WO2017200130A1 - 알칼리 수전해 장치 및 이의 운전 방법 - Google Patents

알칼리 수전해 장치 및 이의 운전 방법 Download PDF

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WO2017200130A1
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electrolytic stack
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안철수
강태곤
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주식회사 두산
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Definitions

  • the present invention relates to an alkali electrolytic device, and more particularly, to an alkali electrolytic device and a method of operating the same for suppressing deterioration of the electrolytic stack.
  • Hydrogen energy for water electrolysis devices has the advantages of high efficiency, fuel (water), and no emissions of pollutants such as nitrogen oxides (NOx) and sulfur oxides (SOx). Hydrogen can be produced by electrolyzing pure water or electrolyzing aqueous alkali solutions.
  • pollutants such as nitrogen oxides (NOx) and sulfur oxides (SOx).
  • Hydrogen can be produced by electrolyzing pure water or electrolyzing aqueous alkali solutions.
  • An alkali exchange electrolytic method uses an anion exchange membrane (AEM).
  • the unit cell includes an anion exchange membrane, an anode electrode formed on one side of the anion exchange membrane, and a cathode electrode formed on the other side of the anion exchange membrane.
  • a plurality of unit cells are stacked in series to form a hydrolytic stack, which is supplied with an aqueous alkali solution (KOH or NaOH) from an electrolyte tank.
  • hydroxide ions decomposed in an aqueous alkali solution are catalytically reacted at the anode to generate oxygen, water, and electrons, and the electrons move to the cathode electrode along the outer conductor.
  • an aqueous alkali solution NaOH or KOH
  • the cathode electrons and water catalyze to generate hydrogen and hydroxide ions.
  • the alkali electrolyzer is stopped at random, the voltage supply to the electrolytic stack is stopped, but the temperature of the electrolytic stack is lowered while the aqueous alkali solution circulates continuously inside the stack. In this no-load state, a residual voltage is present in the electrolytic stack, and the residual voltage accelerates deterioration of the catalyst and the anion exchange membrane of the anode and cathode electrodes. This leads to deterioration of the performance and lifespan of the alkaline electrolytic device.
  • An object of the present invention is to provide an alkali electrolytic device and a method of operating the same, which can suppress deterioration of an electrode catalyst and an anion exchange membrane by preventing the electrolytic stack from being exposed to a no-load state when stopped. .
  • An alkali electrolytic device includes a hydrolytic stack, a voltage applying unit, a voltage removing unit, and a controller.
  • the electrolytic stack includes a plurality of membrane-electrode assemblies and generates hydrogen and oxygen by electrolyzing an aqueous alkali solution.
  • the voltage applying unit outputs a voltage required for electrolysis to the electrolytic stack.
  • the voltage removing unit is energized with the hydrous stack when the electrolytic stack is unloaded, and consumes and removes the residual voltage of the electrolytic stack.
  • the control unit controls the operation of the electrolytic stack, the voltage applying unit, and the voltage removing unit.
  • the voltage removing unit may include a voltage consuming device and a switch that is turned on by the controller when the electrolytic stack is in a no-load state to energize the voltage consuming device and the electrolytic stack.
  • the electrolytic stack may be supplied with an aqueous alkali solution from the electrolyte tank, and the voltage consuming device may be configured as an auxiliary heater installed in the electrolyte tank.
  • the electrolytic stack may be supplied with an aqueous alkali solution from the electrolyte tank through a pipe provided with a radiator, the voltage consuming device may be composed of a cooling fan installed in the radiator.
  • Each of the plurality of membrane-electrode assemblies may comprise an anion exchange membrane.
  • a method of operating an alkaline electrolytic device includes a first step in which a heater of an electrolyte tank is turned off at the same time as a stop sequence is started, and an output voltage of a voltage applying unit is lowered, and the electrolytic solution is controlled by a controller.
  • the third step of consuming the residual voltage of the solution stack, the fourth step of comparing the sensed voltage with the second reference voltage at the control unit, and the electrolyte circulation pump and the voltage consuming device are turned off when the sensed voltage is less than the second reference voltage.
  • the electrolytic stack may comprise a unit cell with an anion exchange membrane.
  • the first reference voltage may be higher than the theoretical electrolytic voltage of the unit cell, and the second reference voltage may be lower than the theoretical electrolytic voltage of the unit cell.
  • the electrolytic stack may be supplied with an aqueous alkali solution from the electrolyte tank through a pipe provided with a radiator.
  • the voltage consuming device may consist of an auxiliary heater installed in the electrolyte tank or a cooling fan installed in the radiator.
  • control unit may turn on the purge valve connected to the electrolytic stack to lower the internal pressure of the electrolytic stack, and turn on the cooling fan to cool the aqueous alkali solution.
  • the fourth step may further include turning off the purge valve when the sensing voltage is less than or equal to the second reference voltage, and comparing the sensing temperature with the set temperature by sensing the temperature of the electrolytic stack by the controller.
  • the fifth step may be performed when the sensing temperature is below the set temperature, and in the fifth step, the cooling fan may be turned off.
  • the alkaline electrolytic device consumes and removes the residual voltage of the electrolytic stack by using the voltage removing unit. Therefore, the electrolytic stack may not be exposed to a no-load state, thereby preventing deterioration of the catalyst and the anion exchange membrane of the anode and cathode electrodes, thereby improving the life and durability.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an electrolytic device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing one unit cell of the electrolytic stack shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a configuration diagram illustrating a first embodiment of the voltage consuming device shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a configuration diagram illustrating a second embodiment of the voltage consuming device shown in FIG. 1.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of operating the alkaline electrolytic device according to an embodiment of the present invention at a stop.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an electrolytic device according to an embodiment of the present invention.
  • the electrolytic device 100 includes a electrolytic stack 10, an electrolyte supply unit 20, a voltage applying unit 30, a voltage removing unit 40, and a controller 50.
  • the electrolytic stack 10 has a configuration in which a plurality of unit cells are connected and stacked in series.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing one unit cell of the electrolytic stack shown in FIG. 1.
  • the unit cell of the electrolytic stack 10 includes a membrane-electrode assembly 11 and a pair of separator plates 17 disposed on both sides of the membrane-electrode assembly 11.
  • the membrane-electrode assembly 11 includes an anion exchange membrane 12, an anode electrode 13 in close contact with one side of the anion exchange membrane 12, and a cathode electrode 14 in close contact with the other side of the anion exchange membrane 12.
  • Each of the anode and cathode electrodes 13 and 14 is composed of an electrode support 131 and 141 made of a conductive porous body and a catalyst layer 132 and 142 formed on one surface of the electrode support 131 and 141 facing the anion exchange membrane 12. do.
  • a gas diffusion layer 15 made of a conductive porous body may be positioned outside the anode and cathode electrodes 13 and 14, and a gasket 16 for sealing may be fixed to an edge of the membrane-electrode assembly 10.
  • the separator 17 is a metal plate that connects two adjacent membrane-electrode assemblies 11 in series and at the same time firmly supports the membrane-electrode assembly 11.
  • One separator plate 17 may be located between two neighboring membrane-electrode assemblies 11, which is called a bipolar plate.
  • a flow path (not shown) is formed in the separating plate 17 to supply the aqueous alkali solution to the membrane-electrode assembly 11.
  • the electrolyte supply unit 20 includes an electrolyte tank 21 storing an alkaline aqueous solution and a pump for supplying an alkaline aqueous solution of the electrolyte tank 21 to the electrolytic stack 10 (electrolyte circulation pump). (22).
  • the electrolyte tank 21 is provided with a heater 23 for increasing the temperature of the alkaline aqueous solution, and a water level sensor 24 for detecting the level of the alkaline aqueous solution is installed.
  • a radiator (radiator) 25 may be installed in the supply pipe of the aqueous alkali solution in which the pump 22 is installed.
  • the radiator 25 is an air-cooled heat exchanger, and includes a cooling fan 26 for air circulation, and cools the aqueous alkaline solution supplied to the electrolytic stack 10 when the cooling fan 26 is operated.
  • the electrolytic stack 10 consumes a portion of the supplied alkaline aqueous solution and discharges the remaining aqueous alkali solution back to the electrolyte tank 21. That is, the aqueous alkali solution circulates through the electrolytic stack 10 and the electrolyte tank 21.
  • the discharge tube of the aqueous alkali solution may be provided with a flow rate sensor 27 for detecting the discharge flow rate of the aqueous alkali solution.
  • the voltage applying unit 30 is electrically connected to a power supply (not shown) and the electrolytic stack 10, and applies a voltage necessary for the electrolysis of the alkaline aqueous solution to the electrolytic stack 10.
  • the power supply is electrically connected to the pump 22 and the heater 23 and the cooling fan 26 of the electrolyte supply unit 20 to supply power thereto.
  • the power supply may be provided separately for the electrolytic stack 10 and the electrolyte supply unit 20.
  • the electrolytic stack 10 is supplied with an aqueous alkali solution for maintaining a constant temperature by the heater 23 and at the same time receives a rated voltage from the voltage application unit 30.
  • the concentration of the aqueous alkali solution may be 0.2M to 1M.
  • the electrical reaction of the electrolytic stack 10 is as follows.
  • Hydroxide ions decomposed in an aqueous alkali solution (NaOH or KOH), which is an electrolyte, are catalytically reacted at the anode electrode 13 to generate oxygen, water, and electrons, and the electrons move to the cathode electrode 14 along an external conductor.
  • NaOH or KOH aqueous alkali solution
  • the cathode electrode 14 electrons and water are catalytically reacted to generate hydrogen and hydroxide ions.
  • an alkaline aqueous solution may be supplied to both the anode electrode 13 and the cathode electrode 14, or an alkaline aqueous solution may be supplied only to the anode electrode 13. In the latter case, dry hydrogen is produced at the cathode electrode 14.
  • Hydrogen generated in the electrolytic stack 10 is collected in a hydrogen storage tank 18, and a purge valve 19 for controlling the internal pressure of the electrolytic stack 10 is connected to the electrolytic stack 10. .
  • a temperature sensor (not shown) is installed in the electrolytic stack 10 to sense an operating temperature of the electrolytic stack 10.
  • the residual voltage (or current) of the electrolytic stack 10 is turned off.
  • the voltage removing unit 40 supplies a voltage consuming device 41 that energizes the electrolytic stack 10 when the electrolytic stack 10 is in a no-load state and consumes the residual voltage (or current) of the electrolytic stack 10. Include.
  • the voltage consuming device 41 controls the energization of the electrolytic stack 10 by the operation of the switch 42.
  • the voltage consuming device 41 may be a mechanical device provided in the alkali electrolytic device 100 or may be a discharge resistor.
  • the control unit 50 is electrically connected to the electrolytic stack 10, the electrolyte supply unit 20, the voltage applying unit 30, and the voltage removing unit 40 to sense their operating states and to perform their operation. To control. Specifically, the controller 50 senses the voltage, current, and temperature of the electrolytic stack 10, controls the operation of the voltage applying unit 30, and controls the on / off of the purge valve 19 to receive the electrolytic The internal voltage of the stack 10 is regulated.
  • the controller 50 controls the operation of the heater 23 and the cooling fan 26 of the electrolyte supply unit 20 to adjust the temperature of the electrolyte and the electrolytic stack 10, and operates the switch 42 to operate the voltage.
  • the energization of the power consumption device 41 and the electrolytic stack 10 is controlled.
  • the control unit 50 may be connected to the flow sensor 27 to detect the discharge flow rate of the alkaline aqueous solution, and when the abnormality is detected, the alkali electrolytic device 100 may be shut down.
  • control unit 50 senses the no-load state of the electrolytic stack 10 when the alkaline water electrolysis device 100 is stopped, and turns on the switch 42 when the voltage-free device 41 is turned on in the no-load state. The residual voltage of the electrolytic stack 10 is consumed and removed.
  • FIG. 3 is a configuration diagram illustrating a first embodiment of the voltage consuming device shown in FIG. 1.
  • the voltage consuming device 41a may be an auxiliary heater provided in the electrolyte tank 21.
  • the auxiliary heater may consume all of the residual voltage of the electrolytic stack 10 after being operated (heated) for about 30 seconds to 1 minute when energized with the electrolytic stack 10, and the amount of heat emitted by the auxiliary heater is not large. not.
  • FIG. 4 is a configuration diagram illustrating a second embodiment of the voltage consuming device shown in FIG. 1.
  • the voltage consuming device 41b may be a cooling fan 26 provided in the radiator 25 of the electrolyte supply unit 20.
  • the cooling fan 26 is basically operated by the power of the power supply, and is disconnected from the power supply stack 10 when the power supply is energized.
  • the cooling fan 26 is operated by the residual voltage of the electrolytic stack 10 to consume the residual voltage, and after being exhausted of the residual voltage, is connected to the power supply again.
  • the voltage consuming devices 41a and 41b may be composed of various mechanical devices or resistors built in the alkaline electrolytic device 100 in addition to the above-described auxiliary heater and cooling fan.
  • the alkaline electrolytic device 100 of the present embodiment may remove the residual voltage of the electrolytic stack 10 by using the voltage removing unit 40, the alkaline electrolytic device 100 may not be exposed to a no-load state. Thus, deterioration of the catalyst of the anode and cathode electrodes 13 and 14 and the anion exchange membrane 12 can be prevented, and as a result, life and durability can be improved.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of operating the alkaline electrolytic device according to an embodiment of the present invention at a stop.
  • a method of operating the alkaline electrolytic device at a stop may include a first step S10 in which the heater of the electrolyte tank is turned off and the output voltage of the voltage applying unit is lowered at the same time as the stop sequence starts. Include.
  • the alkali aqueous solution of the electrolyte tank 21 is gradually lowered in temperature
  • the temperature of the electrolytic stack 10 is also gradually lowered by the circulation of the alkaline aqueous solution.
  • the voltage applying unit 30 operates so that the output voltage applied to the electrolytic stack 10 gradually decreases.
  • the second step S20 is performed in which the controller 50 detects the voltage of the electrolytic stack 10 and compares the sensed voltage with the first reference voltage.
  • the first reference voltage is a voltage which does not apply a reverse voltage to the electrolytic stack 10 and is a voltage slightly higher than the theoretical electrolytic voltage (1.23V), and may be set to, for example, 1.3V to 1.5V per unit cell.
  • the voltage applying unit 30 is turned off, and the voltage consuming device 41 is energized with the electrolytic stack 10 so that the electrolytic stack ( A third step S30 of consuming the residual voltage of 10 is performed.
  • a third step S30 the controller 50 turns on the switch 42 when the sense voltage is less than or equal to the first reference voltage to energize the voltage consuming device 41 and the electrolytic stack 10.
  • the voltage consuming device 41 operates by the residual voltage of the electrolytic stack 10 to consume the residual voltage.
  • a third step S30 the controller 50 turns on the purge valve 19 to lower the internal pressure of the electrolytic stack 10, and turns on the cooling fan 26 of the radiator 25. ) To cool the aqueous alkali solution.
  • the voltage consuming device 41 is configured as an auxiliary heater, the alkaline aqueous solution is cooled by the cooling fan 26 in the third step S30 because the heat amount by the auxiliary heater is smaller than the heat amount by the cooling fan 26. do.
  • the fourth step S40 of comparing the detected voltage with the second reference voltage is performed by the controller 50.
  • the second reference voltage is lower than the theoretical electrolytic voltage (1.23V), for example, may be set to 1V.
  • the cooling fan 26 is operated by the remaining voltage of the electrolytic stack 10 in the third step S30, and then the fourth fan.
  • the sensing voltage is less than or equal to the second reference voltage in step S40, it is connected to the power supply again, and receives power from the power supply to operate.
  • the purge valve 19 is turned off, and the controller 50 detects the temperature of the electrolytic stack 10 to detect the sensing temperature and the set temperature.
  • the process may further include comparing.
  • the temperature of the electrolytic stack 10 is approximately 45 ° C to 55 ° C.
  • the set temperature is a temperature lower than the temperature at normal operation, and may be set to a temperature in the range of approximately 20 ° C to 30 ° C.
  • the aqueous alkali solution is cooled, and the temperature of the electrolytic stack 10 is lowered by circulation of the aqueous alkali solution.
  • the electrolyte circulation pump 22, the cooling fan 26, and the voltage consuming device 41 are turned off ( A fifth step (S50) that is off) proceeds, and the operation of the alkaline electrolytic device 100 is terminated.
  • the electrolytic stack 10 is not exposed to a no-load state, and prevents deterioration of the catalyst of the anode and cathode electrodes 13 and 14 and the anion exchange membrane 12 to prevent the alkali electrolytic device ( 100) can improve the service life and durability.

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Abstract

알칼리 수전해 장치 및 이의 운전 방법이 개시된다. 알칼리 수전해 장치는 수전해 스택, 전압 인가부, 전압 제거부, 및 제어부를 포함한다. 수전해 스택은 복수의 막-전극 접합체를 포함하며, 알칼리 수용액을 전기분해하여 수소와 산소를 발생시킨다. 전압 인가부는 수전해 스택으로 전기분해에 필요한 전압을 출력한다. 전압 제거부는 수전해 스택이 무부하 상태일 때 수전해 스택과 통전되어 수전해 스택의 잔류 전압을 소모하여 제거한다. 제어부는 수전해 스택, 전압 인가부, 및 전압 제거부의 작동을 제어한다.

Description

알칼리 수전해 장치 및 이의 운전 방법
본 발명은 알칼리 수전해 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수전해 스택의 열화를 억제하기 위한 알칼리 수전해 장치 및 이의 운전 방법에 관한 것이다.
수전해(water electrolysis) 장치에 위한 수소 에너지를 효율이 높고, 연료(물)가 풍부하며, 질소산화물(NOx)이나 황산화물(SOx) 같은 공해 물질의 배출이 없는 장점이 있다. 수소는 순수를 전기분해하거나 알칼리 수용액을 전기분해하는 방식으로 생산될 수 있다.
알칼리 수전해 방식 중 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)을 사용하는 방식이 있다. AEM 방식에서 단위 셀은 음이온 교환막과, 음이온 교환막의 일측에 형성된 애노드 전극과, 음이온 교환막의 타측에 형성된 캐소드 전극을 포함한다. 복수의 단위 셀이 직렬로 적층되어 수전해 스택을 구성하며, 수전해 스택은 전해액 탱크로부터 알칼리 수용액(KOH 또는 NaOH)을 공급받는다.
AEM 방식에서, 알칼리 수용액(NaOH 또는 KOH)에서 분해된 수산화이온은 애노드 전극에서 촉매 반응하여 산소, 물, 전자를 발생시키고, 전자는 외부 도선을 따라 캐소드 전극으로 이동한다. 캐소드 전극에서는 전자와 물이 촉매 반응하여 수소와 수산화이온을 발생시킨다.
알칼리 수전해 장치가 임의로 정지되면, 수전해 스택으로 전압 공급은 중지되지만 알칼리 수용액이 스택 내부를 지속적으로 순환하면서 수전해 스택의 온도가 낮아진다. 이러한 무부하 상태에서 수전해 스택에는 잔류 전압이 존재하게 되며, 잔류 전압이 애노드 및 캐소드 전극의 촉매와 음이온 교환막의 열화를 가속화시킨다. 그리고 이는 알칼리 수전해 장치의 성능과 수명 저하로 이어진다.
본 발명은 정지 시에 수전해 스택이 무부하 상태에 노출되지 않도록 함으로써 전극 촉매와 음이온 교환막의 열화를 억제하며, 수전해 스택의 내구성을 향상시킬 수 있는 알칼리 수전해 장치 및 이의 운전 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알칼리 수전해 장치는 수전해 스택, 전압 인가부, 전압 제거부, 및 제어부를 포함한다. 수전해 스택은 복수의 막-전극 접합체를 포함하며, 알칼리 수용액을 전기분해하여 수소와 산소를 발생시킨다. 전압 인가부는 수전해 스택으로 전기분해에 필요한 전압을 출력한다. 전압 제거부는 수전해 스택이 무부하 상태일 때 수전해 스택과 통전되어 수전해 스택의 잔류 전압을 소모하여 제거한다. 제어부는 수전해 스택, 전압 인가부, 및 전압 제거부의 작동을 제어한다.
전압 제거부는 전압 소모 장치와, 수전해 스택이 무부하 상태일 때 제어부에 의해 턴-온되어 전압 소모 장치와 수전해 스택을 통전시키는 스위치를 포함할 수 있다.
수전해 스택은 전해액 탱크로부터 알칼리 수용액을 공급받을 수 있으며, 전압 소모 장치는 전해액 탱크에 설치되는 보조 히터로 구성될 수 있다. 다른 한편으로, 수전해 스택은 방열기가 설치된 배관을 통해 전해액 탱크로부터 알칼리 수용액을 공급받을 수 있으며, 전압 소모 장치는 방열기에 설치된 냉각 팬으로 구성될 수 있다.
복수의 막-전극 접합체 각각은 음이온 교환막을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알칼리 수전해 장치의 운전 방법은, 정지 시퀀스 시작과 동시에 전해액 탱크의 히터가 오프(off)되고, 전압 인가부의 출력 전압이 낮아지는 제1 단계와, 제어부에서 수전해 스택의 전압을 감지하여 감지 전압과 제1 기준 전압을 비교하는 제2 단계와, 감지 전압이 제1 기준 전압 이하이면 전압 인가부가 오프(off)되고, 전압 소모 장치가 수전해 스택과 통전되어 수전해 스택의 잔류 전압을 소모하는 제3 단계와, 제어부에서 감지 전압과 제2 기준 전압을 비교하는 제4 단계와, 감지 전압이 제2 기준 전압 이하이면 전해액 순환 펌프와 전압 소모 장치가 오프(off)되는 제5 단계를 포함한다.
수전해 스택은 음이온 교환막을 구비한 단위 셀을 포함할 수 있다. 제1 기준 전압은 단위 셀의 이론적인 전해 전압보다 높을 수 있고, 제2 기준 전압은 단위 셀의 이론적인 전해 전압보다 낮을 수 있다.
제1 단계 내지 제4 단계에서, 수전해 스택은 방열기가 설치된 배관을 통해 전해액 탱크로부터 알칼리 수용액을 공급받을 수 있다. 제3 단계에서, 전압 소모 장치는 전해액 탱크에 설치된 보조 히터 또는 방열기에 설치된 냉각 팬으로 구성될 수 있다.
제3 단계에서, 제어부는 수전해 스택에 연결 설치된 퍼지 밸브를 온(on)시켜 수전해 스택의 내부 압력을 낮출 수 있고, 냉각 팬을 온(on)시켜 알칼리 수용액을 냉각시킬 수 있다.
제4 단계는, 감지 전압이 제2 기준 전압 이하일 때 퍼지 밸브를 오프(off)시키고, 제어부에서 수전해 스택의 온도를 감지하여 감지 온도와 설정 온도를 비교하는 과정을 더 포함할 수 있다. 제5 단계는 감지 온도가 설정 온도 이하일 때 수행될 수 있으며, 제5 단계에서 냉각 팬이 오프(off)될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 알칼리 수전해 장치는 전압 제거부를 이용하여 수전해 스택의 잔류 전압을 소모하여 제거한다. 따라서 수전해 스택이 무부하 상태에 노출되지 않도록 하여 애노드 및 캐소드 전극의 촉매와 음이온 교환막의 열화를 방지할 수 있으며, 그 결과 수명과 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 수전해 스택 중 하나의 단위 셀을 도시한 개략 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 전압 소모 장치의 제1 실시예를 나타낸 구성도이다.
도 4는 도 1에 도시한 전압 소모 장치의 제2 실시예를 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼리 수전해 장치의 정지 시 운전 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 도면에 나타난 각 구성의 크기 및 두께 등은 설명의 편의를 위해 임의로 나타낸 것이므로, 본 발명은 도시한 바로 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 장치의 구성도이다.
도 1을 참고하면, 수전해 장치(100)는 수전해 스택(10), 전해액 공급부(20), 전압 인가부(30), 전압 제거부(40), 및 제어부(50)를 포함한다. 수전해 스택(10)은 복수의 단위 셀이 직렬로 연결 및 적층된 구성으로 이루어진다.
도 2는 도 1에 도시한 수전해 스택 중 하나의 단위 셀을 도시한 개략 단면도이다. 도 2를 참고하면, 수전해 스택(10)의 단위 셀은 막-전극 접합체(11)와, 막-전극 접합체(11)의 양측에 배치된 한 쌍의 분리판(17)을 포함한다.
막-전극 접합체(11)는 음이온 교환막(12)과, 음이온 교환막(12)의 일측에 밀착된 애노드 전극(13)과, 음이온 교환막(12)의 타측에 밀착된 캐소드 전극(14)을 포함한다. 애노드 및 캐소드 전극(13, 14) 각각은 전도성 다공체로 이루어진 전극 지지체(131, 141)와, 음이온 교환막(12)을 향한 전극 지지체(131, 141)의 일면에 형성된 촉매층(132, 142)으로 구성된다.
애노드 및 캐소드 전극(13, 14)의 외측에는 전도성 다공체로 이루어진 가스 확산층(15)이 위치할 수 있고, 막-전극 접합체(10)의 가장자리에는 밀봉을 위한 가스켓(16)이 고정될 수 있다.
분리판(17)은 금속판으로서 이웃한 두 개의 막-전극 접합체(11)를 직렬로 연결함과 동시에 막-전극 접합체(11)를 견고하게 지지한다. 이웃한 두 개의 막-전극 접합체(11) 사이에 하나의 분리판(17)이 위치할 수 있으며, 이를 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라 한다. 분리판(17)에는 도시하지 않은 유로가 형성되어 막-전극 접합체(11)로 알칼리 수용액을 공급한다.
도 1과 도 2를 참고하면, 전해액 공급부(20)는 알칼리 수용액을 저장하는 전해액 탱크(21)와, 전해액 탱크(21)의 알칼리 수용액을 수전해 스택(10)으로 공급하는 펌프(전해액 순환 펌프)(22)를 포함한다. 전해액 탱크(21)에는 알칼리 수용액의 온도 상승을 위한 히터(23)가 구비되며, 알칼리 수용액의 수위 감지를 위한 수위 센서(24)가 설치된다.
펌프(22)가 설치된 알칼리 수용액의 공급관에 방열기(라디에이터)(25)가 설치될 수 있다. 방열기(25)는 공랭식 열교환기로서, 공기 순환을 위한 냉각 팬(26)을 구비하며, 냉각 팬(26) 작동 시 수전해 스택(10)으로 공급되는 알칼리 수용액을 냉각시킨다.
수전해 스택(10)은 공급받은 알칼리 수용액의 일부를 소모하고, 나머지 알칼리 수용액을 다시 전해액 탱크(21)로 배출한다. 즉, 알칼리 수용액은 수전해 스택(10)과 전해액 탱크(21)를 순환한다. 알칼리 수용액의 배출관에는 알칼리 수용액의 배출 유량을 감지하는 유량 센서(27)가 설치될 수 있다.
전압 인가부(30)는 전원 공급기(도시하지 않음) 및 수전해 스택(10)과 전기적으로 연결되며, 수전해 스택(10)으로 알칼리 수용액의 전기분해에 필요한 전압을 인가한다. 전원 공급기는 전해액 공급부(20)의 펌프(22)와 히터(23) 및 냉각 팬(26)과 전기적으로 연결되어 이들로 전력을 공급한다. 전원 공급기는 수전해 스택(10)용과 전해액 공급부(20)용으로 나누어 구비될 수 있다.
수전해 스택(10)은 히터(23)에 의해 일정 온도를 유지하는 알칼리 수용액을 공급받음과 동시에 전압 인가부(30)로부터 정격 전압을 인가받는다. 알칼리 수용액의 농도는 0.2M 내지 1M일 수 있다. 수전해 스택(10)의 전기 반응은 아래와 같다.
애노드 전극: 4OH- → O2 + 2H2O + 2e- (Eo = 0.4V)
캐소드 전극: 2H2O + 2e- → 2H2 + 4OH- (Eo = -0.83V)
전체: 2H2O → 2H2 + O2 (Eo = 1.23V)
전해액인 알칼리 수용액(NaOH 또는 KOH)에서 분해된 수산화이온이 애노드 전극(13)에서 촉매 반응하여 산소, 물, 전자를 발생시키고, 전자는 외부 도선을 따라 캐소드 전극(14)으로 이동한다. 캐소드 전극(14)에서는 전자와 물이 촉매 반응하여 수소와 수산화이온을 발생시킨다.
이때 애노드 전극(13)과 캐소드 전극(14) 모두에 알칼리 수용액이 공급되거나, 애노드 전극(13)에만 알칼리 수용액이 공급될 수 있다. 후자의 경우 캐소드 전극(14)에서 건조한 수소가 생성된다.
수전해 스택(10)에서 발생된 수소는 수소 저장탱크(18)로 모이며, 수전해 스택(10)의 내부 압력을 조절하기 위한 퍼지 밸브(19)가 수전해 스택(10)에 연결 설치된다. 또한, 수전해 스택(10)에는 온도 센서(도시하지 않음)가 설치되어 수전해 스택(10)의 작동 온도를 감지한다.
전술한 전기 반응에서 애노드 전극(13)과 캐소드 전극(14)의 전위 차인 1.23V는 이론적인 전해 전압이며, 수전해 스택(10)의 정상 가동 상태에서 각 단위 셀에 인가되는 전압은 대략 1.7V 내지 2.2V일 수 있다.
수전해 스택(10)이 정상 가동 상태일 때는 중요하지 않지만 알칼리 수전해 장치(100)가 정지하여 전압 인가부(30)가 오프(off)되면, 수전해 스택(10)의 잔류 전압(또는 전류)은 수전해 스택(10)의 장기적인 성능에 영향을 미친다. 즉, 수전해 스택(10)이 무부하 상태에 노출되면 잔류 전압이 애노드 및 캐소드 전극(13, 14)의 촉매와 음이온 교환막(12)의 열화를 가속시킨다.
전압 제거부(40)는 수전해 스택(10)이 무부하 상태일 때 수전해 스택(10)과 통전되어 수전해 스택(10)의 잔류 전압(또는 전류)을 소모하는 전압 소모 장치(41)를 포함한다. 전압 소모 장치(41)는 스위치(42) 작동에 의해 수전해 스택(10)과의 통전이 제어된다. 전압 소모 장치(41)는 알칼리 수전해 장치(100)에 구비된 기계 장치이거나, 방전 저항일 수 있다.
제어부(50)는 수전해 스택(10), 전해액 공급부(20), 전압 인가부(30), 및 전압 제거부(40)와 전기적으로 연결되어 이들의 작동 상태를 감지함과 더불어 이들의 작동을 제어한다. 구체적으로, 제어부(50)는 수전해 스택(10)의 전압, 전류, 온도를 감지하고, 전압 인가부(30)의 작동을 제어하며, 퍼지 밸브(19)의 온/오프를 제어하여 수전해 스택(10)의 내부 전압을 조절한다.
또한, 제어부(50)는 전해액 공급부(20)의 히터(23)와 냉각 팬(26)의 작동을 제어하여 전해액 및 수전해 스택(10)의 온도를 조절하고, 스위치(42)를 작동시켜 전압 소모 장치(41)와 수전해 스택(10)의 통전을 제어한다. 또한, 제어부(50)는 유량 센서(27)와 연결되어 알칼리 수용액의 배출 유량을 감지하며, 이상 감지 시 알칼리 수전해 장치(100)를 셧-다운시킬 수 있다.
특히 제어부(50)는 알칼리 수전해 장치(100)의 운전 정지 시 수전해 스택(10)의 무부하 상태를 감지하고, 무부하 상태일 때 스위치(42)를 턴-온시켜 전압 소모 장치(41)가 수전해 스택(10)의 잔류 전압을 소모하여 제거하도록 한다.
도 3은 도 1에 도시한 전압 소모 장치의 제1 실시예를 나타낸 구성도이다.
도 3을 참고하면, 전압 소모 장치(41a)는 전해액 탱크(21)에 구비된 보조 히터일 수 있다. 이 경우 보조 히터는 수전해 스택(10)과 통전 시 대략 30초 내지 1분 정도 작동(방열) 후 수전해 스택(10)의 잔류 전압을 모두 소모할 수 있으며, 보조 히터에 의한 방출 열량은 크지 않다.
도 4는 도 1에 도시한 전압 소모 장치의 제2 실시예를 나타낸 구성도이다.
도 4를 참고하면, 전압 소모 장치(41b)는 전해액 공급부(20)의 방열기(25)에 구비된 냉각 팬(26)일 수 있다. 냉각 팬(26)은 기본적으로 전원 공급기의 전력에 의해 작동하며, 수전해 스택(10)과 통전 시 전원 공급기와의 연결이 차단된다. 냉각 팬(26)은 수전해 스택(10)의 잔류 전압에 의해 작동하여 잔류 전압을 소모하고, 잔류 전압을 모두 소모한 후에는 다시 전원 공급기와 연결된다.
전압 소모 장치(41a, 41b)는 전술한 보조 히터와 냉각 팬 이외에 알칼리 수전해 장치(100)에 내장된 각종 기계 장치 또는 저항으로 구성될 수 있다.
본 실시예의 알칼리 수전해 장치(100)는 전압 제거부(40)를 이용하여 수전해 스택(10)의 잔류 전압을 소모하여 제거할 수 있으므로, 수전해 스택(10)이 무부하 상태에 노출되지 않도록 하여 애노드 및 캐소드 전극(13, 14)의 촉매와 음이온 교환막(12)의 열화를 방지할 수 있고, 그 결과 수명과 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼리 수전해 장치의 정지 시 운전 방법을 나타낸 순서도이다.
도 1과 도 5를 참고하면, 알칼리 수전해 장치의 정지 시 운전 방법은 정지 시퀀스 시작과 동시에 전해액 탱크의 히터가 오프(off)되고, 전압 인가부의 출력 전압이 낮아지는 제1 단계(S10)를 포함한다.
제1 단계(S10)에서, 전해액 탱크(21)의 알칼리 수용액은 점진적으로 온도가 내려가며, 알칼리 수용액의 순환에 의해 수전해 스택(10)의 온도 또한 점진적으로 내려간다. 전압 인가부(30)는 수전해 스택(10)으로 인가되는 출력 전압이 점진적으로 낮아지도록 작동한다.
제1 단계(S10) 이후, 제어부(50)에서 수전해 스택(10)의 전압을 감지하여 감지 전압과 제1 기준 전압을 비교하는 제2 단계(S20)가 진행된다. 제1 기준 전압은 수전해 스택(10)에 역전압이 걸리지 않는 전압으로서, 이론적인 전해 전압(1.23V)보다 약간 높은 전압이며, 예를 들어 단위 셀당 1.3V 내지 1.5V로 설정될 수 있다.
제2 단계(S20) 이후, 감지 전압이 제1 기준 전압 이하이면 전압 인가부(30)가 오프(off)되고, 전압 소모 장치(41)가 수전해 스택(10)과 통전되어 수전해 스택(10)의 잔류 전압을 소모하는 제3 단계(S30)가 진행된다.
제3 단계(S30)에서, 제어부(50)는 감지 전압이 제1 기준 전압 이하일 때 스위치(42)를 온(on)시켜 전압 소모 장치(41)와 수전해 스택(10)을 통전시킨다. 전압 소모 장치(41)는 수전해 스택(10)의 잔류 전압에 의해 작동하여 잔류 전압을 소모한다.
제3 단계(S30)에서, 제어부(50)는 퍼지 밸브(19)를 온(on)시켜 수전해 스택(10)의 내부 압력을 낮추고, 방열기(25)의 냉각 팬(26)을 온(on)시켜 알칼리 수용액을 냉각시킨다. 전압 소모 장치(41)가 보조 히터로 구성되는 경우, 보조 히터에 의한 열량은 냉각 팬(26)에 의한 냉각 열량보다 작기 때문에 제3 단계(S30)에서 알칼리 수용액은 냉각 팬(26)에 의해 냉각된다.
제3 단계(S30) 이후, 제어부(50)에서 감지 전압과 제2 기준 전압을 비교하는 제4 단계(S40)가 진행된다. 제2 기준 전압은 이론적인 전해 전압(1.23V)보다 낮은 전압으로서, 예를 들어 1V로 설정될 수 있다.
전압 소모 장치(41)가 방열기(25)의 냉각 팬(26)으로 구성되는 경우, 냉각 팬(26)은 제3 단계(S30)에서 수전해 스택(10)의 잔류 전압에 의해 작동하다가 제4 단계(S40)에서 감지 전압이 제2 기준 전압 이하일 때 다시 전원 공급부와 연결되며, 전원 공급부로부터 전력을 받아 작동한다.
제4 단계(S40)는 감지 전압이 제2 기준 전압 이하일 때 퍼지 밸브(19)가 오프(off)되고, 제어부(50)에서 수전해 스택(10)의 온도를 감지하여 감지 온도와 설정 온도를 비교하는 과정을 더 포함할 수 있다. 정상 가동 상태에서 수전해 스택(10)의 온도는 대략 45℃ 내지 55℃이다. 설정 온도는 정상 가동 시의 온도보다 낮은 온도이며, 대략 20℃ 내지 30℃ 범위 내의 온도로 설정될 수 있다.
제3 단계(S30)에서 알칼리 수용액이 냉각되고, 알칼리 수용액의 순환에 의해 수전해 스택(10)의 온도가 내려간다. 제4 단계(S40)에서 제어부(50)가 감지한 수전해 스택(10)의 온도가 설정 온도 이하일 때, 전해액 순환 펌프(22)와 냉각 팬(26) 및 전압 소모 장치(41)가 오프(off)되는 제5 단계(S50)가 진행되며, 알칼리 수전해 장치(100)의 운전이 종료된다.
전술한 정지 시 운전 방법에 따르면, 수전해 스택(10)은 무부하 상태에 노출되지 않으며, 애노드 및 캐소드 전극(13, 14)의 촉매와 음이온 교환막(12)의 열화를 방지하여 알칼리 수전해 장치(100)의 수명과 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (11)

  1. 복수의 막-전극 접합체를 포함하며, 알칼리 수용액을 전기분해하여 수소와 산소를 발생시키기 위한 수전해 스택;
    상기 수전해 스택으로 전기분해에 필요한 전압을 출력하는 전압 인가부;
    상기 수전해 스택이 무부하 상태일 때 상기 수전해 스택과 통전되어 상기 수전해 스택의 잔류 전압을 소모하여 제거하는 전압 제거부; 및
    상기 수전해 스택, 상기 전압 인가부, 및 상기 전압 제거부의 작동을 제어하는 제어부
    를 포함하는 알칼리 수전해 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압 제거부는 전압 소모 장치와, 상기 수전해 스택이 무부하 상태일 때 상기 제어부에 의해 턴-온되어 상기 전압 소모 장치와 상기 수전해 스택을 통전시키는 스위치를 포함하는 알칼리 수전해 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수전해 스택은 전해액 탱크로부터 알칼리 수용액을 공급받으며,
    상기 전압 소모 장치는 상기 전해액 탱크에 설치되는 보조 히터로 구성되는 알칼리 수전해 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 수전해 스택은 방열기가 설치된 배관을 통해 전해액 탱크로부터 알칼리 수용액을 공급받으며,
    상기 전압 소모 장치는 상기 방열기에 설치된 냉각 팬으로 구성되는 알칼리 수전해 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 막-전극 접합체 각각은 음이온 교환막을 포함하는 알칼리 수전해 장치.
  6. 정지 시퀀스 시작과 동시에 전해액 탱크의 히터가 오프(off)되고, 전압 인가부의 출력 전압이 낮아지는 제1 단계;
    제어부에서 수전해 스택의 전압을 감지하여 감지 전압과 제1 기준 전압을 비교하는 제2 단계;
    상기 감지 전압이 상기 제1 기준 전압 이하이면 상기 전압 인가부가 오프(off)되고, 전압 소모 장치가 상기 수전해 스택과 통전되어 상기 수전해 스택의 잔류 전압을 소모하는 제3 단계;
    상기 제어부에서 상기 감지 전압과 제2 기준 전압을 비교하는 제4 단계; 및
    상기 감지 전압이 상기 제2 기준 전압 이하이면 전해액 순환 펌프와 상기 전압 소모 장치가 오프(off)되는 제5 단계
    를 포함하는 알칼리 수전해 장치의 운전 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수전해 스택은 음이온 교환막을 구비한 단위 셀을 포함하며,
    상기 제1 기준 전압은 상기 단위 셀의 이론적인 전해 전압보다 높고,
    상기 제2 기준 전압은 상기 단위 셀의 이론적인 전해 전압보다 낮은 알칼리 수전해 장치의 운전 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 단계 내지 상기 제4 단계에서, 상기 수전해 스택은 방열기가 설치된 배관을 통해 상기 전해액 탱크로부터 알칼리 수용액을 공급받으며,
    상기 제3 단계에서, 상기 전압 소모 장치는 상기 전해액 탱크에 설치된 보조 히터 또는 상기 방열기에 설치된 냉각 팬으로 구성되는 알칼리 수전해 장치의 운전 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3 단계에서, 상기 제어부는 상기 수전해 스택에 연결 설치된 퍼지 밸브를 온(on)시켜 상기 수전해 스택의 내부 압력을 낮추며, 상기 냉각 팬을 온(on)시켜 알칼리 수용액을 냉각시키는 알칼리 수전해 장치의 운전 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제4 단계는, 상기 감지 전압이 상기 제2 기준 전압 이하일 때 상기 퍼지 밸브를 오프(off)시키고, 상기 제어부에서 상기 수전해 스택의 온도를 감지하여 감지 온도와 설정 온도를 비교하는 과정을 더 포함하는 알칼리 수전해 장치의 운전 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제5 단계는 상기 감지 온도가 상기 설정 온도 이하일 때 수행되며,
    상기 제5 단계에서 상기 냉각 팬이 오프(off)되는 알칼리 수전해 장치의 운전 방법.
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