KR20130077164A

KR20130077164A - 연료전지의 수처리 장치

Info

Publication number: KR20130077164A
Application number: KR1020110145726A
Authority: KR
Inventors: 이승보
Original assignee: 주식회사 효성
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2013-07-09

Abstract

본 발명은 연료전지에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 축전식 탈이온 모듈에 배출수의 농도를 감지하는 센서를 구비하여, 농도 기준치에 따라 자동으로 수위를 조절하는 밸브를 각각 구비하는 순수 탱크와 응축수 탱크로 배출수를 토출하는 연료전지의 수처리 장치에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 공급수의 전기 전도도를 저감시키기 위한 역삼투압 필터, 역삼투압 필터에서 제공받은 공급수에서 금속이온을 제거하고, 배출되는 공급수의 오염도를 측정하기 위한 센서를 구비하는 축전식 탈이온 모듈, 축전식 탈이온 모듈로부터 배출되는 순수를 제공받는 순수 탱크, 축전식 탈이온 모듈로부터 배출되는 오염수를 제공받고 역삼투압 필터로 응축수를 배출하는 응축수 탱크, 순수 탱크로부터 순수를 공급받아 응축수 탱크로 응축수를 배출하는 스택, 및 센서로부터 제공받은 오염도 정보를 이용하여 축전식 탈이온 모듈을 기 설정된 시간 동안 정수공정 또는 재생공정을 수행하도록 제어하여, 정수공정을 수행하는 동안은 순수로 구분하고, 재생공정을 수행하는 동안은 오염수로 구분하여 배출시키는 제어부를 포함하고, 순수 탱크와 응축수 탱크는 수위를 자동 조절하는 수위조절 밸브를 각각 구비한다.

Description

연료전지의 수처리 장치{WATER TREATMENT APPARATUS FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 축전식 탈이온 모듈에 배출수의 농도를 감지하는 센서를 구비하여, 농도 기준치에 따라 자동으로 수위를 조절하는 밸브를 각각 구비하는 순수 탱크와 응축수 탱크로 배출수를 토출하는 연료전지의 수처리 장치에 관한 것이다.

수요량에 비해 생산량이 현저히 줄어든 석유 에너지는 심각한 자연 환경 문제를 일으킬 뿐 아니라 매장량이 유한하기 때문에, 최근에는 대체에너지에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 수소에너지를 사용하는 연료전지는 현재의 내연 기관에 비하여 열효율이 높을 뿐 아니라 생성물 또한 청정하여 환경 친화적인 우수한 대체에너지로 각광받고 있다.

연료전지는 연료가스인 수소와 산화가스인 산소(또는 공기)가 반응하면서 일어나는 전기화학적 반응에 의하여 연소 과정 없이 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 폐쇄계 내에서 전기를 생산하게 되는 기존의 전지와 달리 외부로부터 수소와 산소를 공급받아 연속적으로 전기를 생산하는 고효율의 청정 에너지 변환장치이다.

이와 같이 외부에서 공급되는 수소와 산소를 사용하여 전기를 생산하는 연료전지의 최종 생성물질은 물과 열 및 직류 전기로서, NOx, SOx 등의 유해 가스 배출이 1% 이하인 청정 고효율 발전 시스템이기 때문에 환경 오염을 상당 부분 줄일 수 있을 뿐 아니라, 효율이 25% 이하인 기존의 내연기관에 비하여 50% 이상으로 매우 높아 차세대 에너지원으로 실용화하기 위하여 널리 연구되고 있다.

그리고, 고효율의 청정 발전 시스템인 연료전지는, 사용되는 전해질의 종류에 따라, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 또는 알칼리형, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형 및 1000℃ 정도의 고온에서 작동하는 고체산화물형 연료전지 등으로 크게 분류되며, 각 연료전지는 기본적으로 동일한 원리에 의해서 작동하나 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질에 따라 위와 같이 구분된다.

특히, 전술한 바와 같은 여러 종류 연료전지들 중에서 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는, 고체인 고분자를 전해질로 사용하기 때문에 전해질 관리가 용이하고, 전해질에 의한 부식이나 전해질이 증발되는 문제가 없으며, 단위 면적당 전류밀도가 높아 타 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높은 동시에 작동 온도가 낮을 뿐 아니라, 설비 유지 및 보수가 간편하고 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있어 자동차용 등과 같은 이동용 전원이나, 주택과 공공 건물 등의 분산용 전원 및 전자기기용 소형 전원으로 이용하기 위하여 개발이 활발히 추진되고 있다.

도 1은 종래의 연료전지의 수처리 장치를 보여주는 계통도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 연료전지의 수처리 장치(100)는 제1 탱크(11), 제2 탱크(12), 탈염소 수단(13), RO막 장치(14), 전기 탈이온 장치(15), 제어부(20), 밸브(V4, V5), 펌프(P3)로 구성된다.

도 1을 참조하여 종래의 연료전지의 수처리 장치가 응축수를 처리하는 동작은 다음과 같다.

응축수의 탄산 농도가 낮은 경우, 응축수가 전기 탈이온 장치(15)로 유입되면 제어부(20)는 제1 밸브(V4)의 개도를 작게 열도록 제어하고, 제2 밸브(V5)가 제1 탱크(11)에 유로를 선택하도록 제어하여 응축수와 외부 공급수의 혼합수를 제1 탱크(11)에 유입한다.

유입된 혼합수는 탈염소 수단(13)으로 탈염소 처리한 뒤, RO막 장치(14)와 전기 탈이온 장치(15)를 거쳐 정수 처리한다.

따라서 이온 농도가 낮고 탄산 농도가 높은 응축수 중의 탄산 성분은 전기 탈이온 장치(15)에 의해 제거하게 되고, 또, 이온 부하가 높고 탄산 농도가 낮은 응축수의 이온 성분은 RO막 장치(14) 및 전기 탈이온 장치(15)으로 제거하게 된다. 그리고 전기 탈이온 장치(15)의 처리수(탈이온수)는 제2 탱크(12)을 거쳐 연료전지에 송급하게 된다.

반면에 응축수의 탄산 농도가 높은 경우, 제어부(20)가 응축수의 탄산 농도가 높기 때문에 전기 탈이온 장치(15)만으로 제거할 수 없다고 판단한 경우에는, 제어부(20)는 제1 밸브(V4)의 개도를 크게 열어 외부공급수의 유입량을 늘리는 것과 동시에, 제2 밸브(V5)는 응축수 일부를 계외로 배출하도록 유로 선택함으로써 응축수의 탄산 농도를 조절한다. 혼합수는 탈염소 수단(13)으로 탈염소 처리한 뒤, RO막 장치(14)으로 탈염 처리하고, 전기 탈이온 장치(15)로 탈염 및 탈탄산 처리한다. RO막 장치(14) 및 전기 탈이온 장치(15)의 응축수의 일부는 계외로 배출한다. 이처럼 응축수의 탄산 농도가 비교적 높은 경우에는, 이것을 재활용하지 않고 배출하여 장치 부하의 증대, 처리수 수질의 저하를 방지하면서 고순도의 냉각수를 생성할 수 있다.

그러나 종래에는 제1 탱크(11)와 제2 탱크(12)의 유량을 파악하기 위해 별도로 레벨센서를 설치하여 유량이 기 설정된 기준치 이상일 경우, 제어부(20)가 전기적으로 연결된 제1 밸브(V4)와 제2 밸브(V5)를 제어하기 때문에 설치비용의 증가와 빈번한 고장의 원인이 된다는 문제점이 있었다.

또한, 종래에는 탈이온 장치(15)가 듀얼(Dual) 구조로 되어 있어, 하나의 탈이온 장치가 정수 기능을 하는 경우, 다른 하나의 탈이온 장치는 재생 기능을 하기 때문에 탈이온 장치의 증가로 인해 비용이 증가한다는 문제점도 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 특히 탈이온 장치의 단일화와 각각의 급수 탱크의 수위를 자동으로 조절하기 위한 연료전지의 수처리 장치를 제공하는 것이다.

이를 위해 본 발명에 따르는 연료전지의 수처리 장치는, 공급수의 전기 전도도를 저감시키기 위한 역삼투압 필터, 역삼투압 필터에서 제공받은 공급수에서 금속이온을 제거하고, 배출되는 공급수의 오염도를 측정하기 위한 센서를 구비하는 축전식 탈이온 모듈, 축전식 탈이온 모듈로부터 배출되는 순수를 제공받는 순수 탱크, 축전식 탈이온 모듈로부터 배출되는 오염수를 제공받고 역삼투압 필터로 응축수를 배출하는 응축수 탱크, 순수 탱크로부터 순수를 공급받아 응축수 탱크로 응축수를 배출하는 스택, 및 센서로부터 제공받은 오염도 정보를 이용하여 축전식 탈이온 모듈을 기 설정된 시간 동안 정수공정 또는 재생공정을 수행하도록 제어하여, 정수공정을 수행하는 동안은 순수로 구분하고, 재생공정을 수행하는 동안은 오염수로 구분하여 배출시키는 제어부를 포함한다.

축전식 탈이온 모듈은 플러스와 마이너스 전원을 공급하기 위한 전원 공급부를 더 포함한다.

수위조절 밸브는 플로트(Float) 밸브인 것이다.

순수는 전기 전도도와 금속이온의 농도가 기 설정된 임계치 이하이고, 오염수는 전기 전도도와 금속이온의 농도가 기 설정된 임계치 이상이다. 순수 탱크는 연료전지로 공급받는 연료의 냉각을 위한 연료처리 장치로 순수를 공급 한다.

정수공정은 순방향의 전류를 인가하고, 재생공정은 역방향의 전류를 인가한다.

순수 탱크는 순수가 기 설정된 임계치 이상 포화되면 순수를 응축수 탱크로 유입시킨다

순수 탱크와 응축수 탱크는 수위를 자동 조절하는 수위조절 밸브를 각각 구비 한다.

본 발명에 따르면, 순수 탱크와 응축수 탱크에 자동으로 수위를 조절하는 밸브가 각각 구비되어 수위를 자동으로 조절하는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따르면, 다종의 금속이온들과 전자의 농도를 측정하는 센서에 의해 축전식 탈이온 모듈을 단일 모듈로 제조함으로써 제조비용의 절감과 대량생산이 용이하다는 효과가 있다.

따라서 본 발명에 따르면, 궁극적으로 연료전지의 제조와 유지보수에 있어서 비용과 인력이 절감되기 때문에 연료전지의 보급을 대중화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 연료전지의 수처리 장치를 보여주는 계통도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 연료전지의 수처리 장치를 예를 들어 보여주기 위한 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 축전식 탈이온 모듈(220)의 구성을 보여주는 블록도.
도 4(a)는 본 발명의 일 실시예에 따르는 순수 탱크(230)이고, 도 4(b)는 본 발명의 일 실시예에 따르는 응축수 탱크(240)를 보여주는 블록도.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지의 수처리 장치를 상세히 설명한다.

도 2 내지 도 4의 동일 부재에 대해서는 동일한 도면 번호를 기재하였다.

본 발명의 기본 원리는 축전식 탈이온 모듈에 배출수의 농도를 감지하는 센서를 구비하여, 농도 기준치에 따라 배출수를 순수와 오염수로 구분하여 자동수위 조절밸브를 각각 구비하는 순수 탱크와 응축수 탱크로 토출하는 것이다.

아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 연료전지의 수처리 장치를 예를 들어 보여주기 위한 예시도이다.

도 2를 참조하면 본 발명에 따르는 연료전지의 수처리 장치(200)는 공급수의 전기 전도도를 저감시키기 위한 역삼투압 필터(210), 역삼투압 필터(210)에서 제공받은 공급수에서 금속이온을 제거하고, 배출되는 공급수의 오염도를 측정하기 위한 센서를 구비하는 축전식 탈이온 모듈(220), 축전식 탈이온 모듈(220)로부터 배출되는 순수를 제공받는 순수 탱크(230), 축전식 탈이온 모듈(220)로부터 배출되는 오염수를 제공받고 역삼투압 필터(210)로 응축수를 배출하는 응축수 탱크(240), 순수 탱크(230)로부터 순수를 공급받아 응축수 탱크(240)로 응축수를 배출하는 스택(250), 및 센서로부터 제공받은 오염도 정보를 이용하여 축전식 탈이온 모듈(220)을 기 설정된 시간 동안 정수공정 또는 재생공정을 수행하도록 제어하여, 정수공정을 수행하는 동안은 순수로 구분하고, 재생공정을 수행하는 동안은 오염수로 구분하여 배출시키는 제어부(270)를 포함하고, 순수 탱크(230)와 응축수 탱크(240)는 수위를 자동 조절하는 수위조절 밸브를 각각 구비한다.

도 2와 같이 구성되는 본 발명에 따르는 연료전지의 수처리 장치(200)의 동작을 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 발명에 따르는 수처리 장치(200)는 시수 공급원(a)에서 시수를 공급받는다.

일반적으로 시수란 수도국에서 계량기까지 제공되는 수돗물을 의미한다. 이와 같은 시수는 염소로 소독하는데, 이 염소소독은 Trihalomethanes(THMs) 및 기타 염소화합물을 생성시킬 소지가 많다. 그리고 시수에는 다른 불순물과 금속이온들도 다분히 포함되어 있어서 연료전지의 냉각수로 사용하기에는 부적합하기 때문에 순수(純水)로 정수해야 한다.

우선, 역삼투압 필터(210)는 시수에 녹아 있는 불순물을 제거하여 순도가 높은 담수를 배출한다. 역삼투압이란 반투막(Semipermeable-Membrane)과 삼투압을 이용하여 시수에 녹아 있는 물질을 제거하여 순도가 높은 담수(순수)를 얻는 방법이다.

이와 같이 역삼투압 필터(210)에서 처리되어 배출되는 공급수는 축전식 탈이온 모듈(220)로 유입된다. 도 3을 참조하여 본 발명에 따르는 축전식 탈이온 모듈(220)의 구성과 동작을 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따르는 축전식 탈이온 모듈(220)의 구성을 보여주는 블록도이다.

축전식 탈이온 모듈(220)은 전원 공급부(225)와 전기적으로 연결되어 있다.

따라서 전원 공급부(224)에서 전원이 인가되면 축전식 탈이온 모듈(220)의 전극(222)과 다른 전극(223)에는 전류가 인가된다. 따라서 두 전극(222, 223)의 사이를 지나는 시수는 포함된 다종의 금속이온들과 전자들이 다른 극성의 전극에 끌려 전착(Electrodeposition)되면서, 두 전극(222, 223)의 사이를 지나는 시수에 포함된 금속이온들과 전자가 필터링되어 순수로 배출된다. 즉, 축전식 탈이온 모듈(220)은 정수공정을 수행하여 순수를 배출한다.

그러나, 축전식 탈이온 모듈(220)은 두 전극(222, 223)에 전착된 금속이온들과 전자가 포화되는 경우, 더 이상 필터링 기능을 수행하지 못한다. 따라서 이 경우에는 두 전극(222, 224)의 전류를 반대로 인가한다. 그러면 두 전극(222, 223)에 전착된 금속이온들과 전자는 시수와 함께 섞여 오염수로 배출된다. 즉, 축전식 탈이온 모듈(220)은 재생공정을 수행하여 오염수를 배출한다.

이와 같이 축전식 탈이온 모듈(220)이 시수에 대해 정수 또는 재생 공정을 수행하면서 배출되는 공급수는 센서(221)에 의해 감지된다.

센서(221)는 배출되는 공급수의 금속이온들과 전자의 농도를 감지하여, 감지된 정보를 제어부(270)로 전송한다.

그러면 제어부(270)는 센서(221)에서 감지된 정보와 기 설정된 임계치를 비교한다. 여기서 금속이온들과 전자 농도의 임계치는 순수와 오염수를 판단하기 위한 기준치이다. 따라서 농도가 임계치 이상이면 오염수로 판단하고, 이하이면 순수로 판단한다.

따라서 제어부(270)는 센서(221)에서 제공받은 정보를 토대로 축전식 탈이온 모듈(220)에서 현재 순수 또는 오염수가 배출되는지 판단하여 배출수가 순수이면 순수 탱크(230)로 토출하고, 오염수이면 응축수 탱크(240)로 토출하도록 축전식 탈이온 모듈(220)을 제어한다.

도 4(a)는 본 발명의 일 실시예에 따르는 순수 탱크(230)이고, 도 4(b)는 본 발명의 일 실시예에 따르는 응축수 탱크(240)를 보여주는 블록도이다.

도 4(a)를 참조하면, 본 발명에 따르는 순수 탱크(230)는 수위를 자동으로 조절하는 수위조절 밸브(231)를 구비한다.

제1 수위조절 밸브(231)는 플로트(Float) 밸브가 사용될 수 있다. 여기서 플로트 밸브는 순수 탱크(230)에 순수의 용량을 일정한 수위로 자동유지하기 위해 사용되는 특수목적 밸브다. 따라서 순수 탱크(230)의 순수가 일정용량 이상 차면 수위조절 밸브(231)에 의해 순수의 유입이 차단된다. 그리고 순수 탱크(230)가 포화되는 경우에는 제어부(270)에 의해 응축수 탱크(240)로 순수를 유입시킬 수 있다.

도 4(b)를 참조하면, 본 발명에 따르는 응축수 탱크(240)는 수위를 자동으로 조절하는 제2 수위조절 밸브(241)를 구비한다.

제2 수위조절 밸브(241)는 제1 수위조절 밸브(231)와 동일한 플로트 밸브(Float valve)가 사용될 수 있다. 따라서 응축수 탱크(240)의 응축수가 일정용량 이상 차면 제2 수위조절 밸브(241)에 의해 응축수, 오염수 및 순수의 유입이 차단된다

한편 순수 탱크(250)의 순수는 연료전지의 연료처리 장치(250)와 스택(260)으로 공급되어 주로 냉각수의 역할을 한다. 특히 스택(260)으로 공급된 순수는 불순물을 포함한 채로 응축수 탱크(240)로 유입된다.

그러면 응축수 탱크(240)는 내부에 유입된 응축수를 다시 역삼투압 필터(210)로 토출한다.

따라서, 사용된 순수는 응축수 탱크(240)로 유입되어 다시 역삼투압 필터(210), 축전식 탈이온 모듈(220)에서 불순물이 제거된 순수로 순수 탱크(230)에 유입된다.

본 발명을 설명함에 있어 밸브와 펌프와 같은 소자의 배치는 각각의 유체의 흐름에 있어 당업자에게는 주지이기 때문에 펌프나 밸브와 같은 소자들에 대한 설명은 자세히 기재하지 않았다.

한편 본 발명에 따르면, 순수 탱크와 응축수 탱크에 자동으로 수위를 조절하는 수위조절 밸브(231, 241)가 각각 구비되어 수위를 자동으로 조절하고, 다종의 금속이온들과 전자의 농도를 측정하는 센서(221)에 의해 축전식 탈이온 모듈(220)을 단일 모듈로 제조할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

210: 역삼투압 필터 220: 축전식 탈이온 모듈
230: 순수 탱크 240: 응축수 탱크
250: 연료처리 장치 260: 스택
270: 제어부

Claims

공급수의 전기 전도도를 저감시키기 위한 역삼투압 필터;
상기 역삼투압 필터에서 제공받은 공급수에서 금속이온을 제거하고, 배출되는 공급수의 오염도를 측정하기 위한 센서를 구비하는 축전식 탈이온 모듈;
상기 축전식 탈이온 모듈로부터 배출되는 순수를 제공받는 순수 탱크;
상기 축전식 탈이온 모듈로부터 배출되는 오염수를 제공받고 상기 역삼투압 필터로 응축수를 배출하는 응축수 탱크;
상기 순수 탱크로부터 순수를 공급받아 상기 응축수 탱크로 응축수를 배출하는 스택; 및
상기 센서로부터 제공받은 오염도 정보를 이용하여 상기 축전식 탈이온 모듈을 기 설정된 시간 동안 정수공정 또는 재생공정을 수행하도록 제어하여, 정수공정을 수행하는 동안은 순수로 구분하고, 재생공정을 수행하는 동안은 오염수로 구분하여 배출시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수처리 장치.
제 1항에 있어서, 상기 축전식 탈이온 모듈은
플러스와 마이너스 전원을 공급하기 위한 전원 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수처리 장치.
제 1항에 있어서, 상기 수위조절 밸브는
플로트(Float) 밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지의 수처리 장치.
제 1항에 있어서, 상기 순수는
전기 전도도와 금속이온의 농도가 기 설정된 임계치 이하이고,
상기 오염수는
전기 전도도와 금속이온의 농도가 기 설정된 임계치 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지의 수처리 장치.
제 1항에 있어서, 상기 순수 탱크는
연료전지로 공급받는 연료의 냉각을 위한 연료처리 장치로 순수를 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수처리 장치.
제 1항에 있어서, 상기 정수공정은
순방향의 전류를 인가하고,
상기 재생공정은
역방향의 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수처리 장치.
제 1항에 있어서, 상기 순수 탱크는
상기 순수가 기 설정된 임계치 이상 포화되면 상기 순수를 상기 응축수 탱크로 유입시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수처리 장치.
제 1항에 있어서, 상기 순수 탱크와 상기 응축수 탱크는
수위를 자동 조절하는 수위조절 밸브를 각각 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 수처리 장치.