KR-102960016-B1 - WATER ELECTROLYSIS SYSTEM WITH MULTIPURPOSE PUMP

KR102960016B1KR 102960016 B1KR102960016 B1KR 102960016B1KR-102960016-B1

Abstract

본 발명은, 물을 다양한 목적으로 다양한 경로로 순환시킬 수 있는 다목적 펌프를 구비한 수전해 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은, 물탱크와 산소측 기액분리기를 연결하는 배관으로서 제1밸브, a합류점, 펌프, 이온교환기, b합류점, 제2밸브가 순서대로 배치된 제1배관과; b합류점과 물탱크를 연결하며 제3밸브가 배치된 제2배관과, 산소측 기액분리기와 a합류점을 연결하며 제4밸브가 배치된 제3배관과, 수소측 기액분리기와 a합류점을 연결하며 제5밸브가 배치된 제4배관을 포함한다. 여기서, 산소측 기액분리기의 수위가 제1 기준수위 미만이면, 제1 및 제2밸브를 개방하고 펌프를 동작시키고 제3, 제4 및 제5밸브를 폐쇄하고, 산소측 기액분리기 내의 물의 전기전도도가 제1 기준전도도 이상이면, 제2 및 제4밸브를 개방하고 펌프를 동작시키고 제1, 제3 및 제5밸브를 폐쇄하고, 물탱크 내의 물의 전기전도도가 제2 기준전도도 이상이면, 제1 및 제3밸브를 개방하고 펌프를 동작시키고 제2, 제4 및 제5밸브를 폐쇄하고, 수소측 기액분리기의 수위가 제2 기준수위 이상이면, 제2 및 제5밸브를 개방하고 펌프를 동작시키고 제1, 제3 및 제4밸브를 폐쇄하게 된다.

Inventors

염상호
김경수
김경남
이진석
심명지
김대원

Assignees

주식회사 테크로스

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20240814

Claims (7)

물을 전기분해하여, 양극측에서 산소를 포함하는 전해산물을 배출하고, 음극측에서 수소를 포함하는 전해산물을 배출하는 수전해 스택; 상기 수전해 스택의 양극측 전해산물을 입력받아 물과 가스로 분리하고, 상기 분리된 물을 상기 수전해스택으로 리턴하는 산소측 기액분리기; 상기 수전해 스택의 음극측 전해산물을 입력받아 물과 가스로 분리하는 수소측 기액분리기; 상기 산소측 기액분리기에 공급할 물을 저장하는 물탱크; 및 상기 수전해 스택에 대한 전력 공급을 제어하여 상기 전기분해 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 수전해 시스템에 있어서, 상기 물탱크와 상기 산소측 기액분리기를 연결하는 배관으로서, 상기 물탱크에서 시작하여 제1밸브, a합류점, 펌프, 이온교환기, b합류점, 제2밸브가 순서대로 배치된 제1배관; 상기 b합류점과 상기 물탱크를 연결하는 배관으로서, 제3밸브가 배치된 제2배관; 상기 산소측 기액분리기와 상기 a합류점을 연결하는 배관으로서, 제4밸브가 배치된 제3배관; 및 상기 수소측 기액분리기와 상기 a합류점을 연결하는 배관으로서, 제5밸브가 배치된 제4배관을 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 산소측 기액분리기의 수위가 제1 기준수위 미만이면, 제1 및 제2밸브를 개방하고, 상기 펌프를 가동하고, 제3, 제4 및 제5밸브를 폐쇄하고, 상기 산소측 기액분리기 내의 물의 전기전도도가 제1 기준전도도 이상이면, 제2 및 제4밸브를 개방하고, 상기 펌프를 가동하고, 제1, 제3 및 제5밸브를 폐쇄하고, 상기 물탱크 내의 물의 전기전도도가 제2 기준전도도 이상이면, 제1 및 제3밸브를 개방하고, 상기 펌프를 가동하고, 제2, 제4 및 제5밸브를 폐쇄하고, 상기 수소측 기액분리기의 수위가 제2 기준수위 이상이면, 제2 및 제5밸브를 개방하고, 상기 펌프를 가동하고, 제1, 제3 및 제4밸브를 폐쇄하도록 기능하는 것을 특징으로 하는, 다목적 펌프를 구비한 수전해 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제4배관은, 상기 수소측 기액분리기로부터 작용하는 압력을 소정의 압력으로 조절하기 위한 감압밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 다목적 펌프를 구비한 수전해 시스템.
제2항에 있어서, 상기 감압밸브는 상기 수소측 기액분리기와 상기 제5밸브 사이에 배치되고, 상기 감압밸브와 상기 제5밸브 사이에 또 하나의 기액분리기가 배치되는 것을 특징으로 하는, 다목적 펌프를 구비한 수전해 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1, 제4 및 제5밸브 중 적어도 하나는, 물의 상기 펌프로부터의 역류를 방지하는 체크밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 다목적 펌프를 구비한 수전해 시스템.
제1항에 있어서, 상기 이온교환기는, 물에 포함된 임의의 불순물을 거르기 위한 임의의 기능성 필터인 것을 특징으로 하는, 다목적 펌프를 구비한 수전해 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1배관은, 상기 이온교환기를 바이패스하기 위한 바이패스 배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 다목적 펌프를 구비한 수전해 시스템.
제1항에 있어서, 상기 펌프는, 2개 이상이 병렬 배치되어 상호보완적으로 동작하는 것을 특징으로 하는, 다목적 펌프를 구비한 수전해 시스템.

Description

다목적 펌프를 구비한 수전해 시스템{WATER ELECTROLYSIS SYSTEM WITH MULTIPURPOSE PUMP} 본 발명은 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 수전해 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 물을 다양한 목적으로 다양한 경로로 순환시킬 수 있는 다목적 펌프를 구비한 수전해 시스템에 관한 것이다. 알칼리 전해수 또는 순수를 전기분해하여 수소 및/또는 산소를 생산하는 수전해 시스템은, 수소 및/또는 산소가 분리된 알칼리 전해수 또는 순수를 회수하고, 회수된 전해액 또는 순수를 필터 여과 후 다시 전해조에 도입하는 폐쇄 루프 시스템을 구현하고 있다. 이러한 폐쇄 루프 시스템에서의 물의 순환을 위해, 수소 기액분리기와 순수 탱크 사이, 산소 기액분리기와 순수 탱크 사이, 순수 탱크와 필터 사이, 수소 기액분리기와 필터 사이에 각자의 전용 순환 펌프들이 배치된다. 한편, 각자의 목적을 위한 배관에 적어도 하나씩의 전용 순환 펌프를 배치하게 되면, 각 펌프의 동작 시간이 적어서 펌프의 수명이 연장된다는 장점은 있지만. 그러다 보니, 필요한 펌프의 개수가 늘어나므로, 시스템 구성 비용이 증가하게 된다. 또한, 펌프의 개수가 증가함에 따라 수전해 시스템의 용량 및 크기가 커질 수 있으며, 구성과 제어가 복잡해질 수 있다. 특히, 활용도가 낮은 펌프(예를 들면, 순수 탱크로부터 산소 기액분리기로 순수를 공급하는 펌프)가 발생할 수 있다. 각자의 목적을 위한 배관에 적어도 하나씩의 전용 순환 펌프를 배치한 구조에 대한 예시로서, 중국공개특허 제116752164호(2023.09.15)를 참고할 수 있다(이하, '종래기술'이라 함). 상기 종래기술은, 알칼리 전해수 수소/산소 생산 시스템에 있어서, 회수된 전해액을 필터 여과 후 다시 전해조에 도입하는 폐쇄 루프 시스템을 구현하고 있다. 한편, 상기 종래기술의 시스템은, 수소 기액분리기와 저수조 사이, 산소 기액분리기와 저수조 사이, 저수조와 필터 사이, 수소기액분리기와 필터 사이에 각각 전용의 순환 펌프가 배치된 구조를 개시한다. 도 1은, 본 발명에 따른 다목적 펌프를 구비한 수전해 시스템의 전체 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명에 따른 다목적 펌프를 구비한 수전해 시스템에 있어서, 순수 순환 펌프의 동작 및 밸브들의 제어 방법을 설명하는 흐름도이다. 본 발명에 따른 다목적 펌프를 구비한 수전해 시스템은, 순수를 저장하는 물탱크로부터의 순수를 산소측 기액분리기에 이송하는 순수 공급 펌프를 다양한 목적의 순환 방식으로 활용하는 통합 제어하는 기술을 제공한다. 상기 순수 공급 펌프의 활용 방안으로서, (a) 물탱크로부터 산소측 기액분리기로 순수를 공급하는 기능, (b) 수전해 시스템 내 순수의 수질이 저하되면 산소측 기액분리기의 물을 이온 교환 필터를 통과하도록 순환시키는 기능, (c) 물탱크 내 순수의 수질이 저하되면 물탱크의 물을 이온 교환 필터를 통과하도록 순환시키는 기능, (d) 수전해 스택의 분리막(혹은, 멤브레인)을 통과하여 수소측 기액분리기에 모이는 물이 수소측 기액분리기 내에 일정 수위를 넘어서는 경우 상기 물을 배수하여 이송하는 기능을 수행하도록 구현한다. 참고로서, 본 발명에 따른 다목적 펌프를 구비한 수전해 시스템은, 순수를 전기분해하는 PEM 방식의 수전해 시스템을 예로 들어 발명의 구성을 설명하지만, 본 발명은 PEM 방식에만 한정되는 것이 아니다. 즉, 본 발명의 기술적 사상은, 고분자 전해질 수전해 방식 혹은 음이온 교환막 수전해 방식, 혹은 알칼라인 수전해 방식 등의 모든 수전해 방식에도 적용될 수 있으며, 이러한 모든 수전해 방식에 적용된 본 발명의 기술적 사상 역시 본 발명의 범위에 포함된다 할 것이다. 본 발명에 따른 다목적 펌프를 구비한 수전해 시스템의 전체 구성을, 도 1을 참조하여 개략적으로 설명한다. 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 다목적 펌프를 구비한 수전해 시스템은, 물을 전기분해하여 양극측에서 산소를 포함하는 전해산물을 배출하고 음극측에서 수소를 포함하는 전해산물을 배출하는 수전해 스택(110)과, 상기 수전해 스택(110)의 양극측 전해산물을 입력받아 물과 가스로 분리하고 상기 분리된 물을 상기 수전해스택(110)으로 리턴하는 산소측 기액분리기(120)와, 상기 수전해 스택(110)의 음극측 전해산물을 입력받아 물과 가스로 분리하는 수소측 기액분리기(130)와, 상기 산소측 기액분리기(120)에 공급할 물을 저장하는 물탱크(140)와, 상기 수전해 스택(110)에 대한 전력 공급을 제어하여 상기 전기분해 동작을 제어하는 제어부(170)를 포함한다. 더욱, 상기 산소측 기액분리기(120)는, 양극측 전해산물로부터 분리된 후 저장된 물의 양(즉, 제1 수위)을 측정하기 위한 제1수위측정기(LV1)와 상기 분리되어 저장된 물의 전기전도도(즉, 제1 전기전도도)를 측정하기 위한 제1전도도측정기(CT1)를 구비할 수 있다. 또한, 상기 수소측 기액분리기(130)는, 음극측 전해산물로부터 분리된 후 저장된 물의 양(즉, 제2 수위)을 측정하기 위한 제2수위측정기(LV2)를 구비할 수 있다. 또한, 상기 물탱크(140)는, 외부로부터 공급받아서 저장하고 있는 순수 또는 전해질의 전기전도도(즉, 제2 전기전도도)를 측정하기 위한 제2전도도측정기(CT2)을 구비할 수 있다. 제어부(170)는, 측정되는 제1 및 제2 수위와 제1 및 제2 전기전도도를 실시간으로 모니터링하고, 각각의 측정값에 대응하여, 수전해 시스템의 운전을 제어한다. 한편, 본 발명에 따른 다목적 펌프를 구비한 수전해 시스템은, 제1배관(L1), 제2배관(L2), 제3배관(L3) 및 제4배관(L4)을 구비할 수 있다. 제1배관(L1)은, 상기 물탱크(140)와 상기 산소측 기액분리기(120)를 연결하는 배관을 가리킨다. 제1배관(L1)에는, 상기 물탱크(140) 측에서 시작하여, 제1밸브(V1), a합류점(a), 펌프(P1), 이온교환기(145), b합류점(b), 제2밸브(V2)가 순서대로 배치된다. 제1밸브(V1)는, 제어부(170)에 의해 개폐 동작이 제어될 수 있는 밸브이다. 제1밸브(V1)는, 입력되는 신호에 따라 완전 개방 또는 완전 폐쇄되는 방식의 밸브일 수 있으며, 입력되는 신호의 종류에 따라 개방되는 양이 조절될 수 있는 밸브일 수도 있다. 마찬가지로, 제2 내지 제5밸브도, 제어부의 제어에 따라 완전히 개방/폐쇄되거나, 개방되는 양이 조절될 수 있는 밸브일 수 있다. 한편, 필요에 따라서는, 제1밸브(V1)의 상류측 또는 하류측에, 상기 물탱크(140)를 향하는 역류를 방지하기 위한 체크밸브가 추가될 수 있다. 또는, 제1밸브(V1)가, 상기 역류를 차단하기 위한 체크밸브일 수도 있다. a합류점(a)은, 제1배관(L1)과 제3배관(L3)과 제4배관(L4)이 합류하는 지점이다. 상기 a합류점(a)은, 단일 지점일 수도 있으며, 제1배관(L1)에 제3배관(L3)이 합류하는 하나의 지점과 제1배관(L1)에 제4배관(L4)이 합류하는 또하나의 지점을 포함할 수도 있다. 상기 펌프(P1)는, 물탱크(140)에서 산소측 기액분리기(120)를 향하는 방향으로 물의 흐름을 발생시키도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 펌프(P1)는, a합류점(a)에서 이온교환기(145)를 향하는 방향으로 물의 흐름을 발생시킨다. 펌프(P1)의 동작은 제어부(170)에 의해 제어될 수 있다. 이온교환기(145)는, 통과하는 물로부터 이온 불순물을 제거하는 수단을 포함할 수 있다. 이온교환기(145)는, 물리적으로 또는 화학적으로 이온 불순물을 필터링할 수 있다. 한편, 상기 이온교환기(145)는, 순환하는 물에 포함된 다른 임의의 불순물을 제거하기 위한 다른 기능성 필터를 포함할 수도 있다. 또한, 제1배관(L1)에는, 이온교환기(145)를 거치지 않고 물이 흐르도록 하는 바이패스 배관이 구비될 수 있다(도시하지 않음). 바이패스 배관에는 추가적인 밸브가 배치될 수 있으며, 이 밸브의 개폐에 따라 물이 이온교환기(145)를 통과할지 또는 바이패스할지가 선택된다. b합류점(b)은, 제1배관(L1)과 제2배관(L2)이 연결되는 지점이다. 제2밸브(V2)는, 제어부(170)에 의해 개폐 동작이 제어될 수 있는 밸브이다. 제2배관(L2)은, 상기 b합류점(b)과 상기 물탱크(140)를 연결하도록 구성된다. 상기 제2배관(L2)에는, 제어부(170)에 의해 개폐 동작이 제어될 수 있는 제3밸브(V3)가 배치된다. 제3배관(L3)은, 상기 산소측 기액분리기(120)와 상기 a합류점(a)을 연결하도록 구성된다. 상기 제3배관(L3)에는, 제어부(170)에 의해 개폐 동작이 제어될 수 있는 제4밸브(V4)가 배치된다. 필요에 따라서는, 제4밸브(V4)의 상류측 또는 하류측에, 상기 산소측 기액분리기(120)를 향하는 역류를 방지하기 위한 체크밸브가 추가될 수 있다. 또는, 제4밸브(V4)가, 상기 역류를 차단하기 위한 체크밸브일 수도 있다. 제4배관(L4)은, 상기 수소측 기액분리기(130)와 상기 a합류점(a)을 연결하도록 구성된다. 상기 제4배관(L4)에는, 제어부(170)에 의해 개폐 동작이 제어될 수 있는 제5밸브(V5)가 배치된다. 필요에 따라서는, 제5밸브(V5)의 상류측 또는 하류측에, 상기 수소측 기액분리기(130)를 향하는 역류를 방지하기 위한 체크밸브가 추가될 수 있다. 또는, 제5밸브(V5)가 상기 역류를 차단하기 위한 체크밸브일 수도 있다. 한편, 상기 제4배관(L4)에는, 상기 수소측 기액분리기(130)로부터 하류측에 배치된 구성부에 작용하는 압력을 소정의 압력, 예를 들면, 상압 범위로 조절하기 위한 감압밸브(RV)가 배치될 수 있다. 상기 감압밸브(RV)는, 예를 들면, 제5밸브(V5)의 상류에 배치될 수 있다. 이로써, 제5밸브(V5)를 압력 허용범위가 낮은 저렴한 밸브로 구현하는 것이 가능케 된다. 한편, 본 발명의 또하나의 실시예에서는, 수소측 기액분리기(130)의 하류에, 즉, 수소측 기액분리기(130)와 산소측 기액분리기(120)의 사이에, 또하나의 기액분리기(134)를 더 포함할 수 있다. 상기 또하나의 기액분리기(134)는, 수소측 기액분리기(130)에서 분리된 물에 잔류하는 수소가 산소측 기액