KR102501721B1 - 수전해 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전해액 내 용존 가스를 제거하기 위한 격막을 포함하는 수전해 장치에 관한 것으로, 기액분리기 또는 전해액 순환라인에 구비된 격막을 통하여 전해액 내에 존재하는 용존 가스를 분리함으로써, 수전해 장치의 기상 영역 중의 가스 조성이 폭발 한계에 도달하는 것을 방지함과 동시에, 전해액 중의 용존 가스의 생산 효율을 증가시킬 수 있다.
Description
본 발명은 전해액 내 용존 가스를 제거하기 위한 격막을 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 특허문헌 1에는 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 라인은 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, 전해액 내 용존된 수소 가스가 기상으로서 존재하고 상기 수소 가스와 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 저장조의 농도 차이가 발생하는 문제가 있다.
양극측 전해액 저장조와 음극측 전해액 저장조의 액면 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, 전해액 중의 용존 가스로 인해 가스 생산 효율이 저하되는 문제를 해결할 수 있는 수전해 장치가 요구된다.
본 발명은, 수전해 장치에서 기상 영역 중의 가스 조성이 폭발 한계에 도달하는 것을 방지함과 동시에, 전해액 중의 용존 가스로 인해 가스 생산 효율이 저하되는 문제를 해결할 수 있는 수전해 장치를 제공한다.
본 발명은 격벽으로 구분된 양극실 및 음극실을 포함하는 전해조, 상기 양극실과 연통하는 양극측 기액분리기, 상기 음극실과 연통하는 음극측 기액분리기, 상기 양극실에서 배출되는 전해액을 양극측 기액분리기로 공급하고 양극측 기액분리기에서 배출되는 전해액을 양극실로 공급하는 양극측 순환라인, 상기 음극실에서 배출되는 전해액을 음극측 기액분리기로 공급하고 음극측 기액분리기에서 배출되는 전해액을 음극실로 공급하는 음극측 순환라인 및 상기 양극측 기액분리기, 음극측 기액분리기, 양극측 순환라인 및 음극측 순환라인 중 적어도 하나에 구비되며, 내부 유로를 갖는 격막을 포함하는 수전해 장치를 제공한다.
일 실시예로서, 상기 격막은 내부 유로를 향하는 방향을 따라 기체 투과도가액체투과도 보다 클 수 있다.
일 실시예로서, 격막은 소수성이며, 전해조에서 배출되는 전해액 내의 용존 가스를 내부 유로로 투과시키도록 마련될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 격막은 다공성일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 격막은 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene), 폴리불화비닐리덴(Polyvinylidenefluoride), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리술폰(Polysulfon), 폴리이미드(Polyimide), 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile), 폴리아미드(Polyamide), 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylenesulfide), 폴리에테르설폰(Polyehtersulfone) 및 폴리에스테르(Polyester)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 격막은 관상형, 중공사형, 평판형 또는 나권형일 수 있다.
상기 격막은 소정 방향을 따라 권취된 코일 형태로 배열될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 격막의 내부 유로의 압력 및 격막의 외부 공간의 압력의 차이를 조절하기 위한 압력 조절 수단을 더 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 압력 조절 수단은 압력 차이를 발생시키기 위하여, 내부 유로의 압력을 감압시키기 위한 감압 수단을 포함할 수 있다.
상기 압력 조절 수단에 의해 격막의 외부 공간의 압력이 격막의 내부 유로의 압력보다 높을 수 있다.
일 실시예로서, 상기 양극측 기액분리기 및 음극측 기액분리기 중 적어도 하나의 기상 영역과 격막의 내부 유로를 연통하기 위한 유체 공급라인을 더 포함하고, 상기 유체 공급라인을 통하여 격막의 내부 유로로 양극측 기액분리기 및 음극측 기액분리기 중 적어도 하나의 기상 영역에 존재하는 가스가 공급될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 격막의 내부 유로로 외부 공기가 유입될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 격막의 내부 유로와 연통하는 기액 분리 수단을 구비하고, 상기 기액 분리 수단의 액상 영역은 상기 양극측 순환라인 및 음극측 순환라인 중 적어도 하나와 연통할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 격막의 내부 유로와 상기 양극측 기액분리기 및 음극측 기액분리기 중 적어도 하나의 액상 영역을 연통하기 위한 가스 공급라인을 더 포함하고, 상기 가스 공급라인을 통하여 양극측 기액분리기 및 음극측 기액분리기 중 적어도 하나의 액상 영역으로 격막의 내부 유로에 존재하는 가스가 공급될 수 있다.
본 발명의 수전해 장치는 기액분리기 또는 전해액 순환라인에 구비된 격막을 통하여 전해액 내에 존재하는 용존 가스를 분리함으로써, 수전해 장치의 기상 영역 중의 가스 조성이 폭발 한계에 도달하는 것을 방지함과 동시에, 수전해를 통한 가스의 생산 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 저장조를 포함하는 수전해 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 격막의 단면을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 공급라인을 포함하는 수전해 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기액 분리 수단을 포함하는 수전해 장치의 구성도이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 공급라인을 포함하는 수전해 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 저장조를 포함하는 수전해 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 격막의 단면을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 공급라인을 포함하는 수전해 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기액 분리 수단을 포함하는 수전해 장치의 구성도이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 공급라인을 포함하는 수전해 장치의 구성도이다.
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), 상기 양극실과 연통하는 양극측 기액분리기(200), 상기 음극실과 연통하는 음극측 기액분리기(300), 상기 양극실(130)에서 배출되는 전해액을 양극측 기액분리기(200)로 공급하고 양극측 기액분리기(200)에서 배출되는 전해액을 양극실(130)로 공급하는 양극측 순환라인(400), 상기 음극실(150)에서 배출되는 전해액을 음극측 기액분리기(300)로 공급하고 음극측 기액분리기(300)에서 배출되는 전해액을 음극실(150)로 공급하는 음극측 순환라인(500) 및 상기 양극측 기액분리기(200), 음극측 기액분리기(300), 양극측 순환라인(400) 및 음극측 순환라인(500) 중 적어도 하나에 구비된 내부 유로(650)가 형성된 격막(600)을 포함하는 수전해 장치를 제공한다.
상기 수전해 장치는 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 공급부로부터 유입된 전해액이 이를 통과한다.
*도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 전해액 공급부는 상기 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)일 수 있고, 상기 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)의 액상 영역과 연통되는 별도의 전해액 저장조(700)를 구비할 수도 있다.
상기 양극실(130)의 양극(140)과, 음극실(150)의 음극(160)에서는 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.
상기 양극측 기액분리기(200)는 양극 회수관(410)을 통해 양극실(130)에 연통하고, 양극실(130)에서 배출된 전해액 및 산소 가스를 기액 분리한다. 이때, 양극측 기액분리기(200)의 상부에 형성된 기상 영역에는 산소 가스가 존재하고, 하부에 형성된 액상 영역에는 용존 산소 가스가 포함된 전해액이 존재한다.
상기 음극측 기액분리기(300)는 음극 회수관(510)을 통해 음극실(150)에 연통하고, 음극실(150)에서 배출된 전해액 및 수소 가스를 기액 분리한다. 이때, 음극측 기액분리기(300)의 상부에 형성된 기상 영역에는 수소 가스가 존재하고, 하부에 형성된 액상 영역에는 용존 수소 가스가 포함된 전해액이 존재한다.
본 발명에서 용존 산소 가스 및 용존 수소 가스란 전해액 내에 산소 가스 및 수소 가스가 용해되어 있는 상태 및 산소 가스 및 수소 가스가 미세기포 형태로 잔존하는 상태를 포함하는 개념이다.
이때, 상기 양극 회수관(410) 및 음극 회수관(510)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(410) 및 음극 회수관(510)이 연통하는 경우, 전해조로부터 배출된 용존 가스를 포함하는 전해액이 기액분리기 내부에서 액면으로 떨어지는 시간이 늘어남으로써, 기액 분리 효율이 증가할 수 있다.
상기 양극측 기액분리기(200)의 액상 영역은 상기 전해조(100)의 양극실(130)과 연통하는 양극 전해액 회수관(420)을 구비하여, 상기 전해조(100)의 양극실(130)로 전해액을 공급한다.
상기 음극측 기액분리기(300)의 액상 영역은 상기 전해조(100)의 음극실(150)과 연통하는 음극 전해액 회수관(520)을 구비하여, 상기 전해조(100)의 음극실(150)로 전해액을 공급한다.
따라서, 상기 양극측 순환라인(400)은 상기 양극실(130)에서 배출되는 전해액을 양극측 기액분리기(200)로 공급하는 양극 회수관(410) 및 양극측 기액분리기(200)에서 배출되는 전해액을 양극실(130)로 공급하는 양극 전해액 회수관(420)을 포함하고, 상기 음극측 순환라인(500)은 상기 음극실(150)에서 배출되는 전해액을 음극측 기액분리기(300)로 공급하는 음극 회수관(510) 및 음극측 기액분리기(300)에서 배출되는 전해액을 음극실(150)로 공급하는 음극 전해액 회수관(520)을 포함한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 수전해 장치는 상기 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)의 액상 영역과 각각 제2 양극 전해액 회수관(421) 및 제2 음극 전해액 회수관(521)을 통해 연통하고 전해조(100)의 양극실(130) 및 음극실(150)과 연통하는 전해액 저장조(700)를 더 포함할 수 있다.
전해액 저장조(700)를 더 포함하는 경우, 상기 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)의 액상 영역에 존재하는 전해액을 전해액 저장조(700)에서 혼합한 후 상기 전해조(100)의 양극실(130) 및 음극실(150)에 전해액을 공급할 수 있다.
이때, 상기 전해액 저장조(700)에는 상기 전해조(100)의 양극실(130) 및 음극실(150)에 전해액을 공급하기 위한 전해액 공급관(430)을 포함할 수 있고, 상기 전해액 공급관(430)은 각각 양극실과 연통하는 양극 전해액 공급관(440) 및 음극실과 연통하는 음극 전해액 공급관(540)으로 분기될 수 있다.
이때, 상기 전해액 공급관(430)에는 전해조에 전해액을 공급하기 위한 순환 펌프(800)가 구비될 수 있으며, 상기 순환 펌프(800)는 상기 양극 전해액 공급관(440) 및 음극 전해액 공급관(540)의 각각에 구비될 수 있다. 또한, 상기 순환 펌프(800)는 전해조의 후단에 각각 설치되어도 좋다.
따라서, 본 발명에 따른 수전해 장치가 상기 전해액 저장조(700)를 더 포함하는 경우, 상기 양극측 순환라인(400)은 상기 양극실(130)에서 배출되는 전해액을 양극측 기액분리기(200)로 공급하는 양극 회수관(410), 양극측 기액분리기(200)에서 배출되는 전해액을 전해액 저장조(700)로 공급하는 제2 양극 전해액 회수관(421) 및 전해액 저장조(700)에서 양극실(130)로 공급하는 전해액 공급관(430) 및 양극 전해액 공급관(440)을 포함하고, 상기 음극측 순환라인(500)은 상기 음극실(150)에서 배출되는 전해액을 음극측 기액분리기(300)로 공급하는 음극 회수관(510), 음극측 기액분리기(300)에서 배출되는 전해액을 전해액 저장조(700)로 공급하는 제2 음극 전해액 회수관(521) 및 전해액 저장조(700)에서 음극실(150)로 공급하는 전해액 공급관(430) 및 음극 전해액 공급관(540)을 포함한다.
본 발명에 따른 수전해 장치는 상기 양극측 기액분리기(200), 음극측 기액분리기(300), 양극측 순환라인(400) 및 음극측 순환라인(500) 중 적어도 하나에 구비되며, 내부 유로(650)를 갖는 격막(600)을 포함한다.
상기 격막(600)은 내부 유로를 향하는 방향을 따라 액체 및 기체 투과도가 다를 수 있다. 예를 들어, 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.
구체적으로, 상기 격막(600)은 기체 투과도가 액체 투과도 보다 클 수 있다.
상기와 같은 특성을 가지는 격막(600)은 기공의 지름, 표면적, 친수화도 및 기공의 형성 구조를 조절함으로써 달성할 수 있으며, 예를 들어, 고분자 다공막, 무기 다공막, 직포 또는 부직포 등을 이용할 수 있다.
상기 격막(600)은 소수성이며, 전해조에서 배출되는 전해액 내의 용존 가스를 내부 유로로 투과시키도록 마련될 수 있다. 즉, 상기 격막은 소수성을 가짐으로써 전해액은 투과하기 어렵지만 용존 가스에는 친화성을 가짐으로써, 전해액 내의 용존 가스만을 선택적으로 투과시킬 수 있다.
도 3을 참조하면, 전해액의 종류는 한정되지 않으나, 예를 들어, 전해액이 KOH인 경우 KOH 용액은 상기 격막을 투과할 수 없으나, 전해액 내에 용존된 산소 및/또는 수소 가스는 상기 격막을 투과할 수 있다.
상기 격막(600)은 다공성막일 수 있다. 상기 격막은 다공성을 가짐으로써, 전해액 내의 용존 가스만을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 상기 격막의 기공은 1nm 내지 10um일 수 있다.
상기 격막(600)의 두께는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어, 0.1mm 내지 10mm일 수 있다. 상기 격막의 기공 및 두께를 조절함으로써, 투과량 및 분리능을 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 격막의 투과량 및 분리능은 격막 외부, 즉, 전해액의 압력과 기공의 크기, 기공의 분포, 기공의 두께 및 격막의 소재 특성에 따라 변하므로, 수전해 장치의 운전 압력, 격막의 기공 크기, 격막의 두께 및 소재의 특성을 조절함으로써, 전해액 내의 용존 가스만을 격막의 내부 유로로 선택적으로 투과시킬 수 있다.
상기 격막의 재질은 소수성을 가지며 내열성 및 내구성이 우수한 재질이 바람직하며, 예를 들어, 격막은 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene), 폴리불화비닐리덴(Polyvinylidenefluoride), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리술폰(Polysulfon), 폴리이미드(Polyimide), 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile), 폴리아미드(Polyamide), 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylenesulfide), 폴리에테르설폰(Polyehtersulfone) 및 폴리에스테르(Polyester)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로, 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene), 폴리불화비닐리덴(Polyvinylidenefluoride), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylenesulfide), 폴리에테르설폰(Polyehtersulfone) 및 폴리에스테르(Polyester)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질일 수 있다.
상기 격막의 형상은 관상형, 중공사형, 평판형 또는 나권형일 수 있다.
상기 관상형은 하나의 관을 가지거나 또는 관 다발을 가질 수 있으며, 외부 프레임의 형상은 특별히 한정되지 않으나, 내부 관의 형상을 고려한 충진율을 고려할 때 원통형일 수 있다.
상기 관상형이 관 다발을 가지는 경우, 상기 여러개의 관이 합쳐진 관 다발은 거푸집 내에서 조립될 수 있다. 격막이 관상형인 경우, 격막의 내부 유로는 관의 내부 또는 관과 관 사이의 공간이 될 수 있으며, 이는 전해액의 양 및 압력에 따라 선택할 수 있다.
상기 중공사형은 복합막 또는 단일막일 수 있으며, 복합막인 경우 막을 지지할 수 있는 중공의 지체 및 외부 막층을 포함할 수 있다. 상기 중공사형은 복합막 및 단일막이 수백 내지 수천개의 중공사가 다발 형태로 묶여진 형태일 수 있다.
격막이 중공사형인 경우, 격막의 내부 유로는 내압형인지 외압형인지에 따라 의 내부 또는 중공사와 중공사 사이의 공간이 될 수 있으며, 이는 전해액의 양 및 압력에 따라 선택할 수 있다.
상기 평판형은 액이 흐르도록 수로 역할을 하는 양쪽의 지지체 사이에 삽입되어 사용할 수 있다. 막의 배열은 평평한 형상이며, 필요에 따라 막과 지지체를 적층하여 막 면적을 넓게할 수 있다.
상기 나권형은 입구가 한쪽인 봉투와 같은 형태로서 평막 사이에 전해액이 흐를 수 있는 유로가 있으며, 막과 막 사이에는 공간이 있어 내부 유로를 형성할 수 있다. 또는 필요에 따라 평막 사이에 내부 유로를 형성하고, 막과 막 사이의 공간에 전해액이 통과하도록 조절할 수 있다.
상기 격막은 상기와 같은 형상을 가짐으로써, 내부 유로를 구비하고 있으며, 상기 격막의 대항면은 전해액과 접촉하고, 전해액 내의 용존 가스는 격막을 투과하여 내부 유로에 수용될 수 있다.
예를 들어, 상기 격막은 소정 방향을 따라 권취된 코일 형태로 배열될 수 있다.
상기와 같은 구조를 가지는 경우, 전해액과 접촉하는 면적을 늘려 전해액 내 용존 가스의 분리 효율을 높일 수 있다.
또한, 상기 격막은 복수로 구비되고, 복수 개의 격막은 소정 방향을 따라 적층 배열될 수 있다.
본 발명에서는 발명의 이해를 돕기 위하여, 도 1, 도 2, 도 4 내지 도 5에 격막이 소정 방향을 따라 권취된 코일 형태를 도시하였으나, 상기 격막은 관상형, 중공사형, 평판형 또는 나권형일 수 있으며, 격막의 외부 형태는 이에 한정되지 않는다.
또한, 발명의 일 실시예로서, 도 1, 도 2, 도 4 내지 도 5에서 격막이 기액분리기 내부에 위치하고 있으나, 격막의 위치는 이에 한정되지 않으며, 양극측 기액분리기(200), 음극측 기액분리기(300), 양극측 순환라인(400) 및 음극측 순환라인(500) 중 어디에도 위치할 수 있으며, 단일 또는 복수의 격막이 설치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 격막을 통한 가스의 분리는 격막의 내부 유로 및 격막의 외부 공간의 압력 차이에 의하여 발생할 수 있다. 구체적으로, 수전해 장치를 운전하는 경우 소정의 압력을 가한 상태로 운전되기 때문에, 격막의 외부 공간의 압력(P)은 격막의 내부 유로의 압력(P')에 비하여 높게 유지되고, 이를 통해 격막을 통한 가스의 분리가 일어날 수 있다.
또한, 상기 외부 공간의 압력과 내부 유로의 압력차를 높이기 위하여 수전해 장치의 운전 압력을 높이기 위한 수단을 더 구비할 수 있다. 상기 압력차를 높이기 위한 수단으로 펌프 또는 밸브를 이용할 수 있다.
격막의 가스 분리 성능의 향상 및 조절을 위하여 상기 격막은 격막의 내부 유로의 압력 및 격막의 외부 공간의 압력의 차이를 조절하기 위한 압력 조절 수단을 더 포함할 수 있다.
상기 압력 조절 수단은 압력 차이에 의한 분리 성능을 향상시키기 위하여, 내부 유로의 압력을 감압시키기 위한 감압 수단을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 격막의 투과량 및 분리능의 효율을 증가시키기 위하여 격막의 내부 유로의 압력(P')은 격막의 외부 공간의 압력(P)보다 낮게 조절하는 것이 바람직하다. 상기 감압수단은 진공 펌프 또는 오리피스일 수 있다. 상기와 같은 감압 수단은 상기 격막의 내부 유로의 양단부 중 적어도 하나에 위치할 수 있다. 상기와 같은 감압 수단을 구비함으로써, 전해액과 접하는 격막의 외면보다 격막의 내부 유로의 압력을 낮게 유지할 수 있으며, 이로 인해 전해액 내의 용존 가스 분리 성능 및 투과량을 증대시킬 수 있다.
본 발명에 따른 수전해 장치는 상기와 같은 내부 유로가 형성된 격막을 포함함으로써, 전해액 내에 존재하는 용존 가스를 분리할 수 있으며, 이로 인해 전해액 내에 존재하는 용존 가스가 서로 섞임으로써 수소 가스 또는 산소 가스의 농도가 폭발 범위 이상으로 증가하여 폭발할 수 있는 잠재적인 위험을 차단할 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 수전해 장치는 상기 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300) 중 적어도 하나의 기상 영역과 격막의 내부 유로를 연통하기 위한 유체 공급라인(220)을 더 포함하고, 상기 유체 공급라인(220)을 통하여 격막의 내부 유로로 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300) 중 적어도 하나의 기상 영역에 존재하는 가스가 공급될 수 있다.
즉, 상기 양극측 기액분리기(200)의 기상 영역에는 산소 가스가 존재하는데, 상기 산소 가스는 상기 격막의 내부 유로와 연결된 양극측 유체 공급라인(221)을 통하여 격막의 내부 유로로 공급되며, 상기 산소 가스가 내부 유로를 통과함에 따라 격막의 분리 효율이 증대될 수 있다. 상기 격막의 내부 유로를 통과한 양극측 기액분리기(200)의 기상 영역에서 공급된 산소 가스와 격막을 투과한 전해액 내의 산소 용존 가스는 격막의 내부 유로에서 서로 혼입되어 계 외로 방출될 수 있다.
또한, 상기 음극측 기액분리기(300)의 기상 영역에는 수소 가스가 존재하는데, 상기 수소 가스는 상기 격막의 내부 유로와 연결된 음극측 유체 공급라인(321)을 통하여 격막의 내부 유로로 공급되며, 상기 수소 가스가 내부 유로를 통과함에 따라 격막의 분리 효율이 증대되고, 이에 따라 수소 가스의 생산량이 증가될 수 있다. 상기 격막의 내부 유로를 통과한 음극측 기액분리기(300)의 기상 영역에서 공급된 수소 가스와 격막을 투과한 전해액 내의 수소 용존 가스는 격막의 내부 유로에서 서로 혼입되어 계 외로 방출될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)의 기상 영역을 격막의 내부 유로로 공급하는 것 외에도, 상기 격막의 내부 유로에는 외부 공기를 유입시킬 수도 있다. 상기와 같이 외부 공기를 유입시키는 경우 계 내의 장치와 부가적인 연결을 필요로 하지 않아 장치의 구성이 용이하며, 외부 공기 유입에 의해 가스 폭발 범위 이내로 가스 농도의 조절이 가능하므로, 가스 폭발에 대한 안전성을 높일 수 있다.
또한, 도 5를 참조하면, 상기 격막의 내부 유로에 존재하는 가스를 계 외로 방출하기 전에, 격막의 내부 유로와 연통하는 기액 분리 수단(900)을 구비하고, 상기 기액 분리 수단의 액상 영역은 상기 양극측 순환라인(400), 음극측 순환라인(500), 양극측 기액분리기(200), 음극측 기액분리기(300) 및 전해액 저장조(700) 중 적어도 하나와 연통하게 할 수 있다.
즉, 상기 격막의 내부 유로에는 양극측 기액분리기(200) 또는 음극측 기액분리기(300)의 기상 영역에 존재하는 가스, 외부 공기를 유입하는 수단을 갖춘 경우에는 외부 공기 및 격막을 투과한 전해액 내의 용존 가스가 대부분을 차지하지만, 격막을 통하여 격막의 외면에 접하는 전해액의 일부가 미량 존재할 수 있다. 또한, 상기 양극측 기액분리기(200) 또는 음극측 기액분리기(300)의 기상 영역에도 전해액의 일부가 흄 등으로 포함되어 있을 수 있다. 따라서, 상기 격막의 내부 유로에는 전해액의 일부가 여전히 존재할 수 있다.
상기 격막의 내부 유로와 연통하는 기액 분리 수단을 구비하는 경우, 격막의 내부 유로에 존재하는 잔존 전해액 성분의 일부를 액상으로 분리할 수 있다. 상기 기액 분리 수단을 통해 분리한 전해액은 양극측 순환라인(400) 및 음극측 순환라인(500) 중 적어도 하나에 연통함으로써, 이를 재활용할 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 수전해 장치는 또한, 상기 격막의 내부 유로와 상기 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300) 중 적어도 하나의 액상 영역을 연통하기 위한 가스 공급라인(230)을 더 포함하고, 상기 가스 공급라인(230)을 통하여 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300) 중 적어도 하나의 액상 영역으로 격막의 내부 유로에 존재하는 가스가 공급될 수 있다. 이때, 상기 가스 공급라인(230)은 분지되어 격막의 내부 유로에 존재하는 가스의 일부는 계외로 방출하도록 설계하는 것도 가능하다.
즉, 격막의 내부 유로의 가스를 상기 가스 공급라인(230)을 통하여 양극측 기액분리기(200) 및 음극측 기액분리기(300)의 액상 영역으로 전체 또는 일부를 재공급함으로써, 기액분리기 액상 영역에 미세한 기포를 확대 생성함으로써 기액 분리 효율을 더욱 증대시킬 수 있다.
본 발명에 따른 수전해 장치는 상기 격막(600), 유체 공급라인(220), 가스 공급라인(230) 및 기액 분리 수단(900)을 구비함으로써, 수전해 장치에서 생산되는 산소 및 수소 가스의 순도를 향상시킬 수 있으며, 수전해 장치의 산소 및 수소 가스의 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
100: 전해조
110: 격벽
120: 외부 프레임
130: 양극실
140: 양극
150: 음극실
160: 음극
200: 양극측 기액분리기
210: 양극 회수관(양극실-양극측 기액분리기)
220: 유체 공급라인
221: 양극측 유체 공급라인
230: 가스 공급라인
231: 양극측 가스 공급라인
300: 음극측 기액분리기
310: 음극 회수관(음극실-음극측 기액분리기)
321: 음극측 유체 공급라인
331: 음극측 가스 공급라인
400: 양극측 순환라인
410: 양극 회수관
420: 양극 전해액 회수관
421: 제2 양극 전해액 회수관
430: 전해액 공급관
440: 양극 전해액 공급관
500: 음극측 순환라인
510: 음극 회수관
520: 음극 전해액 회수관
521: 제2 음극 전해액 회수관
540: 음극 전해액 공급관
600: 격막
650: 내부 유로
700: 전해액 저장조
800: 순환 펌프
900: 기액 분리 수단
110: 격벽
120: 외부 프레임
130: 양극실
140: 양극
150: 음극실
160: 음극
200: 양극측 기액분리기
210: 양극 회수관(양극실-양극측 기액분리기)
220: 유체 공급라인
221: 양극측 유체 공급라인
230: 가스 공급라인
231: 양극측 가스 공급라인
300: 음극측 기액분리기
310: 음극 회수관(음극실-음극측 기액분리기)
321: 음극측 유체 공급라인
331: 음극측 가스 공급라인
400: 양극측 순환라인
410: 양극 회수관
420: 양극 전해액 회수관
421: 제2 양극 전해액 회수관
430: 전해액 공급관
440: 양극 전해액 공급관
500: 음극측 순환라인
510: 음극 회수관
520: 음극 전해액 회수관
521: 제2 음극 전해액 회수관
540: 음극 전해액 공급관
600: 격막
650: 내부 유로
700: 전해액 저장조
800: 순환 펌프
900: 기액 분리 수단
Claims (12)
- 격벽으로 구분된 양극실 및 음극실을 포함하는 전해조;
상기 양극실과 연통하는 양극측 기액분리기;
상기 음극실과 연통하는 음극측 기액분리기;
상기 양극실에서 배출되는 전해액을 양극측 기액분리기로 공급하고 양극측 기액분리기에서 배출되는 전해액을 양극실로 공급하는 양극측 순환라인;
상기 음극실에서 배출되는 전해액을 음극측 기액분리기로 공급하고 음극측 기액분리기에서 배출되는 전해액을 음극실로 공급하는 음극측 순환라인; 및
상기 양극측 기액분리기, 음극측 기액분리기, 양극측 순환라인 및 음극측 순환라인 중 적어도 하나에 구비되며, 내부 유로를 갖는 격막을 포함하며,
상기 격막의 내부 유로와 연통하는 기액 분리 수단을 구비하고,
상기 기액 분리 수단의 액상 영역은 상기 양극측 순환라인 및 음극측 순환라인 중 적어도 하나와 연통하는 수전해 장치. - 제1항에 있어서,
격막은 내부 유로를 향하는 방향을 따라 기체 투과도가 액체 투과도 보다 큰 수전해 장치. - 제1항에 있어서,
격막은 소수성이며, 전해조에서 배출되는 전해액 내의 용존 가스를 내부 유로로 투과시키도록 마련된 수전해 장치. - 제1항에 있어서,
격막은 다공성인 수전해 장치. - 제1항에 있어서,
격막은 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene), 폴리불화비닐리덴(Polyvinylidenefluoride), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리술폰(Polysulfon), 폴리이미드(Polyimide), 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile), 폴리아미드(Polyamide), 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylenesulfide), 폴리에테르설폰(Polyehtersulfone) 및 폴리에스테르(Polyester)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 수전해 장치. - 제1항에 있어서,
격막은 관상형, 중공사형, 평판형 또는 나권형인 수전해 장치. - 제6항에 있어서,
격막은 소정 방향을 따라 권취된 코일 형태로 배열된 수전해 장치. - 제1항에 있어서,
격막의 내부 유로의 압력 및 격막의 외부 공간의 압력의 차이를 조절하기 위한 압력 조절 수단을 더 포함하는 수전해 장치. - 제8항에 있어서,
압력 조절 수단은 압력 차이를 발생시키기 위하여, 내부 유로의 압력을 감압시키기 위한 감압 수단을 포함하는 수전해 장치. - 제8항에 있어서,
상기 압력 조절 수단에 의해 격막의 외부 공간의 압력이 격막의 내부 유로의 압력보다 높은 수전해 장치. - 제1항에 있어서,
상기 격막의 내부 유로로 외부 공기가 유입되는 수전해 장치. - 격벽으로 구분된 양극실 및 음극실을 포함하는 전해조;
상기 양극실과 연통하는 양극측 기액분리기;
상기 음극실과 연통하는 음극측 기액분리기;
상기 양극실에서 배출되는 전해액을 양극측 기액분리기로 공급하고 양극측 기액분리기에서 배출되는 전해액을 양극실로 공급하는 양극측 순환라인;
상기 음극실에서 배출되는 전해액을 음극측 기액분리기로 공급하고 음극측 기액분리기에서 배출되는 전해액을 음극실로 공급하는 음극측 순환라인; 및
상기 양극측 기액분리기, 음극측 기액분리기, 양극측 순환라인 및 음극측 순환라인 중 적어도 하나에 구비되며, 내부 유로를 갖는 격막을 포함하며,
상기 격막의 내부 유로와 상기 양극측 기액분리기 및 음극측 기액분리기 중 적어도 하나의 액상 영역을 연통하기 위한 가스 공급라인을 더 포함하고,
상기 가스 공급라인을 통하여 양극측 기액분리기 및 음극측 기액분리기 중 적어도 하나의 액상 영역으로 격막의 내부 유로에 존재하는 가스가 공급되는 수전해 장치.
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