KR20210022167A - 에너지저장장치의 화재예방용 질소발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 에너지저장장치의 내부 또는 외부 공간에 구비되며, 대기 중의 공기를 압축하는 공기압축기; 상기 공기압축기의 압력증가에 따라 응축되는 수분을 제거하는 건조기; 및 상기 건조된 압축공기로부터 질소를 농축하는 질소농축수단;을 포함하는, 에너지저장장치의 화재예방용 질소발생기에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 에너지저장장치의 내부 또는 외부 공간에 질소농축수단을 포함하는 질소발생기가 구비됨으로써 에너지저장장치 내부를 불활성가스인 질소분위기로 조성하여 산소농도를 5% 수준 이하로 낮출 수 있으므로, 에너지저장장치에서 발생할 수 있는 화재를 근본적으로 예방할 수 있다.

Description

에너지저장장치의 화재예방용 질소발생기{Nitrogen gas generator for preventing fire of energy storage system}
본 발명은 에너지저장장치의 화재예방용 질소발생기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에너지저장장치에 구비되어 산소 농도를 5% 수준 이하로 제어함으로써 화재를 예방할 수 있는 질소발생기에 관한 것이다.
최근 자원고갈 및 지구온난화 등의 환경문제 이슈와 함께 기존의 화석연료를 대체할 신재생에너지에 대한 관심과 연구가 증가하고 있다. 우리나라를 비롯하여 일본, 미국, 유럽 등 전 세계적으로 다양한 정책 등을 통해 신재생에너지의 비중을 높이기 위한 노력을 기울이고 있는바, 신재생에너지와 연계하여 가장 중요한 것 중의 하나가 바로 에너지저장장치라 할 수 있다.
에너지저장장치(Energy Storage System, ESS)는 생산된 전기를 저장장치(배터리 등)에 저장했다가 전력이 필요할 때 공급함으로써 전력사용의 효율을 향상시키는 것이다. 이러한 에너지저장장치는 크게 전력저장원(배터리, 슈퍼커패시터 등), 배터리의 상태나 동작을 감시하는 배터리관리장치(Battery Management System, BMS), 배터리에 저장된 전기에너지를 방전, 또는 전력을 직류로 변환하여 배터리를 충전하는 전력변환장치(Power Conditioning System, PCS) 및 에너지저장장치 내의 에너지소비를 감시하고 규제하여 전력을 관리하는 에너지관리시스템(Energy Management System, EMS)으로 구성된다.
그런데 상기 에너지저장장치의 구성요소 중 BMS 등의 오류로 인하여 이상 고전압 차단, 열 감지, 배터리체크 등의 사전 감시기능을 수행하지 못함으로써 최근 2년간 20여건 이상의 화재가 발생하여 많은 피해가 나타나는 문제가 발생하고 있다. 그러나 아직까지 에너지저장장치의 구성요소들에 대한 작동오류를 점거하여 개선하는 방법 이외에 화재예방을 위한 별도의 대책이 마련되지 않은 실정이다.
한편, 에너지저장장치에서 주변의 이상 고온, 작동오류 등의 다양한 이유로 폭발 또는 화재가 발생할 수도 있음에 주목하여 수년전부터 이를 처치하는 기술이 공지된바 있으나, 선행문헌에 공지된 기술들은 대부분 화재발생 후 조치로서 에너지저장장치에 화재억제물질 또는 소화약제를 공급하는 장치가 설치되는 것들에 국한되어 있어, 에너지저장장치의 화재를 근본적으로 예방할 수 있는 기술이 구체적으로 알려진 바 없다.
그러므로 본 발명자는 에너지저장장치의 화재예방을 위한 연구를 거듭한 결과, 에너지저장장치의 내부 또는 외부에 질소발생기를 구비하여 불활성가스인 질소분위기로 조성함으로써 산소농도를 5% 수준 이하로 낮출 수 있으면 에너지저장장치에서 발생할 수 있는 화재를 근본적으로 예방할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
특허문헌 1. 한국등록특허 제10-1841803호 특허문헌 2. 한국공개특허 제10-2014-0005236호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 에너지저장장치에서 발생할 수 있는 화재를 근본적으로 예방하기 위하여 에너지저장장치에 구비되는 질소발생기를 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 에너지저장장치의 내부 또는 외부 공간에 구비되며, 대기 중의 공기를 압축하는 공기압축기; 상기 공기압축기의 압력증가에 따라 응축되는 수분을 제거하는 건조기; 및 상기 건조된 압축공기로부터 질소를 농축하는 질소농축수단;을 포함하는, 에너지저장장치의 화재예방용 질소발생기를 제공한다.
상기 질소발생기는 배터리 스택 공간의 산소농도를 측정하는 산소농도센서를 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 질소발생기를 운전하여 12시간 후 에너지저장장치의 내부 산소농도가 5% 이하로 도달하는 것을 특징으로 한다.
상기 질소농축수단은 분리막 모듈, 압력스윙흡착 장치 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 한다.
상기 분리막의 소재는 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리아크릴로니트릴 및 셀룰로오즈아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 한다.
상기 분리막은 평막, 나권형막 또는 중공사막인 것을 특징으로 한다.
상기 나권형막 또는 중공사막은 표면이 폴리디메틸실록산 또는 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌/프로필렌 글리콜을 포함하는 반복단위가 그라프트된 유기폴리실록산 공중합체로 코팅된 것을 특징으로 한다.
상기 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌/프로필렌 글리콜을 포함하는 반복단위가 그라프트된 유기폴리실록산 공중합체는 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜) 메틸 에테르, 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌/프로필렌 글리콜) 메틸 에테르, 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜), 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌/프로필렌 글리콜), 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜) 3-아미노프로필 에테르 또는 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜) [3-(트리메틸암모니오)프로필 클로라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 에너지저장장치의 내부 또는 외부 공간에 질소농축수단을 포함하는 질소발생기가 구비됨으로써 에너지저장장치 내부를 불활성가스인 질소분위기로 조성하여 산소농도를 5% 수준 이하로 낮출 수 있으므로, 에너지저장장치에서 발생할 수 있는 화재를 근본적으로 예방할 수 있다.
도 1은 통상의 에너지저장장치를 나타낸 모사도.
도 2는 본 발명에 따라 에너지저장장치의 내부 또는 외부에 구비되는 질소발생기의 구성도.
이하에서는 본 발명에 따른 에너지저장장치의 화재예방용 질소발생기에 관하여 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 에너지저장장치의 내부 또는 외부 공간에 구비되며, 대기 중의 공기를 압축하는 공기압축기; 상기 공기압축기의 압력증가에 따라 응축되는 수분을 제거하는 건조기; 및 상기 건조된 압축공기로부터 질소를 농축하는 질소농축수단;을 포함하는, 에너지저장장치의 화재예방용 질소발생기를 제공한다.
특히, 본 발명에 따른 질소발생기를 에너지저장장치의 내부에 구비하는 경우에는 에너지저장장치의 배터리관리장치(Battery Management System, BMS) 공간에 설치하여 배터리 스택 공간에 질소를 공급하는 것이 바람직하다.
도 1에는 통상의 에너지저장장치를 모사한 그림을 나타내었다. 일반적으로 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS)는 배터리와 같은 전력저장원, 배터리의 상태나 동작을 감시하는 배터리관리장치(Battery Management System, BMS), 배터리에 저장된 전기에너지를 방전, 또는 전력을 직류로 변환하여 배터리를 충전하는 전력변환장치(Power Conditioning System, PCS) 및 에너지저장장치 내의 에너지소비를 감시하고 규제하여 전력을 관리하는 에너지관리시스템(Energy Management System, EMS)을 필수구성요소로 한다.
본 발명에 따른 질소발생기는 상기 에너지저장장치의 내부 또는 외부에 구비되어 배터리 스택 공간에 질소를 공급하는 바, 아래에서는 도 2에 나타낸 질소발생기의 구성도를 참고하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 2에서 보는 것처럼 질소발생기는 대기 중의 공기를 압축하는 공기압축기(1), 압력증가에 따라 응축되는 수분을 제거하고, 압축공기의 수분 노점(dew point)을 -20℃ 이하로 떨어뜨리는 멤브레인 드라이어, 흡착식 내지 냉각식 건조기(3), 및 상기 건조된 압축공기로부터 질소를 농축하는 질소농축수단(6)을 필수구성요소로 하며, 경우에 따라 압축공기 중의 잔여 수분, 분진 및 오염물질을 제거하는 수분 분리기(2) 내지 필터(4, 5)를 설치할 수도 있다.
또한, 상기 질소발생기는 배터리 스택 공간의 산소농도를 측정하는 산소농도센서를 더욱 포함할 수 있으며, 질소발생기를 운전하여 12시간 후 에너지저장장치의 내부 산소농도가 5% 이하로 도달하는 것을 기술적 특징으로 한다.
상기 질소농축수단(3)은 분리막 모듈, 압력스윙흡착(PSA) 장치 또는 이들의 조합인 것일 수 있다. 특히, 분리막 모듈을 적용하는 경우에는 분리막 모듈의 투과부(permeate)로 산소가 농축되며, 배제부(retentate)로 질소농축공기가 발생하는 것인바, 구동 압력 및 온도에 따라 투과부와 배제부의 유량이 변하고, 그에 따른 질소농축공기의 농도가 변하게 된다.
또한, 상기 분리막 모듈에 사용되는 분리막의 소재로서는 유리상 고분자를 사용하는바, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리아크릴로니트릴 및 셀룰로오즈아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 사용할 수 있고, 폴리술폰 또는 폴리에테르이미드가 더욱 바람직하다. 일반적으로 기체를 분리하는 경우에는 투과도는 낮지만 상대적으로 높은 선택도를 기대할 수 있다는 점에서 고분자 사슬간의 인력이 높은 유리상의 고분자를 기재로 이용한다.
또한, 상기 분리막은 그 형태에 제한이 없는데, 평막일 수도 있고, 나권형막일 수도 있으며, 중공사막일 수도 있는바, 중공사막이 더욱 바람직하다.
상기 나권형막 또는 중공사막을 사용하는 경우에는 중공사막의 표면이 폴리디메틸실록산 또는 폴리리에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌/프로필렌 글리콜을 포함하는 반복단위가 그라프트된 유기폴리실록산 공중합체로 코팅된 것일 수 있다.
이때, 상기 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌/프로필렌 글리콜을 포함하는 반복단위가 그라프트된 유기폴리실록산 공중합체로서는 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜) 메틸 에테르, 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌/프로필렌 글리콜) 메틸 에테르, 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜), 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌/프로필렌 글리콜), 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜) 3-아미노프로필 에테르 또는 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜) [3-(트리메틸암모니오)프로필 클로라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 사용한다.
또한, 상기 중공사막이 집적된 중공사막 모듈은, 막 모듈의 하우징 내에 1,000~300,000 가닥의 중공사 다발이 삽입되고, 막 모듈의 양 말단은 포팅제에 의해 차단된다. 상기 막 모듈의 하우징은 알루미늄, 탄소강, 스테인레스 또는 내열성 플라스틱 소재로 제작한다.
또한, 본 발명에 따른 질소발생기가 구비된 에너지저장장치를 운전 시, 안전을 위하여 에너지저장장치 내부에 사람이 들어갈 때에는 산소농도를 대기농도로 치환할 수 있도록 환기시설을 설치하고, 내부의 산소농도가 대기보다 낮을 경우에는 출입이 불가하도록 제어할 수 있는 장치를 추가로 설치할 수 있다.
(실시예 1 내지 3)
20ft 컨테이너 규모의 에너지저장장치를 구성하고, 도 2에 나타낸 질소발생기(질소농축수단으로 폴리술폰 중공사막 모듈을 사용)를 에너지저장장치의 배터리 스택 공간에 설치 및 운전하여 시간의 경과에 따른 컨테이너 내부의 질소농도를 측정하고 그 결과를 표 1에 나타내었다(실시예 1 : 질소농도 95%, 발생량 10Nm3/hr, 실시예 2 : 질소농도 97%, 발생량 6.8Nm3/hr, 실시예 3 : 질소농도 99%, 발생량 3.5Nm3/hr).
하기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 컨테이너 내부의 질소농도 측정결과, 실시예 2가 목표농도인 산소농도 5% 이하에 도달하는 시간이 가장 짧은 것을 확인할 수 있었으며 12시간 후에 목표농도에 도달하였다.
다만, 실시예 1의 경우는 발생농도와 목표농도의 차이가 없어 계속하여 같은 농도를 유지하였으며, 17시간 이후에는 농도의 변화 없이 같은 농도를 나타내었다.
한편, 실시예 3은 18시간 이후 목표농도인 산소농도 5% 이하에 도달하였는바, 이는 질소발생기로부터의 질소발생량이 작아서 실시예 2에 비하여 목표농도에 도달하는 시간이 더 오래 걸리는 것으로 해석된다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3
시간(hr) 질소농도 시간(hr) 질소농도 시간(hr) 질소농도
1 0.823 1 0.812 1 0.798
2 0.854 2 0.839 2 0.815
3 0.878 3 0.861 3 0.830
4 0.896 4 0.880 4 0.844
5 0.910 5 0.895 5 0.857
6 0.920 6 0.908 6 0.869
7 0.927 7 0.918 7 0.879
8 0.933 8 0.927 8 0.889
9 0.937 9 0.934 9 0.898
10 0.940 10 0.941 10 0.906
11 0.943 11 0.946 11 0.913
12 0.945 12 0.950 12 0.920
13 0.946 13 0.953 13 0.926
14 0.947 14 0.956 14 0.932
15 0.948 15 0.958 15 0.937
16 0.948 16 0.960 16 0.941
17 0.949 17 0.946
18 0.949 18 0.950
19 0.949 19 0.953
20 0.949
그러므로 본 발명에 따르면, 에너지저장장치의 내부 또는 외부 공간에 질소농축수단을 포함하는 질소발생기가 구비됨으로써 에너지저장장치 내부를 불활성가스인 질소분위기로 조성하여 산소농도를 5% 수준 이하로 낮출 수 있으므로, 에너지저장장치에서 발생할 수 있는 화재를 근본적으로 예방할 수 있다.
1 : 공기압축기
2 : 수분 분리기
3 : 건조기
4 : 필터
5 : 활성탄 상/필터
6 : 질소농축수단

Claims (8)

  1. 에너지저장장치의 내부 또는 외부 공간에 구비되며,
    대기 중의 공기를 압축하는 공기압축기;
    상기 공기압축기의 압력증가에 따라 응축되는 수분을 제거하는 건조기; 및
    상기 건조된 압축공기로부터 질소를 농축하는 질소농축수단;을 포함하는, 에너지저장장치의 화재예방용 질소발생기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 질소발생기는 배터리 스택 공간의 산소농도를 측정하는 산소농도센서를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 화재예방용 질소발생기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 질소발생기를 운전하여 12시간 후 에너지저장장치의 내부 산소농도가 5% 이하로 도달하는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 화재예방용 질소발생기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 질소농축수단은 분리막 모듈, 압력스윙흡착 장치 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 화재예방용 질소발생기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 분리막의 소재는 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리아크릴로니트릴 및 셀룰로오즈아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 화재예방용 질소발생기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 분리막은 평막, 나권형막 또는 중공사막인 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 화재예방용 질소발생기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 나권형막 또는 중공사막은 표면이 폴리디메틸실록산 또는 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌/프로필렌 글리콜을 포함하는 반복단위가 그라프트된 유기폴리실록산 공중합체로 코팅된 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 화재예방용 질소발생기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌/프로필렌 글리콜을 포함하는 반복단위가 그라프트된 유기폴리실록산 공중합체는 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜) 메틸 에테르, 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌/프로필렌 글리콜) 메틸 에테르, 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜), 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌/프로필렌 글리콜), 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜) 3-아미노프로필 에테르 또는 폴리[디메틸실록산-co-메틸(3-히드록시프로필)실록산]-그라프트-폴리(에틸렌 글리콜) [3-(트리메틸암모니오)프로필 클로라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 화재예방용 질소발생기.
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