KR102536133B1 - Reversible fuel cell system capable of efficiently separating and storing hydrogen - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따르면, 수전해부(30)의 수소극에서 배출되는 유체를 배출하기 위한 배출유로(L41); 및 배출유로(l41)에 설치되어 상기 수소극에서 배출된 유체에서 수소를 분리하는 고온 수소 펌프(80);를 포함하며, 상기 수온 수소 펌프(80)는 상기 수소극에서 배출된 유체에서 전기화학적으로 수소를 분리하는 것인, 수전해 시스템이 제공된다. According to one embodiment, a discharge passage (L41) for discharging the fluid discharged from the hydrogen electrode of the water electrolysis unit 30; and a high-temperature hydrogen pump 80 installed in the discharge passage l41 to separate hydrogen from the fluid discharged from the hydrogen electrode. There is provided a water electrolysis system, which separates hydrogen into.

Description

수소의 분리 및 저장이 효율적으로 가능한 양방향 수전해 시스템{Reversible fuel cell system capable of efficiently separating and storing hydrogen}Reversible fuel cell system capable of efficiently separating and storing hydrogen}

본 발명은 수소의 분리 및 저장이 효율적으로 가능한 양방향 수전해 시스템 및 이의 동작 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a bidirectional water electrolysis system capable of efficiently separating and storing hydrogen and an operating method thereof.

최근 태양광이나 풍력과 같은 재생에너지를 이용한 발전 시스템에 대한 연구가 진행되고 있다. 재생에너지를 이용한 발전 시스템의 경우 자연환경에 따라 전기출력이 변동되므로 전력수요량 이상의 여유전력이 발생하는 경우 이를 저장하고 이용하는 방법에 대한 연구가 필요하다. 예를 들어 재생 에너지 발전설비로부터 전력수요량 이상의 여유전력이 발생하면 수전해 장치를 사용하여 수소를 생산하여 저장해 두었다가 발전량이 적을 경우 저장된 수소를 이용하여 연료전지에서 전력을 생산 및 공급할 수 있는 시스템이 연구되고 있다. Recently, research on a power generation system using renewable energy such as solar light or wind power is being conducted. In the case of a power generation system using renewable energy, since the electrical output varies according to the natural environment, it is necessary to study how to store and use it when surplus power exceeds the amount of power demanded. For example, if surplus power is generated from a renewable energy power generation facility, hydrogen is produced and stored using a water electrolysis device, and when the amount of power generation is small, a system that can produce and supply power from a fuel cell using the stored hydrogen has been researched. It is becoming.

고온형 수전해 및 연료전지 기술을 기반으로 한 가역(양방향) 수전해 시스템은 700℃ 이상의 작동환경 및 고온의 수증기를 만들어주기 위한 열원을 요구하고 있다. 따라서 수전해 시스템의 작동환경을 고온으로 유지하고 수전해 시스템에서 배출되는 배출열을 효과적으로 활용함으로써 시스템 효율을 향상시킬 필요가 있다. The reversible (two-way) water electrolysis system based on high-temperature water electrolysis and fuel cell technology requires an operating environment of 700 ° C or higher and a heat source to generate high-temperature water vapor. Therefore, it is necessary to improve system efficiency by maintaining the operating environment of the water electrolysis system at a high temperature and effectively utilizing exhaust heat discharged from the water electrolysis system.

또한, 전기 분해 모드에서 생산된 수소를 저장하기 위해서 압축기를 포함하여 다수의 장치들을 사용하는데, 이 장치들은 복잡하여 제어하기가 쉽지 않고, 압축시에 공기 유입 등으로 인한 폭발 위험으로 인한 수전해부의 제어가 어려운 점이 있어서 이를 해결할 필요가 있다. In addition, a number of devices, including a compressor, are used to store hydrogen produced in the electrolysis mode. These devices are complex and difficult to control, and the risk of explosion due to air inflow during compression prevents water electrolysis. It is difficult to control and needs to be addressed.

특허문헌1: 대한민국 등록특허번호 제10-0776353호 (2007년 11월 07일 공고)Patent Document 1: Republic of Korea Patent Registration No. 10-0776353 (Announced on November 07, 2007)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수소의 분리 및 저장이 효율적으로 가능한 양방향 수전해 시스템 및 이의 동작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a bi-directional water electrolysis system capable of efficiently separating and storing hydrogen and an operating method thereof.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 양방향 수전해 시스템의 열에너지를 효율적으로 활용하여 시스템 효율을 향상시키고 대용량화가 가능한 양방향 수전해 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a bidirectional water electrolysis system capable of improving system efficiency and increasing capacity by efficiently utilizing thermal energy of the bidirectional water electrolysis system.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 수전해부(30)의 수소극에서 배출되는 유체를 배출하기 위한 배출유로(L41); 및 배출유로(l41)에 설치되어 상기 수소극에서 배출된 유체에서 수소를 분리하는 고온 수소 펌프(80);를 포함하며, 상기 수온 수소 펌프(80)는 상기 수소극에서 배출된 유체에서 전기화학적으로 수소를 분리하는 것인, 수전해 시스템이 제공된다. According to one embodiment of the present invention, a discharge passage (L41) for discharging the fluid discharged from the hydrogen electrode of the water electrolysis unit (30); and a high-temperature hydrogen pump 80 installed in the discharge passage l41 to separate hydrogen from the fluid discharged from the hydrogen electrode. There is provided a water electrolysis system, which separates hydrogen into.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 수전해부(30)의 수소극으로부터 배출되는 유체를 배출유로(L41)가 배출하는 단계; 및 배출유로(L41)로부터 배출되는 유체에 포함된 수소를 전기화학적으로 분리하는 단계;를 포함하는 수전해 시스템의 동작 방법이 제공된다.According to another embodiment of the present invention, discharging the fluid discharged from the hydrogen electrode of the water electrolysis unit 30 through the discharge passage L41; and electrochemically separating hydrogen contained in the fluid discharged from the discharge passage L41.

본 발명의 하나 이상의 실시예에 따르면, 수전해 모드에서 수소 압축시에 흡입 라인의 부압에 따라 공기 유입등으로 인한 폭발 위험과 컴프레서의 흡인 압력의 변동으로 인한 수전해 스택의 압력 제어가 용이하도록 하는 효과를 달성하였다. According to one or more embodiments of the present invention, when hydrogen is compressed in the water electrolysis mode, the risk of explosion due to air inflow according to the negative pressure of the suction line and the pressure of the water electrolysis stack due to the fluctuation of the suction pressure of the compressor are easily controlled effect was achieved.

본 발명의 하나 이상의 실시예에 따르면, 수전해 모드에서 연료전지의 수소극에서 배출되는 배출가스 중 일부를 이젝터를 통해 수소극으로 재공급하도록 구성하고 연료전지 모드에서 배출가스의 일부를 재순환하여 수소극으로 재공급하도록 구성함으로써 시스템 효율을 향상시키는 효과를 달성하였다.According to one or more embodiments of the present invention, in the water electrolysis mode, some of the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell is configured to be re-supplied to the hydrogen electrode through an ejector, and in the fuel cell mode, some of the exhaust gas is recycled to supply water. By configuring to re-supply to the negative electrode, the effect of improving system efficiency was achieved.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도2는 제1 실시예의 수전해(SOEC) 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도3은 제2 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템에서의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
1 is a diagram for explaining a bi-directional water electrolysis system according to a first embodiment of the present invention.
2 is a diagram for explaining the water electrolysis (SOEC) mode of the first embodiment.
3 is a diagram for explaining a bi-directional water electrolysis system according to a second embodiment.
4 is a diagram for explaining an operating method in a bidirectional water electrolysis system according to an embodiment of the present invention.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete and the spirit of the present invention will be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

용어의 정의Definition of Terms

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase. The terms 'comprise' and/or 'comprising' used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other elements.

본원 명세서에서, 임의의 구성요소(이하, '구성요소 A'라고 함)가 임의의 다른 구성요소(이하, '구성요소 B'라고 함)의 '상류'에 위치되어 있다고 함은, 기체나 액체와 같은 유체가 흐르는 유로상에 구성요소 A와 구성요소 B가 위치 있고, 구성요소 A가 구성요소 B 보다 먼저 유체를 먼저 유입 받도록 배치된 것을 의미한다. In the present specification, when a certain element (hereinafter referred to as 'component A') is located 'upstream' of any other element (hereinafter referred to as 'component B'), gas or liquid It means that component A and component B are located on the flow path through which the fluid flows, and component A is arranged to receive the fluid first before component B.

본원 명세서에서, 어떤 유로에 어떤 구성요소가 설치 또는 연결되어 있다고 함은 그 구성요소가 그 유로에 흐르는 유체의 흐름에 영향을 가하도록 그 유로와 동작적으로 결합된 것을 의미한다. 예를 들면, 유로에 동작적으로 결합된 구성요소는, 스팀 생성부, 이젝터, 수전해부, 히터, 다른 유로들, 열교환기들, 밸브들, 블로워들, 및 펌프들을 포함할 수 있으며, 이들 구성요소들은 예를 들면 유체의 흐름을 차단하거나, 유체의 흐름을 허용하거나 유체의 압력을 변화시키거나, 유체의 일부를 분기 또는 필터링시키거나, 유체의 물리적 또는 화학적으로 변화시키거나, 유체를 일시 저장하거나, 유체와 열적으로 결합되거나, 유체를 외부로부터 합류시키는 동작하도록 유로와 결합될 수 있다. In the present specification, when a component is installed or connected to a flow path, it means that the component is operatively coupled to the flow path to affect the flow of fluid flowing in the flow path. For example, components operatively coupled to a flow path may include steam generators, ejectors, water electrolyzers, heaters, other flow paths, heat exchangers, valves, blowers, and pumps; Elements, for example, block the flow of a fluid, allow the flow of a fluid or change the pressure of a fluid, divert or filter a portion of a fluid, physically or chemically change a fluid, or temporarily store a fluid. Alternatively, it may be thermally coupled with the fluid, or coupled with the flow path to operate to join the fluid from the outside.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예를 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In describing specific embodiments below, a number of specific details have been prepared to more specifically describe the invention and aid understanding. However, readers who have knowledge in this field to the extent that they can understand the present invention can recognize that it can be used without these various specific details. In some cases, it is mentioned in advance that parts that are commonly known in describing the invention and are not greatly related to the invention are not described to prevent confusion in describing the present invention.

본 발명은 다양한 종류의 수전해 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들면, 알칼라인 수전해 시스템, 고분자 전해질(PEM: Polymer Electrolyte Membrance) 수전해 시스템, 고체 산화물(Solid Oxide) 수전해 시스템, 또는 음이온교환막(AEM: Anion Exchange Membrane) 수전해 시스템 등과 같은 수전해 시스템에 본 발명이 적용될 수 있다. 또한, 본 발명은 수전해 모드와 연료전지 모드를 모두 가진 양방향 수전해 시스템에도 적용될 수 있다. 즉, 본 발명은 다양한 종류의 수전해 시스템에 적용되어, 수전해에 의해 생성되어 이동되는 수소 저압 라인에 수소를 분사하여 공급함으로써, 수소 압축시에 흡입 라인의 부압에 따라 공기 유입 등으로 인한 폭발 위험이나 컴프레서의 흡인 압력 변동으로 인한 수전해 스택의 압력을 용이하게 제어할 수 있다. 따라서, 본원 명세서에서, 용어 '수전해 시스템'은 알칼라인 수전해 시스템, 고분자 전해질(PEM: Polymer Electrolyte Membrance) 수전해 시스템, 고체 산화물(Solid Oxide) 수전해 시스템, 또는 음이온교환막(AEM: Anion Exchange Membrane) 수전해 시스템과 양방향 수전해 시스템을 모두 포함하는 의미로 사용하기로 한다. The present invention can be applied to various types of water electrolysis systems. For example, a water electrolysis system such as an alkaline water electrolysis system, a polymer electrolyte membrane (PEM) water electrolysis system, a solid oxide water electrolysis system, or an anion exchange membrane (AEM) water electrolysis system. The present invention can be applied to. In addition, the present invention can be applied to a bidirectional water electrolysis system having both a water electrolysis mode and a fuel cell mode. That is, the present invention is applied to various types of water electrolysis systems by injecting and supplying hydrogen to a hydrogen low-pressure line generated and moved by water electrolysis, so that explosions due to air inflow or the like according to the negative pressure of the suction line during hydrogen compression It is possible to easily control the pressure of the water electrolysis stack due to the risk or the suction pressure fluctuation of the compressor. Therefore, in the present specification, the term 'water electrolysis system' refers to an alkaline water electrolysis system, a polymer electrolyte membrane (PEM) water electrolysis system, a solid oxide water electrolysis system, or an anion exchange membrane (AEM) water electrolysis system. ) It will be used in the sense of including both the water electrolysis system and the bidirectional water electrolysis system.

이하에서는, 양방향 수전해 시스템에 본 발명이 적용된 실시예들을 위주로 설명되었지만 이들은 예시적인 것으로서, 본 발명은 양방향 수전해 시스템 뿐만 아니라 알칼라인 수전해 시스템, 고분자 전해질(PEM: Polymer Electrolyte Membrance) 수전해 시스템, 고체 산화물(Solid Oxide) 수전해 시스템, 또는 음이온교환막(AEM: Anion Exchange Membrane) 수전해 시스템과 같은 다양한 수전해 시스템에도 적용될 수 있다.Hereinafter, the present invention has been mainly described in embodiments in which the present invention is applied to a bidirectional water electrolysis system, but these are exemplary. It can also be applied to various water electrolysis systems such as a solid oxide water electrolysis system or an anion exchange membrane (AEM) water electrolysis system.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a diagram for explaining a bi-directional water electrolysis system according to a first embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 제1 실시예의 수전해 시스템은 스팀 생성부(10), 이젝터(20), 수전해부(30), 히터(61,62), 고온 수소 펌프(80) 등의 구성요소와 이 구성요소들 사이를 연결하는 다수의 유로, 그리고 유로에 배치된 다수의 열교환기들, 밸브들, 블로워들, 및 펌프들을 포함할 수 있다. Referring to the drawings, the water electrolysis system of the first embodiment includes components such as a steam generator 10, an ejector 20, a water electrolysis unit 30, heaters 61 and 62, and a high-temperature hydrogen pump 80. It may include a plurality of flow passages connecting components, and a plurality of heat exchangers, valves, blowers, and pumps disposed in the passages.

제1 실시예에 따르면, 수전해부(30)는 수전해 모드와 연료전지 모드에서 동작할 수 있는 양방향 수전해 연료전지이며, 수전해부(30)가 수전해 모드에서 동작할 경우는 '수전해부(30)'로 언급하고, 연료전지 모드에서 동작할 경우는 '연료전지(30)'로 언급하기로 한다. 이는 다른 실시예들에서도 동일하다.According to the first embodiment, the water electrolysis unit 30 is a bidirectional water electrolysis fuel cell capable of operating in a water electrolysis mode and a fuel cell mode, and when the water electrolysis unit 30 operates in the water electrolysis mode, the 'water electrolysis unit ( 30)', and when operating in the fuel cell mode, it will be referred to as 'the fuel cell 30'. This is the same in other embodiments as well.

제1 실시예에 포함된 구성요소들은 제어부(미 도시)에 의해 동작이 제어될 수 있다. 예를 들면, 제어부(미 도시)는 스팀 생성부(10), 수전해부(30), 히터(61,62), 고온 수소 펌프(80), 열교환기들, 밸브들, 블로워들, 및 펌프들의 동작을 제어할 수 있다. 상술한 다수의 밸브들 중에는, 수소 압축시에 배출유로(L41)의 부압으로 유입되는 공기로 인한 폭발 위험 등을 예방하기 위해서 수전해 스택의 압력을 조절하기 위한 압력 제어용 밸브(18)가 포함되어 있다. 이러한 압력 제어용 밸브(18)는 제어부(미 도시)에 의해 개방 또는 폐쇄될 수 있다. The operation of components included in the first embodiment may be controlled by a controller (not shown). For example, the control unit (not shown) includes the steam generator 10, the water electrolysis unit 30, the heaters 61 and 62, the high-temperature hydrogen pump 80, heat exchangers, valves, blowers, and pumps. You can control the action. Among the plurality of valves described above, a pressure control valve 18 for regulating the pressure of the water electrolysis stack is included in order to prevent the risk of explosion due to air flowing into the discharge passage L41 under negative pressure during hydrogen compression. there is. The pressure control valve 18 may be opened or closed by a control unit (not shown).

수전해부(30)는 외부에서 공급되는 스팀과 전기에 의해 수소와 산소를 생성하는 수전해 모드 및 외부에서 공급되는 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기와 물을 생성하는 연료전지 모드 중 어느 하나의 모드에서 동작할 수 있다. The water electrolysis unit 30 is a water electrolysis mode in which hydrogen and oxygen are generated by steam and electricity supplied from the outside and a fuel cell mode in which electricity and water are generated by a chemical reaction between hydrogen and oxygen supplied from the outside. mode can work.

일 실시예에서 수전해부(30)는 예컨대 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC) 또는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell; MCFC) 등 임의의 연료전지로 구현될 수 있다. 설명의 편의를 위해 본 명세서에서는 수전해부(30)가 고체산화물 연료전지(SOFC)로 구현된 것으로 전제하고 설명하기로 한다. In one embodiment, the water electrolysis unit 30 may be implemented with any fuel cell, such as, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC) or a molten carbonate fuel cell (MCFC). For convenience of explanation, in this specification, it is assumed that the water electrolysis unit 30 is implemented as a solid oxide fuel cell (SOFC).

일 실시예에서 수전해부(30)는 수소극(31), 공기극(32) 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성될 수 있다. 수전해 모드(이하에서 “SOEC 모드”라고도 함)에서 수소극(31)은 외부로부터 스팀(H2O)을 공급받아 이로부터 수소(H2)를 생산한다. 즉 수소극(31)은 유로(L21 및/또는 L31)로부터 스팀(H2O)을 공급받아 수소(H2)를 생성하며, 이렇게 생성된 수소(H2) 및 수소로 변환되지 못한 스팀(H2O)이 포함된 가스를 유로(L41)를 통해 제1 배출가스로서 배출한다. 수전해 모드에서 공기극(32)은 수소극(31)으로부터 산소(O2)를 전달받으며, 이렇게 전달받은 산소(O2)를 유로(L53)를 통해 외부로부터 공급된 공기를 이용하여 이송한다. 공기극(32)은 산소와 공기가 포함된 가스를 유로(L61)를 통해 제2 배출가스로서 배출한다. In one embodiment, the water electrolysis unit 30 may be composed of a hydrogen electrode 31, an air electrode 32, and an electrolyte interposed therebetween. In the water electrolysis mode (hereinafter also referred to as “SOEC mode”), the hydrogen electrode 31 receives steam (H 2 O) from the outside and produces hydrogen (H 2 ) therefrom. That is, the hydrogen electrode 31 generates hydrogen (H2) by receiving steam (H2O) from the flow path (L21 and/or L31), and the generated hydrogen (H2) and the steam (H2O) not converted to hydrogen are included. The resulting gas is discharged as the first exhaust gas through the flow path L41. In the water electrolysis mode, the air electrode 32 receives oxygen (O2) from the hydrogen electrode 31, and transports the oxygen (O2) received from the outside through the flow path L53 using air supplied from the outside. The cathode 32 discharges gas containing oxygen and air as the second exhaust gas through the flow path L61.

연료전지 모드에서, 수소극(31)은 유로(L11)로부터 공급되는 수소 및 공기극(32)으로부터 전달받은 산소의 화학반응에 의해 물(스팀)을 생성하며, 이렇게 생성된 스팀 및 스팀으로 변환되지 못한 수소가 포함된 가스를 유로(L41)를 통해 배출가스로서 배출할 수 있다. 공기극(32)은 유로(L53)에 의해 공기를 공급받고 전해질을 통해 산소를 수소극(31)으로 전달하며, 질소(N2)와 공기를 유로(L61)를 통해 제2 배출가스로서 배출할 수 있다. In the fuel cell mode, the hydrogen electrode 31 generates water (steam) by a chemical reaction between hydrogen supplied from the flow path L11 and oxygen transferred from the air electrode 32, and is not converted into steam and steam. A gas containing hydrogen may be discharged as an exhaust gas through the flow path L41. The air electrode 32 receives air through the flow path L53, transfers oxygen to the hydrogen electrode 31 through the electrolyte, and discharges nitrogen (N2) and air through the flow path L61 as the second exhaust gas. there is.

이론적으로 수전해 모드에서는 연료전지(30)에 물(스팀)과 전기를 공급하고 연료전지 모드에서는 연료전지(30)에 수소와 산소를 공급하지만 실제 장치의 동작을 위해서는 화학반응을 돕기 위해 수전해 모드와 연료전지 모드의 각 모드에서 수소와 스팀의 혼합가스를 연료전지(30)에 공급하는 것이 바람직하다. 다만 수전해 모드에서는 스팀이 주로 필요하기 때문에 스팀과 수소를 예컨대 80:1의 질량비(대략 8.9:1의 부피비)로 스팀과 수소의 혼합 가스를 연료전지(30)로 공급하고 연료전지 모드에서는 수소가 주로 필요하기 때문에 수소와 스팀을 예컨대 3.6:1의 질량비(대략 32:1의 부피비)로 혼합하여 연료전지(30)에 공급할 수 있다. 이 경우 수전해 모드와 연료전비 모드의 각각에서 수소와 스팀의 혼합 비율은 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 또한 각 모드에 따라 수소와 스팀의 혼합비를 다르게 조정하여 공급하기 위해, 도면에 도시하지 않았지만 예컨대 수소 공급 유로(L11)나 스팀 공급 유로(L21,L22,L31) 중 적어도 하나의 유로에 블로워, 펌프, 및/또는 유량제어밸브를 설치하여 수소 및/또는 스팀의 공급량을 조절할 수 있다. Theoretically, water (steam) and electricity are supplied to the fuel cell 30 in the water electrolysis mode, and hydrogen and oxygen are supplied to the fuel cell 30 in the fuel cell mode. It is preferable to supply a mixed gas of hydrogen and steam to the fuel cell 30 in each mode of the mode and the fuel cell mode. However, since steam is mainly required in the water electrolysis mode, a mixed gas of steam and hydrogen is supplied to the fuel cell 30 at a mass ratio of, for example, 80:1 (volume ratio of approximately 8.9:1), and hydrogen in the fuel cell mode. Since hydrogen and steam are mainly required, for example, hydrogen and steam may be mixed at a mass ratio of 3.6:1 (approximately a volume ratio of 32:1) and supplied to the fuel cell 30 . In this case, of course, the mixing ratio of hydrogen and steam in each of the water electrolysis mode and the fuel economy mode may vary depending on the specific embodiment. In addition, in order to adjust and supply the mixing ratio of hydrogen and steam differently according to each mode, for example, a blower and a pump in at least one of the hydrogen supply passage L11 and the steam supply passage L21, L22, and L31, although not shown in the drawing. , and / or a flow control valve may be installed to adjust the supply amount of hydrogen and / or steam.

도시한 실시예에서 수소는 수소 공급 유로(L11)을 통해 연료전지(30)로 공급된다. 수소 공급 유로(L11)는 예컨대 수소저장탱크(도시 생략)에 연결될 수 있다. 수소 공급 유로(L11)로 유입된 수소는 제1 열교환기(41)에서 가열될 수 있다. 제1 열교환기(41)는 연료전지(30)의 수소극(31)으로 공급되는 수소 가스와 수소극(31)에서 배출되는 배출가스의 사이의 열교환이 일어나도록 구성된다. 일 실시예에서 수소극(31)으로 공급되는 수소는 예를 들어 상온 또는 섭씨 35도 내지 45도이고 수소극(31)에서 배출되는 배출가스는 섭씨 700도 내지 750도일 수 있고, 이 경우 수소극(31)으로 공급되는 수소가 제1 열교환기(41)에서 예컨대 섭씨 650도 이상 가열될 수 있다. In the illustrated embodiment, hydrogen is supplied to the fuel cell 30 through the hydrogen supply passage L11. The hydrogen supply passage L11 may be connected to, for example, a hydrogen storage tank (not shown). Hydrogen introduced into the hydrogen supply passage L11 may be heated in the first heat exchanger 41 . The first heat exchanger 41 is configured to exchange heat between hydrogen gas supplied to the hydrogen electrode 31 of the fuel cell 30 and exhaust gas discharged from the hydrogen electrode 31 . In one embodiment, the hydrogen supplied to the hydrogen electrode 31 may be room temperature or 35 to 45 degrees Celsius, and the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode 31 may be 700 to 750 degrees Celsius, in which case the hydrogen electrode Hydrogen supplied to (31) may be heated to, for example, 650 degrees Celsius or more in the first heat exchanger (41).

도시한 실시예에서 스팀은 제1 스팀 공급 유로(L21) 및 제2 스팀 공급 유로(L31)를 통해 연료전지(30)에 공급된다. 제1 스팀 공급 유로(L21)에 연결된 스팀 생성부(10)는 예컨대 펌프(11)와 보일러(12)를 구비할 수 있고, 펌프(11)에 의해 보일러(12)로 공급된 물을 가열하여 스팀을 생성한다. 일 실시예에서 보일러(12)는 폐기물 고형연료 보일러 시스템, 열병합 발전 시스템, 복합발전 시스템, 폐기물 소각 시스템 등 기존의 연소장치나 소각장치로 구현될 수 있다. In the illustrated embodiment, steam is supplied to the fuel cell 30 through the first steam supply passage L21 and the second steam supply passage L31. The steam generator 10 connected to the first steam supply passage L21 may include, for example, a pump 11 and a boiler 12, and heats water supplied to the boiler 12 by the pump 11. create steam In one embodiment, the boiler 12 may be implemented as an existing combustion device or incinerator, such as a waste solid fuel boiler system, a combined heat and power system, a combined power generation system, and a waste incineration system.

제1 스팀 공급 유로(L21)는 분기 유로(L22)를 포함한다. 도시한 것처럼 분기 유로(L22)는 제1 스팀 공급 유로(L21)에서 분기되었다가 다시 이 유로(L21)에 합류하도록 구성된다. 분기 유로(L22)에 개폐밸브(13)가 설치될 수 있고, 도면에 도시하지 않았지만 제1 스팀 유로(L21)에도 개폐밸브가 설치될 수 있고, 밸브의 제어에 의해 스팀이 제1 스팀 공급 유로(L21)와 분기 유로(L22) 중 하나로 흐르도록 제어할 수 있다. 대안적으로, 분기 유로(L22)가 분기되는 분기점에 삼방밸브를 설치하여 스팀 흐름을 제어할 수도 있다. The first steam supply passage L21 includes a branch passage L22. As shown, the branch passage L22 is configured to diverge from the first steam supply passage L21 and join the passage L21 again. An on/off valve 13 may be installed in the branched flow path L22, and although not shown in the drawing, an on/off valve may also be installed on the first steam flow path L21, and steam is supplied to the first steam supply flow path by control of the valve. (L21) and branch flow path (L22) can be controlled to flow. Alternatively, steam flow may be controlled by installing a three-way valve at a branching point where the branched flow path L22 diverges.

일 실시예에서 양방향 수전해 시스템은 제1 스팀 공급 유로(L21)에 배치된 이젝터(20)를 포함한다. 이젝터(20)는 벤츄리(Venturi) 효과를 이용하여 유체를 혼합하는 장치로서, 배관의 직경이 서서히 줄어들다가 확대되는 벤츄리 관에 혼합대상의 유체를 주입한다. 일반적으로 이젝터(20)의 입력단을 구동노즐(motive nozzle), 출력단을 분사노즐(diffuser nozzle), 혼합대상 유체를 입력하는 주입구를 흡입구(suction port)라 칭하며, 도시한 일 실시예에서 이젝터(20)의 구동노즐은 제1 스팀 공급 유로(L21)의 상류측에 연결되고 분사노즐은 제1 스팀 공급 유로(L21)의 하류측에 연결되고 흡입구는 피드백 유로(L47)에 연결된다. 피드백 유로(L47)는 수소극(31)의 배출가스가 흐르는 배출유로(L41)에서 분기되는 유로이다. In one embodiment, the bi-directional water electrolysis system includes an ejector 20 disposed in the first steam supply passage L21. The ejector 20 is a device for mixing fluids using the Venturi effect, and injects the fluid to be mixed into a Venturi pipe whose diameter gradually decreases and then expands. In general, the input end of the ejector 20 is called a motive nozzle, the output end is called a diffuser nozzle, and the inlet for inputting the fluid to be mixed is called a suction port. In the illustrated embodiment, the ejector 20 The driving nozzle of ) is connected to the upstream side of the first steam supply passage L21, the injection nozzle is connected to the downstream side of the first steam supply passage L21, and the suction port is connected to the feedback passage L47. The feedback passage L47 is a passage branching from the discharge passage L41 through which the exhaust gas of the hydrogen electrode 31 flows.

일반적으로 수전해 모드에서 수소극(31)으로 주입되는 스팀과 수소의 부피비가 대략 9:1 가량 되는데, 수소극(31)에서 배출되는 배출가스는 수소 함량이 많으므로 피드백 유로(L47)를 통해 배출가스 중 일부를 재순환시키면 수소 공급 유로(L11)를 통해 수소를 별도로 공급할 필요가 없다. 이때, 이젝터(20)의 구동노즐로 공급되는(즉 유로(L21)로 이송되는) 스팀의 압력 또는 유량을 조정함으로써 피드백 유로(L47)로 재순환되는 배출가스의 양을 조절할 수 있다. In general, the volume ratio of steam and hydrogen injected into the hydrogen electrode 31 in the water electrolysis mode is about 9:1, and since the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode 31 has a high hydrogen content, If some of the exhaust gas is recycled, there is no need to separately supply hydrogen through the hydrogen supply passage L11. At this time, by adjusting the pressure or flow rate of steam supplied to the drive nozzle of the ejector 20 (that is, transferred to the flow path L21), the amount of exhaust gas recirculated through the feedback path L47 can be adjusted.

분기유로(L22)가 제1 스팀 공급 유로(L21)에 합류한 후 제1 스팀 공급 유로(L21)는 수소 공급 유로(L11)와 합류하며, 수소와 스팀의 혼합 가스는 혼합가스 공급 유로(L12)를 따라 연료전지(30)의 수소극(31)에 공급된다. 이 때 제1 스팀 공급 유로(L21)와 수소 공급 유로(L11)의 합류점이 제1 열교환기(41)의 하류측, 즉 제1 열교환기(41)와 수소극(31) 사이에 위치한다. 따라서 수소극(31)에서 배출되는 고온의 배출가스는 이미 고온으로 가열된 스팀을 재가열 할 필요없이 제1 열교환기(41)에서 수소만 가열하면 되므로, 수소와 스팀의 혼합 가스를 가열하는 것에 비해 수소를 더 고온으로 가열할 수 있다. After the branch passage L22 joins the first steam supply passage L21, the first steam supply passage L21 joins the hydrogen supply passage L11, and the mixed gas of hydrogen and steam flows into the mixed gas supply passage L12. ) is supplied to the hydrogen electrode 31 of the fuel cell 30. At this time, the junction of the first steam supply passage L21 and the hydrogen supply passage L11 is located on the downstream side of the first heat exchanger 41, that is, between the first heat exchanger 41 and the hydrogen electrode 31. Therefore, the high-temperature exhaust gas discharged from the hydrogen electrode 31 only needs to heat hydrogen in the first heat exchanger 41 without the need to reheat steam already heated to a high temperature, compared to heating a mixed gas of hydrogen and steam. Hydrogen can be heated to higher temperatures.

본 발명의 수전해 시스템은 제2 스팀 공급 유로(L31)를 더 포함할 수 있다. 하나 이상의 펌프(15) 및 제2 열교환기(42)가 제2 스팀 공급 유로(L31)에 설치된다. 펌프(15)는 펌프(15)에 의해 시스템 외부로부터 물(이하 “외부공급 물”이라 함)이 제2 열교환기(42)로 공급되고 제2 열교환기(42)는 외부공급 물을 가열한다. The water electrolysis system of the present invention may further include a second steam supply passage L31. One or more pumps 15 and the second heat exchanger 42 are installed in the second steam supply passage L31. The pump 15 supplies water (hereinafter referred to as "external supply water") from the outside of the system by the pump 15 to the second heat exchanger 42, and the second heat exchanger 42 heats the external supply water. .

일 실시예에서 제2 열교환기(42)는 이 외부공급 물과 수소극(31)에서 배출되는 배출가스의 사이의 열교환이 일어나도록 구성되며, 배출가스의 흐름에서 볼 때 제1 열교환기(41)의 하류측에 배치된다. 일 실시예에서 외부공급 물은 예를 들어 상온 또는 섭씨 35도 내지 45도이고 제2 열교환기(42)로 공급되는 배출가스는 섭씨 700도 내지 750도일 수 있고, 이 경우 제2 열교환기(42)에서 배출되는 (외부공급 물이 기화된) 스팀은 예컨대 섭씨 600도 이상으로 가열될 수 있다. In one embodiment, the second heat exchanger 42 is configured to exchange heat between the externally supplied water and the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode 31, and when viewed from the flow of the exhaust gas, the first heat exchanger 41 ) is placed on the downstream side of In one embodiment, the externally supplied water may be room temperature or 35 to 45 degrees Celsius, and the exhaust gas supplied to the second heat exchanger 42 may be 700 to 750 degrees Celsius, in which case the second heat exchanger 42 The steam (externally supplied water vaporized) discharged from ) can be heated to, for example, 600 degrees Celsius or more.

제2 스팀 공급 유로(31)는 이젝터(20) 전단에서 제1 스팀 공급 유로(L21)에 합류하도록 구성된다. 따라서 제2 열교환기(42)에서 배출되는 스팀은 제1 스팀 공급 유로(L21)의 스팀과 혼합된 후 이젝터(20)의 구동노즐 측으로 주입된다. The second steam supply passage 31 is configured to join the first steam supply passage L21 at the front end of the ejector 20 . Accordingly, the steam discharged from the second heat exchanger 42 is mixed with the steam in the first steam supply passage L21 and then injected into the drive nozzle side of the ejector 20 .

제1 히터(61)는 수소극(31)의 입구측에 인접하여 혼합가스 공급 유로(L12) 상에 배치된다. 제1 히터(61)는 연료전지(30)가 최적의 효율로 수전해 모드와 연료전지 모드에서 동작할 수 있도록 수소와 스팀의 혼합가스의 온도를 소정 온도 범위로 가열할 수 있다. 일 실시예에서 제1 히터(61)는 수소와 스팀의 혼합가스의 온도를 섭씨 650도 내지 750도 사이의 범위로 가열할 수 있다. 또한 도면에 도시하지 않았지만, 이러한 온도 제어를 위해 제1 히터(61)의 내부 또는 전단이나 후단에 하나 이상의 온도센서가 설치되어 혼합가스의 온도를 측정하고 이에 기초하여 혼합가스를 가열할 수 있다. The first heater 61 is disposed on the mixed gas supply passage L12 adjacent to the inlet side of the hydrogen electrode 31 . The first heater 61 may heat the temperature of the mixed gas of hydrogen and steam within a predetermined temperature range so that the fuel cell 30 can operate in the water electrolysis mode and the fuel cell mode with optimum efficiency. In one embodiment, the first heater 61 may heat the mixed gas of hydrogen and steam to a temperature in the range of 650 degrees Celsius to 750 degrees Celsius. In addition, although not shown in the drawings, one or more temperature sensors are installed inside or at the front or rear of the first heater 61 to measure the temperature of the mixed gas and heat the mixed gas based on this.

본 실시예에 따르면, 외부로부터 공기를 공기극(32)으로 공급하는 공기 공급 유로(L53) 및 이 유로(L53)에 배치된 공기-배출가스간 열교환기(53)를 포함한다. 열교환기(53)는 공기 공급 유로(53)를 통해 공기극(32)으로 이송되는 공기와 공기극(32)에서 배출되어 배출유로(L61)로 이송되는 배출가스 사이를 열교환 한다. According to this embodiment, an air supply passage L53 for supplying air from the outside to the cathode 32 and an air-exhaust gas heat exchanger 53 disposed in the passage L53 are included. The heat exchanger 53 exchanges heat between air transferred to the cathode 32 through the air supply passage 53 and exhaust gas discharged from the cathode 32 and transferred to the discharge passage L61.

공기 공급 유로(53)에 제2 히터(62)가 설치될 수 있다. 제2 히터(62)는 공기극(32)에 인접하게 공기 공급 유로(L53) 상에 배치되어, 연료전지(30)가 최적의 효율로 동작할 수 있도록 공기를 소정 온도 범위로 가열할 수 있다. 일 실시예에서 열교환기(53)가 상온의 공기를 대략 섭씨 650도 내지 700도로 가열하고 그 후 제2 히터(62)가 이 공기를 섭씨 700도 내지 750도로 가열한 후 공기극(32)으로 공급할 수 있다. A second heater 62 may be installed in the air supply passage 53 . The second heater 62 may be disposed on the air supply passage L53 adjacent to the air electrode 32 to heat air to a predetermined temperature range so that the fuel cell 30 operates with optimum efficiency. In one embodiment, the heat exchanger 53 heats room temperature air to about 650 to 700 degrees Celsius, and then the second heater 62 heats the air to about 700 to 750 degrees Celsius and supplies it to the cathode 32. can

도시한 실시예에서, 공기 공급 유로(L53)의 상류측에 서로 병렬로 배치된 제1 분기 유로(L51)와 제2 분기 유로(L52)가 연결되고 각 분기 유로(L51,L52)에 제1 블로워(51)와 제2 블로워(52)가 설치된다. 제2 분기 유로(L52)는 제1 분기 유로(L51)에 비해 더 많은 양의 공기를 이송하도록 구성된다. 예를 들어 제2 분기 유로(L52)의 배관이 제1 분기 유로(L51)의 배관 보다 더 큰 직경을 가지며 제2 블로워(52)가 제1 블로워(51)에 비해 더 많은 공기를 공급할 수 있도록 구성된다. 일 실시예에서 제2 블로워(52)가 제1 블로워(51) 보다 5 내지 15배 큰 공기 공급량을 가진다. In the illustrated embodiment, a first branch passage L51 and a second branch passage L52 arranged in parallel with each other are connected upstream of the air supply passage L53, and each branch passage L51 and L52 has a first branch passage L51 and L52. A blower 51 and a second blower 52 are installed. The second branch passage L52 is configured to transport a larger amount of air than the first branch passage L51. For example, the pipe of the second branch passage (L52) has a larger diameter than the pipe of the first branch passage (L51) so that the second blower (52) can supply more air than the first blower (51). It consists of In one embodiment, the second blower 52 has an air supply 5 to 15 times larger than the first blower 51 .

수전해 모드의 경우 물(스팀)과 전기가 많이 필요하고 공기는 상대적으로 적은 양이 필요하며 연료전지 모드에서는 수소와 산소(공기)가 많이 필요하므로 공기 공급량이 많아야 한다. 따라서 일 실시예에서, 수전해 모드에서 제1 블로워(51)만 구동하고 제2 블로워(52)는 구동하지 않으며 연료전지 모드에서는 제2 블로워(52)만 구동하고 제1 블로워(51)는 구동하지 않는다. 대안적 실시예에서, 연료전지 모드에서 제1 및 제2 블로워(51,52)가 모두 구동할 수도 있다. Water electrolysis mode requires a lot of water (steam) and electricity, and a relatively small amount of air, and fuel cell mode requires a lot of hydrogen and oxygen (air), so the air supply must be large. Therefore, in one embodiment, only the first blower 51 is driven in the water electrolysis mode, the second blower 52 is not driven, and only the second blower 52 is driven and the first blower 51 is driven in the fuel cell mode. I never do that. In an alternative embodiment, both the first and second blowers 51 and 52 may be driven in fuel cell mode.

한편 연료전지(30)의 수소극(31)에서 배출되는 배출가스는 배출유로(L41)를 따라 외부로 배출된다. 일 실시예에서 배출유로(L41)를 따라 순차적으로 제1 열교환기(41) 및 제2 열교환기(42)가 각각 설치된다. 제1 열교환기(41)에서 배출가스는 수소 공급 유로(L11)를 통해 수소극(31)으로 공급되는 수소에 열에너지를 전달하여 수소를 가열한다. 제2 열교환기(42)에서 배출가스는 제2 스팀 공급 유로(L31)를 통해 공급되는 외부공급 물을 기화시키고 가열한다. Meanwhile, the exhaust gas discharged from the hydrogen electrode 31 of the fuel cell 30 is discharged to the outside along the exhaust flow path L41. In one embodiment, the first heat exchanger 41 and the second heat exchanger 42 are sequentially installed along the discharge passage L41. In the first heat exchanger 41, the exhaust gas transfers heat energy to hydrogen supplied to the hydrogen electrode 31 through the hydrogen supply passage L11 to heat the hydrogen. In the second heat exchanger 42, the exhaust gas vaporizes and heats externally supplied water supplied through the second steam supply passage L31.

도시한 실시예에서 물 배출부는 고온 수소 펌프(80), 열교환기(82), 및 기액 분리기(84)를 포함한다. In the illustrated embodiment, the water discharge unit includes a high-temperature hydrogen pump 80, a heat exchanger 82, and a gas-liquid separator 84.

고온 수소 펌프(80)는 배출가스에서 전기화학적으로(electrochemically) 수소를 분리할 수 있다. 고온 수소 펌프(80)는 기체 상태의 배출가스를 유입받아서, 수소를 분리하고 나머지는 기체 상태로 배출한다. The high-temperature hydrogen pump 80 may electrochemically separate hydrogen from exhaust gas. The high-temperature hydrogen pump 80 receives the exhaust gas in a gaseous state, separates the hydrogen, and discharges the remainder in a gaseous state.

고온 수소 펌프(80)는 애노드(anode), 캐소드(cathode), 및 고온(high-temperature) 및 저수화(low-hydration) 교환막을 구비한 셀(cell)을 포함할 수 있다. 여기서, 교환막은 고분자 전해질 멤브레인(polymer electrolyte membrane (PEM))일 수 있다. 전해질의 양측에 위치된 애노드와 캐소드 사이의 전위차에 의해서 수소는 고분자 전해질 멤브레인을 통해서 확산된다. 고온 수소 펌프(80)는, 예를 들면, 미국특허출원번호 10/360,583(공개번호: 2003/0196893)와 미국특허출원번호 11/730,255에 개시된 것일 수 있다. 한편, 이들 특허출원들에 포함된 모든 내용은 본원 명세서의 일부로서 결합된다. The high-temperature hydrogen pump 80 may include an anode, a cathode, and a cell having a high-temperature and low-hydration exchange membrane. Here, the exchange membrane may be a polymer electrolyte membrane (PEM). Hydrogen diffuses through the polymer electrolyte membrane by the potential difference between the anode and cathode located on either side of the electrolyte. The high-temperature hydrogen pump 80 may be disclosed in, for example, US Patent Application No. 10/360,583 (Publication No. 2003/0196893) and US Patent Application No. 11/730,255. Meanwhile, all contents contained in these patent applications are combined as part of the present specification.

고온 수소 펌프(80)에서 수소가 분리되고 남은 기체는 열교환기(82)를 거쳐서 기액 분리기(84)로 유입된다. 기액 분리기(84)에서 물과 기체가 분리되고, 분리된 물은 외부로 방출될 수 있다. Hydrogen is separated in the high-temperature hydrogen pump 80, and the remaining gas passes through the heat exchanger 82 and flows into the gas-liquid separator 84. Water and gas are separated in the gas-liquid separator 84, and the separated water may be discharged to the outside.

한편, 연료전지 모드에서, 기액분리기(84)에서 분리된 가스 중 적어도 일부를 재순환 유로(L44)로 재순환시켜 수소극(31)에 재공급하고 수전해 모드에서는 재순환 유로(L44)를 폐쇄하도록 구성할 수 있다. Meanwhile, in the fuel cell mode, at least a portion of the gas separated in the gas-liquid separator 84 is recirculated to the recirculation passage L44 and re-supplied to the hydrogen electrode 31, and in the water electrolysis mode, the recirculation passage L44 is closed. can do.

도시한 실시예에서 재순환 유로(L44)에 제3 열교환기(43)와 블로워(45)가 설치될 수 있다. 바람직하게는, 재순환 유로(L44)의 상류에서 하류 방향으로 제3 열교환기(43)와 블로워(45)가 순차적으로 설치된다. In the illustrated embodiment, the third heat exchanger 43 and the blower 45 may be installed in the recirculation passage L44. Preferably, the third heat exchanger 43 and the blower 45 are sequentially installed from the upstream to the downstream of the recirculation passage L44.

제3 열교환기(43)는 배출유로(L41)의 배출가스와 재순환 유로(L44)의 재순환 가스 사이를 열교환하여 재순환 가스의 온도를 상승시킨다. 일 실시예에서 제3 열교환기(43)는 재순환 가스의 온도를 상승하여 재순환 가스에 응결이 발생하지 않도록 하는 소형 열교환기이다. 재순환 유로(L44)로 분기된 재순환 가스는 포화상태의 가스이며 재순환 유로(L44)의 환경에 따라 약간이라도 응결이 되면 후단의 블로워(45) 등 장치가 손상될 수 있다. 또한 제3 열교환기(43)에서 재순환 가스가 지나치게 고온으로 가열되는 경우에도 블로워(45)의 내구성이 문제가 될 수 있다. 따라서 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 블로워(45)의 전단(상류측)에 소형 열교환기(43)를 설치하여 재순환 가스 온도를 약간 상승시킨 후 블로워(45)로 이송되도록 한다. 일 실시예에서 제3 열교환기(43)에 의해 재순환 가스의 온도가 5도 내지 25도 사이의 범위에서 상승하도록 한다. The third heat exchanger 43 increases the temperature of the recirculated gas by exchanging heat between the exhaust gas of the discharge passage L41 and the recirculation gas of the recirculation passage L44. In one embodiment, the third heat exchanger 43 is a small heat exchanger that raises the temperature of the recycle gas to prevent condensation from occurring in the recycle gas. The recirculation gas branched into the recirculation passage L44 is a gas in a saturated state, and if even a little condensation occurs depending on the environment of the recirculation passage L44, devices such as the blower 45 at the rear end may be damaged. In addition, durability of the blower 45 may become a problem even when the recycle gas is heated to an excessively high temperature in the third heat exchanger 43 . Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, a small heat exchanger 43 is installed at the front end (upstream side) of the blower 45 to slightly increase the temperature of the recycle gas and then transfer it to the blower 45. In one embodiment, the temperature of the recycle gas is increased by the third heat exchanger 43 in the range of 5 degrees to 25 degrees.

이와 같이 제3 열교환기(43)와 블로워(45)를 통과한 재순환 가스는 수소 공급 유로(L11)에 합류하여 수소 가스와 함께 제1 열교환기(41)에서 고온으로 가열된 후 연료전지(30)의 수소극(31)으로 공급될 수 있다. As such, the recycle gas passing through the third heat exchanger 43 and the blower 45 joins the hydrogen supply passage L11 and is heated together with the hydrogen gas to a high temperature in the first heat exchanger 41, and then the fuel cell 30 ) can be supplied to the hydrogen electrode 31.

본 발명의 일 실시예에서, 유로(L21)로 이송되는 스팀 중 일부가 유로(L62)(이하, '압력 제어용 유로' 라고 함)를 통해 분기된다. 본 실시예에 따르면, 압력 제어용 유로(L62)는 미리 정한 기준을 만족한 경우에만, 유로(L21) 통해서 흐르는 스팀의 일부가 배출유로(L41)로 제공될 수 있도록, 유로(L21)로부터 분기되어 배출유로(L41)로 연결되도록 구성되어 있다. 이를 위해서, 압력 제어용 유로(L62)에는 유체가 흐르게 하거나, 또는 차단하기 위한 압력 제어용 밸브(18)가 설치되어 있다. 압력 제어용 밸브(18)는 미리 정한 기준에 따라서 압력 제어용 유로(L62)에 스팀이 흐르도록 개방되거나 또는 스팀이 흐르지 않고 차단되도록 폐쇄될 수 있다.In one embodiment of the present invention, some of the steam transported to the flow path L21 is branched through the flow path L62 (hereinafter referred to as 'pressure control flow path'). According to this embodiment, the flow path for pressure control (L62) is branched from the flow path (L21) so that a part of the steam flowing through the flow path (L21) can be provided to the discharge flow path (L41) only when a predetermined standard is satisfied. It is configured to be connected to the discharge passage (L41). To this end, a pressure control valve 18 is installed in the pressure control flow path L62 to allow or block fluid flow. The pressure control valve 18 may be opened so that steam flows into the pressure control passage L62 according to a predetermined standard or closed so that steam does not flow and is blocked.

미리 정한 기준은, 예를 들면, 수전해부(30)에 부압(음의 압력)이 걸리지 않도록 정해진 압력일 수 있다. The predetermined criterion may be, for example, a pressure determined so that negative pressure (negative pressure) is not applied to the water electrolysis unit 30 .

상세하게는, 압력 제어용 유로(L62)는 배출유로(L41)에 연결되어 있으며, 따라서 압력 제어용 유로(L62)를 통해 분기된 스팀은 배출유로(L41)에 공급될 수 있다. In detail, the pressure control passage L62 is connected to the discharge passage L41, and thus steam branched through the pressure control passage L62 can be supplied to the discharge passage L41.

일 실시예에 따르면, 배출유로(L41)에 흐르는 유체에 걸린 압력(이하, '배출유로(L41)의 압력')이 기준 압력 이하이면 압력 제어용 밸브(18)는 개방되고, 기준 압력 보다 크면 압력 제어용 밸브(18)는 폐쇄된다.According to one embodiment, the pressure control valve 18 is opened when the pressure applied to the fluid flowing in the discharge passage L41 (hereinafter referred to as 'the pressure of the discharge passage L41') is less than or equal to the reference pressure, and the pressure is greater than the reference pressure. The control valve 18 is closed.

도 1에는 도시되어 있지 않지만, 배출유로(L41)에 걸린 압력을 측정하기 위한 압력 센서(미도시)가 배출유로(L41)에 설치되어 있다.Although not shown in FIG. 1, a pressure sensor (not shown) for measuring the pressure applied to the discharge passage L41 is installed in the discharge passage L41.

제어부(미 도시)는 감지 결과에 기초하여, 압력 제어용 밸브(18)의 개방 또는 폐쇄 동작을 제어한다. 수전해 모드에서, 배출유로(L41)의 압력이 기준 압력 이하이면 압력 제어용 밸브(18)은 개방되고, 배출유로(L41)의 압력이 기준 압력보다 크면 압력 제어용 밸브(18)은 폐쇄된다.The control unit (not shown) controls the opening or closing operation of the valve 18 for pressure control based on the detection result. In the water electrolysis mode, the pressure control valve 18 is opened when the pressure in the discharge passage L41 is less than the reference pressure, and the pressure control valve 18 is closed when the pressure in the discharge passage L41 is greater than the reference pressure.

본 실시예에서, 스팀 공급 유로(L21)에서 압력 제어용 유로(L62)가 분기되는 위치와, 압력 제어용 유로(L62)가 배출유로(L41)로 연결되는 다양하게 변형이 가능하다. In this embodiment, various modifications are possible such as the branching position of the pressure control passage L62 from the steam supply passage L21 and the connection of the pressure control passage L62 to the discharge passage L41.

분기 위치의 예를 들면, 압력 제어용 유로(L62)는 이젝터(20)의 상류(예를 들면, 열교환기(12)와 이젝터(20)의 사이)에서 분기되거나, 히터(61)의 상류(예를 들면, 이젝터(20)와 히터(61)의 사이)에서 분기될 수 있다. For example, the pressure control passage L62 is branched upstream of the ejector 20 (for example, between the heat exchanger 12 and the ejector 20), or upstream of the heater 61 (eg, between the heat exchanger 12 and the ejector 20). For example, between the ejector 20 and the heater 61) may be branched.

연결 위치의 예를 들면, 압력 제어용 유로(L62)는 열교환기(41)의 상류로 연결되거나, 열교환기(41)와 열교환기(42)의 사이로 연결되거나, 또는 열교환기(42)와 열교환기(43)의 사이로 연결될 수 있다. For example, the connection location L62 for pressure control is connected upstream of the heat exchanger 41, connected between the heat exchanger 41 and the heat exchanger 42, or between the heat exchanger 42 and the heat exchanger. (43) can be connected.

연료 전지(SOFC) 모드Fuel cell (SOFC) mode

이제, 도 1을 참조하여, 제1 실시예의 전해 시스템의 연료 전지(SOFC) 모드의 동작을 보다 상세히 설명하기로 한다. 연료전지 모드에서 수소 공급 유로(L11)를 통해 수소가 공급되고 제1 스팀 공급 유로(L21)를 통해 소량의 스팀이 공급된다. 수소는 제1 열교환기(41)에서 배출유로(L41)의 배출가스와 열교환하여 가열된 후 수소극(31)으로 공급된다. 스팀은 분기 유로(L22)를 따라 이젝터(20)를 우회하여 이송된 후 수소와 합류하여 유로(L12)를 통해 연료전지(30)의 수소극(31)으로 공급된다. 연료전지 모드에서는 상대적으로 많은 양의 공기가 필요하므로 공기극(32)에 공기를 공급하기 위해 제2 블로워(52)가 작동하고 제1 블로워(51)는 작동하지 않는다. 대안적 실시예에서, 제1 및 제2 블로워(51,52)가 모두 작동할 수도 있다. Referring now to FIG. 1, the operation of the fuel cell (SOFC) mode of the electrolytic system of the first embodiment will be described in more detail. In the fuel cell mode, hydrogen is supplied through the hydrogen supply passage L11 and a small amount of steam is supplied through the first steam supply passage L21. Hydrogen is heated by exchanging heat with the discharge gas of the discharge passage L41 in the first heat exchanger 41 and then supplied to the hydrogen electrode 31 . Steam is transported by bypassing the ejector 20 along the branch passage L22, and then joined with hydrogen and supplied to the hydrogen electrode 31 of the fuel cell 30 through the passage L12. In the fuel cell mode, since a relatively large amount of air is required, the second blower 52 operates and the first blower 51 does not operate to supply air to the cathode 32 . In an alternative embodiment, both the first and second blowers 51 and 52 may operate.

연료전지(30)에서 수소와 산소의 화학반응이 일어남에 따라 수소극(31)으로부터 스팀과 수소로 이루어진 제1 배출가스가 배출유로(L41)를 통해 배출되고 공기극(32)으로부터 질소와 공기로 이루어진 제2 배출가스가 배출유로(L61)를 통해 배출된다. As the chemical reaction between hydrogen and oxygen occurs in the fuel cell 30, the first exhaust gas composed of steam and hydrogen is discharged from the hydrogen electrode 31 through the discharge passage L41 and flows into nitrogen and air from the cathode 32. The formed second exhaust gas is discharged through the discharge passage (L61).

제1 배출가스는 제1 열교환기(41)를 통과하면서 수소를 가열한다. 연료전지 모드에서는 외부공급 물이 공급되지 않으므로 제1 배출가스는 열교환 없이 제2 열교환기(42)를 통과하고 제3 열교환기(43)에서 재순환 가스와 열교환하여 재순환 가스를 가열한다. 이후 제1 배출가스는 물 배출부로 이송된다. The first exhaust gas heats hydrogen while passing through the first heat exchanger 41 . Since external supply water is not supplied in the fuel cell mode, the first exhaust gas passes through the second heat exchanger 42 without heat exchange and heats the recycle gas by exchanging heat with the recycle gas in the third heat exchanger 43. Then, the first exhaust gas is transferred to the water outlet.

수전해(SOEC) 모드Water electrolysis (SOEC) mode

이제 도2를 참조하여 제1 실시예의 수전해 시스템의 수전해 모드 동작을 설명하기로 한다. Now, with reference to FIG. 2, the water electrolysis mode operation of the water electrolysis system of the first embodiment will be described.

도2는 제1 실시예의 수전해 시스템의 수전해(SOEC) 모드의 동작 상태를 나타낸다. 도면에서 굵은 선으로 표시한 유로가 수전해 모드에서 사용되는 유로이다. Fig. 2 shows the operating state of the water electrolysis (SOEC) mode of the water electrolysis system of the first embodiment. A flow path indicated by a thick line in the drawing is a flow path used in the water electrolysis mode.

도면을 참조하면, 수전해 모드에서 제1 스팀 공급 유로(L21)를 통해 스팀이 공급되고, 제2 스팀 공급 유로(L31)를 통해 외부공급 물이 공급되어 제2 열교환기(42)에서 스팀으로 기화되고 제1 스팀 공급 유로(L21)에 합류한다. 이렇게 혼합된 스팀은 유로(L12)를 통해 수전해부(30)의 수소극(31)으로 공급된다. 수전해 모드에서는 상대적으로 적은 양의 공기가 필요하므로 수전해부(30)의 공기극(32)에 공기를 공급하기 위해 제1 블로워(51)가 작동하고 제2 블로워(52)는 작동하지 않는다. Referring to the drawings, in the water electrolysis mode, steam is supplied through the first steam supply passage (L21), and externally supplied water is supplied through the second steam supply passage (L31) to convert the second heat exchanger (42) into steam. It is vaporized and joins the first steam supply passage (L21). The mixed steam is supplied to the hydrogen electrode 31 of the water electrolysis unit 30 through the flow path L12. In the water electrolysis mode, since a relatively small amount of air is required, the first blower 51 operates and the second blower 52 does not operate to supply air to the cathode 32 of the water electrolysis unit 30 .

수전해부(30)에서 수전해 반응이 일어남에 따라 수소극(31)으로부터 수소와 스팀으로 이루어진 제1 배출가스가 배출유로(L41)를 통해 배출되고 공기극(32)으로부터 산소와 공기로 이루어진 제2 배출가스가 배출유로(L61)를 통해 배출된다. As the water electrolysis reaction occurs in the water electrolysis unit 30, the first exhaust gas composed of hydrogen and steam is discharged from the hydrogen electrode 31 through the discharge passage L41, and the second exhaust gas composed of oxygen and air is discharged from the cathode 32. Exhaust gas is discharged through the discharge passage (L61).

배출유로(L41)로 배출되는 제1 배출가스의 일부가 피드백 유로(L47)에서 분기되어 이젝터(20)의 흡입구로 공급되고, 스팀 공급 유로(L21)를 통해 이송되는 스팀과 혼합되어 수소극(31)으로 다시 공급된다. 피드백 유로(47)로 분기되지 않은 나머지 제1 배출가스는 열교환 없이 제1 열교환기(41)를 통과하고, 제2 열교환기(42)에서 외부공급 물과 열교환하여 외부공급 물을 기화시키고 가열한다. 도시한 실시예에서 재순환 유로(L44)가 수전해 모드에서 폐쇄(즉, 밸브(14)가 폐쇄)되고 따라서 배출유로(L41)의 제1 배출가스는 제3 열교환기(43)에서도 열교환 없이 통과하여 물 배출부로 이송된다. 물 배출부에서는 수소와 물로 분리되어 수소는 따로 저장된다. A portion of the first exhaust gas discharged to the discharge passage L41 is branched from the feedback passage L47 and supplied to the inlet of the ejector 20, mixed with steam transferred through the steam supply passage L21, and mixed with the hydrogen electrode ( 31) is supplied again. The remaining first exhaust gas that is not branched into the feedback passage 47 passes through the first heat exchanger 41 without heat exchange, and exchanges heat with externally supplied water in the second heat exchanger 42 to vaporize and heat the externally supplied water. . In the illustrated embodiment, the recirculation passage L44 is closed in the water electrolysis mode (that is, the valve 14 is closed), and therefore the first exhaust gas of the discharge passage L41 passes through the third heat exchanger 43 without heat exchange. and transferred to the water outlet. In the water outlet, hydrogen and water are separated, and hydrogen is separately stored.

수전해 모드에서, 배출유로(L41)의 압력이 기준 압력 이하이면 압력 제어용 밸브(18)는 개방되고, 기준 압력 보다 크면 압력 제어용 밸브(18)는 폐쇄된다. 압력 제어용 밸브(18)가 개방된 경우, 유로(L21)를 따라 이동하던 스팀의 일부가 배출유로(L41)로 이동된다. In the water electrolysis mode, the pressure control valve 18 is opened when the pressure in the discharge passage L41 is less than or equal to the reference pressure, and is closed when the pressure is greater than the reference pressure. When the pressure control valve 18 is opened, part of the steam moving along the flow path L21 is transferred to the discharge flow path L41.

이러한 동작에 의해서, 수소 압축시에 배출유로(L41)의 부압에 따라 공기 유입 등으로 인한 폭발 위험을 예방할 수 있게 된다. By this operation, it is possible to prevent the risk of explosion due to air inflow or the like according to the negative pressure of the discharge passage L41 during hydrogen compression.

이상과 같이 제1 실시예에 따르면 수전해 시스템의 각 동작 모드에 따라 적절한 수소와 스팀의 혼합가스를 연료전지(30)에 공급할 수 있는 이점이 있다. 예를 들어, 수전해 모드에서 수소는 소량만 필요하므로, 피드백 유로(L47)를 통해 피드백되는 배출가스에 함유된 수소를 이용하도록 구성하여 수소 공급 유로(L11)를 통해 외부에서 수소를 공급할 필요가 없도록 하였고 공기도 상대적으로 적은 양이 필요하므로 소형 블로워인 제1 블로워(51)만 구동하여 공기를 공급하도록 구성하였다. 연료전지 모드에서는 피드백 유로(L47)가 아니라 재순환 유로(L44)를 통해 배출가스를 재공급하도록 하여 연료전지(30)에서 반응되지 않고 버려지는 수소를 최소화할 수 있다. 또한 이때 이젝터(20)를 우회하여 스팀을 공급하도록 구성하여 이젝터(20)가 스팀의 흐름을 방해하는 것을 방지할 수 있고, 재순환 유로(L44)의 블로워(45)의 상류측에 제3 열교환기(43)를 설치함으로써 블로워(45)의 손상을 방지할 수 있다. As described above, according to the first embodiment, an appropriate mixed gas of hydrogen and steam can be supplied to the fuel cell 30 according to each operation mode of the water electrolysis system. For example, since only a small amount of hydrogen is required in the water electrolysis mode, there is no need to supply hydrogen from the outside through the hydrogen supply passage L11 by using the hydrogen contained in the exhaust gas fed back through the feedback passage L47. Since a relatively small amount of air is required, only the first blower 51, which is a small blower, is driven to supply air. In the fuel cell mode, the exhaust gas is re-supplied through the recirculation passage L44 instead of the feedback passage L47, thereby minimizing hydrogen that is discarded without being reacted in the fuel cell 30. In addition, at this time, by bypassing the ejector 20 and supplying steam, it is possible to prevent the ejector 20 from interfering with the flow of steam, and a third heat exchanger is installed upstream of the blower 45 of the recirculation passage L44. By providing (43), damage to the blower (45) can be prevented.

한편, 상술한 제1 실시예는, 수전해부(30)가 수전해 모드와 연료전지 모드에서 동작할 수 있는 양방향 수전해 연료전지인 경우이나, 이는 예시적인 경우로서 본 발명은 수전해부(30)가 양방향이 아닌 수전해 모드로만 동작하는 경우에도 적용될 수 있다. 이는 제1 실시예 뿐만 아니라 제2 실시예의 경우도 동일하다. Meanwhile, in the above-described first embodiment, the water electrolysis unit 30 is a bi-directional water electrolysis fuel cell capable of operating in a water electrolysis mode and a fuel cell mode, but this is an exemplary case and the present invention is a water electrolysis unit 30 It can also be applied to the case where is operated only in the water electrolysis mode, not in both directions. This is the same for the second embodiment as well as the first embodiment.

이제 도3을 참조하여 각각 제2 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 설명하기로 한다. Now, with reference to FIG. 3, each bidirectional water electrolysis system according to the second embodiment will be described.

도3은 제2 실시예에 따른 양방향 수전해 시스템을 나타낸다. 도면을 참조하면, 제2 실시예의 양방향 수전해 시스템은 스팀 생성부(10), 이젝터(20), 수전해부(30), 히터(61,62), 및 고온 수소 펌프(80) 등의 구성요소와 이 구성요소들 사이를 연결하는 다수의 유로, 및 유로에 배치된 다수의 열교환기들, 밸브들, 블로워들, 및 펌프들을 포함할 수 있다. 도3을 참조하면, 제2 실시예에 포함된 구성요소들은 제어부(미 도시)에 의해 동작이 제어될 수 있다. 예를 들면, 제어부(미 도시)는 스팀 생성부(10), 수전해부(30), 히터(61,62), 고온 수소 펌프(80), 열교환기들, 밸브들, 블로워들, 및 펌프들의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어부는 밸브들의 개방 또는 폐쇄 동작을 제어할 수 있다. 제2 실시예에 따르면, 상술한 다수의 밸브들 중에는, 수소 압축시에 유로(L41)에 걸린 부압에 따라 공기 유입 등으로 인한 폭발 위험을 막기 위해서 수전해 스택의 압력을 조절하기 위한 압력 제어용 밸브(18)가 포함되어 있다. 이러한 압력 제어용 밸브(18)는 제어부(미 도시)에 의해 개방 또는 폐쇄될 수 있다. 3 shows a bidirectional water electrolysis system according to a second embodiment. Referring to the drawings, the bidirectional water electrolysis system of the second embodiment includes components such as a steam generator 10, an ejector 20, a water electrolysis unit 30, heaters 61 and 62, and a high-temperature hydrogen pump 80. and a plurality of flow passages connecting between the components, and a plurality of heat exchangers, valves, blowers, and pumps disposed in the flow passages. Referring to Figure 3, the operation of the components included in the second embodiment can be controlled by a controller (not shown). For example, the control unit (not shown) includes the steam generator 10, the water electrolysis unit 30, the heaters 61 and 62, the high-temperature hydrogen pump 80, heat exchangers, valves, blowers, and pumps. You can control the action. For example, the control unit may control the opening or closing operation of the valves. According to the second embodiment, among the plurality of valves described above, a pressure control valve for adjusting the pressure of the water electrolysis stack in order to prevent the risk of explosion due to air inflow according to the negative pressure applied to the flow path L41 during hydrogen compression. (18) is included. The pressure control valve 18 may be opened or closed by a control unit (not shown).

제2 실시예에 포함된 상술한 구성요소들은 제1 실시예의 각 구성요소들과 동작 및 구성이 서로 동일 또는 유사하므로 설명을 생략한다.Since the above-described components included in the second embodiment have the same or similar operations and configurations as those of the first embodiment, descriptions thereof are omitted.

도1의 제1 실시예와 비교할 때 제2 실시예의 시스템은 재순환 유로(L44)에 설치된 제4 열교환기(44)를 더 포함하는 점에서만 차이가 있다. 제4 열교환기(44)는 재순환 가스와 제1 배출가스 사이를 열교환하여 재순환 가스를 가열하는 역할을 한다. 재순환 유로(L44)의 관점에서 볼 때 제4 열교환기(44)는 블로워(45)의 하류측에 위치하며 배출유로(L41)의 관점에서 볼 때 제4 열교환기(44)는 제2 열교환기(42)와 제3 열교환기(43) 사이에 위치한다. Compared with the first embodiment of FIG. 1, the system of the second embodiment differs only in that it further includes a fourth heat exchanger 44 installed in the recirculation passage L44. The fourth heat exchanger 44 serves to heat the recycle gas by exchanging heat between the recycle gas and the first exhaust gas. From the point of view of the recirculation passage L44, the fourth heat exchanger 44 is located on the downstream side of the blower 45, and from the perspective of the discharge passage L41, the fourth heat exchanger 44 is the second heat exchanger. (42) and the third heat exchanger (43).

제2 실시예에서 제3 열교환기(43)는 소형 열교환기로서 재순환 가스의 온도를 섭씨 5도 내지 20도 상승시키고 제4 열교환기(44)는 재순환 가스를 적어도 섭씨 200도 이상 가열시킬 수 있다. 예를 들어 재순환 유로(L44)로 분기된 재순환 가스가 섭씨 30도 내지 40도인 경우, 제3 열교환기(43)는 재순환 가스를 섭씨 40도 내지 60도로 가열하여 재순환 가스의 응결을 방지하고 제4 열교환기(44)는 재순환 가스를 섭씨 250도 내지 300도 사이로 가열할 수 있다. In the second embodiment, the third heat exchanger 43 is a small heat exchanger and can raise the temperature of the recycle gas by 5 to 20 degrees Celsius, and the fourth heat exchanger 44 can heat the recycle gas by at least 200 degrees Celsius. . For example, when the recycle gas branched to the recirculation flow path L44 is 30 to 40 degrees Celsius, the third heat exchanger 43 heats the recycle gas to 40 to 60 degrees Celsius to prevent condensation of the recycle gas, and the fourth The heat exchanger 44 can heat the recycle gas to between 250 and 300 degrees Celsius.

이 실시예에 따르면 제1 열교환기(41)에서 배출되는 배출가스의 열에너지를 제4 열교환기(44)에서 한번 더 이용하여 재순환 가스를 가열하기 때문에 폐열 회수가 가능하다. 또한 제4 열교환기(44)에서 한번 가열된 재순환 가스가 수소와 혼합한 뒤 제1 열교환기(41)에서 다시 가열되기 때문에 제1 실시예에 비해 혼합 가스 유로(L12)를 흐르는 혼합 가스의 온도를 더 높일 수 있는 이점이 있다. According to this embodiment, since the heat energy of the exhaust gas discharged from the first heat exchanger 41 is used once more in the fourth heat exchanger 44 to heat the recycle gas, waste heat recovery is possible. In addition, since the recycle gas heated once in the fourth heat exchanger 44 is mixed with hydrogen and then heated again in the first heat exchanger 41, the temperature of the mixed gas flowing through the mixed gas passage L12 is higher than that of the first embodiment. There is an advantage to further increase.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다. 4 is a diagram for explaining an operating method of a water electrolysis system according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 동작 방법(이하, '본 동작 방법')은 배출 단계(S100), 분리 단계(S102), 저장 단계(S104), 압력 모니터링 단계(S101), 판단 단계(S103), 압력 제어용 유체 제공 단계(S105), 및 압력 제어용 유체 미제공 단계(S107)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 4 , a method of operating a water electrolysis system according to an embodiment of the present invention (hereinafter referred to as 'this operating method') includes a discharge step (S100), a separation step (S102), a storage step (S104), and pressure monitoring. It may include step S101, determination step S103, pressure control fluid supply step S105, and pressure control fluid non-provision step S107.

배출 단계(S100)는, 수전해부(30)의 수소극으로부터의 유체를 배출유로(L41)가 배출하는 단계이다.In the discharge step (S100), the discharge passage L41 discharges the fluid from the hydrogen electrode of the water electrolysis unit 30.

분리 단계(S102)는 고온 수소 펌프가 배출유로(L41)로부터 배출되는 유체에 포함된 수소를 전기화학적으로 분리하는 단계이다. The separation step (S102) is a step in which the high-temperature hydrogen pump electrochemically separates hydrogen contained in the fluid discharged from the discharge passage (L41).

압력 모니터링 단계(S101)는 배출유로(L41)의 압력을 모니터링하는 단계이다. The pressure monitoring step (S101) is a step of monitoring the pressure of the discharge passage (L41).

판단 단계(S103)는 배출유로(L41)의 압력이 기준 압력 이하인지 여부를 판단하는 단계이다. The determination step (S103) is a step of determining whether the pressure of the discharge passage (L41) is equal to or less than the reference pressure.

압력 제어용 유체 제공 단계(S105)는, 배출유로(L41)의 압력이 기준 압력 이하일 경우, 배출유로(L41)로 압력 제어용 유체를 제공하는 단계이다. 여기서, 압력 제어용 유체는 스팀일 수 있다. The pressure control fluid providing step (S105) is a step of providing a pressure control fluid to the discharge passage (L41) when the pressure of the discharge passage (L41) is less than the reference pressure. Here, the fluid for pressure control may be steam.

예를 들면, 압력 제어용 유체 제공 단계(S105)는, 배출유로(L41)의 압력이 기준 압력 이하일 경우, 스팀 제공 라인(L21)에 흐르는 스팀의 일부를 배출유로(L41)로 제공하는 단계일 수 있다. For example, the pressure control fluid supply step (S105) may be a step of providing some of the steam flowing in the steam supply line (L21) to the discharge passage (L41) when the pressure of the discharge passage (L41) is less than the reference pressure. there is.

다른 예를 들면, 압력 제어용 유체 제공 단계(S105)는, 배출유로(L41)의 압력이 기준 압력 이하일 경우, 스팀 제공 라인(L21)에 설치된 이젝터(20)의 상류의 스팀의 일부를 배출유로(L41)로 제공하는 단계일 수 있다. For another example, in the pressure control fluid supply step (S105), when the pressure of the discharge passage (L41) is less than the reference pressure, a portion of the steam upstream of the ejector 20 installed in the steam supply line (L21) is transferred to the discharge passage ( It may be a step of providing L41).

또 다른 예를 들면, 압력 제어용 유체 제공 단계(S105)는, 배출유로(L41)의 압력이 기준 압력 이하일 경우, 스팀 제공 라인(L21)에 설치된 히터(21)의 상류의 스팀의 일부를 배출유로(L41)로 제공하는 단계일 수 있다. For another example, in the pressure control fluid supply step (S105), when the pressure of the discharge passage (L41) is less than the reference pressure, a part of the steam upstream of the heater 21 installed in the steam supply line (L21) is used as the discharge passage. It may be a step of providing in (L41).

압력 제어용 유체 미제공 단계(S107)는 배출유로(L41)의 압력이 기준 압력 보다 클 경우, 배출유로(L41)로 압력 제어용 유체를 제공하지 않는 것이다. 예를 들면, S105 단계가 실행 중에, 배출유로(L41)의 압력이 기준 압력 보다 클 경우에는 배출유로(L41)로 더 이상 압력 제어용 유체를 제공하지 않는다. In the pressure control fluid non-supply step (S107), when the pressure of the discharge passage L41 is greater than the reference pressure, the pressure control fluid is not supplied to the discharge passage L41. For example, if the pressure in the discharge passage L41 is greater than the reference pressure while the step S105 is being executed, the pressure control fluid is no longer supplied to the discharge passage L41.

이상과 같이 설명한 본 동작 방법에 의해서, 수소 압축시에 배출유로(L41)의 부압에 따라 공기 유입 등으로 인한 폭발 위험을 예방하면서, 수소를 안전하게 분리할 수 있게 된다. According to the operating method described above, hydrogen can be safely separated while preventing the risk of explosion due to air inflow according to the negative pressure of the discharge passage L41 during hydrogen compression.

한편, 도 4를 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템에서의 동작 방법은 양방향 수전해 시스템에서의 수전해 모드에 적용될 수 있을 뿐만 아니라 양방향이 아닌 일반적인 수전해 시스템에서도 적용될 수 있는 방법이다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템에서의 동작 방법은, 알칼라인 수전해 시스템, 고분자 전해질(PEM: Polymer Electrolyte Membrance) 수전해 시스템, 고체 산화물(Solid Oxide) 수전해 시스템, 또는 음이온교환막(AEM: Anion Exchange Membrane) 수전해 시스템 등과 같은 수전해 시스템에도 적용될 수 있다.Meanwhile, the method of operation in a water electrolysis system according to an embodiment of the present invention described with reference to FIG. 4 can be applied not only to a water electrolysis mode in a bidirectional water electrolysis system but also to a general non-bidirectional water electrolysis system. way. For example, an operation method in a water electrolysis system according to an embodiment of the present invention may include an alkaline water electrolysis system, a polymer electrolyte membrane (PEM) water electrolysis system, a solid oxide water electrolysis system, or It can also be applied to a water electrolysis system such as an anion exchange membrane (AEM) water electrolysis system.

이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, those skilled in the art to which the present invention pertains can understand that various modifications and variations are possible from the description of this specification. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments and should not be defined, but should be defined by not only the claims to be described later, but also those equivalent to these claims.

10: 스팀 생성부 20: 이젝터
30: 양방향 수전해 연료전지 41, 42, 43, 44, 53: 열교환기
61,62: 히터
80: 고온 수소 펌프
10: steam generating unit 20: ejector
30: bidirectional water electrolysis fuel cell 41, 42, 43, 44, 53: heat exchanger
61,62: heater
80: high-temperature hydrogen pump

Claims (10)

수전해부(30)의 수소극에서 배출되는 유체를 배출하기 위한 배출유로(L41);
배출유로(l41)에 설치되어 상기 수소극에서 배출된 유체에서 수소를 분리하는 고온 수소 펌프(80);
수전해부(30)의 수소극으로 스팀을 제공하기 위한 스팀 제공 라인(L21); 및
스팀 제공 라인(L21)로부터 분기되어 배출유로(L41)로 연결되는 압력 제어용 유로(L62);를 포함하며,
상기 고온 수소 펌프(80)는 상기 수소극에서 배출된 유체에서 전기화학적으로 수소를 분리하고,
상기 압력 제어용 유로(L62)에는 압력 제어용 밸브(18)가 설치되어 있고, 상기 압력 제어용 밸브(18)는 배출유로(L41)의 압력이 기준 압력 이하일 경우 개방되는 것인, 수전해 시스템.
a discharge passage (L41) for discharging the fluid discharged from the hydrogen electrode of the water electrolysis unit (30);
a high-temperature hydrogen pump 80 installed in the discharge passage 141 to separate hydrogen from the fluid discharged from the hydrogen electrode;
a steam supply line L21 for supplying steam to the hydrogen electrode of the water electrolysis unit 30; and
A pressure control passage (L62) branched from the steam supply line (L21) and connected to the discharge passage (L41);
The high-temperature hydrogen pump 80 electrochemically separates hydrogen from the fluid discharged from the hydrogen electrode,
A pressure control valve 18 is installed in the pressure control passage L62, and the pressure control valve 18 is opened when the pressure in the discharge passage L41 is equal to or less than the reference pressure.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
스팀 제공 라인(L21)에 설치된 이젝터(20);를 더 포함하고
압력 제어용 유로(L62)는 상기 이젝터(20)의 상류에서 분기되는 것인, 수전해 시스템.
According to claim 1,
An ejector 20 installed in the steam supply line L21; and
The water electrolysis system, wherein the flow path (L62) for pressure control is branched upstream of the ejector (20).
삭제delete 삭제delete 수전해 시스템의 동작 방법으로서,
수전해부(30)의 수소극으로부터 배출되는 유체를 배출유로(L41)가 배출하는 단계;
배출유로(L41)로부터 배출되는 유체에 포함된 수소를 전기화학적으로 분리하는 단계;
배출유로(L41)의 압력을 모니터링하는 단계;
배출유로(L41)의 압력이 기준 압력 이하일 경우에, 배출유로(L41)로 압력 제어용 유체를 제공하는 단계; 및
수전해부(30)의 수소극으로 스팀 제공 라인(L21)이 스팀을 제공하는 단계;를 포함하며,
상기 압력 제어용 유체를 제공하는 단계는,
배출유로(L41)의 압력이 기준 압력 이하일 경우에, 스팀 제공 라인(L21)을 통해서 흐르는 스팀의 일부를 배출유로(L41)로 제공하는 것인, 수전해 시스템의 동작 방법.
As a method of operating a water electrolysis system,
discharging the fluid discharged from the hydrogen electrode of the water electrolysis unit 30 through the discharge passage L41;
electrochemically separating hydrogen contained in the fluid discharged from the discharge passage (L41);
monitoring the pressure of the discharge passage (L41);
When the pressure of the discharge passage (L41) is less than the reference pressure, providing a pressure control fluid to the discharge passage (L41); and
Including; supplying steam by the steam supply line L21 to the hydrogen electrode of the water electrolysis unit 30,
The step of providing the pressure control fluid,
A method of operating a water electrolysis system, wherein a part of the steam flowing through the steam supply line (L21) is provided to the discharge passage (L41) when the pressure of the discharge passage (L41) is equal to or less than the reference pressure.
삭제delete 삭제delete 제6항에 있어서,
스팀 제공 라인(L21)에 이젝터(20)가 설치되어 있고,
상기 압력 제어용 유체를 제공하는 단계는,
배출유로(L41)의 압력이 기준 압력 이하일 경우에, 이젝터(20)의 상류의 스팀의 일부를 배출유로(L41)로 제공하는 것인, 수전해 시스템의 동작 방법.
According to claim 6,
An ejector 20 is installed in the steam supply line L21,
The step of providing the pressure control fluid,
A method of operating a water electrolysis system comprising providing a part of steam upstream of the ejector 20 to the discharge passage L41 when the pressure of the discharge passage L41 is equal to or less than the reference pressure.
삭제delete
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