼방향 밸브를 더 포함하는 수전해 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 수전해 시스템의 정지시 셀 전압을 감소시키는 셀전압 감소기를 더 포함하는 수전해 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 수전해 스택에서 배출되는 수소 함유 가스로부터 수분을 분리하는 분리조;
상기 수분이 분리된 수소 함유 가스에 혼입된 산소를 제거하는 산소 제거기;
상기 산소 제거기 내부 온도를 감지하는 온도 센서; 및
상기 산소가 제거된 수소 함유 가스로부터 잔류 수분을 제거하는 제습기;
를 더 포함하는 수전해 시스템. - 제1항에 기재된 수전해 시스템의 운전 방법으로서,
상기 수전해 시스템의 정지 시에 상기 전류가변형 전원공급기에 일정 전류를 흘려, 상기 수전해 스택에 인가되는 전압을 상기 단위셀의 이론적인 전해 전압보다 높게 유지하면서, 상기 제1 및 제2 삼방향 밸브를 조작하여, 상기 제2 전해질 탱크에 보관된 저온의 전해질을 상기 수전해 스택에 공급하는 단계를 포함하는 수전해 시스템의 운전 방법. - 제7항에 있어서,
상기 수전해 시스템의 정지 시에 상기 수전해 스택에 인가되는 전압은 1.50~1.65V인 수전해 시스템의 운전 방법. - 제7항에 있어서,
상기 수전해 시스템은, 상기 제3 지점에 구비되어 상기 전해질을 상기 전해질 순환 라인 또는 상기 제2 바이패스 라인으로 선택적으로 유동시키는 제3 삼방향 밸브;를 더 포함하고,
상기 수전해 시스템의 정지 시에 상기 제3 삼방향 밸브를 조작하여, 상기 수전해 스택에서 배출되는 전해질을 상기 열교환기로 공급하는 수전해 시스템의 운전 방법. - 제7항에 있어서,
상기 수전해 시스템은 상기 수전해 스택의 정지시 셀 전압을 감소시키는 셀전압 감소기를 더 포함하고,
상기 저온의 전해질 공급에 의해 상기 수전해 스택에서 배출되는 전해질의 온도가 일정 이하로 된 후에, 상기 전류가변형 전원공급기에 의한 전원의 공급을 차단하고, 상기 셀전압 감소기에 의해 셀 전압을 감소시키는 단계를 더 포함하는 수전해 시스템의 운전 방법. - 제10항에 있어서,
상기 전원의 공급을 차단하는 온도는 40℃ 이하인 수전해 시스템의 운전 방법. - 제6항에 기재된 수전해 시스템의 운전 방법으로서,
상기 수전해 시스템의 정지 시에 상기 온도 센서로부터 상기 산소 제거기 내부의 온도를 감지하여 상기 수전해 스택의 크로스 리크(cross-leak)를 실시간으로 검지하는 수전해 시스템의 운전 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020220185311A KR102526673B1 (ko) | 2022-12-27 | 2022-12-27 | 내구성이 우수한 수전해 시스템 및 그 운전 방법 |
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| KR1020220185311A KR102526673B1 (ko) | 2022-12-27 | 2022-12-27 | 내구성이 우수한 수전해 시스템 및 그 운전 방법 |
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| WO2020095664A1 (ja) * | 2018-11-05 | 2020-05-14 | 旭化成株式会社 | 水素の製造方法 |
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| KR20210103780A (ko) * | 2020-02-14 | 2021-08-24 | 현대자동차주식회사 | 수전해 시스템 및 그 제어방법 |
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- 2022-12-27 KR KR1020220185311A patent/KR102526673B1/ko active IP Right Grant
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