KR20220011833A - Electrolysis device preventing accident through power control - Google Patents

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KR20220011833A KR1020200090185A KR20200090185A KR20220011833A KR 20220011833 A KR20220011833 A KR 20220011833A KR 1020200090185 A KR1020200090185 A KR 1020200090185A KR 20200090185 A KR20200090185 A KR 20200090185A KR 20220011833 A KR20220011833 A KR 20220011833A
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Abstract

The present invention relates to an accident prevention-type electrolysis device through power control, which includes a power storage part between a power generation part and an electrolysis part to adjust the voltage and current transmitted from the power storage part so that it is possible to prevent the explosion of the electrolysis part or a gas-liquid separation part due to a change in the power load of the power generation part, thereby maximising stability. The electrolysis device comprises: a power generation part that produces electrical energy; a power storage part that converts the electrical energy produced by the power generation part into DC power, stores and transmits the same; an electrolysis part that produces oxygen and hydrogen using the DC power transmitted from the power storage part; a gas-liquid separation part that separates oxygen and hydrogen produced from the electrolysis part; and a control part that limits the oxygen concentration in the gas-liquid separation part to a lower explosive limit by measuring and controlling the current and voltage of the DC power transmitted from the power storage part to the electrolysis part.

Description

전력제어를 통한 사고 방지형 전기분해장치 {ELECTROLYSIS DEVICE PREVENTING ACCIDENT THROUGH POWER CONTROL}Accident prevention type electrolysis device through power control {ELECTROLYSIS DEVICE PREVENTING ACCIDENT THROUGH POWER CONTROL}

본 명세서에 개시된 내용은 전력생산부에서 생산된 전기를 전력저장부에 저장하여 전기분해부 등을 구동하는 전기분해장치에 관한 것이다.The content disclosed in the present specification relates to an electrolysis device for driving the electrolysis unit and the like by storing the electricity produced by the power generation unit in the power storage unit.

본 명세서에서 달리 표시하지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.Unless otherwise indicated herein, the material described in this section is not prior art to the claims of this application, and inclusion in this section is not an admission that it is prior art.

화석연료에 기반을 둔 무분별한 산업의 발달로 기후변화, 에너지 수급 부족, 자원 고갈, 및 에너지 빈곤과 같은 21세기 에너지 환경 문제가 도래하였다. 이에 전세계 각국에서는 기후변화협약, 도쿄의정서, 신 기후변화체제 협상 등을 추진하며 적극 대응하고 있고 특히 국내에서는 신정부 출범과 함께 탈 원전, 탈 석탄발전을 목표로 2030 신재생에너지 정책을 추진하고 있다. 그 일환으로 일부에서는 태양광, 풍력 등 다양한 신재생에너지와 에너지저장장치를 수전해와 연계하여 에너지의 활용도를 높이는 시스템에 대한 연구가 수행되고 있다. The 21st century energy environment problems such as climate change, energy shortage, resource depletion, and energy poverty have arrived due to the reckless development of industries based on fossil fuels. To this end, countries around the world are actively responding by promoting the climate change agreement, Tokyo Protocol, and negotiations on a new climate change regime. As part of this, research is being conducted on a system to increase energy utilization by linking various renewable energy such as solar power and wind power and energy storage devices with water electrolysis.

현재 국내외적으로 수소에 대한 관심이 높아졌음에도 불구하고 날씨의 변동에 따른 전력생산 및 전력공급이 수전해 시스템에 원활하게 제공되지 못하는 문제로 인해 보급이 활성화되어 있지 않은 실정이다.Although interest in hydrogen at home and abroad has increased, the supply of hydrogen is not active due to the problem that electricity generation and power supply are not smoothly provided to the water electrolysis system due to weather fluctuations.

이러한 문제를 개선하기 위한 방법으로서, 특허문헌 1에는 에너지를 생산, 공급 및 단기간 저장하는 태양전지, 풍력발전기, 밧데리, 인버터, 남은 전기를 수소로 변환하여 장기간 저장 후 다시 전기로 변환하는 전기분해장치, 저장탱크, 연료전지, 압축기, 저장된 수소를 이용하는 버너, 산업용 전기와 교류하는 산업용 배전망, 도시가스를 공급받게 하는 개질기, 상기 모든 상태를 컨트롤하고 점검하는 컨트롤러 및 컴퓨터를 포함하는 통합적 에너지 독립형 장치에 대해 개시되어 있고, 특허문헌 2에는 태양전지셀로 이루어진 태양광 판넬을 포함하는 태양광발전유닛, 풍력터빈을 포함하는 풍력발전유닛, 상기 태양광 판넬 및 상기 풍력터빈에서 발생된 전력을 배분기준에 따라 수용가, 축전지 또는 전해조에 배분하도록 제어하는 제어기, 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터 및 정전압 회로를 포함하는 제어유닛, 상기 제어유닛으로부터 공급된 전력을 저장하는 축전지, 상기 제어유닛 또는 상기 축전지로부터 공급된 전력으로 수소 및 산소를 생산하는 전해조, 상기 전해조에서 생산된 수소를 이용하여 전력을 발생하는 연료전지를 포함하는 신재생 에너지 발생 시스템에 대해 개시되어 있다. As a method for improving this problem, Patent Document 1 discloses a solar cell, a wind generator, a battery, an inverter, and an electrolysis device for generating, supplying, and storing energy for a short period of time, converting the remaining electricity into hydrogen and storing it for a long period of time and then converting it back into electricity , storage tank, fuel cell, compressor, burner using stored hydrogen, industrial power distribution network that exchanges with industrial electricity, reformer that receives city gas supply, a controller and computer that controls and checks all the above conditions. In Patent Document 2, a solar power generation unit including a solar panel made of solar cells, a wind power generation unit including a wind turbine, the solar panel and power generated from the wind turbine are distributed A control unit including a controller for controlling distribution to consumers, storage batteries or electrolyzers, an inverter for converting DC power into AC power, and a constant voltage circuit according to Disclosed is a renewable energy generation system including an electrolyzer for producing hydrogen and oxygen with electric power supplied from the electrolyzer, and a fuel cell for generating electric power using the hydrogen produced in the electrolyzer.

상기 특허문헌 1 및 특허문헌 2는 태양전지, 풍력발전기, 배터리 및 축전기를 구비하여 저장하고 있기는 하나 축전지의 폐기물은 공해를 유발할 수 있고, 여전히 부하 변동에 따른 수전해 시스템의 안정성 확보가 어려운 문제점이 있다.Although Patent Document 1 and Patent Document 2 are provided and stored with a solar cell, a wind power generator, a battery and a capacitor, the waste of the storage battery may cause pollution, and it is still difficult to secure the stability of the water electrolysis system according to the load fluctuation There is this.

대한민국 등록실용신안 제20-0245895호(2001.08.29)Republic of Korea Registered Utility Model No. 20-0245895 (July 29, 2001) 대한민국 공개특허 제10-2009-0059389호(2009.06.11)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2009-0059389 (June 11, 2009)

환경에 무해하면서 전력생산부에 연계된 전기분해부 및 기액분리부의 안정성이 극대화된 전력제어를 통한 사고 방지형 전기분해장치를 제공하고자 한다.It is intended to provide an accident prevention type electrolysis device through power control that maximizes the stability of the electrolysis unit and gas-liquid separation unit connected to the power generation unit while harmless to the environment.

또한 상술한 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있음은 자명하다.In addition, it is not limited to the technical problems as described above, and it is obvious that another technical problem may be derived from the following description.

개시된 내용의 일 실시예에 의하면, 전력제어를 통한 사고 방지형 전기분해장치는 전기에너지를 생산하는 전력생산부, 상기 전력생산부에 의해 생산된 전기에너지를 직류 전원으로 변환하여 저장하고 송출하는 전력저장부, 상기 전력저장부로부터 송출된 직류전원을 이용하여 산소와 수소를 생산하는 전기분해부, 상기 전기분해부로부터 생산된 산소와 수소를 분리하는 기액분리부 및 상기 전력저장부에서 상기 전기분해부로 송출되는 직류 전원의 전류와 전압을 측정 및 제어함으로써 상기 기액분리부에서의 산소농도를 폭발 하한계로 제한하는 제어부를 포함한다. According to an embodiment of the disclosure, an accident prevention type electrolysis device through power control is a power generation unit that produces electrical energy, and a power storage unit that converts the electrical energy produced by the power generation unit into DC power, stores it, and transmits it , an electrolysis unit for producing oxygen and hydrogen by using the DC power transmitted from the power storage unit, a gas-liquid separation unit for separating oxygen and hydrogen produced from the electrolysis unit, and transmission from the power storage unit to the electrolysis unit and a control unit for limiting the oxygen concentration in the gas-liquid separation unit to the lower explosive limit by measuring and controlling the current and voltage of the DC power source.

또한, 상기 전력생산부는 태양광, 수력, 및 풍력 중 어느 하나의 자연에너지를 통해 전기를 생산할 수 있다.In addition, the power generation unit may generate electricity through any one of natural energy of solar power, hydraulic power, and wind power.

또한, 상기 전력저장부는 DC/AC 컨버터 및 바나듐 레독스 흐름전지를 포함할 수 있다.In addition, the power storage unit may include a DC/AC converter and a vanadium redox flow battery.

또한, 상기 바나듐 레독스 흐름전지는 스택부, 상기 스택부에 전해액을 공급하는 전해액저장탱크, 상기 스택부 및 상기 전해액저장탱크 간에 구비되어 상기 전해액저장탱크로부터 상기 스택부에 전해액을 공급하는 공급유로 및 상기 스택부와 상기 전해액저장탱크 간에 구비되어 상기 스택부로부터 상기 전해액저장탱크로 전해액을 회수하는 회수유로를 포함할 수 있다.In addition, the vanadium redox flow battery is provided between the stack portion, the electrolyte storage tank for supplying the electrolyte to the stack portion, the stack portion and the electrolyte storage tank to supply the electrolyte from the electrolyte storage tank to the stack portion. and a recovery passage provided between the stack unit and the electrolyte storage tank to recover the electrolyte from the stack unit to the electrolyte storage tank.

또한, 상기 스택부는 적어도 하나 이상의 전지셀을 포함하고, 상기 전지셀은 양극, 상기 양극과 대면하는 음극 및 상기 양극 및 상기 음극 사이에 개재되는 이온교환막을 포함할 수 있다.In addition, the stack unit may include at least one battery cell, and the battery cell may include a positive electrode, a negative electrode facing the positive electrode, and an ion exchange membrane interposed between the positive electrode and the negative electrode.

또한, 상기 전기분해부는 알칼라인 수전해, 양성자 교환막 수전해, 및 고온 수증기 분해 수전해 중 어느 하나의 방식을 이용할 수 있다.In addition, the electrolysis unit may use any one of alkaline water electrolysis, proton exchange membrane water electrolysis, and high-temperature steam decomposition water electrolysis.

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 전력제어를 통한 사고 방지형 전기분해장치는 전력생산부와 전기분해부 간에 전력저장부를 구비함으로써 전력저장부로부터 송출되는 전압 및 전류의 조정이 가능함에 따라 전력생산부의 전력 부하변동으로 인한 전기분해부 또는 기액분리부의 폭발이 예방되므로 안정성이 극대화될 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment disclosed in the present specification, an accident prevention type electrolysis device through power control is provided with a power storage unit between the power generation unit and the electrolysis unit, so that the voltage and current transmitted from the power storage unit can be adjusted, so that the power generation unit As the explosion of the electrolysis unit or gas-liquid separation unit due to the change in the power load of the unit is prevented, stability can be maximized.

또한, 전력생산부로부터의 전력 공급이 원활하지 못한 경우에도 전력저장부에 저장된 전력을 공급할 수 있으므로 항상 원활한 전력 공급이 가능한 효과가 있다. In addition, even when the power supply from the power generation unit is not smooth, the power stored in the power storage unit can be supplied, so there is an effect that a smooth power supply is always possible.

도 1은 본 명세서에 개시된 내용의 일 실시예에 따른 전기분해장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 전기분해장치의 블록도이다.
도 3은 바나듐 레독스 흐름전지의 일예를 나타낸 단면도이다.
도 4 및 도 5는 실험예 1에 따른 실험결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic diagram showing an electrolysis device according to an embodiment of the content disclosed in the present specification.
2 is a block diagram of an electrolysis apparatus according to an embodiment.
3 is a cross-sectional view showing an example of a vanadium redox flow battery.
4 and 5 are graphs showing experimental results according to Experimental Example 1.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and a method for achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In describing the embodiments of the present invention, if it is determined that a detailed description of a well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in an embodiment of the present invention, which may vary according to intentions or customs of users and operators. Therefore, the definition should be made based on the content throughout this specification.

도 1은 본 명세서에 개시된 내용의 일 실시예에 따른 전기분해장치를 나타낸 개략도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 전기분해장치의 블록도이다.Figure 1 is a schematic diagram showing an electrolysis device according to an embodiment of the content disclosed herein, Figure 2 is a block diagram of the electrolysis device according to an embodiment.

도 1 및 도 2를 참조하면, 전기분해장치(1)는 전력생산부(100), 전력저장부(200), 전기분해부(300), 기액분리부(400) 및 제어부(500)를 포함한다.1 and 2 , the electrolysis device 1 includes a power generation unit 100 , a power storage unit 200 , an electrolysis unit 300 , a gas-liquid separation unit 400 and a control unit 500 . .

전력생산부(100)는 태양광, 수력, 및 풍력 중 어느 하나의 자연에너지를 통해 전기에너지를 생산할 수 있다. 일 예로 태양광을 이용하여 전기에너지를 생산하는 경우 전력생산부는 복수개의 태양전지 어레이로 구성되어 외부로부터 입사되는 태양광을 집광함으로써 전기에너지를 생산할 수 있다.The power generation unit 100 may generate electric energy through any one of natural energy of solar power, hydraulic power, and wind power. For example, in the case of generating electric energy using sunlight, the power generation unit may be configured with a plurality of solar cell arrays and may produce electric energy by condensing sunlight incident from the outside.

한편, 전력생산부(100)로부터 생산된 전기에너지는 변동성이 높기 때문에 바로 전기분해부(300)로 공급하게 되면 전기분해부(300)의 수명이 저하될 뿐만 아니라 전기분해부(300)의 스택 내에서 수소 내 산소 또는 산소 내 수소 유입으로 인하여 화재나 폭발 등의 사고로 이어지는 문제가 발생될 수 있다. 이러한 고변동성의 전력은 전기분해부(300)에 악영향을 미칠 뿐만 아니라 전체적인 시스템 효율을 저하시킬 수 있다.On the other hand, since the electric energy produced from the power generation unit 100 has high volatility, when it is directly supplied to the electrolysis unit 300 , the life of the electrolysis unit 300 is reduced as well as in the stack of the electrolysis unit 300 . Oxygen in hydrogen or hydrogen in oxygen may cause problems leading to accidents such as fire or explosion. Such high variability power may adversely affect the electrolysis unit 300 as well as reduce overall system efficiency.

이에 따라 전기분해부(300)로 송출되는 정격전력을 맞추기 위해 전력생산부 (100)와 전기분해부(300)간에는 전력저장부(200)가 연결 설치될 수 있다. Accordingly, in order to match the rated power transmitted to the electrolysis unit 300 , the power storage unit 200 may be connected and installed between the power generation unit 100 and the electrolysis unit 300 .

전력저장부(200)는 DC/AC 컨버터(210) 및 충전 가능한 바나듐 레독스 흐름전지(250)를 포함할 수 있다. 이러한 전력저장부(200)는 전력생산부(100)에 의해 생산된 전기에너지를 DC/AC 컨버터(210)를 통해 직류 전원으로 변환하여 바나듐 레독스 흐름전지(250)로 보내 저장하고, 이를 전기분해부(300)로 송출할 수 있다. The power storage unit 200 may include a DC/AC converter 210 and a chargeable vanadium redox flow battery 250 . The power storage unit 200 converts the electrical energy produced by the power generation unit 100 into DC power through the DC/AC converter 210, sends it to the vanadium redox flow battery 250, and stores it, and electrolyzes it. It can be transmitted to the unit 300 .

DC/AC 컨버터(210)는 전력생산부(100)에 연결되어, 전력생산부(100)에 의해 생산된 전기에너지를 DC/AC 인버젼(inversion)하여 전력계통으로 출력할 수 있다. 보다 상세하게는 DC/AC 컨버터(210)는 전력생산부(100)에 의해 생산된 전기에너지를 전력계통에 공급하기 위한 직류 전원으로 변환할 수 있다.The DC/AC converter 210 may be connected to the power generation unit 100 to invert the electric energy produced by the power generation unit 100 to DC/AC and output it to the power system. In more detail, the DC/AC converter 210 may convert the electrical energy produced by the power generation unit 100 into DC power for supplying the power system.

바나듐 레독스 흐름전지(250)는 DC/AC 컨버터(210)에 의해 변환된 직류 전원을 저장 및 송출하고, 송출되는 전류 및 전압은 제어부(500)에 의해 제어될 수 있다. The vanadium redox flow battery 250 stores and transmits the DC power converted by the DC/AC converter 210 , and the transmitted current and voltage may be controlled by the controller 500 .

도 3은 바나듐 레독스 흐름전지의 일예를 나타낸 단면도이다. 3 is a cross-sectional view showing an example of a vanadium redox flow battery.

도 3을 참조하면, 바나듐 레독스 흐름전지(250)는 스택부(10), 상기 스택부(10)에 전해액을 공급하는 전해액저장탱크(20), 상기 스택부(10) 및 상기 전해액저장탱크(20) 간에 구비되어 상기 전해액저장탱크(20)로부터 상기 스택부(10)에 전해액을 공급하는 공급유로(30) 및 상기 스택부(10)와 상기 전해액저장탱크(20) 간에 구비되어 상기 스택부(10)로부터 상기 전해액저장탱크(20)로 전해액을 회수하는 회수유로(40)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3 , the vanadium redox flow battery 250 includes a stack portion 10 , an electrolyte storage tank 20 for supplying electrolyte to the stack portion 10 , the stack portion 10 , and the electrolyte storage tank (20) is provided between the supply passage 30 for supplying the electrolyte from the electrolyte storage tank 20 to the stack portion 10, and the stack portion 10 and the electrolyte storage tank 20 provided between the stack A recovery passage 40 for recovering the electrolyte from the unit 10 to the electrolyte storage tank 20 may be included.

스택부(10)는 전해액을 통해 충전 및 방전이 일어나는 최소 단위로서, 적어도 하나 이상의 전지셀을 포함하고, 전지셀과 인접한 전지셀 간에는 분리판이 구비될 수 있다. 전지셀은 양극(11), 상기 양극(11)과 대면하는 음극(12) 및 상기 양극(11) 및 상기 음극(12) 사이에 개재되는 이온교환막(13)을 포함할 수 있다. 이러한 이온교환막(13)은 불소계 수지 또는 다공성 고분자 수지로 형성될 수 있다.The stack unit 10 is a minimum unit in which charging and discharging occurs through an electrolyte, and includes at least one battery cell, and a separator may be provided between the battery cell and adjacent battery cells. The battery cell may include a positive electrode 11 , a negative electrode 12 facing the positive electrode 11 , and an ion exchange membrane 13 interposed between the positive electrode 11 and the negative electrode 12 . The ion exchange membrane 13 may be formed of a fluorine-based resin or a porous polymer resin.

전해액저장탱크(20)는 상기 양극(11)에 전해액을 공급하는 양극용 전해액저장탱크와 음극(12)에 전해액을 공급하는 음극용 전해액저장탱크를 포함할 수 있다.The electrolyte storage tank 20 may include an electrolyte storage tank for an anode for supplying an electrolyte to the anode 11 and an electrolyte storage tank for a cathode for supplying an electrolyte to the anode 12 .

공급유로(30)는 상기 전해액이 상기 전해액저장탱크(20)로부터 상기 스택부(10)로 공급될 수 있도록, 상기 전해액저장탱크(20)와 상기 스택부(10)를 연결할 수 있다. The supply passage 30 may connect the electrolyte storage tank 20 and the stack portion 10 so that the electrolyte can be supplied from the electrolyte storage tank 20 to the stack portion 10 .

회수유로(40)는 상기 전해액이 상기 스택부(10)로부터 상기 전해액저장탱크(20)로 회수될 수 있도록 상기 스택부(10)와 상기 전해액저장탱크(20)를 연결할 수 있다. The recovery passage 40 may connect the stack portion 10 and the electrolyte storage tank 20 so that the electrolyte can be recovered from the stack portion 10 to the electrolyte storage tank 20 .

상기 공급유로(30) 및 회수유로(40)는 상기 스택부(10)의 양극(11) 및 음극(12)으로 전해액을 공급 및 회수하기 위해 상기 양극(11) 측과 음극(12) 측에 각각 마련될 수 있다. The supply passage 30 and the recovery passage 40 are on the anode 11 side and the cathode 12 side to supply and recover the electrolyte to the anode 11 and the cathode 12 of the stack unit 10 . Each may be provided.

예컨대, 바나듐 레독스 흐름전지(250)는 충전이 일어날 때, 양극에서 V4+이온이 V5+이온으로 산화되고, 음극에서는 V3+이온이 V2+이온으로 환원될 수 있다. 양극용 전해액저장탱크는 V4+이온과 V5+이온이 풍부한 양극 전해액을 수용하며, 음극용 전해액저장탱크는 V2+이온과 V3+이온이 풍부한 음극 전해액을 수용할 수 있다. 이러한 상태에서, 펌프(30a)의 작동에 의해 V4+이온과 V5+이온이 풍부한 양극 전해액 및 V2+이온과 V3+이온이 풍부한 음극 전해액이 스택부(10)로 이동할 수 있다. 스택부(10)에서 충전 과정이 일어나면, 양극 전해액 및 음극 전해액은 각각 V5+이온과 V2+이온이 풍부한 상태로 바뀔 수 있다.For example, in the vanadium redox flow battery 250 , when charging occurs, V 4+ ions may be oxidized to V 5+ ions at the positive electrode, and V 3+ ions may be reduced to V 2+ ions at the negative electrode. The electrolyte storage tank for positive electrode accommodates positive electrolyte rich in V 4+ ions and V 5+ ions, and the electrolyte storage tank for negative electrode can accommodate negative electrolyte rich in V 2+ ions and V 3+ ions. In this state, an anode electrolyte rich in V 4+ ions and V 5+ ions and a cathode electrolyte rich in V 2+ ions and V 3+ ions may move to the stack unit 10 by the operation of the pump 30a. When the charging process occurs in the stack unit 10 , the positive electrolyte and the negative electrolyte may be changed to a state rich in V 5+ ions and V 2+ ions, respectively.

전기분해부(300)는 사용되는 전해질의 종류에 따라 구분될 수 있으며, 예를 들면, 알칼라인 수전해(Alkaline Electrolysis), 양성자 교환막 수전해(Proton Exchange Membrane Electrolysis), 및 고온 수증기 분해 수전해(THE, High Temperature Electrolysis) 중 어느 하나의 방식, 바람직하게는 알칼라인 수전해(Alkaline Electrolysis)방식 또는 양성자 교환막 수전해(Proton Exchange Membrane Electrolysis)을 이용하여 고순도의 수소를 생산할 수 있다. 일 예로 알칼라인 수전해는 20~30wt% 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 등의 전해질을 스택으로 공급하고 전기화학반응을 통해 음극에서 수소, 양극에서는 산소를 2대 1의 몰 비율로 제조할 수 있다. The electrolysis unit 300 may be classified according to the type of electrolyte used, for example, alkaline electrolysis, proton exchange membrane electrolysis, and high temperature steam decomposition water electrolysis (THE). , High Temperature Electrolysis) using any one method, preferably alkaline electrolysis method or proton exchange membrane water electrolysis (Proton Exchange Membrane Electrolysis), it is possible to produce high-purity hydrogen. For example, in alkaline water electrolysis, electrolytes such as 20-30 wt% potassium hydroxide (KOH) and sodium hydroxide (NaOH) are supplied to the stack, and hydrogen at the cathode and oxygen at the anode are produced in a molar ratio of 2 to 1 through an electrochemical reaction can do.

기액분리부(400)는 전기분해부(300)로부터 유입된 산소와 수소가 역류하지 않고 보다 효과적으로 분리될 수 있도록 할 수 있다. 기액분리부(400)는 침출수와 가스로 분리하고 응결되는 응축수를 흡입하여 다시 침출수로 배출하도록 할 수 있다. The gas-liquid separation unit 400 may allow oxygen and hydrogen introduced from the electrolysis unit 300 to be separated more effectively without a reverse flow. The gas-liquid separator 400 may separate the leachate from the gas, suck the condensed condensed water, and discharge it again as the leachate.

예컨대, 기액분리부(400)는 본체 내부에 유입된 혼합유출물을 분리하며 저장 이송하는 저장공간부, 혼합유출물의 유입을 유도하는 유입구, 내부에 혼합유출물의 역류를 방지하는 격리판, 상기 유입된 혼합유출물을 분리하여 가스를 배출시키는 가스배출구, 진공장치에서 발생되는 응축수를 흡입하는 응축수 흡입구 및 분리된 침출수를 배출시키는 침출수 배출구로 구성될 수 있다. For example, the gas-liquid separation unit 400 includes a storage space for separating and transporting the mixed effluent introduced into the body, an inlet for inducing the inflow of the mixed effluent, a separator for preventing the reverse flow of the mixed effluent therein, and the inflow. It may be composed of a gas outlet for discharging gas by separating the mixed effluent, a condensate inlet for sucking condensed water generated in the vacuum device, and a leachate outlet for discharging the separated leachate.

제어부(500)는 전기분해부(300)로부터 송출되는 전류 및 전압을 측정 및 제어함으로써 전기분해부(300)에서 필요로 하는 정격전력이 일정하게 공급될 수 있도록 할 수 있다. 또한, 기액분리부(400)에서의 산소농도를 폭발 하한계로 제한할 수 있으며, 상세하게는 4%로 제한할 수 있다. 구체적으로는 공기 중 수소의 폭발 범위는 4~75%이고, 산소의 폭발 범위는 4~74%이며, 산소 중 수소의 폭발 범위는 4~94%를 넘지 않도록 제한할 수 있다.The control unit 500 can measure and control the current and voltage transmitted from the electrolysis unit 300 so that the rated power required by the electrolysis unit 300 can be constantly supplied. In addition, the oxygen concentration in the gas-liquid separation unit 400 may be limited to the lower explosive limit, in detail may be limited to 4%. Specifically, the explosive range of hydrogen in air is 4 to 75%, the explosive range of oxygen is 4 to 74%, and the explosive range of hydrogen in oxygen may be limited not to exceed 4 to 94%.

일 예로 전력생산부(100)로부터 고변동성의 출력 전력이 전기분해부(300)로 그대로 전달되는 경우 정격전력을 초과하는 전력이 전기분해부(300)로 전달되면서 전기분해부(300) 내에서 수소 내 산소 또는 산소 내 수소 유입으로 인하여 화재가 발생되거나 기액분리부(400)에서 수소 중의 산소농도가 폭발 하한계인 4%를 초과할 수 있다. 또한, 정격전력을 초과하는 전력이 전달되면 전기분해부(300)의 수명이 저하될 수 있다. 그러므로 전기분해부(300)에서 송출되는 전압 및 전류를 일정하게 제어하는 것이 바람직하다.For example, when the high variability output power from the power generation unit 100 is directly transferred to the electrolysis unit 300 , the electric power exceeding the rated power is transmitted to the electrolysis unit 300 and hydrogen in the electrolysis unit 300 . A fire may occur due to inflow of oxygen or hydrogen in oxygen, or the oxygen concentration in hydrogen in the gas-liquid separation unit 400 may exceed the lower explosive limit of 4%. In addition, when power exceeding the rated power is transmitted, the life of the electrolysis unit 300 may be reduced. Therefore, it is preferable to constantly control the voltage and current transmitted from the electrolysis unit 300 .

실시예 1. 전기분해장치Example 1. Electrolysis device

전력생산부와 전기분해부 사이에 50KW 스택부가 장착된 전력저장부가 연결 설치되고, 전력저장부, 전기분해부 및 기액분리부 간에 제어부가 연결된 전기분해장치를 준비하였다. 전기분해장치로는 10Nm3/h급 알칼리 수전해 시스템을 사용하였다.An electrolysis device was prepared in which a power storage unit equipped with a 50KW stack unit was connected between the power generation unit and the electrolysis unit, and the control unit was connected between the power storage unit, the electrolysis unit and the gas-liquid separation unit. As the electrolysis device, a 10Nm 3 /h class alkaline water electrolysis system was used.

비교예 1. 전기분해장치 Comparative Example 1. Electrolysis device

전력저장부 및 제어부가 설치되지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 구조를 갖는 전기분해장치를 준비하였다.An electrolysis device having the same structure as in Example 1 was prepared except that the power storage unit and the control unit were not installed.

실험예 1. 안전성능 평가Experimental Example 1. Evaluation of safety performance

실시예 1 및 비교예 1에서 준비된 전기분해장치의 안전성을 확인하기 위하여 하기와 같이 실험을 실시하였다.In order to confirm the safety of the electrolysis device prepared in Example 1 and Comparative Example 1, an experiment was conducted as follows.

태양광으로부터 200KWH의 전기에너지를 전력저장부에 저장하고 전기분해부에 전력을 110kw로 유지하면서 인가하였다. 전기분해부는 10bar, 80℃를 유지하였다. 그리고 전기분해부의 수소 토출부에서 발생되는 수소량를 측정하고, 휴대용 산소 측정기를 이용하여 수소 중 산소 농도를 측정하였다. Electric energy of 200KWH from sunlight was stored in the power storage unit and applied to the electrolysis unit while maintaining the power at 110kw. The electrolysis unit was maintained at 10 bar and 80 °C. And the amount of hydrogen generated from the hydrogen discharge part of the electrolysis part was measured, and the oxygen concentration in hydrogen was measured using a portable oxygen meter.

도 4 및 도 5는 실험예 1에 따른 실험결과를 나타낸 그래프이다.4 and 5 are graphs showing experimental results according to Experimental Example 1.

도 4를 참조하면, 출력 전력값이 일정하고, 교차 오염이 안된 수소와 산소가 안정적으로 생산되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 수소 중 산소 농도가 0.5%로 산소 폭발 하한계인 4%에 미치지 못하는 것을 알 수 있었다. 반면, 도 5를 참조하면, 태양광의 전력 부하 변동이 심하고, 수소와 산소의 액면이 교차되어 움직이는 것을 확인할 수 있었다. 이에 수소와 산소의 압력이 교차되어 수소와 산소가 상호 섞임을 통한 오염 가능성이 있고, 버블 형태로 수소에 산소가 과다 유입될 경우 폭발 하한계인 4%를 초과할 수도 있음을 유추해볼 수 있었다.Referring to FIG. 4 , it was confirmed that the output power value was constant and hydrogen and oxygen without cross-contamination were stably produced. In addition, it was found that the oxygen concentration in hydrogen was 0.5%, which did not reach the lower oxygen explosion limit of 4%. On the other hand, referring to FIG. 5 , it was confirmed that the power load of sunlight fluctuates greatly, and the liquid levels of hydrogen and oxygen cross and move. Therefore, it could be inferred that there is a possibility of contamination through mixing of hydrogen and oxygen as the pressures of hydrogen and oxygen cross, and that if oxygen is excessively introduced into hydrogen in the form of bubbles, the lower explosive limit of 4% may be exceeded.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Although preferred embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention and represent all of the technical spirit of the present invention. Therefore, it should be understood that there may be various equivalents and modifications that can be substituted for them at the time of filing the present application. Therefore, the embodiments described above are to be understood as illustrative and not restrictive in all respects, and the scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the detailed description, and the meaning and scope of the claims and their All changes or modifications derived from the concept of equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention.

1: 전기분해장치 10: 스택부
11: 양극 12: 음극
13: 이온교환막 20: 전해액저장탱크
30: 공급유로 30a: 펌프
40: 회수유로 100: 전력생산부
200: 전력저장부 210: DC/AC 컨버터
250: 바나듐 레독스 흐름전지 300: 전기분해부
400: 기액분리부 500: 제어부
1: electrolysis device 10: stack unit
11: positive 12: negative
13: ion exchange membrane 20: electrolyte storage tank
30: supply flow path 30a: pump
40: recovery path 100: power generation department
200: power storage unit 210: DC/AC converter
250: vanadium redox flow battery 300: electrolysis unit
400: gas-liquid separation unit 500: control unit

Claims (6)

전기에너지를 생산하는 전력생산부;
상기 전력생산부에 의해 생산된 전기에너지를 직류 전원으로 변환하여 저장하고 송출하는 전력저장부;
상기 전력저장부로부터 송출된 직류 전원을 이용하여 산소와 수소를 생산하는 전기분해부;
상기 전기분해부로부터 생산된 산소와 수소를 분리하는 기액분리부; 및
상기 전력저장부에서 상기 전기분해부로 송출되는 직류 전원의 전류와 전압을 측정 및 제어함으로써 상기 기액분리부에서의 산소농도를 폭발 하한계로 제한하는 제어부;를 포함하는 전력제어를 통한 사고 방지형 전기분해장치.
a power generation unit that produces electrical energy;
a power storage unit for converting, storing, and transmitting the electric energy produced by the power generation unit into DC power;
an electrolysis unit for producing oxygen and hydrogen by using the DC power transmitted from the power storage unit;
a gas-liquid separation unit for separating oxygen and hydrogen produced from the electrolysis unit; and
Accident prevention type electricity through power control including; a control unit that limits the oxygen concentration in the gas-liquid separation unit to an explosion lower limit by measuring and controlling the current and voltage of the DC power transmitted from the power storage unit to the electrolysis unit decomposition device.
제1항에 있어서,
상기 전력생산부는 태양광, 수력, 및 풍력 중 어느 하나의 자연에너지를 통해 전기를 생산하는 전력제어를 통한 사고 방지형 전기분해장치.
According to claim 1,
The power generation unit is an accident prevention type electrolysis device through power control that produces electricity through any one of natural energy of solar power, hydraulic power, and wind power.
제1항에 있어서,
상기 전력저장부는 DC/AC 컨버터 및 바나듐 레독스 흐름전지를 포함하는 전력제어를 통한 사고 방지형 전기분해장치.
According to claim 1,
The power storage unit is an accident prevention type electrolysis device through power control including a DC / AC converter and a vanadium redox flow battery.
제3항에 있어서,
상기 바나듐 레독스 흐름전지는
스택부;
상기 스택부에 전해액을 공급하는 전해액저장탱크;
상기 스택부 및 상기 전해액저장탱크 간에 구비되어 상기 전해액저장탱크로부터 상기 스택부에 전해액을 공급하는 공급유로; 및
상기 스택부와 상기 전해액저장탱크 간에 구비되어 상기 스택부로부터 상기 전해액저장탱크로 전해액을 회수하는 회수유로;를 포함하는 전력제어를 통한 사고 방지형 전기분해장치.
4. The method of claim 3,
The vanadium redox flow battery is
stack unit;
an electrolyte storage tank for supplying an electrolyte to the stack;
a supply passage provided between the stack portion and the electrolyte storage tank to supply an electrolyte from the electrolyte storage tank to the stack portion; and
Accident prevention type electrolysis device through power control comprising a; a recovery passage provided between the stack portion and the electrolyte storage tank to recover the electrolyte from the stack portion to the electrolyte storage tank.
제4항에 있어서,
상기 스택부는 적어도 하나 이상의 전지셀을 포함하고,
상기 전지셀은
양극;
상기 양극과 대면하는 음극; 및
상기 양극 및 상기 음극 사이에 개재되는 이온교환막을 포함하는 전력제어를 통한 사고 방지형 전기분해장치.
5. The method of claim 4,
The stack unit includes at least one battery cell,
The battery cell is
anode;
a negative electrode facing the positive electrode; and
Accident prevention type electrolysis device through power control including an ion exchange membrane interposed between the positive electrode and the negative electrode.
제1항에 있어서,
상기 전기분해부는 알칼라인 수전해(Alkaline Electrolysis), 양성자 교환막 수전해(Proton Exchange Membrane Electrolysis), 및 고온 수증기 분해 수전해(THE, High Temperature Electrolysis) 중 어느 하나의 방식을 이용하는 것인 전력제어를 통한 사고 방지형 전기분해장치.
According to claim 1,
The electrolysis unit uses any one of Alkaline Electrolysis, Proton Exchange Membrane Electrolysis, and High Temperature Electrolysis (THE) Accident through power control Anti-electrolysis device.
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