KR102656624B1 - Hydrogen Generator, Hydrogen Generation System and Hydrogen Supply System for Generator Cooling - Google Patents

Hydrogen Generator, Hydrogen Generation System and Hydrogen Supply System for Generator Cooling Download PDF

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Abstract

본 발명은 수소 발생 장치, 수소 발생 시스템 및 발전기 냉각용 수소 공급 시스템에 관한 것으로, 통전시에 수소이온이 수소 가스로 변환되는 음극과, 통전시에 물이 수소이온, 산소 가스, 전하로 변환되는 양극과, 음극 및 양극 사이에 위치되고, 양극에서 발생된 수소 가스를 음극으로 전달하는 이온교환막과, 음극이 내장되도록 이온교환막 일면에 형성된 음극실과, 양극이 내장되도록 이온교환막 타면에 형성된 양극실과, 전하를 음극에 전달하거나, 전하를 양극으로부터 전달받도록 음극실 및 양극실 각각에 내장된 전류분배판을 포함하며, 물(순수)을 전기 분해함으로써, 수소 가스를 생성하게 되므로, 수소 발생 장치(전해셀)에 문제가 발생할 경우, 수소 발생 장치의 교체 및 정비가 손쉽고, 전단압력조절기 및 후단압력조절기를 통해 적정량의 수소 가스를 발전기에 지속적으로 공급할 수 있으며, 특히, 쓰리웨이밸브에 의해서 수소 가스가 적정치를 초과해 누출될 가능성이 있을 때, 수소 가스를 대기 중으로 배출하므로, 수소 가스 점화에 의한 폭발 사고가 방지되는, 수소 발생 장치, 수소 발생 시스템 및 발전기 냉각용 수소 공급 시스템을 제공한다.The present invention relates to a hydrogen generation device, a hydrogen generation system, and a hydrogen supply system for cooling a generator, including a cathode where hydrogen ions are converted into hydrogen gas when energized, and a cathode where water is converted into hydrogen ions, oxygen gas, and electric charge when energized. An ion exchange membrane located between the anode, the cathode, and the anode, which transfers hydrogen gas generated from the anode to the cathode, a cathode chamber formed on one side of the ion exchange membrane to embed the cathode, and an anode chamber formed on the other side of the ion exchange membrane to embed the anode, It includes a current distribution plate built into each of the cathode and anode chambers to transfer the charge to the cathode or receive the charge from the anode, and generates hydrogen gas by electrolyzing water (pure water), so it is a hydrogen generator (electrolysis device). If a problem occurs in the cell, it is easy to replace and maintain the hydrogen generating device, and an appropriate amount of hydrogen gas can be continuously supplied to the generator through the front-end pressure regulator and back-end pressure regulator. In particular, the three-way valve allows hydrogen gas to be supplied to the generator. Provided is a hydrogen generation device, a hydrogen generation system, and a hydrogen supply system for cooling a generator, which prevents explosions due to ignition of hydrogen gas by discharging hydrogen gas into the atmosphere when there is a possibility of leakage exceeding the appropriate level.

Description

수소 발생 장치, 수소 발생 시스템 및 발전기 냉각용 수소 공급 시스템{Hydrogen Generator, Hydrogen Generation System and Hydrogen Supply System for Generator Cooling}Hydrogen generator, hydrogen generation system and hydrogen supply system for generator cooling {Hydrogen Generator, Hydrogen Generation System and Hydrogen Supply System for Generator Cooling}

본 발명은 수소 발생 장치, 수소 발생 시스템 및 발전기 냉각용 수소 공급 시스템에 관한 것으로, 순수를 전기 분해해 수소 가스를 생성함으로써 안전하고, 발전기에 균일한 양의 수소 가스를 지속적으로 공급할 수 있는 수소 발생 장치, 수소 발생 시스템 및 발전기 냉각용 수소 공급 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen generation device, a hydrogen generation system, and a hydrogen supply system for cooling a generator. It generates hydrogen gas by electrolyzing pure water, thereby generating hydrogen that is safe and can continuously supply a uniform amount of hydrogen gas to the generator. It relates to devices, hydrogen generation systems and hydrogen supply systems for generator cooling.

일반적으로 대형 발전소의 경우에 발전기는 과열 방지를 위해 운전 중 냉각을 하며 이때 냉매제로 수소가 사용된다. 냉각효율을 증가시키기 위하여 수소는 발전기에 대기압 이상의 압력 예를 들면 2.0 - 5.0 bar로 공급된다. In general, in the case of large power plants, generators are cooled during operation to prevent overheating, and hydrogen is used as a refrigerant. To increase cooling efficiency, hydrogen is supplied to the generator at a pressure above atmospheric pressure, for example, 2.0 - 5.0 bar.

발전기에서는 일정량의 수소가 계속 누출되어 수소의 손실이 발생한다. 발전기의 효율적이고 안정적인 운전을 위해서는 손실되는 수소를 계속 보충해야 한다. 이를 위한 방법으로써, 수소 가스를 실린더를 이용하여 공급하거나 알카리(KOH; 수산화칼륨)를 전기분해하여 발생된 수소를 공급하는 방법이 알려져 있다. A certain amount of hydrogen continues to leak from the generator, resulting in hydrogen loss. For efficient and stable operation of the generator, lost hydrogen must be continuously replenished. As a method for this, a method of supplying hydrogen gas using a cylinder or supplying hydrogen generated by electrolyzing alkali (KOH; potassium hydroxide) is known.

그러나, 저장된 수소를 분배하고, 각각의 발전기에 공급하는 것은 폭발의 위험성이 항상 존재한다. 특히 저장 용기를 교체할 때나 저장 용기 취급 시 부주의한 행동은 매우 위험한 사고를 야기할 수 있다. However, there is always a risk of explosion when distributing stored hydrogen and supplying it to each generator. In particular, careless actions when replacing or handling storage containers can cause very dangerous accidents.

수소가스 저장 용기가 밀집된 저장소에 대기중 공기가 순환하는 자연 벤틸레이션 시스템이 적용될 수는 있으나, 저장 용기 교체, 저장 용기 취급시 수소가 점화될 수 있는 위험이 완전히 제거된 것은 아니다. Although a natural ventilation system that circulates atmospheric air can be applied to a storage container with dense hydrogen gas storage containers, the risk of hydrogen ignition when replacing or handling the storage container is not completely eliminated.

또한, 알카리(KOH; 수산화칼륨)를 전기분해하여 수소를 발생시킬 경우, 전기분해를 통해 발생된 수소를 정제한 후, 압축기를 사용해 발전기로 공급하게 된다. 그러나, 전기분해가 발생하는 전해셀, 정제된 수소를 가압하는 압축기에 문제가 발생하면, 알카리(KOH; 수산화칼륨)의 화학적 특성에 의해 전해셀 교체 작업, 압축기 교체 작업이 어렵고, 작업자가 다칠 우려가 높다. 또한, 압축기가 필수적이므로, 전력 소비가 높다.In addition, when hydrogen is generated by electrolyzing alkali (KOH; potassium hydroxide), the hydrogen generated through electrolysis is purified and then supplied to the generator using a compressor. However, if a problem occurs in the electrolytic cell where electrolysis occurs or the compressor that pressurizes purified hydrogen, it is difficult to replace the electrolytic cell and compressor due to the chemical characteristics of alkali (KOH; potassium hydroxide), and there is a risk of injury to workers. is high. Additionally, since the compressor is essential, power consumption is high.

대한민국 공개특허공보 제10-2018-0085672호(2018.07.27.)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2018-0085672 (2018.07.27.)

이에 상기와 같은 점을 감안해 발명된 본 발명의 목적은, 수소 가스 점화에 의한 폭발 위험성이 낮고, 별도의 전해질 용액 사용을 배제하고 물(순수)로부터 수소 가스를 지속적으로 생성해 낼 수 있으며, 균일한 양의 수소 가스를 지속적으로 발전기에 공급할 수 있는 수소 발생 장치, 수소 발생 시스템 및 발전기 냉각용 수소 공급 시스템을 제공하는 것이다.Accordingly, the purpose of the present invention, which was invented in consideration of the above points, is to reduce the risk of explosion due to hydrogen gas ignition, to continuously generate hydrogen gas from water (pure water) without using a separate electrolyte solution, and to provide uniformity. The aim is to provide a hydrogen generation device that can continuously supply a certain amount of hydrogen gas to a generator, a hydrogen generation system, and a hydrogen supply system for cooling the generator.

위와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 일실시예의 수소 발생 장치는, 수소이온이 수소 가스로 변환되는 음극과, 물이 수소이온, 산소 가스, 전하로 변환되는 양극과, 음극 및 양극 사이에 위치되고, 양극에서 발생된 수소 이온을 음극으로 전달하는 이온교환막과, 음극이 내장되도록 이온교환막 일면에 형성된 음극실과, 양극이 내장되도록 이온교환막 타면에 형성된 양극실과, 전하를 음극에 전달하거나, 전하를 양극으로부터 전달받도록 음극실 및 양극실 각각에 내장된 전류분배판을 포함한다. In order to achieve the above object, the hydrogen generating device of one embodiment of the present invention is located between the cathode where hydrogen ions are converted into hydrogen gas, the anode where water is converted into hydrogen ions, oxygen gas, and electric charge, and the cathode and the anode. An ion exchange membrane that transfers hydrogen ions generated from the anode to the cathode, a cathode chamber formed on one side of the ion exchange membrane to embed the cathode, and an anode chamber formed on the other side of the ion exchange membrane to embed the anode, and transfer charges to the cathode or It includes a current distribution plate built into each of the cathode and anode chambers to receive electricity from the anode.

또한, 음극실과 양극실은, 이온교환막의 일면 및 타면 각각에 마주보도록 위치되고, 상면과 하면이 개구된 박스 형태의 프레임과, 음극실과 양극실을 밀폐하도록 개구된 프레임의 일면을 덮는 분리판과, 음극실 및 양극실에 존재하는 물, 가스의 누출을 방지하도록 프레임과 분리판 사이에 장착된 패킹을 포함하며, 프레임 및 패킹에는, 음극실에 존재하는 물, 수소 가스를 배출하거나, 양극실에 존재하는 물, 산소 가스를 배출할 수 있도록 홀이 형성될 수 있다.In addition, the cathode chamber and the anode chamber are positioned to face each of one side and the other side of the ion exchange membrane, a box-shaped frame with openings on the upper and lower sides, and a separator plate covering one side of the frame that is open to seal the cathode chamber and the anode chamber; It includes packing installed between the frame and the separator plate to prevent leakage of water and gas present in the cathode and anode chambers, and the frame and packing are used to discharge water and hydrogen gas present in the cathode chamber or to the anode chamber. Holes may be formed to allow the existing water and oxygen gas to escape.

또한, 음극실은, 음극실 내부에 위치된 전류분배판을 고정하는 압력패드를 더 포함할 수 있다.Additionally, the cathode chamber may further include a pressure pad that secures the current distribution plate located inside the cathode chamber.

또한, 이온교환막의 넓이는 전류분배판의 넓이보다 크고, 전류분배판의 넓이는 음극 및 양극의 넓이보다 클 수 있다.Additionally, the area of the ion exchange membrane may be larger than the area of the current distribution plate, and the area of the current distribution plate may be larger than the areas of the cathode and anode.

또한, 음극실에 내장된 전류분배판과, 양극실에 내장된 전류분배판은, 음극실 및 양극실 밖에서 서로 연결될 수 있다.Additionally, the current distribution plate built in the cathode chamber and the current distribution plate built in the anode chamber may be connected to each other outside the cathode chamber and the anode chamber.

또한, 음극실에 내장된 전류분배판과, 양극실에 내장된 전류분배판은, 외부 전원 장치와 개별적으로 연결될 수 있다.Additionally, the current distribution plate built into the cathode chamber and the current distribution plate built into the anode chamber can be individually connected to an external power supply.

위와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 일실시예의 수소 발생 시스템은, 수소 발생 장치를 포함하는 수소 발생 시스템에 있어서, 양극실로 물을 공급하고, 양극실로부터 물, 산소 가스를 회수하는 제1 저장조와, 음극실로부터 물, 수소 가스를 회수하는 제2 저장조와, 제2 저장조에 포집된 수소 가스로부터 수분을 증발시키는 가스정제기를 더 포함한다.In order to achieve the above object, the hydrogen generation system of one embodiment of the present invention includes a hydrogen generation device, a first storage tank that supplies water to the anode chamber and recovers water and oxygen gas from the anode chamber. It further includes a second storage tank that recovers water and hydrogen gas from the cathode chamber, and a gas purifier that evaporates moisture from the hydrogen gas collected in the second storage tank.

또한, 제1 저장조로 물을 공급하는 제1 배관과, 물을 공급하도록 제1 저장조와 양극실을 연결하는 제2 배관과, 물, 산소 가스를 회수하도록 제1 저장조와 양극실을 연결하는 제3 배관과, 물, 수소 가스를 회수하도록 제2 저장조와 음극실을 연결하는 제4 배관과, 제2 저장조에 존재하는 물을 양극실에 공급하도록 제2 저장조와 상기 제2 배관을 연결하는 제5 배관과, 제2 저장조에 포집된 수소 가스를 가스정제기에 공급하도록 제2 저장조와 가스정제기를 연결하는 제6 배관과, 가스정제기로부터 수분이 제거된 수소 가스를 외부장치로 전달하도록 가스정제기에 연결된 제7 배관과, 제1 저장조에 포집된 산소 가스를 외부장치로 전달하도록 제1 저장조에 연결된 제8 배관을 더 포함할 수 있다.In addition, a first pipe that supplies water to the first storage tank, a second pipe that connects the first storage tank and the anode chamber to supply water, and a second pipe that connects the first storage tank and the anode chamber to recover water and oxygen gas. 3 pipes, a fourth pipe connecting the second storage tank and the cathode chamber to recover water and hydrogen gas, and a fourth pipe connecting the second storage tank and the second pipe to supply water present in the second storage tank to the anode chamber. 5 pipe, a 6th pipe connecting the second storage tank and the gas purifier to supply the hydrogen gas collected in the second storage tank to the gas purifier, and a 6th pipe connecting the gas purifier to the gas purifier to deliver the hydrogen gas from which moisture has been removed from the gas purifier to an external device. It may further include a seventh pipe connected to the first storage tank and an eighth pipe connected to the first storage tank to transfer the oxygen gas collected in the first storage tank to an external device.

위와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 일실시예의 발전기 냉각용 수소 공급 시스템은, 수소 발생 장치를 포함하는 발전기 냉각용 수소 공급 시스템에 있어서, 음극실과 발전기 냉각 라인을 연결하는 냉매 공급라인과, 음극실에서 발생된 수소 가스가 적정유량을 유지하면서 냉매 공급라인에 유입되도록 냉매 공급라인 전단에 구비된 전단압력조절기와, 냉매 공급라인에 흐르는 수소 가스가 적정유량을 유지하면서 냉각 라인에 유입되도록 냉매 공급라인 후단에 구비된 후단압력조절기와, 전단압력조절기와 후단압력조절기 사이에 위치하도록 냉매 공급라인에 장착된 쓰리웨이밸브를 더 포함한다.In order to achieve the above object, the hydrogen supply system for generator cooling of an embodiment of the present invention includes a hydrogen generator, a refrigerant supply line connecting the cathode chamber and the generator cooling line, and a cathode. A front-end pressure regulator provided at the front of the refrigerant supply line so that hydrogen gas generated in the room flows into the refrigerant supply line while maintaining an appropriate flow rate, and a refrigerant supply so that hydrogen gas flowing in the refrigerant supply line flows into the cooling line while maintaining an appropriate flow rate. It further includes a rear-end pressure regulator provided at the rear end of the line, and a three-way valve mounted on the refrigerant supply line to be positioned between the front-end pressure regulator and the rear-end pressure regulator.

또한, 후단압력조절기는, 냉매 공급라인을 통해 후단압력조절기에 도달한 수소 가스의 양이 적정치를 초과할 경우, 후단압력조절기에 도달한 수소 가스 중 일부를 대기중으로 배출할 수 있다.Additionally, the downstream pressure regulator may discharge some of the hydrogen gas that has reached the downstream pressure regulator into the atmosphere when the amount of hydrogen gas that has reached the downstream pressure regulator through the refrigerant supply line exceeds an appropriate value.

또한, 쓰리웨이밸브는, 냉매 공급라인에 유동하는 수소 가스의 양이 적정치를 초과할 경우, 쓰리웨이밸브에 도달한 수소 가스 중 일부를 대기중으로 배출할 수 있다.Additionally, the three-way valve can discharge some of the hydrogen gas that has reached the three-way valve into the atmosphere when the amount of hydrogen gas flowing in the refrigerant supply line exceeds the appropriate value.

또한, 전단압력조절기의 전단과 후단에 각각 압력센서가 위치되고, 전단압력조절기와 쓰리웨이밸브 사이에 유량계가 위치되고, 후단압력조절기와 냉각 라인 사이에 유량계 및 압력센서가 위치될 수 있다.In addition, pressure sensors may be located at the front and rear of the front-end pressure regulator, a flow meter may be located between the front-end pressure regulator and the three-way valve, and a flow meter and pressure sensor may be located between the rear-end pressure regulator and the cooling line.

위와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예의 수소 발생 장치, 수소 발생 시스템 및 발전기 냉각용 수소 공급 시스템에 따르면, 물(순수)을 전기 분해함으로써, 수소 가스를 생성하게 되므로, 수소 발생 장치(전해셀)에 문제가 발생할 경우, 수소 발생 장치의 교체 및 정비가 손쉽고, 전단압력조절기 및 후단압력조절기를 통해 적정량의 수소 가스를 발전기에 지속적으로 공급할 수 있다. 특히, 쓰리웨이밸브에 의해서 수소 가스가 적정치를 초과해 누출될 가능성이 있을 때, 수소 가스를 대기 중으로 배출하므로, 수소 가스 점화에 의한 폭발 사고가 방지된다.According to the hydrogen generation device, hydrogen generation system, and hydrogen supply system for generator cooling of an embodiment of the present invention configured as above, hydrogen gas is generated by electrolyzing water (pure water), so the hydrogen generation device (electrolytic cell) If a problem occurs, the hydrogen generating device is easy to replace and maintain, and an appropriate amount of hydrogen gas can be continuously supplied to the generator through the front-end pressure regulator and back-end pressure regulator. In particular, when there is a possibility of hydrogen gas leaking beyond the appropriate level due to the three-way valve, hydrogen gas is discharged into the atmosphere, thereby preventing explosions due to hydrogen gas ignition.

도 1은 본 발명의 일실시예의 수소 발생 장치의 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예의 수소 발생 시스템의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 발전기 냉각용 수소 공급 시스템의 예시도이다.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 일실시예의 발전기 냉각용 수소 공급 시스템의 수소 공급유량과 수소 공급압력의 조정능력을 보여주는 그래프이다.
1 is an exemplary diagram of a hydrogen generating device according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is an exemplary diagram of a hydrogen generation system according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is an exemplary diagram of a hydrogen supply system for cooling a generator according to an embodiment of the present invention.
4 to 5 are graphs showing the ability to adjust the hydrogen supply flow rate and hydrogen supply pressure of the hydrogen supply system for cooling a generator according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 일실시예의 수소 발생 장치(1000), 수소 발생 시스템(2000) 및 발전기 냉각용 수소 공급 시스템(3000)을 설명한다.Hereinafter, the hydrogen generation device 1000, the hydrogen generation system 2000, and the hydrogen supply system 3000 for cooling a generator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the attached drawings.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 수소 발생 장치(1000)는, 통전시에 수소이온이 수소 가스로 변환되는 음극(1100)과, 통전시에 물이 수소이온, 산소 가스, 전하로 변환되는 양극(1200)과, 음극(1100) 및 양극(1200) 사이에 위치되고, 양극(1200)에서 발생된 수소 이온을 음극(1100)으로 전달하는 이온교환막(1300)과, 음극(1100)이 내장되도록 이온교환막(1300) 일면에 형성된 음극실(1400)과, 양극(1200)이 내장되도록 이온교환막(1300) 타면에 형성된 양극실(1500)과, 전하를 음극(1100)에 전달하거나, 전하를 양극(1200)으로부터 전달받도록 음극실(1400) 및 양극실(1500) 각각에 내장된 전류분배판(1600)을 포함한다.As shown in FIG. 1, the hydrogen generator 1000 of an embodiment of the present invention includes a cathode 1100 in which hydrogen ions are converted into hydrogen gas when energized, and water is converted into hydrogen ions, oxygen gas, and hydrogen ions when energized. An anode 1200 that is converted into electric charge, an ion exchange membrane 1300 located between the cathode 1100 and the anode 1200, and which transfers hydrogen ions generated in the anode 1200 to the cathode 1100, and a cathode ( A cathode chamber 1400 formed on one side of the ion exchange membrane 1300 to embed the anode 1100, an anode chamber 1500 formed on the other side of the ion exchange membrane 1300 to embed the anode 1200, and transfer charge to the cathode 1100. Alternatively, it includes a current distribution plate 1600 built into each of the cathode chamber 1400 and the anode chamber 1500 to receive charge from the anode 1200.

음극실(1400)과 양극실(1500)은, 이온교환막(1300)의 일면 및 타면 각각에 마주보도록 위치되고, 상면과 하면이 개구된 박스 형태의 프레임(1410)과, 음극실(1400)과 양극실(1500)을 밀폐하도록 개구된 프레임(1410)의 일면을 덮는 분리판(1420)과, 음극실(1400) 및 양극실(1500)에 존재하는 물, 가스의 누출을 방지하도록 프레임(1410)과 분리판(1420) 사이에 장착된 패킹(1430)을 포함한다. 음극실(1400)은, 음극실(1400) 내부에 위치된 전류분배판(1600)을 고정하는 압력패드(1440)를 포함한다. 프레임(1410) 및 패킹(1430)에는, 음극실(1400)에 존재하는 물, 수소 가스를 배출하거나, 양극실(1500)에 존재하는 물, 산소 가스를 배출할 수 있도록 홀이 형성된다.The cathode chamber 1400 and the anode chamber 1500 are positioned to face each of one side and the other side of the ion exchange membrane 1300, and include a box-shaped frame 1410 with open upper and lower surfaces, the cathode chamber 1400, and A separator plate 1420 covers one side of the frame 1410 that is opened to seal the anode chamber 1500, and a frame 1410 is formed to prevent leakage of water and gas present in the cathode chamber 1400 and the anode chamber 1500. ) and a packing 1430 mounted between the separation plate 1420. The cathode chamber 1400 includes a pressure pad 1440 that secures the current distribution plate 1600 located inside the cathode chamber 1400. Holes are formed in the frame 1410 and the packing 1430 to discharge water and hydrogen gas present in the cathode chamber 1400 or to discharge water and oxygen gas present in the anode chamber 1500.

이온교환막(1300)의 넓이는 전류분배판(1600)의 넓이보다 크고, 전류분배판(1600)의 넓이는 음극(1100) 및 양극(1200)의 넓이보다 크게 형성된다. 음극실(1400)에 내장된 전류분배판(1600)과, 양극실(1500)에 내장된 전류분배판(1600)은, 음극실(1400) 및 상기 양극실(1500) 밖에서 서로 연결된다. 이와 달리, 음극실(1400)에 내장된 전류분배판(1600)과, 양극실(1500)에 내장된 전류분배판(1600)은, 외부 전원 장치와 개별적으로 연결될 수도 있다.The area of the ion exchange membrane 1300 is larger than the area of the current distribution plate 1600, and the area of the current distribution plate 1600 is larger than the areas of the cathode 1100 and the anode 1200. The current distribution plate 1600 built in the cathode chamber 1400 and the current distribution plate 1600 built in the anode chamber 1500 are connected to each other outside the cathode chamber 1400 and the anode chamber 1500. Alternatively, the current distribution plate 1600 built into the cathode chamber 1400 and the current distribution plate 1600 built into the anode chamber 1500 may be individually connected to an external power supply.

본 발명의 수소 발생 장치(1000)는 순수를 전기화학적으로 분해하는 고분자 고체 전해질 전해셀이며, 수소이온 교환막을 포함하는 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)이다.The hydrogen generation device 1000 of the present invention is a polymer solid electrolyte electrolyte cell that electrochemically decomposes pure water, and is a membrane electrode assembly (MEA) including a hydrogen ion exchange membrane.

물(H2O)은 산소극인 양극(1200)으로 공급되어 산소가스(O2), 전자(e-) 및 수소이온(H+)으로 분해된다. 물(H2O)의 일부는 산소가스(O2)와 함께 양극실(1500)의 외부로 유출된다. 분해된 수소이온(H+)은 이온교환막(1300)을 통과해 수소극인 음극(1100)으로 이동한다. Water (H2O) is supplied to the anode 1200, which is an oxygen electrode, and is decomposed into oxygen gas (O2), electrons (e-), and hydrogen ions (H+). Some of the water (H2O) flows out of the anode chamber 1500 along with oxygen gas (O2). The decomposed hydrogen ions (H+) pass through the ion exchange membrane 1300 and move to the cathode 1100, which is the hydrogen electrode.

양극(1200)과 음극(1100)은 전류분배판(1600)에 의해 통전되도록 연결되며, 전류분배판(1600)을 따라 이동한 전자(e-)와 반응하여 음극(1100) 표면에서 수소가스(H2)가 된다. 수소 가스(H2) 및 수소이온(H+)과 동반하여 물(H2O)은 이온교환막(1300)을 통과한다. 이 때, 양극(1200)과 음극(1100)에서 각각 일어나는 전기화학적 반응을 표현하면 화학식 1, 2와 같다.The anode 1200 and the cathode 1100 are connected to conduct electricity by the current distribution plate 1600, and react with electrons (e-) moving along the current distribution plate 1600 to generate hydrogen gas ( H2). Water (H2O), accompanied by hydrogen gas (H2) and hydrogen ions (H+), passes through the ion exchange membrane 1300. At this time, the electrochemical reactions occurring at the anode 1200 and the cathode 1100, respectively, are expressed as Chemical Formulas 1 and 2.

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Figure 112019047972014-pat00002
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물을 전기분해하기 위해 전류분배판(1600)에는 약 0.05A/cm2 - 4.3A/cm2의 전류밀도와 약 1.48 volts - 3.0 volts의 전압이 인가된다. To electrolyze water, a current density of approximately 0.05 A/cm2 - 4.3 A/cm2 and a voltage of approximately 1.48 volts - 3.0 volts are applied to the current distribution plate (1600).

양극(1200) 및 음극(1100)의 사이에 위치하는 이온교환막(1300)의 길이는 양극(1200) 및 음극(1100)의 길이보다 길게 형성되고, 이온교환막(1300)에서 양극(1200) 및 음극(1100)과 면접되지 않는 좌우 양단에는 프레임(1410)이 위치된다. The length of the ion exchange membrane 1300 located between the anode 1200 and the cathode 1100 is formed to be longer than the length of the anode 1200 and the cathode 1100, and the anode 1200 and the cathode are formed in the ion exchange membrane 1300. A frame 1410 is located at both left and right ends that are not interviewed with 1100.

프레임(1410)에 의해 음극실(1400), 양극실(1500)의 내부와 외부가 구분된다. 프레임(1410)과 상하 양쪽 끝단에 위치한 분리판(1420)과의 사이에 패킹(1430)이 장작됨으로서 양극실(1500)과 음극실(1400)이 폐쇄된다.The inside and outside of the cathode chamber 1400 and the anode chamber 1500 are separated by the frame 1410. The anode chamber 1500 and the cathode chamber 1400 are closed by packing 1430 between the frame 1410 and the separation plates 1420 located at both upper and lower ends.

음극실(1400)과 양극실(1500)에는 항상 물이 존재한다. 전류분배판(1600)은 음극(1100), 양극(1200), 분리막과 균일한 거리를 유지한다. 전류분배판(1600)은 음극(1100)과 양극(1200) 사이에서 전하가 이동하는 통로가 된다. Water always exists in the cathode chamber 1400 and the anode chamber 1500. The current distribution plate 1600 maintains a uniform distance from the cathode 1100, the anode 1200, and the separator. The current distribution plate 1600 serves as a path through which charges move between the cathode 1100 and the anode 1200.

음극실(1400)의 전류분배판(1600)과 분리판(1420) 사이에 압력패드(1440)가 위치된다. 압력패드(1440)는 이온교환막(1300)을 통과해 양극실(1500)에서 음극실(1400)로 이동한 물, 음극(1100)에서 발생된 수소 가스에 의해서 전류분배판(1600)이 원래 위치에서 벗어나 분리판(1420)에 더 가깝게 치우치는 것을 방지한다.A pressure pad 1440 is located between the current distribution plate 1600 and the separator plate 1420 of the cathode chamber 1400. The pressure pad 1440 moves the current distribution plate 1600 to its original position by water moving from the anode chamber 1500 to the cathode chamber 1400 through the ion exchange membrane 1300 and hydrogen gas generated in the cathode 1100. prevents it from deviating closer to the separator plate 1420.

위와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예의 수소 발생 장치(1000)에 따르면, 물(순수)을 전기 분해해 수소 가스를 지속적으로 생성할 수 있으므로, 문제 발생시, 교체 및 정비가 간편하고, 작업자가 전해질 용액에 노출되 다칠 염려가 없다.According to the hydrogen generation device 1000 of an embodiment of the present invention configured as above, hydrogen gas can be continuously generated by electrolyzing water (pure water), so replacement and maintenance are easy when a problem occurs, and the operator There is no risk of injury from exposure to the solution.

MEA 형태로 제작된 양극(1200)과 음극(1100)의 간격은 매우 작기 때문에 기포가 존재하지 않아 저전압, 고전류의 운전이 가능하다. 또한 전해액이 가지는 전도성을 이용하지 않기 때문에 원료인 물을 고순도로 사용가능하고, 이에 고순도의 수소와 산소를 얻을 수 있는 장점이 있다.Since the gap between the anode 1200 and the cathode 1100 manufactured in the form of MEA is very small, there are no bubbles, making operation at low voltage and high current possible. In addition, because the conductivity of the electrolyte is not used, water, which is a raw material, can be used at high purity, and thus high purity hydrogen and oxygen can be obtained.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 수소 발생 시스템(2000)은, 위 기재한 본 발명의 수소 발생 장치(1000)와, 양극실(1500)로 물을 공급하고, 양극실(1500)로부터 물, 산소 가스를 회수하는 제1 저장조(2100)와, 음극실(1400)로부터 물, 수소 가스를 회수하는 제2 저장조(2200)와, 제2 저장조(2200)에 포집된 수소 가스로부터 수분을 증발시키는 가스정제기(2300)를 포함한다.As shown in Figure 2, the hydrogen generation system 2000 of one embodiment of the present invention supplies water to the hydrogen generating device 1000 of the present invention described above and the anode chamber 1500, and the anode chamber ( A first storage tank 2100 for recovering water and oxygen gas from the cathode chamber 1500), a second storage tank 2200 for recovering water and hydrogen gas from the cathode chamber 1400, and hydrogen gas collected in the second storage tank 2200. It includes a gas purifier (2300) that evaporates moisture from the gas.

본 발명의 일실시예의 수소 발생 시스템(2000)은, 제1 저장조(2100)로 물을 공급하는 제1 배관(2410)과, 물을 공급하도록 제1 저장조(2100)와 양극실(1500)을 연결하는 제2 배관(2420)과, 물, 산소 가스를 회수하도록 제1 저장조(2100)와 양극실(1500)을 연결하는 제3 배관(2430)과, 물, 수소 가스를 회수하도록 제2 저장조(2200)와 음극실(1400)을 연결하는 제4 배관(2440)과, 제2 저장조(2200)에 존재하는 물을 양극실(1500)에 공급하도록 제2 저장조(2200)와 제2 배관(2420)을 연결하는 제5 배관(2450)과, 제2 저장조(2200)에 포집된 수소 가스를 가스정제기(2300)에 공급하도록 제2 저장조(2200)와 가스정제기(2300)를 연결하는 제6 배관(2460)과, 가스정제기(2300)로부터 수분이 제거된 수소 가스를 외부장치로 전달하도록 가스정제기(2300)에 연결된 제7 배관(2470)과, 제1 저장조(2100)에 포집된 산소 가스를 외부장치로 전달하도록 제1 저장조(2100)에 연결된 제8 배관(2480)을 더 포함한다.The hydrogen generation system 2000 of an embodiment of the present invention includes a first pipe 2410 for supplying water to the first storage tank 2100, and a first storage tank 2100 and an anode chamber 1500 to supply water. A second pipe 2420 connecting the first storage tank 2100 and the anode chamber 1500 to recover water and oxygen gas, a third pipe 2430 connecting the anode chamber 1500, and a second storage tank to recover water and hydrogen gas A fourth pipe 2440 connecting the 2200 and the cathode chamber 1400, and a second storage tank 2200 and a second pipe ( A fifth pipe 2450 connecting the second storage tank 2200) and a sixth pipe connecting the second storage tank 2200 and the gas purifier 2300 to supply the hydrogen gas collected in the second storage tank 2200 to the gas purifier 2300. The pipe 2460, the seventh pipe 2470 connected to the gas purifier 2300 to transfer the hydrogen gas from which moisture has been removed from the gas purifier 2300 to an external device, and the oxygen gas collected in the first storage tank 2100 It further includes an eighth pipe (2480) connected to the first storage tank (2100) to transmit it to an external device.

원료인 물은 1Mega ohm cm 이상의 순수를 사용하며 순수의 공급은 제1 배관(2410) 중에 설치된 자동밸브(2411)의 조절에 의하여 공급된다. 자동밸브(2411_의 작동은 산소-물을 분리하는 동시에 물을 저장하는 제1 저장조(2100)에 위치하는 수위 감지용 레벨센서(2110)에 의해 제어된다. Pure water of 1 Mega ohm cm or higher is used as the raw material, and pure water is supplied by controlling the automatic valve (2411) installed in the first pipe (2410). The operation of the automatic valve 2411_ is controlled by the level sensor 2110 for detecting the water level located in the first storage tank 2100 that separates oxygen and water and simultaneously stores water.

제1 저장조(2100)의 물은 제2 배관(2420) 중에 설치된 순환 펌프(2421)를 거치며, 양극실(1500)로 유입된다. 제2 배관(2420)에는 열교환기(2422), 수질감지 센서(2423), 이온교환필터(2424)가 설치된다.Water in the first storage tank 2100 passes through the circulation pump 2421 installed in the second pipe 2420 and flows into the anode chamber 1500. A heat exchanger 2422, a water quality detection sensor 2423, and an ion exchange filter 2424 are installed in the second pipe 2420.

양극실(1500)에 존재하는 산소 가스와 물은 제3 배관(2430)을 통해 제1 저장조(2100)로 이동된다. 제3배관에는 양극실(1500)에서 배출되는 물의 온도를 감시하는 온도센서(2431)가 설치된다.The oxygen gas and water present in the anode chamber 1500 are moved to the first storage tank 2100 through the third pipe 2430. A temperature sensor 2431 is installed in the third pipe to monitor the temperature of water discharged from the anode chamber 1500.

양극실(1500)에서 제1 저장조(2100)로 이동한 산소 가스는 제8 배관(2480)을 통해 외부 장치 또는 외부로 배출되며, 양극실(1500)에서 제1 저장조(2100)로 이동한 물은 양극실(1500)로 재순환된다. The oxygen gas that moved from the anode chamber (1500) to the first storage tank (2100) is discharged to an external device or outside through the eighth pipe (2480), and the water that moved from the anode chamber (1500) to the first storage tank (2100) is recycled to the anode chamber 1500.

그리고 음극실(1400)과 제2 저장조(2200)는 제4 배관(2440)을 통해 연결된다. 음극실(1400)에서 발생한 수소 가스는 이온교환막(1300)을 통해 양극실(1500)에서 음극실(1400)로 이동한 물과 함께 제4 배관(2440)을 통해 제2 저장소로 이동된다. 제2 저장소에서 수소 가스와 물이 분리된다. And the cathode chamber 1400 and the second storage tank 2200 are connected through a fourth pipe 2440. Hydrogen gas generated in the cathode chamber 1400 is moved to the second reservoir through the fourth pipe 2440 along with water moved from the anode chamber 1500 to the cathode chamber 1400 through the ion exchange membrane 1300. Hydrogen gas and water are separated in the second reservoir.

제2 저장조(2200)는 제5 배관(2450)을 통해 제2 배관(2420)과 연결된다. 제2 저장조(2200)에서 수소 가스와 분리된 물은, 양극실(1500)에 재순환되도록 제5 배관(2450)을 통해 제2 배관(2420)으로 이동된다.The second storage tank 2200 is connected to the second pipe 2420 through a fifth pipe 2450. The water separated from the hydrogen gas in the second storage tank 2200 is moved to the second pipe 2420 through the fifth pipe 2450 to be recirculated to the anode chamber 1500.

일예에 따르면, 제2 저장조(2200)에는 수위 감지용 레벨센서(2210)가 구비된다. 수위 감지용 레벨센서(2210)에서 발생된 신호에 따라 제2 저장조(2200)의 수위가 조절된다. 만약, 제2 저장조(2200)의 수위가 일정 변위 이상이면 제5 배관(2450)에 구비된 자동밸브(2451)를 오픈하여 제2 저장조(2200) 내의 물을 제2 배관(2420)으로 공급하게 된다.According to one example, the second storage tank 2200 is provided with a level sensor 2210 for detecting the water level. The water level of the second storage tank 2200 is adjusted according to the signal generated from the level sensor 2210 for water level detection. If the water level in the second storage tank 2200 is above a certain displacement, the automatic valve 2451 provided in the fifth pipe 2450 is opened to supply water in the second storage tank 2200 to the second pipe 2420. do.

한편, 제2 저장조(2200)에서 물과 분리된 수소 가스는 제6 배관(2460)을 통해서 가스정제기(2300)로 공급된다. 가스정제기(2300)에서 수소 가스 중에 함유된 수분이 제거된다. 가스정제기(2300)는 흡습제를 충진한 베드가 적용될 수 있다. 수분은 대기로 배출된다.Meanwhile, hydrogen gas separated from water in the second storage tank 2200 is supplied to the gas purifier 2300 through the sixth pipe 2460. In the gas purifier 2300, moisture contained in hydrogen gas is removed. The gas purifier 2300 may be equipped with a bed filled with a moisture absorbent. Moisture is released into the atmosphere.

가스정제기(2300)를 거친 고순도의 수소 가스는 제7 배관(2470)을 통해 수소 가스를 필요로 하는 발전기에 공급된다. 이때, 제7 배관(2470)에는 가스정제기(2300)에서 발전기로 공급되는 수소 가스의 압력을 조절하는 압력조절밸브(2471)가 구비된다. 압력조절밸브(2471)의 전단과 후단에는 압력을 측정하는 압력센서(2472)가 구비된다. 압력조절밸브(2471) 일측에는 수소 가스의 흐름 방향을 일정 하게 유지하는 체크밸브(2473)가 구비된다. High-purity hydrogen gas that has passed through the gas purifier 2300 is supplied to a generator requiring hydrogen gas through the seventh pipe 2470. At this time, the seventh pipe 2470 is provided with a pressure control valve 2471 that regulates the pressure of hydrogen gas supplied from the gas purifier 2300 to the generator. A pressure sensor 2472 that measures pressure is provided at the front and rear ends of the pressure control valve 2471. A check valve 2473 is provided on one side of the pressure control valve 2471 to keep the flow direction of hydrogen gas constant.

위와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예의 수소 발생 시스템(2000)에 의하면, 물(순수)를 전기 분해해 수소 가스를 생성할 수 있고, 전기 분해시 발생된 산소 가스와 수소 가스를 수소 발생 장치(1000)로부터 제1 저장조(2100) 또는 제2 저장조(2200)로 적절히 이동시킬 수 있다. 따라서, 지속적으로 수소 가스 발생이 가능하며, 제2 저장조(2200)로부터 배출되는 가스의 양을 일정하게 조절할 경우, 균일한 양의 수소 가스를 발전기에 공급할 수 있다.According to the hydrogen generation system 2000 of an embodiment of the present invention configured as above, hydrogen gas can be generated by electrolyzing water (pure water), and the oxygen gas and hydrogen gas generated during electrolysis can be converted into hydrogen gas through a hydrogen generating device ( 1000) can be appropriately moved to the first storage tank 2100 or the second storage tank 2200. Therefore, it is possible to continuously generate hydrogen gas, and when the amount of gas discharged from the second storage tank 2200 is controlled to be constant, a uniform amount of hydrogen gas can be supplied to the generator.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 발전기 냉각용 수소 공급 시스템(3000)은, 위 기재한 본 발명의 수소 발생 시스템(2000)과, 음극실(1400)과 발전기 냉각 라인을 연결하는 냉매 공급라인(3100)과, 음극실(1400)에서 발생된 수소 가스가 적정유량을 유지하면서 냉매 공급라인(3100)에 유입되도록 냉매 공급라인(3100) 전단에 구비된 전단압력조절기(3200)와, 냉매 공급라인(3100)에 흐르는 수소 가스가 적정유량을 유지하면서 냉각 라인에 유입되도록 냉매 공급라인(3100) 후단에 구비된 후단압력조절기(3300)와, 전단압력조절기(3200)와 후단압력조절기(3300) 사이에 위치하도록 냉매 공급라인(3100)에 장착된 쓰리웨이밸브(3400)를 포함한다.As shown in FIG. 3, the hydrogen supply system 3000 for generator cooling of an embodiment of the present invention connects the hydrogen generation system 2000 of the present invention described above, the cathode chamber 1400, and the generator cooling line. A refrigerant supply line 3100 and a front-end pressure regulator 3200 provided at the front of the refrigerant supply line 3100 to allow hydrogen gas generated in the cathode chamber 1400 to flow into the refrigerant supply line 3100 while maintaining an appropriate flow rate. and a rear-end pressure regulator 3300, a front-end pressure regulator 3200, and a rear-end pressure regulator provided at the rear of the refrigerant supply line 3100 so that the hydrogen gas flowing in the refrigerant supply line 3100 flows into the cooling line while maintaining an appropriate flow rate. It includes a three-way valve 3400 mounted on the refrigerant supply line 3100 to be located between the regulators 3300.

전단압력조절기(3200)의 전단과 후단에 각각 압력센서(3210)가 위치되고, 전단압력조절기(3200)와 쓰리웨이밸브(3400) 사이에 유량계(3220)가 위치되고, 후단압력조절기(3300)와 냉각 라인 사이에 유량계(3310) 및 압력센서(3320)가 위치된다.A pressure sensor 3210 is located at the front and rear of the front-end pressure regulator 3200, a flow meter 3220 is located between the front-end pressure regulator 3200 and the three-way valve 3400, and the rear-end pressure regulator 3300 A flow meter 3310 and a pressure sensor 3320 are located between the and cooling lines.

전단압력조절기(3200)는, 가스정제기(2300)에서 정제되고 전단압력조절기(3200)에 도달한 수소 가스에 의해 전단압력조절기(3200)에 가해지는 압력이 임계치 이상일 때 열리도록 작동한다. 이에 따라, 냉매 공급라인(3100)에는 균일한 양의 수소 가스가 유입된다. 전단압력조절기(3200) 전후단의 압력센서(3210)에서 측정된 신호에 따라 전단압력조절기(3200) 작동 타이밍을 조절함으로써, 전단압력조절기(3200) 전단과 후단의 압력차에 의한 수소 가스 역이동을 방지한다.The shear pressure regulator 3200 operates to open when the pressure applied to the shear pressure regulator 3200 by hydrogen gas that has been purified in the gas purifier 2300 and reached the shear pressure regulator 3200 is above a threshold. Accordingly, a uniform amount of hydrogen gas flows into the refrigerant supply line 3100. By adjusting the operation timing of the front-end pressure regulator (3200) according to the signal measured from the pressure sensor (3210) at the front and back of the front-end pressure regulator (3200), hydrogen gas reversely moves due to the pressure difference between the front and rear ends of the front-end pressure regulator (3200). prevent.

후단압력조절기(3300)는 후단압력조절기(3300)를 통과해 냉각 라인으로 유입되는 수소 가스의 압력을 일정하게 유지시킨다. 후단압력조절기(3300)에 의해 냉각 라인으로 유입되는 수소 가스의 압력이 일정하게 유지되므로, 수소 가스이 유량도 일정하게 유지된다.The back-end pressure regulator 3300 maintains the pressure of hydrogen gas passing through the back-end pressure regulator 3300 and flowing into the cooling line constant. Since the pressure of hydrogen gas flowing into the cooling line is maintained constant by the rear-end pressure regulator 3300, the hydrogen gas flow rate is also maintained constant.

후단압력조절기(3300)는, 냉매 공급라인(3100)을 통해 후단압력조절기(3300)에 도달한 수소 가스의 양이 적정치를 초과할 경우, 후단압력조절기(3300)에 도달한 수소 가스 중 일부를 대기중으로 배출한다.When the amount of hydrogen gas reaching the rear-end pressure regulator 3300 through the refrigerant supply line 3100 exceeds the appropriate value, the rear-end pressure regulator 3300 controls some of the hydrogen gas reaching the rear-end pressure regulator 3300. is released into the atmosphere.

쓰리웨이밸브(3400)는, 냉매 공급라인(3100)에 유동하는 수소 가스의 양이 적정치를 초과할 경우, 쓰리웨이밸브(3400)에 도달한 수소 가스 중 일부를 대기중으로 배출한다.When the amount of hydrogen gas flowing in the refrigerant supply line 3100 exceeds the appropriate value, the three-way valve 3400 discharges some of the hydrogen gas that has reached the three-way valve 3400 into the atmosphere.

위와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예의 발전기 냉각용 수소 공급 시스템(3000)에 따르면, 물(순수)을 전기 분해함으로써, 수소 가스를 생성하게 되므로, 수소 발생 장치(1000)(전해셀)에 문제가 발생할 경우, 수소 발생 장치(1000)의 교체 및 정비가 손쉽고, 전단압력조절기(3200) 및 후단압력조절기(3300)를 통해 적정량의 수소 가스를 발전기에 지속적으로 공급할 수 있다. 특히, 쓰리웨이밸브(3400)에 의해서 수소 가스가 적정치를 초과해 누출될 가능성이 있을 때, 수소 가스를 대기 중으로 배출하므로, 수소 가스 점화에 의한 폭발 사고가 방지된다.According to the hydrogen supply system 3000 for cooling a generator according to an embodiment of the present invention configured as above, hydrogen gas is generated by electrolyzing water (pure water), so there is a problem in the hydrogen generating device 1000 (electrolytic cell). When this occurs, replacement and maintenance of the hydrogen generation device 1000 is easy, and an appropriate amount of hydrogen gas can be continuously supplied to the generator through the front-end pressure regulator 3200 and the back-end pressure regulator 3300. In particular, when there is a possibility of hydrogen gas leaking beyond the appropriate value due to the three-way valve 3400, hydrogen gas is discharged into the atmosphere, thereby preventing an explosion due to hydrogen gas ignition.

도 4 내지 도 5는 본 발명의 일실시예의 발전기 냉각용 수소 공급 시스템(3000)의 수소 공급유량과 수소 공급압력의 조정능력을 보여주는 그래프이다. 4 to 5 are graphs showing the ability to adjust the hydrogen supply flow rate and hydrogen supply pressure of the hydrogen supply system 3000 for cooling a generator according to an embodiment of the present invention.

도 4의 그래프는, 본 발명의 일실시예의 발전기 냉각용 수소 공급 시스템(3000)을 정압시험용 가스 용기와 연결하고 가스 용기 내 수소 압력 조절이 가능한지 확인한 결과이다.The graph in FIG. 4 is the result of connecting the hydrogen supply system 3000 for cooling a generator of an embodiment of the present invention with a gas container for a static pressure test and confirming whether the hydrogen pressure in the gas container can be controlled.

수소 발생 장치(1000)에 60A, 70A, 80A의 3가지 전류를 인가해 각각의 전류값에 비례하는 양 혹은 압력의 수소를 생산하고, 가스 용기의 수소 압력이 초기 2.1bar에서 2.8bar 및 3.2bar가 되도록 충진하여 압력을 유지하였다.Three currents of 60A, 70A, and 80A are applied to the hydrogen generator (1000) to produce hydrogen in an amount or pressure proportional to each current value, and the hydrogen pressure in the gas container increases from the initial 2.1 bar to 2.8 bar and 3.2 bar. It was filled to maintain pressure.

시험결과 수소 발생 장치(1000)에서 생산된 수소 가스의 양은 전류가 상승함에 따라 일정 양씩 상승하였다. 가스용기 압력이 초기 2.1bar에서 설정압력인 2.8bar까지 상승하는 동안은 수소가 공급되다가(도 5의 검정색 실선 화살표 참조) 설정압력인 2.8bar에 도달하면 자동으로 수소 공급이 중지되면서 설정압력이 유지(도 5의 검정색 점선 화살표 참조)되었다. As a result of the test, the amount of hydrogen gas produced by the hydrogen generator 1000 increased by a certain amount as the current increased. Hydrogen is supplied while the gas container pressure rises from the initial 2.1 bar to the set pressure of 2.8 bar (see the solid black arrow in Figure 5), but when the set pressure of 2.8 bar is reached, the hydrogen supply is automatically stopped and the set pressure is maintained. (see black dashed arrow in Figure 5).

다시 설정압력을 3.2bar로 상승하면 수소 공급이 재기되다가 설정압력에 도달하면 수소 공급이 중지되면서 설정압력이 유지되었다. 60A, 70A, 80A 3가지 전류에 대해 모두 설정압력이 유지되었다.When the set pressure was raised to 3.2 bar again, the hydrogen supply resumed, but when the set pressure was reached, the hydrogen supply was stopped and the set pressure was maintained. The set pressure was maintained for all three currents of 60A, 70A, and 80A.

도 5의 그래프는, 본 발명의 일실시예의 발전기 냉각용 수소 공급 시스템(3000)과 발전기를 직접 연결하고, 발전기 압력을 확인하는 시험을 진행한 결과이다. The graph in FIG. 5 is the result of a test conducted to directly connect the hydrogen supply system 3000 for cooling the generator of one embodiment of the present invention and the generator and check the generator pressure.

발전기의 압력을 2.9bar로 맞추고 본 발명의 일실시예의 발전기 냉각용 수소 공급 시스템(3000)(이하, 본 시스템)을 연결하여 2.9bar를 유지할 수 있는 지와 2.9bar이상 증가할 수 있는지 여부를 확인였다. Set the pressure of the generator to 2.9 bar and connect the hydrogen supply system 3000 (hereinafter referred to as this system) for cooling the generator of an embodiment of the present invention to check whether 2.9 bar can be maintained and whether it can increase to 2.9 bar or more. It was.

발전기의 경우 수소를 보통 하루에 1.5병(120kg/cm2, 47L 기준) 정도 소모하며 이를 본 시스템에서 생산하는 수소양으로 환산하면 약 5.8L/min가 나오며 이를 전류로 환산하면 약 95A가 필요함을 알 수 있다. In the case of a generator, it usually consumes about 1.5 bottles (120kg/cm2, 47L) of hydrogen per day. When converted to the amount of hydrogen produced by this system, it is about 5.8L/min, and when converted to current, about 95A is required. You can.

이를 토대로 본 시스템과 발전기를 연결하고 본 시스템을 80A에서 6시간, 90A에서 6시간, 100A에서 6시간, 110A에서 5시간 100A에서 1시간 유지하며(총 24시간) 연속 운전 하였다. 그 결과, 본 시스템이 적용되지 않은 발전기가 24시간 작동된 후, 발전기 내부에 존재하는 수소의 압력 변화와 대비해, 일정 오차 내에서 수소 압력을 유지함을 알 수 있다.Based on this, the system and the generator were connected and the system was operated continuously for 6 hours at 80A, 6 hours at 90A, 6 hours at 100A, 5 hours at 110A, and 1 hour at 100A (total of 24 hours). As a result, it can be seen that after the generator to which this system is not applied is operated for 24 hours, the hydrogen pressure is maintained within a certain error compared to the change in the pressure of hydrogen existing inside the generator.

1000: 수소 발생 장치 1100: 음극
1200: 양극 1300: 이온교환막
1400: 음극실 1410: 프레임
1420: 분리판 1430: 패킹
1440: 압력패드 1500: 양극실
1600: 전류분배판 2000: 수소 발생 시스템
2100: 제1 저장조 2200: 제2 저장조
2300: 가스정제기 2410: 제1 배관
2420: 제2 배관 2430: 제3 배관
2440: 제4 배관 2450: 제5 배관
2460: 제6 배관 2470: 제7 배관
2480: 제8 배관 3000: 발전기 냉각용 수소 공급 시스템
3100: 냉매 공급라인 3200: 전단압력조절기
3300: 후단압력조절기 3400: 쓰리웨이밸브
1000: Hydrogen generating device 1100: Cathode
1200: Anode 1300: Ion exchange membrane
1400: cathode chamber 1410: frame
1420: Separator plate 1430: Packing
1440: Pressure pad 1500: Anode chamber
1600: Current distribution plate 2000: Hydrogen generation system
2100: first storage tank 2200: second storage tank
2300: Gas purifier 2410: First pipe
2420: 2nd pipe 2430: 3rd pipe
2440: 4th pipe 2450: 5th pipe
2460: 6th pipe 2470: 7th pipe
2480: 8th pipe 3000: Hydrogen supply system for generator cooling
3100: Refrigerant supply line 3200: Front pressure regulator
3300: Rear-end pressure regulator 3400: Three-way valve

Claims (12)

물이 수소이온, 산소 가스, 전하로 변환되는 양극;
상기 수소이온이 수소 가스로 변환되는 음극;
상기 음극 및 상기 양극 사이에 위치되고, 상기 양극에서 발생된 수소이온을 상기 음극으로 전달하는 이온교환막;
상기 음극이 내장되도록 상기 이온교환막 일면에 형성된 음극실;
상기 양극이 내장되도록 상기 이온교환막 타면에 형성된 양극실;
전하를 상기 음극에 전달하거나, 전하를 상기 양극으로부터 전달받도록 상기 음극실 및 상기 양극실 각각에 내장된 전류분배판을 포함하는 수소 발생 장치를 포함하는 발전기 냉각용 수소 공급 시스템에 있어서,
상기 음극실과 발전기 냉각 라인을 연결하는 냉매 공급라인;
상기 음극실에서 발생된 수소 가스가 적정유량을 유지하면서 상기 냉매 공급라인에 유입되도록 상기 냉매 공급라인 전단에 구비된 전단압력조절기;
상기 냉매 공급라인에 흐르는 수소 가스가 적정유량을 유지하면서 상기 냉각 라인에 유입되도록 상기 냉매 공급라인 후단에 구비된 후단압력조절기; 및
상기 전단압력조절기와 상기 후단압력조절기 사이에 위치하도록 상기 냉매 공급라인에 장착된 쓰리웨이밸브를 더 포함하는 발전기 냉각용 수소 공급 시스템.
an anode, where water is converted into hydrogen ions, oxygen gas, and electric charge;
a cathode where the hydrogen ions are converted into hydrogen gas;
an ion exchange membrane located between the cathode and the anode and transferring hydrogen ions generated at the anode to the cathode;
a cathode chamber formed on one side of the ion exchange membrane to house the cathode;
an anode chamber formed on the other side of the ion exchange membrane to accommodate the anode;
In the hydrogen supply system for cooling a generator including a hydrogen generating device including a current distribution plate built into each of the cathode chamber and the anode chamber to transfer charge to the cathode or receive charge from the anode,
A refrigerant supply line connecting the cathode chamber and the generator cooling line;
a shear pressure regulator provided at the front of the refrigerant supply line to allow hydrogen gas generated in the cathode chamber to flow into the refrigerant supply line while maintaining an appropriate flow rate;
a rear-end pressure regulator provided at the rear end of the refrigerant supply line to allow hydrogen gas flowing in the refrigerant supply line to flow into the cooling line while maintaining an appropriate flow rate; and
A hydrogen supply system for cooling a generator further comprising a three-way valve mounted on the refrigerant supply line to be positioned between the front-end pressure regulator and the back-end pressure regulator.
제1항에 있어서,
상기 음극실과 상기 양극실은,
상기 이온교환막의 일면 및 타면 각각에 마주보도록 위치되고, 상면과 하면이 개구된 박스 형태의 프레임;
상기 음극실과 상기 양극실을 밀폐하도록 개구된 상기 프레임의 일면을 덮는 분리판;
상기 음극실 및 상기 양극실에 존재하는 물, 가스의 누출을 방지하도록 상기 프레임과 상기 분리판 사이에 장착된 패킹을 포함하며,
상기 프레임 및 상기 패킹에는,
상기 음극실에 존재하는 물, 수소 가스를 배출하거나,
상기 양극실에 존재하는 물, 산소 가스를 배출할 수 있도록 홀이 형성된 발전기 냉각용 수소 공급 시스템.
According to paragraph 1,
The cathode chamber and the anode chamber are,
a box-shaped frame positioned to face one side and the other side of the ion exchange membrane, respectively, and having upper and lower surfaces opened;
a separator plate covering one side of the frame that is opened to seal the cathode chamber and the anode chamber;
It includes a packing mounted between the frame and the separator plate to prevent leakage of water and gas present in the cathode chamber and the anode chamber,
In the frame and the packing,
Discharging water and hydrogen gas present in the cathode chamber,
A hydrogen supply system for cooling a generator in which a hole is formed to discharge water and oxygen gas present in the anode chamber.
제2항에 있어서,
상기 음극실은,
상기 음극실 내부에 위치된 상기 전류분배판을 고정하는 압력패드를 더 포함하는 발전기 냉각용 수소 공급 시스템.
According to paragraph 2,
The cathode chamber is,
A hydrogen supply system for cooling a generator further comprising a pressure pad for fixing the current distribution plate located inside the cathode chamber.
제1항에 있어서,
상기 이온교환막의 넓이는 상기 전류분배판의 넓이보다 크고,
상기 전류분배판의 넓이는 상기 음극 및 상기 양극의 넓이보다 큰 발전기 냉각용 수소 공급 시스템.
According to paragraph 1,
The area of the ion exchange membrane is larger than the area of the current distribution plate,
A hydrogen supply system for generator cooling in which the area of the current distribution plate is larger than the areas of the cathode and the anode.
제1항에 있어서,
상기 음극실에 내장된 상기 전류분배판과, 상기 양극실에 내장된 상기 전류분배판은, 상기 음극실 및 상기 양극실 밖에서 서로 연결된 발전기 냉각용 수소 공급 시스템.
According to paragraph 1,
The current distribution plate built in the cathode chamber and the current distribution plate built in the anode chamber are connected to each other outside the cathode chamber and the anode chamber.
제1항에 있어서,
상기 음극실에 내장된 상기 전류분배판과, 상기 양극실에 내장된 상기 전류분배판은, 외부 전원 장치와 개별적으로 연결된 발전기 냉각용 수소 공급 시스템.
According to paragraph 1,
A hydrogen supply system for cooling a generator in which the current distribution plate built in the cathode chamber and the current distribution plate built in the anode chamber are individually connected to an external power supply device.
제1항에 있어서,
상기 양극실로 물을 공급하고, 상기 양극실로부터 물, 산소 가스를 회수하는 제1 저장조;
상기 음극실로부터 물, 수소 가스를 회수하는 제2 저장조;
상기 제2 저장조에 포집된 수소 가스로부터 수분을 증발시키는 가스정제기를 더 포함하는 발전기 냉각용 수소 공급 시스템.
According to paragraph 1,
a first storage tank that supplies water to the anode chamber and recovers water and oxygen gas from the anode chamber;
a second storage tank for recovering water and hydrogen gas from the cathode chamber;
A hydrogen supply system for cooling a generator further comprising a gas purifier that evaporates moisture from the hydrogen gas collected in the second storage tank.
제7항에 있어서,
상기 제1 저장조로 물을 공급하는 제1 배관;
물을 공급하도록 상기 제1 저장조와 상기 양극실을 연결하는 제2 배관;
물, 산소 가스를 회수하도록 상기 제1 저장조와 상기 양극실을 연결하는 제3 배관;
물, 수소 가스를 회수하도록 상기 제2 저장조와 상기 음극실을 연결하는 제4 배관;
상기 제2 저장조에 존재하는 물을 상기 양극실에 공급하도록 상기 제2 저장조와 상기 제2 배관을 연결하는 제5 배관;
상기 제2 저장조에 포집된 수소 가스를 상기 가스정제기에 공급하도록 상기 제2 저장조와 상기 가스정제기를 연결하는 제6 배관;
상기 가스정제기로부터 수분이 제거된 수소 가스를 외부장치로 전달하도록 상기 가스정제기에 연결된 제7 배관;
상기 제1 저장조에 포집된 산소 가스를 외부장치로 전달하도록 상기 제1 저장조에 연결된 제8 배관을 더 포함하는 발전기 냉각용 수소 공급 시스템.
In clause 7,
a first pipe supplying water to the first storage tank;
a second pipe connecting the first reservoir and the anode chamber to supply water;
a third pipe connecting the first storage tank and the anode chamber to recover water and oxygen gas;
a fourth pipe connecting the second storage tank and the cathode chamber to recover water and hydrogen gas;
a fifth pipe connecting the second storage tank and the second pipe to supply water present in the second storage tank to the anode chamber;
a sixth pipe connecting the second storage tank and the gas purifier to supply hydrogen gas collected in the second storage tank to the gas purifier;
a seventh pipe connected to the gas purifier to deliver hydrogen gas from which moisture has been removed from the gas purifier to an external device;
A hydrogen supply system for cooling a generator further comprising an eighth pipe connected to the first storage tank to transfer the oxygen gas collected in the first storage tank to an external device.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 후단압력조절기는,
상기 냉매 공급라인을 통해 상기 후단압력조절기에 도달한 수소 가스의 양이 적정치를 초과할 경우, 상기 후단압력조절기에 도달한 수소 가스 중 일부를 대기중으로 배출하는 발전기 냉각용 수소 공급 시스템.
According to paragraph 1,
The downstream pressure regulator is,
A hydrogen supply system for generator cooling that discharges some of the hydrogen gas that has reached the downstream pressure regulator into the atmosphere when the amount of hydrogen gas reaching the downstream pressure regulator through the refrigerant supply line exceeds an appropriate value.
제1항에 있어서,
상기 쓰리웨이밸브는,
상기 냉매 공급라인에 유동하는 수소 가스의 양이 적정치를 초과할 경우, 상기 쓰리웨이밸브에 도달한 수소 가스 중 일부를 대기중으로 배출하는 발전기 냉각용 수소 공급 시스템.
According to paragraph 1,
The three-way valve is,
A hydrogen supply system for generator cooling that discharges some of the hydrogen gas that has reached the three-way valve into the atmosphere when the amount of hydrogen gas flowing in the refrigerant supply line exceeds the appropriate value.
제1항에 있어서,
상기 전단압력조절기의 전단과 후단에 각각 압력센서가 위치되고,
상기 전단압력조절기와 상기 쓰리웨이밸브 사이에 유량계가 위치되고,
상기 후단압력조절기와 상기 냉각 라인 사이에 유량계 및 압력센서가 위치된 발전기 냉각용 수소 공급 시스템.
According to paragraph 1,
Pressure sensors are located at the front and rear ends of the front pressure regulator, respectively,
A flow meter is located between the shear pressure regulator and the three-way valve,
A hydrogen supply system for cooling a generator in which a flow meter and a pressure sensor are located between the downstream pressure regulator and the cooling line.
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