KR20230007911A - Apparatus and method for water electrolysis evaluation - Google Patents
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Abstract
Description
본 명세서는 수전해 평가 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수전해 장치의 성능과 더불어 안전성도 함께 평가할 수 있는 수전해 성능 및 안전성 평가 장치 및 방법에 관한 것이다.The present specification relates to a water electrolysis evaluation apparatus and method, and more particularly, to a water electrolysis performance and safety evaluation apparatus and method capable of evaluating safety as well as performance of a water electrolysis apparatus.
본 발명은 아래 연구개발사업의 지원하에 수행되었다.The present invention was carried out under the support of the following research and development projects.
(1) 2021년도 국가혁신클러스터 육성(비R&D)사업의 "고신뢰성 기본형 전해 평가 시스템 개발" 사업 [주무기관: 충남테크노파크, 지원 프로그램: 고부가가치화 지원, 수혜기업: 수경화학 주식회사](1) 2021 National Innovation Cluster Fostering (Non-R&D) Project "Development of Highly Reliable Basic Type Electrolysis Evaluation System" Project
(2) 중소기업기술혁신개발사업(시장대응형)의 "이온교환용 불소수지가 코팅된 알칼라인 수전해용 다공성 Hybrid 분리막 개발" [과제번호: S2848983, 과제관리(전문)기관명: 중소기업기술정보진흥원, 과제수행기관명: 수경화학 주식회사, 연구기간: 2020년 7월 16일 ~ 2022년 7월 15일](2) "Development of porous hybrid separator for alkaline water electrolysis coated with fluorine resin for ion exchange" of Small and Medium Business Technology Innovation Development Project (market response type) [Task number: S2848983, task management (specialized) institution name: Small and Medium Business Technology Information Agency, task Executing organization name: Sukyung Chemical Co., Ltd., research period: July 16, 2020 ~ July 15, 2022]
수전해를 이용하여 발생되는 수소는 물의 전기 분해를 통해 제조되며, 고순도 수소 및 산소를 얻을 수 있다. 탄소 중립 정책으로 인한 그레이 수소(개질 수소)에서 그린 수소로의 변화로 인하여 향후 성장이 예상된다.Hydrogen generated using water electrolysis is produced through electrolysis of water, and high-purity hydrogen and oxygen can be obtained. Future growth is expected due to the shift from gray hydrogen (reformed hydrogen) to green hydrogen due to carbon neutral policies.
그린 수소 생산을 위한 수전해 기술의 핵심은 태양광이나 풍력과 같이 일조 상황 변화에 따라 빠르게 변하는 재생 에너지의 부하변동조건에서도 안정적인 수소 생산이 이루어질 수 있도록 하는 것이다. The core of water electrolysis technology for green hydrogen production is to enable stable hydrogen production even under load fluctuation conditions of renewable energy that rapidly changes according to changes in sunlight conditions, such as solar or wind power.
따라서 이를 위한 셀 소재 개발 및 시스템 제어가 필요한데, 수전해 셀 개발 단계에서 정확한 데이터를 확보하여야 신뢰성 있는 셀의 제작이 가능하며, 이를 위하여 수전해 장치의 성능을 정확하고 신뢰성 있게 평가할 필요가 있다. Therefore, cell material development and system control are required for this. Accurate data must be secured in the water electrolysis cell development stage to manufacture a reliable cell, and for this purpose, it is necessary to accurately and reliably evaluate the performance of the water electrolysis device.
종래에 연료전지의 성능을 평가하는 장비는 알려져 있지만, 수전해 장치의 성능 평가 장치는 여전히 개발이 필요한 상태이다. Conventionally, equipment for evaluating the performance of a fuel cell is known, but a device for evaluating the performance of a water electrolysis device is still in need of development.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 일 측면에서, 수전해의 대표적인 성능 지표인 전압효율의 측정뿐 아니라 수전해시 생성되는 수소, 산소의 유랑과 실시간으로 측정하여 인가되는 전류량 대비 발생 기체의 양을 실시간으로 측정하여 보다 정밀한 수전해의 성능을 측정할 수 있는, 수전해 평가 장치 및 방법을 제공하고자 한다.In exemplary embodiments of the present invention, in one aspect, the amount of generated gas compared to the amount of current applied by measuring the flow of “hydrogen and oxygen” generated during water electrolysis in real time as well as measuring voltage efficiency, which is a representative performance indicator of water electrolysis. It is intended to provide a water electrolysis evaluation apparatus and method capable of measuring the performance of water electrolysis more precisely by measuring in real time.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 다른 일 측면에서, 부하 변동 상황에서도 수전해 장치의 성능을 신뢰성 있게 평가할 수 있고 폭발 등의 발생 없이 안전하게 수전해 장치를 운전할 수 있도록 할 수 있는, 수전해 평가 장치 및 방법을 제공하고자 한다.In exemplary embodiments of the present invention, in another aspect, water electrolysis evaluation, which can reliably evaluate the performance of the water electrolysis device even in load fluctuation situations and enable the safe operation of the water electrolysis device without occurrence of explosion or the like. It is intended to provide an apparatus and method.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 또 다른 일 측면에서, 수전해 평가에 필요한 각종 특성 내지 지표들을 측정하는 단위 측정 장치를 모듈화하여 장착할 수 있음에 따라 상이한 제반 사용환경에서 적용성이 우수한, 수전해 평가 장치 및 방법을 제공하고자 한다.In exemplary embodiments of the present invention, in another aspect, since a unit measuring device for measuring various characteristics or indicators required for water electrolysis evaluation can be modularized and installed, applicability is excellent in various use environments, It is intended to provide a water electrolysis evaluation device and method.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 수전해 평가 장치에 있어서, 수전해 장치에 물 또는 수용액을 공급하고, 상기 수전해 장치로부터 배출되는 배출물을 상기 수전해 장치로 순환, 정제 및 외부로 배출하는 공급 및 순환부; 상기 수전해 장치에 연결되어 수전해 장치의 전류 및/또는 전압 효율을 평가하는 전류 및/또는 전압 효율 평가부; 및 상기 배출물 중 산소 기체 또는 수소 기체의 유량 또는 특성을 평가하는 유량 또는 특성 평가부;를 포함하는, 수전해 평가 장치를 제공한다.In exemplary embodiments of the present invention, in a water electrolysis evaluation device, water or an aqueous solution is supplied to the water electrolysis device, and discharged from the water electrolysis device is circulated to the water electrolysis device, purified, and discharged to the outside. supply and circulation; a current and/or voltage efficiency evaluation unit connected to the water electrolysis device to evaluate current and/or voltage efficiency of the water electrolysis device; and a flow rate or characteristic evaluation unit for evaluating the flow rate or characteristics of oxygen gas or hydrogen gas in the discharged product.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는 또한, 수전해 평가 방법에 있어서, 수전해 장치에 물 또는 수용액을 공급하고, 상기 수전해 장치로부터 배출되는 배출물을 순환, 정제 및 외부로 배출하는 단계; 상기 수전해 장치에 연결되어 수전해 장치의 전류 및/또는 전압 효율을 평가하는 단계; 및 상기 배출물 중 산소 기체 또는 수소 기체의 유량 또는 특성을 평가하는 단계;를 포함하는, 수전해 평가 방법을 제공한다.In exemplary embodiments of the present invention, there is also a water electrolysis evaluation method, comprising the steps of supplying water or an aqueous solution to a water electrolysis device, circulating, purifying, and discharging an effluent discharged from the water electrolysis device to the outside; Evaluating current and/or voltage efficiency of the water electrolysis device by being connected to the water electrolysis device; And evaluating the flow rate or characteristics of oxygen gas or hydrogen gas in the discharged product; it provides a water electrolysis evaluation method comprising a.
본 발명의 예시적인 구현예들에 의하면, 수전해의 대표적인 성능 지표인 전압효율의 측정뿐 아니라 수전해시 생성되는 수소, 산소의 유랑과 실시간으로 측정하여, 인가되는 전류량 대비 발생 기체의 양을 실시간으로 측정하여 보다 정밀한 수전해의 성능을 측정할 수 있다. 또한, 폭발 등의 발생 없이 안전하게 수전해 장치를 운전할 수 있도록 할 수 있다. According to exemplary embodiments of the present invention, voltage efficiency, which is a representative performance indicator of water electrolysis, is measured as well as flow of hydrogen and oxygen generated during water electrolysis in real time, so that the amount of generated gas relative to the amount of applied current is measured in real time. It is possible to measure the performance of water electrolysis more precisely by measuring with In addition, it is possible to safely operate the water electrolysis device without causing an explosion or the like.
또한, 그린 수소 생산 시 수반될 수 밖에 없는 부하 변동 상황에서도 수전해 장치의 성능을 신뢰성 있게 평가할 수 있다. In addition, it is possible to reliably evaluate the performance of the water electrolyzer even in load fluctuations that inevitably accompany green hydrogen production.
또한, 수전해 평가에 필요한 각종 특성 내지 지표들을 측정하는 단위 측정 장치를 모듈화하여 장착할 수 있어서 제반 사용환경에서도 적용성이 우수하다.In addition, since a unit measuring device for measuring various characteristics or indicators required for water electrolysis evaluation can be modularized and installed, the applicability is excellent in various use environments.
도 1은 본 발명의 예시적인 구현예들의 수전해 평가 장치 구성 및 방법을 보여주는 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 예시적인 구현예에서의 수전해 평가 장치를 나타내는 개략도이다. 도 2b 내지 2e는 본 발명의 예시적인 구현예에서 사용되는 수전해 장치를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 구현예에서의 수전해 평가 장치에 장착될 수 있는 센서 모듈을 나타내는 개략도이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 예시적인 구현예에서의 수전해 평가 장치의 상부에 표시된 디스플레이 화면에서의 수전해 평가 장치 구성 및 작동을 보여주는 예시 화면이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 구현예에서의 안전 제어 알고리즘을 보여주는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실험 1에서 수전해 단일셀(반응면적 25cm2)에 전류를 인가하며 전류 밀도(도 6a) 및 시간에 따른 전압 변화(도 6b)를 살펴본 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실험 2에서 실제 제주도 풍력발전 데이터를 용량에 맞게 모사하여 고분자 전해질 수전해 단일셀(반응면적 25cm2)에 전류를 인가하며 반응 셀 전압을 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실험 3에서 풍력발전 데이터를 용량에 맞게 모사하여 고분자 전해질 수전해 단일셀(반응면적 25cm2)에 전류를 인가하며 발생되는 수소유량을 실시간으로 측정한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실험 4에서 풍력발전 데이터를 용량에 맞게 모사하여 고분자 전해질 수전해 단일셀(반응면적 25cm2)에 전류를 인가하며 발생되는 수소유량과 산소 내 수소 농도를 실시간으로 측정한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실험 5에서 동일한 고분자 전해질 수전해 단일셀(반응면적 25cm2)에 전류-전압 성능 곡선을 두 기관에서 다른 셀을 갖고 교차 검증 한 실험 결과 그래프이다. 1 is a schematic diagram showing the configuration and method of a water electrolysis evaluation apparatus of exemplary embodiments of the present invention.
2A is a schematic diagram showing a water electrolysis evaluation apparatus in an exemplary embodiment of the present invention. 2B to 2E are schematic diagrams illustrating a water electrolysis device used in an exemplary embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram showing a sensor module that can be installed in a water electrolysis evaluation device in an exemplary embodiment of the present invention.
4A and 4B are example screens showing the configuration and operation of the water electrolysis evaluation device on the display screen displayed on the top of the water electrolysis evaluation device in an exemplary embodiment of the present invention.
5 is a flow chart showing a safety control algorithm in an exemplary implementation of the present invention.
6 is a graph showing current density (FIG. 6a) and voltage change over time (FIG. 6b) while applying current to a water electrolysis single cell (
7 is a graph in which current is applied to a polymer electrolyte water electrolysis single cell (
8 is a graph obtained by measuring in real time the hydrogen flow rate generated by applying current to a polymer electrolyte water electrolysis single cell (
9 is a graph of real-time measurement of the hydrogen flow rate and hydrogen concentration in oxygen generated while applying current to a polymer electrolyte water electrolysis single cell (
10 is a graph of the results of cross-verification of the current-voltage performance curve of the same polyelectrolyte water electrolysis single cell (reaction area of 25 cm 2 ) in
본 명세서에서 배출물이란 수전해 장치로부터 배출되는 산소 또는 수소; 또는 산소 또는 수소와 함께 배출될 수 있는 미반응 물 또는 수용액을 포함하는 의미이다.In this specification, emission refers to oxygen or hydrogen discharged from a water electrolyzer; Or it is meant to include unreacted water or aqueous solution that can be discharged together with oxygen or hydrogen.
본 명세서에서 산소 포함 배출물은 산소 단독 또는 산소와 미반응 물 또는 수용액을 포함하는 의미이다.In the present specification, oxygen-containing emissions include oxygen alone or oxygen and unreacted water or aqueous solution.
본 명세서에서 산소 기체는 산소 단독 외에 미반응 물 또는 수용액을 더 포함하는 것일 수 있다.In the present specification, the oxygen gas may further include unreacted water or an aqueous solution in addition to oxygen alone.
본 명세서에서 수소 포함 배출물은 수소 단독 또는 수소와 미반응 물 또는 수용액을 포함하는 의미이다.In the present specification, emission containing hydrogen means hydrogen alone or hydrogen and unreacted water or aqueous solution.
본 명세서에서 수소 기체는 수소 단독 외에 미반응 물 또는 수용액을 더 포함하는 것일 수 있다.In the present specification, hydrogen gas may further include unreacted water or an aqueous solution in addition to hydrogen alone.
본 명세서에 미반응 물 또는 수용액은 수전해 장치에서 전기분해를 거치고 남은 전기분해되지 않는 물 또는 수용액을 의미한다. In the present specification, unreacted water or aqueous solution means water or aqueous solution that is not electrolyzed and remains after electrolysis in a water electrolysis device.
본 명세서에서 물은 순수를 의미하는 것일 수 있다.In this specification, water may mean pure water.
본 명세서에 수용액은 알칼리 수용액을 지칭하는 것일 수 있다.An aqueous solution herein may refer to an aqueous alkali solution.
본 명세서에서 산소 및/또는 수소의 유량을 측정한다는 것은 산소 포함 배출물 (또는 산소 기체) 및/또는 수소 포함 배출물 (또는 수소 기체)의 유량을 측정하는 것을 포함할 수 있다.Measuring the flow rate of oxygen and/or hydrogen herein may include measuring the flow rate of an oxygen-containing effluent (or oxygen gas) and/or a hydrogen-containing effluent (or hydrogen gas).
본 명세서에서 정제는 산소 배출물 또는 산소 기체로부터 수소를 제거하거나, 수소 배출물 또는 수소 기체로부터 산소를 제거하는 것을 의미한다.Purification herein means removing hydrogen from an oxygen effluent or oxygen gas, or removing oxygen from a hydrogen effluent or hydrogen gas.
본 명세서에서 특성이란 산소 기체 중 수소 유무 또는 함량(농도) 평가, 또는 수소 기체 중 산소 유무 또는 함량(농도) 평가를 포함하는 의미할 수 있다.In the present specification, characteristics may mean including evaluation of the presence or content (concentration) of hydrogen in oxygen gas, or evaluation of the presence or content (concentration) of oxygen in hydrogen gas.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the present specification, when a part "includes" a certain component, it means that it may further include other components, not excluding other components unless otherwise stated.
본 명세서에서 1채널이란 단일 수전해 장치를 평가하는 경우를 의미한다In this specification, 1 channel means a case of evaluating a single water electrolysis device.
본 명세서에서 2채널이라는 2개의 수전해 장치를 평가하는 경우를 의미한다.In this specification, two-channel refers to a case of evaluating two water electrolyzers.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 구현예들을 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary implementations of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 예시적인 구현예들의 수전해 평가 장치 구성 및 방법을 보여주는 개략도이다.1 is a schematic diagram showing the configuration and method of a water electrolysis evaluation apparatus of exemplary embodiments of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 예시적인 일 구현예의 수전해 평가 장치는 순수 또는 알카리 수용액 등과 같은 물 또는 수용액(W)을 전기분해하는 수전해 장치(100)에 물 또는 수용액(W)을 공급하고, 상기 수전해 장치(100)로부터 배출되는 산소 배출물 또는 수소 배출물을 순환, 정제 및 외부로 배출하는 공급 및 순환부; 상기 수전해 장치(100)에 연결되어 전류 및/또는 전압 효율을 평가하는 전류 및/또는 전압 효율 평가부; 및 상기 배출물 중 산소 기체 또는 수소 기체의 유량 또는 특성을 평가하는 유량 또는 특성 평가부;를 포함한다. As shown in FIG. 1, the water electrolysis evaluation device of an exemplary embodiment supplies water or an aqueous solution (W) to a
상기 공급 및 순환부는 상기 수전해 장치(100)에 물 또는 수용액(W)을 공급하는 공급관(211)과 탱크(200), 및 상기 수전해 장치(100)로부터 배출되는 배출물을 배출하기 위한 배출관(230), 칠러(chiller) 또는 쿨러(cooler)(300), 기액 분리기(400)를 포함할 수 있다. The supply and circulation unit includes a
상기 탱크(200)에서는 상기 배출물이 들어가서 산소 기체 또는 수소 기체는 위로 빠지고 미반응된 물 또는 수용액은 다시 수전해 장치(100)로 순환될 수 있다.In the
상기 유량 및 특성 평가부는, 상기 배출물 중 산소 기체 및/또는 수소 기체의 유량을 평가하는 유량계들, 또는 이슬점(dew point)을 측정하는 측정기, 또는 산소 배출물 또는 산소 기체 측에 수소가 섞여 있는지 혹은 수소 배출물 또는 수소 기체 측에 산소가 섞여 있는지 등을 평가하는 다양한 센서(S1, S2,···,Sn)를 포함할 수 있다. The flow rate and characteristic evaluation unit may include flow meters for evaluating the flow rate of oxygen gas and/or hydrogen gas in the discharged product, or a measuring device for measuring the dew point, or whether hydrogen is mixed in the oxygen discharged product or the oxygen gas side, or hydrogen It may include various sensors (S1, S2, ..., Sn) that evaluate whether oxygen is mixed in the emission or hydrogen gas side.
위 도면들에서의 배관에는 펌프나 필요에 따라 필터가 연결될 수 있다.A pump or a filter may be connected to the piping in the above drawings, if necessary.
보다 구체적으로 작동을 설명하면, 상기 물 또는 수용액(W)은 펌프(미도시)에 의하여 배관(210)을 통해 탱크(200)로 제공되고, 해당 탱크(200)에서 유입관(211)을 통해 수전해 장치(100)의 입구(101)를 지나서 수전해 장치(100)로 유입된다. 수전해 장치(100)에서 수전해를 거친 후 배출되는 산소 기체 또는 산소 배출물이 출구(102) 측에서 배출되어 배출관(230)을 통해 탱크(200)로 다시 유입된다.More specifically, the water or aqueous solution (W) is provided to the
탱크(200)는 내부에 예컨대 라인 히터와 같은 히터를 포함할 수 있다. 상기 산소 배출물에는 순수한 산소 외에 미반응 물 또는 수용액(W)이 포함될 수 있으므로 해당 산소 배출물은 탱크(200)로 다시 유입된 후 미반응 물 또는 수용액(W)은 걸려져서 탱크(200) 아래 측을 통해 다시 수전해 장치(100)로 순환되어 사용되고, 산소 기체는 탱크(200) 위 측을 통해 나오게 된다. The
이 경우의 산소 기체에도 여전히 수분이 포함될 수 있으므로 2차적으로 열교환을 위한 칠러 또는 쿨러(300)를 지나서 식혀지면서 수분이 제거된다. 이후 다시 실리카 등의 데미스터를 포함하는 기액 분리기(400)를 지나면서 다시 한번 수분이 완전히 제거된 후 순수한 산소 만이 배출될 수 있도록 한 후, 유량계 및 각종 센서(S1, S2,···,Sn)를 지나면서 배출된 산소 기체의 유량과 특성을 측정하도록 한다.Since moisture may still be included in the oxygen gas in this case, moisture is removed while being cooled by passing through a second chiller or
이때 특히 산소 기체 중 수소가 포함되어 있는지를 함께 측정하도록 한다.At this time, in particular, whether or not hydrogen is included in the oxygen gas is measured together.
한편, 수전해 장치(100)의 수소 출구(103)를 통해 수소 포함 배출물이 관(230)을 통해 산소와 마찬가지로 칠러 또는 쿨러(300)나 기액분리기(400)를 지나면서 미반응 물 또는 수용액이 제거되고 유량계 및 각종 센서(S1, S2,···,Sn)를 지나면서 배출된 수소 기체의 유량과 특성을 측정하도록 한다.On the other hand, through the
이때 특히 수소 기체 중 산소가 포함되어 있는지를 측정하도록 한다.At this time, in particular, whether oxygen is included in hydrogen gas is measured.
이상과 같이 산소 기체 중 수소가 포함되어 있는지 및/또는 그 포함 정도, 또는 수소 기체 중 산소가 포함되어 있는지 및/또는 그 포함 정도를 측정함으로써 폭발을 방지하고 운전의 위험 요소를 사전에 제어할 수 있다.As described above, by measuring whether hydrogen is contained in oxygen gas and/or the degree thereof, or whether oxygen is contained in hydrogen gas and/or the degree thereof is measured, it is possible to prevent explosion and control risk factors of driving in advance. there is.
한편, 상기 수전해 장치(100)는 수전해 셀 또는 스택으로 이루어진 어셈블리 형태의 것일 수 있다. Meanwhile, the
이러한 수전해 장치(100)는 PEM 수전해 장치 또는 알칼라인 수전해 장치일 수 있다. PEM의 경우에는 물 (순수를 포함하는 개념임)이 제공되는 것이고, 알칼라인 수전해 장치의 경우에는 알칼리 수용액 예컨대 KOH 수용액이 제공되는 것일 수 있다.The
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 수전해 장치(100)가 PEM 수전해 장치인지 또는 알칼라인 수전해 장치인지 또는 PEM 및 알칼라인의 하이브리드 타입인지에 따라서 구체적인 장치 구성을 달리하게 된다. 이하 상술한다. In exemplary embodiments of the present invention, a specific device configuration is different depending on whether the
PEM 수전해의 경우In the case of PEM water electrolysis
먼저 PEM 수전해의 경우, 도 1을 통해 설명한 바와 같이 하나의 수전해 장치(100)에 하나의 탱크(200)를 연결하는 방식(1채널 방식)을 사용할 수 있다. 여기서 수전해 장치(100)를 2개 이상의 복수개로 하는 경우 동일한 1채널 구성을 수전해 장치(100)의 수에 대응하도록 복수개(즉, 2채널 이상)로 할 수 있다. PEM 수전해의 경우에는 수전해 반응을 통해 생성된 수소 기체는 다시 탱크(200)로 들어가지 않고 전술한 바와 같이 칠러 또는 쿨러(300)와 기액 분리기(400)를 지나 배출된다.First, in the case of PEM water electrolysis, as described with reference to FIG. 1 , a method (one-channel method) of connecting one
알칼라인 수전해의 경우In the case of alkaline water electrolysis
알칼라인 수전해의 경우, 도 1과는 다르게 하나의 수전해 장치(100)에 두 개의 탱크(200)를 연결하고, 두 개의 탱크(200)에서 하나의 수전해 장치(100)로 알칼라인 수용액을 공급한다(1채널 방식). In the case of alkaline water electrolysis, unlike FIG. 1, two
여기서도 수전해 장치(100)를 2개 이상의 복수개로 하는 경우 전술한 1채널 구성을 수전해 장치(100)의 수에 대응하도록 복수개(즉, 2채널 이상)로 할 수 있다. Even here, when the number of water
또한, 산소 배출물 또는 산소 기체 배출 부분은 도 1과 같지만, 수소 배출물 또는 수소 기체 배출 경우에는 도 1과 달리 미반응의 알칼라인 수용액이 수소와 함께 더 많이 나올 수 있어서 수소 배출물의 경우에도 산소 배출물처럼 탱크(200)로 들어가서 1차적으로 미반응 알칼라인 수용액을 제거하고 나온 수소 기체가 전술한 칠러 또는 쿨러(300)와 기액 분리기(400)를 지나 배출된다.In addition, the oxygen discharge or oxygen gas discharge portion is the same as in FIG. 1, but in the case of hydrogen discharge or hydrogen gas discharge, unlike FIG. Hydrogen gas entering 200 and primarily removing the unreacted aqueous alkaline solution is discharged through the aforementioned chiller or cooler 300 and the gas-
PEM 및 알칼라인 하이브리드 수전해의 경우For PEM and Alkaline Hybrid Water Electrolysis
본 발명의 예시적인 구현예들의 장치에서는 알칼라인과 고분자 전해질 수전해 셀 평가 혼용이 가능하게 구성할 수 있으며, 두채널 중 각 채널을 원하는 종류 수전해 셀로 배정하여 동시에 운용이 가능하다. In the apparatus of exemplary embodiments of the present invention, it can be configured to allow evaluation of alkaline and polymer electrolyte water electrolysis cells, and each of the two channels can be assigned to a desired type of water electrolysis cell and operated simultaneously.
즉, 전술한 바와 같이 PEM 수전해를 1채널 (또는 2채널)로 평가하고, 알칼라인 수전해를 1채널 (또는 2채널)로 평가(또는 동시 평가)하는 외에, 2 채널을 PEM 및 알칼라인과 같이 하이브리드로 구성할 수 있다.That is, as described above, in addition to evaluating PEM water electrolysis with 1 channel (or 2 channels) and evaluating alkaline water electrolysis with 1 channel (or 2 channels) (or simultaneous evaluation), 2 channels are evaluated as PEM and alkaline. It can be configured as a hybrid.
특히 하이브리드로 구성하는 경우, 평가장치 내 전해질(또는 물)을 공급하고 발생된 산소 및 수소를 전해질로부터 분리하기 위해 설계된 탱크와 별도로 보조 탱크 예컨대 더 작은 사이즈의 보조 탱크, 예컨대 약 1/2 부피의 보조탱크를 직렬로 더 연결하도록 한다. 이와 같이 동일한 1쌍을 병렬로 연결하여 2채널을 알칼라인-PEM 구분 없이 사용이 가능하게 구성할 수 있다.In particular, in the case of a hybrid configuration, an auxiliary tank of a smaller size, for example, an auxiliary tank of about 1/2 volume, separate from a tank designed to supply electrolyte (or water) in the evaluation device and separate generated oxygen and hydrogen from the electrolyte. Connect more auxiliary tanks in series. In this way, the same pair can be connected in parallel so that two channels can be used without distinguishing between alkaline and PEM.
더 상술하면, 일반 1채널 또는 2채널 수전해 평가 장치는 수전해 장치(즉, 두개의 셀)의 물 공급 및 수전해 반응시 발생하는 수소/산소의 배관 라인이 하나로 연결되어 있다. 따라서, 2채널로 하더라도 두개의 수전해 장치(두개의 셀)의 동시 수전해 운전시 셀의 수전해 성능 평가는 가능하지만, 각 수전해 장치(각 셀)에서 발생하는 기체의 정량적인 분석이 불가하다는 단점이 있다.More specifically, in the general 1-channel or 2-channel water electrolysis evaluation device, water supply of the water electrolysis device (ie, two cells) and hydrogen/oxygen pipelines generated during the water electrolysis reaction are connected together. Therefore, even with two channels, it is possible to evaluate the water electrolysis performance of two water electrolyzers (two cells) during simultaneous water electrolysis operation, but it is impossible to quantitatively analyze the gas generated from each water electrolysis device (each cell). There is a downside to that.
아울러, PEM(Proton Exchange Membrane) 타입 수전해와 알칼라인 수전해에 사용되는 수용액이 순수/알칼라인 수용액으로 서로 달라 역시 동시 사용이 불가하다.In addition, since the aqueous solutions used in PEM (Proton Exchange Membrane) type water electrolysis and alkaline water electrolysis are pure/alkaline aqueous solutions, they cannot be used simultaneously.
따라서, 위와 같이 보조 탱크를 포함하는 하이브리드 2채널 타입으로 구성함으로써(후술하는 도 4b 참조), 위와 같은 문제를 해결할 수 있으며, 하나의 평가 장치에서 여러 수전해 장치(수전해 셀)의 수전해의 전주기를 효과적으로 분석하고 또한 PEM 및 알칼라인 수전해를 동시에 분석할 수 있다.Therefore, by constructing a hybrid two-channel type including an auxiliary tank as described above (see FIG. 4B to be described later), the above problem can be solved, and the water electrolysis of several water electrolysis devices (water electrolysis cells) in one evaluation device. It can effectively analyze the entire cycle and simultaneously analyze PEM and alkaline water electrolysis.
도 2a는 본 발명의 예시적인 구현예에서의 수전해 평가 장치를 나타내는 개략도이다. 명확화를 위하여 도 2a에서는 배관 라인은 제외하고 수전해 평가 장치를 표시하였다.2A is a schematic diagram showing a water electrolysis evaluation apparatus in an exemplary embodiment of the present invention. For clarity, in FIG. 2a , the water electrolysis evaluation device is shown except for the pipe line.
도 2a에 도시된 바와 같이, 예시적인 수전해 평가 장치(1000)는 상부 및 하부의 구조 이루어져 있다. 상부는 디스플레이(D) 및 제어 장치를 포함하는 제1 박스와 그 앞의 테이블 부로 이루어져 있다. 해당 테이블 부에 수전해 장치(100)인 셀 어셈블리가 놓여지고 이에 배관이 연결되어 수전해 평가가 수행된다.As shown in FIG. 2A , the exemplary water
도 2b 내지 2e는 본 발명의 예시적인 구현예에서 사용되는 수전해 장치를 나타내는 개략도이다. 2B to 2E are schematic diagrams illustrating a water electrolysis device used in an exemplary embodiment of the present invention.
도 2b 내지 2e에 도시된 바와 같이, 수전해 셀은 집전체(도 2c)와 함께 바이폴라 플레이트(도 2d 및 2e)를 구성하며 해당 바이폴라 플레이트가 로드 어셈블리에 장착된다. 전술한 바와 같이, 도 2a의 수전해 평가 장치(1000)의 디스플레이 앞 부분에 놓여지고, 이에 유량계가 연결된다. As shown in FIGS. 2B to 2E, the water electrolysis cell constitutes a bipolar plate (FIGS. 2D and 2E) together with a current collector (FIG. 2C), and the bipolar plate is mounted on a rod assembly. As described above, it is placed in front of the display of the water
도 2 a를 다시 참조하면, 하부는 공급 및 순환부를 포함하는 것으로서 탱크(200)와 기액 분리기(400), 칠러 및 쿨러(300) 등을 포함한다. 또한, 물 또는 수용액을 공급하기 위한 서플라이 펌프(P)와 전체 순환부를 냉각하기 위한 냉각부(C)를 더 포함할 수 있다. 또한 산소 기체 또는 수소 기체의 유량을 평가하기 위한 각종 유량계가 더 포함될 수 있으며, 산소 기체 또는 수소 기체의 dew point 또는 산소 기체 중 수소 검출 또는 수소 기체 중 산소 검출 등을 위한 여러 센서(Sn) 등을 포함할 수 있다.Referring again to FIG. 2A , the lower portion includes a supply and circulation unit, and includes a
상기 수전해 평가 장치(1000)에는 폭발 위험 등이 있는 경우 장치의 위험성을 알리는 알람이 더 설치될 수 있고, 긴급 상태에서 작동을 멈추기 위한 비상 멈춤 장치(E)가 부착될 수 있다.In the water
한편, 전술한 센서(Sn)는 모듈 형태로 장착되어 사용될 수 있다. 즉, 제반 사용 환경에 따라 수전해 평가 장치가 측정하는 산소 기체 또는 수소 기체의 특성이 다를 수 있기 때문에 측정에 필요한 센서(Sn)나 기타 유량계를 모듈 형태로 수전해 평가 장치에 장착 및 탈착할 수 있는 형태로 제공한다.Meanwhile, the above-described sensor Sn may be mounted and used in a module form. That is, since the characteristics of the oxygen gas or hydrogen gas measured by the water electrolysis evaluation device may differ depending on the overall use environment, the sensor (Sn) or other flowmeters required for measurement can be attached to and detached from the water electrolysis evaluation device in the form of a module. provided in the form of
도 3은 본 발명의 예시적인 구현예에서의 수전해 평가 장치에 장착될 수 있는 센서 모듈을 나타내는 개략도이다.3 is a schematic diagram showing a sensor module that can be installed in a water electrolysis evaluation device in an exemplary embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 각종 센서(S1, S2,···,Sn)를 모듈 형태로 수전해 평가 장치에 공급하여 장착 및 탈착할 수 있다. 해당 센서(S1, S2,···,Sn) 모듈은 유체 즉 산소 기체 또는 수소 기체와 같은 기체 또는 물이나 수용액과 같은 액체가 공급될 수 있는 유입부(In) 및 측정 후 배출되는 배출부(Out)를 포함하고 헤당 모듈의 제어 및 외부기기로의 통신을 수행하는 제어 및 통신부(S1-10,···,Sn-10)를 포함할 수 있다. 여기서 상기 제어 및 통신부는 제어 및 통신을 수행하기 위한 프로세서 및 통신 모듈을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 3, various sensors (S1, S2, ..., Sn) may be supplied to the water electrolysis evaluation device in the form of modules to be installed and detached. The corresponding sensor (S1, S2,...,Sn) module has an inlet (In) through which fluid, that is, a gas such as oxygen gas or hydrogen gas, or a liquid such as water or aqueous solution, can be supplied and an outlet (outlet) discharged after measurement. Out) and may include a control and communication unit (S1-10, ..., Sn-10) that controls the corresponding module and communicates with external devices. Here, the control and communication unit may include a processor and a communication module for controlling and communicating.
도 4a 및 4b는 본 발명의 예시적인 구현예에서의 수전해 평가 장치(1000)의 상부에 표시된 디스플레이(D) 화면에서의 수전해 평가 장치 구성 및 작동을 보여주는 예시 화면이다.4A and 4B are example screens showing the configuration and operation of the water electrolysis evaluation device on the display screen (D) displayed on the top of the water
도 4a는 동일한 종류의 두 개의 수전해 장치(두개의 셀)에 공급하는 일반 2채널의 경우를 예시하고, 도 4b는 보조 탱크를 포함하는 PEM 및 알칼라인 수전해 장치의 하이브리드 타입 2채널을 예시한다.Figure 4a illustrates the case of a general 2-channel supplying two water electrolyzers (two cells) of the same type, and Figure 4b illustrates a hybrid type 2-channel of a PEM and an alkaline water electrolyzer including an auxiliary tank. .
작동 방법을 설명하면, 먼저 수전해 평가 장치 뒤쪽 차단기를 오픈하여 시스템 활성화시키고, 화면의 전해조 테스트 시스템(Electrolyzer Test System) 프로그램의 제어 모드를 활성화 시킨다. 이어서 순환펌프(예컨대, 도 4a의 P-100, P101)를 작동시켜 수전해 원료인 물 또는 수용액을 탱크(예커대, 도 4a의 D-100, D-101)로 공급하여 순환시킨다. 순환펌프는 순수 순환 유량의 정밀한 제어가 가능한 Microgear 펌프(Max2700cc/min)를 사용할 수 있다. 수전해 셀로부터 배출되는 산소 배출물 또는 수소 배출물은 앞서 설명한 바와 같이 탱크(100) 거치하거 거치지 않고, 칠러 또는 쿨러를 지나서 데미스터를 포함하는 기액 분리기(예컨대 도 4의 LS-200)를 지난 후 유량계(예컨대, 도 4a 및 4b의 MFM-100)를 지나고, 수소 또는 산소 검출 센서(예컨대, 도 4a 및 4b의 Detector)를 지나게 된다. 추가적으로 필요에 따라 각종 필터가 사용될 수 있다.To explain the operation method, first open the breaker behind the water electrolysis evaluation device to activate the system, and activate the control mode of the Electrolyzer Test System program on the screen. Subsequently, a circulation pump (eg, P-100 or P101 in FIG. 4A) is operated to supply water or an aqueous solution as a raw material for water electrolysis to a tank (eg, D-100 or D-101 in FIG. 4A) and circulate it. Microgear pump (Max2700cc/min) can be used as the circulation pump, which enables precise control of pure circulation flow rate. Oxygen emission or hydrogen emission discharged from the water electrolysis cell passes through a chiller or cooler without passing through the
한편, 수전해 셀 성능의 다양한 조건별 실험을 위한 온도 제어가 가능하다. 즉, 탱크 내에는 예컨대 라인 히터가 설치되어 있고(예컨대 도 4a 및 4b의 E-100, E-102) 및 순환 라인에도 히터 또는 냉각기를 설치하여 온도의 정밀한 제어가 가능하다. 순환 라인에는 온도 및 압력을 측정하여 표시하는 온도 및 압력 표시 장치(예컨대 도 4a 및 4b의 TI-109, TI-104, TI-105, TI-110, PI-100 등)가 설치될 수 있다.On the other hand, it is possible to control the temperature for experiments for various conditions of the performance of the water electrolysis cell. That is, a line heater is installed in the tank (eg, E-100 and E-102 in FIGS. 4A and 4B ), and a heater or cooler is installed in the circulation line to precisely control the temperature. A temperature and pressure display device (eg, TI-109, TI-104, TI-105, TI-110, PI-100, etc. of FIGS. 4A and 4B) may be installed in the circulation line.
수전해 평가 테스트를 위하여, 원하는 실험 조건을 맞춘 후 정류기의 전원을 켜고, 설정 전류량과 한계 전압을 입력 후 전원을 켜고(Power On) 활성화 하여 테스크를 진행하게 된다(예컨대 도 2a의 디스플레이 화면의 오른쪽 상단 부분 참고).For the water electrolysis evaluation test, after meeting the desired experimental conditions, the power of the rectifier is turned on, the set current amount and limit voltage are input, and the power is turned on (Power On) and activated to proceed with the test (e.g., the right side of the display screen in FIG. 2a). see top section).
본 발명의 예시적인 구현예들에 의하면, 수전해 반응으로 발생되는 산소 기체와 수소 기체의 정밀한 산소와 수소의 유량 측정이 가능하다. 특히 수소 기체와 산소 기체를 냉각하여 수분을 제거함으로써 발생가스의 산소 또는 수소의 비율을 높이는 정제(Purification)(칠러 또는 쿨러 스펙 - 20℃) 작업을 수행한다. 이에 따라 보다 정확한 산소 및/또는 수소 발생 정도를 평가할 수 있다.According to exemplary embodiments of the present invention, it is possible to accurately measure the flow rate of oxygen gas and hydrogen gas generated by water electrolysis reaction. In particular, purification (chiller or cooler specification - 20 ° C) is performed to increase the ratio of oxygen or hydrogen in the generated gas by removing moisture by cooling the hydrogen gas and oxygen gas. Accordingly, it is possible to more accurately evaluate the degree of oxygen and/or hydrogen generation.
아울러, 본 발명의 예시적인 구현예들의 장치는, 산소와 수소의 섞임을 방지할 수 있는 실시간 모니터링(예컨대 도 4의 H2, O2 Detector)이 가능하다. 또한, 이러한 실시간 모니터링 시스템(H2, O2 Detector)으로 위험 상황 발생 감지시 즉각적인 대응이 가능하다. 비제한적인 예시에서, 예컨대 수소와 산소의 섞임의 레벨(예컨대 Low Explosion Level, LEL 4%)을 설정하고 해당 레벨을 넘으면 운전을 중지할 수 있다. 아울러 자동화 시스템의 도입으로 위험 상황 발생 시 불활성 기체인 질소 가스 퍼지(Purge) 시스템의 설치로 폭발 한계 레벨 아래로 시스템 유지가 가능하도록 할 수 있다.In addition, the apparatus of exemplary embodiments of the present invention, real-time monitoring (eg H 2 , O 2 Detector in FIG. 4) capable of preventing mixing of oxygen and hydrogen is possible. In addition, with this real-time monitoring system (H 2 , O 2 Detector), immediate response is possible when a dangerous situation is detected. In a non-limiting example, for example, a mixing level of hydrogen and oxygen (eg, Low Explosion Level, LEL 4%) may be set, and operation may be stopped when the corresponding level is exceeded. In addition, with the introduction of an automation system, it is possible to maintain the system below the explosion limit level by installing a nitrogen gas purge system, which is an inert gas, in case of a dangerous situation.
도 5는 본 발명의 예시적인 구현예에서의 안전 제어 알고리즘을 보여주는 순서도이다.5 is a flow chart showing a safety control algorithm in an exemplary implementation of the present invention.
도 5에 도시된 바와 같이, 예컨대 2단계로 나눠서 제어 알고리즘을 실시하도록 한다.As shown in FIG. 5, for example, the control algorithm is divided into two steps.
일반적으로 전류 밀도 기준 일반 운전의 20% 부하 이상으로 운전 범위 제한하여 산소와 수소의 재결합을 방지하도록 하며, 산소내 수소기체 농도 4% 이상이 폭발한계점으로 예컨대 비제한적인 실시예에서는 3.5%를 기준점으로 설정하도록 한다.In general, the operating range is limited to more than 20% load of normal operation based on current density to prevent recombination of oxygen and hydrogen, and the hydrogen gas concentration in oxygen is 4% or more as the explosive limit point, for example, in a non-limiting embodiment, 3.5% is the reference point to be set to
즉, 산소 내 수소 농도가 3.5% 미만이면 기존 운전 조건을 유지하고, 3.5% 이상이 되면 비상 전지 운전 절차를 시작한다. 이에 따라 비상 알람을 울리게 되고 인자 전류값을 감소하며 탱크 내 라인 히터를 정지시킨다. 또한 수전해 장치의 운전 전류 설정 값이 미리 설정된 제1 운전 전류 설정치(S1) 이하가 되도록 인가 전류값을 계속 감소시키고, 제1 운전 전류 설정치(S1) 이하가 되면 인가 전압을 끄고 질소 퍼징을 실시하며 산소 및 수소를 배출시킨다.That is, if the concentration of hydrogen in oxygen is less than 3.5%, the existing operating conditions are maintained, and if it is greater than 3.5%, an emergency battery operation procedure is started. Accordingly, an emergency alarm sounds, the factor current value is reduced, and the line heater in the tank is stopped. In addition, the applied current value is continuously reduced so that the operating current value of the water electrolysis device is equal to or less than the preset operating current value (S1), and when the value is lower than the first operating current value (S1), the applied voltage is turned off and nitrogen purging is performed. and releases oxygen and hydrogen.
계속하여 수전해 장치의 운전 전류 설정 값이 미리 설정된 제 2 운전 전류 설정치(S2) 이하가 되도록 위 과정을 계속하고, 제2 운전 전류 설정치(S2) 이하, 산소 내 수소 농도 3.5% 미만, 수전해 장치의 온도가 미리 설정된 온도 미만이 되면 질소 퍼징을 종료하고, 물 공급 펌프를 끄고 산소 및 수소 밸브를 닫으며 비상 알람을 종료하여 비상 정지 운전을 종료한다. Subsequently, the above process is continued so that the operating current set value of the water electrolysis device is equal to or less than the second operating current set value (S2) set in advance, and the second operating current set value (S2) or less, the hydrogen concentration in oxygen is less than 3.5%, water electrolysis When the temperature of the device falls below the preset temperature, nitrogen purging is terminated, the water supply pump is turned off, the oxygen and hydrogen valves are closed, the emergency alarm is terminated, and the emergency stop operation is terminated.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 예시적인 구현예들의 수전해 표준 평가 장치 및 방법에 의하면, 수전해의 대표적인 성능 지표인 전압효율의 측정뿐 아니라 수전해시 생성되는 수소, 산소의 유랑과 실시간으로 측정하여, 인가되는 전류량 대비 발생 기체의 양을 실시간으로 측정하여 보다 정밀한 수전해의 성능을 측정할 수 있게 한다. 아울러, 전해조에서 발생하는 수소 포함 배출물 또는 산소 포함 배출물로부터 물 또는 수용액을 단계적으로 제거하도록 하고, 수소 배출물에 산소가 포함되거나 산소 배출물에 수소가 포함되는 지를 정밀하게 모니터링하여 사고에 대비하고 안전도를 높일 수 있다.As described above, according to the water electrolysis standard evaluation apparatus and method of exemplary embodiments of the present invention, voltage efficiency, which is a representative performance indicator of water electrolysis, is measured, as well as the flow of hydrogen and oxygen generated during water electrolysis in real time. It is possible to measure the performance of water electrolysis more precisely by measuring the amount of generated gas relative to the amount of applied current in real time. In addition, water or aqueous solution is removed step by step from hydrogen-containing emissions or oxygen-containing emissions generated from the electrolyzer, and whether oxygen is included in hydrogen emissions or hydrogen is included in oxygen emissions is precisely monitored to prepare for accidents and increase safety. can
또한, 각종 내부의 센서 장치를 모듈화 할 수 있도록 구성하여 사용 환경에 맞게 수전해 평가 장치의 구성을 쉽게 변경할 수 있다. In addition, by configuring various internal sensor devices to be modularized, the configuration of the water electrolysis evaluation device can be easily changed according to the use environment.
또한 부하 변동 시에도 고신뢰성을 유지하면서 수전해 성능을 평가할 수 있다. 따라서 날씨에 따라 전기 생산량에 큰 변화를 보이는 태양광, 풍력 등의 재생에너지와 수소를 연계했을 때의 수전해 성능의 신뢰성 검증이 가능하다.In addition, water electrolysis performance can be evaluated while maintaining high reliability even during load fluctuations. Therefore, it is possible to verify the reliability of water electrolysis performance when hydrogen is linked with renewable energy such as sunlight and wind power, which show large changes in electricity production depending on the weather.
또한 장치 제조 비용이 저렴하여 국산 장비의 국내 외 보급에 크게 기여할 수 있을 것으로 생각된다.In addition, the manufacturing cost of the device is low, so it is thought that it can greatly contribute to the domestic and overseas dissemination of domestic equipment.
이하의 실시예를 통하여 본 발명의 예시적인 구현예들을 더욱 상세하게 설명된다. 본 명세서에 개시된 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. Exemplary embodiments of the present invention are described in more detail through the following examples. Embodiments disclosed herein are illustrated for purposes of explanation only, and embodiments of the present invention may be implemented in various forms and should not be construed as being limited to the embodiments described herein.
[실험 1][Experiment 1]
본 실험 1의 도 6은 수전해 단일셀(반응면적 25cm2)에 전류를 인가하며 전류 밀도(도 6a) 및 시간에 따른 전압 변화(도 6b)를 살펴본 그래프이다. 수전해 셀 측정온도는 47.9±1.56℃이고 압력은 1기압, DI water를 수전해 셀 양극에 300 ccm으로 흘려주었다. FIG. 6 of Experiment 1 is a graph showing current density (FIG. 6a) and voltage change over time (FIG. 6b) while applying current to a water electrolysis single cell (reaction area: 25 cm 2 ). The measured temperature of the water electrolysis cell was 47.9 ± 1.56 ℃, the pressure was 1 atm, and DI water was flowed at 300 ccm to the anode of the water electrolysis cell.
상술하면, 도 6a는 셀에 가해지는 전류밀도(current density)를 0.25A/cm2 에서 1.50A/cm2로 0.25A 단위로 상승하면서 같은 실험을 셀 조, 장치 ON/OFF를 반복을 10번 다른 날 진행(D1~D10)하면서 얼마나 차이가 나는지를 보는 일종의 신뢰성 테스트 결과이다. D1~D10이 거의 동일하여 신뢰성이 있음을 보여준다.In detail, FIG. 6a shows that the same experiment was performed by increasing the current density applied to the cell from 0.25 A/cm 2 to 1.50 A/cm 2 by 0.25 A units, repeating the cell group and device ON/
또한, 도 6b는 전류밀도를 1.5A/cm2로 놓았을 때 장기 시험평가로 장치에 셀은 걸어두고 매일 ON/OFF를 하면서 시험한 결과이다. 여기서, 해당 그래프의 변화는 계속 반응을 위한 증류수를 공급하면서 압력의 변화가 있으면 IV 가 변화하는 것으로 생각되며 큰 차이는 아니지만 셀의 성능이 조금씩 감소하는 것을 나타내는 것으로 생각된다.In addition, FIG. 6B is a test result of a long-term test evaluation when the current density is set to 1.5A/cm2 while the cell is hung on the device and turned ON/OFF every day. Here, the change in the graph is thought to be that IV changes when there is a change in pressure while continuously supplying distilled water for the reaction, and it is thought to indicate that the performance of the cell decreases little by little, although it is not a big difference.
[실험 2] [Experiment 2]
본 실험 2의 도 7은 실제 제주도 풍력발전 데이터를 용량에 맞게 모사하여 고분자 전해질 수전해 단일셀(반응면적 25cm2)에 전류를 인가하며 반응 셀 전압을 측정한 그래프이다. 수전해 셀 측정온도는 47.9±1.56℃이고 압력은 1기압, DI water를 수전해 셀 양극에 300 ccm으로 흘려주었다. 변경되는 전류에 대해 전압이 시간지연 없이 실시간 반응함을 알 수 있다.FIG. 7 of
[실험 3][Experiment 3]
본 실험 3이 도 8은 풍력발전 데이터를 용량에 맞게 모사하여 고분자 전해질 수전해 단일셀(반응면적 25cm2)에 전류를 인가하며 발생되는 수소유량을 실시간으로 측정한 그래프이다. 수전해 셀 측정온도는 47.9±1.56℃이고 압력은 1기압, DI water를 수전해 셀 양극에 300 ccm으로 흘려주었다. This
각 인가되는 전류 값 대비 측정 수소발생량으로부터 전류효율을 계산할 수 있다. 변경되는 전류에 대해 수소유량 변화가 시간지연 없이 실시간 측정됨을 알 수 있다. The current efficiency can be calculated from the amount of hydrogen generation measured against each applied current value. It can be seen that the change in hydrogen flow rate is measured in real time without time delay for the changing current.
[실험 4][Experiment 4]
본 실험 4의 도 9는 풍력발전 데이터를 용량에 맞게 모사하여 고분자 전해질 수전해 단일셀(반응면적 25cm2)에 전류를 인가하며 발생되는 수소유량과 산소 내 수소 농도를 실시간으로 측정한 그래프이다. 수전해 셀 측정온도는 47.9±1.56℃이고 압력은 1기압, DI water를 수전해 셀 양극에 300 ccm으로 흘려주었다. 9 of Experiment 4 is a graph obtained by measuring the hydrogen flow rate and hydrogen concentration in oxygen in real time while applying current to a polymer electrolyte water electrolysis single cell (
변동되는 전류 입력 조건에서 수전해 셀 양쪽 전극에서 발생한 산소와 수소가 분리막을 통해 넘어온(Cross over) 양으로부터 수소가스 내 산소 농도를 실시간 측정할 수 있다. 참고로, 전압/전류 효율을 정확히 평가하기 위해서는 발생 수소 가스의 유량과 수전해 단일셀 내부 분리막을 통한 수소가스의 크로스오버(Cross over) 양을 실시간 분석할 수 있어야 하며, 시간지연이 없도록 해야 한다.Under fluctuating current input conditions, the oxygen concentration in hydrogen gas can be measured in real time from the amount of oxygen and hydrogen generated at both electrodes of the water electrolysis cell that cross over through the separator. For reference, in order to accurately evaluate the voltage/current efficiency, it is necessary to be able to analyze the flow rate of generated hydrogen gas and the crossover amount of hydrogen gas through the separator inside the single cell of water electrolysis in real time, and there should be no time delay. .
한편, 특정 운전 조건(전류변화)에서 수소 내 산소 농도가 운전 제한 범위인 2%에 도달하는 것을 알 수 있다. 본 기능을 통해 위험 기준인 4% 이내에서 수전해 셀의 안전성을 평가할 수 있었다..On the other hand, it can be seen that the oxygen concentration in hydrogen reaches 2%, which is the operating limit, under specific operating conditions (current change). Through this function, it was possible to evaluate the safety of the water electrolysis cell within the risk standard of 4%.
[실험 5][Experiment 5]
본 실험 5의 도 10은 동일한 고분자 전해질 수전해 단일셀(반응면적 25cm2)에 전류-전압 성능 곡선을 두 기관에서 다른 셀을 갖고 교차 검증 한 실험 결과 그래프이다. 수전해 셀 측정온도는 47.9±1.56℃이고 압력은 1기압, DI water를 수전해 셀 양극에 50 ccm으로 흘려주었다. 전류밀도를 변경하며 각 구간에서 5분씩 유지 한 후 안정화된 전압 값을 구해 IV성능 곡선을 도시하였다. 샘플 A와 B에 대해서 기관 1와 2에서 교차 검증할 때 재현성을 확보하였다. 참고로, 샘플 양극은 이리듐블랙(2.0 mg/cm2), 음극은 Pt/C (0.5 mg/cm2), Nafion 115, Mott사 분말소결 티타늄 다공체를 확산체로 사용하였다.10 of
이상 본 발명의 비제한적이고 예시적인 구현예들을 설명하였으나, 본 발명의 기술 사상은 첨부 도면이나 상기 설명 내용에 한정되지 않는다. 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함이 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하며, 또한, 이러한 형태의 변형은 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 할 것이다. Although non-limiting and exemplary implementations of the present invention have been described above, the technical idea of the present invention is not limited to the accompanying drawings or the above description. It is obvious to those skilled in the art that various types of modifications are possible within the scope of the technical spirit of the present invention, and also, these types of modifications will fall within the scope of the claims of the present invention.
Claims (21)
수전해 장치에 물 또는 수용액을 공급하고, 상기 수전해 장치로부터 배출되는 배출물을 상기 수전해 장치로 순환, 정제 및 외부로 배출하는 공급 및 순환부;
상기 수전해 장치에 연결되어 수전해 장치의 전류 및/또는 전압 효율을 평가하는 전류 및/또는 전압 효율 평가부; 및
상기 배출물 중 산소 기체 또는 수소 기체의 유량 또는 특성을 평가하는 유량 또는 특성 평가부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 평가 장치.In the water electrolysis evaluation device,
a supply and circulation unit supplying water or an aqueous solution to the water electrolysis device and circulating, purifying, and discharging the discharged water discharged from the water electrolysis device to the outside;
a current and/or voltage efficiency evaluation unit connected to the water electrolysis device to evaluate current and/or voltage efficiency of the water electrolysis device; and
Water electrolysis evaluation apparatus comprising a; flow rate or characteristic evaluation unit for evaluating the flow rate or characteristics of the oxygen gas or hydrogen gas in the discharged product.
상기 산소 기체 중 수소의 함량 및 수소 기체 중 산소의 함량을 평가하여 수전해 평가 장치의 운전을 제어하는 것을 특징으로 하는 수전해 평가 장치.According to claim 1,
Water electrolysis evaluation apparatus, characterized in that for controlling the operation of the water electrolysis evaluation apparatus by evaluating the content of hydrogen in the oxygen gas and the content of oxygen in the hydrogen gas.
상기 공급 및 순환부는 상기 수전해 장치에 물 또는 수용액을 공급하는 탱크;
상기 수전해 장치로부터 배출되는 배출물이 제공되는 칠러 또는 쿨러; 및
상기 칠러 또는 쿨러로부터 배출된 배출물이 제공되는 기액 분리기;를 포함하고,
상기 기액 분리기를 통과한 배출물로부터 산소 또는 수소의 유량 또는 특성을 평가하는 것을 특징으로 하는 수전해 평가 장치.According to claim 2,
The supply and circulation unit may include a tank supplying water or an aqueous solution to the water electrolysis device;
a chiller or cooler provided with discharged water discharged from the water electrolyzer; and
Including; a gas-liquid separator provided with discharged water discharged from the chiller or cooler,
Water electrolysis evaluation apparatus, characterized in that for evaluating the flow rate or characteristics of oxygen or hydrogen from the discharged water passing through the gas-liquid separator.
상기 수전해 장치로부터의 산소 배출물이 탱크로 제공된 후, 탱크로부터 미반응 물 또는 수용액이 제거된 후 상기 칠러 또는 쿨러로 제공되는 것이고,
상기 수전해 장치는 PEM 또는 알칼라인 수전해 장치인 것을 특징으로 하는 수전해 평가 장치. According to claim 3,
Oxygen discharge from the water electrolysis device is supplied to a tank, and then supplied to the chiller or cooler after unreacted water or aqueous solution is removed from the tank,
The water electrolysis device is a PEM or alkaline water electrolysis device, characterized in that.
상기 수전해 장치로부터 수소 배출물이 탱크로 제공된 후, 탱크로부터 미반응 물 또는 수용액이 제거된 후 상기 칠러 또는 쿨러로 제공되는 것이고,
상기 수전해 장치는 알칼라인 수전해 장치인 것을 특징으로 하는 수전해 평가 장치. According to claim 4,
After the hydrogen discharge from the water electrolysis device is supplied to the tank, unreacted water or aqueous solution is removed from the tank and then supplied to the chiller or cooler,
The water electrolysis apparatus is an alkaline water electrolysis apparatus.
상기 수전해 장치는 하나의 수전해 장치를 가지는 1채널 방식; 또는 두 개의 수전해 장치를 가지는 2채널 방식인 것을 특징으로 하는 수전해 평가 장치.According to claim 1,
The water electrolysis device may be a one-channel type having one water electrolysis device; or a water electrolysis evaluation device characterized in that it is a two-channel method having two water electrolysis devices.
상기 2체널 방식은 PEM 수전해 장치 및 알칼라인 수전해 장치의 하이브리드 형태인 것을 특징으로 하는 수전해 평가 장치.According to claim 6,
The water electrolysis evaluation device, characterized in that the two-channel method is a hybrid form of a PEM water electrolysis device and an alkaline water electrolysis device.
상기 하이브리드 형태의 수전해 평가 장치는, 각 수전해 장치에 연결되는 물 또는 수용액 공급의 제1 탱크 및 상기 제1 탱크보다 작은 사이즈의 제2 보조 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 평가 장치.According to claim 7,
The water electrolysis evaluation device of the hybrid type comprises a first tank for supplying water or an aqueous solution connected to each water electrolysis device and a second auxiliary tank having a smaller size than the first tank.
상기 수전해 장치는 상부 및 하부의 구조 이루어져 있고,
상부는 디스플레이 및 전류 및/또는 전압 효율 평가부를 포함하는 제1 박스 및 상기 수전해 장치가 놓여지는 테이블 부를 포함하고,
하부는 탱크, 칠러 및 쿨러, 기액 분리기, 유량 및 특성 평가부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 평가 장치.According to claim 2,
The water electrolysis device has an upper and lower structure,
The upper portion includes a first box including a display and a current and/or voltage efficiency evaluation unit and a table unit on which the water electrolysis device is placed,
The lower part includes a tank, a chiller and a cooler, a gas-liquid separator, and a flow rate and characteristic evaluation unit.
상기 유량 및 특성 평가부는, 상기 배출물 중 산소 기체 또는 수소 기체의 유량을 평가하는 유량계, 이슬점(dew point)을 측정하는 측정기, 및 산소 기체 중 수소 또는 수소 기제 충 산소를 검출하는 검출기 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 평가 장치.According to claim 9,
The flow rate and characteristic evaluation unit may include at least one of a flow meter for evaluating the flow rate of oxygen gas or hydrogen gas in the discharged product, a measuring device for measuring a dew point, and a detector for detecting hydrogen or hydrogen-based oxygen in the oxygen gas. A water electrolysis evaluation device comprising:
상기 수전해 장치에는 하나 이상의 모둘화된 센서가 탈부착 가능하도록 장착되는 것으로서.
상기 모듈화된 센서는 유체의 유입부; 유체의 유출부; 및 센서의 제어 및 외부기기로의 통신을 수행하는 제어 및 통신부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 평가 장치. According to claim 9,
One or more modulized sensors are detachably mounted in the water electrolysis device.
The modularized sensor includes a fluid inlet; fluid outlet; and a control and communication unit for controlling sensors and communicating with external devices.
산소 기체 내 수소 농도가 설정된 기준치 미만인 경우 기존 운전 조건을 유지하고 설정된 기준치 이상이면 비상 정지 운전 절차를 수행하는 것이되,
상기 비상 정지 운전 절차는 하나 이상의 운전 전류 설정치를 기준으로 인가 전류 값을 감소시키는 것을 특징으로 하는 수전해 평가 장치.According to claim 2,
If the hydrogen concentration in the oxygen gas is less than the set reference value, the existing operating conditions are maintained, and if it is more than the set reference value, the emergency stop operation procedure is performed.
The water electrolysis evaluation device, characterized in that the emergency stop operation procedure reduces the applied current value based on one or more operating current set values.
상기 비상 정지 운전 절차는 제1 운전 전류 설정치 이하가 될 때까지 인가 전류값을 감소시키고, 제1 운전 전류 설정치 이하가 되면 인가 전압을 끄고 질소 퍼징을 실시하며 산소 기체 및 수소 기체를 배출시키며,
운전 전류 설정 값이 미리 설정된 제 2 운전 전류 설정치 이하, 산소 기체 내 수소 농도가 설정된 기준치 미만,및 수전해 장치의 온도가 미리 설정된 온도 미만이 되면 질소 퍼징을 종료하고, 비상 정지 운전을 종료하는 것을 특징으로 하는 수전해 평가 장치. According to claim 12,
The emergency stop operation procedure reduces the applied current value until it is less than the first operating current set value, and when it is less than the first operating current set value, the applied voltage is turned off, nitrogen purging is performed, and oxygen gas and hydrogen gas are discharged,
When the operating current set value is equal to or less than the preset second operating current value, the hydrogen concentration in the oxygen gas is less than the set reference value, and the temperature of the water electrolyzer is less than the preset temperature, nitrogen purging is terminated and the emergency stop operation is terminated. A water electrolysis evaluation device characterized by
수전해 장치에 물 또는 수용액을 공급하고, 상기 수전해 장치로부터 배출되는 배출물을 순환, 정제 및 외부로 배출하는 단계;
상기 수전해 장치에 연결되어 수전해 장치의 전류 및/또는 전압 효율을 평가하는 단계; 및
상기 배출물 중 산소 기체 또는 수소 기체의 유량 또는 특성을 평가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 평가 방법.In the water electrolysis evaluation method,
supplying water or an aqueous solution to a water electrolysis device, and circulating, purifying, and discharging the effluent discharged from the water electrolysis device to the outside;
Evaluating current and/or voltage efficiency of the water electrolysis device by being connected to the water electrolysis device; and
Evaluating the flow rate or characteristics of oxygen gas or hydrogen gas in the effluent; water electrolysis evaluation method comprising the.
상기 유량 또는 특성을 평가하는 단계에서는, 산소 기체 중 수소의 함량 및 수소 기체 중 산소의 함량을 평가하여 수전해 평가 장치의 운전을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 평가 방법.According to claim 14,
In the step of evaluating the flow rate or characteristics, the water electrolysis evaluation method further comprises the step of controlling the operation of the water electrolysis evaluation device by evaluating the content of hydrogen in the oxygen gas and the content of oxygen in the hydrogen gas.
상기 순환, 정제 및 외부로 배출하는 단계에서는, 수전해 장치로부터 배출되는 배출물을 수전해 장치에 물 또는 수용액을 공급하는 탱크로 순환시킨 후 다시 수전해 장치로 제공하는 단계;
상기 탱크로부터 베출된 배출 기체를 냉각하는 단계; 및
상기 냉각된 기체를 기액 분리기를 통과시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 평가 방법.According to claim 15,
In the step of circulating, purifying, and discharging to the outside, circulating the effluent discharged from the water electrolysis device to a tank supplying water or an aqueous solution to the water electrolysis device, and then supplying the discharged product to the water electrolysis device again;
cooling the exhaust gas discharged from the tank; and
Water electrolysis evaluation method further comprising the step of passing the cooled gas through a gas-liquid separator.
상기 수전해 장치는 하나의 수전해 장치를 가지는 1채널 방식; 또는 두 개의 수전해 장치를 가지는 2채널 방식인 것을 특징으로 하는 수전해 평가 방법.According to claim 16,
The water electrolysis device may be a one-channel type having one water electrolysis device; or a water electrolysis evaluation method characterized in that it is a two-channel method having two water electrolysis devices.
상기 2체널 방식은 PEM 수전해 장치 및 알칼라인 수전해 장치의 하이브리드 방식인 것을 특징으로 하는 수전해 평가 방법.According to claim 17,
The water electrolysis evaluation method, characterized in that the two-channel method is a hybrid method of a PEM water electrolysis device and an alkaline water electrolysis device.
상기 하이브리드 방식은, 각 수전해 장치에 연결되는 물 또는 수용액 공급의 제1 탱크 및 상기 제1 탱크보다 작은 사이즈의 제2 보조 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 평가 방법.According to claim 18,
The hybrid method comprises a first tank for supplying water or an aqueous solution connected to each water electrolysis device and a second auxiliary tank having a smaller size than the first tank.
산소 기체 내 수소 농도가 설정된 기준치 미만인 경우 기존 운전 조건을 유지하고 설정된 기준치 이상이면 비상 정지 운전 절차를 수행하는 것이되,
상기 비상 정지 운전 절차는 하나 이상의 운전 전류 설정치를 기준으로 인가 전류 값을 감소시키는 것을 특징으로 하는 수전해 평가 방법.According to claim 15,
If the hydrogen concentration in the oxygen gas is less than the set reference value, the existing operating conditions are maintained, and if it is more than the set reference value, the emergency stop operation procedure is performed.
The water electrolysis evaluation method, characterized in that the emergency stop operation procedure reduces the applied current value based on one or more operating current set values.
상기 비상 정지 운전 절차는 제1 운전 전류 설정치 이하가 될 때까지 인가 전류값을 감소시키고, 제1 운전 전류 설정치 이하가 되면 인가 전압을 끄고 질소 퍼징을 실시하며 산소 기체 및 수소 기체를 배출시키며,
운전 전류 설정 값이 미리 설정된 제 2 운전 전류 설정치 이하, 산소 기체 내 수소 농도가 설정된 기준치 미만,및 수전해 장치의 온도가 미리 설정된 온도 미만이 되면 질소 퍼징을 종료하고, 비상 정지 운전을 종료하는 것을 특징으로 하는 수전해 평가 방법. According to claim 20,
The emergency stop operation procedure reduces the applied current value until it is less than the first operating current set value, and when it is less than the first operating current set value, the applied voltage is turned off, nitrogen purging is performed, and oxygen gas and hydrogen gas are discharged,
When the operating current set value is equal to or less than the preset second operating current value, the hydrogen concentration in the oxygen gas is less than the set reference value, and the temperature of the water electrolyzer is less than the preset temperature, nitrogen purging is terminated and the emergency stop operation is terminated. Water electrolysis evaluation method characterized.
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