KR102543800B1 - 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템 - Google Patents

수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템 Download PDF

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Abstract

수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템이 개시된다. 이러한 본 발명에 의하면, 수전해시스템으로부터 수소를 생산하는 과정에서 기동 및 정지 단계에서 빈번하게 발생할 수 있는 수전해 단위셀의 전극열화를 감소시키기 위해 수전해시스템 기동단계에서 수전해스택에 일정 전류의 전원을 공급함과 아울러 전해액 순환수를 수전해스택에 순환시키면서 가열하며, 정지과정을 수행할 때 수전해스택에 일정 전류의 전원을 공급하고 전해액 순환수를 수전해스택에 순환시키면서 냉각함으로써, 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템{Water electrolysis system that improves durability by preventing performance degradation inside the water electrolysis stack}
본 발명은 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 수전해시스템으로부터 수소를 생산하는 과정에서 기동 및 정지 단계에서 빈번하게 발생할 수 있는 수전해 단위셀의 전극열화를 감소시키기 위해 수전해시스템 기동단계에서 수전해스택에 일정 전류의 전원을 공급함과 아울러 전해액 순환수를 수전해스택에 순환시키면서 가열하며, 정지과정을 수행할 때 수전해스택에 일정 전류의 전원을 공급하고 전해액 순환수를 수전해스택에 순환시키면서 냉각할 수 있도록 한 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템에 관한 것이다.
최근, 태양광·풍력과 같은 재생에너지 발전원 및 수소를 이용한 수소연료전지자동차와 발전용 연료전지 등의 보급이 확대되면서 재생에너지원의 이용률 증가와 에너지저장관점에서의 수소를 에너지 캐리어로 활용하면서 내구성이 있는 수전해시스템 기술의 중요성이 부각되고 있다.
수전해를 이용하여 수소를 생산하는 방법으로는, 산성 및 알칼리 수전해 방법, 이온교환막을 사용하는 양이온교환막(PEM; Proton Exchange Membrane) 수전해 방법, 고온수증기형 수전해 방법 등이 있으며, 구조적인 형태는 PEM 수전해와 유사하고, 작동 환경은 알칼리 수전해에서 기술을 차용한 음이온교환막(AEM; Anion Exchange Membrane)수전해 방법이 있다.
이 중, 알칼리 전해액(NaOH 또는 KOH) 수전해 방법은, 기술적 성숙도가 높아 상용화가 활발하며, 구조가 단순하고 비귀금속 촉매를 사용함과 아울러 제조 단가가 저렴하여, 메가와트 단위의 큰 규모의 구조로 제작이 가능한 반면, 알칼리 전해액 농도를 유지하기 위해 전해액을 계속 보충해야 하는 문제점과 알칼리 전해액에 따른 부식 문제, 낮은 전류 밀도와 효율, 고압 운전이 불가능한 단점을 가지고 있다.
또한, 양이온교환막(PEM) 수전해는, 백금족 촉매와 고분자전해질 양이온 교환막을 이용하여, 높은 전류밀도로 운전 할 수 있어 장치의 소형화가 가능하며, 시스템 구조가 단순하여 고압으로 수소 생산할 수 있고, 산성 조건에서 부식성이 없는 귀금속을 사용하여 내구성이 우수한 반면, 촉매가 값이 비싼 귀금속을 이용하여 비용이 많이 드는 단점이 있다.
아울러, 음이온교환막(AEM) 수전해는 양이온교환막 수전해와 스택 구조가 유사하고 고압으로 고순도의 수소를 생산하며, 비교적 높은 전류 밀도로 작동하고, 알칼리 환경에서 시스템이 운영되어 저가의 비귀금속 촉매를 사용할 수 있다.
상기 여러 종류의 수전해시스템 운전 시에, 기동단계와 정지단계에서 발생하는 수전해스택의 역전류를 방지하는 것이 매우 중요하다.
이를 위해, 종래의 선행기술 KR 등록특허 제10-1724060호(명칭 : 알칼리 수전해 장치 및 이의 운전 방법)(이하, '선행문헌1'이라 함)에는, 복수의 막-전극 접합체를 포함하며, 전해액 탱크로부터 공급받은 알칼리 수용액을 전기분해하여 수소와 산소를 발생시키기 위한 수전해스택; 상기 수전해스택으로 전기분해에 필요한 전압을 출력하는 전압 인가부; 상기 수전해스택이 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 장치는 상기 전해액 탱크에 설치된 보조 히터로 구성되는 기술이 제안되어 있다.
상기의 구성을 갖는 종래의 선행문헌1은, 수전해스택, 전압 인가부, 전압 소모 장치, 제어부를 구성하여, 수전해 장치의 정지시에 전압 소모 장치에서 수전해스택이 무부하 상태일 때 수전해스택과 통전되어 수전해스택의 잔류 전압을 소모하여 제거하는 방법을 제안하고 있지만, 수전해 시스템 운영 시 기동단계와 정지단계에서 빈번하게 발생하는 수전해스택의 역전류를 근본적으로 방지하는 방법은 제공하지 못하는 문제점이 있다.
KR 등록특허 제10-1724060호(2017.03.31)
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 수전해시스템으로부터 수소를 생산하는 과정에서 기동 및 정지 단계에서 빈번하게 발생할 수 있는 수전해 단위셀의 전극열화를 감소시키기 위해 수전해시스템 기동단계에서 수전해스택에 일정 전류의 전원을 공급함과 아울러 전해액 순환수를 수전해스택에 순환시키면서 가열하며, 정지과정을 수행할 때 수전해스택에 일정 전류의 전원을 공급하고 전해액 순환수를 수전해스택에 순환시키면서 냉각함으로써, 수전해스택 내부의 성능열화를 방지할 수 있도록 한 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 수전해시스템 운영 시에 기동단계와 정지단계에서 발생하는 성능열화를 방지하기 위해 수전해스택의 일정 온도로 가열하고, 냉각시에 일정전류의 전원을 수전해스택에 공급하여 스택 단위셀에서 발생하는 역전류를 방지하여 수전해 촉매 전극열화를 억제함으로써 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템을 제공하기 위한 것이다.
아울러, 본 발명의 목적은, 정지단계에서 수전해스택 온도를 냉각한 후, 셀전압감소기로 수전해스택 잔류 전압을 일정 전압까지 감소시키고 수소발생부 압력이 산소발생부 압력보다 높은 영역에서 전원 공급을 중지하고 전해액 순환수의 순환을 일정 시간 중지하여 수소발생부 촉매열화를 억제함으로써 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템을 제공하기 위한 것이다.
그리고, 본 발명의 목적은, 수전해시스템을 사용하지 않은 휴지기에도 수소발생부 압력이 산소발생부 압력보다 높은 영역에서 전원 공급을 중지하고 전해액 순환수의 순환을 일정 시간 중지하여 수전해스택 잔류전압을 일정 전압까지 감소시킴으로써 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템은, 복수의 단위셀과 분리판이 직렬로 적층된 구조로 이루어지며, 전기에너지와 물의 수전해 반응으로 수소와 산소를 생산하는 수전해스택; 수전해스택의 셀전압이 정해진 셀 운전전압보다 감소하는 것을 실시간으로 감지하는 셀전압 감소기; 수전해스택에 전기에너지를 공급하는 전류가변형 컨버터; 상기 전류가변형 컨버터의 일측에 구비되어 역압레귤레이터 및 수전해스택에 전류를 차단하는 차단기; 수전해스택의 일측에 구비되어 순환수를 공급하는 순환수탱크; 수전해스택의 애노드(OER) 전극에서 발생하는 산소 발생 라인에 위치하여 전해액인 순환수를 순환시키는 액체펌프; 수전해스택의 전단에 구비된 압력센서; 압력센서의 일측에 구비되어 순환수 유량을 감지하는 유량센서; 수전해스택의 후방에 구비되며, 이온교환막에 핀홀이 발생하는 경우 수소와 산소의 섞임현상으로 인한 수전해스택 후방의 순환수 온도가 증가하는 것을 모니터링하는 온도센서; 순환수탱크의 온도를 일정하게 유지시키는 공랭식 열교환기; 수소와 산소의 섞임현상으로 인한 위험상태를 감지하는 수전해시스템 제어기; 순환수탱크에서 소비된 물량만큼 실시간으로 물을 공급하는 순환수 보조탱크; 수전해스택의 캐소드(HER) 전극에서 생산되는 수소를 냉각시키는 냉각열교환기; 수소 생산라인에 구비되되, 애노드 전극측에서 캐소드 전극측으로 이온교환막을 통해 물이 넘어오는 것을 방지하는 가압기; 이온교환막을 통해 물이 역류되는 것을 방지하는 체크밸브; 수소와 함께 이송되는 미량의 수분을 분리하는 수분리기; 수분리기의 일측에 위치하는 흡착기; 흡착기의 일측에 구비되며, 흡착기와 함께 고순도의 수소를 획득할 수 있도록 하는 마이크로필터; 수전해스택의 후단에 구비된 압력센서; 압력센서의 일측에 구비되어 수소 생산압력을 조절하는 역압레귤레이터; 생산한 수소가스 내의 산소농도를 검출하는 방폭형 산소센서; 를 포함하여 구성되며, 수전해시스템의 기동과정에서 수전해스택의 전해액 순환수를 일정온도까지 가열하면서 순환시킴과 아울러 일정온도에 도달할 때까지 수전해스택에 일정 전류의 전원을 공급하고, 수전해시스템의 정지과정에서 수전해스택에 일정 전류의 전원을 공급함과 아울러 전해액 순환수를 일정온도까지 냉각시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 수전해스택에 공급되는 전류는 수전해스택 활성면적 기준으로 10mA/cm2 ∼ 50mA/cm2 범위인 것이 바람직하다.
수전해시스템 정지과정에서는 전해액 순환수의 온도가 40℃이하이고 수전해스택 수소발생부 압력이 산소발생부 압력보다 높은 영역에서 전원 공급을 중지하고 셀전압감소기로 수전해스택 전압을 일정 전압까지 감소시키고 전해액 순환수의 순환을 일정 시간 중지할 수 있다.
전해액 순환수의 순환을 중지하는 시간은 10초 ∼30초 범위인 것이 바람직하다.
수전해스택 전압을 감소시키는 전압은 수전해스택을 구성하는 복수의 단위셀 전압을 0.3V ∼0.5V 범위로 감소시키도록 구성될 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템에 의하면, 수전해시스템으로부터 수소를 생산하는 과정에서 기동 및 정지 단계에서 빈번하게 발생할 수 있는 수전해 단위셀의 전극열화를 감소시키기 위해 수전해시스템 기동단계에서 수전해스택에 일정 전류의 전원을 공급함과 아울러 전해액 순환수를 수전해스택에 순환시키면서 가열하며, 정지과정을 수행할 때 수전해스택에 일정 전류의 전원을 공급하고 전해액 순환수를 수전해스택에 순환시키면서 냉각함으로써, 수전해스택 내부의 성능열화를 방지하여 수전해시스템의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 수전해시스템 운영 시에 기동단계와 정지단계에서 발생하는 성능열화를 방지하기 위해 수전해스택의 일정 온도로 가열하고, 냉각시에 일정전류의 전원을 수전해스택에 공급하여 스택 단위셀에서 발생하는 역전류를 방지하여 수전해 촉매 전극열화를 억제함으로써 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킬 수도 있다.
아울러, 본 발명에 의하면, 정지단계에서 수전해스택 온도를 냉각한 후, 셀전압감소기로 수전해스택 잔류 전압을 일정 전압까지 감소시키고 수소발생부 압력이 산소발생부 압력보다 높은 영역에서 전원 공급을 중지하고 전해액 순환수의 순환을 일정 시간 중지하여 수소발생부 촉매열화를 억제함으로써 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 발명에 의하면, 수전해시스템을 사용하지 않은 휴지기에도 수소발생부 압력이 산소발생부 압력보다 높은 영역에서 전원 공급을 중지하고 전해액 순환수의 순환을 일정 시간 중지하여 수전해스택 잔류전압을 일정 전압까지 감소시킴으로써 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 셀전압 감소기의 구성을 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 내구성을 갖는 수전해시스템 가동에 따른 가열시 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 내구성을 갖는 수전해시스템 기동 및 정지시 역전류가 방지된 상태를 나타낸 그래프이다.
도 5는 종래 기술에 의한 수전해시스템 가동에 따른 가열시 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 종래 기술에 의한 수전해시스템 기동 및 정지시 역전류가 발생된 상태를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하기 위한 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
따라서, 몇몇 실시 예에서, 잘 알려진 공정단계들, 잘 알려진 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않은 한 복수형도 포함한다.
명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다.
그리고, "및/또는"은 언급된 아이템의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다.
따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정형태로 제한되는 것이 아니라 제조공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다.
그리고, 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이며, 도 2는 본 발명에 따른 셀전압 감소기의 구성을 도시한 구성도이고, 도 3은 본 발명의 내구성을 갖는 수전해시스템 가동에 따른 가열시 온도 변화를 나타낸 그래프이며, 도 4는 본 발명의 내구성을 갖는 수전해시스템 기동 및 정지시 역전류가 방지된 상태를 나타낸 그래프이고, 도 5는 종래 기술에 의한 수전해시스템 가동에 따른 가열시 온도 변화를 나타낸 그래프이며, 도 6은 종래 기술에 의한 수전해시스템 기동 및 정지시 역전류가 발생된 상태를 나타낸 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 수전해스택(101)은 복수의 단위셀(막전극 접합체)과 분리판이 직렬로 적층된 구조로 이루어지며, 전기에너지와 물의 수전해 반응으로 수소와 산소를 생산하게 된다.
수전해 단위셀(막전극 접합체)는 전극, 전해액, 이온교환막(격막) 등으로 구성되며, 하기 반응식과 같이 환원구역에서는 외부전원에서 공급된 전자와 물(H2O)가 반응하여 수소기체와 OH-가 생성되고 이 OH-는 이온교환막(격막)을 통해 산화구역으로 이동하여 물(H2O)과 산소기체를 생성하게 된다.
상기 수전해스택(101)을 구성하는 단위셀들의 통상 운전전압은 1.5V에서 2.1V 범위이며, 수전해시스템 운영 시에 빈번히 발생하는 기동 및 정지단계에서 산소발생 촉매에서의 활성, 물의 존재 그리고 열원 불균형 등으로 역전류(reverse current)에 의한 반전전압(reversal potential) 형성으로 전극열화와 같은 수전해 성능에 악영향을 줄 수 있음을 밝혀둔다.
셀전압 감소기(102)는 수전해스택(101)의 셀전압이 정해진 셀 운전전압보다 감소하는 것을 실시간으로 감지하는 기능을 수행한다.
이러한 셀전압 감소기(102)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 단위셀들을 감지하는 셀전압비교부(102a)와, 셀전압비교부(102a)와 연결 설치되는 셀저전압 경보부(102b)와, 셀방전부(102c)와, 방전제어부(102d)와, 셀 전압/전류 검출부(102e)를 포함하여 구성될 수 있다.
셀전압비교부(102a)는 복수개로 마련되며, 수전해스택(101)을 구성하는 적어도 1개 이상으로 구성된 복수의 단위셀들을 감시하는 기능을 수행한다.
상기 셀저전압 경보부(102b)는 셀전압비교부(102a)와 연결되게 설치되는 구성으로 이루어진다.
상기 셀방전부(102c)는 셀전압비교부(102a)의 일측에 위치하는 구성을 가지며, 방전제어부(102d)는 셀방전부(102c)와 연결 설치된다.
셀 전압/전류 검출부(102d)는 단위셀들의 수전해스택 양 끝단을 연결하여 이루어지는 구성을 갖는다.
이러한 구성을 갖는, 셀전압 감소기(102)는 셀저전압 경보부(102b)에서 셀전압이 미리 정해진 운전전압 보다 감소하는 것을 실시간으로 검출하고, 수전해시스템 정지 시에 복수의 셀방전부(102c)와, 셀방전부(102c)와 연결된 방전제어부(102d)에서 잔류전압을 제거할 수 있게 된다.
상기 셀전압 감소기(102)는 단위셀 1개씩, 또는 단위셀 4개씩, 또는 단위셀 8개씩 연결하여 셀전압비교부(102a)를 구성하되, 셀 전압/전류 검출부(102d)에서 미리 정해진 상기 수전해스택(101)의 전체 과전압, 또는 과전류 값이 검출되면 수전해시스템 제어기에서 수전해시스템을 정지시킬 수 있게 된다.
보다 상세하게 살펴보면, 수전해스택(101)을 구성하는 복수의 단위셀들을 2개씩 감시하는 복수의 셀전압비교부와 연결된 셀저전압 경보부를 구성하여 셀전압이 미리 정해진 운전전압 보다 감소하는 것을 실시간으로 검출할 수 있으며, 복수의 셀방전부와 연결된 방전제어부를 구성하여 수전해시스템 정지 시에, 잔류전압을 제거할 수 있고 셀1과 셀n의 수전해스택 양 끝단을 연결한 셀 전압/전류 검출부를 구성하여 수전해스택 전체 전압과 전류를 모니터링할 수 있다.
또한, 상기 수전해시스템 셀전압 감소기의 셀전압비교부는 단위셀 1개씩 각각 연결할 수도 있고, 단위셀 4개씩 혹은 단위셀 8개씩 연결하여 셀전압비교부를 구성할 수 있으며, 미리 정해진 수전해스택 과전압이나 과전류 값이 상기 셀 전압/전류 검출부에서 검출되면 수전해시스템 제어기에서 상기 시스템을 정지시키는 것이 바람직하다.
아울러, 전류가변형 컨버터(103)는 수전해스택(101)의 작동에 필요한 전기에너지를 공급하게 된다.
상기 수전해시스템 운영 시에, 외부에서 수전해스택(101)에 전기에너지를 공급하는 컨버터(103)와 수전해스택의 셀전압을 정해진 셀 운전전압에서 감소하는 것을 실시간으로 감지하는 셀전압 감소기(102)를 구성하여 수소와 산소의 섞임현상으로 인한 수전해스택 셀전압 감소 현상을, 원인이 1차적으로 발생하는 수전해 스택에서 검출하여 상기 시스템을 정지(shut-down)시킬 수 있다.
상기의 구성을 갖는 수전해시스템을 정지(shut-down)시키는 셀전압은 운전 셀전압 범위가 1.5V 내지 1.45V일 수 있다.
즉, 수전해 시스템을 정지하는 셀전압은 이론전위가 1.229V임을 고려하여, 수전해스택 운전 셀전압 범위가 1.2V에서 1.45V일 때 수전해시스템을 정지(shut-down)하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템(100)에 의하면, 애노드(OER;oxygen evolution reaction) 전극에서 발생하는 산소 발생 라인에는, 수전해시스템 운영시 외부에서 수전해스택(101)에 전원 공급을 차단하는 차단기(103-1)이 구비되며, 순환수를 공급하는 순환수탱크(104)와, 순환수를 순환시키는 액체펌프(105)와, 수전해스택(101) 전단에 구비된 압력센서(106)와, 순환수 유량을 감지하는 유량센서(107), 수전해스택(101) 후단에 구비되어 순환수 온도 증가여부를 모니터링하는 온도센서(108)와, 순환수탱크(104)의 온도를 유지시키는 공랭식 열교환기(109)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 애노드(OER;oxygen evolution reaction) 전극에서 발생하는 산소의 반응식은 다음과 같다.
Figure 112021064639319-pat00001
상기 순환수탱크(104)는 수전해스택(101)의 일측에 구비되며, 수전해스택(101)측으로 순환수를 공급한다.
이러한 순환수탱크(104)는 순환수에 포함된 산소를 분리하는 이중격벽구조로 구성되는 것으로, 순환수탱크(104)는 순환수에 포함된 산소를 분리하는 이중격벽구조로 구성되도록 한다.
상기 순환수탱크(104)는 초기 작동시에 순환수의 온도를 올리는 히터(미도시)와, 순환수탱크(104)의 최대수위 및 최저수위를 감지하는 레벨센서(미도시)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
이와 같은, 순환수탱크(104)는 수전해시스템 제어기(미도시)에서 전류량을 받아 물 소비량을 계산하며, 물소비량이 계산된 값을 기준으로 정량펌프와 순환수 보조탱크(110)를 이용하여 순환수탱크(104)에서 소비된 물량만큼 실시간으로 정밀하게 물을 공급하는 기능을 수행한다.
액체펌프(105)는 수전해스택(101)의 애노드(OER;oxygen evolution reaction) 전극에서 발생하는 산소 발생 라인에 위치하게 되며, 전해액인 순환수를 순환시킨다.
또한, 수전해스택(101)의 전단에는 압력센서(106)가 구비되며, 이 압력센서(106)의 일측에 유량센서(107)를 구비하여 순환수의 유량을 감지하도록 한다.
상기 유량센서(107)는 수전해스택(101)의 산소 발생극에서 수전해시스템(100)의 오동작 등으로 순환수(전해액)가 균일하게 순환하지 않으면 산소 발생 촉매활성영역에서 생성된 산소가 원활하게 제거되지 않아 불균일한 반응으로 이온교환막(격막)에 핀홀이 발생할 수 있다.
이와 같이, 핀홀 발생 시에 수소와 산소의 섞임현상으로 수전해스택 후단의 순환수 온도가 증가할 수 있는 것을 모니터링하는 온도센서(108)을 구성하여 수전해시스템 구성 부품들의 오동작으로 인한 수소와 산소의 섞임현상의 위험상태를 수전해시스템 제어기에서 감지하여 상기 시스템을 정지(shut-down)시킬 수 있다.
한편, 수전해스택(101)의 후방에는 온도센서(108)가 마련되는 데, 이 온도센서(108)를 이용하여 이온교환막에 핀홀이 발생하는 경우 수소와 산소의 섞임현상으로 인한 수전해스택(101)의 후방측 순환수에 대한 온도가 증가하는 것을 모니터링하도록 함이 바람직하다.
상기 공랭식 열교환기(109)는 순환수탱크(104)의 일측에 마련되어 순환수탱크(104)의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 수전해시스템 제어기는 수소와 산소의 섞임현상으로 인한 위험상태를 감지하는 중요한 기능을 수행한다.
한편, 본 발명에 따른 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템(100)에 의하면, 캐소드(HER; hydrogen evolution reaction) 전극에서 생산되는 수소 발생라인에는, 수소를 냉각시키는 냉각열교환기(114)와, 수소 생산라인에 구비되어 이온교환막을 통해 물이 넘어오는 것을 방지하는 가압기(미도시)와, 물이 역류되는 것을 방지하는 체크밸브(미도시)와, 수분을 분리하는 수분리기(115)와, 수분리기(115)의 일측에 구비되는 흡착기(117)와, 고순도의 수소를 획득하도록 하는 마이크로필터(118)와, 수전해스택(101)의 후단에 구비된 압력센서(119)와, 그 일측에 구비되어 수소 생산압력을 조절하는 역압레귤레이터(120)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 캐소드(HER; hydrogen evolution reaction) 전극에서 생산되는 수소의 반응식은 다음과 같다.
Figure 112021064639319-pat00002
여기서, 냉각열교환기(114)는 수전해스택(101)의 캐소드(HER; hydrogen evolution reaction) 전극에서 생산되는 수소를 냉각시키는 기능을 수행한다.
또한, 가압기(미도시)는 수소 생산라인에 구비되는 것으로, 애노드 전극측에서 캐소드 전극측으로 이온교환막을 통해 물이 넘어오는 것을 방지하게 된다.
즉, 순환수(전해액)가 순환하기 때문에 애노드 전극 쪽에서 캐소드(HER; hydrogen evolution reaction) 전극으로 이온교환막을 통해 물이 넘어오는 것을 방지하기 위해 수소 생산라인에 가압기가 구성함이 바람직하다.
아울러, 체크밸브(미도시)는 이온교환막을 통해 물이 역류되는 것을 방지하는 역할을 수행한다.
상기 수분리기(115)는 수소와 함께 이송되는 미량의 수분을 분리하는 것으로, 이 수분리기(115)의 일측에는 흡착기(117)가 마련된다.
상기 수전해시스템 운영 시에 발생하는 산소는 냉각열교환기(111)를 거쳐 냉각되고, 산소와 함께 이송되는 미량의 순환수는 수분리기(112)에서 분리되어 다시 순환수탱크(104)로 회수되며 미량의 수분은 흡착기(113)에서 회수되어 건조(dry)한 산소가 수전해시스템 외부로 배출된다.
상기 마이크로필터(118)는 흡착기(117)의 일측에 구비되며, 흡착기(117)와 함께 고순도의 수소를 획득할 수 있도록 한다.
한편, 압력센서(119)는 마이크로필터(118)의 일측에 구비되도록 하며, 생산한 수소가스 압력을 확인하는 기능을 수행할 수 있도록 함이 바람직하다.
또한, 생산한 수소가스 내의 혹시 포함될 수 있는 산소농도를 검출하는 방폭형 산소센서(121)를 구성한다. 순환수(전해액)가 순환하기 때문에 애노드 전극 쪽에서 캐소드(HER; hydrogen evolution reaction) 전극으로 이온교환막을 통해 물이 넘어오는 것을 방지하기 위해 수소 생산라인에 역압레귤레어터(120)가 구성되며 역류방지를 위한 체크밸브 및 생산한 수소의 온도 및 압력을 알수 있는 센서들을 포함한다.
아울러, 초기 시스템 설치나 필요 시에 질소 퍼지(purge)를 위한 퍼지라인 구성과 수전해시스템을 장시간 미사용시 가압된 수소를 방출하는 솔레노이드 밸브가 구성된 수소 벤트라인을 구성한다.
본 발명에 따른 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템(100)은, 수소와 산소의 섞임현상에 대한 위험여부를 감지하는 수전해시스템 제어기(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기의 구성을 갖는 본 발명에 따른, 전기에너지와 물의 수전해 반응에 따른 반응식은 다음과 같다.
Figure 112021064639319-pat00003
상기의 구성을 갖는 본 발명에 따른 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템(100)에 의하면, 수전해시스템의 기동과정세서 수전해스택의 전해액 순환수를 일정온도까지 가열하면서 순환시키는 단계와, 일정온도에 도달할 때까지 수전해스택에 일정 전류의 전원을 공급하는 단계를 포함하며, 수전해시스템의 정지과정에서는 수전해스택에 일정 전류의 전원을 공급하는 단계와 전해액 순환수를 일정온도까지 냉각시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 일정 전류의 전원공급은 수전해스택(101) 활성면적 기준으로 10mA/cm2 ∼ 50mA/cm2 범위인 것을 특징으로 한다.
또한, 정지과정에서는 수전해스택(101)의 냉각 온도가 40℃이하이며, 수전해스택 수소발생부 압력이 산소발생부 압력보다 높은 영역에서 전원 공급을 중지하고, 셀전압감소기로 수전해스택을 구성하는 복수의 단위셀 전압을 0.3V ∼0.5V 범위로 감소시키고 전해액 순환수의 순환을 일정 시간 10초 ∼30초 범위에서 중지하는 단계를 더 포함하여 수전해시스템의 장기간 미사용 휴지기에도 수전해 촉매의 전극열화를 억제할 수 있다.
도 3에 도시된 본 발명의 수전해시스템 가동에 따른 가열시 온도 변화를 나타낸 그래프와, 도 4에 도시된 본 발명의 수전해시스템 기동 및 정지시 역전류가 방지된 상태를 나타낸 그래프를 참고하여 살펴보면, 본 발명은 도 3에서 수전해시스템 기동단계에서 전해액 순환수를 순환하면서 30mA/cm2 전류의 전원공급을 하면서 수전해스택을 일정온도인 60℃까지 가열한 후에 수전해스택 촉매활성면적 기준으로 전류밀도 1,000mA/cm2로 전원공급을 하여 수소를 생산한 후, 정지단계에서 50mA/cm2 전류의 전원공급을 하면서 전해액 순환수를 순환하면서 수전해스택을 일정온도인 40℃까지 냉각하는 단계를 1개의 싸이클로 하여, 100싸이클(cycle) 운전하였을 때, 도 4에서와 같이 수전해시스템의 단위셀 성능이 고전류 1,000mA/cm2 영역과 저전류 100mA/cm2 영역에서 모두 성능이 안정적으로 유지됨을 알 수 있다.
반면, 종래 기술에 의하면, 도 5에 도시된 종래 기술의 수전해시스템 가동에 따른 가열시 온도 변화를 나타낸 그래프와, 도 6에 도시된 종래 기술의 수전해시스템 기동 및 정지시 역전류가 발생된 상태를 나타낸 그래프를 참고하여 살펴볼 때, 도 5에서 수전해시스템 기동단계에서 전해액 순환수를 순환하면서 전원공급을 차단하고 수전해스택을 일정온도인 60℃까지 가열한 후에 수전해스택 촉매활성면적 기준으로 전류밀도 1,000mA/cm2로 전원공급을 하여 수소를 생산한 후, 정지단계에서 전원공급을 차단하고 전해액 순환수를 순환하면서 수전해스택을 일정온도인 40℃까지 냉각하는 단계를 1개의 싸이클로 하여, 100싸이클(cycle) 운전하였을 때, 도 6에서와 같이 수전해시스템의 단위셀 성능이 고전류 1,000mA/cm2 영역과 저전류 100mA/cm2 영역에서 모두 성능열화가 발생한 것을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상을 이해하는 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 특허청구범위내에 기재된 범주내에 속하는 것으로 해석하여야 할 것이다.
100: 수전해시스템, 101: 수전해스택,
102: 셀전압 감소기, 103: 전류가변형 컨버터,
103-1: 차단기, 104: 순환수 탱크,
105: 액체펌프, 106: 압력센서,
107: 유량센서, 108: 온도센서,
109: 공랭식 열교환기, 110: 순환수 보조탱크,
111: 열교환기, 112: 수분리기,
113: 흡착기, 114: 열교환기,
115: 수분리기, 116: 보조탱크,
117: 흡착기, 118: 마이크로필터,
119: 압력센서, 120: 역압레귤레이터,
121: 방폭형 산소센서.

Claims (5)

  1. 복수의 단위셀과 분리판이 직렬로 적층된 구조로 이루어지며, 전기에너지와 물의 수전해 반응으로 수소와 산소를 생산하는 수전해스택(101); 수전해스택(101)의 셀전압이 정해진 셀 운전전압보다 감소하는 것을 실시간으로 감지하는 셀전압 감소기(102); 수전해스택(101)에 전기에너지를 공급하는 전류가변형 컨버터(103); 상기 전류가변형 컨버터(103)의 일측에 구비되어 역압레귤레이터(120) 및 수전해스택(101)에 전류를 차단하는 차단기(103-1); 수전해스택(101)의 일측에 구비되어 순환수를 공급하는 순환수탱크(104); 수전해스택(101)의 애노드(OER;oxygen evolution reaction) 전극에서 발생하는 산소 발생 라인에 위치하여 전해액인 순환수를 순환시키는 액체펌프(105); 수전해스택(101)의 전단에 구비된 압력센서(106); 압력센서(106)의 일측에 구비되어 순환수 유량을 감지하는 유량센서(107); 수전해스택(101)의 후방에 구비되며, 이온교환막에 핀홀이 발생하는 경우 수소와 산소의 섞임현상으로 인한 수전해스택(101) 후방의 순환수 온도가 증가하는 것을 모니터링하는 온도센서(108); 순환수탱크(104)의 온도를 일정하게 유지시키는 공랭식 열교환기(109); 수소와 산소의 섞임현상으로 인한 위험상태를 감지하는 수전해시스템 제어기; 순환수탱크(104)에서 소비된 물량만큼 실시간으로 물을 공급하는 순환수 보조탱크(110); 수전해스택(101)의 캐소드(HER) 전극에서 생산되는 수소를 냉각시키는 냉각열교환기(114); 수소 생산라인에 구비되되, 애노드 전극측에서 캐소드 전극측으로 이온교환막을 통해 물이 넘어오는 것을 방지하는 가압기; 이온교환막을 통해 물이 역류되는 것을 방지하는 체크밸브; 수소와 함께 이송되는 미량의 수분을 분리하는 수분리기(112); 수분리기(112)의 일측에 위치하는 흡착기(117); 흡착기(117)의 일측에 구비되며, 흡착기(117)와 함께 고순도의 수소를 획득할 수 있도록 하는 마이크로필터(118); 수전해스택(101)의 후단에 구비된 압력센서(119); 압력센서(119)의 일측에 구비되어 수소 생산압력을 조절하는 역압레귤레이터(120); 생산한 수소가스 내의 산소농도를 검출하는 방폭형 산소센서(121); 를 포함하여 구성되며,
    수전해시스템의 기동과정에서 수전해스택의 전해액 순환수를 일정온도까지 가열하면서 순환시킴과 아울러 일정온도에 도달할 때까지 수전해스택에 일정 전류의 전원을 공급하고, 수전해시스템의 정지과정에서 수전해스택에 일정 전류의 전원을 공급함과 아울러 전해액 순환수를 일정온도까지 냉각시키는 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    수전해스택에 공급되는 전류는 수전해스택 활성면적 기준으로 10mA/cm2 ∼ 50mA/cm2 범위인 것을 특징으로 하는 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    수전해시스템 정지과정에서는 전해액 순환수의 온도가 40℃이하이고 수전해스택 수소발생부 압력이 산소발생부 압력보다 높은 영역에서 전원 공급을 중지하고 셀전압감소기로 수전해스택 전압을 일정 전압까지 감소시키고 전해액 순환수의 순환을 일정 시간 중지하는 것을 특징으로 하는 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    전해액 순환수의 순환을 중지하는 시간은 10초 ∼30초 범위인 것을 특징으로 하는 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    수전해스택 전압을 감소시키는 전압은 수전해스택을 구성하는 복수의 단위셀 전압을 0.3V ∼0.5V 범위로 감소시키는 것을 특징으로 하는 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템.

KR1020210072498A 2021-06-04 2021-06-04 수전해스택 내부의 성능 열화를 방지하여 내구성을 향상시킨 수전해시스템 KR102543800B1 (ko)

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