KR101999393B1 - 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 농도와 수증기의 농도를 측정하는 측정부와, 상기 측정부가 측정한, 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도와 수증기의 농도에 기초해서, 상기 샘플링 유체 중의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율을 계산하는 제어부를 포함한다.

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 연료 전지 시스템에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 유체 중의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 정확하게 계산하는 유체분석장치와 그 방법 및 유체분석장치를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는, 연료를 공급받는 연료극과 공기를 공급받는 공기극을 포함하는 연료전지 스택을 포함할 수 있으며, 이러한 연료전지 스택에서의 전기화학반응에 의해 전기에너지를 생성할 수 있다. 연료전지는 연료에 저장된 화학 에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 장치이므로, 에너지 변환 효율이 높다. 또한, 기존 발전체계와 다르게 소음이 없고 바다 근처에 설치될 필요가 없으며, 설치 면적 대비 많은 양의 전력을 생산할 수 있는 장점이 있을 뿐 아니라, 공해 물질로 분류되는 NOx나 SOx 등이 생성되지 않아 친환경적인 발전 설비이다. 이러한 장점덕분에 연료전지는 신재생에너지분야의 핵심기술로 자리매김하였으며, 다양한 용량의 시스템 구성도 가능하기 때문에 분산발전시스템을 구축하기 위한 최적의 시스템으로 평가되고 있다.
이러한 연료전지 시스템에서, 탄화수소를 포함한 천연가스를 사용하는 경우, 탄소의 석출을 방지하기 위해, 연료극으로 공급되는 산소 원자의 양을 조절하여 연료 중의 산소 원자와 탄소 원자의 비율(O/C ratio)을 제어할 필요가 있다.
일반적인 연료전지 시스템의 경우에는 시스템에 공급하는 탄화수소 연료와 물의 양을 조절함으로써, O/C ratio에 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 O/C ratio 계산이 어려운 문제가 있다.
종래기술로, 매우 큰 규모의 발전시스템에서는 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 측정하여 계산하고 제어한다.
그러나, 이러한 GC 장치를 이용한 측정방법은, 1회 측정값을 얻는데 시간이 오래 걸리고, 측정 시에 운전 조건의 변경을 할 수 없으며, 실시간으로 연속적인 모니터링이 어려운 문제가 있다. 또한, GC 장치 자체의 측정 오차율로 인해 신뢰성이 저하되는 우려가 있다. 또한 GC 장치는 높은 비용 및 설치공간확보의 어려움 등의 문제로 인해 소규모 발전시스템에는 적용하기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 연료전지의 연료와 같이, 공급되는 유체 중의 O/C ratio를 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 O/C ratio를 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 농도와 수증기의 농도를 측정하는 측정부와, 상기 측정부가 측정한, 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도와 수증기의 농도에 기초해서, 상기 샘플링 유체 중의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 계산하는 제어부를 포함한다.
바람직하게, 상기 제어부는, 상기 샘플링 유체가 기체인 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O), 수소(H2)만을 포함한다는 가정하에 O/C ratio를 계산한다. O/C ratio는 상기 기체들의 농도에 기초한 수학식으로부터 출발된다. 상기 수증기의 농도와 상기 수소의 농도 사이의 비인 [H2O]/[H2]를 rh라 하고, 상기 일산화탄소의 농도와 일산화탄소의 농도 사이의 비인 [CO]/[CO2]를 rc라 할 때, O/C ratio는 rh, rc 및 수증기의 농도 [H2O]를 포함하여 정리될 수 있다. 또한, rh, rc는 상기 기체들의 평형반응식으로부터 유도된 관계에 따라, 산소의 농도 [O]로 표현이 될 수 있다. 여기서, [O]는, 온도(T)에서의, 산소 분자 상태로 존재하는 산소원자(O=
Figure 112018076062802-pat00001
)의 농도, 즉 [O]=2[O2] 이다. 따라서, 최종적으로, O/C ratio는 산소 분자의 농도 [O2]와 수증기의 농도 [H2O]에 관한 식으로 정리될 수 있고, 여기에 상기 측정부가 측정한 상기 산소 분자의 농도와 수증기의 농도를 대입하여, O/C ratio를 계산할 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 측정부는, 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도를 측정하는 제1 측정부재와, 상기 샘플링 유체 중의 수증기의 농도를 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 측정하는 제1 측정단계와, 상기 샘플링 유체 중의 수증기의 농도를 측정하는 제2 측정단계와, 상기 제1 측정단계에서 측정한 상기 산소 분자의 농도와, 상기 제2 측정단계에서 측정한 수증기의 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 농도와 수증기의 농도를 측정하는 측정부와, 상기 측정부가 측정한, 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도와 수증기의 농도에 기초해서, 상기 샘플링 유체 중의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율을 계산하는 제어부를 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 의한 유체분석장치와 그 방법 및 연료전지 시스템을 이용하면, 샘플링 유체의 산소 분자의 농도와 수증기의 농도만으로, 높은 신뢰도의 O/C ratio를 계산할 수 있고, 샘플링 유체의 O/C ratio를 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 O/C ratio를 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.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 탄소석출방지를 위해 연료의 조성을 모니터링하고, 투입연료의 O/C ratio를 실시간으로 측정함으로써, 투입연료의 조성을 적절히 제어하고 시스템의 탄소석출로 인한 고장을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면 낮은 가격과 컴팩트한 사이즈의 실시간 O/C ratio 모니터링 장치를 제공할 수 있다. 이러한 장치는 기존의 GC 장치와 같은 고가장비를 대체함으로써 시스템의 효율적인 운용이 가능해진다. 특히, 중소규모의 단위발전시스템에 적용할 수 있어 시스템의 완결성을 높이고, 장기간 운용시에 안정성 및 내구성 향상에 크게 기여할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
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 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가짐은 자명하다. 또한, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 유체분석장치와, 유체분석장치를 포함하는 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 실시예를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 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 농도와 수증기(H2O)의 농도를 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.
예를 들어, 제1 측정부재(210)는 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도를 측정할 수 있는 산소센서이고, 제2 측정부재(230)는 샘플링 유체 중의 수증기의 농도를 측정할 수 있는 습도센서이다.
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 측정한, 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도와 수증기 농도에 기초해서, 샘플링 유체 중의 O/C ratio를 계산할 수 있다.
구체적으로, 제어부(300)는, 제1 측정부재(210)로부터 측정된 샘플링 유체의 산소 분자의 농도와, 제2 측정부재(230)로부터 측정된 샘플링 유체의 수증기의 농도를 입력받을 수 있다. 그리고, 제어부(300)는, 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도와 수증기 농도를 통해, 샘플링 유체 중의 O/C ratio를 계산할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 유체분석장치(100)는, 제어부(300)에서 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도와 수증기 농도만으로, 높은 신뢰도의 O/C ratio를 계산할 수 있으므로, 샘플링 유체의 O/C ratio를 실시간으로 모니터링할 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 O/C ratio를 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, 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도와 수증기 농도를 통해, 샘플링 유체의 O/C ratio를 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 O/C ratio를 계산한다.
본 명세서에서 [기체]는 그 기체의 농도 또는 분압을 의미하는 표기법이다.
Figure 112017062389088-pat00002
본 발명은 탄화수소 연료가 개질기에 의해 충분히 개질이 됨으로써 샘플링 유체 안에는 탄화수소나 산소가 다른 종에 비해 충분히 적어, 샘플링 유체 안에 CO, CO2, H2O, H2만을 포함한다는 가정을 하고 있는 점에서 종래기술로부터는 도출될 수 없는 구성상 특이점이 있다. 이러한 가정 하에서만 O/C ratio에 관한 수학식 1이 성립할 수 있다.
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 O/C ratio는, 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 압력(분압)을 측정하고, 각 기체의 압력을 상기 수학식 1에 대입하면, O/C ratio를 얻을 수 있다. 아울러, 후술하는 바와 같이, 산소 농도에 의해 O/C ratio를 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.
일례로, 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.
[CO], [CO2], [H2O] 각각의 값을 알면 수학식 1로부터 O/C ratio를 계산할 수 있다. 각각의 가스 농도(분압)를 측정할 수 있는 센서를 이용해 [CO], [CO2], [H2O]를 측정해 수학식 1에 대입해 O/C ratio를 계산할 수도 있다. 그러나 현재로서는 [CO]와 [CO2]를 높은 선택성과 높은 분해능으로 측정할 수 있는 센서 기술이 없다. 따라서, 본 발명에서는 [CO], [CO2]를 직접 측정하지 않고도 수학식 1로부터 O/C ratio를 계산하도록 한 데에도 구성상 특이점이 있다.
본 발명자들은, CO, CO2, H2O, H2 사이에는 다음과 같은 반응식들이 성립한다는 점을 고려하였다.
[반응식 1]
Figure 112017062389088-pat00003
[반응식 2]
Figure 112017062389088-pat00004
CO, CO2, H2O, H2 이외에 다른 기체는 없으므로 CO, CO2, H2O, H2 농도의 합은 1이 되므로, 아래 수학식 2로 나타낼 수 있다.
Figure 112017062389088-pat00005
수소의 농도와 수증기의 농도 사이의 비인 [H2]/[H2O]를 rh라 하고, 일산화탄소의 농도와 이산화탄소의 농도 사이의 비인 [CO]/[CO2]를 rc라 하면, 현존하는 산소센서 기술을 이용해 산소 분자의 농도를 측정해, 개질된 가스의 H2/H2O, CO/CO2 비율인 rh와 rc를 구할 수 있다.
구체적으로, 상기 반응식 1의 평형상수(KTH=([H2][O])/([H2O]))를 기초로 하여, 아래의 수학식 3과 같이 기체 농도의 비를 얻을 수 있다. 여기서, KTH는 온도(T)에서의 상기 반응식 1의 평형상수이고, [O]는 온도(T)에서 산소 분자인 O2 상태로 존재하는 산소 원자 O의 농도인데, 산소 분자인 O2 내에는 산소 원자인 O가 2개 있는 것이므로 [O]=2[O2]이다.
Figure 112017062389088-pat00007
마찬가지로, 상기 반응식 2의 평형상수(KTC=([CO][O])/([CO2]))를 기초로 하여, 아래의 수학식 4를 얻을 수 있다. 여기서, KTC는 온도(T)에서의 상기 반응식 2의 평형상수이다.
Figure 112017062389088-pat00008
이와 같이, 기체 농도의 비인, rh, rc는, 평형상수(KTH, KTC)와 산소 분자의 농도의 비로 표현할 수 있다.
KTH와 KTC는 각각 반응식 1과 반응식 2의 평형상수로, 온도 T에서의 ΔGo(Standard Gibbs free energy changes for reaction)에 의해 결정되며 ΔGo=-RT ln(KTH or KTC)인 관계가 있다. 그리고, 특정 온도 T에서 각 반응식에 대한 Go은 ΔGo=A+BT로 표현이 된다. 여기서,　A, B는 상수(constant)이고, 각 반응에 대한 상수 A, B는 열역학 테이블 등에서 얻을 수 있는 값이다.
즉, 측정 온도(T)가 정해지면 ΔGo=A+BT로부터 ΔGo 값이 정해지고, ΔGo=-RT ln(KTH or KTC)로부터 평형상수 KTH와 KTC를 알 수 있다. 따라서, 측정 온도(T)가 정해지면 KTH와 KTC는 알 수 있는 값이고, 산소 분자 상태로 존재하는 산소 원자의 농도 [O]만 알면 기체 농도의 비인, rh, rc를 알 수 있게 된다. 산소 분자의 농도를 알기 위해, 본 발명에서는 측정부(200)의 제1 측정부재(210)로서 산소센서를 이용할 것을 제안한다.
이제 상기 수학식 2의 좌변은 아래 수학식 5로 나타낼 수 있으며, 상기 수학식 2의 우변은 아래 수학식 6으로 나타낼 수 있고, 두 식은 등식이다.
Figure 112017062389088-pat00009
Figure 112017062389088-pat00010
본 발명에서는 개질된 가스의 수증기의 농도 [H2O]를 측정할 수 있도록, 제2 측정부재(230)로서 습도센서를 제안한다. 이를 이용해 [H2O]를 알 수 있게 되면, 나머지 세 종의 가스 조성에 대해 아래 수학식 7 내지 9와 같이 [H2O]를 포함하게 정리할 수 있다.
Figure 112017062389088-pat00011
Figure 112017062389088-pat00012
Figure 112017062389088-pat00013
상기 수학식 1에 상기 수학식 7 내지 9를 대입하여 정리하면 다음과 같다.
Figure 112017062389088-pat00014
이와 같이, O/C ratio는 기체농도의 비(rh, rc)와, 수증기 농도 [H2O]를 알면 구할 수 있게 되며, 본 발명에서는 기체농도의 비(rh, rc)는 측정부(200)에서의 제1 측정부재(210)인 산소센서로부터, 수증기 농도 [H2O]는 제2 측정부재(230)인 습도센서로부터 얻을 수 있도록 한다.
또한, 상기한 기체농도의 비(rh, rc)는, 상기한 반응식 1과 반응식 2에 기초하므로, 상기한 기체 농도의 비(rh, rc)를, 평형상수와 산소 분자 농도의 비로 표현한 수학식 3과 수학식 4를, 수학식 10에 대입하여 정리하면, 아래의 수학식 11을 유도할 수 있다.
Figure 112017062389088-pat00015
상기 수학식 11에서 알 수 있는 바와 같이, O/C ratio는, 평형상수와, 산소 분자의 농도([O2], [O] =2[O2]) 및 수증기의 농도([H2O])만으로 계산할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 유체분석장치(100)는, 수학식 1로부터 출발하여, 중간 단계의 수학식 10을 거쳐, 산소 분자의 농도와 수증기의 농도에 관한 식으로 최종 정리된 수학식 11로까지 유도된 수학식을 통해 O/C ratio를 계산할 수 있다. 따라서, 측정부(200)가 산소 분자(O2)의 농도와 수증기의 농도를 측정하면, 제어부(300)는 수학식 10이나 수학식 11에 그 농도들을 대입하여 O/C ratio를 정확하게 계산할 수 있다. 수학식 1에 대입하여야 할 값들을, 유효하게 측정가능한 산소 분자의 농도와 수증기의 농도 두 가지로 줄이도록 한 데에 구성상 특이점이 있다.
한편, 이하에서는, 도 2에 도시된 실시예를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 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 측정할 수 있다.
또한, 제2 측정단계(S150)는, 상기 샘플링 유체 중의 수증기의 농도를 측정할 수 있다.
한편, 계산단계(S170)는, 제1 측정단계(S130)에서 측정한 산소 분자의 농도와, 제2 측정단계(S150)에서 측정한 수증기의 농도에 기초해서, 샘플링 유체 중의 O/C ratio를 계산할 수 있다.
구체적으로, 계산단계(S170)는, 제1 측정단계(S130)에서 측정한 산소 분자의 농도와, 제2 측정단계(S150)에서 측정한 수증기의 농도에 의해 O/C ratio를 계산할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 유체분석방법은, 샘플링 유체의 산소 분자의 농도와 수증기의 농도만으로, 높은 신뢰도의 O/C ratio를 계산할 수 있으므로, 샘플링 유체의 O/C ratio를 실시간으로 모니터링 할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 의한 유체분석장치와 그 방법 및 연료전지 시스템을 이용하면, 제어부에서 샘플링 유체의 산소 분자의 농도와 수증기의 농도만으로, 높은 신뢰도의 O/C ratio를 계산할 수 있으므로, 샘플링 유체의 O/C ratio를 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 O/C ratio를 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.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 탄소석출방지를 위해 연료의 조성을 모니터링하고, 투입연료의 O/C ratio를 실시간으로 측정함으로써, 투입연료의 조성을 적절히 제어하고 시스템의 탄소석출로 인한 고장을 효과적으로 방지할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 유체분석장치는 제1 측정부재와 제2 측정부재로서 산소센서와 수증기센서를 이용하면 된다. 이들 센서는 낮은 가격과 컴팩트한 사이즈를 갖고 있으므로, 이를 이용한 유체분석장치는 낮은 가격과 컴팩트한 사이드로 구현될 수 있다. 이러한 유체분석장치는 기존의 GC 장치와 같은 고가장비를 대체함으로써 시스템의 효율적인 운용이 가능해진다. 특히, 중소규모의 단위발전시스템에 적용할 수 있어 시스템의 완결성을 높이고, 장기간 운용시에 안정성 및 내구성 향상에 크게 기여할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
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 농도와 수증기의 농도를 측정하는 측정부; 및
    상기 측정부가 측정한, 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도와 수증기의 농도에 기초해서, 상기 샘플링 유체 중의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율(O/C ratio)을 계산하는 제어부를 포함하는 유체분석장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율 계산시, 상기 샘플링 유체가 기체인 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O), 수소(H2)만을 포함한다는 가정하에, 상기 기체들의 농도에 기초한 하기 수학식에 따라 상기 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율을 계산하는 것을 특징으로 하는 유체분석장치.
    [수학식]
    Figure 112018076062802-pat00016

    (여기서, [CO]는 샘플링 유체 중의 일산화탄소의 농도이고, [CO2]는 이산화탄소의 농도이고, [H2O]는 수증기의 농도)
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수소의 농도와 상기 수증기의 농도 사이의 비인 [H2]/[H2O]를 rh라 하고, 상기 일산화탄소의 농도와 상기 이산화탄소의 농도 사이의 비인 [CO]/[CO2]를 rc라 할 때, 상기 수학식은 하기 다른 수학식으로 정리되는 것을 특징으로 하는 유체분석장치.
    [수학식]
    Figure 112017062389088-pat00017
  4. 제3항에 있어서,
    하기 반응식 1과 반응식 2에 기초하여, 상기 rh은 KTH/[O]로 정리되고, rc는 KTC/[O]로 정리되어, 상기 다른 수학식은 하기 또 다른 수학식으로 정리되는 것을 특징으로 하는 유체분석장치.
    [반응식 1]
    Figure 112017062389088-pat00018

    [반응식 2]
    Figure 112017062389088-pat00019

    [수학식]
    Figure 112017062389088-pat00020

    (여기서, [O]는, 온도(T)에서의, 산소 분자 상태로 존재하는 산소원자(O=
    Figure 112017062389088-pat00021
    )의 농도, 즉 [O]=2[O2]이며, KTH는 온도(T)에서의 반응식 1의 평형상수이고, KTC는 온도(T)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 것을 특징으로 하는 유체분석장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 측정부의 전단에 구비되어, 상기 측정부로 제공되는 샘플링 유체를 800℃~1500℃에서 개질하는 개질부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체분석장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는, 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도를 측정하는 제1 측정부재와, 상기 샘플링 유체 중의 수증기의 농도를 측정하는 제2 측정부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 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 측정하는 제1 측정단계;
    상기 샘플링 유체 중의 수증기의 농도를 측정하는 제2 측정단계; 및
    상기 제1 측정단계에서 측정한 상기 산소 분자의 농도와, 상기 제2 측정단계에서 측정한 수증기의 농도에 기초해서, 상기 샘플링 유체 중의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율을 계산하는 계산단계를 포함하는 유체분석방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수집단계에서 수집한 상기 샘플링 유체를, 상기 제1 및 제2 측정단계 전에 800℃~1500℃에서 개질하는 개질단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 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 농도와 수증기의 농도를 측정하는 측정부; 및
    상기 측정부가 측정한, 상기 샘플링 유체 중의 산소 분자의 농도와 수증기의 농도에 기초해서, 상기 샘플링 유체 중의 산소 원자와 탄소 원자 사이의 비율을 계산하는 제어부를 포함하는,
    유체분석장치를 구비한 연료전지 시스템.
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