KR20240102012A - 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 물 또는 전해액 내 물을 전기분해하여 산소 및 수소를 생산하는 수전해 셀 또는 수전해 스택; 상기 수전해 셀 또는 수전해 스택에서 생산된 산소를 이송하는 산소측 시스템; 상기 수전해 셀 또는 수전해 스택에서 생산된 수소를 이송하는 수소측 시스템; 및 상기 산소측 시스템과 상기 수소측 시스템의 가스 압력의 차압이 발생하는 경우, 시스템의 운전 압력을 설정 압력으로 유지하면서 상기 차압을 설정 압력으로 유지하도록 시스템의 운전압 및 차압을 제어하는 제어부를 포함하여, 설정된 운전압으로 시스템 압력을 승압하고 기액 분리기 내의 운전 수위 또는 운전 차압을 유지할 수 있는 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템을 개시한다.
Description
본 발명은 물을 전기분해하여 산소와 수소를 생산하는 수전해 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 운전압 및 차압 조절이 가능한 수전해 시스템에 관한 것이다.
수전해는 물을 전기화화적으로 반응시켜 산소와 수소를 발생시키는 기술로서, 생산 과정 중에 이산화탄소 등과 같은 유해 물질이 배출되지 않아 친환경적인 차세대 기술로 주목받고 있다.
수전해 셀 혹은 수전해 스택으로 공급된 물은 캐소드(Cathode)에서 수소와 수산화이온으로 분리되고, 수산화 이온은 다공성 격막을 통해 애노드(Anode)로 이동하게 되며, 애노드에서 다시 산소와 물로 생성된다.
일반적으로 수전해법을 이용하여 수소를 생산할 때 수 내지 수십 bar단위의 시스템 압력을 형성시키는 경우가 많은데, 이러한 이유는 생산된 가스 내 수분을 비교적 감소시킬 수 있기 때문이다. 구체적으로, 수분이 많이 함유된 가스를 고순도로 정제시키려면 후공정이 복잡해지며, 결국 설비 비용과 생산 단가가 높아지게 되는데, 가스 내 수분을 감소시키면 이러한 문제를 해소할 수 있다. 또 다른 이유는, 저압에서 생산된 가스를 보관 탱크로 이송시키는 에너지 대비 고압에서 생산된 가스를 이송시킬 때의 에너지가 적어 비용을 줄일 수 있기 때문이다.
또한, 수전해법을 이용하면 산소와 수소는 1:2의 비율로 생산이 되며, 생산된 가스들이 외부로 바로 배출되는 것이 아니라면 시스템 내 압력이 형성되며, 생산비율이 다르기 때문에 각 가스가 지나가는 시스템의 압력차가 발생할 수 있다. 이때, 산소와 수소 가스가 통상 100nm 이상의 평균 기공 크기를 가진 분리막을 통해 반대편으로 넘어가는 가스 크로스오버(Gas crossover) 현상이 발생한다. 이는 가스 농도 차와 산소측과 수소측 시스템의 압력차가 주된 원인이다.
이러한 가스 크로스오버 현상으로 인해 가스 섞임 현상이 발생하는데, 산소 내 수소 비율이 4% 이상이 되면 폭발할 수 있는 일부 조건이 형성되며, 통상적으로 폭발 한계점의 절반인 2% 내 범위에서 관리하고 있다.
가스 농도차에 의한 가스 섞임 현상은 저전류밀도 구간에서 비교적 높게 발생하기 때문에 전류 인가의 속도를 높여 저전류밀도에서의 체류 시간을 최소화해야 하며, 가스 분압에 의한 가스 섞임 현상을 최소화하기 위해 인위적으로 제어를 통해 차압을 해소하는 것이 필요하다.
또한, 기존 수전해 시스템은 화석 연료로 생산된 정전류를 인가 받아 가스를 생산하여 압력 제어가 일정부분 패턴화되어 있었지만, 최근에는 신재생에너지를 연계하여 수전해 시스템에 간헐적 성격의 전류를 인가하여 차압 및 압력 제어 측면에서 안정적인 운영에 어려움이 있었다.
선행기술문헌 1: 한국등록특허 제10-2372534호(2022.03.04.)
선행기술문헌 2: 한국공개특허 제10-2022-0097576호(2022.07.08.)
본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 설정된 운전압으로 시스템 압력을 승압하고 기액 분리기 내의 운전 수위 또는 운전 차압을 유지할 수 있는 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
한편, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 위에 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들을 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 물(또는 전해액 내 물) 전기분해하여 산소 및 수소를 생산하는 수전해 셀 또는 수전해 스택; 상기 수전해 셀 또는 수전해 스택에서 생산된 산소를 이송하는 산소측 시스템; 상기 수전해 셀 또는 수전해 스택에서 생산된 수소를 이송하는 수소측 시스템; 및 상기 산소측 시스템과 상기 수소측 시스템의 가스 압력의 차압이 발생하는 경우, 시스템의 운전 압력을 설정 압력으로 유지하면서 상기 차압을 설정 압력으로 유지하도록 시스템의 운전압 및 차압을 제어하는 제어부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 산소측 시스템은 산소 이송 라인과 산소 배출 라인으로 분기되고, 상기 산소측 시스템은: 상기 수전해 셀 또는 수전해 스택에서 생산된 산소와 전해질을 비중차를 이용하여 기체와 액체로 분리시키는 산소측 기액 분리기; 상기 산소 이송 라인 및 상기 산소 배출 라인에 설치되고, 생산된 산소 가스의 유동 또는 압력을 조절하도록 제어되는 밸브; 상기 산소측 기액 분리기의 수위를 측정하는 수위계; 및 상기 산소측 기액 분리기의 압력을 측정하는 압력계를 포함한다.
또한, 상기 수소측 시스템은 수소 이송 라인과 수소 배출 라인으로 분기되고, 상기 수소측 시스템은: 상기 수전해 셀 또는 수전해 스택에서 생산된 수소와 전해질을 비중차를 이용하여 기체와 액체로 분리시키는 수소측 기액 분리기; 상기 수소 이송 라인 및 상기 수소 배출 라인에 설치되고, 생산된 수소 가스의 유동 또는 압력을 조절하도록 제어되는 밸브; 상기 수소측 기액 분리기의 수위를 측정하는 수위계; 및 상기 수소측 기액 분리기의 압력을 측정하는 압력계 또는 차압계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 압력계, 차압계 또는 수위계의 측정값을 기초로 산소측 시스템과 수소측 시스템의 차압값을 계산하고, 과거 특정 시간대의 차압값과 실시간 차압값의 차이를 기울기로 도출하고, 계산된 차압값과 도출된 기울기를 기초로 상기 밸브의 작동을 제어함으로써 시스템의 운전압 및 차압을 제어한다.
더 바람직하게는, 상기 제어부는 계산된 차압값과 도출된 기울기를 기초로 발생 가능한 차압 발생 시나리오들을 매트릭스화하고, 이 차압 발생 시나리오에 대한 대응 지령을 매트릭스화하여, 상기 밸브의 작동을 제어한다.
예를 들면, 상기 제어부는, 시스템의 현재 운전압이 설정 운전압의 특정 범위를 초과하는 경우, 승압 또는 감압을 위한 매트릭스를 수행하여 밸브의 작동을 제어한다.
한편, 상기 밸브는 솔레노이드 밸브, 압력 제어 밸브 또는 역압력 조절 밸브일 수 있다.
부가적으로, 상기 산소측 기액 분리기 및 상기 수소측 기액 분리기의 각각의 하류측에는 수증기를 응축하여 분리시키기 위한 열교환기가 설치되고, 상기 열교환기의 하류측에는 수분 제거를 위한 필터 또는 촉매가 내장된 탱크가 설치된다.
바람직하게는, 상기 산소측 시스템은 긴급 상황시 산소를 배출하기 위한 긴급 산소 배출 라인을 더 포함하고, 상기 열교환기를 거친 산소 가스는 상기 산소 이송 라인, 상기 산소 배출 라인 및 상기 긴급 산소 배출 라인으로 분기될 수 있고, 상기 산소 이송 라인, 상기 산소 배출 라인 및 상기 긴급 산소 배출 라인으로의 산소 가스 이송은 밸브 작동에 의해 제어되며, 상기 수소측 시스템은 긴급 상황시 수소를 배출하기 위한 긴급 수소 배출 라인을 더 포함하고, 상기 열교환기를 거친 수소 가스는 상기 수소 이송 라인, 상기 수소 배출 라인 및 상기 긴급 수소 배출 라인으로 분기될 수 있고, 상기 수소 이송 라인, 상기 수소 배출 라인 및 상기 긴급 수소 배출 라인으로의 수소 가스 이송은 밸브 작동에 의해 제어된다.
본 발명에 따르면, 신호 매체인 수위계와 압력계(차압계)의 수치를 기초로 하여 승압 모드에서 수소측 시스템 및 산소측 시스템의 밸브들의 작동을 제어하여 차압을 제어하고, 가스 생산 모드에서 수소측 시스템 및 산소측 시스템의 밸브들의 작동을 제어하여 차압과 설정압력을 유지할 수 있다. 특히, 신재생에너지와 연계된 수전해 시스템에서 설정된 시스템 압력으로의 승압 및 설정된 운전 차압을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 설정 운전압으로의 승압 과정 및 설정된 운전압으로의 유지 과정에 따른 가스 배출량 조절로 인해 안정적인 가스 생산이 가능하고 차압으로 인한 가스 크로스오버를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 수전해 시스템의 차압 제어 판단을 위한 특정 차압값과 실시간 차압값의 차이를 기울기로 도출하여 나타낸 그래프,
도 3은 실제 차압 그래프 및 기울기를 예시적으로 도시한 도면,
도 4는 도 2의 기울기 a의 구체적인 예들을 매트릭스화하여 나타낸 제어 매트릭스 개념도,
도 5는 도 2와 3의 차압값 △P와 기울기 a에 반영된 다양한 차압 발생 시나리오를 매트릭스화한 도면,
도 6은 도 5의 차압 발생 시나리오에 대한 대응 지령을 매트릭스화하여 나타낸 감압 제어 매트릭스 개념도,
도 7은 도 5의 차압 발생 시나리오에 대한 대응 지령을 매트릭스화하여 나타낸 승압 제어 매트릭스 개념도,
도 8은 본 발명에 따른 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템의 제어 방법을 개략적으로 도시한 플로우차트.
도 2는 수전해 시스템의 차압 제어 판단을 위한 특정 차압값과 실시간 차압값의 차이를 기울기로 도출하여 나타낸 그래프,
도 3은 실제 차압 그래프 및 기울기를 예시적으로 도시한 도면,
도 4는 도 2의 기울기 a의 구체적인 예들을 매트릭스화하여 나타낸 제어 매트릭스 개념도,
도 5는 도 2와 3의 차압값 △P와 기울기 a에 반영된 다양한 차압 발생 시나리오를 매트릭스화한 도면,
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도 7은 도 5의 차압 발생 시나리오에 대한 대응 지령을 매트릭스화하여 나타낸 승압 제어 매트릭스 개념도,
도 8은 본 발명에 따른 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템의 제어 방법을 개략적으로 도시한 플로우차트.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템의 바람직한 실시예를 설명한다. 참고로, 아래에서 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성 요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 안 될 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템은 물(또는 전해액 내 물)을 전기분해하여 산소 및 수소를 생산하는 수전해 셀 또는 수전해 스택(10), 수전해 셀 또는 수전해 스택(10)에서 생산된 산소를 이송하는 산소측 시스템(20); 수전해 셀 또는 수전해 스택(10)에서 생산된 수소를 이송하는 수소측 시스템(30) 및 산소측 시스템(20)과 수소측 시스템(30)의 가스 압력의 차압이 발생하는 경우, 시스템의 운전 압력을 설정 압력으로 유지하면서 차압을 설정 압력으로 유지하도록 시스템의 운전압 및 차압을 제어하는 제어부(미도시)를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 산소측 시스템(20)은 산소 이송 라인(20a)과 산소 배출 라인(20b)으로 분기된다. 그리고, 산소측 시스템(20)은 산소측 기액 분리기(21), 밸브(22a, 22b, 22c), 수위계(미도시) 및 압력계(미도시)를 포함한다.
산소측 기액 분리기(21)는 수전해 셀 또는 수전해 스택(10)에서 생산된 산소와 전해질을 비중차를 이용하여 기체(산소 가스)와 액체(전해액)로 물리적으로 분리시키는 역할을 한다. 여기서, 전해질은 수산화칼륨 또는 수산화나트륨과 정제수(DI water)가 혼합된 전해액일 수 있고, 공급된 전해질과 수전해 셀 또는 수전해 스택(10)에서 생산된 산소는 함께 이동하여 산소측 기액 분리기(21)로 유입되고, 산소측 기액 분리기(21) 내에서 기체인 산소는 상부로 액체인 전해액은 하부로 떨어져서 비중차에 의해 물리적으로 분리된다.
밸브는 산소 이송 라인(20a)에 설치되는 압력 조절 밸브(22a) 및 솔레노이드 밸브(22b)를 포함할 수 있다. 이 밸브(22a, 22b)는 생산된 산소 가스의 유동을 제어하여 생산된 산소 가스를 산소 이송 라인(20a)으로 이송시키고, 산소 이송 라인(20a) 내의 가스 압력을 조절하는 역할을 할 수 있다. 또한 밸브는 산소 배출 라인(20b)에 설치되는 솔레노이드 밸브(22c)를 포함할 수 있다. 이 솔레노이드 밸브(22c)는 생산된 산소 가스의 배출시 압력 또는 흐름을 제어하는 역할을 할 수 있다. 즉, 전술한 밸브들은 압력과 유량을 조절하는 장치로서, 압력 제어 밸브, 흐름 조절 밸브, 온/오프 밸브 등으로 구성될 수 있고, PID 제어 또는 사전에 설정된 프로그램에 따라 동작이 제어될 수 있다. 본 발명에서, 밸브들은 시스템 내에서 목표 압력값(P1)을 설정할 수 있게 프로그래밍되어 제어될 수 있다.
수위계는 산소측 기액 분리기(21)의 수위를 측정한다. 여기서, 수위계는 산소측 기액 분리기(21) 내의 전해액의 수위를 측정하는데, 산소측 기액 분리기(21)의 상부와 하부의 압력차, 산소측 기액 분리기(21)에 별도의 수위 지시부를 갖고 이 수위 지시부의 최상부에서 전파, 레이저, 초음파, 수압, 부유기 등을 이용하여 전해액의 높이를 측정하도록 구성될 수 있다.
압력계는 산소측 기액 분리기(21)의 압력을 측정한다. 여기서, 압력계는 산소측 기액 분리기(21)를 포함하여 수전해 시스템 내부의 압력을 측정하도록 구성될 수 있다. 또한, 압력계는 산소측 기액 분리기(21)와 수소측 기액 분리기(31)에서 측정된 각각의 압력의 차이를 계산하여 차압을 구하는 차압계를 포함할 수 있다.
이러한 수위계와 압력계(차압계)는 수전해 시스템 내에서 설정 압력으로의 승압 과정 및 모든 차압 제어를 위한 신호 매체로서 이용될 수 있다.
수소측 시스템(30)은 수소 이송 라인(30a)과 수소 배출 라인(30b)으로 분기된다. 그리고, 수소측 시스템(30)은 수소측 기액 분리기(31), 밸브(32a, 32b, 32c), 수위계(미도시) 및 압력계(미도시)를 포함한다.
수소측 기액 분리기(31)는 수전해 셀 또는 수전해 스택(10)에서 생산된 수소와 전해질을 비중차를 이용하여 기체(수소 가스)와 액체(전해액)로 물리적으로 분리시키는 역할을 한다. 여기서, 전해질은 수산화칼륨 또는 수산화나트륨과 정제수(DI water)가 혼합된 전해액일 수 있고, 공급된 전해질과 수전해 셀 또는 수전해 스택(10)에서 생산된 수소는 함께 이동하여 수소측 기액 분리기(31)로 유입되고, 수소측 기액 분리기(31) 내에서 기체인 수소는 상부로 액체인 전해액은 하부로 떨어져서 비중차에 의해 물리적으로 분리된다.
밸브는 수소 이송 라인(30a)에 설치되는 역압력 조절 밸브(32a) 및 솔레노이드 밸브(32b)를 포함할 수 있다. 이 밸브(32a, 32b)는 생산된 수소 가스의 유동을 제어하여 생산된 수소 가스를 수소 이송 라인(30a)으로 이송시키고, 수소 이송 라인(30a) 내의 가스 압력을 조절하는 역할을 할 수 있다. 또는 밸브는 수소 배출 라인(30b)에 설치되는 압력 조절 밸브(32c)를 포함할 수 있다. 이 압력 조절 밸브(32c)는 생산된 수소 가스의 배출시 압력 또는 흐름을 제어하는 역할을 할 수 있다. 즉, 전술한 밸브들은 압력과 유량을 조절하는 장치로서, 압력 제어 밸브, 흐름 조절 밸브, 온/오프 밸브 등으로 구성될 수 있고, PID 제어 또는 사전에 설정된 프로그램에 따라 동작이 제어될 수 있다. 본 발명에서, 밸브들은 시스템 내에서 목표 압력값(P1)을 설정할 수 있게 프로그래밍되어 제어될 수 있다.
수위계는 수소측 기액 분리기(31)의 수위를 측정한다. 여기서, 수위계는 수소측 기액 분리기(31) 내의 전해액의 수위를 측정하는데, 수소측 기액 분리기(31)의 상부와 하부의 압력차, 수소측 기액 분리기(31)에 별도의 수위 지시부를 갖고 이 수위 지시부의 최상부에서 전파, 레이저, 초음파, 수압, 부유기 등을 이용하여 전해액의 높이를 측정하도록 구성될 수 있다.
압력계는 수소측 기액 분리기(31)의 압력을 측정한다. 여기서, 압력계는 수소측 기액 분리기(31)를 포함하여 수전해 시스템 내부의 압력을 측정하도록 구성될 수 있다. 또한, 압력계는 수소측 기액 분리기(31)와 산소측 기액 분리기(21)에서 측정된 각각의 압력의 차이를 계산하여 차압을 구하는 차압계를 포함할 수 있다.
이러한 수위계와 압력계(차압계)는 수전해 시스템 내에서 설정 압력으로의 승압 과정 및 모든 차압 제어를 위한 신호 매체로서 이용될 수 있다.
그리고, 제어부는 수위계 또는 차압계에 의해 측정된 산소측 기액 분리기(21)의 수위 또는 차압 수치와 수소측 기액 분리기(31)의 수위 또는 차압 수치를 이용하여 제1 참조값을 생성하고, 수전해 시스템의 압력 수치를 이용하여 제2 참조값을 생성할 수 있다. 그리고 제어부는 제1 참조값과 제2 참조값을 기초로 밸브들(22a, 22b, 22c, 32a, 32c, 32c)의 개폐 여부 및 개폐 수치(개도)를 결정하여 수전해 시스템의 차압 및 운전압을 제어할 수 있다.
여기서, 제어부가 설정 압력으로 수전해 시스템의 압력을 승압할 때, 비활성 가스 공급 또는 전기분해로 생산되는 산소 및 수소 가스가 이용될 수 있다. 이때, 수전해 시스템 내부의 압력 상승 및 산소측과 수소측 시스템 사이의 차압이 형성될 수 있는데, 이 경우 신호 매체(수위계 및 압력계)에서 나온 수치를 이용하여 밸브들을 제어함으로써 시스템의 차압 유지와 설정 압력으로 시스템의 운전 압력을 승압 및 유지하는 제어가 가능해진다.
예를 들면, 시스템의 승압 모드(과정)에서, 산소측 시스템(20)의 압력이 수소측 시스템(30)의 압력 대비 상대적으로 높아 차압이 발생하는 경우, 제어부는 산소측 시스템(20)의 밸브(22a, 22b, 22c)를 일부 또는 전부 개방하여 산소측 시스템(20)의 압력을 낮추어 차압을 제어하거나, 수소측 시스템(30)의 밸브(32a, 32b, 32c)를 일부 또는 전부 폐쇄하여 수소측 시스템(30)의 압력을 높여 차압을 제어할 수 있다.
또한, 시스템의 승압 모드(과정)에서, 수소측 시스템(30)의 압력이 산소측 시스템(20)의 압력 대비 상대적으로 높아 차압이 발생하는 경우, 제어부는 수소측 시스템(30)의 밸브(32a, 32b, 32c)를 일부 또는 전부 개방하여 수소측 시스템(30)의 압력을 낮추어 차압을 제어하거나, 산소측 시스템(20)의 밸브(22a, 22b, 22c)를 일부 또는 전부 폐쇄하여 산소측 시스템(20)의 압력을 높여 차압을 제어할 수 있다.
한편, 가스 생산 모드(과정)는 생산된 산소 및 수소 가스를 이송 라인(20a, 30a)으로 이송시키고, 생산된 가스 중 일부 또는 전부는 제어나 분석을 위해 배출 라인(20b, 30b)으로 이송시키는 모드일 수 있다.
가스 생산 모드에서, 시스템 압력이 설정 압력보다 높고, 산소측 시스템(20)의 압력이 수소측 시스템(30)의 압력 대비 상대적으로 높아 차압이 발생하는 경우, 산소측 시스템(20)의 밸브(22a, 22b, 22c)를 일부 또는 전부 개방하여 차압과 시스템 압력을 설정 압력으로 유지하거나, 산소측 시스템(20)의 밸브(22a, 22b, 22c)를 일부 또는 전부 개방하고 수소측 시스템(30)의 밸브(30a, 30b, 30c)를 일부 또는 전부 개방하여 차압과 설정 압력을 유지할 수 있다.
또한, 가스 생산 모드에서, 시스템 압력이 설정 압력보다 높고, 수소측 시스템(30)의 압력이 산소측 시스템(20)의 압력 대비 상대적으로 높아 차압이 발생하는 경우, 수소측 시스템(30)의 밸브(32a, 32b, 32c)를 일부 또는 전부 개방하여 차압과 시스템 압력을 설정압력으로 유지하거나, 수소측 시스템(30)의 밸브(32a, 32b, 32c)를 일부 또는 전부 개방하고 산소측 시스템(20)의 밸브(22a, 22b, 22c)를 일부 또는 전부 개방하여 차압과 설정압력을 유지할 수 있다.
또한, 가스 생산 모드에서 시스템 압력이 설정 압력보다 낮고, 산소측 시스템(20)의 압력이 수소측 시스템(30)의 압력 대비 상대적으로 높아 차압이 발생하는 경우, 수소측 시스템(30)의 밸브(32a, 32b, 32c)를 일부 또는 전부 폐쇄하여 차압과 시스템 압력을 설정압력으로 유지하거나, 수소측 시스템(30)의 밸브(32a, 32b, 32c)를 일부 또는 전부 폐쇄하고 산소측 시스템(20)의 밸브(22a, 22b, 22c)를 일부 또는 전부 폐쇄하여 차압과 설정압력을 유지할 수 있다.
또한, 가스 생산 모드에서 시스템 압력이 설정 압력보다 낮고, 수소측 시스템(30)의 압력이 산소측 시스템(20)의 압력 대비 상대적으로 높아 차압이 발생하는 경우, 산소측 시스템(20)의 밸브(22a, 22b, 22c)를 일부 또는 전부 폐쇄하여 차압과 시스템 압력을 설정압력으로 유지하거나, 산소측 시스템(20)의 밸브(22a, 22b, 22c)를 일부 또는 전부 폐쇄하고 수소측 시스템(30)의 밸브(32a, 32b, 32c)를 일부 또는 전부 폐쇄하여 차압과 설정압력을 유지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템은, 신호 매체인 수위계와 압력계(차압계)의 수치를 기초로 하여 승압 모드에서 수소측 시스템(30) 및 산소측 시스템(20)의 밸브들의 작동을 제어하여 차압을 제어하고, 가스 생산 모드에서 수소측 시스템(30) 및 산소측 시스템(20)의 밸브들의 작동을 제어하여 차압과 설정압력을 유지할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템은 측정된 차압값에 따른 기울기 값(a)을 기초로 산소측 시스템(20) 및 수소측 시스템(30)의 밸브의 작동을 제어함으로써, 시스템의 운전압 및 차압을 제어하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부는 압력계(차압계) 또는 수위계의 측정값을 기초로 산소측 시스템(20)과 수소측 시스템(30)의 차압값을 계산하고, 과거 특정 시간대의 차압값과 실시간 차압값의 차이를 기울기(a)로 도출하고, 계산된 차압값과 도출된 기울기(a)를 기초로 밸브들의 작동을 제어함으로써 시스템의 운전압 및 차압을 제어할 수 있다.
산소측 기액 분리기(21)와 수소측 기액 분리기(31)의 수위차가 큰 차이를 가져 차압이 발생된 경우, 차압값 하나만으로도 차압 제어를 위한 판단이 가능하다. 예를 들면, 차압값이 양수이면 수소 측 압력이 높고, 차압값이 음수이면 산소 측 압력이 높기 때문에 산소측 시스템(20)과 수소측 시스템(30) 중 어느 쪽이 비교적 압력이 높은지 판단 가능하며, 차압값의 크기가 클수록 차압(수위) 차가 많다는 것을 알 수 있다. 그러나, 기액 분리기들(21, 31)의 수위가 수평으로 맞춰지고 있는 상황인지 아닌지, 수위가 급격하게 벌어지고 있는지 천천히 벌어지고 있는지 등의 여부는 차압값만으로는 판단이 어렵다.
본 발명은 차압값의 기울기(a)를 이용하여 현재 발생된 차압의 정성적 상태를 파악할 수 있다. 여기서, 실시간 차압값의 기울기(a)는 다음과 같이 정의할 수 있다. 먼저, 실시간 측정된 차압값과 n초 전에 측정된 차압값의 차이(△P)를 y축에 표기하고, 시간을 x축으로 하여 그래프를 그리면, y=ax+b 형태의 1차 함수로 나타낼 수 있다. 이때, a값을 '실시간 차압값의 기울기'라고 정의한다.
여기서, 실시간 차압값의 기울기 a가 양수이면, 수소 측으로 차압이 커지는 중이고, a가 음수이면 산소 측으로 차압이 커지는 중이라 판단할 수 있다. 또한, a값이 클수록, 즉 실시간 차압값의 기울기가 가파를수록 급격하게 차압(수위차)이 벌어지고 있다고 판단할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 차압값의 실시간 기울기 a를 통해 차압 발생 정도를 상대적으로 비교할 수 있으며, 이를 통해 밸브 제어 명령 여부를 판단할 수 있다.
도 3을 참조하면, x축은 시간, y축은 차압값으로 이루어진 그래프에서 기울기 a의 구체적인 예시들을 확인할 수 있다. 그래프에서, ⓐ는 기울기가 0(수평)에 가깝고, ⓑ, ⓓ, ⓔ는 양의 기울기를 가지며, ⓒ는 음의 기울기를 갖는다. 여기서, 기울기가 양의 값이면 수소측 시스템(30)이 산소측 시스템(20) 대비 압력이 높고, 기울기가 음의 값이면 산소측 시스템(20)이 수소측 시스템(30) 대비 압력이 높다는 것을 의미한다. 즉, 기울기 정도가 가파를수록 양측의 압력 차이가 빠르게 발생하고 있다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템은 차압 제어를 실시하기 위해 2개 이상의 판단 요소를 사용할 수 있다. 그 첫 번째 판단 요소는 차압값이며, 이를 통해 산소측 시스템(20)과 수소측 시스템(30) 중 어느 시스템이 상대적으로 압력이 높은지 그리고 어느 정도의 수위차가 발생하고 있는지를 판단할 수 있다. 두 번째 판단 요소는 전술한 실시간 차압값 기울기 a이며, 이를 통해 발생된 차압의 강도와 방향을 확인할 수 있다.
한편, 도 4는 도 2와 3의 차압값 △P와 기울기 a에 반영된 다양한 차압 발생 시나리오를 매트릭스화한 도면으로서, 제어부는 계산된 차압값과 도출된 기울기를 기초로 발생 가능한 차압 발생 시나리오들을 매트릭스화하고, 이 차압 발생 시나리오에 대한 대응 지령을 매트릭스화하여, 밸브들의 작동을 제어할 수 있다.
도 5는 도 4의 차압 발생 시나리오에 대한 대응 지령을 매트릭스화하여 나타낸 감압 제어 매트릭스 개념도이고, 도 6은 도 4의 차압 발생 시나리오에 대한 대응 지령을 매트릭스화하여 나타낸 승압 제어 매트릭스 개념도이다. 이 도면들에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템은, 하나 이상의 제어 판단 요소를 수치화하고 이를 수 개 또는 수십 개의 범위를 설정한 후 매트릭스화(행렬화)하고, 수전해 시스템의 운전 중 해당 범위에 적용되는 하나 이상의 제어 판단 요소를 모두 충족하는 경우 매트릭스화된 해당 대응 지령에 따라 차압 및 운전압 제어를 수행할 수 있다. 제어 수행 요소로는, 산소측 시스템(20) 및 수소측 시스템(30)에 설치된 밸브들의 개폐 수치 값, 딜레이 타임 등이 될 수 있으며, 이러한 제어 수행 요소들 역시 매트릭스화시켜 제어가 수행될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템의 제어 방법을 개략적으로 도시한 플로우차트로서, 제어부는, 시스템의 현재 운전압이 설정 운전압의 특정 범위를 초과하는 경우, 승압 또는 감압을 위한 매트릭스에 따른 대응 지령을 수행하여 밸브의 작동을 제어할 수 있다.
한편, 산소측 기액 분리기(21) 및 수소측 기액 분리기(31)의 각각의 하류측에는 수증기를 응축하여 분리시키기 위한 열교환기(23, 33a, 33b)가 설치될 수 있다. 또한, 열교환기(23, 33, 34)의 하류측에는 수분 제거를 위한 필터(24, 34) 또는 촉매가 내장된 탱크(미도시)가 설치될 수 있다.
부가적으로, 산소측 시스템(20)은 긴급 상황시 산소를 배출하기 위한 긴급 산소 배출 라인(20c)을 더 포함할 수 있다. 그리고, 열교환기(23)를 거친 산소 가스는 산소 이송 라인(20a), 산소 배출 라인(20b) 및 긴급 산소 배출 라인(20c)으로 분기될 수 있고, 산소 이송 라인(20a), 산소 배출 라인(20b) 및 긴급 산소 배출 라인(20c)으로의 산소 가스 이송은 밸브 작동에 의해 제어될 수 있다.
마찬가지로, 수소측 시스템(30)은 긴급 상황시 수소를 배출하기 위한 긴급 수소 배출 라인(30c)을 더 포함할 수 있다. 그리고, 열교환기(33a, 33b)를 거친 수소 가스는 수소 이송 라인(30a), 수소 배출 라인(30b) 및 긴급 수소 배출 라인(30c)으로 분기될 수 있고, 수소 이송 라인(30a), 수소 배출 라인(30b) 및 긴급 수소 배출 라인(30c)으로의 수소 가스 이송은 밸브 작동에 의해 제어될 수 있다.
추가적으로, 본 발명에 따른 수전해 시스템 내에는 순수 공급 시스템, 비활성 가스 공급 시스템, 작동 공기 공급 시스템 등이 포함될 수 있다. 또한, 가스 열교환 또는 촉매 반응으로 형성된 수분(응축수)이 기액 분리기 또는 전해액 순환 시스템 또는 가스 배출 배관 또는 컨덴서와 같은 탱크 등으로 이송될 수 있도록 하는 배관이 수전해 시스템 내에 구성될 수 있다. 그리고, 가스 이송 라인 및 배출 라인에는 측정 및 분석을 위한 유량계, 농도계, 압력계, 온도계 등과 같은 계측기들이 설치될 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 보여준 것에 불과하며, 본 발명의 보호 범위는 이하 특허청구범위에 의하여 해석되어야 마땅할 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것인 바, 본 발명과 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 수전해 셀(수전해 스택)
20: 산소측 시스템
20a: 산소 이송 라인 20b: 산소 배출 라인
20c: 긴급 산소 배출 라인 21: 산소측 기액 분리기
22a, 22b, 22c: 밸브 23: 열교환기
24: 필터 30: 수소측 시스템
30a: 수소 이송 라인 30b: 수소 배출 라인
30c: 긴급 수소 배출 라인 31: 수소측 기액 분리기
32a, 32b, 32c: 밸브 33a, 33b: 열교환기
34: 필터
20a: 산소 이송 라인 20b: 산소 배출 라인
20c: 긴급 산소 배출 라인 21: 산소측 기액 분리기
22a, 22b, 22c: 밸브 23: 열교환기
24: 필터 30: 수소측 시스템
30a: 수소 이송 라인 30b: 수소 배출 라인
30c: 긴급 수소 배출 라인 31: 수소측 기액 분리기
32a, 32b, 32c: 밸브 33a, 33b: 열교환기
34: 필터
Claims (9)
- 물 또는 전해액 내 물을 전기분해하여 산소 및 수소를 생산하는 수전해 셀 또는 수전해 스택;
상기 수전해 셀 또는 수전해 스택에서 생산된 산소를 이송하는 산소측 시스템;
상기 수전해 셀 또는 수전해 스택에서 생산된 수소를 이송하는 수소측 시스템; 및
상기 산소측 시스템과 상기 수소측 시스템의 가스 압력의 차압이 발생하는 경우, 시스템의 운전 압력을 설정 압력으로 유지하면서 상기 차압을 설정 압력으로 유지하도록 시스템의 운전압 및 차압을 제어하는 제어부를 포함하는, 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 산소측 시스템은 산소 이송 라인과 산소 배출 라인으로 분기되고, 상기 산소측 시스템은:
상기 수전해 셀 또는 수전해 스택에서 생산된 산소와 전해질을 비중차를 이용하여 기체와 액체로 분리시키는 산소측 기액 분리기;
상기 산소 이송 라인 및 상기 산소 배출 라인에 설치되고, 생산된 산소 가스의 유동 또는 압력을 조절하도록 제어되는 밸브;
상기 산소측 기액 분리기의 수위를 측정하는 수위계; 및
상기 산소측 기액 분리기의 압력을 측정하는 압력계를 포함하는, 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 수소측 시스템은 수소 이송 라인과 수소 배출 라인으로 분기되고, 상기 수소측 시스템은:
상기 수전해 셀 또는 수전해 스택에서 생산된 수소와 전해질을 비중차를 이용하여 기체와 액체로 분리시키는 수소측 기액 분리기;
상기 수소 이송 라인 및 상기 수소 배출 라인에 설치되고, 생산된 수소 가스의 유동 또는 압력을 조절하도록 제어되는 밸브;
상기 수소측 기액 분리기의 수위를 측정하는 수위계; 및
상기 수소측 기액 분리기의 압력을 측정하는 압력계 또는 차압계를 포함하는, 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템.
- 제3항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 압력계, 차압계 또는 수위계의 측정값을 기초로 산소측 시스템과 수소측 시스템의 차압값을 계산하고, 과거 특정 시간대의 차압값과 실시간 차압값의 차이를 기울기로 도출하고, 계산된 차압값과 도출된 기울기를 기초로 상기 밸브의 작동을 제어함으로써 시스템의 운전압 및 차압을 제어하는, 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템.
- 제4항에 있어서,
상기 제어부는 계산된 차압값과 도출된 기울기를 기초로 발생 가능한 차압 발생 시나리오들을 매트릭스화하고, 이 차압 발생 시나리오에 대한 대응 지령을 매트릭스화하여, 상기 밸브의 작동을 제어하는, 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템.
- 제5항에 있어서,
상기 제어부는, 시스템의 현재 운전압이 설정 운전압의 특정 범위를 초과하는 경우, 승압 또는 감압을 위한 매트릭스를 수행하여 밸브의 작동을 제어하는, 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템.
- 제3항에 있어서,
상기 밸브는 솔레노이드 밸브, 압력 제어 밸브 또는 역압력 조절 밸브인, 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템.
- 제3항에 있어서,
상기 산소측 기액 분리기 및 상기 수소측 기액 분리기의 각각의 하류측에는 수증기를 응축하여 분리시키기 위한 열교환기가 설치되고, 상기 열교환기의 하류측에는 수분 제거를 위한 필터 또는 촉매가 내장된 탱크가 설치되는, 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템.
- 제8항에 있어서,
상기 산소측 시스템은 긴급 상황시 산소를 배출하기 위한 긴급 산소 배출 라인을 더 포함하고, 상기 열교환기를 거친 산소 가스는 상기 산소 이송 라인, 상기 산소 배출 라인 및 상기 긴급 산소 배출 라인으로 분기될 수 있고, 상기 산소 이송 라인, 상기 산소 배출 라인 및 상기 긴급 산소 배출 라인으로의 산소 가스 이송은 밸브 작동에 의해 제어되며,
상기 수소측 시스템은 긴급 상황시 수소를 배출하기 위한 긴급 수소 배출 라인을 더 포함하고, 상기 열교환기를 거친 수소 가스는 상기 수소 이송 라인, 상기 수소 배출 라인 및 상기 긴급 수소 배출 라인으로 분기될 수 있고, 상기 수소 이송 라인, 상기 수소 배출 라인 및 상기 긴급 수소 배출 라인으로의 수소 가스 이송은 밸브 작동에 의해 제어되는, 운전압 및 차압 제어가 가능한 수전해 시스템.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR20240102012A true KR20240102012A (ko) | 2024-07-03 |
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