KR101931746B1 - 현장발생형 수소가스 재활용 고효율 차아염소산나트륨 발생 시스템 - Google Patents

현장발생형 수소가스 재활용 고효율 차아염소산나트륨 발생 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존의 염소가스 소독 시스템을 대체하고, 생산 차아염소산나트륨의 농도를 일정 범위로 유지하면서, 부산물로 발생되는 수소가스를 에너지원으로 이용하여 안정성 및 에너지 효율성을 확보할 수 있는 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템에 관한 것이다.

Description

현장발생형 수소가스 재활용 고효율 차아염소산나트륨 발생 시스템 {High-Efficiency System For Generating On-Site Sodium Hypochlorite With Hydrogen Gas Recycling}
본 발명은 수소가스 재활용 수단을 구비한 차아염소산나트륨(이하 '차염'이라고도 함) 발생 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 차아염소산나트륨 생성시 부산물로 발생하는 수소가스(H2)에 대한 재활용성을 갖는 차아염소산나트륨 발생 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 차아염소산나트륨 발생 장치는 희석 염수(적정 농도의 소금물(Nacl))를 격막(이온교환막)이 없는 일련의 전극을 통과시키는 과정에서 전극 양단에 부가된 직류전류(DC)를 이용해서 소금과 물을 전기분해하여 소량의 수소가스와 차아염소산나트륨(NaOCl)을 만들어 내는 장치로서 상기와 같이 생산된 차아염소산나트륨은 염소의 안전한 형태로서 소독이 필요한 현장의 염소소독을 위하여 사용된다.
상기 차아염소산나트륨의 생성 원리는 하기 [반응식 1]과 같다.
[반응식 1]
Figure 112015053269072-pat00001
현재 대부분의 정수장 소독시스템을 점유하고 있는 액화염소 주입식 소독설비는 유독성 문제 때문에 현장제조형 차아염소산나트륨 발생시스템으로 대체되고 있는 실정이다. 또한, 환경부 고시인 제2013-188호(2014.1.6)의 기준에 따르면 차아염소산나트륨에 대한 수질 기준이 개정 고시됨에 따라 보다 유해 소독부산물을 최소화하는 1종 기준에 부합하는 안전한 차아염소산나트륨 생산기술의 필요성이 강조되고 있는 실정이다.
한편, 차아염소산나트륨 발생 장치의 주요 핵심부는 전기분해장치이며, 전기분해 장치의 상태는 생산되는 차아염소산나트륨의 농도, 전기소비량 등 제반 장비의 수명 등에 직접적인 영향을 미치게 된다. 현재 개발된 차아염소산나트륨 발생 장치는, 전기분해 시 생산되는 수소가스의 처리에 있어서 송풍기 등의 강제 배기장치를 설치하여 수소폭발농도 이하로 공기와 희석하여 배출하게 되는데, 배기장치의 고장 시 수소폭발의 위험성을 가지는 문제점이 있다.
따라서, 전기분해 부산물인 수소가스의 안전한 처리기능이 부가되어 안전하며, 효율적인 차아염소산나트륨 생산이 가능한 차아염소산나트륨 발생 장치의 개발이 필요하다.
본 발명은, 상기 종래 기술의 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서,
기존의 염소가스 소독 시스템을 대체하고, 차아염소산나트륨의 농도를 일정하게 유지하면서, 전기분해 부산물인 수소가스를 에너지원으로 재사용하여 차아염소산나트륨 생산에 필요한 에너지를 절감하고, 수소폭발의 원인을 원천적으로 제거하는 차아염소산나트륨 발생 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템에서 발생되는 수소가스를 재활용 하는 장치로서,
차아염소산나트륨 용액과 수소가스를 분리하는 기액분리기;
상기 기액분리기에서 분리된 수소가스를 일정 압력으로 연료전지에 공급하는 수소가스 공급장치; 및
수소가스를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지를 포함하고,
상기 연료전지에서 생산된 전력을 차아염소산나트륨 생산에 사용하도록 하는 수소가스 재활용 연료전지 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은
상기 수소가스 재활용 연료전지 장치 및 실시간 차아염소산나트륨 농도 측정장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템을 제공한다.
본 발명의 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템에 따르면 염소가스 누출 위험이 전혀 없고, 수소가스의 재활용을 통해 에너지를 발생시켜 효율을 높이는 동시에 수소가스에 대한 안전상의 문제점을 해소하여 더욱 다양한 산업 현장에 적용할 수 있다.
즉, 본 발명은 현재 물소독시장의 점유율이 가장 높은 염소가스 소독방식과 비교할 때 월등한 안전성을 제공할 수 있다. 또한 차아염소산나트륨을 고농도가 아닌 저농도(1% 이하)로 생산하고, 저장하고, 사용한다는 점에서 본 발명은 인체와 환경 모두에 매우 안전하며, 특히 수소가스를 전기에너지로 변환하여 버려지던 에너지를 재활용함으로써, 이산화탄소 배출량을 줄이고 생성되는 부산물의 안전한 처리가 가능하다는 장점을 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템을 이용하여 환경부 고시기준1종 이내의 고품질의 차아염소산나트륨을 생산하는 기술로서, 소독부산물인 클로레이트(ClO3 -) 또는 브로메이트(BrO3 -)의 농도가 낮은 차아염소산나트륨을 생산하는 효과가 있다.
또한 상기 차아염소산나트륨 용액을 이용한 정수 처리 시 먹는 물에 대한 불신을 해소하고 작업자의 편리성 제고하며 유지 관리 비용 절감할 수 있고 유해 물질로부터의 안정화할 수 있는 등의 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 전해수 순환장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 온도조절장치를 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 통신기능 내장 12상 정류기 제어장치를 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시간 차아염소산나트륨 농도 측정장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 기액분리기, 수소가스 공급장치, 연료전지의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 수소가스 재활용 고효율 차아염소산나트륨 발생 시스템의 대표 구성도이다.
도 8은 본 발명의 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템의 전체공정도이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 현장발생형 수소가스(H2) 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템에서 발생되는 수소가스를 전기 에너지로 변환하는 장치에 관한 것으로,
전기분해조의 차아염소산나트륨 배출구에 연결되어 있고, 차아염소산나트륨 용액과 수소가스(H2)를 분리하는 기액분리기;
상기 기액분리기에서 분리된 수소가스를 일정 압력으로 연료전지에 공급하는 수소가스 공급장치; 및
수소가스를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지를 포함하고,
상기 연료전지에서 생산된 전력을 차염 생산에 사용하도록 하는 수소가스 재활용 연료전지 장치를 제공한다.
구체적으로 상기 기액분리기는 사이클론 형태의 구조일 수 있으며, 측면에서 혼합 상태의 차아염소산나트륨 용액과 수소가스를 공급받아 하부로 차염 용액을 배출하고, 상부로는 수소가스를 배출할 수 있다.
상부 수소가스배출배관에 배압 조절 밸브(Back pressure Valve) 1을 설치하고, 하부 차염 용액 배출배관에 배압 조절 밸브(Back pressure Valve) 2를 설치하여 각각의 배관에 일정압(바람직하게는 1bar 내외)을 유지할 수 있도록 한다. 이는 압력게이지 1, 2, 3 (PI 1, 2, 3)을 통하여 확인할 수 있는데, 이러한 장치를 수소가스 공급장치라고 한다.
상기의 수소가스 공급장치는 정압상태의 수소가스를 연료전지 스택에 공급하여 안정적인 전력 생산이 가능하도록 하는 역할을 한다.
기존의 방식은 기체가압펌프를 사용하여 수소가스를 가압함으로써 연료전지 스택에 공급하는 방식이다. 이러한 기존의 방식은, 일정압 제어장치, 기체가압펌프 등을 포함해야 하기 때문에 시스템의 구성이 복잡하다. 이로 인해 에러 발생이 많을 뿐만 아니라, 문제 발생 시 압력의 밸런스를 컨트롤하기 어렵고, 별도의 전자제어 장치 등이 추가로 요구된다. 또한, 전력을 소모하는 시스템으로 이루어져 있기 때문에, 대형화 될 경우에는 많은 전력 소모에 따른 고비용이 요구된다.
뿐만 아니라 크기 및 용도에 따른 종류, 기종이 다양한 전기 분해조는 기존의 방식으로 사용할 경우, 전기 분해조의 기종에 따라 가압 펌프, 제어 장치의 구성을 달리하여야 하므로 복잡하다는 한계가 있다.
본 발명의 수소가스 가압방식은 별도의 제어장치나 가압펌프를 사용하지 않고, 배압 조절 밸브(back pressure valve) 1 및 배압 조절 밸브(back pressure valve) 2를 사용하여 간단히 정압상태의 수소가스를 공급할 수 있는 것을 특징으로 한다 (도 6). 이때, 연료전지에 원하는 압력의 수소가스를 공급하기 위해 상기 배압 조절 밸브 1에 걸리는 수소가스 압력은 상기 배압 조절 밸브 2에 걸리는 수소가스 압력과 같거나 큰 것이 바람직하다.
즉, 시스템을 구성하는 구조가 단순하여 이로 인해 오류 발생이 적고 원가 절감이 가능하다. 뿐만 아니라, 배압 조절 밸브(back pressure valve)는 전력의 소모 없이 작동되므로, 전력 공급이 원활하지 않는데 따른 작동 문제의 발생 우려가 없으며, 대형화에 따른 많은 전력 소모 우려가 없어 경제적인 효과를 제공할 수 있다.
연료전지에서 생산된 전력은 별도의 전기분해조에 공급하여 활용하는 방식 또는 기존 전력원과 병행 사용하는 방식 등으로 활용할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 수소가스 재활용 연료전지 장치 및 실시간 차아염소산나트륨 농도 측정장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템을 제공한다.
도 5에서는 본 발명의 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템의 구성도를 나타내었다. 기존의 차아염소산나트륨 발생 시스템에서는 전기분해시에 부산물로 생산되는 수소가스를 사용하지 않고, 대기 중으로 강제 배출함으로 인해 배출에 필요한 송풍기 전력소모가 있으며, 배출장치 고장으로 인한 수소 폭발의 위험이 잠재되어 있었다.
그러나, 상술한 바와 같이, 본 발명의 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템은 수소가스 재활용 연료전지 장치를 포함함으로써 현장 발생형 수소가스를 재활용할 수 있다. 상기 수소가스 재활용 연료전지 장치는 연료전지 스택에 수소가스와 산소를 공급해주면 전기에너지, 열에너지 및 물을 생산하는 원리를 이용한 것으로 종래 기술에는 없는 간단하면서도 유용한 응용 기술이다. 전기분해 부산물인 수소가스를 연료전지 스택에 실시간으로 직접 공급하여 에너지원으로 재사용하도록 하고, 특히나 차아염소산나트륨 생산에 필요한 에너지를 상기 에너지원으로부터 공급받아 사용함으로써 에너지를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 수소폭발의 원인을 원천적으로 제거하는 효과를 제공한다.
본 발명의 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템은 상술한 수소가스 재활용 연료전지 장치와 함께, 실시간 차아염소산나트륨 농도 측정장치를 포함한다.
상기 실시간 차아염소산나트륨 농도 측정장치는, 차아염소산나트륨의 농도를 실시간으로 측정하는 장치로서,
전기분해조의 전원에 연결되어 있고 농도를 표시하는 본체;
전기분해조에 공급되는 희석염수의 전기전도도를 측정하여 상기 본체에 전달하는 전도도센서 1; 및
전기분해조에서 배출되는 차아염소산나트륨 용액의 전기전도도를 측정하여 상기 본체에 전달하는 전도도센서 2; 를 포함하고,
전기분해조에 공급되는 직류전압과 직류전류를 실시간으로 측정하여 전력량을 산출하여 1차로 차아염소산나트륨의 농도를 산출하고, 전도도센서 1과 전도도센서 2의 전기전도도의 차를 이용하여 차아염소산나트륨의 농도값을 보정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 4에서는 본 발명의 실시간 차아염소산나트륨 농도 측정장치를 나타내는 구성도를 나타내었다. 기존의 차염 발생시스템에서는 생산 중인 차염의 농도를 표시하는 기능이 없으므로, 생산된 차염의 농도를 측정하기 위해서는 외부의 수질분석기관에 의뢰하거나, 요오드 적정법 등의 복잡한 과정을 거쳐야만 차염 농도의 측정이 가능하였다.
본 발명의 실시간 차아염소산나트륨 농도 측정장치는 전기분해원리를 이용하여 전력사용량과 전도도의 차이를 이용하여 생산된 차염의 농도를 실시간으로 측정하는 장치로, 기존 제품에는 없는 간단하면서도 유용한 응용 기술로서 생산 차염의 농도를 측정하기 위한 비용부담과 번거로움을 해결할 수 있도록 하였다.
구체적으로는, 패러데이법칙을 이용하여 전기분해조에 공급되는 직류전압과 직류전류를 실시간으로 측정하여 전력량을 산출하고, 전기분해조에 공급되는 전기전도도와 생산된 차아염소산나트륨의 전기전도도의 차를 이용하여 차아염소산나트륨의 농도 값으로 변환하여 생산된 차아염소산나트륨의 농도를 측정할 수 있고, 생산된 차아염소산나트륨의 농도를 실시간으로 표시할 수 있는데, 상기 농도의 편차 범위는 ± 500ppm 인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템은 소독부산물인 클로레이트(ClO3 -) 또는 브로메이트(BrO3 -)의 농도를 최소화시킬 수 있으며, 상기의 수소가스를 전기 에너지로 변환하는 수소가스 재활용 연료전지 장치 및 상기 실시간 차아염소산나트륨 농도 측정장치를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템은,
상기 수소가스 재활용 연료전지 장치 및 상기 실시간 차아염소산나트륨 농도 측정장치와 함께,
정수를 공급받아 소금을 용해하여 포화염수를 만들어 저장하는 포화염수조;
상기 포화염수조로부터 토출되는 소금물과 정수를 혼합하는 염수희석장치;
상기 염수희석장치로부터 토출되는 희석염수의 온도를 조절하는 온도조절장치;
상기 온도조절장치로부터 유입되는 희석염수를 전기분해하여 차아염소산나트륨을 발생시키는 전기분해조;
상기 전기분해조에 전력을 공급하는 전원; 및
상기 전기분해조의 전력조절을 위한 통신기능 내장 12상 정류기 제어장치를 포함할 수 있다.
이하, 각 구성요소를 자세히 설명한다.
본 발명의 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템은 정수장에 적용하는 것으로, 정수저장소의 정수를 이용하여 염수를 만들고 또한 염수를 희석하는데 사용할 수 있다.
또한 정수를 순환시켜 이송함으로써 온도조절장치의 냉각용수로 사용할 수 있는데, 정수저장조의 물은 상시 흘러 이송되는 구조이므로 정수저장조에서는 온도 상승이 일어나지 않고 온도가 일정하게 유지될 수 있다.
본 발명은 상기 정수저장조로부터 정수를 공급받아 소금을 용해하여 포화염수를 만들어 저장하는 포화염수조와 포화염수조로부터 토출되는 소금물과 정수저장조에서 토출되는 정수를 혼합하는 염수희석장치를 포함한다.
또한, 상기 염수희석장치로부터 토출되는 희석염수의 온도를 조절하는 온도조절장치의 일례를 도 2에 나타내었다.
본 발명의 상기 온도조절장치는 팰티어 소자를 사용한 팰티어 온도조절장치 또는 칠러 또는 판형 열 교환기일 수 있다.
온도조절장치는 판형 열 교환기의 인입부로 공급하여 희석염수의 온도를 15℃ 내외로 조절함으로써, 동 하절기 수온 변화에 자동적으로 대응할 수 있다. 또한 수냉식 냉각방식을 갖는 팰티어 소자를 사용한 팰티어 온도 조절 장치를 사용할 수 있다. 상기 팰티어 온도 조절 장치와 판형 열 교환기를 동시에 병행 사용하는 경우, 에너지 절약과 설치공간의 절약을 동시에 충족시킬 수 있다.
또한, 상기 온도조절장치는 동절기에 전기분해조에 처음 공급되는 희석염수를 가열하기 위하여 추가로 히터를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템은 전기분해조에 전력을 공급하는 전원과 전기 분해조를 포함하는데, 전기분해조는 상기 온도조절장치로부터 유입되는 희석염수를 전기분해하여 차아염소산나트륨을 생산한다.
상기 전기분해조의 내부 온도는 15 내지 45℃인 것이 바람직한데, 차아염소산나트륨 생산 시 전기분해조 내부 온도가 45℃ 이상 올라가게 되면 유해물질(클로레이트, 브로메이트)이 만들어지고, 음극에 스케일이 많이 생성되므로 전기 분해조에 내부 온도는 반드시 45℃ 이하로 유지되어 유해물질과 스케일 생성을 최소화하여야 한다.
또한, 본 발명은 생산된 차아염소산나트륨 용액과 정수를 열교환시키는 열교환기를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 차아염소산나트륨 발생 시스템은 생산된 차아염소산나트륨을 포함하는 전해수를 전기분해조로 재순환시킬 수 있다. 전기분해조의 전해수를 순환시키는 방식을 채택하여 희석염수와 생산 차아염소산나트륨을 직접 접촉되도록 하여 희석 염수의 온도는 필요한 만큼 상승시키고, 전기분해조 온도 및 생산 차아염소산나트륨의 온도 또한 원하는 온도로 내릴 수 있도록 하였다. 전기분해조는 원통형의 튜브형 또는 사각모양의 각형의 두 가지 형태가 있고, 전기분해조 내부는 2개 이상의 분리된 구획으로 이루어져 있다. 통상 2 내지 20개 내외의 분리된 구획으로 나누어지는데, 이는 전기분해 시 미반응되는 소금의 양을 줄이고 전기 분해가 잘 진행되도록 하기 위한 것이다. 전해수의 순환은 전기분해가 70 내지 80% 이루어진 후 순환되고, 바이패스(by-pass)되는 전해수는 80%의 전기분해 구획에 바이패스시켜 후단의 90 내지 100% 전기분해 구획을 거쳐 약 8000 ± 500 ppm 의 차아염소산나트륨을 생산하게 된다.
본 발명은 상기와 같이 전기분해된 전해수를 순환시키는 장치(전해수 순환장치)를 포함할 수 있는데, 이는 상기 전기분해조에서 토출되는 차아염소산나트륨 포함 전해수의 일부를 전기분해조로 순환시키는 라인이고, 구체적으로는 상기 전기분해조로 순환되는 전해수의 바이패스(by-pass) 유량을 조절하여 희석염수 및 생산 차아염소산나트륨 포함 전해수의 공급 유량을 조절하는 과정을 거치는 것일 수 있다. 보다 상세하게는, 전기분해조 중간의 생산된 차아염소산나트륨 포함 전해수를 전기분해조 인입부로 재공급하는 전해수 방출라인으로, 전기분해로 인해 온도가 높아진 차아염소산나트륨 포함 전해수를 염수희석장치로 보내 희석염수와 직접 접촉한 후 온도조절장치를 거쳐 전기분해조 인입부로 연속적으로 순환하게 하는 것이다. 구체적으로, 상기 전해수 순환장치는 마그네틱 펌프와 인버터를 사용하여 순환유량의 비율을 변환시켜 순환유량 변화에 따른 생산 차아염소산나트륨의 농도 변화 및 소독부산물의 생성량을 측정하여 최적 순환유량 값을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 1에 본 발명의 전해수 순환장치의 일례를 나타내는 구성도를 도시하였다.
상기 전해수 순환장치는 전기분해조가 예열 및 예냉 기능을 갖도록 하고, 전기분해조 통과 후에도 전기분해되지 않은 일부 미반응된 소금물을 추가로 전기 분해하는 기능을 갖는다. 이때, 전해수 순환 유량은 인입되는 희석염수의 온도에 따라 조절할 수 있다.
국내에 설치된 차아염소산나트륨 발생기의 설치 환경은 동절기의 경우 동파를 방지할 수 있을 정도의 낮은 실내 온도를 유지하고 있다. 이때 전기분해조의 수온은 실내온도와 비슷한 수준이므로 약 4 내지 10℃ 정도의 수온을 유지하게 되는데, 이는 차아염소산나트륨 발생기 초기 가동 시 저수온에 의한 전극의 손상을 초래할 수 있다. 즉, 초기 가동 시 실내온도와 전기분해조의 온도가 같으므로, 겨울철에는 실내온도를 15℃이상 유지하기 위해 실내 전체 난방을 하여 전력소비가 많아진다. 따라서 동절기에는 처음 공급되는 희석염수의 온도를 올려주기 위해 히터를 사용할 수 있다.
여름철에는 실내 온도가 30℃ 이상 온도가 올라가게 되므로 초기 고수온으로 인해 유해물질이 생성되는 문제점이 있어 에어컨을 가동하여 실내 냉방을 하게 되므로 전력소비가 많아지게 된다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결한 것으로 전해수 순환장치를 포함하는 전기분해조를 사용함으로써 하절기 실내온도에 따른 악영향을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명의 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템은 상기 전기분해조의 전력조절을 위한 통신기능 내장 12상 정류기 제어장치를 포함할 수 있으며, 도 3에 본 발명의 통신기능 내장 12상 정류기 제어장치를 나타내는 구성도를 도시하였다. 기존의 전기분해용 정류기는 Hard Wire방식으로 되어 있어서 제어장치와의 신호 연결을 위해서는 수많은 전선을 일일이 연결해야만 하기 때문에 설치 비용과 장치 크기가 비대해지는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 본 발명에서는 정류기에 마이크로프로세서를 탑재하여 통신 기능을 부가함으로 문제점을 개선하고자 하였다.
본 발명의 통신기능 내장 12상 정류기 제어장치는 정류기, 마이크로프로세서, 프로그램 가능 로직 제어기(Programmable logic controller: PLC) 및 정류기용 변압기를 포함하며, 바람직하게는 상기 정류기에 탑재한 마이크로프로세서는 Atmega128등 일 수 있고, 프로그램 가능 로직 제어기는 GLOFA-CNET통신UNIT등과 통신 가능한 인터페이스를 구성하는 소프트웨어일 수 있다.
또한, 상기 통신기능 내장 12상 정류기 제어장치의 인터페이스 방식은 통신방식으로 통신속도는 9,600 내지 38,400 bps일 수 있는데, 통신 속도의 범위가 상기와 같을 경우에, 원활한 통신이 가능하고 실시간으로 부하를 제어할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 상기 통신기능 내장 12상 정류기 제어장치의 전류 제어 방식은 정전류제어 및 정전압제어 방식으로 상기 마이크로프로세서는 상위 프로그램 가능 로직 제어기(PLC)와의 통신을 통해 전기분해조에 공급할 전류값을 공급 받아 전기분해조에 전류를 공급하고, 전기분해조의 상태를 나타내는 전해전류 및 전해전압 값을 실시간으로 상위프로그램 가능 로직 제어기(PLC)로 전송할 수 있다.
또한, 상기 통신기능 내장 12상 정류기 제어장치는 전력 조정기(SCR UNIT)를 추가로 포함할 수 있고, 상기 전력 조정기의 냉각 방식은 공랭식 냉각 방식일 수 있다. 팬(fan)을 이용한 공랭식 냉각방식을 통해 주위 온도 40℃에서도 정상적인 작동이 가능할 수 있는 장점을 갖는다.
또한, 상기 통신기능 내장 12상 정류기 제어장치는 정류기용 변압기를 추가로 포함하고, 상기 정류기용 변압기는 전력 조정기(SCR UNIT)를 12개 사용하도록 3상 교류전기를 ΔY결선으로 구성하여, 정류시에 발생하는 고조파(THD)의 발생을 서로 상쇄 시킬 수 있도록 할 수 있고, 변압기 2차 전압과 전기분해조의 전극 배열을 통해 고조파 함유율(Total Harmonics Distortion: THD)이 12% 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일례로서, 상기의 구성 요소들을 포함하는 본 발명의 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템의 전체공정도를 도 8에 도시하였다.
본 발명의 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템은 하기 표 1에 나타난 것과 같이 평가 지표를 만족할 수 있다. 구체적으로는 생산된 차아염소산나트륨의 농도를 실시간으로 측정할 수 있고, 상기 농도의 편차 범위는 ± 500ppm 이다. 생산된 차아염소산나트륨의 농도는 8000 ± 500 ppm 이고, 염소(Cl2) 1kg 생산 시 소금(NaCl) 사용량은 3.5 kg 이하이고, 전기 사용량은 5.0 kWh 이하이다. 따라서 전력 사용량이 기존제품 대비 25% 이상 저감되는 효과를 갖고, 특히, 동절기 기준 50% 이상 저감되는 효과를 갖는다.
또한, 소독부산물인 클로레이트(ClO3 -) 함유량은 차아염소산나트륨 농도10,000 mg/kg기준 2,000 mg/kg 이하이다.
따라서, 본 발명을 이용하여 8000 ± 500 ppm 농도의 차염을 생산하면서도 소독부산물인 브로메이트(BrO3 -), 클로레이트(ClO3 -)의 발생을 줄여 환경부 고시기준 1종 이내 고품질의 상태를 유지하는 안전성을 확보한 고품질, 고효율의 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템를 생산하여 대형, 중형, 소형의 모든 소독 공정에 확대 적용할 수 있는 효과를 갖는다.
주요 성능지표
(염소 1kg 생산시)		 단위 값
1. 생산 차염농도 ppm 8000 ± 500 ppm
2. 소금(NaCl) 사용량 kg 3.5 kg 이하
3. 전기사용량 kWh 5.0 kWh 이하
(기체가압펌프 사용하지 않음:
약 0.5 kWh 이상 추가 절감 가능)
4. 브로메이트(BrO3 -) mg/L 환경부 고시기준 1종 이내
5. 클로레이트(ClO3 -) mg/L 환경부 고시기준 1종 이내
6.THD % 12% 이내
7. 차염농도표시 ppm 실시간 표시
또한, 하기 표 2는 본 발명에 따른 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템을 사용할 경우, 기존의 액화 염소 주입 방식과 대비하여 환경 분야에서 개선된 사항을 나타내었다.
구분 종래 액화염소 주입방식 본 발명의 차염 현장제조 방식
1. 법적 규제 고압가스 안전관리법 규제 대상
(맹독성 고압가스, 극소량에서도 눈, 코, 인후의 점막 자극, 다량흡입시 질식하여 호흡곤란을 일으켜 치명적임)		 고압가스안전관리법 비규제 대상
(단, 수소배출 Vent장치 마련, 발생 차염용액 음용 및 안구접촉 주의)
2. 수중에서의 작용 pH 하락
알칼리도 하락(1ppm주입시 1.41 하락)
기기 및 관부식 촉진(관말적수의 원인)		 pH 상승(1ppm주입시 0.18 상승)
알칼리도 상승(1ppm주입시 0.5 상승)
3. 안전성(독성) 원재료(염소 100%)의 유독성
취급 및 저장 시 법적 규제 받음
MSDS CAS No. 7782-50-5
NFPA 등급: 건강(보건): 4
[위험 척도: 0=최소, 1=경미, 2=보통, 3=심각, 4=극심]		 원재료(천연물질: 정제염+물)의 무독성
취급 및 저장 시 법적 규제 받지 않음
MSDS CAS No. 7681-52-9
*개발기술의 차염농도는 9,000ppm 내외로 매우 안전함 ( 등급: 0~1 )
4. 잔류염소의
제어 안정성		 100% 액화염소를 물에 희석하여 주입하므로 정밀한 제어기술이 필요하며, 잔류 염소값을 유지하기 어렵고 과다주입의 우려가 있다. 1.0% 액체상태로 현장에서 생산되어 바로 사용하며, 농도가 낮아 단순한 제어만으로도 안정적인 잔류염소값을 유지할 수 있고 과다주입 우려가 없다.
또한, 하기 표 3은 본 발명에 따른 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템을 사용할 경우, 기존의 차아염소산나트륨 발생 시스템과 대비하여 개선된 사항을 나타내었다.
구분 종래 차아염소산나트륨
발생 시스템		 본 발명에 따른
차아염소산나트륨 발생 시스템
1. 수소가스 폭발 위험성 폐쇄된 지하 시설이면
매우 높음		 없음
2. 전력 소모 비교 100% 80%
(연료전지에서 얻은 전력 10% + 냉난방 전기 사용감소 전력 10% = 20% 이상 절감)
즉, 본 발명의 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템은, 수소가스 재활용 연료전지 장치를 포함함으로써 수소 가스를 활용할 수 있어 폭발 위험성을 낮출 수 있다. 또한, 수소가스로부터 발생한 전력을 사용함으로써 소모 전력을 낮추고, 기체가압펌프, 냉난방 전기 사용 감소를 통한 전력 절약 효과가 있어, 차아염소산나트륨 발생에 따른 전력 소모량을 현저하게 감소시키는 것이 가능하다.
101: 정수저장조, 102: 급수펌프인입관, 103: 급수펌프, 104 : 급수펌프유출관, 105 : 냉각용수인입라인, 106 : 냉각용수유출라인, 107 : 스케일제거장치, 108 : 연수공급라인, 109 : 포화염수저장탱크, 110 : 벤추리관, 111 : 포화염수라인, 112 : 희석염수라인, 113 : 공급수/소금물/전해수 혼합자화기, 114 : 팰티어온도장치인입라인, 115 : 팰티어온도장치유출라인, 116 : 전기분해조유입온도센서, 117 : 팰티어온도조절장치, 118 : 팰티어, 119 : 전기분해조, 120 : 정류기 및 제어장치, 121 : 차아염소산나트륨유출라인, 122 : 전기분해조온도센서, 123 : 전기분해조수위센서, 124 : 순환펌프유입라인, 125 : 순환펌프, 126 : 순환펌프유출라인, 127: 압력게이지(PI) 1, 128: 압력게이지(PI) 2, 129: 압력게이지(PI) 3, 130: 전도도센서, 131 : 순환수유출구, 132: 기액분리기, 133 : 전기분해조칸막이, 134: 프로그램가능로직제어기(PLC), 135: 실시간차아염소산나트륨농도측정장치, 136: 연료전지, 137: 차염저장탱크, 138: 배압 조절 밸브(Back pressure valve) 1, 139: 배압 조절 밸브(Back pressure valve) 2, 140: 배관

Claims (10)

  1. 수소가스 재활용 연료전지 장치; 및 실시간 차아염소산나트륨 농도 측정장치를 포함하는, 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생시스템으로서,
    상기 수소가스 재활용 연료전지 장치는 전기분해조, 전기분해조의 차아염소산나트륨 배출구에 연결되어 차아염소산나트륨 용액과 수소가스(H2)를 분리하는 기액분리기, 상기 기액 분리기에서 분리된 수소가스를 일정 압력으로 연료전지에 공급하는 수소가스 공급장치 및 상기 수소가스 공급장치에서 발생한 수소가스를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지를 포함하는 것이며,
    상기 수소가스 공급장치는 배압 조절 밸브(back pressure valve)1 및 배압 조절 밸브(back pressure valve) 2를 포함하여 배관의 일정압을 유지하도록 하는 것을 특징으로 하며,
    상기 배압 조절 밸브(back pressure valve)1은 및 배압 조절 밸브(back pressure valve) 2는 상기 연료전지 및 상기 기액분리기 사이에 위치하는 상부 수소가스배출배관에 배압 조절 밸브(Back pressure Valve) 1을 설치하고, 상기 기액분리기 및 상기 기액분리기 하부에 설치된 차염저장탱크에 위치하는 하부 차염 용액 배출배관에 배압 조절 밸브(Back pressure Valve) 2를 설치하여 상기 배압 조절밸브 1에 걸리는 수소가스 압력을 상기 배압조절 밸브 2에 걸리는 수소가스 압력과 같거나 크게 유지하여 상기 상부 수소가스배출배관 및 하부 차염 용액 배출배관이 일정압을 유지하게 하는 것을 특징으로 하며,
    상기 실시간 차아염소산나트륨 농도 측정장치는 전기분해조에 연결된 것인,
    현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력은 차아염소산나트륨 생산에 사용하도록 하는 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소가스 재활용 연료전지 장치는 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템에서 발생되는 수소가스를 재활용 하는 것을 특징으로 하는 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 실시간 차아염소산나트륨 농도 측정장치는
    현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템에서 발생되는 차아염소산나트륨의 농도를 실시간으로 측정하는 장치로,
    전기분해조의 전원에 연결되어 있고 농도를 표시하는 본체;
    전기분해조에 공급되는 희석염수의 전기전도도를 측정하여 상기 본체에 전달하는 전도도센서 1; 및
    전기분해조에서 배출되는 차아염소산나트륨 용액의 전기전도도를 측정하여 상기 본체에 전달하는 전도도센서 2; 를 포함하고,
    전기분해조에 공급되는 직류전압과 직류전류를 실시간으로 측정하여 전력량을 산출하여 1차로 차아염소산나트륨의 농도를 산출하고, 전도도센서 1과 전도도센서 2의 전기전도도의 차를 이용하여 차아염소산나트륨의 농도값을 보정하는 것을 특징으로 하는, 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    정수를 공급받아 소금을 용해하여 포화염수를 만들어 저장하는 포화염수조;
    상기 포화염수조로부터 토출되는 소금물과 정수를 혼합하는 염수희석장치;
    염수희석장치로부터 토출되는 희석염수의 온도를 조절하는 온도조절장치;
    상기 온도조절장치로부터 유입되는 희석염수를 전기분해하여 차아염소산나트륨을 발생시키는 전기분해조;
    전기분해조에 전력을 공급하는 전원; 및
    상기 전기분해조의 전력조절을 위한 통신기능 내장 12상 정류기 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 실시간 차아염소산나트륨 농도 측정장치는 생산된 차아염소산나트륨의 농도를 실시간으로 측정하고 상기 농도의 편차 범위가 ± 500ppm 인 것을 특징으로 하는, 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기분해조로 순환되는 전해수의 바이패스 유량을 조절하여 희석염수 및 생산 차아염소산나트륨 포함 전해수의 공급 유량을 조절하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템에서 생산되는 차아염소산나트륨의 농도는 8000 ± 500 ppm 인 것을 특징으로 하는, 현장발생형 수소가스 재활용 차아염소산나트륨 발생 시스템.
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