KR102609121B1 - 전기 탈이온 장치를 구비한 연료전지 시스템 - Google Patents
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Abstract
연료가스를 수소가 풍부한 개질가스로 전환하는 연료처리장치, 상기 연료처리장치로부터 개질가스를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지 스택, 시수의 전기 전도도를 저감하는 역삼투압 필터, 상기 연료처리장치 및 연료전지 스택에서 배출되는 유체로부터 분리된 응축수를 저장하는 응축수 탱크, 상기 응축수 탱크에서 응축수를 제공받아 금속이온이 제거된 정제수와, 금속이온이 농축된 농축수 및 전극수를 생산하는 전기 탈이온 모듈, 상기 전기 탈이온 모듈로부터 배출된 정제수를 저장하는 냉각수 탱크, 및 상기 전기 탈이온 모듈로부터 배출된 농축수 및 정제수의 전기 전도도를 저감하는 후처리 필터를 포함하고, 상기 역삼투압 필터에 의해 전기 전도도가 저감된 시수와 상기 후처리 필터에 의해 전기 전도도가 저감된 농축수 및 정제수가 상기 응축수 탱크로 공급되는, 연료전지 시스템이 제공된다.
Description
본 발명은 전기 탈이온 장치를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 높은 효율과 낮은 배출가스로 인해 친환경 발전 솔루션으로 큰 주목을 받고 있다. 이러한 연료전지 시스템은 일반적으로 개질 가스를 생산하는 연료처리장치와 개질가스를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지 스택을 포함한다.
연료처리장치와 연료전지 스택의 효율적이고 안정적인 작동을 위해서는 시스템의 성능과 수명에 영향을 미치는 오염물질의 영향을 최소화할 수 있는 고순도의 물의 사용이 요구된다.
연료전지 시스템에 고순도의 물을 공급하는 전통적인 방법으로서 이온교환수지 물질을 사용하는 필터식 수처리 방법이 알려져 있다. 그런데 각 지역마다 공급수의 조성(불순물의 종류와 함량)이 일정하지 않아 각 지역마다 필터의 교환주기가 달라지게 되며, 이로 인해 필터리 수처리 방법에서는 일괄적인 유지 보수에 어려움이 있었다. 또한, 정제되지 않은 물이 연료전지 시스템에 공급되는 경우 불순물의 스케일이 발생되어 연료전지 시스템의 성능이 저하되고 수명이 감소되는 문제가 있었다.
전기 탈이온화 기술은 기존의 필터식 수처리 기술을 대체하여 고순도의 물을 생산하기 위한 혁신적인 솔루션으로 등장하였다. 이러한 전기 탈이온화 기술에 사용되는 전기 탈이온 장치는 전기투석 장치의 희석실에 이온교환수지를 충진하여 초순수를 생산하며, 반응 속도와 전력 소모 면에서 전기 투석 장치에 비해 우수하여, 반도체 제조 분야, 액정 제조 분야, 의약품 제조 분야, 식품 가공 분야, 발전 분야 등 다양한 응용 분야에서 사용되고 있다.
전기 탈이온 장치를 사용하여 연료전지 시스템에 초순수를 공급하는 종래기술로서 특허문헌 1에서는 전기 탈이온 장치에 의해 시수를 정수 처리하여 불순물을 제거한 순수를 생산하고, 생산된 순수를 연료처리장치와 연료전지 스택에 공급하는 기술을 개시하고 있다. 그러나 특허문헌 1은 연료처리장치 및 연료전지 스택에서 배출된 유체로부터 분리된 응축수의 처리에 대해서는 고려하고 있지 않다.
특허문헌 2에서는 전기 탈이온 장치에 의해 응축수를 정수 처리하여 불순물을 제거한 순수를 생산하고, 생산된 순수를 연료처리장치와 연료전지 스택에 공급하는 기술을 개시하고 있다. 그러나, 특허문헌 2는 전기 탈이온 모듈에서 배출되는 농축수 및 전극수의 처리에 대해서는 고려하고 있지 않다.
본 발명의 여러 목적 중 하나는, 불순물 스케일에 의한 성능 저하와 수명 감소를 예방할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
일 측면에 따르면, 연료가스를 수소가 풍부한 개질가스로 전환하는 연료처리장치, 상기 연료처리장치로부터 개질가스를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지 스택, 시수의 전기 전도도를 저감하는 역삼투압 필터, 상기 연료처리장치 및 연료전지 스택에서 배출되는 유체로부터 분리된 응축수를 저장하는 응축수 탱크, 상기 응축수 탱크에서 응축수를 제공받아 금속이온이 제거된 정제수와, 금속이온이 농축된 농축수 및 전극수를 생산하는 전기 탈이온 모듈, 상기 전기 탈이온 모듈로부터 배출된 정제수를 저장하는 냉각수 탱크, 및 상기 전기 탈이온 모듈로부터 배출된 농축수 및 정제수의 전기 전도도를 저감하는 후처리 필터를 포함하고, 상기 역삼투압 필터에 의해 전기 전도도가 저감된 시수와 상기 후처리 필터에 의해 전기 전도도가 저감된 농축수 및 정제수는 상기 응축수 탱크로 공급되는, 연료전지 시스템이 제공된다.
일 실시예에 있어서, 상기 응축수 탱크 및 냉각수 탱크는 수위를 감지하는 수위센서와 전도도를 측정하는 전도도센서를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 응축수 탱크과 상기 전기 탈이온 모듈 사이에 배치되어 상기 응축수의 유량을 조절하는 응축수 펌프를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 시스템은, 상기 전기 탈이온 모듈에 전원을 공급하는 전원 공급부, 상기 전기 탈이온 모듈로 제공되는 응축수의 압력을 측정하는 압력센서, 상기 전기 탈이온 모듈로 제공되는 응축수의 유량을 측정하는 유량센서, 및 상기 전기 탈이온 모듈에 흐르는 전류를 측정하는 전류센서를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 시스템은, 상기 전기 탈이온 모듈로 제공되는 응축수의 온도를 측정하는 온도센서, 및 상기 온도센서로부터 측정된 응축수의 온도가 설정 온도 이상일 때, 응축수를 설정 온도 미만으로 냉각하는 냉각모듈을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 시스템은, 상기 응축수 탱크와 상기 전기 탈이온 모듈의 사이에 배치되고, 2개의 입력포트와 1개의 출력포트와 상기 2개의 입력포트를 여닫을 수 있는 밸브체를 갖는 제1 삼방향 밸브를 더 포함하고, 상기 제1 삼방향 밸브의 2개의 입력포트는 상기 응축수 탱크 및 냉각수 탱크와 각각 연결되고, 상기 제1 삼방향 밸브의 1개의 출력포트는 상기 전기 탈이온 모듈과 연결될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 시스템은, 상기 전기 탈이온 모듈과 상기 후처리 필터의 사이에 배치되고, 1개의 입력포트와 2개의 출력포트와 상기 2개의 출력포트를 여닫을 수 있는 밸브체를 갖는 제2 삼방향 밸브를 더 포함하고, 상기 제2 삼방향 밸브의 1개의 입력포트는 상기 전기 탈이온 모듈과 연결되고, 상기 제2 삼방향 밸브의 2개의 입력포트는 상기 응축수 탱크와 상기 역삼투압 필터의 전단에 각각 연결될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전기 탈이온 모듈은, 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이에 이온교환수지가 충진된 탈염실과, 상기 탈염실의 양쪽에 이웃하여 설치되는 1쌍의 농축실로 이루어진 하나 이상의 탈염 처리부를 포함하고, 상기 탈염 처리부를 양극을 구비한 양극실과 음극을 구비한 음극실을 포함하는 전극실 사이에 배치하여 이루어지며, 상기 탈염실, 농축실 및 전극실 각각에 응축수를 통수하면, 상기 탈염실에서는 이온이 제거된 정제수가 배출되고, 상기 농축실 및 전극실에서는 이온이 농축된 농축수 및 전극수가 배출되며, 상기 탈염실 및 농축실을 흐르는 응축수는 동일한 유동 방향을 갖고, 상기 전극실을 흐르는 응축수는 상기 양극실 및 음극실 중 어느 하나의 전극실로 유입되어, 다른 하나의 전극실로 배출될 수 있다.
본 명세서의 일 측면에 따른 연료전지 시스템은 불순물 스케일에 의한 연료전지 시스템의 성능 저하 및 수명 감소가 방지되는 장점이 있다.
본 명세서의 일 측면의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 명세서의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 양태에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 양태에 따른 전기 탈이온 모듈(330)을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 양태에 따른 전기 탈이온 모듈(330)의 4000시간 연속운전 데이터이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 양태에 따른 전기 탈이온 장치(300)의 모식도이고, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시 양태에 따른 전기 탈이온 장치(300)의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 양태에 따른 전기 탈이온 모듈(330)을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 양태에 따른 전기 탈이온 모듈(330)의 4000시간 연속운전 데이터이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 양태에 따른 전기 탈이온 장치(300)의 모식도이고, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시 양태에 따른 전기 탈이온 장치(300)의 모식도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 명세서의 일 측면을 설명하기로 한다. 그러나 본 명세서의 기재사항은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 이때 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하였다. 그리고, 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시 양태에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 연료전지 시스템은 연료처리장치(100), 연료전지 스택(200), 전기 탈이온 장치(300) 및 열교환기(400)를 포함한다. 본 발명의 연료전지 시스템은 제어장치(500)를 더 포함할 수 있으며, 제어장치(500)는 연료처리장치(100), 연료전지 스택(200), 전기 탈이온 장치(300), 열교환기(400) 등 각 구성을 제어하여 연료전지 시스템(100)의 전력 생산을 제어하고, 연료처리장치(100) 및 연료전지 스택(200)과 전기 탈이온 장치(300)의 연계 제어를 수행할 수 있다.
연료처리장치(100)는 탄화수소계 원료(LNG, LPG 등)로부터 개질 가스를 생성하여 연료전지 스택(200)에 공급하는 역할을 하며, 탄화수소계 원료 및 수증기를 반응시켜 수소 함유 가스를 생산하는 개질부; 수소 함유 가스에 함유된 일산화탄소를 수증기와 반응시켜 일산화탄소를 1차 제거하는 수성가스 전이부; 일산화탄소가 1차 제거된 수소 함유 가스에 공기를 공급하여 일산화탄소를 2차 제거하는 선택 산화부; 및 탄화수소계 원료 및/또는 연료전지 스택으로부터 배출되는 애노드 오프 가스를 연소시켜 개질부를 가열하는 연소부;를 포함하여 구성될 수 있다.
탄화수소계 원료는 연료처리장치(100)의 개질부에 공급되어 수소가 풍부한 수소 함유 가스로 변환되고, 수성가스 전이부와 선택 산화부를 거쳐 일산화탄소 농도가 저감된 개질 가스로 변환된다. 선택 산화부에서 배출되는 개질 가스는 후술할 연료전지 스택(200)의 애노드로 공급된다.
개질부는 탄화수소계 원료 및 수증기의 혼합 가스로부터 하기 식 1에 의한 개질 반응에 의해 수소가 풍부한 수소 함유 가스를 생성한다.
[식 1] CH4 + H2O → 3H2 + CO
수성가스 전이부는 하기 식 2에 의한 반응을 통해 수소 함유 가스에 함유된 일산화탄소를 1차 제거한다.
[식 2] CO + H2O → H2 +CO2
선택 산화부는 일산화탄소가 1차 제거되어, 수소가 농축된 수소 함유 가스에 공기를 공급하여 하기 식 3에 의한 반응을 통해 일산화탄소가 2차 제거된 개질 가스를 생성한다.
[식 3] 2CO + O2 → 2CO2
개질부에서의 개질 반응은 흡열 반응으로서, 600~700℃의 높은 온도에서 이뤄지기 때문에 외부로부터 반응열을 공급할 필요가 있다. 이러한 반응열은 개질부에 인접하여 배치된 연소부로부터 얻어질 수 있다.
연소부는 탄화수소계 원료 및/또는 연료전지 스택(200)으로부터 배출되는 미반응의 애노드 오프 가스를 연소시켜 고온의 열을 생성하며, 연소부의 온도는 탄화수소계 원료 및/또는 애노드 오프 가스의 연소에 의해 약 600~1000℃로 유지된다.
연료전지 스택(200)은 개질가스 중의 수소와 공기 중의 산소를 화학반응시켜 직류전력(DC)를 생산하며, 생상된 직류전력(DC)은 연료전지 스택(200)의 일 측에 마련된 전력변환기(230)에 의해 교류전력(AC)으로 변환된다. 연료전지 스택(200)의 애노드에는 연료처리장치(100)로부터 개질가스가 공급되고, 캐소드에는 공기 펌프(240)에 의해 공기가 공급된다.
연료전지 스택(200)은 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)와, 상기 막-전극 접합체의 양측에 배치된 한 쌍의 분리판을 포함하는 단위셀이 복수개 적층되어 구성될 수 있다.
연료전지 스택(200)이 정상적으로 동작하기 위해서는 막-전극 접합체의 전해질막이 일정 습도 이상으로 유지되어야 하므로, 연료전지 스택(200)의 캐소드에 공급되는 공기는 가습 유닛(미도시)을 거쳐 습도가 높아진 습윤공기일 수 있다. 여기서 가습 유닛은 막 가습기일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
연료전지 스택(200)의 애노드로부터는 미반응의 애노드 오프 가스가 배출되며, 캐소드로부터는 미반응의 캐소드 오프 가스가 배출된다.
애노드 오프가스는 연료처리장치(100)의 연소부로 공급되어 연소에 의한 고온의 열을 생성하는데, 이러한 애노드 오프가스에는 수분이 함유되어 있어 연소 반응이 비효율적으로 일어날 수 있다. 따라서, 애노드로부터 배출된 애노드 오프가스는 제1 기액분리기(210)에 의해 수분과 분리되며, 제1 기액분리기(210)에 의해 분리된 응축수는 후술할 응축수 탱크(320)에 저장된다.
캐소드 오프가스에도 수분이 함유되어 있으며, 캐소드로부터 배출된 캐소드 오프가스는 제2 기액분리기(220)에 의해 수분과 분리되며, 수분이 분리된 캐소드 오프가스는 외부로 배출되고, 제2 기액분리기(220)에서 응축된 물은 후술할 응축수 탱크(320)에 저장된다.
전기 탈이온 장치(300)는 역삼투압 필터(310), 응축수 탱크(320), 전기 탈이온 모듈(330), 냉각수 탱크(340) 및 후처리필터(350)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 연료전지 시스템은 기본적으로 시수 공급원으로부터 시수를 공급받는다. 시수란 수도국에서 계량기까지 제공되는 수돗물을 의미한다. 이러한 시수는 염소에 의해 소독되므로, Trihalomethanes(THMs)를 비롯한 각종 염소화합물을 포함하며, 그 외에도 금속 이온이나 기타 불순물들을 다량 포함한다. 따라서, 시수에 용해된 불순물을 제거하고, 전기 전도도를 저감하기 위해, 연료전지 시스템은 역삼투압 필터(310)를 포함한다. 역삼투압 필터(310)는 반투막(Semipermeable membrane)과 삼투압을 이용하여 시수에 용해된 물질을 제거한다. 이처럼 역삼투압 필터(310)에 의해 처리된 시수는 10~20μS/cm의 전도도를 나타낼 수 있으며, 후술할 응축수 탱크(320)로 공급된다.
응축수 탱크(320)는 연료처리장치(100) 및 연료전지 스택(200)에서 배출되는 유체로부터 분리된 응축수를 저장한다.
전기 탈이온 모듈(330)을 가동하기 위해서는 응축수 탱크(320)에 저장된 응축수의 수위를 일정하게 유지할 필요가 있다. 이를 위해, 응축수 탱크(320)는 수위를 감지하는 수위센서(321)를 구비하며, 수위센서(321)에 의해 미리 설정된 값 이하의 수위가 감지되면, 외부 공급밸브(311)를 열어 역삼투압 필터(310)를 통과한 시수를 공급하여 응축수 탱크(320)의 수위를 일정하게 유지한다.
전기 탈이온 모듈(330)에 의해 순수를 생산하기 위해서는 응축수의 전도도가 일정 수준 이하로 제어되어야만 한다. 응축수 탱크(320)는 응축수의 전도도를 측정하기 위한 전도도센서(322)를 구비하며, 전도도센서(322)에 의해 1차 소정의 값 이상의 전도도가 측정되면, 응축수 탱크(320) 후단의 응축수 펌프(363)의 출력을 비례적으로 감소시켜, 전기 탈이온 모듈(330)에 의한 정제수의 생산량을 감소시킨다. 정제수 생산량 저감에도 불구하고, 전도도센서(322)에 의한 전도도 측정 값이 2차 소정의 값 이상으로 증가하면, 응축수 탱크(320) 후단의 응축수 펌프(363)의 비례 제어를 종료하고, 연료전지 시스템(1000)의 정지 신호를 송출하여, 정제수의 전도도 상승 전 연료전지 시스템(1000)을 정지시킨다. 연료전지 시스템(1000)의 정지 후 응축수 탱크(320)의 드레인 밸브(323)를 통해 응축수를 배출하고, 외부 공급밸브(311)를 열어 역삼투압 필터(310)를 통과한 시수를 보충하여 응축수 탱크(320)를 세척한다. 세척은 최대 3회까지 반복 수행하며, 전도도센서(322)에 의해 1차 소정의 값 미만의 전도도가 측정되면, 연료전지 시스템(1000)을 재개하고, 반복 세척에 의해서도 1차 소정의 값 미만의 전도도가 얻어지지 않으면, 역삼투압 필터(310)의 교환 메시지를 표시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 양태에 따른 전기 탈이온 모듈(330)을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
전기 탈이온 모듈(330)은 응축수 탱크(320)로부터 공급되는 응축수를 정제하여 정제수를 생산한다.
도 2를 참고하면, 전기 탈이온 모듈(330)은 양이온 교환막(Cation Exchange Membrane; CEM)과 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane; AEM) 사이에 이온교환수지가 충진된 탈염실과, 상기 탈염실의 양쪽에 이웃하여 설치되는 1쌍의 농축실로 이루어진 하나 이상의 탈염 처리부를 포함하고, 상기 탈염 처리부를 양극을 구비한 양극실과 음극을 구비한 음극실 사이에 배치하여 이루어진다. 탈염 처리부가 2개 이상 복수개(N개)로 구성될 경우, 인접한 탈염 처리부는 이웃하는 농축실을 서로 공유할 수 있다.
전원공급장치(361)에 의해 전기 탈이온 모듈(330)의 양극과 음극 사이에 직류 전류를 공급하고, 탈염실, 농축실 및 전극실 각각에 응축수를 통수하면, 탈염실에서는 이온이 제거된 정제수가 배출되고, 농축실 및 전극실에서는 이온이 농축된 농축수와 전극수가 배출된다.
탈염실 내부의 응축수와 농축실 내부의 응축수의 유동 방향은 서로 동일하거나 상이할 수 있으나, 바람직하게는 서로 동일한 유동 방향을 가질 수 있으며, 이 경우, 전기 탈이온 모듈에 걸리는 압력을 저감할 수 있다.
전극수는 양극실 및 음극실 중 어느 하나의 전극실로 유입되어, 다른 하나의 전극실로 배출될 수 있으며, 이 경우, 외부로 배출되는 전극수가 중성화되고, 그 결과 외부 부식문제를 방지할 수 있다.
제한되지 않는 일 예에 따르면, 전기 탈이온 모듈(330)의 전단에는 유량센서(364)와 압력센서(365)가 구비되어 있을 수 있다. 전기 탈이온 모듈(330)에 미리 설정된 전압을 인가하고 미리 설정된 유량의 응축수를 공급한 경우에 있어서, 유량센서(364)에 의해 측정된 응축수의 유량이 미리 설정된 값보다 작거나, 압력센서(365)에 의해 이상 압력이 감지되거나, 전기 탈이온 모듈(330)에 전류가 흐르지 않거나 설정된 전류 범위를 벗어난 경우, 전기 탈이온 모듈(330)을 보호하기 위해 연료전지 시스템(1000)을 정지시킬 수 있다.
제한되지 않는 일 예에 따르면, 전기 탈이온 모듈의 전단(330)에는 온도센서(362)와 냉각모듈(366)이 구비되어 있을 수 있다. 전기 탈이온 모듈(330)에 공급되는 응축수의 온도가 과도할 경우 전기 탈이온 모듈(330)의 이온 교환막과 이온교환수지의 열화를 유발할 수 있다. 온도센서(362)에 의해 측정된 응축수의 온도가 미리 설정된 온도 이상일 경우 냉각모듈(366)을 작동시켜 응축수의 온도를 미리 설정된 온도 미만으로 냉각시킨 후 전기 탈이온 모듈(330)에 공급할 수 있다. 냉각모듈(366)은 공냉식 열교환기 또는 수냉식 열교환기일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 미리 설정된 온도는 이온 교환막과 이온교환수지의 종류에 따라 달라질 수 있으나, 예를 들면 40℃일 수 있다. 만약 이온 교환막과 이온교환수지가 고온 내구성을 갖는 경우에는, 온도센서(362)와 냉각모듈(366)의 구성을 생략할 수 있다.
농축실 및 전극실로부터 배출된 농축수와 전극수는 후처리필터(350)에 의해 정제된 후 응축수 탱크(320)로 회수된다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(1000)에서는 이와 같이 농축수와 전극수를 회수하여 재사용하기 때문에, 종래 연료전지 시스템에서 사용하는 전기 탈이온 장치에 비해 외부로부터 공급 받는 시수의 양을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
후처리필터(350)는 연료전지 시스템의 내부에서 발생되는 오염물의 종류에 따라 구성될 수 있으며, 예를 들어 이온수지필터, 후카본필터 및 중공사막필터로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 후처리필터(350)에 의해 정제된 농축수와 전극수의 전도도는 약 20μS/cm 이하일 수 있으며, 이는 응축수의 전도도와 동등 내지 유사한 수준에 해당한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 양태에 따른 전기 탈이온 모듈(330)의 4000시간 연속운전 데이터이다.
도 3에서 공급수의 전도도는 통상적인 연료전지 시스템에서 응축수의 전도도 범위인 10~20μS/cm로 조절하였으며, 4000시간 동안 물의 총 처리량은 200톤이었다. 전기 탈이온 모듈은 4000시간 경과 후에도 열화 없이 0.1μS/cm 이하의 전도도를 갖는 정제수를 생산해 내었으며, 농축수의 전도도는 공급수의 전도도에 따라 변화되는 값을 나타내었다.
냉각수 탱크(340)는 전기 탈이온 모듈(330)에서 배출되는 정제수를 저장한다.
연료전지 스택(200)과 연료처리장치(100)에 정제수를 원활하게 공급하기 위해서는 냉각수 탱크(340)에 저장된 정제수의 수위를 일정하게 유지할 필요가 있다. 이를 위해, 냉각수 탱크(340)는 수위를 감지하는 수위센서(341)를 구비하며, 수위센서(341)에 의해 미리 설정된 값 이하의 수위가 감지되면, 전기 탈이온 모듈(330)에 의한 응축수의 처리량을 늘려 냉각수 탱크(340)의 수위를 일정하게 유지한다.
불순물 스케일에 의한 연료전지 시스템의 성능 저하 및 수명 감소를 방지하기 위해서는 냉각수 탱크(340)에 저장된 정제수의 전도도가 일정 수준 이하로 제어되어야만 한다. 이를 위해, 냉각수 탱크(340)는 정제수의 전도도를 측정하기 위한 전도도센서(342)를 구비하며, 전도도센서(342)에 의해 미리 설정된 값을 초과하는 전도도가 측정되면, 냉각수 탱크(340)의 드레인 밸브(343)를 통해 정제수를 배출하고, 전기 탈이온 모듈(330)로부터 정제수를 새롭게 공급 받아 전도도를 일정 수준 이하로 제어한다.
연료전지 스택(200)은 작동에 따라 전기를 발생시키면서 열을 방출시킨다. 연료전지 스택(200)에서 방출하는 열은 연료전지의 운전에 영향을 미치므로, 이를 적절히 냉각할 필요가 있다.
연료전지 스택(200)의 냉각을 위한 냉각수(정제수)는 냉각수 펌프(344)에 의해 냉각수 탱크(340)로부터 공급되며, 연료전지 스택(200)으로부터 폐열을 회수한 고온의 냉각수는 열교환기(400)로 폐열을 방출한다. 열교환기(400)에서 폐열을 방출한 저온의 냉각수는 다시 냉각수 탱크(340)로 순환된다.
연료처리장치(100)에서 탄화수소계 원료의 개질을 위한 정량수(정제수)는 정량수 펌프(345)에 의해 냉각수 탱크(340)로부터 공급되는데, 개질 반응 동안 카본 생성의 억제를 위하여 이론적 물의 양보다 더 많이 공급되게 된다. 이처럼 과잉으로 공급된 정량수는 촉매층에서 응축이 일어나며, 이는 촉매 반응을 방해하는 요인이 된다. 따라서, 연료처리장치(100) 내부의 응축수를 제거해야 개질 반응의 효율이 향상된다. 이러한 응축수는 드레인 밸브(미도시)에 의해 제거될 수 있으며, 제거된 응축수는 응축수 탱크(320)에 저장된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 양태에 따른 전기 탈이온 장치(300)의 모식도이다. 도 4는 본 발명의 일 변형예에 따른 전기 탈이온 장치(300)의 모식도이다. 도 4를 참고하면, 본 변형예에 따른 전기 탈이온 장치(300)는 응축수 탱크(320)와 상기 전기 탈이온 모듈(330)의 사이에 배치되고, 2개의 입력포트와 1개의 출력포트와 상기 2개의 입력포트를 여닫을 수 있는 밸브체를 갖는 제1 삼방향 밸브(367)를 더 포함하고, 상기 제1 삼방향 밸브(367)의 2개의 입력포트는 상기 응축수 탱크(320) 및 냉각수 탱크(340)와 각각 연결되고, 상기 제1 삼방향 밸브(367)의 1개의 출력포트는 상기 전기 탈이온 모듈(330)과 연결된다. 본 변형예에서는 냉각수 탱크(340)에 저장된 정제수를 순환하여 정제할 수 있도록 전환 기능을 갖는다. 본 변형예에서는 전도도센서(342)에 의해 측정된 정제수의 전도도가 미리 설정된 값을 초과할 경우 제1 삼방향 밸브(367)를 전환하여 정제수를 순환시킴으로써, 정제수의 외부 배출 없이도 정제수의 전도도를 일정 수준 이하로 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 양태에 따른 전기 탈이온 장치(300)의 모식도이다. 도 5를 참고하면, 본 변형예에 따른 전기 탈이온 장치(300)는 상기 전기 탈이온 모듈(330)과 상기 후처리 필터(350)의 사이에 배치되고, 1개의 입력포트와 2개의 출력포트와 상기 2개의 출력포트를 여닫을 수 있는 밸브체를 갖는 제2 삼방향 밸브(368)를 더 포함하고, 상기 제2 삼방향 밸브(368)의 1개의 입력포트는 상기 전기 탈이온 모듈(330)과 연결되고, 상기 제2 삼방향 밸브(368)의 2개의 출력포트는 상기 후처리 필터(350)와 상기 역삼투압 필터(310)의 전단에 각각 연결된다. 본 변형예에서는 응축수가 아닌 시수만으로 정제수를 제조하는 경우에 있어서, 제2 삼방향 밸브(368)를 전환하여 농축수와 전극수가 후처리 필터(350)를 통과하지 않고, 시수와 더불어 역삼투압 필터(310)를 통과하도록 함으로써, 후처리 필터(350)의 수명을 늘림과 동시에 시수의 공급량을 줄일 수 있다. 농축수와 전극수의 비율은 통상 약 10~30%으로 정해지는데, 이러한 농축수와 전극수를 재사용하므로, 물의 회수율은 약 10~30%가 될 수 있다. 역삼투압 필터(310)는 주기적인 교환이 필요한데, 시수의 공급량이 줄어듦에 따라, 역삼투압 필터(310)의 교환 주기가 늘어날 수 있으며, 그 결과 역삼투압 필터(310)의 교환 비용이 줄어드는 경제적인 효과를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 측면인 연료전지 시스템의 운전 방법에 대해 상세하게 설명한다.
연료전지 시스템(1000)의 운전이 개시되면, 연료전지 스택(200)의 제1 및 제2 기액분리기(210, 220)와 연료처리장치(100)로부터 응축수가 배출되며, 배출된 응축수는 응축수 탱크(320)에 저장된다.
응축수 탱크의 수위센서(321)로부터 응축수의 수위를 측정하고, 수위센서(321)에 의해 미리 설정된 값 이하의 수위가 감지되면, 외부 공급밸브(311)를 열어 역삼투압 필터(310)를 통과한 시수를 공급하여 응축수 탱크(320)의 수위를 미리 설정된 값 이상으로 유지시킨다.
응축수 탱크(320) 전도도센서(322)로부터 응축수의 전도도를 측정하고, 측정값이 1차 소정의 값 이상으로 증가하면, 제어장치(500)에 의해 응축수 펌프(363)의 출력을 비례적으로 감소시켜, 전기 탈이온 모듈(330)에서 생성되는 정제수의 수준을 상승시키지 않고, 유지시킨다. 응축수 펌프(363)의 출력을 비례적으로 감소시킴에도 불구하고 응축수의 전도도 측정값이 2차 소정의 값 이상으로 증가 시 응축수 펌프(363)의 비례 제어를 종료하고, 연료전지 시스템(1000)의 정지 신호를 송출하여, 정제수의 전도도 상승 전 연료전지 시스템(1000)을 안전하게 정지시킨다. 연료전지 시스템(1000)의 정지 후 응축수 탱크(320)의 드레인 밸브(323)를 통해 응축수 탱크 내부의 응축수를 배출하고, 외부 공급밸브(311)를 열어 역삼투압 필터(310)를 통과한 시수를 보충하여 오염된 응축수 탱크(320)를 세척한다. 세척은 최대 3회 반복 실시할 수 있으며, 3회 반복 세척에도 불구하고 전도도센서(323)에 의해 측정되는 전도도 값이 소정의 값 미만으로 감소되지 않을 경우, 역삼투압 필터(310)의 교환 메시지를 표시하도록 한다.
전기 탈이온 모듈(330)에 공급되는 응축수의 온도가 과도할 경우, 전기 탈이온 모듈(330)의 이온교환수지 및 이온교환막의 열화를 유발할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 응축수 탱크(320)로부터 배출되는 응축수의 온도를 측정하기 위한 온도센서(362)와 응축수를 냉각하기 위한 냉각모듈(366)을 마련할 수 있으며, 온도센서(362)에 의해 측정된 응축수의 온도가 미리 설정된 온도, 예를 들어 40℃ 이상일 경우 제어장치(500)에 의해 냉각모듈(366)을 작동시켜 응축수의 온도를 미리 설정된 온도 미만으로 냉각시킨 후, 전기 탈이온 모듈(330)에 공급한다.
전기 탈이온 모듈(330)에는 제어장치(500)에 의해 미리 설정된 값의 전압이 인가되고, 미리 설정된 유량의 응축수가 공급될 수 있으며, 전기 탈이온 모듈(330)에 인가되는 전압의 세기는 전원공급장치(361)에 의해 조절할 수 있고, 전기 탈이온 모듈(330)에 공급되는 응축수의 유량은 응축수 펌프(363)에 의해 조절할 수 있다.
전기 탈이온 모듈(330)의 전단에는 유량센서(364)와 압력센서(365)가 구비되어 있을 수 있는데, 제어장치(500)에 의해 전기 탈이온 모듈(330)에 미리 설정된 전압을 인가하고, 미리 설정된 유량의 응축수를 공급하는 경우에 있어서, 유량센서(364)에 의해 측정된 응축수의 유량이 미리 설정된 값보다 작거나, 압력센서(365)에 의해 이상 압력이 감지되거나, 전기 탈이온 모듈(330)에 전류가 흐르지 않거나 설정된 전류 범위를 벗어난 경우, 전기 탈이온 모듈(330)을 보호하기 위해 연료전지 시스템(1000)을 정지시킬 수 있다.
제어장치(500)에서 설정할 수 있으며, 응축수 펌프(363)와 유량센서(364)에 의해 조절이 가능하다. 전기 탈이온 모듈(330)에 미리 설정된 값보다 낮은 유량이 흐르면 전기 탈이온 모듈(330)을 보호하기 위해 운전을 정지한다.
전술한 본 명세서의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 명세서의 일 측면이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서에 기재된 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 명세서의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 연료처리장치 200: 연료전지 스택
210: 제1 기액분리기 220: 제2 기액분리기
230: 전력변환기 240: 공기 펌프
300: 전기 탈이온 장치 310: 역삼투압 필터
311: 외부 공급밸브 320: 응축수 탱크
321: 수위센서 322: 전도도센서
323: 드레인 밸브 330: 전기 탈이온 모듈
340: 냉각수 탱크 341: 수위센서
342: 전도도센서 343: 드레인 밸브
344: 냉각수 펌프 345: 정량수 펌프
350: 후처리 필터 361: 전원공급장치
362: 온도센서 363: 응축수 펌프
364: 유량센서 365: 온도센서
366: 냉각모듈 367: 제1 삼방향 밸브
368: 제2 삼방향 밸브 400: 열교환기
500: 제어장치 1000: 연료전지 시스템
210: 제1 기액분리기 220: 제2 기액분리기
230: 전력변환기 240: 공기 펌프
300: 전기 탈이온 장치 310: 역삼투압 필터
311: 외부 공급밸브 320: 응축수 탱크
321: 수위센서 322: 전도도센서
323: 드레인 밸브 330: 전기 탈이온 모듈
340: 냉각수 탱크 341: 수위센서
342: 전도도센서 343: 드레인 밸브
344: 냉각수 펌프 345: 정량수 펌프
350: 후처리 필터 361: 전원공급장치
362: 온도센서 363: 응축수 펌프
364: 유량센서 365: 온도센서
366: 냉각모듈 367: 제1 삼방향 밸브
368: 제2 삼방향 밸브 400: 열교환기
500: 제어장치 1000: 연료전지 시스템
Claims (8)
- 연료가스를 수소가 풍부한 개질가스로 전환하는 연료처리장치;
상기 연료처리장치로부터 개질가스를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지 스택;
시수의 전기 전도도를 저감하는 역삼투압 필터;
상기 연료처리장치 및 연료전지 스택에서 배출되는 유체로부터 분리된 응축수를 저장하는 응축수 탱크;
상기 응축수 탱크에서 응축수를 제공받아 금속이온이 제거된 정제수와, 금속이온이 농축된 농축수 및 전극수를 생산하는 전기 탈이온 모듈;
상기 전기 탈이온 모듈로부터 배출된 정제수를 저장하는 냉각수 탱크; 및
상기 전기 탈이온 모듈로부터 배출된 농축수 및 전극수의 전기 전도도를 저감하는 후처리 필터;
를 포함하고,
상기 역삼투압 필터에 의해 전기 전도도가 저감된 시수와 상기 후처리 필터에 의해 전기 전도도가 저감된 농축수 및 전극수는 상기 응축수 탱크로 공급되는, 연료전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 응축수 탱크 및 냉각수 탱크는 수위를 감지하는 수위센서와 전도도를 측정하는 전도도센서를 포함하는, 연료전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 응축수 탱크과 상기 전기 탈이온 모듈 사이에 배치되어 상기 응축수의 유량을 조절하는 응축수 펌프를 더 포함하는, 연료전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 전기 탈이온 모듈에 전원을 공급하는 전원공급장치;
상기 전기 탈이온 모듈로 제공되는 응축수의 압력을 측정하는 압력센서;
상기 전기 탈이온 모듈로 제공되는 응축수의 유량을 측정하는 유량센서; 및
상기 전기 탈이온 모듈에 흐르는 전류를 측정하는 전류센서;
를 더 포함하는, 연료전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 전기 탈이온 모듈로 제공되는 응축수의 온도를 측정하는 온도센서; 및
상기 온도센서로부터 측정된 응축수의 온도가 설정 온도 이상일 때, 응축수를 설정 온도 미만으로 냉각하는 냉각모듈;
를 더 포함하는, 연료전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 응축수 탱크와 상기 전기 탈이온 모듈의 사이에 배치되고, 2개의 입력포트와 1개의 출력포트와 상기 2개의 입력포트를 여닫을 수 있는 밸브체를 갖는 제1 삼방향 밸브를 더 포함하고,
상기 제1 삼방향 밸브의 2개의 입력포트는 상기 응축수 탱크 및 냉각수 탱크와 각각 연결되고, 상기 제1 삼방향 밸브의 1개의 출력포트는 상기 전기 탈이온 모듈과 연결되는, 연료전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 전기 탈이온 모듈과 상기 후처리 필터의 사이에 배치되고, 1개의 입력포트와 2개의 출력포트와 상기 2개의 출력포트를 여닫을 수 있는 밸브체를 갖는 제2 삼방향 밸브를 더 포함하고,
상기 제2 삼방향 밸브의 1개의 입력포트는 상기 전기 탈이온 모듈과 연결되고, 상기 제2 삼방향 밸브의 2개의 입력포트는 상기 응축수 탱크와 상기 역삼투압 필터의 전단에 각각 연결되는, 연료전지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 전기 탈이온 모듈은, 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이에 이온교환수지가 충진된 탈염실과, 상기 탈염실의 양쪽에 이웃하여 설치되는 1쌍의 농축실로 이루어진 하나 이상의 탈염 처리부를 포함하고, 상기 탈염 처리부를 양극을 구비한 양극실과 음극을 구비한 음극실을 포함하는 전극실 사이에 배치하여 이루어지며,
상기 탈염실, 농축실 및 전극실 각각에 응축수를 통수하면, 상기 탈염실에서는 이온이 제거된 정제수가 배출되고, 상기 농축실 및 전극실에서는 이온이 농축된 농축수 및 전극수가 배출되며,
상기 탈염실 및 농축실을 흐르는 응축수는 동일한 유동 방향을 갖고,
상기 전극실을 흐르는 응축수는 상기 양극실 및 음극실 중 어느 하나의 전극실로 유입되어, 다른 하나의 전극실로 배출되는,
연료전지 시스템.
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| KR1020230120725A KR102609121B1 (ko) | 2023-09-11 | 2023-09-11 | 전기 탈이온 장치를 구비한 연료전지 시스템 |
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| KR102609121B1 true KR102609121B1 (ko) | 2023-12-07 |
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| KR20130077164A (ko) | 2011-12-29 | 2013-07-09 | 주식회사 효성 | 연료전지의 수처리 장치 |
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| KR101677670B1 (ko) | 2015-03-27 | 2016-11-29 | 주식회사 두산 | 전기 탈이온 장치를 구비한 연료전지 시스템 |
-
2023
- 2023-09-11 KR KR1020230120725A patent/KR102609121B1/ko active IP Right Grant
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