KR102683647B1 - System of high-temperature steam electrolysis with extended life by controlling air flow - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인입되는 공기 유량을 제어하여 성능을 높인 고온수전해 시스템에 대한 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따른 고온수전해시스템은, 물을 공급하는 물 공급 유닛과, 공기를 공급하는 공기 공급 유닛과, 상기 물 공급 유닛으로부터 물을 공급받아 전기 화학적 반응에 의하여 수소를 발생시키고, 상기 공기 공급 유닛으로부터 공기를 공급받아 냉각되는 스택 모듈 및 상기 공기 공급 유닛에서 공급되는 공기의 양이 기존의 공기의 양보다 적어지도록 제어하는 제어 유닛을 포함한다.The present invention relates to a high-temperature water electrolysis system with improved performance by controlling the incoming air flow rate. The high-temperature water electrolysis system according to an embodiment of the present invention includes a water supply unit for supplying water, and an air supply for supplying air. A unit, a stack module that receives water from the water supply unit to generate hydrogen through an electrochemical reaction, and is cooled by receiving air from the air supply unit, and the amount of air supplied from the air supply unit is equal to the amount of existing air. It includes a control unit that controls the amount to be less than the amount of.

Description

공기 유량을 제어하여 수명이 연장된 고온수전해 시스템{SYSTEM OF HIGH-TEMPERATURE STEAM ELECTROLYSIS WITH EXTENDED LIFE BY CONTROLLING AIR FLOW}High-temperature water electrolysis system with extended lifespan by controlling air flow {SYSTEM OF HIGH-TEMPERATURE STEAM ELECTROLYSIS WITH EXTENDED LIFE BY CONTROLLING AIR FLOW}

본 발명은 인입되는 공기 유량을 제어하여 성능을 높인 고온수전해 시스템에 대한 것이다.The present invention relates to a high-temperature water electrolysis system with improved performance by controlling the incoming air flow rate.

고온수전해 스택은 일반적으로 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 기술에 기반으로 설계 및 제작된다.High-temperature water electrolysis stacks are generally designed and manufactured based on solid oxide fuel cell (SOFC) technology.

고온수전해는(H2O → H2 + 1/2O2) 연료전지 반응(H2 + 1/2O2 → H2O)의 역반응이기 때문에 고체산화물 연료전지(SOFC) 스택을 그대로 사용할 수 있다.Since high-temperature water electrolysis (H2O → H2 + 1/2O2) is the reverse reaction of the fuel cell reaction (H2 + 1/2O2 → H2O), the solid oxide fuel cell (SOFC) stack can be used as is.

연료전지 모드일 경우 수소와 산소를 사용하여 물과 전류를 발생하며, 고온수전해 모드로 변경할 경우 물과 전류를 사용하여 수소와 산소를 발생시킨다.In the fuel cell mode, hydrogen and oxygen are used to generate water and current, and when changed to high-temperature water electrolysis mode, water and current are used to generate hydrogen and oxygen.

고온수전해 (Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC) 기술은 고온의 증기를 직접 전기분해하여 수소와 산소를 얻는 것으로써 상온 및 저온 물의 전기분해보다 그 효율이 더 높다. 그 이유는 상온의 물보다 고온의 증기에 들어가는 전기분해 에너지 소모량이 적어지기 때문인데, 온도가 높으면 높을수록 전기분해 에너지가 적게 소모되는 특징을 가지고 있다. 따라서, 상온의 물의 온도를 올릴 수 있는 저가의 열원을 확보할 경우, 고온수전해 기술은 이론적으로 가장 고효율의 수소 제조 기술이 될 수 있다.High-temperature water electrolysis (Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC) technology obtains hydrogen and oxygen by directly electrolyzing high-temperature steam, and is more efficient than electrolysis of room-temperature and low-temperature water. This is because less electrolysis energy is consumed in high-temperature steam than in room temperature water. The higher the temperature, the less electrolysis energy is consumed. Therefore, if a low-cost heat source that can raise the temperature of room temperature water is secured, high-temperature water electrolysis technology can theoretically become the most efficient hydrogen production technology.

그러나, 고온수전해 기술은 일반 수전해에 비하여 넓은 작동 온도를 갖고 세라믹을 소재로 한 고온수전해 셀 및 밀봉재와 금속을 소재로 한 고온수전해 스택은 일반 수전해에 비하여 낮은 내구성을 가지고 있다.However, high-temperature water electrolysis technology has a wider operating temperature than general water electrolysis, and high-temperature water electrolysis cells and sealing materials made of ceramics and high-temperature water electrolysis stacks made of metal have lower durability than general water electrolysis.

그러므로, 낮은 내구성에도 불구하고 사용 가능한 수명을 늘려서 운전할 수 있는 고온수전해 시스템이 필요한 실정이다.Therefore, there is a need for a high-temperature water electrolysis system that can be operated with extended usable life despite low durability.

일본 공개특허공보 제2017-520685호Japanese Patent Publication No. 2017-520685

본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 기존보다 오래 사용할 수 있도록 효율적인 운전을 할 수 있는 고온수전해 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is intended to solve the above problems and aims to provide a high-temperature water electrolysis system that can be operated efficiently so that it can be used for a longer period of time than before.

본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여 다음과 같이 형성된 고온수전해 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a high-temperature water electrolysis system formed as follows.

본 발명의 일실시예에 따른 고온수전해시스템은, 물을 공급하는 물 공급 유닛과, 공기를 공급하는 공기 공급 유닛과, 상기 물 공급 유닛으로부터 물을 공급받아 전기 화학적 반응에 의하여 수소를 발생시키고, 상기 공기 공급 유닛으로부터 공기를 공급받아 냉각되는 스택 모듈 및 상기 공기 공급 유닛에서 공급되는 공기의 양이 기존의 공기의 양보다 적어지도록 제어하는 제어 유닛을 포함한다.The high-temperature water electrolysis system according to an embodiment of the present invention includes a water supply unit for supplying water, an air supply unit for supplying air, and receiving water from the water supply unit to generate hydrogen through an electrochemical reaction. , a stack module that is cooled by receiving air from the air supply unit, and a control unit that controls the amount of air supplied from the air supply unit to be less than the existing amount of air.

상기 공기 공급 유닛은, 외부로부터 공기를 인입시키는 공기 공급기와, 상기 스택 모듈에서 발생된 산소와 열 교환을 마친 공기와, 상기 공기 공급기에 의하여 인입된 공기가 열 교환되는 공기 열교환기를 더 포함할 수 있다.The air supply unit may further include an air supplier that introduces air from the outside, and an air heat exchanger in which air that has completed heat exchange with oxygen generated in the stack module and air introduced by the air supplier are heat exchanged. there is.

상기 제어 유닛은, 상기 스택 모듈이 운전된 시간에 비례하게 상기 공기 공급기가 유입하는 공기의 양이 적어지게 제어할 수 있다.The control unit may control the amount of air introduced by the air supplier to decrease in proportion to the time the stack module is operated.

상기 제어 유닛은, 상기 스택 모듈의 운전시간이 기설정된 시간을 지나면 기설정된 공기의 양이 유입되도록 상기 공기 공급기를 제어할 수 있다.The control unit may control the air supply so that a preset amount of air is introduced when the operation time of the stack module exceeds a preset time.

상기 공기 열교환기의 인입되는 공기의 온도와 배출되는 공기의 온도를 측정하는 제2 온도측정센서를 포함하고, 상기 제어 유닛은, 상기 제2 온도측정센서로부터 전달받은 인입된 공기와 배출되는 공기의 온도의 온도차를 연산하고, 상기 온도차가 시간에 따라 커지는지를 판단할 수 있다.It includes a second temperature measurement sensor that measures the temperature of the air entering and discharging the air heat exchanger, and the control unit is configured to measure the temperature of the incoming air and the discharged air received from the second temperature measurement sensor. It is possible to calculate the temperature difference and determine whether the temperature difference increases over time.

상기 스택 모듈의 전압을 측정하는 전압측정기를 더 구비하고, 상기 제어 유닛은, 상기 공기 공급 유닛에 의하여 공급되는 공기의 양이 적어지도록 제어한 후, 상기 스택 모듈의 평균 전압을 측정하여 상기 공기의 양이 적어지도록 제어하기 전의 평균 전압과 비교하여 감소하였는지를 판단할 수 있다. It further includes a voltage meter that measures the voltage of the stack module, and the control unit controls the amount of air supplied by the air supply unit to decrease, and then measures the average voltage of the stack module to determine the amount of air. It can be determined whether the amount has decreased by comparing it with the average voltage before controlling it to decrease.

상기 공기 공급 유닛은, 상기 공기 공급기의 상류에 공기의 양을 조절하는 유량제어밸브를 더 포함하고, 상기 제어 유닛은, 상기 스택 모듈의 운전 시간에 따라 상기 공기 공급기에 구비된 모터의 회전 속도를 낮추도록 제어하거나 상기 유량제어밸브의 개도를 제어하여 유입되는 공기의 양이 적어지게 제어할 수 있다.The air supply unit further includes a flow control valve that adjusts the amount of air upstream of the air supply, and the control unit adjusts the rotation speed of the motor provided in the air supply according to the operation time of the stack module. The amount of incoming air can be controlled to decrease by controlling the flow rate control valve or controlling the opening degree of the flow control valve.

본 발명은 위와 같은 구조를 통하여, 고온수전해 시스템의 운전기간을 늘려 수명을 연장하고, 소비자에게 비교적 낮은 비용으로 수소를 제공할 수 있다. Through the above structure, the present invention can extend the lifespan by increasing the operation period of the high-temperature water electrolysis system and provide hydrogen to consumers at a relatively low cost.

도 1은 일반적인 고온수전해 시스템의 전류와 본 시스템에서 발생되는 열에 관련된 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고온수전해 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고온수전해 시스템의 제어 유닛의 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고온수전해 시스템의 제어 유닛의 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 5는 고온수전해 스택의 온도와 스택의 전압 간의 관계를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 수명 연장 효과를 나타낸 그래프로서, (a)는 일반적인 고온수전해 시스템의 경우 수명을 도시한 것이고, (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 경우의 수명을 도시한다.Figure 1 is a graph related to the current of a typical high-temperature water electrolysis system and the heat generated in this system.
Figure 2 is a schematic diagram of a high-temperature water electrolysis system according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a flowchart showing a control method of the control unit of the high-temperature water electrolysis system according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a flowchart showing a control method of a control unit of a high-temperature water electrolysis system according to another embodiment of the present invention.
Figure 5 is a graph showing the relationship between the temperature of the high-temperature water electrolysis stack and the voltage of the stack.
Figure 6 is a graph showing the life extension effect of the present invention, where (a) shows the lifespan in the case of a general high-temperature water electrolysis system, and (b) shows the lifespan in the case of an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여, 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하도록 한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경 또는 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings. However, the spirit of the present invention is not limited to the presented embodiments, and those skilled in the art who understand the spirit of the present invention may add, change, or delete other components within the scope of the same spirit, or create other degenerative inventions or this invention. Other embodiments that are included within the scope of the inventive idea can be easily proposed, but it will also be said that this is included within the scope of the inventive idea of the present application.

본 발명은 고온수전해 스택의 운전시간에 따라 스택 자체의 온도를 높이도록 제어하여 수소 생산 효율을 최적화하고, 고온수전해 스택의 운전시간을 연장시킬 수 있는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to optimize hydrogen production efficiency and extend the operation time of the high-temperature water electrolysis stack by controlling the temperature of the stack itself to increase according to the operating time of the high-temperature water electrolysis stack.

도 1은 고온수전해 시스템에서 인가되는 전류에 따른 발생되는 열을 도시한 그래프이다.Figure 1 is a graph showing heat generated according to current applied in a high-temperature water electrolysis system.

고온수전해 스택은 열 중립 전압(700℃ 기준, 1.28V)보다 높은 전압에서 작동하는 경우 발열을 하게 된다. 고온수전해의 고온수전해의 반응열은 흡열이나, 저항에 의한 발열이 있기 때문에 특정 조건에서 열 중립을 이루게 된다. 그리고 일반적으로 고온수전해는 발열조건에서 운전을 하게 되고, 본 발명에 있어서도 발열조건인 경우를 전제로 한다.High-temperature water electrolysis stack generates heat when operated at a voltage higher than the thermal neutral voltage (1.28V at 700℃). The reaction heat of high-temperature water electrolysis is endothermic, but heat is generated due to resistance, so it becomes thermally neutral under certain conditions. In general, high-temperature water electrolysis is operated under exothermic conditions, and the present invention also assumes exothermic conditions.

고온수전해 스택의 전체 반응은 로서 수소를 얻어내는 기술로서, 연료극에서는 의 반응으로 수소가 발생되고, 공기극에서는 의 반응으로 산소가 발생된다.The overall reaction of the high-temperature water electrolysis stack is As a technology for obtaining hydrogen, the fuel electrode Hydrogen is generated through the reaction, and at the air electrode, Oxygen is generated through the reaction.

일반적으로 고온수전해 시스템에서는 공기가 애노드 인 배관을 통하여 인입시키는데, 고체산화물연료전지(SOFC)과는 다르게 공기는 반응물로써 역할을 하지 않는다. 그러나, 스택 모듈 내부에서 발생하는 열을 흡수하여 냉각 효과를 제공하고 스택 모듈 전체의 온도 균일화를 위하여 공기를 공급하도록 형성된다.Generally, in a high-temperature water electrolysis system, air is introduced through an anode pipe, but unlike a solid oxide fuel cell (SOFC), air does not serve as a reactant. However, it is formed to absorb heat generated inside the stack module to provide a cooling effect and to supply air to equalize the temperature of the entire stack module.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고온수전해 시스템의 개략도를 도시한다.Figure 2 shows a schematic diagram of a high-temperature water electrolysis system according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일실시예에 따른 고온수전해 시스템은, 물 공급 유닛(2)과 공기 공급 유닛(2) 및 스택 모듈(1)과 제어 유닛(5)을 포함한다.The high-temperature water electrolysis system according to an embodiment of the present invention includes a water supply unit (2), an air supply unit (2), a stack module (1), and a control unit (5).

물 공급 유닛(2)은, 물을 공급하는 유닛이다.The water supply unit 2 is a unit that supplies water.

물 공급 유닛(2)은 스택 모듈(1)에 물을 공급하는 유닛으로서, 외부에서 물을 인입시킬 수 있다. 물은 고온수전해 스택에 인입되기 전에 고온의 수증기 상태로 공급될 수 있다.The water supply unit 2 is a unit that supplies water to the stack module 1, and can introduce water from the outside. Water may be supplied in the form of high-temperature water vapor before being introduced into the high-temperature water electrolysis stack.

물 공급 유닛(2)은 물 열교환기(21), 물 공급기(22), 펌프(23), 캐소드 인 배관 및 캐소드 아웃 배관과 연결된 물 공급관(24) 및 물 배출관(25)을 포함할 수 있다.The water supply unit 2 may include a water heat exchanger 21, a water supply 22, a pump 23, a water supply pipe 24 connected to the cathode in pipe and a cathode out pipe, and a water discharge pipe 25. .

외부의 물을 펌프(23)와 물 공급기(22)를 통하여 고온수전해 시스템의 내부로 인입된다. 캐소드 인 배관과 연결된 물 공급관(24)은 수증기가 스택 모듈(1)에 공급되도록 구성될 수 있다. 스택 모듈(1)에서 수전해에 이용되고 남은 수증기와 발생된 수소가 배출되는 캐소드 아웃 배관과 연결된 물 배출관(25)이 형성될 수 있다.External water is introduced into the high temperature water electrolysis system through the pump 23 and the water supplier 22. The water supply pipe 24 connected to the cathode in pipe may be configured to supply water vapor to the stack module 1. In the stack module 1, a water discharge pipe 25 connected to the cathode out pipe through which the remaining water vapor and generated hydrogen discharged after being used for water electrolysis may be formed.

캐소드 아웃 배관에 흐르는 유체는 높은 온도의 유체이기 때문에, 캐소드 아웃 배관과 연결된 물 배출관(25)과 캐소드 인 배관에 연결된 물 공급관(24) 내부에 흐르는 외부에서 인입된 물을 물 열교환기(21)에서 열교환 시켜서 스택 모듈(1)에 인입시키는 물은 수증기 상태로 변환되고 매우 높은 온도로 스택으로 인입될 수 있다.Since the fluid flowing in the cathode-out pipe is a high-temperature fluid, water drawn from the outside flowing inside the water discharge pipe (25) connected to the cathode-out pipe and the water supply pipe (24) connected to the cathode-in pipe is connected to the water heat exchanger (21). The water introduced into the stack module 1 through heat exchange is converted to water vapor and can be introduced into the stack at a very high temperature.

공기 공급 유닛(2)은, 공기를 공급한다.The air supply unit 2 supplies air.

공기 공급 유닛(2)은 스택 모듈(1)에 공기를 공급하도록 형성될 수 있다. 스택 모듈(1)의 애노드 인 배관과 연결된 공기 공급관(34)을 통하여 공기를 공급하고, 애노드 아웃 배관과 연결된 공기 배출관(34)을 통하여 발생된 산소와 인입된 공기가 함께 흐르도록 구성될 수 있다.The air supply unit 2 may be configured to supply air to the stack module 1. Air can be supplied through the air supply pipe 34 connected to the anode-in pipe of the stack module 1, and the oxygen generated and the introduced air can flow together through the air discharge pipe 34 connected to the anode-out pipe. .

일례로, 공기 공급 유닛(2)은 공기 공급기(32)와 공기 열교환기(31)를 포함할 수 있다. For example, the air supply unit 2 may include an air supply 32 and an air heat exchanger 31.

공기 공급기(32)는, 외부로부터 공기를 인입시키는 역할을 수행한다. 외부와 압력차를 발생시켜서 외부의 공기를 인입시킬 수 있다. 예를 들어, 에어 컴프레서(air compressor) 또는 송풍기 등일 수 있다.The air supplier 32 serves to introduce air from the outside. By creating a pressure difference with the outside, outside air can be brought in. For example, it may be an air compressor or blower.

공기 열교환기(31)는, 상기 스택 모듈(1)에서 발생된 산소와 열 교환을 마친 공기와, 상기 공기 공급수단에 의하여 인입된 공기가 열 교환되도록 구성될 수 있다.The air heat exchanger 31 may be configured to exchange heat between oxygen generated in the stack module 1 and air that has undergone heat exchange with air introduced by the air supply means.

일례로, 공기 공급 유닛(2)은 유량제어밸브(33)를 더 포함할 수 있다. 유량제어밸브(33)는 상기 공기 공급기(32)의 상류에 구비되어, 인입되는 공기의 양을 조절할 수도 있다.For example, the air supply unit 2 may further include a flow control valve 33. The flow control valve 33 may be provided upstream of the air supplier 32 to control the amount of incoming air.

공기 공급 유닛(2)의 외부에서 인입되는 공기는 공기 공급관(34)을 통하여 스택 모듈(1)의 내부로 인입될 수 있고, 공기 배출관(34)을 통하여 스택 모듈(1)의 외부로 배출될 수 있다. 이때 공기 공급관(34)과 공기 배출관(34)을 각각 공기 열교환기(31)에 연결되어 서로 열교환 되도록 구성될 수 있어, 일정한 온도 수준의 공기가 모듈 스택 내부로 인입되고, 스택 모듈(1) 내부가 600 내지 1000℃에서 수전해가 될 수 있도록 구성될 수 있다.Air drawn from the outside of the air supply unit 2 may be drawn into the inside of the stack module 1 through the air supply pipe 34, and may be discharged to the outside of the stack module 1 through the air discharge pipe 34. You can. At this time, the air supply pipe 34 and the air discharge pipe 34 can be respectively connected to the air heat exchanger 31 and configured to exchange heat with each other, so that air at a certain temperature is introduced into the module stack, and the inside of the stack module 1 It can be configured to enable water electrolysis at 600 to 1000°C.

일례로, 공기 공급관(34)은 시스템의 외부에서 인입되는 제1 공급관(34b), 공기 공급기(32)의 하류에 형성된 제2 공급관(34a)를 통하여 공기 열교환기(31)를 지나서 공기 공급관(34)으로 이동될 수 있다.For example, the air supply pipe 34 passes through the air heat exchanger 31 through the first supply pipe 34b coming in from the outside of the system and the second supply pipe 34a formed downstream of the air supply pipe 32. 34).

일례로, 공기 배출관(35)은 스택 모듈(1)에서 공기 배출관(35)을 통하여 공기 열교환기(31)의 하부에 구비되는 외부배관(35a)을 통하여 배출될 수 있다.For example, the air discharge pipe 35 may be discharged from the stack module 1 through the air discharge pipe 35 and through the external pipe 35a provided at the bottom of the air heat exchanger 31.

스택 모듈(1)은, 상기 물 공급 유닛(2)으로부터 물을 공급받아 전기 화학적 반응에 의하여 수소를 발생시키고, 상기 공기 공급 유닛(2)으로부터 공기를 공급받아 냉각될 수 있다.The stack module 1 receives water from the water supply unit 2, generates hydrogen through an electrochemical reaction, and can be cooled by receiving air from the air supply unit 2.

스택 모듈(1)은 하부 유닛과 상부 유닛의 사이에 복수의 셀이 적층될 수 있다. 그리고, 고온수전해 스택 내부로 공기와 수증기가 전달되고, 남은 수증기와 생성된 수소 및 공기가 배출될 수 있도록 상기 캐소드 인 배관, 캐소드 아웃 배관, 애노드 인 배관 및 애노드 아웃 배관의 복수의 배관이 형성될 수 있다. 그리고, 전력을 공급하기 위하여 고온수전해 스택에는 금속으로 형성된 전력공급부를 포함할 수 있다.The stack module 1 may have a plurality of cells stacked between a lower unit and an upper unit. In addition, a plurality of pipes, including the cathode-in pipe, cathode-out pipe, anode-in pipe, and anode-out pipe, are formed so that air and water vapor can be transferred to the inside of the high-temperature water electrolysis stack, and the remaining water vapor and generated hydrogen and air can be discharged. It can be. Additionally, in order to supply power, the high-temperature water electrolysis stack may include a power supply unit made of metal.

제어 유닛(5)는, 상기 공기 공급 유닛(2)에서 공급되는 공기의 양이 적어지도록 제어할 수 있다. 제어 유닛(5)은 공기의 양이 기존의 공기의 양보다 적은 양으로 공급하도록 제어될 수 있다.The control unit 5 can control the amount of air supplied from the air supply unit 2 to decrease. The control unit 5 can be controlled to supply a smaller amount of air than the existing amount of air.

제어 유닛(5)는, 예를 들면 프로세서, 프로세서에 의해 수행되는 프로그램 명령들, 소프트웨어 모듈, 마이크로 코드, 컴퓨터 프로그램 생성물, 로직 회로, 애플리케이션 전용 집적 회로, 펌웨어 등에 의해 구현될 수 있다.The control unit 5 may be implemented by, for example, a processor, program instructions executed by the processor, software modules, microcode, computer program products, logic circuits, application-specific integrated circuits, firmware, etc.

본 출원의 실시예에 개시된 내용은 하드웨어 프로세서로 직접 구현될 수 있으며, 또는 프로세서 중 하드웨어 및 소프트웨어 모듈의 조합으로 구현되어 수행 완성될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 랜덤 액세스 메모리, 플래시 메모리, 판독 전용 메모리, 프로그래머블 판독 전용 메모리 또는 전기적 소거 가능 프로그래머블 메모리, 레지스터 등과 같은 종래의 저장 매체에 저장될 수 있다. 상기 저장 매체는 메모리에 위치하며, 프로세서는 메모리에 저장된 정보를 판독하여, 그 하드웨어와 결합하여 상술한 방법의 내용을 완성한다. 제어 유닛(5)는 자동으로 제어가 가능하도록 구성된 상기 언급한 모든 구성을 포함할 수 있다.The content disclosed in the embodiments of the present application may be implemented directly with a hardware processor, or may be implemented and completed through a combination of hardware and software modules among the processors. Software modules may be stored in conventional storage media such as random access memory, flash memory, read only memory, programmable read only memory, or electrically erasable programmable memory, registers, etc. The storage medium is located in a memory, and the processor reads the information stored in the memory and combines it with the hardware to complete the content of the method described above. The control unit 5 may include all of the above-mentioned components configured to enable automatic control.

제어 유닛(5)은 상기 공기 공급 유닛(2)에서 인입되는 공기의 양을 기설정된 운전 시간 등에 따른 기설정 조건에 따라 조절할 수 있다. The control unit 5 can adjust the amount of air drawn from the air supply unit 2 according to preset conditions such as a preset operation time.

일례로, 제어 유닛(5)은, 상기 스택 모듈(1)의 운전 시간에 따라 상기 공기 공급기(32)에 구비된 모터의 회전 속도를 낮추도록 제어하거나 상기 유량제어밸브(33)의 개도를 제어하여 유입되는 공기의 양이 적어지게 제어할 수 있다.For example, the control unit 5 controls to lower the rotation speed of the motor provided in the air supply 32 or controls the opening degree of the flow control valve 33 according to the operation time of the stack module 1. This can control the amount of incoming air to be reduced.

일례로, 상기 스택 모듈(1)이 운전된 시간에 비례하게 상기 공기 공급기(32)가 유입하는 공기의 양이 적어지게 제어할 수 있다.For example, the amount of air introduced by the air supplier 32 can be controlled to decrease in proportion to the time the stack module 1 is operated.

또는, 상기 스택 모듈(1)의 운전시간이 기설정된 시간을 지나면 기설정된 공기의 양이 유입되도록 상기 공기 공급기(32)를 제어할 수 있고, 이때 기설정된 공기의 양은 기존의 공기 양보다 적게 설정될 수 있다.Alternatively, when the operation time of the stack module 1 exceeds a preset time, the air supply 32 can be controlled so that a preset amount of air is introduced, and in this case, the preset amount of air is set to be less than the existing amount of air. It can be.

이를 따라, 운전시간에 따라 연속적 또는 비 연속적으로 인입되는 공기의 양이 줄어들고, 따라서 스택 모듈(1)의 냉각정도가 적어지게 되어 스택 모듈(1)의 온도가 증가하게 될 수 있다. 또한, 공기 열교환기(31)에서 열 교환되는 유량이 적어지게 되어 공기 공급관(34)에 제공되는 공기의 온도 자체가 높아지게 되고, 따라서 스택 모듈(1)내의 온도가 올라갈 수 있다.Accordingly, the amount of air introduced continuously or discontinuously decreases depending on the operation time, and thus the degree of cooling of the stack module 1 may decrease, causing the temperature of the stack module 1 to increase. In addition, as the flow rate of heat exchange in the air heat exchanger 31 decreases, the temperature of the air provided to the air supply pipe 34 increases, and thus the temperature within the stack module 1 may increase.

이렇게 스택 모듈(1)의 운전시간에 따라 스택 모듈(1) 자체의 온도가 높아지게 되어 스택 모듈(1)은 운전 시간을 늘리고, 효율적으로 수소를 생산하는 효과를 제공할 수 있다.In this way, the temperature of the stack module 1 itself increases according to the operation time of the stack module 1, so that the stack module 1 can increase the operation time and provide the effect of efficiently producing hydrogen.

본 발명의 일실시예에 따르면, 본 발명은 센서측정 유닛(4)을 더 포함할 수 있다. 센서측정 유닛(4)은 상기 제어 유닛(5)의 제어에 따라 제어가 제대로 되었는지 여부를 판단하기 위하여 온도, 전압 등을 측정할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the present invention may further include a sensor measurement unit 4. The sensor measurement unit 4 can measure temperature, voltage, etc. in order to determine whether control has been performed properly according to the control of the control unit 5.

일례로, 센서측정 유닛(4)은 제1 온도측정센서(41)를 포함하고, 제1 온도측정센서(41)는 상기 스택 모듈(1) 내의 온도를 측정할 수 있다.For example, the sensor measurement unit 4 includes a first temperature measurement sensor 41, and the first temperature measurement sensor 41 can measure the temperature within the stack module 1.

일례로, 센서측정 유닛(4)은 상기 공기 열교환기(31)의 인입되는 공기의 온도와 배출되는 공기의 온도를 측정하는 제2 온도측정센서(42)를 포함할 수 있다.For example, the sensor measurement unit 4 may include a second temperature measurement sensor 42 that measures the temperature of the air entering and discharging the air heat exchanger 31.

일례로, 센서측정 유닛(4)은 상기 스택 모듈(1)의 전압을 측정하는 전압측정기(43)를 더 구비할 수 있다.For example, the sensor measurement unit 4 may further include a voltage meter 43 that measures the voltage of the stack module 1.

상기와 같은 센서측정 유닛(4)의 측정 값을 상기 제어 유닛(5)에 전달하여 제어 유닛(5)이 측정 값에 따라 피드백 제어를 수행할 수 있다.The measured value of the sensor measurement unit 4 as described above is transmitted to the control unit 5, so that the control unit 5 can perform feedback control according to the measured value.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 제어 유닛(5)은, 상기 스택 모듈(1)의 온도를 제1 온도측정센서(41)로부터 전달받고, 상기 공기 공급기(32)의 공급 유량이 적어지도록 제어하기 전의 스택 모듈(1)의 온도와 비교하여 스택 모듈(1)의 온도가 높아지는 것을 확인할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the control unit 5 receives the temperature of the stack module 1 from the first temperature measurement sensor 41 and reduces the supply flow rate of the air supplier 32. It can be seen that the temperature of the stack module 1 increases compared to the temperature of the stack module 1 before control.

제어 유닛(5)은 스택 모듈(1)의 온도에 따라 공기 유량을 비연속적으로 제어할 수 있다. 따라서 복수의 스택 모듈(1) 온도나 전압이 설정되고, 그 온도나 전압에 다다른 경우 상기 공기 공급기(32)를 조절하여 인입되는 공기의 양이 줄어들도록 제어할 수 있다. 그리고 그 유량으로 스택의 온도나 전압이 또다른 조건에 다다를 때까지 계속해서 제어할 수 있다. 그러나 상기의 실시예에 한정되지는 않는다.The control unit 5 can discontinuously control the air flow rate depending on the temperature of the stack module 1. Accordingly, the temperature or voltage of the plurality of stack modules 1 is set, and when the temperature or voltage is reached, the air supply 32 can be adjusted to reduce the amount of incoming air. And with that flow rate, the temperature or voltage of the stack can be continuously controlled until it reaches another condition. However, it is not limited to the above embodiments.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고온수전해 시스템의 제어 유닛의 제어방법에 대한 순서도이다.Figure 3 is a flowchart of a control method of a control unit of a high-temperature water electrolysis system according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 상기 제어 유닛(5)은, 상기 제2 온도측정센서로부터 전달받은 인입된 공기와 배출되는 공기의 온도의 온도차를 연산하고, 상기 온도차가 시간에 따라 커지는지를 판단할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the control unit 5 calculates the temperature difference between the temperature of the incoming air and the discharged air received from the second temperature measurement sensor, and determines whether the temperature difference increases with time. You can judge.

제어 유닛(5)은 기설정 조건을 인식할 수 있다. 기설정 조건이란 기 설정된 운전시간일 수 있고, 또는, 스택 모듈(1)의 온도나 전압이 기설정된 특정한 값을 만족시키는 것일 수 있다. The control unit 5 can recognize preset conditions. The preset condition may be a preset operation time, or the temperature or voltage of the stack module 1 may satisfy a specific preset value.

기설정 조건으로서, 기설정된 제어 방법인 연속적으로 공기 유량을 제어하거나 비 연속적으로 공기 유량을 제어하는 제어 방법 등에 관한 것을 포함할 수 있다.The preset conditions may include a preset control method, such as a control method of continuously controlling the air flow rate or non-continuously controlling the air flow rate.

기 설정 조건에 따라 제어 유닛(5)은 공기 유량이 감소되도록 제어할 수 있다. 공기 유량이 감소되도록 제어한 후 즉시 또는 소정의 시간이 지난 후에 공기 열교환기(31)에서 교환된 공기의 온도차를 측정하기 위하여 인입된 배관인 공기 공급관(34)과 배출되는 배관인 공기 배출관(34)의 공기 온도차를 측정할 수 있다.According to preset conditions, the control unit 5 can control the air flow rate to be reduced. In order to measure the temperature difference of the air exchanged in the air heat exchanger 31 immediately or after a predetermined time has passed after controlling the air flow rate to decrease, the air supply pipe 34, which is an incoming pipe, and the air discharge pipe 34, which are discharged pipes, are ) can measure the air temperature difference.

제어 유닛(5)은 상기 제어 전의 공기 열교환기(31)에서 형성된 공기 온도차를 기 측정하여 저장하거나 외부에서 입력 받을 수 있고, 상기 기존의 온도차 대비 측정 온도차가 커졌는지 여부를 판단할 수 있다. The control unit 5 can measure and store the air temperature difference formed in the air heat exchanger 31 before the control or receive input from the outside, and determine whether the measured temperature difference has increased compared to the existing temperature difference.

판단에 따라 온도차가 커졌다면 현상태대로 유지하여 기설정 조건에 따라 제어를 계속하고, 커지지 않았다면 공기 유량을 더 크게 감소시킬 수 있다. 또한, 외부에 알람 할 수도 있다.According to the judgment, if the temperature difference has increased, it can be maintained as is and control can be continued according to the preset conditions, and if it has not increased, the air flow rate can be further reduced. Additionally, an alarm can be sent externally.

도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 제어 유닛의 제어방법에 대한 순서도를 도시한다.Figure 4 shows a flow chart of a control method of a control unit according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 제어 유닛(5)은, 상기 공기 공급 유닛(2)에 의하여 공급되는 공기의 양이 적어지도록 제어한 후, 상기 스택 모듈(1)의 평균 전압을 측정하여 상기 공기의 양이 적어지도록 제어하기 전의 평균 전압과 비교하여 감소하였는지를 판단할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the control unit 5 controls the amount of air supplied by the air supply unit 2 to decrease, and then measures the average voltage of the stack module 1. It can be determined whether the amount of air has decreased by comparing it with the average voltage before being controlled to decrease.

기 설정 조건에 대한 것은 상기의 실시예와 동일할 수 있다. The preset conditions may be the same as in the above embodiment.

기 설정 조건에 따라 제어 유닛(5)은 공기 유량이 감소되도록 제어할 수 있다. 공기 유량이 감소되도록 제어한 후 즉시 또는 소정의 시간이 지난 후에 전압측정기(43)를 통하여 스택 모듈(1) 내의 전압을 측정할 수 있다.According to preset conditions, the control unit 5 can control the air flow rate to be reduced. After controlling the air flow rate to decrease, the voltage within the stack module 1 can be measured using the voltage meter 43 immediately or after a predetermined time has passed.

제어 유닛(5)은 상기 제어 전의 스택 모듈(1)의 전압을 기 측정하여 저장하거나 외부에서 입력 받을 수 있고, 상기 기존의 전압 대비 측정 전압이 작아졌는지 여부를 판단할 수 있다. The control unit 5 can measure and store the voltage of the stack module 1 before the control or receive input from the outside, and determine whether the measured voltage has become smaller than the existing voltage.

판단에 따라 전압이 작아졌다면 현상태대로 유지하여 기설정 조건에 따라 제어를 계속하고, 커지지 않았다면 공기 유량을 더 크게 감소시킬 수 있다. 또한, 외부에 알람할 수도 있다.If the voltage has decreased according to the judgment, it can be maintained as is and control can be continued according to the preset conditions, and if it has not increased, the air flow rate can be further reduced. Additionally, an alarm can be sent externally.

상기의 전압은 평균 전압일 수 있고, 또는 특정한 영역의 전압이나 최대 전압일 수 있다.The voltage may be an average voltage, a voltage in a specific region, or a maximum voltage.

상기와 같이, 제어 유닛(5)은 유량 제어 후에 스택의 변화를 측정하여 제어가 올바르게 되었는지 여부를 판단하여 피드백 제어할 수 있다.As described above, the control unit 5 can perform feedback control by measuring changes in the stack after controlling the flow rate and determining whether the control has been performed correctly.

도 5는 스택의 온도와 스택의 전압과의 관계를 도시한 그래프이다.Figure 5 is a graph showing the relationship between the temperature of the stack and the voltage of the stack.

도 6은 본 발명의 수명 연장 효과를 나타낸 그래프로서, (a)는 일반적인 고온수전해 시스템의 경우 수명을 도시한 것이고, (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 경우의 수명을 도시한 그래프이다.Figure 6 is a graph showing the lifespan extension effect of the present invention, (a) showing the lifespan in the case of a general high-temperature water electrolysis system, and (b) a graph showing the lifespan in the case of an embodiment of the present invention. am.

고온수전해 스택 내의 전압에 따라 열화율의 진행 정도를 알 수 있게 되는데, 일정한 전압 이상이 되는 경우에는 수명을 다했다고 판단하는 것이 일반적이다. 일반적으로 열화율이 10% 정도 진행되는 경우에는 수소의 생산효율이 급격하게 저하되고 경제성이 없어 고온수전해 시스템의 수명이 다했다고 볼 수 있다.Depending on the voltage within the high-temperature water electrolysis stack, the progress of the deterioration rate can be determined. When the voltage exceeds a certain level, it is generally judged that the lifespan has ended. In general, when the deterioration rate progresses to about 10%, the hydrogen production efficiency drastically decreases and it is not economical, so the lifespan of the high-temperature water electrolysis system can be considered to have ended.

이하, 표 1과 도 5를 참고할 수 있다.Hereinafter, Table 1 and Figure 5 may be referred to.

본 실험은 인가되는 전류가 항상 일정하게 제어되는 것을 전제로 한다.This experiment assumes that the applied current is always controlled to be constant.

표 1과 도 5에에 따르면, 스택 모듈(1)의 온도인 스택온도가 올라갈수록 인가되는 전력양이 적게 되는 것을 알 수 있다. 스택온도가 상승하면 같은 전류량으로서 동일한 수소가 생산되도록 고온수전해 시스템이 전기적으로 제어된다 하더라도 스택의 평균 전압이 감소하고 그러므로 인가되는 전력양을 줄어들게 된다. 따라서, 수소생산효율이 좋아지게 된다. According to Table 1 and FIG. 5, it can be seen that as the stack temperature, which is the temperature of the stack module 1, increases, the amount of power applied decreases. When the stack temperature rises, even if the high-temperature water electrolysis system is electrically controlled to produce the same hydrogen with the same amount of current, the average voltage of the stack decreases and therefore the amount of applied power is reduced. Therefore, hydrogen production efficiency improves.

또한, 전압이 커지면서 세라믹을 소재로 한 고온수전해 셀 및 밀봉재와 금속을 소재로 한 고온수전해 스택이 열화되게 된다. 따라서, 일반적으로 전압과 비례하여 수명이 정해지게 된다. Additionally, as the voltage increases, the high-temperature water electrolysis cell and sealing material made of ceramic and the high-temperature water electrolysis stack made of metal deteriorate. Therefore, the lifespan is generally determined in proportion to the voltage.

도 6을 참조하면, (a) 그래프는 기존의 고온수전해 시스템으로서, 일반적으로 시간에 비례하여 일정한 시점에 도달하면 일정 전압 이상이 되고, 그 시점을 수명(T1)이라고 할 수 있다.Referring to FIG. 6, the graph (a) shows the existing high-temperature water electrolysis system. Generally, when a certain point is reached in proportion to time, the voltage becomes above a certain point, and that point can be referred to as the lifespan (T1).

그러나, 본 발명의 일실시예에 따른 고온수전해 시스템의 그래프인 (b) 그래프를 보면, 일정한 시점(t1, t2, t3)에서 공기공급부에서 공급되는 공기의 유량이 적어지게 제어되어 고온수전해 스택 자체의 온도가 상승되고, 이에 따라 평균 전압은 적어지는 효과를 발생시킨다. 따라서 수명(T2)이 기존의 시스템의 수명(T1) 보다 연장되는 효과를 제공한다. However, looking at graph (b), which is a graph of the high-temperature water electrolysis system according to an embodiment of the present invention, the flow rate of air supplied from the air supply unit at a certain point in time (t1, t2, t3) is controlled to decrease, thereby discharging the high-temperature water electrolysis. The temperature of the stack itself increases, which has the effect of reducing the average voltage. Therefore, it provides the effect of extending the lifespan (T2) compared to the lifespan (T1) of the existing system.

따라서, 본 발명은 전압을 낮추도록 제어하여 열화를 지연시켜 수명을 연장시키는 효과를 제공한다. 그로인하여 수명이 연장되어, 수소의 생산단가를 낮추어 소비자에게 합리적인 비용으로 수소를 제공할 수 있게 되는 효과를 제공할 수 있다.Therefore, the present invention provides the effect of delaying deterioration and extending the lifespan by controlling the voltage to lower. As a result, the lifespan can be extended, lowering the production cost of hydrogen, and providing hydrogen to consumers at a reasonable cost.

이상에서는 본 발명을 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 청구범위에서 청구되는 본 발명의 기술적 사상의 변화 없이 통상의 기술자에 의해서 변형되어 실시될 수 있음은 물론이다.In the above, the present invention has been described focusing on the embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and may be modified and implemented by those skilled in the art without changing the technical spirit of the present invention as claimed in the claims. Of course.

1: 스택 모듈 2: 물 공급 유닛
3: 공기 공급 유닛 4: 센서측정 유닛
5: 제어 유닛
21: 물 열교환기 22: 물 공급기
23: 펌프 24: 물 공급관
24: 물 배출관 31: 공기 열교환기
32: 공기 공급기 33: 유량제어밸브
34: 공기 공급관 34: 공기 배출관
41: 제1 온도측정 센서 42: 제2 온도측정 센서
43: 전압측정기1: Stack module 2: Water supply unit
3: Air supply unit 4: Sensor measurement unit
5: Control unit
21: water heat exchanger 22: water supplier
23: pump 24: water supply pipe
24: water discharge pipe 31: air heat exchanger
32: air supply 33: flow control valve
34: air supply pipe 34: air discharge pipe
41: first temperature measurement sensor 42: second temperature measurement sensor
43: Voltage meter

Claims (7)

물을 공급하는 물 공급 유닛;
공기를 공급하는 공기 공급 유닛;
상기 물 공급 유닛으로부터 물을 공급받아 전기 화학적 반응에 의하여 수소를 발생시키고, 상기 공기 공급 유닛으로부터 공기를 공급받아 냉각되는 스택 모듈; 및
상기 공기 공급 유닛에서 공급되는 공기의 양이 제어하기 전의 공기의 양보다 적어지도록 제어하는 제어 유닛; 을 포함하고,
상기 공기 공급 유닛은,
외부로부터 공기를 인입시키는 공기 공급기와,
상기 스택 모듈에서 발생된 산소와 열 교환을 마친 공기와, 상기 공기 공급기에 의하여 인입된 공기가 열 교환되는 공기 열교환기와,
상기 스택 모듈로부터 배출되는 공기가 흐르는 공기 배출관과,
상기 공기 공급기를 통하여 상기 스택 모듈로 공급되는 공기가 흐르는 공기 공급관을 포함하며,
상기 제어 유닛은,
상기 스택 모듈의 운전 시간에 따라 상기 공기 공급기에 구비된 모터의 회전 속도를 낮추도록 제어하거나 상기 공기 공급기의 상류에서 공기의 양을 조절하는 유량제어밸브의 개도를 제어하여 유입되는 공기의 양이 적어지게 제어하고,
상기 스택 모듈과 상기 공기 열교환기를 연결하는 상기 공기 공급관 내에 흐르는 공기의 온도가 제어 전을 기준으로 상승하게 하여,
제어 후에는, 상기 공기 열교환기의 인입되는 공기의 온도와 배출되는 공기의 온도를 전달받아 인입된 공기와 배출되는 공기의 온도의 온도차가 시간에 따라 커지는지를 판단하거나, 상기 스택 모듈의 평균 전압을 전달받아 상기 공기의 양이 적어지도록 제어하기 전의 평균 전압과 비교하여 감소하였는지를 판단하여 피드백 제어하는 고온수전해 시스템.
a water supply unit that supplies water;
an air supply unit supplying air;
a stack module that receives water from the water supply unit, generates hydrogen through an electrochemical reaction, and is cooled by receiving air from the air supply unit; and
a control unit that controls the amount of air supplied from the air supply unit to be less than the amount of air before control; Including,
The air supply unit is,
an air supply unit that introduces air from the outside,
an air heat exchanger in which air that has completed heat exchange with oxygen generated in the stack module and air introduced by the air supply are heat exchanged;
An air discharge pipe through which air discharged from the stack module flows,
It includes an air supply pipe through which air supplied to the stack module through the air supplier flows,
The control unit is,
Depending on the operation time of the stack module, the rotation speed of the motor provided in the air supply is controlled to decrease, or the opening degree of the flow control valve that controls the amount of air upstream of the air supply is controlled to reduce the amount of inflow air. control it,
The temperature of the air flowing in the air supply pipe connecting the stack module and the air heat exchanger is increased relative to before control,
After control, the temperature of the incoming air and the outgoing air of the air heat exchanger are received to determine whether the temperature difference between the incoming air and the outlet air temperature increases over time, or to determine whether the average voltage of the stack module is A high-temperature water electrolysis system that performs feedback control by determining whether the amount of air has decreased compared to the average voltage before control to reduce the amount of air.
 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제어 유닛은,
상기 스택 모듈이 운전된 시간에 비례하게 상기 공기 공급기가 유입하는 공기의 양이 적어지게 제어하는 고온수전해 시스템.
According to paragraph 1,
The control unit is,
A high-temperature water electrolysis system that controls the amount of air introduced by the air supply to decrease in proportion to the time the stack module is operated.
 제1항에 있어서,
상기 제어 유닛은,
상기 스택 모듈의 운전시간이 기설정된 시간을 지나면 기설정된 공기의 양이 유입되도록 상기 공기 공급기를 제어하는 고온수전해 시스템.
According to paragraph 1,
The control unit is,
A high-temperature water electrolysis system that controls the air supply so that a preset amount of air is introduced when the operation time of the stack module exceeds a preset time.
 제1항에 있어서,
상기 공기 열교환기의 인입되는 공기의 온도와 배출되는 공기의 온도를 측정하는 제2 온도측정센서를 포함하는 고온수전해 시스템.
According to paragraph 1,
A high-temperature water electrolysis system including a second temperature measurement sensor that measures the temperature of the air entering and discharging the air heat exchanger.
 제1항에 있어서,
상기 스택 모듈의 전압을 측정하는 전압측정기를 포함하는 고온수전해 시스템.
According to paragraph 1,
A high-temperature water electrolysis system including a voltage meter that measures the voltage of the stack module.
 삭제delete
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