KR20220097576A - Real-time Risk Detection Electrolyser System - Google Patents

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KR20220097576A
KR20220097576A KR1020200187037A KR20200187037A KR20220097576A KR 20220097576 A KR20220097576 A KR 20220097576A KR 1020200187037 A KR1020200187037 A KR 1020200187037A KR 20200187037 A KR20200187037 A KR 20200187037A KR 20220097576 A KR20220097576 A KR 20220097576A
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water electrolysis
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oxygen
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KR1020200187037A
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신혜영
김호석
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아크로랩스 주식회사
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Abstract

Disclosed is a real-time risk state detection water electrolysis system which comprises: a water electrolysis stack composed of a structure in which a plurality of unit cells and separators are stacked in series, and generating hydrogen and oxygen by a water electrolysis reaction between electrical energy and water; a circulating water tank provided on one side of the water electrolysis stack to supply circulation water; a liquid pump located in an oxygen generation line generated at an anode electrode of the water electrolysis stack to circulate the circulation water, which is an electrolyte; a pressure sensor provided at the front end of the water electrolysis stack; a flow sensor provided on one side of the pressure sensor to detect the flow rate of the circulation water; a temperature sensor provided at the rear of the water electrolysis stack and monitoring an increase in the temperature of the circulation water at the rear of the water electrolysis stack caused by a phenomenon of mixing hydrogen and oxygen when a pinhole occurs in an ion exchange membrane; a converter supplying electrical energy to the water electrolysis stack; an air-cooled heat exchanger maintaining the constant temperature of the circulation water tank; a cell voltage danger detector detecting in real time that the cell voltage of the water electrolysis stack is lower than a predetermined cell operating voltage; and a water electrolysis system controller detecting a dangerous state caused by the phenomenon of mixing hydrogen and oxygen, wherein the circulation water tank is composed of a double partition wall structure that separates oxygen contained in the circulation water, and includes: a heater that raises the temperature of the circulation water during an initial operation; and a level sensor that detects the maximum water level and the minimum water level of the circulation water tank. The real-time risk state detection water electrolysis system can safely produce the hydrogen.

Description

실시간 위험상태 감지 수전해시스템{Real-time Risk Detection Electrolyser System}Real-time Risk Detection Electrolyser System

본 발명은 실시간 위험상태 감지 수전해시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 수소생산 시 화재나 폭발의 위험 원인인 이온교환막(격막)의 이상유무를 감지하는 수전해 스택 셀전압 감지부를 구비하여 수전해스택의 위험 감지 상태를 실시간으로 모니터링하되, 수전해스택 내부에서 수소와 산소의 섞임(Cross-over)현상을 조기에 감지하여 수소생산을 정지함으로써, 수전해스택 내부에서 위험상태가 인접 셀로 전파되는 것을 제거할 수 있는 실시간 위험상태 감지 수전해시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a water electrolysis system for detecting a dangerous state in real time, and more particularly, to a water electrolysis stack cell voltage sensing unit that detects the presence or absence of abnormalities in an ion exchange membrane (diaphragm), which is a risk cause of fire or explosion during hydrogen production. The danger detection status of the electrolysis stack is monitored in real time, but the cross-over of hydrogen and oxygen inside the water electrolysis stack is detected early and hydrogen production is stopped, so that the dangerous condition inside the water electrolysis stack is propagated to adjacent cells It relates to a real-time hazardous state detection water electrolysis system that can eliminate

최근, 태양광·풍력과 같은 재생에너지 발전원 및 수소를 이용한 수소연료전지자동차와 발전용 연료전지 등의 보급이 확대되면서 재생에너지원의 이용률 증가와 에너지저장관점에서의 전기화학적 수소생산 기술인 수전해 기술의 중요성이 부각되고 있다.Recently, as the supply of renewable energy sources such as solar and wind power and hydrogen fuel cell vehicles and fuel cells for power generation using hydrogen has expanded, the use of renewable energy sources has increased and water electrolysis, an electrochemical hydrogen production technology from the point of view of energy storage The importance of technology is being highlighted.

수전해를 이용하여 수소를 생산하는 방법으로는, 산성 및 알칼리 수전해 방법, 이온교환막을 사용하는 양이온교환막(PEM; Proton Exchange Membrane) 수전해 방법, 고온수증기형 수전해 방법 등이 있으며, 구조적인 형태는 PEM 수전해와 유사하고, 작동 환경은 알칼리 수전해에서 기술을 차용한 음이온교환막(AEM; Anion Exchange Membrane)수전해 방법이 있다.Methods for producing hydrogen using water electrolysis include acidic and alkaline water electrolysis, Proton Exchange Membrane (PEM) water electrolysis using an ion exchange membrane, and high-temperature steam type water electrolysis. The shape is similar to PEM water electrolysis, and the operating environment is an anion exchange membrane (AEM) water electrolysis method borrowing technology from alkaline water electrolysis.

이 중, 알칼리 전해액(NaOH 또는 KOH) 수전해 방법은, 기술적 성숙도가 높아 상용화가 활발하며, 구조가 단순하고 비귀금속 촉매를 사용함과 아울러 제조 단가가 저렴하여, 메가와트 단위의 큰 규모의 구조로 제작이 가능한 반면, 알칼리 전해액 농도를 유지하기 위해 전해액을 계속 보충해야 하는 문제점과 알칼리 전해액에 따른 부식 문제, 낮은 전류 밀도와 효율, 고압 운전이 불가능한 단점을 가지고 있다.Among them, the alkaline electrolyte (NaOH or KOH) water electrolysis method has a high technical maturity, so it is commercially available, has a simple structure, uses a non-noble metal catalyst, and has a low manufacturing cost. While manufacturing is possible, it has the disadvantages of continuously replenishing the electrolyte in order to maintain the concentration of the alkaline electrolyte, the corrosion of the alkaline electrolyte, low current density and efficiency, and the impossibility of high-pressure operation.

또한, 양이온교환막 수전해는, 백금족 촉매와 고분자전해질 양이온 교환막을 이용하여, 높은 전류밀도로 운전 할 수 있어 장치의 소형화가 가능하며, 시스템 구조가 단순하여 고압으로 수소 생산할 수 있고, 산성 조건에서 부식성이 없는 귀금속을 사용하여 내구성이 우수한 반면, 촉매가 값이 비싼 귀금속을 이용하여 비용이 많이 드는 단점이 있다.In addition, the cation exchange membrane water electrolysis uses a platinum group catalyst and a polyelectrolyte cation exchange membrane, and can be operated at a high current density, making it possible to miniaturize the device. While the durability is excellent by using a noble metal having no metal, there is a disadvantage in that the catalyst is expensive by using an expensive noble metal.

아울러, 음이온교환막 수전해는 양이온교환막 수전해와 스택 구조가 유사하고 고압으로 고순도의 수소를 생산하며, 비교적 높은 전류 밀도로 작동하며, 알칼리 환경에서 시스템이 운영되어 저가의 비귀금속 촉매를 사용할 수 있다.In addition, anion exchange membrane water electrolysis has a similar stack structure to cation exchange membrane water electrolysis, produces high-purity hydrogen at high pressure, operates at a relatively high current density, and operates in an alkaline environment, allowing the use of inexpensive non-precious metal catalysts. .

상기 여러 종류의 수전해시스템 운전 시에, 수전해스택에서의 수소와 산소의 섞임(cross-over)현상을 방지하는 것이 매우 중요하다.When operating the various types of water electrolysis systems, it is very important to prevent cross-over of hydrogen and oxygen in the water electrolysis stack.

이온교환막을 사용하는 PEM수전해와 AEM수전해는 이론적으로 수전해스택 내부에서 수소와 산소의 섞임현상은 없으나, 제조불량이나 운영 시에 전극열화, 가스켓 누설 및 애노드전극 측의 산소 발생 시에 전해질 펌프 등의 오동작 등으로 생성 산소가 균일하게 제거 되지 않으면 이온교환막에 핀홀이 생성될 수 있어 수전해스택에서 수소와 산소의 섞임현상이 발생할 수 있어 이를 해결할 수 있는 기술이 필요하다. In the case of PEM water electrolysis and AEM water electrolysis using an ion exchange membrane, there is theoretically no mixing of hydrogen and oxygen inside the water electrolysis stack. If the generated oxygen is not uniformly removed due to a malfunction of the pump, etc., pinholes may be created in the ion exchange membrane, which may cause a mixture of hydrogen and oxygen in the water electrolysis stack.

이를 위해, 종래의 선행기술 KR 등록특허 제10-1332265호(명칭 : 알칼리 수전해용 수소 정제장치)(이하, '선행문헌1'이라 함)에는, 알칼리 수전해 장치로부터 유입되는 수소 가스에 포함된 산소 가스를 촉매 반응시켜 수분을 생성하도록 내부에 구리, 니켈, 철, 아연, 알루미늄, 지르콘, 실리콘 중에서 하나 이상 선택된 물질로 이루어지는 촉매층이 설치된 것으로서, 반응실이 형성된 촉매 반응기 본체와, 상기 촉매 반응기 본체 내부에 충진되는 촉매층과, 상기 촉매층의 양단부에 충진되는 촉매층 고정부재와, 상기 촉매 반응기 본체의 양단에 착탈 가능하게 체결되며 가스 유출입을 위한 중공부가 형성된 캡을 포함하는 촉매 반응기와; 상기 촉매 반응기의 후방에 병렬적으로 설치되고, 촉매 반응된 가스에 포함된 수분을 흡착하는 것으로서, 반응실이 형성된 흡착 반응기 본체와, 상기 흡착 반응기 본체 내부에 흡착재가 충진되는 흡착층과, 상기 흡착층의 양단부에 부직포 형상의 세라믹 울이 충진된 흡착층 고정부재와, 상기 흡착 반응기 본체의 양단에 착탈 가능하게 체결되며 가스 유출입을 위한 중공부가 형성된 캡을 포함하는 복수 개의 흡착 반응기와; 상기 각각의 흡착 반응기 일측에 설치되어 상기 흡착 반응기 내부를 가열하는 히팅부재를 포함하는 기술이 제안되어 있다.To this end, in the prior art KR Registered Patent No. 10-1332265 (name: hydrogen purification apparatus for alkaline water electrolysis) (hereinafter referred to as 'prior document 1'), hydrogen gas flowing from the alkaline water electrolysis apparatus contains A catalyst layer made of at least one material selected from copper, nickel, iron, zinc, aluminum, zircon, and silicon is installed therein to generate moisture by catalyzing oxygen gas, the catalytic reactor body having a reaction chamber formed therein; and the catalytic reactor body A catalyst reactor comprising: a catalyst layer filled therein; a catalyst layer fixing member filled at both ends of the catalyst layer; An adsorption reactor body installed in parallel to the rear of the catalytic reactor and adsorbing moisture contained in a catalytically-reacted gas, an adsorption reactor body having a reaction chamber formed therein, an adsorption layer filled with an adsorbent inside the adsorption reactor body, and the adsorption a plurality of adsorption reactors comprising: an adsorption layer fixing member filled with non-woven fabric-shaped ceramic wool at both ends of the layer; A technology including a heating member installed on one side of each of the adsorption reactors to heat the inside of the adsorption reactor has been proposed.

상기의 구성을 갖는 종래의 선행문헌1은, 수소 정제는 가능하지만, 알칼리 수전해장치의 고질적인 문제인 다공성 전해질막(Zirfon)에서의 수소와 산소 섞임현상을 알칼리 수전해 스택에서 감지하기가 불가능한 문제점이 있다.In the prior art document 1 having the above configuration, hydrogen purification is possible, but it is impossible to detect the hydrogen and oxygen mixing phenomenon in the porous electrolyte membrane (Zirfon), which is a chronic problem of alkaline water electrolysis devices, in the alkaline water electrolysis stack. There is this.

한편, 또 다른 선행기술인 KR 등록특허 제10-1724060호(명칭 : 알칼리 수전해 장치 및 이의 운전 방법)(이하, '선행문헌2'라 함)에는, 복수의 막-전극 접합체를 포함하며, 전해액 탱크로부터 공급받은 알칼리 수용액을 전기분해하여 수소와 산소를 발생시키기 위한 수전해 스택; 상기 수전해 스택으로 전기분해에 필요한 전압을 출력하는 전압 인가부; 상기 수전해 스택이 무부하 상태일 때 상기 수전해 스택과 통전되어 상기 수전해 스택의 잔류 전압을 소모하여 제거하는 전압 소모 장치; 및 상기 수전해 스택, 상기 전압 인가부, 및 상기 전압 소모 장치의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 기술이 제안되어 있다.On the other hand, another prior art, KR Patent Registration No. 10-1724060 (name: alkaline water electrolysis apparatus and operating method thereof) (hereinafter referred to as 'prior document 2') includes a plurality of membrane-electrode assemblies, and an electrolyte solution a water electrolysis stack for generating hydrogen and oxygen by electrolyzing the aqueous alkali solution supplied from the tank; a voltage applying unit outputting a voltage required for electrolysis to the water electrolysis stack; a voltage consuming device for consuming and removing a residual voltage of the electrolytic stack by being energized with the electrolytic stack when the electrolytic stack is in a no-load state; and a control unit for controlling operations of the electrolytic stack, the voltage applying unit, and the voltage consuming device is proposed.

그러나, 선행문헌2는 수전해 장치의 수전해스택, 전압인가부, 전압제거부 및 제어부를 구성하여, 수전해 장치 정지 시에, 전압제거부에서 수전해 스택이 무부하 상태일 때 수전해스택과 통전되어 수전해스택의 잔류 전압을 소모하여 제거하는 방법이 구성되지만, 수전해시스템 운영 시에 발생할 수 있는 이온교환막의 핀홀 등으로 수소와 산소의 섞임현상을 실시간으로 감지하는 방법은 제공할 수 없는 문제점이 있다. However, Prior Document 2 constitutes the receiving electrolysis stack, the voltage applying unit, the voltage removing unit and the control unit of the water electrolytic device, and when the receiving electrolytic device is stopped, the receiving electrolytic stack and the receiving electrolytic stack when the receiving electrolytic stack is in a no-load state in the voltage removing unit when the electrolytic device is stopped A method for removing the residual voltage of the water electrolysis stack by energizing it is configured, but a method for detecting the mixture of hydrogen and oxygen in real time due to pinholes in the ion exchange membrane that may occur during the operation of the water electrolysis system cannot be provided. There is a problem.

KR 등록특허 제10-1332265호(2013.11.18)KR Registered Patent No. 10-1332265 (2013.11.18) KR 등록특허 제10-1724060호(2017.03.31)KR Registered Patent No. 10-1724060 (2017.03.31)

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 수소생산 시 화재나 폭발의 위험 원인인 이온교환막(격막)의 이상유무를 감지하는 수전해 스택 셀전압 감지부를 구비하여 수전해스택의 위험 감지 상태를 실시간으로 모니터링하되, 수전해스택 내부에서 수소와 산소의 섞임(Cross-over)현상을 조기에 감지하여 수소생산을 정지함으로써, 수전해스택 내부에서 위험상태가 인접 셀로 전파되는 것을 제거할 수 있는 실시간 위험상태 감지 수전해시스템을 제공하기 위한 것이다.Accordingly, an object of the present invention to solve this problem is to provide a water electrolysis stack cell voltage sensing unit that detects the presence or absence of abnormalities in the ion exchange membrane (diaphragm), which is a risk cause of fire or explosion during hydrogen production, to detect the danger of the water electrolysis stack By monitoring the status in real time, but by detecting the cross-over of hydrogen and oxygen inside the water electrolysis stack at an early stage and stopping the hydrogen production, it is possible to eliminate the propagation of a dangerous condition to adjacent cells inside the water electrolysis stack. This is to provide a real-time hazardous state detection water electrolysis system.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 실시간 위험상태 감지 수전해시스템은, 복수의 단위셀과 분리판이 직렬로 적층된 구조로 이루어지며, 전기에너지와 물의 수전해 반응으로 수소와 산소를 생산하는 수전해스택; 상기 수전해스택의 일측에 구비되어 순환수를 공급하는 순환수탱크; 상기 수전해스택의 애노드(OER;oxygen evolution reaction) 전극에서 발생하는 산소 발생 라인에 위치하여 전해액인 순환수를 순환시키는 액체펌프; 상기 수전해스택의 전단에 구비된 압력센서; 상기 압력센서의 일측에 구비되어 순환수 유량을 감지하는 유량센서; 상기 수전해스택의 후방에 구비되며, 이온교환막에 핀홀이 발생하는 경우 수소와 산소의 섞임현상으로 인한 상기 수전해스택 후방의 순환수 온도가 증가하는 것을 모니터링하는 온도센서; 상기 수전해스택에 전기에너지를 공급하는 컨버터; 상기 순환수탱크의 온도를 일정하게 유지시키는 공랭식 열교환기; 상기 수전해스택의 셀전압이 정해진 셀 운전전압보다 감소하는 것을 실시간으로 감지하는 셀전압 위험감지기; 수소와 산소의 섞임현상으로 인한 위험상태를 감지하는 수전해시스템 제어기; 를 포함하되, 상기 순환수탱크는, 순환수에 포함된 산소를 분리하는 이중격벽구조로 구성되며, 초기 작동시에 순환수의 온도를 올리는 히터와, 순환수탱크의 최대수위 및 최저수위를 감지하는 레벨센서를 포함하여 구성될 수 있다.In order to achieve the above object, the water electrolysis system for detecting a dangerous state in real time according to the present invention has a structure in which a plurality of unit cells and a separator are stacked in series, and can produce hydrogen and oxygen through a water electrolysis reaction of electric energy and water. electrolytic stack; a circulating water tank provided on one side of the water electrolysis stack to supply circulating water; a liquid pump positioned in an oxygen generation line generated from an anode (oxygen evolution reaction) electrode of the water electrolysis stack to circulate circulating water, which is an electrolyte; a pressure sensor provided at the front end of the water electrolysis stack; a flow sensor provided on one side of the pressure sensor to detect a flow rate of circulating water; a temperature sensor provided at the rear of the water electrolysis stack and monitoring an increase in the temperature of the circulating water at the rear of the water electrolysis stack due to the mixing phenomenon of hydrogen and oxygen when a pinhole occurs in the ion exchange membrane; a converter for supplying electrical energy to the electrolytic stack; an air-cooled heat exchanger for maintaining a constant temperature of the circulating water tank; a cell voltage risk detector that detects in real time that the cell voltage of the receiving electrolytic stack is lower than a predetermined cell operating voltage; a water electrolysis system controller that detects a dangerous state due to a mixture of hydrogen and oxygen; Including, wherein the circulating water tank is composed of a double bulkhead structure that separates oxygen contained in circulating water, and a heater that raises the temperature of circulating water during initial operation, and detecting the maximum and minimum water levels of the circulating water tank It may be configured to include a level sensor.

상기 수전해시스템을 정지(shut-down)시키는 셀전압은 운전 셀전압 범위가 1.5V 내지 1.45V일 수 있다.The cell voltage for shutting down the water electrolysis system may have a driving cell voltage range of 1.5V to 1.45V.

상기 수전해스택의 캐소드(HER; hydrogen evolution reaction) 전극에서 생산되는 수소를 냉각시키는 열교환기; 수소 생산라인에 구비되되, 애노드 전극측에서 캐소드 전극측으로 이온교환막을 통해 물이 넘어오는 것을 방지하는 가압기; 상기 이온교환막을 통해 물이 역류되는 것을 방지하는 체크밸브; 수소와 함께 이송되는 미량의 수분을 분리하는 수분리기; 상기 수분리기의 일측에 위치하는 흡착기; 상기 흡착기의 일측에 구비되며, 상기 흡착기와 함께 고순도의 수소를 획득할 수 있도록 하는 마이크로필터; 생산한 수소가스 내의 산소농도를 검출하는 별도의 방폭형 산소센서; 를 더 포함하여 구성될 수 있다.a heat exchanger for cooling hydrogen produced at a cathode (H2O) electrode of the water electrolysis stack; a pressurizer provided in the hydrogen production line, preventing water from flowing through the ion exchange membrane from the anode electrode side to the cathode electrode side; a check valve to prevent backflow of water through the ion exchange membrane; a water separator that separates a small amount of moisture transferred together with hydrogen; an adsorber located at one side of the water group; a micro filter provided on one side of the adsorber and capable of obtaining high-purity hydrogen together with the adsorber; a separate explosion-proof oxygen sensor for detecting the oxygen concentration in the produced hydrogen gas; It may be configured to further include.

상기 셀전압 위험감지기는, 상기 수전해스택을 구성하는 적어도 1개 이상으로 구성된 복수의 단위셀들을 감시하는 복수의 셀전압비교부; 및 상기 셀전압비교부와 연결되게 설치되는 셀저전압 경보부; 상기 셀전압비교부의 일측에 위치하는 셀방전부; 상기 셀방전부와 연결 설치되는 방전제어부; 상기 단위셀들의 수전해스택 양 끝단을 연결하여 이루어지는 셀 전압/전류 검출부; 를 포함하며, 상기 셀저전압 경보부에서 셀전압이 미리 정해진 운전전압 보다 감소하는 것을 실시간으로 검출하고, 수전해시스템 정지 시에 복수의 셀방전부와, 상기 셀방전부와 연결된 방전제어부에서 잔류전압을 제거할 수 있다.The cell voltage risk detector may include: a plurality of cell voltage comparison units configured to monitor a plurality of unit cells including at least one or more constituting the electrolytic stack; and a cell low voltage alarm unit installed to be connected to the cell voltage comparison unit. a cell discharge unit located at one side of the cell voltage comparison unit; a discharge control unit connected to the cell discharge unit; a cell voltage/current detection unit formed by connecting both ends of the electrolytic stack of the unit cells; It includes, wherein the cell low voltage warning unit detects in real time that the cell voltage is lower than the predetermined operating voltage, and removes the residual voltage from the plurality of cell discharging units and the discharge control unit connected to the cell discharging unit when the water electrolysis system is stopped. can

상기 셀전압 위험감지기는, 단위셀 1개씩, 또는 단위셀 4개씩, 또는 단위셀 8개씩 연결하여 셀전압비교부를 구성하되, 상기 셀 전압/전류 검출부에서 미리 정해진 상기 수전해스택의 전체 과전압, 또는 과전류 값이 검출되면 상기 수전해시스템 제어기에서 수전해시스템을 정지시킬 수 있게 된다.The cell voltage risk detector configures a cell voltage comparator by connecting one unit cell, four unit cells, or eight unit cells, wherein the total overvoltage of the electrolytic stack predetermined in the cell voltage/current detection unit, or When the overcurrent value is detected, the water electrolysis system controller can stop the water electrolysis system.

상기에서 설명한 본 발명의 실시간 위험상태 감지 수전해시스템에 의하면, 수소생산 시 화재나 폭발의 위험 원인인 이온교환막(격막)의 이상유무를 감지하는 수전해 스택 셀전압 감지부를 구비하여 수전해스택의 위험 감지 상태를 실시간으로 모니터링하되, 수전해스택 내부에서 수소와 산소의 섞임(Cross-over)현상을 조기에 감지하여 수소생산을 정지함으로써, 수전해스택 내부에서 위험상태가 인접 셀로 전파되는 것을 제거할 수 있게 된다.According to the real-time hazardous state detection water electrolysis system of the present invention described above, it is provided with a water electrolysis stack cell voltage sensing unit that detects the presence or absence of abnormalities in the ion exchange membrane (diaphragm), which is a risk cause of fire or explosion during hydrogen production. The danger detection status is monitored in real time, but the cross-over of hydrogen and oxygen inside the water electrolysis stack is detected early and hydrogen production is stopped, thereby eliminating the risk from propagating to adjacent cells inside the water electrolysis stack be able to do

또한, 본 발명의 실시간 위험상태 감지 수전해시스템에 의하면, 이온교환막(격막)을 사용하므로, 시스템 운영 시 전해질막의 핀홀 발생으로 수소와 산소의 섞임현상이 수전해스택에서 발생하였을 때, 실시간으로 수전해스택 셀 전압들의 이상 거동을 감시하여 사전에 위험 상황를 방지할 수 있으며, 설치장소의 안전을 보장할 수 있다. In addition, according to the real-time hazardous state detection water electrolysis system of the present invention, since an ion exchange membrane (diaphragm) is used, when a phenomenon of mixing of hydrogen and oxygen occurs in the water electrolysis stack due to pinholes in the electrolyte membrane during system operation, the By monitoring the abnormal behavior of the electrolytic stack cell voltages, a dangerous situation can be prevented in advance, and the safety of the installation site can be guaranteed.

또한, 본 발명의 실시간 위험상태 감지 수전해시스템에 의하면, 별도로 미리 정해진 수전해스택 전체 과전압이나 과전류 값을 수전해시스템 셀전압 위험감지기의 셀전압비교부 및 셀 전압/전류 검출부에서 검출할 수 있어, 가스켓 불량이나 시스템 구성 부품들의 오동작 등으로 발생하는 위험상태를 수전해시스템 제어기에서 인지하여 시스템을 정지시키는 과정을 통해 안전하게 수소를 생산할 수 있게 된다. In addition, according to the real-time dangerous state detection water electrolysis system of the present invention, a separately predetermined total overvoltage or overcurrent value of the receiving electrolysis stack can be detected in the cell voltage comparison unit and the cell voltage/current detection unit of the cell voltage risk detector of the water electrolysis system, Hydrogen can be safely produced through the process of stopping the system by recognizing a dangerous state caused by a defective gasket or malfunctioning of system components in the water electrolysis system controller.

도 1은 본 발명에 따른 실시간 위험상태 감지 수전해시스템의 구성을 개략적으로 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 실시간 위험상태 감지 수전해시스템의 셀전압 위험감지기에 대한 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.1 is a configuration diagram schematically showing the configuration of a real-time dangerous state detection water electrolysis system according to the present invention;
2 is a configuration diagram schematically showing the configuration of a cell voltage risk detector of a real-time dangerous state detection water electrolysis system according to the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하기 위한 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.Advantages and features of the present invention, and a method for achieving the same will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings.

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 참조부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in a variety of different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the art to which the present invention pertains It is provided to fully inform those who have 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.

따라서, 몇몇 실시 예에서, 잘 알려진 공정단계들, 잘 알려진 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.Accordingly, in some embodiments, well-known process steps, well-known structures, and well-known techniques have not been specifically described in order to avoid obscuring the present invention.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않은 한 복수형도 포함한다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments, and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless otherwise specified in the phrase.

명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다.As used herein, includes and/or comprising refers to the presence or addition of one or more other components, steps, operations and/or elements other than the recited elements, steps, operations and/or elements. It is used in the sense of not being excluded.

그리고, "및/또는"은 언급된 아이템의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.And, “and/or” includes each and every combination of one or more of the recited items.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다.In addition, the embodiments described in this specification will be described with reference to cross-sectional and/or schematic diagrams that are ideal illustrations of the present invention.

따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정형태로 제한되는 것이 아니라 제조공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다.Accordingly, the embodiments of the present invention are not limited to the specific form shown, but also include changes in the form generated according to the manufacturing process.

그리고, 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다.In addition, in each drawing shown in the present invention, each component may be enlarged or reduced to some extent in consideration of convenience of description.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 수전해스택(101)을 구성하는 단위셀들의 통상 운전전압은 1.5V에서 2.1V 범위이며, 최근에는 수소생산 효율성과 수전해시스템 소형화(compact)를 위해 고전류밀도에서 운전할 수 있는 수전해시스템들이 개발, 상용화되고 있음을 밝혀둔다. First, the normal operating voltage of the unit cells constituting the water electrolysis stack 101 is in the range of 1.5V to 2.1V, and recently, a water electrolysis system capable of operating at a high current density for hydrogen production efficiency and compact water electrolysis system It is revealed that they are being developed and commercialized.

이러한 수전해시스템 운영 시(時), 이온교환막(격막)에 핀홀이 생성되면 수소와 산소의 섞임(cross-over)현상이 발생하여, 외부에서 공급된 전력의 정해진 운전 전압 보다 수전해스택 단위셀에서, 동일한 전류밀도이지만 이온교환막(격막) 기준으로 전위 상쇄로 낮은 운전 전압으로 운전되며, 수전해 전류효율을 현저하게 낮추는 현상이 발생하고, 핀홀 발생이 계속 진행된다면 수소와 산소 섞임현상이 증가하여 수전해스택이 통전되어 화재나 폭발의 위험상황에 이르게 된다.When a pinhole is created in the ion exchange membrane (diaphragm) during operation of such a water electrolysis system, a cross-over phenomenon of hydrogen and oxygen occurs, and the water electrolysis stack unit cell is higher than the predetermined operating voltage of externally supplied power. , but the same current density, but operates at a low operating voltage based on potential cancellation based on the ion exchange membrane (diaphragm), a phenomenon that significantly lowers the water electrolysis current efficiency occurs, and if the pinhole generation continues, the hydrogen and oxygen mixing phenomenon increases. The electrolytic stack is energized, leading to a risk of fire or explosion.

본 발명은 상기와 같은 화재나 폭발의 위험성을 미리 감지하여 예방할 수 있도록 한 것이다.The present invention is to prevent the risk of fire or explosion as described above by detecting in advance.

도 1은 본 발명에 따른 실시간 위험상태 감지 수전해시스템의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이며, 도 2는 본 발명에 따른 실시간 위험상태 감지 수전해시스템의 셀전압 위험감지기에 대한 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.1 is a configuration diagram schematically showing the configuration of a real-time dangerous state detection water electrolysis system according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a cell voltage risk detector of a real-time dangerous state detection water electrolysis system according to the present invention It is a configuration diagram shown.

본 발명에 따른 실시간 위험상태 감지 수전해시스템(100)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 단위셀과 분리판이 직렬로 적층된 구조를 이루는 수전해스택(101)과, 셀전압의 감소여부를 감지하는 셀전압 위험감지기(102)와, 수전해스택(101)에 전기를 공급하는 컨버터(103)를 포함하여 구성될 수 있다. The water electrolysis system 100 for detecting a real-time dangerous state according to the present invention, as shown in FIG. 1, includes a water electrolysis stack 101 having a structure in which a plurality of unit cells and a separator are stacked in series, and a cell voltage is reduced. It may be configured to include a cell voltage risk detector 102 for detecting whether or not, and a converter 103 for supplying electricity to the electrolytic stack 101 .

먼저, 수전해는 전극, 전해액, 이온교환막(격막) 등으로 구성되며, 하기 반응식과 같이 환원구역에서는 외부전원에서 공급된 전자와 물(H2O)가 반응하여 수소기체와 OH-가 생성되고 이 OH-는 이온교환막(격막)을 통해 산화구역으로 이동하여 물(H2O)과 산소기체를 생성하게 된다.First, water electrolysis consists of an electrode, an electrolyte, and an ion exchange membrane (diaphragm), and as shown in the following reaction formula, in the reduction zone, electrons supplied from an external power source and water (H 2 O) react to generate hydrogen gas and OH - This OH - moves to the oxidation zone through the ion exchange membrane (diaphragm) to generate water (H 2 O) and oxygen gas.

상기 수전해스택(101)은 복수의 단위셀과 분리판이 직렬로 적층된 구조를 이루어 마련되는 바, 이 수전해스택(101)은 전기에너지와 물의 수전해 반응으로 수소와 산소를 생산하게 된다.The water electrolysis stack 101 is provided to have a structure in which a plurality of unit cells and a separator are stacked in series, and the water electrolysis stack 101 produces hydrogen and oxygen through a water electrolysis reaction between electrical energy and water.

셀전압 위험감지기(102)는, 본 발명의 중요한 특징중 하나로써, 수전해스택(101)의 셀전압이 정해진 셀 운전전압보다 감소하는 것을 실시간으로 감지하는 기능을 수행한다.The cell voltage risk detector 102, as one of the important features of the present invention, performs a function of detecting in real time that the cell voltage of the electrolytic stack 101 decreases than the predetermined cell operating voltage.

이러한, 셀전압 위험감지기(102)는 단위셀들을 감지하는 셀전압비교부(102a)와, 셀전압비교부(102a)와 연결 설치되는 셀저전압 경보부(102b)와, 셀방전부(102c)와, 방전제어부(102d)와, 셀 전압/전류 검출부(102e)를 포함하여 구성될 수 있다. The cell voltage risk detector 102 includes a cell voltage comparison unit 102a for detecting unit cells, a cell low voltage alarm unit 102b connected to the cell voltage comparison unit 102a, a cell discharge unit 102c, and a discharge control unit. It may be configured to include a (102d) and a cell voltage/current detection unit (102e).

셀전압비교부(102a)는 복수개로 마련되며, 수전해스택(101)을 구성하는 적어도 1개 이상으로 구성된 복수의 단위셀들을 감시하는 기능을 수행한다.The cell voltage comparator 102a is provided in plurality, and performs a function of monitoring a plurality of unit cells composed of at least one or more constituting the electrolysis stack 101 .

상기 셀저전압 경보부(102b)는 셀전압비교부(102a)와 연결되게 설치되는 구성으로 이루어진다.The cell low voltage alarm unit 102b is configured to be connected to the cell voltage comparison unit 102a.

상기 셀방전부(102c)는 셀전압비교부(102a)의 일측에 위치하는 구성을 가지며, 방전제어부(102d)는 셀방전부(102c)와 연결 설치된다.The cell discharge unit 102c has a configuration positioned at one side of the cell voltage comparison unit 102a, and the discharge control unit 102d is connected to the cell discharge unit 102c.

셀 전압/전류 검출부(102d)는 단위셀들의 수전해스택 양 끝단을 연결하여 이루어지는 구성을 갖는다.The cell voltage/current detection unit 102d has a configuration formed by connecting both ends of the electrolytic stack of unit cells.

이러한 구성을 갖는, 셀전압 위험감지기(102)는 셀저전압 경보부(102b)에서 셀전압이 미리 정해진 운전전압 보다 감소하는 것을 실시간으로 검출하고, 수전해시스템 정지 시에 복수의 셀방전부(102c)와, 셀방전부(102c)와 연결된 방전제어부(102d)에서 잔류전압을 제거할 수 있게 된다.The cell voltage risk detector 102 having this configuration detects in real time that the cell voltage is lower than a predetermined operating voltage in the cell low voltage warning unit 102b, and when the water electrolysis system is stopped, a plurality of cell discharge units 102c and , it is possible to remove the residual voltage from the discharge control unit 102d connected to the cell discharge unit 102c.

상기 셀전압 위험감지기(102)는 단위셀 1개씩, 또는 단위셀 4개씩, 또는 단위셀 8개씩 연결하여 셀전압비교부(102a)를 구성하되, 셀 전압/전류 검출부(102d)에서 미리 정해진 상기 수전해스택(101)의 전체 과전압, 또는 과전류 값이 검출되면 수전해시스템 제어기에서 수전해시스템을 정지시킬 수 있게 된다.The cell voltage risk detector 102 configures the cell voltage comparison unit 102a by connecting one unit cell, four unit cells, or eight unit cells, and the cell voltage/current detection unit 102d determines the number When the total overvoltage or overcurrent value of the electrolysis stack 101 is detected, the water electrolysis system controller can stop the water electrolysis system.

보다 상세하게 살펴보면, 수전해스택(101)을 구성하는 복수의 단위셀들을 2개씩 감시하는 복수의 셀전압비교부와 연결된 셀저전압 경보부를 구성하여 셀전압이 미리 정해진 운전전압 보다 감소하는 것을 실시간으로 검출할 수 있으며, 복수의 셀방전부와 연결된 방전제어부를 구성하여 수전해시스템 정지 시에, 잔류전압을 제거할 수 있고 셀1과 셀n의 수전해스택 양 끝단을 연결한 셀 전압/전류 검출부를 구성하여 수전해스택 전체 전압과 전류를 모니터링할 수 있다.In more detail, by configuring a cell low voltage alarm unit connected to a plurality of cell voltage comparators that monitor two units of a plurality of unit cells constituting the electrolysis stack 101, it is detected in real time that the cell voltage decreases than the predetermined operating voltage. By configuring a discharge control unit connected to a plurality of cell discharge units, the residual voltage can be removed when the water electrolysis system is stopped Thus, the entire voltage and current of the electrolytic stack can be monitored.

또한, 상기 수전해시스템 셀전압 위험감지기의 셀전압비교부는 단위셀 1개씩 각각 연결할 수도 있고, 단위셀 4개씩 혹은 단위셀 8개씩 연결하여 셀전압비교부를 구성할 수 있으며, 미리 정해진 수전해스택 과전압이나 과전류 값이 상기 셀 전압/전류 검출부에서 검출되면 수전해시스템 제어기에서 상기 시스템을 정지시키는 것이 바람직하다. In addition, the cell voltage comparison unit of the cell voltage risk detector of the water electrolysis system may be connected to each unit cell one by one, or the cell voltage comparison unit may be configured by connecting four unit cells or eight unit cells to each other, and a predetermined water electrolysis stack overvoltage However, when an overcurrent value is detected by the cell voltage/current detection unit, it is preferable that the water electrolysis system controller stops the system.

아울러, 컨버터(103)는 수전해스택(101)의 작동에 필요한 전기에너지를 공급하게 된다.In addition, the converter 103 supplies electrical energy necessary for the operation of the electrolytic stack 101 .

상기 수전해시스템 운영 시에, 외부에서 수전해스택(101)에 전기에너지를 공급하는 컨버터(103)와 수전해스택의 셀전압을 정해진 셀 운전전압에서 감소하는 것을 실시간으로 감지하는 셀전압 위험감지기(102)를 구성하여 수소와 산소의 섞임현상으로 인한 수전해스택 셀전압 감소 현상을, 원인이 1차적으로 발생하는 수전해 스택에서 검출하여 상기 시스템을 정지(shut-down)시킬 수 있다. During operation of the water electrolysis system, the converter 103 that supplies electric energy to the water electrolysis stack 101 from the outside and a cell voltage risk detector that detects in real time that the cell voltage of the water electrolysis stack decreases from the predetermined cell operating voltage By configuring (102), it is possible to detect a decrease in the cell voltage of the water electrolysis stack due to the mixture of hydrogen and oxygen in the water electrolysis stack where the cause is primarily generated, and the system can be shut down.

상기의 구성을 갖는 수전해시스템을 정지(shut-down)시키는 셀전압은 운전 셀전압 범위가 1.5V 내지 1.45V일 수 있다.The cell voltage for shutting down the water electrolysis system having the above configuration may have an operating cell voltage range of 1.5V to 1.45V.

즉, 수전해 시스템을 정지하는 셀전압은 이론전위가 1.229V임을 고려하여, 수전해스택 운전 셀전압 범위가 1.2V에서 1.45V일 때 수전해시스템을 정지(shut-down)하는 것이 바람직하다. That is, considering that the cell voltage for stopping the water electrolysis system has a theoretical potential of 1.229V, it is preferable to shut-down the water electrolysis system when the cell voltage range for the operation of the water electrolysis stack is 1.2V to 1.45V.

한편, 본 발명에 따른 실시간 위험상태 감지 수전해시스템(100)에 의하면, 애노드(OER;oxygen evolution reaction) 전극에서 발생하는 산소 발생 라인에는, 순환수를 공급하는 순환수탱크(104)와, 순환수를 순환시키는 액체펌프(105)와, 압력센서(106) 및 유량센서(107), 순환수 온도 증가여부를 모니터링하는 온도센서(108)와, 순환수탱크(104)의 온도를 유지시키는 공랭식 열교환기(109)를 포함하여 구성될 수 있다.On the other hand, according to the real-time hazardous state detection water electrolysis system 100 according to the present invention, the oxygen generation line generated from the anode (OER; oxygen evolution reaction) electrode, the circulating water tank 104 for supplying circulating water, and circulation A liquid pump 105 for circulating water, a pressure sensor 106 and a flow sensor 107, a temperature sensor 108 for monitoring whether the temperature of the circulating water increases, and an air-cooling type for maintaining the temperature of the circulating water tank 104 It may be configured to include a heat exchanger (109).

본 발명에 따른 애노드(OER;oxygen evolution reaction) 전극에서 발생하는 산소의 반응식은 다음과 같다.The reaction formula of oxygen generated in the anode (oxygen evolution reaction) electrode according to the present invention is as follows.

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 순환수탱크(104)는 수전해스택(101)의 일측에 구비되며, 수전해스택(101)측으로 순환수를 공급한다.The circulating water tank 104 is provided on one side of the water electrolysis stack 101 , and supplies circulating water to the water electrolysis stack 101 side.

이러한 순환수탱크(104)는 순환수에 포함된 산소를 분리하는 이중격벽구조로 구성되는 것으로, 순환수탱크(104)는 순환수에 포함된 산소를 분리하는 이중격벽구조로 구성되도록 한다.The circulating water tank 104 is configured to have a double bulkhead structure for separating oxygen contained in circulating water, and the circulating water tank 104 is configured to have a double bulkhead structure for separating oxygen contained in circulating water.

상기 순환수탱크(104)는 초기 작동시에 순환수의 온도를 올리는 히터(미도시)와, 순환수탱크(104)의 최대수위 및 최저수위를 감지하는 레벨센서(미도시)를 더 포함하여 구성될 수 있다. The circulating water tank 104 further includes a heater (not shown) that raises the temperature of the circulating water during initial operation, and a level sensor (not shown) for detecting the maximum and minimum water levels of the circulating water tank 104 , can be configured.

이와 같은, 순환수탱크(104)는 수전해시스템 제어기(미도시)에서 전류량을 받아 물 소비량을 계산하며, 물소비량이 계산된 값을 기준으로 정량펌프와 순수 보조탱크(110)를 이용하여 순환수탱크(104)에서 소비된 물량만큼 실시간으로 정밀하게 물을 공급하는 기능을 수행한다. As such, the circulating water tank 104 receives the amount of current from the water electrolysis system controller (not shown) and calculates the water consumption, and circulates using the metering pump and the pure water auxiliary tank 110 based on the calculated value of the water consumption. It performs a function of precisely supplying water in real time as much as the amount consumed in the water tank 104 .

액체펌프(105)는 수전해스택(101)의 애노드(OER;oxygen evolution reaction) 전극에서 발생하는 산소 발생 라인에 위치하게 되며, 전해액인 순환수를 순환시킨다.The liquid pump 105 is positioned in an oxygen generation line generated from an anode (oxygen evolution reaction) electrode of the water electrolysis stack 101 , and circulates circulating water that is an electrolyte.

또한, 수전해스택(101)의 전단에는 압력센서(106)가 구비되며, 이 압력센서(106)의 일측에 유량센서(107)를 구비하여 순환수의 유량을 감지하도록 한다.In addition, a pressure sensor 106 is provided at the front end of the water electrolysis stack 101 , and a flow sensor 107 is provided on one side of the pressure sensor 106 to sense the flow rate of the circulating water.

상기 유량센서(107)는 수전해스택(101)의 산소 발생극에서 수전해시스템(100)의 오동작 등으로 순환수(전해액)가 균일하게 순환하지 않으면 산소 발생 촉매활성영역에서 생성된 산소가 원활하게 제거되지 않아 불균일한 반응으로 이온교환막(격막)에 핀홀이 발생할 수 있다.In the flow sensor 107, if the circulating water (electrolyte) does not circulate uniformly due to malfunction of the water electrolysis system 100 at the oxygen generating electrode of the water electrolysis stack 101, oxygen generated in the oxygen generating catalytic active region is smoothly If it is not removed properly, a pinhole may occur in the ion exchange membrane (diaphragm) due to a non-uniform reaction.

이와 같이, 핀홀 발생 시에 수소와 산소의 섞임현상으로 수전해스택 후단의 순환수 온도가 증가할 수 있는 것을 모니터링하는 온도센서(108)을 구성하여 수전해시스템 구성 부품들의 오동작으로 인한 수소와 산소의 섞임현상의 위험상태를 수전해시스템 제어기에서 감지하여 상기 시스템을 정지(shut-down)시킬 수 있다. In this way, the temperature sensor 108 is configured to monitor that the temperature of the circulating water at the rear end of the water electrolysis stack may increase due to the mixing phenomenon of hydrogen and oxygen when a pinhole occurs. The system can be shut down by detecting a dangerous state of the mixing phenomenon of the water electrolysis system controller.

한편, 수전해스택(101)의 후방에는 온도센서(108)가 마련되는 데, 이 온도센서(108)를 이용하여 이온교환막에 핀홀이 발생하는 경우 수소와 산소의 섞임현상으로 인한 수전해스택(101)의 후방측 순환수에 대한 온도가 증가하는 것을 모니터링하도록 함이 바람직하다. On the other hand, a temperature sensor 108 is provided at the rear of the water electrolysis stack 101, and when a pinhole occurs in the ion exchange membrane using the temperature sensor 108, the water electrolysis stack ( 101), it is desirable to monitor an increase in the temperature of the circulating water on the back side.

상기 공랭식 열교환기(109)는 순환수탱크(104)의 일측에 마련되어 순환수탱크(104)의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 한다.The air-cooled heat exchanger 109 is provided on one side of the circulating water tank 104 to maintain a constant temperature of the circulating water tank 104 .

본 발명에 따른 수전해시스템 제어기는 수소와 산소의 섞임현상으로 인한 위험상태를 감지하는 중요한 기능을 수행한다.The water electrolysis system controller according to the present invention performs an important function of detecting a dangerous state due to the mixture of hydrogen and oxygen.

한편, 본 발명에 따른 실시간 위험상태 감지 수전해시스템(100)에 의하면, 캐소드(HER; hydrogen evolution reaction) 전극에서 생산되는 수소 발생라인에는, 수소를 냉각시키는 열교환기(111)와, 수소 생산라인에 구비되어 이온교환막을 통해 물이 넘어오는 것을 방지하는 가입기(미도시)와, 물이 역류되는 것을 방지하는 체크밸브(미도시)와, 수분을 분리하는 수분리기(115)와, 수분리기(115)의 일측에 구비되는 흡착기(113, 117)와, 고순도의 수소를 획득하도록 하는 마이크로필터(118)와, 산소농도를 검출하는 방폭형 산소센서(119)를 포함하여 구성될 수 있다.On the other hand, according to the real-time hazardous state detection water electrolysis system 100 according to the present invention, a heat exchanger 111 for cooling hydrogen, a hydrogen production line, in the hydrogen generation line produced from a cathode (HER) electrode It is provided in the addition group (not shown) to prevent water from flowing through the ion exchange membrane, a check valve (not shown) to prevent backflow of water, a water separator 115 for separating water, and a water separator Adsorbers 113 and 117 provided on one side of 115, a micro filter 118 for obtaining high-purity hydrogen, and an explosion-proof oxygen sensor 119 for detecting oxygen concentration may be included.

본 발명에 따른 캐소드(HER; hydrogen evolution reaction) 전극에서 생산되는 수소의 반응식은 다음과 같다.The reaction formula of hydrogen produced in the cathode (H2O; hydrogen evolution reaction) electrode according to the present invention is as follows.

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, 열교환기(111)는 수전해스택(101)의 캐소드(HER; hydrogen evolution reaction) 전극에서 생산되는 수소를 냉각시키는 기능을 수행한다.Here, the heat exchanger 111 performs a function of cooling hydrogen produced at a hydrogen evolution reaction (HER) electrode of the water electrolysis stack 101 .

또한, 가압기(미도시)는 수소 생산라인에 구비되는 것으로, 애노드 전극측에서 캐소드 전극측으로 이온교환막을 통해 물이 넘어오는 것을 방지하게 된다.In addition, a pressurizer (not shown) is provided in the hydrogen production line, and prevents water from flowing through the ion exchange membrane from the anode electrode side to the cathode electrode side.

즉, 순환수(전해액)가 순환하기 때문에 애노드 전극 쪽에서 캐소드(HER; hydrogen evolution reaction) 전극으로 이온교환막을 통해 물이 넘어오는 것을 방지하기 위해 수소 생산라인에 가압기가 구성함이 바람직하다.That is, since circulating water (electrolyte) circulates, it is preferable to configure a pressurizer in the hydrogen production line in order to prevent water from flowing through the ion exchange membrane from the anode electrode side to the cathode (HER: hydrogen evolution reaction) electrode.

아울러, 체크밸브(미도시)는 이온교환막을 통해 물이 역류되는 것을 방지하는 역할을 수행한다.In addition, the check valve (not shown) serves to prevent water from flowing back through the ion exchange membrane.

상기 수분리기(115)는 수소와 함께 이송되는 미량의 수분을 분리하는 것으로, 이 수분리기(115)의 일측에는 흡착기(113, 117)가 마련된다.The water separator 115 separates a small amount of moisture transferred together with hydrogen, and adsorbers 113 and 117 are provided on one side of the water separator 115 .

상기 수전해시스템 운영 시에 발생하는 산소는 열교환기(111)를 거쳐 냉각되고, 산소와 함께 이송되는 미량의 순환수는 수분리기(112)에서 분리되어 다시 순환수탱크(104)로 회수되며 미량의 수분은 흡착기(113)에서 회수되어 건조(dry)한 산소가 수전해시스템 외부로 배출된다.Oxygen generated during the operation of the water electrolysis system is cooled through the heat exchanger 111, and a trace amount of circulating water transported with oxygen is separated from the water separator 112 and returned to the circulating water tank 104, and a trace amount of the water is recovered in the adsorber 113 and dried oxygen is discharged to the outside of the water electrolysis system.

상기 마이크로필터(118)는 흡착기(113, 117)의 일측에 구비되며, 흡착기(113, 117)와 함께 고순도의 수소를 획득할 수 있도록 한다.The micro-filter 118 is provided on one side of the adsorbers 113 and 117, and together with the adsorbers 113 and 117, high-purity hydrogen can be obtained.

한편, 방폭형 산소센서(119)는 마이크로필터(118)의 일측에 구비되도록 하며, 생산한 수소가스 내의 산소농도를 검출하는 기능을 수행할 수 있도록 함이 바람직하다.On the other hand, the explosion-proof oxygen sensor 119 is provided on one side of the micro filter 118, and it is preferable to perform a function of detecting the oxygen concentration in the produced hydrogen gas.

아울러, 초기 시스템 설치나 필요 시에 질소 퍼지(purge)를 위한 퍼지라인 구성과 수전해시스템을 장시간 미사용시 가압된 수소를 방출하는 솔레노이드 밸브가 구성된 수소 벤트라인을 구성한다.In addition, a hydrogen vent line is configured with a purge line configuration for nitrogen purge when the initial system is installed or necessary, and a solenoid valve configured to discharge pressurized hydrogen when the water electrolysis system is not used for a long time.

본 발명에 따른 실시간 위험상태 감지 수전해시스템(100)은, 수소와 산소의 섞임현상에 대한 위험여부를 감지하는 수전해시스템 제어기(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.The water electrolysis system 100 for detecting a real-time dangerous state according to the present invention may include a water electrolysis system controller (not shown) for detecting whether there is a risk of a mixture of hydrogen and oxygen.

상기의 구성을 갖는 본 발명에 따른, 전기에너지와 물의 수전해 반응에 따른 반응식은 다음과 같다. According to the present invention having the above configuration, the reaction formula according to the water electrolysis reaction of electric energy and water is as follows.

Figure pat00003
Figure pat00003

상기의 구성을 갖는 본 발명에 따른 실시간 위험상태 감지 수전해시스템(100)에 의하면, 수전해시스템 운영시에 전극열화, 시스템 구성 부품들의 오동작 등으로 이온교환막(격막)에 핀홀이 생성되는 경우, 수소와 산소의 섞임(cross-over)현상이 발생하여 수전해스택이 위험상태로 진행되는 것을 방지할 수 있는 효과를 구현할 수 있다.According to the real-time hazardous state detection water electrolysis system 100 according to the present invention having the above configuration, when a pinhole is generated in the ion exchange membrane (diaphragm) due to electrode deterioration or malfunction of system components during operation of the water electrolysis system, It is possible to realize the effect of preventing the water electrolysis stack from proceeding to a dangerous state due to the occurrence of a cross-over phenomenon of hydrogen and oxygen.

또한, 수전해스택(101)을 구성하는 복수의 단위셀들을 감시하는 복수의 셀전압비교부(102a)와, 셀전압비교부(102a)와 연결된 셀저전압 경보부(102b) 및 복수의 셀방전부(102c)와 연결된 방전제어부(102d)를 구성함으로써, 수전해시스템 운영 및 정지과정에서도 수전해시스템의 내구성을 향상시키고, 안전하게 수소를 생산할 수 있는 수전해시스템을 제공할 수 있게 된다. In addition, a plurality of cell voltage comparison units 102a for monitoring a plurality of unit cells constituting the electrolysis stack 101, a cell low voltage alarm unit 102b connected to the cell voltage comparison unit 102a, and a plurality of cell discharge units 102c) By configuring the discharge control unit 102d connected to the water electrolysis system, it is possible to provide a water electrolysis system capable of safely producing hydrogen by improving the durability of the water electrolysis system even in the process of operating and stopping the water electrolysis system.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상을 이해하는 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 특허청구범위내에 기재된 범주내에 속하는 것으로 해석하여야 할 것이다.In the above, preferred embodiments of the present invention have been exemplarily described, but the scope of the present invention is not limited only to such specific embodiments, and within the scope apparent to those skilled in the art for understanding the spirit of the present invention, the components Other embodiments may be proposed by addition, change, deletion, addition, etc. of

100 : 수전해시스템, 101: 수전해스택,
102: 셀전압 위험감지기, 103: 컨버터,
104: 순환수 탱크, 105: 액체펌프,
106: 압력센서, 107: 유량센서,
108: 온도센서, 109: 공랭식 열교환기,
110: 순수 보조탱크, 111: 열교환기,
112: 수분리기, 113: 흡착기,
114: 열교환기, 115: 수분리기,
116: 보조탱크, 117: 흡착기,
118: 마이크로필터, 119: 방폭형 산소센서.100: water electrolysis system, 101: water electrolysis stack,
102: cell voltage risk detector, 103: converter,
104: circulating water tank, 105: liquid pump,
106: pressure sensor, 107: flow sensor,
108: temperature sensor, 109: air-cooled heat exchanger,
110: pure auxiliary tank, 111: heat exchanger,
112: water group, 113: adsorber,
114: heat exchanger, 115: water separator;
116: auxiliary tank, 117: adsorber,
118: micro filter, 119: explosion-proof oxygen sensor.

Claims (5)

복수의 단위셀과 분리판이 직렬로 적층된 구조로 이루어지며, 전기에너지와 물의 수전해 반응으로 수소와 산소를 생산하는 수전해스택(101);
상기 수전해스택(101)의 셀전압이 정해진 셀 운전전압보다 감소하는 것을 실시간으로 감지하는 셀전압 위험감지기(102);
상기 수전해스택(101)에 전기에너지를 공급하는 컨버터(103);
상기 수전해스택(101)의 일측에 구비되어 순환수를 공급하는 순환수탱크(104);
상기 수전해스택(101)의 애노드(OER;oxygen evolution reaction) 전극에서 발생하는 산소 발생 라인에 위치하여 전해액인 순환수를 순환시키는 수전해시스템(100);
상기 수전해스택(101)의 전단에 구비된 압력센서(106);
상기 압력센서(106)의 일측에 구비되어 순환수 유량을 감지하는 유량센서(107);
상기 수전해스택(101)의 후방에 구비되며, 이온교환막에 핀홀이 발생하는 경우 수소와 산소의 섞임현상으로 인한 상기 수전해스택(101) 후방의 순환수 온도가 증가하는 것을 모니터링하는 온도센서(108);
상기 순환수탱크(104)의 온도를 일정하게 유지시키는 공랭식 열교환기(109);
수소와 산소의 섞임현상으로 인한 위험상태를 감지하는 수전해시스템 제어기;
를 포함하되,
상기 순환수탱크(104)는,
순환수에 포함된 산소를 분리하는 이중격벽구조로 구성되며,
초기 작동시에 순환수의 온도를 올리는 히터(미도시)와, 순환수탱크(104)의 최대수위 및 최저수위를 감지하는 레벨센서(미도시)와, 상기 수전해시스템 제어기에서 전류량을 받아 순환수탱크(104)에서 소비된 물량만큼 실시간으로 정밀하게 물을 공급하는 것을 특징으로 하는 실시간 위험상태 감지 수전해시스템.
a water electrolysis stack 101 having a structure in which a plurality of unit cells and a separator are stacked in series, and producing hydrogen and oxygen through a water electrolysis reaction between electric energy and water;
a cell voltage risk detector 102 that detects in real time that the cell voltage of the electrolytic stack 101 is lower than a predetermined cell operating voltage;
a converter 103 for supplying electrical energy to the electrolysis stack 101;
a circulating water tank 104 provided on one side of the water electrolysis stack 101 to supply circulating water;
a water electrolysis system 100 for circulating circulating water, which is an electrolyte, located in an oxygen generation line generated from an anode (oxygen evolution reaction) electrode of the water electrolysis stack 101;
a pressure sensor 106 provided at the front end of the water electrolysis stack 101;
a flow sensor 107 provided on one side of the pressure sensor 106 to detect the flow rate of circulating water;
A temperature sensor ( 108);
an air-cooled heat exchanger (109) for maintaining a constant temperature of the circulating water tank (104);
a water electrolysis system controller that detects a dangerous state due to a mixture of hydrogen and oxygen;
including,
The circulating water tank 104,
It is composed of a double partition wall structure that separates oxygen contained in circulating water.
A heater (not shown) that raises the temperature of the circulating water during initial operation, a level sensor (not shown) for detecting the maximum and minimum water levels of the circulating water tank 104, and the water electrolysis system controller receive and circulate current Real-time hazardous state detection water electrolysis system, characterized in that the water tank 104 precisely supplies water as much as the amount consumed in real time.
 청구항 1에 있어서,
상기 수전해시스템을 정지(shut-down)시키는 셀전압은 운전 셀전압 범위가 1.5V 내지 1.45V인 것을 특징으로 하는 실시간 위험상태 감지 수전해시스템.
The method according to claim 1,
The cell voltage for shutting down the water electrolysis system is a real-time dangerous state detection water electrolysis system, characterized in that the operating cell voltage range is 1.5V to 1.45V.
 청구항 1에 있어서,
상기 수전해스택(101)의 캐소드(HER; hydrogen evolution reaction) 전극에서 생산되는 수소를 냉각시키는 열교환기(111);
수소 생산라인에 구비되되, 애노드 전극측에서 캐소드 전극측으로 이온교환막을 통해 물이 넘어오는 것을 방지하는 가압기;
상기 이온교환막을 통해 물이 역류되는 것을 방지하는 체크밸브;
수소와 함께 이송되는 미량의 수분을 분리하는 수분리기(112);
상기 수분리기(112)의 일측에 위치하는 흡착기(113, 117);
상기 흡착기(113, 117)의 일측에 구비되며, 상기 흡착기(113, 117)와 함께 고순도의 수소를 획득할 수 있도록 하는 마이크로필터(118);
생산한 수소가스 내의 산소농도를 검출하는 별도의 방폭형 산소센서(119);
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 위험상태 감지 수전해시스템.
The method according to claim 1,
a heat exchanger 111 for cooling hydrogen produced at a hydrogen evolution reaction (HER) electrode of the water electrolysis stack 101 ;
a pressurizer provided in the hydrogen production line, preventing water from flowing through the ion exchange membrane from the anode electrode side to the cathode electrode side;
a check valve to prevent backflow of water through the ion exchange membrane;
a water separator 112 for separating a trace amount of moisture transferred together with hydrogen;
Adsorbers (113, 117) located on one side of the water group (112);
a micro filter 118 provided on one side of the adsorbers 113 and 117 and configured to obtain high-purity hydrogen together with the adsorbers 113 and 117;
a separate explosion-proof oxygen sensor 119 for detecting the oxygen concentration in the produced hydrogen gas;
Real-time dangerous state detection water electrolysis system, characterized in that it further comprises.
 청구항 1에 있어서,
상기 셀전압 위험감지기(102)는,
상기 수전해스택(101)을 구성하는 적어도 1개 이상으로 구성된 복수의 단위셀들을 감시하는 복수의 셀전압비교부(102a); 및
상기 셀전압비교부(102a)와 연결되게 설치되는 셀저전압 경보부(102b);
상기 셀전압비교부(102a)의 일측에 위치하는 셀방전부(102c);
상기 셀방전부(102c)와 연결 설치되는 방전제어부(102d);
상기 단위셀들의 수전해스택 양 끝단을 연결하여 이루어지는 셀 전압/전류 검출부(102d);
를 포함하며,
상기 셀저전압 경보부(102b)에서 셀전압이 미리 정해진 운전전압 보다 감소하는 것을 실시간으로 검출하고,
수전해시스템 정지 시에 복수의 셀방전부(102c)와, 상기 셀방전부(102c)와 연결된 방전제어부(102d)에서 잔류전압을 제거하는 것을 특징으로 하는 실시간 위험상태 감지 수전해시스템.
The method according to claim 1,
The cell voltage risk detector 102,
a plurality of cell voltage comparison units (102a) for monitoring a plurality of unit cells composed of at least one or more constituting the electrolytic stack (101); and
a cell low voltage alarm unit 102b installed to be connected to the cell voltage comparison unit 102a;
a cell discharge unit 102c positioned at one side of the cell voltage comparison unit 102a;
a discharge control unit 102d connected to the cell discharge unit 102c;
a cell voltage/current detection unit 102d formed by connecting both ends of the electrolytic stack of the unit cells;
includes,
Detecting in real time that the cell voltage is lower than a predetermined operating voltage in the cell low voltage warning unit 102b,
Real-time dangerous state detection water electrolysis system, characterized in that the residual voltage is removed from the plurality of cell discharge units (102c) and the discharge control unit (102d) connected to the cell discharge units (102c) when the water electrolysis system is stopped.
 청구항 4항에 있어서,
상기 셀전압 위험감지기(102)는,
단위셀 1개씩, 또는 단위셀 4개씩, 또는 단위셀 8개씩 연결하여 셀전압비교부(102a)를 구성하되,
상기 셀 전압/전류 검출부(102d)에서 미리 정해진 상기 수전해스택(101)의 전체 과전압, 또는 과전류 값이 검출되면 상기 수전해시스템 제어기에서 수전해시스템을 정지시키는 것을 특징으로 하는 실시간 위험상태 감지 수전해시스템.
5. The method of claim 4,
The cell voltage risk detector 102,
One unit cell, or four unit cells, or eight unit cells are connected to configure the cell voltage comparator 102a,
Real-time dangerous state detection, characterized in that when the cell voltage/current detection unit 102d detects the total overvoltage or overcurrent value of the electrolysis stack 101 predetermined in advance, the water electrolysis system controller stops the electrolysis system. electrolysis system.
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