KR20190054711A - System and method for complex grid of heat and electricity using electrolysis and fuel cell - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a complex grid system of heat and electricity using water electrolysis and a fuel cell. The system comprises: an electricity supply unit for supplying stored electricity or produced electricity; a water electrolysis device for receiving the electricity from the electricity supply unit and electrolyzing the water; a hydrogen tank for storing hydrogen electrolyzed from the water electrolysis device; and a fuel cell for generating heat and electricity by using hydrogen in the hydrogen tank and air in the atmosphere. When a fuel cell starts driving at the time of power failure or a peak load, the start-up time can be shortened and the response time to load variation can be shortened.

Description

수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템 및 그 운영 방법{SYSTEM AND METHOD FOR COMPLEX GRID OF HEAT AND ELECTRICITY USING ELECTROLYSIS AND FUEL CELL}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a grid system and a method for operating the same,

본 발명은 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면, 연료전지가 정전 시나 피크 부하 시 구동을 시작할 때, 스타트업 시간을 짧게 하여 부하 변동에 응답하는 시간을 짧게 할 수 있는 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a grid system for thermal electricity using fuel cells and a fuel cell, and more particularly, And to a thermoelectric composite grid system using a fuel cell.

지구 온난화와 화석 연료의 고갈에 따른 에너지의 연구 개발에 대한 요구가 지속적으로 높아지고 있는 가운데 실용 가능성 있는 환경 및 에너지 문제 해결의 유일한 대안으로 수소 에너지가 주목받고 있다. Hydrogen energy is attracting attention as a unique alternative to solving potential environmental and energy problems, while global warming and demand for research and development of energy due to exhaustion of fossil fuels are steadily increasing.

수소를 연료로 사용할 경우에 연소 시 극소량의 NOx를 제외하고는 공해물질이 생성되지 않기 때문에 현재 화석에너지가 갖고 있는 환경오염 문제를 해결할 수 있다. 뿐만 아니라, 무한정의 물을 원료로 하여 제조할 수 있으므로, 향후 화석에너지 고갈에 대한 궁극적인 대안으로 각광받고 있다. When hydrogen is used as a fuel, it can solve the environmental pollution problem of fossil energy because no pollutant is generated except a very small amount of NO x when it is burned. In addition, since it can be produced with an unlimited amount of water as a raw material, it is attracting attention as an ultimate alternative to depletion of fossil energy in the future.

현재 가장 많이 이용되는 수소의 제조기술은 화석연료를 개질(reforming)하는 것이다. 하지만, 여전히 화석연료를 사용한다는 점에서 자원고갈의 문제를 해결할 수 없다. 비 화석 연료로부터 수소를 제조하는 기술로서 지금까지 가장 장 알려져 있고, 실용화된 기술은 물 전기분해가 유일하다. Currently, the most widely used hydrogen production technology is to reform fossil fuels. However, the issue of resource depletion can not be solved in that it still uses fossil fuels. Hydrogen is produced from non-fossil fuels by far the most known technology, and water electrolysis is the only practical technology.

이와 같이, 수소 에너지 기술은 이미 그 중요성이 국제사회에 너무나 잘 알려져 왔다. 미국, 일본, 독일을 비롯한 기술 선진국들은 21세기 에너지문제와 환경문제를 한꺼번에 해결할 수 있는 거의 유일한 대안으로 수소에너지 기술의 연구에 심혈을 기울여 왔으며, 이미 상당한 성과를 거두고 있다.Thus, the importance of hydrogen energy technology has already been well known to the international community. Advanced countries, including the United States, Japan, and Germany, have been devoting themselves to the study of hydrogen energy technology as the only alternative to solve 21st century energy problems and environmental problems at the same time.

한편, 현재 상용화되어 있는 태양력과 풍력 같은 신재생 에너지들은 태양이 비추거나 바람이 불 경우에만 생산이 가능한 비연속적인 에너지원이므로, 이를 연속적인 형태로 이용하기 위해서는 다른 수단으로 에너지를 생산/저장할 수 있어야 한다. 이에 따라 물 전기분해에 의한 수소제조가 가장 바람직한 전력저장 수단으로 평가되고 있다. On the other hand, renewable energy sources such as solar power and wind power, which are currently being commercialized, are non-continuous energy sources that can be produced only when the sun is shining or when the wind is blowing. . Therefore, hydrogen production by water electrolysis is regarded as the most preferable power storage means.

물 전기분해에 의한 수전해 방법 중 하나로 전해질로 고체 고분자 전해질막을 사용하는 방법(고분자전해법, Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis, PEME)이 있다. 이 방법에 사용되는 막은 알카리인 물 전기분해의 격막과 같이 생성된 가스를 분리하며, 수소 이온을 양극에서 음극으로 이동하는 이온교환역할도 한다. 한편, 각 전극에서의 반응은 아래와 같다.One of the methods of electrolysis by water electrolysis is a method of using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte (Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis, PEME). The membrane used in this method separates the generated gas, such as the diaphragm of alkaline water electrolysis, and also acts as an ion exchanger to transport hydrogen ions from the anode to the cathode. On the other hand, the reaction at each electrode is as follows.

음극(Cathode) : 4H+ + 4e- → 2H2 Cathode: 4H + + 4e - ? 2H 2

양극(Anode) : 2H2O → 4H+ + 4e- + O2 Anode: 2H 2 O → 4H + + 4e - + O 2

상기 방법은 전해질이 안정되고, 셀 구조가 단순하며, 순수한 물을 사용하기 때문에 부식성의 전해질이 없다. 알카라인 물 전기분해와 비교하여 높은 전류밀도에서 운전이 가능하고, 장치의 효율이 높다.This method is free of corrosive electrolytes because the electrolyte is stable, the cell structure is simple, and pure water is used. Compared with alkaline water electrolysis, it is possible to operate at high current density and the efficiency of the device is high.

고분자전해법은 작동온도를 수백 bar까지 설계할 수 있고, 이동식과 고정식의 시스템 둘 다 가능하다. 하지만 설치비용이 많이 들고 낮은 용량을 가지는 단점이 있다. 뿐만 아니라 효율성이 낮고, 수명이 짧은 단점이 있다. 따라서 고체고분자전해질 물 전기분해법은 알카라인 물 전기분해법만큼 개발이 되어 있지 않다. Polymer electrolysis can be designed for operating temperatures up to hundreds of bar, and both mobile and stationary systems are possible. However, there are disadvantages of installation cost and low capacity. In addition, there is a disadvantage of low efficiency and short life span. Therefore, the solid electrolytic water electrolysis method is not developed as much as the alkaline water electrolysis method.

마지막으로 고온수증기를 이용한 물 전기분해(High Temperature Electrolysis; HTE)는 물 분해에 필요한 에너지 중 전기에너지에 해당하는 이론 분해전압이 고온에서 저하되는 현상을 활용한 방법이다. 고온(700 ℃ 이상)에서 전기분해가 일어나므로 필요한 전기에너지를 적게 사용하여 고효율의 물 분해가 가능하다. 또한, 전해질이 고체이므로 알카라인 물 전기분해와는 달리 전해액의 보충이 불필요하며, 부식의 문제가 없으므로 유지보수가 용이하다. 고체산화물 연료전지(SOFC)의 역반응이어서 SOFC의 기초기술로 활용이 가능하다. 하지만 고온에서 사용할 수 있는 고체전해질의 개발이 필요하며, 아직까지도 기초연구 단계에 머물러 있다. Finally, high temperature electrolysis (HTE) using high temperature steam is a method utilizing the phenomenon that the theoretical decomposition voltage corresponding to electric energy among the energy required for water decomposition is lowered at high temperature. Because electrolysis occurs at high temperature (over 700 ℃), it can decompose water with high efficiency by using less electric energy. In addition, since the electrolyte is solid, unlike alkaline water electrolysis, it is unnecessary to replenish the electrolytic solution, and maintenance is easy because there is no corrosion problem. It is the reverse reaction of solid oxide fuel cell (SOFC) and can be used as the basic technology of SOFC. However, it is necessary to develop a solid electrolyte which can be used at high temperature, and it is still in the basic research stage.

연료전지의 스택은 수소 이온이 이동하는 고체 고분자 전해질막을 중심으로 막 양쪽에 전기 화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA), 반응기체를 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL), 반응기체 및 냉각수를 이동시키는 유로가 형성된 분리판(Seperator), 반응기 및 냉각수의 기밀을 유지하기 위한 가스켓(Gasket)으로 이루어지는 단위 셀들을 적층한 뒤 그 양단에 이들을 지지 및 고정하기 위한 엔드플레이트(End plate)가 체결기구에 의해 소정의 면압을 유지하면서 결합된 것으로서, 통상 엔드플렝트 사이에 100 ~ 300 개 정도의 단위 셀들이 배열된다.The fuel cell stack consists of a membrane electrode assembly (MEA) with a catalyst electrode layer on both sides of the solid polymer electrolyte membrane on which hydrogen ions migrate and an electrochemical reaction takes place, and distributes the generated electrical energy evenly And a gasket for maintaining the airtightness of the reactor and the cooling water are laminated on the both sides of the unit cell, An end plate for supporting and fixing is coupled while maintaining a predetermined surface pressure by a fastening mechanism, and typically about 100 to 300 unit cells are arranged between end plates.

보통 연료전지는 연료전지는 정전 시나 피크 부하 시 반응 속도가 느리다는 단점을 가지고 단점을 가지고 있다. 특히, 부하변동 폭이 클 때는 power overshoot가 일어날 수 있고, overshoot가 발생하면 anode 쪽 막을 건조시켜 막 저항이 상승해 성능 감소원인이 되고, cathod의 공기 부족(dilution/starvation)에 성능 감소가 발생하는 문제점이 있다.In general, fuel cells have disadvantages in that fuel cells have a disadvantage in that they have a slow reaction rate in case of power failure or peak load. In particular, when the load fluctuation width is large, power overshoot can occur, and when overshoot occurs, the anode membrane is dried to increase the membrane resistance, which causes performance degradation, and a decrease in cathode dilution / starvation performance There is a problem.

[선행기술문헌][Prior Art Literature]

[특허문헌][Patent Literature]

대한민국 등록 특허 제 10-1592926호(2016.02.02. 등록)Korean Registered Patent No. 10-1592926 (Registered on February 02, 2016)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료전지가 정전 시나 피크 부하 시 구동을 시작할 때, 스타트업 시간을 짧게 하여 부하 변동에 응답하는 시간을 짧게 할 수 있는 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템을 제공함에 있다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a fuel cell system which can shorten a start-up time and shorten a response time to a load variation when the fuel cell starts driving at the time of power failure or peak load The present invention provides a grid system for a thermal electricity using a water electrolysis solution and a fuel cell.

본 발명은 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템에 관한 것으로, 저장된 전기 또는 생산된 전기를 공급하는 전기 공급부; 상기 전기 공급부로부터 전기를 공급 받아, 물을 전기분해하는 수전해장치; 상기 수전해장치로부터 전기분해된 수소를 저장하는 수소탱크; 및 상기 수소탱크의 수소와 대기 중의 공기를 이용하여 열과 전기를 발생하는 연료전지;를 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a grid system for a thermoelectric composite using a water electrolysis solution and a fuel cell, comprising: an electricity supply unit for supplying stored electricity or produced electricity; A water electrolytic apparatus for receiving electricity from the electricity supply unit and electrolyzing water; A hydrogen tank for storing the electrolyzed hydrogen from the water electrolysis apparatus; And a fuel cell that generates heat and electricity by using hydrogen in the hydrogen tank and air in the atmosphere.

또한, 상기 전기 공급부는 신재생 에너지원으로부터 전기를 생산하는 신재생 에너지 장치이거나, 전기가 저장된 배터리 또는 계통 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다. The electricity supply unit may be a renewable energy device that generates electricity from a renewable energy source, or a battery or a system that stores electricity.

또한, 상기 수전해장치는 상기 연료전지로부터 배출되는 배출수의 온도를 제어하는 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. The water electrolytic apparatus further includes a heat exchanger for controlling the temperature of the water discharged from the fuel cell.

다음으로, 본 발명의 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템을 제어하는 방법에 있어서, 전기 공급부로부터 생산 또는 전기가 수전해장치로 공급되는 단계; 수전해장치로 공급된 전기를 이용하여, 물을 전기분해하는 단계; 전기분해로 인해 생성되는 수소가 수소탱크에 저장되는 단계; 연료전지에서 상기 수소탱크에 저장된 수소와 대기 중의 공기를 이용하여, 전기와 열을 생산하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다. Next, a method for controlling a grid system of a thermoelectric composite using an electrolytic solution and a fuel cell according to the present invention comprises the steps of: supplying electricity to a production or electricity water electrolyzer from an electricity supplier; Electrolyzing water using electricity supplied to the water electrolytic apparatus; Storing hydrogen generated by electrolysis in a hydrogen tank; Producing electricity and heat using hydrogen stored in the hydrogen tank and air in the atmosphere in the fuel cell; And a control unit.

또한, 상기 수전해장치가 가동이 중단될 경우, 상기 전기 공급부에서 생산되는 전기는 사용처로 공급되는 것을 특징으로 한다. In addition, when the water electrolytic apparatus is shut down, electricity generated by the electricity supply unit is supplied to a use place.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지가 정전 시나 피크 부하 시 구동을 시작할 때, 스타트업 시간을 짧게 하여 부하 변동에 응답하는 시간을 짧게 할 수 있는 효과가 있다. As described above, according to the embodiment of the present invention, when the fuel cell starts driving at the time of power failure or peak load, the start-up time can be shortened and the response time to the load variation can be shortened.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템의 구성도
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템에서 고분자 수전해 장치의 온도 변화 그래프
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템에서 고분자 연료전지의 온도에 따른 변화 그래프
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템에서 LoRa를 활용한 네트워크 환경을 나타낸 도면
도 5 및 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템의 부하 응답 테스트을 위한 구성도
도 7은 A사 PEMFC 시스템의 배터리 및 전체 출력을 나타낸 그래프
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템의 PEMFC, 배터리 및 전체 출력을 나타낸 그래프
FIG. 1 is a schematic diagram of a thermal electricity composite grid system using a water electrolysis solution and a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 2 is a graph showing a temperature change of a polymer electrolytic device in a thermoelectric composite grid system using a water electrolytic solution and a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a change in temperature of a polymer fuel cell in a thermoelectric composite grid system using a water electrolysis solution and a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention
4 is a diagram illustrating a network environment utilizing a LoRa in a heat and electric power composite grid system using a water electrolysis solution and a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention
5 and 6 are diagrams for a load response test of a grid system for thermal power using a fuel cell and a water electrolysis solution according to a preferred embodiment of the present invention
7 is a graph showing the battery and the total output of the A company PEMFC system
8 is a graph showing a PEMFC, a battery, and a total output of a heat and electric power composite grid system using a fuel cell and a water electrolysis solution according to a preferred embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.And / or < / RTI > includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, .

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템에 대해 설명한다. Hereinafter, a heat and electric power composite grid system using a water electrolysis solution and a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템의 구성도이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a configuration diagram of a heat and electric power composite grid system using a water electrolysis solution and a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention; FIG.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템은 전기 공급부, 수전해장치, 수소탱크, 연료전지장치를 포함하여 구성된다. Referring to FIG. 1, a heat and electric power composite grid system using a water electrolysis solution and a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention includes an electricity supply unit, a water electrolysis device, a hydrogen tank, and a fuel cell device.

전기 공급부는 저장된 전기 또는 생산된 전기를 상기 수전해장치로 공급한다. 이러한, 상기 전기 공급부는 신재생 에너지원으로부터 전기를 생산하는 신재생 에너지 장치이거나, 전기가 저장된 배터리 또는 계통 중 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 신재생 에너지원은 태양광, 풍력, 수력, 지열 등의 신재생 에너지일 수 있다. The electricity supply unit supplies the stored electricity or the produced electricity to the water electrolytic unit. The electricity supply unit may be a renewable energy device that generates electricity from a renewable energy source, or a battery or a system that stores electricity. The renewable energy source may be renewable energy such as sunlight, wind power, hydro power, and geothermal energy.

수전해장치는 가장 많이 발달된 알칼리 수전해장치를 사용할 수도 있고, 고분자 수전해장치(Ploymer Electrolyte Membrane Water Electrolyzer, PEMWE)를 사용할 수도 있다. The water electrolytic apparatus can use the most advanced alkaline water electrolytic apparatus or a PEMWE (Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolyzer).

이러한, 상기 수전해장치는 상기 전기 공급부로부터 전기를 공급 받아, 물을 전기분해한다. 이때, 물은 전기분해되어 수소와 산소로 분해되고, 전기와 열이 발생한다. 상기 수소는 수소탱크로 이동되어 저장되고, 상기 산소는 대기 중으로 증발된다. The water electrolytic apparatus receives electricity from the electricity supply unit and electrolyses the water. At this time, water is electrolytically decomposed into hydrogen and oxygen, and electricity and heat are generated. The hydrogen is transferred to a hydrogen tank and stored, and the oxygen is evaporated into the atmosphere.

상기 수전해장치는 전해질을 KOH로 사용할 수 있다. 이때, 상기 KOH는 20~25% 범위에서 사용될 수 있다. The electrolytic apparatus may use an electrolyte as KOH. At this time, the KOH may be used in a range of 20 to 25%.

또한, 상기 수전해장치에 사용되는 공급수(물)는 불순물 제거한 DI water를 사용하는 것이 바람직하다. In addition, it is preferable to use DI water in which impurities are removed from the water (water) used in the water electrolysis apparatus.

또한, 상기 수전해장치의 수소 생산 용량은 공급수를 시간당 3,205 ℓ 용량을 공급 받으면, 수소 생산 용량이 3.5 ~ 4.3Nm2/h 일 수 있다. Also, the hydrogen production capacity of the water electrolysis apparatus can be 3.5 to 4.3 Nm < 2 > / h when the supplied water is supplied with a capacity of 3,205 liter per hour.

도 2는 본 발명의 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템에서 고분자 수전해 장치의 온도 변화 그래프이다. FIG. 2 is a graph illustrating a temperature change of a polymer electrolytic apparatus in a thermoelectric composite grid system using a water electrolysis solution and a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.

상기 수전해장치는 온도 센서가 설치될 수 있다. 상기 온도 센서는 상기 수전해장치로 공급되는 공급수의 온도를 측정한다. 예를 들어 도2에서 보는 바와 같이, 상지 수전해장치는 공급수를 20 ~ 50℃ 의 온도로 공급했을 때, 공급수의 온도가 50 ℃에서 가장 높은 효율이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한, 상기 수전해장치가 50℃ 이상의 공급수를 사용할 경우, 시스템 과열이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 수전해장치는 50℃ 이하의 공급수를 사용하는 것이 가장 바람직하다. The water electrolytic apparatus may be provided with a temperature sensor. The temperature sensor measures the temperature of the supplied water supplied to the water electrolytic apparatus. For example, as shown in FIG. 2, when the feed water is supplied at a temperature of 20 to 50 ° C., the upper water electrolytic apparatus shows the highest efficiency at the temperature of the feed water at 50 ° C. In addition, when the water electrolytic apparatus uses water supplied at 50 ° C or higher, system overheating may occur. Therefore, it is most preferable that the water electrolytic apparatus use water supplied at 50 캜 or lower.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템에서 전압에 따른 수전해 반응을 나타낸 그래프이다. FIG. 3 is a graph showing a power-receiving reaction according to a voltage in a thermoelectric composite grid system using a water electrolysis solution and a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.

도 3의 그래프는 각 전압에서 1분 간 수전해 반응 후 MEA를 그대로 체결한 상태에서 anode에는 수소를 cathode에는 공기를 공급해 MEA를 활성화하고, PEMFC 구동조건에서 I-V 분극곡선을 측정한 그래프이다. 도 3에서 보는 바와 같이, 1.8V에서 수전해 반응했을 때는 수전해 전 MEA 성능과 차이를 보이지 않고 있으나 1.9V와 2.0V에서는 처음 성능에 비해 약 1/2로 감소하였다. (그래프에는 1.9v, 2.0v 가 current density 가 증가된 걸로 보이는데, 한번 확인 부탁드립니다.)The graph of FIG. 3 is a graph of I-V polarization curves measured under PEMFC driving conditions by activating the MEA by supplying hydrogen to the anode and air to the cathode in the state that the MEA is tightly coupled after the electrolysis for 1 minute at each voltage. As shown in FIG. 3, when the water electrolytic solution was reacted at 1.8 V, there was no difference from the MEA performance before the electrolysis, but at 1.9 V and 2.0 V, it decreased to about 1/2 of the initial performance. (In the graph, 1.9v, 2.0v seem to increase the current density.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템에서 전압에 따른 수소 투과도를 나타낸 그래프이다. 도 4의 그래프는 고분자 전해질 막의 열화를 확인하기 위해 수소 투과도를 LSV로 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 4에서 보는 바와 같이, 1.8V에서는 수소 투과 전류밀도가 거의 증가하지 않았으나, 1.9V와 2.0V에서 수전해 반응이 일어났을 때는 1.9mA/cm2 까지 증가해 처음 막의 약 2배가 되는 것을 확인할 수 있다. FIG. 4 is a graph showing hydrogen permeability according to voltage in a thermoelectric composite grid system using a water electrolysis solution and a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention. 4 is a graph showing hydrogen permeability measured by LSV in order to confirm deterioration of the polymer electrolyte membrane. As can be seen from FIG. 4, the hydrogen permeation current density did not increase at 1.8 V, but increased to 1.9 mA / cm 2 when the electrolysis reaction occurred at 1.9 V and 2.0 V, which was about twice that of the initial membrane have.

따라서, 수전해장치는 수소반응에 이용될 전류인 페러데이 전류(Faradaic current)로 인해 수소가 발생된다. 이때, 전압은 1.9V ~ 2.0V 인 것이 바람직하다. 즉, 수전해장치는 전압이 증가할수록 전류 값이 증가해 페러데이 전류가 높아져서 수소발생 속도가 증가한다. 이로 인해, 수전해장치는 전압이 증가함에 따라 수소 수율이 증가한다. Therefore, hydrogen is generated due to the Faraday current, which is the current to be used for the hydrogen reaction in the water electrolytic apparatus. At this time, the voltage is preferably 1.9 to 2.0V. That is, as the voltage of the water electrolytic device increases, the current value increases and the ferrode current increases, thereby increasing the hydrogen generation rate. As a result, the water electrolysis apparatus increases the hydrogen yield as the voltage increases.

연료전지는 수소탱크에 저장된 수소와 대기 중의 공기(산소)를 이용하여 전기 및 열을 발생시켜, 사용처(건물)로 전달한다. 이때, 상기 연료전지는 수소와 산소가 결합되어 물이 생성된다. 상기 물(배출수)은 연료전지에서 배출되어, 다시 수전해장치의 공급수로 전달된다. The fuel cell generates electricity and heat by using hydrogen stored in the hydrogen tank and air (oxygen) in the atmosphere, and transfers it to the place of use (building). At this time, the fuel cell is combined with hydrogen and oxygen to produce water. The water (effluent) is discharged from the fuel cell and then transferred to the feed water of the water electrolysis apparatus.

상기 연료전지는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC : Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 일 수 있으며, 내구성은 고분자 막의 열화와 전극 열화에 의해 감소되기도 한다. The fuel cell may be a PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), and the durability may be reduced by deterioration of the polymer membrane and deterioration of the electrode.

연료전지 배출수는 수전해 장치의 공급수로 활용된다. 이때, 상기 배출수는 온도가 높다. 높은 온도의 배출수는 상기 수전해장치에서 사용하기에는 효율이 낮은 단점이 있다. 이때, 상기 수전해장치는 상기 연료전지로부터 배출되는 배출수의 온도를 제어하는 열교환기를 더 포함하여 구성되기도 한다.The fuel cell effluent is used as the feed water for the water electrolysis device. At this time, the temperature of the discharged water is high. The effluent water having a high temperature has a disadvantage in that the efficiency is low for use in the water electrolytic apparatus. The water electrolytic apparatus may further include a heat exchanger for controlling the temperature of the water discharged from the fuel cell.

더욱 상세하게 설명하면, 고분자 수전해 장치는 저발전량(LHV)가 작으면 엔탈피(△H) 값이 낮으므로 효율이 높아지지만 엔탈피(△H)가 증가하면서 온도가 낮아져 성능이 저하된다. 이를 해결하기 위해, 상기 연료전지에서 수전해장치로 이동하는 배관에 열교환기를 설치될 수 있다. 상기 열교환기는 연료전지로부터 배출되는 배출수의 온도를 제어한다. More specifically, the polymer electrolyte membrane according to the present invention has a low enthalpy (ΔH) value when the LHV is low, so that the efficiency is increased but the enthalpy (ΔH) is increased and the temperature is lowered to deteriorate the performance. In order to solve this problem, a heat exchanger may be installed in the piping moving from the fuel cell to the water electrolysis apparatus. The heat exchanger controls the temperature of the discharge water discharged from the fuel cell.

상기 연료전지의 발전용량이 전기 5Kw이고, 열 4kw을 생산할 경우, 상기 연료전지의 전기 발전효율은 44% 이상일 수 있다. 또한, 상기 연료전지는 자체 소비 전력은 0.5kwh 일 수 있으며, 온수 온도는 55~60℃ 이고, 생산량은 200ℓ 일 수 있다. When the power generation capacity of the fuel cell is 5Kw of electricity and 4kw of heat is produced, the electricity generation efficiency of the fuel cell may be 44% or more. The power consumption of the fuel cell may be 0.5 kWh, the hot water temperature may be 55 to 60 ° C, and the production amount may be 200 liters.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템에서 고분자 연료전지의 온도에 따른 변화 그래프이다. FIG. 5 is a graph showing a change in temperature of a polymer fuel cell in a thermoelectric composite grid system using a water electrolysis solution and a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.

도 5에서 보는 바와 같이, 상기 고분자 연료전지는 높은 온도(50℃)에서는 성능이 높고, 낮은 온도(20℃)에서는 낮은 성능을 보인다. 상기 고분자 연료전지에서는 전류 밀도가 연료 전지 온도가 증가함에 따라 활성 손실이 감소되기 때문에, 온도가 높을수록 연료전지 내에서 물질이동이 증가하여 전기저항이 감소된다. 또한, 전류는 전기 화학적 반응속도의 증가로 인해 수소의 질량 유량에 따라 변화된다. As shown in FIG. 5, the polymer fuel cell has high performance at a high temperature (50 ° C.) and low performance at a low temperature (20 ° C.). In the polymer fuel cell, the current density decreases as the fuel cell temperature increases. Therefore, as the temperature increases, the mass transfer in the fuel cell increases and the electrical resistance decreases. In addition, the current varies with the mass flow rate of the hydrogen due to the increase of the electrochemical reaction rate.

고분자 전해질 연료전지는 구동 과정 중 습도가 중요하다. 연료전지 효율을 높이기 위해서는 배출수량이 많은 고가습 구동조정이 유리하다. 또한, 배출수의 순도도 중요하다. 또한, 열화속도가 높은 구동 조건은 배출수의 순도를 낮출 수 있다. In polymer electrolyte fuel cells, humidity is important during the driving process. In order to increase the fuel cell efficiency, it is advantageous to adjust the humidification drive with high discharge amount. The purity of the effluent is also important. Further, a driving condition with a high degradation rate can lower the purity of the effluent water.

더욱 상세하게 설명하면, 연료전지의 애노드, 캐소드 양쪽 전극이 상대습도가 모두 100%, 온도가 70℃ 일 경우, 가장 높은 효율을 나타낸다.More specifically, when both the anode and the cathode of the fuel cell have a relative humidity of 100% and a temperature of 70 ° C, they exhibit the highest efficiency.

상기 연료전지의 전해질막은 고온, 고전압에서 열화 속도가 높다. 이때, 상기 전해질막의 열화로 인해, 불소가 유출된다. 이때, 90℃, OCV 조건에서 불소 유출 속도(FER)을 측정하여, 배출수의 순도를 추측할 수 있다. The electrolyte membrane of the fuel cell has a high degradation rate at high temperature and high voltage. At this time, due to deterioration of the electrolyte membrane, fluorine flows out. At this time, the purity of the effluent water can be estimated by measuring the fluorine outflow rate (FER) under the OCV condition at 90 ° C.

연료전지의 전해질막은 전압이 낮을수록 불소 농도가 낮아진다. The lower the voltage of the electrolyte membrane of the fuel cell, the lower the fluorine concentration.

또한, 상기 연료전지는 연료극 저가습 조건이 공기극 저가습 조건보다 고분자 막 열화 속도가 높게 나타난다. In addition, the fuel cell has a higher degradation rate of the polymer membrane than that of the air electrode lower humidification condition under the conditions of low humidification of the anode.

양쪽 극 모두 RH 고가습 조건에서는 OCV에서도 불소 이온 농도가 낮으며 배출수 순도도 99.9999%로 고순도이다. 따라서, 상기 연료전지의 배출수는 수전해 원료수로 사용하기에 충분하다.In both RH and humid conditions, the concentration of fluorine ions is low in OCV and the purity of the effluent is 99.9999%, which is high purity. Therefore, the discharge water of the fuel cell is sufficient for use as the water electrolytic raw material water.

고가습 조건에서 배출한 응축수(배출수)에서 백금이 검출되었지만 전체적으로 백금 농도가 0.2ppb이하로 매우 낮아 수전해에는 지장을 주지 않은 수준이었다. Platinum was detected in the condensate (effluent) discharged from the high humidification condition, but the platinum concentration was as low as less than 0.2 ppb as a whole.

본 발명의 수소사용 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템은 연속 구동이 아닌 정전이나 부하 피키 시 구동하므로 응답시간이 짧아야 한다. 연료전지가 정전 시나 피크 부하 시에 구동을 시작할 때, 스타트업 시간이 짧고 부하 변동에 응답하는 시간이 짧아야 한다. The hydrogen-utilizing electrolytic solution of the present invention and the thermoelectric composite grid system using the fuel cell are required to have a short response time since they are driven by power failure or load picking rather than continuous driving. When the fuel cell starts to drive at the time of power failure or peak load, the start-up time should be short and the time to respond to the load fluctuation should be short.

도 6 및 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템의 부하 응답 테스트을 위한 구성도이다.FIGS. 6 and 7 are block diagrams illustrating a load response test of a grid system using a fuel cell and a power grid according to a preferred embodiment of the present invention.

즉, 도 6 은 연료전지의 부하 응답시간을 측정하기 위해 배터리와 DC/DC, 부하가 연결된 시스템을 구성하였다. That is, FIG. 6 shows a system in which a battery, a DC / DC, and a load are connected to measure a load response time of the fuel cell.

도 7은 2종류의 DC/DC가 있는 연료전지 부하 응답 테스트 시스템의 구성도이다. 7 is a configuration diagram of a fuel cell load response test system having two types of DC / DC.

도 6 및 도 7은 배터리의 출력이 떨어지면 스택에서 출력을 보상한다.Figures 6 and 7 compensate the output in the stack when the output of the battery drops.

도 8은 A사 PEMFC 시스템의 배터리 및 전체 출력을 나타낸 그래프이며, 도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템의 PEMFC, 배터리 및 전체 출력을 나타낸 그래프이다. FIG. 8 is a graph showing the battery and the total output of the A company PEMFC system, and FIG. 9 is a graph showing the PEMFC, the battery, and the total output of the grid system of the thermal electricity using fuel cell and the fuel cell according to the preferred embodiment of the present invention Graph.

도 9에서 보는 바와 같이, 0W에서 95W로 출력을 상승시켰을 때, 배터리의 출력이 보상되는 것을 확인 할 수 있다. As shown in FIG. 9, it can be confirmed that the output of the battery is compensated when the output is increased from 0W to 95W.

즉, 연료극 연료전지 스텍에서는 출력을 배터리 충전과 외부출력으로 각각 2종류의 DC/DC를 통하여 연결한 시스템을 구성하고 부하 응답성을 시험하였다. 여기서, 본 발명의 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템은 도 8의 A사의 PEMFC 시스템과 유사한 출력을 확인할 수 있다. That is, in the anode fuel cell stack, a system is constructed in which the output is connected through two types of DC / DC to the battery charge and the external output, respectively, and the load responsiveness is tested. Here, the power-receiving solution of the present invention and the thermoelectric composite grid system using the fuel cell can confirm output similar to the PEMFC system of Company A of FIG.

도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템에서 LoRa를 활용한 네트워크 환경을 나타낸 도면이다. 10 is a diagram illustrating a network environment using a LoRa in a thermoelectric composite grid system using a fuel cell and a water electrolysis solution according to a preferred embodiment of the present invention.

도 10을 참조하여 설명하면, 상기 수전해장치와 연료전지의 모든 데이터는 LoRa Node와 게이트 웨이를 통해 전력관리센터로 전송되고, 실시간 모니터링, 통신 및 제어를 위해 유선 또는 무선 네트워크를 모두 사용할 수 있다. Referring to FIG. 10, all the data of the water electrolytic unit and the fuel cell are transmitted to the power management center through the LoRa Node and the gateway, and both wired and wireless networks can be used for real-time monitoring, communication, and control .

온라인 응용 프로그램 및 모바일 사용자가 증가함에 따라 스마트 에너지 컴퍼스내에서 사용되는 주파수 부족 현상 및 시스템의 정지 현상이 발생될 수 있지만 LoRa를 활용하면 사용자 수의 증가에 상관없이 안정적으로 무선 통신 환경을 사용할 수 있다. As the number of online applications and mobile users increases, the lack of frequency and system stoppage may occur in the smart energy compass. However, using LoRa can reliably use the wireless communication environment regardless of the increase in the number of users .

상기는 본 발명의 바람직한 실시예를 참고로 설명하였으며, 상기의 실시예에 한정되지 아니하고, 상기의 실시예를 통해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경으로 실시할 수 있는 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It is possible to carry out various changes in the present invention.

100 : 전기 공급부
110 : 인버터
200 : 수전해장치
210 : 열교환기
300 : 수소탱크
400 : 연료전지
100:
110: Inverter
200: Water receiving device
210: heat exchanger
300: hydrogen tank
400: Fuel cell

Claims (5)

저장된 전기 또는 생산된 전기를 공급하는 전기 공급부;
상기 전기 공급부로부터 전기를 공급 받아, 물을 전기분해하는 수전해장치;
상기 수전해장치로부터 전기분해된 수소를 저장하는 수소탱크; 및
상기 수소탱크의 수소와 대기 중의 공기를 이용하여 열과 전기를 발생하는 연료전지;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템.
An electricity supplier for supplying stored electricity or produced electricity;
A water electrolytic apparatus for receiving electricity from the electricity supply unit and electrolyzing water;
A hydrogen tank for storing the electrolyzed hydrogen from the water electrolysis apparatus; And
A fuel cell that generates heat and electricity by using hydrogen in the hydrogen tank and air in the atmosphere;
And a fuel cell, wherein the fuel cell comprises a plurality of fuel cells.
제1항에 있어서,
상기 전기 공급부는
신재생 에너지원으로부터 전기를 생산하는 신재생 에너지 장치이거나, 전기가 저장된 배터리 또는 계통 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템.
The method according to claim 1,
The electricity supply unit
A new and renewable energy device that generates electricity from a new and renewable energy source, or a battery or a system that stores electricity.
제1항에 있어서,
상기 수전해장치는
상기 연료전지로부터 배출되는 배출수의 온도를 제어하는 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템.
The method according to claim 1,
The water electrolysis apparatus
Further comprising a heat exchanger for controlling the temperature of the discharge water discharged from the fuel cell.
제1항의 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템을 운영하는 방법에 있어서,
전기 공급부로부터 생산 또는 전기가 수전해장치로 공급되는 단계;
수전해장치로 공급된 전기를 이용하여, 물을 전기분해하는 단계;
전기분해로 인해 생성되는 수소가 수소탱크에 저장되는 단계; 및
연료전지에서 상기 수소탱크에 저장된 수소와 대기 중의 공기를 이용하여, 전기와 열을 생산하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템 운영 방법.
The method of claim 1, further comprising the steps of:
The production or electricity is supplied from the electricity supply to the water electrolysis apparatus;
Electrolyzing water using electricity supplied to the water electrolytic apparatus;
Storing hydrogen generated by electrolysis in a hydrogen tank; And
Producing electricity and heat using hydrogen stored in the hydrogen tank and air in the atmosphere in the fuel cell;
The method comprising the steps of: (a) providing a fuel cell;
제5항에 있어서,
상기 수전해장치가 가동이 중단될 경우, 상기 전기 공급부에서 생산되는 전기는 사용처로 공급되는 것을 특징으로 하는 수전해 및 연료전지를 이용한 열 전기 복합 그리드 시스템 운영 방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the electricity generated by the electricity supplying unit is supplied to a use place when the water electrolytic apparatus is shut down, and the method for operating the thermal electric power combined grid system using the fuel cell.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU194839U1 (en) * 2019-10-16 2019-12-25 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" OPEN Cathode Regenerative Fuel Cell
KR20210108894A (en) * 2020-02-26 2021-09-03 (주)지필로스 Power converter for controlling power flow of hydrogen generating system based on renewable energy
KR20220161723A (en) 2021-05-31 2022-12-07 한국수력원자력 주식회사 High temperature water electrolysis-fuel cell system and its operation method
KR20230027905A (en) 2021-08-20 2023-02-28 충남대학교산학협력단 Emission Water Recycling System for Tractors Using Hydrogen Fuel Cells

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