KR20230052728A - 분리형 bop 적용 수전해장치 - Google Patents
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Abstract
분리형 BOP 적용 수전해장치가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 분리형 BOP 적용 수전해장치는 전기분해에 의해 산소와 수소가 각각 생성되는 양극실과 음극실 및 상기 양극실과 상기 음극실 사이에서 음이온이 교환되는 음이온 교환막을 포함하는 수전해조; 상기 양극실 및 상기 음극실에서 생성된 상기 산소 또는 상기 수소와 전해액을 각각 분리시키는 양극 기액분리기 및 음극 기액분리기; 상기 양극 기액분리기 및 상기 음극 기액분리기에서 배출되는 산소 및 수소의 압력을 측정하는 한 쌍의 압력계; 상기 한 쌍의 압력계 사이의 압력차를 검출하고 일정 차압을 유지하도록 제어하는 압력제어부;및 상기 양극 기액분리기와 상기 음극 기액분리기 사이에 경사진 형태로 설치되는 경사형 액관;을 포함한다.
Description
본 발명은 분리형 BOP 적용 수전해장치에 관한 것이다.
일반적으로 수전해장치는 수전해모듈을 구비하여 수분을 전기분해함으로써 산소가스 및 수소가스를 발생시킨다. 수전해모듈은 스택과 BOP(Balance Of Plants)로 구성될 수 있다. 스택은 물을 분해해 수소를 생산하는 주요 장치로서 전극, 분리막 및 분리판 등 단위 부품을 여러 개 적층하여 구성된다. BOP는 물의 전기분해 반응이 일어나는 스택 외에 수소생산 설비를 구성하는 장치들로 운전 환경제어 및 후처리 과정에 필요한 펌프, 압축기, 열교환기 및 기액분리기 등 주변 장치들을 말한다.
종래의 수전해장치에 있어서는 수전해장치에서 생성된 가스를 압력제어 밸브를 통해 방출함으로써, 압력을 조정하고 수전해조의 양극실과 음극실의 압력을 소정 값 이하로 억제하여 양극실과 음극실을 분리하는 분리막의 파손을 방지한다. 이러한 수전해장치는 수전해를 시작한 후 정상운전에 이르는 과도 시나 전해전류가 변화하는 과도 시에는 양극측과 음극측에서 가스 발생량의 차이에 의한 압력차의 증가로 인해 양극실과 음극실을 구분하는 분리막이 파손되는 문제가 있었다.
또한, 수전해 장치는 수전해의 진행에 따라 소비된 순수를 보충하기 위해 순수탱크에서 수소 기액분리기로 순수공급을 하게 된다. 이때, 기액분리의 수위변화에 따라 기액분리기 내의 가스용적이 변화하고, 그에 따라 가스압력이 변화한다. 이때, 양극실과 음극실의 차압이 과도하게 증가하여 분리막이 파손되고 그에 따라 수소와 산소가 혼합되는 경우가 발생하게 된다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 산소배출계와 수소배출계 사이에서 일정 차압을 유지하여 수전해조 내의 분리막 파열을 억제할 수 있는 분리형 BOP 적용 수전해장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 양극 기액분리기와 음극 기액분리기 사이의 전해액이 이동하여 양극실과 음극실 사이의 과도한 압력의 차이를 방지할 수 있는 분리형 BOP 적용 수전해장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 기액분리기로부터 양극실과 음극실로의 통로를 분리하여 전해액에 잔존하는 산소와 수소의 혼합을 방지할 수 있는 분리형 BOP 적용 수전해장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전기분해에 의해 산소와 수소가 각각 생성되는 양극실과 음극실 및 상기 양극실과 상기 음극실 사이에서 음이온이 교환되는 음이온 교환막을 포함하는 수전해조; 상기 양극실 및 상기 음극실에서 생성된 상기 산소 또는 상기 수소와 전해액을 각각 분리시키는 양극 기액분리기 및 음극 기액분리기; 상기 양극 기액분리기 및 상기 음극 기액분리기에서 배출되는 산소 및 수소의 압력을 측정하는 한 쌍의 압력계; 상기 한 쌍의 압력계 사이의 압력차를 검출하고 일정 차압을 유지하도록 제어하는 압력제어부;및 상기 양극 기액분리기와 상기 음극 기액분리기 사이에 경사진 형태로 설치되는 경사형 액관;을 포함하는 분리형 BOP 적용 수전해장치가 제공된다.
일 실시예에서, 상기 압력제어부는, 상기 한 쌍의 압력계 사이의 압력차를 검출하는 차압검출계를 포함하고, 상기 차압검출계의 측정 값에 따라 압력조정밸브를 개폐하여 일정 차압을 유지하도록 제어하는 압력제어장치를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 경사형 액관은, 상기 양극 기액분리기와 상기 음극 기액분리기 사이에 ‘V’형상으로 경사지게 구비되어, 상기 양극 기액분리기와 상기 음극 기액분리기 사이의 밀도차에 의해 상기 전해액이 이동할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 양극 기액분리기로부터 상기 수전해조로 순환되는 상기 전해액의 통로와 상기 음극 기액분리기로부터 상기 수전해조로 순환되는 상기 전해액의 통로가 분리되고 각각의 통로에 순환펌프가 구비될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 양극 기액분리기 및 상기 음극 기액분리기에서 생성된 상기 산소 및 상기 수소를 냉각시키는 열교환기; 상기 열교환기에서 냉각된 상기 산소 및 상기 수소의 수분을 제거하는 수분제거기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분리형 BOP 적용 수전해장치는 산소 배출계와 수소배출계 사이에서 일정 차압을 유지함으로써, 수전해조 내의 분리막 파열을 억제할 수 있으므로 사용의 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리형 BOP 적용 수전해장치는 양극 기액분리기와 음극 기액분리기 사이에 경사형 액관을 구비함으로써, 기액분리기 사이의 농도차이 발생 시 전해액이 경사형 액관을 통해 이동하여 농도를 균일하게 할 수 있으므로 양극실과 음극실 사이의 과도한 압력의 차이를 방지하여 분리막의 파열을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리형 BOP 적용 수전해장치는 양극 기액분리기 및 음극 기액분리기와 수전해조 사이의 통로에 순환펌프를 각각 구비함으로써, 기액분리기로부터 수전해조로의 전해액 순환 통로를 독립적으로 구성할 수 있어 전해액에 잔존하는 수소와 산소의 혼합을 방지할 수 있으므로 전기분해 과정에서의 발화를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리형 BOP 적용 수전해장치를 나타낸 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 분리형 BOP 적용 수전해장치를 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리형 BOP 적용 수전해장치를 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리형 BOP 적용 수전해장치(100)는 수전해조(110), 산소배출계(120), 수소배출계(130), 압력제어부(140), 순수공급부(150), 수위제어장치(160), 배출구(170) 및 경사형 액관(180)을 포함할 수 있다.
분리형 BOP 적용 수전해장치(100)는 전기분해에 의해 전해액으로부터 산소와 수소를 분리함으로써 산소와 수소를 얻는 장치일 수 있다. 이때, 분리형 BOP 적용 수전해장치(100)에 사용되는 전해액은 알칼리 용액일 수 있다.
수전해조(110)는 양쪽의 전극판이 수분을 공급받은 상태에서 통전됨에 따라 산소와 수소를 발생시킬 수 있다. 이러한 수전해조(110)는 양극실(111), 음극실(112) 및 음이온 교환막(113)을 포함할 수 있다.
양극실(111)은 양극 전극을 포함할 수 있다. 이때, 양극실(111)은 전기분해 시 전해액으로부터 산소와 순수의 혼합물이 발생될 수 있다.
음극실(112)은 음극 전극을 포함할 수 있다. 이때, 음극실(112)은 전기분해 시 수전해조(110)에 공급된 수분이 해리되면서 수소와 수산화이온이 발생될 수 있다.
이때, 양극실(111)과 음극실(112)에는 촉매전극(미도시)과 다공질 전원 공급체(미도시)가 구비될 수 있다.
음이온 교환막(113)은 양극실(111)과 음극실(112)사이에 구비되어, 양극실(111)과 음극실(112)을 분리할 수 있다. 이때, 음이온 교환막(113)은 이온이 이동되도록 구성된 분리막일 수 있다.
산소배출계(120)는 양극실(111)에서 발생한 산소가 이동하여 배출되는 관로일 수 있다. 이러한 산소배출계(120)는 양극 기액분리기(121), 순환펌프(122), 열교환기(123), 수분제거기(124), 역류압력 조정기(125), 압력계(126) 및 수위계(127)를 포함할 수 있다.
양극 기액분리기(121)는 양극실(111)에 연결되어, 양극실(111)에서 발생한 산소와 순수의 혼합물을 포함하는 전해액이 유입될 수 있다. 여기서, 양극 기액분리기(121)는 산소와 순수의 혼합물을 산소가스와 순수로 분리할 수 있다.
순환펌프(122)는 양극 기액분리기(121)와 양극실(111) 사이에 연결되어, 양극 기액분리기(121)에 잔존하는 전해액을 양극실(111)로 보낼 수 있다.
열교환기(123)는 양극 기액분리기(121)의 출력단에 연결되어, 양극 기액분리기(121)에서 분리된 산소가스를 냉각시킬 수 있다.
수분제거기(124)는 열교환기(123)의 출력단에 연결되어, 열교환기(123)에서 냉각된 산소가스의 수분을 제거할 수 있다.
역류압력 조정기(125)는 수분제거기(124)의 출력단에 연결되어, 수분제거기(124)에서 수분이 제거된 산소가스를 외부로 방출할 수 있다.
압력계(126)는 산소배출계(120)의 압력을 측정할 수 있다. 일례로, 압력계(126)는 양극 기액분리기(121)와 수분제거기(124) 사이의 관로 상의 압력을 측정할 수 있다.
수위계(127)는 양극 기액분리기(121) 내에 구비되어 양극 기액분리기(121) 내의 수위를 검출할 수 있다. 이때, 수위계(127)는 분리형 BOP 적용 수전해장치(100)의 정상 작동시 양극 기액분리기(121)내의 전해액의 수위 변화량을 측정할 수 있다.
예를 들어, 수위계(127)는 초음파 등에 의해 수면의 높이를 지속적으로 검출하는 센서일 수 있다. 이때, 수위계는 하나 또는 복수의 센서로 구비될 수 있다.
수소배출계(130)는 음극 기액분리기(131), 순환펌프(132), 열교환기(133), 수분제거기(134), 역류압력 조정기(135), 압력계(136), 수위계(137) 및 수소저장탱크(138)를 포함할 수 있다.
음극 기액분리기(131)는 음극실(112)에 연결되어, 음극실(112)에서 발생한 수소와 순수의 혼합물을 포함하는 전해액이 유입될 수 있다. 여기서, 음극 기액분리기(131)는 수소와 순수의 혼합물을 수소가스와 순수로 분리할 수 있다.
순환펌프(132)는 음극 기액분리기(131)와 음극실(112) 사이에 연결되어, 음극 기액분리기(131)에 잔존하는 전해액을 음극실(112)로 보낼 수 있다. 이때, 순환펌프(122, 132)는 한 쌍으로 구비되어 양극 기액분리기(121)의 전해액은 순환펌프(122)를 통해 상기 양극실(111)로 이동시키고, 음극 기액분리기(131)의 전해액은 순환펌프(132)를 통해 상기 음극실로 이동시켜, 양극 기액분리기(121) 및 상기 음극 기액분리기(131)에서 수전해조(110)로 이동하는 전해액을 독립적으로 순환시킬 수 있다. 즉, 전해액 순환 시, 산소측과 수소측이 분리되어 전해액이 혼합되지 않도록 관계를 형성할 수 있다. 여기서, 관계는 산소배출계(120)와 수소배출계(130)를 의미한다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리형 BOP 적용 수전해장치(100)는 기액분리기로부터 수전해조(110)로의 전해액 순환 통로를 독립적으로 구성할 수 있어 전해액에 잔존하는 수소와 산소의 혼합을 방지할 수 있으므로 전기분해 과정에서의 발화를 방지할 수 있다.
열교환기(133)는 음극 기액분리기(131)의 출력단에 연결되어, 음극 기액분리기(131)에서 분리된 산소가스를 냉각시킬 수 있다.
수분제거기(134)는 열교환기(133)의 출력단에 연결되어, 열교환기(133)에서 냉각된 수소가스의 수분을 제거할 수 있다.
역류압력 조정기(135)는 수분제거기(134)의 출력단에 연결되어, 수분제거기(134)에서 수분이 제거된 수소가스를 수소저장탱크(138)로 방출시킬 수 있다.
압력계(136)는 수소배출계(130)의 압력을 측정할 수 있다. 일례로, 압력계(136)는 음극 기액분리기(131)와 수분제거기(134) 사이의 관로 상의 압력을 측정할 수 있다.
수위계(137)는 음극 기액분리기(131)내에 구비되어 음극 기액분리기(131) 내의 수위를 검출할 수 있다. 이때, 수위계(137)는 분리형 BOP 적용 수전해장치(100)의 정상 작동시 음극 기액분리기(131) 내의 전해액의 수위 변화량을 측정할 수 있다.
압력제어부(140)는 한 쌍의 압력계(126, 136)사이의 압력차를 검출하고 일정 차압을 유지하도록 제어할 수 있다. 이러한, 압력제어부(140)는 차압검출계(141), 압력제어장치(142) 및 압력조정밸브(143, 144)를 포함할 수 있다.
차압검출계(141)는 산소배출계(120)와 수소배출계(130)에 구비된 한 쌍의 압력계(126, 136)에서 측정된 압력 값의 압력차를 검출할 수 있다.
압력제어장치(142)는 차압검출계(141)를 통해 검출된 압력차이를 조정할 수 있다. 이때, 압력제어장치(142)는 압력조정밸브(143, 144)의 개폐를 제어하여 산소배출계(120)와 수소배출계(130) 사이의 차압을 일정하게 유지할 수 있다. 이를 통해, 압력제어부(140)는 수분제거기(124) 이후의 산소배출계(120)와 수소배출계(130) 관계 압력을 조정하여 일정 차압을 유지하도록 할 수 있다. 즉, 양극 기액분리기(121)로의 전해액 공급 시 수위의 변화가 발생해도 가스압력의 변화는 작게 억제될 수 있다. 또한, 압력제어부(140)는 수전해를 시작한 후 정상 운전에 이르는 과도 시에도 산소배출계(120)와 수소배출계(130)의 압력을 일정하게 유지하여 양극실(111)과 음극실(112) 사이의 차압을 일정하게 유지할 수 있다.
이에 의해, 압력제어부(140)는 수전해조(110) 내의 음이온 교환막(113)의 파열을 억제할 수 있으므로 사용의 안전성을 향상시킬 수 있다
순수공급부(150)는 수전해의 진행에 따라 음극 기액분리기(131)에서 소비된 순수를 보충할 수 있다. 이러한 순수공급부(150)는 순수저장탱크(151) 및 순수공급펌프(152)를 포함할 수 있다.
순수저장탱크(151)는 음극 기액분리기(131)로 공급할 순수를 저장하는 탱크일 수 있다.
순수공급펌프(152)는 음극 기액분리기(131)와 순수저장탱크(151) 사이에 배치되어 순수저장탱크(151)의 순수를 음극 기액분리기(131)로 공급할 수 있다.
수위제어장치(160)는 한 쌍의 수위계(127, 137)에 연결되어, 양극 기액분리기(121) 및 음극 기액분리기(131)의 수위를 제어할 수 있다.
배출구(170)는 수전해조(110)에 연결되어 수전해조(110) 내의 전해액을 외부로 배출할 수 있다.
경사형 액관(180)은 양극 기액분리기(121)와 음극 기액분리기(131) 사이에 'V'형상으로 구비될 수 있다. 이때, 경사형 액관(180)은 전해액의 이동 통로가 될 수 있다. 일례로, 전기분해 과정에서, 분리형 BOP 적용 수전해장치(100)의 양극측은 순수가 생성되어 양극 기액분리기(121) 내의 전해액의 농도가 희석되고, 음극측은 순수가 소비되어 음극 기액분리기(131) 내의 전해액의 농도가 증가할 수 있다. 이와 같이, 양극 기액분리기(121)와 음극 기액분리기(131)사이의 전해액 농도 차이가 발생할 때, 경사형 액관(180)은 전해액의 이동통로로 기능할 수 있다. 이때, 경사형 액관(180)을 통하여 전해액이 이동함으로써, 양극 기액분리기(121)와 음극 기액분리기(131)사이의 농도가 균일해질 수 있다. 또한, 경사형 액관(180)의 일정 경사각을 가진 형상은 전해질 유동의 자연순환력을 높여주고, 이에 따라 차압을 유지할 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리형 BOP 적용 수전해장치(100)는 기액분리기 사이의 농도차이 발생 시 전해액이 경사형 액관(180)을 통해 이동하여 농도를 균일하게 할 수 있으므로 양극실(111)과 음극실(112) 사이의 과도한 압력의 차이를 방지하여 음이온 교환막(113)의 파열을 억제할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100 : 분리형 BOP 적용 수전해장치
110 : 수전해조
111 : 양극실 112 : 음극실
113 : 음이온 교환막 120 : 산소배출계
121 : 양극 기액분리기 122 : 순환펌프
123 : 열교환기 124 : 수분제거기
125 : 역류압력 조정기 126 : 압력계
127 : 수위계 130 : 수소배출계
131 : 음극 기액분리기 132 : 순환펌프
133 : 열교환기 134 : 수분제거기
135 : 역류압력 조정기 136 : 압력계
137 : 수위계 138 : 수소저장탱크
140 : 압력제어부 141 : 차압검출계
142 : 압력제어장치 143, 144 : 압력조정밸브
150 : 순수공급부 151 : 순수저장탱크
152 : 순수공급펌프 160 : 수위제어장치
170 : 배출구 180 : 경사형 액관
111 : 양극실 112 : 음극실
113 : 음이온 교환막 120 : 산소배출계
121 : 양극 기액분리기 122 : 순환펌프
123 : 열교환기 124 : 수분제거기
125 : 역류압력 조정기 126 : 압력계
127 : 수위계 130 : 수소배출계
131 : 음극 기액분리기 132 : 순환펌프
133 : 열교환기 134 : 수분제거기
135 : 역류압력 조정기 136 : 압력계
137 : 수위계 138 : 수소저장탱크
140 : 압력제어부 141 : 차압검출계
142 : 압력제어장치 143, 144 : 압력조정밸브
150 : 순수공급부 151 : 순수저장탱크
152 : 순수공급펌프 160 : 수위제어장치
170 : 배출구 180 : 경사형 액관
Claims (5)
- 전기분해에 의해 산소와 수소가 각각 생성되는 양극실과 음극실 및 상기 양극실과 상기 음극실 사이에서 음이온이 교환되는 음이온 교환막을 포함하는 수전해조;
상기 양극실 및 상기 음극실에서 생성된 상기 산소 또는 상기 수소와 전해액을 각각 분리시키는 양극 기액분리기 및 음극 기액분리기;
상기 양극 기액분리기 및 상기 음극 기액분리기에서 배출되는 산소 및 수소의 압력을 측정하는 한 쌍의 압력계;
상기 한 쌍의 압력계 사이의 압력차를 검출하고 일정 차압을 유지하도록 제어하는 압력제어부;및
상기 양극 기액분리기와 상기 음극 기액분리기 사이에 경사진 형태로 설치되는 경사형 액관;을 포함하는 분리형 BOP 적용 수전해장치. - 제1 항에 있어서,
상기 압력제어부는,
상기 한 쌍의 압력계 사이의 압력차를 검출하는 차압검출계를 포함하고,
상기 차압검출계의 측정 값에 따라 압력조정밸브를 개폐하여 일정 차압을 유지하도록 제어하는 압력제어장치를 포함하는 분리형 BOP 적용 수전해장치. - 제1 항에 있어서,
상기 경사형 액관은,
상기 양극 기액분리기와 상기 음극 기액분리기 사이에 'V'형상으로 경사지게 구비되어, 상기 양극 기액분리기와 상기 음극 기액분리기 사이의 밀도차에 의해 상기 전해액이 이동하는 분리형 BOP 적용 수전해장치. - 제1 항에 있어서,
상기 양극 기액분리기로부터 상기 수전해조로 순환되는 전해액의 통로와 상기 음극 기액분리기로부터 상기 수전해조로 순환되는 전해액의 통로가 분리되고 각각의 통로에 순환펌프가 구비되는 분리형 BOP 적용 수전해장치. - 제1 항에 있어서,
상기 양극 기액분리기 및 상기 음극 기액분리기에서 생성된 상기 산소 및 상기 수소를 냉각시키는 열교환기;
상기 열교환기에서 냉각된 상기 산소 및 상기 수소의 수분을 제거하는 수분제거기;를 더 포함하는 분리형 BOP 적용 수전해장치.
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| KR20130098723A (ko) * | 2012-02-28 | 2013-09-05 | 세방전지(주) | 전해액 브랜딩 장치 |
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| KR20210033952A (ko) * | 2018-07-27 | 2021-03-29 | 가부시끼가이샤 도꾸야마 | 가스 제조 장치 및 가스 제조 방법 |
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