KR20240039225A - 가변 전류 밀도에서 물을 전기 분해하기 위한 방법 - Google Patents
가변 전류 밀도에서 물을 전기 분해하기 위한 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20240039225A KR20240039225A KR1020247008872A KR20247008872A KR20240039225A KR 20240039225 A KR20240039225 A KR 20240039225A KR 1020247008872 A KR1020247008872 A KR 1020247008872A KR 20247008872 A KR20247008872 A KR 20247008872A KR 20240039225 A KR20240039225 A KR 20240039225A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- anode
- cathode
- compartment
- current density
- separator
- Prior art date
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 38
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 title claims description 24
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 54
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 46
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 46
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 32
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 32
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 31
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 23
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 14
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 claims description 11
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 9
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical group [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- 150000008044 alkali metal hydroxides Chemical class 0.000 claims description 4
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 3
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 3
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 37
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 23
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 22
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 13
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 8
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 8
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 5
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 4
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 3
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 3
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 210000003850 cellular structure Anatomy 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 2
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 description 2
- 206010014418 Electrolyte imbalance Diseases 0.000 description 1
- -1 Hydroxide ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000012217 deletion Methods 0.000 description 1
- 230000037430 deletion Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B15/00—Operating or servicing cells
- C25B15/02—Process control or regulation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B15/00—Operating or servicing cells
- C25B15/02—Process control or regulation
- C25B15/023—Measuring, analysing or testing during electrolytic production
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B15/00—Operating or servicing cells
- C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
- C25B15/083—Separating products
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B15/00—Operating or servicing cells
- C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
- C25B15/087—Recycling of electrolyte to electrochemical cell
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/05—Pressure cells
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
- C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
- C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
- C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
- Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
Abstract
본 발명은 전해조에서 물, 특히 알칼리성 물을 전기 분해하는 방법 및 상기 방법을 수행하도록 구성되는 전해조에 관한 것으로, 상기 전해조는 애노드가 제공되는 애노드 구획, 캐소드가 제공되는 캐소드 구획 및 상기 애노드 구획과 상기 캐소드 구획 사이에 배치되는 분리기를 갖는 적어도 하나의 전해 셀을 포함한다. 상기 방법은, 임계 전류 밀도까지의 작동 전류 밀도에서, 상기 캐소드 구획에서 생성된 수소가 상기 분리기를 통해 상기 애노드 구획으로 이동하는 것이 제한되고, 상기 임계 전류 밀도 초과의 작동 전류 밀도에서, 상기 애노드 구획에서 생성된 산소가 상기 분리기를 통해 상기 캐소드 구획으로 이동하는 것이 제한되도록, 상기 임계 전류 밀도를 선택하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 가변 전류 밀도에서 물, 특히 알칼리성 물을 전기 분해하기 위한 방법에 관한 것이다.
화석 연료 연소를 통한 에너지 생산과 관련된 이산화탄소 배출을 감소시키기 위해, 전 세계적으로 화석 연료를 재생 가능한 에너지원으로 대체하기 위한 노력이 진행되고 있다. 풍력 에너지 및 태양 에너지와 같은 많은 재생 에너지원은 일반적으로 본질상 간헐적/변동적이기 때문에, 특정 시점에서 사용 가능한 재생 에너지와 가정 및 산업에서 요구되는 에너지 사이에 불균형이 발생하는 경우가 많다. 수소 가스는 연료 셀의 전기 에너지 생산을 포함하여 매우 다양한 산업 분야에서 사용된다. 산업 규모에서, 수소는 주로 예를 들면 증기 개질과 같은 공정에서 천연 가스로부터 생산되는데, 이 과정에서 수소와 이산화탄소가 발생하기 때문에 에너지 생산의 '탄소 흔적'을 감소시키기 위해서는 적합성이 떨어진다. 그러나, 천연 가스 증기 개질의 대안으로서 재생 에너지원이 사용되는 경우, 또한 탄소 배출과 관련이 없는 물 전기 분해를 통해 수소가 생산될 수도 있다. 따라서, 재생 에너지로부터 물 전기 분해에 의해 얻은 수소 가스는 많은 산업 공정에서 수소 공급원 및 재생 전기 에너지의 저장 매체로서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 알칼리성 물 전기 분해는 값비싼 귀금속 기반 촉매가 필요하지 않기 때문에 산업 규모에서 수소를 생산하기 위한 특히 유망한 물 전기 분해 방식이다. 알칼리성 물 전기 분해는 일반적으로 애노드를 포함하는 애노드 구획과 캐소드를 포함하는 캐소드 구획이 다이어프램 또는 멤브레인과 같은 적절한 분리기로 분리되는 40 내지 90℃ 온도 범위의 전기화학 셀들에서 수행된다. 예를 들면 수용성 KOH 용액과 같은, pH 7보다 높은 알칼리성 수용액이 전해질로서 셀에 공급되며, 각각 캐소드 구획과 애노드 구획의 전극들 사이, 즉 캐소드와 애노드 사이에서 일반적으로 1.6 내지 2.4 V 범위의 전위차(셀 전압)로 전류 흐름이 형성된다. 이와 같은 조건하에, 물은 그의 구성 성분들로 분리되어 캐소드에서는 가스 수소가 발생하고 애노드에서는 가스 산소가 발생한다. 알칼리성 매체에서, 캐소드 수소 진화 반응은 다음과 같이 요약될 수 있다.
4 H2O + 4 e- → 4 OH- + 2 H2
(1).
캐소드 구획에서 생성된 수산화 이온은 분리기를 통해 애노드 구획으로 이동하며, 애노드 산소 진화 반응은 다음과 같이 요약될 수 있다.
4 OH- → O2 + 2 H2O + 4 e-
(2).
산업 공정에 있어서, 복수의 셀들은 일반적으로 직렬 스택 구성, 즉 복수의 전해 셀들이 직렬로 연결된 구성으로 배치된다. 각각의 구획에서 생성된 전해질/가스 혼합물은 각각의 셀로부터 제거되고, 가스 생성물은 액체 전해질로부터 분리되며, 액체 전해질은 스택의 셀 구획들로 재순환되어, 셀/스택이 연속적으로 작동할 수 있게 한다. 위의 식 (1)과 (2)에서 알 수 있듯이, 애노드 구획에서보다 캐소드 구획에서 2배의 몰 당량(molar equivalent)의 물이 생성된다. 따라서, 양쪽 구획들에서의 전해질이 균형을 유지하도록 하기 위해, 애노드(애노드 구획의 전해질)과 캐소드(캐소드 구획의 전해질)는 일반적으로 가스-액체 분리 후 전해조로 다시 펌핑되기 전에 함께 혼합된다.
직렬로 연결된 복수의 개별 전기화학/전해 셀들을 포함하는 알칼리성 물 전기 분해를 위한 산업 규모의 스택은 높은 전류 밀도에서 공칭 부하로 작동할 수 있도록 셀 전압 및 수소 순도 관점에서 최적화된다. 특히, 재생 에너지에 의존하는 경우, 전기 에너지의 가용성 및/또는 비용은 작동 중에 변동하므로, 높은 전류 밀도에서 설계된 공칭 부하보다 훨씬 낮은 전류 밀도에서도 전기 분해가 수행될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
알칼리성 물 전기 분해에 사용되는 분리기는 여전히 수소 및 산소 가스 각각에 대해 잔류 투과성을 가지므로, 작동 중에, 농도 구배에 따라 수소가 캐소드 구획으로부터 애노드 구획으로, 산소가 애노드 구획으로부터 캐소드 구획으로 확산되는 현상이 발생한다. 현재의 안전 요건들을 충족시키기 위해, 전해조는 캐소드 구획에서의 산소 대 수소(OTH) 농도 및 애노드 구획에서의 수소 대 산소(HTO) 농도가 4 vol.% 이상 또는 바람직하게는 2 vol.% 이상으로 되지 않는 방식으로 작동되어야 한다(양쪽 경우 모두의 혼합물의 폭발 하한은 약 4 vol.%이다). 공칭 고 전류 밀도 작동 중에는, 애노드와 캐소드에서 각각 생성되는 많은 양의 가스로 인해 분리기를 통해 이동하는 반대편 구획으로부터의 잔류 가스가 상당히 희석되므로, 이와 같은 안전 요구 사항들의 충족은 일반적으로 문제가 되지 않다. 그러나, 각각의 전극들에서 생성되는 "원하는 가스"가 적은 낮은 전류 밀도에서는, 반대편 구획으로부터 이동하는 가스가 위에서 언급한 안전 임계값을 초과하는 HTO 또는 OTH 비율을 초래할 수 있다.
유럽 특허 출원 EP 3604642 A1과 호주 특허 출원 AU 2019374584 A1(국제 출원 WO 2020/095664 A1을 기반으로 함)은 분리 탱크 내부의 전해질 액체 표면보다 높은 위치에 배치된 가스/전해질 혼합물을 위한 유입 포트가 제공되는 가스-액체 분리 탱크를 갖는 알칼리성 물 전기 분해를 통한 수소 생산을 위한 물 전기 분해 시스템 및 물 전기 분해 방법에 대해 설명한다. 산소와 수소를 각각 분리하는 분리 탱크를 사용하고 분리 탱크의 액체 레벨을 적절하게 관리하면, 생성된 수소의 순도를 높일 수 있다. 또한 전용 정제기가 사용될 수도 있다.
미국 특허 출원 US 2013/337368 A1은 내부 바이패스 채널을 생성하기 위해 서로 이격된 애노드 분리기 요소와 캐소드 분리기 요소로 구성되는 물 전해 셀용 분리기에 대해 설명한다. 용해 가스가 없는 전해질을 바이패스 채널로 공급함으로써, 애노드 구획 및 캐소드 구획으로의 역세척 흐름이 형성되어, 분리기를 통한 각각의 가스 종들의 이동을 감소시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 작동 중에 변화할 수 있는 광범위한 전류 밀도에 걸쳐 셀 전압 및 가스 순도 관점에서 성능을 최적화하는 알칼리성 전해질을 사용하는 물의 전기 분해 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다양한 양태들이 첨부된 청구범위에 설명되어 있다.
본 발명은 애노드가 제공되는 애노드 구획, 캐소드가 제공되는 캐소드 구획 및 상기 애노드 구획과 상기 캐소드 구획 사이에 배치되는 분리기를 갖는 적어도 하나의 전해 셀(electrolytic cell)을 포함하는 전해조(electrolyzer)에서 물을 전기 분해하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법은:
상기 애노드 구획에 알칼리성 애노드액(anolyte)을 공급하고 상기 캐소드 구획에 알칼리성 캐소드액(catholyte)을 공급하는 단계,
상기 캐소드에서 수소 가스를 생성하고 상기 애노드에서 산소 가스를 생성하기 위해 상기 전해 셀에 가변 작동 전류 밀도에서 가변 전류를 가하여 물 전기 분해를 수행하는 단계,
상기 캐소드 구획으로부터의 상기 캐소드객과 상기 수소 가스의 혼합물 및 상기 애노드 구획으로부터의 상기 애노드액과 상기 산소 가스의 혼합물을 배출하는 단계, 및
상기 수소 가스를 상기 캐소드액으로부터 분리하고 상기 산소 가스를 상기 애노드액으로부터 분리하는 단계를 포함하며,
임계 전류 밀도까지의 작동 전류 밀도에서, 상기 캐소드 구획에서 생성된 수소가 상기 분리기를 통해 상기 애노드 구획으로 이동하는 것이 제한되고,
상기 임계 전류 밀도 초과의 작동 전류 밀도에서, 상기 애노드 구획에서 생성된 산소가 상기 분리기를 통해 상기 캐소드 구획으로 이동하는 것이 제한되도록,
상기 임계 전류 밀도가 선택되고 상기 물 전기 분해가 수행된다.
예를 들어, 재생 에너지를 전기 에너지원으로서 사용함으로 인해 다양한 전류 밀도에서 물의 전기 분해 방법이 수행되는 경우, 상기 전류 밀도는 최소 작동 전류 밀도와 최대 작동 전류 밀도 사이에서 달라질 수 있다. 따라서, 본 발명은 작동 전류 밀도의 범위 내에서, 즉 전해조의 상기 최소 작동 전류 밀도 이상 및 상기 최대 작동 전류 밀도 이하의 범위 내에서 임계 전류 밀도를 한정하여, 상기 작동 전류 밀도 범위를 2개의 범위들로, 즉 최소 작동 전류 밀도로부터 임계 전류 밀도까지 연장되는 낮은 전류 밀도 범위와 임계 전류 밀도 이상으로부터 최대 전류 밀도까지 연장되는 높은 전류 밀도 범위로 세분화할 것을 제안한다. 본 발명은 또한 분리기를 통한 가스 이동이 상기 낮은 전류 밀도 범위와 상기 높은 전류 밀도 범위에서 각각 상이한 방식으로 능동적으로 영향을 받고 특히 한정되어야 함을 제안한다. 상기 낮은 전류 밀도 범위에서는 안전 고려 사항들이 특히 중요하며, 본 발명은, 상기 애노드 구획의 HTO 비율이 임계 수준에 도달하지 않도록, 순수한 농도 구배에 의한 이동과 비교하여, 상기 캐소드 구획에서 생성된 수소가 상기 분리기를 통해 상기 애노드 구획으로 이동하는 것을 능동적으로 제한시킬 것을 제안한다. 상기 높은 전류 밀도 범위에서는 안전 고려 사항들이 덜 중요하며, 생산된 수소의 순도 관점에서 상기 작동이 최적화 될 수 있다. 따라서, 본 발명은, 순수한 농도 구배에 의한 이동에 비해, 상기 애노드 구획에서 생성된 산소가 상기 분리기를 통해 상기 캐소드 구획으로 이동하는 것이 가능한 한 능동적으로 제한되어야 함을 제안한다.
작동 중 상기 분리기를 통한 가스 이동을 능동적으로 제한하는 것은 다양한 수단들로 달성할 수 있다. 예를 들어, 상기 분리기의 산소 및 수소 투과성은 상기 분리기의 기계적 및 전기화학적 특성에 의해 영향을 받는다. 예를 들어, 상기 분리기상에 기계적으로 작용함으로써 상기 분리기의 기공 크기 분포를 변경할 수 있다. 그러나, 이와 같은 해결책은 셀 설계의 복잡성을 증가시킴으로써 비용이 많이 드는 경향이 있다. 따라서, 분리기를 변경시키지 않는 것이 바람직한다. 오히려, 본 발명자들은 농도 구배에 의해 구동되는 분리기를 통한 가스의 이동 외에도, 일 구획에서의 전해질의 유압을 다른 구획에서의 유압 이상으로 증가시킴으로써 상기 가스 이동이 추가적으로 능동적 영향을 받을 수 있음을 관찰하였다. 따라서, 본 발명의 방법의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 임계 전류 밀도까지의 작동 전류 밀도에서, 상기 애노드 구획에서 상기 분리기상에 가해지는 유압은 상기 캐소드 구획에서 상기 분리기상에 가해지는 유압보다 높으며, 따라서 상기 캐소드 구획으로부터 상기 애노드 구획으로의 수소 이동의 제한을 유발시킨다.
마찬가지로, 상기 임계 전류 밀도 초과의 작동 전류 밀도에서, 상기 캐소드 구획에서 상기 분리기상에 가해지는 유압은 상기 애노드 구획에서 상기 분리기상에 가해지는 유압보다 높으며, 따라서 상기 애노드 구획으로부터 상기 캐소드 구획으로의 산소 이동의 제한을 유발시킨다.
본 발명의 맥락에서, 차압은 상기 캐소드 구획의 유압에서 상기 애노드 구획의 유압을 뺀 값으로 측정된다. 따라서, 차압이 양의 값이면 상기 캐소드 구획의 압력이 상기 애노드 구획의 압력보다 높다는 것을 의미하고 차압이 음의 값이면 상기 애노드 구획의 압력이 상기 캐소드 구획의 압력보다 높다는 것을 의미한다.
상기 캐소드 구획과 상기 애노드 구획 사이의 압력차는 다양한 수단에 의해 생성될 수 있다. 예를 들어, 전해질의 재순환은 일반적으로 애노드액 펌프와 캐소드액 펌프를 사용하여 수행된다. 원하는 유압을 달성하기 위해 상기 전류 밀도에 따라 조정되는 캐소드 구획 및 애노드 구획의 출구에서 조정 가능한 밸브들이 사용될 수 있다. 대안적으로, 수소 및 산소 분리 용기들의 액체 레벨을 조정하여, 각각의 배출 라인들을 통해 상기 애노드 구획 및 캐소드 구획 내부의 유압에 영향을 줄 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 기계적 압력이 상기 캐소드상에 가해져 상기 캐소드를 상기 분리기에 가압하고, 결과적으로 상기 분리기가 상기 애노드에 가압된다. 본 실시예는 캐소드 탄성 요소로 하여금 전극들이 상기 분리기에 단단히 밀착되도록 하여 셀 전압을 최소화하고 결과적으로 에너지 소비를 감소시키는 고전적인 제로-갭 셀 구성(zero-gap cell configuration)에 적합하다. 제로-갭 셀 구성은 또한, 상기 애노드를 상기 분리기에 밀착시키고 순차로 상기 분리기를 상기 캐소드에 밀착시키도록, 상기 애노드 구획에서 탄성 요소를 사용하여 달성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 맥락에서는, 캐소드 탄성 요소를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 캐소드 탄성 요소는 상기 탄성 요소들을 상기 캐소드 또는 집전체/양극성 플레이트에 용접시킬 필요 없이 캐소드과 캐소드 집전체 또는 양극성 플레이트 사이에 전류를 효율적으로 전달할 수 있게 한다. 특히 음의 차압이 가해질 때, 상기 캐소드 구획에 탄성 요소가 존재하는 경우 상기 애노드 전극으로부터 상기 분리기가 분리되는 것을 방지하는데 도움을 줄 수 있으며, 그렇지 않은 경우 셀 전압이 증가하여 셀의 성능이 저하된다.
본 발명의 방법의 일 실시예에 있어서, 상기 애노드 구획에서의 수소 대 산소(HTO)의 비율은 4 vol.% 미만으로 유지된다. 바람직하게는, 상기 수소의 이동은 상기 애노드 구획 내의 HTO 비율을 2 vol.% 미만, 보다 바람직하게는 1.5 vol.% 미만으로 유지하는 수준으로 제한된다.
본 발명의 방법의 일 실시예에 있어서, 상기 캐소드 구획에서의 산소 대 수소(OTH)의 비율은 4 vol.% 미만으로 유지된다. 바람직하게는, 상기 산소의 이동은 상기 캐소드 구획 내의 OTH 비율을 2 vol.% 훨씬 미만, 보다 바람직하게는 1.5 vol.% 훨씬 미만으로 유지하는 수준으로 제한된다.
상기 캐소드액으로부터 상기 수소 가스를 분리하고 상기 애노드액으로부터 상기 산소 가스를 분리한 후, 상기 캐소드액은 상기 캐소드 구획으로 재활용되고 상기 애노드액은 상기 애노드 구획으로 재활용된다. 일반적으로, 알칼리성 물 전기 분해에서, 동일한 전해질이 애노드액 및 캐소드액으로서 사용되며, 상기 전해질의 알칼리 농도는 상기 애노드 구획 및 상기 캐소드 구획에서 각각 동일하게 유지되는 것이 바람직하다. 그러나, 위에서 설명한 바와 같이, 애노드 구획과 캐소드 구획에서 각각 생산되거나 소비되는 물의 양이 상이하기 때문에, 장시간 작동할 경우 양쪽 구획들의 알칼리 농도는 불균형을 초래할 수 있다.
상기 동일한 전해질을 애노드액과 캐소드액으로 사용하는 경우, 수소/산소 가스 분리 후 상기 애노드액과 캐소드액을 혼합하고 그 혼합물을 각각 캐소드 구획과 애노드 구획으로 재활용시킴으로써 그와 같은 불균형이 회피될 수 있다. 전해조가 보다 높은 전류 밀도에서 작동할 때 애노드액과 캐소드액 사이의 불균형 위험이 증가됨에 따라, 애노드액과 캐소드액의 혼합물의 재활용은 낮은 전류 밀도에서보다 높은 전류 밀도에서 더욱 효과적이다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 캐소드액으로부터 상기 수소 가스를 분리하고, 상기 애노드액으로부터 상기 산소 가스를 분리한 후, 상기 임계 전류 밀도까지의 작동 전류 밀도에서, 상기 캐소드액과 애노드액은 개별적으로 재활용되며, 즉, 상기 캐소드액은 상기 캐소드 구획으로 재활용되고 상기 애노드액은 상기 애노드 구획으로 재활용되며, 상기 임계 전류 밀도 초과의 작동 전류 밀도에서, 상기 캐소드액과 애노드액은 적어도 간헐적으로 혼합되고 상기 혼합물은 각각 상기 캐소드 구획 및 상기 애노드 구획으로 재활용된다. 따라서, 상기 작동 전류 밀도들에서는, 임계 전류 밀도, 애노드액 및 캐소드액이 지속적으로 혼합될 수 있고, 상기 혼합물은 상기 캐소드 구획을 위한 재활용 공급물 및 상기 애노드 구획을 위한 재활용 공급물로 분할된다. 본 실시예에 따르면, 상기 임계 전류 밀도 초과의 작동 전류 밀도에서, 재활용된 애노드액과 캐소드액의 혼합은 애노드액과 캐소드액 사이의 불균형이 감지되는 경우에만 간헐적으로 이루어질 수 있다. 이와 같은 작동 모드는 애노드액과 캐소드액 루프들을 분리된 상태로 유지시킴으로써 낮은 전류 밀도 작동 중에 최적화된 가스 순도를 보장한다. 상기 낮은 전류 밀도 작동은 일반적으로 높은 전류 밀도 작동 모드에서는 예외이며 또한 고밀도 작동 모드에 비해 적은 물 생산 및 소비와 그에 따른 적은 불균형과 연관되므로, 결과적으로 알칼리 농도의 불균형 축적은 허용 가능한 것으로 간주된다. 높은 전류 밀도 작동 중에는, 애노드 구획과 캐소드 구획 모두에서 균형 잡힌 최적의 알칼리 농도가 유지된다. 높은 전류 밀도에서 높은 가스 생산 속도로 인해 각각의 원치 않는 가스가 상당히 희석되기 때문에, 애노드액과 캐소드액의 혼합으로 인한 가스 오염은 허용 가능한 것으로 간주된다.
본 발명의 방법에서의 작동 전류 밀도는 최대 25 kA/m2의 범위가 바람직하다: 원칙적으로, 최소 작동 전류 밀도는 0 kA/m2를 약간 상회하는 정도로 매우 낮을 수 있고, 최대 작동 전류 밀도는 약 25 kA/m2이다. 바람직한 작동 전류 밀도는 1 내지 20 kA/m2 범위이다.
작동 전류 밀도의 범위 내에서, 낮은 전류 밀도 작동 모드와 높은 전류 밀도 작동 모드를 구분하는 임계 전류 밀도값은 2 내지 10 kA/m2의 범위 내에서, 바람직하게는 3 내지 6 kA/m2의 범위 내에서 선택된다. 예를 들어, 상기 임계 전류 밀도는 4 kA/m2일 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 방법에 따른 알칼리성 물 전기 분해는 최대 100 bar, 일반적으로는 최대 50 bar 범위의 절대 수압에서 수행된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 애노드 구획 및 캐소드 구획 사이의 수압차는 -100 내지 100 mbar 범위에서, 바람직하게는 -50 내지 50 mbar 범위에서, 예를 들어 +20 mbar 또는 -20 mbar의 값에서 유지된다. 절대값으로서의, 즉 양의 부호 또는 음의 부호를 무시한 최소 유압차는 1 mbar, 바람직하게는 10 mbar이다.
일 실시예에 있어서, 상기 분리기는 다이어프램이다.
바람직하게는, 상기 알칼리성 애노드액 및 상기 알칼리성 캐소드액은 알칼리 금속 수산화물의 수용액을 포함한다. 특히 바람직하게는, 상기 알칼리 금속 수산화물은 수산화 나트륨 또는 수산화 칼륨으로부터 선택된다.
본 발명은 또한 본 발명의 방법을 수행하기 위한 전해조에 관한 것이다. 상기 전해조는 상기 임계 전류 밀도까지의 작동 전류 밀도에서 상기 캐소드 구획에서 생성된 수소가 상기 분리기를 통해 상기 애노드 구획으로 이동하는 것을 능동적으로 제한하고, 예를 들어, 셀들의 캐소드 구획과 애노드 구획 사이에 적절한 압력차를 설정함으로써, 상기 임계 전류 밀도 초과의 작동 전류 밀도에서 상기 애노드 구획에서 생성된 산소가 상기 분리기를 통해 상기 캐소드 구획으로 이동하는 것을 제한하도록 배치된다.
이제, 본 발명은 특정 바람직한 실시예들 및 대응하는 도면들과 관련하여 보다 상세히 설명된다.
도면들에서:
도 1은 본 발명의 방법을 수행하기에 적합한 전해조의 전해셀 구성 요소의 개략적인 분해도이다.
도 2는 본 발명의 방법을 수행하기에 적합한 전해조의 개략도이다.
도면들에서:
도 1은 본 발명의 방법을 수행하기에 적합한 전해조의 전해셀 구성 요소의 개략적인 분해도이다.
도 2는 본 발명의 방법을 수행하기에 적합한 전해조의 개략도이다.
도 1은 본 발명의 방법을 수행하기 위해 사용될 수 있는 알칼리성 물 전해조의 전해 셀 스택의 일부를 형성하는 전해 셀의 주요 구성 요소들의 개략적인 분해도이다. 상기 전해조는 전기적으로 직렬로 연결된 복수의 개별 전해 셀들(10)을 구비하는 셀 스택을 포함한다. 도 1에는 오직 하나의 전해 셀(10)의 구성 요소들만 도시되어 있다. 스택에서, 구성 요소들의 시퀀스는 검은 점들로 표시된 바와 같이 반복된다. 각각의 전해 셀(10)은 양극성 플레이트들(11)로 구분되며 다이어프램(14)에 의해 분리되는 애노드 구획(12)과 캐소드 구획(13)을 포함한다. 상기 애노드 구획(12)은 애노드 전류 수집기(16) 및 애노드 (애노드 전극)(17)을 수용하는 원주형 애노드 프레임(15)을 포함한다. 상기 애노드 전류 수집기(16)는 양극성 플레이트(11)의 애노드 측면과 애노드(17) 사이에 기계적 및 전기적 연결을 설정한다. 상기 애노드 전류 수집기(16)는 탄성 요소일 수 있지만, 바람직하게는 상기 양극성 플레이트(11)의 애노드 측면 및 상기 애노드(17)의 후면에 용접될 수 있는 강성 요소이다. 상기 캐소드 구획(13)은 캐소드 전류 수집기(19) 및 캐소드 (캐소드 전극)(20)을 수용하는 원주형 캐소드 프레임(18)을 포함한다. 상기 캐소드 전류 수집기(19)는 상기 캐소드(20)를 상기 다이어프램(14)에 대해 가압하는 탄성 요소인 것이 바람직한다.
상기 셀 구성 요소들은 상기 캐소드 구획 및 애노드 구획에 알칼리성 전해질을 공급하기 위한 채널들(도 1에는 1개의 채널(21)만 표시됨)과, 수소/캐소드액 및 산소/애노드액 혼합물을 각각 배출하기 위한 유체 채널들(22, 23)을 추가로 포함한다. 전해질 공급을 위해 2개의 채널들을 사용하는 경우, 하나의 채널(21)은 스택의 애노드 구획(12)에 공급되고 하나의 채널(도 1에는 도시되지 않음)은 스택의 캐소드 구획(13)에 공급된다. 상기 스택을 나간 후, 상기 전해질은 각각의 유체 채널들(22, 23)에 대해 개별적으로 재순환될 수 있거나, 상기 셀(10)의 스택으로 재진입하기 전에 다시 혼합될 수 있다. 아래에서 보다 자세히 설명하겠지만, 이는 실제 작동 조건에 따라 별도의 재순환 모드들을 설정할 수 있게 한다.
상기 스택의 구성 요소들은 조립된 스택을 형성하기 위해 다양한 구성 요소들을 함께 고정시키기 위한 타이 로드(tie rod)용 개구부들을 추가로 포함할 수 있다(도 1에는 도시되지 않음). 특정 응용에 따라, 스택은 적은 수의 전해 셀들, 예를 들어 5 내지 20개의 전해 셀들에서 최대 많은 수의 셀들, 예를 들어 100개 이상의 셀들을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 알칼리성 물 전해조의 작동 방식을 시각화하기 위해, 도 2는 본 발명의 방법을 수행하기에 적합한 전해조(24)의 개략도를 도시한다. 상기 전해조(24)는 스택(25)을 포함하며, 상기 스택은 복수의 전해 셀들(10), 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같은 전해 셀들을 포함할 수 있다. 전기 에너지 소스는 도면 부호 26으로 표시된다. 상기 전기 에너지 소스는 물 전기 분해를 수행하기 위해 필요한 최소 전압에서 직류(DC)를 제공하는 모든 종류의 전기 에너지일 수 있다. 상기 전해조(24)에 공급되는 전기 에너지의 DC 소스는 기본 AC 또는 DC 에너지 소스로부터 파생될 수 있다. 일반적으로, 원하는 DC 소스를 얻기 위해 변압기 및/또는 정류기가 제공된다. 바람직하게는, 전기 에너지의 소스는 가변 전류를 제공하는 소스, 예를 들어 재생 가능한 전기 에너지의 소스이다. 본 발명의 의미에서 가변 전류는 교류(AC)가 아니라, 시간에 따라 달라질 수 있지만 동일한 분극을 유지하여 본질적으로 전극 레벨의 전류 밀도가 작동 중에 변할 수 있는 강도를 갖는 직류(DC)를 의미한다. 상기 전류는 전기 라인들(27, 28)을 통해 상기 스택(25)으로 공급된다. 작동 중에, 전류 밀도(j)는 적절한 센서(29)를 통해 지속적 또는 주기적으로 모니터링되며, 제어 유닛(30)은 측정된 전류 밀도를 미리 한정된 임계 전류 밀도(jT)와 비교한다. 낮은 전류 밀도 작동 모드에서, 즉 상기 임계 전류 밀도(jT)까지의 전류 밀도(j)에서, 분리기를 통해 상기 캐소드 구획에서 생성된 수소의 상기 애노드 구획으로의 이동은 상기 애노드 구획의 산소 압력을 상기 캐소드 구획의 대응하는 수소 압력보다 높게 설정하여 상기 스택의 캐소드 구획과 애노드 구획 사이에 음압차(Δp)를 설정함으로써 능동적으로 제한된다(Δp = pH2 - pO2 < 0). 이는 예를 들어 제어 유닛(30)을 통해 유체 채널들(22, 23)(도 1)을 포함하는 가스의 출구들, 즉 상기 유체 채널들(22, 23)이 각각 캐소드액 및 애노드액을 위한 재순환 라인들(22a, 23a)의 초기 섹션들로 배출되는 곳에 제공되는 적절한 밸브들(31, 32)을 제어함으로써 달성될 수 있다. 따라서, 상기 수소의 이동은 제한되어 최적의 산소 순도를 보장한다. 이와 같은 작동 모드는 높은 H2 순도가 요구되는 경우 생산 능력에 약간의 불이익을 초래할 수 있으며, 그 이유는 산소가 상기 캐소드 구획으로 이동하여 상기 캐소드 구획으로의 일부 산소의 이동으로 인해 초기에 수소 순도가 낮아지는 결과를 초래하는데, 이는 나중에 수소 정화 단계에서 수소와 산소의 촉매 결합에 의해 제거될 수 있으며, 그와 관련된 생산 능력에 있어서의 손실이 거의 없기 때문이다. 이와 같이 낮은 전류 밀도 방식에 있어서는, 캐소드액, 즉 상기 캐소드 구획들로 공급되는 전해질과 애노드액, 즉 상기 애노드 구획들로 공급되는 전해질에 대한 별도의 회로들을 유지함으로써 상기 전해질에 대한 이중 순환 모드를 설정할 수 있다. 낮은 전류 밀도에서는 불균형이 확립되는 데 훨씬 더 오랜 시간이 걸리고 또한 평형 상태의 정상 상태는 전류 밀도가 높을 때보다 "덜 불균형"하기 때문에, 상기 캐소드 구획과 상기 애노드 구획 사이에서 관련된 전해질 불균형은 이와 같은 낮은 전류 밀도 방식에서 허용될 수 있다. 그러나, 상기 이중 순환 방식은 애노드액과 캐소드액이 별도로 유지되기 때문에 최적의 가스 순도를 유지한다.
도 2의 도면에서, 상기 애노드액 및 캐소드액의 재순환은 각각 채널 전해질 채널들(18, 19)(도 1)이 이어지는 라인 섹션들(22a, 22b, 22c, 22d 및 23a, 23b, 23c, 23d)을 갖는 재순환 라인들에 의해 개략적으로 도시되어 있다. 재순환을 수행하기 위해, 펌프, 바람직하게는 캐소드액 및 애노드액 각각에 대한 별도의 펌프들(33, 34)이 제공될 수 있다.
도 2의 예에서, 라인 섹션들(22a, 23a)을 통해 상기 스택으로부터 각각 배출되는 수소/캐소드액 및 산소/애노드액 혼합물은 액체/가스 분리기들(35, 36)로 공급되고, 이들로부터 수소는 라인(37)을 통해 배출되고 산소는 라인(38)을 통해 배출된다. 수소-고갈된 케소드액은 상기 캐소드액 재순환 라인의 라인 섹션(22b)을 통해 배출되는 반면, 산소-고갈된 애노드액은 애노드액 재순환 라인의 라인 섹션(23b)을 통해 배출된다.
상기 임계 전류 밀도 초과의 전류 밀도(j > jT)에서는, 상기 캐소드 구획과 애노드 구획 사이에 양의 차압이 설정된다. 따라서, 상기 캐소드 구획에서의 높은 수소 압력이 상기 애노드 구획에서의 산소 압력보다 높아, 상기 애노드 구획으로부터 상기 캐소드 구획으로의 산소의 이동은 능동적으로 제한된다(Δp = pH2 - pO2 > 0). 이와 같은 작동 모드는 최적의 수소 순도를 유지하며, 수소가 다이어프램을 통해 상기 애노드 구획으로 이동하는 것과 관련된 수소 손실로 인해 생산 능력에 약간의 불이익이 발생할 수 있다. 상기 캐소드 구획 및 애노드 구획 내의 전해질 농도는, 예를 들어, (도 1의 "21"에 도시된) 캐소드액 및 (도 1에 도시되지 않은) 애노드액에 대한 전해질 채널들의 입구(41, 42), 즉 각각의 캐소드액 및 애노드액 재순환 라인들의 라인 섹션(22d, 23d)이 상기 스택(25)으로 복귀되는 곳에 제공되는 전도도 센서들(39, 40)을 통해 측정할 수 있다. 전도도 불균형의 특정 임계값 이하에서는, 최적의 가스 순도를 유지하기 위해 낮은 전류 밀도의 경우와 유사한 이중 순환 모드가 유지될 수 있다. 특정 임계값 초과에서는, 상기 스택으로 재순환되기 전에 캐소드액과 애노드액이 혼합되는 혼합 순환 모드가 설정될 수 있다. 본 발명의 특정 실시예들에 있어서, 상기 혼합 순환 모드는 또한 높은 전류 밀도 조건하에서 유일한 순환 모드일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 혼합 순환 모드는 적절한 밸브들(43, 44, 45, 46)에 의해 설정될 수 있으며, 이는 스택(25)으로부터의 애노드액 및 캐소드액이, 각각 애노드액과 캐소드액을 위한 라인들(22f, 23f) 및 재순환 라인들의 나머지 부분(22d, 23d)을 통해 상기 스택으로 재순환되기 전에, 라인들(22e, 23e)을 통해 혼합 챔버(47) 내로 공급되도록 보장한다.
상기 이중 순환 모드에서, 상기 혼합 챔버(47)는 상기 캐소드액 및 애노드액 재순환 라인들의 라인 섹션들(22c, 23c)을 통해 연결된다.
높은 전류 밀도 작동 모드에서는, 상기 애노드 구획의 산소 생산량이 충분히 높기 때문에, HTO 비율이 안전 임계값 미만으로 유지되도록 보장한다. 낮은 전류 밀도 작동 모드에서는, 캐소드로부터 애노드로의 순 수소 플럭스(net hydrogen flux)가 차압(Δp)에 의해 최소화된다는 사실, 즉 캐소드로부터 애노드로의 순 수소 확산 플럭스가 애노드로부터 캐소드로의 대류 플럭스(주로 산소이지만 수소도 포함)에 의해 완화된다는 사실로 인해, 상기 애노드 구획의 HTO 비율은 낮게 유지된다. OTH가 안전을 목적으로 HTO보다 덜 중요하기 때문에, 상기 캐소드 구획에서 관련된 OTH 비율의 중간 정도의 증가는 허용된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 캐소드 구획에 탄성 요소(도 1 참조)를 제공하여, 적당한 음의 차압(Δp)으로조차도, 제로 갭 셀 설계가 유지될 수 있도록 보장한다.
상술된 예시적인 실시예(들)에 대한 설명은 배타적이지 아니하며 단지 예시적인 것임을 이해해야 한다. 통상의 기술자라면 본 발명의 정신이나 그의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 설명된 주제의 실시예(들)에 임의의 추가, 삭제 및/또는 수정을 가할 수 있을 것이다.
Claims (15)
- 애노드가 제공되는 애노드 구획, 캐소드가 제공되는 캐소드 구획 및 상기 애노드 구획과 상기 캐소드 구획 사이에 배치되는 분리기를 갖는 적어도 하나의 전해 셀(electrolytic cell)을 포함하는 전해조(electrolyzer)에서 물을 전기 분해하기 위한 방법으로서,
상기 애노드 구획에 알칼리성 애노드액(anolyte)을 공급하고 상기 캐소드 구획에 알칼리성 캐소드액(catholyte)을 공급하는 단계,
상기 캐소드에서 수소 가스를 생성하고 상기 애노드에서 산소 가스를 생성하기 위해 상기 전해 셀에 가변 작동 전류 밀도에서 가변 전류를 가하여 물 전기 분해를 수행하는 단계,
상기 캐소드 구획으로부터의 상기 캐소드액과 상기 수소 가스의 혼합물 및 상기 애노드 구획으로부터의 상기 애노드액과 상기 산소 가스의 혼합물을 배출하는 단계, 및
상기 수소 가스를 상기 캐소드액으로부터 분리하고 상기 산소 가스를 상기 애노드액으로부터 분리하는 단계를 포함하며,
임계 전류 밀도까지의 작동 전류 밀도에서, 상기 캐소드 구획에서 생성된 수소가 상기 분리기를 통해 상기 애노드 구획으로 이동하는 것이 제한되고,
상기 임계 전류 밀도 초과의 작동 전류 밀도에서, 상기 애노드 구획에서 생성된 산소가 상기 분리기를 통해 상기 캐소드 구획으로 이동하는 것이 제한되도록,
상기 임계 전류 밀도가 선택되고 상기 물 전기 분해가 수행되는, 방법. - 제1 항에 있어서, 상기 임계 전류 밀도까지의 작동 전류 밀도에서, 상기 애노드 구획에서 상기 분리기에 가해지는 유압이 상기 캐소드 구획에서 상기 분리기에 가해지는 유압보다 높으며,
상기 임계 전류 밀도 초과의 작동 전류 밀도에서, 상기 캐소드 구획에서 상기 분리기에 가해지는 유압은 상기 애노드 구획에서 상기 분리기에 가해지는 유압보다 높은, 방법. - 제1 또는 제2 항에 있어서, 상기 캐소드를 상기 분리기상에 가압하기 위해 상기 캐소드에 기계적 압력이 가해지거나 또는 상기 애노드를 상기 분리기상에 가압하기 위해 상기 애노드에 기계적 압력이 가해지는, 방법.
- 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 구획에서 수소 대 산소의 비율은 4 vol.% 미만으로 유지되는, 방법.
- 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드 구획에서 산소 대 수소의 비율은 4 vol.% 미만으로 유지되는, 방법.
- 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드액으로부터 상기 수소 가스를 분리하고 상기 애노드액으로부터 상기 산소 가스를 분리한 후, 상기 캐소드액은 상기 캐소드 구획으로 재활용되고 상기 애노드액은 상기 애노드 구획으로 재활용되는, 방법.
- 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐소드액으로부터 상기 수소 가스를 분리하고 상기 애노드액으로부터 상기 산소 가스를 분리한 후,
상기 임계 전류 밀도까지의 작동 전류 밀도에서, 상기 캐소드액은 상기 캐소드 구획으로 재활용되고 상기 애노드액은 상기 애노드 구획으로 재활용되고,
상기 임계 전류 밀도 초과의 작동 전류 밀도에서, 상기 캐소드액 및 상기 애노드액은 적어도 간헐적으로 혼합되고 상기 혼합물은 상기 캐소드 구획 및 상기 애노드 구획으로 재활용되는, 방법. - 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 전류 밀도의 범위는 최대 25 kA/m2 범위인, 방법.
- 제8 항에 있어서, 상기 임계 전류 밀도는 2 내지 10 kA/m2의 범위 내에서 선택되는, 방법.
- 제2 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물 전기 분해는 최대 100 bar 범위의 절대 수압에서 수행되는, 방법.
- 제10 항에 있어서, 상기 애노드 구획과 상기 캐소드 구획 사이의 유압차는 -100 내지 100 mbar 범위에서 유지되는, 방법.
- 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리기는 다이어프램인, 방법.
- 제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알칼리성 애노드액과 상기 알칼리성 캐소드액은 알칼리 금속 수산화물의 수용액을 포함하는, 방법.
- 제13 항에 있어서, 상기 알칼리 금속 수산화물은 수산화 나트륨 또는 수산화 칼륨으로부터 선택되는, 방법.
- 애노드가 제공되는 애노드 구획, 캐소드가 제공되는 캐소드 구획 및 상기 애노드 구획과 상기 캐소드 구획 사이에 배치되는 분리기를 갖는 적어도 하나의 전해 셀을 포함하는, 물을 전기 분해하는 전해조로서,
상기 전해조는 제1 항 내지 제14 항 중 한 항에 따른 방법을 수행하도록 구성되는, 전해조.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP21191769.5 | 2021-08-17 | ||
| EP21191769.5A EP4137608A1 (en) | 2021-08-17 | 2021-08-17 | Method for the electrolysis of water at variable current densities |
| PCT/EP2022/072861 WO2023021034A1 (en) | 2021-08-17 | 2022-08-16 | Method for the electrolysis of water at variable current densities |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240039225A true KR20240039225A (ko) | 2024-03-26 |
Family
ID=77367383
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020247008872A KR20240039225A (ko) | 2021-08-17 | 2022-08-16 | 가변 전류 밀도에서 물을 전기 분해하기 위한 방법 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (2) | EP4137608A1 (ko) |
| KR (1) | KR20240039225A (ko) |
| CN (1) | CN117999377A (ko) |
| AU (1) | AU2022329382A1 (ko) |
| CA (1) | CA3228725A1 (ko) |
| IL (1) | IL310734A (ko) |
| TW (1) | TW202323592A (ko) |
| WO (1) | WO2023021034A1 (ko) |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103547709B (zh) * | 2011-02-28 | 2016-12-14 | 伟途股份有限公司 | 新型隔板、具有该新型隔板的电化学电池及该新型隔板在该电化学电池中的应用 |
| WO2017100840A1 (en) * | 2015-12-14 | 2017-06-22 | Aquahydrex Pty Ltd | Methods of improving the efficiency of gas-liquid electrochemical cells |
| JP6912557B2 (ja) * | 2017-03-31 | 2021-08-04 | 旭化成株式会社 | 水電解システム、水電解方法、水素の製造方法 |
| DE102018118654A1 (de) | 2018-08-01 | 2020-02-06 | Maschinenfabrik Rieter Ag | Verfahren zum Betreiben einer Textilmaschine und Textilmaschine |
| CA3117925C (en) * | 2018-11-05 | 2023-01-17 | Asahi Kasei Kabushiki Kaisha | Method of producing hydrogen |
| EP4071275A1 (en) * | 2021-04-09 | 2022-10-12 | L'Air Liquide Société Anonyme pour l'Etude et l'Exploitation des Procédés Georges Claude | Electrolysis arrangement for alkaline electrolysis and method therefor |
-
2021
- 2021-08-17 EP EP21191769.5A patent/EP4137608A1/en not_active Withdrawn
-
2022
- 2022-08-16 EP EP22764795.5A patent/EP4370730A1/en active Pending
- 2022-08-16 CA CA3228725A patent/CA3228725A1/en active Pending
- 2022-08-16 KR KR1020247008872A patent/KR20240039225A/ko unknown
- 2022-08-16 IL IL310734A patent/IL310734A/en unknown
- 2022-08-16 TW TW111130683A patent/TW202323592A/zh unknown
- 2022-08-16 CN CN202280063461.6A patent/CN117999377A/zh active Pending
- 2022-08-16 WO PCT/EP2022/072861 patent/WO2023021034A1/en active Application Filing
- 2022-08-16 AU AU2022329382A patent/AU2022329382A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023021034A1 (en) | 2023-02-23 |
| IL310734A (en) | 2024-04-01 |
| TW202323592A (zh) | 2023-06-16 |
| EP4137608A1 (en) | 2023-02-22 |
| CA3228725A1 (en) | 2023-02-23 |
| AU2022329382A1 (en) | 2024-02-29 |
| EP4370730A1 (en) | 2024-05-22 |
| CN117999377A (zh) | 2024-05-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7559978B2 (en) | Gas-liquid separator and method of operation | |
| US9534303B2 (en) | High pressure electrolysis cell for hydrogen production from water | |
| CA1153730A (en) | Three-compartment cell with self-pressurized buffer compartment | |
| JP5192001B2 (ja) | 水電解システムの運転方法 | |
| US20090045073A1 (en) | Electrolysis cell comprising sulfur dioxide-depolarized anode and method of using the same in hydrogen generation | |
| JP2014502313A (ja) | 電解法と電解槽 | |
| US4455203A (en) | Process for the electrolytic production of hydrogen peroxide | |
| CN107849713A (zh) | 用于电化学利用二氧化碳的还原法和电解系统 | |
| CN103459674A (zh) | 用于盐溶液去极化电渗析的槽 | |
| GB2358195A (en) | Electrolytic synthesis of tetramethylammonium hydroxide | |
| Walsh et al. | Electrochemical engineering and cell design | |
| US4305793A (en) | Method of concentrating alkali metal hydroxide in hybrid cells having cation selective membranes | |
| CN114402095B (zh) | 错流式水电解 | |
| JP5140123B2 (ja) | 水電解システム | |
| WO2001004383A1 (fr) | Procede d'electrolyse de chlorure alcalin | |
| US4725341A (en) | Process for performing HCl-membrane electrolysis | |
| KR20240039225A (ko) | 가변 전류 밀도에서 물을 전기 분해하기 위한 방법 | |
| US20220333260A1 (en) | Electrolysis arrangement for alkaline electrolysis and method therefor | |
| AU2021279136B2 (en) | Electrolytic cell, method for operating a cell of this type and electrolyser | |
| US4299673A (en) | Method of concentrating alkali metal hydroxide in hybrid cells having cation selective diffusion barriers | |
| JP2005248246A (ja) | 高圧容器収納型水電解水素発生装置 | |
| JP2012052208A (ja) | 水電解システムの運転方法 | |
| JPH01234585A (ja) | ガス拡散電極を用いる電解方法及び装置 | |
| JP2012219292A (ja) | 水電解システム及びその運転方法 | |
| US20230399245A1 (en) | Process and system including pressure retarded osmosis membrane for indirect seawater electrolysis |