KR20220149084A - 수전해 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

수전해 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20220149084A
KR20220149084A KR1020210056260A KR20210056260A KR20220149084A KR 20220149084 A KR20220149084 A KR 20220149084A KR 1020210056260 A KR1020210056260 A KR 1020210056260A KR 20210056260 A KR20210056260 A KR 20210056260A KR 20220149084 A KR20220149084 A KR 20220149084A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
water electrolysis
hydrogen
flow rate
gas
liquid separator
Prior art date
Application number
KR1020210056260A
Other languages
English (en)
Inventor
박준근
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사, 기아 주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020210056260A priority Critical patent/KR20220149084A/ko
Publication of KR20220149084A publication Critical patent/KR20220149084A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B15/083—Separating products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C25B15/023—Measuring, analysing or testing during electrolytic production
    • C25B15/025—Measuring, analysing or testing during electrolytic production of electrolyte parameters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

본 발명은 수전해 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 수전해 반응을 통해 수소와 산소를 생성하는 수전해 스택, 제1 입구와 제2 입구를 가지는 제1 기액분리기, 상기 수전해 스택과 상기 제1 기액분리기 사이에 배치되며 상기 제1 입구와 상기 제2 입구로 공급되는 유량을 조절하는 제어 밸브, 및 상기 수전해 스택에서 상기 제1 기액분리기로 배출되는 혼합유체 내 수소 농도를 추정하고 추정된 수소 농도에 근거하여 상기 제어 밸브를 제어하는 제어기를 포함한다.

Description

수전해 시스템 및 그 제어 방법{WATER ELECTROLYSIS SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 수전해 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
수전해 시스템은 물의 전기분해 즉, 수전해를 이용하여 수소 기체를 생산하는 것으로, 전해질 종류에 따라 크게 고분자 전해질막 수전해(Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolysis, PEMWE)와 알칼리형 수전해(Alkaline Water Electrolysis, AWE)로 구분할 수 있다. 이 중 고분자 전해질막 수전해는 다양한 운전조건에서 최소 수십 kg 이상의 높은 수소 생산량을 발휘하기 위하여 넓은 전류 밀도 범위에서 안정적인 작동이 요구된다.
수전해가 요구하는 출력 수준을 충족하기 위해 단위 셀(unit cell)들을 적층하여 조립한 스택(stack) 형태로 사용하게 된다. 단위 셀은 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 구성되는 막-전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)를 포함한다. 막-전극 접합체의 바깥부분에는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL) 및 가스켓(gasket) 등이 적층되고, 애노드가 위치한 바깥부분에는 기공성물질전달층(Porous Transport Layer, PTL) 및 가스켓 등이 적층되며, 기체확산층과 기공성물질전달층 바깥쪽에는 반응유체(연료인 물)를 공급하고 생성가스(수소 및 산소)를 배출하며 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 선택적으로 적용된다. 이러한 단위 셀을 수 백장 적층한 뒤 가장 바깥쪽에는 단위 셀들을 지지하기 위한 엔드 플레이트(end plate)를 결합한다.
수전해의 수소를 생성하기 위한 전기화학반응(electrochemical reaction)은 전해질막과 막-전극 접합체에서 발생한다. 수전해의 산화극인 애노드에 공급된 물이 수소이온(Proton), 전자(Electron) 및 산소로 분리된 후, 수소이온은 막을 통해 환원극인 캐소드로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 이동하며 산소는 애노드 출구로 배출된다. 수소이온과 전자는 캐소드에서 수소로 전환되며, 이 반응을 위해서 전기를 한다.
수전해 시스템은 크게 물 공급부, 수소 배출부, 온도조절부로 구성된다. 물 공급부는 물 속의 불순물을 제거하기 위한 물 필터, 이온을 제거하기 위한 이온제거기, 물 저장 탱크, 공급 펌프, 산소와 물을 분리하기 위한 기액분리기, 수소농도센서, 이온농도센서, 및 수소농도센서 전 수분을 제거하기 위한 수분제거기 등으로 구성된다. 수소배출부는 수소와 물을 분리하기 위한 기액분리기, 수소 내 산소를 제거하기 위한 탈산소제, 수소 내 수분을 제거하기 위한 수분제거기, 수소저장탱크, 압력센서, 수소농도센서, 산소농도센서, 및 온도센서 등으로 구성된다. 온도조절부에는 온도 조절을 위한 냉각수 저장탱크, 냉각수 공급펌프, 열교환기 및 온도센서 등이 선택적으로 추가된다.
수전해 시스템은 수소를 생산하는 시스템이므로 안전성을 유지하는 것이 가장 중요하다. 수소는 연소범위가 넓고(4~75vol%), 최소착화에너지(0.02 mJ)가 매우 작아 착화가 용이하며, 무색무취이기 때문에 누출 시 식별이 어렵고 다른 화석연료에 비해 연소속도(공기 중 0.1 MPa 일 때 2.65 m/s)가 빠르다. 특히 산소와 혼합될 경우 연소속도(산소 중 0.1 MPa 일 때 14.36 m/s)가 비약적으로 증가하기 때문에 수소와 산소의 혼합에 의한 폭발을 방지하는 것이 아주 중요하다. 수전해 시스템을 장기간 운전하는 경우 막 열화가 발생하여 캐소드의 수소가 애노드로 이동(Cross Over) 하기 때문에 애노드에서 수소와 산소의 혼합이 발생한다. 일반적으로 애노드 출구 가스 농도를 측정하여 일정 농도(예: 2.0%) 이상이면 시스템을 정지시킨다. 시스템 정지 기준 농도가 낮을 수록 안전성은 향상되지만, 잦은 정지로 인해 사용자의 불편을 초래하고 시스템 운전 기간이 짧아지므로 상품성이 떨어진다. 시스템 정지 기준 농도가 높을 수록 시스템 운전 기간이 늘어나지만, 안전성이 떨어진다. 그러므로 안전성을 유지시키면서 시스템 사용기한을 늘릴 수 있는 기술이 필요하다.
본 발명은 페일-세이프(Fail-Safe) 모드를 적용하여 수전해 스택의 애노드(anode)에 수소가 존재하는 상황에서도 안전성을 유지하며 동작시킬 수 있는 수전해 시스템 및 그 제어 방법을 제공하고자 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시 예들에 따른 수전해 시스템은 수전해 반응을 통해 수소와 산소를 생성하는 수전해 스택, 제1 입구와 제2 입구를 가지는 제1 기액분리기, 상기 수전해 스택과 상기 제1 기액분리기 사이에 배치되며 상기 제1 입구와 상기 제2 입구로 공급되는 유량을 조절하는 제어 밸브, 및 상기 수전해 스택에서 상기 제1 기액분리기로 배출되는 혼합유체 내 수소 농도를 추정하고 추정된 수소 농도에 근거하여 상기 제어 밸브를 제어하는 제어기를 포함한다.
상기 제1 기액분리기는 상기 혼합유체가 통과하는 구간을 조절하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 입구로 공급되는 혼합유체가 통과하는 구간이 상기 제1 입구로 공급되는 혼합유체가 통과하는 구간보다 짧은 것을 특징으로 한다.
상기 제1 기액분리기는 2개의 기액분리기가 2단으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제어 밸브는 가변식 3방 밸브로 구현되는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는 상기 수전해 스택의 애노드 출구에서 배출되는 혼합유체 내 수소 농도에 따라 상기 제어 밸브의 개도율을 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는 상기 수전해 스택의 캐소드로부터 배출되는 제1 수소 유량을 추정하고, 상기 수전해 스택의 캐소드로부터 배출되어 제2 기액분리기를 통과하는 제2 수소 유량을 측정하고, 상기 제1 수소 유량과 상기 제2 수소 유량을 이용하여 상기 캐소드에서 애노드로 크로스 오버되는 제3 수소 유량을 추정하고, 상기 수전해 스택의 애노드로부터 배출되는 산소 유량을 추정하고, 상기 산소 유량과 상기 제3 수소 유량을 이용하여 애노드 수소 농도를 추정하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는 상기 추정된 수소 농도가 증가할수록 상기 제2 입구로 공급되는 유량을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는 상기 추정된 수소 농도가 제1 기준 농도를 초과하는 경우 경고 메시지를 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는 상기 추정된 수소 농도가 상기 제1 기준 농도를 초과하는 상태에서 기준 시간 경과 시 상기 수전해 시스템을 정지하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는 상기 추정된 수소 농도가 제2 기준 농도를 초과하는 경우 상기 수전해 시스템을 정지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 수전해 시스템 제어 방법은 수전해 스택에서 제1 기액분리기로 배출되는 혼합유체 내 수소 농도를 추정하는 단계, 및 추정된 수소 농도에 근거하여 상기 제1 기액분리기의 제1 입구와 제2 입구로 공급되는 유량을 조절하기 위해 상기 수전해 스택과 상기 제1 기액분리기 사이에 배치되는 제어 밸브를 제어하는 단계를 포함한다.
상기 혼합유체 내 수소 농도를 추정하는 단계는 상기 수전해 스택의 캐소드로부터 배출되는 제1 수소 유량을 추정하는 단계, 상기 수전해 스택의 캐소드로부터 배출되어 제2 기액분리기를 통과하는 제2 수소 유량을 측정하는 단계, 상기 제1 수소 유량과 상기 제2 수소 유량을 이용하여 상기 캐소드에서 애노드로 크로스 오버되는 제3 수소 유량을 추정하는 단계, 상기 수전해 스택의 애노드로부터 배출되는 산소 유량을 추정하는 단계, 및 상기 산소 유량과 상기 제3 수소 유량을 이용하여 애노드 수소 농도를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어 밸브를 제어하는 단계는, 상기 추정된 수소 농도에 따라 상기 제어 밸브의 개도율를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어 밸브를 제어하는 단계는, 상기 추정된 수소 농도가 증가할수록 상기 제2 입구로 공급되는 유량을 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 수전해 시스템 제어 방법은 상기 추정된 수소 농도가 제1 기준 농도를 초과하는 경우 경고 메시지를 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 수전해 시스템 제어 방법은 상기 추정된 수소 농도가 상기 제1 기준 농도를 초과하는 상태에서 기준 시간이 경과하면 상기 수전해 시스템을 정지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 수전해 시스템 제어 방법은 상기 추정된 수소 농도가 제2 기준 농도를 초과하는 경우 상기 수전해 시스템을 정지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 애노드 출구로부터 배출되는 산소 및 수소 가스가 기액분리기를 통과하는 구간을 조절하여 산소 및 수소 가스에 포함된 물의 양을 제어함으로써 산소와 수소의 혼합에 의한 폭발 위험성을 낮출 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 막 열화에 의해 캐소드의 수소가 애노드로 이동하여 수소와 산소가 혼합된 상황에서도 시스템의 운전이 가능하므로, 시스템 운전 시간을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 애노드 수소농도센서 제거를 통한 비용 절감 및 수소농도센서 경로를 제거함으로써 시스템 구성을 간소화할 수 있으며, 시스템 운전 중 수소농도센서를 보정하는 단계를 생략함으로써 제어 전략을 간략화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 수전해 시스템을 도시한 블록구성도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기액분리기를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 기액분리기를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 기액분리기를 이용하는 수전해 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예들에 따른 수전해 시스템 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 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 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 수전해 시스템을 도시한 블록구성도이다.
도 1을 참조하면, 수전해 시스템(100)은 이온제거필터(110), 물 탱크(120), 수전해 스택(130), 제어 밸브(140), 제1 기액분리기(150), 제2 기액분리기(160), 수소 유량계(170) 및 제어기(180)를 포함할 수 있다.
이온제거필터(110)는 수전해 시스템(100)으로 공급되는 물에서 이온을 제거할 수 있다. 이온제거필터(110)는 물 속의 불순물을 제거하기 위한 필터를 더 포함할 수도 있다.
물 탱크(120)는 이온제거필터(110)에 의해 이온이 제거된 물을 저장할 수 있다.
수전해 스택(130)은 복수 개의 단위 셀이 적층되어 형성될 수 있다. 단위 셀은 고분자 전해질막(Polymer Electrolyte Membrane, PEM), 고분자 전해질막의 양측에 각각 배치되는 애노드(anode)와 캐소드(cathode)를 포함할 수 있다. 수전해 스택(130)은 전류 공급 장치(미도시)로부터 전류가 공급되면 작동할 수 있다. 수전해 스택(130)은 수전해 반응을 통해 산소와 수소를 생산할 수 있다. 이때, 산소는 애노드측에서 발생되고, 수소는 캐소드측에서 발생될 수 있다. 수전해 스택(130)은 수전해 반응에 필요한 물을 물 탱크(120)로부터 공급받을 수 있다. 물은 수전해 스택(130)의 애노드 입구로 공급될 수 있다. 수전해 반응으로 생성되는 수소는 수전해 스택(130)의 캐소드 출구를 통해 배출될 수 있다. 수전해 반응으로 생성된 산소와 수전해 반응 후 남은 물은 수전해 스택(130)의 애노드 출구를 통해 배출될 수 있다. 이때, 캐소드에서 애노드로 이동 즉, 크로스 오버(cross over)된 수소가 함께 배출될 수도 있다.
제어 밸브(140)는 수전해 스택(130)과 제1 기액분리기(150) 사이에 배치될 수 있다. 제어 밸브(140)는 3방향으로 유출입구가 마련된 가변식 3방 밸브(3 way valve)로 구현될 수 있다. 3방향의 유출입구 중 적어도 하나는 유입구로 사용되고 나머지 2개는 유출구로 사용될 수 있다.
제어 밸브(140)는 제1 기액분리기(150)의 입구로 공급되는 혼합유체의 유량을 조절할 수 있다. 혼합유체는 산소, 수전해 반응 후 남은 물 및/또는 크로스 오버된 수소를 포함할 수 있다. 제어 밸브(140)는 정상 운전 모드에서 제1 기액분리기(150)의 입구로 공급되는 유량을 100%로 유지하게 할 수 있다. 제어 밸브(140)는 애노드 출구로 배출되는 수소 농도가 증가하는 경우 제1 기액분리기(150)의 입구에 공급되는 유량을 조절하기 위해 개도율을 0%초과에서 100%이하로 조정할 수 있다.
제1 기액분리기(150)는 수전해 스택(130)의 애노드 출구를 통해 배출되는 혼합유체에서 물을 분리할 수 있다. 제1 기액분리기(150)에서 분리된 물은 물 탱크(120)로 이동하여 수전해 반응에 재사용될 수 있다.
제1 기액분리기(150)는 2개의 입구를 가지는 기액분리기 또는 2단 기액분리기로 구현될 수 있다. 제1 기액분리기(150)는 수전해 스택(130)으로부터 배출되는 혼합유체(생성가스, 유체)가 통과하는 구간을 조절할 수 있다.
제2 기액분리기(160)는 수전해 스택(130)의 캐소드 출구에 연결되어 캐소드 출구로부터 배출되는 유체를 수소 가스와 물로 분리할 수 있다. 다시 말해서, 제2 기액분리기(160)는 수전해 스택(130)으로부터 배출되는 수소 가스로부터 물을 제거할 수 있다.
수소 유량계(170)는 제2 기액분리기(160)의 출구단에 연결되어 수전해 스택(130)의 캐소드 출구로부터 배출되는 수소량을 측정할 수 있다. 즉, 수소 유량계(170)는 수전해 스택(130)에서 생성된 수소량을 측정할 수 있다. 수소 유량계(170)를 통과한 수소는 별도의 장소에 저장되거나 운송될 수 있다.
제어기(180)는 수전해 스택(130)의 애노드 출구로부터 배출되는 유체 내 수소 농도(즉, 애노드 수소 농도)를 추정할 수 있다. 제어기(180)는 추정된 애노드 수소 농도에 근거하여 제어 밸브(140)의 개도율을 조절할 수 있다.
수전해 시스템(100)이 시동하여 정상적으로 운전하면, 제어기(180)는 전류 공급 장치(미도시)를 제어하여 수전해 스택(130)에 전류를 인가할 수 있다.
제어기(180)는 수전해 스택(130)에 전류가 인가되면, 다음 [수학식 1]을 이용하여 캐소드에서 생성되는 수소 유량(캐소드 수소 유량, m3/s) Q1을 추정할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, I는 전류[A]이고, F는 패러데이 상수로, 96485 C/mol, MH2는 수소 분자량으로, 2g/mol이고, PH2는 수소 밀도로, 82.4g/m3@1bar, 25℃이다.
제어기(180)는 캐소드 출구에 설치되는 수소 유량계(170)로부터 측정된 수소 유량 Q2과 [수학식 1]에 의해 추정된 애노드 수소 유량 Q1의 차이를 통해 크로스 오버된 수소 유량 Q3을 추정할 수 있다. 캐소드에서 생성되는 수소는 모두 캐소드 출구로 배출되어야 하며, 별도의 누설이 없는 경우 캐소드 출구로 배출되지 않는 수소는 막을 통과하여 애노드로 이동한다고 가정할 수 있다. 크로스 오버되는 수소 유량은 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
제어기(180)는 캐소드 수소 유량 Q1을 추정하는 방식과 동일한 방식으로 애노드에서 생산되는 산소 유량(애노드 산소 유량)을 추정할 수 있다. 애노드 산소 유량 Q4은 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
여기서, MO2는 산소 분자량으로, 32g/mol이고, PO2는 산소 밀도로, 1308.84g/m3@1bar, 25℃이다.
제어기(180)는 애노드 산소 유량 Q4과 크로스 오버되는 수소 유량 Q3을 통해 애노드 수소 농도(애노드측 수소 비율, [%]) C1를 추정할 수 있다. 애노드 수소 농도 C1는 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00004
제어기(180)는 애노드 수소 농도 C1에 따라 제어 밸브(140)의 개도율을 결정할 수 있다. 제어기(180)는 메모리(미도시)에 기 저장된 룩업테이블(lookup table)을 참조하여 제어 밸브(140)의 개도율을 결정할 수 있다. 룩업테이블에는 [표 1]과 같이 애노드 수소 농도에 따른 밸브 개도율이 정의될 수 있다.
수소 농도 밸브 개도율 비고
0.0% 초과 0.0% 정상
0.5% 초과 25% fail-safe mode
0.75% 초과 50%
1.0% 초과 75%
1.5% 초과 100% 경고
2.0% 초과 100% 정지
보다 구체적으로, 애노드 수소 농도에 기반하여 3방 밸브의 개도율을 결정하는 과정을 설명한다. 산소 내 수소 비율(농도)이 4% 이상일 경우 폭발 위험이 있으며, 2% 이상부터 폭발 위험성이 급격하기 증가하므로, 안전을 위한 최소 범위 설정이 필요하다. 또한, 수소 농도에 따른 제어 구간을 구분할 수 있다. 본 실시 예에서는 제어 구간을 6개의 구간으로 구분하지만 이에 한정되지 않는다. 밸브 개도율은 제1 기액분리기(150)의 제1 입구와 제2 입구에 공급되는 유량을 조절하기 위한 것으로, 개도율이 증가할수록 제2 입구로 공급되는 유량이 증가함을 의미한다. 개도율은 0~100% 범위 내에서 설정할 수 있다. 또한, 밸브 개도율에 따라 제어 모드(작동 모드)는 정상 모드, 페일-세이프 모드, 경고 모드, 및 정지 모드로 구분할 수 있다.제어기(180)는 추정된 애노드 수소 농도 C1가 제1 기준 농도 γ를 초과하는지를 확인할 수 있다. 제어기(180)는 추정된 애노드 수소 농도가 제1 기준 농도 이하이면 정상 또는 페일-세이프 모드를 유지하며 별도의 메시지를 출력하지 않는다. 제어기(180)는 추정된 애노드 수소 농도가 제1 기준 농도를 초과하는 경우 경고 메시지를 출력 장치(예: 디스플레이)에 출력할 수 있다.
제어기(180)는 추정된 애노드 수소 농도(추정된 수소 농도)가 제2 기준 농도 δ를 초과하거나 또는 경고 메시지 출력 후 경과 시간이 기준 시간 ε을 초과하는지를 확인할 수 있다. 제어기(180)는 추정된 애노드 수소 농도가 제2 기준 농도를 초과하는 경우 수전해 시스템(100)을 긴급 정지할 수 있다. 또한, 제어기(180)는 경고 메시지 출력 후(경고 출력 후) 경과 시간이 기준 시간을 초과하는 경우 수전해 시스템(100)을 긴급 정지할 수 있다. 다시 말해서, 제어기(180)는 추정된 애노드 수소 농도가 제1 기준 농도를 초과한 상태에서 기준 시간이 경과하면 수전해 시스템(100)을 정지할 수 있다. 제어기(180)는 추정된 애노드 수소 농도가 제2 기준 농도 이하이며 경고 메시지 출력 후 기준 시간(예: 10분)을 경과하지 않은 경우 시스템의 동작 상태를 유지할 수 있다.
제어기(180)는 적어도 하나 이상의 프로세서(미도시)를 포함할 수 있다. 프로세서(미도시)는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 메모리(미도시)에 저장된 명령어들에 대한 처리를 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 메모리(미도시)는 다양한 종류의 휘발성 또는 비휘발성 저장 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(미도시)는 ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM) 및/또는 레지스터(register) 등을 포함할 수 있다.
이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여 기액분리기의 구현 예들을 설명한다.
일반적으로, 기액분리기는 한 개의 입구와 한 개의 출구를 가지며, 입구에 공급되는 가스와 물의 혼합유체가 기액분리기 내부를 통과하면서 베플 또는 그물망에 부딪치며 물이 분리되어 아래로 떨어지고 가스만 출구를 통과하게 한다. 유체가 기액분리기를 통과하는 구간이 길어질수록 가스와 물의 분리 성능이 향상될 수 있다.
도 2은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기액분리기를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 기액분리기(200)는 2개의 입구(210 및 220), 1개의 출구(230) 및 배출구(240)를 포함할 수 있다.
제1 입구(210)와 제2 입구(220)는 기액분리기(200)의 외측 서로 다른 위치에 마련될 수 있다. 제1 입구(210)와 제2 입구(220)는 제어 밸브(140)와 연결될 수 있다. 제1 입구(210)는 제어 밸브(140)의 제1 유출구와 연결되고, 제2 입구(220)는 제어 밸브(140)의 제2 유출구와 연결될 수 있다. 제1 입구(210)와 제2 입구(220)로 공급되는 유량은 제어 밸브(140)에 의해 조절될 수 있다. 수전해 스택(130)으로부터 배출되는 유체의 유량은 제어 밸브(140)를 통과하면서 분배될 수 있다.
제어 밸브(140)는 정상 운전 조건에서 제1 입구(210)로 공급되는 유량을 100%로 유지하게 할 수 있다. 여기서, 정상 운전 조건은 애노드 수소 농도가 0.5% 이내인 상태를 의미할 수 있다. 제어 밸브(140)는 애노드 수소 농도가 증가함에 따라 밸브 개도율을 조절하여 제2 입구(220)로 공급되는 유량을 증가시킬 수 있다. 제2 입구(220)로 공급되는 유체(유량)의 기액분리기 내부 통과 구간이 줄어들어 가스와 물의 분리 성능이 감소하게 된다. 제2 입구(220)로 공급되는 유체가 통과하는 구간이 제1 입구(210)로 공급되는 유체가 통과하는 구간보다 짧기 때문에, 제2 입구(220)로 공급되는 유량이 증가할수록 기액분리기(200)의 가스와 물의 분리 성능이 저하될 수 있다.
기액분리기(200)에 의해 유체에서 분리된 물은 배출구(240)를 통해 물 탱크(120)로 이동할 수 있다.
이상과 같이, 기액분리기(200)에 별도의 입구를 추가하여 가스와 물을 포함하는 혼합유체가 기액분리기 내부를 통과하는 구간을 줄이므로 가스와 물의 분리 성능을 감소시키므로, 산소와 수소의 혼합으로 인한 폭발 위험성을 낮출 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 기액분리기를 도시한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 기액분리기를 이용하는 수전해 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 기액분리기(300)는 2단으로 연결되는 제1 서브 기액분리기(310)와 제2 서브 기액분리기(320)를 포함할 수 있다.
제1 서브 기액분리기(310) 및 제2 서브 기액분리기(320)는 각각 하나의 입구(311, 321)와 하나의 출구(312, 322)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 서브 기액분리기(310)의 출구(312)와 제2 서브 기액분리기(320)의 입구(321)는 연결될 수 있다. 즉, 제1 서브 기액분리기(310)의 출구(312)로부터 배출되는 유체가 제2 서브 기액분리기(320)의 입구(321)로 공급될 수 있다. 제1 서브 기액분리기(310)의 입구(311)는 제어 밸브(140)의 제1 유출구와 연결되고, 제2 서브 기액분리기(320)의 입구(321)는 제어 밸브(140)의 제2 유출구와 연결될 수 있다. 제1 서브 기액분리기(310)의 출구(312)와 제2 서브 기액분리기(320)의 입구(321)사이에는 역류를 방지하기 위한 체크밸브(330)가 설치될 수 있다.
정상 운전 조건에서 제어 밸브(140)를 통과한 유체(산소, 수소 및 물 포함)는 제1 서브 기액분리기(310), 체크밸브(330) 및 제2 서브 기액분리기(320)를 순차적으로 통과할 수 있다. 애노드 수소 농도 C1이 증가하는 경우, 제어 밸브(140)의 개도율을 조절하여 제1 서브 기액분리기(310)로 공급되는 유량을 줄이고 제2 서브 기액분리기(320)로 공급되는 유량을 증가시킬 수 있다. 체크밸브(330)는 제2 서브 기액분리기(320)로 공급되는 유량이 제1 서브 기액분리기(310)로 역류되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 제1 서브 기액분리기(310)를 통과하는 유체에서 분리된 물은 배출구(313)를 통해 물 탱크(120)로 이동할 수 있다. 제2 서브 기액분리기(310)를 통과하는 유체에서 분리된 물은 배출구(323)을 통해 물 탱크(120)로 이동할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예들에 따른 수전해 시스템 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 제어기(180)는 수전해 스택(130)에 전류가 인가되면 캐소드 수소 유량(제1 수소 유량)을 추정할 수 있다(S100). 수전해 시스템(100)을 시동하여 정상적으로 운전하는 상태에서 수전해 스택(130)에 전류가 인가되면, 제어기(180)는 [수학식 1]을 이용하여 수전해 스택(130)의 캐소드에서 배출되는 수소 유량 Q1을 산출할 수 있다.
제어기(180)는 캐소드 수소 유량(제2 수소 유량)을 측정할 수 있다(S110). 제어기(180)는 캐소드 출구단에 설치되는 수소 유량계(170)를 이용하여 수전해 스택(130)의 캐소드에서 배출되는 수소 유량을 측정할 수 있다.
제어기(180)는 추정된 캐소드 수소 유량 Q1과 측정된 캐소드 수소 유량 Q2을 이용하여 크로스 오버되는 수소 유량(제3 수소 유량) Q3을 추정할 수 있다(S120). 제어기(180)는 [수학식 2]를 이용하여 캐소드에서 애노드로 이동하는 수소 유량을 산출할 수 있다.
제어기(180)는 수전해 스택(130)의 애노드 산소 유량(산소 유량)을 추정할 수 있다(S130). 제어기(180)는 [수학식 3]을 이용하여 애노드로부터 배출되는 산소 유량 Q4을 산출할 수 있다.
제어기(180)는 크로스 오버되는 수소 유량 Q3과 애노드 산소 유량 Q4을 이용하여 애노드 수소 농도 C1를 추정할 수 있다(S140).
제어기(180)는 애노드 수소 농도 C1에 기반하여 제어 밸브(140)의 개도를 제어할 수 있다(S150). 제어 밸브(140)는 2개의 유출구에 각각 연결되는 제1 기액분리기(150)의 제1 입구와 제2 입구로 공급되는 유량을 조절할 수 있다. 제어기(180)는 애노드 수소 농도에 기반하여 제어 밸브(140)의 개도율 및/또는 시스템의 작동 모드를 결정할 수 있다. 여기서, 작동 모드는 정상 모드, 페일-세이프 모드, 경고 모드 및 정지 모드로 구분될 수 있다.
제어기(180)는 추정된 애노드 수소 농도(추정된 수소 농도)가 제1 기준 농도(예: 1.5%)를 초과하는지를 확인할 수 있다(S160).
제어기(180)는 추정된 애노드 수소 농도가 제1 기준 농도를 초과하는 경우, 경고 메시지를 출력할 수 있다(S170). 제어기(180)는 추정된 애노드 수소 농도가 제1 기준 농도를 초과하지 않는 경우, 수전해 시스템(100)의 동작 상태(즉, 정상 모드 또는 페일-세이프 모드)를 유지할 수 있다.
제어기(180)는 추정된 애노드 수소 농도가 제2 기준 농도(예: 2%)를 초과하는지 또는 경고 메시지 출력 후 기준 시간(예: 10분)이 경과했는지를 확인할 수 있다(S180).
제어기(180)는 추정된 애노드 수소 농도가 제2 기준 농도를 초과하거나 또는 경고 메시지 출력 후 기준 시간이 경과한 경우 수전해 시스템(100)을 긴급 정지할 수 있다(S190). 제어기(180)는 추정된 애노드 수소 농도가 제2 기준 농도 이하이며 경고 메시지 출력 후 기준 시간이 경과하지 않은 경우 수전해 시스템(100)의 동작 상태(즉, 경고 모드)를 유지할 수 있다. 제어기(180)는 추정된 애노드 수소 농도가 제1 기준 농도를 초과한 상태에서 기준 시간 경과 시 수전해 시스템(100)을 정지할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 수전해 반응을 통해 수소와 산소를 생성하는 수전해 스택;
    제1 입구와 제2 입구를 가지는 제1 기액분리기;
    상기 수전해 스택과 상기 제1 기액분리기 사이에 배치되며 상기 제1 입구와 상기 제2 입구로 공급되는 유량을 조절하는 제어 밸브; 및
    상기 수전해 스택에서 상기 제1 기액분리기로 배출되는 혼합유체 내 수소 농도를 추정하고 추정된 수소 농도에 근거하여 상기 제어 밸브를 제어하는 제어기를 포함하는 수전해 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 기액분리기는,
    상기 혼합유체가 통과하는 구간을 조절하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 입구로 공급되는 혼합유체가 통과하는 구간이 상기 제1 입구로 공급되는 혼합유체가 통과하는 구간보다 짧은 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 기액분리기는,
    2개의 기액분리기가 2단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 밸브는,
    가변식 3방 밸브로 구현되는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 수전해 스택의 애노드 출구에서 배출되는 혼합유체 내 수소 농도에 따라 상기 제어 밸브의 개도율을 결정하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 수전해 스택의 캐소드로부터 배출되는 제1 수소 유량을 추정하고,
    상기 수전해 스택의 캐소드로부터 배출되어 제2 기액분리기를 통과하는 제2 수소 유량을 측정하고,
    상기 제1 수소 유량과 상기 제2 수소 유량을 이용하여 상기 캐소드에서 애노드로 크로스 오버되는 제3 수소 유량을 추정하고,
    상기 수전해 스택의 애노드로부터 배출되는 산소 유량을 추정하고,
    상기 산소 유량과 상기 제3 수소 유량을 이용하여 애노드 수소 농도를 추정하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 추정된 수소 농도가 증가할수록 상기 제2 입구로 공급되는 유량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 추정된 수소 농도가 제1 기준 농도를 초과하는 경우 경고 메시지를 출력하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 추정된 수소 농도가 상기 제1 기준 농도를 초과하는 상태에서 기준 시간 경과 시 상기 수전해 시스템을 정지하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 추정된 수소 농도가 제2 기준 농도를 초과하는 경우 상기 수전해 시스템을 정지하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템.
  12. 수전해 스택에서 제1 기액분리기로 배출되는 혼합유체 내 수소 농도를 추정하는 단계; 및
    추정된 수소 농도에 근거하여 상기 제1 기액분리기의 제1 입구와 제2 입구로 공급되는 유량을 조절하기 위해 상기 수전해 스택과 상기 제1 기액분리기 사이에 배치되는 제어 밸브를 제어하는 단계를 포함하는 수전해 시스템 제어 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 혼합유체 내 수소 농도를 추정하는 단계는,
    상기 수전해 스택의 캐소드로부터 배출되는 제1 수소 유량을 추정하는 단계;
    상기 수전해 스택의 캐소드로부터 배출되어 제2 기액분리기를 통과하는 제2 수소 유량을 측정하는 단계;
    상기 제1 수소 유량과 상기 제2 수소 유량을 이용하여 상기 캐소드에서 애노드로 크로스 오버되는 제3 수소 유량을 추정하는 단계;
    상기 수전해 스택의 애노드로부터 배출되는 산소 유량을 추정하는 단계; 및
    상기 산소 유량과 상기 제3 수소 유량을 이용하여 애노드 수소 농도를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템 제어 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 제어 밸브를 제어하는 단계는,
    상기 추정된 수소 농도에 따라 상기 제어 밸브의 개도율를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템 제어 방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 제어 밸브를 제어하는 단계는,
    상기 추정된 수소 농도가 증가할수록 상기 제2 입구로 공급되는 유량을 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템 제어 방법.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 추정된 수소 농도가 제1 기준 농도를 초과하는 경우 경고 메시지를 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템 제어 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 추정된 수소 농도가 상기 제1 기준 농도를 초과하는 상태에서 기준 시간이 경과하면 상기 수전해 시스템을 정지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템 제어 방법.
  18. 청구항 12에 있어서,
    상기 추정된 수소 농도가 제2 기준 농도를 초과하는 경우 상기 수전해 시스템을 정지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 시스템 제어 방법.
KR1020210056260A 2021-04-30 2021-04-30 수전해 시스템 및 그 제어 방법 KR20220149084A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210056260A KR20220149084A (ko) 2021-04-30 2021-04-30 수전해 시스템 및 그 제어 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210056260A KR20220149084A (ko) 2021-04-30 2021-04-30 수전해 시스템 및 그 제어 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220149084A true KR20220149084A (ko) 2022-11-08

Family

ID=84041463

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210056260A KR20220149084A (ko) 2021-04-30 2021-04-30 수전해 시스템 및 그 제어 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20220149084A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101788201B1 (ko) 연료전지 시스템 및 그 제어방법
US8419910B2 (en) Electrolyzer cell stack system
EP2517293B1 (en) Management of operation of a pem fuel cell stack back-up electric generator
US20080096059A1 (en) Fuel cell system and method of controlling the system
JP5596758B2 (ja) 燃料電池システム及びその制御方法
US20080187788A1 (en) System and method of operation of a fuel cell system and of ceasing the same for inhibiting corrosion
JP2006310109A (ja) 燃料電池発電システム
JP2006351396A (ja) 燃料電池システム
EP1987557A2 (en) System and method of operation of a fuel cell system and of ceasing the same for inhibiting corrosion
JP4826144B2 (ja) 燃料電池スタック
US10003093B2 (en) Fuel cell system including a fuel cell and a controller for controlling water vapor amount or average flow rate of a fuel gas
JP5231847B2 (ja) 燃料電池システム及びその運転方法
US9373858B2 (en) Method for starting fuel cell system and starting apparatus for fuel cell system
KR20220149084A (ko) 수전해 시스템 및 그 제어 방법
JP5017907B2 (ja) 燃料電池システム
JP2017147038A (ja) 燃料電池システムの出力加速時における圧力制御方法
JP5502547B2 (ja) 燃料電池用液絡検出装置
JP2021166152A (ja) 燃料電池システム
JP2006260882A (ja) 燃料電池システム
JP6315714B2 (ja) 燃料電池システムの運転制御方法
JP2009134977A (ja) 燃料電池システム
JP2021128866A (ja) 燃料電池システム
JP2024024716A (ja) 燃料電池システム
JP2010177078A (ja) 燃料電池の性能判断方法
JP4784080B2 (ja) 燃料電池システムの制御装置及び燃料電池システムの制御方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination