WO2022164132A1 - 격막이 구비된 전해액 보정부를 포함하는 수전해 장치 - Google Patents

격막이 구비된 전해액 보정부를 포함하는 수전해 장치 Download PDF

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WO2022164132A1
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chamber
gas
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김정식
신현수
현준택
현순택
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(주) 테크윈
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Definitions

  • the present invention relates to a water electrolysis device including an electrolyte correction unit provided with a diaphragm.
  • Water electrolysis technology which is a representative hydrogen production technology, is a technology that directly produces hydrogen from water using electric energy, and can produce high-purity hydrogen in an environment-friendly manner.
  • the water electrolysis technology is divided into alkaline water electrolysis, polymer electrolyte water electrolysis, and solid oxide water electrolysis.
  • the alkaline water electrolysis technique is advantageous in that it is inexpensive and can produce hydrogen in a large capacity.
  • the alkaline water electrolyzer is an electrolyzer that produces hydrogen, a gas-liquid separator that separates electrolyte from gas-phase hydrogen or oxygen discharged from the electrolyzer, an electrolyte storage tank that stores the liquid phase discharged from the gas-liquid separator and puts it back into the electrolyzer, and the electrolyte It is composed of a balance of plant that supplies and controls and manages power.
  • the electrolytic cell consists of an electrolyte, a separator, and an anode (anode) and a cathode (cathode), which are electrodes, and the following reaction occurs in the anode and cathode:
  • the electrolyte containing the dissolved oxygen gas produced by the reaction is separated into oxygen gas and the electrolyte through the anode-side gas-liquid separator, and the dissolved hydrogen gas produced by the reaction in the cathode chamber of the electrolyzer is removed.
  • the included electrolyte is separated into hydrogen gas and electrolyte through a gas-liquid separator on the cathode side.
  • the oxygen gas and the dissolved hydrogen gas dissolved in the electrolyte are a concept including a state in which oxygen gas and hydrogen gas are dissolved in the electrolyte and a state in which the oxygen gas and hydrogen gas remain in the form of microbubbles.
  • 'Patent Document 1' on a water electrolysis device for generating hydrogen gas, an anode chamber for accommodating an anode and generating anode gas, and an anode chamber for accommodating a cathode and generating hydrogen gas
  • a water electrolysis device having a cathode chamber, a diaphragm for dividing the anode chamber and the cathode chamber, and an anode side circulation line for discharging an electrolyte from the anode chamber and returning it to the anode chamber, wherein the anode side circulation line is removed from the electrolyte
  • An anode side gas-liquid separator for separating the anode gas, an anode side discharge line for connecting the anode chamber and the anode side gas-liquid separator, and discharging the electrolyte and the anode gas from the anode chamber to supply the anode side gas-liquid separator; and an anode-
  • Patent Document 1 describes discharging the gas discharged from the gas phase region of the electrolyte storage tank to the outside of the system. Even if it is, it is difficult to obtain a gas with high purity.
  • the electrolyte recovered from the anode chamber and the electrolyte recovered from the cathode chamber are stored and circulated to different electrolyte storage tanks, the difference in the number of moles consumed in the anode reaction and the cathode reaction is stored in the anode-side electrolyte storage tank and the cathode-side electrolyte storage tank. There is a problem in that the concentration difference of the existing electrolyte occurs.
  • the composition of the gas in the gas phase region of the electrolyte storage tank is prevented from reaching the explosive limit, and at the same time, the concentration difference of the electrolyte does not occur even when the electrolyte discharged from the anode chamber and the electrolyte discharged from the cathode chamber are independently circulated.
  • a non-water electrolytic device is required.
  • the present invention prevents the gas composition in the gas phase region of the water electrolysis device from reaching the explosive limit, and at the same time, the electrolyte solution discharged from the anode chamber and the electrolyte solution discharged from the cathode chamber are independently circulated. To provide a water electrolysis device that does not occur.
  • the present invention provides an electrolytic cell comprising an anode chamber and a cathode chamber separated by a partition; an anode chamber electrolyte accommodating part and a cathode chamber electrolyte accommodating part, wherein the anode chamber electrolyte accommodating part and the cathode chamber electrolyte accommodating part are separated by a diaphragm; an anode circulation line communicating with the anode chamber of the electrolyzer and the anode chamber electrolyte accommodating part of the electrolyte correction unit; and a cathode circulation line communicating with the cathode chamber of the electrolyzer and the cathode chamber electrolyte accommodating part of the electrolyte correction unit.
  • the anode side gas-liquid separator provided in the anode circulation line; and a cathode-side gas-liquid separator provided in the cathode circulation line.
  • the anode-side gas-liquid separator is provided at the rear end of the anode chamber of the electrolyzer along the anode circulation line and at the front end of the anode chamber electrolyte receiving unit of the electrolyte correction unit, and the cathode-side gas-liquid separator is disposed along the cathode circulation line of the electrolytic cell. It may be provided at the rear end of the cathode chamber and at the front end of the cathode chamber electrolyte accommodating unit of the electrolyte correction unit.
  • the anode-side gas-liquid separator is provided at the rear end of the anode chamber electrolyte accommodating part of the electrolyte correction unit and the front end of the anode chamber of the electrolyzer along the anode circulation line, and the cathode-side gas-liquid separator carries the electrolyte along the cathode circulation line. It may be provided at the rear end of the cathode chamber of the positive electrode chamber and the front end of the cathode chamber of the electrolyzer.
  • the diaphragm may be permeable to electrolyte and ions, and impermeable to gas.
  • the diaphragm may be a porous membrane.
  • the diaphragm may be a cation exchange membrane or an anion exchange membrane.
  • the diaphragm may be provided in plurality, and the anode chamber electrolyte accommodating part and the anode chamber electrolyte accommodating part may be alternately disposed with each other.
  • a plurality of diaphragms alternately arranged in a direction in which the receivers are alternately arranged include a cation exchange membrane and an anion exchange membrane alternately may be provided.
  • an anode and a cathode may be provided at both ends of the electrolyte compensator, respectively, and a diaphragm may be positioned between the anode and the cathode.
  • the diaphragm is a cation exchange membrane or an anion exchange membrane
  • a cation exchange membrane is positioned on a side adjacent to the anode of the anode chamber electrolyte receiver
  • an anion exchange membrane is positioned on a side adjacent to the cathode
  • An anion exchange membrane may be positioned on the side
  • a cation exchange membrane may be positioned on a side adjacent to the cathode.
  • a water supply pipe and a water supply pump for supplying water may be further provided in at least one of the cathode chamber of the electrolyzer, the cathode chamber electrolyte receiving unit of the electrolyte correction unit, and the cathode circulation line.
  • the cathode-side gas-liquid separator may further include a water supply pipe and a water supply pump for supplying water.
  • the present invention prevents the gas composition in the gas phase region of the water electrolysis device from reaching the explosion limit by including an electrolyte correction unit including a diaphragm for removing the concentration difference between the electrolyte and the electrolyte discharged from the anode chamber and the cathode Even when the electrolyte discharged from the chamber is independently circulated, there is no difference in the concentration of the electrolyte, so an additional device is not required to solve this problem, and the problem of deterioration in fairness due to electrolyte re-injection and operation stabilization can be solved. there is an effect
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing an electrolyzer, an electrolyte correction unit, an anode circulation line and a cathode circulation line of the water electrolysis device of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of a water electrolysis device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram of a water electrolysis device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic view showing the shape of the diaphragm inside the electrolyte correction unit of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a form in which a plurality of cation exchange membranes are formed inside the electrolyte correction unit of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic view showing a form in which the anion exchange membrane is configured in plurality inside the electrolyte correction unit of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic view showing a form in which a cation exchange membrane and an anion exchange membrane are configured in plurality inside the electrolyte correction unit of the present invention.
  • FIG 8 is a schematic view showing a form in which an electrode is formed in the electrolyte correction unit of the present invention.
  • the present invention is an electrolytic cell 100 including an anode chamber 130 and a cathode chamber 150 separated by a partition wall 110, an anode chamber electrolyte accommodating part 410 and a cathode chamber electrolyte accommodating part ( 420), wherein the anode chamber electrolyte accommodating part 410 and the cathode chamber electrolyte accommodating part 420 includes an electrolyte correction part 400 separated by a diaphragm 500, the anode chamber 130 of the electrolyzer, and An anode circulation line 250 that communicates with the anode chamber electrolyte accommodating part 410 of the electrolyte correction unit communicates with the cathode chamber 150 of the electrolytic cell and the cathode chamber electrolyte accommodating unit 420 of the electrolyte correction unit 400 . It provides a water electrolysis device (1) including a cathode circulation line (350).
  • the water electrolyzer 1 is a device for producing oxygen gas and hydrogen gas by electrolysis using an electrolyte solution.
  • the electrolytic cell 100 includes an anode chamber 140 and includes an anode chamber 130 and a cathode 160 for generating oxygen gas, and a cathode chamber 150 for generating hydrogen gas.
  • the anode chamber 130 and the cathode chamber 150 are separated by a partition wall 110 .
  • the partition wall 110 divides the anode chamber 130 and the cathode chamber 150 and has a gas barrier property, and the shape or material thereof is not particularly limited.
  • the barrier rib 110 may have a plate shape having a predetermined thickness, and the barrier rib 110 preferably has high electrolyte permeability, high ion permeability, and high gas barrier properties.
  • the material of the partition wall may include a polymer resin fiber and an inorganic compound, for example, a porous polymer film may be used.
  • the anode chamber 130 and the cathode chamber 150 are provided with spaces surrounded by the partition wall 110 and the external frame 120, respectively, and the electrolyte introduced from the electrolyte correction unit 400 passes therethrough.
  • hydroxide ions (OH ⁇ ) are consumed and oxygen gas is generated, and in the cathode chamber, hydroxide ions (OH ⁇ ) are generated and hydrogen gas is generated.
  • the oxygen gas and hydrogen gas dissolved in the electrolyte is a concept including a state in which oxygen gas and hydrogen gas are dissolved in the electrolyte and a state in which the oxygen gas and hydrogen gas remain in the form of microbubbles.
  • the electrolyte correction unit 400 is provided at the front or rear end of the electrolytic cell 100. It is a technical feature.
  • the present invention may further include an anode gas-liquid separator 200 provided in the anode circulation line 250 and a cathode gas-liquid separator 300 provided in the upper cathode cathode circulation line 350 .
  • the anode-side gas-liquid separator 200 is provided between the anode chamber 130 of the electrolyzer and the anode chamber electrolyte accommodating part 410 of the electrolyte correction part along the anode circulation line 250, Specifically, it is provided at the rear end of the anode chamber 130 of the electrolytic cell along the anode circulation line 250 and at the front end of the anode chamber electrolyte accommodating part 410 of the electrolyte correction unit.
  • the cathode-side gas-liquid separator 300 may be provided between the cathode chamber 150 of the electrolytic cell and the cathode chamber electrolyte accommodating part 420 of the electrolyte correction unit along the cathode circulation line 350 , specifically, the cathode The side gas-liquid separator 300 may be provided at the rear end of the cathode chamber 150 of the electrolyzer along the cathode circulation line 350 and at the front end of the cathode chamber electrolyte accommodating unit 420 of the electrolyte correction unit.
  • the anode circulation line 250 includes an anode recovery pipe 210 that communicates between the anode chamber 130 and the anode gas-liquid separator 200 , the anode gas-liquid separator 200 and the anode chamber. It may be divided into an anode electrolyte recovery pipe 230 communicating with the electrolyte accommodating part 410 and an anode electrolyte supply pipe 440 communicating with the anode chamber electrolyte accommodating part 410 and the anode chamber 130 .
  • the anode-side gas-liquid separator 200 includes a liquid-phase region 201 located at the lower portion and a gas-liquid region 202 located above the liquid-phase region
  • the cathode-side gas-liquid separator 300 includes a liquid-phase region 301 located at the lower portion. and a location vapor region 302 on top of the liquid region.
  • the cathode circulation line 350 communicates with the cathode recovery tube 310 connecting the cathode chamber 150 and the cathode gas-liquid separator 300 and the cathode-side gas-liquid separator 300 and the cathode chamber electrolyte accommodating part 420 . It may be divided into a cathode electrolyte recovery pipe 330 and a cathode electrolyte supply pipe 450 communicating with the cathode chamber electrolyte accommodating part 420 and the cathode chamber 150 .
  • the anode-side gas-liquid separator 200 communicates with the anode chamber 130 through the anode recovery tube 210 , and gas-liquid the electrolyte and oxygen gas discharged from the anode chamber 130 .
  • the cathode-side gas-liquid separator 300 communicates with the cathode chamber 150 through the cathode recovery tube 310 , and separates the electrolyte and hydrogen gas discharged from the cathode chamber 150 .
  • the anode recovery pipe 210 and the cathode recovery pipe 310 may communicate with the upper portions of the anode-side gas-liquid separator 200 and the cathode-side gas-liquid separator 300 .
  • the electrolyte containing the dissolved gas discharged from the electrolyzer is discharged into the gas-liquid separator inside the gas-liquid separator.
  • the electrolyte correction unit 400 communicates with the anode side gas-liquid separator 200 through the anode electrolyte recovery pipe 230 and the cathode side gas-liquid separator 300 through the cathode electrolyte recovery pipe 330, and the electrolyte correction unit ( 400)
  • a diaphragm 500 is provided inside.
  • the electrolyte correction unit 400 includes an anode chamber electrolyte accommodating unit 410 communicating with the anode gas-liquid separator 200 and the anode electrolyte recovery pipe 230 and the cathode-side gas-liquid separator 300 and the cathode electrolyte. and a cathode chamber electrolyte accommodating part 420 communicating through a recovery pipe 330 , wherein the anode chamber electrolyte accommodating part 410 and the cathode chamber electrolyte accommodating part 420 are separated by a diaphragm 500 . .
  • the anode electrolyte recovery pipe 230 communicates with the liquid phase region 201 of the anode-side gas-liquid separator 200
  • the cathode electrolyte recovery pipe 330 includes a liquid-phase region 301 of the cathode-side gas-liquid separator 300 . communicate with
  • the electrolyte correction unit 400 receives the electrolyte present in the liquid phase regions 201 and 301 of the anode-side gas-liquid separator 200 and the cathode-side gas-liquid separator 300 , and uses this in the anode chamber electrolyte accommodating unit 410 , respectively. It is supplied to the anode chamber 130 and the cathode chamber 150 of the electrolytic cell 100 through the anode electrolyte supply pipe 440 and the cathode chamber electrolyte supply pipe 450 in communication with the electrolyte accommodating part 420 in communication with.
  • the positive electrolyte supply pipe 440 and the negative electrolyte supply pipe 450 may include a circulation pump 600 for supplying the electrolyte of the electrolyte correction unit 400 to the electrolytic cell 100 .
  • the circulation pump 600 may consist of only one circulation pump after combining the positive electrolyte supply pipe 440 and the negative electrolyte supply pipe 450 into one supply pipe.
  • the electrolyte introduced from the anode-side gas-liquid separator 200 and the electrolyte introduced from the cathode-side gas-liquid separator 300 with the diaphragm 500 provided in the electrolyte correction unit 400 may be separated in the electrolyte correction unit.
  • the diaphragm 500 may have different permeability of liquid and gas in order to pass ions and electrolyte, and to isolate hydrogen gas and oxygen gas generated in the electrolytic cell.
  • the diaphragm includes pores, and by adjusting the size of the pores, the permeability of the liquid and the gas may be different. Alternatively, by adjusting the size of the polymer resin fiber or inorganic particles, the permeability of liquid and gas may be different.
  • the size of the pores, polymer resin fibers or inorganic particles may be 0.01 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • a diaphragm having the above characteristics can be achieved by controlling the diameter, surface area, hydrophilicity, and pore formation structure of pores, and for example, a polymer porous membrane, inorganic porous membrane, woven fabric or nonwoven fabric can be used.
  • the diaphragm may be permeable to electrolyte and ions, and impermeable to gas.
  • the gas impermeability means that the gas permeability is 10 l/min ⁇ cm 3 or less when measured at a pressure of 5 bar, for example, the diaphragm has a gas permeability of 7 l when measured at a pressure of 5 bar /min ⁇ cm 3 or less or 5 l/min ⁇ cm 3 or less.
  • the material of the diaphragm 500 includes polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polysulfone, polyphenylene sulfide, polyether sulfone, polyphenyl sulfone, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polyethylene oxide, It may be at least one selected from the group consisting of polymethyl methacrylate, polyamide, polyether ether ketone, sulfonated polyether ether ketone, polyimide, and copolymers thereof.
  • the diaphragm 500 may be a porous membrane, and may have a three-dimensional porous network.
  • the size of the pores of the porous membrane is not particularly limited as long as the electrolyte and ions are permeable and the gas can be controlled to be impermeable, and may be, for example, 0.01 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the diaphragm 500 may be an ion exchange membrane, and the ion exchange membrane may be an anion exchange membrane or a cation exchange membrane.
  • the ion exchange membrane include a fluorine-containing ion exchange membrane.
  • the ion exchange membrane may be porous or non-porous.
  • the diaphragm 500 as described above in the electrolyte correction unit 400 it is possible to prevent mixing of the oxygen gas generated from the anode and the hydrogen gas generated from the cathode in the electrolyte correction unit, through which , it is possible to maintain the concentration of hydrogen gas in the oxygen gas and the concentration of oxygen gas in the hydrogen gas below the explosive range.
  • the water electrolysis device includes the anode chamber 130 of the electrolyzer 100, the anode recovery tube 210, the anode side gas-liquid separator 200, the anode electrolyte recovery tube 230, the anode chamber electrolyte receiving unit ( 410) and the anode electrolyte supply pipe 440 and the cathode chamber 150 of the electrolyzer 100, the cathode recovery pipe 310, the cathode gas-liquid separator 300, the cathode electrolyte recovery pipe 330, the cathode chamber
  • the electrolyte circulating through the electrolyte accommodating part 420 and the negative electrolyte supply pipe 450 independently circulates.
  • the oxygen and hydrogen gas of the electrolyte in the anode chamber and the cathode chamber in which oxygen gas and hydrogen gas are dissolved, respectively do not mix, so that the concentration of hydrogen gas can be maintained within the explosive range.
  • the present invention includes a diaphragm 500 in the electrolyte correction unit, and the diaphragm has ion permeability Therefore, the difference in concentration between the electrolyte discharged from the anode chamber 130 and the electrolyte discharged from the cathode chamber 150 can be corrected. Accordingly, it is possible to solve the problem of requiring an additional device due to the generation of the difference in the electrolyte level and the problem of deterioration of fairness due to electrolyte re-injection and operation stabilization.
  • the electrolyte flowing in from the anode-side gas-liquid separator 200 and the electrolyte flowing in from the cathode-side gas-liquid separator 300 may be alternately introduced with a plurality of diaphragms interposed therebetween.
  • the electrolyte correction unit 400 since the electrolyte correction unit 400 includes a plurality of diaphragms, the anode chamber electrolyte accommodation unit 410 and the cathode chamber electrolyte solution accommodation unit 420 may be formed in plural, in this case, the anode chamber electrolyte accommodation unit The part 410 and the cathode chamber electrolyte accommodating part 420 may be alternately arranged and plural.
  • the concentration difference can be resolved.
  • the plurality of diaphragms may be a cation exchange membrane or an anion exchange membrane, and may be formed of only a cation exchange membrane or only an anion exchange membrane.
  • the plurality of diaphragms may be provided with a cation exchange membrane and an anion exchange membrane alternately.
  • a plurality of diaphragms alternately arranged according to the direction in which the accommodating parts are alternately arranged are a cation exchange membrane and an anion exchange membrane. This may be provided alternately.
  • an anode and a cathode may be provided at both ends of the electrolyte correction unit 400 , and a diaphragm may be positioned between the anode and the cathode.
  • the diaphragm is a cation exchange membrane or an anion exchange membrane
  • a cation exchange membrane is positioned on a side adjacent to the anode of the anode chamber electrolyte receiver
  • an anion exchange membrane is positioned on a side adjacent to the cathode
  • an anion is positioned on a side adjacent to the anode of the cathode chamber electrolyte receiver
  • An exchange membrane may be positioned, and a cation exchange membrane may be positioned on a side adjacent to the cathode.
  • it may be configured to supply a separate electrolyte to the space provided with the positive electrode and the negative electrode.
  • the electrolyte used in the present invention may be an aqueous alkali solution in which an alkali salt is dissolved.
  • the electrolyte may be an aqueous NaOH solution or a KOH aqueous solution.
  • the concentration of the alkali salt may be 1 mass% to 50 mass%, for example, when the pronuclear solution is an aqueous NaOH solution, the NaOH content may be 1 mass% to 20 mass% or 10 mass% to 15 mass% .
  • the electrolyte solution is an aqueous KOH solution, the KOH content may be 20% by mass to 50% by mass, for example, 25% by mass to 40% by mass or 25% by mass to 35% by mass.
  • a water supply pipe for supplying water from the water storage tank to the cathode chamber 150 of the electrolytic cell, the electrolyte solution receiving unit 420 in the cathode chamber of the electrolyte correction unit, the cathode gas-liquid separator 300 and the cathode circulation line 350, and A water supply pump may be provided.
  • the anode-side gas-liquid separator 200 is located at the rear end of the anode chamber electrolyte receiving unit 410 of the electrolyte correction unit along the anode circulation line 250 and at the front end of the anode chamber 130 of the electrolyzer.
  • the cathode-side gas-liquid separator 300 may be provided at the rear end of the cathode chamber electrolyte accommodating unit 420 of the electrolyte correction unit along the cathode circulation line 350 and at the front end of the cathode chamber 150 of the electrolyzer.
  • the anode circulation line 250 includes a second anode recovery pipe 211 that communicates with the anode chamber 130 and the anode chamber electrolyte accommodating part 410 , and the anode chamber electrolyte accommodating part 410 .
  • a second anode electrolyte recovery pipe 231 communicating with the anode side gas-liquid separator 200 and a second anode cathode electrolyte solution supply pipe 441 communicating with the anode side gas-liquid separator 200 and the anode chamber 130 to be divided into can
  • the cathode circulation line 350 includes a second cathode recovery pipe 311 communicating the cathode chamber 150 and the cathode chamber electrolyte accommodating part 420 , the cathode chamber electrolyte accommodating part 420 and the cathode side gas-liquid separator 300 .
  • the anode chamber electrolyte accommodating part 410 communicates with the anode chamber 130 through the second anode recovery tube 211 , and receives the electrolyte and oxygen gas discharged from the anode chamber 130 .
  • the cathode chamber electrolyte accommodating part 420 communicates with the cathode chamber 150 through the second cathode recovery tube 311 , and receives the electrolyte and hydrogen gas discharged from the cathode chamber 150 .
  • the electrolyte correction unit 400 exchanges ions of the electrolyte in the anode chamber electrolyte accommodating part 410 with the electrolyte in the cathode chamber electrolyte accommodating part 420 through the diaphragm 500 .
  • the anode chamber electrolyte accommodating part 410 communicates with the anode-side gas-liquid separator 200 through a second anode electrolyte recovery pipe 231 , and the cathode chamber electrolyte accommodating part 420 includes a second cathode electrolyte recovery pipe 331 . ) through the cathode side gas-liquid separator 300.
  • the electrolyte present in the liquid phase of the anode-side gas-liquid separator 200 and the cathode-side gas-liquid separator 300 is passed through the second anode electrolyte supply pipe 441 and the second cathode electrolyte supply pipe 451 to the anode of the electrolytic cell 100, respectively. It is supplied to the chamber 130 and the cathode chamber 150 .
  • the embodiment according to FIG. 2 and the embodiment according to FIG. 3 only have a difference depending on whether the positions of the anode-side gas-liquid separator 200 and the cathode-side gas-liquid separator 300 are the front end or the rear end of the electrolytic cell, and the electrolyte correction unit ( 400) has a common main role and structure, and the above-mentioned main contents may be equally applied.
  • the electrolyte according to the present invention may use KOH, and the concentration of the electrolyte may be 20 to 50%, but is not limited thereto.
  • the operating conditions are not particularly limited, but, for example, the temperature of the electrolyte may be 30° C. to 200° C., the current density of the electrolytic cell may be 1 kA/m 2 to 50 kA/m 2 , and the pressure of the electrolytic cell may be 0.1 Mpa to 20 Mpa.
  • an electrolytic cell 100 including an anode chamber 130 and a cathode chamber 150 separated by a partition wall 110 , the anode chamber 130 and the anode recovery tube
  • the anode side gas-liquid separator 200 communicating through 210, the cathode side gas-liquid separator 300 communicating with the cathode chamber 150 and the cathode recovery tube 310 through the cathode recovery tube 310, and the anode side gas-liquid separator 200 and
  • the anode chamber electrolyte accommodating part 410 and the cathode chamber electrolyte accommodating part ( 420), and a diaphragm 500 is provided inside the electrolyte correction unit 400, and the electrolyte is supplied to the anode chamber and the cathode chamber of the electrolytic cell 100 through the anode electrolyte supply pipe 440 and the cathode electrolyte supply pipe 450.
  • a circulation pump 600 may be provided in the positive electroly
  • an aqueous KOH solution may be used as the electrolyte.
  • the electrolytic solution having a molar concentration of x is supplied from the electrolytic solution correcting unit 400 , and the following reaction occurs.
  • hydroxide ions (OH ⁇ ) are consumed and oxygen gas is generated
  • hydroxide ions (OH ⁇ ) are generated and hydrogen gas is generated. Accordingly, the molar concentration of the electrolyte discharged from the anode chamber becomes (xa) moles, and oxygen gas is dissolved therein. In addition, the molar concentration of the electrolyte discharged from the cathode chamber becomes (x+a) mole, and hydrogen gas is dissolved therein.
  • the electrolyte discharged from the anode chamber 130 and the cathode chamber 150 moves to the anode-side gas-liquid separator 200 and the cathode-side gas-liquid separator 300 through the anode recovery tube 210 and the cathode recovery tube 310 . .
  • the dissolved oxygen gas in the electrolyte is in a gas phase region and the electrolyte is in a liquid phase region, and an oxygen gas discharge pipe 220 for discharging the oxygen gas to the outside of the system is provided in the gas phase region.
  • the electrolyte present in the liquid phase is introduced into the anode chamber electrolyte accommodating part 410 of the electrolyte correction part 400 through the anode electrolyte recovery pipe 230 .
  • the dissolved hydrogen gas in the electrolyte is in a gas phase region and the electrolyte is in a liquid phase region, and a hydrogen gas discharge pipe 320 for discharging the hydrogen gas to the outside of the system is provided in the gas phase region can
  • the electrolyte present in the liquid phase is introduced into the cathode chamber electrolyte accommodating part 420 of the electrolyte correction part 400 through the anode electrolyte recovery pipe 330 .
  • oxygen and hydrogen gas are partially dissolved in the electrolyte present in the liquid phase region.
  • the electrolyte compensating unit 400 is introduced through (x-a) moles of electrolyte introduced through the positive electrolyte recovery pipe 230 by the diaphragm 500 and the negative electrolyte recovery pipe 330 .
  • (x + a) mole of the electrolyte is supplied to the anode chamber electrolyte accommodating part 410 and the cathode chamber electrolyte accommodating part 420, respectively.
  • the diaphragm 500 uses an ion-permeable diaphragm to pass ions and block the permeation of hydrogen gas and oxygen gas generated in the electrolytic cell.
  • the diaphragm has a plurality of fine through-pores, has a structure capable of permeating an electrolyte, and has a gas barrier property to prevent permeation of hydrogen gas and oxygen gas dissolved in the electrolyte.
  • (x+a) moles of electrolyte introduced through the cathode electrolyte recovery pipe 330 has a higher concentration than (x-a) moles of electrolyte introduced through the anode electrolyte recovery pipe 230, so the anode electrolyte recovery pipe
  • the ions of the electrolyte introduced through the diaphragm move to the electrolyte introduced through the anode electrolyte recovery pipe 230 through the diaphragm, and accordingly, the concentration gradient of the electrolyte in the electrolyte correction unit 400 divided by the diaphragm disappears.
  • the electrolyte correction unit 400 prevents mixing of oxygen gas and hydrogen gas by the diaphragm 500 , the risk of explosion due to the concentration of hydrogen gas in the oxygen gas being formed above the explosive range can be prevented. .
  • Embodiment 1-2 is configured in the same manner as in Embodiment 1-1, except that a plurality of porous diaphragms are provided in the electrolytic cell compensating unit 400 .
  • the electrolyte correction unit 400 generates n+1 electrolyte accommodating parts by the n plurality of porous diaphragms, and the n+1 electrolyte accommodating part has (x-a) moles flowing from the anode-side gas-liquid separator 200 . Electrolyte and (x+a) moles of electrolyte flowing from the cathode-side gas-liquid separator 300 are alternately introduced.
  • the positive electrolyte supply pipe 440 and the negative electrolyte supply pipe 450 for supplying the electrolyte from the electrolyte correction unit 400 to the electrolytic cell 100 may be formed as one each, and may be provided inside for a smooth supply to the electrolyte receiving unit. It can have branches (manifolds).
  • the positive electrolyte supply pipe 440 and the negative electrolyte supply pipe 450 may be formed in plurality to correspond to the n+1 number of electrolyte receiving units.
  • Embodiment 1-3 is configured in the same manner as in Embodiment 1-1, except that a cation exchange membrane 510 rather than a porous diaphragm is used in the electrolytic cell correction unit 400 .
  • the cation exchange membrane 510 selectively transmits only cations in the electrolyte and has gas barrier properties.
  • the cations (ie, K + ions) of (x + a) moles of the electrolyte in the cathode chamber electrolyte accommodating unit 420 introduced from the cathode side gas-liquid separator 300 have a concentration gradient. moves to (xa) moles of electrolyte in the anode chamber electrolyte accommodating part 410 introduced from the adjacent anode gas-liquid separator 200 through the cation exchange membrane. Thereafter, in order to balance the ions, anions may move through the membrane, despite the cation exchange membrane having cation selectivity.
  • anions that is, OH ⁇ ions
  • anions that is, OH ⁇ ions
  • (x+a) moles of electrolyte in the cathode chamber electrolyte accommodation unit 420 are adjacent to each other through the cation exchange membrane, and (xa) moles of electrolyte in the anode chamber electrolyte accommodation portion 410 . move to Accordingly, the concentration of the electrolyte finally discharged from the electrolyte correction unit 400 becomes x moles.
  • Embodiment 1-4 has the same configuration as Embodiment 1-3 except that a plurality of cation exchange membranes 510 are provided in the electrolytic cell correction unit 400 .
  • the cation exchange membrane selectively transmits only cations in the electrolyte and has gas barrier properties.
  • n+1 electrolyte receiving units are generated by the n plurality of cation exchange membranes, and (x-a) moles flowing from the anode-side gas-liquid separator 200 to the n+1 electrolyte receiving units are generated. Electrolyte and (x+a) moles of electrolyte flowing from the cathode-side gas-liquid separator 300 are alternately introduced.
  • the cations (ie, K + ions) of (x + a) moles of the electrolyte in the cathode chamber electrolyte accommodating unit 420 introduced from the cathode side gas-liquid separator 300 have a concentration gradient. moves to (xa) moles of electrolyte in the anode chamber electrolyte accommodating part 410 introduced from the adjacent anode gas-liquid separator 200 through the cation exchange membrane. Thereafter, in order to balance the ions, anions may move through the membrane, despite the cation exchange membrane having cation selectivity.
  • anions that is, OH - ions
  • anions that is, OH - ions
  • concentration of the electrolyte finally discharged from the electrolyte correction unit 400 becomes x mole.
  • the positive electrolyte supply pipe 440 and the negative electrolyte supply pipe 450 for supplying electrolyte from the electrolyte correction unit 400 to the electrolytic cell 100 may be formed as one each, or the positive electrolyte supply pipe 440 and the negative electrode
  • the electrolyte supply pipe 450 may be formed in plurality to correspond to the n+1 number of electrolyte accommodating parts.
  • anode electrolyte recovery pipe 230 and the cathode electrolyte recovery pipe 330 for supplying electrolyte from the anode gas-liquid separator 200 and the cathode gas-liquid separator 300 to the electrolyte correction unit 400 are each formed as one
  • the anode electrolyte recovery tube 230 and the cathode electrolyte recovery tube 330 may be formed in plurality to correspond to the n+1 number of electrolyte receivers.
  • the electrolyte correction unit may have a branch (manifold) for smooth supply and discharge of the electrolyte.
  • the cation exchange membrane 510 has a gas barrier property, mixing of oxygen gas and hydrogen gas is prevented, and the concentration of hydrogen gas in the oxygen gas and the concentration of oxygen gas in the hydrogen gas are formed above the explosive range and explode. risk can be avoided.
  • Embodiment 1-5 is configured in the same manner as in Embodiment 1-1, except that an anion exchange membrane 520 rather than a porous membrane is used in the electrolytic cell compensating unit 400 .
  • the anion exchange membrane 520 selectively transmits only anions in the electrolyte and has gas barrier properties.
  • anions that is, OH - ions
  • anions that is, OH - ions
  • the electrolyte of (x + a) moles flowing in from the cathode-side gas-liquid separator 300 pass through the anion exchange membrane 520 by the concentration gradient. It moves to the electrolyte of (xa) moles flowing in from the adjacent anode-side gas-liquid separator 200 . Thereafter, in order to balance the ions, cations may move through the membrane despite the anion selectivity of the anion exchange membrane.
  • Embodiment 1-6 is configured in the same manner as in Embodiment 1-5, except that a plurality of anion exchange membranes 520 are provided in the electrolyzer correction unit 400 .
  • the anion exchange membrane 520 selectively transmits only anions in the electrolyte and has gas barrier properties.
  • n+1 electrolyte inflow spaces are generated by the n plurality of anion exchange membranes, and (x-a) moles flowing in from the anode-side gas-liquid separator 200 in the n+1 electrolyte inflow spaces of the electrolyte and the electrolyte of (x + a) moles flowing from the cathode-side gas-liquid separator 300 are alternately introduced.
  • anions (ie, OH ⁇ ions) of (x + a) moles of the electrolyte flowing in from the cathode-side gas-liquid separator 300 are adjacent anodes through the anion exchange membrane due to the concentration gradient. It moves to the electrolyte of (xa) moles flowing in from the side gas-liquid separator 200 . Thereafter, in order to balance the ions, cations may move through the membrane despite the anion selectivity of the anion exchange membrane.
  • the positive electrolyte supply pipe 440 and the negative electrolyte supply pipe 450 for supplying electrolyte from the electrolyte correction unit 400 to the electrolytic cell 100 may be formed as one each, or the positive electrolyte supply pipe 440 and the negative electrode
  • the electrolyte supply pipe 450 may be formed in plurality to correspond to the n+1 number of electrolyte accommodating parts.
  • anode electrolyte recovery pipe 230 and the cathode electrolyte recovery pipe 330 for supplying electrolyte from the anode gas-liquid separator 200 and the cathode gas-liquid separator 300 to the electrolyte correction unit 400 are each formed as one
  • the anode electrolyte recovery tube 230 and the cathode electrolyte recovery tube 330 may be formed in plurality to correspond to the n+1 number of electrolyte receivers.
  • the electrolyte correction unit may have a branch (manifold) for smooth supply and discharge of the electrolyte.
  • anion exchange membrane 520 has a gas barrier property, mixing of oxygen gas and hydrogen gas is prevented, and the concentration of hydrogen gas in the oxygen gas and the concentration of oxygen gas in the hydrogen gas are formed above the explosive range and explode. risk can be avoided.
  • a plurality of cation exchange membranes 510 and a plurality of anion exchange membranes 520 are alternately provided in the electrolytic cell correction unit 400 .
  • the cation exchange membrane selectively permeates only the cations in the electrolyte
  • the anion exchange membrane selectively permeates only the anions in the electrolyte.
  • the electrolyte correction unit 400 generates n+1 electrolyte accommodating units by the plurality of n cation exchange membranes 510 and anion exchange membranes 520 , and the anode-side gas-liquid separator 200 is provided in the n+1 electrolyte accommodating units. ) of (x-a) moles of electrolyte and (x+a) moles of electrolyte flowing from the cathode-side gas-liquid separator 300 are alternately introduced.
  • the negative ions (ie, OH ⁇ ions) of the (x + a) moles of the electrolyte in the cathode chamber electrolyte accommodating unit 420 introduced from the cathode side gas-liquid separator 300 have a concentration gradient. moves to (xa) moles of electrolyte in the anode chamber electrolyte accommodating part 410 introduced from the adjacent anode gas-liquid separator 200 through the anion exchange membrane 520 .
  • cations (ie, K + ions) of (x + a) moles of the electrolyte in the cathode chamber electrolyte accommodating part 420 are (xa) in the anode chamber electrolyte accommodating part 410 adjacent through the cation exchange membrane 510 . moves to moles of electrolyte. Accordingly, the concentration of the electrolyte finally discharged from the electrolyte correction unit 400 becomes x moles.
  • the positive electrolyte supply pipe 440 and the negative electrolyte supply pipe 450 for supplying electrolyte from the electrolyte correction unit 400 to the electrolytic cell 100 may be formed as one each, or the positive electrolyte supply pipe 440 and the negative electrode
  • the electrolyte supply pipe 450 may be formed in plurality to correspond to the n+1 number of electrolyte accommodating parts.
  • anode electrolyte recovery pipe 230 and the cathode electrolyte recovery pipe 330 for supplying electrolyte from the anode gas-liquid separator 200 and the cathode gas-liquid separator 300 to the electrolyte correction unit 400 are each formed as one
  • the anode electrolyte recovery tube 230 and the cathode electrolyte recovery tube 330 may be formed in plurality to correspond to the n+1 number of electrolyte receivers.
  • a branch (manifold) may be provided for smooth supply and discharge of the electrolyte.
  • the cation exchange membrane 510 has a gas barrier property, mixing of oxygen gas and hydrogen gas is prevented, and the concentration of hydrogen gas in the oxygen gas and the concentration of oxygen gas in the hydrogen gas are formed above the explosive range and explode. risk can be avoided.
  • the 1-8th embodiment is configured the same as the 1-7th embodiment except that electrodes are provided at both ends of the electrolytic cell compensating unit 400 .
  • An anode 460 and a cathode 470 are provided at both ends of the electrolytic cell compensating unit 400 .
  • the electrolyte in the electrolyzer compensator 400 moves through the cation exchange membrane 510 and the anion exchange membrane 520 .
  • the cation exchange membrane 510 is positioned on the side adjacent to the anode of the anode chamber electrolyte accommodating part 410
  • the anion exchange membrane 520 is positioned on the side adjacent to the cathode, and adjacent to the anode of the cathode chamber electrolyte accommodating part 420 .
  • An anion exchange membrane 520 is positioned on the side
  • a cation exchange membrane 510 is positioned on a side adjacent to the cathode.
  • an electrolytic cell 100 including an anode chamber 130 and a cathode chamber 150 separated by a partition wall 110 , the anode chamber 130 and the second anode chamber
  • the anode chamber electrolyte accommodating part 410 of the electrolyte correction part 400 communicating through the recovery tube 211, and the electrolyte correction part 400 communicating with the cathode chamber 150 and the second cathode recovery tube 311
  • the cathode chamber electrolyte accommodating part 420 and the electrolyte compensating part 400 the anode chamber electrolyte accommodating part 410 and the cathode chamber electrolyte accommodating part 420 are separated by a diaphragm 500
  • the anode side gas-liquid separator 200 and the cathode side gas-liquid in communication with the receiving unit 410 and the cathode chamber electrolyte receiving unit 420 through the second anode electrolyte recovery pipe 231 and the second cathode electrolyte recovery
  • an aqueous KOH solution may be used as the electrolyte.
  • the electrolytic solution having a molar concentration of x is supplied from the electrolytic solution correcting unit 400 , and the following reaction occurs.
  • hydroxide ions (OH ⁇ ) are consumed and oxygen gas is generated
  • hydroxide ions (OH ⁇ ) are generated and hydrogen gas is generated. Accordingly, the molar concentration of the electrolyte discharged from the anode chamber becomes (xa) moles, and oxygen gas is dissolved therein. In addition, the molar concentration of the electrolyte discharged from the cathode chamber becomes (x+a) mole, and hydrogen gas is dissolved therein.
  • the electrolyte discharged from the anode chamber 130 and the cathode chamber 150 passes through the second anode recovery tube 211 and the second cathode recovery tube 311 to the anode chamber electrolyte receiving unit 410 of the electrolyte correction unit 400 . ) and moves to the cathode chamber electrolyte accommodating part 420 .
  • Oxygen gas and hydrogen gas are dissolved in the electrolyte flowing into the electrolyte correction unit 400 through the second anode recovery pipe 211 and the second cathode recovery pipe 311 , respectively.
  • the oxygen gas and hydrogen gas and the electrolyte discharged from the electrolytic cell are before passing through the anode-side gas-liquid separator 200 and the cathode-side gas-liquid separator 300 , it is relatively As a result, high concentrations of oxygen gas and hydrogen gas are dissolved.
  • the electrolyte compensating unit 400 collects (x-a) moles of electrolyte and the second cathode recovery pipe 311 flowing through the second anode recovery pipe 211 through the diaphragm 500 .
  • (x + a) moles of electrolyte introduced through the anode chamber are supplied to the electrolyte accommodating part 410 and the cathode chamber electrolyte accommodating part 420, respectively.
  • the diaphragm 500 uses an ion-permeable diaphragm to pass ions and isolate hydrogen gas and oxygen gas generated in the electrolytic cell.
  • the diaphragm has a plurality of fine through-pores, has a structure capable of permeating an electrolyte, and has a gas barrier property to prevent permeation of hydrogen gas and oxygen gas dissolved in the electrolyte.
  • the (x+a) mole of the electrolyte in the cathode chamber electrolyte accommodating part 420 introduced through the second cathode recovery pipe 311 is transferred to the anode chamber electrolyte accommodating part ( 410), since the concentration is higher than that of the (x-a) mole of the electrolyte, the ions of the electrolyte in the cathode chamber electrolyte accommodating part 420 move to the electrolyte in the anode chamber electrolyte accommodating part 410 through the diaphragm, and accordingly, the diaphragm
  • the concentration gradient of the electrolyte in the electrolyte correction unit divided by disappears.
  • the electrolyte correction unit 400 prevents mixing of oxygen gas and hydrogen gas by the diaphragm 500 , the risk of explosion due to the concentration of hydrogen gas in the oxygen gas being formed above the explosive range can be prevented. .
  • the dissolved oxygen gas in the electrolyte is in a gas phase region and the electrolyte is in a liquid phase region, and an oxygen gas discharge pipe 220 for discharging the oxygen gas to the outside of the system is provided in the gas phase region.
  • an oxygen gas discharge pipe 220 for discharging the oxygen gas to the outside of the system is provided in the gas phase region.
  • the electrolyte present in the liquid phase is introduced into the anode chamber 130 of the electrolytic cell 100 through the second anode electrolyte supply pipe 441 .
  • the dissolved hydrogen gas in the electrolyte is in a gas phase region and the electrolyte is in a liquid phase region, and a hydrogen gas discharge pipe 320 for discharging the hydrogen gas to the outside of the system is provided in the gas phase region can
  • the electrolyte existing in the liquid phase is introduced into the cathode chamber 150 of the electrolytic cell 100 through the second anode electrolyte supply pipe 451 .
  • the 2-2 embodiment it is configured in the same manner as in the 2-1 embodiment, except that a plurality of porous diaphragms are provided in the electrolytic cell compensating unit 400 .
  • n+1 electrolyte accommodating units are generated by the n plurality of porous diaphragms, and the n+1 electrolyte accommodating units have (x-a) moles of electrolyte flowing from the anode chamber 130 and (x+a) moles of electrolyte flowing in from the cathode chamber 150 are alternately introduced.
  • the second anode electrolyte recovery pipe 231 and the second cathode electrolyte recovery pipe 331 for supplying electrolyte from the electrolyte correction unit 400 to the anode gas-liquid separator 200 and the cathode gas-liquid separator 300 are Each may be formed as one, and may have a branch (manifold) therein for smooth supply to the electrolyte accommodating part. In addition, it may be formed in plurality to correspond to the n+1 number of electrolyte accommodating parts.
  • a cation exchange membrane 510 not a porous diaphragm, is used in the electrolytic cell correction unit 400 .
  • the cation exchange membrane 510 selectively transmits only cations in the electrolyte and has gas barrier properties.
  • cations (ie, K + ions) of (x + a) moles of the electrolyte in the cathode chamber electrolyte accommodating unit 420 introduced from the cathode chamber 150 are generated by the concentration gradient. It moves to (xa) mole of electrolyte in the anode chamber electrolyte accommodating part 410 introduced from the anode chamber 130 adjacent through the cation exchange membrane. Thereafter, in order to balance the ions, anions may move through the membrane, despite the cation exchange membrane having cation selectivity.
  • anions that is, OH ⁇ ions
  • anions that is, OH ⁇ ions
  • (x+a) moles of electrolyte in the cathode chamber electrolyte accommodation unit 420 are adjacent to each other through the cation exchange membrane, and (xa) moles of electrolyte in the anode chamber electrolyte accommodation portion 410 . move to Accordingly, the concentration of the electrolyte finally discharged from the electrolyte correction unit 400 becomes x moles.
  • Embodiment 2-4 has the same configuration as in Embodiment 2-3, except that a plurality of cation exchange membranes 510 are provided in the electrolytic cell correction unit 400 .
  • the cation exchange membrane selectively transmits only cations in the electrolyte and has gas barrier properties.
  • n+1 electrolyte accommodating units are generated by the n plurality of cation exchange membranes, and (x-a) moles of electrolyte introduced from the anode chamber 130 and the n+1 electrolyte accommodating units (x+a) moles of electrolyte flowing in from the cathode chamber 150 are alternately introduced.
  • cations (ie, K + ions) of (x + a) moles of the electrolyte in the cathode chamber electrolyte accommodating unit 420 introduced from the cathode chamber 150 are generated by the concentration gradient. It moves to (xa) mole of electrolyte in the anode chamber electrolyte accommodating part 410 introduced from the anode chamber 130 adjacent through the cation exchange membrane. Thereafter, in order to balance the ions, anions may move through the membrane, despite the cation exchange membrane having cation selectivity.
  • the second anode electrolyte recovery pipe 231 and the second cathode electrolyte recovery pipe 331 for supplying electrolyte from the electrolyte correction unit 400 to the anode gas-liquid separator 200 and the cathode gas-liquid separator 300 are Each may be formed as one, or the second anode electrolyte recovery tube 231 and the second anode electrolyte recovery tube 331 may be formed in plurality to correspond to the n+1 number of electrolyte receivers.
  • a second anode recovery pipe 211 and a second anode recovery tube 211 for supplying electrolyte from the electrolytic cell 100 to the electrolyte correction unit 400 for supplying electrolyte to the pole-side gas-liquid separator 200 and the cathode-side gas-liquid separator 300 for supplying the electrolyte
  • Each of the cathode recovery tubes 311 may be formed as one, or the second anode recovery tube 211 and the second cathode recovery tube 311 may be formed in plurality to correspond to the n+1 number of electrolyte accommodating units. .
  • the electrolyte correction unit may have a branch (manifold) for smooth supply and discharge of the electrolyte.
  • the cation exchange membrane 510 has a gas barrier property, mixing of oxygen gas and hydrogen gas is prevented, and the concentration of hydrogen gas in the oxygen gas and the concentration of oxygen gas in the hydrogen gas are formed above the explosive range and explode. risk can be avoided.
  • the 2-5th embodiment it is configured in the same manner as in the 2-1 embodiment, except that an anion exchange membrane 520 rather than a porous diaphragm is used in the electrolytic cell compensating unit 400 .
  • the anion exchange membrane 520 selectively transmits only anions in the electrolyte and has gas barrier properties.
  • anions that is, OH ⁇ ions
  • anions that is, OH ⁇ ions
  • (x + a) moles of the electrolyte in the cathode chamber electrolyte accommodating unit 420 introduced from the cathode chamber 150 are generated by the concentration gradient. It moves to (xa) moles of electrolyte in the anode chamber electrolyte accommodating part 410 flowing in from the anode chamber 130 adjacent through the anion exchange membrane. Thereafter, in order to balance the ions, cations may move through the membrane despite the anion selectivity of the anion exchange membrane.
  • Embodiment 2-6 is configured in the same manner as in embodiment 2-5, except that a plurality of anion exchange membranes 520 are provided in the electrolyzer correction unit 400 .
  • the anion exchange membrane 520 selectively transmits only anions in the electrolyte and has gas barrier properties.
  • n+1 electrolyte accommodating units are generated by the n plurality of anion exchange membranes, and (x-a) moles of electrolyte flowing in from the anode chamber 130 and the n+1 electrolyte accommodating units are (x+a) moles of electrolyte flowing in from the cathode chamber 150 are alternately introduced.
  • anions that is, OH ⁇ ions
  • anions that is, OH ⁇ ions
  • (x + a) moles of the electrolyte in the cathode chamber electrolyte accommodating unit 420 introduced from the cathode chamber 150 are generated by the concentration gradient. It moves to (xa) moles of electrolyte in the anode chamber electrolyte accommodating part 410 flowing in from the anode chamber 130 adjacent through the anion exchange membrane. Thereafter, in order to balance the ions, cations may move through the membrane despite the anion selectivity of the anion exchange membrane.
  • the second anode electrolyte recovery pipe 231 and the second cathode electrolyte recovery pipe 331 for supplying electrolyte from the electrolyte correction unit 400 to the anode gas-liquid separator 200 and the cathode gas-liquid separator 300 are Each may be formed as one, or the second anode electrolyte recovery tube 231 and the second anode electrolyte recovery tube 331 may be formed in plurality to correspond to the n+1 number of electrolyte receivers.
  • a second anode recovery pipe 211 and a second anode recovery tube 211 for supplying electrolyte from the electrolytic cell 100 to the electrolyte correction unit 400 for supplying electrolyte to the pole-side gas-liquid separator 200 and the cathode-side gas-liquid separator 300 for supplying the electrolyte
  • Each of the cathode recovery tubes 311 may be formed as one, or the second anode recovery tube 211 and the second cathode recovery tube 311 may be formed in plurality to correspond to the n+1 number of electrolyte accommodating units. .
  • the electrolyte correction unit may have a branch (manifold) for smooth supply and discharge of the electrolyte.
  • anion exchange membrane 520 has a gas barrier property, mixing of oxygen gas and hydrogen gas is prevented, and the concentration of hydrogen gas in the oxygen gas and the concentration of oxygen gas in the hydrogen gas are formed above the explosive range and explode. risk can be avoided.
  • a plurality of cation exchange membranes 510 and a plurality of anion exchange membranes 520 are alternately provided in the electrolytic cell correction unit 400 .
  • the cation exchange membrane selectively permeates only the cations in the electrolyte
  • the anion exchange membrane selectively permeates only the anions in the electrolyte.
  • the electrolyte correction unit 400 generates n+1 electrolyte accommodation units by the plurality of n number of cation exchange membranes 510 and n number of anion exchange membranes 520 , and the n+1 number of electrolyte accommodation units has an anode chamber. (x-a) moles of electrolyte flowing in from 130 and (x+a) moles of electrolyte flowing in from the cathode chamber 150 are alternately introduced.
  • anions that is, OH ⁇ ions
  • anions that is, OH ⁇ ions
  • the second anode electrolyte recovery pipe 231 and the second cathode electrolyte recovery pipe 331 for supplying electrolyte from the electrolyte correction unit 400 to the anode gas-liquid separator 200 and the cathode gas-liquid separator 300 are Each may be formed as one, or the second anode electrolyte recovery tube 231 and the second anode electrolyte recovery tube 331 may be formed in plurality to correspond to the n+1 number of electrolyte receivers.
  • a second anode recovery pipe 211 and a second anode recovery tube 211 for supplying electrolyte from the electrolytic cell 100 to the electrolyte correction unit 400 for supplying electrolyte to the pole-side gas-liquid separator 200 and the cathode-side gas-liquid separator 300 for supplying the electrolyte
  • Each of the cathode recovery tubes 311 may be formed as one, or the second anode recovery tube 211 and the second cathode recovery tube 311 may be formed in plurality to correspond to the n+1 number of electrolyte accommodating units. .
  • the electrolyte correction unit may have a branch (manifold) for smooth supply and discharge of the electrolyte.
  • anion exchange membrane 520 has a gas barrier property, mixing of oxygen gas and hydrogen gas is prevented, and the concentration of hydrogen gas in the oxygen gas and the concentration of oxygen gas in the hydrogen gas are formed above the explosive range and explode. risk can be avoided.
  • the 2-8th embodiment is configured the same as the 2-7th embodiment except that electrodes are provided at both ends of the electrolytic cell compensating unit 400 .
  • An anode 460 and a cathode 470 are provided at both ends of the electrolytic cell compensating unit 400 .
  • the electrolyte in the electrolyzer compensator 400 moves through the cation exchange membrane 510 and the anion exchange membrane 520 .
  • the cation exchange membrane 510 is positioned on the side adjacent to the anode 460 of the anode chamber electrolyte receiver, the anion exchange membrane 520 is positioned on the side adjacent to the cathode 470, and on the side adjacent to the anode of the cathode chamber electrolyte receiver An anion exchange membrane 520 is positioned, and a cation exchange membrane 510 is positioned on a side adjacent to the cathode.
  • the present invention prevents the gas composition in the gas phase region of the water electrolysis device from reaching the explosion limit by including an electrolyte correction unit including a diaphragm for removing the concentration difference between the electrolyte and the electrolyte discharged from the anode chamber and the cathode Even when the electrolyte discharged from the chamber is circulated independently, there is no difference in the concentration of the electrolyte, so an additional device is not required to solve this problem, and the problem of deterioration of fairness due to electrolyte re-injection and operation stabilization can be solved. there is an effect

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Abstract

본 발명은 격막이 구비된 전해액 보정부를 포함하는 수전해 장치에 관한 것으로, 전해액 내 농도 차이를 제거하기 위한 격막을 포함하는 전해액 보정부를 포함으로써 수전해 장치의 기상 영역 중의 가스 조성이 폭발 한계에 도달하는 것을 방지함과 동시에, 양극실에서 배출되는 전해액과 음극실에서 배출되는 전해액을 각각 독립적으로 순환시키는 경우에도 전해액의 농도 차이로 인한 액면 차이가 발생하지 않아, 이를 해소하기 위한 부가적인 장치를 필요로 하지 않으며 전해액 재주입 및 가동 안정화에 따른 공정성이 저하되는 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.

Description

격막이 구비된 전해액 보정부를 포함하는 수전해 장치
본 발명은 격막이 구비된 전해액 보정부를 포함하는 수전해 장치에 관한 것이다.
대표적인 수소 생산기술인 수전해 기술은 전기에너지를 이용하여 물로부터 수소를 직접 생산하는 기술로서 고순도의 수소를 친환경적으로 제조할 수 있다. 상기 수전해 기술은 알칼리 수전해, 고분자 전해질 수전해 및 고체 산화물 수전해로 구분된다.
상기 수전해 기술 중에서도 알칼리 수전해 기술은 가격이 저렴하고 대용량으로 수소 생산이 가능하다는 이점이 있다. 알칼리 수전해 장치는 수소를 생산하는 전해조, 전해조에서 배출된 기상의 수소 또는 산소와 전해액을 분리하는 기액분리기, 기액분리기에서 배출된 액상을 저장하고 이를 다시 전해조로 투입하는 전해액 저장조 및 전해액을 적절하게 공급하고 전력을 제어 및 관리하는 운전장치(Balance of Plant)로 구성된다.
또한, 상기 전해조는 전해질, 분리막 및 전극인 양극(애노드)과 음극(캐소드)으로 이루어지고, 상기 양극 및 음극에서는 하기의 반응이 일어난다:
양극: 2OH- → 1/2O2 + H2O + 2e-
음극: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
상기 전해조의 양극실에서 상기 반응에 의해 생산된 용존 산소 가스를 포함하는 전해액이 양극측 기액분리기를 통하여 산소 가스 및 전해액으로 분리되고, 상기 전해조의 음극실에서 상기 반응에 의해 생산된 용존 수소 가스를 포함하는 전해액이 음극측 기액분리기를 통하여 수소 가스 및 전해액으로 분리된다.
이때, 상기 알칼리 수전해를 이용한 수소의 생산에 있어서 용존 가스의 문제가 존재하게 된다. 즉, 전해조의 양극실로부터 회수되는 전해액에는 양극 반응에서 발생한 산소 가스의 일부가 용존하고 있고 음극실에서 회수되는 전해액에는 음극 반응에서 발생한 수소 가스의 일부가 용존하고 있다. 여기서, 전해액에 용존하는 산소 가스 및 용존하는 수소 가스란 전해액 내에 산소 가스 및 수소 가스가 용해되어 있는 상태 및 산소 가스 및 수소 가스가 미세기포 형태로 잔존하는 상태를 포함하는 개념이다. 양극실에서 회수된 전해액과 음극실에서 회수된 전해액이 전해액 저장조 내에서 혼합되므로, 전해액 저장조 내의 전해액에는 산소 가스 및 수소 가스가 모두 용존하고 있다. 전해액 저장조 내의 전해액 중에 용존하고 있는 산소 가스 및 수소 가스는 서서히 기상 중에 방출되므로, 전해액 저장조 상부의 기상 부분에는 산소 가스 및 수소 가스의 농도가 서서히 상승한다. 따라서, 수전해 장치의 운전을 계속하는 동안 전해액 저장조 상부의 기상 부분에서 가스 조성이 폭발 한계에 도달할 우려가 있다.
수소 가스를 발생시키는 수전해 장치에 대한 일본 공개특허 제2017-039982호(이하, '특허문헌 1'이라 함)에는 양극을 수용하고 양극 가스를 발생시키는 양극실, 음극을 수용하고 수소 가스를 발생시키는 음극실, 상기 양극실과 상기 음극실을 구획하는 격막 및 전해액을 상기 양극실에서 배출함과 동시에 상기 양극실로 되돌리는 양극측 순환 라인를 구비하는 수전해 장치로서, 상기 양극측 순환 라인이 상기 전해액에서 상기 양극 가스를 분리하는 양극측 기액분리기와 상기 양극실과 상기 양극측 기액분리기를 접속하고 상기 전해액과 상기 양극 가스를 상기 양극실에서 배출하여 상기 양극측 기액분리기에 송급하는 양극측 배출 라인과 상기 양극실과 상기 양극측 기액분리기를 접속하고 상기 전해액을 상기 양극측 기액분리기에서 배출하여 상기 양극실에 송급하는 양극측 공급 라인를 구비하고, 용존된 상기 수소 가스가 기상으로서 존재하고, 상기 수소 가스와 상기 양극 가스가 혼합하는 기상 영역과 상기 양극측 기액분리기를 접속하는 양극 가스 송급 라인을 가지며, 상기 양극 가스 송급 라인이 상기 양극 가스 중 적어도 일부를 상기 기상 영역에 송급하고 상기 기상 영역 중의 상기 수소 가스 농도가 폭발 한계 하한치 미만임을 특징으로 하는 전해 장치가 기재되어 있다. 특허문헌 1의 형태를 가지는 수전해 장치는 미량의 수소 가스가 전해액의 순환 라인에 점차 축적되어 수소의 폭발 한계에 도달할 가능성을 해소할 수 있다고 기재되어 있다.
그러나 특허문헌 1에는 전해액 저장조의 기상 영역에서 배출된 가스를 계 외로 방출하는 것이 기재되어 있으며, 양극 가스를 이용하여 전해액 저장조의 기상 영역 중의 가스를 퍼지한 후 이를 배출하는 경우, 배출되는 가스를 회수했다고 하더라도 순도가 높은 가스를 얻는 것은 어려운 문제가 있다.
한편, 양극실에서 회수된 전해액과 음극실에서 회수된 전해액을 각각 다른 전해액 저장조로 저장 및 순환시키는 경우에는 양극 반응과 음극 반응에서 소비하는 몰 수 차이로 인해 양극측 전해액 저장조와 음극측 전해액 저장조 내에 존재하는 전해액의 농도 차이가 발생하는 문제가 있다.
양극측 전해액 저장조와 음극측 전해액 저장조 내에 존재하는 전해액의 농도 차이 발생을 방지하기 위하여 양극측 전해액 저장조의 액상 영역과 음극측 전해액 저장조의 액상 영역에 연통 배관을 추가로 설치하는 경우에는 연통 배관을 통해 유입되는 전해액이 용존 가스를 포함하고 있으므로 연통 배관을 통해 전해액이 유입되는 측의 저장조에서 기상 영역 중의 가스 조성이 폭발 한계에 도달할 우려가 있다.
따라서, 전해액 저장조의 기상 영역 중의 가스 조성이 폭발 한계에 도달하는 것을 방지함과 동시에, 양극실에서 배출되는 전해액과 음극실에서 배출되는 전해액을 각각 독립적으로 순환시키는 경우에도 전해액의 농도 차이가 발생하지 않는 수전해 장치가 요구된다.
본 발명은, 수전해 장치의 기상 영역 중의 가스 조성이 폭발 한계에 도달하는 것을 방지함과 동시에, 양극실에서 배출되는 전해액과 음극실에서 배출되는 전해액을 각각 독립적으로 순환시키는 경우에도 전해액의 농도 차이가 발생하지 않는 수전해 장치를 제공한다.
본 발명은 격벽으로 구분된 양극실 및 음극실을 포함하는 전해조; 양극실 전해액 수용부 및 음극실 전해액 수용부를 포함하고, 상기 양극실 전해액 수용부 및 상기 음극실 전해액 수용부는 격막에 의해 구분된 전해액 보정부; 상기 전해조의 양극실 및 상기 전해액 보정부의 양극실 전해액 수용부를 연통하는 양극 순환라인; 및 상기 전해조의 음극실 및 상기 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부를 연통하는 음극 순환라인을 포함하는 수전해 장치를 제공한다.
일 실시예로서, 상기 양극 순환라인에 구비되는 양극측 기액분리기; 및 상기 음극 순환라인에 구비되는 음극측 기액분리기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 양극측 기액분리기는 양극 순환라인을 따라 전해조의 양극실의 후단 및 전해액 보정부의 양극실 전해액 수용부의 전단에 구비되고, 상기 음극측 기액분리기는 음극 순환라인을 따라 전해조의 음극실의 후단 및 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부의 전단에 구비될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 양극측 기액분리기는 양극 순환라인을 따라 전해액 보정부의 양극실 전해액 수용부의 후단 및 전해조의 양극실의 전단에 구비되고, 상기 음극측 기액분리기는 음극 순환라인을 따라 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부의 후단 및 전해조의 음극실의 전단에 구비될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 격막은 전해액 및 이온은 투과 가능하고, 기체는 불투과성일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 격막은 다공막일 수 있다.
일 실시예로서, 격막은 양이온 교환막 또는 음이온 교환막일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 격막은 복수로 구비되며, 상기 양극실 전해액 수용부 및 상기음극실 전해액 수용부가 서로 교번하며 배치될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 양극실 전해액 수용부 및 상기 음극실 전해액 수용부가 서로 교번하며 배치될 때, 수용부가 교번하여 배열되는 방향에 따라 교대로 배치되는 복수의 격막은 양이온 교환막과 음이온 교환막이 교대로 구비되는 것일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 전해액 보정부 내 양단에는 각각 양극 및 음극이 구비되어, 양극과 음극 사이에 격막이 위치할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 격막은 양이온 교환막 또는 음이온 교환막이고, 양극실 전해액 수용부의 양극과 인접한 측면에는 양이온교환막이 위치하고, 음극과 인접한 측면에는 음이온교환막이 위치하며, 음극실 전해액 수용부의 양극과 인접한 측면에는 음이온교환막이 위치하고, 음극과 인접한 측면에는 양이온교환막이 위치할 수 있다.
일 실시예로서, 전해조의 음극실, 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부 및 음극 순환라인 중 적어도 하나에는 물을 공급하기 위한 물 공급관 및 물 공급 펌프가 더 구비될 수 있다.
일 실시예로서, 음극측 기액분리기에는 물을 공급하기 위한 물 공급관 및 물 공급 펌프가 더 구비될 수 있다.
본 발명은, 전해액의 농도 차이를 제거하기 위한 격막을 포함하는 전해액 보정부를 포함으로써 수전해 장치의 기상 영역 중의 가스 조성이 폭발 한계에 도달하는 것을 방지함과 동시에, 양극실에서 배출되는 전해액과 음극실에서 배출되는 전해액을 각각 독립적으로 순환시키는 경우에도 전해액의 농도 차이가 발생하지 않아, 이를 해소하기 위한 부가적인 장치를 필요로 하지 않으며 전해액 재주입 및 가동 안정화에 따른 공정성이 저하되는 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 수전해 장치의 전해조, 전해액 보정부, 양극 순환라인 및 음극 순환라인을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 수전해 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 수전해 장치의 구성도이다.
도 4은 본 발명의 전해액 보정부 내부의 격막의 형태를 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 전해액 보정부 내부에 양이온 교환막이 복수로 구성된 형태를 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 전해액 보정부 내부에 음이온 교환막이 복수로 구성된 형태를 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 전해액 보정부 내부에 양이온 교환막과 음이온 교환막이 복수로 구성된 형태를 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명의 전해액 보정부에 전극이 형성된 형태를 나타낸 개략도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다", "구비한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 격벽(110)으로 구분된 양극실(130) 및 음극실(150)을 포함하는 전해조(100), 양극실 전해액 수용부(410) 및 음극실 전해액 수용부(420)를 포함하고, 상기 양극실 전해액 수용부(410) 및 상기 음극실 전해액 수용부(420)는 격막(500)에 의해 구분된 전해액 보정부(400), 상기 전해조의 양극실(130) 및 상기 전해액 보정부의 양극실 전해액 수용부(410)를 연통하는 양극 순환라인(250) 및 상기 전해조의 음극실(150) 및 상기 전해액 보정부(400)의 음극실 전해액 수용부(420)를 연통하는 음극 순환라인(350)을 포함하는 수전해 장치(1)를 제공한다.
상기 수전해 장치(1)는 전해액을 이용하여 전기 분해에 의해 산소 가스 및 수소 가스를 제조하는 장치이다.
상기 전해조(100)는 양극(140)을 포함하고 산소 가스를 발생시키는 양극실(130) 및 음극(160)을 포함하고 수소 가스를 발생시키는 음극실(150)을 포함한다. 상기 양극실(130) 및 음극실(150)은 격벽(110)을 통해 구분된다.
상기 격벽(110)은 양극실(130)과 음극실(150)을 구획하고, 가스 차단성을 가지는 것으로, 그 형태나 소재는 특별히 제한되지 않는다.
상기 격벽(110)은 소정의 두께를 가지는 판상일 수 있으며, 상기 격벽(110)은 높은 전해액 투과성, 높은 이온 투과성 및 높은 가스 차단성을 가지는 것이 바람직하다. 상기 격벽의 소재로는 고분자 수지 섬유와 무기 화합물을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 다공질 고분자 필름을 이용할 수 있다.
상기 양극실(130) 및 음극실(150)은 각각 격벽(110)과 외부 프레임(120)에 의해 둘러 쌓인 공간이 마련되고, 전해액 보정부(400)로부터 유입된 전해액이 이를 통과한다.
이때, 상기 양극실의 양극과, 음극실의 음극에서는 하기의 반응이 일어난다.
양극: 2OH- → 1/2O2 + H2O + 2e-
음극: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
즉, 양극실에서는 수산화 이온(OH-)이 소모되며 산소 가스가 발생하고, 음극실에서는 수산화 이온(OH-)이 생성되며 수소 가스가 발생한다.
이때, 상기 알칼리 수전해를 이용한 수소의 생산에 있어서 용존 가스의 문제가 존재하게 된다. 즉, 전해조의 양극실로부터 배출되는 전해액에는 양극 반응에서 발생한 산소 가스의 일부가 용존하고 있고 음극실에서 배출되는 전해액에는 음극 반응에서 발생한 수소 가스의 일부가 용존하고 있다.
본 발명에서 전해액에 용존하는 산소 가스 및 수소 가스란 전해액 내에 산소 가스 및 수소 가스가 용해되어 있는 상태 및 산소 가스 및 수소 가스가 미세기포 형태로 잔존하는 상태를 포함하는 개념이다.
따라서, 수전해 장치의 운전을 계속하는 동안 전해액의 순환 흐름 과정에서 상기 전해액에 용존하는 산소 가스 및 수소 가스의 농도가 소정의 범위(폭발 범위)를 초과하는 경우, 수전해 장치가 폭발할 수 있는 우려가 존재한다.
본 발명에서는 상기 전해액에 용존하는 산소 가스 및 수소 가스의 농도를 폭발 한계치 이하로 조절하기 위하여, 상기 전해조(100)의 전단 또는 후단에 전해액 보정부(400)를 마련한 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명은 상기 양극 순환라인(250)에 구비되는 양극측 기액분리기(200) 및 상극 음극 순환라인(350)에 구비되는 음극측 기액분리기(300)를 더 포함할 수 있다.
이때, 하나의 실시 형태로서, 상기 양극측 기액분리기(200)는 양극 순환라인(250)을 따라 전해조의 양극실(130) 및 전해액 보정부의 양극실 전해액 수용부(410) 사이에 마련되며, 구체적으로, 양극 순환라인(250)을 따라 전해조의 양극실(130)의 후단 및 전해액 보정부의 양극실 전해액 수용부(410)의 전단에 구비된다. 또한, 상기 음극측 기액분리기(300)는 음극 순환라인(350)을 따라 전해조의 음극실(150) 및 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부(420) 사이에 마련될 수 있으며, 구체적으로 상기 음극측 기액분리기(300)는 음극 순환라인(350)을 따라 전해조의 음극실(150)의 후단 및 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부(420)의 전단에 구비될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 실시 형태에서는 양극 순환라인(250)은 양극실(130)과 양극측 기액분리기(200)를 연통하는 양극 회수관(210), 양극측 기액분리기(200)와 양극실 전해액 수용부(410)를 연통하는 양극 전해액 회수관(230) 및 양극실 전해액 수용부(410)와 양극실(130)을 연통하는 양극 전해액 공급관(440)으로 구분될 수 있다.
또한, 양극측 기액분리기(200)는 하부에 위치한 액상 영역(201) 및 액상 영역의 상부에 위치 기상영역(202)을 포함하고, 음극측 기액분리기(300)는 하부에 위치한 액상 영역(301) 및 액상 영역의 상부에 위치 기상영역(302)을 포함한다.
또한, 음극 순환라인(350)은 음극실(150)과 음극측 기액분리기(300)를 연통하는 음극 회수관(310), 음극측 기액분리기(300)와 음극실 전해액 수용부(420)를 연통하는 음극 전해액 회수관(330) 및 음극실 전해액 수용부(420)와 음극실(150)을 연통하는 음극 전해액 공급관(450)으로 구분될 수 있다.
구체적으로, 상기 양극측 기액분리기(200)는 양극 회수관(210)을 통해 양극실(130)에 연통하고, 양극실(130)에서 배출된 전해액 및 산소 가스를 기액 분리한다. 상기 음극측 기액분리기(300)는 음극 회수관(310)을 통해 음극실(150)에 연통하고, 음극실(150)에서 배출된 전해액 및 수소 가스를 기액 분리한다.
이때, 상기 양극 회수관(210) 및 음극 회수관(310)은 상기 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)의 상부에 연통될 수 있다.
양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)의 상부에 양극 회수관(210) 및 음극 회수관(310)이 연통하는 경우, 전해조로부터 배출된 용존 가스를 포함하는 전해액이 기액분리기 내부에서 액면으로 떨어지는 시간이 늘어남으로써, 기액 분리 효율을 증가시킬 수 있다.
상기 전해액 보정부(400)는 양극 전해액 회수관(230)을 통해 양극측 기액분리기(200) 및 음극 전해액 회수관(330)을 통해 음극측 기액분리기(300)와 연통하고, 상기 전해액 보정부(400) 내부에는 격막(500)이 구비되어 있다.
구체적으로, 상기 전해액 보정부(400)는 양극측 기액분리기(200)와 양극 전해액 회수관(230)을 통해 연통하는 양극실 전해액 수용부(410) 및 상기 음극측 기액분리기(300)와 음극 전해액 회수관(330)을 통해 연통하는 음극실 전해액 수용부(420)를 포함하고, 상기 양극실 전해액 수용부(410) 및 상기 음극실 전해액 수용부(420)는 격막(500)에 의해 구분되어 있다.
이때, 상기 양극 전해액 회수관(230)은 양극측 기액분리기(200)의 액상 영역(201)과 연통하며, 상기 음극 전해액 회수관(330)은 음극측 기액분리기(300)의 액상 영역(301)과 연통한다.
상기 전해액 보정부(400)는 상기 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)의 액상 영역(201, 301)에 존재하는 전해액을 수용하고, 이를 각각 양극실 전해액 수용부(410)와 연통된 양극 전해액 공급관(440) 및 음극실 전해액 수용부(420)와 연통된 음극 전해액 공급관(450)을 통해 전해조(100)의 양극실(130) 및 음극실(150)로 공급한다.
또한, 상기 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)에는 전해액 보정부(400)의 전해액을 전해조(100)에 공급하기 위한 순환 펌프(600)를 구비할 수 있다. 이때, 상기 순환 펌프(600)는 상기 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)을 하나의 공급관으로 합친 후 하나의 순환 펌프만으로 구성하여도 좋다.
상기 전해액 보정부(400)에 구비된 격막(500)으로 양극측 기액분리기(200)에서 유입된 전해액과 음극측 기액분리기(300)에서 유입된 전해액이 전해액 보정부 내에서 구분될 수 있다.
상기 격막(500)은 이온 및 전해액은 통과시키고, 전해조에서 생성된 수소 가스 및 산소 가스를 격리하기 위하여 액체와 기체의 투과도가 다를 수 있다.
구체적으로, 상기 격막은 기공을 포함하고, 기공의 크기를 조절함으로써, 액체와 기체의 투과도를 다르게 할 수 있다. 또는, 고분자 수지 섬유 또는 무기 입자의 크기를 조절함으로써, 액체와 기체의 투과도를 다르게 할 수 있다.
예를 들어, 상기 기공, 고분자 수지 섬유 또는 무기 입자의 크기는 0.01μm 내지 10μm일 수 있다.
상기와 같은 특성을 가지는 격막은 기공의 지름, 표면적, 친수화도 및 기공의 형성 구조를 조절함으로써 달성할 수 있으며, 예를 들어, 고분자 다공막, 무기 다공막, 직포 또는 부직포를 이용할 수 있다.
상기 격막은 전해액 및 이온은 투과 가능하고, 기체는 불투과성일 수 있다.
상기 기체가 불투과성이라함은 기체의 투과율이 5 bar의 압력에서 측정 시 10 l/min·cm3이하인 것일 수 있으며, 예를 들어, 상기 격막은 5 bar의 압력에서 측정 시 기체 투과율이 7 l/min·cm3이하 또는 5 l/min·cm3이하일 수 있다.
상기 격막(500)의 소재로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리술폰, 폴리페닐렌 술피드, 폴리에테르 술폰, 폴리페닐 술폰, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌옥시드, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아미드, 폴리에테르 에테르 케톤, 술폰화 폴리에테르 에테르 케톤, 폴리이미드 및 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.
상기 격막(500)은 다공막일 수 있으며, 3차원 다공성 네트워크를 가질 수 있다.
다공막의 기공의 크기는 전해액 및 이온은 투과 가능하고, 기체는 불투과성으로 제어할 수 있으면, 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 0.01μm 내지 10μm 일 수 있다.
또한, 상기 격막(500)은 이온 교환막일 수 있으며, 상기 이온 교환막은 음이온 교환막 또는 양이온 교환막일 수 있다. 상기 이온 교환막의 예로는 불소 함유계 이온 교환막을 들 수 있다. 이때, 상기 이온 교환막은 다공성 또는 비다공성일 수 있다.
본 발명은 상기 전해액 보정부(400)에 상기와 같은 격막(500)을 구비함으로써, 전해액 보정부 내에서 양극에서 발생된 산소 가스와 음극에서 발생된 수소 가스의 혼입을 방지할 수 있으며, 이를 통해, 산소 가스 내 수소 가스의 농도 및 수소 가스 내 산소 가스의 농도를 폭발범위 이하로 유지할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 수전해 장치는 전해조(100)의 양극실(130), 양극 회수관(210), 양극측 기액분리기(200), 양극 전해액 회수관(230), 양극실 전해액 수용부(410) 및 양극 전해액 공급관(440)을 순환하는 전해액과 전해조(100)의 음극실(150), 음극 회수관(310), 음극측 기액분리기(300), 음극 전해액 회수관(330), 음극실 전해액 수용부(420) 및 음극 전해액 공급관(450)을 순환하는 전해액이 각각 독립적으로 순환한다.
따라서, 본 발명에 따른 수전해 장치는 각각 산소 가스와 수소 가스가 용존하는 양극실 및 음극실의 전해액의 상기 산소 및 수소 가스가 혼합되지 않으므로 수소 가스의 농도를 폭발범위 이내에서 유지할 수 있다.
또한, 전해조(100)의 양극실(130) 및 음극실(150)에서는 각각 수산화이온(OH-)이 소모되는 반응과 생성되는 반응에 의해 양극실에서 배출되는 전해액과 음극실에서 배출되는 전해액 간의 농도 구배가 발생하여 이에 따른 전해액의 농도 차이를 보정하는 과정에서 수소 가스와 산소 가스가 혼합되는 문제가 있었으나, 본 발명은 전해액 보정부에 격막(500)을 구비하고, 상기 격막은 이온 투과성을 가지기 때문에 양극실(130)에서 배출된 전해액과 음극실(150)에서 배출된 전해액의 농도 차이를 보정할 수 있다. 따라서, 상기 전해액 액면 차이 발생으로 인한 부가적인 장치를 필요로 하는 문제와 전해액 재주입 및 가동 안정화에 따른 공정성이 저하되는 문제를 해결할 수 있다.
또한, 상기 전해액 보정부(400)는, 양극측 기액분리기(200)에서 유입되는 전해액과 음극측 기액분리기(300)에서 유입되는 전해액이 복수의 격막을 사이에 두고 서로 교번하여 유입할 수 있다.
즉, 상기 전해액 보정부(400)는, 격막이 복수로 구비됨으로써, 양극실 전해액 수용부(410) 및 상기 음극실 전해액 수용부(420)가 복수로 형성될 수 있으며, 이때, 양극실 전해액 수용부(410) 및 상기 음극실 전해액 수용부(420)는 서로 교번하며 복수로 배치될 수 있다.
상기와 같이 양극실 전해액 수용부(410) 및 상기 음극실 전해액 수용부(420)가 복수의 격막을 사이에 두고 형성되면, 양극측 기액분리기(200)에서 유입된 상대적으로 저 농도의 전해액과 음극측 기액분리기(300)에서 유입된 상대적으로 고 농도의 전해액이 서로 이온을 교환함으로써, 농도 차이가 해소될 수 있다.
이때, 상기 복수의 격막은 양이온 교환막이거나 음이온 교환막일 수 있으며, 양이온 교환막으로만 형성되거나, 음이온 교환막으로만 형성될 수 있다.
또한, 상기 복수의 격막은 양이온 교환막과 음이온 교환막이 교대로 구비된 것일 수 있다.
이때, 양극실 전해액 수용부(410) 및 상기 음극실 전해액 수용부(420)가 서로 교번하며 배치될 때, 수용부가 교번하여 배열되는 방향에 따라 교대로 배치되는 복수의 격막은 양이온 교환막과 음이온 교환막이 교대로 구비되는 것일 수 있다.
또한, 상기 전해액 보정부(400) 내 양단에는 양극 및 음극이 구비되어, 양극과 음극 사이에 격막이 위치할 수 있다. 전극에 전원을 인가하여 기전력 차이가 발생하면, 상기 이온의 교환 속도가 빨라져서 생산성이 향상될 수 있다.
구체적으로, 상기 격막은 양이온 교환막 또는 음이온 교환막이고, 양극실 전해액 수용부의 양극과 인접한 측면에는 양이온교환막이 위치하고, 음극과 인접한 측면에는 음이온교환막이 위치하며, 음극실 전해액 수용부의 양극과 인접한 측면에는 음이온교환막이 위치하고, 음극과 인접한 측면에는 양이온교환막이 위치할 수 있다. 또한, 양극 및 음극이 구비된 공간에는 별도의 전해질을 공급하도록 구성할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 전해액은 알칼리염이 용해된 알칼리 수용액일 수 있다. 예를 들어, 상기 전해액은 NaOH 수용액 또는 KOH 수용액 일 수 있다.
이때, 알칼리염의 농도는 1질량% 내지 50질량%일 수 있으며, 예를 들어, 전핵액이 NaOH 수용액인 경우 NaOH의 함량은 1질량% 내지 20질량% 또는 10질량% 내지 15질량%일 수 있다. 또한, 전해액이 KOH 수용액인 경우 KOH의 함량은 20질량% 내지 50질량%일 수 있으며, 예를 들어, 25 질량% 내지 40질량% 또는 25질량% 내지 35질량%일 수 있다.
또한, 상기 전해조의 음극실(150), 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부(420), 음극측 기액분리기(300) 및 음극 순환라인(350)에는 물 저장조로부터 물을 공급하기 위한 물 공급관 및 물 공급 펌프가 구비될 수 있다.
본 발명은 다른 실시 형태로서, 상기 양극측 기액분리기(200)는 양극 순환라인(250)을 따라 전해액 보정부의 양극실 전해액 수용부(410)의 후단 및 전해조의 양극실(130)의 전단에 구비되고, 상기 음극측 기액분리기(300)는 음극 순환라인(350)을 따라 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부(420)의 후단 및 전해조의 음극실(150)의 전단에 구비될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 실시 형태에서는 양극 순환라인(250)은 양극실(130)과 양극실 전해액 수용부(410)를 연통하는 제2 양극 회수관(211), 양극실 전해액 수용부(410)와 양극측 기액분리기(200)를 연통하는 제2 양극 전해액 회수관(231) 및 양극측 기액분리기(200)와 양극실(130)을 연통하는 제2 양극 양극 전해액 공급관(441)으로 구분될 수 있다.
또한, 음극 순환라인(350)은 음극실(150)과 음극실 전해액 수용부(420)를 연통하는 제2 음극 회수관(311), 음극실 전해액 수용부(420)와 음극측 기액분리기(300)를 연통하는 제2 음극 전해액 회수관(331) 및 음극측 기액분리기(300)와 음극실(150)을 연통하는 제2 음극 전해액 공급관(451)으로 구분될 수 있다.
상기 양극실 전해액 수용부(410)는 제2 양극 회수관(211)을 통해 양극실(130)에 연통하고, 양극실(130)에서 배출된 전해액 및 산소 가스를 수용한다. 상기 음극실 전해액 수용부(420)는 제2 음극 회수관(311)을 통해 음극실(150)에 연통하고, 음극실(150)에서 배출된 전해액 및 수소 가스를 수용한다.
상기 전해액 보정부(400)에서는 격막(500)을 통해 상기 양극실 전해액 수용부(410) 내의 전해액과 상기 음극실 전해액 수용부(420) 내의 전해액의 이온을 교환한다.
상기 이온 교환을 통해 양극실 전해액 수용부(410) 내의 전해액과 상기 음극실 전해액 수용부(420) 내의 전해액 간의 농도 차이가 해소된다.
상기 양극실 전해액 수용부(410)는 제2 양극 전해액 회수관(231)을 통해 양극측 기액분리기(200)에 연통하고, 상기 음극실 전해액 수용부(420)는 제2 음극 전해액 회수관(331)을 통해 음극측 기액분리기(300)에 연통한다.
상기 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)의 액상 영역에 존재하는 전해액은 제2 양극 전해액 공급관(441) 및 제2 음극 전해액 공급관(451)을 통해 각각 전해조(100)의 양극실(130) 및 음극실(150)로 공급된다.
상기 도 2에 따른 실시 형태와 도 3에 따른 실시 형태는 양극측 기액분리기(200)및 음극측 기액분리기(300)의 위치가 전해조의 전단인지 후단인지에 따른 차이만 있을 뿐, 전해액 보정부(400)의 주요한 역할 및 구조는 공통되며, 전술한 주요 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 전해액은 KOH를 사용할 수 있으며, 전해액의 농도는 20 내지 50%일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
또한, 운전 조건을 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 전해액의 온도는 30℃ 내지 200℃일 수 있고, 전해조의 전류 밀도는 1kA/m2 내지 50kA/m2 일 수 있으며, 전해조의 압력은 0.1 Mpa 내지 20Mpa일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로써 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
제1-1 실시 형태
도 2를 참조하면, 본 발명은 일 실시 형태로서, 격벽(110)으로 구분된 양극실(130) 및 음극실(150)을 포함하는 전해조(100), 상기 양극실(130)과 양극 회수관(210)을 통해 연통하는 양극측 기액분리기(200), 상기 음극실(150)과 음극 회수관(310)을 통해 연통하는 음극측 기액분리기(300), 및 상기 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)와 각각 양극 전해액 회수관(230) 및 음극 전해액 회수관(330)을 통해 연통하는 전해액 보정부(400)의 양극실 전해액 수용부(410) 및 음극실 전해액 수용부(420)를 포함하고, 상기 전해액 보정부(400) 내부에는 격막(500)이 구비되며, 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)을 통해 전해조(100)의 양극실 및 음극실로 전해액을 공급한다. 이때, 상기 양극 전해액 공급관(440) 및 상기 음극 전해액 공급관(450)에는 순환 펌프(600)가 구비될 수 있다.
상기 전해액으로는 KOH 수용액를 사용할 수 있다.
상기 전해조(100)에서는 전해액 보정부(400)로부터 몰 농도가 x인 전해액을 공급받아 하기와 같은 반응이 일어난다.
양극: 2OH- → 1/2O2 + H2O + 2e-
음극: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
즉, 양극실에서는 수산화 이온(OH-)이 소모되며 산소 가스가 발생하고, 음극실에서는 수산화 이온(OH-)이 생성되며 수소 가스가 발생한다. 이에 따라, 양극실에서 배출되는 전해액의 몰 농도는 (x-a) 몰이 되고 여기에는 산소 가스가 용존하고 있다. 또한, 음극실에서 배출되는 전해액의 몰 농도는 (x+a) 몰이 되며 여기에는 수소 가스가 용존하고 있다.
상기 양극실(130) 및 음극실(150)에서 배출된 전해액은 양극 회수관(210) 및 음극 회수관(310)을 통해 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)로 이동한다.
상기 양극측 기액분리기(200)에서는 전해액 내의 용존 산소 가스는 기상 영역으로, 전해액은 액상 영역으로 존재하며, 상기 기상 영역에는 계 외부로 상기 산소 가스를 배출하기 위한 산소 가스 배출관(220)이 구비될 수 있다. 또한, 상기 액상 영역에 존재하는 전해액은 양극 전해액 회수관(230)을 통해 전해액 보정부(400)의 양극실 전해액 수용부(410)로 유입된다.
상기 음극측 기액분리기(300)에서는 전해액 내의 용존 수소 가스는 기상 영역으로, 전해액은 액상 영역으로 존재하며, 상기 기상 영역에는 계 외부로 상기 수소 가스를 배출하기 위한 수소 가스 배출관(320)이 구비될 수 있다. 또한, 상기 액상 영역에 존재하는 전해액은 음극 전해액 회수관(330)을 통해 전해액 보정부(400)의 음극실 전해액 수용부(420)로 유입된다.
이때, 상기 액상 영역에 존재하는 전해액에는 산소 및 수소 가스가 일부 용존하고 있다.
도 4를 참조하면, 상기 전해액 보정부(400)는 격막(500)에 의해 상기 양극 전해액 회수관(230)을 통해 유입되는 (x-a) 몰의 전해액과 상기 음극 전해액 회수관(330)을 통해 유입되는 (x+a) 몰의 전해액이 각각 양극실 전해액 수용부(410)와 음극실 전해액 수용부(420)에 공급된다.
상기 격막(500)은 이온은 통과시키고, 전해조에서 생성된 수소 가스 및 산소 가스의 투과를 차단하기 위하여 이온 투과성 격막이 이용된다.
상기 격막은 복수의 미세한 관통 기공을 가지고, 전해액을 투과할 수 있는 구조를 가지며, 전해액 내에 용존하는 수소 가스 및 산소 가스는 투과하지 못하도록 가스 차단성을 가진다.
따라서, 음극 전해액 회수관(330)을 통해 유입된 (x+a) 몰의 전해액은 양극 전해액 회수관(230)을 통해 유입된 (x-a) 몰의 전해액 보다 농도가 높으므로, 음극 전해액 회수관을 통해 유입된 전해액의 이온은 상기 격막을 통하여 양극 전해액 회수관(230)을 통해 유입된 전해액으로 이동하게 되고, 이에 따라 격막으로 구분된 전해액 보정부(400) 내의 전해액의 농도 구배는 사라지게 된다.
또한, 상기 전해액 보정부(400)는 상기 격막(500)에 의하여 산소 가스 및 수소 가스의 혼입이 방지되므로, 산소 가스 내에 수소 가스의 농도가 폭발범위 이상으로 형성되어 폭발하는 위험성을 방지할 수 있다.
제1-2 실시 형태
제1-2 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400) 내에 다공성 격막이 복수로 구비되어 있는 것을 제외하고는 제1-1 실시 형태와 동일하게 구성된다.
상기 전해액 보정부(400)는 n개의 복수의 다공성 격막에 의해 n+1개의 전해액 수용부가 발생하고, 상기 n+1개의 전해액 수용부에는 양극측 기액분리기(200)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액과 음극측 기액분리기(300)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액이 교번하여 유입된다.
이때, 전해액 보정부(400)에서 전해조(100)로 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)은 각각 하나로 형성될 수 있고, 전해액 수용부로 원할한 공급을 위하여 내부에 분지(매니폴드)를 가질 수 있다. 또한, 상기 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
제1-3 실시 형태
제1-3 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400) 내에 다공성 격막이 아닌 양이온 교환막(510)을 사용하는 것을 제외하고는 제1-1 실시 형태와 동일하게 구성된다.
상기 양이온 교환막(510)은 전해액 내 양이온만을 선택적으로 투과시키며, 가스 차단성을 가진다.
이때, 전해액 보정부(400)의 내부에서는 음극측 기액분리기(300)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 양이온(즉, K+ 이온)이 농도 구배에 의해 양이온 교환막을 통해 인접하는 양극측 기액분리기(200)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이후, 이온 밸런스를 맞추기 위하여 양이온 교환막은 양이온 선택성을 가짐에도 불구하고, 음이온이 막을 통과하여 이동할 수 있다. 즉, 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 음이온(즉, OH- 이온)이 양이온 교환막을 통해 인접하는 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이에 따라, 최종적으로 전해액 보정부(400)에서 배출되는 전해액의 농도는 x 몰이 된다.
제1-4 실시 형태
제1-4 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400) 내에 양이온 교환막(510)이 복수로 구비되어 있는 것을 제외하고는 제1-3 실시 형태와 동일하게 구성된다.
도 5를 참조하면, 상기 양이온 교환막은 전해액 내 양이온만을 선택적으로 투과시키며, 가스 차단성을 가진다.
상기 전해액 보정부(400)는 n개의 복수의 양이온 교환막에 의해 n+1개의 전해액 수용부가 발생하고, 상기 n+1개의 전해액 수용부에는 양극측 기액분리기(200)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액과 음극측 기액분리기(300)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액이 교번하여 유입된다.
이때, 전해액 보정부(400)의 내부에서는 음극측 기액분리기(300)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 양이온(즉, K+ 이온)이 농도 구배에 의해 양이온 교환막을 통해 인접하는 양극측 기액분리기(200)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이후, 이온 밸런스를 맞추기 위하여 양이온 교환막은 양이온 선택성을 가짐에도 불구하고, 음이온이 막을 통과하여 이동할 수 있다. 즉, 이온 밸런스를 맞추기 위하여 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 음이온(즉, OH- 이온)이 이온 교환막을 통해 인접하는 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이에 따라, 최종적으로 전해액 보정부(400)에서 배출되는 전해액의 농도는 x 몰이 된다.
이때, 전해액 보정부(400)에서 전해조(100)로 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 상기 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
또한, 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)에서 전해액 보정부(400)로 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 회수관(230) 및 음극 전해액 회수관(330)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 양극 전해액 회수관(230) 및 음극 전해액 회수관(330)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
상기 전해액 보정부의 내부에는 전해액의 원할한 공급 및 배출을 위하여 분지(매니폴드)를 가질 수 있다.
또한, 상기 양이온 교환막(510)은 가스 차단성을 가지므로, 산소 가스 및 수소 가스의 혼입이 방지되고, 산소 가스 내에 수소 가스의 농도 및 수소 가스 내에 산소 가스의 농도가 폭발범위 이상으로 형성되어 폭발하는 위험성을 방지할 수 있다.
제1-5 실시 형태
제1-5 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400) 내에 다공성 격막이 아닌 음이온 교환막(520)을 사용하는 것을 제외하고는 제1-1 실시 형태와 동일하게 구성된다.
상기 음이온 교환막(520)은 전해액 내 음이온만을 선택적으로 투과시키며, 가스 차단성을 가진다.
이때, 전해액 보정부(400)의 내부에서는 음극측 기액분리기(300)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액의 음이온(즉, OH- 이온)이 농도 구배에 의해 음이온 교환막(520)을 통해 인접하는 양극측 기액분리기(200)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이후, 이온 밸런스를 맞추기 위하여 음이온 교환막은 음이온 선택성을 가짐에도 불구하고, 양이온이 막을 통과하여 이동할 수 있다. 즉, 음극측 기액분리기(300)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액의 양이온(즉, K+ 이온)이 음이온 교환막을 통해 인접하는 양극측 기액분리기(200)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이에 따라, 최종적으로 전해액 보정부(400)에서 배출되는 전해액의 농도는 x 몰이 된다.
제1-6 실시 형태
제1-6 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400) 내에 음이온 교환막(520)이 복수로 구비되어 있는 것을 제외하고는 제1-5 실시 형태와 동일하게 구성된다.
도 6을 참조하면, 상기 음이온 교환막(520)은 전해액 내 음이온만을 선택적으로 투과시키며, 가스 차단성을 가진다.
상기 전해액 보정부(400)는 n개의 복수의 음이온 교환막에 의해 n+1개의 전해액 유입 공간이 발생하고, 상기 n+1개의 전해액 유입 공간에는 양극측 기액분리기(200)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액과 음극측 기액분리기(300)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액이 교번하여 유입된다.
이때, 전해액 보정부(400)의 내부에서는 음극측 기액분리기(300)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액의 음이온(즉, OH- 이온)이 농도 구배에 의해 음이온 교환막을 통해 인접하는 양극측 기액분리기(200)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이후, 이온 밸런스를 맞추기 위하여 음이온 교환막은 음이온 선택성을 가짐에도 불구하고, 양이온이 막을 통과하여 이동할 수 있다. 즉, 음극측 기액분리기(300)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액의 양이온(즉, K+ 이온)이 이온 교환막을 통해 인접하는 양극측 기액분리기(200)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이에 따라, 최종적으로 전해액 보정부(400)에서 배출되는 전해액의 농도는 x 몰이 된다.
이때, 전해액 보정부(400)에서 전해조(100)로 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 상기 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
또한, 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)에서 전해액 보정부(400)로 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 회수관(230) 및 음극 전해액 회수관(330)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 양극 전해액 회수관(230) 및 음극 전해액 회수관(330)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
상기 전해액 보정부의 내부에는 전해액의 원할한 공급 및 배출을 위하여 분지(매니폴드)를 가질 수 있다.
또한, 상기 음이온 교환막(520)은 가스 차단성을 가지므로, 산소 가스 및 수소 가스의 혼입이 방지되고, 산소 가스 내에 수소 가스의 농도 및 수소 가스 내에 산소 가스의 농도가 폭발범위 이상으로 형성되어 폭발하는 위험성을 방지할 수 있다.
제1-7 실시 형태
도 7을 참조하면, 제1-7 실시 형태는 상기 전해조 보정부(400) 내에 복수의 양이온 교환막(510) 및 복수의 음이온 교환막(520)이 교대로 구비된 것이다. 이때, 상기 양이온 교환막은 전해액 내 양이온만을 선택적으로 투과시키고, 상기 음이온 교환막은 전해액 내 음이온만을 선택적으로 투과시킨다.
상기 전해액 보정부(400)는 n개의 복수의 양이온 교환막(510) 및 음이온 교환막(520)에 의해 n+1개의 전해액 수용부가 발생하고, 상기 n+1개의 전해액 수용부에는 양극측 기액분리기(200)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액과 음극측 기액분리기(300)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액이 교번하여 유입된다.
이때, 전해액 보정부(400)의 내부에서는 음극측 기액분리기(300)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 음이온(즉, OH- 이온)이 농도 구배에 의해 음이온 교환막(520)을 통해 인접하는 양극측 기액분리기(200)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 또한, 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 양이온(즉, K+ 이온)이 양이온 교환막(510)을 통해 인접하는 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이에 따라, 최종적으로 전해액 보정부(400)에서 배출되는 전해액의 농도는 x 몰이 된다.
이때, 전해액 보정부(400)에서 전해조(100)로 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 상기 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(450)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
또한, 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)에서 전해액 보정부(400)로 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 회수관(230) 및 음극 전해액 회수관(330)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 양극 전해액 회수관(230) 및 음극 전해액 회수관(330)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
*상기 전해액 보정부의 내부에는 전해액의 원할한 공급 및 배출을 위하여 분지(매니폴드)를 가질 수 있다.
또한, 상기 양이온 교환막(510)은 가스 차단성을 가지므로, 산소 가스 및 수소 가스의 혼입이 방지되고, 산소 가스 내에 수소 가스의 농도 및 수소 가스 내에 산소 가스의 농도가 폭발범위 이상으로 형성되어 폭발하는 위험성을 방지할 수 있다.
제1-8 실시 형태
도 8을 참조하면, 제1-8 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400)의 양단부에 전극이 구비되어 있는 것을 제외하고는 제1-7 실시 형태와 동일하게 구성된다.
상기 전해조 보정부(400)의 양단부에는 양극(460) 및 음극(470)이 구비된다. 상기 양극(460) 및 음극(470)에 전원을 인가하여 전위차를 발생시키면, 상기 전해조 보정부(400) 내부의 전해액은 양이온 교환막(510) 및 음이온 교환막(520)을 통해 이온이 이동하게 된다.
이때, 양극실 전해액 수용부(410)의 양극과 인접한 측면에는 양이온교환막(510)이 위치하고, 음극과 인접한 측면에는 음이온교환막(520)이 위치하며, 음극실 전해액 수용부(420)의 양극과 인접한 측면에는 음이온교환막(520)이 위치하고, 음극과 인접한 측면에는 양이온교환막(510)이 위치한다.
상기와 같이 전극을 사용하여 기전력의 차이를 이용하는 경우 이온의 이동이 빨라지므로, 전해액의 농도 보정의 시간을 줄일 수 있다.
제2-1 실시 형태
도 3을 참조하면, 본 발명은 일 실시 형태로서, 격벽(110)으로 구분된 양극실(130) 및 음극실(150)을 포함하는 전해조(100), 상기 양극실(130)과 제2 양극 회수관(211)을 통해 연통하는 전해액 보정부(400)의 양극실 전해액 수용부(410), 상기 음극실(150)과 제2 음극 회수관(311)을 통해 연통하는 전해액 보정부(400)의 음극실 전해액 수용부(420), 상기 전해액 보정부(400) 내부는 격막(500)에 의해 양극실 전해액 수용부(410)와 음극실 전해액 수용부(420)가 구분되며, 상기 양극실 전해액 수용부(410) 및 음극실 전해액 수용부(420)와 각각 제2 양극 전해액 회수관(231) 및 제2 음극 전해액 회수관(331)을 통해 연통하는 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)를 포함하고, 상기 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)는 제2 양극 전해액 공급관(441) 및 제2 음극 전해액 공급관(451)을 통해 전해조(100)의 양극실 및 음극실로 전해액을 공급한다. 이때, 상기 제2 양극 전해액 공급관(441) 및 상기 제2 음극 전해액 공급관(451)에는 순환 펌프(600)가 구비될 수 있다.
상기 전해액으로는 KOH 수용액을 사용할 수 있다.
상기 전해조(100)에서는 전해액 보정부(400)로부터 몰 농도가 x인 전해액을 공급받아 하기와 같은 반응이 일어난다.
양극: 2OH- → 1/2O2 + H2O + 2e-
음극: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
즉, 양극실에서는 수산화 이온(OH-)이 소모되며 산소 가스가 발생하고, 음극실에서는 수산화 이온(OH-)이 생성되며 수소 가스가 발생한다. 이에 따라, 양극실에서 배출되는 전해액의 몰 농도는 (x-a) 몰이 되고 여기에는 산소 가스가 용존하고 있다. 또한, 음극실에서 배출되는 전해액의 몰 농도는 (x+a) 몰이 되며 여기에는 수소 가스가 용존하고 있다.
상기 양극실(130) 및 음극실(150)에서 배출된 전해액은 제2 양극 회수관(211) 및 제2 음극 회수관(311)을 통해 전해액 보정부(400)의 양극실 전해액 수용부(410) 및 음극실 전해액 수용부(420)로 이동한다.
상기 제2 양극 회수관(211) 및 제2 음극 회수관(311)을 통해 전해액 보정부(400)로 유입되는 전해액은 각각 산소 가스 및 수소 가스가 용존하고 있다. 본 실시 형태에 따른 수전해 장치는 전해조에서 배출된 산소 가스 및 수소 가스와 전해액이 양극측 기액 분리기(200) 및 음극측 기액 분리기(300)를 통과하기 전이므로, 상기 제1 실시 형태에 비하여 상대적으로 고농도의 산소 가스 및 수소 가스가 용존하고 있다.
도 4를 참조하면, 상기 전해액 보정부(400)는 격막(500)에 의해 상기 제2 양극 회수관(211)을 통해 유입되는 (x-a) 몰의 전해액과 상기 제2 음극 회수관(311)을 통해 유입되는 (x+a) 몰의 전해액이 각각 양극실 전해액 수용부(410)와 음극실 전해액 수용부(420)에 공급된다.
상기 격막(500)은 이온은 통과시키고, 전해조에서 생성된 수소 가스 및 산소 가스를 격리하기 위하여 이온 투과성 격막이 이용된다.
상기 격막은 복수의 미세한 관통 기공을 가지고, 전해액을 투과할 수 있는 구조를 가지며, 전해액 내에 용존하는 수소 가스 및 산소 가스는 투과하지 못하도록 가스 차단성을 가진다.
따라서, 제2 음극 회수관(311)을 통해 유입된 음극실 전해액 수용부(420)의 (x+a) 몰의 전해액은 제2 양극 회수관(211)을 통해 유입된 양극실 전해액 수용부(410)의 (x-a) 몰의 전해액 보다 농도가 높으므로, 음극실 전해액 수용부(420)의 전해액의 이온은 상기 격막을 통하여 양극실 전해액 수용부(410)의 전해액으로 이동하게 되고, 이에 따라 격막으로 구분된 전해액 보정부 내의 전해액의 농도 구배는 사라지게 된다.
또한, 상기 전해액 보정부(400)는 상기 격막(500)에 의하여 산소 가스 및 수소 가스의 혼입이 방지되므로, 산소 가스 내에 수소 가스의 농도가 폭발범위 이상으로 형성되어 폭발하는 위험성을 방지할 수 있다.
상기 양극측 기액분리기(200)에서는 전해액 내의 용존 산소 가스는 기상 영역으로, 전해액은 액상 영역으로 존재하며, 상기 기상 영역에는 계 외부로 상기 산소 가스를 배출하기 위한 산소 가스 배출관(220)이 구비될 수 있다. 또한, 상기 액상 영역에 존재하는 전해액은 제2 양극 전해액 공급관(441)을 통해 전해조(100)의 양극실(130)로 유입된다.
상기 음극측 기액분리기(300)에서는 전해액 내의 용존 수소 가스는 기상 영역으로, 전해액은 액상 영역으로 존재하며, 상기 기상 영역에는 계 외부로 상기 수소 가스를 배출하기 위한 수소 가스 배출관(320)이 구비될 수 있다. 또한, 상기 액상 영역에 존재하는 전해액은 제2 음극 전해액 공급관(451)을 통해 전해조(100)의 음극실(150)로 유입된다.
제2-2 실시 형태
제2-2 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400) 내에 다공성 격막이 복수로 구비되어 있는 것을 제외하고는 제2-1 실시 형태와 동일하게 구성된다.
상기 전해액 보정부(400)는 n개의 복수의 다공성 격막에 의해 n+1개의 전해액 수용부가 발생하고, 상기 n+1개의 전해액 수용부에는 양극실(130)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액과 음극실(150)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액이 교번하여 유입된다.
이때, 전해액 보정부(400)에서 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)로 전해액을 공급하기 위한 제2 양극 전해액 회수관(231) 및 제2 음극 전해액 회수관(331)은 각각 하나로 형성될 수 있고, 전해액 수용부로 원할한 공급을 위하여 내부에 분지(매니폴드)를 가질 수 있다. 또한, 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
제2-3 실시 형태
제2-3 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400) 내에 다공성 격막이 아닌 양이온 교환막(510)을 사용하는 것을 제외하고는 제2-1 실시 형태와 동일하게 구성된다.
상기 양이온 교환막(510)은 전해액 내 양이온만을 선택적으로 투과시키며, 가스 차단성을 가진다.
이때, 전해액 보정부(400)의 내부에서는 음극실(150)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 양이온(즉, K+ 이온)이 농도 구배에 의해 양이온 교환막을 통해 인접하는 양극실(130)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이후, 이온 밸런스를 맞추기 위하여 양이온 교환막은 양이온 선택성을 가짐에도 불구하고, 음이온이 막을 통과하여 이동할 수 있다. 즉, 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 음이온(즉, OH- 이온)이 양이온 교환막을 통해 인접하는 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이에 따라, 최종적으로 전해액 보정부(400)에서 배출되는 전해액의 농도는 x 몰이 된다.
제2-4 실시 형태
제2-4 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400) 내에 양이온 교환막(510)이 복수로 구비되어 있는 것을 제외하고는 제2-3 실시 형태와 동일하게 구성된다.
도 5를 참조하면, 상기 양이온 교환막은 전해액 내 양이온만을 선택적으로 투과시키며, 가스 차단성을 가진다.
상기 전해액 보정부(400)는 n개의 복수의 양이온 교환막에 의해 n+1개의 전해액 수용부가 발생하고, 상기 n+1개의 전해액 수용부에는 양극실(130)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액과 음극실(150)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액이 교번하여 유입된다.
이때, 전해액 보정부(400)의 내부에서는 음극실(150)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 양이온(즉, K+ 이온)이 농도 구배에 의해 양이온 교환막을 통해 인접하는 양극실(130)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이후, 이온 밸런스를 맞추기 위하여 양이온 교환막은 양이온 선택성을 가짐에도 불구하고, 음이온이 막을 통과하여 이동할 수 있다. 즉, 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 음이온(즉, OH- 이온)이 이온 교환막을 통해 인접하는 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이에 따라, 최종적으로 전해액 보정부(400)에서 배출되는 전해액의 농도는 x 몰이 된다.
이때, 전해액 보정부(400)에서 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)로 전해액을 공급하기 위한 제2 양극 전해액 회수관(231) 및 제2 음극 전해액 회수관(331)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 제2 양극 전해액 회수관(231) 및 제2 음극 전해액 회수관(331)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
또한, 전해조(100)에서 전해액 보정부(400)로 전해액을 공급하기 위한 극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)로 전해액을 공급하기 위한 제2 양극 회수관(211) 및 제2 음극 회수관(311)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 제2 양극 회수관(211) 및 제2 음극 회수관(311)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
상기 전해액 보정부의 내부에는 전해액의 원할한 공급 및 배출을 위하여 분지(매니폴드)를 가질 수 있다.
또한, 상기 양이온 교환막(510)은 가스 차단성을 가지므로, 산소 가스 및 수소 가스의 혼입이 방지되고, 산소 가스 내에 수소 가스의 농도 및 수소 가스 내에 산소 가스의 농도가 폭발범위 이상으로 형성되어 폭발하는 위험성을 방지할 수 있다.
제2-5 실시 형태
제2-5 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400) 내에 다공성 격막이 아닌 음이온 교환막(520)을 사용하는 것을 제외하고는 제2-1 실시 형태와 동일하게 구성된다.
*상기 음이온 교환막(520)은 전해액 내 음이온만을 선택적으로 투과시키며, 가스 차단성을 가진다.
이때, 전해액 보정부(400)의 내부에서는 음극실(150)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 음이온(즉, OH- 이온)이 농도 구배에 의해 음이온 교환막을 통해 인접하는 양극실(130)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이후, 이온 밸런스를 맞추기 위하여 음이온 교환막은 음이온 선택성을 가짐에도 불구하고, 양이온이 막을 통과하여 이동할 수 있다. 즉, 음극실(150)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 양이온(즉, K+ 이온)이 음이온 교환막을 통해 인접하는 양극실(130)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이에 따라, 최종적으로 전해액 보정부(400)에서 배출되는 전해액의 농도는 x 몰이 된다.
제2-6 실시 형태
제2-6 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400) 내에 음이온 교환막(520)이 복수로 구비되어 있는 것을 제외하고는 제2-5 실시 형태와 동일하게 구성된다.
도 6을 참조하면, 상기 음이온 교환막(520)은 전해액 내 음이온만을 선택적으로 투과시키며, 가스 차단성을 가진다.
상기 전해액 보정부(400)는 n개의 복수의 음이온 교환막에 의해 n+1개의 전해액 수용부가 발생하고, 상기 n+1개의 전해액 수용부에는 양극실(130)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액과 음극실(150)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액이 교번하여 유입된다.
이때, 전해액 보정부(400)의 내부에서는 음극실(150)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 음이온(즉, OH- 이온)이 농도 구배에 의해 음이온 교환막을 통해 인접하는 양극실(130)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이후, 이온 밸런스를 맞추기 위하여 음이온 교환막은 음이온 선택성을 가짐에도 불구하고, 양이온이 막을 통과하여 이동할 수 있다. 즉, 음극실(150)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 양이온(즉, K+ 이온)이 이온 교환막을 통해 인접하는 양극실(130)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이에 따라, 최종적으로 전해액 보정부(400)에서 배출되는 전해액의 농도는 x 몰이 된다.
이때, 전해액 보정부(400)에서 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)로 전해액을 공급하기 위한 제2 양극 전해액 회수관(231) 및 제2 음극 전해액 회수관(331)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 제2 양극 전해액 회수관(231) 및 제2 음극 전해액 회수관(331)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
또한, 전해조(100)에서 전해액 보정부(400)로 전해액을 공급하기 위한 극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)로 전해액을 공급하기 위한 제2 양극 회수관(211) 및 제2 음극 회수관(311)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 제2 양극 회수관(211) 및 제2 음극 회수관(311)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
상기 전해액 보정부의 내부에는 전해액의 원할한 공급 및 배출을 위하여 분지(매니폴드)를 가질 수 있다.
또한, 상기 음이온 교환막(520)은 가스 차단성을 가지므로, 산소 가스 및 수소 가스의 혼입이 방지되고, 산소 가스 내에 수소 가스의 농도 및 수소 가스 내에 산소 가스의 농도가 폭발범위 이상으로 형성되어 폭발하는 위험성을 방지할 수 있다.
제2-7 실시 형태
도 7을 참조하면, 제2-7 실시 형태는 상기 전해조 보정부(400) 내에 복수의 양이온 교환막(510) 및 복수의 음이온 교환막(520)이 교대로 구비된 것이다. 이때, 상기 양이온 교환막은 전해액 내 양이온만을 선택적으로 투과시키고, 상기 음이온 교환막은 전해액 내 음이온만을 선택적으로 투과시킨다.
상기 전해액 보정부(400)는 n개의 복수의 양이온 교환막(510) 및 n개의 복수의 음이온 교환막(520)에 의해 n+1개의 전해액 수용부가 발생하고, 상기 n+1개의 전해액 수용부에는 양극실(130)에서 유입되는 (x-a) 몰의 전해액과 음극실(150)에서 유입되는 (x+a) 몰의 전해액이 교번하여 유입된다.
이때, 전해액 보정부(400)의 내부에서는 음극실(150)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 음이온(즉, OH- 이온)이 농도 구배에 의해 음이온 교환막(520)을 통해 인접하는 양극실(130)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 또한, 음극실(150)에서 유입된 음극실 전해액 수용부(420) 내의 (x+a) 몰의 전해액의 양이온(즉, K+ 이온)은 양이온 교환막(510)을 통해 인접하는 양극실(130)에서 유입된 양극실 전해액 수용부(410) 내의 (x-a) 몰의 전해액으로 이동한다. 이에 따라, 최종적으로 전해액 보정부(400)에서 배출되는 전해액의 농도는 x 몰이 된다.
이때, 전해액 보정부(400)에서 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)로 전해액을 공급하기 위한 제2 양극 전해액 회수관(231) 및 제2 음극 전해액 회수관(331)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 제2 양극 전해액 회수관(231) 및 제2 음극 전해액 회수관(331)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
또한, 전해조(100)에서 전해액 보정부(400)로 전해액을 공급하기 위한 극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)로 전해액을 공급하기 위한 제2 양극 회수관(211) 및 제2 음극 회수관(311)은 각각 하나로 형성될 수 있으며, 또는 제2 양극 회수관(211) 및 제2 음극 회수관(311)은 상기 n+1개의 전해액 수용부에 대응하여 복수로 형성될 수 있다.
상기 전해액 보정부의 내부에는 전해액의 원할한 공급 및 배출을 위하여 분지(매니폴드)를 가질 수 있다.
또한, 상기 음이온 교환막(520)은 가스 차단성을 가지므로, 산소 가스 및 수소 가스의 혼입이 방지되고, 산소 가스 내에 수소 가스의 농도 및 수소 가스 내에 산소 가스의 농도가 폭발범위 이상으로 형성되어 폭발하는 위험성을 방지할 수 있다.
제2-8 실시 형태
도 8을 참조하면, 제2-8 실시 형태에서는 상기 전해조 보정부(400)의 양단부에 전극이 구비되어 있는 것을 제외하고는 제2-7 실시 형태와 동일하게 구성된다.
상기 전해조 보정부(400)의 양단부에는 양극(460) 및 음극(470)이 구비된다. 상기 양극(460) 및 음극(470)에 전원을 인가하여 전위차를 발생시키면, 상기 전해조 보정부(400) 내부의 전해액은 양이온 교환막(510) 및 음이온 교환막(520)을 통해 이온이 이동하게 된다.
이때, 양극실 전해액 수용부의 양극(460)과 인접한 측면에는 양이온교환막(510)이 위치하고, 음극(470)과 인접한 측면에는 음이온교환막(520)이 위치하며, 음극실 전해액 수용부의 양극과 인접한 측면에는 음이온교환막(520)이 위치하고, 음극과 인접한 측면에는 양이온교환막(510)이 위치한다.
상기와 같이 전극을 사용하여 기전력의 차이를 이용하는 경우 이온의 이동이 빨라지므로, 전해액의 농도 보정의 시간을 줄일 수 있다.
본 발명은, 전해액의 농도 차이를 제거하기 위한 격막을 포함하는 전해액 보정부를 포함으로써 수전해 장치의 기상 영역 중의 가스 조성이 폭발 한계에 도달하는 것을 방지함과 동시에, 양극실에서 배출되는 전해액과 음극실에서 배출되는 전해액을 각각 독립적으로 순환시키는 경우에도 전해액의 농도 차이가 발생하지 않아, 이를 해소하기 위한 부가적인 장치를 필요로 하지 않으며 전해액 재주입 및 가동 안정화에 따른 공정성이 저하되는 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 격벽으로 구분된 양극실 및 음극실을 포함하는 전해조;
    양극실 전해액 수용부 및 음극실 전해액 수용부를 포함하고, 상기 양극실 전해액 수용부 및 상기 음극실 전해액 수용부는 격막에 의해 구분된 전해액 보정부;
    상기 전해조의 양극실 및 상기 전해액 보정부의 양극실 전해액 수용부를 연통하는 양극 순환라인; 및
    상기 전해조의 음극실 및 상기 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부를 연통하는 음극 순환라인을 포함하는 수전해 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양극 순환라인에 구비되는 양극측 기액분리기; 및
    상기 음극 순환라인에 구비되는 음극측 기액분리기를 더 포함하는 수전해 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양극측 기액분리기는 양극 순환라인을 따라 전해조의 양극실의 후단 및 전해액 보정부의 양극실 전해액 수용부의 전단에 구비되고,
    상기 음극측 기액분리기는 음극 순환라인을 따라 전해조의 음극실의 후단 및 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부의 전단에 구비되는 수전해 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 양극측 기액분리기는 양극 순환라인을 따라 전해액 보정부의 양극실 전해액 수용부의 후단 및 전해조의 양극실의 전단에 구비되고,
    상기 음극측 기액분리기는 음극 순환라인을 따라 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부의 후단 및 전해조의 음극실의 전단에 구비되는 수전해 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    격막은 전해액 및 이온은 투과 가능하고,
    기체는 불투과성인 수전해 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    격막은 다공막인 수전해 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    격막은 양이온 교환막 또는 음이온 교환막인 수전해 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    격막은 복수로 구비되며, 상기 양극실 전해액 수용부 및 상기 음극실 전해액 수용부가 서로 교번하며 배치되는 수전해 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    양극실 전해액 수용부 및 상기 음극실 전해액 수용부가 서로 교번하며 배치될 때, 수용부가 교번하여 배열되는 방향에 따라 교대로 배치되는 복수의 격막은 양이온 교환막과 음이온 교환막이 교대로 구비되는 것인 수전해 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    전해액 보정부 내 양단에는 각각 양극 및 음극이 구비되어, 양극과 음극 사이에 격막이 위치하는 수전해 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    격막은 양이온 교환막 또는 음이온 교환막이고,
    양극실 전해액 수용부의 양극과 인접한 측면에는 양이온교환막이 위치하고, 음극과 인접한 측면에는 음이온교환막이 위치하며,
    음극실 전해액 수용부의 양극과 인접한 측면에는 음이온교환막이 위치하고, 음극과 인접한 측면에는 양이온교환막이 위치하는 수전해 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    전해조의 음극실, 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부 및 음극 순환라인 중 적어도 하나에는 물을 공급하기 위한 물 공급관 및 물 공급 펌프가 더 구비된 수전해 장치.
  13. 제2항에 있어서,
    전해조의 음극실, 전해액 보정부의 음극실 전해액 수용부, 음극측 기액분리기 및 음극 순환라인 중 적어도 하나에는 물을 공급하기 위한 물 공급관 및 물 공급 펌프가 더 구비된 수전해 장치.
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