KR20210052041A - Cascade Water Electrolyzer System for Highly Pressurized Hydrogen Production and Highly Pressurized Hydrogen Producing Method - Google Patents

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KR20210052041A
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Abstract

The present invention relates to a cascade-type water electrolysis system for producing highly pressurized hydrogen and a method for producing highly pressurized hydrogen using the same, which produces hydrogen by water electrolysis in supplying highly pressured hydrogen to a source of demand, and then supplies the hydrogen under a high pressure of at least 100 bars. The cascade-type method for producing highly pressurized hydrogen in accordance with the present invention comprises the following steps of: producing hydrogen gas by reaction, and transporting the hydrogen gas generated in the reactor to a hydrogen tank by automatic opening of a valve when pressure within the reactor reaches a discharge pressure; and disposing a plurality of reactors in parallel to transport hydrogen to the hydrogen tank from one reactor among the reactors seamlessly or overlappingly as transportation of hydrogen gas is completed from another reactor to the hydrogen tank, thereby increasing pressure in the hydrogen tank.

Description

캐스케이드 방식 고압수소 제조 수전해 시스템 및 고압수소 제조 방법 {Cascade Water Electrolyzer System for Highly Pressurized Hydrogen Production and Highly Pressurized Hydrogen Producing Method}Cascade Water Electrolyzer System for Highly Pressurized Hydrogen Production and Highly Pressurized Hydrogen Producing Method}

본 발명은 고압의 수소를 수요처로 공급하는데 있어서, 물의 전기분해에 의해 수소를 생산하고 100 bar 이상의 고압의 수소를 공급하기 위한 캐스케이드 방식의 고압수소 제조 수전해 시스템 및 상기 고압수소 제조 수전해 시스템을 이용한 고압수소 제조 방법에 관한 것이다.The present invention provides a cascade-type high-pressure hydrogen production water electrolysis system and the high-pressure hydrogen production water electrolysis system for producing hydrogen by electrolysis of water and supplying high-pressure hydrogen of 100 bar or more in supplying high-pressure hydrogen to a customer. It relates to a method for producing high-pressure hydrogen using.

현재 에너지 시스템은 화석연료에 크게 의존하고 있으나, 화석연료는 매장량이 한정되어 있어 가까운 미래에 고갈될 것으로 예상된다. 또한, 화석연료의 연소 시 발생하는 이산화탄소(CO2)로 인하여 지구 온난화가 가속화되고 있다. 이에 따라 전 세계적으로 환경 친화적인 대체 에너지의 개발에 관한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. The current energy system relies heavily on fossil fuels, but fossil fuels have limited reserves and are expected to be depleted in the near future. In addition, global warming is accelerating due to carbon dioxide (CO 2 ) generated during the combustion of fossil fuels. Accordingly, research on the development of environmentally friendly alternative energy is steadily progressing around the world.

이 중 수소 에너지는 환경 친화적이며 에너지 밀도가 높기 때문에 자동차 동력원, 휴대용 전자기기용 연료전지의 연료로 활용이 가능하며, 수소를 연료로 사용하는 연료전지의 가격도 매년 감소하고 있어, 수소 에너지 시대가 앞당겨지고 있다. 수소 연료전지와 같이 수소를 주체로 하는 에너지 경제로의 패러다임 변화가 진행되고 있음에 따라 수소의 수요가 증대되고 있다.Among them, hydrogen energy is environmentally friendly and has a high energy density, so it can be used as a fuel for automobile power sources and fuel cells for portable electronic devices. Is losing. As a paradigm shift toward an energy economy with hydrogen as the main body, such as a hydrogen fuel cell, is progressing, the demand for hydrogen is increasing.

또한, 수소 연료는 직접 연소시킬 때에도 환경오염 물질이 거의 배출되지 않는 청정 연료이고, 수소를 전기로 변환하는 고효율 연료전지의 연료로 활용하는 것도 가능하다는 점에서 가까운 미래의 이상적인 에너지원으로 전망하고 있다.In addition, hydrogen fuel is expected to be an ideal energy source in the near future as it is a clean fuel that hardly emits environmental pollutants even when directly combusted, and can be used as fuel for high-efficiency fuel cells that convert hydrogen into electricity. .

수소 에너지를 효율적으로 이용하기 위해서는 경제적이고 간편한 수소 생산기술이 필요하다. In order to efficiently use hydrogen energy, an economical and simple hydrogen production technology is required.

현재 개발완료 또는 개발 중인 수소생산 기술은 정유, 석유화학, 제철 산업에서 발생하는 부생수소 정제 및 수증기 개질 등의 열화학적 방식, 광촉매나 자외선을 이용하여 물을 분해하거나 태양광으로 전기를 생산하여 물을 분해하는 광화학적 방식, 바이오매스로부터 수소를 생산하는 생물학적 방식 및 전기화학적 방식으로 구분할 수 있다. Hydrogen production technology currently under development or under development is a thermochemical method such as by-product hydrogen refining and steam reforming generated in the oil refining, petrochemical, and steel industries, and water by decomposing water using photocatalysts or ultraviolet rays, or by generating electricity with sunlight. It can be classified into a photochemical method that decomposes, a biological method that produces hydrogen from biomass, and an electrochemical method.

이중 전기화학적 방식(수전해 방식)은 친환경 그린수소 제조 공정으로 각광받고 있다. 수전해 방식은, 외부 전위가 인가될 때, 물을 수소와 산소 기체들로 분해하는 것으로, 소재 및 시스템 구성에 따라 PEM(Proton Exchange Membrane), 알칼라인(alkaline) 및 고체 산화물(solid oxide) 수전해 방식으로 나뉠 수 있다. Among them, the electrochemical method (water electrolysis method) is in the spotlight as an eco-friendly green hydrogen manufacturing process. The water electrolysis method decomposes water into hydrogen and oxygen gases when an external potential is applied, and according to the material and system configuration, PEM (Proton Exchange Membrane), alkaline and solid oxide water electrolysis Can be divided in ways.

수전해 방식에 의해 제조되는 수소의 압력은 전해질막 또는 분리막 소재의 특성에 의존하게 되는데, 단기 운전 조건에서는 200 bar 까지도 가능하지만 장기 운전 조건에서는 안정성 측면을 고려하여 통상적으로 30 bar 내외로 운전하도록 하고 있다.The pressure of hydrogen produced by the water electrolysis method depends on the characteristics of the material of the electrolyte membrane or the separator.In short-term operation conditions, up to 200 bar is possible, but in long-term operation conditions, in consideration of stability, it is usually operated at around 30 bar. have.

수전해 방식의 수소 제조 공정에 있어서, 제조되는 수소의 압력이 30 bar 이상이 되는 운전 조건에서는, 고분자 소재인 전해질막과 분리막의 물리적 안정성이 저하된다. In the hydrogen production process of the water electrolysis method, the physical stability of the electrolyte membrane and the separator, which are polymer materials, deteriorates under operating conditions in which the pressure of the produced hydrogen is 30 bar or more.

특히, 분리막은 가스 투과도가 높기 때문에 수소극과 산소극의 압력을 정밀하게 조정하지 못하면, 제조된 기체가 상대극으로 크로스오버되어 제조하는 수소의 순도가 저하되는 치명적인 문제가 발생한다.In particular, since the separation membrane has a high gas permeability, if the pressures of the hydrogen electrode and the oxygen electrode are not precisely adjusted, the produced gas crossovers to the counter electrode, resulting in a fatal problem of lowering the purity of the produced hydrogen.

이와 같이, 수전해 단위 모듈의 제조 수조 압력은 약 15 ~ 30 bar 정도이나, 산업적으로 사용되기 위해서는 최소 60 ~ 80 bar 이상의 고압으로 제조되는 것이 전체 시스템 효율과 경제성 향상 측면에서 유리하다. As described above, the water tank pressure of the water electrolysis unit module is about 15 to 30 bar, but in order to be used industrially, it is advantageous in terms of improving overall system efficiency and economic efficiency to be manufactured at a high pressure of at least 60 to 80 bar.

기체 상태의 고압수소 수요처, 예를 들어 수소를 자동차에 공급하는 전형적인 기체 충전소는 저장된 수소를 몇몇 분리 탱크들로 나누는 캐스케이드(cascade) 저장 시스템을 이용한다. A typical gas filling station that supplies gaseous high-pressure hydrogen to automobiles, for example, uses a cascade storage system that divides the stored hydrogen into several separate tanks.

저압, 중압 및 고압으로 수소를 각각 저장하는 세 가지의 탱크를 포함하여, 처음에는 충전 대상 차량을 저압 탱크와 연결하여 저압 탱크로부터 저압 수소를 차량 내 탱크와 균등 압력에 도달할 때까지 공급하고, 이후 중압 탱크, 그리고 그 이후 고압 탱크와 연결하여 수소를 공급한다. Including three tanks each storing hydrogen at low pressure, medium pressure and high pressure, the vehicle to be charged is initially connected with the low pressure tank to supply low pressure hydrogen from the low pressure tank until it reaches an equal pressure with the tank in the vehicle, After that, the medium pressure tank and then the high pressure tank are connected to supply hydrogen.

이러한 방법은, 고압 탱크에 수소를 고압으로 저장하기 위한 에너지가 많이 필요로 할 뿐 아니라, 높은 압력에서 수소를 저장하기 위해 탱크 제조 비용이 많이 든다. This method not only requires a lot of energy for storing hydrogen at high pressure in a high pressure tank, but also requires a high cost of manufacturing the tank to store hydrogen at a high pressure.

또한, 수소를 압축하기 위한 기계적인 압축은, 에너지 사용량이 많고, 이동 부재들의 마모, 수소 취화, 윤활유 등에 의한 오염 등의 문제가 따른다. In addition, mechanical compression for compressing hydrogen requires a lot of energy, and causes problems such as wear of moving members, hydrogen embrittlement, contamination by lubricants, and the like.

한편, 전기화학적 수소 압축기는, 일반적으로 양성자 교환 멤브레인들에 의해 분리된 멤브레인-전극 조립체들의 스택들을 포함한다. 각 조립체들은 캐소드, 전해질 멤브레인 및 애노드를 포함한다. 전위 하에서, 수소 기체는 조립체들의 애노드 측에 도입되고 환원되어 양성자들과 전자들을 생성한다. 양성자들은 전해질 멤브레인을 거쳐 캐소드로 이동되고, 전자들과 재결합되어 압축 수소를 형성한다. On the one hand, an electrochemical hydrogen compressor generally comprises stacks of membrane-electrode assemblies separated by proton exchange membranes. Each assembly includes a cathode, an electrolyte membrane and an anode. Under potential, hydrogen gas is introduced and reduced on the anode side of the assemblies to produce protons and electrons. Protons travel through the electrolyte membrane to the cathode and recombine with electrons to form compressed hydrogen.

이러한 전기화학적 수소 압축기들은 일반적으로 빠른 압력 변화에 의해 손상에 민감한 다수의 밀봉부와 멤브레인들의 스택을 포함한다. 캐스케이드 저장 시스템에서 사용되는 압축기는 하나의 저장 탱크로부터 다른 저장탱크로 시퀀스를 정할 때, 예를 들어 고압 연료 탱크로부터 저압 연료 탱크로 시퀀스를 정할 때 빠른 압력 변화를 경험할 수 있다. These electrochemical hydrogen compressors generally contain a stack of membranes and multiple seals that are susceptible to damage by rapid pressure changes. Compressors used in cascade storage systems can experience rapid pressure changes when sequencing from one storage tank to another, for example when sequencing from a high pressure fuel tank to a low pressure fuel tank.

빠른 압력 변화는 대체로 동시에 일어나는데, 초당 수천 Psi에 달하고, 이러한 빠른 압력 변화는 전기화학적 수소 압축기의 손상을 야기하며, 특히 멤브레인의 파손을 야기할 수 있다. Rapid pressure changes usually occur simultaneously, reaching thousands of Psi per second, and these rapid pressure changes cause damage to the electrochemical hydrogen compressor, especially membrane failure.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 물의 전기분해에 의해 수소 제조공정에 있어서, 100 bar 이상의 고압의 수소를 제조하기 위한 캐스케이드 방식의 고압수소 제조 수전해 시스템 및 상기 고압수소 제조 수전해 시스템을 이용한 고압수소 제조 방법을 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다. Accordingly, the present invention is to solve the above-described problem, in the hydrogen production process by electrolysis of water, a cascade-type high-pressure hydrogen production water electrolysis system for producing high-pressure hydrogen of 100 bar or more, and the high-pressure hydrogen production faucet It is an object of the present invention to provide a method for producing high-pressure hydrogen using a sea system.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 반응에 의해 수소 기체를 생성하며, 반응기 내 압력이 배출압력에 도달하면 밸브가 자동개방하여 상기 반응기에서 생성된 수소 기체를 수소 탱크로 이송하며, 상기 반응기를 다수개 병렬로 구비하고, 상기 다수개의 반응기 중 어느 하나의 반응기로부터 상기 수소 탱크로 수소 이송이 완료되면 공백시간 없이 연속적으로 또는 중첩하여 다른 하나의 반응기로부터 상기 수소 탱크로 수소가 이송되도록 함으로써, 상기 수소 탱크의 압력을 증가시키는, 캐스케이드 방식 고압수소 제조 방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention for achieving the above object, hydrogen gas is generated by reaction, and when the pressure in the reactor reaches the discharge pressure, the valve is automatically opened to transfer the hydrogen gas generated in the reactor to the hydrogen tank. And, the plurality of reactors are provided in parallel, and when the transfer of hydrogen from one of the plurality of reactors to the hydrogen tank is completed, hydrogen is continuously or overlapped without a blank time to transfer hydrogen from the other reactor to the hydrogen tank. There is provided a cascade-type high-pressure hydrogen production method for increasing the pressure of the hydrogen tank by allowing it to be transferred.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 반응에 의해 수소 기체를 생성하며, 반응기 내 압력이 배출압력에 도달하면 밸브가 자동개방하여 상기 반응기에서 생성된 수소 기체를 수소 탱크로 이송하며, 상기 반응기를 다수개 병렬로 구비하고, 각 반응기의 배출압력은 동일하게 설정하되, 각 반응기의 구동 시점은 시간차를 두고 다르게 설정하여, 상기 다수개의 반응기 중 어느 하나의 반응기로부터 상기 수소 탱크로 수소 이송이 완료되면 공백시간 없이 다른 하나의 반응기로부터 상기 수소 탱크로 수소가 이송되도록 함으로써, 상기 반응기로부터 수소 탱크로 이송되는 수소의 압력을 중첩하여 상기 수소 탱크의 압력을 증가시키는, 캐스케이드 방식 고압수소 제조 방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention for achieving the above object, hydrogen gas is generated by the reaction, and when the pressure in the reactor reaches the discharge pressure, the valve is automatically opened to transfer the hydrogen gas generated in the reactor to the hydrogen tank. Transfer, and a plurality of the reactors in parallel, and the discharge pressure of each reactor is set the same, but the driving time of each reactor is set differently with a time difference, and the hydrogen tank from any one of the plurality of reactors When the transfer of hydrogen is completed, the pressure of the hydrogen tank is increased by overlapping the pressure of hydrogen transferred from the reactor to the hydrogen tank by allowing hydrogen to be transferred from the other reactor to the hydrogen tank without a blank time. A method for producing hydrogen is provided.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 반응에 의해 수소 기체를 생성하며, 반응기 내 압력이 배출압력에 도달하면 밸브가 자동개방하여 상기 반응기에서 생성된 수소 기체를 수소 탱크로 이송하며, 상기 반응기를 다수개 병렬로 구비하고, 각 반응기의 배출압력을 서로 다르게 설정하여, 상기 다수개의 반응기 중 어느 하나의 반응기로부터 상기 수소 탱크로 수소가 이송되는 중에 다른 하나의 반응기로부터 상기 수소 탱크로 수소가 이송되도록 함으로써, 공백시간 없이 상기 반응기로부터 수소 탱크로 이송되는 수소의 압력을 중첩하여 상기 수소 탱크의 압력을 증가시키는, 캐스케이드 방식 고압수소 제조 방법이 제공된다.In addition, according to another aspect of the present invention for achieving the above object, hydrogen gas is generated by the reaction, and when the pressure in the reactor reaches the discharge pressure, the valve is automatically opened to convert the hydrogen gas generated in the reactor to hydrogen. It is transferred to a tank, and a plurality of the reactors are provided in parallel, and the discharge pressure of each reactor is set differently from one of the other reactors while hydrogen is transferred from one of the plurality of reactors to the hydrogen tank. By allowing hydrogen to be transferred to the hydrogen tank, there is provided a cascade-type high-pressure hydrogen production method in which the pressure of the hydrogen tank is increased by overlapping the pressure of hydrogen transferred from the reactor to the hydrogen tank without a blank time.

바람직하게는, 상기 수소 탱크의 압력이 목표 압력에 도달하면, 상기 수소 탱크에 저장된 수소 기체는 수소 수요처로 공급하고, 상기 수소 탱크의 목표 압력은 상기 반응기의 배출압력보다 높을 수 있다.Preferably, when the pressure of the hydrogen tank reaches a target pressure, the hydrogen gas stored in the hydrogen tank is supplied to a hydrogen consumer, and the target pressure of the hydrogen tank may be higher than the discharge pressure of the reactor.

바람직하게는, 상기 수소 탱크로부터 상기 수소 수요처로 수소 기체 이송하는 것과 동시에 상기 반응기로부터 수소 탱크로 수소가 이송되어 상기 수소 탱크의 압력이 일정하게 유지될 수 있다.Preferably, hydrogen gas is transferred from the hydrogen tank to the hydrogen consumer, and at the same time, hydrogen is transferred from the reactor to the hydrogen tank, so that the pressure of the hydrogen tank can be kept constant.

바람직하게는, 상기 반응기는, 물의 전기분해에 의해 수소를 생성하는 수전해 모듈이고, 상기 수전해 모듈로 전원을 인가하는 전원 공급부는, 계통 전력 또는 신재생 에너지이며, 상기 전원 공급부의 부하 변동에 따라 상기 반응기의 구동 개수를 조절할 수 있다.Preferably, the reactor is a water electrolysis module that generates hydrogen by electrolysis of water, and the power supply for applying power to the water electrolysis module is system power or renewable energy, and Accordingly, the number of drives of the reactor can be adjusted.

바람직하게는, 상기 수전해 모듈로 물을 공급하는 단계; 상기 수전해 모듈로부터 수소 탱크로 이송되는 수소 기체에 포함된 수분을 제거하는 단계; 및 상기 수소 기체로부터 분리제거된 수분을 상기 물을 공급하는 단계로 재순환시키는 단계;를 포함할 수 있다.Preferably, supplying water to the water electrolysis module; Removing moisture contained in the hydrogen gas transferred from the water electrolysis module to the hydrogen tank; And recycling the water separated and removed from the hydrogen gas to the step of supplying the water.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 측면에 의하면, 반응에 의해 수소 기체를 생성하는 다수개의 반응기; 상기 다수개의 반응기로부터 배출된 수소 기체를 저장하는 수소 탱크; 상기 수소 탱크와 상기 다수개의 반응기와의 연결을 각각 개폐하며 상기 반응기 내 압력이 배출압력에 도달하면 자동 개방되어 상기 반응기로부터 수소 기체가 수소 탱크로 이송되도록 하는 다수개의 밸브; 및 상기 다수개의 반응기 중 어느 하나의 반응기로부터 상기 수소 탱크로 수소 기체가 이송될 때, 상기 다른 하나의 반응기가 배출압력에 도달하여 동시에 수소 기체가 상기 수소 탱크로 이송되거나 또는 상기 어느 하나의 반응기로부터 수소 탱크로 수소 기체의 이송이 완료되자마자 상기 다른 하나의 반응기가 배출압력에 도달하도록 상기 반응기의 구동을 제어하여 상기 반응기로부터 수소 탱크로 이송되는 수소의 압력을 중첩하여 상기 수소 탱크의 압력을 증가시키는 제어부;를 포함하는, 캐스케이드 방식 고압수소 제조 수전해 시스템이 제공된다.In addition, according to another aspect of the present invention for achieving the above object, a plurality of reactors for generating hydrogen gas by reaction; A hydrogen tank for storing hydrogen gas discharged from the plurality of reactors; A plurality of valves each opening and closing the connection between the hydrogen tank and the plurality of reactors and automatically opening when the pressure in the reactor reaches the discharge pressure so that the hydrogen gas is transferred from the reactor to the hydrogen tank; And when hydrogen gas is transferred from any one of the plurality of reactors to the hydrogen tank, the other reactor reaches the discharge pressure so that hydrogen gas is simultaneously transferred to the hydrogen tank or from any one of the reactors. As soon as the transfer of hydrogen gas to the hydrogen tank is completed, the pressure of the hydrogen tank is increased by controlling the operation of the reactor so that the other reactor reaches the discharge pressure to overlap the pressure of hydrogen transferred from the reactor to the hydrogen tank. Including, a cascade-type high-pressure hydrogen production water electrolysis system is provided.

바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 다수개의 반응기의 배출압력을 모두 같게 설정하되, 각 반응기의 구동 시점은 시간차를 두고 다르게 설정하여, 상기 다수개의 반응기 중 어느 하나의 반응기로부터 상기 수소 탱크로 수소 이송이 완료되면 공백시간 없이 다른 하나의 반응기로부터 상기 수소 탱크로 수소가 이송되도록 할 수 있다.Preferably, the control unit sets the discharge pressures of the plurality of reactors to be the same, but the driving time of each reactor is set differently with a time difference, and transfers hydrogen from any one of the plurality of reactors to the hydrogen tank. When this is completed, hydrogen can be transferred from the other reactor to the hydrogen tank without a blank time.

바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 다수개의 반응기의 배출압력을 서로 다르게 설정하되, 상기 다수개의 반응기 중 어느 하나의 반응기로부터 상기 수소 탱크로 수소가 이송되는 중에 다른 하나의 반응기로부터 상기 수소 탱크로 수소가 이송되도록 함으로써, 공백시간 없이 상기 반응기로부터 수소 탱크로 이송되는 수소의 압력을 중첩하여 상기 수소 탱크의 압력을 증가시킬 수 있다.Preferably, the control unit sets the discharge pressures of the plurality of reactors differently from each other, while hydrogen is transferred from one of the plurality of reactors to the hydrogen tank, while hydrogen is transferred from the other reactor to the hydrogen tank. By being transferred, it is possible to increase the pressure of the hydrogen tank by overlapping the pressure of hydrogen transferred from the reactor to the hydrogen tank without a blank time.

바람직하게는, 상기 반응기는, 물의 전기분해에 의해 수소를 생성하는 수전해 모듈이고, 상기 수전해 모듈로 전원을 인가하는 전원 공급부;를 더 포함할 수 있다. Preferably, the reactor is a water electrolysis module that generates hydrogen by electrolysis of water, and a power supply unit for applying power to the water electrolysis module; may further include.

바람직하게는, 상기 전원 공급부는, 신재생 에너지이고, 상기 제어부는, 상기 신재생 에너지의 전력 생산 부하에 추종하여 상기 수전해 모듈의 구동 대수를 제어할 수 있다.Preferably, the power supply unit is renewable energy, and the control unit may control the number of driving units of the water electrolysis module in accordance with the power generation load of the renewable energy.

바람직하게는, 상기 전원 공급부는, 계통 전력이고, 상기 제어부는, 상기 수소 수요처의 수소 수요량 변동에 추종하여 상기 수전해 모듈의 구동 대수를 제어할 수 있다. Preferably, the power supply unit is system power, and the control unit may control the number of driving units of the water electrolysis module in accordance with a change in the amount of hydrogen demand of the hydrogen consumer.

본 발명에 따른 캐스케이드 방식 고압수소 제조 수전해 시스템 및 고압수소 제조 방법은, 캐스케이드 형태로 구성된 시스템에 동기변속(synchronized shifting) 방식의 운전 기술을 접목함으로써 수전해 구성 부품소재의 안정성을 유지하면서도, 단위 모듈의 전기화학적 압축 작용을 최대한 활용하여 고압의 수소를 일정 압력을 유지하면서 제조할 수 있다. The cascade-type high-pressure hydrogen production water electrolysis system and the high-pressure hydrogen production method according to the present invention maintain the stability of the component materials of the water electrolysis component by incorporating an operation technology of a synchronous shifting method with a system configured in a cascade form. High-pressure hydrogen can be produced while maintaining a constant pressure by maximizing the electrochemical compression action of the module.

또한, 캐스케이드 방식으로 구성함으로써 멤브레인 등 소재의 문제없이 100 bar 이상의 고압 수소를 저용량부터 대용량까지 제조가 가능하고, 전력 부하 변동 및 수소 수요 변동에 효과적으로 대응할 수 있다.In addition, by configuring in a cascade method, it is possible to manufacture high-pressure hydrogen of 100 bar or more from low to large capacity without problems with materials such as membranes, and it is possible to effectively respond to fluctuations in power load and hydrogen demand.

또한, 소재의 안정성이 확보되므로, 수전해 단위 모듈의 운전 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 운전 안정성 및 응답성이 향상되어 풍력이나 태양광 등 신재생에너지 및 전력계통과 연계하여 저가의 전력을 효과적으로 사용할 수 있고, 따라서 운전 비용을 절감할 수 있다. In addition, since the stability of the material is secured, not only can the operation efficiency of the electrolysis unit module be increased, but operation stability and responsiveness are improved, so that low-cost power can be effectively used by linking with new renewable energy and power systems such as wind power and solar power. Can be used, thus reducing operating costs.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐스케이드 방식 고압수소 제조 수전해 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 운전모드(operating mode Ⅰ)에 따른 시간별 수소 제조 압력을 나타낸 수소 제조 시나리오 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제2 운전모드(operating mode Ⅱ)에 따른 시간별 수소 제조 압력을 나타낸 수소 제조 시나리오 그래프이다.
1 is a schematic diagram of a cascade-type high-pressure hydrogen manufacturing water electrolysis system according to an embodiment of the present invention.
2 is a hydrogen production scenario graph showing the hydrogen production pressure by time according to the first operating mode (operating mode I) of the present invention.
3 is a hydrogen production scenario graph showing the hydrogen production pressure by time according to the second operation mode (operating mode II) of the present invention.

본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the operational advantages of the present invention and the object achieved by the implementation of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the configuration and operation of a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Here, in adding reference numerals to elements of each drawing, it should be noted that only the same elements are marked with the same numerals as possible, even if they are indicated on different drawings. In addition, the following examples may be modified in various different forms, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐스케이드 방식 고압수소 제조 수전해 시스템 및 고압수소 제조 방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a cascade-type high-pressure hydrogen manufacturing water electrolysis system and a high-pressure hydrogen manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.

본 발명의 일 실시예에 따른 캐스케이드 방식 고압수소 제조 수전해 시스템은, 물을 저장하는 물 저장탱크(100); 물을 전기분해하여 수소와 산소를 생성하는 하나 이상의 단위 수전해 모듈(AWA-1, AWA-2, AWA-3)을 포함하는 수전해 모듈(300); 수전해 모듈(300)로 전원을 인가하는 전원 공급부(200); 수전해 모듈(300)의 수소극에서 배출되는 수소 기체를 저장하는 수소 탱크(500); 수전해 모듈(300)의 산소극에서 배출되는 산소 기체를 저장하는 산소 탱크(700); 및 전원 공급부(200)의 전력 부하 및 수소 수요처의 수소 수요 변동에 따라 다수개의 수전해 모듈(300)의 구동 여부와 다수개의 수전해 모듈(300) 중 어느 하나 이상과 수소 탱크(500)를 연결하는 밸브(HV, V2, V2, V3)의 개폐를 제어하는 제어부(미도시);를 포함한다. The cascade-type high-pressure hydrogen production water electrolysis system according to an embodiment of the present invention includes a water storage tank 100 for storing water; A water electrolysis module 300 including one or more unit water electrolysis modules (AWA-1, AWA-2, AWA-3) for generating hydrogen and oxygen by electrolyzing water; A power supply unit 200 for applying power to the water electrolysis module 300; A hydrogen tank 500 for storing hydrogen gas discharged from the hydrogen electrode of the water electrolysis module 300; An oxygen tank 700 for storing oxygen gas discharged from the oxygen electrode of the water electrolysis module 300; And whether the plurality of electrolysis modules 300 are driven according to the power load of the power supply unit 200 and the hydrogen demand fluctuation of the hydrogen consumer, and connects the hydrogen tank 500 with one or more of the plurality of electrolysis modules 300 It includes; a control unit (not shown) for controlling the opening and closing of the valves (HV, V2, V2, V3).

또한, 물 저장탱크(100)로부터 수전해 모듈(300)로 물을 공급하는 물 공급 펌프(110); 및 물 공급 펌프(110)에 의해 수전해 모듈(300)로 공급되는 물의 유량을 측정하는 제1 유량계(120);를 더 포함할 수 있다. In addition, a water supply pump 110 for supplying water from the water storage tank 100 to the water electrolysis module 300; And a first flow meter 120 that measures the flow rate of water supplied to the water electrolysis module 300 by the water supply pump 110.

또한, 수전해 모듈(300)의 수소극으로부터 배출되는 유체를 기액분리하는 제1 기액분리기(400); 제1 기액분리기(400)에서 분리된 기체 상태의 수소에 포함된 수분을 제거하는 제1 수분 제거기(410); 제1 수분 제거기(410)에서 수분이 제거된 후 배출되는 수소 기체에 포함된 응축물을 걸러내는 제1 응축트랩(420); 및 수소 탱크(500)로 이송되는 수소 기체의 유량을 측정하는 수소 유량계(430);를 더 포함할 수 있다.In addition, a first gas-liquid separator 400 for gas-liquid separating the fluid discharged from the hydrogen electrode of the water electrolysis module 300; A first moisture remover 410 for removing moisture contained in gaseous hydrogen separated by the first gas-liquid separator 400; A first condensation trap 420 for filtering condensate contained in the hydrogen gas discharged after moisture is removed by the first moisture remover 410; And a hydrogen flow meter 430 that measures the flow rate of the hydrogen gas transferred to the hydrogen tank 500.

또한, 수전해 모듈(300)의 산소극으로부터 배출되는 유체를 기액분리하는 제2 기액분리기(600); 제2 기액분리기(600)에서 분리된 기체 상태의 산소에 포함된 수분을 제거하는 제2 수분 제거기(610); 제2 수분 제거기(610)에서 수분이 제거된 후 배출되는 산소 기체에 포함된 응축물을 걸러내는 제2 응축트랩(620); 및 산소 탱크(700)로 이송되는 산소 기체의 유량을 측정하는 산소 유량계(630);를 더 포함할 수 있다. In addition, a second gas-liquid separator 600 for gas-liquid separating the fluid discharged from the oxygen electrode of the water electrolysis module 300; A second moisture remover 610 for removing moisture contained in the gaseous oxygen separated by the second gas-liquid separator 600; A second condensation trap 620 for filtering condensate contained in the oxygen gas discharged after moisture is removed by the second moisture remover 610; And an oxygen flow meter 630 that measures the flow rate of oxygen gas transferred to the oxygen tank 700.

물 저장탱크(100)와 수전해 모듈(300)을 연결하는 물 공급라인(WL)을 따라 수전해 모듈(300)의 반응기로 물이 공급되고, 전원 공급부(200)에 의해 각 반응기로 전원이 인가되면, 전기분해 반응에 의해 물이 수소와 산소로 분해된다. Water is supplied to the reactor of the water electrolysis module 300 along the water supply line (WL) connecting the water storage tank 100 and the water electrolysis module 300, and power is supplied to each reactor by the power supply unit 200. When applied, water is decomposed into hydrogen and oxygen by an electrolytic reaction.

다수개의 수전해 모듈(300)은 배출압력(back pressure)이 설정되어 있다. 전기분해 반응에 의해 각 모듈(300)에서 생성된 수소 기체의 압력이 배출압력에 도달하면, 제1 밸브(V1), 제2 밸브(V2) 및 제3 밸브(V3)가 자동 개방되어 수소 기체는 수전해 모듈(300)로부터 배출되어 기액분리기(400), 제1 수분제거기(410), 제1 응축트랩(420) 및 수소 유량계(430)를 거쳐 수소 탱크(500)에 저장된다. A plurality of water electrolysis modules 300 has a discharge pressure (back pressure) is set. When the pressure of the hydrogen gas generated in each module 300 by the electrolysis reaction reaches the discharge pressure, the first valve (V1), the second valve (V2), and the third valve (V3) are automatically opened to generate hydrogen gas. Is discharged from the water electrolysis module 300 and stored in the hydrogen tank 500 through a gas-liquid separator 400, a first moisture remover 410, a first condensation trap 420, and a hydrogen flow meter 430.

수소 탱크(500)에는 수전해 모듈(300)로부터 배출되는 수소의 배출압력 이상의 압력으로 수소가 저장된다. Hydrogen is stored in the hydrogen tank 500 at a pressure equal to or higher than the discharge pressure of hydrogen discharged from the water electrolysis module 300.

본 실시예에서 단위 수전해 모듈(AWA-1, AWA-2, AWA-3) 각각의 수소 배출압력은, 약 15 bar 내지 100 bar일 수 있으며, 케스캐이드로 구성함으로써 고압으로 수소를 배출하더라도 수전해 모듈(300)의 안정성을 저해하지 않을 수 있다.In this embodiment, the hydrogen discharge pressure of each of the unit water electrolysis modules (AWA-1, AWA-2, AWA-3) may be about 15 bar to 100 bar. The stability of the module 300 may not be impaired.

따라서, 본 실시예에 따르면, 수소 탱크(500)로부터 수소 수요처로 약 100 bar 이상의 고압 수소를 공급할 수 있다. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to supply high-pressure hydrogen of about 100 bar or more from the hydrogen tank 500 to a hydrogen consumer.

제1 기액분리기(400)에서 수소 기체로부터 분리된 액체 상태의 물은 제1 기액분리기(400)와 물 저장탱크(100)를 연결하는 제1 물 회수라인(WL1)을 따라 물 저장탱크(100) 측으로 회수되고, 제2 기액분리기(600)에서 산소 기체로부터 분리된 액체 상태의 물은 제2 기액분리기(600)와 물 저장탱크(100)를 연결하는 제2 물 회수라인(WL2)을 따라 물 저장탱크(100) 측으로 회수될 수 있다. The liquid water separated from the hydrogen gas in the first gas-liquid separator 400 is a water storage tank 100 along the first water recovery line WL1 connecting the first gas-liquid separator 400 and the water storage tank 100. ) And separated from the oxygen gas in the second gas-liquid separator 600 along the second water recovery line WL2 connecting the second gas-liquid separator 600 and the water storage tank 100 It can be recovered to the water storage tank 100 side.

또한, 제1 기액분리기(400) 및 제2 기액분리기(600)로부터 배출된 물을 물 저장탱크(100)로 회수하는 물 회수펌프(800);를 더 포함할 수 있다. In addition, a water recovery pump 800 for recovering the water discharged from the first gas-liquid separator 400 and the second gas-liquid separator 600 to the water storage tank 100 may be further included.

도 1에 도시된 바와 같이, 제1 물 회수라인(WL1)과 제2 물 회수라인(WL2)은 물 회수펌프(800)의 상류에서 하나의 라인으로 통합될 수 있다. As shown in FIG. 1, the first water recovery line WL1 and the second water recovery line WL2 may be integrated into one line upstream of the water recovery pump 800.

한편, 본 실시예의 전원 공급부(200)는, 기저 전력(계통 전력) 및 신재생에너지일 수 있다. 신재생에너지는 예를 들어, 외부 여러 요인에 의해 생산되는 전력 변동이 큰 풍력발전 에너지나 태양광발전 에너지 등을 포함할 수 있다. Meanwhile, the power supply unit 200 of the present embodiment may be base power (system power) and new renewable energy. Renewable energy may include, for example, wind power generation energy or solar power generation energy with large fluctuations in power generated by external factors.

본 실시예에 따르면, 전원 공급부(200)가 신재생에너지를 사용할 때에는, 전력 변동에 부하 추종되어, 다수개의 단위 수전해 모듈(AWA-1, AWA-2, AWA-3)을 포함하는 수전해 모듈(300)의 운전 수량이 변동되어 운전될 수 있다. According to the present embodiment, when the power supply unit 200 uses renewable energy, it is load-followed by power fluctuations, and water electrolysis including a plurality of unit water electrolysis modules (AWA-1, AWA-2, AWA-3). The operation quantity of the module 300 may be changed and operated.

또한, 전원 공급부(200)가 기저 전력을 사용할 때에는, 수소 수요처의 수소 이용 부하 변동에 따라 다수개의 단위 수전해 모듈(AWA-1, AWA-2, AWA-3)을 포함하는 수전해 모듈(300)의 운전 수량이 변동되어 운전될 수 있다. In addition, when the power supply unit 200 uses the base power, the water electrolysis module 300 including a plurality of unit water electrolysis modules AWA-1, AWA-2, AWA-3 according to the change of the hydrogen usage load of the hydrogen demand source. ) Can be operated due to changes in the number of operations.

본 실시예에 따른 캐스케이드 방식의 고압수소 제조 방법은, 제1 운전모드;와 제2 운전모드;로 운전될 수 있다. The cascade-type high-pressure hydrogen manufacturing method according to the present embodiment may be operated in a first operation mode and a second operation mode.

고압 수소를 수소 수요처로 공급하는데 있어서, 대용량의 수전해 모듈 1대보다는, 소용량의 수전해 모듈 다수개를 병렬로 구성하여, 수소 수요 변동에 따라 구동시키는 수전해 모듈의 개수를 조절하여 수소를 생성하고 공급하는 것이 더욱 효과적이다. In supplying high-pressure hydrogen to hydrogen consumers, rather than one large-capacity water-electrolysis module, multiple small-capacity water-electrolysis modules are configured in parallel to generate hydrogen by controlling the number of water-electrolysis modules driven according to fluctuations in hydrogen demand It is more effective to do and supply.

이 방식에 있어서, 단위 수전해 모듈의 반응기 압력이, 미리 설정된 배출압력, 예를 들어 본 실시예에서 약 15 내지 30 bar에 도달하게 되면, 수소 탱크(500)와 다수개의 단위 수전해 모듈(AWA-1, AWA-2, AWA-3) 중 배출압력에 도달한 단위 수전해 모듈(AWA-1, AWA-2, AWA-3)을 연결하는 밸브(V1, V2, V3)를 개방하여 수소 기체가 수소 탱크(500)를 채우도록 한다. In this way, when the reactor pressure of the unit water electrolysis module reaches a preset discharge pressure, for example, about 15 to 30 bar in this embodiment, the hydrogen tank 500 and a plurality of unit water electrolysis modules (AWA Hydrogen gas by opening the valves (V1, V2, V3) connecting the unit water electrolysis modules (AWA-1, AWA-2, AWA-3) that have reached the discharge pressure among -1, AWA-2, AWA-3) To fill the hydrogen tank 500.

수전해 모듈(300)의 반응기로부터 수소 탱크(500)로 수소 기체가 채워질수록 수소 탱크(500)의 압력은 상승한다. 그 반면 수전해 모듈(300)의 반응기의 압력은 낮아진다. 수소 탱크(500)로 수소를 공급함으로써 낮아진 수전해 모듈(300)의 반응기 압력을 다시 배출압력까지 높이기 위해서는 반응기 용량에 따라 다르지만 일정시간이 소요된다. As the hydrogen gas is filled from the reactor of the water electrolysis module 300 into the hydrogen tank 500, the pressure of the hydrogen tank 500 increases. On the other hand, the pressure of the reactor of the water electrolysis module 300 is lowered. In order to increase the reactor pressure of the water electrolysis module 300 lowered by supplying hydrogen to the hydrogen tank 500 to the discharge pressure again, depending on the reactor capacity, a certain time is required.

따라서, 어느 하나의 수전해 모듈(300)에서 다시 수소를 생산하여 수소 탱크(500)로 공급하기까지 불가피한 공백 시간이 생기게 된다. Accordingly, there is an inevitable blank time until hydrogen is produced again in any one of the water electrolysis modules 300 and supplied to the hydrogen tank 500.

본 발명에 따른 캐스케이드 방식의 고압수소 제조 방법은, 이러한 공백 시간을 없애고, 수전해 모듈(300)에서 생산되는 수소의 최고 압력보다 높은 고압의 수소를 연속적이고 안정적으로 수소 수요처에 공급할 수 있다. The cascade-type high-pressure hydrogen production method according to the present invention eliminates such blank time, and can continuously and stably supply hydrogen having a high pressure higher than the maximum pressure of hydrogen produced in the water electrolysis module 300 to a hydrogen consumer.

먼저 본 실시예에 따른 제1 운전모드는, 운전 초기에 다수개의 수전해 모듈(300)의 구동 시점을 각기 다르게 설정한다. First, in the first operation mode according to the present embodiment, the driving times of the plurality of electrolysis modules 300 are set differently at the initial stage of operation.

도면에는 생략되어 있지만, 본 실시예에서, 수전해 모듈(300)은 총 5개의 단위 수전해 모듈, 즉, 제1 수전해 모듈(AWA-1), 제2 수전해 모듈(AWA-2) 및 제3 수전해 모듈(AWA-3)을 포함하여 총 5개의 수전해 모듈을 포함(도 2 참조)하는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다. Although omitted in the drawings, in this embodiment, the water electrolysis module 300 includes a total of five units water electrolysis module, that is, the first water electrolysis module AWA-1, the second water electrolysis module AWA-2, and A case in which a total of five hydro-electrolysis modules including the third hydro-electrolysis module (AWA-3) is included (see FIG. 2) will be described as an example.

여기서, 제1 수전해 모듈(AWA-1), 제2 수전해 모듈(AWA-2) 및 제3 수전해 모듈(AWA-3)의 배출압력은 각각 약 30 bar로 설정할 수 있고, 이때, 하나의 수전해 모듈의 반응기의 배출압력이 배출압력에 도달하기까지의 시간이 약 1/3시간(도 2의 X축 참고)이라 가정하고, 반응기 압력이 배출압력으로부터 다시 다음번 배출압력에 도달하기까지의 시간은 약 4/3 시간이라 가정한다. Here, the discharge pressures of the first water electrolysis module (AWA-1), the second water electrolysis module (AWA-2), and the third water electrolysis module (AWA-3) may be set to about 30 bar, respectively, at this time, one Assuming that the time until the discharge pressure of the reactor of the water electrolysis module reaches the discharge pressure is about 1/3 hours (refer to the X-axis in Fig. 2), the reactor pressure is from the discharge pressure to the next discharge pressure. Assume that the time of is about 4/3 hours.

본 발명의 제1 운전모드에 따르면, 운전을 시작할 때, 다수개의 수전해 모듈을 동시에 구동시키는 것이 아니라, 제1 수전해 모듈(AWA-1)을 먼저 구동시키고, 제2 수전해 모듈(AWA-2)을 제1 수전해 모듈(AWA-1)이 배출압력에 도달한 시점에 구동을 시작한다. According to the first operation mode of the present invention, when starting the operation, a plurality of electrolysis modules are not simultaneously driven, but the first electrolysis module AWA-1 is first driven, and the second electrolysis module AWA- 2) The first water electrolysis module (AWA-1) starts to drive when it reaches the discharge pressure.

마찬가지로, 제2 수전해 모듈(AWA-2)이 배출압력에 도달한 시점에 제3 수전해 모듈(AWA-3)의 구동을 시작하고, 제3 수전해 모듈(AWA-3)이 배출압력에 도달한 시점에 제4 수전해 모듈의 구동을 시작하며, 제4 수전해 모듈이 배출압력에 도달한 시점에 제5 수전해 모듈의 구동을 시작한다.Similarly, when the second water electrolysis module AWA-2 reaches the discharge pressure, the third water electrolysis module AWA-3 starts to drive, and the third water electrolysis module AWA-3 reaches the discharge pressure. At the time point reached, the fourth water electrolysis module starts to be driven, and when the fourth water electrolysis module reaches the discharge pressure, the fifth water electrolysis module starts to drive.

도 2의 그래프에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 수전해 모듈(AWA-1)이 배출압력에 도달하여 수소가 수소 탱크(500)로 공급됨에 따라 제1 수전해 모듈(AWA-1)의 반응기 압력은 낮아지고, 제1 수전해 모듈(AWA-1)이 다시 배출압력에 도달하기까지 제2 수전해 모듈(AWA-2), 제3 수전해 모듈(AWA-3), 제4 수전해 모듈 및 제5 수전해 모듈이 연쇄적으로 배출압력에 도달하게 되어, 수전해 모듈(300)로부터 수소 탱크(500)로의 수소 공급이 연쇄적으로 일어난다. As shown in the graph of FIG. 2, as the first water electrolysis module AWA-1 reaches the discharge pressure and hydrogen is supplied to the hydrogen tank 500, the reactor of the first water electrolysis module AWA-1 The pressure is lowered, and until the first water electrolysis module (AWA-1) reaches the discharge pressure again, the second water electrolysis module (AWA-2), the third water electrolysis module (AWA-3), and the fourth water electrolysis module And the fifth electrolysis module reaches the discharge pressure in a chain, the hydrogen supply from the electrolysis module 300 to the hydrogen tank 500 occurs in a chain.

수소 탱크(500)로 수소가 공급됨에 따라 수소 탱크(500)에 압력은 점점 상승하고, 약 100 bar까지 상승할 수 있다. As hydrogen is supplied to the hydrogen tank 500, the pressure in the hydrogen tank 500 gradually increases and may rise to about 100 bar.

수전해 모듈(300)의 가동 대수는, 수소 탱크(500)로부터 수소 수요처로 공급되는 수소의 유량 또는 유속, 즉, 수소 수요처의 수소 수요에 따라 제어할 수 있다. 또한, 가동 시점 역시 수소 공급 조건에 따라 다르게 설정할 수 있다. The number of units in operation of the water electrolysis module 300 can be controlled according to the flow rate or flow rate of hydrogen supplied from the hydrogen tank 500 to the hydrogen consumer, that is, the hydrogen demand of the hydrogen consumer. In addition, the timing of operation can also be set differently depending on the hydrogen supply conditions.

이와 같이, 제1 운전모드에 따르면, 수소 탱크(500)로부터 수소 수요처로 고압의 수소를 공급하는데 있어서, 다수개의 수전해 모듈(300)의 초기 구동 시점을 동기 변속(synchronized shifting) 방식으로 설정함으로써, 수전해 모듈(300)에서 생성되는 수소의 압력을 전체적으로 일정하게 유지하면서도, 각 단위 모듈을 캐스케이드 형식으로 구성하여, 동일한 압력의 수소를 연속적으로, 안정적으로 공급해줄 수 있다.As described above, according to the first operation mode, in supplying high-pressure hydrogen from the hydrogen tank 500 to the hydrogen consumer, the initial driving time of the plurality of electrolysis modules 300 is set in a synchronous shifting method. , While maintaining the overall pressure of hydrogen generated in the water electrolysis module 300, each unit module is configured in a cascade format, so that hydrogen of the same pressure can be continuously and stably supplied.

제1 운전모드에 따르면, 수소 탱크(500)를 구비하지 않고도, 일정한 압력의 수소를 수소 수요처나 별도의 압축기로 안정적으로 직접 연속 공급할 수도 있다. According to the first operation mode, it is possible to stably and continuously supply hydrogen at a constant pressure to a hydrogen consumer or to a separate compressor without having the hydrogen tank 500.

본 실시예에 따른 제2 운전모드는, 다수개의 수전해 모듈(300) 중 각 단위 수전해 모듈(AWA-1, AWA-2, AWA-3)과 수소 탱크(500)의 연결을 개폐하는 각 밸브(V1, V2, V3)의 개방 시점을 각기 다르게 설정하는 것을 특징으로 한다. The second operation mode according to the present embodiment is to open and close the connection between each unit water electrolysis module (AWA-1, AWA-2, AWA-3) and the hydrogen tank 500 among the plurality of water electrolysis modules 300. It is characterized in that the opening points of the valves V1, V2, and V3 are set differently.

본 실시예에 따른 제2 운전모드는, 수전해 모듈(300)이 총 3개의 단위 수전해 모듈, 즉, 제1 수전해 모듈(AWA-1), 제2 수전해 모듈(AWA-2) 및 제3 수전해 모듈(AWA-3)을 포함하는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.In the second operation mode according to the present embodiment, the water electrolysis module 300 includes a total of three units water electrolysis module, that is, a first water electrolysis module AWA-1, a second water electrolysis module AWA-2, and It will be described as an example that includes the third water electrolysis module (AWA-3).

또한, 각 단위 수전해 모듈(AWA-1, AWA-2, AWA-3)의 반응기 배출압력은 각각 다르게 설정될 수 있다. In addition, the reactor discharge pressure of each unit water electrolysis module (AWA-1, AWA-2, AWA-3) may be set differently.

제1 수전해 모듈(AWA-1)에서 물의 전기분해에 의해 수소 기체가 생성됨에 따라 제1 수전해 모듈(AWA-1)의 반응기가 배출압력에 도달하여 제1 밸브(V1)가 개방되면, 제1 수전해 모듈(AWA-1)의 반응기로부터 수소 탱크(500)로 수소 기체가 채워진다. As hydrogen gas is generated by electrolysis of water in the first water electrolysis module AWA-1, when the reactor of the first water electrolysis module AWA-1 reaches the discharge pressure and the first valve V1 is opened, Hydrogen gas is filled into the hydrogen tank 500 from the reactor of the first water electrolysis module AWA-1.

본 실시예에 따르면, 제1 수전해 모듈(AWA-1)로부터 수소 탱크(500)로 수소가 이송되고 있는 중에, 제2 수전해 모듈(AWA-2) 및/또는 제2 수전해 모듈(AWA-3)의 반응기가 배출압력에 도달하도록 제2 밸브(V2) 및/또는 제3 밸브(V3)의 개방 시간을 조절한다. According to this embodiment, while hydrogen is being transferred from the first water electrolysis module AWA-1 to the hydrogen tank 500, the second water electrolysis module AWA-2 and/or the second water electrolysis module AWA Adjust the opening time of the second valve (V2) and/or the third valve (V3) so that the reactor of -3) reaches the discharge pressure.

즉, 예를 들어, 제1 수전해 모듈(AWA-1)로부터 수소 탱크(500)로 수소가 채워지고 있는 동안에 제2 수전해 모듈(AWA-2)과 수소 탱크(500)를 연결하는 제2 밸브(V2)가 개방되도록 하여, 제2 수전해 모듈(AWA-2)로부터 수소 탱크(500)로도 수소가 채워지도록 함으로써, 수소 탱크(500)로의 압력을 중첩(도 3 참조)시킨다. That is, for example, while hydrogen is being filled into the hydrogen tank 500 from the first water electrolysis module AWA-1, the second water electrolysis module AWA-2 and the hydrogen tank 500 are connected. The valve V2 is opened so that hydrogen is also filled into the hydrogen tank 500 from the second water electrolysis module AWA-2, thereby overlapping the pressure to the hydrogen tank 500 (see FIG. 3).

이와 같이, 본 실시예에 따르면, 각 단위 수전해 모듈을 직렬 운전함으로써, 반응기 배출압력보다 수소 탱크(500)의 압력을 더 높은 압력까지 승압시킬 수 있는 효과가 있다. As described above, according to the present embodiment, there is an effect of increasing the pressure of the hydrogen tank 500 to a higher pressure than the reactor discharge pressure by operating each unit water electrolysis module in series.

도 3을 참조하면, 제2 운전모드는, 수소의 수요 압력에 따라 각 단위 수전해 모듈의 압력을 단계적으로 승압시키고, 이를 통해 수소 탱크(500)로부터 수소 수요처로 압축된 고압 수소를 공급할 수 있다. Referring to FIG. 3, in the second operation mode, the pressure of each unit hydroelectrolysis module is stepped up according to the demand pressure of hydrogen, and through this, compressed high-pressure hydrogen can be supplied from the hydrogen tank 500 to a hydrogen consumer. .

이상과 같이 본 발명에 따른 실시 예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로 상술한 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고, 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.As described above, the embodiments according to the present invention have been looked at, and the fact that the present invention can be embodied in other specific forms without departing from its spirit or scope other than the above-described embodiments is understood by those of ordinary skill in the art. It is self-evident to Therefore, the above-described embodiments should be regarded as illustrative rather than restrictive, and accordingly, the present invention is not limited to the above description, and may be changed within the scope of the appended claims and their equivalents.

100 : 물 저장 탱크
110 : 물 공급 펌프
120 : 제1 유량계
200 : 전원 공급부
300 : 수전해 모듈
400 : 제1 기액 분리기
410 : 제1 수분 제거기
420 : 제1 응축트랩
430 : 수소 유량계
500 : 수소 탱크
600 : 제2 기액 분리기
610 : 제2 수분 제거기
620 : 제2 응축트랩
630 : 산소 유량계
700 : 산소 탱크
800 : 물 회수 펌프
V1 : 제1 밸브 V2 : 제2 밸브 V3 : 제3 밸브
HV : 수소 밸브 OV : 산소 밸브
WL : 물 공급라인
HL : 수소 라인 GL1 : 수소 기체라인 WL1 : 제1 물 회수라인
OL : 산소 라인 GL2 : 산소 기체라인 WL2 : 제2 물 회수라인
100: water storage tank
110: water supply pump
120: first flow meter
200: power supply
300: water electrolysis module
400: first gas-liquid separator
410: first moisture remover
420: first condensation trap
430: hydrogen flow meter
500: hydrogen tank
600: second gas-liquid separator
610: second moisture remover
620: second condensation trap
630: oxygen flow meter
700: oxygen tank
800: water recovery pump
V1: 1st valve V2: 2nd valve V3: 3rd valve
HV: Hydrogen valve OV: Oxygen valve
WL: Water supply line
HL: hydrogen line GL1: hydrogen gas line WL1: first water recovery line
OL: oxygen line GL2: oxygen gas line WL2: second water recovery line

Claims (13)

반응에 의해 수소 기체를 생성하며, 반응기 내 압력이 배출압력에 도달하면 밸브가 자동개방하여 상기 반응기에서 생성된 수소 기체를 수소 탱크로 이송하며,
상기 반응기를 다수개 병렬로 구비하고,
상기 다수개의 반응기 중 어느 하나의 반응기로부터 상기 수소 탱크로 수소 이송이 완료되면 공백시간 없이 연속적으로 또는 중첩하여 다른 하나의 반응기로부터 상기 수소 탱크로 수소가 이송되도록 함으로써, 상기 수소 탱크의 압력을 증가시키는, 캐스케이드 방식 고압수소 제조 방법.
Hydrogen gas is generated by the reaction, and when the pressure in the reactor reaches the discharge pressure, the valve automatically opens to transfer the hydrogen gas generated in the reactor to the hydrogen tank,
Having a plurality of the reactors in parallel,
When the transfer of hydrogen from one of the plurality of reactors to the hydrogen tank is completed, hydrogen is transferred from the other reactor to the hydrogen tank continuously or overlapping without a blank time, thereby increasing the pressure of the hydrogen tank. , Cascade method of high-pressure hydrogen manufacturing method.
청구항 1에 있어서,
상기 각 반응기의 배출압력은 동일하게 설정하되, 각 반응기의 구동 시점은 시간차를 두고 다르게 설정하여, 상기 반응기로부터 수소 탱크로 이송되는 수소의 압력을 중첩하여 상기 수소 탱크의 압력을 증가시키는 캐스케이드 방식 고압수소 제조 방법.
The method according to claim 1,
The discharge pressure of each reactor is set the same, but the driving time of each reactor is set differently with a time difference, and the pressure of the hydrogen tank is increased by overlapping the pressure of hydrogen transferred from the reactor to the hydrogen tank. Hydrogen production method.
청구항 1에 있어서,
상기 각 반응기의 배출압력을 서로 다르게 설정하여, 상기 다수개의 반응기 중 어느 하나의 반응기로부터 상기 수소 탱크로 수소가 이송되는 중에 다른 하나의 반응기로부터 상기 수소 탱크로 수소가 이송되도록 함으로써, 상기 반응기로부터 수소 탱크로 이송되는 수소의 압력을 중첩하여 상기 수소 탱크의 압력을 증가시키는, 캐스케이드 방식 고압수소 제조 방법.
The method according to claim 1,
By setting the discharge pressure of each of the reactors differently, hydrogen is transferred from the other reactor to the hydrogen tank while hydrogen is transferred from one of the plurality of reactors to the hydrogen tank. A cascade method of high-pressure hydrogen production method of increasing the pressure of the hydrogen tank by overlapping the pressure of hydrogen transferred to the tank.
청구항 2 또는 3에 있어서,
상기 수소 탱크의 압력이 목표 압력에 도달하면, 상기 수소 탱크에 저장된 수소 기체는 수소 수요처로 공급하고,
상기 수소 탱크의 목표 압력은 상기 반응기의 배출압력보다 높은, 캐스케이드 방식 고압수소 제조 방법.
The method according to claim 2 or 3,
When the pressure in the hydrogen tank reaches the target pressure, the hydrogen gas stored in the hydrogen tank is supplied to a hydrogen consumer,
The target pressure of the hydrogen tank is higher than the discharge pressure of the reactor, a cascade-type high-pressure hydrogen production method.
청구항 4에 있어서,
상기 수소 탱크로부터 상기 수소 수요처로 수소 기체 이송하는 것과 동시에 상기 반응기로부터 수소 탱크로 수소가 이송되어 상기 수소 탱크의 압력이 일정하게 유지되는, 캐스케이드 방식 고압수소 제조 방법.
The method of claim 4,
Hydrogen gas is transferred from the hydrogen tank to the hydrogen consumer, and hydrogen is transferred from the reactor to the hydrogen tank so that the pressure of the hydrogen tank is kept constant.
청구항 2 또는 3에 있어서,
상기 반응기는, 물의 전기분해에 의해 수소를 생성하는 수전해 모듈이고,
상기 수전해 모듈로 전원을 인가하는 전원 공급부는,
계통 전력 또는 신재생 에너지이며,
상기 전원 공급부의 부하 변동에 따라 상기 반응기의 구동 개수를 조절하는, 캐스케이드 방식 고압수소 제조 방법.
The method according to claim 2 or 3,
The reactor is a water electrolysis module that generates hydrogen by electrolysis of water,
A power supply unit for applying power to the water electrolysis module,
Grid power or renewable energy,
A cascade-type high-pressure hydrogen manufacturing method for controlling the number of drives of the reactor according to a change in the load of the power supply unit.
청구항 6에 있어서,
상기 수전해 모듈로 물을 공급하는 단계;
상기 수전해 모듈로부터 수소 탱크로 이송되는 수소 기체에 포함된 수분을 제거하는 단계; 및
상기 수소 기체로부터 분리제거된 수분을 상기 물을 공급하는 단계로 재순환 시키는 단계;를 포함하는, 캐스케이드 방식 고압수소 제조 방법.
The method of claim 6,
Supplying water to the water electrolysis module;
Removing moisture contained in the hydrogen gas transferred from the water electrolysis module to the hydrogen tank; And
Recirculating the water separated and removed from the hydrogen gas to the step of supplying the water; including, cascade-type high-pressure hydrogen production method.
반응에 의해 수소 기체를 생성하는 다수개의 반응기;
상기 다수개의 반응기로부터 배출된 수소 기체를 저장하는 수소 탱크;
상기 수소 탱크와 상기 다수개의 반응기와의 연결을 각각 개폐하며 상기 반응기 내 압력이 배출압력에 도달하면 자동 개방되어 상기 반응기로부터 수소 기체가 수소 탱크로 이송되도록 하는 다수개의 밸브; 및
상기 다수개의 반응기 중 어느 하나의 반응기로부터 상기 수소 탱크로 수소 기체가 이송될 때, 상기 다른 하나의 반응기가 배출압력에 도달하여 동시에 수소 기체가 상기 수소 탱크로 이송되거나 또는 상기 어느 하나의 반응기로부터 수소 탱크로 수소 기체의 이송이 완료되자마자 상기 다른 하나의 반응기가 배출압력에 도달하도록 상기 반응기의 구동을 제어하여 상기 반응기로부터 수소 탱크로 이송되는 수소의 압력을 중첩하여 상기 수소 탱크의 압력을 증가시키는 제어부;를 포함하는, 캐스케이드 방식 고압수소 제조 수전해 시스템.
A plurality of reactors for generating hydrogen gas by reaction;
A hydrogen tank for storing hydrogen gas discharged from the plurality of reactors;
A plurality of valves each opening and closing the connection between the hydrogen tank and the plurality of reactors and automatically opening when the pressure in the reactor reaches the discharge pressure so that the hydrogen gas is transferred from the reactor to the hydrogen tank; And
When hydrogen gas is transferred from any one of the plurality of reactors to the hydrogen tank, the other reactor reaches the discharge pressure so that hydrogen gas is simultaneously transferred to the hydrogen tank or hydrogen from any one of the reactors. As soon as the transfer of hydrogen gas to the tank is completed, the pressure of the hydrogen tank is increased by controlling the operation of the reactor so that the other reactor reaches the discharge pressure, thereby overlapping the pressure of hydrogen transferred from the reactor to the hydrogen tank. Containing; a cascade-type high-pressure hydrogen production water electrolysis system.
청구항 8에 있어서,
상기 제어부는,
상기 다수개의 반응기의 배출압력을 모두 같게 설정하되, 각 반응기의 구동 시점은 시간차를 두고 다르게 설정하여, 상기 다수개의 반응기 중 어느 하나의 반응기로부터 상기 수소 탱크로 수소 이송이 완료되면 공백시간 없이 다른 하나의 반응기로부터 상기 수소 탱크로 수소가 이송되도록 하는, 캐스케이드 방식 고압수소 제조 수전해 시스템.
The method of claim 8,
The control unit,
The discharge pressures of the plurality of reactors are all set the same, but the driving time of each reactor is set differently with a time difference, so that when the transfer of hydrogen from one of the plurality of reactors to the hydrogen tank is completed, the other without a blank time A water electrolysis system for producing high-pressure hydrogen in a cascade method to allow hydrogen to be transferred from the reactor of the hydrogen tank to the hydrogen tank.
청구항 8에 있어서,
상기 제어부는,
상기 다수개의 반응기의 배출압력을 서로 다르게 설정하되, 상기 다수개의 반응기 중 어느 하나의 반응기로부터 상기 수소 탱크로 수소가 이송되는 중에 다른 하나의 반응기로부터 상기 수소 탱크로 수소가 이송되도록 함으로써, 공백시간 없이 상기 반응기로부터 수소 탱크로 이송되는 수소의 압력을 중첩하여 상기 수소 탱크의 압력을 증가시키는, 캐스케이드 방식 고압수소 제조 수전해 시스템.
The method of claim 8,
The control unit,
The discharge pressures of the plurality of reactors are set differently from each other, but by allowing hydrogen to be transferred from the other reactor to the hydrogen tank while hydrogen is transferred from one of the plurality of reactors to the hydrogen tank, there is no blank time. A cascade-type high-pressure hydrogen production water electrolysis system for increasing the pressure of the hydrogen tank by overlapping the pressure of hydrogen transferred from the reactor to the hydrogen tank.
청구항 8 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응기는, 물의 전기분해에 의해 수소를 생성하는 수전해 모듈이고,
상기 수전해 모듈로 전원을 인가하는 전원 공급부;를 더 포함하는, 캐스케이드 방식 고압수소 제조 수전해 시스템.
The method according to any one of claims 8 to 10,
The reactor is a water electrolysis module that generates hydrogen by electrolysis of water,
A power supply unit for applying power to the water electrolysis module; further comprising, a cascade-type high-pressure hydrogen manufacturing water electrolysis system.
청구항 11에 있어서,
상기 전원 공급부는, 신재생 에너지이고,
상기 제어부는, 상기 신재생 에너지의 전력 생산 부하에 추종하여 상기 수전해 모듈의 구동 대수를 제어하는, 캐스케이드 방식 고압수소 제조 수전해 시스템.
The method of claim 11,
The power supply unit is renewable energy,
The control unit follows the power generation load of the renewable energy and controls the number of driving units of the water electrolysis module, a cascade type high-pressure hydrogen manufacturing water electrolysis system.
청구항 11에 있어서,
상기 전원 공급부는, 계통 전력이고,
상기 제어부는, 상기 수소 수요처의 수소 수요량 변동에 추종하여 상기 수전해 모듈의 구동 대수를 제어하는, 캐스케이드 방식 고압수소 제조 수전해 시스템.
The method of claim 11,
The power supply unit is system power,
The control unit is a cascade type high-pressure hydrogen production water electrolysis system for controlling the number of drives of the water electrolysis module by following a change in the amount of hydrogen demand of the hydrogen customer.
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