KR101906684B1 - 유체분석장치와 그 방법 및 유체분석장치를 구비한 연료전지 시스템 - Google Patents

유체분석장치와 그 방법 및 유체분석장치를 구비한 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유체분석장치와 그 방법 및 유체분석장치를 구비한 연료전지 시스템을 제공한다.
상기 유체분석장치는, 산소 원자와 탄소 원자를 포함한 유체가 공급되는 공급라인으로부터 상기 유체 중의 일부를 샘플링 유체로서 제공받고, 제공받은 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도를 서로 다른 온도에서 각각 측정하는 측정부와, 상기 측정부가 서로 다른 온도에서 측정한, 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도들에 기초해서, 상기 샘플링 유체 중의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율을 계산하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

유체분석장치와 그 방법 및 유체분석장치를 구비한 연료전지 시스템{FLUID ANALYSIS APPARATUS AND METHOD THEREOF AND FUEL CELL SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명은 유체분석장치와 그 방법 및 유체분석장치를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 유체 중의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율을 정확하게 계산하는 유체분석장치와 그 방법 및 유체분석장치를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료에 저장된 화학 에너지를 전기화학반응에 의해 전기 에너지로 직접 변환시키는 장치로, 에너지 변환 효율이 높다. 또한, 기존 발전체계와 다르게 소음 및 바다 근처에 설치될 필요가 없으며, 설치 면적 대비 많은 양의 전력을 생산할 수 있는 장점이 있으며, 공해 물질로 분류되는 NOx나 SOx등이 생성되지 않아 친환경적인 발전 설비라고 볼 수 있다.
연료전지는, 연료를 공급받는 연료극과 공기를 공급받는 공기극을 포함하는 연료전지 스택을 포함할 수 있으며, 이러한 연료전지 스택에서의 전기화학반응에 의해 전기에너지를 생성할 수 있다.
이러한 연료전지와 같은 고온에서 작동하는 시스템에서, 탄화수소를 포함한 천연가스를 사용하는 경우, 탄소의 석출을 방지하기 위해, 연료극으로 공급되는 산소 원자의 양을 조절하여 연료 중의 산소 원자와 탄소 원자의 비율을 제어할 필요가 있다.
일반적인 연료전지 시스템의 경우에는 시스템에 공급하는 탄화수소연료와 물의 양을 조절함으로써, 산소 원자와 탄소 원자의 비율에 대한 추정이 가능하다. 그러나, 연료극에서 배출되는 미반응 연료가스를 재순환시키는 재순환 시스템의 경우, 재순환하는 배출 가스에 포함된 물이 연료극으로 공급되므로, 시스템에 공급하는 탄화수소 연료와 물의 양을 조절하는 것만으로, 정확한 산소 원자와 탄소 원자의 비율 계산이 어려운 문제가 있다.
종래기술로, 가스 크로마토그래피(Gas Chromatography, GC) 장치를 이용하여, 연료극으로 공급되는 기체의 조성을 계산할 수 있다. 이러한 방법은, 연료극으로 공급되는 가스의 모든 성분 함량을 가스 크로마토그래피를 이용하여 측정하고, 계산식에 의해 산소와 탄소의 비율을 계산하고 제어한다.
그러나, 이러한 가스 크로마토그래피를 이용한 측정방법은, 1회 측정값을 얻는데 시간이 오래 걸리고, 측정 시에 운전 조건의 변경을 할 수 없으며, 실시간으로 연속적인 모니터링이 어려운 문제가 있다. 또한, 가스 크로마토그래피장치 자체의 측정 오차율로 인해 신뢰성이 저하되는 우려가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 공급되는 유체 중의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율을 측정 오차의 누적 없이 정확하게 계산하고, 실시간으로 모니터링하는 유체분석장치와 그 방법 및 유체분석장치를 구비한 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 연료극으로 공급되는 연료의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율을 제어하여 미반응 연료의 재순환 효율을 높이는 유체분석장치와 그 방법 및 유체분석장치를 구비한 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 유체분석장치는, 산소 원자와 탄소 원자를 포함한 유체가 공급되는 공급라인으로부터 상기 유체 중의 일부를 샘플링 유체로서 제공받고, 제공받은 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도를 서로 다른 온도에서 각각 측정하는 측정부와, 상기 측정부가 서로 다른 온도에서 측정한, 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도들에 기초해서, 상기 샘플링 유체 중의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율을 계산하는 제어부를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는, 상기 샘플링 유체가 기체인 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O), 수소(H2)만을 포함한다는 가정하에, 상기 기체들의 농도에 기초한 하기 수학식 1에 따라 상기 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 계산하되, 하기 수학식 1은 상기 측정부가 서로 다른 온도에서 측정한 상기 산소 분자의 농도들에 관한 식으로 정리될 수 있다.
바람직하게, 상기 서로 다른 온도 중의 하나인 제1 온도에서 상기 수증기의 농도와 상기 수소의 농도 사이의 비인 [H2O]/[H2]를 rh1이라 하고, 상기 이산화탄소의 농도와 상기 일산화탄소의 농도 사이의 비인 [CO2]/[CO]를 rc1이라 하고, 상기 서로 다른 온도 중의 다른 하나인 제2 온도에서 상기 수증기의 농도와 상기 수소의 농도 사이의 비인 [H2O]/[H2]를 rh2이라 하고, 상기 이산화탄소의 농도와 상기 일산화탄소의 농도 사이의 비인 [CO2]/[CO]를 rc2이라 할 때, 상기 수학식 1은 하기 수학식 2로 정리될 수 있다.
바람직하게, 하기 반응식 1과 하기 반응식 2에 기초하여, 상기 rh1은 [O]1/KT1H로 정리되고, rh2는 [O]2/KT2H로 정리되고, rc1은 [O]1/KT1C로 정리되고, rc2는 [O]2/KT2C로 정리되어, 상기 수학식 2는 하기 수학식 3으로 정리될 수 있다.
바람직하게, 상기 공급라인으로 공급되는 유체는, 연료전지의 스택으로 공급되는, 탄화수소 연료가 개질된 기체이거나, 또는 상기 스택의 내부에서 개질되기 위해 상기 스택으로 공급되는 탄화수소 연료일 수 있다.
바람직하게, 상기 측정부의 전단에 구비되어, 상기 측정부로 제공되는 샘플링 유체를 800℃~1500℃에서 개질하는 개질부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 서로 다른 온도 중의 어느 하나를 제1 온도로, 상기 서로 다른 온도 중의 다른 하나를 제2 온도로 할 때, 상기 측정부는, 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도를 상기 제1 온도에서 측정하는 제1 측정부재와, 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도를 상기 제2 온도에서 측정하는 제2 측정부재를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 유체분석방법은, 산소 원자와 탄소 원자를 포함한 유체가 공급되는 공급라인으로부터 상기 유체 중의 일부를 샘플링 유체로서 수집하는 수집단계와, 상기 수집단계에서 수집한 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도를 제1 온도에서 측정하는 제1 측정단계와, 상기 제1 측정단계의 상기 제1 온도와 다른 제2 온도에서 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도를 측정하는 제2 측정단계와, 상기 제1 측정단계에서 측정한 상기 산소 분자의 농도와, 상기 제2 측정단계에서 측정한 상기 산소 분자의 농도에 기초해서, 상기 샘플링 유체 중의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율을 계산하는 계산단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 수집단계에서 수집한 상기 샘플링 유체를, 상기 제1 및 제2 측정단계 전에 800℃~1500℃에서 개질하는 개질단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 연료극과 공기극이 구비되는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택 중의 상기 연료극으로 탄화수소 연료나 상기 탄화수소 연료를 개질한 연료를 공급하는 공급라인과, 상기 연료극의 출구를 상기 공급라인의 소정 연결지점으로 연결시켜, 상기 연료극에서 배기되는 미반응 연료를 상기 공급라인으로 순환시키는 순환라인과, 상기 연결지점 이후에서 상기 공급라인과 연결되어, 상기 연료극으로 공급되는 연료 중의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율을 분석하는 유체분석장치를 포함하되, 상기 유체분석장치는, 상기 공급라인으로부터 상기 연료 중의 일부를 샘플링 유체로서 제공받고 제공받은 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도를 서로 다른 온도에서 각각 측정하는 측정부와, 상기 측정부가 서로 다른 온도에서 측정한, 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도들에 기초해서, 상기 샘플링 유체 중의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율을 계산하는 제어부를 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일실시예에 의한 유체분석장치와 그 방법 및 연료전지 시스템을 이용하면, 제어부에서 서로 다른 온도에서의 측정된 샘플링 유체의 산소 분자의 농도만으로, 높은 신뢰도의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 계산할 수 있으므로, 샘플링 유체의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 실시간으로 모니터링 할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 유체분석장치가 연료전지 시스템에 이용되는 경우에, 연료 재순환 시스템을 이용하는 경우에도, 연료극의 전단으로 유입되는 미반응 가스를 포함한 연료로부터 샘플링 유체를 추출함으로써, 연료극으로 공급되는 연료의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 측정 오차의 누적 없이 정확하게 계산할 수 있고, 실시간으로 모니터링할 수 있다.
이에 따라, 재순환 구조를 이용하는 연료전지 시스템의 경우에도, 연료극으로 공급되는 산소의 양을 조절할 수 있으므로, 미반응 연료의 재순환 효율을 높일 수 있다. 또한, 고온에서 작동하는 연료전지 시스템에서, 탄화수소를 포함하는 연료를 이용 시에, 탄소의 석출을 최소화하는 우수한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 유체분석장치와, 유체분석장치를 포함하는 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 유체분석방법을 나타내는 플로우차트이다.
이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
먼저, 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명인 유체분석장치와 그 방법 및 연료전지 시스템의 기술적인 특징을 이해시키기에 적합한 실시예들이다. 다만, 본 발명이 이하에서 설명되는 실시예에 한정하여 적용되거나 설명되는 실시예들에 의하여 본 발명의 기술적 특징이 제한되는 것이 아니며, 본 발명의 기술 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다.
도 1에 도시된 실시예를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템(10)은, 연료전지 스택(20)과, 공급라인(30)과, 순환라인(40)과, 유체분석장치(100)를 포함할 수 있다.
연료전지 스택(20)은, 연료공급원(22)으로부터 연료를 공급받는 연료극(21)과, 공기공급원(24)으로부터 공기를 공급받는 공기극(23)을 포함할 수 있다.
공급라인(30)은 연료전지 스택(20) 중의 연료극(21)으로 탄화수소 연료나 탄화수소 연료를 개질한 연료를 공급할 수 있다.
구체적으로, 공급라인(30)은, 연료공급원(22)과 연료극(21) 사이에 연결될 수 있으며, 연료공급원(22)으로부터 공급된 탄화수소 연료를 연료극(21)으로 공급할 수 있다. 여기서, 공급라인(30)에는 연료공급원(22)으로부터 공급된 천연의 탄화수소 연료를 개질하는 개질기(R1)가 구비될 수 있으며, 연료공급원(22)에 개질기(R1)가 연결된 경우에는 연료극(21)으로 탄화수소 연료를 개질한 연료를 공급할 수 있다. 다만, 개질기(R1)는 공급라인(30)에 반드시 연결되는 것은 아니며, 공급라인(30)에 개질기(R1)가 연결되지 않은 경우에는, 공급라인(30)을 통해 연료극(21)으로 개질되지 않은 탄화수소 연료가 공급될 수 있다. 이 경우 공급된 탄화수소 연료는 연료전지 스택(20) 내부에 구비된 내부개질기(R2)에 의해 개질될 수도 있다.
순환라인(40)은, 연료극(21)의 출구와, 공급라인(30)과 소정의 연결지점(31)에서 연결되어, 연료극(21)에서 배기되는 미반응 연료를 공급라인(30)으로 순환시킬 수 있다. 다만, 연료극(21)에서 배기되는 미반응 연료는 공급라인(30)으로 모두 재순환되는 것은 아니고, 일부는 연결지점(31) 통해 재순환되며, 도시하지 않았지만, 나머지 미반응 연료는 배출될 수 있다.
구체적으로 순환라인(40)은 연료극(21)의 출구와 공급라인(30)의 연결지점(31) 사이에 연결되어, 탄화수소 연료 중 연료극(21)에서 반응되지 않은 미반응 연료를 공급라인(30)으로 순환시킬 수 있다.
유체분석장치(100)는, 연결지점(31) 이후에서 공급라인(30)과 연결되어, 연료극(21)으로 공급되는 연료 중의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율을 분석할 수 있다. 다만, 이하에서 설명하는 유체분석장치(100)는, 연료전지 시스템(10)의 연료를 분석하는 것에 한정하는 것은 아니며, 산소 원자와 탄소 원자를 포함하는 유체가 이용되는 시스템이면, 다양한 시스템에 적용되는 유체를 분석할 수 있다.
구체적으로, 유체분석장치(100)는, 도시된 실시예와 같이, 측정부(200)와 제어부(300)를 포함할 수 있다.
측정부(200)는, 산소 원자(O)와 탄소 원자(C)를 포함한 유체가 공급되는 공급라인(30)으로부터 유체 중의 일부를 샘플링 유체로서 제공받을 수 있고, 제공받은 샘플링 유체 중의 산소 분자(O2)의 농도를 서로 다른 온도에서 각각 측정할 수 있다.
구체적으로, 측정부(200)는 공급라인(30)과 유입라인(50)을 통해 연결될 수 있고, 유입라인(50)은, 공급라인(30)과 순환라인(40)이 연결되는 연결지점(31)과 연료극(21) 사이에 연결될 수 있다. 또한, 유입라인(50)에는 밸브(51)가 연결되어, 밸브(51)의 조절에 의해 측정부(200)로 샘플링 유체를 기설정된 양만큼 유입시킬 수 있다.
이에 따라, 유입라인(50)을 통해 측정부(200)로 공급되는 샘플링 유체는, 연료공급원(22)에서 공급되는 연료와, 재순환하는 미반응 연료가 포함된 유체일 수 있다. 따라서, 측정부(200)는, 미반응 가스가 재순환되는 연료전지 시스템(10)에서도, 연료극(21)으로 유입되는 연료를 정확하게 분석할 수 있다.
더욱 구체적으로, 측정부(200)는, 제1 측정부재(210)와, 제2 측정부재(230)를 포함할 수 있다.
서로 다른 온도 중의 하나를 제1 온도(T1)로, 서로 다른 온도 중의 다른 하나를 제2 온도(T2)라고 할 때, 제1 측정부재(210) 제1 온도(T1)에서 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도를 측정할 수 있고, 제2 측정부재(230)는, 제2 온도(T2)에서 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도를 측정할 수 있다.
여기서, 측정부(200)에서 유출되는 샘플링 유체는, 도시된 실시예와 같이 외부로 배출될 수도 있고, 공급라인(30)으로 다시 유입되어 연료극(21)으로 공급될 수도 있다.
그리고, 제어부(300)는, 측정부(200)가 서로 다른 온도에서 측정한, 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도들에 기초해서, 샘플링 유체 중의 산소 원자(O)와 탄소 원자(C) 사이의 비율(O/C ratio)을 계산할 수 있다.
구체적으로, 제어부(300)는, 제1 측정부재(210)로부터 제1 온도(T1)에서 측정된 샘플링 유체의 산소 분자의 농도와, 제2 측정부재(230)로부터 제2 온도(T2)에서 측정된 샘플링 유체의 산소 분자의 농도를 입력받을 수 있다. 그리고, 제어부(300)는, 제1 온도(T1)와 제2 온도(T2)에서의 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도를 통해, 샘플링 유체 중의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 계산할 수 있다.
이와 같이, 본 발명이 일실시예에 의한 유체분석장치(100)는, 제어부(300)에서 서로 다른 온도에서의 측정된 샘플링 유체의 산소 분자의 농도만으로, 높은 신뢰도의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 계산할 수 있으므로, 샘플링 유체의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 실시간으로 모니터링 할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 유체분석장치(100)가 연료전지 시스템(10)에 이용되는 경우에, 연료 재순환 시스템을 이용하는 경우에도, 연료극(21)의 전단으로 유입되는 미반응 가스를 포함한 연료로부터 샘플링 유체를 추출함으로써, 연료극(21)으로 공급되는 연료의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 측정 오차의 누적 없이 정확하게 계산할 수 있고, 실시간으로 모니터링할 수 있다.
이에 따라, 재순환 구조를 이용하는 연료전지 시스템(10)의 경우에도, 연료극(21)으로 공급되는 산소의 양을 조절할 수 있으므로, 미반응 연료의 재순환 효율을 높일 수 있다. 또한, 고온에서 작동하는 연료전지 시스템(10)에서, 탄화수소를 포함하는 연료를 이용 시에, 탄소의 석출을 최소화하는 우수한 효과를 얻을 수 있다.
이하에서는, 제어부(300)에서, 서로 다른 온도에서의 산소 분자 농도를 통해, 샘플링 유체의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 계산하는 과정을 상술한다.
제어부(300)는, 샘플링 유체가 기체인 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O), 수소(H2)만을 포함한다는 가정하에, 상기한 기체들의 농도에 기초한 하기 수학식 1에 따라 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 계산하되, 하기 수학식 1은 측정부(200)가 서로 다른 온도(T1, T2)에서 측정한, 산소 분자(O2)의 농도들에 관한 식으로 정리될 수 있다. 여기서, 수학식 1이 산소 분자의 농도에 관한 식으로 정리되는 과정은 후술한다.
Figure 112016129406452-pat00001
공급라인(30)에서 유입라인(50)을 통해 측정부(200)로 유입된 샘플링 유체는, 기체인 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O), 수소(H2)만을 포함한다고 가정할 수 있다. 샘플링 유체는 상기한 바와 같이, 산소 원자와 탄소 원자를 포함한 유체일 수 있고, 상기한 기체(CO, CO2, H2O, H2) 이외의 기체를 포함하는 유체일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이러한 샘플링 유체에서, 상기한 기체(CO, CO2, H2O, H2) 이외의 기체의 양이, 상기한 기체(CO, CO2, H2O, H2)에 비해, 계산 시에 무시 가능할 정도로 작은 양으로 구비되도록 하여, 샘플링 유체가 상기한 기체(CO, CO2, H2O, H2)만을 포함한다고 가정할 수 있다.
여기서, 샘플링 유체 중의 상기한 기체(CO, CO2, H2O, H2)와 산소 원자의 농도는, 동일한 단위를 사용한다면, 다양한 측정방법이나 단위가 제한 없이 적용될 수 있다. 다만, 샘플링 유체의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)은, 상기한 기체들의 농도의 비율로 정해지므로, 상기한 기체들의 농도의 단위가 동일하면, 수학식 1에서 분자와 분모의 단위가 소거될 수 있다. 따라서, 샘플링 유체 중의 각 기체의 농도는 동일한 단위를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 혼합기체 중의 각 성분의 압력은 각 성분의 농도에 비례하므로, 샘플링 유체 중의 각 기체의 압력을 측정하고, 각 기체의 압력을 상기 수학식 1에 대입하면, 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 얻을 수 있다. 아울러, 후술하는 바와 같이, 산소 농도에 의해 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 계산하는 경우에는, 샘플링 기체 중의 산소의 분압을 측정함으로써 계산할 수 있다. 여기서, 기체의 압력의 단위는 atm, Pa 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며 다양한 압력의 단위가 사용될 수 있다.
일 례로, 본 발명에 따른 유체분석장치(100)는, 공급라인(30)으로부터 유입되는 샘플링 유체를 개질한 후, 측정부(200)로 유입시킬 수 있다. 이에 따라, 샘플링 유체 중에 포함된 탄화수소의 양이 무시할 정도로 작아져서, 샘플링 유체가 상기한 기체(CO, CO2, H2O, H2)만을 포함한다고 가정할 수 있다.
여기서, 샘플링 유체는, 공급라인(30)에 구비된 개질기(R1)에 의해 개질될 수도 있으며, 유체분석장치(100) 내부에 포함된 개질부(400)에 의해 개질될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 유체분석장치(100)는, 측정부(200)의 전단에 구비되어, 측정부(200)로 제공되는 샘플링 유체를 800℃~1500℃에서 개질하는 개질부(400)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 개질부(400)는, 별도의 가열수단을 포함하여, 샘플링 유체를 고온에서 개질할 수 있다. 이에 따라, 공급라인(30)에 구비된 개질기에 의해 유체가 개질된 경우에도, 공급라인(30)에 구비된 개질기보다 더 높은 온도(예를 들어, 800℃℃ 이상)에서 개질될 수 있으므로, 탄화수소의 양이 최소화될 수 있다.
다만, 본 발명에서 상기한 가정을 성립시키기 위한 방안으로, 샘플링 유체를 개질하는 것에 한정하는 것은 아니며, 상기한 기체(CO, CO2, H2O, H2) 이외의 기체의 양이, 상기한 기체(CO, CO2, H2O, H2)에 비해, 계산 시에 무시 가능할 정도로 작은 양으로 구비될 수 있다면, 다양한 방안이 적용될 수 있음은 물론이다.
한편, 상기한 수학식 1은, 서로 다른 온도 중의 하나인 제1 온도(T1)에서 물(또는 수증기, H2O)의 농도와 수소(H2)의 농도 사이의 비인 [H2O]/[H2]를 rh1이라 하고, 이산화탄소(CO2)의 농도와 일산화탄소(CO)의 농도 사이의 비인 [CO2]/[CO]를 rc1이라 하고, 서로 다른 온도 중의 다른 하나인 제2 온도(T2)에서 물(또는 수증기)의 농도와 수소의 농도 사이의 비인 [H2O]/[H2]를 rh2이라 하고, 이산화탄소의 농도와 일산화탄소의 농도 사이의 비인 [CO2]/[CO]를 rc2이라 할 수 있다.
상기한 기체 농도의 비인, rh1 , rc1 , rh2 , rc2는 하기의 반응식 1과 반응식 2에 기초한다.
[반응식 1]
H2O->H2+1/2*O2
[반응식 2]
CO2->CO+1/2*O2
구체적으로, 반응식 1의 평형상수(KTH=([H2][O])/([H2O]))를 기초로 하여, 아래의 관계식과 같이 기체 농도의 비를 얻을 수 있다. 여기서, KT1H는 제1 온도(T1)에서의 반응식 1의 평형상수이고, KT2H는 제2 온도(T2)에서의 반응식 1의 평형상수이다. 또한, [O]1는, 제1 온도(T1)에서의, 1/2*O2(산소 분자)의 농도이고, [O]2는, 제2 온도(T2)에서의, 1/2*O2 (산소 분자)의 농도이다.
Figure 112016129406452-pat00002
Figure 112016129406452-pat00003
또한, 반응식 2의 평형상수(KTH=([H2][O])/([H2O]))를 기초로 하여, 아래의 관계식을 얻을 수 있다. 여기서, KT1C는 제1 온도(T1)에서의 반응식 2의 평형상수이고, KT2C는 제2 온도(T2)에서의 반응식 2의 평형상수이다.
Figure 112016129406452-pat00004
Figure 112016129406452-pat00005
이와 같이, 기체 농도의 비인, rh1 , rc1 , rh2 , rc2는, 평형상수와 산소 분자 농도의 비로도 표현할 수 있다.
한편, 상기한 바와 같이, 제어부(300)는, 샘플링 유체가 기체인 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O), 수소(H2)만을 포함한다는 가정하에 계산하므로, 상기한 기체 이외의 농도는 무시할 정도로 작다고 가정할 수 있다. 예를 들어, 탄화수소(메탄, 에탄, 프로판 등)와 산소 분자(O2) 등의 농도가, 상기한 기체(CO, CO2, H2O, H2)의 농도에 비해 무시할 정도로 작다고 가정하면, 아래의 관계식과 같이, 수소 원자의 총량(Ht)은 일정할 수 있다.
[H20]+[H2]=[HT]/2=Ht=일정
여기서, 상기 수소 총량에 관한 관계식과, 기체 농도 비에 관한 정리를 참조하면, 제1 온도(T1)에서의 수증기(또는 물, H20)의 농도([H20]1)는, 아래의 관계식과 같이 정리할 수 있다.
[H20]1=[H2]*rh1={Ht-[H20]1}*rh1
상기 관계식을 [H20]1에 관하여 정리하면, [H20]1=(Ht*rh1)/(1+rh1)이다. 같은 방법으로 정리하면, 제2 온도(T2)에서의 수증기(또는 물, H20)의 농도([H20]2)는 [H20]2=(Ht*rh2)/(1+rh2)로 정리할 수 있다.
따라서, 제1 온도(T1)에서 제2 온도(T2)로의 [H2O]의 변화량은 하기 수학식 4로 정리할 수 있다.
Figure 112016129406452-pat00006
또한, 탄화수소(메탄, 에탄, 프로판 등)와 산소 분자(O2) 등의 농도가, 상기한 기체(CO, CO2, H2O, H2)의 농도에 비해 무시할 정도로 작다고 가정하면, 아래의 관계식과 같이, 탄소 원자의 총량(Ct)은 일정할 수 있다.
[CO2]+[CO]=[C]=Ct=일정
여기서, 상기 탄소 총량에 관한 관계식과, 기체 농도 비에 관한 정리를 참조하면, 제1 온도(T1)에서의 이산화탄소(CO2)의 농도([CO2]1)는, 아래의 관계식과 같이 정리할 수 있다.
[CO2]1=[CO]*rC1={Ct-[CO2]1}*rC1
상기 관계식을 [CO2]1에 관하여 정리하면, [CO2]1=(Ct*rC1)/(1+rC1)이다. 같은 방법으로 정리하면, 제2 온도(T2)에서의 이산화탄소(CO2)의 농도([CO2]1)는 [CO2]2=(Ct*rC2)/(1+rC2)로 정리할 수 있다.
따라서, 제1 온도(T1)에서 제2 온도(T2)로의 [CO2]의 변화량은 하기 수학식 5로 정리할 수 있다.
Figure 112016129406452-pat00007
한편, 상기한 가정에서, 산소 분자(O2)의 농도가, 상기한 기체(CO, CO2, H2O, H2)의 농도에 비해 무시할 정도로 작다고 가정하였으므로, 상기한 제1 온도(T1)에서 제2 온도(T2)로의 [H2O]의 변화량(Δ[H20]2-1)과, 제1 온도(T1)에서 제2 온도(T2)로의 [CO2]의 변화량(Δ[CO2]2-1)은, 산소 분자의 농도를 매개로 하기의 수학식 6과 같이 연결되어 있다. 즉, 제1 온도(T1)에서 제2 온도(T2)로 변할 때, [H2O]의 증가량은 [CO2]의 감소량과 같을 수 있다. 다만, 여기서 산소 분자의 농도는, 상기한 기체의 농도와 대비할 때 계산식에서 무시할 정도로 작은 양이지만, 측정이 가능한 양이다.
[수학식 6]
Δ[H20]2-1 = -Δ[CO2]2-1
여기서, 상기 수학식 6에, 수학식 4와 수학식 5를 대입한 후, 수소의 총량(Ht)에 관하여 정리하면, 하기의 수학식 7을 유도할 수 있다.
Figure 112016129406452-pat00008
한편, 수소 원자의 총량이 일정한 것을 나타내는 관계식([H20]+[H2]=[HT]/2=Ht)과, 탄소 원자의 총량이 일정한 것을 나타내는 관계식([CO2]+[CO]=[C]=Ct) 및, 이에 따른 일산화탄소의 농도([CO]1=(Ct)/(1+rC1))와, 이산화탄소의 농도([CO2]1=(Ct*rC1)/(1+rC1)) 및 수증기의 농도([H20]1=(Ht*rh1) /(1+rh1))의 정리를 이용하여, 수학식 1을 정리하면, 아래와 같은 수학식 8을 유도할 수 있다. 즉, 산소 원자와 탄소 원자의 비율(O/C ratio)은, 상기한 제1 온도와 제2 온도에서의 기체 농도의 비(rh1, rh2, rc1, rc2)와, 수소의 총량(Ht) 및 탄소의 총량(Ct)으로 정리할 수 있다.
Figure 112016129406452-pat00009
그리고, 수학식 8에, 상기한 수학식 7을 대입하여 정리하면, 아래의 수학식 2를 유도할 수 있다. 즉, 산소 원자와 탄소 원자의 비율(O/C ratio)은, 상기한 제1 온도와 제2 온도에서의 기체 농도의 비(rh1, rh2, rc1, rc2)로 표현할 수 있다.
Figure 112016129406452-pat00010
상기 수학식 2에서 알 수 있는 바와 같이, 수소의 총량(Ht)과 탄소의 총량(Ct)이 소거되어, 산소 원자와 탄소 원자의 비율(O/C ratio)은, 상기한 제1 온도와 제2 온도에서의 기체 농도의 비(rh1, rh2, rc1, rc2)만으로 정리할 수 있다. 또한, 상기한 바와 같이, 이러한 기체 농도의 비는 측정부(200)에서 측정한 산소 분자의 농도를 통해 얻을 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 유체분석장치(100)는, 서로 다른 온도(T1, T2)에서 산소 분자의 농도를 측정하여 얻은 기체 농도의 비만으로, 산소 원자와 탄소 원자의 비율(O/C ratio)를 계산할 수 있다.
또한, 상기한 기체 농도의 비(rh1, rh2, rc1, rc2)는, 상기한 반응식 1과 반응식 2에 기초하므로, 상기한 기체 농도의 비(rh1 , rc1 , rh2 , rc2)를, 평형상수와 산소 분자 농도의 비로 표현한 식을, 수학식 2에 대입하여 정리하면, 아래의 수학식 3을 유도할 수 있다.
Figure 112016129406452-pat00011
상기 수학식 3에서 알 수 있는 바와 같이, 산소 원자와 탄소 원자의 비율(O/C ratio)은, 평형상수와, 제1 온도(T1)에서의 산소 분자의 농도([O]1) 및, 제2 온도(T2)에서의 산소 분자의 농도([O]2)만으로 계산할 수 있다.
한편, 이하에서는, 도 2에 도시된 실시예를 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 유체분석방법을 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 유체분석방법을 나타내는 플로우차트이다. 다만, 이하에서는, 상기 유체분석장치(100)를 이용한 그 분석방법에 관한 것으로, 상기한 설명과 동일한 구성에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 일실시예에 의한 유체분석방법은, 수집단계(S110)와, 제1 측정단계(S130)와, 제2 측정단계(S150)와, 계산단계(S170)를 포함할 수 있다.
수집단계(S110)는, 산소 원자와 탄소 원자를 포함한 유체가 공급되는 공급라인(30)으로부터 상기 유체 중의 일부를 샘플링 유체로서 수집함으로써 수행할 수 있다. 여기서, 공급라인(30)은, 일 례로 연료전지 시스템(10)에서 연료극(21)으로 연료를 공급하는 라인일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 산소 원자와 탄소 원자를 포함한 유체가 공급되는 라인이면, 다양한 변형실시가 가능하다.
제1 측정단계(S130)는, 수집단계(S110)에서 수집한 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도를 제1 온도(T1)에서 측정할 수 있다.
또한, 제2 측정단계(S150)는, 제1 측정단계(S130)의 제1 온도(T1)와 다른, 제2 온도(T2)에서 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도를 측정할 수 있다.
한편, 계산단계(S170)는, 제1 측정단계(S130)에서 측정한 산소 분자의 농도와, 제2 측정단계(S150)에서 측정한 산소 분자의 농도에 기초해서, 샘플링 유체 중의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 계산할 수 있다.
구체적으로, 계산단계(S170)는, 제1 측정단계(S130)에서 측정한 제1 온도(T1)에서의 산소 분자의 농도와, 제2 측정단계(S150)에서 측정한 제2 온도에서의 산소 분자의 농도에 의해 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율을 계산할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 유체분석방법은, 서로 다른 온도에서의 측정된 샘플링 유체의 산소 분자의 농도만으로, 높은 신뢰도의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 계산할 수 있으므로, 샘플링 유체의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 실시간으로 모니터링 할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일실시예에 의한 유체분석장치와 그 방법 및 연료전지 시스템을 이용하면, 제어부에서 서로 다른 온도에서의 측정된 샘플링 유체의 산소 분자의 농도만으로, 높은 신뢰도의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 계산할 수 있으므로, 샘플링 유체의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 실시간으로 모니터링 할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 유체분석장치가 연료전지 시스템에 이용되는 경우에, 연료 재순환 시스템을 이용하는 경우에도, 연료극의 전단으로 유입되는 미반응 가스를 포함한 연료로부터 샘플링 유체를 추출함으로써, 연료극으로 공급되는 연료의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 측정 오차의 누적 없이 정확하게 계산할 수 있고, 실시간으로 모니터링할 수 있다.
이에 따라, 재순환 구조를 이용하는 연료전지 시스템의 경우에도, 연료극으로 공급되는 산소의 양을 조절할 수 있으므로, 미반응 연료의 재순환 효율을 높일 수 있다. 또한, 고온에서 작동하는 연료전지 시스템에서, 탄화수소를 포함하는 연료를 이용 시에, 탄소의 석출을 최소화하는 우수한 효과를 얻을 수 있다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였지만, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 청구범위에 기재된 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다.
10 : 연료전지 시스템 20 : 연료전지 스택
30 : 공급라인 31 : 연결지점
40 : 순환라인 50 : 유입라인
100 : 유체분석장치 200 : 측정부
210 : 제1 측정부재 230 : 제2 측정부재
300 : 제어부 400 : 개질부

Claims (10)

  1. 산소 원자와 탄소 원자를 포함한 유체가 공급되는 공급라인으로부터 상기 유체 중의 일부를 샘플링 유체로서 제공받고, 제공받은 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도를 서로 다른 온도에서 각각 측정하는 측정부; 및,
    상기 측정부가 서로 다른 온도에서 측정한, 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도들에 기초해서, 상기 샘플링 유체 중의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율을 계산하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 샘플링 유체가 기체인 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O), 수소(H2)만을 포함한다는 가정하에, 상기 기체들의 농도에 기초한 하기 수학식 1에 따라 상기 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 계산하되, 하기 수학식 1은 상기 측정부가 서로 다른 온도에서 측정한 상기 산소 분자의 농도들에 관한 식으로 정리되는 유체분석장치.
    [수학식 1]
    Figure 112018080356803-pat00017

    (여기서, [CO]는 샘플링 유체 중의 일산화탄소의 농도이고, [CO2]는 이산화탄소의 농도이고, [H2O]는 수증기의 농도)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 서로 다른 온도 중의 하나인 제1 온도에서 상기 수증기의 농도와 상기 수소의 농도 사이의 비인 [H2O]/[H2]를 rh1이라 하고, 상기 이산화탄소의 농도와 상기 일산화탄소의 농도 사이의 비인 [CO2]/[CO]를 rc1이라 하고, 상기 서로 다른 온도 중의 다른 하나인 제2 온도에서 상기 수증기의 농도와 상기 수소의 농도 사이의 비인 [H2O]/[H2]를 rh2이라 하고, 상기 이산화탄소의 농도와 상기 일산화탄소의 농도 사이의 비인 [CO2]/[CO]를 rc2이라 할 때, 상기 수학식 1은 하기 수학식 2로 정리되는 유체분석장치.
    [수학식 2]
    Figure 112018080356803-pat00013
  4. 제3항에 있어서,
    하기 반응식 1과 하기 반응식 2에 기초하여, 상기 rh1은 [O]1/KT1H로 정리되고, rh2는 [O]2/KT2H로 정리되고, rc1은 [O]1/KT1C로 정리되고, rc2은 [O]2/KT2C로 정리되어, 상기 수학식 2는 하기 수학식 3으로 정리되는 유체분석장치.
    [반응식 1]
    H2O->H2+1/2*O2
    [반응식 2]
    CO2->CO+1/2*O2
    [수학식 3]
    Figure 112016129406452-pat00014

    (여기서, [O]1는, 제1 온도(T1)에서의, 산소 분자 상태로 존재하는 산소원자(O=1/2*O2)의 농도이고, [O]2는, 제2 온도(T2)에서의, 산소 분자 상태로 존재하는 산소원자(O=1/2*O2)의 농도, 즉 [O]1 =2[O2]1, [O]2 =2[O2]2 이며, KT1H는 제1 온도(T1)에서의 반응식 1의 평형상수이고, KT2H는 제2 온도(T2)에서의 반응식 1의 평형상수이며, KT1C는 제1 온도(T1)에서의 반응식 2의 평형상수이고, KT2C는 제2 온도(T2)에서의 반응식 2의 평형상수).
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공급라인으로 공급되는 유체는, 연료전지의 스택으로 공급되는, 탄화수소 연료가 개질된 기체이거나, 또는 상기 스택의 내부에서 개질되기 위해 상기 스택으로 공급되는 탄화수소 연료인 유체분석장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 측정부의 전단에 구비되어, 상기 측정부로 제공되는 샘플링 유체를 800℃~1500℃에서 개질하는 개질부를 더 포함하는 유체분석장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 서로 다른 온도 중의 어느 하나를 제1 온도로, 상기 서로 다른 온도 중의 다른 하나를 제2 온도로 할 때,
    상기 측정부는, 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도를 상기 제1 온도에서 측정하는 제1 측정부재와, 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도를 상기 제2 온도에서 측정하는 제2 측정부재를 포함하는 유체분석장치.
  8. 산소 원자와 탄소 원자를 포함한 유체가 공급되는 공급라인으로부터 상기 유체 중의 일부를 샘플링 유체로서 수집하는 수집단계;
    상기 수집단계에서 수집한 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도를 제1 온도에서 측정하는 제1 측정단계;
    상기 제1 측정단계의 상기 제1 온도와 다른 제2 온도에서 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도를 측정하는 제2 측정단계; 및,
    상기 제1 측정단계에서 측정한 상기 산소 분자의 농도와, 상기 제2 측정단계에서 측정한 상기 산소 분자의 농도에 기초해서, 상기 샘플링 유체 중의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율을 계산하는 계산단계를 포함하고,
    상기 계산단계는, 상기 샘플링 유체가 기체인 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O), 수소(H2)만을 포함한다는 가정하에, 상기 기체들의 농도에 기초한 하기 수학식 1에 따라 상기 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 계산하되, 하기 수학식 1은 상기 제1 측정단계와 상기 제2 측정단계에서 측정한 상기 산소 분자의 농도들에 관한 식으로 정리되는, 유체분석방법.
    [수학식 1]
    Figure 112018080356803-pat00018

    (여기서, [CO]는 샘플링 유체 중의 일산화탄소의 농도이고, [CO2]는 이산화탄소의 농도이고, [H2O]는 수증기의 농도)
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수집단계에서 수집한 상기 샘플링 유체를, 상기 제1 및 제2 측정단계 전에 800℃~1500℃에서 개질하는 개질단계를 더 포함하는 유체분석방법.
  10. 연료극과 공기극이 구비되는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택 중의 상기 연료극으로 탄화수소 연료나 상기 탄화수소 연료를 개질한 연료를 공급하는 공급라인;
    상기 연료극의 출구를 상기 공급라인의 소정 연결지점으로 연결시켜, 상기 연료극에서 배기되는 미반응 연료를 상기 공급라인으로 순환시키는 순환라인; 및
    상기 연결지점 이후에서 상기 공급라인과 연결되어, 상기 연료극으로 공급되는 연료 중의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율을 분석하는 유체분석장치를 포함하되,
    상기 유체분석장치는,
    상기 공급라인으로부터 상기 연료 중의 일부를 샘플링 유체로서 제공받고 제공받은 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도를 서로 다른 온도에서 각각 측정하는 측정부; 및,
    상기 측정부가 서로 다른 온도에서 측정한, 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도들에 기초해서, 상기 샘플링 유체 중의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율을 계산하는 제어부를 포함하는, 유체분석장치를 구비한 연료전지 시스템.
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