KR102372534B1 - 압력 제어가 용이한 수전해 시스템 및 이의 동작 방법 - Google Patents

Abstract

일 실시예에 따르면, 수전해부(30)의 수소극에서 배출되는 유체를 배출하기 위한 배출 유로(L41); 배출 유로(L41)의 하류와 유체가 흐름 소통되도록 연결된 유로(L45); 및 미리 정한 기준을 만족하는 경우에만, 유로(L45) 통해서 흐르는 유체의 일부가 배출 유로(L41)로 제공될 수 있도록, 유로(L45)로부터 분기되어 배출 유로(L41)로 연결되는 압력 조절용 유로(L46);를 포함하는 수전해 시스템이 개시된다. 이에 의해서, 수소 압축시에 흡입 라인의 부압에 따라 공기 유입등으로 인한 폭발 위험과 컴프레서의 흡인 압력의 변동으로 인한 수전해 스택의 압력 제어가 용이하게 된다.

Description

압력 제어가 용이한 수전해 시스템 및 이의 동작 방법{Electrolysis system with easily controlling pressure and method for operating the same}

본 발명은 압력 제어가 용이한 수전해 시스템 및 이의 동작 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소 압축시에 흡입 라인의 부압에 따라 공기 유입등으로 인한 폭발 위험과 컴프레서의 흡인 압력의 변동으로 인한 수전해 스택의 압력 제어가 용이한 수전해 시스템 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.

최근 태양광이나 풍력과 같은 재생에너지를 이용한 발전 시스템에 대한 연구가 진행되고 있다. 재생에너지를 이용한 발전 시스템의 경우 자연환경에 따라 전기출력이 변동되므로 전력수요량 이상의 여유전력이 발생하는 경우 이를 저장하고 이용하는 방법에 대한 연구가 필요하다. 예를 들어 재생 에너지 발전설비로부터 전력수요량 이상의 여유전력이 발생하면 수전해 장치를 사용하여 수소를 생산하여 저장해 두었다가 발전량이 적을 경우 저장된 수소를 이용하여 연료전지에서 전력을 생산 및 공급할 수 있는 시스템이 연구되고 있다.

고온형 수전해 및 연료전지 기술을 기반으로 한 가역(양방향) 수전해 시스템은 700℃ 이상의 작동환경 및 고온의 수증기를 만들어주기 위한 열원을 요구하고 있다. 따라서 수전해 시스템의 작동환경을 고온으로 유지하고 수전해 시스템에서 배출되는 배출열을 효과적으로 활용함으로써 시스템 효율을 향상시킬 필요가 있다.

또한, 전기 분해 모드에서 생산된 수소를 저장하기 위해서 압축기를 사용하는데, 이때 압축시에 공기 유입 등으로 인한 폭발 위험이나 압축기의 흡인 압력 등의 변화로 인한 수전해부의 제어가 어려운 점이 있어서 이를 해결할 필요가 있다.

특허문헌1: 대한민국 등록특허번호 제10-0776353호 (2007년 11월 07일 공고)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수소 압축시에 흡입 라인의 부압에 따라 공기 유입등으로 인한 폭발 위험과 컴프레서의 흡인 압력의 변동으로 인한 수전해 스택의 압력 제어가 용이한 수전해 시스템 및 이의 동작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 양방향 수전해 시스템의 열에너지를 효율적으로 활용하여 시스템 효율을 향상시키고 대용량화가 가능한 양방향 수전해 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 수전해부(30)의 수소극에서 배출되는 유체를 배출하기 위한 배출 유로(L41); 상기 배출 유로(L41)의 하류와 유체가 흐름 소통되도록 연결된 유로(L45); 및 미리 정한 기준을 만족하는 경우에만, 상기 유로(L45) 통해서 흐르는 유체의 일부가 상기 배출 유로(L41)로 제공될 수 있도록, 상기 유로(L45)로부터 분기되어 상기 배출 유로(L41)로 연결되는 압력 조절용 유로(L46);를 포함하는 수전해 시스템이 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 수전해부(30)의 수소극에서 배출되는 유체를 배출하기 위한 배출 유로(L41)의 압력 또는 배출 유로(L41)의 압력이 반영되는 장치의 압력을 모니터링하는 단계; 및 상기 배출 유로(L41)의 압력 또는 상기 장치의 압력이 최저 기준 압력 이하일 경우에, 상기 배출 유로(L41)로 압력 조절을 위한 유체를 제공하는 단계;를 포함하는 수전해 시스템의 동작 방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 하나 이상의 실시예에 따르면, 수전해 모드에서 수소 압축시에 흡입 라인의 부압에 따라 공기 유입등으로 인한 폭발 위험과 컴프레서의 흡인 압력의 변동으로 인한 수전해 스택의 압력 제어가 용이하도록 하는 효과를 달성하였다.

본 발명의 하나 이상의 실시예에 따르면, 수전해 모드에서 연료전지의 수소극에서 배출되는 배출가스 중 일부를 이젝터를 통해 수소극으로 재공급하도록 구성하고 연료전지 모드에서 배출가스의 일부를 재순환하여 수소극으로 재공급하도록 구성함으로써 시스템 효율을 향상시키는 효과를 달성하였다.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수전해 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도2는 제1 실시예의 수전해(SOEC) 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도3은 제2 실시예에 따른 수전해 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도4는 제3 실시예에 따른 수전해 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템에서의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

용어의 정의

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

본원 명세서에서, 임의의 구성요소(이하, '구성요소 A'라고 함)가 임의의 다른 구성요소(이하, '구성요소 B'라고 함)의 '상류'에 위치되어 있다고 함은, 기체나 액체와 같은 유체가 흐르는 유로상에 구성요소 A와 구성요소 B가 위치 있고, 구성요소 A가 구성요소 B 보다 먼저 유체를 먼저 유입 받도록 배치된 것을 의미한다.

본원 명세서에서, 어떤 유로에 어떤 구성요소가 설치 또는 연결되어 있다고 함은 그 구성요소가 그 유로에 흐르는 유체의 흐름에 영향을 가하도록 그 유로와 동작적으로 결합된 것을 의미한다. 예를 들면, 유로에 동작적으로 결합된 구성요소는, 스팀 생성부, 이젝터, 수전해부, 히터, 다른 유로들, 열교환기들, 밸브들, 블로워들, 및 펌프들을 포함할 수 있으며, 이들 구성요소들은 예를 들면 유체의 흐름을 차단하거나, 유체의 흐름을 허용하거나 유체의 압력을 변화시키거나, 유체의 일부를 분기 또는 필터링시키거나, 유체의 물리적 또는 화학적으로 변화시키거나, 유체를 일시 저장하거나, 유체와 열적으로 결합되거나, 유체를 외부로부터 합류시키는 동작하도록 유로와 결합될 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예를 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

본 발명은 다양한 종류의 수전해 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들면, 알칼라인 수전해 시스템, 고분자 전해질(PEM: Polymer Electrolyte Membrance) 수전해 시스템, 고체 산화물(Solid Oxide) 수전해 시스템, 또는 음이온교환막(AEM: Anion Exchange Membrane) 수전해 시스템 등과 같은 수전해 시스템에 본 발명이 적용될 수 있다. 또한, 본 발명은 수전해 모드와 연료전지 모드를 모두 가진 양방향 수전해 시스템에도 적용될 수 있다. 즉, 본 발명은 다양한 종류의 수전해 시스템에 적용되어, 수전해에 의해 생성되어 이동되는 수소 저압 라인에 수소를 분사하여 공급함으로써, 수소 압축시에 흡입 라인의 부압에 따라 공기 유입 등으로 인한 폭발 위험이나 컴프레서의 흡인 압력 변동으로 인한 수전해 스택의 압력을 용이하게 제어할 수 있다. 따라서, 본원 명세서에서, 용어 '수전해 시스템'은 알칼라인 수전해 시스템, 고분자 전해질(PEM: Polymer Electrolyte Membrance) 수전해 시스템, 고체 산화물(Solid Oxide) 수전해 시스템, 또는 음이온교환막(AEM: Anion Exchange Membrane) 수전해 시스템과 양방향 수전해 시스템을 모두 포함하는 의미로 사용하기로 한다.

이하에서는, 양방향 수전해 시스템에 본 발명이 적용된 실시예들을 위주로 설명되었지만 이들은 예시적인 것으로서, 본 발명은 양방향 수전해 시스템 뿐만 아니라 알칼라인 수전해 시스템, 고분자 전해질(PEM: Polymer Electrolyte Membrance) 수전해 시스템, 고체 산화물(Solid Oxide) 수전해 시스템, 또는 음이온교환막(AEM: Anion Exchange Membrane) 수전해 시스템과 같은 다양한 수전해 시스템에도 적용될 수 있다.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수전해 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도면을 참조하면, 제1 실시예의 수전해 시스템은 스팀 생성부(10), 이젝터(20), 수전해부(30), 히터(61,62) 등의 구성요소와 이 구성요소들 사이를 연결하는 다수의 유로, 그리고 유로에 배치된 다수의 열교환기들, 밸브들, 블로워들, 및 펌프들을 포함할 수 있다.

제1 실시예에 따르면, 수전해부(30)는 수전해 모드와 연료전지 모드에서 동작할 수 있는 양방향 수전해 연료전지이며, 수전해부(30)가 수전해 모드에서 동작할 경우는 '수전해부(30)'로 언급하고, 연료전지 모드에서 동작할 경우는 '연료전지(30)'로 언급하기로 한다. 이는 다른 실시예들에서도 동일하다.

제1 실시예에 포함된 구성요소들은 제어부(미 도시)에 의해 동작이 제어될 수 있다. 예를 들면, 제어부(미 도시)는 스팀 생성부(10), 수전해부(30), 히터(61,62), 열교환기들, 밸브들, 블로워들, 및 펌프들의 동작을 제어할 수 있다. 상술한 다수의 밸브들 중에는, 수소 압축시에 흡입 라인(L41)의 부압에 따라 공기 유입 등으로 인한 폭발 위험이나 압축기(74)의 흡인 압력 변동으로 인한 수전해 스택의 압력을 조절하기 위한 압력 제어용 밸브(18)가 포함되어 있다. 이러한 압력 제어용 밸브(18)는 제어부(미 도시)에 의해 개방 또는 폐쇄될 수 있다.

수전해부(30)는 외부에서 공급되는 스팀과 전기에 의해 수소와 산소를 생성하는 수전해 모드 및 외부에서 공급되는 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기와 물을 생성하는 연료전지 모드 중 어느 하나의 모드에서 동작할 수 있다.

일 실시예에서 수전해부(30)는 예컨대 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC) 또는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell; MCFC) 등 임의의 연료전지로 구현될 수 있다. 설명의 편의를 위해 본 명세서에서는 수전해부(30)가 고체산화물 연료전지(SOFC)로 구현된 것으로 전제하고 설명하기로 한다.

일 실시예에서 수전해부(30)는 수소극(31), 공기극(32) 및 그 사이에 개재된 전해질로 구성될 수 있다. 수전해 모드(이하에서 “SOEC 모드”라고도 함)에서 수소극(31)은 외부로부터 스팀(H2O)을 공급받아 이로부터 수소(H2)를 생산한다. 즉 수소극(31)은 유로(L21 및/또는 L31)로부터 스팀(H2O)을 공급받아 수소(H2)를 생성하며, 이렇게 생성된 수소(H2) 및 수소로 변환되지 못한 스팀(H2O)이 포함된 가스를 유로(L41)를 통해 제1 배출가스로서 배출한다. 수전해 모드에서 공기극(32)은 수소극(31)으로부터 산소(O2)를 전달받으며, 이렇게 전달받은 산소(O2)를 유로(L53)를 통해 외부로부터 공급된 공기를 이용하여 이송한다. 공기극(32)은 산소와 공기가 포함된 가스를 유로(L61)를 통해 제2 배출가스로서 배출한다.

연료전지 모드에서, 수소극(31)은 유로(L11)로부터 공급되는 수소 및 공기극(32)으로부터 전달받은 산소의 화학반응에 의해 물(스팀)을 생성하며, 이렇게 생성된 스팀 및 스팀으로 변환되지 못한 수소가 포함된 가스를 유로(L41)를 통해 배출가스로서 배출할 수 있다. 공기극(32)은 유로(L53)에 의해 공기를 공급받고 전해질을 통해 산소를 수소극(31)으로 전달하며, 질소(N2)와 공기를 유로(L61)를 통해 제2 배출가스로서 배출할 수 있다.

이론적으로 수전해 모드에서는 연료전지(30)에 물(스팀)과 전기를 공급하고 연료전지 모드에서는 연료전지(30)에 수소와 산소를 공급하지만 실제 장치의 동작을 위해서는 화학반응을 돕기 위해 수전해 모드와 연료전지 모드의 각 모드에서 수소와 스팀의 혼합가스를 연료전지(30)에 공급하는 것이 바람직하다. 다만 수전해 모드에서는 스팀이 주로 필요하기 때문에 스팀과 수소를 예컨대 80:1의 질량비(대략 8.9:1의 부피비)로 스팀과 수소의 혼합 가스를 연료전지(30)로 공급하고 연료전지 모드에서는 수소가 주로 필요하기 때문에 수소와 스팀을 예컨대 3.6:1의 질량비(대략 32:1의 부피비)로 혼합하여 연료전지(30)에 공급할 수 있다. 이 경우 수전해 모드와 연료전비 모드의 각각에서 수소와 스팀의 혼합 비율은 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 또한 각 모드에 따라 수소와 스팀의 혼합비를 다르게 조정하여 공급하기 위해, 도면에 도시하지 않았지만 예컨대 수소 공급 유로(L11)나 스팀 공급 유로(L21,L22,L31) 중 적어도 하나의 유로에 블로워, 펌프, 및/또는 유량제어밸브를 설치하여 수소 및/또는 스팀의 공급량을 조절할 수 있다.

도시한 실시예에서 수소는 수소 공급 유로(L11)을 통해 연료전지(30)로 공급된다. 수소 공급 유로(L11)는 예컨대 수소저장탱크(도시 생략)에 연결될 수 있다. 수소 공급 유로(L11)로 유입된 수소는 제1 열교환기(41)에서 가열될 수 있다. 제1 열교환기(41)는 연료전지(30)의 수소극(31)으로 공급되는 수소 가스와 수소극(31)에서 배출되는 배출가스의 사이의 열교환이 일어나도록 구성된다. 일 실시예에서 수소극(31)으로 공급되는 수소는 예를 들어 상온 또는 섭씨 35도 내지 45도이고 수소극(31)에서 배출되는 배출가스는 섭씨 700도 내지 750도일 수 있고, 이 경우 수소극(31)으로 공급되는 수소가 제1 열교환기(41)에서 예컨대 섭씨 650도 이상 가열될 수 있다.

도시한 실시예에서 스팀은 제1 스팀 공급 유로(L21) 및 제2 스팀 공급 유로(L31)를 통해 연료전지(30)에 공급된다. 제1 스팀 공급 유로(L21)에 연결된 스팀 생성부(10)는 예컨대 펌프(11)와 보일러(12)를 구비할 수 있고, 펌프(11)에 의해 보일러(12)로 공급된 물을 가열하여 스팀을 생성한다. 일 실시예에서 보일러(12)는 폐기물 고형연료 보일러 시스템, 열병합 발전 시스템, 복합발전 시스템, 폐기물 소각 시스템 등 기존의 연소장치나 소각장치로 구현될 수 있다.

제1 스팀 공급 유로(L21)는 분기 유로(L22)를 포함한다. 도시한 것처럼 분기 유로(L22)는 제1 스팀 공급 유로(L21)에서 분기되었다가 다시 이 유로(L21)에 합류하도록 구성된다. 분기 유로(L22)에 개폐밸브(13)가 설치될 수 있고, 도면에 도시하지 않았지만 제1 스팀 유로(L21)에도 개폐밸브가 설치될 수 있고, 밸브의 제어에 의해 스팀이 제1 스팀 공급 유로(L21)와 분기 유로(L22) 중 하나로 흐르도록 제어할 수 있다. 대안적으로, 분기 유로(L22)가 분기되는 분기점에 삼방밸브를 설치하여 스팀 흐름을 제어할 수도 있다.

일 실시예에서 양방향 수전해 시스템은 제1 스팀 공급 유로(L21)에 배치된 이젝터(20)를 포함한다. 이젝터(20)는 벤츄리(Venturi) 효과를 이용하여 유체를 혼합하는 장치로서, 배관의 직경이 서서히 줄어들다가 확대되는 벤츄리 관에 혼합대상의 유체를 주입한다. 일반적으로 이젝터(20)의 입력단을 구동노즐(motive nozzle), 출력단을 분사노즐(diffuser nozzle), 혼합대상 유체를 입력하는 주입구를 흡입구(suction port)라 칭하며, 도시한 일 실시예에서 이젝터(20)의 구동노즐은 제1 스팀 공급 유로(L21)의 상류측에 연결되고 분사노즐은 제1 스팀 공급 유로(L21)의 하류측에 연결되고 흡입구는 피드백 유로(L47)에 연결된다. 피드백 유로(L47)는 수소극(31)의 배출가스가 흐르는 배출 유로(L41)에서 분기되는 유로이다.

일반적으로 수전해 모드에서 수소극(31)으로 주입되는 스팀과 수소의 부피비가 대략 9:1 가량 되는데, 수소극(31)에서 배출되는 배출가스는 수소 함량이 많으므로 피드백 유로(L47)를 통해 배출가스 중 일부를 재순환시키면 수소 공급 유로(L11)를 통해 수소를 별도로 공급할 필요가 없다. 이 때, 이젝터(20)의 구동노즐로 공급되는(즉 유로(L21)로 이송되는) 스팀의 압력 또는 유량을 조정함으로써 피드백 유로(L47)로 재순환되는 배출가스의 양을 조절할 수 있다.

분기유로(L22)가 제1 스팀 공급 유로(L21)에 합류한 후 제1 스팀 공급 유로(L21)는 수소 공급 유로(L11)와 합류하며, 수소와 스팀의 혼합 가스는 혼합가스 공급 유로(L12)를 따라 연료전지(30)의 수소극(31)에 공급된다. 이 때 제1 스팀 공급 유로(L21)와 수소 공급 유로(L11)의 합류점이 제1 열교환기(41)의 하류측, 즉 제1 열교환기(41)와 수소극(31) 사이에 위치한다. 따라서 수소극(31)에서 배출되는 고온의 배출가스는 이미 고온으로 가열된 스팀을 재가열 할 필요없이 제1 열교환기(41)에서 수소만 가열하면 되므로, 수소와 스팀의 혼합 가스를 가열하는 것에 비해 수소를 더 고온으로 가열할 수 있다.

본 발명의 수전해 시스템은 제2 스팀 공급 유로(L31)를 더 포함할 수 있다. 하나 이상의 펌프(15) 및 제2 열교환기(42)가 제2 스팀 공급 유로(L31)에 설치된다. 펌프(15)는 펌프(15)에 의해 시스템 외부로부터 물(이하 “외부공급 물”이라 함)이 제2 열교환기(42)로 공급되고 제2 열교환기(42)는 외부공급 물을 가열한다.

일 실시예에서 제2 열교환기(42)는 이 외부공급 물과 수소극(31)에서 배출되는 배출가스의 사이의 열교환이 일어나도록 구성되며, 배출가스의 흐름에서 볼 때 제1 열교환기(41)의 하류측에 배치된다. 일 실시예에서 외부공급 물은 예를 들어 상온 또는 섭씨 35도 내지 45도이고 제2 열교환기(42)로 공급되는 배출가스는 섭씨 700도 내지 750도일 수 있고, 이 경우 제2 열교환기(42)에서 배출되는 (외부공급 물이 기화된) 스팀은 예컨대 섭씨 600도 이상으로 가열될 수 있다.

제2 스팀 공급 유로(31)는 이젝터(20) 전단에서 제1 스팀 공급 유로(L21)에 합류하도록 구성된다. 따라서 제2 열교환기(42)에서 배출되는 스팀은 제1 스팀 공급 유로(L21)의 스팀과 혼합된 후 이젝터(20)의 구동노즐 측으로 주입된다.

제1 실시예는 제1 히터(61)를 더 포함할 수 있다. 제1 히터(61)는 수소극(31)의 입구측에 인접하여 혼합가스 공급 유로(L12) 상에 배치된다. 제1 히터(61)는 연료전지(30)가 최적의 효율로 수전해 모드와 연료전지 모드에서 동작할 수 있도록 수소와 스팀의 혼합가스의 온도를 소정 온도 범위로 가열할 수 있다. 일 실시예에서 제1 히터(61)는 수소와 스팀의 혼합가스의 온도를 섭씨 650도 내지 750도 사이의 범위로 가열할 수 있다. 또한 도면에 도시하지 않았지만, 이러한 온도 제어를 위해 제1 히터(61)의 내부 또는 전단이나 후단에 하나 이상의 온도센서가 설치되어 혼합가스의 온도를 측정하고 이에 기초하여 혼합가스를 가열할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 외부로부터 공기를 공기극(32)으로 공급하는 공기 공급 유로(L53) 및 이 유로(L53)에 배치된 공기-배출가스간 열교환기(53)를 포함한다. 열교환기(53)는 공기 공급 유로(53)를 통해 공기극(32)으로 이송되는 공기와 공기극(32)에서 배출되어 배출 유로(L61)로 이송되는 배출가스 사이를 열교환 한다.

공기 공급 유로(53)에 제2 히터(62)가 설치될 수 있다. 제2 히터(62)는 공기극(32)에 인접하게 공기 공급 유로(L53) 상에 배치되어, 연료전지(30)가 최적의 효율로 동작할 수 있도록 공기를 소정 온도 범위로 가열할 수 있다. 일 실시예에서 열교환기(53)가 상온의 공기를 대략 섭씨 650도 내지 700도로 가열하고 그 후 제2 히터(62)가 이 공기를 섭씨 700도 내지 750도로 가열한 후 공기극(32)으로 공급할 수 있다.

도시한 실시예에서, 공기 공급 유로(L53)의 상류측에 서로 병렬로 배치된 제1 분기 유로(L51)와 제2 분기 유로(L52)가 연결되고 각 분기 유로(L51,L52)에 제1 블로워(51)와 제2 블로워(52)가 설치된다. 제2 분기 유로(L52)는 제1 분기 유로(L51)에 비해 더 많은 양의 공기를 이송하도록 구성된다. 예를 들어 제2 분기 유로(L52)의 배관이 제1 분기 유로(L51)의 배관 보다 더 큰 직경을 가지며 제2 블로워(52)가 제1 블로워(51)에 비해 더 많은 공기를 공급할 수 있도록 구성된다. 일 실시예에서 제2 블로워(52)가 제1 블로워(51) 보다 5 내지 15배 큰 공기 공급량을 가진다.

수전해 모드의 경우 물(스팀)과 전기가 많이 필요하고 공기는 상대적으로 적은 양이 필요하며 연료전지 모드에서는 수소와 산소(공기)가 많이 필요하므로 공기 공급량이 많아야 한다. 따라서 일 실시예에서, 수전해 모드에서 제1 블로워(51)만 구동하고 제2 블로워(52)는 구동하지 않으며 연료전지 모드에서는 제2 블로워(52)만 구동하고 제1 블로워(51)는 구동하지 않는다. 대안적 실시예에서, 연료전지 모드에서 제1 및 제2 블로워(51,52)가 모두 구동할 수도 있다.

한편 연료전지(30)의 수소극(31)에서 배출되는 배출가스는 배출 유로(L41)를 따라 외부로 배출된다. 일 실시예에서 배출 유로(L41)를 따라 순차적으로 제1 열교환기(41) 및 제2 열교환기(42)가 각각 설치된다. 제1 열교환기(41)에서 배출가스는 수소 공급 유로(L11)를 통해 수소극(31)으로 공급되는 수소에 열에너지를 전달하여 수소를 가열한다. 제2 열교환기(42)에서 배출가스는 제2 스팀 공급 유로(L31)를 통해 공급되는 외부공급 물을 기화시키고 가열한다.

배출 유로(L41)를 따라 이송되는 배출가스는 물 배출부로 이송된다. 물 배출부는 배출가스 중의 물을 분리하여 배출하는 장치이며, 도시한 실시예에서 응축기(71)와 드레인(72) 및 응축기(71)를 통과하며 순환하는 냉매의 순환 유로(L70) 상에 설치된 펌프, 냉각장치 등을 포함할 수 있다. 응축기(71)에서 배출가스의 물이 응축되고 응축된 물은 드레인(72)에서 물 배출유로(L42,L43)를 통해 외부로 배출된다. 응축되지 않은 나머지 가스 성분(즉, 수소 및 응축되지 않은 스팀)은 유로(L45)를 따라 이송되고 블로워(73), 버퍼(78), 압축기(74), 수소 분리기(75) 등을 거쳐 수소와 스팀으로 분리된 후 각각 처리될 수 있다. 도면에 도시한 물 배출부는 공지 기술의 하나의 예시적인 구성을 나타낸 것이며, 본 발명의 실시 형태에 따라 배출가스에서 물을 분리하여 배출하고 수소를 추출하는 방식이나 구체적 장치 구성이 달라질 수 있음은 물론이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 버퍼(78)는 배출 유로(L41)의 압력을 반영하는 장치의 하나이다. 즉, 배출 유로(L41)의 압력이 증가되면 버퍼(78)의 내부 압력도 증가되고, 배출 유로(L41)의 압력이 감소되면 버퍼(78)의 내부 압력도 감소된다.

본 실시예에서, 버퍼(78)는 배출 유로(l1) 내의 압력을 제어하여 폭발 위험이나 압축기(74)의 흡인 압력 변동으로 인한 수전해 스택의 압력 제어를 용이하게 하기 위한 것이다. 응축기(71)를 통과한 유체들 중에서 응축되지 않은 가스 성분들은 블로어(73)에 의해 버퍼(78)로 유입된다. 버퍼(78)에 유입된 가스 성분들은 일시 저장되었다가 압축기(74)로 이동된다. 버퍼(78)에는 버퍼(78) 내부의 소정의 압력을 유지하기 위한 밸브(19)(이하, '벤트 밸브'라고 함)가 설치되어 있다. 이러한 벤트 밸브(19)가 개방되면 벤트(VENT)를 통해서 외부로 가스가 배출된다. 본 실시예에서, 버퍼(78)의 내부 압력이 미리 정한 기준 압력(이하, '최대 기준 압력') 이상이 되면, 벤트 밸브(19)가 개방되어 버퍼(78)의 내부 압력이 최대 기준 압력 이상이 되지 않도록 구성된다. 벤트 밸브(19)는 버퍼(78)의 내부 압력이 최대 기준 압력 이상이 되면 기계적으로 열리도록 구성될 수 있다.

다르게(alternatively), 버퍼(78)의 내부 압력을 감지할 수 있는 압력 센서(미 도시)가 버퍼(78)에 설치되어 있고, 벤트 밸브(19)는 그러한 압력 센서와 동작적으로 연결될 수 있다. 압력 센서(미 도시)에 의해 감지된 버퍼(78) 내부의 압력은 제어부(미 도시)로 제공되고, 제어부(미 도시)는 압력 센서(미 도시)의 감지 결과에 기초하여 벤트 밸브(19)가 개방 또는 폐쇄되도록 제어한다.

본 실시예에서, 버퍼(78)는 압축기(74)의 바로 직전에 설치되었지만 이는 예시적인 구성이다. 버퍼(78)는 배출 유로(L41)의 어디라도 설치될 수 있다. 바람직하게는 배출 유로(L41) 상에 위치하되 압축기(74)의 상류에 위치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 드레인(72)을 통과하여 유로(L45)로 이송되는 가스 중 적어도 일부가 재순환 유로(L44)를 통해 분기된다. 재순환 유로(L44)는 수소 공급 경로(L11)에 연결되어 있으며, 따라서 재순환 유로(L44)를 통해 분기된 가스는 재순환 가스로서 수소극(31)에 재공급 될 수 있다.

예를 들어 연료전지 모드에서, 유로(L45)의 가스 중 적어도 일부를 재순환 유로(L44)로 재순환시켜 수소극(31)에 재공급하고 수전해 모드에서는 재순환 유로(L44)를 폐쇄하도록 구성할 수 있다. 이를 위해 예컨대 재순환 유로(L44)의 분기점에 삼방밸브를 설치하거나 재순환 유로(L44) 상의 임의의 지점에 개폐밸브를 설치하여 제어할 수 있다.

도시한 실시예에서 재순환 유로(L44)에 제3 열교환기(43)와 블로워(45)가 설치될 수 있다. 바람직하게는, 재순환 유로(L44)의 상류에서 하류 방향으로 제3 열교환기(43)와 블로워(45)가 순차적으로 설치된다.

제3 열교환기(43)는 배출 유로(L41)의 배출가스와 재순환 유로(L44)의 재순환 가스 사이를 열교환하여 재순환 가스의 온도를 상승시킨다. 일 실시예에서 제3 열교환기(43)는 재순환 가스의 온도를 상승하여 재순환 가스에 응결이 발생하지 않도록 하는 소형 열교환기이다. 재순환 유로(L44)로 분기된 재순환 가스는 포화상태의 가스이며 재순환 유로(L44)의 환경에 따라 약간이라도 응결이 되면 후단의 블로워(45) 등 장치가 손상될 수 있다. 또한 제3 열교환기(43)에서 재순환 가스가 지나치게 고온으로 가열되는 경우에도 블로워(45)의 내구성이 문제가 될 수 있다. 따라서 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 블로워(45)의 전단(상류측)에 소형 열교환기(43)를 설치하여 재순환 가스 온도를 약간 상승시킨 후 블로워(45)로 이송되도록 한다. 일 실시예에서 제3 열교환기(43)에 의해 재순환 가스의 온도가 5도 내지 25도 사이의 범위에서 상승하도록 한다.

이와 같이 제3 열교환기(43)와 블로워(45)를 통과한 재순환 가스는 수소 공급 유로(L11)에 합류하여 수소 가스와 함께 제1 열교환기(41)에서 고온으로 가열된 후 연료전지(30)의 수소극(31)으로 공급될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 유로(L45)는 배출 유로(L41)의 하류와 유체가 흐름 소통되도록 연결되어 있다. 즉, 배출 유로(L41)에 흐르는 유체의 적어도 일부가 유로(L45)로 이동되도록, 배출 유로(L41)와 유로(L45)는 서로 연결되어 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 압축기(74)를 통과하여 유로(L45)로 이송되는 가스 중 일부가 유로(L46)(이하, '압력 제어용 유로' 라고 함)를 통해 분기된다. 본 실시예에 따르면, 압력 제어용 유로(L46)는 미리 정한 기준을 만족한 경우에만, 유로(L45) 통해서 흐르는 유체의 일부가 배출 유로(L41)로 제공될 수 있도록, 유로(L45)로부터 분기되어 상기 배출 유로(L41)로 연결되도록 구성되어 있다. 이를 위해서, 압력 제어용 유로(L46)에는 압력 제어용 유로(L46)에 유체가 흐르게 하거나, 또는 차단하기 위한 압력 제어용 밸브(18)가 설치되어 있다. 압력 제어용 밸브(18)는 미리 정한 조건에 따라서 압력 제어용 유로(L46)에 가스가 흐르도록 개방되거나 또는 가스가 흐르지 않고 차단되도록 폐쇄될 수 있다.

미리 정한 기준은, 예를 들면, 배출 유로(L41)의 최저 기준 압력이거나 또는 배출 유로(L41)의 압력이 반영된 장치의 최저 기준 압력일 수 있다. 제1 실시예에 따르면, 배출 유로(L41)의 압력이 반영된 장치인 버퍼(78)의 내부 압력을 최저 기준 압력으로 하여 압력 제어용 유로(L46)에 유체가 흐르게 하거나, 또는 차단한다.

상세하게는, 압력 제어용 유로(L46)는 배출 유로(L41)에 연결되어 있으며, 따라서 압력 제어용 유로(L46)를 통해 분기된 가스는 배출 유로(L41)에 공급될 수 있다. 압력 제어용 밸브(18)는 버퍼(78)의 내부 압력과 동작적으로 연결되어 있다. 예를 들면, 버퍼(78)의 내부 압력이 미리 정한 기준 압력 이하이면 압력 제어용 밸브(18)는 개방되고, 버퍼(78)의 내부 압력이 상기 기준 압력(이하, '최소 기준 압력') 보다 크면 압력 제어용 밸브(18)는 폐쇄된다. 도 1에는 도시되어 있지 않지만, 버퍼(78)의 내부 압력을 감지할 수 있는 압력 센서(미 도시)가 버퍼(78)와 동작적으로 연결되어 있으며, 이러한 압력 센서(미 도시)의 감지 결과는 제어부(미 도시)로 제공된다. 제어부(미 도시)는 감지 결과에 기초하여, 압력 제어용 밸브(18)를 개방 또는 폐쇄 동작을 제어한다. 후술하겠지만, 수전해 모드에서, 버퍼(78)의 내부 압력이 최소 기준 압력 이하이면 압력 제어용 밸브(18)은 개방되고, 버퍼(78)의 내부 압력이 최소 기준 압력보다 크면 압력 제어용 밸브(18)은 폐쇄된다.

본 실시예에서, 압력 제어용 유로(L46)는 압축기(74)의 하류에서 시작하여 배출 유로(L41)에 설치된 제1 열교환기(41)의 상류로 연결되도록 구성되어 있지만 이는 예시적인 구성이다. 압력 제어용 유로(L46)는 배출 유로(L41)에 설치된 압축기(74)의 하류 임의의 위치에서 출발하여, 버퍼(78)의 상류 임의의 위치로 연결되도록 구성될 수 있다.

한편, 압축기(74)의 하류라고 함은 수소와 스팀이 구분되기 전의 유로(L45) 상의 위치 또는 수소와 스팀으로 분리된 이후의 위치도 포함한다. 즉, 압축기(74)의 하류는 압축기(74)와 수소 분리기(75)의 사이의 위치와, 수소 분리기(75)의 하류의 위치를 모두 포함한다. 따라서, 압력 제어용 유로(L46)가 수소 분리기(75)의 하류에서 출발할 경우, 배출 유로(L41)에는 순수한 수소가 제공되거나 또는 스팀이 제공될 것이다.

예를 들면, 압력 제어용 유로(L46)는 압축기(74)의 하류에서 시작하여 제1 열교환기(41)와 제2 열교환기(42)의 사이의 위치로 연결될 수 있다. 다른 예를 들면, 압력 제어용 유로(L46)는 압축기(74)의 하류에서 시작하여 제2 열교환기(42)와 제3 열교환기(43)의 사이의 위치로 연결될 수 있다. 또 다른 예를 들면, 압력 제어용 유로(L46)는 압축기(74)의 하류에서 시작하여 제3 열교환기(53)와 응축기(71) 사이로 연결될 수 있다.

연료 전지(SOFC) 모드

이제, 도 1을 참조하여, 제1 실시예의 전해 시스템의 연료 전지(SOFC) 모드의 동작을 보다 상세히 설명하기로 한다. 연료전지 모드에서 수소 공급 유로(L11)를 통해 수소가 공급되고 제1 스팀 공급 유로(L21)를 통해 소량의 스팀이 공급된다. 수소는 제1 열교환기(41)에서 배출 유로(L41)의 배출가스와 열교환하여 가열된 후 수소극(31)으로 공급된다. 스팀은 분기 유로(L22)를 따라 이젝터(20)를 우회하여 이송된 후 수소와 합류하여 유로(L12)를 통해 연료전지(30)의 수소극(31)으로 공급된다. 연료전지 모드에서는 상대적으로 많은 양의 공기가 필요하므로 공기극(32)에 공기를 공급하기 위해 제2 블로워(52)가 작동하고 제1 블로워(51)는 작동하지 않는다. 대안적 실시예에서, 제1 및 제2 블로워(51,52)가 모두 작동할 수도 있다.

연료전지(30)에서 수소와 산소의 화학반응이 일어남에 따라 수소극(31)으로부터 스팀과 수소로 이루어진 제1 배출가스가 배출 유로(L41)를 통해 배출되고 공기극(32)으로부터 질소와 공기로 이루어진 제2 배출가스가 배출 유로(L61)를 통해 배출된다.

제1 배출가스는 제1 열교환기(41)를 통과하면서 수소를 가열한다. 연료전지 모드에서는 외부공급 물이 공급되지 않으므로 제1 배출가스는 열교환 없이 제2 열교환기(42)를 통과하고 제3 열교환기(43)에서 재순환 가스와 열교환하여 재순환 가스를 가열한다. 그 후 제1 배출가스는 물 배출부로 이송되고 스팀이 응축되어 물 배출유로(L43)를 따라 외부로 배출되고 수소 및 응축되지 않은 스팀은 재순환 가스로서 재순환 유로(L44)를 따라 수소극(31)으로 재공급된다.

한편, 연료 전지 모드에서, 유로(L45)로는 유체가 이동하지 않는다. 따라서, 압력 제어용 밸브(18)와 벤트 밸브(19)는 모두 폐쇄되어 있다.

수전해(SOEC) 모드

이제 도2를 참조하여 제1 실시예의 수전해 시스템의 수전해 모드 동작을 설명하기로 한다.

도2는 제1 실시예의 수전해 시스템의 수전해(SOEC) 모드의 동작 상태를 나타낸다. 도면에서 굵은 선으로 표시한 유로가 수전해 모드에서 사용되는 유로이다.

도면을 참조하면, 수전해 모드에서 제1 스팀 공급 유로(L21)를 통해 스팀이 공급되고, 제2 스팀 공급 유로(L31)를 통해 외부공급 물이 공급되어 제2 열교환기(42)에서 스팀으로 기화되고 제1 스팀 공급 유로(L21)에 합류한다. 이렇게 혼합된 스팀은 유로(L12)를 통해 연료전지(30)의 수소극(31)으로 공급된다. 수전해 모드에서는 상대적으로 적은 양의 공기가 필요하므로 연료전지(30)의 공기극(32)에 공기를 공급하기 위해 제1 블로워(51)가 작동하고 제2 블로워(52)는 작동하지 않는다.

연료전지(30)에서 수전해 반응이 일어남에 따라 수소극(31)으로부터 수소와 스팀으로 이루어진 제1 배출가스가 배출 유로(L41)를 통해 배출되고 공기극(32)으로부터 산소와 공기로 이루어진 제2 배출가스가 배출 유로(L61)를 통해 배출된다.

배출 유로(L41)로 배출되는 제1 배출가스의 일부가 피드백 유로(L47)에서 분기되어 이젝터(20)의 흡입구로 공급되고, 스팀 공급 유로(L21)를 통해 이송되는 스팀과 혼합되어 수소극(31)으로 다시 공급된다. 피드백 유로(47)로 분기되지 않은 나머지 제1 배출가스는 열교환 없이 제1 열교환기(41)를 통과하고, 제2 열교환기(42)에서 외부공급 물과 열교환하여 외부공급 물을 기화시키고 가열한다. 도시한 실시예에서 재순환 유로(L44)가 수전해 모드에서 폐쇄되고 따라서 배출 유로(L41)의 제1 배출가스는 제3 열교환기(43)에서도 열교환 없이 통과하여 물 배출부로 이송된다. 물 배출부에서 스팀이 응축되어 물 배출유로(L43)를 따라 외부로 배출되고 수소 및 응축되지 않은 스팀은 버퍼(78) 및 압축기(78)를 경유하여 유로(L45)를 따라 이송되어 각기 분리되어 처리된다.

수전해 모드에서, 미리 정한 기준(예를 들면, 배출 유로(L41)의 압력 또는 버퍼(78)의 내부 압력)이 최소 기준 압력 이하이면 압력 제어용 밸브(18)는 개방되고, 최소 기준 압력 보다 크면 압력 제어용 밸브(18)는 폐쇄된다. 압력 제어용 밸브(18)가 개방된 경우, 따라서 유로(L45)를 따라 이동하던 유체(수소와 스팀)의 일부가 배출 유로(L41)로 이동된다. 한편, 버퍼(78)의 내부 압력이 최대 기준 압력보다 적을 경우 벤트 밸브(19)는 폐쇄된다.

이러한 동작에 의해서, 수소 압축시에 흡입 라인인 배출 라인(L41)의 부압에 따라 공기 유입 등으로 인한 폭발 위험이나 압축기(74)의 흡인 압력 변동으로 인한 수전해 스택의 압력을 용이하게 제어할 수 있게 된다.

이상과 같이 제1 실시예에 따르면 수전해 시스템의 각 동작 모드에 따라 적절한 수소와 스팀의 혼합가스를 연료전지(30)에 공급할 수 있는 이점이 있다. 예를 들어, 수전해 모드에서 수소는 소량만 필요하므로, 피드백 유로(L47)를 통해 피드백되는 배출가스에 함유된 수소를 이용하도록 구성하여 수소 공급 유로(L11)를 통해 외부에서 수소를 공급할 필요가 없도록 하였고 공기도 상대적으로 적은 양이 필요하므로 소형 블로워인 제1 블로워(51)만 구동하여 공기를 공급하도록 구성하였다. 연료전지 모드에서는 피드백 유로(L47)가 아니라 재순환 유로(L44)를 통해 배출가스를 재공급하도록 하여 연료전지(30)에서 반응되지 않고 버려지는 수소를 최소화할 수 있다. 또한 이 때 이젝터(20)를 우회하여 스팀을 공급하도록 구성하여 이젝터(20)가 스팀의 흐름을 방해하는 것을 방지할 수 있고, 재순환 유로(L44)의 블로워(45)의 상류측에 제3 열교환기(43)를 설치함으로써 블로워(45)의 손상을 방지할 수 있다.

한편, 상술한 제1 실시예는, 수전해부(30)가 수전해 모드와 연료전지 모드에서 동작할 수 있는 양방향 수전해 연료전지인 경우이나, 이는 예시적인 경우로서 본 발명은 수전해부(30)가 양방향이 아닌 수전해 모드로만 동작하는 경우에도 적용될 수 있다. 이는 제1 실시예 뿐만 아니라 제2 실시예 내지 제6 실시예의 경우도 동일하다.

이제 도3와 도4를 참조하여 각각 제2 및 제3 실시예에 따른 수전해 시스템을 설명하기로 한다.

도3은 제2 실시예에 따른 수전해 시스템을 나타낸다. 도면을 참조하면, 제2 실시예의 양방향 수전해 시스템은 스팀 생성부(10), 이젝터(20), 수전해부(30), 히터(61,62) 등의 구성요소와 이 구성요소들 사이를 연결하는 다수의 유로, 및 유로에 배치된 다수의 열교환기들, 밸브들, 블로워들, 및 펌프들을 포함할 수 있다. 도3을 참조하면, 제2 실시예에 포함된 구성요소들은 제어부(미 도시)에 의해 동작이 제어될 수 있다. 예를 들면, 제어부(미 도시)는 스팀 생성부(10), 수전해부(30), 히터(61,62), 열교환기들, 밸브들, 블로워들, 및 펌프들의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어부는 밸브들의 개방 또는 폐쇄 동작을 제어할 수 있다. 제2 실시예에 따르면, 상술한 다수의 밸브들 중에는, 수소 압축시에 흡입 라인(L41)의 부압에 따라 공기 유입 등으로 인한 폭발 위험이나 압축기(74)의 흡인 압력 변동으로 인한 수전해 스택의 압력을 조절하기 위한 압력 제어용 밸브(18)가 포함되어 있다. 이러한 압력 제어용 밸브(18)는 제어부(미 도시)에 의해 개방 또는 폐쇄될 수 있다.

제2 실시예에 포함된 상술한 구성요소들은 제1 실시예의 각 구성요소들과 동작 및 구성이 서로 동일 또는 유사하므로 설명을 생략한다.

도1의 제1 실시예와 비교할 때 제2 실시예의 시스템은 재순환 유로(L44)에 설치된 제4 열교환기(44)를 더 포함하는 점에서만 차이가 있다. 제4 열교환기(44)는 재순환 가스와 제1 배출가스 사이를 열교환하여 재순환 가스를 가열하는 역할을 한다. 재순환 유로(L44)의 관점에서 볼 때 제4 열교환기(44)는 블로워(45)의 하류측에 위치하며 배출유로(L41)의 관점에서 볼 때 제4 열교환기(44)는 제2 열교환기(42)와 제3 열교환기(43) 사이에 위치한다.

제2 실시예에서 제3 열교환기(43)는 소형 열교환기로서 재순환 가스의 온도를 섭씨 5도 내지 20도 상승시키고 제4 열교환기(44)는 재순환 가스를 적어도 섭씨 200도 이상 가열시킬 수 있다. 예를 들어 재순환 유로(L44)로 분기된 재순환 가스가 섭씨 30도 내지 40도인 경우, 제3 열교환기(43)는 재순환 가스를 섭씨 40도 내지 60도로 가열하여 재순환 가스의 응결을 방지하고 제4 열교환기(44)는 재순환 가스를 섭씨 250도 내지 300도 사이로 가열할 수 있다.

이 실시예에 따르면 제1 열교환기(41)에서 배출되는 배출가스의 열에너지를 제4 열교환기(44)에서 한번 더 이용하여 재순환 가스를 가열하기 때문에 폐열 회수가 가능하다. 또한 제4 열교환기(44)에서 한번 가열된 재순환 가스가 수소와 혼합한 뒤 제1 열교환기(41)에서 다시 가열되기 때문에 제1 실시예에 비해 혼합 가스 유로(L12)를 흐르는 혼합 가스의 온도를 더 높일 수 있는 이점이 있다.

도4는 제3 실시예에 따른 수전해 시스템을 나타낸다. 도면을 참조하면, 제3 실시예의 양방향 수전해 시스템은 스팀 생성부(10), 이젝터(20), 수전해부(30), 히터(61,62) 등의 구성요소와 이 구성요소들 사이를 연결하는 연결하는 다수의 유로, 및 유로에 배치된 다수의 열교환기들, 밸브들, 블로워들, 및 펌프들을 포함할 수 있다.

도4를 참조하면, 제3 실시예에 포함된 구성요소들은 제어부(미 도시)에 의해 동작이 제어될 수 있다. 예를 들면, 제어부(미 도시)는 스팀 생성부(10), 수전해부(30), 히터(61,62), 열교환기들, 밸브들, 블로워들, 및 펌프들의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어부는 밸브들의 개방 또는 폐쇄 동작을 제어할 수 있다. 제3 실시예에 따르면, 상술한 다수의 밸브들 중에는, 수소 압축시에 흡입 라인(L41)의 부압에 따라 공기 유입 등으로 인한 폭발 위험이나 압축기(74)의 흡인 압력 변동으로 인한 수전해 스택의 압력을 조절하기 위한 압력 제어용 밸브(18)가 포함되어 있다. 이러한 압력 제어용 밸브(18)는 제어부(미 도시)에 의해 개방 또는 폐쇄될 수 있다.

제3 실시예에 포함된 상술한 구성요소들은 제1 실시예의 각 구성요소들과 동작 및 구성이 서로 동일 또는 유사하므로 설명을 생략한다.

도1의 제1 실시예와 비교할 때 제3 실시예의 시스템은 물 배출유로(L43)에 설치된 펌프(77)를 더 포함하는 점에서 차이가 있다. 펌프(77)는 드레인(72)에서 유로(L42)를 따라 배출되는 물을 강제로 펌핑하여 외부로 배출할 수 있다.

이러한 제3 실시예에 따르면, 첫째, 연료전지(30)의 수소극(31)의 입구와 공기극(32)의 입구의 압력 차이를 없애거나 소정 범위로 줄여서 유지시킬 수 있다. 연료전지(30)의 수소극(31)과 공기극(32)의 입구측의 압력 차이가 작을수록 연료전지 시스템을 안정적으로 운전할 수 있으며 효율이 높아질 수 있는데 일반적인 연료전지 시스템의 경우 공기극(32)에 비해 수소극(31)의 입구측과 출구측에 다수의 유로들과 열교환기 등의 장치들이 설치되기 때문에 수소극(31)의 압력이 더 높은 상태에 있다. 그러나 본 발명의 펌프(77)를 구동할 경우 펌프(77)의 흡입력이 수소극(31)의 배출 유로(L41)를 따라 수소극(31)에 작용하여 수소극(31)의 입구측 압력을 낮출 수 있다. 따라서 펌프(77)를 동작을 제어함으로써 수소극(31)과 공기극(32)의 입구측 압력을 서로 동일하게 또는 소정의 범위 내에서 거의 동일하게 유지시킬 수 있어 시스템을 안정적으로 운전할 수 있고 효율을 높일 수 있다.

또한 수소극(31)의 입구측 압력이 낮아진 만큼 수소 공급 유로(L11)를 따라 수소를 수소극(31)으로 이송하기 위한 펌프나 블로워(도시 생략)의 용량이 작아져도 되며, 배출 유로(L41) 내부의 압력이 전체적으로 낮아져서 대기압보다 낮아지는 경우에도 펌프(77)에 의해 물을 강제로 배출하기 때문에 물이 배출 유로(L41)로 역류하는 것을 방지할 수 있다.

상술한 실시예들에 따르면 양방향이 가능한 수전해 시스템의 수전해 모드와 연료전지 모드의 각 동작 모드에 따라 적절한 수소와 스팀의 혼합가스를 연료전지에 공급하고 연료전지에서 배출되는 배출가스의 폐열을 적절히 활용하여 재사용함으로써 시스템 효율을 향상시키는 이점이 있다.

일반적으로 양방향 수전해 시스템에서 수전해 모드에서의 시스템 효율은 아래와 같이 정의될 수 있다.

위 수식에서 η1은 투입된 에너지 대비 생산된 에너지로 정의되는 효율로서, 분모는 보일러(12)에 공급되는 폐기물의 열량과 신재생 에너지에 의해 연료전지(30)에 공급되는 전기에너지를 나타내고, 분자는 연료전지(30)에서 생성되는 수소의 열량으로서 얼마만큼의 수소가 생성되는지를 나타낸다. η2는 η1의 분모에서 폐기물 열량을 제외한 것이다. η3은 엑서지(exergy) 효율로서, 에너지의 양과 질을 동시에 반영한 효율이다.

위의 수식들과 유사하게, 양방향 수전해 시스템의 연료전지 모드에서의 효율은 아래와 같이 정의될 수 있다.

위 수식에 따라 본 발명의 제1 내지 제3 실시예의 수전해 모드에서의 엑서지 효율(η3)을 계산한 결과 제1 실시예 내지 제3 실시예 모두 80% 이상의 효율을 나타내었다.

종래의 일반적인 수전해 모드의 엑서지 효율이 70 내지 75%인 것을 감안할 때 본 발명과 같이 양방향 수전해 시스템을 구성할 경우 시스템 효율이 향상됨을 알 수 있다.

도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템의 동작 방법(이하, '본 동작 방법')은 압력 모니터링 단계(S101), 최저 기준 압력 이하인지 여부를 판단하는 단계(S103), 최저 기준 압력 이하일 경우, 압력 제어용 유체를 제공하는 단계(S105), 및 최저 기준 압력보다 클 경우, 압력 제어용 유체를 미 제공하는 단계(S107)를 포함할 수 있다.

이제, 본 동작 방법이 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 수전해 시스템에 적용되었다고 가정을 하고, 본 동작 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 동작 방법은, 배출 유로(L41)의 압력 또는 배출 유로(L41)의 압력이 반영된 장치의 압력이 최저 기준 압력 이하일 경우에만 압력 제어용 유체를 배출 유로(L41)에 제공하도록 구현된다.

압력 모니터링 단계(S101)는 배출 유로(L41)의 압력 또는 배출 유로(L41)의 압력이 반영된 장치의 압력을 모니터링하는 단계이다.

압력 모니터링 단계(S101)의 일 예에 따르면, 배출 유로(L41)의 압력을 압력 센서가 감지하는 단계와 감지 결과를 제어부로 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 배출 유로(L41)의 내부 압력을 감지하는 압력 센서가 배출 유로(L41)와 동작적으로 결합되어 있을 수 있고, 또한 제어부에게 감지 결과를 제공하도록 제어부와 동작적으로 결합되어 있을 수 있다.

압력 모니터링 단계(S101)의 다른 예에 따르면, 버퍼(78)의 압력을 압력 센서가 감지하는 단계와 감지 결과를 제어부로 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 압력 센서는 버퍼(78)의 내부 압력을 감지하도록 버퍼(78)와 동작적으로 결합되어 있고, 또한 감지 결과를 제어부에게 제공하도록 제어부와 동작적으로 결합되어 있다. 여기서, 버퍼(78)는 유체를 일시 저장하다가 배출할 수 있는 장치로서, 배출 유로(L41)의 압력을 반영하는 장치의 하나이다. 즉, 배출 유로(L41)의 압력이 증가하면 그에 따라서 버퍼(78) 내부의 압력도 증가되고, 반대로 배출 유로(L41)의 압력이 감소하면 그에 따라서 버퍼(78) 내부의 압력도 감소된다.

최저 기준 압력 이하인지 여부를 판단하는 단계(S103)는, 제어부가 압력 센서로부터 제공받은 감지 결과를 분석하여 감지된 압력이 최저 기준 압력 이하인지 여부를 판단하는 단계이다.

압력 제어용 유체를 제공하는 단계(S105)는, S101 단계에서 감지된 압력이 최저 기준 압력 이하라고 판단된 경우, 배출 유로(L41)로 압력 조절을 위한 유체를 제공하는 단계이며, 배출 유로(L41)로 압력 조절용 유로(L46)를 연결시키는 단계를 포함한다. 여기서, 압력 조절용 유로(L46)는, 배출 유로(L41)의 하류와 유체가 흐름 소통되도록 연결된 유로(L45)로부터 분기된 것으로서 배출 유로(L41)로 연결된 것이다. 일 실시예에 따르면, 유로(L45)에는 압축기(74)가 설치되어 있고, 압력 조절용 유로(L46)는 압축기(74)의 하류에서 분기되어 배출 유로(L41)로 연결된 것일 수 있다. 구체적으로, 압력 조절용 유로(L46)는 압축기(74)에서 분기되어 버퍼(78)의 상류로 연결된 것일 수 있다.

압력 제어용 유체를 미 제공하는 단계(S107)는, S101 단계에서 감지된 압력이 최저 기준 압력보다 크다고 판단된 경우, 제어부가 압력 제어용 밸브(18)를 폐쇄시키라는 명령(이하, '폐쇄 명령')을 생성하는 단계와 폐쇄 명령에 따라서 압력 제어용 밸브(18)가 압력 제어용 유로(L46)를 폐쇄하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 폐쇄 명령에 따라서 압력 제어용 밸브(18)가 압력 제어용 유로(L46)를 개방하는 단계는 압력 제어용 유로(L46)에 가스(수소 및/또는 스팀)가 이동되지 않도록 차단하는 단계이다.

이상과 같이 설명한 본 동작 방법에 의해서, 수소 압축시에 흡입 라인인 배출 유로(L41)의 부압에 따라 공기 유입 등으로 인한 폭발 위험이나 압축기(74)의 흡인 압력 변동으로 인한 수전해 스택의 압력을 용이하게 제어할 수 있게 된다.

한편, 도 5를 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템에서의 동작 방법은 양방향 수전해 시스템에서의 수전해 모드에 적용될 수 있을 뿐만 아니라 양방향이 아닌 일반적인 수전해 시스템에서도 적용될 수 있는 방법이다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 시스템에서의 동작 방법은, 알칼라인 수전해 시스템, 고분자 전해질(PEM: Polymer Electrolyte Membrance) 수전해 시스템, 고체 산화물(Solid Oxide) 수전해 시스템, 또는 음이온교환막(AEM: Anion Exchange Membrane) 수전해 시스템 등과 같은 수전해 시스템에도 적용될 수 있다.

이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10: 스팀 생성부 20: 이젝터
30: 양방향 수전해 연료전지 41, 42, 43, 44, 53: 열교환기
61,62: 히터
74: 압축기
78: 버퍼

Claims (14)

1. 수전해부(30)의 수소극에서 배출되는 유체를 배출하기 위한 배출 유로(L41);
   상기 배출 유로(L41)의 하류와 유체가 흐름 소통되도록 연결된 유로(L45); 및
   상기 유로(L45)에 흐르는 유체를 압축할 수 있도록 상기 유로(L45)에 설치된 압축기;
   상기 압축기의 상류에 형성되어 상기 배출 유로(L41)의 압력 증감에 따라서 내부의 압력이 증감되고 유체를 일시 저장하다가 후방의 압축기로 유체를 공급하는 버퍼(78); 및
   상기 버퍼 내부의 압력이 기준 압력 이하인 경우에만, 상기 유로(L45)를 통해서 흐르는 유체의 일부가 상기 배출 유로(L41)로 제공될 수 있도록, 상기 유로(L45)로부터 상기 압축기의 하류에서 분기되어 상기 배출 유로(L41)로 연결되는 압력 조절용 유로(L46);를 포함하는 수전해 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 압력 조절용 유로(L46)는 상기 압축기의 하류에서 출발하여 상기 버퍼 상류의 상기 배출 유로(L41)로 연결되는 것인, 수전해 시스템.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 배출 유로(L41)에 설치된 적어도 하나의 열교환기;를 더 포함하며,
   상기 압력 조절용 유로(L46)는 상기 유로(L45)에서 분기되어 상기 열교환기의 상류로 연결되는 것인, 수전해 시스템.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 압력 조절용 유로(L46)에는 압력 조절용 밸브(18)가 설치되어 있으며, 상기 압력 조절용 밸브(18)는 상기 버퍼 내부의 압력에 따라서 상기 압력 조절용 유로(L46)을 개방시키거나 또는 폐쇄시키는 것인, 수전해 시스템.
8. 삭제
9. 수전해부(30)의 수소극에서 배출되는 유체를 배출하기 위한 배출 유로(L41), 상기 배출 유로(L41)의 하류와 유체가 흐름 소통되도록 연결된 유로(L45), 상기 유로(L45)에 흐르는 유체를 압축할 수 있도록 상기 유로(L45)에 설치된 압축기; 및 상기 압축기의 상류에 형성되어 상기 배출 유로(L41)의 압력 증감에 따라서 내부의 압력이 증감되고 유체를 일시 저장하다가 후방의 압축기로 유체를 공급하는 버퍼(78);를 포함하는 수전해 시스템의 동작 방법으로서,
   상기 버퍼 내부의 압력을 모니터링하는 단계; 및
   상기 버퍼 내부의 압력이 기준 압력 이하일 경우에, 상기 유로(L45)로부터 분기되어 상기 배출 유로(L41)로 연결되는 압력 조절용 유로(L46)를 통해 상기 유로(L45)를 통해서 흐르는 유체의 일부를 상기 배출 유로(L41)로 압력 조절을 위하여 제공하는 단계;를 포함하는 것인, 수전해 시스템의 동작 방법.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 제9항에 있어서,
    상기 압력 조절용 유로(L46)는 상기 압축기의 하류에서 분기되어 상기 버퍼 상류의 상기 배출 유로(L41)로 연결된 것인, 수전해 시스템의 동작 방법.
14. 삭제

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