KR20210074893A - 수전해 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

전해수 탱크로부터 공급받은 전해수를 수용하고, 수소탱크 및 산소탱크와 연결되는 한 쌍의 분리된 전해조, 한 쌍의 전해조에 각각 수용되고, 상호간 활성전극도선에 의하여 전력과 연결되어 전해수를 전기분해하여 수소를 생산하는 환원전극, 산소를 생산하는 산화전극으로 이루어진 한 쌍의 활성전극, 한 쌍의 전해조에 각각 수용되고, 상호간 보조전극도선에 의하여 연결되어 분리된 전해조로 전자를 제공하거나 또는 제공받는 보조전극, 전해조에 발생하는 수소 또는 산소의 압력을 측정하고, 전해조의 전해수 용량을 측정하는 복수의 센서 및 센서의 측정값을 수신하여 수소 또는 산소 기체를 선택적으로 배출하도록 제어하고, 전해수 탱크로부터 전해조로 전해수를 선택적으로 공급하도록 제어하며, 전력의 전류방향을 선택적으로 제어하는 제어부를 포함하는 수전해 시스템과 그 제어방법이 소개된다.

Description

수전해 시스템 및 그 제어방법{Hydroelectric system and control method of the same}
본 발명은 수전해 시스템 및 그 제어방법에 관한 발명으로서, 전해조가 분리되어 멤브레인이 필요 없고, 전류의 인가방향을 제어하여 산화/환원반응을 통해 한 쌍의 전해조에서 번갈아가면서 수소 또는 산소를 발생하는 시스템과 그 시스템이 순환되는 제어방법에 관한 것이다.
수소는 에너지 밀도가 매우 높고, 환경 친화적인 에너지로 단위질량당 에너지 밀도가 가장 높아 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 에너지밀도가 높은 수소를 제조하는 방법은 화석연료 개질, 공업 프로세스에서 발생하는 부생가스, 바이오메스 가스화, 신 재생에너지를 이용한 수전해 등 다양한 방법들이 있다.
수소 제조방법 중 수전해(Electrolysis)는 전기를 사용하여 물 분자를 수소분자와 산수분자로 분리하여 수소를 얻는 방법이다. 수전해는 친환경적인 수소 생산 방식으로, 수소 제조방법 중 가장 신뢰성이 높은 기술이다. 시스템의 구성이 간단하고, 운전이 안정적이며 가장 저렴한 수소 생산기술로 알려져 있다.
종래의 수전해 장치는 1개의 전해조에서 수소 및 산소를 생산하고, 수소와 산소를 분리하기 위하여 멤브레인을 필수 구성요소로 포함하여 구성되었다. 고가의 멤브레인을 필요로 하여 수전해 장치의 가격이 상승하고, 낮은 부하에서 작동하거나 가압하는 경우 수소, 산소가 멤브레인을 통과하는 크로스오버(cross over) 현상이 발생하는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 전해조를 분리하고 보조전극을 이용하는 수전해 장치가 개발되었다. 그러나 공개된 수전해 장치는 단순히 전해조를 분리하여 구성하고 있을 뿐 수소극에서는 지속적으로 수소만 생산하고 산소극에서는 산소만 지속적으로 생산하여 자동 순환 시스템으로 상용화하기 어려운 문제점이 있었다.
US 2017-0306510 A1
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 전해조를 분리하여 구성함으로써 멤브레인을 필요로 하지 않고, 전해조에 인가되는 전류의 방향을 제어하여 수소 또는 산소가 번갈아가면서 생산되어 순환하는 수전해 시스템과 그 시스템의 제어방법을 제공하고자 함이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수전해 시스템은 전해수 탱크로부터 공급받은 전해수를 수용하고, 수소탱크 및 산소탱크와 연결되는 한 쌍의 분리된 전해조; 한 쌍의 전해조에 각각 수용되고, 상호간 활성전극도선에 의하여 전력과 연결되어 전해수를 전기분해하여 수소를 생산하는 환원전극, 산소를 생산하는 산화전극으로 이루어진 한 쌍의 활성전극; 한 쌍의 전해조에 각각 수용되고, 상호간 보조전극도선에 의하여 연결되어 분리된 전해조로 전자를 제공하거나 또는 제공받는 보조전극; 전해조에 발생하는 수소 또는 산소의 압력을 측정하고, 전해조의 전해수 용량을 측정하는 복수의 센서; 및 센서의 측정값을 수신하여 수소 또는 산소 기체를 선택적으로 배출하도록 제어하고, 전해수 탱크로부터 전해조로 전해수를 선택적으로 공급하도록 제어하며, 전력의 전류방향을 선택적으로 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 센서는 각각의 전해조에 발생하는 수소 또는 산소의 압력을 측정하는 압력센서 및 전해수 용량을 측정하는 전해수센서로 구성되어 각각의 전해조에 구비될 수 있다.
또한, 각각의 전해조에 연결되어 활성전극에서 발생하는 수소 또는 산소 기체가 수소탱크 또는 산소탱크로 배출되는 유로를 형성하고, 전해조에서 기체가 배출되는 입구에는 선택적으로 유로를 개폐하는 기체밸브가 구비된 적어도 하나 이상의 파이프;를 더 포함할 수 있다.
상기 파이프는 수소탱크와 연결되고 수소밸브가 형성된 수소파이프 및 산소탱크와 연결되고 산소밸브가 형성된 산소파이프로 구성되고, 수소밸브 및 산소밸브는 제어부에 의하여 선택적으로 개폐되도록 제어될 수 있다.
상기 파이프는 전해조에 연결되는 단일 파이프로 구성되되, 각각 수소탱크 또는 산소탱크로 연결되는 분기점이 형성되고, 분기점에는 3웨이밸브가 구비될 수 있다.
상기 제어부는 압력센서에서 측정된 기체의 압력이 기 설정된 기체배출압력에 이르면 산화전극이 수용된 전해수의 산소밸브를 열고, 환원전극이 수용된 전해수의 수소밸브를 열도록 제어하여 산소탱크 및 수소탱크에 기체를 저장할 수 있다.
기 설정된 기체배출압력은 20bar 이상일 수 있다.
또한, 전해수에 발생된 기체가 배출되어 압력센서에서 측정된 기체의 압력이 기 설정된 전해수보충압력 이하가 되면 제어부는 전해조에 전해수를 공급하도록 제어하여 잔존하는 기체를 모두 배출되도록 제어할 수 있다.
기 설정된 전해수보충압력은 1bar 이하일 수 있다.
상기 제어부는 전해수센서에서 측정된 전해수의 용량이 기 설정된 용량 이하인 경우 전해수밸브를 열도록 제어하고, 기 설정된 용량에 이르면 전해수밸브를 닫도록 제어할 수 있다.
상기 제어부는 전해수가 기 설정된 용량에 이르면 기체밸브와 전해수밸브를 모두 닫고 전력에서 인가되는 전류의 방향을 전환하여 전류를 인가하도록 제어하고, 전류의 방향이 전환됨으로써 환원전극은 산화전극으로 변경되고, 산화전극은 환원전극으로 변경되어 시스템의 운영이 순환되도록 제어할 수 있다.
또한, 한 쌍의 전해조가 복수개 연속적으로 구비되어 동일한 제어부에 의하여 운영되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 전해수는 NaOH 또는 KOH 수용액일 수 있다.
또한, 수전해 시스템의 제어방법으로서, 활성전극에 일 방향으로 전류를 인가하는 전류인가단계; 전자를 제공하는 활성전극에서 수소가 발생하고, 전자를 제공받는 활성전극에서 산소가 발생하는 기체발생단계; 전해조에서 발생한 기체를 저장하는 기체저장단계; 전해조에 전해수가 보충되는 전해수보충단계; 및 활성전극에 타 방향으로 전류를 인가하여 기체발생단계가 재진행되는 전류재인가단계;로 구성되어 순환할 수 있다.
상기 기체저장단계는, 생산된 수소 또는 산소의 압력이 기 설정된 기체배출압력에 이르면 제어부가 수소탱크와 산소탱크로 기체가 배출되도록 제어하는 기체배출단계; 및 전해조의 압력이 기 설정된 전해수보충압력까지 낮아지면 기체배출을 중단하도록 수소탱크 및 산소탱크와 전해조의 연결을 차단하는 배출중단단계;로 구성될 수 있다.
상기 기체배출압력은 20bar, 전해수보충압력은 1bar일 수 있다.
상기 전해수보충단계는, 제어부가 전해조와 전해수 탱크가 연결되도록 제어하여 전해수가 유입되는 전해수유입단계; 및 전해수의 용량이 기 설정된 용량에 이르면 제어부가 전해조와 전해수의 연결을 차단하고 전류인가를 중단하는 전류재인가준비단계;로 구성될 수 있다.
본 발명의 수전해 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 수소가 생산되는 환원전극과 산소가 생산되는 산화전극이 각각 독립되고 분리된 전해조에 수용되어 기체가 섞일 염려가 없어 멤브레인을 필요로 하지 않으므로, 경제적이고 효율적으로 수소를 생산할 수 있는 효과가 있다. 또한, 전류의 인가방향을 제어하여 순환 시스템으로 구성되어 지속적으로 수소 및 산소를 생산할 수 있어 시스템의 운영이 용이한 효과가 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 제어방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 전류인가단계 및 기체발생단계의 모습을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 기체저장단계의 모습을 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 전해수보충단계의 모습을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 전류재인가단계를 나타내는 도면이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명은 수소를 생산하는 수전해 시스템과 그 시스템의 제어방법에 관한 것으로, 독립적으로 분리된 한 쌍의 전해조(100)에 전류를 공급하여 산화반응이 일어나는 전해조(100)의 활성전극(200)에서 산소를 생산하고, 환원반응이 일어나는 전해조(100)의 활성전극(200)에서 수소를 생산하되 특정 시점에서 전류의 인가방향을 전환하여 반대로 산화/환원반응이 일어나는 순환 시스템에 관한 발명이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템은 전해조(100), 활성전극(200), 보조전극(300), 센서, 제어부(400)를 포함할 수 있다. 또한, 기체가 이동하는 유로를 형성하는 적어도 하나 이상의 파이프를 더 포함할 수 있다.
전해조(100)는 수소 또는 산소를 생산하는 전기분해 반응이 일어나는 전해수(101)와 활성전극(200)이 수용될 수 있다. 전해조(100)는 독립적으로 분리된 한 쌍으로 구성될 수 있다. 종래 기술의 경우 하나의 전해조(100)에 산화반응이 일어나는 활성전극(200)과 환원반응이 일어나는 활성전극(200)이 모두 수용되었으나, 본 발명에서 전해조(100)는 한 쌍으로 분리되고 각각의 전해조(100)에 활성전극(200)이 하나씩 수용될 수 있다. 각각의 활정전극에서는 산화반응 또는 환원반응이 번갈아가면서 일어나므로, 기체가 섞일 염려가 없어 고가의 멤브레인을 필요로 하지 않는다.
각각의 전해조(100)에는 전해수 탱크로부터 공급받은 전해수(101)가 수용될 수 있다. 전해수(101)는 KOH 또는 NaOH 등의 알칼리 용액일 수 있다. 또한, 각각의 전해조(100)는 수소가 저장되는 수소탱크, 산소가 저장되는 산소탱크와 연결되어 발생하는 수소 또는 산소가 저장될 수 있다.
전해조(100)에는 전해수 탱크로부터 전해수(101)를 공급받는 전해수 유입구(140)가 형성될 수 있다. 전해수(101)는 전해수 유입구(140)를 통해 보충되는데, 전해수 유입구(140)에는 전해수밸브(141)가 구비될 수 있다. 전해수밸브(141)는 전해수 유입구(140)를 선택적으로 개폐하여 전해수 탱크로부터 전해수(101)가 유입되는 것을 조절할 수 있다.
활성전극(200)은 전력(P)과 연결되어 전류가 인가되고, 전해수(101)를 전기분해하여 산소 또는 수소를 생산하는 전극이다. 활성전극(200)은 수소 또는 산소 발생시 낮은 과전압과 높은 내식성을 필요로 하며, 알칼리 전해수(101)의 조건에서 저항이 낮은 전극이 사용될 수 있다.
각각의 전해조(100)에 수용되는 활성전극(200)은 상호간 활성전극도선(230)에 의하여 전력(P)과 연결될 수 있다. 전력(P)에서 전류가 인가되면 활성전극(200) 중 하나는 양극이 되고, 다른 하나는 음극이 된다. 전류는 양극에서 음극으로 흐르며, 전류의 방향이 전환되면 양극과 음극은 서로 바뀌게 된다.
본 명세서에서 산소가 발생하는 활성전극(200)을 산화전극(220), 수소가 발생하는 활성전극(200)을 환원전극(210)으로 정의하여 표현하기로 한다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 환원전극(210)과 산화전극(220)은 전류의 인가방향에 따라 상호 변환될 수 있다. 동일한 활성전극(200)이라도 전류가 인가되는 방향에 따라 환원전극(210) 또는 산화전극(220)이 되고, 환원전극(210)인지 산화전극(220)인지에 따라 수소 또는 산소가 발생하게 된다.
보조전극(300)은 한 쌍으로 구성되어 각각의 전해조(100)에 수용되어 전해수(101)의 전자를 다른 전해조(100)로 제공하거나 제공받는 역할을 할 수 있다. 보조전극(300)은 상호간 보조전극도선(310)에 의하여 연결된다.
센서는 전해조(100)에서 발생하는 수소 또는 산소 기체의 압력을 측정하고, 전해수(101)의 용량을 측정하는 센싱 기능을 할 수 있다. 센서는 전해조(100)의 상단에 형성되어 기체의 압력을 측정하는 압력센서(130) 및 전해조(100)의 하단에 형성되어 전해수(101)의 용량을 측정하는 전해수센서(150)로 구성될 수 있다. 압력센서(130)와 전해수센서(150)는 각각의 전해조(100)에 구비되어, 각각의 전해조(100)에 발생한 기체압력과 전해수(101)의 용량을 측정할 수 있다.
제어부(400)는 압력센서(130)의 측정값을 수신하여 상황에 따라 수소 또는 산소 기체를 선택적으로 배출하도록 제어할 수 있다. 기체의 압력이 기체배출압력 이상이 되면 수소 또는 산소기체를 배출하고, 전해수보충압력 이하가 되면 전해수(101)를 보충하여 남은 기체를 모두 배출하도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부(400)는 전해수센서(150)의 측정값을 수신하여 전해조(100)에 전해수 탱크로부터 전해수(101)가 공급되도록 제어할 수 있다. 전해수밸브(141)를 열면 전해수 탱크의 전해수(101)가 전해조(100)로 공급될 수 있다.
또한, 제어부(400)는 전력(P)에서 인가되는 전류의 방향을 제어하여 선택적으로 전류의 방향을 전환함으로써 환원전극(210)과 산화전극(220)을 결정할 수 있다. 제어부(400)의 상세한 기능에 대한 자세한 사항은 후술한다.
파이프는 전해조(100)에 연결되어 활성전극(200)에서 발생하는 수소 또는 산소 기체가 수소탱크 또는 산소탱크로 배출되는 유로를 형성할 수 있다. 전해조(100)에서 파이프로 기체가 배출되는 입구에는 유로를 선택적으로 개폐하는 기체밸브(111, 121)가 구비될 수 있다. 파이프는 전해조(100)에 하나 또는 복수개가 구비될 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 파이프는 수소탱크와 연결된 수소파이프(110) 및 산소탱크와 연결된 산소파이프(120)로 구성될 수 있다. 수소파이프(110)에는 수소밸브(111)가 형성되고, 산소파이프(120)에는 산소밸브(121)가 형성될 수 있다.
제어부(400)는 전력(P)에 의하여 활성전극도선(230)에 흐르는 전류의 방향을 제어할 수 있으므로 각각의 활성전극(200)이 환원전극(210)인지 아니면 산화전극(220)인지에 따라 선택적으로 기체밸브(111, 121)를 개폐할 수 있다. 이에 대한 자세한 사항은 후술한다.
도면에 도시하지 않았으나, 전해조(100)에는 단일 파이프만 구비되고, 파이프에서 각각 수소탱크 또는 산소탱크로 분기되는 분기점이 형성되며, 분기점에는 3웨이밸브가 구비될 수 있다. 제어부(400)는 3웨이밸브를 제어하여 파이프가 선택적으로 수소탱크 또는 산소탱크와 연결되도록 제어하여 수소기체는 수소탱크로, 산소기체는 산소탱크로 이동하는 유로를 형성할 수 있다. 즉, 제어부(400)는 전력(P)에서 활성전극도선(230)에 인가되는 전류의 방향에 따라 활성전극(200)이 환원전극(210)인 경우에는 기체밸브(111, 121)가 수소탱크와 연결되도록 제어하고, 산화전극(220)엔 경우에는 기체밸브(111, 121)가 산소탱크와 연결되도록 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 제어방법의 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 제어방법은 전류인가단계(S100), 기체발생단계(S200), 기체저장단계(S300), 전해수보충단계(S400), 전류재인가단계(S500)를 포함할 수 있다. 각 단계에 대하여 도면과 함께 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 전류인가단계(S100) 및 기체발생단계(S200)의 모습을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 전류인가단계(S100)는 전력(P)에 의하여 활성전극도선(230)에 전류가 흐르기 시작하는 단계이다. 이 때, 양극에 연결된 활성전극(200)은 산소가 발생하는 산화반응이 일어나는 산화전극(220)이 되고, 음극에 연결된 활성전극(200)은 수소가 발생하는 환원반응이 일어나는 환원전극(210)이 된다. 전류는 환원전극(210)에서 산화전극(220)으로 흐르게 된다. 즉, 전자를 제공받는 활성전극(200)이 환원전극(210)이 되고, 전자를 제공하는 활성전극(200)이 산화전극(220)이 된다. 이 때, 환원전극(210)과 산화전극(220)에서 일어나는 반응은 다음과 같다.
[반응식]
산화전극(Anode): 4OH-→ 2H20 + 4e- + O2
환원전극(Cathode): 4H2O + 2e- → 4OH- + 2H2
전류인가단계(S100)에서 수소밸브(111)와 산소밸브(121), 전해수밸브(141)는 모두 닫힌 상태로 진행된다.
기체발생단계(S200)는 앞선 전류인가단계(S100)에서 전력(P)에 의하여 활성도선에 전류가 인가되면 각각의 활성전극(200)에서는 수소 또는 산소가 발생하기 시작하는 단계이다.
상기 반응식의 반응이 일어나면서 환원전극(210)에서는 수소가 발생하고, 산화전극(220)에서는 산소가 발생한다. 기체발생단계(S200)에서 수소밸브(111)와 산소밸브(121)는 모두 닫힌 상태로 진행된다. 기체발생단계(S200)에서 각각의 전해조(100)에 수소 또는 산소가 발생하는데 수소밸브(111) 및 산소밸브(121)는 모두 닫힌 상태로 있으므로 전해조(100)의 상단에 기체가 모이게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 기체저장단계(S300)의 모습을 나타내는 도면이다.
압력센서(130)는 전해조(100)의 기체 압력을 측정하여 제어부(400)로 송신한다. 제어부(400)는 압력센서(130)에서 측정된 기체의 압력이 기 설정된 기체배출압력에 이르면 기체를 배출하여 저장한다.
구체적으로, 제어부(400)는 환원전극(210)이 수용된 전해조(100)의 경우 수소파이프(110)에 형성된 수소밸브(111)를 열도록 제어하여 수소기체가 수소탱크로 이동하도록 제어할 수 있다. 이 때, 산소파이프(120)는 산소밸브(121)가 닫힌 상태로 유지되므로 수소기체는 수소파이프(110)를 통해 수소탱크로만 이동할 수 있다.
또한, 제어부(400)는 산화전극(220)이 수용된 전해조(100)의 경우 산소파이프(120)에 형성된 산소밸브(121)를 열도록 제어하여 산소기체가 수소탱크로 이동하도록 제어할 수 있다. 이 때, 수소파이프(110)는 수소밸브(111)가 닫힌 상태로 유지되므로 산소기체는 산소파이프(120)를 통해 산소탱크로만 이동할 수 있다.
기체배출압력은 생산된 수소 또는 산소기체가 각각 수소파이프(110) 또는 산소파이프(120)를 통해 배출될 수 있는 적절한 압력으로 설정될 수 있으며, 바람직하게는 20bar 이상의 압력으로 설정될 수 있다.
기체저장단계(S300)에서 전류는 지속적으로 인가되며, 따라서 활성화전극에서는 지속적으로 산화 또는 환원반응이 일어나게 된다. 또한, 기체저장단계(S300)에서 수전해밸브는 닫힌 상태로 유지된다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 전해수보충단계(S400)의 모습을 나타내는 도면이다.
전해수보충단계(S400)는 전해조(100)에 전해수(101)를 보충하는 단계이다.
기체저장단계(S300)에서 기체가 빠져나가면 전해조(100)의 압력이 점차 낮아지게 된다. 제어부(400)는 압력센서(130)에서 측정된 기체의 압력이 기 설정된 전해수보충압력에 이르면 기체의 배출을 중단하기 위하여 수소밸브(111)와 산소밸브(121)가 모두 닫히도록 제어한다. 전해수보충압력은 기체가 충분히 배출된 상태의 압력으로 설정할 수 있으며, 바람직하게는 1bar 이하로 설정할 수 있다.
전해수센서(150)는 전해조(100)에 수용된 전해수(101)의 용량을 지속적으로 측정하여 제어부(400)로 송신할 수 있다. 제어부(400)는 전해수센서(150)에서 측정된 전해수(101)의 용량이 기 설정된 기준용량 이하가 되면 전해수밸브(141)를 열도록 제어할 수 있다. 전해수밸브(141)가 열리면 전해조(100)로 전해수(101)가 유입되어 전해수(101)의 수위가 상승하게 된다. 도 5를 참조하면, 전해수(101)의 수위가 상승하면서 잔존하던 수소 또는 산소기체가 모두 배출되게 된다.
도 6을 참조하면, 수소 및 산소기체가 배출되고, 전해수(101)가 충분히 보충되어 기 설정된 용량 이상이 되면 제어부(400)는 전해수밸브(141)를 다시 닫히도록 제어한다. 또한, 제어부(400)는 산소밸브(121)와 수소밸브(111)를 모두 닫아 기체가 섞이는 것을 방지하고, 전류인가를 잠시 중단하도록 제어할 수 있다. 즉, 전력(P)을 인가하기 전의 최초상태가 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 전류재인가단계(S500)를 나타내는 도면이다.
전류재인가단계(S500)는 전해수(101)가 보충된 후 전류의 방향을 전환하여 인가하는 단계이다. 전류의 방향이 전환됨으로써 환원전극(210)은 산화전극(220)으로 변경되고, 산화전극(220)은 환원전극(210)으로 변경된다.
도 7을 참조하면, 전력(P)에서 전극의 방향을 바꾸어 전류가 인가된다. 즉, 전류의 방향이 이 전의 사이클과 반대방향이 된다. 따라서, 산화반응이 일어나 산소를 생산하던 산화전극(220)은 환원전극(210)으로 변경되고, 환원반응이 일어나 수소를 생산하는 환원전극(210)은 산화전극(220)으로 변경된다. 또한, 보조전극도선(310)에 흐르는 전자의 방향도 반대가 된다. 전류재인가단계(S500) 이후에는 다시 기체발생단계(S200)가 진행되어 수소 또는 산소를 생산하는 사이클이 순환될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템은 한 쌍의 전해조(100)에서 수소 또는 산소가 발생하는 시스템을 예시로 하고 있으나, 한 쌍의 전해조(100)가 복수개 연속적으로 구비된 모듈 타입으로 구성될 수 있다. 모듈타입의 경우 전류를 인가하여 한번에 대량의 수소를 생산할 수 있다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
P : 전력 100 : 전해조
101 : 전해수 110 : 수소파이프
111: 수소밸브 120: 산소파이프
121: 산소밸브 130 : 압력센서
140 : 전해수 유입구 141 : 전해수밸브
150 : 전해수센서 200 : 활성전극
210 : 환원전극 220 : 산화전극
230 : 활성전극도선 300 : 보조전극
310 : 보조전극도선 400 : 제어부

Claims (17)

  1. 전해수 탱크로부터 공급받은 전해수를 수용하고, 수소탱크 및 산소탱크와 연결되는 한 쌍의 분리된 전해조;
    한 쌍의 전해조에 각각 수용되고, 상호간 활성전극도선에 의하여 전력과 연결되어 전해수를 전기분해하여 수소를 생산하는 환원전극, 산소를 생산하는 산화전극으로 이루어진 한 쌍의 활성전극;
    한 쌍의 전해조에 각각 수용되고, 상호간 보조전극도선에 의하여 연결되어 분리된 전해조로 전자를 제공하거나 또는 제공받는 보조전극;
    전해조에 발생하는 수소 또는 산소의 압력을 측정하고, 전해조의 전해수 용량을 측정하는 복수의 센서; 및
    센서의 측정값을 수신하여 수소 또는 산소 기체를 선택적으로 배출하도록 제어하고, 전해수 탱크로부터 전해조로 전해수를 선택적으로 공급하도록 제어하며, 전력의 전류방향을 선택적으로 제어하는 제어부;
    를 포함하는 수전해 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    센서는 각각의 전해조에 발생하는 수소 또는 산소의 압력을 측정하는 압력센서 및 전해수 용량을 측정하는 전해수센서로 구성되어 각각의 전해조에 구비되는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    각각의 전해조에 연결되어 활성전극에서 발생하는 수소 또는 산소 기체가 수소탱크 또는 산소탱크로 배출되는 유로를 형성하고, 전해조에서 기체가 배출되는 입구에는 선택적으로 유로를 개폐하는 기체밸브가 구비된 적어도 하나 이상의 파이프;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    파이프는 수소탱크와 연결되고 수소밸브가 형성된 수소파이프 및 산소탱크와 연결되고 산소밸브가 형성된 산소파이프로 구성되고, 수소밸브 및 산소밸브는 제어부에 의하여 선택적으로 개폐되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    파이프는 전해조에 연결되는 단일 파이프로 구성되되, 각각 수소탱크 또는 산소탱크로 연결되는 분기점이 형성되고, 분기점에는 3웨이밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    제어부는 압력센서에서 측정된 기체의 압력이 기 설정된 기체배출압력에 이르면 산화전극이 수용된 전해수의 산소기체밸브를 열고, 환원전극이 수용된 전해수의 수소기체밸브를 열도록 제어하여 산소탱크 및 수소탱크에 기체를 저장하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    기 설정된 기체배출압력은 20bar 이상인 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  8. 청구항 6에 있어서,
    전해수에 발생된 기체가 배출되어 압력센서에서 측정된 기체의 압력이 기 설정된 전해수보충압력 이하가 되면 제어부는 전해조에 전해수를 공급하도록 제어하여 잔존하는 기체를 모두 배출되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    기 설정된 전해수보충압력은 1bar 이하인 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    제어부는 전해수센서에서 측정된 전해수의 용량이 기 설정된 용량 이하인 경우 전해수밸브를 열도록 제어하고, 기 설정된 용량에 이르면 전해수밸브를 닫도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    제어부는 전해수가 기 설정된 용량에 이르면 기체밸브와 전해수밸브를 모두 닫고 전력에서 인가되는 전류의 방향을 전환하여 전류를 인가하도록 제어하고,
    전류의 방향이 전환됨으로써 환원전극은 산화전극으로 변경되고, 산화전극은 환원전극으로 변경되어 시스템의 운영이 순환되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    한 쌍의 전해조가 복수개 연속적으로 구비되어 동일한 제어부에 의하여 운영되는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서,
    전해수는 NaOH 또는 KOH 수용액인 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  14. 청구항 1의 수전해 시스템의 제어방법으로서,
    활성전극에 일 방향으로 전류를 인가하는 전류인가단계;
    전자를 제공하는 활성전극에서 수소가 발생하고, 전자를 제공받는 활성전극에서 산소가 발생하는 기체발생단계;
    전해조에서 발생한 기체를 저장하는 기체저장단계;
    전해조에 전해수가 보충되는 전해수보충단계; 및
    활성전극에 타 방향으로 전류를 인가하여 기체발생단계가 재진행되는 전류재인가단계;
    를 포함하여 순환되는 수전해 시스템 제어방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    기체저장단계는,
    생산된 수소 또는 산소의 압력이 기 설정된 기체배출압력에 이르면 제어부가 수소탱크와 산소탱크로 기체가 배출되도록 제어하는 기체배출단계; 및
    전해조의 압력이 기 설정된 전해수보충압력까지 낮아지면 기체배출을 중단하도록 수소탱크 및 산소탱크와 전해조의 연결을 차단하는 배출중단단계;
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템 제어방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    기체배출압력은 20bar, 전해수보충압력은 1bar인 것을 특징으로 하는 수전해 시스템 제어방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    전해수보충단계는,
    제어부가 전해조와 전해수 탱크가 연결되도록 제어하여 전해수가 유입되는 전해수유입단계; 및
    전해수의 용량이 기 설정된 용량에 이르면 제어부가 전해조와 전해수의 연결을 차단하고 전류인가를 중단하는 전류재인가준비단계;
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템 제어방법.
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