KR101677670B1 - 전기 탈이온 장치를 구비한 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지 시스템은 연료가스를 수소가 풍부한 개질가스로 전환하는 개질기와, 개질가스를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 스택과, 공급수로부터 불순물 이온이 제거된 순수를 배출하는 전기 탈이온 장치와, 순수의 전기 전도도를 측정하는 감지부와, 개질기와 연료전지 스택으로 순수를 공급하는 물 공급부와, 감지부의 측정 신호에 따라 연료전지 스택의 작동을 제어하는 제어기를 포함한다.

Description

전기 탈이온 장치를 구비한 연료전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM WITH ELECTRO DEIONAZATION DEVICE}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 개질기와 연료전지 스택으로 공급되는 물을 정수 처리하는 전기 탈이온 장치를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
바이오가스나 탄화수소계 연료를 사용하는 연료전지 시스템은 최근 분산전원으로 각광을 받고 있다. 또한, 연료전지 시스템은 35% 이상의 발전효율과, 50% 이상의 열효율과, 85% 이상의 종합효율을 나타내므로, 고효율 에너지 생산기기로 주목을 받고 있다.
연료전지 시스템은 탄화수소계 연료를 수소로 치환하는 개질기를 포함한다. 개질기는 수증기 개질 반응기로서 연료가스 중의 메탄을 고온 분위기에서 산소와 반응시켜 수소로 개질한다. 개질기에는 수증기 개질 반응에 필요한 정량수가 공급되는데, 종래에는 이온교환수지 물질을 사용하는 필터식 수처리 방법이 주로 사용되고 있다.
그런데 각 지역마다 공급수의 조성(불순물의 종류와 함량)이 일정하지 않으므로 필터의 교환주기가 지역마다 달라질 수 있다. 따라서 필터식 수처리 방법에서는 연료전지 시스템의 일괄적인 유지보수에 어려움이 있다. 또한, 정수되지 않은 물이 개질기로 공급되는 경우 개질기 내부에 불순물의 스케일이 발생하므로, 연료전지 시스템의 성능이 저하되고 수명이 감소된다.
본 발명은 수증기 개질 반응을 위해 개질기로 공급되는 정량수를 정수 처리함과 동시에 정량수의 수질을 실시간으로 모니터링함으로써 정량수에 포함된 불순물에 의한 성능 저하와 수명 감소를 예방할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료가스를 수소가 풍부한 개질가스로 전환하는 개질기와, 개질가스를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 스택과, 공급수로부터 불순물 이온이 제거된 순수를 배출하는 전기 탈이온 장치와, 순수의 전기 전도도를 측정하는 감지부와, 개질기와 연료전지 스택으로 순수를 공급하는 물 공급부와, 감지부의 측정 신호에 따라 연료전지 스택의 작동을 제어하는 제어기를 포함한다.
전기 탈이온 장치는 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이에 이온교환수지가 충진된 셀과, 제1 공간을 사이에 두고 셀의 양측에 배치된 양전극 및 음전극을 포함할 수 있다.
양전극과 음전극은 전원부로부터 고정된 직류전압을 인가받을 수 있으며, 제1 공간은 순수의 전기 전도도가 5μS/cm 내지 10μS/cm이 되도록 조절될 수 있다. 다른 한편으로, 양전극과 음전극은 전원부로부터 변압기에 의해 가변되는 직류전압을 인가받을 수 있으며, 직류전압은 순수의 전기 전도도가 5μS/cm 내지 10μS/cm이 되도록 제어될 수 있다.
양전극과 음전극을 직류전압을 인가받을 수 있고, 감지부는 양전극과 음전극에 흐르는 전류량을 저항으로 측정하고 전압으로 환산한 다음 증폭하는 감지 회로부를 포함할 수 있다. 다른 한편으로, 감지부는 순수와 접하며 직류전압을 인가받는 두 개의 전극을 구비한 감지셀과, 두 전극에 흐르는 전류량을 저항으로 측정하고 전압으로 환산한 다음 증폭하는 감지 회로부를 포함할 수 있다.
연료전지 시스템은 개질기로 연료가스를 공급하는 연료 공급부와, 개질기와 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급부를 더 포함할 수 있다. 제어기는 감지부의 측정 신호가 미리 저장된 위험치 이상일 때 연료 공급부와 물 공급부 및 공기 공급부의 작동을 중지시킬 수 있다.
연료전지 시스템은 전처리 필터를 더 포함할 수 있다. 전처리 필터는 전기 탈이온 장치의 전단에서 전기 탈이온 장치와 직렬로 연결되며, 공급수에 포함된 불순물을 먼저 제거할 수 있다.
연료전지 시스템은 전기 탈이온 장치에서 배출되는 순수의 수질을 실시간으로 모니터링할 수 있다. 또한, 순수의 수질이 미리 설정된 위험치를 초과하면 연료전지 스택의 동작을 자동 정지시킴으로써 개질기와 연료전지 스택 내부에 스케일이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 따라서 불순물 스케일에 의한 연료전지 시스템의 성능 저하와 수명 감소를 예방할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료전지 시스템 중 전기 탈이온 장치의 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시한 연료전지 시스템 중 감지부를 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때 이는 다른 부분의 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 그리고 "~위에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것을 의미하며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 도면에 나타난 각 구성의 크기 및 두께 등은 설명의 편의를 위해 임의로 나타낸 것이므로, 본 발명은 도시한 바로 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 1을 참고하면, 제1 실시예의 연료전지 시스템은 바이오가스나 탄화수소계 연료가스를 수소가 풍부한 개질가스로 전환하는 개질기(100)와, 개질가스를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 스택(200)을 포함한다.
개질기(100)는 수증기 개질(steam reforming) 반응기이며, 연료가스 중의 메탄을 고온 분위기에서 산소와 반응시켜 수소로 개질한다. 개질기(100)는 버너(도시하지 않음)를 포함한다. 버너는 버너연료와 공기를 혼합 연소시켜 연소열을 발생시키고, 개질기(100)로 연소열을 공급하여 개질기(100)가 수증기 개질에 필요한 고온을 유지하도록 한다.
연료전지 스택(200)은 개질가스 중의 수소를 공기 중의 산소와 화학반응시켜 전기와 열을 생산한다. 연료전지는 공해물질의 배출과 소음이 없고, 수소를 지속적으로 공급하는 한 영구적으로 사용할 수 있는 고효율 에너지원이다. 연료전지 스택(200)은 인버터(210)와 연결된다. 인버터(210)는 연료전지 스택(200)의 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다.
연료전지 스택(200)은 축열조(300)와 연결될 수 있다. 축열조(300)는 폐열 회수장치(도시하지 않음)를 이용하여 연료전지 스택(200)에서 발생된 열을 제공받아 저장한다. 연료전지 시스템은 전기를 생산하는 것과 더불어 축열조(300)의 열을 이용하여 온수 또는 난방수 등을 사용자에게 공급할 수 있다.
연료전지 시스템은 연료 공급부(400), 물 공급부(500), 공기 공급부(600), 및 제어기(700)를 포함한다.
연료 공급부(400)는 연료 유량계와 연료 승압펌프 등을 포함하며, 개질기(100)로 연료가스를 공급한다. 물 공급부(500)는 물 펌프와 열교환기 등을 포함하며, 개질기(100)로 수증기 개질 반응에 필요한 정량수를 공급하고, 연료전지 스택(200)으로 냉각수를 공급한다.
공기 공급부(600)는 공기 유량계와 공기 펌프 등을 포함하며, 버너와 연료전지 스택(200)으로 공기를 공급한다. 제어기(700)는 연료 공급부(400), 물 공급부(500), 공기 공급부(600), 및 인버터(210)와 전기적으로 연결되어 이들의 작동을 제어한다.
물 공급부(500)가 정수되지 않은 물을 개질기(100)와 연료전지 스택(200)으로 공급하면, 개질기(100)와 연료전지 스택(200) 내부에 불순물에 의한 스케일이 발생한다. 이는 연료전지 시스템의 성능 저하와 수명 감소를 유발한다.
따라서 연료전지 시스템은 공급수를 정수 처리하여 불순물을 제거한 순수를 배출하는 전기 탈이온 장치(800)를 포함한다. 물 공급부(500)는 전기 탈이온 장치(800)에서 배출된 순수를 개질기(100)와 연료전지 스택(200)으로 공급한다.
도 2는 도 1에 도시한 연료전지 시스템 중 전기 탈이온 장치의 구성도이다.
도 2를 참고하면, 전기 탈이온 장치(800)는 이온교환수지와 양이온 교환막 및 음이온 교환막으로 구성된 셀(810)과, 소정의 거리를 두고 셀(810)의 외측에 배치된 양전극(820) 및 음전극(830)을 포함한다. 양전극(820)과 셀(810) 사이의 공간 및 음전극(830)과 셀(810) 사이의 공간을 제1 공간(S10)이라 한다.
셀(810)은 양이온 교환막(812)과 음이온 교환막(813) 사이에 이온교환수지(811)를 충진한 구성으로 이루어진다. 이온교환수지(811)는 양이온 교환수지와 음이온 교환수지의 혼합물로 이루어진다. 양이온 교환막(812)의 극성은 (-)이며, 양이온을 선택적으로 투과시킨다. 음이온 교환막(813)의 극성은 (+)이고, 음이온을 선택적으로 투과시킨다.
음이온 교환막(813)은 양전극(820)과 마주하며, 양이온 교환막(812)은 음전극(830)과 마주한다. 양전극(820)과 음전극(830)은 전원부(도시하지 않음)와 연결되어 이로부터 직류전원을 공급받는다. 직류전원은 24V 또는 48V일 수 있으나, 이러한 예시로 한정되지 않는다.
외부의 공급수는 양이온 교환막(812)과 음이온 교환막(813) 사이의 이온교환수지(811)로 공급되고, 전기적인 인력과 이온 교환막(812, 813)에 의해 공급수에 포함된 양이온 불순물과 음이온 불순물은 각각 양이온 교환막(812)과 음이온 교환막(813)을 투과한다. 따라서 공급수의 흐름은 생산수(순수) 흐름과 제1 공간(S10)을 흐르는 농축수 흐름으로 분리된다.
도시는 생략하였으나, 전기 탈이온 장치(800)는 외부의 공급수와 제1 공간(S10)을 거쳐 배출된 농축수를 다시 제1 공간(S10)으로 투입하는 순환 펌프를 포함한다. 이온교환수지(811)를 거쳐 배출된 순수는 정량수로서 개질기(100)에 공급되고, 냉각수로서 연료전지 스택(200)에 공급된다.
순수의 전기 전도도를 측정하면 순수의 불순물 함유량을 예측할 수 있다. 즉 순수의 전기 전도도는 불순물 함유량에 의존한다. 전술한 전기 탈이온 장치(800)는 배출되는 순수의 전기 전도도가 5μS/cm 내지 10μS/cm의 조건을 만족하도록 구성된다. 전기 전도도의 단위에서 S는 Siemens를 나타낸다.
예를 들어, 전기 탈이온 장치(800)는 직류전원이 특정 값으로 고정된 상태에서 제1 공간(S10)의 폭을 조절하여 배출되는 순수의 전기 전도도를 위의 수치 범위로 맞출 수 있다. 제1 공간(S10)의 폭이 작아질수록 전기적 인력이 커져 이온 불순물의 투과율이 높아지므로, 순수의 전기 전도도를 낮출 수 있다.
구체적으로, 전기 탈이온 장치(800)를 제작하는 과정에서 셀(810)을 구성하는 물질들의 물리적인 특성 및 직류전원의 전압값 등을 고려하여 배출되는 순수의 전기 전도도가 위의 범위를 만족하도록 제1 공간(S10)의 폭을 설계 및 조절할 수 있다.
다른 한편으로, 전기 탈이온 장치(800)는 전원부에 인가되는 전압값을 조절하여 배출되는 순수의 전기 전도도를 위의 수치 범위로 맞출 수 있다. 전원부에 인가되는 전압값이 커질수록 전기적 인력이 커져 이온 불순물의 투과율이 높아지므로, 순수의 전기 전도도를 낮출 수 있다. 이 경우 전기 탈이온 장치(800)는 전원부와 연결된 변압기(도시하지 않음)를 포함할 수 있다.
다시 도 1을 참고하면, 연료전지 시스템은 전기 탈이온 장치(800)에서 배출되는 순수의 전기 전도도를 실시간으로 측정하는 감지부(850)를 포함한다. 그리고 제어기(700)는 감지부(850)와 전기적으로 연결되어 감지부(850)의 출력 신호에 따라 연료전지 스택(200)의 작동을 제어한다.
도 3은 도 1에 도시한 연료전지 시스템 중 감지부를 나타낸 구성도이다. 도 3에 도시한 감지부는 하나의 예시일 뿐이며, 감지부의 구성은 도시한 예로 한정되지 않는다.
도 3을 참고하면, 감지부(850)는 순수와 접하는 두 개의 전극(861, 862)을 구비한 감지셀(860)과, 전극(861, 862)에 흐르는 전류량을 저항으로 측정하고 전압으로 환산한 다음 증폭하는 감지 회로부(870)를 포함할 수 있다. 감지부(850)는 전기 탈이온 장치(800)의 순수 배출구에 설치될 수 있으며, 두 개의 전극(861, 862) 사이로 순수가 흐른다.
감지셀(860)의 두 전극(861, 862)에 직류전압을 공급하면 순수를 통해 흐르는 전류는 전기적인 저항에 역비례하고, 전기 전도도에 직접적으로 비례한다. 감지 회로부(870)는 전극(861, 862)에 흐르는 전류량을 저항으로 측정하고 측정된 전류값을 전압값으로 환산한 다음 증폭하는 구성으로 이루어지며, 출력 신호를 제어기(700)로 전송한다.
이때 전극(861, 862) 면적과 전극(861, 862)간 거리의 함수로 정의되는 셀 상수(거리/면적, cm-1)는 0.1일 수 있으며, 이 경우 0.5μS/cm 내지 200μS/cm 범위의 전기 전도도 측정이 가능하다. 전술한 구성의 감지부(850)는 초순수와 같이 전기 전도도 값이 매우 작은 용액도 정밀한 측정이 가능한 장점이 있다.
다른 한편으로, 감지부(850)는 별도의 감지셀 없이 전기 탈이온 장치(800)의 양전극(820) 및 음전극(830)에 바로 연결될 수 있다. 즉 감지 회로부(870)는 전기 탈이온 장치(800)의 양전극(820) 및 음전극(830)에 연결되며, 양전극(820) 및 음전극(830)에 흐르는 전류량을 저항으로 측정하고 전압으로 환산한 다음 증폭하여 출력 신호를 내보낼 수 있다.
하기 표 1에 순수의 불순물 함유량에 따라 전기 전도도를 감지하는 이론값과 실험값의 측정 결과를 나타내었다.
NO. 기준값 측정값 감지 회로부
환산
전기 전도도
(μS/cm)		 이론값
[(센스전압
-0.88)/0.00176]		 전기 전도도
(μS/cm)		 센스전압(mV)
(220Ω)		 소프트웨어
환산값
(센스전압×3)
1 0 0.88 0 0.890 2.7
2 1 0.8817 1.15 0.890 2.7
3 2 0.8835 2 0.890 2.7
4 5 0.8888 4.93 0.898 2.73
5 10 0.8976 10 0.901 2.74
6 20 0.9152 18 0.919 2.8
7 50 0.9680 43.5 0.964 2.93
8 100 1.0560 91 1.045 3.17
9 191 1.2161 172.3 1.191 3.62
다시 도 1을 참고하면, 제어기(700)는 감지부(850)의 출력 신호를 분석하여 전기 탈이온 장치(800)에서 배출되는 순수의 수질을 실시간으로 모니터링한다. 또한, 제어기(700)는 감지부(850)의 출력 신호가 미리 설정된 위험치 이상일 때 연료 공급부(400)와 물 공급부(500) 및 공기 공급부(600)의 작동을 중지시켜 연료전지 스택(200)의 동작을 자동 정지(auto shut down)시킬 수 있다.
즉 제어기(700)는 전기 탈이온 장치(800)에서 배출되는 순수에 일정량 이상의 불순물이 포함되었다고 판단한 경우, 연료전지 스택(200)의 동작을 자동 정지시킴으로써 개질기(100)와 연료전지 스택(200) 내부에 불순물에 의한 스케일 발생을 방지할 수 있다. 따라서 불순물 스케일에 의한 연료전지 시스템의 성능 저하와 수명 감소를 예방할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 4를 참고하면, 제2 실시예의 연료전지 시스템은 전기 탈이온 장치(800)의 전단에서 전기 탈이온 장치(800)와 직렬로 연결된 전처리 필터(900)를 포함한다. 전처리 필터(900)는 이온교환수지 필터 또는 역삼투막 필터 등으로 구성될 수 있으며, 공급수에 포함된 불순물을 먼저 제거한다.
이온교환수지 필터는 주로 센물(칼슘이나 마그네슘 함량이 많고 경도가 100mg/L 이상인 물)을 연수화시키는 기능을 한다. 역삼투압 필터는 역삼투 현상을 이용하여 물 속에 녹아있는 유기물, 무기물, 입자상 물질, 탁도 성분, 세균, 및 박테리아 등의 오염 물질을 제거하는 기능을 한다.
제2 실시예의 연료전지 시스템에서 전처리 필터(900)를 제외한 나머지 구성은 전술한 제1 실시예와 동일하다. 전처리 필터(900)는 주기적인 교환이 요구되는데, 감지부(850)와 제어기(700)가 전기 탈이온 장치(800)에서 배출되는 순수의 수질을 실시간으로 측정 및 모니터링함에 따라, 전처리 필터(900)의 교환주기를 정확하게 예측할 수 있다.
따라서 제2 실시예의 연료전지 시스템에서는 예측된 교환주기에 따라 전처리 필터(900)의 교환을 가능하게 함으로써 공급수의 수질 문제로 인해 발생할 수 있는 성능 저하와 수명 감소를 효과적으로 방지할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 개질기 200: 연료전지 스택
300: 축열조 400: 연료 공급부
500: 물 공급부 600: 공기 공급부
700: 제어기 800: 전기 탈이온 장치
850: 감지부 900: 전처리 필터

Claims (8)

  1. 연료 공급부에 의해 연료가스를 공급받으며, 연료가스를 수소가 풍부한 개질가스로 전환하는 개질기;
    공기 공급부로부터 공기를 공급받고, 상기 개질기로부터 개질가스를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지 스택;
    공급수로부터 불순물 이온을 제거하여 미리 설정된 범위의 전기 전도도를 갖는 순수를 배출하도록 구성된 전기 탈이온 장치;
    상기 순수의 전기 전도도를 측정하는 감지부;
    상기 개질기와 상기 연료전지 스택으로 상기 순수를 공급하는 물 공급부; 및
    상기 감지부의 측정 신호가 미리 저장된 위험치 이상일 때 상기 연료 공급부와 상기 공기 공급부 및 상기 물 공급부의 작동을 중지시키는 제어기
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 탈이온 장치는,
    양이온 교환막과 음이온 교환막 사이에 이온교환수지가 충진된 셀;
    제1 공간을 사이에 두고 상기 셀의 양측에 배치된 양전극 및 음전극
    을 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양전극과 상기 음전극은 전원부로부터 고정된 직류전압을 인가받으며,
    상기 제1 공간의 폭은 상기 순수의 전기 전도도가 5μS/cm 내지 10μS/cm이 되도록 조절되는 연료전지 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 양전극과 상기 음전극은 전원부로부터 변압기에 의해 가변되는 직류전압을 인가받으며,
    상기 직류전압의 크기는 상기 순수의 전기 전도도가 5μS/cm 내지 10μS/cm이 되도록 제어되는 연료전지 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 양전극과 상기 음전극은 직류전압을 인가받으며,
    상기 감지부는 상기 양전극과 상기 음전극에 흐르는 전류량을 저항으로 측정하고 전압으로 환산한 다음 증폭하는 감지 회로부를 포함하는 연료전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 감지부는,
    상기 순수와 접하며 직류전압을 인가받는 두 개의 전극을 구비한 감지셀; 및
    상기 두 전극에 흐르는 전류량을 저항으로 측정하고 전압으로 환산한 다음 증폭하는 감지 회로부
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전기 탈이온 장치의 전단에서 상기 전기 탈이온 장치와 직렬로 연결되며, 상기 공급수에 포함된 불순물을 먼저 제거하는 전처리 필터를 더 포함하는 연료전지 시스템.
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