KR20200129914A - 수소 발생 장치, 수소 발생 시스템 및 발전기 냉각용 수소 공급 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소 발생 장치, 수소 발생 시스템 및 발전기 냉각용 수소 공급 시스템에 관한 것으로, 통전시에 수소이온이 수소 가스로 변환되는 음극과, 통전시에 물이 수소이온, 산소 가스, 전하로 변환되는 양극과, 음극 및 양극 사이에 위치되고, 양극에서 발생된 수소 가스를 음극으로 전달하는 이온교환막과, 음극이 내장되도록 이온교환막 일면에 형성된 음극실과, 양극이 내장되도록 이온교환막 타면에 형성된 양극실과, 전하를 음극에 전달하거나, 전하를 양극으로부터 전달받도록 음극실 및 양극실 각각에 내장된 전류분배판을 포함하며, 물(순수)을 전기 분해함으로써, 수소 가스를 생성하게 되므로, 수소 발생 장치(전해셀)에 문제가 발생할 경우, 수소 발생 장치의 교체 및 정비가 손쉽고, 전단압력조절기 및 후단압력조절기를 통해 적정량의 수소 가스를 발전기에 지속적으로 공급할 수 있으며, 특히, 쓰리웨이밸브에 의해서 수소 가스가 적정치를 초과해 누출될 가능성이 있을 때, 수소 가스를 대기 중으로 배출하므로, 수소 가스 점화에 의한 폭발 사고가 방지되는, 수소 발생 장치, 수소 발생 시스템 및 발전기 냉각용 수소 공급 시스템을 제공한다.
Description
본 발명은 수소 발생 장치, 수소 발생 시스템 및 발전기 냉각용 수소 공급 시스템에 관한 것으로, 순수를 전기 분해해 수소 가스를 생성함으로써 안전하고, 발전기에 균일한 양의 수소 가스를 지속적으로 공급할 수 있는 수소 발생 장치, 수소 발생 시스템 및 발전기 냉각용 수소 공급 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 대형 발전소의 경우에 발전기는 과열 방지를 위해 운전 중 냉각을 하며 이때 냉매제로 수소가 사용된다. 냉각효율을 증가시키기 위하여 수소는 발전기에 대기압 이상의 압력 예를 들면 2.0 - 5.0 bar로 공급된다.
발전기에서는 일정량의 수소가 계속 누출되어 수소의 손실이 발생한다. 발전기의 효율적이고 안정적인 운전을 위해서는 손실되는 수소를 계속 보충해야 한다. 이를 위한 방법으로써, 수소 가스를 실린더를 이용하여 공급하거나 알카리(KOH; 수산화칼륨)를 전기분해하여 발생된 수소를 공급하는 방법이 알려져 있다.
그러나, 저장된 수소를 분배하고, 각각의 발전기에 공급하는 것은 폭발의 위험성이 항상 존재한다. 특히 저장 용기를 교체할 때나 저장 용기 취급 시 부주의한 행동은 매우 위험한 사고를 야기할 수 있다.
수소가스 저장 용기가 밀집된 저장소에 대기중 공기가 순환하는 자연 벤틸레이션 시스템이 적용될 수는 있으나, 저장 용기 교체, 저장 용기 취급시 수소가 점화될 수 있는 위험이 완전히 제거된 것은 아니다.
또한, 알카리(KOH; 수산화칼륨)를 전기분해하여 수소를 발생시킬 경우, 전기분해를 통해 발생된 수소를 정제한 후, 압축기를 사용해 발전기로 공급하게 된다. 그러나, 전기분해가 발생하는 전해셀, 정제된 수소를 가압하는 압축기에 문제가 발생하면, 알카리(KOH; 수산화칼륨)의 화학적 특성에 의해 전해셀 교체 작업, 압축기 교체 작업이 어렵고, 작업자가 다칠 우려가 높다. 또한, 압축기가 필수적이므로, 전력 소비가 높다.
이에 상기와 같은 점을 감안해 발명된 본 발명의 목적은, 수소 가스 점화에 의한 폭발 위험성이 낮고, 별도의 전해질 용액 사용을 배제하고 물(순수)로부터 수소 가스를 지속적으로 생성해 낼 수 있으며, 균일한 양의 수소 가스를 지속적으로 발전기에 공급할 수 있는 수소 발생 장치, 수소 발생 시스템 및 발전기 냉각용 수소 공급 시스템을 제공하는 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 일실시예의 수소 발생 장치는, 수소이온이 수소 가스로 변환되는 음극과, 물이 수소이온, 산소 가스, 전하로 변환되는 양극과, 음극 및 양극 사이에 위치되고, 양극에서 발생된 수소 가스를 음극으로 전달하는 이온교환막과, 음극이 내장되도록 이온교환막 일면에 형성된 음극실과, 양극이 내장되도록 이온교환막 타면에 형성된 양극실과, 전하를 음극에 전달하거나, 전하를 양극으로부터 전달받도록 음극실 및 양극실 각각에 내장된 전류분배판을 포함한다.
또한, 음극실과 양극실은, 이온교환막의 일면 및 타면 각각에 마주보도록 위치되고, 상면과 하면이 개구된 박스 형태의 프레임과, 음극실과 양극실을 밀폐하도록 개구된 프레임의 일면을 덮는 분리판과, 음극실 및 양극실에 존재하는 물, 가스의 누출을 방지하도록 프레임과 분리판 사이에 장착된 패킹을 포함하며, 프레임 및 패킹에는, 음극실에 존재하는 물, 수소 가스를 배출하거나, 양극실에 존재하는 물, 산소 가스를 배출할 수 있도록 홀이 형성될 수 있다.
또한, 음극실은, 음극실 내부에 위치된 전류분배판을 고정하는 압력패드를 더 포함할 수 있다.
또한, 이온교환막의 넓이는 전류분배판의 넓이보다 크고, 전류분배판의 넓이는 음극 및 양극의 넓이보다 클 수 있다.
또한, 음극실에 내장된 전류분배판과, 양극실에 내장된 전류분배판은, 음극실 및 양극실 밖에서 서로 연결될 수 있다.
또한, 음극실에 내장된 전류분배판과, 양극실에 내장된 전류분배판은, 외부 전원 장치와 개별적으로 연결될 수 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 일실시예의 수소 발생 시스템은, 수소 발생 장치를 포함하는 수소 발생 시스템에 있어서, 양극실로 물을 공급하고, 양극실로부터 물, 산소 가스를 회수하는 제1 저장조와, 음극실로부터 물, 수소 가스를 회수하는 제2 저장조와, 제2 저장조에 포집된 수소 가스로부터 수분을 증발시키는 가스정제기를 더 포함한다.
또한, 제1 저장조로 물을 공급하는 제1 배관과, 물을 공급하도록 제1 저장조와 양극실을 연결하는 제2 배관과, 물, 산소 가스를 회수하도록 제1 저장조와 양극실을 연결하는 제3 배관과, 물, 수소 가스를 회수하도록 제2 저장조와 음극실을 연결하는 제4 배관과, 제2 저장조에 존재하는 물을 양극실에 공급하도록 제2 저장조와 상기 제2 배관을 연결하는 제5 배관과, 제2 저장조에 포집된 수소 가스를 가스정제기에 공급하도록 제2 저장조와 가스정제기를 연결하는 제6 배관과, 가스정제기로부터 수분이 제거된 수소 가스를 외부장치로 전달하도록 가스정제기에 연결된 제7 배관과, 제1 저장조에 포집된 산소 가스를 외부장치로 전달하도록 제1 저장조에 연결된 제8 배관을 더 포함할 수 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 일실시예의 발전기 냉각용 수소 공급 시스템은, 수소 발생 장치를 포함하는 발전기 냉각용 수소 공급 시스템에 있어서, 음극실과 발전기 냉각 라인을 연결하는 냉매 공급라인과, 음극실에서 발생된 수소 가스가 적정유량을 유지하면서 냉매 공급라인에 유입되도록 냉매 공급라인 전단에 구비된 전단압력조절기와, 냉매 공급라인에 흐르는 수소 가스가 적정유량을 유지하면서 냉각 라인에 유입되도록 냉매 공급라인 후단에 구비된 후단압력조절기와, 전단압력조절기와 후단압력조절기 사이에 위치하도록 냉매 공급라인에 장착된 쓰리웨이밸브를 더 포함한다.
또한, 후단압력조절기는, 냉매 공급라인을 통해 후단압력조절기에 도달한 수소 가스의 양이 적정치를 초과할 경우, 후단압력조절기에 도달한 수소 가스 중 일부를 대기중으로 배출할 수 있다.
또한, 쓰리웨이밸브는, 냉매 공급라인에 유동하는 수소 가스의 양이 적정치를 초과할 경우, 쓰리웨이밸브에 도달한 수소 가스 중 일부를 대기중으로 배출할 수 있다.
또한, 전단압력조절기의 전단과 후단에 각각 압력센서가 위치되고, 전단압력조절기와 쓰리웨이밸브 사이에 유량계가 위치되고, 후단압력조절기와 냉각 라인 사이에 유량계 및 압력센서가 위치될 수 있다.
위와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예의 수소 발생 장치, 수소 발생 시스템 및 발전기 냉각용 수소 공급 시스템에 따르면, 물(순수)을 전기 분해함으로써, 수소 가스를 생성하게 되므로, 수소 발생 장치(전해셀)에 문제가 발생할 경우, 수소 발생 장치의 교체 및 정비가 손쉽고, 전단압력조절기 및 후단압력조절기를 통해 적정량의 수소 가스를 발전기에 지속적으로 공급할 수 있다. 특히, 쓰리웨이밸브에 의해서 수소 가스가 적정치를 초과해 누출될 가능성이 있을 때, 수소 가스를 대기 중으로 배출하므로, 수소 가스 점화에 의한 폭발 사고가 방지된다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 수소 발생 장치의 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예의 수소 발생 시스템의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 발전기 냉각용 수소 공급 시스템의 예시도이다.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 일실시예의 발전기 냉각용 수소 공급 시스템의 수소 공급유량과 수소 공급압력의 조정능력을 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예의 수소 발생 시스템의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 발전기 냉각용 수소 공급 시스템의 예시도이다.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 일실시예의 발전기 냉각용 수소 공급 시스템의 수소 공급유량과 수소 공급압력의 조정능력을 보여주는 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 일실시예의 수소 발생 장치(1000), 수소 발생 시스템(2000) 및 발전기 냉각용 수소 공급 시스템(3000)을 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 수소 발생 장치(1000)는, 통전시에 수소이온이 수소 가스로 변환되는 음극(1100)과, 통전시에 물이 수소이온, 산소 가스, 전하로 변환되는 양극(1200)과, 음극(1100) 및 양극(1200) 사이에 위치되고, 양극(1200)에서 발생된 수소 가스를 음극(1100)으로 전달하는 이온교환막(1300)과, 음극(1100)이 내장되도록 이온교환막(1300) 일면에 형성된 음극실(1400)과, 양극(1200)이 내장되도록 이온교환막(1300) 타면에 형성된 양극실(1500)과, 전하를 음극(1100)에 전달하거나, 전하를 양극(1200)으로부터 전달받도록 음극실(1400) 및 양극실(1500) 각각에 내장된 전류분배판(1600)을 포함한다.
음극실(1400)과 양극실(1500)은, 이온교환막(1300)의 일면 및 타면 각각에 마주보도록 위치되고, 상면과 하면이 개구된 박스 형태의 프레임(1410)과, 음극실(1400)과 양극실(1500)을 밀폐하도록 개구된 프레임(1410)의 일면을 덮는 분리판(1420)과, 음극실(1400) 및 양극실(1500)에 존재하는 물, 가스의 누출을 방지하도록 프레임(1410)과 분리판(1420) 사이에 장착된 패킹(1430)을 포함한다. 음극실(1400)은, 음극실(1400) 내부에 위치된 전류분배판(1600)을 고정하는 압력패드(1440)를 포함한다. 프레임(1410) 및 패킹(1430)에는, 음극실(1400)에 존재하는 물, 수소 가스를 배출하거나, 양극실(1500)에 존재하는 물, 산소 가스를 배출할 수 있도록 홀이 형성된다.
이온교환막(1300)의 넓이는 전류분배판(1600)의 넓이보다 크고, 전류분배판(1600)의 넓이는 음극(1100) 및 양극(1200)의 넓이보다 크게 형성된다. 음극실(1400)에 내장된 전류분배판(1600)과, 양극실(1500)에 내장된 전류분배판(1600)은, 음극실(1400) 및 상기 양극실(1500) 밖에서 서로 연결된다. 이와 달리, 음극실(1400)에 내장된 전류분배판(1600)과, 양극실(1500)에 내장된 전류분배판(1600)은, 외부 전원 장치와 개별적으로 연결될 수도 있다.
본 발명의 수소 발생 장치(1000)는 순수를 전기화학적으로 분해하는 고분자 고체 전해질 전해셀이며, 수소이온 교환막을 포함하는 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)이다.
물(H2O)은 산소극인 양극(1200)으로 공급되어 산소가스(O2), 전자(e-) 및 수소이온(H+)으로 분해된다. 물(H2O)의 일부는 산소가스(O2)와 함께 양극실(1500)의 외부로 유출된다. 분해된 수소이온(H+)은 이온교환막(1300)을 통과해 수소극인 음극(1100)으로 이동한다.
양극(1200)과 음극(1100)은 전류분배판(1600)에 의해 통전되도록 연결되며, 전류분배판(1600)을 따라 이동한 전자(e-)와 반응하여 음극(1100) 표면에서 수소가스(H2)가 된다. 수소 가스(H2) 및 수소이온(H+)과 동반하여 물(H2O)은 이온교환막(1300)을 통과한다. 이 때, 양극(1200)과 음극(1100)에서 각각 일어나는 전기화학적 반응을 표현하면 화학식 1, 2와 같다.
물을 전기분해하기 위해 전류분배판(1600)에는 약 0.05A/cm2 - 4.3A/cm2의 전류밀도와 약 1.48 volts - 3.0 volts의 전압이 인가된다.
양극(1200) 및 음극(1100)의 사이에 위치하는 이온교환막(1300)의 길이는 양극(1200) 및 음극(1100)의 길이보다 길게 형성되고, 이온교환막(1300)에서 양극(1200) 및 음극(1100)과 면접되지 않는 좌우 양단에는 프레임(1410)이 위치된다.
프레임(1410)에 의해 음극실(1400), 양극실(1500)의 내부와 외부가 구분된다. 프레임(1410)과 상하 양쪽 끝단에 위치한 분리판(1420)과의 사이에 패킹(1430)이 장작됨으로서 양극실(1500)과 음극실(1400)이 폐쇄된다.
음극실(1400)과 양극실(1500)에는 항상 물이 존재한다. 전류분배판(1600)은 음극(1100), 양극(1200), 분리막과 균일한 거리를 유지한다. 전류분배판(1600)은 음극(1100)과 양극(1200) 사이에서 전하가 이동하는 통로가 된다.
음극실(1400)의 전류분배판(1600)과 분리판(1420) 사이에 압력패드(1440)가 위치된다. 압력패드(1440)는 이온교환막(1300)을 통과해 양극실(1500)에서 음극실(1400)로 이동한 물, 음극(1100)에서 발생된 수소 가스에 의해서 전류분배판(1600)이 원래 위치에서 벗어나 분리판(1420)에 더 가깝게 치우치는 것을 방지한다.
위와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예의 수소 발생 장치(1000)에 따르면, 물(순수)을 전기 분해해 수소 가스를 지속적으로 생성할 수 있으므로, 문제 발생시, 교체 및 정비가 간편하고, 작업자가 전해질 용액에 노출되 다칠 염려가 없다.
MEA 형태로 제작된 양극(1200)과 음극(1100)의 간격은 매우 작기 때문에 기포가 존재하지 않아 저전압, 고전류의 운전이 가능하다. 또한 전해액이 가지는 전도성을 이용하지 않기 때문에 원료인 물을 고순도로 사용가능하고, 이에 고순도의 수소와 산소를 얻을 수 있는 장점이 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 수소 발생 시스템(2000)은, 위 기재한 본 발명의 수소 발생 장치(1000)와, 양극실(1500)로 물을 공급하고, 양극실(1500)로부터 물, 산소 가스를 회수하는 제1 저장조(2100)와, 음극실(1400)로부터 물, 수소 가스를 회수하는 제2 저장조(2200)와, 제2 저장조(2200)에 포집된 수소 가스로부터 수분을 증발시키는 가스정제기(2300)를 포함한다.
본 발명의 일실시예의 수소 발생 시스템(2000)은, 제1 저장조(2100)로 물을 공급하는 제1 배관(2410)과, 물을 공급하도록 제1 저장조(2100)와 양극실(1500)을 연결하는 제2 배관(2420)과, 물, 산소 가스를 회수하도록 제1 저장조(2100)와 양극실(1500)을 연결하는 제3 배관(2430)과, 물, 수소 가스를 회수하도록 제2 저장조(2200)와 음극실(1400)을 연결하는 제4 배관(2440)과, 제2 저장조(2200)에 존재하는 물을 양극실(1500)에 공급하도록 제2 저장조(2200)와 제2 배관(2420)을 연결하는 제5 배관(2450)과, 제2 저장조(2200)에 포집된 수소 가스를 가스정제기(2300)에 공급하도록 제2 저장조(2200)와 가스정제기(2300)를 연결하는 제6 배관(2460)과, 가스정제기(2300)로부터 수분이 제거된 수소 가스를 외부장치로 전달하도록 가스정제기(2300)에 연결된 제7 배관(2470)과, 제1 저장조(2100)에 포집된 산소 가스를 외부장치로 전달하도록 제1 저장조(2100)에 연결된 제8 배관(2480)을 더 포함한다.
원료인 물은 1Mega ohm cm 이상의 순수를 사용하며 순수의 공급은 제1 배관(2410) 중에 설치된 자동밸브(2411)의 조절에 의하여 공급된다. 자동밸브(2411_의 작동은 산소-물을 분리하는 동시에 물을 저장하는 제1 저장조(2100)에 위치하는 수위 감지용 레벨센서(2110)에 의해 제어된다.
제1 저장조(2100)의 물은 제2 배관(2420) 중에 설치된 순환 펌프(2421)를 거치며, 양극실(1500)로 유입된다. 제2 배관(2420)에는 열교환기(2422), 수질감지 센서(2423), 이온교환필터(2424)가 설치된다.
양극실(1500)에 존재하는 산소 가스와 물은 제3 배관(2430)을 통해 제1 저장조(2100)로 이동된다. 제3배관에는 양극실(1500)에서 배출되는 물의 온도를 감시하는 온도센서(2431)가 설치된다.
양극실(1500)에서 제1 저장조(2100)로 이동한 산소 가스는 제8 배관(2480)을 통해 외부 장치 또는 외부로 배출되며, 양극실(1500)에서 제1 저장조(2100)로 이동한 물은 양극실(1500)로 재순환된다.
그리고 음극실(1400)과 제2 저장조(2200)는 제4 배관(2440)을 통해 연결된다. 음극실(1400)에서 발생한 수소 가스는 이온교환막(1300)을 통해 양극실(1500)에서 음극실(1400)로 이동한 물과 함께 제4 배관(2440)을 통해 제2 저장소로 이동된다. 제2 저장소에서 수소 가스와 물이 분리된다.
제2 저장조(2200)는 제5 배관(2450)을 통해 제2 배관(2420)과 연결된다. 제2 저장조(2200)에서 수소 가스와 분리된 물은, 양극실(1500)에 재순환되도록 제5 배관(2450)을 통해 제2 배관(2420)으로 이동된다.
일예에 따르면, 제2 저장조(2200)에는 수위 감지용 레벨센서(2210)가 구비된다. 수위 감지용 레벨센서(2210)에서 발생된 신호에 따라 제2 저장조(2200)의 수위가 조절된다. 만약, 제2 저장조(2200)의 수위가 일정 변위 이상이면 제5 배관(2450)에 구비된 자동밸브(2451)를 오픈하여 제2 저장조(2200) 내의 물을 제2 배관(2420)으로 공급하게 된다.
한편, 제2 저장조(2200)에서 물과 분리된 수소 가스는 제6 배관(2460)을 통해서 가스정제기(2300)로 공급된다. 가스정제기(2300)에서 수소 가스 중에 함유된 수분이 제거된다. 가스정제기(2300)는 흡습제를 충진한 베드가 적용될 수 있다. 수분은 대기로 배출된다.
가스정제기(2300)를 거친 고순도의 수소 가스는 제7 배관(2470)을 통해 수소 가스를 필요로 하는 발전기에 공급된다. 이때, 제7 배관(2470)에는 가스정제기(2300)에서 발전기로 공급되는 수소 가스의 압력을 조절하는 압력조절밸브(2471)가 구비된다. 압력조절밸브(2471)의 전단과 후단에는 압력을 측정하는 압력센서(2472)가 구비된다. 압력조절밸브(2471) 일측에는 수소 가스의 흐름 방향을 일정 하게 유지하는 체크밸브(2473)가 구비된다.
위와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예의 수소 발생 시스템(2000)에 의하면, 물(순수)를 전기 분해해 수소 가스를 생성할 수 있고, 전기 분해시 발생된 산소 가스와 수소 가스를 수소 발생 장치(1000)로부터 제1 저장조(2100) 또는 제2 저장조(2200)로 적절히 이동시킬 수 있다. 따라서, 지속적으로 수소 가스 발생이 가능하며, 제2 저장조(2200)로부터 배출되는 가스의 양을 일정하게 조절할 경우, 균일한 양의 수소 가스를 발전기에 공급할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 발전기 냉각용 수소 공급 시스템(3000)은, 위 기재한 본 발명의 수소 발생 시스템(2000)과, 음극실(1400)과 발전기 냉각 라인을 연결하는 냉매 공급라인(3100)과, 음극실(1400)에서 발생된 수소 가스가 적정유량을 유지하면서 냉매 공급라인(3100)에 유입되도록 냉매 공급라인(3100) 전단에 구비된 전단압력조절기(3200)와, 냉매 공급라인(3100)에 흐르는 수소 가스가 적정유량을 유지하면서 냉각 라인에 유입되도록 냉매 공급라인(3100) 후단에 구비된 후단압력조절기(3300)와, 전단압력조절기(3200)와 후단압력조절기(3300) 사이에 위치하도록 냉매 공급라인(3100)에 장착된 쓰리웨이밸브(3400)를 포함한다.
전단압력조절기(3200)의 전단과 후단에 각각 압력센서(3210)가 위치되고, 전단압력조절기(3200)와 쓰리웨이밸브(3400) 사이에 유량계(3220)가 위치되고, 후단압력조절기(3300)와 냉각 라인 사이에 유량계(3310) 및 압력센서(3320)가 위치된다.
전단압력조절기(3200)는, 가스정제기(2300)에서 정제되고 전단압력조절기(3200)에 도달한 수소 가스에 의해 전단압력조절기(3200)에 가해지는 압력이 임계치 이상일 때 열리도록 작동한다. 이에 따라, 냉매 공급라인(3100)에는 균일한 양의 수소 가스가 유입된다. 전단압력조절기(3200) 전후단의 압력센서(3210)에서 측정된 신호에 따라 전단압력조절기(3200) 작동 타이밍을 조절함으로써, 전단압력조절기(3200) 전단과 후단의 압력차에 의한 수소 가스 역이동을 방지한다.
후단압력조절기(3300)는 후단압력조절기(3300)를 통과해 냉각 라인으로 유입되는 수소 가스의 압력을 일정하게 유지시킨다. 후단압력조절기(3300)에 의해 냉각 라인으로 유입되는 수소 가스의 압력이 일정하게 유지되므로, 수소 가스이 유량도 일정하게 유지된다.
후단압력조절기(3300)는, 냉매 공급라인(3100)을 통해 후단압력조절기(3300)에 도달한 수소 가스의 양이 적정치를 초과할 경우, 후단압력조절기(3300)에 도달한 수소 가스 중 일부를 대기중으로 배출한다.
쓰리웨이밸브(3400)는, 냉매 공급라인(3100)에 유동하는 수소 가스의 양이 적정치를 초과할 경우, 쓰리웨이밸브(3400)에 도달한 수소 가스 중 일부를 대기중으로 배출한다.
위와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예의 발전기 냉각용 수소 공급 시스템(3000)에 따르면, 물(순수)을 전기 분해함으로써, 수소 가스를 생성하게 되므로, 수소 발생 장치(1000)(전해셀)에 문제가 발생할 경우, 수소 발생 장치(1000)의 교체 및 정비가 손쉽고, 전단압력조절기(3200) 및 후단압력조절기(3300)를 통해 적정량의 수소 가스를 발전기에 지속적으로 공급할 수 있다. 특히, 쓰리웨이밸브(3400)에 의해서 수소 가스가 적정치를 초과해 누출될 가능성이 있을 때, 수소 가스를 대기 중으로 배출하므로, 수소 가스 점화에 의한 폭발 사고가 방지된다.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 일실시예의 발전기 냉각용 수소 공급 시스템(3000)의 수소 공급유량과 수소 공급압력의 조정능력을 보여주는 그래프이다.
도 4의 그래프는, 본 발명의 일실시예의 발전기 냉각용 수소 공급 시스템(3000)을 정압시험용 가스 용기와 연결하고 가스 용기 내 수소 압력 조절이 가능한지 확인한 결과이다.
수소 발생 장치(1000)에 60A, 70A, 80A의 3가지 전류를 인가해 각각의 전류값에 비례하는 양 혹은 압력의 수소를 생산하고, 가스 용기의 수소 압력이 초기 2.1bar에서 2.8bar 및 3.2bar가 되도록 충진하여 압력을 유지하였다.
시험결과 수소 발생 장치(1000)에서 생산된 수소 가스의 양은 전류가 상승함에 따라 일정 양씩 상승하였다. 가스용기 압력이 초기 2.1bar에서 설정압력인 2.8bar까지 상승하는 동안은 수소가 공급되다가(도 5의 검정색 실선 화살표 참조) 설정압력인 2.8bar에 도달하면 자동으로 수소 공급이 중지되면서 설정압력이 유지(도 5의 검정색 점선 화살표 참조)되었다.
다시 설정압력을 3.2bar로 상승하면 수소 공급이 재기되다가 설정압력에 도달하면 수소 공급이 중지되면서 설정압력이 유지되었다. 60A, 70A, 80A 3가지 전류에 대해 모두 설정압력이 유지되었다.
도 5의 그래프는, 본 발명의 일실시예의 발전기 냉각용 수소 공급 시스템(3000)과 발전기를 직접 연결하고, 발전기 압력을 확인하는 시험을 진행한 결과이다.
발전기의 압력을 2.9bar로 맞추고 본 발명의 일실시예의 발전기 냉각용 수소 공급 시스템(3000)(이하, 본 시스템)을 연결하여 2.9bar를 유지할 수 있는 지와 2.9bar이상 증가할 수 있는지 여부를 확인였다.
발전기의 경우 수소를 보통 하루에 1.5병(120kg/cm2, 47L 기준) 정도 소모하며 이를 본 시스템에서 생산하는 수소양으로 환산하면 약 5.8L/min가 나오며 이를 전류로 환산하면 약 95A가 필요함을 알 수 있다.
이를 토대로 본 시스템과 발전기를 연결하고 본 시스템을 80A에서 6시간, 90A에서 6시간, 100A에서 6시간, 110A에서 5시간 100A에서 1시간 유지하며(총 24시간) 연속 운전 하였다. 그 결과, 본 시스템이 적용되지 않은 발전기가 24시간 작동된 후, 발전기 내부에 존재하는 수소의 압력 변화와 대비해, 일정 오차 내에서 수소 압력을 유지함을 알 수 있다.
1000: 수소 발생 장치
1100: 음극
1200: 양극 1300: 이온교환막
1400: 음극실 1410: 프레임
1420: 분리판 1430: 패킹
1440: 압력패드 1500: 양극실
1600: 전류분배판 2000: 수소 발생 시스템
2100: 제1 저장조 2200: 제2 저장조
2300: 가스정제기 2410: 제1 배관
2420: 제2 배관 2430: 제3 배관
2440: 제4 배관 2450: 제5 배관
2460: 제6 배관 2470: 제7 배관
2480: 제8 배관 3000: 발전기 냉각용 수소 공급 시스템
3100: 냉매 공급라인 3200: 전단압력조절기
3300: 후단압력조절기 3400: 쓰리웨이밸브
1200: 양극 1300: 이온교환막
1400: 음극실 1410: 프레임
1420: 분리판 1430: 패킹
1440: 압력패드 1500: 양극실
1600: 전류분배판 2000: 수소 발생 시스템
2100: 제1 저장조 2200: 제2 저장조
2300: 가스정제기 2410: 제1 배관
2420: 제2 배관 2430: 제3 배관
2440: 제4 배관 2450: 제5 배관
2460: 제6 배관 2470: 제7 배관
2480: 제8 배관 3000: 발전기 냉각용 수소 공급 시스템
3100: 냉매 공급라인 3200: 전단압력조절기
3300: 후단압력조절기 3400: 쓰리웨이밸브
Claims (12)
- 수소이온이 수소 가스로 변환되는 음극;
물이 수소이온, 산소 가스, 전하로 변환되는 양극;
상기 음극 및 상기 양극 사이에 위치되고, 상기 양극에서 발생된 상기 수소 가스를 상기 음극으로 전달하는 이온교환막;
상기 음극이 내장되도록 상기 이온교환막 일면에 형성된 음극실;
상기 양극이 내장되도록 상기 이온교환막 타면에 형성된 양극실;
전하를 상기 음극에 전달하거나, 전하를 상기 양극으로부터 전달받도록 상기 음극실 및 상기 양극실 각각에 내장된 전류분배판을 포함하는 수소 발생 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 음극실과 상기 양극실은,
상기 이온교환막의 일면 및 타면 각각에 마주보도록 위치되고, 상면과 하면이 개구된 박스 형태의 프레임;
상기 음극실과 상기 양극실을 밀폐하도록 개구된 상기 프레임의 일면을 덮는 분리판;
상기 음극실 및 상기 양극실에 존재하는 물, 가스의 누출을 방지하도록 상기 프레임과 상기 분리판 사이에 장착된 패킹을 포함하며,
상기 프레임 및 상기 패킹에는,
상기 음극실에 존재하는 물, 수소 가스를 배출하거나,
상기 양극실에 존재하는 물, 산소 가스를 배출할 수 있도록 홀이 형성된 수소 발생 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 음극실은,
상기 음극실 내부에 위치된 상기 전류분배판을 고정하는 압력패드를 더 포함하는 수소 발생 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 이온교환막의 넓이는 상기 전류분배판의 넓이보다 크고,
상기 전류분배판의 넓이는 상기 음극 및 상기 양극의 넓이보다 큰 수소 발생 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 음극실에 내장된 상기 전류분배판과, 상기 양극실에 내장된 상기 전류분배판은, 상기 음극실 및 상기 양극실 밖에서 서로 연결된 수소 발생 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 음극실에 내장된 상기 전류분배판과, 상기 양극실에 내장된 상기 전류분배판은, 외부 전원 장치와 개별적으로 연결된 수소 발생 장치.
- 청구항 1에 기재된 수소 발생 장치를 포함하는 수소 발생 시스템에 있어서,
상기 양극실로 물을 공급하고, 상기 양극실로부터 물, 산소 가스를 회수하는 제1 저장조;
상기 음극실로부터 물, 수소 가스를 회수하는 제2 저장조;
상기 제2 저장조에 포집된 수소 가스로부터 수분을 증발시키는 가스정제기를 더 포함하는 수소 발생 시스템.
- 제7항에 있어서,
상기 제1 저장조로 물을 공급하는 제1 배관;
물을 공급하도록 상기 제1 저장조와 상기 양극실을 연결하는 제2 배관;
물, 산소 가스를 회수하도록 상기 제1 저장조와 상기 양극실을 연결하는 제3 배관;
물, 수소 가스를 회수하도록 상기 제2 저장조와 상기 음극실을 연결하는 제4 배관;
상기 제2 저장조에 존재하는 물을 상기 양극실에 공급하도록 상기 제2 저장조와 상기 제2 배관을 연결하는 제5 배관;
상기 제2 저장조에 포집된 수소 가스를 상기 가스정제기에 공급하도록 상기 제2 저장조와 상기 가스정제기를 연결하는 제6 배관;
상기 가스정제기로부터 수분이 제거된 수소 가스를 외부장치로 전달하도록 상기 가스정제기에 연결된 제7 배관;
상기 제1 저장조에 포집된 산소 가스를 외부장치로 전달하도록 상기 제1 저장조에 연결된 제8 배관을 더 포함하는 수소 발생 시스템.
- 청구항 1에 기재된 수소 발생 장치를 포함하는 발전기 냉각용 수소 공급 시스템에 있어서,
상기 음극실과 발전기 냉각 라인을 연결하는 냉매 공급라인;
상기 음극실에서 발생된 수소 가스가 적정유량을 유지하면서 상기 냉매 공급라인에 유입되도록 상기 냉매 공급라인 전단에 구비된 전단압력조절기;
상기 냉매 공급라인에 흐르는 수소 가스가 적정유량을 유지하면서 상기 냉각 라인에 유입되도록 상기 냉매 공급라인 후단에 구비된 후단압력조절기;
상기 전단압력조절기와 상기 후단압력조절기 사이에 위치하도록 상기 냉매 공급라인에 장착된 쓰리웨이밸브를 더 포함하는 발전기 냉각용 수소 공급 시스템.
- 제9항에 있어서,
상기 후단압력조절기는,
상기 냉매 공급라인을 통해 상기 후단압력조절기에 도달한 수소 가스의 양이 적정치를 초과할 경우, 상기 후단압력조절기에 도달한 수소 가스 중 일부를 대기중으로 배출하는 발전기 냉각용 수소 공급 시스템.
- 제9항에 있어서,
상기 쓰리웨이밸브는,
상기 냉매 공급라인에 유동하는 수소 가스의 양이 적정치를 초과할 경우, 상기 쓰리웨이밸브에 도달한 수소 가스 중 일부를 대기중으로 배출하는 발전기 냉각용 수소 공급 시스템.
- 제9항에 있어서,
상기 전단압력조절기의 전단과 후단에 각각 압력센서가 위치되고,
상기 전단압력조절기와 상기 쓰리웨이밸브 사이에 유량계가 위치되고,
상기 후단압력조절기와 상기 냉각 라인 사이에 유량계 및 압력센서가 위치된 발전기 냉각용 수소 공급 시스템.
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