KR20220057576A - 크로스-플로우 물 전기분해 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 애노드 하프-셀과 캐소드 하프-셀 사이의 회로에 전해액이 펌핑되어, 전기분해 프로세스 전체에 걸쳐 전해액 농도를 일정하게 유지하도록 하는, 물의 알칼리 전기분해를 위한 프로세스에 관한 것이다. 돈난 전위의 형성, 및 유동 전류들의 형성과 같은 종래 기술로부터 알려진 단점들이 이러한 프로세스 체계에 의해 크게 억제될 수 있고, 이에 의해 프로세스의 에너지 수율 및 효율을 증가시킬 수 있다. 본 발명은 또한, 특정된 프로세스들이 수행될 수 있는 전기분해 장치들에 관한 것이다.

Description

크로스-플로우 물 전기분해
설명
기술 분야
본 발명은, 애노드 하프-셀과 캐소드 하프-셀 사이의 회로에 전해액이 펌핑되어, 전기분해 프로세스 전체에 걸쳐 전해액 농도를 일정하게 유지하도록 하는, 물의 알칼리 전기분해를 위한 프로세스에 관한 것이다. 돈난 전위의 형성, 및 유동 전류들의 형성과 같은 단점들이 이러한 프로세스 체계 (process regime) 에 의해 크게 억제될 수 있다. 본 발명은 또한, 특정된 프로세스들이 수행될 수 있는 전기분해 장치들에 관한 것이다.
종래 기술
물 전기분해의 원리는 약 200년 동안 알려져 있으며, 물로부터 수소 및 산소 가스를 발생시키는데 사용된다. 기술적 관점에서 보면, 요즘의 산성수 전기분해법은 작은 역할만을 하는 반면, 알칼리 전기분해 프로세스들은 큰 규모의 상업적인 적용을 발견했다. 알칼리 전기분해 (alkaline electrolysis) 에서, 예를 들어 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 용액 형태의 대략 25-30% 알칼리 용액이 전해액으로서 사용되고, 셀에 인가되는 전류에 노출된다. 여기서, 발생되는 생성물 가스들 (산소 및 수소) 이 혼합되는 것을 방지하기 위해 별도의 캐소드 및 애노드 회로를 사용하는 것이 일반적이다. 전기는 캐소드에서 수소 및 애노드에서 산소의 생성을 초래한다.
수소는 예를 들어 천연 가스, 석유 또는 석탄을 사용하여 더 저렴하게 생산될 수 있기 때문에 물 전기분해는 이전에 수소의 생산을 위해 중요하지 않았던 반면, 물 전기분해는 요즘 중요성이 커지고 있다. 이는 한편으로는 석유 및 가스와 같은 재생되지 않는 원료가 점점 희소해지고 있기 때문이지만, 바람이나 태양으로부터 발생되어 지속적으로 이용할 수 없는 전기의 더 큰 이용가능성에 의해 그것의 증가하는 중요성이 또한 설명될 수 있다. 전기분해 반응은, 잉여 전기 에너지가 이용가능할 때마다, 물이 수소와 산소로 분리될 수 있고, 이는 에너지 수요가 높을 때, 연료 전지의 도움으로 다시 에너지로 변환될 수 있기 때문에, 예를 들어, 연료 전지와 조합하여, 전력 발생에서 항상성을 유지하기 위해, 여기서 이용될 수 있다. 더욱이, 일산화탄소 또는 이산화탄소의 첨가는 수소가 메탄으로 변환되게 하며, 이는 바람직하게는 열의 발생을 위해 천연 가스 그리드로 공급될 수 있다. 마지막으로, 생성된 수소는 또한 천연 가스와 작은 비율로 혼합되고, 예를 들어 열을 발생시키기 위해 연소될 수 있다.
앞으로는 바람이나 태양으로부터의 간헐적인 전기의 발생이 크게 증가할 것으로 예상됨에 따라, 잉여 에너지 저장의 효율성을 증가시키려는 노력이 이루어지고 있다. 현재 여전히 물로부터의 수소 생산과 연관된 문제는 시중에서 이용가능한 전기분해 장치들의 에너지 수율/효율이 부적절하다는 것이다. 예를 들어, 물의 전기분해에서 에너지 효율은 현재 일반적으로 70% 정도이지만, 거의 80% 의 효율을 갖는 이용가능한 일부 전기분해 장치들이 이미 있다.
그럼에도 불구하고, 특히 축전지 같은 대체형 전기 저장 기술들에 비하면 그것들의 효율은 여전히 개선의 여지가 있다. 그러나, 축전지들과 비교하여, 물 전기분해는, 물이 적절한 양으로 이용가능하고 또한 수소를 저장하기 위한 적절한 용량이 있기 때문에, 저장될 수 있는 에너지의 양이 실질적으로 무한하다는 상당한 이점을 갖는다.
설명된 상황의 배경에 반해, 공지된 전기분해 프로세스들의 효율보다 향상된 효율을 갖는 전기분해 프로세스에 대한 필요성이 존재한다.
종래 알려지고 사용되는 물 전기분해 프로세스들에서, 서로 분리된 애노드 및 캐소드 전해액 회로가 오늘날 종종 사용되고 있는데, 즉 캐소드 회로와 애노드 회로 사이에 전해액의 교환이 없다 ("분리된 사이클들 (separated circles)" 프로세스라고도 함). 그러나, 이러한 종류의 프로세스 체계는 전기분해 프로세스의 과정에서 애노드 측과 캐소드 측 사이에 알칼리 전해액의 농도의 차이가 생기는 단점을 갖는다. 이는 돈나 전위 (Donnan potential) 의 형성으로 인해 셀 전압이 상승하게 되고, 장치의 효율에 부정적인 영향을 미친게 된다. 이러한 프로세스 체계의 일 예는 양이온-교환 막에 의해 분리되는 캐소드 측 및 애노드 측을 갖는 전기분해 셀을 개시하는 WO 2015/007716 A1 에 기재되어 있다. 이 출원은 가능한 가장 높은 순도의 산소 및 수소를 제공하는 것을 목적으로 하는데, 이는 캐소드 및 애노드 전해액의 혼합을 피하기 위해 여기서 세심한 주의를 기울여야 한다는 것을 의미한다.
다른 접근법에서, 전해액은 각각의 경우에 캐소드 하프-셀 및 애노드 하프-셀을 별개의 사이클로 통과한다. 이어서, 애노드 하프-셀 및 캐소드 하프-셀로부터 배출되는 전해액 분획은 공통 탱크로 운반되고, 전해액이 캐소드 하프-셀 및 애노드 하프-셀로 리사이클링되기 전에 혼합된다 ("분할된 사이클들" 프로세스라고도 함). 그러나, 이러한 대안적인 프로세스 또한 2 개의 하프-셀들 사이의 전해액 농도 차이의 단점과 관련되며, 이는 다시 도난 전위를 초래하고 따라서 장치의 감소된 효율을 초래한다.
또한, 분할된 사이클들 프로세스는, 높은 전류 밀도에서, 공통 탱크를 가로질러 크로스-전류가 발생할 수 있는 문제를 갖는다. 이 역시 프로세스의 효율성에 부정적인 영향을 미친다. 이러한 다양한 단점들의 원인은 전기화학 반응 자체 뿐만 아니라, 분할된 서클들 프로세스에서 애노드 측과 캐소드 측 사이의 전해 연결이다.
본 발명은 물 전기분해의 최고 가능한 효율을 보장하는 한편, 동시에 종래 기술의 단점들을 최대한 피하고자 하는 과제에 관한 것이다.
발명의 요약
전술한 문제점들을 해결하기 위해, 본 발명은 일 실시양태에서, 적어도 전기분해 셀, 캐소드 가스 분리기, 애노드 가스 분리기, 전해액을 위한 제 1 액체 저장조 및 제 1 액체 저장조로부터 분리된, 전해액을 위한 제 2 액체 저장조를 포함하는 전해조에서 전해액 (electrolyte) 을 이용한 물의 알칼리 전기분해 (alkaline electrolysis) 를 위한 프로세스를 제안하고, 여기서, 전기분해 셀은 애노드를 갖는 애노드 하프-셀 (half-cell), 캐소드를 갖는 캐소드 하프-셀, 및 애노드 하프-셀과 캐소드 하프-셀 사이에 배치된 분리막 (separator) 을 포함하고, 전기분해를 수행하기 위해 전해액으로 충전된 전해조에 전류가 인가되고, 제 1 액체 저장조로부터 애노드 하프-셀로 전해액이 공급되고, 애노드 하프-셀로부터 유출된 애노드액 (anolyte) 은 애노드 가스 분리기로 공급되며, 그 애노드 가스 분리기에서 애노드액으로부터 가스가 분리되고, 제 2 액체 저장조로부터 캐소드 하프-셀로 전해액이 공급되고, 캐소드 하프-셀로부터 유출된 캐소드액 (catholyte) 은 캐소드 가스 분리기로 공급되며, 그 캐소드 가스 분리기에서 캐소드액으로부터 가스가 분리되며, 애노드 가스 분리기로부터의 가스-스트립된 (gas-stripped) 애노드액은 제 2 액체 저장조로 복귀되고, 캐소드 가스 분리기로부터의 가스-스트립된 캐소드액은 제 1 액체 저장조로 복귀되는 것을 특징으로 한다.
이러한 종류의 프로세스 체계에서, 먼저 애노드 하프-셀 및 캐소드 하프-셀 내의 매우 일정한 전해액 농도가 관찰되었으며, 이는 프로세스 체계에서 요구되는 낮은 전압에서 나타난다. 둘째로, 놀랍게도, 전해액이 애노드 하프-셀로부터 캐소드 하프-셀로 공급됨에도 불구하고, 전해액에 용해된 가스 분획들 (gas fractions) 을 통한 생성물 가스들의 최소의 혼합만이 존재하며, 이러한 이동은 ppm 범위인 것으로 관찰되었다.
상기 언급된 분리막은 바람직하게는 격막 (diaphragm), 특히 반투과성 (semipermeable) 격막이다. 언급될 수 있는 적합한 격막 재료들의 예들은 지르코늄 산화물/폴리술폰산 막들이다. 본 발명의 맥락에서 적합한 다른 격막 재료는 EP 0 126 490 A1 에 기재된 것들과 같은 산화물-세라믹 재료들이다.
하지만 대안적으로, 분리막은 또한 막, 특히 양이온-교환 막일 수도 있다. 이러한 막들은 술폰화된 중합체 및 특히 과불화된 술폰화된 중합체에 기초할 수도 있고, 예를 들어 DuPont 로부터 상품명 Nafion 으로 입수가능하다. 특히 적합한 양이온-교환 막들은 연료 전지 응용에 통상적으로 사용되는 비강화 단일층 술폰화 막들이다.
본 발명에 따른 프로세스에 사용되는 전해액은 바람직하게는 알칼리 수용액, 더욱 바람직하게는 수산화나트륨 수용액 또는 수산화칼륨 수용액이다. 이들 알칼리 용액들의 농도는 유리하게는 8 중량% 내지 45 중량% 범위, 더욱 바람직하게는 20 중량% 내지 40 중량% 범위 내이다.
애노드 하프-셀 및 캐소드 하프-셀을 통한 셀 부피에 대한 전해액 유량에 관하여, 본 발명은 임의의 상당한 제한을 받지 않으며, 유량이 또한 애노드 하프-셀 및 캐소드 하프-셀의 사이즈에 의해 안내된다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 캐소드 하프-셀에서의 및 애노드 하프-셀에서의 전해액들 사이의 상당한 농도 차이가 전기분해 반응 과정에서 발생할 수 없을 정도로 유량이 충분히 높아야 하지만, 높은 유량은 펌핑 파워와 관련된 더 높은 에너지 비용과 연관되며, 이는 매우 높은 유량이 프로세스의 효율을 감소시킨다는 것을 의미한다. 본 발명의 맥락에서 갖는 셀 부피와 관련하여 특히 적합한 전해액 유량은 1 내지 6 L전해액/h·L하프 -셀 부피, 그리고 특히 2 내지 4 L전해액/h·L하프-셀 부피 의 범위인 것으로 밝혀졌다.
온도와 관련하여, 온도가 높을수록 이온 이동도가 높아지는데, 이는 온도가 높을수록 효율에 긍정적인 영향을 미친다는 것을 의미한다. 그러나, 전기분해 셀의 재료를 향한 전해액의 공격성 및 전해액의 증기압은 증가하는데, 특히 강알칼리성 전해액의 경우, 전해조를 구성하는데 사용되는 재료들에 대한 더 큰 요구를 둔다. 전기분해 프로세스의 실행 동안의 온도는 특히 적합하게는 50 내지 95 °C 범위 내, 바람직하게는 65 내지 92 °C 범위 내, 그리고 더욱 바람직하게는 70 내지 90 °C 범위 내이다.
본 발명에 따른 프로세스는 대기압 이상의 압력에서 전기분해를 수행함으로써 유리하게 더욱 정제될 수 있다. 예를 들어, 전기분해는 1 내지 30 bar, 그리고 특히 5 내지 20 bar 범위 내의 압력에서 수행될 수 있다. 더 높은 압력은 전기분해 프로세스 동안 생성된 가스들이 전해액에 용해된 채로 남아 있다는 이점을 갖는 반면, 표준 압력에서 이들은 가스 버블로서 방출될 수도 있고, 이는 전해질 용액의 저항을 증가시킨다. 한편, 그러나, 더 높은 압력은 또한 재료에 대한 더 높은 시스템적 요구를 초래하므로, 비용 이유로 대기압 위로 1 bar 이하, 바람직하게는 500 mbar 이하, 그리고 특히 바람직하게는 250 bar 이하의 압력에서 프로세스를 실행하는 것이 타당할 수도 있다.
본 발명에 따른 방법에서, 전기분해가 최대 25 kA/m2, 바람직하게는 최대 15 kA/m2 범위 내의 전류 밀도에서 수행될 때 또한 유리하다. 3 kA/m2 미만의 전류 밀도에서, 프로세스의 효율이 감소한다. 일반적으로 25 kA/m2 초과의 전류 밀도는 경제적인 관점에서 바람직하지 않은 재료에 대한 그러한 높은 요구를 둔다.
전술한 프로세스에서, 전해액을 위한 제 1 액체 저장조 및 제 1 액체 저장조로부터 분리되고 전해액을 위한 제 2 액체 저장조를 갖는 전해조들이 사용되고, 캐소드 가스 분리기 및 애노드 가스 분리기로부터의 전해액이 거기로 도입된다. 프로세스는 유리하게는 별개의 액체 저장조들의 사용을 제공하지만, 이는 전해액이 액체 저장조를 통한 통과 없이 (즉, 캐소드 가스 분리기로부터 애노드 하프-셀로 및 그 반대로) 각각의 가스 분리기로부터 각각의 다른 하프-셀로 도입될 때 필요하지 않다.
따라서, 본 발명의 추가의 양태는, 적어도 전기분해 셀, 캐소드 가스 분리기 및 애노드 가스 분리기를 포함하는 전해조에서 전해액을 사용한 물의 알칼리 전기분해를 위한 프로세스에 관한 것이고, 여기서, 전기분해 셀은 애노드를 갖는 애노드 하프-셀, 캐소드를 갖는 캐소드 하프-셀, 및 애노드 하프-셀과 캐소드 하프-셀 사이에 배치된 분리막을 포함하고, 전기분해를 수행하기 위해 전해액으로 충전된 전해조에 전류가 인가되고, 캐소드 가스 분리기로부터의 전해액은 애노드 하프-셀로 배타적으로 공급되고, 애노드 하프-셀로부터 유출되는 애노드액은 애노드 가스 분리기에 공급되며, 그 애노드 가스 분리기에서 애노드액으로부터 가스가 분리되고, 애노드 가스 분리기로부터의 전해액은 캐소드 하프-셀에 배타적으로 공급되고, 캐소드 하프-셀로부터 유출되는 캐소드액은 캐소드 가스 분리기에 공급되며, 그 캐소드 가스 분리기에서 캐소드액으로부터 가스가 분리된다.
이 프로세스의 바람직한 실시양태들에 대해, 이 프로세스와 유사하게 적용되는 상기 설명들을 참조한다.
본 발명의 추가의 양태는, 물을 수소와 산소로 전기분해 분리하기 위한 장치에 관한 것이고, 그 장치는, 애노드를 갖는 애노드 하프-셀, 캐소드를 갖는 캐소드 하프-셀, 및 애노드 하프-셀과 캐소드 하프-셀 사이에 배치된 분리막을 포함하고, 여기서, 애노드 하프-셀 및 캐소드 하프-셀은 각각, 애노드 하프-셀로부터 그리고 상기 캐소드 하프-셀로부터 분리된 액체 저장조와 유체 연통 (fluid communication) 하고, 애노드 하프-셀 및 캐소드 하프-셀은 각각, 애노드 하프-셀로부터 그리고 캐소드 하프-셀로부터 분리된 가스 분리기와 유체 연통한다. 이 장치에서, 애노드 하프-셀의 가스 분리기는 캐소드 하프-셀의 액체 저장조와 유체 연통하고 애노드 하프-셀의 액체 저장조와 유체 연통하지 않는 한편, 캐소드 하프-셀의 가스 분리기는 애노드 하프-셀의 제 1 액체 저장조와 유체 연통하고 캐소드 하프-셀의 제 1 액체 저장조와 유체 연통하지 않는다. 후자는, 각각의 가스 분리기들이 여기서 전해액이 애노드 하프-셀로 그리고 캐소드 하프-셀로 양자 모두로 공급되는 공통 액체 저장조와 유체 연통하기 때문에, 분할된 서클들 프로세스를 실행하기 위한 장치로부터 그 장치를 구별한다.
본 발명에 따른 이러한 장치의 맥락에서 분리기로서 특히 본 발명에 따른 프로세스를 위해 상기 특정된 재료들이 적합하다.
본 발명에 따른 장치에서, 전해액은 유리하게는 적합한 인피드 (infeed) 및 아웃피드 (outfeed) 장치들의 도움으로 셀의 각각의 하프-셀 내로 채널링된다. 이는 예를 들어 펌프의 도움으로 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 유리하게는 전해액에 의해 공격되지 않거나 매우 적은 정도로 공격되는, 특히 전기분해 셀의 영역에서의 재료로 만들어진다. 이러한 재료의 예는 니켈이지만, 또한 PPS이고, 전해액에서의 알칼리 농도에 따라, 또한 니켈-합금된 스테인리스 강이다.
본 발명에 따른 장치는 또한, 애노드가 니켈-함유 물질로 이루어질 때 유리하게 설계된다. 적합한 니켈-함유 재료들의 예들은 Ni/Al 또는 Ni/Co/Fe 합금 또는 페로브스카이트 또는 스피넬 유형의 것들과 같은 금속 산화물들로 코팅된 니켈이다. 특히 적합한 금속 산화물들은 이러한 맥락에서 란탄 페로브스카이트 및 코발트 스피넬이다. 특히 적합한 애노드 재료는 Co3O4 로 코팅된 Ni/Al 이다. 여기서 애노드는 전해질 용액과 직접 접촉하는 전기분해에서의 그 컴포넌트만을 지칭한다.
그것에 추가적으로 또는 독립적으로, 캐소드는 니켈-함유 물질로 이루어지는 것이 바람직할 수도 있다. 캐소드에 적합한 니켈-함유 재료들은 Ni-Co-Zn, Ni-Mo 또는 Ni/Al/Mo 합금 또는 레이니 니켈 (Ni/Al) 이다. 또한, 캐소드는 다공성 (porous) 표면을 형성하기 위해 알루미늄의 일부 또는 대부분이 추출된 레이니 니켈로 제조될 수도 있다. 주로 니켈로 이루어지고 (즉, 적어도 80 중량%, 바람직하게는 적어도 90 중량% 의 정도로), Pt/C (탄소 상의 백금) 의 코팅을 갖는 캐소드를 사용하는 것도 가능하다.
애노드 및/또는 캐소드가 와이어 메시 전극 (wire mesh electrode) 으로서 또는 팽창된 금속 또는 펀칭된 시트 금속의 형태로 존재할 때 더 바람직할 수도 있으며, 적어도 애노드가 이러한 형태일 때 바람직하다. 이 경우, 애노드는 또한 촉매 코팅을 구비할 수 있다. 분리막으로서 양이온 교환막 (cation-exchange membrane) 이 사용되는 경우, 애노드는 그 막과 직접 접촉하여 포지셔닝되는 것이 유리하다.
애노드는 또한 집전체 (current collector) 를 통해 애노드 하프-셀의 벽과 접촉할 수도 있고; 이 집전체는 니켈 또는 강철 폼 또는 와이어 메시와 같은 다공성 금속 구조로 이루어질 수도 있다. 마찬가지로, 캐소드는 또한 니켈 또는 강철 폼 또는 와이어 메시와 같은 다공성 금속 구조체로 마찬가지로 이루어질 수도 있는 집전체를 통해 캐소드 하프-셀의 벽과 접촉할 수도 있다.
본 발명에 따른 프로세스 또는 본 발명에 따른 장치에 특히 유리하게 포함될 수 있는 전기분해 셀은 예를 들어 WO 2015/007716 A1에 기재되어 있다.
상기 장치 또한, 유동의 방향에서 애노드 하프-셀 및 캐소드 하프-셀의 상류에서 연결된 액체 저장조를 반드시 가질 필요는 없다. 캐소드 가스 분리기에서 유출되는 전해액이 애노드 하프-셀에 배타적으로 공급되고, 애노드 가스 분리기에서 유출되는 전해액이 캐소드 하프-셀에 배타적으로 공급되는 것이 보장된다면, 이들 액체 저장조들은 생략될 수 있다. 추가의 실시양태에서, 본 발명은 따라서 또한, 애노드를 갖는 애노드 하프-셀, 캐소드를 갖는 캐소드 하프-셀, 및 애노드 하프-셀과 캐소드 하프-셀 사이에 배치된 분리막을 포함하는, 물을 수소와 산소로 전해 분리하기 위한 장치에 관한 것이고, 여기서, 애노드 하프-셀과 캐소드 하프-셀은 각각, 애노드 하프-셀로부터 그리고 캐소드 하프-셀로부터 분리된 가스 분리기와 유체 연통한다. 이 장치에서, 애노드 하프-셀의 가스 분리기는 캐소드 하프-셀과 유체 연통하고 애노드 하프-셀과 유체 연통하지 않는 한편, 캐소드 하프-셀의 가스 분리기는 애노드 하프-셀과 유체 연통하고 캐소드 하프-셀과 유체 연통하지 않는다.
전술한 바와 같이, 전기분해 프로세스에 의해 전해액으로부터 물이 제거되는데, 이는 전해액의 농도의 상승을 피하기 위해, 전기분해 프로세스에 물을 첨가함으로써 전기분해 프로세스의 과정에서 유리하게 보상되어야 한다. 이를 위해, 본 발명에 따른 장치는 바람직하게는 물을 전해액 회로 (electrolyte circuit) 에 공급하는 도관을 갖는다. 물은 원칙적으로 전해액 회로 내의 임의의 지점에서, 예를 들어, 캐소드 하프-셀 및/또는 애노드 하프-셀의 액체 저장조의, 캐소드 하프-셀 및/또는 애노드 하프-셀의 가스 분리기의, 및/또는 캐소드 하프-셀 및/또는 애노드 하프-셀의 영역에서, 또는 본 발명에 따른 장치의 이들 컴포넌트들을 결합하는 도관들에서 추가될 수 있다. 그러나, 캐소드 하프-셀 및/또는 애노드 하프-셀에서는 물이 추가되지 않는 것이 바람직한데, 이는 프로세스의 효율을 감소시킬 수 있는 비균질 전해액 농도가 형성될 위험이 있기 때문이다.
도면들의 간단한 설명
도 1 은 애노드 하프-셀 및 캐소드 하프-셀에 대한 전해액 유동들이 개별 사이클들로서 라우팅되는 종래 기술의 프로세스를 설명한다. 전기분해 셀(1)은 분리막(4)에 의해 서로 분리된 애노드 하프-셀(2)과 캐소드 하프-셀(3)에 의해 형성된다. 애노드 하프-셀 및 캐소드 하프-셀 양자 모두는 흐름의 방향에서 각각 캐소드 하프-셀 및 애노드 하프-셀의 하류에 연결되는 각각의 가스 분리기(5 및 6)를 갖는다. 가스 분리기에서, 애노드 하프-셀 및 캐소드 하프-셀에서 생성된 가스는 액체로부터 분리되고, 그 후 각각의 분리된 액체 저장조(7 및 8)로 유동하고, 그로부터 전해액이 애노드 하프-셀(2) 및 캐소드 하프-셀(3)로 다시 공급된다.
도 2 는 분할된 서클 프로세스로서 종래 기술에서 알려진 프로세스를 설명한다. 이는, 2개의 개별 액체 저장조(7 및 8) 대신에, 각각의 가스 분리기(5 및 6)로부터 배출되는 전해액이 공급되고, 그것들이 각각의 경우에 애노드 하프-셀로 그리고 캐소드 하프-셀로 별도로 채널링되는 공통 액체 저장조(9)가 있는 것을 제외하고는, 개별 전해액 사이클들을 갖는 프로세스와 유사한 방식으로 실행된다.
도 3 은 본 발명에 따른 프로세스를 설명하는데, 이는 애노드 하프-셀(5)의 가스 분리기로부터 얻어진 전해액 유동이 캐소드 하프-셀(8)의 액체 저장조 내로 배타적으로 도입되는 한편, 캐소드 하프-셀(6)의 가스 분리기로부터의 전해액 유동이 애노드 하프-셀(7)의 액체 저장조 내로 배타적으로 도입된다는 점에서 별개의 전해질 사이클들을 갖는 프로세스와는 상이하다.
상기 설명된 바와 같은 다양한 셀들이 전해조의 모듈식 엘리먼트들로서 사용될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 전기적으로 직렬로 연결된 2개 이상의 셀들의 배열이 존재할 수도 있는 전해조를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명을 몇 가지 예를 들어 이하에서 상세히 설명하나, 본원의 보호범위가 이에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시예 1
전해액이 별도의 사이클들로 전기분해 셀의 캐소드 하프-셀 및 애노드 하프-셀을 통해 공급되는 종래 기술에 따른 전기분해 장치가 본 발명에 따른 대응하는 프로세스 체계와 비교되었다. 이를 위해, 각각의 전기분해 장치들에 다양한 NaOH 농도의 전해액들로 채웠다. 사용된 전기분해 셀은 120 cm2 의 표면적을 갖는 셀이었다. 전기분해는 각 경우에 80°C의 온도에서 수행되었다.
6 kA/m2 의 전류 밀도에서 일정 시간 (30분) 동안 프로세스를 수행한 후, 애노드 하프-셀 및 캐소드 하프-셀 내의 수산화나트륨 농도 및 전압을 각각의 경우에 결정하였다. 결과들은 아래 표 1 에 나타낸다.
표 1
프로세스 체계 애노드에서의 NaOH 농도 [%] 캐소드에서의 NaOH 농도 [%] 전압 [V]
SC 32.41 32.98 2.61
SC 26.18 28.39 2.34
SC 20.97 23.64 2.20
SC 16.01 20.75 2.17
SC 13.17 18.32 2.17
CF 15.0 15.0 2.12
SC = 분리된 서클들 (separated circles), CF = 크로스 플로우 (cross-flow) (본 발명에 따름)
실시예 2
추가의 실험에서, 본 발명에 따른 프로세스 체계는 애노드 하프-셀 및 캐소드 하프-셀의 가스 분리기로부터 배출되는 전해액이 공통 액체 저장조에 공급되는 프로세스 체계와 비교되었다 (분할된 서클들 프로세스). 이들 측정들은 80°C의 온도 및 6 kA/m2 전류 밀도에서 수행되었다. 이 실험에서, 전해액에서의 NaOH 농도의 전개는 각각의 경우에 시간에 걸쳐 결정되었다. 이들 조사들의 결과들은 도 4 에 도시된다.
상기 조사들은 프로세스 체계가 분할된 서클들 프로세스에 따라 수행된 경우 도 2), 애노드 하프-셀과 캐소드 하프-셀 사이의 NaOH 농도에서의 현저한 차이가 약 30분 후에 이미 검출가능함을 발견하였다 (농도는 양 측에서31.3 중량% NaOH 초기 농도에서 애노드 측(도 4 에서 1)에서 약 30.5중량%였고, 캐소드 측(도 4 에서 2)에서 약 32.7중량%였다). 대조적으로, 본 발명에 따른 프로세스 체계로, NaOH 농도는 애노드 측(도 4에서 3)에서 약 31.3 중량% 로부터 31.4 중량% 로, 그리고 캐소드 측(도 4에서 4)에서 31.4 중량% 로부터 약 31.5 중량% 로 단지 약간 증가하였다.
따라서, 본 발명에 따른 공정 체계에서, 전해액에서의 수산화나트륨 농도는 시간에 걸쳐 크게 일정한 레벨을 확립하는 것이 가능하고, 이는 별개의 사이클들을 갖는 프로세스 체계 또는 전해액들이 공통 저장조에서 간헐적으로 함께 혼합되는 프로세스 체계에서 가능하지 않음을 알 수 있다. 이는 상당히 더 낮은 전압들을 초래한다.
참조 부호들의 리스트
1 전해조
2 애노드 하프-셀
3 캐소드 하프-셀
4 분리막
5 애노드 하프-셀의 가스 분리기
6 캐소드 하프-셀의 가스 분리기
7 애노드 하프-셀의 액체 저장조
8 캐소드 하프-셀의 액체 저장조
9 애노드 하프-셀 및 캐소드 하프-셀을 위한 공통 액체 저장조

Claims (12)

  1. 전기분해 셀, 캐소드 가스 분리기, 애노드 가스 분리기, 전해액을 위한 제 1 액체 저장조 및 상기 제 1 액체 저장조로부터 분리된, 상기 전해액을 위한 제 2 액체 저장조를 적어도 포함하는 전해조에서 전해액을 이용한 물의 알칼리 전기분해를 위한 프로세스로서,
    상기 전기분해 셀은 애노드를 갖는 애노드 하프-셀, 캐소드를 갖는 캐소드 하프-셀, 및 상기 애노드 하프-셀과 상기 캐소드 하프-셀 사이에 배치된 분리막을 포함하고,
    상기 전기분해를 수행하기 위해 상기 전해액으로 충전된 상기 전해조에 전류가 인가되고,
    상기 제 1 액체 저장조로부터 상기 애노드 하프-셀로 전해액이 공급되고, 상기 애노드 하프-셀로부터 유출된 애노드액은 상기 애노드 가스 분리기로 공급되며, 상기 애노드 가스 분리기에서 상기 애노드액으로부터 가스가 분리되고,
    상기 제 2 액체 저장조로부터 상기 캐소드 하프-셀로 전해액이 공급되고, 상기 캐소드 하프-셀로부터 유출된 캐소드액은 상기 캐소드 가스 분리기로 공급되며, 상기 캐소드 가스 분리기에서 상기 캐소드액으로부터 가스가 분리되며,
    상기 프로세스는,
    상기 애노드 가스 분리기로부터의 가스-스트립된 애노드액은 상기 제 2 액체 저장조로 복귀되고, 상기 캐소드 가스 분리기로부터의 가스-스트립된 캐소드액은 상기 제 1 액체 저장조로 복귀되는 것을 특징으로 하는 물의 알칼리 전기분해를 위한 프로세스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해액은 수산화나트륨 수용액 또는 수산화칼륨 수용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 물의 알칼리 전기분해를 위한 프로세스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 수산화나트륨 수용액 또는 수산화칼륨 수용액이 8 중량% 내지 45 중량%, 바람직하게는 10 중량% 내지 40 중량% 범위 내의 농도로 사용되는 것을 특징으로 하는 물의 알칼리 전기분해를 위한 프로세스.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    1 내지 6 L전해액/h·L하프 -셀 부피, 바람직하게는 2 내지 4 L전해액/h·L하프 -셀 부피 의 범위 내의 상기 셀 부피에 대한 전해액 유량이 상기 전해조에서 확립되는 것을 특징으로 하는 물의 알칼리 전기분해를 위한 프로세스.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기분해가 50 내지 95 ℃, 바람직하게는 65 내지 92 ℃, 더욱 바람직하게는 70 내지 90°C 의 범위 내의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 물의 알칼리 전기분해를 위한 프로세스.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기분해가 30 bar 이하, 바람직하게는 5 bar 이하의 범위 내의 압력에서 수행되는 것을 특징으로 하는 물의 알칼리 전기분해를 위한 프로세스.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기분해가 25 kA/m² 이하, 바람직하게는 15 kA/m² 이하의 범위 내의 전류 밀도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 물의 알칼리 전기분해를 위한 프로세스.
  8. 물을 수소와 산소로 전기분해 분리하기 위한 장치로서,
    상기 장치는, 애노드를 갖는 애노드 하프-셀, 캐소드를 갖는 캐소드 하프-셀, 및 상기 애노드 하프-셀과 상기 캐소드 하프-셀 사이에 배치된 분리막을 포함하고,
    상기 애노드 하프-셀 및 상기 캐소드 하프-셀은 각각, 상기 애노드 하프-셀로부터 그리고 상기 캐소드 하프-셀로부터 분리된 액체 저장조와 유체 연통하고, 상기 애노드 하프-셀 및 상기 캐소드 하프-셀은 각각, 상기 애노드 하프-셀로부터 그리고 상기 캐소드 하프-셀로부터 분리된 가스 분리기와 유체 연통하며,
    상기 장치는,
    상기 애노드 하프-셀의 가스 분리기는 상기 캐소드 하프-셀의 액체 저장조와 유체 연통하고 상기 애노드 하프-셀의 액체 저장조와 유체 연통하지 않으며, 상기 캐소드 하프-셀의 가스 분리기는 상기 애노드 하프-셀의 제 1 액체 저장조와 유체 연통하고 상기 캐소드 하프-셀의 제 1 액체 저장조와 유체 연통하지 않는 것을 특징으로 하는 물을 수소와 산소로 전기분해 분리하기 위한 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 분리막은 반투과성 격막 또는 과불화 술폰 막을 갖는 것을 특징으로 하는 물을 수소와 산소로 전기분해 분리하기 위한 장치.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 애노드는 니켈-함유 물질로, 바람직하게는 니켈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 물을 수소와 산소로 전기분해 분리하기 위한 장치.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드는 니켈-함유 물질로, 바람직하게는 니켈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 물을 수소와 산소로 전기분해 분리하기 위한 장치.
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드 및/또는 상기 캐소드가 와이어 메시 전극으로서 또는 팽창된 금속 또는 펀칭된 시트 금속의 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는 물을 수소와 산소로 전기분해 분리하기 위한 장치.
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