KR20200060146A

KR20200060146A - 수전해 시스템

Info

Publication number: KR20200060146A
Application number: KR1020180145759A
Authority: KR
Inventors: 최승목
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2018-11-22
Publication date: 2020-05-29

Abstract

본 발명은 음이온 교환막의 양측에 캐소드 전극과 애노드 전극을 갖춘 수전해 셀이 복수개 적층되는 수전해 스택과 애노드 전극 측에 알카리 용액을 공급하는 알카리 용액 공급 장치를 포함하여 구성되고, 캐소드 전극과 애노드 전극에 전류를 공급하여 캐소드 전극 측에서 수소를 발생시키는 수전해 시스템에 관한 것으로서, 본 발명의 수전해 시스템은. 분리조의 하류에 배치되고, 분리조로부터 배출되는 수소를 함유하는 가스 상의 물질을 응축하여 수분이 응결되게 하는 컨덴서; 컨덴서의 상류에 배치되어 컨덴서에서 응결된 수소 외의 성분이 유입되어 수용되고, 수전해 스택으로부터 배출되는 수소를 함유한 물질이 유입되어 유입된 물질에 함유된 불순물이 수소와 분리되어 수용되고 수소는 컨덴서로 유출되도록 구성되는 분리조; 및 컨덴서의 하류에 배치되고, 컨덴서로부터 배출되는 수소를 함유하는 가스 상의 물질이 통과하는 경로에 수분을 흡착하는 물질이 배치되어 가스 상의 물질로부터 수분을 제거하는 제습 장치을 더 포함하는 것이다.

Description

수전해 시스템{ELECTROLYSIS SYSTEM}

본 발명은 수전해 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 음이온 교환막(AEM)을 이용한 알카리 수전해를 통하여 수소를 생성하는 수전해 시스템에 관한 것이다.

물의 전기 분해를 통하여 얻는 수소 에너지는 효율이 높고, 연료로서 이용되는 물을 쉽게 얻을 수 있으며 화석 연료의 사용 시에 발생하는 질소산화물이나 황산화물 같은 공해 물질의 배출이 없다는 장점이 있다.

수소는 순수(pure water)를 전기분해하거나 알칼리 수용액을 전기분해하는 방식으로 생산될 수 있는데, 이 중에서 알칼리 수용액을 전기 분해하여 수소를 얻는 알카리 수전해에는 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)을 사용하는 방식이 있다.

AEM 수전해 방식에서 수전해 스택을 이루는 단위 셀에는 음이온 교환막이 배치되고, 음이온 교환막의 양측에는 각각 애노드 전극과 캐소드 전극이 배치된다. 이러한 단위 셀을 적층하여 수전해 스택을 구성한다.

수전해 스택은 전해액 탱크로부터 알칼리 수용액(KOH 또는 NaOH)을 공급받고 애노드 전극과 캐소드 전극에 직류 전원이 인가된다. 알칼리 수용액에서 분해된 수산화이온은 애노드 전극에서 촉매 반응하여 산소, 물, 전자를 발생시키고, 전자는 외부 도선을 따라 캐소드 전극으로 이동한다. 캐소드 전극에서는 전자와 물이 촉매 반응하여 수소와 수산화이온을 발생시킨다. 이렇게 발생된 수소는 외부로 유출되고 포집되어 그 이용처로 공급된다.

이러한 AEM 수전해 방식은 양이온교환막(Proton Exchange Membrane, PEM) 수전해 방식에 비해 설비의 소형화가 가능하다는 장점이 있지만, 수소의 순도가 99.5 ~ 99.98%로 상대적으로 낮으며, 설비와 작동의 안정성이 떨어진다는 단점이 있다.

알카리 수전해 방식의 안정성을 높이기 위한 기술로서, 대한민국 특허 제10-1724060호(문헌 1)에서 개시하는 '알카리 수전해 장치 및 이의 운전 방법'라는 명칭의 발명이 있다. 이 문헌 1의 발명에서는 수전해 장치의 임의 정지 시에 수전해 스택이 열화되는 문제를 해결하기 위한 구성을 개시한다.

AEM 수전해 방식에서는 캐소드 측에서는 수소가 발생하여 기상으로 배출되므로 발생한 수소를 바로 포집하여 이용처에 공급할 수도 있지만, 실제로는 캐소드 전극 측에는 이온 교환막을 통과한 물 또는 불순물이 포함된다.

이와 같이 수소 가스에 포함되는 물이나 각종 불순물은 수소의 순도를 낮게 하는 원인이 되는 것은 물론이고, 수전해 스택의 하류에 배치되는 각종 배관이나 센서 또는 밸브 등을 부식시키는 원인이 된다.

일본 공개특허 특개2013-231213호(문헌 2)에서는 '수전해 시스템 및 수전해 시스템의 동작 방법'이라는 명칭의 발명을 개시하는데, 이 문헌 2의 발명에서는 수전해 스택에서 발생한 수소 가스를 수소 기액 분리 탱크에 보내어 물을 분리하고, 분리된 수소 가스를 복수의 전기 분해 스택을 갖춘 건조 장치에 보내어 물의 전기 분해에 의해 물을 제거하는 구성을 제시한다.

그러나, 이러한 문헌 2의 발명에서는 수소 가스에 포함되는 수분의 제거를 위해 전기 분해 방법을 사용하므로, 건조에 요하는 설비의 비용이 높고 시스템 전체가 복잡하게 되며, 전기의 사용으로 인하여 에너지 효율이 낮다는 문제점이 있다.

대한민국 특허 제10-1724060호(문헌 1) 일본 공개특허 특개2013-231213호(문헌 2)

본 발명은 음이온 교환막의 양측에 캐소드 전극과 애노드 전극을 갖춘 수전해 셀이 복수개 적층된 수전해 스택과 애노드 전극 측에 알카리 용액을 공급하는 알카리 용액 공급 장치를 갖추고, 캐소드 전극과 애노드 전극에 전류를 공급하여 캐소드 전극 측에서 수소를 발생시키는 수전해 시스템을 제공하려는 것이다.

특히, 본 발명은 수전해 스택에서 생성되어 배출되는 수소 가스 중에 포함되는 수분 또는 불순물을 제거하여 수소의 순도를 높이고 수전해 스택 하류의 장치들이 수소 가스 중에 함유된 수분이나 기타 불순물에 의해 부식되거나 손상되는 일이 발생하지 않는 수전해 시스템을 제공하려는 것이다.

또한, 본 발명은 수전해 스택에서 생성되어 배출되는 수소 가스가 하류에서 효율 좋게 처리될 수 있는 구성의 수전해 시스템을 제공하려는 것이다.

전술한 본 발명의 해결 과제는, 음이온 교환막의 양측에 캐소드 전극과 애노드 전극을 갖춘 수전해 셀이 복수개 적층되는 수전해 스택과 애노드 전극 측에 알카리 용액을 공급하는 알카리 용액 공급 장치를 포함하여 구성되고, 캐소드 전극과 애노드 전극에 전류를 공급하여 캐소드 전극 측에서 수소를 발생시키는 것인 본 발명에 따른 수전해 시스템에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 수전해 시스템은,

분리조의 하류에 배치되고, 분리조로부터 배출되는 수소를 함유하는 가스 상의 물질을 응축하여 수소 외의 성분이 응결되게 하는 컨덴서;

컨덴서의 상류에 배치되어 컨덴서에서 응결된 수소 외의 성분이 유입되어 수용되고, 수전해 스택으로부터 배출되는 수소를 함유한 물질이 유입되어 유입된 물질에 함유된 불순물이 수소와 분리되어 수용되고 수소는 컨덴서로 유출되도록 구성되는 분리조; 및

컨덴서의 하류에 배치되고, 컨덴서로부터 배출되는 수소를 함유하는 가스 상의 물질이 통과하는 경로에 수분을 흡착하는 물질이 배치되어 가스 상의 물질로부터 수분을 제거하는 제습 장치를 더 포함하여 구성되는 것이다.

수전해 스택에서 발생하는 수소 가스에는 이온막을 통과한 수분이 함유되고, 이온막, 캐소드 전극 및 촉매층의 열화에 의한 불순물이 함유될 수 있으며, 수전해 스택의 구조에서의 누설 등으로 인하여 알카리 용액이 유입되어 함유될 수 있다.

수분과 불순물 또는 알카리 용액은 수전해 스택의 하류에 배치되어 수소를 저장하는 각종 설비나 센서들에 부식 및 고장을 초래하는데, 본 발명에서는 수소에 함유되는 수분, 불순물 및 알카리 용액이 제거된다.

수전해 스택에서 발생한 수소 가스는 먼저 분리조에 유입되어 수소에 함유된 불순물이나 알카리 용액이 수소와 분리되어 분리조에 수용된다. 불순물이나 수분 및 알카리 용액이 분리된 수소 가스는 컨덴서에 유입되어 냉매와의 열교환을 통하여 응축되어 가스 중의 수분이 응결되어 제거된다.

이렇게 컨덴서를 통과한 수소 가스에는 약간의 수분이 잔류할 수 있지만 컨덴서의 하류에 배치된 흡착식의 제습 장치를 통하여 수분이 제거되어, 순도가 높고 수분 및 기타 불순물이 제거된 수소가 저장되거나 사용처로 이송된다.

이와 같이 본 발명의 수전해 시스템에서는 상대적으로 널리 이용되고 에너지 모소적이지 않으며 상대적으로 저렴한 기구들을 유기적으로 조합하여 저렴하고도 간단한 방식으로 수전해 스택에서 발생하는 수소에서 수분이나 불순물 또는 알카리 용액 등을 제거함으로써, 하류의 장치들이 수분 등에 의해 부식되는 문제를 해소함과 더불어 순도 높은 수소를 얻을 수 있다.

본 발명의 부가적 특징으로서,

제습 장치는 서로 병렬로 배치되는 복수 개의 수분 흡착식 데미스터 및 데미스터에 흡착되는 수분을 증발시키는 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급 수단을 포함하고, 데미스터에는 선택적으로 컨덴서로부터 배출되는 수소를 함유한 가스 상의 물질이 공급되어, 퍼지 가스 공급 수단으로부터 어느 하나의 데미스터에 퍼지 가스가 공급되어 수분을 증발시키는 경우에 컨덴서로부터의 배출되는 가스 상의 물질은 다른 하나의 데미스터에 유입되는 것으로 구성할 수 있다.

이와 같은 구성에 따르면, 흡착식으로 작동하는 제습 장치의 데미스터가 포화되는 수준의 수분을 흡착하여 더 이상 수분 흡착 기능을 수행할 수 없는 경우에도 시스템을 정지하는 일이 없이 간단히 병렬 설치된 다른 데미스터를 동작시키고 이와 동시에 수분 흡착 기능을 수행할 수 없는 데미스터를 재생함으로써, 수전해 시스템의 유지 보수를 위한 정지 없이 시스템을 연속적으로 가동할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 다른 부가적 특징으로서,

수전해 스택의 캐소드 전극 측으로부터 분리조로 물질이 배출되는 경로에는 배압 조정기가 부착되어 캐소드 전극 측에서 발생하는 가스의 압력을 소정 값으로 높이도록 구성할 수 있다.

이와 같은 구성에 따라 수전해 스택의 하류에는 높은 압력의 수소 가스가 유동하면서 수분 및 불순물을 제거하는 처리가 이루어지게 되므로, 장치들의 작동 효율이 높아지고 최종적으로 저장되거나 사용처로 이송되는 수소가 높은 압력으로 효율 좋게 이송될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 전체적인 구성을 보여주는 블럭도이다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 구성과 작동을 설명한다.

본 실시예에 따른 수전해 시스템은 대별하여, 음이온 교환막의 양측에 캐소드 전극과 애노드 전극을 갖춘 수전해 셀이 복수개 적층된 수전해 스택(10), 수전해 스택(10)에 전류를 공급하는 전류 공급 장치(20), 수전해 스택의 애노드 전극 측에 알카리 용액을 공급하는 용액 공급 장치(30), 용액 공급 장치(30)의 알카리 용액을 수전해 스택(10)에 공급하고, 수전해 스택(10)에서 발생하는 산소를 함유하는 알카리 용액을 용액 공급 장치(30)로 복귀시키는 공급 도관 장치(40), 수전해 스택(10)에서 생성되어 배출되는 수소 가스를 운반하는 배출 도관 장치(50), 배출 도관 장치(50)를 통하여 배출되는 수소 가스 및 수분이나 알카리 용액 등의 불순물이 유입되어 수소 가스와 분리되도록 구성되는 분리조(60), 분리조(60)에서 처리되어 배출되는 수소 가스를 응축하는 컨덴서(70) 및 컨덴서(70)에서 배출되는 수소 가스에서 수분 등을 흡착하여 제거하는 제습 장치(80)를 포함하여 구성되어 있다.

수전해 스택(10)은 복수 개의 수전해 셀이 적층되어 형성되는 것인데, 수전해 셀에는 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)의 양측에 각각 애노드 전극(Anode Electrode)과 캐소드 전극(Cathode Electrode)이 배치되어 있고 애노드 전극 측에는 알카리 용액이 공급되며, 전류 공급 장치(20)에 의해 전류가 공급되어 애노드 측에서는 산소가 발생하고 캐소드 측에서는 수소가 발생하는 구성의 것이다.

본 실시예의 수전해 스택은 배경 기술에서와 설명한 것과 같은 통상의 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)을 사용하는 알카리 수전해 셀로 이루어지는 것이므로, 그 구체적인 구성과 작동의 설명은 생략한다.

용액 공급 장치(30)는 알카리 용액이 저장되어 있는 용액 탱크(31)를 포함하여 구성되는데, 용액 탱크(31)에는 수위 센서(32)가 마련되어 저장되어 있는 알카리 용액의 수위가 미리 설정된 수위 보다 낮아지는 경우에, 용액 공급원(34)으로부터 공급 도관(35)을 통하여 물을 보충받는다.

또한, 탱크 본체(31)의 저면에는 배출 밸브를 갖춘 배출 도관(36)이 마련되어 있어서, 알카리 용액을 교환하거나 장치의 운전을 정지하고 탱크를 청소하는 경우에 알카리 용액을 배출하게 되어 있다.

용액 탱크(31)의 저면은 반구형으로 형성되어 있어서, 용액 탱크(31)에 유입되는 이물질이나 오염 물질이 저면에 가라앉은 경우에 알카리 용액을 배출 도관(36)을 배출한 후에 저면으로부터 오염 물질 등의 제거가 용이하게 되어 있다.

용액 탱크(31)는 스테인레스강으로 형성되고 내측 표면에 테프론 코팅이 되어 있어서, pH가 10 ~ 14인 수산화칼륨(KOH) 용액 또는 수산화나트륨(NaOH) 용액의 수용에 의한 부식이 일어나지 않게 되어 있다.

용액 탱크(31)의 둘레에는 제1 히터(33)가 마련되어 있어서, 수전해 스택(10)에서 요구되는 온도인 70 ℃로 알카리 용액의 온도를 유지하고 있다.

그러나, 제1 히터(33)가 알카리 용액을 수전해 스택(10)에서 요구되는 설정 온도로 알카리 용액을 가열하여 유지할 필요는 없고, 수전해 스택(10)으로 이송되는 과정에서의 냉각을 고려하여 설정 온도보다 높은 온도로 가열할 수도 있고, 후술하듯이 수전해 스택(10)의 입구에서 가열하는 제2 히터(43)에서 가열을 고려하여 설정 온도 이하로 가열할 수도 있다.

용액 탱크(31)에는 알카리 용액의 온도와 용액 탱크 내의 압력을 측정하는 센서들(38, 39)가 배치되어 있다. 이하에서 설명하는 다른 도관이나 장치들에도 유통되거나 저장되어 있는 유체의 압력과 온도를 측정하는 센서들이 배치되어 있지만, 이러한 센서들은 관용의 요소이므로 도면 부호의 표시와 설명을 생략한다.

공급 도관 장치(40)는 용액 저장 탱크(30)와 수전해 스택(10) 사이에서 알카리 용액을 순환시키는 것이다. 공급 도관 장치(40)에는 용액 탱크(31)의 하부로부터 수전해 스택(10)으로 연장되어 알카리 용액을 수전해 스택(10)에 공급하는 공급 도관(41)과 수전해 스택(10)의 애노드 전극 측으로부터 용액 탱크(31)의 상부로 연장되어 수전해 스택(10)에서 발생한 산소가 함유된 알카리 용액을 용액 탱크(31)로 복귀시키는 복귀 도관(44)가 마련되어 있다.

공급 도관(41)의 상류에는 펌프(42)가 마련되어 용액 탱크(31)로부터 알카리 용액을 흡인하여 수전해 스택(10)으로 보내고, 하류에는 공급 도관(41)을 통하여 공급되는 알카리 용액을 수전해 스택(10)에서 요구되는 70 ℃로 가열하는 제2 히터(43)가 공급 도관(41)을 둘러싸는 형태로 마련되어 있다.

이 제2 히터(43)가 공급 도관(41)의 하류에서 알카리 용액이 수전해 스택(10)에 유입되기 직전에 알카리 용액을 설정 온도로 가열하므로, 수전해 스택에 공급되는 알카리 용액은 수전해에 적합한 온도를 유지하게 된다.

이와 같이, 수전해 스택(10)에 알카리 용액이 설정 온도로 공급되고 전류 공급 장치(20)가 전류를 인가하여 수전해 반응에 의해 애노드 전극 측에서는 산소가 발생하고 캐소드 전극 측에서는 수소가 발생한다.

발생된 산소는 알카리 용액에 용해된 상태 또는 기체 상태로 복귀 도관(44)을 통하여 용액 탱크(31)에 유입되고, 알카리 용액은 용액 탱크(31)에 잔류하고 산소는 용액 탱크(31)의 상단으로부터 연장되는 산소 배출 도관(37)을 통하여 배출된다.

수전해 스택(10)에서 발생하는 수소는 배출 도관 장치(50)를 통하여 배출된다. 배출 도관 장치(50)의 배출 도관(51)에는 상류로부터 순차로 제3 히터(52), 배압 조정기(53)와 제1 삼방 밸브(3 way valve, 54)가 마련되어 있다.

제3 히터(52)는 수전해 스택(10)에서 배출되는 수소를 하류에서 처리하기에 적절한 설정 온도로 가열한다.

배압 조정기(53, Back pressure regulator)는 상류의 압력을 설정 압력이 되도록 하는 것인데, 본 실시예에서 배압 조정기(53)는 30 바아(bar)로 설정되어 수전해 스택(10)의 캐소드 전극 측이 30 바아로 되게 하여, 캐소드 측으로부터 배출되는 수소 가스는 30 바아의 압력으로 배출 도관(51)으로 배출된다.

수소가 상압으로 배출되는 경우, 배출 도관(51) 및 그 하류의 배관이나 각종 장치들은 큰 체적을 가져야 하고, 발생된 수소를 저장하기 위해서는 수소를 상압으로부터 초고압으로 가압하여야 하지만, 본 실시예에서는 배압 조정기(53)를 배치하고 30 바아의 압력으로 설정함으로써 수전해 스택(10)에서 배출되는 수소가 고압으로 배출되어 하류로 유동하므로 하류의 장치들의 처리 효율이 높아지고 수소의 포집 효율이 높아지게 된다.

가압된 수소는 배출 도관(51)의 종단에 배치된 제1 삼상 밸브(54)를 통하여 분리조(60)에 유입된다.

분리조(60)로서는 저장 탱크(61)가 마련되어 있다. 저장 탱크(61)에는 수위 센서(62) 및 저면에 배출 도관(63)이 마련되어 있어서, 저장 탱크(61)에 수분이나 불순물 등이 일정 수위를 초과하여 수용되면 배출 도관(53)을 개방하여 수분 및 불순물을 배출한다.

저장 탱크(61)의 저면은 용액 탱크(31)와 마찬가지로 반구형으로 형성되어 있어서, 저장 탱크(61)에 유입되는 수분이나 오염 물질이 저면에 수용되어 배출 도관(63)을 통하여 배출하고 청소하는 작업이 용이하게 되어 있다.

수전해 스택(10)에서 발생되어 분리조(60)로 유입되는 물질에는 수소 외에도 이온막을 통과한 수분이 함유되고, 장치의 열화에 의한 불순물 또는 누설에 의한 알카리 용액이 포함될 수 있다. 수분 및 알카리 용액과 같은 불순물은 대부분 분리조의 저장 탱크(61)에서 가스 상의 수소와 분리된다.

저장 탱크(61)의 상단에는 컨덴서(70)가 배치되어 있다.

컨덴서의 본체(71)에는 제2 삼방 밸브(76)를 갖춘 유입 도관(72)이 연결되어 있고, 이 유입 도관(72)은 분리조의 저장 탱크(61)의 상단과 연결되어 있어서, 저장 탱크(61)로부터 수소 가스가 컨덴서 본체(71)로 유입된다.

컨덴서 본체(71)에는 별도의 도관을 통하여 내부로 냉매가 공급되고, 여기에 유입된 수소 가스는 냉매가 순환하는 도관과의 접촉에 의한 열교환에 의해 응축되고, 수소 가스에 함유된 수분은 응결되어 액상으로 컨덴서 본체(71)의 하단에 모이게 된다. 이렇게 모인 수분은 유입 도관(72)을 통하여 분리조(60)로 회수되거나 별도의 도관을 통하여 배출된다.

한편, 이러한 구성과는 달리, 수소 가스가 유통하는 컨덴서 본체(71)를 외부와의 접촉 면적이 넓은 도관으로 구성하고, 팬 등에 의해 냉각풍이 도관과 접촉하도록 하여 도관을 유통하는 수소 가스 및 수분이 냉각되도록 구성할 수도 있다.

이와 같은 과정을 통하여 분리조(60)와 컨덴서(70)를 통과한 수소에는 불순물과 수분이 거의 잔류하지 않게 되고, 분리조(70) 상단의 배출 도관(74)을 통하여 제습 장치(80)로 배출된다.

분리조(70)의 하류에는 제습 장치(80)가 배치되어 있다.

제습 장치(80)는 2개의 데미스터(demister, 81)가 병렬로 배치되어 있고, 분리조의 배출 도관(74)의 종단에 마련되어 있는 제3 삼방 밸브(82)를 통하여 분지되는 2개의 유입 도관(83)이 각각의 각각의 데미스터(81)에 연결되어 있다.

제3 삼방 밸브(82)는 2개의 유입 도관(83) 중의 어느 하나에만 선택적으로 개방되고, 컨덴서(70)로부터 배출되는 수소 가스는 개방된 유입 도관(83)을 통하여 그 유입 도관에 연결된 데미스터(81)에 유입된다.

데미스터(81)에는 실리카겔이라고 불리우는 이산화규소의 결정이 충진되어 있고, 이산화규소 결정 사이의 공극이 수소 가스의 유동 통로를 형성하고 있다.

분리조(60)와 컨덴서(70)를 통과한 수소 가스는 불순물과 수분이 제거되지만, 약간의 수분이 잔류할 수 있다. 수소 가스에 함유된 수분은 데미스터(81)에 충진된 이산화규소 결정 사이의 공극을 통과하면서 이산화규소 결정 표면에 흡착되고, 수분이 제거된 수소 가스는 데미스터(81) 하류의 배출 도관(84)을 통하여 배출된다.

각각의 배출 도관(84)은 종단에서 제4 삼방 밸브(85)에 연결되어 있다. 제4 삼방 밸브(85)에는 2개의 배출 도관(84) 및 외부의 수소 저장 설비(미도시)로 연결되는 연결 도관(86)이 연결되어 있어서, 제3 삼방 밸브(82)에 의해 수소 가스가 공급되는 데미스터(81) 측의 배출 도관(84)만이 연결 도관(86)에 개방되어 데미스터(81)에 의해 제습된 수소 가스가 연결 도관(86)을 통하여 외부의 저장 설비로 배출된다.

한편, 데미스터(81)는 수소 가스에 함유된 수분을 흡착하므로 공정이 진행됨에 따라 이산화규소 결정의 표면에 흡착된 수분이 포화되어 더 이상 수분 흡착 기능이 수행되지 않을 수 있다.

미리 설정된 사용 시간이 경과하면, 제3 및 제4 삼방 밸브(82, 85)가 전환되어 가동되던 데미스터(81)를 폐쇄하고 다른 쪽의 데미스터(81)에 컨덴서(70)로부터의 수소 가스를 공급하여 제습 처리가 이루어진다.

제습 장치(80)에는, 퍼지 가스로서의 질소 가스의 공급원(87), 질소 가스가 데미스터(81)로 공급되는 공급 도관(88) 및 각각의 데미스터(81)로의 질소 가스 공급을 조절하는 조절 밸브들(89)이 마련되어 있다.

공급 도관(88)은 가스 공급원(87)으로부터 각각의 데미스터(81)로 분지되고, 분지된 도관의 말단에는 조절 밸브(89)가 마련되어 있어서, 작동이 중단되고 수소 가스가 공급되지 않는 데미스터(81)에 질소 가스를 공급한다.

질소 가스는 작동 정지 중인 데미스터(81)에 공급되어 데미스터(81) 내의 공극 사이를 유동하여 이산화규소 결정의 표면에 흡착된 수분을 탈리시켜 가스 배출 도관(90)을 통하여 질소 가스와 함께 외부로 배출되게 한다.

이러한 질소 가스에 의한 퍼지 작용을 통하여 데미스터(81)는 흡착된 수분이 제거되어 다시 사용할 수 있는 상태로 되고, 컨덴서(70)로부터의 수소 가스 공급이 재개되면 제습 작용을 하게 된다.

이상과 같은 본 실시예의 수전해 시스템의 구성과 작용에 따르면, 수전해 스택에서 발생한 수소 가스에 함유된 수분과 불순물 및 알카리 용액은 분리조(60)에서 상당 부분이 수소 가스로부터 탈리되어 물에 용해된다. 수소 가스 중에 잔류하는 수분이나 불순물은 컨덴서(70)에서의 응축에 의해 응결되어 수소 가스로부터 제거된다. 이어서, 수소 가스에 잔류하는 수분은 수분을 흡착하는 제습 장치의 데미스터(81)에 의해 제거된다.

이로써, 최종적으로 수소의 저장 설비로 이송되는 수소 가스는 순도가 매우 높고 각종 센서나 도관 또는 설비를 부식시키는 알카리 용액이나 수분을 함유하지 않게 된다.

특히, 이러한 과정이 많은 에너지가 소요되지 않고 상대적으로 적은 원가로 마련될 수 있는 장치들에 의해 달성된다.

또한, 수소 가스로부터 수분과 불순물을 제거하는 장치들은 연속적으로 작동이 가능하고, 특히 흡착에 의해 수분을 제거하는 제습 장치도 복수의 데미스터를 교호로 사용하고 재생하는 과정을 통하여 연속적으로 작동하므로, 수분 제거 등에 관한 장치의 작동과 관련하여 수전해 시스템의 운전이 중지되는 일은 없게 된다.

아울러, 이러한 수분 및 불순물의 제거 과정에서 수소 가스는 수전해 스택으로부터 높은 압력으로 배출되어 하류에서 유동하므로, 각종 장치의 작동 효율이 높아지고 처리가 신속히 이루어질 수 있다.

10; 수전해 스택 20: 전로 공급 장치
30: 용액 공급 장치 40: 공급 도관 장치
50: 배출 도관 장치 60: 분리조
70: 컨덴서 80: 제습 장치

Claims

음이온 교환막의 양측에 캐소드 전극과 애노드 전극을 갖춘 수전해 셀이 복수 개 적층되는 수전해 스택과 애노드 전극 측에 알카리 용액을 공급하는 알카리 용액 공급 장치를 포함하여 구성되고, 캐소드 전극과 애노드 전극에 전류를 공급하여 캐소드 전극 측에서 수소를 발생시키는 수전해 시스템으로서,
분리조의 하류에 배치되고, 분리조로부터 배출되는 수소를 함유하는 가스 상의 물질을 응축하여 수소 외의 성분이 응결되게 하는 컨덴서;
컨덴서의 상류에 배치되어 컨덴서에서 응결된 수소 외의 성분이 유입되어 수용되고, 수전해 스택으로부터 배출되는 수소를 함유한 물질이 유입되어 유입된 물질에 함유된 불순물이 수소와 분리되어 수용되고 수소는 컨덴서로 유출되도록 구성되는 분리조; 및
컨덴서의 하류에 배치되고, 컨덴서로부터 배출되는 수소를 함유하는 가스 상의 물질이 통과하는 경로에 수분을 흡착하는 물질이 배치되어 가스 상의 물질로부터 수분을 제거하는 제습 장치
를 더 포함하는 것인 수전해 장치.
청구항 1에 있어서,
제습 장치는 서로 병렬로 배치되는 복수 개의 데미스터 및 데미스터에 흡착된 수분을 증발시키는 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급 수단을 포함하고,
데미스터에는 선택적으로 컨덴서로부터 배출되는 수소를 함유한 가스 상의 물질이 공급되어, 퍼지 가스 공급 수단으로부터 어느 하나의 데미스터에 퍼지 가스가 공급되어 수분을 증발시키는 경우에 컨덴서로부터의 배출되는 가스 상의 물질은 다른 하나의 데미스터에 유입되는 것인, 수전해 시스템.
청구항 2에 있어서,
컨덴서로부터 각각의 데미스터에 가스 상의 물질을 공급하는 도관에는 삼방 밸브가 배치되어 컨덴서로부터 어느 하나의 데미스터에만 가스 상의 물질이 공급되도록 구성되는 것인, 수전해 시스템.
청구항 1에 있어서,
수전해 스택의 캐소드 전극 측으로부터 분리조로 물질이 배출되는 경로에는 배압 조정기가 부착되어 캐소드 전극 측에서 발생하는 가스의 압력을 소정 값으로 높이도록 구성되는 것인, 수전해 시스템.
청구항 1에 있어서,
알카리 용액 공급 장치에는 수전해 스택에 공급되는 알카리 용액을 가열하는 제1 히터가 장착되고, 알카리 용액 공급 장치로부터 수전해 스택으로의 알카리 용액을 공급하는 도관의 종단에는 공급되는 알카리 용액의 온도를 소정의 설정 온도로 가열하는 제2 히터가 장착되는 것인, 수전해 시스템.
청구항 1에 있어서,
알카리 용액 공급 장치는 알카리 용액을 저장하는 탱크를 포함하고, 탱크의 저면은 반구형으로 형성되는 것인, 수전해 시스템.