KR20230014548A - 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 제어장치 및 방법과 이를 이용한 수전해 시스템 - Google Patents

재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 제어장치 및 방법과 이를 이용한 수전해 시스템 Download PDF

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Abstract

재생에너지 발전기로부터 전력을 공급받아 n개(n≥2)의 수전해 스택들로 전력을 분배하여 전력 공급을 제어하는 제어장치로서, 상기 제어장치는 각각의 수전해 스택에 대하여 미리 설정된 최소 운전 전력량을 기반으로 결정된 2 이상의 스택 구동 조건들에 따라 각 수전해 스택의 구동 여부를 결정하도록 구성되며, 상기 스택 구동 조건들은 수전해 스택의 온오프가 미리 결정된 전력량 범위이고, 상기 제어장치는 상기 재생에너지 발전기로부터의 공급전력량이 해당되는 스택 구동 조건들에 따라 상기 수전해 스택들의 구동을 제어하는 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 제어장치 및 방법, 그리고 이를 이용한 수전해 시스템이 소개된다.

Description

재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 제어장치 및 방법과 이를 이용한 수전해 시스템 {APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING ELECTROLYSIS STACK MODULE POWERED BY RENEWABLE ENERGY SOURCE FOR FUEL CELL STACK AND ELECTROLYSIS SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 재생에너지 발전장치로부터 전력을 공급받는 수전해 시스템의 운전 제어 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발전량의 변동성이 큰 재생에너지와 연계된 수전해 시스템의 수소 생산성을 개선할 수 있는 수전해 스택 모듈의 운전 제어 기술에 관한 것이다.
수소는 에너지 밀도가 매우 높고, 환경 친화적인 에너지로 단위질량당 에너지 밀도가 가장 높아 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 에너지밀도가 높은 수소를 제조하는 방법은 화석연료 개질, 공업 프로세스에서 발생하는 부생가스, 바이오메스 가스화, 신 재생에너지를 이용한 수전해 등 다양한 방법들이 있다.
수소 제조방법 중 수전해(Electrolysis)는 전기를 사용하여 물 분자를 수소분자와 산소분자로 분리하여 수소를 얻는 방법이다. 수전해는 친환경적인 수소 생산 방식으로, 시스템의 구성이 간단하고, 운전이 안정적이며 저가 전력을 연계할 경우 저렴한 수소 생산이 가능한 기술로 알려져 있다.
수전해 방법 중에서 알칼라인 수전해는 오래전부터 알려진 수소제조 방법으로 전해액으로 25～30 wt%의 KOH(또는 NaOH)를 사용할 수 있으며, 이온 교환용 격막, 그리고, 수소와 산소를 발생시키는 전극으로 구성된다.
이러한 수전해 스택과 관련, 물 전기분해 시 분리막을 기준으로 양극에서 산소, 음극에서 수소가 각각 발생하고, 미량의 기체가 서로 섞일 가능성 존재하게 된다. 특히 낮은 운전 범위에서는 수소와 산소 발생량이 감소함에 따라 산소 내 수소 농도의 비율은 증가하여 폭발 위험 발생이 높아지게 된다.
따라서, 일반적인 알칼라인 수전해 스택은 그 폭발 위험성 등으로 인해 운전 범위를 제한하고 있다. 알카라인 수전해 스택의 평균 운전 범위는 15~100%이며, 스택 용량의 15% 이하에서는 안전상 이유로 운전이 불가능하도록 제한될 수 있다.
한편, 알칼라인 수전해 스택의 동력원으로 풍력 또는 태양광과 같은 재생에너지를 활용하는 경우, 재생에너지의 높은 변동성으로 인해 수소 생산성이 떨어지는 문제가 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2192913 B
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 수전해 스택 모듈을 변동성이 높은 재생에너지에 연계하여 수전해 시스템을 구성할 경우, 폭발 위험을 방지하면서도 수소 생산성을 극대화시킬 수 있는 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 제어장치 및 방법과 이를 이용한 수전해 시스템을 제공하고자 함이다.
특히, 본 발명에서는 복수의 알칼라인 수전해 스택 모듈로 이루어진 수전해 시스템에서, 알칼라인 수전해 스택 모듈의 운전범위 제한을 고려하여, 복수의 수전해 스택 모듈의 효율적인 동작 구간을 정의하고, 이러한 동작 구간을 재생에너지 발전장치의 공급 전력량을 연계시켜 낮은 부하에서도 수소 생산이 가능한 수전해 스택 모듈 운전 제어 기술을 제공하는 것에 또 다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 제어장치에서는, 재생에너지 발전기로부터 전력을 공급받아 n개(n≥2)의 수전해 스택들로 전력을 분배하여 전력 공급을 제어하는 제어장치로서, 제어장치는 각각의 수전해 스택에 대하여 미리 설정된 최소 운전 전력량을 기반으로 결정된 2 이상의 스택 구동 조건들에 따라 각 수전해 스택의 구동 여부를 결정하도록 구성되며, 스택 구동 조건들은 수전해 스택의 온오프가 미리 결정된 전력량 범위이고, 제어장치는 재생에너지 발전기로부터의 공급전력량이 해당되는 스택 구동 조건들에 따라 수전해 스택들의 구동을 제어한다.
스택 구동 조건들은 n개의 전력량 범위에 의한 n개의 조건으로 이루어지고, 제어장치는 각각의 수전해 스택에 대하여 미리 설정된 최소 운전 전력량을 기반으로 결정된 n개의 스택 구동 조건들에 따라 각 수전해 스택의 구동 여부를 결정하고, 각각의 스택 구동 조건 별로 구동될 수전해 스택이 할당될 수 있다.
n개의 수전해 스택들은 모두 동일한 스택 용량(A)을 가지고, 최소 운전 전력량은 최소 운전 계수(α)와 스택 용량(A)에 의해 결정될 수 있다.
각 스택 구동 조건들의 하한값은 최소 운전 전력량의 n이하의 정수배들로 구분되어 설정되고, 각 스택 구동 조건의 전력량 범위는 최소 운전 전력량의 크기로 결정될 수 있다.
스택 구동 조건들 중 최소의 공급전력량으로 수전해 스택이 운전 가능한 제1 스택 구동 조건은, αA ≤ 공급전력량 < 2αA 로 설정되고, 제어장치는 제1 스택 구동 조건에서는 제1 수전해 스택만이 구동하도록 제어하고, 공급전력량이 증가함에 따라 각각의 스택 구동 조건들에 할당된 수전해 스택들이 순차적으로 구동되도록 제어할 수 있다.
복수의 수전해 스택이 구동되고 있는 상태에서, 공급전력량 감소로 인해 수전해 스택들 중 일부가 구동 정지되어야 하는 경우, 제어장치는 구동 개시 순서의 역순으로 스택 구동을 정지시키도록 제어할 수 있다.
공급전력량 감소로 인해 수전해 스택들 중 일부가 구동 정지된 후, 다시 공급전략량이 증가하여 수전해 스택들 중 일부를 추가로 구동시켜야 하는 경우, 제어장치는 각각의 스택 구동 조건들에 할당된 수전해 스택들을 구동시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 앞서와 같은 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 제어장치를 구비하고, 이러한 제어장치를 통해 수전해 스택 모듈을 제어하는 수전해 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 운전 제어방법에서는, 재생에너지 발전기로부터 전력을 공급받아 n개(n≥2)의 수전해 스택들로 전력을 분배하는 제어 장치에 의해 수전해 스택의 구동을 제어하는 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 운전 제어 방법으로, 제어장치는 각각의 수전해 스택에 대하여 미리 설정된 최소 운전 전력량을 기반으로 결정된 2 이상의 스택 구동 조건들에 따라 각 수전해 스택의 구동 여부를 결정하도록 구성되며, 스택 구동 조건들은 수전해 스택의 온오프가 미리 결정된 전력량 범위이고, 제어장치는 재생에너지 발전기로부터의 공급전력량이 해당되는 스택 구동 조건들에 따라 수전해 스택들의 구동을 제어한다.
수전해 스택 모듈의 구동 상태에서, 현재 공급전력량을 측정하는 단계; 이전에 측정된 공급전력량(W1)과 현재 측정된 공급전력량(W2)를 비교하여 전력량의 증감 여부를 확인하는 단계; 및 전력량 증감 여부 확인 결과에 따라 전력 공급 제어를 실시하는 단계;를 포함하고, 전력 공급 제어는 스택 구동 조건들에 할당된 수전해 스택으로 공급되는 전력량을 증감된 전력량에 따라 제어할 수 있다.
스택 구동 조건들은 n개의 전력량 범위에 의한 n개의 조건으로 이루어지고, 제어장치는 각각의 수전해 스택에 대하여 미리 설정된 최소 운전 전력량을 기반으로 결정된 n개의 스택 구동 조건들에 따라 각 수전해 스택의 구동 여부를 결정하고, 각각의 스택 구동 조건 별로 구동될 수전해 스택이 할당될 수 있다.
n개의 수전해 스택들은 모두 동일한 스택 용량(A)을 가지고, 최소 운전 전력량은 최소 운전 계수(α)와 스택 용량(A)에 의해 결정될 수 있다.
각 스택 구동 조건들의 하한값은 최소 운전 전력량의 'n' 이하의 정수배들로 구분되어 설정되고, 각 스택 구동 조건의 전력량 범위는 최소 운전 전력량의 크기로 결정될 수 있다.
스택 구동 조건들 중 최소의 공급전력량으로 수전해 스택이 운전 가능한 제1 스택 구동 조건은, αA ≤ 공급전력량 < 2αA 로 설정되고, 제어장치는 제1 스택 구동 조건에서는 제1 수전해 스택만이 구동하도록 제어하고, 공급전력량이 증가함에 따라 각각의 스택 구동 조건들에 할당된 수전해 스택들이 순차적으로 구동되도록 제어할 수 있다.
전력량 증감 여부 확인 단계를 통해, 복수의 수전해 스택이 구동되고 있는 상태에서, 공급전력량 감소로 인해 수전해 스택들 중 일부가 구동 정지되어야 하는 것으로 판단된 경우, 전력 공급 제어 실시 단계에서는, 제어장치는 구동 개시 순서의 역순으로 스택 구동을 정지시키도록 제어할 수 있다.
전력량 증감 여부 확인 단계를 통해, 공급전력량이 감소되어 전력 공급 제어가 이루어진 이후, 다시 전력 공급전력량이 증가하는 것으로 확인된 경우, 제어장치에서는 공급전력량 감소로 인해 수전해 스택들 중 일부가 구동 정지된 후, 다시 공급전략량이 증가하여 수전해 스택들 중 일부를 추가로 구동시켜야 하는 경우인지 여부를 확인하고, 수전해 스택들 중 일부를 추가로 구동시켜야 하는 것으로 확인된 경우, 제어장치는 각각의 스택 구동 조건들에 할당된 수전해 스택들을 구동시킬 수 있다.
본 발명의 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 제어장치 및 방법과 이를 이용한 수전해 시스템에 따르면, 재생에너지로부터 발생한 전력량이 낮은 조건에서도 안정적인 수소 생산이 가능하므로, 재생에너지의 활용성을 개선하고 안정적인 수소 생산량을 확보하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 제어장치를 포함하는 수전해 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 구성도.
도 2는 수전해 스택 모듈의 운전 중, 재생에너지 발전장치의 공급 전력량에 따라 전력 공급 증감 제어가 이루어지는 예를 설명하기 위한 흐름도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 운전 제어 방법에서, 공급 전력량 증가에 따른 제어를 실시하는 예를 나타내는 흐름도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 운전 제어 방법에서, 공급 전력량 감소에 따른 제어를 실시하는 예를 나타내는 흐름도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 운전 제어 방법에서, 공급 전력량의 증가/감소에 따른 수전해 스택의 온/오프 제어에 관한 실시예를 설명하기 위한 것.
본 발명에 따른 수전해 스택 모듈의 제어장치는 재생에너지에 연결된 수전해 시스템에 활용가능한 것으로, 특히 알칼라인 수전해 스택과 같이 안전상의 이유로 평균 운전 범위를 스택 용량의 일정 범위, 예를 들어 15%~100% 정도로 제한하여 운전하는 수전해 스택을 포함하는 수전해 시스템에 적합한 제어 장치 및 이를 이용한 운전 제어 방법에 관한 것이다.
이와 관련, 본 발명의 바람직한 실시예에서의 수전해 스택이란, 물의 전기분해를 통해 수소와 산소를 생산하는 장치로서, 분리막을 기준으로 수소와 산소를 발생시키기 위해 배치된 양극과 음극을 포함하는 장치이다. 한편, 본 발명에서의 수전해 스택은 제어장치에 의해 구동 제어(스택 온/오프를 포함하는 공급전력량 제어)되는 장치 단위를 지칭하기 위해 사용되는 것일 뿐, 다수의 수전해 셀을 포함하는 스택을 한정적으로 의미하는 것은 아니다. 따라서, 단일한 수전해 셀이라도 제어장치에 의해 독립적으로 구동 제어가능한 형태라면, 본 발명에서의 수전해 스택에 포함되는 것으로 해석될 수 있다. 또한, 본 명세서에서는 알칼라인 수전해 스택을 예시로 설명하고 있으나, 안전 문제 또는 다른 문제로 스택 용량의 특정 범위 이하로는 운전이 불가능한 형태의 수전해 스택에 이용될 수 있다.
재생에너지 발전장치는 풍력이나 태양광과 같은 재생에너지를 활용하여 에너지를 생산하는 발전장치를 의미한다. 재생에너지 발전장치의 경우 기상과 같은 외부 요인에 따라 전력공급량의 변동성이 크기 때문에, 본 발명에서는 이러한 재생에너지 발전장치에 연계된 수전해 시스템, 즉 재생에너지 발전장치를 에너지 소스로 활용하는 시스템의 경우 근본적으로 가질 수 밖에 없는 공급발전량의 변동성을 감안하여 전력 공급량이 낮은 조건에서도 안정적인 수소 생산이 가능한 시스템을 제공하고자 하는 것에 기술적 요지가 있다. 따라서, 본 발명에서는 재생에너지 발전장치에 연계된 수전해 시스템을 예시로 바람직한 실시예들을 설명하고 있으나, 본 발명은 이러한 예에 국한되는 것은 아니며, 특히 전력 생산량에 대한 변동성을 가지는 에너지 소스에 연계된 수전해 시스템의 활용 가능성을 제한하는 것은 아님을 밝혀둔다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 제어장치 및 방법, 그리고 이를 이용한 수전해 시스템을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 제어장치를 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 제어장치에 의해 수전해 스택 모듈이 운전 제어되는 수전해 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 구성도이다.
도 1에서의 구분되어 표시되는 각 라인은 전기, 전해질(물), 전해질+수소, 수소의 이동 경로를 각각 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제어장치(20)를 포함하는 수전해 시스템은 재생에너지 발전장치(10)와 연계되며, 재생에너지 발전장치(10)로부터 생산된 전력을 공급받아 수전해 스택 모듈(30)을 구동하도록 구성된다. 제어장치(20)는 재생에너지 발전장치(10)로부터 공급받은 전력을 변환하여 각 수전해 스택(31, 32, 33, 34, 35)으로 분배하도록 구성된다. 이를 위해 제어장치(20)는 재생에너지 발전장치(10)로부터 생산된 전력을 수전해 스택(31, 32, 33, 34, 35)의 구동에 적합한 전력으로 변환하는 전력변환장치를 포함할 수 있다.
전해질 탱크(40)에는 25～30 wt%의 KOH과 같은 전해질이 저장되며, 전해질 탱크(40)에 저장된 전해질은 펌프에 의해 수전해 스택 모듈(30)로 공급될 수 있다.
수전해 스택 모듈(30)은 2 이상의 복수 수전해 스택(31, 32, 33, 34, 35)을 포함하며, 전해질 탱크(40)로부터 전해질을 공급받아 재생에너지 발전장치(10)로부터 공급된 전력에 의해 전기 분해를 통해 수소를 생산한다. 생성된 수소 및 전해질은 스택 출구를 통해 기액 분리기(50)로 전달되고, 기액 분리기(50)에서는 발생된 수소 가스와 전해액을 분리하게 된다.
기액 분리기(50)를 통해 분리된 전해액은 전해질 탱크(40)로 복귀되며, 생성된 수소는 수소 정제기(60)로 전달된 이후, 수소 순도를 높여 고순도 수소로 정제된다.
한편, 본 발명에서의 제어장치(20)의 경우 2 이상의 수전해 스택(31, 32, 33, 34, 35)을 포함하는 수전해 스택 모듈(30)을 구동하는 것에 특징이 있다. 특히, 본 발명에서의 제어장치(20)는 각 수전해 스택(31, 32, 33, 34, 35)으로 구성된다는 점에서 특징이 있다.
수전해 스택 모듈(30)의 경우, 반드시 구분되어 동작 가능한 2 이상의 복수 수전해 스택(31, 32, 33, 34, 35)을 포함하도록 구성되는데, 이는 스택 별로 운전 가능 범위를 나눠서 할당하고, 할당된 운전 가능 범위를 기준으로 재생에너지 발전장치(10)로부터의 공급전력량에 따른 운전 제어가 가능하게 구성하기 위함이다.
예를 들어, 5㎿ 용량(1000N㎥/h의 수소 생산 능력)의 단일한 수전해 스택을 포함하는 경우, 운전 가능 범위를 15%~100%라 한다면, 수소 생산량은 150 ~ 1000N㎥/h가 되고, 평균 전력사용량 5.0㎾h/N㎥을 반영하면, 전력사용량은 750㎾h ~ 5000㎾h의 범위가 된다.
한편, 단일한 수전해 스택 대신, 1㎿ 용량(200N㎥/h의 수소 생산 능력)의 5개의 수전해 스택을 포함하는 수전해 스택 모듈(30)을 사용하는 경우, 각 수전해 스택의 운전 가능 범위를 15%~100%라 한다면, 수소 생산량은 30 ~ 1000N㎥/h가 되고, 평균 전력사용량 5.0㎾h/N㎥을 반영하면, 전력사용량은 150㎾h ~ 5000㎾h의 범위가 된다.
따라서, 위 두가지 예시를 비교하면, 5㎿ 용량(1000N㎥/h의 수소 생산 능력)의 단일한 수전해 스택을 포함하는 경우, 스택 구동을 위해 필요한 최소 전력량은 750㎾h인 반면, 1㎿ 용량(200N㎥/h의 수소 생산 능력)의 5개의 수전해 스택을 사용하는 경우, 동일한 수소 생산 능력을 유지하면서, 최소 전력량을 150㎾h 수준으로 떨어뜨릴 수 있게 된다. 이는 전자의 경우 스택 구동을 위한 최소 운전 전력량이 5㎿ 용량의 최소 운전 가능 범위 15%에 해당되는 750㎾h인 반면, 후자의 경우 하나의 수전해 스택 구동을 위한 최소 운전 전력량이 1㎿ 용량의 최소 운전 가능 범위 15%에 해당되는 150㎾h로 줄어들기 때문이다.
그러므로, 이와 같이 수전해 스택 모듈(30) 및 그 제어를 위한 제어장치(20)를 구성할 경우, 수소 생산이 가능한 가동 범위를 실질적으로 확장할 수 있으므로, 발전량이 극히 낮은 조건에서도 수소 생산이 가능하므로, 안정적이고 지속적인 수소 생산이 가능한 장점이 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 제어장치(20)를 포함하는 수전해 시스템은, 후자의 경우와 같이 복수의 수전해 스택을 포함하고, 제어장치(20)는 재생에너지 발전장치(10)로부터 공급받은 전력을 변환하여, 미리 설정된 공급전력량에 따른 운전 조건에 따라 각각의 수전해 스택으로 전력량을 분배하여 공급할 수 있도록 구성된다. 즉, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 수전해 스택의 온오프가 미리 결정된 전력량 범위에 해당되는 스택 구동 조건들을 구분하여 설정하고, 이 스택 구동 조건에 따라 재생에너지 발전장치(10)로부터 공급되는 전력량 분배 제어를 실시함으로써, 저부하에서의 수소 생산성을 확보할 수 있게 된다.
구체적으로, 제어장치(20)는 재생에너지 발전기로부터 전력을 공급받아 n개(n≥2)의 수전해 스택들로 전력을 분배하여 전력 공급을 제어하도록 구성될 수 있으며, 각각의 수전해 스택에 대하여 미리 설정된 최소 운전 전력량을 기반으로 결정된 2 이상의 스택 구동 조건들에 따라 각 수전해 스택의 구동 여부를 결정하도록 구성될 수 있다. 여기서, 최소 운전 전력량은 최소 운전 계수(α)와 스택 용량(A)을 기반으로 결정될 수 있으며, 이 때 최소 운전 계수는 각 수전해 스택의 운전 가능 범위의 하한으로 설정된 수전해 스택의 고유값일 수 있다. 따라서, 동일한 스펙의 수전해 스택을 사용하는 경우라면, 상기 최소 운전 계수(α), 스택 용량(A) 및 최소 운전 전력량은 모두 동일하다.
스택 구동 조건들은 n개의 전력량 범위에 의한 n개의 조건으로 이루어질 수 있으며, 제어장치(20)는 각각의 수전해 스택에 대하여 미리 설정된 최소 운전 전력량을 기반으로 결정된 n개의 스택 구동 조건들에 따라 각 수전해 스택의 구동 여부를 결정할 수 있다. 또한, 각각의 스택 구동 조건의 경우, 스택 구동 조건 별로 구동되어야 할 수전해 스택이 할당될 수 있다. 또한, 각 스택 구동 조건들의 하한값은 최소 운전 전력량의 n이하의 정수배들로 구분되어 설정될 수 있으며, 각 스택 구동 조건의 전력량 범위는 최소 운전 전력량의 크기로 결정될 수 있다.
예를 들어, 스택 구동 조건들 중 최소의 공급전력량으로 수전해 스택이 운전 가능한 제1 스택 구동 조건은, αA ≤ 공급전력량 < 2αA 로 설정되고, 제어장치(20)는 제1 스택 구동 조건에서는 제1 수전해 스택만이 구동하도록 제어될 수 있다. 또한, 제2 스택 구동 조건은, 2αA ≤ 공급전력량 < 3αA 로 설정되고, 제어장치(20)는 제2 스택 구동 조건에서는 제1 수전해 스택과 함께 제2 수전해 스택이 구동되도록 제어할 수 있다. 이러한 예시의 경우, 제1 스택 구동 조건에서는 제1 수전해 스택이 구동되도록 할당되고, 제2 스택 구동 조건에서는 제2 수전해 스택이 구동되도록 할당된 경우이다.
앞서 설명한 바와 같이, n개의 수전해 스택을 갖는 수전해 시스템의 경우, n개의 전력량 범위에 의한 n개의 스택 구동 조건에 따라 시스템 제어가 가능하며, 따라서, 공급전력량의 증가에 따라 각각의 스택 구동 조건들에 할당된 수전해 스택들이 순차적으로 구동되도록 제어될 수 있다.
이와 관련, 도 1에서는 5개의 수전해 스택을 포함하는 수전해 스택 모듈(30)을 구비하는 수전해 시스템을 개시하고 있으며, 이하에서는 이러한 수전해 스택 모듈에 대한 운전 제어 방법을 그 예시와 함께 설명한다.
도 1의 5개의 수전해 스택이 1㎿ 용량(200N㎥/h의 수소 생산 능력), 5.0㎾h/N㎥의 평균 전력사용량 및 수전해 스택의 운전 가능 범위를 15%~100% 라고 하면, 아래와 표 1에서와 같이 스택 운전 조건을 설정할 수 있다.
구동조건 전력량 범위 할당된 스택 제어 비고
제1 스택구동조건 150㎾h ≤ 공급전력량 < 300㎾h 1번 스택 ON 최소 운전 전력량의
2배 이하
제2 스택구동조건 300㎾h ≤ 공급전력량 < 450㎾h 2번 스택 ON 최소 운전 전력량의
3배 이하
제3 스택구동조건 450㎾h ≤ 공급전력량 < 600㎾h 3번 스택 ON 최소 운전 전력량의
4배 이하
제4 스택구동조건 600㎾h ≤ 공급전력량 < 750㎾h 4번 스택 ON 최소 운전 전력량의
5배 이하
제5 스택구동조건 750㎾h ≤ 공급전력량 < 5000㎾h 5번 스택 ON 나머지 범위
위 표 1에 따르면, 제1 스택 구동 조건에서는 1번 스택으로만 전력이 공급되어 1번 스택만이 구동되고, 제2 스택 구동 조건에서는 1, 2번 스택이 구동된다. 또한, 제3 스택 구동 조건에서는 1, 2, 3번 스택이 구동되고, 제4 스택 구동 조건에서는 1, 2, 3, 4번 스택이 구동되며, 제5 스택 구동 조건에서는 모든 수전해 스택이 구동된다.
각 스택 구동 조건에서의 공급전력량 분배는 미리 설정된 제어 로직에 따라 결정될 수 있으며, 바람직하게는 각 스택으로 분배되는 전력량을 동일하게 제어할 수 있다.
표 1의 예에 따르면, 재생에너지 발전장치로부터의 공급전력량이 300㎾h 이하인 경우, 1번 스택에서 60N㎥/h 이하의 수소 생산이 가능하고, 공급전력량이 450㎾h 이하인 경우, 1, 2번 스택에서 각각 45N㎥/h 이하의 수소 생산이 가능하다. 또한, 공급전력량이 600㎾h 이하인 경우, 1, 2, 3번 스택에서 각각 40N㎥/h 이하의 수소 생산이 가능하고, 공급전력량이 750㎾h 이하인 경우, 1, 2, 3, 4번 스택에서 각각 37.5N㎥/h 이하의 수소 생산이 가능하다. 마찬가지로, 공급전력량이 750㎾h 이상, 500㎾h 이하인 경우, 모든 스택에서 각각 200N㎥/h 이하의 수소 생산이 가능하다.
도 2는 수전해 스택 모듈의 운전 중, 재생에너지 발전장치의 공급 전력량에 따라 전력 공급 증감 제어가 이루어지는 예를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 수전해 스택 모듈의 운전 중(S201), 실시간으로 재생에너지 발전장치로부터 공급되는 공급전력량을 측정하게 된다(S202). 이후, 제어장치에서는 이전 측정 시간에서 측정된 공급전력량(W1)과 현재 측정된 공급전력량(W2)를 비교하여 전력량의 증감 여부를 확인하는 단계(S203)가 실시될 수 있다.
이 때, 현재에 측정된 공급전력량(W2)이 이전에 측정된 공급전력량(W1) 보다 큰 경우, 전력 공급이 증가하는 경우이므로, 전력 공급 증가 제어를 실시한다(S204). 반면, 현재에 측정된 공급전력량(W2)이 이전에 측정된 공급전력량(W1) 보다 작은 경우, 전력 공급이 감소하는 경우이므로, 전력 공급 감소 제어를 실시하게 된다(S205).
전력 공급 제어는 스택 구동 조건들에 할당된 수전해 스택의 온오프를 제어하는 것 뿐만 아니라, 각 수전해 스택으로 공급되는 전력량을 증감된 공급전력량에 따라 적절히 분배하도록 제어장치에 의해 제어되는 것을 의미한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 운전 제어 방법에서, 공급 전력량 증가에 따른 제어를 실시하는 예를 나타내는 흐름도이다.
특히, 도 3에서는 공급전력량이 스택 가동 운전 범위 이하에서부터 최대의 운전 범위까지 순차적으로 증가되는 경우를 설명한다. 본 예에서는 표 1에서와 같이 5개의 스택 구동 조건을 구분하고, 각각의 스택 구동 조건에 대하여 수전해 스택을 할당한 예에 관한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 실시간으로 공급전력량을 측정하여(S301), 공급전력량이 150㎾h(스택의 최소 운전 전력량) 이하인 경우(S311), 수전해 스택의 구동이 불가능한 경우이므로, 수전해 스택을 구동시키기 않고 대기한다(S312).
한편, 재생에너지 발전장치에 의한 공급전력량이 증가하여 150㎾h ≤ 공급전력량 < 300㎾h 범위의 공급전력량이 공급되는 경우(S321), 제어장치에 의해, 1번 스택을 구동 ON 시키고, 나머지 스택의 구동 OFF를 유지하도록 제어한다(S322).
재생에너지 발전장치에 의한 공급전력량이 증가하여 300㎾h ≤ 공급전력량 < 450㎾h 범위의 공급전력량이 공급되는 경우(S331), 제어장치에 의해, 추가로 2번 스택을 구동 ON 시키고, 나머지 스택인 3, 4, 5번 스택의 구동 OFF를 유지하도록 제어한다(S332). 이 경우, 바람직하게는 1번 스택과 2번 스택으로 공급되는 전력량을 동일하게 유지하도록 제어할 수 있다.
공급전력량이 다시 증가하여 450㎾h ≤ 공급전력량 < 600㎾h 범위의 공급전력량이 공급되는 경우(S341), 제어장치에 의해, 추가로 3번 스택을 구동 ON 시키고, 나머지 스택인 4, 5번 스택의 구동 OFF를 유지하도록 제어한다(S342). 이 때도, 역시 1번 스택 내지 3번 스택으로 공급되는 전력량은 동일하도록 제어될 수 있다.
마찬가지로, 공급전력량이 다시 증가하여 600㎾h ≤ 공급전력량 < 750㎾h 범위의 공급전력량이 공급되는 경우(S351), 제어장치에 의해, 추가로 4번 스택을 구동 ON 시키고, 나머지 스택인 5번 스택의 구동 OFF를 유지하도록 제어한다(S352).
이후, 공급전력량이 다시 증가하여 750㎾h ≤ 공급전력량 < 5000㎾h 범위의 공급전력량이 공급되는 경우(S361), 제어장치에 의해, 추가로 5번 스택을 구동 ON 시켜, 모든 수전해 스택이 구동되도록 제어한다(S362).
만일, 공급전력량이 5000㎾h 이상 증가하게 되면 수전해 스택은 최대 용량으로 구동이 가능하므로, 제어장치는 5000㎾h 로 전력량을 제어하여(S363), 모든 스택을 동작시키게 된다(S364).
한편, 복수의 수전해 스택이 구동되고 있는 상태에서, 공급전력량 감소로 인해 수전해 스택들 중 일부가 구동 정지되어야 하는 경우, 제어장치는 구동 개시 순서의 역순으로 스택 구동을 정지시키도록 제어할 수 있다.
이와 관련, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 운전 제어 방법에서, 공급 전력량 감소에 따른 제어를 실시하는 예를 나타내는 흐름도이다. 특히, 도 4에서는 750㎾h ≤ 공급전력량 < 5000㎾h 범위에서 수전해 스택 모듈이 운전 중, 공급전력량 감소로 인한 제어를 설명하고 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 실시간으로 공급전력량을 측정하여(S401), 750㎾h ≤ 공급전력량 < 5000㎾h 범위를 유지하는 경우(S411), 모든 수전해 스택이 구동되도록 제어한다(S412).
반면, 재생에너지 발전장치로부터의 공급전력량이 감소하여 600㎾h ≤ 공급전력량 < 750㎾h 범위의 공급전력량이 공급되는 것으로 확인된 경우(S421), 제어장치에 의해, 1번 스택을 구동 OFF 시키고, 나머지 스택인 2, 3, 4, 5번 스택의 구동 ON을 유지하도록 제어한다(S422).
이후, 공급전력량이 다시 감소하여 450㎾h ≤ 공급전력량 < 600㎾h 범위의 공급전력량이 공급되는 것으로 확인된 경우(S431), 제어장치에 의해, 추가로 2번 스택을 구동 OFF 시키고, 나머지 스택인 3, 4, 5번 스택의 구동 ON을 유지하도록 제어한다(S432).
공급전력량이 다시 감소하여 300㎾h ≤ 공급전력량 < 450㎾h 범위의 공급전력량이 공급되는 것으로 확인된 경우(S441), 제어장치에 의해, 추가로 3번 스택을 구동 OFF 시키고, 나머지 스택인 4, 5번 스택의 구동 ON을 유지하도록 제어한다(S442).
또한, 공급전력량이 감소하여 150㎾h ≤ 공급전력량 < 300㎾h 범위의 공급전력량이 공급되는 경우(S451), 제어장치에 의해, 추가로 4번 스택을 구동 OFF 시키고, 나머지 스택인 5번 스택의 구동 ON 만을 유지하도록 제어한다(S452).
이후, 공급전력량이 150㎾h(스택의 최소 운전 전력량) 이하로 떨어지는 경우, 수전해 스택의 구동이 불가능한 경우이므로, 5번 스택 또한 구동 OFF 시켜 모든 수전해 스택을 정지시킨 상태에서 대기한다(S453).
한편, 공급전력량 감소로 인해 수전해 스택들 중 일부가 구동 정지된 후, 다시 공급전략량이 증가하여 수전해 스택들 중 일부를 추가로 구동시켜야 하는 경우, 제어장치는 구동 순서와는 무관하게 각각의 스택 구동 조건들에 할당된 수전해 스택들을 구동시킴으로써 구동 순서와 관련된 제어 조건을 초기화할 수 있다.
이와 관련, 도 5에서는 공급 전력량의 증가/감소에 따른 수전해 스택의 온/오프 제어에 관한 예를 설명하고 있다.
도 5에서와 같이, 재생에너지 발전장치로부터의 공급전력량이 400㎾h인 상태에서는 수전해 스택 모듈의 1번, 2번 스택만이 구동 온 되도록 제어된다. 이후, 공급전력량이 700㎾h로 증가하면, 제4 스택 구동 조건에 따라 할당된 1번, 2번, 3번, 4번 스택이 구동 온 되도록 제어장치에 의한 수전해 스택 모듈 제어가 이루어진다.
한편, 재생에너지 발전장치에 의한 공급전력량이 감소하여 350㎾h로 공급전력량이 떨어진 경우, 300㎾h ≤ 공급전력량 < 450㎾h 범위에 해당되는 제2 스택 구동 조건에 해당되는 바, 2개의 수전해 스택만이 구동 온 상태를 유지하여야 한다.
이 때, 앞서 도 4의 예에서 설명한 바와 같이, 스택 구동 순서에 따라 구동 오프될 스택이 결정될 수 있으며, 특히 공급전력량의 급감으로 한번에 여러 개의 스택이 오프되어야 하는 경우에는 스택 구동 조건 변화에 따라 구동 오프되어야 할 스택을 결정하기 위한 제어 로직이 제어 장치 내에 미리 저장될 수 있다.
예를 들어, 공급전력량이 700㎾h에서 350㎾h로 감소하는 경우, 초기에 동작하였던 2개의 스택인 1번, 2번 스택이 우선적으로 오프될 수 있다.
한편, 이와는 달리, 후순위로 할당된 수전해 스택, 즉 상대적으로 높은 공급전력량에서 활성화되는 수전해 스택들로 구동될 스택을 변경하도록 설정될 수 있으며, 이 경우, 도 5에서와 같이 구동 후순위에 해당되는 4, 5번 스택이 구동 온되는 반면, 1, 2, 3번 스택은 구동 오프되도록 제어장치에 의해 제어될 수 있다.
이후, 감소되었던 공급전력량이 350㎾h에서 600㎾h로 다시 회복되어 증가세를 보이는 경우, 제4 스택 구동 조건에 따라 2개의 스택이 추가로 구동 온되어야 하는 바, 이 경우, 구동 순서를 초기화하여 1, 2, 3, 4번 스택은 구동 온으로 제어하고, 5번 스택은 구동 오프로 전환하도록 제어할 수 있다.
이후에는 구동 순서가 초기화되었으므로, 공급전력량이 증가하는 경우에는 5번 스택을 구동 온으로 전환하고, 공급전력량이 감소하는 경우, 1번 스택, 2번 스택, 3번 스택 순으로 순차적으로 구동 오프 제어할 수 있다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 재생에너지 발전장치 20: 제어장치
30: 수전해 스택 모듈 31, 32, 33, 34, 35: 수전해 스택
40: 전해질 탱크 50: 기액 분리기
60: 수소 정제기

Claims (15)

  1. 재생에너지 발전기로부터 전력을 공급받아 n개(n≥2)의 수전해 스택들로 전력을 분배하여 전력 공급을 제어하는 제어장치로서,
    상기 제어장치는 각각의 수전해 스택에 대하여 미리 설정된 최소 운전 전력량을 기반으로 결정된 2 이상의 스택 구동 조건들에 따라 각 수전해 스택의 구동 여부를 결정하도록 구성되며,
    상기 스택 구동 조건들은 수전해 스택의 온오프가 미리 결정된 전력량 범위이고, 상기 제어장치는 상기 재생에너지 발전기로부터의 공급전력량이 해당되는 스택 구동 조건들에 따라 상기 수전해 스택들의 구동을 제어하는 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 제어장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스택 구동 조건들은 n개의 전력량 범위에 의한 n개의 조건으로 이루어지고,
    상기 제어장치는 각각의 수전해 스택에 대하여 미리 설정된 최소 운전 전력량을 기반으로 결정된 n개의 스택 구동 조건들에 따라 각 수전해 스택의 구동 여부를 결정하고,
    각각의 스택 구동 조건 별로 구동될 수전해 스택이 할당되는 것을 특징으로 하는 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 제어장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 n개의 수전해 스택들은 모두 동일한 스택 용량(A)을 가지고,
    상기 최소 운전 전력량은 최소 운전 계수(α)와 스택 용량(A)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 제어장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    각 스택 구동 조건들의 하한값은 상기 최소 운전 전력량의 n이하의 정수배들로 구분되어 설정되고, 각 스택 구동 조건의 전력량 범위는 상기 최소 운전 전력량의 크기로 결정되는 것을 특징으로 하는 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 제어장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 스택 구동 조건들 중 최소의 공급전력량으로 수전해 스택이 운전 가능한 제1 스택 구동 조건은,
    αA ≤ 공급전력량 < 2αA
    로 설정되고,
    상기 제어장치는 상기 제1 스택 구동 조건에서는 제1 수전해 스택만이 구동하도록 제어하고, 상기 공급전력량이 증가함에 따라 각각의 스택 구동 조건들에 할당된 수전해 스택들이 순차적으로 구동되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 제어장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    복수의 수전해 스택이 구동되고 있는 상태에서, 상기 공급전력량 감소로 인해 상기 수전해 스택들 중 일부가 구동 정지되어야 하는 경우,
    상기 제어장치는 구동 개시 순서의 역순으로 스택 구동을 정지시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 제어장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 공급전력량 감소로 인해 상기 수전해 스택들 중 일부가 구동 정지된 후, 다시 상기 공급전략량이 증가하여 상기 수전해 스택들 중 일부를 추가로 구동시켜야 하는 경우,
    상기 제어장치는 각각의 스택 구동 조건들에 할당된 수전해 스택들을 구동시키는 것을 특징으로 하는 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 제어장치.
  8. 재생에너지 발전기로부터 전력을 공급받아 n개(n≥2)의 수전해 스택들로 전력을 분배하는 제어 장치에 의해 수전해 스택의 구동을 제어하는 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 운전 제어 방법으로,
    상기 제어장치는 각각의 수전해 스택에 대하여 미리 설정된 최소 운전 전력량을 기반으로 결정된 2 이상의 스택 구동 조건들에 따라 각 수전해 스택의 구동 여부를 결정하도록 구성되며,
    상기 스택 구동 조건들은 수전해 스택의 온오프가 미리 결정된 전력량 범위이고, 상기 제어장치는 상기 재생에너지 발전기로부터의 공급전력량이 해당되는 스택 구동 조건들에 따라 상기 수전해 스택들의 구동을 제어하는 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 운전 제어 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 수전해 스택 모듈의 구동 상태에서,
    현재 공급전력량을 측정하는 단계;
    이전에 측정된 공급전력량(W1)과 현재 측정된 공급전력량(W2)를 비교하여 전력량의 증감 여부를 확인하는 단계;
    전력량 증감 여부 확인 결과에 따라 전력 공급 제어를 실시하는 단계;를 포함하고,
    상기 전력 공급 제어는 상기 스택 구동 조건들에 할당된 수전해 스택으로 공급되는 전력량을 증감된 전력량에 따라 제어하는 것을 특징으로 하는 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 운전 제어 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 스택 구동 조건들은 n개의 전력량 범위에 의한 n개의 조건으로 이루어지고,
    상기 제어장치는 각각의 수전해 스택에 대하여 미리 설정된 최소 운전 전력량을 기반으로 결정된 n개의 스택 구동 조건들에 따라 각 수전해 스택의 구동 여부를 결정하고,
    각각의 스택 구동 조건 별로 구동될 수전해 스택이 할당되는 것을 특징으로 하는 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 운전 제어 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 n개의 수전해 스택들은 모두 동일한 스택 용량(A)을 가지고,
    상기 최소 운전 전력량은 최소 운전 계수(α)와 스택 용량(A)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 운전 제어 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    각 스택 구동 조건들의 하한값은 상기 최소 운전 전력량의 'n' 이하의 정수배들로 구분되어 설정되고, 각 스택 구동 조건의 전력량 범위는 상기 최소 운전 전력량의 크기로 결정되는 것을 특징으로 하는 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 제어장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 스택 구동 조건들 중 최소의 공급전력량으로 수전해 스택이 운전 가능한 제1 스택 구동 조건은,
    αA ≤ 공급전력량 < 2αA
    로 설정되고,
    상기 제어장치는 상기 제1 스택 구동 조건에서는 제1 수전해 스택만이 구동하도록 제어하고, 상기 공급전력량이 증가함에 따라 각각의 스택 구동 조건들에 할당된 수전해 스택들이 순차적으로 구동되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 운전 제어 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 전력량 증감 여부 확인 단계를 통해, 복수의 수전해 스택이 구동되고 있는 상태에서, 상기 공급전력량 감소로 인해 상기 수전해 스택들 중 일부가 구동 정지되어야 하는 것으로 판단된 경우,
    상기 전력 공급 제어 실시 단계에서는, 상기 제어장치는 구동 개시 순서의 역순으로 스택 구동을 정지시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 운전 제어 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 전력량 증감 여부 확인 단계를 통해, 상기 공급전력량이 감소되어 전력 공급 제어가 이루어진 이후, 다시 전력 공급전력량이 증가하는 것으로 확인된 경우,
    상기 제어장치에서는 상기 공급전력량 감소로 인해 상기 수전해 스택들 중 일부가 구동 정지된 후, 다시 상기 공급전략량이 증가하여 상기 수전해 스택들 중 일부를 추가로 구동시켜야 하는 경우인지 여부를 확인하고,
    상기 수전해 스택들 중 일부를 추가로 구동시켜야 하는 것으로 확인된 경우, 상기 제어장치는 각각의 스택 구동 조건들에 할당된 수전해 스택들을 구동시키는 것을 특징으로 하는 재생에너지 발전장치용 수전해 스택 모듈의 운전 제어 방법.
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