KR20230045915A - 암모니아 전해 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따르면, 암모니아가 공급되는 혼합기; 상기 혼합기와 연통되어, 공급된 상기 암모니아를 전달받아 적어도 두 개의 서로 다른 유체로 전기 분해하게 구성되는 전해 셀; 및 상기 전해 셀과 연통되어 전기 분해된 상기 적어도 두 개의 서로 다른 유체를 전달받아, 전달받은 상기 적어도 두 개의 서로 다른 유체에 잔류된 상기 암모니아를 분리하는 유체 분리기를 포함하는, 암모니아 전해 시스템이 제공될 수 있다.
Description
본 발명은 암모니아 전해 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 전기 화학적인 방법으로 암모니아를 질소 및 수소로 분해할 수 있고, 분해된 질소 및 수소를 분리하기 위한 별도의 구성 요소 및 공정이 요구되지 않으며, 암모니아의 분해 과정에서 질소 산화물(NOx)이 발생되지 않는 암모니아 전해 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
전통적으로, 전기 에너지는 화석 연료가 연소되어 발생되는 에너지가 변환되어 생산된다. 통상 화석 연료는 탄소(C), 질소(N) 등을 함유하여, 연소시 탄소 산화물 및 질소 산화물 등이 발생된다.
산업화가 진행됨에 따라, 화석 연료의 연소에 의해 발생되는 탄소 산화물 및 질소 산화물은 환경 파괴, 지구 온난화 등 다양한 문제점을 유발하고 있다. 이에, 지속 가능한 성장을 위해 친환경적인 에너지원을 활용하기 위한 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
이러한 연구의 일환으로, 수소를 에너지원으로 활용하는 연료 전지(fuel cell)를 예로 들 수 있다. 연료 전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 장치이다. 일 예로, 연료 전지는 수소와 산소의 화학 반응시 발생되는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키게 구성될 수 있다.
상기의 경우, 수소와 산소의 화학 반응에 따른 부산물로 물(H2O)만이 배출된다. 이에, 친환경적인 관점에서 종래의 내연 기관에 비해 유리한 바, 연료 전지를 이용한 차량의 개발이 활발하게 진행되고 있다.
현재 상용화된 연료 전지는 외부의 공급원으로부터 수소를 제공받아 작동된다. 그러나 수소 충전소의 안전성 문제 및 낮은 보급률 등에 기인하여, 운전자들이 수소를 확보하기가 쉽지 않다. 이는 연료 전지가 활용된 차량의 보급률의 저하를 유발하고 있다.
이를 극복하기 위해, 차량에 수소가 아닌 수소 화합물을 제공하고, 차량 내부에서 수소 화합물을 분해하여 바로 연료 전지에 수소를 공급하기 위한 방안에 대한 연구가 진행되고 있다. 일 예로, 암모니아(ammonia, NH3)를 수소 공급원으로 활용하는 방안을 들 수 있다.
그런데, 암모니아가 분해될 경우 수소 뿐만 아니라 질소도 발생된다. 발생된 질소는 연료 전지 또는 외부의 산소와 반응하여 질소 산화물로 합성될 가능성이 높고, 이는 또다른 환경 오염의 원인이 될 수 있다. 또한, 암모니아는 그 상(phase)에 따라 높은 폭발 가능성을 내재하고 있다.
더 나아가, 공급된 모든 암모니아가 질소 및 수소로 분해되지 않고, 일부는 암모니아로 잔류될 수 있다. 잔류된 암모니아가 외부로 유출될 경우 인체에 치명적인 손상이 유발될 수 있다.
이에, 암모니아를 활용하여 연료 전지를 작동시키기 위해서는, 질소 산화물의 발생을 억제하고, 폭발 등 안전 사고를 방지할 수 있으며, 잔류된 암모니아를 회수하여 외부로의 임의 유출을 방지하기 위한 방안이 갖춰져야만 한다.
이에, 암모니아를 이용하여 수소를 생성하기 위한 방안에 대한 기술들이 소개된 바 있다.
한국등록특허문헌 제10-1173456호는 암모니아수 분해용 미세유로 반응기 및 이를 이용한 암모니아 분해방법을 개시한다. 구체적으로, 상기 선행문헌은 금속박판표면에 미세유로를 형성한 미세 유로층을 다수 적층하여, 암모니아를 질소 및 수소로 촉매 분해할 수 있는 암모니아 분해용 미세유로 반응기 및 암모니아 분해방법을 개시한다.
그런데, 상기 선행문헌이 개시하는 암모니아 분해용 미세유로 반응기 및 암모니아 분해방법은 그 크기 감소 및 열효율 향상을 위한 방안만을 제공한다. 즉, 상기 선행문헌은 암모니아 분해시 발생될 수 있는 사고 등을 예방하기 위한 방안을 제공하지 못한다.
한국공개특허문헌 제10-2008-0110901호는 액체 암모니아를 기체 질소와 수소로 분해하는 장치를 개시한다. 구체적으로, 열촉매 분해를 수행하는 두 개의 반응기 및 마이크로파 공진기를 이용하여 액체 암모니아로부터 수소를 추출하여 차량에 제공할 수 있는, 액체 암모니아를 기체 질소와 수소로 분해하는 장치를 개시한다.
그런데, 상기 선행문헌이 개시하는 액체 암모니아를 기체 질소와 수소로 분해하는 장치는 암모니아를 이용하여 연료 전지에 수소를 제공하기 위한 컨셉을 개시할 뿐이다. 즉, 상기 선행문헌 역시 암모니아 분해시 발생될 수 있는, 상술한 문제점을 해결하기 위한 방안을 제공하지 못한다.
더 나아가, 상기 선행문헌들은 암모니아가 열분해되어 질소 및 수소가 생성됨을 전제하는 것으로, 전기 화학적인 방법으로 암모니아를 분해하기 위한 방안을 제공하지 못한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결할 수 있는 암모니아 전해 시스템 및 그 제어 방법을 제공함을 목적으로 한다.
먼저, 전기 화학적 방식을 통해 암모니아로부터 질소 및 수소를 분리할 수 있는 구조의 전해 셀, 유체 분리기, 이를 포함하는 암모니아 전해 시스템 및 그 제어 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.
또한, 암모니아에서 분해된 수소 및 질소의 분리를 위한 추가 과정이 요구되지 않는 구조의 전해 셀, 유체 분리기, 이를 포함하는 암모니아 전해 시스템 및 그 제어 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.
또한, 수소를 분리하기 하기 위한 원료(source)로 활용되는 암모니아의 상(phase)의 선택의 자유도가 향상된 구조의 전해 셀, 유체 분리기, 이를 포함하는 암모니아 전해 시스템 및 그 제어 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.
또한, 암모니아에서 질소 및 수소를 분리하는 과정이 연속적으로 수행될 수 있는 구조의 전해 셀, 유체 분리기, 이를 포함하는 암모니아 전해 시스템 및 그 제어 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.
또한, 암모니아의 분해량 및 그에 따라 발생되는 수소의 양을 확장하여 대용량화 또는 대형화가 가능한 구조의 전해 셀, 유체 분리기, 이를 포함하는 암모니아 전해 시스템 및 그 제어 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.
또한, 암모니아의 분해 과정에서 질소 산화물(NOx)의 발생을 억제할 수 있는 구조의 전해 셀, 유체 분리기, 이를 포함하는 암모니아 전해 시스템 및 그 제어 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.
또한, 암모니아에서 수소를 분리하는 공정의 에너지 효율이 향상될 수 있는 구조의 전해 셀, 유체 분리기, 이를 포함하는 암모니아 전해 시스템 및 그 제어 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 암모니아가 공급되는 혼합기; 상기 혼합기와 연통되어, 공급된 상기 암모니아를 전달받아 적어도 두 개의 서로 다른 유체로 전기 분해하게 구성되는 전해 셀; 및 상기 전해 셀과 연통되어 전기 분해된 상기 적어도 두 개의 서로 다른 유체를 전달받아, 전달받은 상기 적어도 두 개의 서로 다른 유체에 잔류된 상기 암모니아를 분리하는 유체 분리기를 포함하는, 암모니아 전해 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 유체 분리기는 복수 개 구비되어, 복수 개의 상기 유체 분리기 각각에는 상기 적어도 두 개의 서로 다른 유체가 각각 전달되는, 암모니아 전해 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 전해 셀은, 상기 암모니아를 수소(H2) 및 질소(N2)로 전기 분해하고, 복수의 상기 유체 분리기 각각에는, 분해된 상기 수소 및 상기 질소가 각각 유입되는, 암모니아 전해 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 혼합기는, 내부에 상기 암모니아를 수용하는 공간이 형성된 혼합기 본체; 상기 공간과 외부를 연통하며, 상기 암모니아에 혼합되는 첨가제가 유입되는 첨가제 공급부; 및 상기 혼합기 본체의 상기 공간에 회전 가능하게 수용되어, 공급된 상기 암모니아와 유입된 상기 첨가제를 혼합하는 교반기(stirrer)를 포함하는, 암모니아 전해 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 전해 셀과 통전 가능하게 연결되어, 상기 전해 셀이 상기 암모니아를 상기 적어도 두 개의 서로 다른 유체로 전기 분해하기 위한 전력을 공급하게 구성되는 제어부를 포함하는, 암모니아 전해 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 혼합기는, 상기 혼합기에 수용된 상기 암모니아의 온도를 제어하게 구성되는 혼합 온도 제어기를 포함하고, 상기 전해 셀은, 상기 전해 셀의 내부 공간의 온도를 제어하게 구성되는 셀 온도 제어기를 포함하는, 암모니아 전해 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 암모니아가 공급된 상기 혼합기의 압력 및 상기 전해 셀의 압력을 감지하는 압력 센서; 및 감지된 상기 혼합기의 압력 및 상기 전해 셀의 압력이 같을 경우, 공급된 상기 암모니아가 상기 전해 셀로 유동되도록 상기 혼합기와 상기 전해 셀을 연통하게 구성되는 제어부를 포함하는, 암모니아 전해 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 암모니아는 액체 상(liquid phase) 또는 기체 상(gas phase)으로 구비되는, 암모니아 전해 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 혼합기에 수용된 암모니아의 온도가 제어되는 단계; (b) 상기 암모니아가 전해 셀로 유입되는 단계; (c) 상기 전해 셀에 전력이 공급되어, 상기 암모니아가 적어도 두 개의 서로 다른 유체로 전기 분해되는 단계; (d) 분해된 상기 적어도 두 개의 서로 다른 유체가 유체 분리기로 유입되는 단계; 및 (e) 상기 유체 분리기에 유입된 상기 적어도 두 개의 서로 다른 유체가 추가 분리되는 단계를 포함하는, 암모니아 전해 시스템의 제어 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 전해 셀은, 서로 이격되어 배치되는 양극(cathode) 및 음극(anode)과, 상기 양극 및 상기 음극 사이에 배치되어 상기 양극 및 상기 음극을 물리적으로 이격시키는 이오노머(ionomer) 소재의 막 부재를 포함하는, 암모니아 전해 시스템의 제어 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계는, (a1) 상기 혼합기에 상기 암모니아가 공급되는 단계; (a2) 혼합 온도 제어기가 상기 암모니아를 수용한 상기 혼합기의 온도를 제어하는 단계; 및 (a3) 셀 온도 제어기가 상기 전해 셀의 온도를 제어하는 단계를 포함하는, 암모니아 전해 시스템의 제어 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계는, (a4) 상기 혼합기에 첨가제가 투입되는 단계; 및 (a5) 상기 혼합기에 구비된 교반기(stirrer)가 작동되어, 상기 암모니아와 상기 첨가제가 혼합되는 단계를 포함하는, 암모니아 전해 시스템의 제어 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계는, (b1) 압력 센서가 상기 혼합기의 압력 및 상기 전해 셀의 압력을 감지하는 단계; (b2) 제어부가 감지된 상기 혼합기의 압력과 상기 전해 셀의 압력을 비교하는 단계; 및 (b3) 상기 전해 셀의 압력이 상기 혼합기의 압력과 같을 경우, 상기 제어부가 상기 혼합기와 상기 전해 셀을 연통하는 유로 유닛을 개방하는 단계를 포함하는, 암모니아 전해 시스템의 제어 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 (c) 단계는, (c1) 제어부가 상기 전해 셀에 전력을 인가하는 단계; (c2) 인가된 상기 전력에 의해, 상기 전해 셀의 양극 및 음극 사이에 전위 차가 발생되는 단계; 및 (c3) 상기 전해 셀의 상기 양극 및 상기 음극에서 환원 및 산화 반응이 각각 발생되어, 상기 암모니아가 상기 적어도 두 개의 서로 다른 유체로 분해되는 단계를 포함하는, 암모니아 전해 시스템의 제어 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계는, (d1) 압력 센서가 상기 전해 셀의 압력을 감지하는 단계; (d2) 제어부가 감지된 상기 전해 셀의 압력과, 상기 전해 셀에 상기 전력이 인가되기 전의 상기 전해 셀의 압력을 비교하는 단계; 및 (d3) 감지된 상기 전해 셀의 압력과 상기 전력이 인가되기 전의 상기 전해 셀의 압력의 차가 기 설정된 기준 차이 이상일 경우, 상기 제어부가 상기 전해 셀과 상기 유체 분리기를 연통하는 유로 유닛을 개방하는 단계를 포함하며, 상기 유체 분리기는 복수 개 구비되어, 분해된 상기 적어도 두 개의 서로 다른 유체는 복수 개의 상기 유체 분리기 중 서로 다른 유체 분리기로 유동되는, 암모니아 전해 시스템의 제어 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 (e) 단계는, (e1) 분해된 상기 적어도 두 개의 서로 다른 유체가 복수 개의 상기 유체 분리기 중 서로 다른 유체 분리기로 유입되는 단계; (e2) 상기 서로 다른 유체 분리기에 유입된 상기 서로 다른 유체에 혼합된 암모니아가 분리되는 단계; 및 (e3) 상기 암모니아가 분리된 상기 서로 다른 유체가 복수 개의 상기 유체 분리기와 각각 연결되는 복수 개의 트랩 부재에 각각 유입되어, 상기 서로 다른 유체에 잔류된 암모니아가 추가 분리되는 단계를 포함하는, 암모니아 전해 시스템의 제어 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 (e) 단계 이후에, (f) 상기 암모니아가 상기 혼합기에서 상기 전해 셀로 더 공급되는 단계를 포함하는, 암모니아 전해 시스템의 제어 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 (f) 단계는, (f1) 압력 센서가 상기 혼합기의 압력 및 상기 전해 셀의 압력을 감지하는 단계; (f2) 제어부가 감지된 상기 혼합기의 압력 및 상기 전해 셀의 압력을 비교하는 단계; 및 (f3) 상기 전해 셀의 압력이 기 설정된 제1 기준 압력 이하일 경우, 상기 제어부가 상기 혼합기와 상기 전해 셀을 연통하는 유로 유닛을 개방하는 단계를 포함하는, 암모니아 전해 시스템의 제어 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 (e) 단계 이후에, (g) 제어부가 상기 혼합기 및 상기 전해 셀의 상태에 따라 상기 혼합기 및 상기 전해 셀의 작동을 제어하는 단계를 포함하는, 암모니아 전해 시스템의 제어 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 (g) 단계는, (g1) 센서 유닛이 상기 전해 셀의 전압, 상기 전해 셀의 압력 및 상기 혼합기에 공급된 상기 암모니아의 수위를 감지하는 단계; (g21) 상기 제어부가 감지된 상기 전해 셀의 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하는 단계; (g22) 감지된 상기 전해 셀의 전압이 상기 기준 전압과 다를 경우, 상기 제어부가 상기 전해 셀에 인가되는 전력을 차단하는 단계; (g31) 상기 제어부가 감지된 상기 전해 셀의 압력과 기 설정된 제2 기준 압력을 비교하는 단계; (g32) 감지된 상기 전해 셀의 압력이 상기 제2 기준 압력과 다를 경우, 상기 제어부가 상기 전해 셀과 상기 혼합기를 연통하는 유로 유닛을 폐쇄하는 단계; (g41) 상기 제어부가 감지된 상기 암모니아의 수위와 기 설정된 기준 수위를 비교하는 단계; 및 (g42) 감지된 상기 암모니아의 수위가 상기 기준 수위보다 작을 경우, 상기 제어부가 상기 전해 셀과 상기 혼합기를 연통하는 유로 유닛을 폐쇄하는 단계를 포함하는, 암모니아 전해 시스템의 제어 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 다음과 같은 효과가 달성될 수 있다.
먼저, 봄베로부터 공급된 암모니아는 전해 셀에 유입된다. 전해 셀은 제어부와 통전 가능하게 연결되어, 제어부로부터 전류를 인가받는다. 전해 셀은 제어부로부터 인가된 전류를 이용하여, 유입된 암모니아를 전기 화학적으로 분해한다.
따라서, 별도의 화학 또는 물리 공정 및 이를 수행하기 위한 수단 없이도, 암모니아가 질소 및 수소로 분해될 수 있다.
또한, 전해 셀에는 양극과 음극이 구비된다. 양극과 음극에는 제어부에서 인가된 전류가 통전된다. 전해 셀에 유입된 암모니아는 양극 및 음극에서 각각 진행되는 전기 화학 반응에 의해, 질소 및 수소로 분리된다.
양극 및 음극을 수용하는 전해 셀의 각 공간은 막 부재에 의해 물리적으로 이격된다. 양극과 음극은 서로 물리적으로 연통되지 않아, 양극 및 음극에서 발생된 질소 및 기체가 서로 혼합되지 않는다.
양극 및 음극을 수용하는 전해 셀의 각 공간은 별도의 배출 유로를 통해 서로 다른 유체 분리기와 연통된다. 따라서, 각 공간에서 발생된 질소 및 수소는 별개의 배출 유로를 통해 서로 다른 유체 분리기로 유동될 수 있다.
따라서, 전해 셀에서 전기 분해되어 발생된 질소 및 수소는 혼합되지 않고 외부로 배출될 수 있어, 질소 및 수소를 분리하기 위한 추가 공정 및 장비가 요구되지 않는다.
또한, 봄베에는 액체 상(liquid phase) 또는 기체 상(gas liquid)의 암모니아가 수용될 수 있다. 봄베로부터 암모니아를 공급받는 혼합기는 제어부에 의해 그 온도, 압력 및 수위가 제어될 수 있다.
제어부는 혼합기에 공급된 암모니아를 액체 상 또는 기체 상으로 상변화시키기 위한 온도 조정 또는 압력 조정 등을 수행할 수 있게 구성된다. 제어부는 혼합기 뿐만 아니라 전해 셀, 유체 분리기 및 유틸리티부의 온도 및 압력도 제어 가능하게 구성된다.
따라서, 수소 및 질소를 전기 분해하기 위한 원료로 활용되는 암모니아가 어떠한 상(phase)으로 구비되더라도, 암모니아 전해 시스템의 작동에 보다 유리한 상(phase)으로 변화된 후 전해 셀로 유입될 수 있다. 결과적으로, 암모니아의 상(phase)의 선택성이 향상될 수 있다.
또한, 전해 셀에서 암모니아로부터 전기 분해된 질소 및 수소는 유체 분리기를 통과된 후, 후속 공정으로 전달된다. 유체 분리기에서 질소 및 수소에서 분리된 잔여 암모니아는 봄베로 회수되어, 다시 혼합기로 공급된다.
제어부는 암모니아 전해 시스템에 구비되는 각 센서 유닛에서 감지된 정보를 이용하여 암모니아 전해 시스템의 각 구성 요소의 작동을 제어하기 위한 제어 정보를 연산한다. 암모니아 전해 시스템이 정상적으로 작동되는 경우, 제어부는 회수된 암모니아 및 추가 공급된 암모니아가 다시 혼합기로 유동되도록 각 구성 요소를 제어한다.
따라서, 암모니아의 공급, 암모니아의 전기 분해 및 분해된 질소, 수소의 배출과 분리된 잔여 암모니아의 회수가 연속적으로 수행될 수 있다.
또한, 전해 셀은 복수 개 구비되어 적층될 수 있다. 복수 개의 전해 셀은 암모니아를 공급하기 위한 혼합기 및 전기 분해된 유체를 처리하기 위한 유체 분리기와 각각 연통된다. 이때, 복수 개의 전해 셀은 혼합기 및 유체 분리기와 각각 별개의 유로를 통해 연통될 수 있다. 즉, 복수 개의 전해 셀 중 어느 하나 이상의 전해 셀의 작동은 다른 하나 이상의 전해 셀의 작동에 영향을 미치지 않는다.
따라서, 암모니아 전해 시스템이 구비되는 환경에 따라 암모니아의 전기 분해 용량이 조정될 수 있다. 결과적으로, 암모니아 전해 시스템에 의해 암모니아가 전기 분해되어 발생되는 수소의 양 또한 필요에 따라 조정될 수 있어, 시스템의 대용량화 또는 저용량화가 가능하다.
또한, 상술한 바와 같이 전해 셀에서 암모니아가 전기 분해되어 생성된 질소 및 수소는 별도의 분리 공정 없이도 별개의 유로를 통해 전해 셀의 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 전해 셀과 연통되는 복수 개의 유체 분리기에는 질소 및 수소가 각각 유입될 수 있다. 특히, 질소가 유입된 유체 분리기는 외부의 저장 공간 또는 탈질 공정을 위한 장치와 연통되어, 질소는 별도로 저장되거나 탈질 공정을 거친 후 외부로 배출될 수 있다.
따라서, 암모니아 전해 시스템이 작동되어 암모니아가 전기 분해되더라도, 발생된 질소가 대기 중으로 임의 배출되지 않게 된다. 결과적으로, 전기 분해 결과 생성된 질소가 산소와 반응하여 발생되는 질소 산화물(NOx)의 발생이 최소화될 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 암모니아는 물리적인 방법 또는 화학적인 방법이 아닌, 전기 화학적인 방법으로 질소 및 수소로 분해될 수 있다. 암모니아를 전기 분해하기 위해, 전해 셀과 통전 가능하게 연결되는 제어부는 작은 크기의 전류를 인가하게 구성될 수 있다.
따라서, 암모니아를 질소 및 수소로 전기 분해하기 위해 요구되는 에너지의 양이 최소화될 수 있다. 결과적으로, 암모니아 전해 시스템의 구비 및 작동에 요구되는 경제적인 비용이 절감될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 3은 도 1의 암모니아 전해 시스템에 구비되는 혼합기의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4는 도 1의 암모니아 전해 시스템에 구비되는 혼합기와 전해 셀의 연결 블록를 도시하는 개념도이다.
도 5는 도 1의 암모니아 전해 시스템에 구비되는 전해 셀의 구성을 도시하는 개념도이다.
도 6은 도 1의 암모니아 전해 시스템에 구비되는 전해 셀과 유체 분리기의 연결 관계를 도시하는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템의 제어 방법의 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 9는 도 8의 암모니아 전해 시스템의 제어 방법 중 S100 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 10은 도 8의 암모니아 전해 시스템의 제어 방법 중 S200 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 11은 도 8의 암모니아 전해 시스템의 제어 방법 중 S300 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 12는 도 8의 암모니아 전해 시스템의 제어 방법 중 S400 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 13은 도 8의 암모니아 전해 시스템의 제어 방법 중 S500 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 14는 도 8의 암모니아 전해 시스템의 제어 방법 중 S600 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 15는 도 8의 암모니아 전해 시스템의 제어 방법 중 S700 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 3은 도 1의 암모니아 전해 시스템에 구비되는 혼합기의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4는 도 1의 암모니아 전해 시스템에 구비되는 혼합기와 전해 셀의 연결 블록를 도시하는 개념도이다.
도 5는 도 1의 암모니아 전해 시스템에 구비되는 전해 셀의 구성을 도시하는 개념도이다.
도 6은 도 1의 암모니아 전해 시스템에 구비되는 전해 셀과 유체 분리기의 연결 관계를 도시하는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템의 제어 방법의 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 9는 도 8의 암모니아 전해 시스템의 제어 방법 중 S100 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 10은 도 8의 암모니아 전해 시스템의 제어 방법 중 S200 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 11은 도 8의 암모니아 전해 시스템의 제어 방법 중 S300 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 12는 도 8의 암모니아 전해 시스템의 제어 방법 중 S400 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 13은 도 8의 암모니아 전해 시스템의 제어 방법 중 S500 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 14는 도 8의 암모니아 전해 시스템의 제어 방법 중 S600 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 15는 도 8의 암모니아 전해 시스템의 제어 방법 중 S700 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템(10) 및 그 제어 방법을 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서는 본 발명의 특징을 명확하게 하기 위해, 일부 구성 요소들에 대한 설명이 생략될 수 있다.
1. 용어의 정의
이하의 설명에서 사용되는 "유체"라는 용어는 액체 상(liquid phase) 또는 기체 상(gas phase) 상태의 임의의 물질을 의미한다. 본 발명의 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템(10)의 에너지원으로 활용되는 암모니아는 액체 상 또는 기체 상으로 구비될 수 있다.
이하의 설명에서 사용되는 "전해(electrolysis)"라는 용어는 전기 에너지를 이용하여 물질을 분해하는 공정을 의미한다. 일 실시 예에서, 전해는 암모니아를 질소 및 수소로 분해하기 위해 활용될 수 있다.
이하의 설명에서 사용되는 "연통"이라는 용어는 하나 이상의 부재가 유체 소통 가능하게 다른 하나 이상의 부재와 연결됨을 의미한다.
이하의 설명에서 사용되는 "통전 가능한 연결"이라는 용어는 하나 이상의 부재가 전기적 신호 또는 전류를 전달 가능하게 다른 하나 이상의 부재와 연결됨을 의미한다. 일 실시 예에서, 통전 가능한 연결은 무선 또는 유선의 방식으로 형성될 수 있다.
2. 본 발명의 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템(10)의 구성의 설명
본 발명의 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템(10)은 전기 화학적인 방법을 이용하여 암모니아를 질소 및 수소로 분해할 수 있다. 분해된 질소 및 수소는 별도의 분리 공정 없이도 서로 물리적으로 분리되어 혼합되지 않으며, 각각 연료 전지 또는 별도의 저장 공간에 제공될 수 있다. 또한, 암모니아의 분해 결과 발생된 질소는 외부로 임의 배출되지 않게 되어, 질소 산화물의 발생이 억제될 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템(10)의 구성을 상세하게 설명한다.
도시된 실시 예에서, 암모니아 전해 시스템(10)은 혼합기(100), 전해 셀(200), 유체 분리기(300), 제어부(400) 및 유틸리티부(500)를 포함한다.
(1) 혼합기(100)의 설명
혼합기(100)는 외부의 봄베(B)로부터 암모니아를 전달받는다. 이때, 혼합기(100)가 전달받는 암모니아는 물 등의 용매에 용해된 상태가 아닌, 순수 암모니아로 구비될 수 있다.
혼합기(100)는 전달받은 암모니아를 전해 반응을 위한 적절한 온도로 제어할 수 있다. 일 실시 예에서, 혼합기(100)는 전달된 암모니아가 액화되어, 액체 상으로 유지되기에 충분한 온도로 제어할 수 있다.
알려진 바와 같이, 암모니아의 융해점, 즉 암모니아가 액체 상으로 존재하기 위한 온도는 압력에 따라 변경될 수 있다. 구체적으로, 암모니아가 액체 상으로 존재하기 위한 온도는 압력의 증가에 따라 증가되는 경향을 보인다.
그런데, 암모니아 전해 시스템(10)의 작동시 안전 사고의 발생을 방지하기 위해서는, 암모니아가 과다한 압력을 갖게 형성되는 것은 바람직하지 못하다.
따라서, 혼합기(100)는 전달받은 암모니아를 소정의 온도만큼 냉각된 상태로 유지하여, 암모니아가 과다하게 압축되지 않고도 액체 상으로 유지될 수 있게 한다. 일 실시 예에서, 혼합기(100)는 암모니아를 10℃ - 7 bar 상태로 유지시키게 구성될 수 있다. 암모니아를 냉각하기 위한 열원으로, 혼합기(100)에는 혼합 온도 제어기(140)가 구비될 수 있다.
혼합기(100)는 봄베(B)와 연통된다. 구체적으로, 혼합기(100)는 유틸리티부(500)에 구비되는 유로 유닛(510)의 유입 유로부(511)에 의해 봄베(B)와 연통된다. 봄베(B)에 저장된 암모니아는 유입 유로부(511)를 통해 혼합기(100)로 유동될 수 있다.
혼합기(100)는 전해 셀(200)과 연통된다. 구체적으로, 혼합기(100)는 유틸리티부(500)에 구비되는 유로 유닛(510)의 공급 유로부(512)에 의해 전해 셀(200)과 연통된다. 온도가 조정되고, 첨가제가 혼합된 암모니아는 전해 셀(200)로 유동될 수 있다.
혼합기(100)는 제어부(400)와 통전 가능하게 연결된다. 혼합기(100)의 작동은 제어부(400)에 의한 전기적 신호 또는 작업자에 의해 제어될 수 있다. 즉, 이하에서 설명될 혼합기(100)의 각 구성 요소는 제어부(400) 또는 작업자에 의해 제어될 수 있다.
더 나아가, 혼합기(100)와 봄베(B) 또는 혼합기(100)와 전해 셀(200)의 간의 연통 또한 제어부(400) 또는 작업자에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 암모니아는 혼합기(100)의 내부로 임의 유입되거나, 혼합기(100)의 내부에서 외부를 향해 임의 유출되지 않는다.
도시된 실시 예에서, 혼합기(100)는 혼합기 본체(110), 교반기(stirrer)(120), 첨가제 공급부(130), 혼합 온도 제어기(140) 및 이송 장치(150)를 포함한다.
혼합기 본체(110)는 혼합기(100)의 외형을 형성한다. 혼합기 본체(110)의 내부에는 공간이 형성된다. 상기 공간에는 봄베(B)에서 전달된 암모니아가 수용될 수 있다.
혼합기 본체(110)의 상기 공간은 외부와 연통된다. 구체적으로, 혼합기 본체(110)는 봄베(B) 및 전해 셀(200)과 연통된다. 유틸리티부(500)에 구비되는 유로 유닛(510)에 의해 혼합기 본체(110)의 상기 공간이 외부와 연통됨은 상술한 바와 같다.
혼합기 본체(110)의 내부에는 교반기(120)가 회전 가능하게 구비된다.
교반기(120)는 혼합기 본체(110)의 내부 공간에 수용된 암모니아와, 첨가제 공급부(130)를 통해 공급된 첨가제를 혼합시킨다. 교반기(120)는 회전 가능하게 혼합기 본체(110)에 결합되되, 그 연장 방향의 일측 단부에는 포일(foil)이 형성될 수 있다. 교반기(120)의 상기 포일은 혼합기 본체(110)의 상기 공간에 수용된 암모니아에 잠기게 배치될 수 있다.
일 예에서, 교반기(120)의 연장 방향의 타측 단부는 혼합기 본체(110)의 외측으로 일부 노출되나, 교반기(120)는 혼합기 본체(110)에 수용된 암모니아와 첨가제를 회전시킬 수 있는 임의의 형태로 혼합기 본체(110)와 결합될 수 있다.
첨가제 공급부(130)는 혼합기 본체(110)의 상기 공간에 투입되어, 상기 공간에 수용된 암모니아와 혼합된다. 첨가제 공급부(130)는 혼합기 본체(110)의 상기 공간과 외부를 개폐 가능하게 연통할 수 있다.
달리 표현하면, 첨가제 공급부(130)는 개방되거나 폐쇄 가능하게 구성되어, 첨가제가 투입되어야 할 경우 개방되고, 첨가제의 투입이 완료되면 폐쇄될 수 있다. 첨가제 공급부(130)의 작동이 제어부(400) 또는 작업자에 의해 수행될 수 있음은 상술한 바와 같다.
첨가제 공급부(130)의 개방과 폐쇄를 위해, 캡 부재(도면 부호 미표기)가 구비될 수 있다.
첨가제 공급부(130)를 통해 투입되는 첨가제는 암모니아의 액화 및 전해 반응 효율 증가를 향상시킬 수 있는 임의의 물질로 구성될 수 있다. 일 실시 예에서, 첨가제 공급부(130)를 통해 투입되는 첨가제는 이온성 첨가제로 구성될 수 있다.
상기 실시 예에서, 첨가제는 LiNH2, NaNH2, KNH2, KPF6, NH4PF6, KNH2 KHCO3, K2CO3, KOH, KCl, KClO4, K2SiO3, Na2SO4, NaNO3, NaCl, NaF, NaClO4, CaCl2, 구아니디늄 양이온, H+양이온, 알칼리 금속 양이온, 암모늄 양이온, 알킬암모늄 양이온, 할라이드 이온, 알킬 아민, 보레이트, 카본에이트, 구아니디늄 유도체, 나이트라이트, 나이트레이트, 포스페이트, 폴리포스페이트, 퍼클로레이트, 실리케이트, 설페이트, 테트라알킬 암모늄 또는 이들 중 어느 하나 이상이 혼합된 물질로 구비될 수 있다.
혼합 온도 제어기(140)는 혼합기 본체(110)의 상기 공간에 수용된 암모니아 또는 첨가제가 혼합된 암모니아의 온도를 일정하게 유지시킨다. 혼합 온도 제어기(140)는 혼합기 본체(110)와 연결되어, 열 에너지를 전달하거나 전달받을 수 있게 구성된다.
일 실시 예에서, 혼합 온도 제어기(140)는 혼합기 본체(110) 뿐만 아니라, 혼합기(100)와 봄베(B) 또는 혼합기(100)와 전해 셀(200)을 연결하는 유로 유닛(510)에도 연결될 수 있다. 상기 실시 예에서, 혼합 온도 제어기(140)는 혼합기 본체(110) 뿐만 아니라, 암모니아 또는 첨가제가 혼합된 암모니아가 유동되는 유로 유닛(510)의 온도까지 일정하게 유지시킬 수 있다.
일 실시 예에서, 혼합 온도 제어기(140)는 혼합기 본체(110) 및 그 내부에 수용된 암모니아 또는 암모니아와 첨가제 혼합물의 온도를 -273℃ 내지 30℃의 범위 내로 유지시킬 수 있다.
혼합 온도 제어기(140)는 그 자체 또는 다른 부재의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 임의의 형태로 구비될 수 있다. 일 실시 예에서, 혼합 온도 제어기(140)는 칠러(chiller)의 형태로 구비될 수 있다.
이송 장치(150)는 혼합기 본체(110)의 상기 공간에 수용된 암모니아 또는 첨가제가 혼합된 암모니아가 전해 셀(200)을 향해 유동되기 위한 이송력을 제공한다. 이송 장치(150)는 유틸리티부(500)에 구비되는 유로 유닛(510) 중 공급 유로부(512)에 구비되어, 그 내부에서 유동되는 암모니아에 이송력을 제공할 수 있다.
후술될 바와 같이, 제어부(400)는 혼합기(100)와 전해 셀(200)은 그 내부 압력이 동일할 경우 혼합기(100)와 전해 셀(200)이 연통되도록 제어할 수 있다. 알려진 바와 같이, 서로 다른 두 공간의 압력이 동일할 경우 그 내부의 유체는 어느 하나의 공간에서 다른 하나의 공간으로 유동되지 않는다.
이에, 이송 장치(150)는 동일한 압력을 갖게 유지되는 혼합기(100)와 전해 셀(200) 사이에서 암모니아가 유동되기 위한 이송력을 제공한다.
이송 장치(150)는 유체에 이송력을 제공할 수 있는 임의의 형태로 구비될 수 있다. 일 실시 예에서, 이송 장치(150)는 펌프(pump)의 형태로 구비될 수 있다.
(2) 전해 셀(200)의 설명
전해 셀(200)은 암모니아 전해 시스템(10)으로 공급된 암모니아를 적어도 두 개의 유체로 전기 분해하는 역할을 실질적으로 수행한다. 일 실시 예에서, 전해 셀(200)은 공급된 암모니아를 질소 및 수소로 전기 분해할 수 있다.
전해 셀(200)은 혼합기(100)와 연통되어, 혼합기(100)에서 온도가 제어되고 첨가제가 혼합된 암모니아를 전달받을 수 있다. 전해 셀(200)과 혼합기(100)는 유틸리티부(500)에 구비되는 유로 유닛(510)의 공급 유로부(512)에 의해 연통될 수 있다.
전해 셀(200)은 유체 분리기(300)와 연통되어, 전해 셀(200)에서 분리된, 즉 암모니아가 전기 분해되어 발생된 적어도 두 개의 유체가 각각 서로 다른 유체 분리기(300)로 유동될 수 있다. 전해 셀(200)과 유체 분리기(300)는 유틸리티부(500)에 구비되는 유로 유닛(510)의 혼합 유로부(513)에 의해 연통될 수 있다.
전해 셀(200)은 제어부(400)와 통전 가능하게 연결되어, 공급된 암모니아를 전기 분해하기 위한 전류를 전달받을 수 있다. 또한, 전해 셀(200)은 제어부(400)에서 전달한 제어 신호에 따라 그 작동 여부가 제어될 수 있다.
전해 셀(200)은 복수 개 구비될 수 있다. 복수 개의 전해 셀(200)은 서로 적층되어, 각각 암모니아를 적어도 두 개의 유체로 전기 분해할 수 있다.
도 2에 도시된 실시 예에서는 전해 셀(200)이 단수 개 구비되는 것으로 도시되었으나, 전해 셀(200)은 복수 개 구비되어 그 폭 방향으로 나란하게 배치될 수 있다.
상기 실시 예에서, 각 전해 셀(200)마다 암모니아를 공급하기 위한 공급 유로부(512) 및 전기 분해된 적어도 두 개의 유체를 배출하기 위한 혼합 유로부(513)가 추가 구비될 수 있음이 이해될 것이다.
또한, 상기 실시 예에서, 암모니아의 전기 분해 용량은 구비된 전해 셀(200)의 개수에 따라 변경될 수 있다. 따라서, 상기 실시 예에 따를 경우, 암모니아 전해 시스템(10)이 생성하는 수소 또는 질소의 발생량이 조정될 수 있어, 다양한 시스템에 적용될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 전해 셀(200)은 전해 셀 하우징(210), 양극(anode)(220), 음극(cathode)(230), 막 부재(240), 확산 부재(250), 가스켓 부재(260) 및 셀 온도 제어기(270)를 포함한다.
전해 셀 하우징(210)은 전해 셀(200)의 외형을 형성한다. 전해 셀 하우징(210)의 내부에는 공간이 형성되어, 혼합기(100)에서 전달된 암모니아가 수용될 수 있다. 또한, 전해 셀 하우징(210)의 상기 공간은 전달된 암모니아가 전기 분해되어 형성된 적어도 두 개의 유체가 수용될 수 있다.
전해 셀 하우징(210)의 상기 공간은 외부와 연통된다. 구체적으로, 전해 셀 하우징(210)의 상기 공간은 유로 유닛(510)의 공급 유로부(512)에 의해 혼합기(100)의 내부 공간과 연통될 수 있다. 또한, 전해 셀 하우징(210)의 상기 공간은 유로 유닛(510)의 혼합 유로부(513)에 의해 유체 분리기(300)와 연통될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 전해 셀 하우징(210)은 그 단면이 상하 방향의 길이가 좌우 방향의 길이보다 긴 원판 형으로 형성된다. 전해 셀 하우징(210)의 형상은 그 내부 공간에 공급된 암모니아를 전기 분해하여 적어도 두 개의 유체를 생성할 수 있는 임의의 형태로 구비될 수 있다.
다만, 상술한 바와 같이, 전해 셀(200)이 복수 개 구비되어 그 폭 방향(도시된 실시 예에서 좌우 방향)으로 적층되기 위해서는, 전해 셀 하우징(210)의 형상은 좌우 방향의 길이가 상하 방향의 길이보다 짧게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 실시 예에서, 도 5의 전해 셀(200)의 형상은 직경 방향의 단면을 도시함이 이해될 것이다.
도시된 실시 예에서, 전해 셀 하우징(210)은 제1 셀 하우징(211) 및 제2 셀 하우징(212)을 포함한다. 제1 셀 하우징(211)과 제2 셀 하우징(212)은 서로 대응되는 형상을 갖게 형성되되, 그 사이에 공간을 형성하며 결합될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 제1 셀 하우징(211) 및 제2 셀 하우징(212)은 방사상 내측에 공간을 형성하되, 그 방사상 외측은 서로 밀폐되도록 접촉 결합될 수 있다. 이에 따라, 전해 셀 하우징(210)의 상기 내부 공간에 유입된 암모니아 및 유입된 암모니아가 전기 분해되어 생성되는 적어도 두 개의 유체가 외부로 임의 유출되지 않게 된다.
이를 위해, 제1 셀 하우징(211) 및 제2 셀 하우징(212) 사이에는 밀폐 결합을 위한 가스켓 부재(260)가 구비될 수 있다.
제1 셀 하우징(211) 및 제2 셀 하우징(212)의 내부에는 각각 공간이 형성된다. 제1 셀 하우징(211)의 공간 및 제2 셀 하우징(212)의 공간에는 양극(220) 및 음극(230)이 각각 수용될 수 있다.
도 5에 도시된 실시 예에서, 제1 셀 하우징(211)의 내부 공간에는 양극(220)이, 제2 셀 하우징(212)의 내부 공간에는 음극(230)이 각각 수용된다. 수용된 양극(220) 및 음극(230)은 막 부재(240)에 의해 물리적으로 이격된다.
전해 셀 하우징(210)의 상기 내부 공간에는 양극(220), 음극(230), 막 부재(240) 및 확산 부재(250)가 수용된다.
양극(220) 및 음극(230)은 제어부(400)에서 인가된 전류를 이용하여, 전해 셀 하우징(210)의 내부 공간으로 공급된 암모니아를 전기 분해하여 적어도 두 개의 유체를 생성한다. 일 실시 예에서, 전해 셀 하우징(210)의 내부 공간에는 액화 암모니아가 유입될 수 있다. 또한, 양극(220) 및 음극(230)에 의해, 질소 및 수소가 생성될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 양극(220) 및 음극(230)은 막 부재(240)에 의해 물리적으로 이격될 수 있다. 따라서, 전해 셀 하우징(210)의 내부에 수용된 상태에서, 양극(220) 및 음극(230) 중 어느 하나 이상에 암모니아가 공급될 수 있다.
따라서, 요구되는 수소 또는 질소의 양에 따라, 암모니아의 공급에 제어될 수 있어 암모니아 전해 시스템(10)의 운용이 보다 효율적일 수 있다.
양극(220) 및 음극(230)은 제어부(400)에서 인가된 전류가 통전되어, 유입된 암모니아를 전기 분해할 수 있는 임의의 형태로 구비될 수 있다. 일 실시 예에서, 양극(220) 및 음극(230)은 도전성 소재로 형성될 수 있다.
양극(220) 및 음극(230)은 서로 통전 가능하게 연결된다. 상기 연결은 도선 부재(미도시) 등에 의해 형성될 수 있다.
일 예로, 양극(220)은 백금, 금, 은, 팔라듐, 이리듐, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 주석, 철, 코발트, 니켈, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐 또는 이들 중 어느 하나 이상이 혼합되어 형성된 물질 중 어느 하나를 소재로 하여 형성될 수 있다.
또한, 일 예로, 음극(230)은 주석, 주석 합금, 알루미늄, 금, 은, 탄소, 카드뮴, 코발트, 크롬, 구리, 구리 합금, 갈륨, 수은, 인듐, 몰디브데넘, 나이오븀, 니켈, NiCo2O4, 니켈 합금, 니켈-철 합금, 납, 로듐, 티타늄, 바나듐, 텅스텐, 아연, 엘길로이(elgiloy), 니크롬, 오스테나이트 강, 듀플렉스 강, 페라이트 강, 마르텐자이트 강, 스테인레스 강 또는 이들 중 어느 하나 이상이 혼합되어 형성된 물질 중 어느 하나를 소재로 하여 형성될 수 있다.
양극(220) 및 음극(230)에서 암모니아가 분해되는 과정은 다음의 [수식 1]로 표현될 수 있다.
(수식 1)
양극(220)에서의 화학 반응식: 
음극(230)에서의 화학 반응식: 
전체 화학 반응식: 
즉, 공급된 전해 물질인 암모니아에서 분해된 이온은 양극(220)에서 촉매 반응되어 질소 및 전자가 발생된다. 발생된 전자는 상기 도선 부재(미도시)를 통해 음극(230)으로 이동된다. 음극(230)에서는 이동된 전자와 가 환원 반응되어 수소가 발생된다. 상기 질소 및 수소가 적어도 두 개의 유체를 구성함이 이해될 것이다.
적어도 두 개의 유체 중 양극(220)에서 발생된 어느 하나의 유체, 상기 수식 1에서 질소 및 적어도 두 개의 유체 중 음극(230)에서 발생된 다른 하나의 유체, 상기 수식 1에서 수소는 유로 유닛(510)의 혼합 유로부(513)를 통해 유체 분리기(300)로 배출될 수 있다.
후술될 바와 같이, 유체 분리기(300)는 상기 어느 하나의 유체, 즉 질소를 포집하기 위한 제1 유체 분리기(300a) 및 다른 하나의 유체, 즉 수소를 포집하기 위한 제2 유체 분리기(300b)를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 혼합 유로부(513)는 양극(220)과 제1 유체 분리기(300a)를 연통하는 제1 혼합 유로(513a) 및 음극(230)과 제2 유체 분리기(300b)를 연통하는 제2 혼합 유로(513b)를 포함한다.
따라서, 양극(220) 및 음극(230)에서 각각 발생된 적어도 두 개의 유체, 상기 실시 예에서 질소 및 수소는 서로 혼합되지 않고 각각 별개의 유로(즉, 제1 혼합 유로(513a) 및 제2 혼합 유로(513b))를 통해 서로 다른 유체 분리기(즉, 제1 유체 분리기(300a) 및 제2 유체 분리기(300b))로 유동될 수 있다.
이에 따라, 암모니아가 전기 분해되어 발생된 질소 및 수소를 분리하기 위한 별도의 공정이 요구되지 않는다. 결과적으로, 발생된 질소 및 수소를 분리하기 위한 별도의 부재 또한 요구되지 않게 되어, 암모니아를 전기 분해하여 질소 및 수소를 생성하기 위한 시스템의 구성 및 공정의 과정이 간명해질 수 있다.
상술한 실시 예는, 제어부(400)에서 인가된 전류에 의해 형성되는 양극(220)과 음극(230)의 전위 차가 0.077 V임을 전제하여 설명되었다. 대안적으로, 양극(220) 및 음극(230)의 전위 차는 0.1 V 내지 4 V의 범위에 있는 임의의 값으로 설정될 수 있다.
상기 전위 차의 값은 인가된 전류에 의해 양극(220) 및 음극(230)이 손상되지 않을 수 있는 임의의 값으로 결정될 수 있다.
전해 셀(200)이 작동됨에 따라 양극(220) 및 음극(230)의 손상 여부 등을 방지하기 위해, 양극(220) 및 음극(230)의 상태를 감지하기 위한 다양한 구성 요소가 구비될 수 있다. 이는 후술될 유틸리티부(500)에 대한 설명에서 서술하기로 한다.
막 부재(240)는 양극(220) 및 음극(230) 사이에 위치되어, 양극(220)에 유입된 암모니아 또는 양극(220)에서 발생된 어느 하나의 유체의 음극(230)으로의 임의 이동을 제한한다. 또한, 막 부재(240)는 음극(230)에 유입된 암모니아 또는 음극(230)에서 발생된 다른 하나의 유체의 양극(220)으로의 임의 이동을 제한한다.
즉, 막 부재(240)는 양극(220) 및 음극(230)을 물리적으로 이격시켜, 양극(220) 및 음극(230) 간 물질의 이동을 차단하는 벽(barrier)으로 기능된다.
막 부재(240)는 전해 셀 하우징(210)의 내부에 위치된다. 구체적으로, 막 부재(240)는 제1 셀 하우징(211) 및 제2 셀 하우징(212) 사이에 위치되어, 제1 셀 하우징(211) 및 제2 셀 하우징(212)의 내부 공간에 각각 수용된 양극(220) 및 음극(230) 사이에 위치된다.
막 부재(240)는 전해 셀 하우징(210)의 형상에 상응하는 형상으로 구비될 수 있다. 상술한 바와 같이, 전해 셀 하우징(210)은 원판 형으로 구비되는 바, 막 부재(240) 또한 원판 형으로 구비될 수 있다. 이때, 막 부재(240)의 직경은 전해 셀 하우징(210)의 직경보다 작게 형성되어, 막 부재(240)는 외부로 노출되지 않을 수 있다.
막 부재(240)는 양극(220) 및 음극(230)이 수용된 각 공간의 임의 연통을 차단할 수 있는 임의의 형태로 구비될 수 있다.
일 예로, 막 부재(240)는 세라믹 소재로 형성되어, 기 설정된 크기 이하의 분자로 형성된 물질만 통과될 수 있게 구비될 수 있다. 본 실시 예에서, 막 부재(240)는 필터(filter)의 일종으로 기능될 수 있다.
다른 예로, 막 부재(240)는 이오노머(ionomer)의 형태로 구비되어, 특정 이온의 임의 이동을 방지할 수 있게 구비될 수 있다. 이때, 막 부재(240)는 양이온 및 음이온 중 어느 하나 이상의 이온의 임의 이동을 방지하게 구성될 수 있다.
본 실시 예에서, 막 부재(240)는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산)술폰산기, 테트라플루오로에틸렌, 플루오로비닐에테르, 폴리비닐리덴, 플루오라이드(PVDF), 폴리아미드, 폴리에스터, 폴리설폰, 폴리에틸렌, 폴리 프로필렌, 스티렌, 아크릴산, 메타크릴산, 글리시딜아크릴레이트, 글리시딜메타크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 1,3-부틸렌글리콜디아크릴레이트, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 셀루로오스, 폰화 폴리이미드, 술폰화 폴리아릴에테르술폰, 술폰화 폴리에테르에테르케톤, 술폰화 폴리벤즈이미다졸, 술폰화 폴리술폰, 술폰화 폴리스티렌, 술폰화 폴리포스파젠, 술폰화 폴리에테르에테르술폰, 술폰화 폴리에테르술폰, 술폰화 폴리에테르벤즈이미다졸, 술폰화 폴리아릴렌에테르케톤, 술폰화 폴리에테르케톤, 술폰화 폴리스타이렌, 술폰화폴리이미다졸, 술폰화 폴리에테르케톤케톤, 폴리아릴에테르벤즈이미다졸 또는 이들 중 어느 하나 이상의 혼합되어 형성된 물질 중 어느 하나를 소재로 하여 형성될 수 있다.
상기 실시 예에서, 막 부재(240)는 이온의 임의 이동을 차단할 수 있다. 따라서, 상술한 수식 1에서와 같이, 양극(220)에서 발생된 질소와 음극(230)에서 발생된 수소가 서로 혼합되지 않음이 이해될 것이다.
또 다른 예로, 막 부재(240)는 MEA(Membrane Electrode Assembly)로 구비될 수 있다. 상기 실시 예에서, 막 부재(240)는 암모니아의 전기 분해 과정을 촉진하도록 구성될 수 있다.
확산 부재(250)는 양극(220)이 수용된 제1 셀 하우징(211) 또는 음극(230)이 수용된 제2 셀 하우징(212)에 수용된 유체를 확산시킨다. 이에 따라, 수용된 각 유체가 양극(220) 및 음극(230)과 접촉되는 면적이 증가되어, 상기 수식 1에 따른 화학 반응이 보다 활발하게 진행될 수 있다.
확산 부재(250)는 유체의 확산 및 화학 반응을 촉진할 수 있는 임의의 형태로 구비될 수 있다. 일 실시 예에서, 확산 부재(250)는 다공성 소재로 형성될 수 있다.
확산 부재(250)는 전해 셀 하우징(210)의 내부에 수용된다. 확산 부재(250)는 양극(220) 및 음극(230)에 인접하게 위치된다.
확산 부재(250)는 복수 개 구비될 수 있다. 복수 개의 확산 부재(250)는 각각 양극(220) 및 음극(230)에 인접하게 위치될 수 있다. 도시된 실시 예에서, 확산 부재(250)는 양극(220)에 인접하게 위치되는 제1 확산 부재(251) 및 음극(230)에 인접하게 위치되는 제2 확산 부재(252)를 포함한다.
상기 실시 예에서, 제1 확산 부재(251)는 제1 셀 하우징(211)의 내부 공간에 수용될 수 있다. 마찬가지로, 제2 확산 부재(252)는 제2 셀 하우징(212)의 내부 공간에 수용될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 제1 확산 부재(251)는 양극(220)을 사이에 두고 막 부재(240)를 마주하게 배치된다. 또한, 제2 확산 부재(252)는 음극(230)을 사이에 두고 막 부재(240)를 마주하게 배치된다. 즉, 확산 부재(250)는 양극(220) 또는 음극(230)에 비해 상대적으로 외측에 위치된다.
확산 부재(250)의 위치는 전해 셀 하우징(210)이 외부와 연통되는 위치에 따라 변경될 수 있다.
가스켓 부재(260)는 제1 셀 하우징(211) 및 제2 셀 하우징(212) 사이에 위치되어, 제1 셀 하우징(211) 및 제2 셀 하우징(212)의 내부 공간과 외부의 연통을 차단한다.
가스켓 부재(260)는 판형으로 구비될 수 있다. 이때, 가스켓 부재(260)는 내부에 중공(hollow)이 형성된 링(ring) 형상으로 구비될 수 있다. 가스켓 부재(260)의 내부에 형성된 상기 중공에는 막 부재(240)가 수용될 수 있다. 가스켓 부재(260)의 부분 중 상기 중공을 둘러싸는 외주는 제1 셀 하우징(211) 및 제2 셀 하우징(212)과 각각 밀착될 수 있다.
이에 따라, 제1 셀 하우징(211) 및 제2 셀 하우징(212) 사이에 위치된 막 부재(240)는 안정적으로 결합 상태로 유지될 수 있다. 또한, 제1 셀 하우징(211) 및 제2 셀 하우징(212) 내부 공간은 외부와의 임의 연통이 차단될 수 있다.
셀 온도 제어기(270)는 전해 셀 하우징(210)의 내부에 형성된 공간(즉, 제1 셀 하우징(211) 및 제2 셀 하우징(212)의 내부에 형성된 각 공간)에 수용된 암모니아 및 암모니아가 전기 분해되어 생성된 적어도 두 개의 유체의 온도를 일정하게 유지시킨다. 셀 온도 제어기(270)는 전해 셀 하우징(210)과 연결되어, 열 에너지를 전달하거나 전달받을 수 있게 구성된다.
일 실시 예에서, 셀 온도 제어기(270)는 전해 셀 하우징(210) 뿐만 아니라, 전해 셀(200)과 혼합기(100) 또는 전해 셀(200)과 유체 분리기(300)를 연결하는 유로 유닛(510)에도 연결될 수 있다.
상기 실시 예에서, 셀 온도 제어기(270)는 전해 셀 하우징(210) 뿐만 아니라, 암모니아, 첨가제가 혼합된 암모니아 또는 암모니아가 전기 분해되어 생성된 적어도 두 개의 유체가 유동되는 유로 유닛(510)의 온도까지 일정하게 유지시킬 수 있다.
일 실시 예에서, 셀 온도 제어기(270)는 전해 셀 하우징(210) 및 그 내부에 수용된 암모니아 또는 암모니아와 첨가제 혼합물의 온도를 -273℃ 내지 30℃의 범위 내로 유지시킬 수 있다.
셀 온도 제어기(270)는 그 자체 또는 다른 부재의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 임의의 형태로 구비될 수 있다. 일 실시 예에서, 셀 온도 제어기(270)는 칠러(chiller)의 형태로 구비될 수 있다.
(3) 유체 분리기(300)의 설명
유체 분리기(300)는 전해 셀(200)에서 암모니아가 전기 분해되어 생성된 적어도 두 개의 유체를 전달받는다. 유체 분리기(300)는 전달받은 적어도 두 개의 유체에 잔류될 수 있는 암모니아를 추가 분리한다. 따라서, 유체 분리기(300)를 통과된 적어도 두 개의 유체에는 암모니아가 잔류되지 않게 된다.
결과적으로, 유체 분리기(300)에서 배출되는 각 유체는 다른 유체가 혼합되지 않은 순수 물질로 구성될 수 있다. 이에 따라, 배출된 유체는 추가 공정을 거치지 않고도 필요한 구성 요소로 공급될 수 있다.
암모니아가 액체 상으로 구비되는 실시 예에서, 유체 분리기(300)는 기체 상(gas phase)의 질소 및 산소에서 액체 상의 암모니아를 분리하는 기액 분리기로 기능될 수 있다.
유체 분리기(300)는 서로 다른 유체를 분리할 수 있는 임의의 형태로 구비될 수 있다. 일 실시 예에서, 유체 분리기(300)는 열 분리, 밀도차 분리, 원심 분리 등을 통해 서로 다른 유체를 분리하게 구성될 수 있다.
유체 분리기(300)는 전해 셀(200)과 연통된다. 전해 셀(200)에서 암모니아가 전기 분해되어 생성된 적어도 두 개의 유체 및 적어도 두 개의 유체에 암모니아가 혼합된 혼합 유체는 유체 분리기(300)로 유동될 수 있다.
구체적으로, 유체 분리기(300)는 유틸리티부(500)의 유로 유닛(510)에 구비되는 혼합 유로부(513)에 의해 전해 셀(200)과 연통될 수 있다.
유체 분리기(300)는 외부의 구성 요소(미도시)와 연통될 수 있다. 예를 들면, 유체 분리기(300)는 봄베(B), 수소를 연료로 작동되는 연료 전지 및 탈질 공정을 수행하기 위한 장치 등과 연통될 수 있다.
유체 분리기(300)는 제어부(400)와 통전 가능하게 연결된다. 유체 분리기(300)가 작동되기 위해 필요한 전력은 제어부(400)에서 전달될 수 있다. 또한, 유체 분리기(300)는 제어부(400)에서 인가한 제어 신호에 따라 그 작동이 제어될 수 있다.
유체 분리기(300)는 복수 개 구비될 수 있다. 복수 개의 유체 분리기(300)는 각각 전해 셀(200)과 연통되어, 전해 셀(200)에서 생성된 적어도 두 개의 유체 중 서로 다른 유체를 각각 전달받을 수 있다.
도시된 실시 예에서, 유체 분리기(300)는 제1 유체 분리기(300a) 및 제2 유체 분리기(300b)를 포함하여 두 개 구비된다. 제1 유체 분리기(300a) 및 제2 유체 분리기(300b)는 양극(220) 및 음극(230)과 각각 연결될 수 있다.
달리 표현하면, 제1 유체 분리기(300a)는 양극(220)을 수용하는 제1 셀 하우징(211)의 내부 공간과 연통된다. 제2 유체 분리기(300b)는 음극(230)을 수용하는 제2 셀 하우징(212)의 내부 공간과 연통된다.
전해 셀(200)에서 암모니아가 전기 분해되어 질소 및 수소가 생성되는 실시 예에서, 제1 유체 분리기(300a) 및 제2 유체 분리기(300b)에는 질소 및 수소가 각각 유입될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 유체 분리기(300)는 분리기 본체(310), 트랩 부재(320) 및 분리 온도 제어기(330)를 포함한다.
분리기 본체(310)는 유체 분리기(300)의 외형의 일부를 형성한다. 분리기 본체(310)의 내부에는 공간이 형성된다. 상기 공간에는 전해 셀(200)에서 전기 분해된 질소, 수소 및 질소 또는 수소와 암모니아의 혼합 유체가 수용될 수 있다.
분리기 본체(310)의 상기 공간은 외부와 연통된다. 구체적으로, 분리기 본체(310)는 전해 셀(200) 및 트랩 부재(320)와 연통된다. 상기 연통은 유틸리티부(500)에 구비되는 유로 유닛(510)에 의해 형성될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 분리기 본체(310)는 유입부(311) 및 유출부(312)를 포함한다.
유입부(311)는 분리기 본체(310)가 전해 셀(200)과 연통되는 부분이다. 유입부(311)는 개방 형성되어, 유로 유닛(510)의 혼합 유로부(513)와 분리기 본체(310)의 내부 공간을 연통할 수 있다. 전기 분해된 질소, 수소 및 질소 또는 수소와 암모니아의 혼합 유체는 유입부(311)를 통해 분리기 본체(310)의 내부 공간으로 유입될 수 있다.
유출부(312)는 분리기 본체(310)가 트랩 부재(320)와 연통되는 부분이다. 유출부(312)는 개방 형성되어, 유로 유닛(510)의 배출 유로부(514)와 분리기 본체(310)의 내부 공간을 연통할 수 있다. 암모니아의 분리 과정을 거친 질소 또는 산소는 유출부(312)를 통해 트랩 부재(320)를 향해 유동될 수 있다.
트랩 부재(320)는 분리기 본체(310)에서 암모니아의 분리 과정을 거친 유체에 잔류되는 암모니아를 추가로 분리한다.
트랩 부재(320)는 분리기 본체(310)와 연통된다. 구체적으로, 트랩 부재(320)는 유로 유닛(510)의 배출 유로부(514)를 통해 분리기 본체(310)의 유출부(312)와 연통될 수 있다. 트랩 부재(320)는 분리기 본체(310)에서 배출된 적어도 두 개의 유체 중 어느 하나의 유체를 전달받을 수 있다.
트랩 부재(320)는 외부의 구성 요소와 연통된다. 트랩 부재(320)를 통과하며 분리된 암모니아, 질소 및 수소는 각각 다른 유로를 따라 서로 다른 구성 요소에 전달될 수 있다.
트랩 부재(320)는 복수 개로 구비될 수 있다. 복수 개의 트랩 부재(320)는 분리기 본체(310)를 통과한 유체에 혼합된 암모니아를 순차적으로 분리하게 구성될 수 있다.
도 6에 도시된 실시 예에서, 트랩 부재(320)는 제1 트랩 부재(320a) 및 제2 트랩 부재(320b)를 포함하여 두 개 구비된다. 분리기 본체(310)에서 유입된 유체는 제1 트랩 부재(320a) 및 제2 트랩 부재(320b)를 차례로 통과되며, 잔류된 암모니아와 분리될 수 있다.
분리 온도 제어기(330)는 분리기 본체(310) 및 트랩 부재(320)의 내부에 형성된 공간에 수용된 적어도 두 개의 유체 및 이에 혼합된 암모니아의 온도를 일정하게 유지시킨다. 분리 온도 제어기(330)는 분리기 본체(310) 및 트랩 부재(320)와 연결되어, 열 에너지를 전달하거나 전달받을 수 있게 구성된다.
일 실시 예에서, 분리 온도 제어기(330)는 분리기 본체(310) 및 트랩 부재(320) 뿐만 아니라, 분리기 본체(310)와 전해 셀(200)을 연결하는 유로 유닛(510) 및 분리기 본체(310)와 트랩 부재(320)를 연결하는 유로 유닛(510)에도 연결될 수 있다.
상기 실시 예에서, 분리 온도 제어기(330)는 분리기 본체(310) 및 트랩 부재(320) 뿐만 아니라, 전해 셀(200)에서 배출된 유체, 분리기 본체(310)에서 트랩 부재(320)로 유동되는 유체의 온도 또한 일정하게 유지시킬 수 있다.
분리 온도 제어기(330)는 그 자체 또는 다른 부재의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 임의의 형태로 구비될 수 있다. 일 실시 예에서, 분리 온도 제어기(330)는 칠러(chiller)의 형태로 구비될 수 있다.
(4) 제어부(400)의 설명
제어부(400)는 암모니아 전해 시스템(10)의 각 구성 요소와 통전 가능하게 연결되어, 상기 각 구성 요소가 작동되기 위한 전력을 공급한다. 또한, 제어부(400)는 암모니아 전해 시스템(10)의 각 구성 요소의 작동 상태에 대한 정보를 전달받고, 전달받은 정보에 대응되는 제어 정보를 연산하여 암모니아 전해 시스템(10)의 각 구성 요소를 제어한다.
제어부(400)는 정보의 입력, 출력, 연산 및 저장이 가능한 임의의 형태로 구비될 수 있다. 일 실시 예에서, 제어부(400)는 CPU, 마이크로프로세서(microprocessor) 등의 정보 처리를 위한 수단과 HDD, SSD, Micro SD 등 정보 저장을 위한 수단이 결합된 형태로 구비될 수 있다.
제어부(400)는 혼합기(100)와 통전 가능하게 연결된다. 제어부(400)는 혼합기(100)의 작동에 필요한 전력을 공급하고, 혼합기(100)의 작동을 제어할 수 있다.
제어부(400)는 전해 셀(200)과 통전 가능하게 연결된다. 제어부(400)는 전해 셀(200)의 작동에 필요한 전력을 공급하고, 전해 셀(200)의 작동을 제어할 수 있다.
제어부(400)는 유체 분리기(300)와 통전 가능하게 연결된다. 제어부(400)는 유체 분리기(300)의 작동에 필요한 전력을 공급하고, 유체 분리기(300)의 작동을 제어할 수 있다.
제어부(400)는 유틸리티부(500)와 통전 가능하게 연결된다. 제어부(400)는 유틸리티부(500)가 감지한 정보를 전달받을 수 있다. 전달받은 정보는 제어부(400)가 혼합기(100), 전해 셀(200), 유체 분리기(300) 및 유틸리티부(500)를 제어하기 위한 제어 정보를 연산하기 위해 활용될 수 있다.
또한, 제어부(400)는 유틸리티부(500)의 작동에 필요한 전력을 공급하고, 유틸리티부(500)의 작동을 제어할 수 있다.
또한, 제어부(400)는 암모니아 전해 시스템(10)의 구성 요소, 즉 혼합기(100), 전해 셀(200), 유체 분리기(300) 및 유틸리티부(500)의 온도, 압력 및 전압을 제어할 수 있다. 이를 위해, 제어부(400)에는 암모니아 또는 생성된 유체의 유량, 압력 및 온도를 제어하기 위한 장치(미도시)를 포함할 수 있다. 더 나아가, 제어부(400)는 양극(220) 및 음극(230)에 인가되는 전류의 크기를 조정하기 위한 장치(미도시)를 포함할 수 있다.
(5) 유틸리티부(500)의 설명
유틸리티부(500)는 암모니아 전해 시스템(10)의 각 구성 요소 간의 연통을 허용하거나 차단한다. 또한, 유틸리티부(500)는 암모니아 전해 시스템(10)의 각 구성 요소의 상태에 대한 정보를 감지한다.
유틸리티부(500)가 감지한 상기 정보는 제어부(400)에 전달될 수 있다. 또한, 유틸리티부(500)의 작동은 제어부(400)가 연산한 제어 정보에 따라 진행될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 유틸리티부(500)는 유로 유닛(510), 밸브 유닛(520) 및 센서 유닛(530)을 포함한다.
유로 유닛(510)은 암모니아 전해 시스템(10)의 각 구성 요소를 유체 소통 가능하게 연결한다.
유로 유닛(510)은 서로 다른 두 개 이상의 부재를 연통할 수 있는 임의의 형태로 구비될 수 있다. 일 실시 예에서, 유로 유닛(510)은 파이프, 튜브, 관, 덕트 등의 형태로 구비될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 유로 유닛(510)은 유입 유로부(511), 공급 유로부(512), 혼합 유로부(513) 및 배출 유로부(514)를 포함한다.
유입 유로부(511)는 봄베(B)와 혼합기 본체(110)를 연통한다. 봄베(B)에 수용된 암모니아는 유입 유로부(511)를 따라 혼합기 본체(110)의 내부 공간으로 유입될 수 있다.
유입 유로부(511)는 봄베(B)와 혼합기 본체(110)의 상기 내부 공간의 연통을 허용하거나 차단하게 구성될 수 있다. 이를 위해, 유입 유로부(511)에는 밸브(미도시) 등 유체의 유동을 제어하기 위한 부재가 구비될 수 있다. 상기 실시 예에서, 상기 밸브(미도시)는 제어부(400) 또는 작업자에 의해 제어될 수 있다.
공급 유로부(512)는 혼합체 본체(110)와 전해 셀(200)을 연통한다. 혼합기 본체(110)에서 온도 조정된 암모니아 또는 암모니아와 첨가제의 혼합 유체는 공급 유로부(512)를 따라 전해 셀(200)의 내부 공간으로 유입될 수 있다.
공급 유로부(512) 상에는 배출 밸브(523)가 배치된다. 배출 밸브(523)는 제어부(400) 또는 작업자에 의해 제어되어, 공급 유로부(512)와 전해 셀(200)의 연통을 허용하거나 차단할 수 있다.
공급 유로부(512)는 적어도 두 개의 유체 중 어느 하나 이상의 유체가 유입될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 실시 예에서, 공급 유로부(512)는 가스 공급 밸브(522)에 의해 개폐가 제어되는 질소 및 수소 공급 유로(도면 부호 미표기)와 연통되거나 차단될 수 있다.
공급 유로부(512)는 복수 개의 유로로 분지(branch)될 수 있다. 도시된 실시 예에서, 공급 유로부(512)는 제1 공급 유로(512a) 및 제2 공급 유로(512b)로 분지될 수 있다. 제1 공급 유로(512a)는 전해 셀 하우징(210)의 제1 셀 하우징(211)과 연통될 수 있다. 제2 공급 유로(512b)는 전해 셀 하우징(210)의 제2 셀 하우징(212)과 연통될 수 있다.
따라서, 양극(220) 및 음극(230)에 공급되는 암모니아의 양이 상이한 경우, 제1 공급 유로(512a) 및 제2 공급 유로(512b) 중 어느 하나 이상의 유로의 개폐가 제어될 수 있다.
혼합 유로부(513)는 전해 셀(200)과 유체 분리기(300)를 연통한다. 전해 셀(200)에서 암모니아가 전기 분해되어 생성된 적어도 두 개의 유체(예를 들어, 질소 및 산소)는 혼합 유로부(513)를 따라 유체 분리기(300)로 유동될 수 있다.
상술한 바와 같이, 유체 분리기(300)는 복수 개 구비되어, 서로 다른 유체를 전달받을 수 있다. 이에, 혼합 유로부(513) 또한 복수 개 구비되어, 전해 셀(200)과 복수 개의 유체 분리기(300)를 각각 연통할 수 있다.
도시된 실시 예에서, 혼합 유로부(513)는 제1 혼합 유로(513a) 및 제2 혼합 유로(513b)를 포함하여 두 개 구비된다.
제1 혼합 유로(513a)는 양극(220)이 수용된 제1 셀 하우징(211)의 내부 공간과 제1 유체 분리기(300a)를 연통한다. 제1 혼합 유로(513a) 상에는 질소 및 이에 혼합된 암모니아가 유동될 수 있다.
제2 혼합 유로(513b)는 음극(230)이 수용된 제2 셀 하우징(212)의 내부 공간과 제2 유체 분리기(300b)를 연통한다. 제2 혼합 유로(513b) 상에는 수소 및 이에 혼합된 암모니아가 유동될 수 있다.
배출 유로부(514)는 유체 분리기(300)의 분리기 본체(310)와 트랩 부재(320)를 연통한다. 분리기 본체(310)에서 암모니아의 분리 과정을 거친 유체는 배출 유로부(514)를 따라 트랩 부재(320)로 유동될 수 있다.
상술한 바와 같이, 유체 분리기(300)가 복수 개 구비되는 바, 배출 유로부(514) 또한 복수 개 구비되어 서로 다른 유체가 유동되는 유로를 형성할 수 있다. 도시된 실시 예에서, 배출 유로부(514)는 제1 유체 분리기(300a)의 각 구성 요소를 연통하는 제1 배출 유로(514a) 및 제2 유체 분리기(300b)의 각 구성 요소를 연통하는 제2 배출 유로(514b)를 포함하여 두 개 구비된다.
밸브 유닛(520)은 유로 유닛(510) 상에 구비되어, 유로 유닛(510)의 연통을 허용하거나 차단한다. 밸브 유닛(520)에 의해, 암모니아 전해 시스템(10)의 각 구성 요소는 서로 연통되거나 차단될 수 있다.
밸브 유닛(520)은 유체의 유동을 허용하거나 차단할 수 있는 임의의 형태로 구비될 수 있다. 또한, 밸브 유닛(520)은 유체의 유동 방향을 제한할 수 있는 임의의 형태로 구비될 수 있다.
밸브 유닛(520)의 작동은 제어부(400) 또는 작업자에 의해 제어될 수 있다. 밸브 유닛(520)이 제어부(400)에 의해 제어되는 실시 예에서, 밸브 유닛(520)은 제어부(400)와 통전 가능하게 연결될 수 있다.
특히, 본 발명의 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템(10)은 센서 유닛(530)에서 감지된 정보에 따라 밸브 유닛(520)의 작동을 제어하게 구성될 수 있는데, 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
도시된 실시 예에서, 밸브 유닛(520)은 압력 조정 밸브(521), 가스 공급 밸브(522), 배출 밸브(523), 공급 밸브(524), 혼합 밸브(525) 및 배출 밸브(526)를 포함한다.
압력 조정 밸브(521)는 혼합기 본체(110)와 외부의 연통을 허용하거나 차단하여, 혼합기 본체(110)의 내부 압력을 조정하게 구성된다. 압력 조정 밸브(521)가 작동됨에 따라, 혼합기 본체(110)의 내부에 수용된 암모니아는 요구되는 상(phase)으로 유지될 수 있다. 물론, 이를 위해 혼합 온도 제어기(140) 또한 함께 작동됨이 이해될 것이다.
가스 공급 밸브(522)는 외부의 공급원으로부터 질소 또는 수소를 공급하거나 차단하게 구성된다. 가스 공급 밸브(522)는 공급 유로부(512)의 상류 측(즉, 혼합기 본체(110)에 치우친 위치)에서 공급 유로부(512)와 연통되는 가스 공급 유로(도면 부호 미표기) 상에 배치된다. 가스 공급 밸브(522)는 상기 가스 공급 유로(도면 부호 미표기)를 개방하거나 폐쇄할 수 있다.
배출 밸브(523)는 공급 유로부(512)에 배치되어, 혼합기 본체(110)와 전해 셀(200)의 연통을 허용하거나 차단하게 구성된다. 배출 밸브(523)는 공급 유로부(512)의 상류 측에 위치될 수 있다. 일 실시 예에서, 배출 밸브(523)는 가스 공급 밸브(522)에 의해 개방되거나 폐쇄되는 상기 가스 공급 유로(도면 부호 미표기)보다 상류 측에 위치될 수 있다.
공급 밸브(524)는 공급 유로부(512)에서 분지된 제1 공급 유로(512a) 및 제2 공급 유로(512b)를 개방하거나 폐쇄하게 구성된다. 공급 밸브(524)는 복수 개 구비되어, 복수 개의 공급 유로에 각각 구비될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 공급 밸브(524)는 제1 공급 밸브(524a) 및 제2 공급 밸브(524b)를 포함하여 두 개 구비된다. 제1 공급 밸브(524a)는 제1 공급 유로(512a) 상에 배치되어, 제1 공급 유로(512a)를 개방하거나 폐쇄하게 구성된다. 제2 공급 밸브(524b)는 제2 공급 유로(512b) 상에 배치되어, 제2 공급 유로(512b)를 개방하거나 폐쇄하게 구성된다.
혼합 밸브(525)는 혼합 유로부(513)에 배치되어, 전해 셀(200)과 유체 분리기(300)의 연통을 허용하거나 차단하게 구성된다. 혼합 밸브(525)는 복수 개 구비되어, 복수 개의 혼합 유로에 각각 구비될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 혼합 밸브(525)는 제1 혼합 밸브(525a) 및 제2 혼합 밸브(525b)를 포함하여 두 개 구비된다. 제1 혼합 밸브(525a)는 제1 혼합 유로(513a) 상에 배치되어, 제1 혼합 유로(513a)를 개방하거나 폐쇄하게 구성된다. 제2 혼합 밸브(525b)는 제2 혼합 유로(513b) 상에 배치되어, 제2 혼합 유로(513b)를 개방하거나 폐쇄하게 구성된다.
배출 밸브(526)는 배출 유로부(514)에 배치되어, 분리기 본체(310)와 트랩 부재(320)의 연통을 허용하거나 차단하게 구성된다. 배출 밸브(526)는 복수 개 구비되어, 복수 개의 배출 유로에 각각 구비될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 배출 밸브(526)는 제1 배출 밸브(526a) 및 제2 배출 밸브(526b)를 포함하여 두 개 구비된다. 제1 배출 밸브(526a)는 제1 배출 유로(514a) 상에 배치되어, 제1 배출 유로(514a)를 개방하거나 폐쇄하게 구성된다. 제2 배출 밸브(526b)는 제2 배출 유로(514b) 상에 배치되어, 제2 배출 유로(514b)를 개방하거나 폐쇄하게 구성된다.
센서 유닛(530)은 암모니아 전해 시스템(10)의 각 구성 요소의 상태에 대한 정보를 감지한다. 센서 유닛(530)이 감지한 각 정보는 제어부(400)에 전달되어, 암모니아 전해 시스템(10)의 각 구성 요소를 제어하기 위한 제어 정보를 연산하기 위해 활용된다. 센서 유닛(530)은 제어부(400)와 통전 가능하게 연결된다.
센서 유닛(530)은 암모니아 전해 시스템(10)의 상태를 파악할 수 있는 임의의 형태를 정보를 감지할 수 있다. 예를 들어, 센서 유닛(530)은 온도, 압력, 유량, 수위 등을 감지하게 구성될 수 있다.
센서 유닛(530)이 감지한 정보에 따라 암모니아 제어 시스템(10)의 각 구성 요소가 제어되는 과정에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
도시된 실시 예에서, 센서 유닛(530)은 온도 센서(531), 유량 센서(532), 압력 센서(533), 수위 센서(534) 및 전압 센서(535)를 포함한다.
온도 센서(531)는 암모니아 전해 시스템(10)의 구성 요소의 온도에 대한 정보를 감지한다. 온도 센서(531)가 감지한 정보는 제어부(400)에 전달되어, 제어부(400)가 혼합기(100), 전해 셀(200) 또는 밸브 유닛(520)의 작동을 제어하기 위한 제어 정보를 연산하기 위해 활용된다.
도시된 실시 예에서, 온도 센서(531)는 혼합 온도 센서(531a) 및 셀 온도 센서(531b)를 포함한다.
혼합 온도 센서(531a)는 혼합기 본체(110)에 인접하게 배치되어, 혼합기 본체(110)의 내부 공간 및 이에 수용된 암모니아 또는 암모니아와 첨가제의 혼합 유체의 온도를 감지하게 구성된다.
셀 온도 센서(531b)는 전해 셀(200)에 인접하게 배치되어, 전해 셀(200)의 내부 공간 및 이에 수용된 양극(220), 음극(230) 및 전기 분해된 적어도 두 개의 유체의 온도를 각각 감지하게 구성된다.
유량 센서(532)는 전해 셀(200)의 내부 공간으로 공급되는 암모니아 또는 암모니아와 첨가제의 혼합 유체의 유량을 감지하게 구성된다. 유량 센서(532)는 혼합기 본체(110)와 전해 셀(200)을 연통하는 공급 유로부(512)에 배치된다.
유량 센서(532)가 감지한 정보는 제어부(400)에 전달되어, 제어부(400)가 혼합기(100), 전해 셀(200) 또는 밸브 유닛(520)의 작동을 제어하기 위한 제어 정보를 연산하기 위해 활용된다.
유량 센서(532)는 복수 개 구비될 수 있다. 복수 개의 유량 센서(532)는 공급 유로부(512)가 분지된 제1 공급 유로(512a) 및 제2 공급 유로(512b) 상에 각각 배치될 수 있다. 도시된 실시 예에서, 유량 센서(532)는 제1 공급 유로(512a)와 연결되는 제1 유량 센서(532a) 및 제2 공급 유로(512b)와 연결되는 제2 유량 센서(532b)를 포함한다.
제1 유량 센서(532a)는 양극(220)을 수용하는 공간, 즉 제1 셀 하우징(211)의 내부 공간으로 유입되는 유체의 유량을 감지하게 구성된다. 제2 유량 센서(532b)는 음극(230)을 수용하는 공간, 즉 제2 셀 하우징(212)의 내부 공간으로 유입되는 유체의 유량을 감지하게 구성된다.
압력 센서(533)는 혼합기(100) 및 전해 셀(200)에 인접하게 배치되어, 혼합기(100) 및 전해 셀(200)의 내부 공간의 압력을 감지하게 구성된다. 압력 센서(533)가 감지한 정보는 제어부(400)에 전달되어, 제어부(400)가 혼합기(100), 전해 셀(200) 또는 밸브 유닛(520)의 작동을 제어하기 위한 제어 정보를 연산하기 위해 활용된다.
압력 센서(533)는 복수 개 구비될 수 있다. 복수 개의 압력 센서(533)는 각각 혼합기(100) 및 전해 셀(200)에 구비되어, 서로 다른 공간의 압력을 감지하게 구성될 수 있다. 일 예로, 압력 센서(533)는 혼합기 본체(110)의 내부 압력 및 양극(220) 및 음극(230)이 수용된 공간, 즉 제1 셀 하우징(211)의 내부 공간 및 제2 셀 하우징(212)의 내부 공간의 압력을 감지하게 구성될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 압력 센서(533)는 제1 압력 센서(533a), 제2 압력 센서(533b) 및 제3 압력 센서(533c)를 포함하여 세 개 구비된다.
제1 압력 센서(533a)는 혼합기 본체(110)의 내부 압력을 감지하게 구성된다. 제2 압력 센서(533b)는 양극(220)을 수용하는 제1 셀 하우징(211)의 내부 공간의 압력을 감지하게 구성된다. 제3 압력 센서(533c)는 음극(230)을 수용하는 제2 셀 하우징(212)의 내부 공간의 압력을 감지하게 구성된다.
수위 센서(534)는 혼합기 본체(110)의 내부에 수용된 암모니아 또는 암모니아와 첨가제가 혼합된 유체의 수위를 감지하게 구성된다. 수위 센서(534)가 감지한 정보는 제어부(400)에 전달되어, 혼합기(100) 또는 밸브 유닛(520)의 작동을 제어하기 위한 제어 정보를 연산하기 위해 활용된다. 수위 센서(534)는 혼합기 본체(110)에 인접하게 위치된다.
전압 센서(535)는 전해 셀(200)에 인가된 전류 및 암모니아의 전기 분해가 진행됨에 따른 양극(220)과 음극(230)의 전위 차, 즉 전압을 감지하게 구성된다. 전압 센서(535)가 감지한 정보는 제어부(400)에 전달되어, 전해 셀(200)의 작동 또는 전해 셀(200)에 인가되는 전류의 크기를 제어하기 위한 제어 정보를 연산하기 위해 활용된다. 전압 센서(535)는 전해 셀(200)에 인접하게 위치된다.
3. 본 발명의 다른 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템(20)의 설명
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템(20)이 도시된다.
본 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템(20)은 전술한 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템(10)과 비교하였을 때, 유체 분리기(300)에서 분리된 암모니아가 별도의 포집 공간(미도시)으로 유출되지 않고, 유로 유닛(510)을 통해 다시 혼합기(100)로 공급되는 구성에 차이가 있다.
이를 위해, 분리된 암모니아는 유로 유닛(510)에 구비되는 별도의 복귀 유로(도면 부호 미표기)을 통해 혼합기(100)로 재공급될 수 있다. 상기 복귀 유로(도면 부호 미표기)는 유체 분리기(300)를 구성하는 제1 유체 분리기(300a) 및 제2 유체 분리기(300b)를 혼합기 본체(110)와 각각 연통될 수 있다.
이때, 상기 복귀 유로(도면 부호 미표기)를 통해 유동되는 유체에는 혼합기(100)에서 기 공급되었던 첨가제 및 전기 분해된 수소가 포함될 수 있다. 전기 분해된 질소의 경우, 외부에서 질소 산화물로 합성되는 상황의 발생을 방지하기 위해, 별도의 탈질 공정을 거친 후 외부로 배출될 수 있다.
또한, 분리된 암모니아가 상기 복귀 유로(도면 부호 미표기)를 통해 혼합기 본체(110)로 유입되도록, 펌프(미도시) 등의 동력원이 구비될 수 있다.
본 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템(20)에 따르면, 분리된 암모니아가 배출된 후 재공급되는 과정 없이 최초 공급된 암모니아 중 전해 과정을 통해 질소 및 수소로 분리된 후 남은 잔여 암모니아가 혼합기(100)에 재공급될 수 있다.
따라서, 암모니아의 순환을 위한 시스템이 구성될 수 있어, 잔류 암모니아의 발생이 최소화될 수 있다. 이에 따라, 시스템의 구성이 간명해질 수 있고, 추가 암모니아의 공급 횟수가 감소되어 차량 등에 구비될 경우 그 효과가 극대화될 수 있다.
4. 본 발명의 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템(10)의 제어 방법의 설명
본 발명의 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템(10)의 제어 방법은 상술한 암모니아 전해 시스템(10)의 각 구성 요소가 유가기적으로 작동되어 수행될 수 있다. 상기 제어 방법에 의해, 암모니아는 전기 화학적인 방법으로 질소 및 수소로 분해될 수 있다. 더 나아가, 분해된 질소 및 수소는 이들을 분리하기 위한 별도 공정 없이도 각각의 유체 분리기로 이동되어, 암모니아 전해 시스템의 외부로 배출될 수 있다.
이하, 도 8 내지 도 15를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템(10)의 제어 방법을 상세하게 설명한다.
도시된 실시 예에서, 암모니아 전해 시스템(10)의 제어 방법은 혼합기(100)에 수용된 암모니아의 온도가 제어되는 단계(S100), 암모니아가 전해 셀(200)로 유입되는 단계(S200), 전해 셀(200)에 전력이 공급되어, 암모니아가 적어도 두 개의 서로 다른 유체로 분리되는 단계(S300), 분해된 적어도 두 개의 서로 다른 유체가 유체 분리기(300)로 유입되는 단계(S400), 유체 분리기(300)에 유입된 적어도 두 개의 서로 다른 유체가 추가 분리되는 단계(S500), 암모니아가 혼합기(100)에서 전해 셀(200)로 더 공급되는 단계(S600) 및 제어부(400)가 혼합기(100) 및 전해 셀(200)의 상태에 따라 혼합기(100) 및 전해 셀(200)의 작동을 제어하는 단계(S700)를 포함한다.
(1) 혼합기(100)에 수용된 암모니아의 온도가 제어되는 단계(S100)의 설명
본 단계(S100)는 봄베(B) 또는 외부의 공급원으로부터 암모니아가 혼합기(100)로 전달되고, 전달된 혼합기(100)의 온도 및 성분 등이 조정되는 단계(S100)이다. 이하, 도 9를 참조하여 본 단계(S100)를 상세하게 설명한다.
먼저, 혼합기(100)의 내부로 암모니아가 공급된다(S110). 상기 암모니아는 외부의 혼합기 본체(110)와 연통되는 봄베(B)로부터 전달될 수 있다. 이를 위해, 제어부(400)는 유입 유로부(511)의 개폐를 조정하기 위해 구비되는 밸브(미도시)를 제어할 수 있다.
혼합기 본체(110)의 내부 공간으로 암모니아가 유입되면, 혼합 온도 제어기(140)는 유입된 암모니아의 온도를 제어한다(S120). 이를 위해, 혼합 온도 제어기(140)는 암모니아가 수용된 혼합기 본체(110) 및 혼합기 본체(110)와 결합된 임의의 구성 요소의 온도를 제어할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 혼합기 본체(110) 및 전해 셀(200)의 온도 및 압력이 동일하게 형성되었을 때, 혼합기 본체(110)에 저장된 암모니아가 전해 셀(200)로 전달될 수 있다.
이에, 전해 셀(200)에 구비되는 셀 온도 제어기(270)는 전해 셀(200)의 온도를 제어한다(S130). 이때, 셀 온도 제어기(270)는 전해 셀(200)의 온도를 혼합기 본체(110) 및 혼합기 본체(110)에 수용된 암모니아의 온도와 동일하게 제어할 수 있다.
이를 위해, 혼합기(100)에 인접하게 구비되는 유틸리티부(500)의 센서 유닛(530)의 혼합 온도 센서(531a)가 실시간으로, 그리고 연속적으로 혼합기 본체(110)의 온도를 감지하고, 감지된 결과를 제어부(400)에 전달할 수 있다.
또한, 혼합기 본체(110)에 형성된 첨가제 공급부(130)를 통해, 이온성 첨가제가 혼합기 본체(110)의 내부 공간으로 공급된다(S140). 이온성 첨가지게 혼합됨에 따라, 암모니아의 반응성이 더욱 증가될 수 있다.
혼합기(100)에 구비되어 혼합기 본체(110)에 회전 가능하게 결합된 교반기(120)가 작동되어, 암모니아와 공급된 이온성 첨가제를 혼합한다(S150). 이에 따라, 투입된 암모니아와 이온성 첨가제가 고르게 혼합될 수 있다.
상술한 암모니아의 온도가 제어되는 단계(S120, S130) 및 암모니아에 첨가제가 혼합되는 단계(S140, S150)의 순서는 변경될 수 있다. 일 예로, 첨가제가 암모니아에 혼합됨에 따라 암모니아 및 암모니아를 수용한 혼합기 본체(110)의 온도가 미세하게 변경될 수 있다. 상기 단계들의 순서가 변경될 경우, 암모니아 또는 암모니아와 첨가제가 혼합된 유체의 온도가 더욱 정확하게 조정될 수 있다.
상기 단계들은 제어부(400)에 의해 자동으로 진행되거나, 작업자에 의해 수동으로 진행될 수 있다. 다만, 본 발명의 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템(10)이 소형화, 모듈화되어 차량 등에 구비될 수 있음을 고려하면, 제어부(400)에 의해 자동으로 상기 단계들이 진행되는 것이 바람직하다.
(2) 암모니아가 전해 셀(200)로 유입되는 단계(S200)의 설명
본 단계(S200)는 혼합기(100)에 유입되어 온도가 조정되고 첨가제가 혼합된 암모니아가 전해 셀(200)로 유입되는 단계(S200)이다. 이하, 도 10을 참조하여 본 단계(S200)를 상세하게 설명한다.
먼저, 유틸리티부(500)의 센서 유닛(530)에 구비되는 압력 센서(533)의 제1 압력 센서(533a)가 혼합기 본체(110)의 내부 압력을 감지하고, 제2 압력 센서(533b) 및 제3 압력 센서(533c)가 전해 셀(200)의 내부 압력을 감지한다(S210).
이때, 혼합기 본체(110)의 내부에는 암모니아 또는 암모니아와 첨가제의 혼합 유체가 수용된 상태이다. 따라서, 압력 센서(533)가 감지하는 혼합기 본체(110)의 내부 압력은 암모니아 또는 암모니아와 첨가제의 혼합 유체의 압력과 동일할 수 있다.
제어부(400)는 압력 센서(533)가 감지한 혼합기 본체(110) 내부 공간의 압력 및 전해 셀(200)의 양극(220)과 음극(230)의 압력을 전달받고, 이를 비교한다(S220). 즉, 제어부(400)는 혼합기 본체(110) 내부 공간의 압력이 양극(220) 및 음극(230)의 압력과 동일한지 여부를 판단한다.
전해 셀(200)의 압력, 즉 양극(220)과 음극(230)의 압력이 혼합기 본체(110)의 압력과 같을 경우, 제어부(400)는 배출 밸브(523)를 제어하여 혼합기(100)와 전해 셀(200)을 연통하는 유로 유닛(510)의 공급 유로부(512)를 개방한다(S230).
이때, 제어부(400)는 공급 유로부(512)에서 분지되어 각각 양극(220) 및 음극(230)과 연통되는 제1 공급 유로(512a) 및 제2 공급 유로(512b)의 개폐를 제어하는 제1 공급 밸브(524a) 및 제2 공급 밸브(524b) 또한 제어할 수 있다.
이에 따라, 공급 유로부(512) 및 공급 유로부(512)에서 분지된 제1 공급 유로(512a) 및 제2 공급 유로(512b)가 개방되어, 혼합기 본체(110)와 전해 셀(200)이 서로 연통될 수 있다.
이때, 제어부(400)는 배출 밸브(523), 제1 공급 밸브(524a) 및 제2 공급 밸브(524b)를 독립적으로 제어할 수 있다.
(3) 전해 셀(200)에 전력이 공급되어, 암모니아가 적어도 두 개의 서로 다른 유체로 전기 분해되는 단계(S300)의 설명
본 단계(S300)는 암모니아가 유입된 전해 셀(200)에 전력이 공급되어, 암모니아가 적어도 두 개의 서로 다른 유체로 전기 분해되는 단계(S300)이다. 이하, 도 11을 참조하여 본 단계(S300)를 상세하게 설명한다.
먼저, 제어부(400)가 전해 셀(200)에 전력을 인가한다(S310). 상기 전력은 전해 셀(200)에 공급된 암모니아를 적어도 두 개의 서로 다른 유체로 전기 분해하기 위해 활용된다. 이를 위해, 제어부(400)와 전해 셀(200)은 통전 가능하게 연결된다.
전해 셀(200)에 인가된 전력에 의해, 전해 셀(200)의 양극(220) 및 음극(230) 사이에 전위 차가 발생된다. 이때, 양극(220) 및 음극(230) 사이의 전위 차는 0.1 V 내지 4 V 사이의 임의의 값으로 결정될 수 있다.
양극(220) 및 음극(230) 사이에 전위 차가 발생됨에 따라, 상술한 [수식 1]에 따른 반응, 즉 환원 및 산화 반응이 양극(220) 및 음극(230)에서 각각 발생된다. 이에 따라, 전해 셀(200)에 유입된 암모니아가 적어도 두 개의 서로 다른 유체로 전기 분해된다(S330).
일 실시 예에서, 상기 적어도 두 개의 서로 다른 유체는 질소 및 수소일 수 있음은 상술한 바와 같다.
(4) 분해된 적어도 두 개의 서로 다른 유체가 유체 분리기(300)로 유입되는 단계(S400)의 설명
본 단계(S400)는 전해 셀(200)에서 전기 분해된 적어도 두 개의 서로 다른 유체가 전해 셀(200)에서 유체 분리기(300)로 유동되는 단계(S400)이다. 이에 따라, 전해 셀(200)에서 전기 분해된 적어도 두 개의 서로 다른 유체는 전해 셀(200)에서 배출되어, 전해 셀(200)에 암모니아가 추가 공급되어 전기 분해 과정이 더 수행될 수 있다. 이하, 도 12를 참조하여 본 단계(S400)를 상세하게 설명한다.
먼저, 유틸리티부(500)의 압력 센서(533)가 전해 셀(200)의 압력을 감지하고, 이를 제어부(400)에 전달한다(S410). 구체적으로, 제2 압력 센서(533b)는 양극(220)의 압력을, 제3 압력 센서(533c)는 음극(230)의 압력을 각각 감지하여 제어부(400)에 전달한다.
제어부(400)는 전달받은 전해 셀(200)의 압력과 전력이 인가되어 전기 분해가 개시되기 전의 전해 셀(200)의 압력을 비교한다(S420). 이를 위해, 압력 센서(533)가 전해 셀(200)의 압력을 실시간으로, 그리고 연속적으로 감지하고 이를 제어부(400)에 전달할 수 있음은 상술한 바와 같다.
본 단계(S420)는, 전해 셀(200)에 암모니아가 공급되기 전, 암모니아가 공급된 후 전기 분해가 진행되기 전, 공급된 암모니아가 전기 분해되어 적어도 두 개의 서로 다른 유체가 생성된 후 전해 셀(200)의 압력을 비교하는 단계(S420)이다.
본 단계(S420)를 통해, 전기 분해된 암모니아의 양 또는 암모니아가 전기 분해되어 생성된 적어도 두 개의 다른 유체의 양이 유추될 수 있다. 즉, 본 단계(S420)는 생성된 적어도 두 개의 다른 유체를 전해 셀(200)에서 배출하고, 추가 전기 분해를 수행하기 위한 추가 암모니아가 유입되기에 충분한지 여부를 판단하는 단계이다.
감지된 전해 셀(200)의 압력(즉, 전기 분해가 진행된 이후의 압력)과, 전해 셀(200)에 전력이 인가되기 전(즉, 암모니아가 유입된 후 전기 분해가 진행되기 전의 압력)의 전해 셀(200)의 압력의 차이가 기 설정된 기준 차이 이상일 경우, 기 공급된 암모니아가 충분한 양만큼 전기 분해된 것으로 판단될 수 있다.
이에, 제어부(400)는 밸브 유닛(520)의 혼합 밸브(525)를 제어하여, 전해 셀(200)과 유체 분리기(300)를 연통하는 혼합 유로부(513)를 개방한다(S430). 이때, 제어부(400)는 혼합 밸브(525)의 제1 혼합 밸브(525a) 및 제2 혼합 밸브(525b)를 서로 독립적으로 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이, 유체 분리기(300)는 복수 개 구비되어 서로 다른 혼합 유로부(513)에 의해 전해 셀(200)과 각각 연통될 수 있다. 이에, 전해 셀(200)에서 암모니아가 전기 분해되어 생성된 적어도 두 개의 서로 다른 유체는 복수 개의 유체 분리기(300) 중 서로 다른 유체 분리기(300)로 각각 유동된다(S440).
암모니아가 질소 및 수소로 전기 분해되는 실시 예에서, 질소는 제1 유체 분리기(300a)로, 수소는 제2 유체 분리기(300b)로 각각 유동될 수 있다.
따라서, 전해 셀(200)에서 전기 분해된 적어도 두 개의 서로 다른 유체는 별도의 분리 과정을 거치지 않고도 서로 다른 유체 분리기(300)로 각각 유동, 포집될 수 있다.
(5) 유체 분리기(300)에 유입된 적어도 두 개의 서로 다른 유체가 추가 분리되는 단계(S500)의 설명
본 단계(S500)는 유체 분리기(300)에 유입된 적어도 두 개의 서로 다른 유체에 혼합된 암모니아가 추가 분리되는 단계(S500)이다. 본 단계(S500)를 통해, 암모니아에서 전기 분해된 적어도 두 개의 유체의 순도가 증가될 수 있다. 이하, 도 13을 참조하여 본 단계(S500)를 상세하게 설명한다.
먼저, 전해 셀(200)에 공급된 암모니아에서 전기 분해된 적어도 두 개의 서로 다른 유체가 복수 개의 유체 분리기(300) 중 서로 다른 유체 분리기(300)로 각각 유입된다(S510).
일 실시 예에서, 암모니아는 질소 및 수소로 분리되어, 각각 제1 유체 분리기(300a) 및 제2 유체 분리기(300b)로 유동될 수 있음은 상술한 바와 같다.
각 유체 분리기(300a, 300b)에 유입된 서로 다른 유체는 다양한 처리 과정을 통해 혼합되어 있던 암모니아와 분리된다(S520). 일 실시 예에서, 유체 분리기(300)는 열 분리, 원심 분리, 밀도 분리 등의 방법을 통해 전기 분해된 유체와 이에 혼합된 암모니아를 분리할 수 있음은 상술한 바와 같다.
본 단계(S520)를 통해, 암모니아가 전기 분해되어 생성된 각 유체(즉, 일 실시 예에서 질소 및 수소)에 혼합되었던 암모니아가 분리될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시 예에 따른 암모니아 전해 시스템(10)의 제어 방법은 트랩 부재(320)를 통한 추가 분리 과정을 수행하여, 생성된 각 유체에 함유된 암모니아를 완전히 분리할 수 있다.
구체적으로, 유체 분리기(300) 내부에서 암모니아가 분리된 서로 다른 유체는 각 유체 분리기(300)와 각각 연통된 서로 다른 트랩 부재(320)로 유동되어, 혼합된 잔여 암모니아가 추가 분리된다(S530).
이때, 트랩 부재(320)는 서로 연결된 복수 개로 구비되어, 암모니아의 추가 분리 과정이 더욱 효율적으로 수행될 수 있다. 즉, 다시 도 6을 참조하면, 유체 분리기(300)에서 일차적으로 암모니아가 분리된 서로 다른 유체는 제1 트랩 부재(320a) 및 제2 트랩 부재(320b)를 각각 통과하며 혼합된 잔류 암모니아가 추가 분리된다.
이에 따라, 트랩 부재(320)를 통과한 서로 다른 유체는 바로 후속 공정으로 투입될 수 있다. 서로 다른 유체가 질소 및 수소로 생성되는 실시 예에서, 질소는 바로 탈질 공정을 수행하는 장치로 투입될 수 있고, 수소는 연료 전지 등 수소를 연료로 하여 작동되는 장치에 전달될 수 있다.
한편, 본 단계(S500)를 통해 전기 분해 후 잔류되는 암모니아는 봄베(B) 또는 혼합기(100)로 바로 재공급되어, 필요한 처리 과정을 거친 후 다시 전해 셀(200)로 공급될 수 있다.
(6) 암모니아가 혼합기(100)에서 전해 셀(200)로 더 공급되는 단계(S600)의 설명
본 단계(S600)는 암모니아의 전기 분해 과정이 추가 수행되기 위해, 상술한 단계들(S100 내지 S500)을 통해 생성된 유체에서 분리된 암모니아 및 추가 암모니아가 혼합기(100)에 더 공급되는 단계(S600)이다. 이하, 도 14를 참조하여 본 단계(S600)를 상세하게 설명한다.
먼저, 유틸리티부(500)의 센서 유닛(530)에 구비되는 압력 센서(533)가 혼합기 본체(110)의 압력 및 전해 셀(200)의 압력을 감지한다(S610). 본 단계(S610)는 혼합기 본체(110) 또는 전해 셀(200)에 유체, 즉 암모니아 및 암모니아가 전기 분해되어 생성된 서로 다른 유체가 잔류되는지 여부를 확인하기 위한 단계(S610)임이 이해될 것이다.
상술한 바와 같이, 제1 압력 센서(533a)는 혼합기 본체(110)의 압력을, 제2 압력 센서(533b)는 전해 셀(200)의 양극(220)의 압력을, 제3 압력 센서(533c)는 전해 셀(200)의 음극(230)의 압력을 감지한다. 감지된 압력은 각각 제어부(400)에 전달된다.
제어부(400)는 감지된 혼합기 본체(110)의 압력을 전해 셀(200)의 압력, 구체적으로 양극(220)과 음극(230)의 압력과 비교한다(S620). 상술한 바와 같이, 혼합기 본체(110)의 압력과 전해 셀(200)의 압력이 동일할 경우 암모니아가 전해 셀(200)에 공급되는 것이 바람직함에 기인한다.
혼합기 본체(110)의 압력과 전해 셀(200)의 압력이 동일하고, 전해 셀(200)의 압력이 기 설정된 제1 기준 압력 이하일 경우, 제어부(400)는 밸브 유닛(520)의 배출 밸브(523) 및 공급 밸브(524)를 제어하여 혼합기 본체(110)와 전해 셀(200)을 연통한다(S630).
이때, 기 설정된 제1 기준 압력은, 전해 셀(200)에서 암모니아의 전기 분해 과정이 추가 진행되기 위해 암모니아가 추가로 공급되어야 하는 임의의 값으로 결정될 수 있다.
본 단계(S630)에 의해, 전해 셀(200)에는 암모니아가 추가로 공급되어, 암모니아의 전기 분해 과정이 추가로 진행될 수 있다. 결과적으로, 전해 셀(200)에서 적어도 두 개의 서로 다른 유체가 추가로 생성될 수 있다.
(7) 제어부(400)가 혼합기(100) 및 전해 셀(200)의 상태에 따라 혼합기(100) 및 전해 셀(200)의 작동을 제어하는 단계(S700)의 설명
본 단계(S700)는 제어부(400)가 작동 중인 암모니아 전해 시스템(10)의 각 구성 요소의 손상 여부 및 암모니아의 양을 감지하고, 그 결과에 따라 암모니아 전해 시스템(10)의 작동 여부를 제어하는 단계(S700)이다. 이하, 도 15를 참조하여 본 단계(S700)를 상세하게 설명한다.
유틸리티부(500)에 구비되는 센서 유닛(530)은 암모니아 전해 시스템(10)의 각 구성 요소의 상태에 대한 정보를 감지한다(S710).
구체적으로, 센서 유닛(530)의 전압 센서(535)는 전해 셀(200)의 전압, 즉 양극(220)과 음극(230)의 전위 차를 감지한다. 또한, 압력 센서(533)의 제2 압력 센서(533b) 및 제3 압력 센서(533c)는 전해 셀(200)의 양극(220) 및 음극(230)의 압력을 감지한다. 더 나아가, 수위 센서(534)는 혼합기 본체(110)에 수용된 암모니아의 수위를 감지한다. 각 센서(533, 534, 535)가 감지한 각 정보는 제어부(400)에 전달된다.
제어부(400)는 감지된 각 정보에 따라 암모니아 전해 시스템(10)의 이상 여부를 판단할 수 있다.
먼저, 제어부(400)가 감지된 전해 셀(200)의 전압에 따라 전해 셀(200)의 작동 여부를 감지하는 단계(S720)를 설명한다. 본 단계(S720)는 제어부(400)가 이상 여부를 파악하고, 그 결과에 따라 암모니아 전해 시스템(10)의 작동을 제어하는 단계(S720)이다.
제어부(400)는 감지된 전해 셀(200)의 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교한다(S721). 이때, 기 설정된 기준 전압은 전해 셀(200)에 구비되는 양극(220) 또는 음극(230)이 정상적으로 작동되는 것으로 판단할 수 있는 임의의 값으로 설정될 수 있다. 일 실시 예에서, 상기 기준 전압은 0.1 V 내지 5 V의 범위에서 결정될 수 있다.
감지된 전해 셀(200)의 전압이 상기 기준 전압과 다를 경우, 제어부(400)는 전해 셀(200)에 인가되는 전력을 차단하여 전해 셀(200)의 작동을 중지시킨다(S722). 기준 전압이 범위로 설정되는 실시 예에서, 감지된 전해 셀(200)의 전압이 기준 전압의 범위를 벗어날 경우 제어부(400)가 상기 단계(S722)를 수행할 수 있다.
다음으로, 제어부(400)가 감지된 전해 셀(200)의 압력에 따라 전해 셀(200)의 작동 여부를 감지하는 단계(S730)를 설명한다. 본 단계(S730)는 암모니아의 전기 분해 과정의 진행 정도를 파악하고, 그 결과에 따라 암모니아 전해 시스템(10)의 작동을 제어하는 단계(S730)이다.
제어부(400)는 감지된 전해 셀(200)의 압력과 기 설정된 제2 기준 압력과 비교한다(S731). 이때, 기 설정된 제2 기준 압력은 전해 셀(200)에서 전기 분해될 암모니아의 양이 충분할 때, 또는 암모니아가 예정된 상(phase)으로 유지되기 위해 필요한 압력의 최소값으로 정해질 수 있다. 일 실시 예에서, 상기 제2 기준 압력은 7 bar로 정해질 수 있다.
감지된 전해 셀(200)의 압력이 상기 제2 기준 압력보다 클 경우, 전해 셀(200)의 내부에서 적어도 두 개의 서로 다른 유체가 과다하게 생성되어 전해 셀(200)의 내구성 및 안전성에 문제가 발생될 수 있다.
또한, 감지된 전해 셀(200)의 압력이 제2 기준 압력보다 작을 경우, 전해 셀(200)의 구성 요소, 예를 들면 양극(220) 또는 음극(230)이 손상되어 전기 분해 반응이 충분히 진행되지 않는 것으로 판단될 수 있다.
이에, 제어부(400)는 전해 셀(200)과 혼합기(100)를 연통하는 공급 유로부(512) 및 공급 유로부(512)에서 분지되는 제1 혼합 유로(513a) 및 제2 혼합 유로(513b)를 폐쇄하여, 전해 셀(200)과 혼합기(100)의 연통을 차단한다(S732).
이를 위해, 제어부(400)가 배출 밸브(523) 및 공급 밸브(524), 즉 제1 공급 밸브(524a) 및 제2 공급 밸브(524b)를 제어할 수 있음은 상술한 바와 같다.
다음으로, 제어부(400)가 감지된 암모니아의 수위에 따라 전해 셀(200)과 혼합기(100)의 연통을 제어하는 단계(S740)를 설명한다. 본 단계(S740) 역시 암모니아의 전기 분해 과정의 진행 정도를 파악하고, 그 결과에 따라 암모니아 전해 시스템(10)의 작동을 제어하는 단계(S740)이다.
제어부(400)는 감지된 암모니아의 수위, 즉 혼합기 본체(110)에 수용된 암모니아의 수위와 기 설정된 기준 수위를 비교한다(S741). 이때, 기 설정된 기준 수위는 전해 셀(200)에 암모니아를 공급하기에 충분한 양의 암모니아의 수위로 결정될 수 있다.
즉, 혼합기 본체(110)의 내부에 기준 수위보다 작은 암모니아가 수용된 경우, 혼합기 본체(110)는 봄베(B)로부터 암모니아를 추가 공급받아야 하는 것으로 이해될 수 있다. 또한, 혼합기 본체(110)의 내부에 기준 수위보다 큰 암모니아가 수용된 경우, 혼합기 본체(110)에 수용된 암모니아가 전해 셀(200)에 더 공급되어도 되는 것으로 이해될 수 있다.
이에, 감지된 암모니아의 수위가 기준 수위보다 작은 경우, 제어부(400)는 전해 셀(200)과 혼합기(100)를 연통하는 공급 유로부(512) 및 공급 유로부(512)에서 분지되는 제1 혼합 유로(513a) 및 제2 혼합 유로(513b)를 폐쇄하여, 전해 셀(200)과 혼합기(100)의 연통을 차단한다(S742).
이상 설명된 암모니아 전해 시스템(10)의 제어 방법은 제어부(400)에 의해 자동으로 수행될 수 있다. 제어부(400)는 감지된 다양한 인자(온도, 압력, 전압, 수위 등)를 이용하여 암모니아 전해 시스템(10)의 각 구성 요소를 연산하기 위한 제어 정보를 연산하고, 연산된 제어 정보에 따라 각 구성 요소를 제어할 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 암모니아 전해 시스템
100: 혼합기
110: 혼합기 본체
120: 교반기(stirrer)
130: 첨가제 공급부
140: 혼합 온도 제어기
150: 이송 장치
200: 전해 셀(cell)
210: 전해 셀 하우징
211: 제1 셀 하우징
212: 제2 셀 하우징
220: 양극(anode)
230: 음극(cathode)
240: 막 부재
250: 확산 부재
251: 제1 확산 부재
252: 제2 확산 부재
260: 가스켓 부재
270: 셀 온도 제어기
300: 유체 분리기
300a: 제1 유체 분리기
300b: 제2 유체 분리기
310: 분리기 본체
311: 유입부
312: 유출부
320: 트랩 부재
320a: 제1 트랩 부재
320b: 제2 트랩 부재
330: 분리 온도 제어기
331: 제1 분리 온도 제어기
332: 제2 분리 온도 제어기
400: 제어부
500: 유틸리티부
510: 유로 유닛
511: 유입 유로부
512: 공급 유로부
512a: 제1 공급 유로
512b: 제2 공급 유로
513: 혼합 유로부
513a: 제1 혼합 유로
513b: 제2 혼합 유로
514: 배출 유로부
514a: 제1 배출 유로
514b: 제2 배출 유로
520: 밸브 유닛
521: 압력 조정 밸브
522: 가스 공급 밸브
523: 연통 밸브
524: 공급 밸브
524a: 제1 공급 밸브
524b: 제2 공급 밸브
525: 혼합 밸브
525a: 제1 혼합 밸브
525b: 제2 혼합 밸브
526: 배출 밸브
526a: 제1 배출 밸브
526b: 제2 배출 밸브
530: 센서 유닛
531: 온도 센서
531a: 혼합 온도 센서
531b: 셀 온도 센서
532: 유량 센서
532a: 제1 유량 센서
532b: 제2 유량 센서
533: 압력 센서
533a: 제1 압력 센서
533b: 제2 압력 센서
533c: 제3 압력 센서
534: 수위 센서
535: 전압 센서
B: 봄베(Bombe)
100: 혼합기
110: 혼합기 본체
120: 교반기(stirrer)
130: 첨가제 공급부
140: 혼합 온도 제어기
150: 이송 장치
200: 전해 셀(cell)
210: 전해 셀 하우징
211: 제1 셀 하우징
212: 제2 셀 하우징
220: 양극(anode)
230: 음극(cathode)
240: 막 부재
250: 확산 부재
251: 제1 확산 부재
252: 제2 확산 부재
260: 가스켓 부재
270: 셀 온도 제어기
300: 유체 분리기
300a: 제1 유체 분리기
300b: 제2 유체 분리기
310: 분리기 본체
311: 유입부
312: 유출부
320: 트랩 부재
320a: 제1 트랩 부재
320b: 제2 트랩 부재
330: 분리 온도 제어기
331: 제1 분리 온도 제어기
332: 제2 분리 온도 제어기
400: 제어부
500: 유틸리티부
510: 유로 유닛
511: 유입 유로부
512: 공급 유로부
512a: 제1 공급 유로
512b: 제2 공급 유로
513: 혼합 유로부
513a: 제1 혼합 유로
513b: 제2 혼합 유로
514: 배출 유로부
514a: 제1 배출 유로
514b: 제2 배출 유로
520: 밸브 유닛
521: 압력 조정 밸브
522: 가스 공급 밸브
523: 연통 밸브
524: 공급 밸브
524a: 제1 공급 밸브
524b: 제2 공급 밸브
525: 혼합 밸브
525a: 제1 혼합 밸브
525b: 제2 혼합 밸브
526: 배출 밸브
526a: 제1 배출 밸브
526b: 제2 배출 밸브
530: 센서 유닛
531: 온도 센서
531a: 혼합 온도 센서
531b: 셀 온도 센서
532: 유량 센서
532a: 제1 유량 센서
532b: 제2 유량 센서
533: 압력 센서
533a: 제1 압력 센서
533b: 제2 압력 센서
533c: 제3 압력 센서
534: 수위 센서
535: 전압 센서
B: 봄베(Bombe)
Claims (20)
- 암모니아가 공급되는 혼합기;
상기 혼합기와 연통되어, 공급된 상기 암모니아를 전달받아 적어도 두 개의 서로 다른 유체로 전기 분해하게 구성되는 전해 셀; 및
상기 전해 셀과 연통되어 전기 분해된 상기 적어도 두 개의 서로 다른 유체를 전달받아, 전달받은 상기 적어도 두 개의 서로 다른 유체에 잔류된 상기 암모니아를 분리하는 유체 분리기를 포함하는,
암모니아 전해 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 유체 분리기는 복수 개 구비되어, 복수 개의 상기 유체 분리기 각각에는 상기 적어도 두 개의 서로 다른 유체가 각각 전달되는,
암모니아 전해 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 전해 셀은,
상기 암모니아를 수소(H2) 및 질소(N2)로 전기 분해하고,
복수의 상기 유체 분리기 각각에는, 분해된 상기 수소 및 상기 질소가 각각 유입되는,
암모니아 전해 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 혼합기는,
내부에 상기 암모니아를 수용하는 공간이 형성된 혼합기 본체;
상기 공간과 외부를 연통하며, 상기 암모니아에 혼합되는 첨가제가 유입되는 첨가제 공급부; 및
상기 혼합기 본체의 상기 공간에 회전 가능하게 수용되어, 공급된 상기 암모니아와 유입된 상기 첨가제를 혼합하는 교반기(stirrer)를 포함하는,
암모니아 전해 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 전해 셀과 통전 가능하게 연결되어, 상기 전해 셀이 상기 암모니아를 상기 적어도 두 개의 서로 다른 유체로 전기 분해하기 위한 전력을 공급하게 구성되는 제어부를 포함하는,
암모니아 전해 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 혼합기는,
상기 혼합기에 수용된 상기 암모니아의 온도를 제어하게 구성되는 혼합 온도 제어기를 포함하고,
상기 전해 셀은,
상기 전해 셀의 내부 공간의 온도를 제어하게 구성되는 셀 온도 제어기를 포함하는,
암모니아 전해 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 암모니아가 공급된 상기 혼합기의 압력 및 상기 전해 셀의 압력을 감지하는 압력 센서; 및
감지된 상기 혼합기의 압력 및 상기 전해 셀의 압력이 같을 경우, 공급된 상기 암모니아가 상기 전해 셀로 유동되도록 상기 혼합기와 상기 전해 셀을 연통하게 구성되는 제어부를 포함하는,
암모니아 전해 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 암모니아는 액체 상(liquid phase) 또는 기체 상(gas phase)으로 구비되는,
암모니아 전해 시스템. - (a) 혼합기에 수용된 암모니아의 온도가 제어되는 단계;
(b) 상기 암모니아가 전해 셀로 유입되는 단계;
(c) 상기 전해 셀에 전력이 공급되어, 상기 암모니아가 적어도 두 개의 서로 다른 유체로 전기 분해되는 단계;
(d) 분해된 상기 적어도 두 개의 서로 다른 유체가 유체 분리기로 유입되는 단계; 및
(e) 상기 유체 분리기에 유입된 상기 적어도 두 개의 서로 다른 유체가 추가 분리되는 단계를 포함하는,
암모니아 전해 시스템의 제어 방법. - 제9항에 있어서,
상기 전해 셀은,
서로 이격되어 배치되는 양극(cathode) 및 음극(anode)과, 상기 양극 및 상기 음극 사이에 배치되어 상기 양극 및 상기 음극을 물리적으로 이격시키는 이오노머(ionomer) 소재의 막 부재를 포함하는,
암모니아 전해 시스템의 제어 방법. - 제9항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
(a1) 상기 혼합기에 상기 암모니아가 공급되는 단계;
(a2) 혼합 온도 제어기가 상기 암모니아를 수용한 상기 혼합기의 온도를 제어하는 단계; 및
(a3) 셀 온도 제어기가 상기 전해 셀의 온도를 제어하는 단계를 포함하는,
암모니아 전해 시스템의 제어 방법. - 제9항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
(a4) 상기 혼합기에 첨가제가 투입되는 단계; 및
(a5) 상기 혼합기에 구비된 교반기(stirrer)가 작동되어, 상기 암모니아와 상기 첨가제가 혼합되는 단계를 포함하는,
암모니아 전해 시스템의 제어 방법. - 제9항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
(b1) 압력 센서가 상기 혼합기의 압력 및 상기 전해 셀의 압력을 감지하는 단계;
(b2) 제어부가 감지된 상기 혼합기의 압력과 상기 전해 셀의 압력을 비교하는 단계; 및
(b3) 상기 전해 셀의 압력이 상기 혼합기의 압력과 같을 경우, 상기 제어부가 상기 혼합기와 상기 전해 셀을 연통하는 유로 유닛을 개방하는 단계를 포함하는,
암모니아 전해 시스템의 제어 방법. - 제9항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
(c1) 제어부가 상기 전해 셀에 전력을 인가하는 단계;
(c2) 인가된 상기 전력에 의해, 상기 전해 셀의 양극 및 음극 사이에 전위 차가 발생되는 단계; 및
(c3) 상기 전해 셀의 상기 양극 및 상기 음극에서 환원 및 산화 반응이 각각 발생되어, 상기 암모니아가 상기 적어도 두 개의 서로 다른 유체로 분해되는 단계를 포함하는,
암모니아 전해 시스템의 제어 방법. - 제9항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
(d1) 압력 센서가 상기 전해 셀의 압력을 감지하는 단계;
(d2) 제어부가 감지된 상기 전해 셀의 압력과, 상기 전해 셀에 상기 전력이 인가되기 전의 상기 전해 셀의 압력을 비교하는 단계; 및
(d3) 감지된 상기 전해 셀의 압력과 상기 전력이 인가되기 전의 상기 전해 셀의 압력의 차가 기 설정된 기준 차이 이상일 경우, 상기 제어부가 상기 전해 셀과 상기 유체 분리기를 연통하는 유로 유닛을 개방하는 단계를 포함하며,
상기 유체 분리기는 복수 개 구비되어, 분해된 상기 적어도 두 개의 서로 다른 유체는 복수 개의 상기 유체 분리기 중 서로 다른 유체 분리기로 유동되는,
암모니아 전해 시스템의 제어 방법. - 제9항에 있어서,
상기 (e) 단계는,
(e1) 분해된 상기 적어도 두 개의 서로 다른 유체가 복수 개의 상기 유체 분리기 중 서로 다른 유체 분리기로 유입되는 단계;
(e2) 상기 서로 다른 유체 분리기에 유입된 상기 서로 다른 유체에 혼합된 암모니아가 분리되는 단계; 및
(e3) 상기 암모니아가 분리된 상기 서로 다른 유체가 복수 개의 상기 유체 분리기와 각각 연결되는 복수 개의 트랩 부재에 각각 유입되어, 상기 서로 다른 유체에 잔류된 암모니아가 추가 분리되는 단계를 포함하는,
암모니아 전해 시스템의 제어 방법. - 제9항에 있어서,
상기 (e) 단계 이후에,
(f) 상기 암모니아가 상기 혼합기에서 상기 전해 셀로 더 공급되는 단계를 포함하는,
암모니아 전해 시스템의 제어 방법. - 제17항에 있어서,
상기 (f) 단계는,
(f1) 압력 센서가 상기 혼합기의 압력 및 상기 전해 셀의 압력을 감지하는 단계;
(f2) 제어부가 감지된 상기 혼합기의 압력 및 상기 전해 셀의 압력을 비교하는 단계; 및
(f3) 상기 전해 셀의 압력이 기 설정된 제1 기준 압력 이하일 경우, 상기 제어부가 상기 혼합기와 상기 전해 셀을 연통하는 유로 유닛을 개방하는 단계를 포함하는,
암모니아 전해 시스템의 제어 방법. - 제9항에 있어서,
상기 (e) 단계 이후에,
(g) 제어부가 상기 혼합기 및 상기 전해 셀의 상태에 따라 상기 혼합기 및 상기 전해 셀의 작동을 제어하는 단계를 포함하는,
암모니아 전해 시스템의 제어 방법. - 제19항에 있어서,
상기 (g) 단계는,
(g1) 센서 유닛이 상기 전해 셀의 전압, 상기 전해 셀의 압력 및 상기 혼합기에 공급된 상기 암모니아의 수위를 감지하는 단계;
(g21) 상기 제어부가 감지된 상기 전해 셀의 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하는 단계;
(g22) 감지된 상기 전해 셀의 전압이 상기 기준 전압과 다를 경우, 상기 제어부가 상기 전해 셀에 인가되는 전력을 차단하는 단계;
(g31) 상기 제어부가 감지된 상기 전해 셀의 압력과 기 설정된 제2 기준 압력을 비교하는 단계;
(g32) 감지된 상기 전해 셀의 압력이 상기 제2 기준 압력과 다를 경우, 상기 제어부가 상기 전해 셀과 상기 혼합기를 연통하는 유로 유닛을 폐쇄하는 단계;
(g41) 상기 제어부가 감지된 상기 암모니아의 수위와 기 설정된 기준 수위를 비교하는 단계; 및
(g42) 감지된 상기 암모니아의 수위가 상기 기준 수위보다 작을 경우, 상기 제어부가 상기 전해 셀과 상기 혼합기를 연통하는 유로 유닛을 폐쇄하는 단계를 포함하는,
암모니아 전해 시스템의 제어 방법.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210128773A KR20230045915A (ko) | 2021-09-29 | 2021-09-29 | 암모니아 전해 시스템 및 그 제어 방법 |
| PCT/KR2022/014019 WO2023054964A1 (ko) | 2021-09-29 | 2022-09-20 | 암모니아 전해 시스템 및 그 제어 방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210128773A KR20230045915A (ko) | 2021-09-29 | 2021-09-29 | 암모니아 전해 시스템 및 그 제어 방법 |
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|---|---|
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| KR1020210128773A KR20230045915A (ko) | 2021-09-29 | 2021-09-29 | 암모니아 전해 시스템 및 그 제어 방법 |
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080110901A (ko) | 2006-04-18 | 2008-12-19 | 로사리오 로코 툴리노 | 액체 암모니아를 기체 질소와 수소로 분해하는 장치 |
| KR101173456B1 (ko) | 2010-05-03 | 2012-08-16 | 한국지질자원연구원 | 암모니아수 분해용 미세유로 반응기 및 이를 이용한 암모니아 분해방법 |
-
2021
- 2021-09-29 KR KR1020210128773A patent/KR20230045915A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (2)
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| KR20080110901A (ko) | 2006-04-18 | 2008-12-19 | 로사리오 로코 툴리노 | 액체 암모니아를 기체 질소와 수소로 분해하는 장치 |
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