KR20200111970A - Heat-Electric-Hydrogen generation control system and method using the Al-air cell - Google Patents
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Abstract
Description
실시예는 알루미늄공기전지를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 알루미늄공기전지에 가해지는 전압을 조절하여 운전조건에 따라 열과 수소, 전력의, 생산량을 조절하는 알루미늄공기전지를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.The embodiment relates to a heat, electricity, and hydrogen production control system and method using an aluminum air battery. More specifically, it relates to a heat, electricity and hydrogen production control system and method using an aluminum air battery that controls the amount of heat, hydrogen, and power produced according to operating conditions by controlling the voltage applied to the aluminum air battery.
일반적으로 금속공기전지는 음극에 전이 금속을 사용하고, 양극 활성물질로 공기 중의 산소를 이용한다. 또한, 금속공기전지는 음극의 전이금속 이온을 산소와 반응시켜 전기를 생산하며, 기존의 이차전지와 다르게 전지 내부에 양극 활성물질을 미리 가지고 있을 필요가 없기 때문에 경량화가 가능하다. 또한, 용기 내에 음극 물질을 대량으로 저장할 수 있어 이론적으로 큰 용량과 높은 에너지 밀도를 나타낼 수 있다.In general, a metal-air battery uses a transition metal as a negative electrode and oxygen in air as a positive electrode active material. In addition, metal-air batteries generate electricity by reacting transition metal ions of the negative electrode with oxygen, and unlike conventional secondary batteries, since there is no need to have a positive electrode active material inside the battery in advance, it is possible to reduce weight. In addition, it is possible to store a large amount of the negative electrode material in the container, thus theoretically exhibiting a large capacity and high energy density.
금속공기전지는 전이 금속 이온의 흡장/방출이 가능한 음극, 공기 중의 산소를 양극 활물질로 하여 산소의 산화 환원 촉매를 포함하는 양극을 구비하고, 양극과 음극 사이에 전이금속 이온 전도성 매체로서의 전해질을 구비한다. A metal-air battery has a cathode capable of intercalating/extracting transition metal ions, a cathode containing oxygen in the air as a cathode active material, and an oxygen redox catalyst, and an electrolyte as a transition metal ion conductive medium between the anode and the cathode. do.
금속공기전지의 전기화학적 특성을 결정하는 중요한 요인들로는 전해질 시스템, 양극 구조, 우수한 공기 환원극 촉매, 탄소 지지체의 종류, 산소 압력 등이 있을 수 있다. Important factors determining the electrochemical properties of a metal-air battery may include an electrolyte system, a positive electrode structure, an excellent air reduction electrode catalyst, a type of carbon support, and an oxygen pressure.
방전시 음극으로부터 생성된 전이 금속 이온이 양극의 산소와 만나 전이 금속 산화물이 생성되며 산소는 환원된다(oxygen reduction reaction: ORR). 또한, 반대로 충전시 전이 금속 산화물이 환원되고, 산소가 산화되어 발생한다(oxygen evolution reaction:OER).During discharge, the transition metal ions generated from the cathode meet oxygen at the anode to form a transition metal oxide, and oxygen is reduced (oxygen reduction reaction: ORR). In addition, when charged, transition metal oxides are reduced and oxygen is oxidized to occur (oxygen evolution reaction: OER).
금속공기전지의 공기전극 촉매는 전지의 비에너지 용량 증대, 전지의 과전압 감소, 전지의 충방전 특성 향상 등의 기능을 수행한다. 금속공기전지에서는 충전 시 석출된 전이 금속 산화물 산화되기 어려워 과전압이 가해지며, 이를 낮추기 위하여 공기전극의 촉매로서 금속 촉매(Pt, Au, Ag 등)가 사용된다. 특히 성능이 우수한 금속 간의 합금을 공기전극 촉매로 이용 시, 합금 나노 입자가 이관능성 촉매(bi-functional catalyst)의 역할을 수행함으로써 충방전 효율을 더욱 높일 수 있다고 알려져 있다.The air electrode catalyst of a metal-air battery performs functions such as increasing the specific energy capacity of the battery, reducing the overvoltage of the battery, and improving the charging/discharging characteristics of the battery. In a metal-air battery, overvoltage is applied because it is difficult to oxidize the transition metal oxide precipitated during charging, and a metal catalyst (Pt, Au, Ag, etc.) is used as a catalyst for the air electrode to reduce this. In particular, it is known that when an intermetallic alloy having excellent performance is used as an air electrode catalyst, the alloy nanoparticles can further increase the charging and discharging efficiency by performing the role of a bi-functional catalyst.
이러한 금속공기전지 중 알루미늄 공기전지는 기본적으로 연료로써 소모되어 전자를 생산하는 연료극으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 양극(anode), 전자를 받아 물과 산소를 환원시키는 탄소전극 등을 포함하는 공기극(空氣極)인 음극(cathode) 및 전극의 전기화학적 반응이 일어나고 이온이 교환되는 전해액(electrolyte)로 구성된다.Among these metal-air batteries, the aluminum-air battery is basically a fuel electrode that is consumed as a fuel and produces electrons, and an anode including aluminum or an aluminum alloy, and a cathode including a carbon electrode that reduces water and oxygen by receiving electrons ( It is composed of a cathode, which is a space, and an electrolyte through which an electrochemical reaction occurs and ions are exchanged.
알루미늄 공기전지의 반응식은 아래와 같다. The reaction equation of the aluminum air battery is as follows.
양극 산화 반응 : Al + 4OH- → Al(OH)4- + 3e- Anodic oxidation reaction: Al + 4OH- → Al(OH)4- + 3e-
음극 환원 반응 : O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- Cathodic reduction reaction: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
전체 전지 반응 : 4Al + 3O2 + 6H2O → 4Al(OH)3 Total cell reaction: 4Al + 3O2 + 6H2O → 4Al(OH)3
이와 같이, 알루미늄 공기전지는 양극(anode)인 알루미늄 금속의 이온화 과정 중에 생성되는 전자가 도선을 따라 이동하여 음극(cathode)인 공기극으로 이동하여 공기 중의 산소와 물을 환원시켜 전기를 생성할 수 있다.In this way, the aluminum air battery can generate electricity by reducing oxygen and water in the air by moving electrons generated during the ionization process of aluminum metal, which is an anode, along a conducting wire, and moving to an air electrode, which is a cathode. .
이러한 알루미늄 금속 전지의 경우 높은 이론적 에너지 밀도와 출력특성 및 유기용매를 사용하지 않는 친환경성, 타 금속-공기연료 전지 대비 낮은 전력 생산 비용의 장점을 구비한다.Such an aluminum metal battery has advantages of high theoretical energy density and output characteristics, eco-friendliness without the use of organic solvents, and low power production cost compared to other metal-air fuel cells.
그러나, 전력 생산시 수소 발생과 발열로 인한 에너지 손실이 발생하는 문제점이 존재한다.However, there is a problem in that energy loss due to generation of hydrogen and heat generation occurs during power generation.
대한민국 등록특허 제10-0965715호.Korean Patent Registration No. 10-0965715.
실시예는 알루미늄 공기전지의 전력 생산과정에서 부수적으로 발생하는 열, 수소를 활용하여 시스템의 효율을 증대하는 것을 목적으로 한다.The embodiment aims to increase the efficiency of a system by utilizing heat and hydrogen incidentally generated in the power generation process of an aluminum air battery.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the problems mentioned above, and other problems that are not mentioned herein will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 실시예는, 전력을 생산하고 수소와 부산물을 발생하는 알루미늄 공기전지; 상기 알루미늄 공기전지로 저온의 전해액을 공급하고 고온의 전해액을 회수하는 전해질 탱크; 상기 전해질 탱크의 고온의 전해액과 열교환을 통해 열저장소로 열을 공급하는 제1 열교환기; 상기 전해질 탱크에서 발생되는 수소를 저장하는 수소탱크; 상기 알루미늄 공기전지에서 발생되는 전력을 저장하는 전력저장소; 및 상기 알루미늄 공기전지에 가해지는 전압을 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 제어부는 상기 열저장소의 열량 정보, 상기 수소탱크의 수소 압력 및 상기 전력저장소의 전력양의 정보를 취합하여 상기 알루미늄 공기전지에 가해지는 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 공기전지를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 시스템을 제공한다.An embodiment of the present invention is an aluminum air battery that generates electric power and generates hydrogen and by-products; An electrolyte tank for supplying a low-temperature electrolyte to the aluminum-air battery and recovering the high-temperature electrolyte; A first heat exchanger for supplying heat to a heat storage unit through heat exchange with the high-temperature electrolyte in the electrolyte tank; A hydrogen tank for storing hydrogen generated in the electrolyte tank; A power storage for storing power generated from the aluminum air battery; And a control unit for controlling a voltage applied to the aluminum air battery, wherein the control unit collects information on the amount of heat in the heat storage, the hydrogen pressure of the hydrogen tank, and the amount of power in the power storage, and the aluminum air battery It provides a heat, electricity and hydrogen production control system using an aluminum air battery, characterized in that controlling the voltage applied to the.
바람직하게는, 상기 전해질 탱크에서 생산되는 수산화알루미늄을 포집하는 부산물탱크;를 더 포함할 수 있다.Preferably, a by-product tank for collecting aluminum hydroxide produced in the electrolyte tank; may further include.
바람직하게는, 상기 수소탱크의 수소를 공급받아 전력을 생산하는 수소연료전지;를 더 포함할 수 있다.Preferably, a hydrogen fuel cell for generating power by receiving hydrogen from the hydrogen tank; may further include.
바람직하게는, 상기 수소연료전지에서 생산되는 전력은 상기 전력저장소에 저장되는 것을 특징으로 할 수 있다.Preferably, the power produced by the hydrogen fuel cell may be stored in the power storage.
바람직하게는, 상기 수소연료전지에서 발생되는 열을 열교환을 통해 상기 열보관소로 전달하는 제2 열교환기;를 포함할 수 있다.Preferably, it may include; a second heat exchanger for transferring heat generated from the hydrogen fuel cell to the heat storage through heat exchange.
바람직하게는, 상기 제어부는 상기 알루미늄 공기전지에서 전압에 따른 열량 발생량과 수소 발생량 및 전력양을 테이블화하여 저장된 전압제어테이블을 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.Preferably, the control unit may include a voltage control table that stores the amount of heat generated, the amount of hydrogen, and the amount of power according to voltage in the aluminum air battery.
바람직하게는, 상기 제어부는 수신된 상기 열량 정보, 상기 수소 압력 및 상기 전력양의 정보를 취합하여 상기 전압제어테이블에서 상기 알루미늄 공기전지에 가할 전압을 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다.Preferably, the control unit may determine a voltage to be applied to the aluminum air battery from the voltage control table by collecting the received information on the amount of heat, the pressure of hydrogen, and the amount of power.
바람직하게는, 상기 제어부는 상기 열량 정보, 상기 수소 압력 및 상기 전력양의 정보 중 가장 부족한 것으로 판단되는 정보에 기초하여 상기 알루미늄 공기전지에 가할 전압을 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다.Preferably, the control unit may determine a voltage to be applied to the aluminum air battery based on information determined to be the most insufficient among the information on the amount of heat, the pressure of hydrogen, and the amount of power.
바람직하게는, 상기 제어부는 열량이 부족한 것으로 판단되는 경우 0.2~0.4V의 전압을 인가하는 것을 특징으로 할 수 있다.Preferably, when it is determined that the amount of heat is insufficient, the control unit may apply a voltage of 0.2 to 0.4V.
바람직하게는, 상기 제어부는 수소가 부족하다고 판단되는 경우 1.2~1.4V의 전압을 인가하는 것을 특징으로 할 수 있다.Preferably, the control unit may be characterized by applying a voltage of 1.2 to 1.4V when it is determined that hydrogen is insufficient.
바람직하게는, 상기 제어부는 전력이 부족하다고 판단되는 경우, 0.6~0.8V의 전압을 인가하는 것을 특징으로 할 수 있다.Preferably, when it is determined that power is insufficient, the control unit may be characterized in that it applies a voltage of 0.6 to 0.8V.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예는, 알루미늄 공기전지에서 발생되는 열, 전기 및 수소 생산 제어 방법에 있어서, 열저장소, 수소탱크 및 전력저장소로부터 요구되는 열량 정보, 수소 압력 및 전력양의 정보를 취합하는 정보 취합단계; 상기 정보 취합단계에서 취합된 정보와 상기 알루미늄 공기전지에서 전압에 따른 열량 발생량과 수소 발생량 및 전력양을 테이블화하여 저장된 전압제어테이블을 비교하여 상기 알루미늄 공기전지에 가할 전압을 결정하는 전압결정단계; 및 상기 전압결정단계에서 결정된 전압을 상기 알루미늄 공기전지에 인가하는 전압인가단계;를 포함하는 알루미늄 공기전지를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 방법으로 구현될 수 있다.In addition, another embodiment of the present invention, in a method for controlling the production of heat, electricity, and hydrogen generated in an aluminum air battery, information on the amount of heat required from the heat storage, hydrogen tank and power storage, hydrogen pressure and power amount information A step of collecting information to collect; A voltage determining step of determining a voltage to be applied to the aluminum pneumatic battery by comparing the information collected in the information collecting step with a voltage control table stored by tabulating the amount of heat generated according to the voltage in the aluminum air battery, the amount of hydrogen generated, and the amount of power; And a voltage applying step of applying the voltage determined in the voltage determining step to the aluminum air battery. It may be implemented by a method of controlling production of heat, electricity, and hydrogen using an aluminum air battery.
바람직하게는, 상기 전압결정단계는. 상기 상기 열량 정보, 상기 수소 압력 및 상기 전력양의 정보 중 가장 부족한 것으로 판단되는 정보에 기초하여 상기 알루미늄 공기전지에 가할 전압을 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다.Preferably, the voltage determining step is. The voltage to be applied to the aluminum air battery may be determined based on information determined to be the least of the information on the amount of heat, the amount of hydrogen, and the amount of power.
실시예에 따르면, 알루미늄 공기전지를 전압조건을 제어하여 열, 전기 및 수소의 생산을 최적화할 수 있는 효과가 있다.According to the embodiment, there is an effect of optimizing the production of heat, electricity and hydrogen by controlling the voltage condition of the aluminum air battery.
또한, 알루미늄 공기전지의 문제점인 수소 발생과 폐열을 자원화하는 효과가 있다.In addition, there is an effect of generating hydrogen, which is a problem of an aluminum air battery, and recycling waste heat.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Various and beneficial advantages and effects of the present invention are not limited to the above-described contents, and may be more easily understood in the course of describing specific embodiments of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄공기전지를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 시스템의 블록도이고,
도 2는 도 1의 제어부의 전압제어테이블을 나타내는 도면이고,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 알루미늄 공기전지를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 방법의 순서도이다. 1 is a block diagram of a heat, electricity and hydrogen production control system using an aluminum air battery according to an embodiment of the present invention,
2 is a diagram showing a voltage control table of the controller of FIG. 1,
3 is a flowchart of a method for controlling heat, electricity, and hydrogen production using an aluminum air battery according to another embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.However, the technical idea of the present invention is not limited to some embodiments to be described, but may be implemented in various different forms, and within the scope of the technical idea of the present invention, one or more of the constituent elements may be selectively selected between the embodiments. It can be combined with and substituted for use.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.In addition, terms (including technical and scientific terms) used in the embodiments of the present invention are generally understood by those of ordinary skill in the art, unless explicitly defined and described. It can be interpreted as a meaning, and terms generally used, such as terms defined in a dictionary, may be interpreted in consideration of the meaning in the context of the related technology.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.In addition, terms used in the embodiments of the present invention are for describing the embodiments and are not intended to limit the present invention.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.In the present specification, the singular form may include the plural form unless specifically stated in the phrase, and when described as “at least one (or more than one) of A and (and) B and C”, it is combined with A, B, and C. It may contain one or more of all possible combinations.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.In addition, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used in describing the constituent elements of the embodiment of the present invention.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.These terms are only for distinguishing the component from other components, and are not limited to the nature, order, or order of the component by the term.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’ 되는 경우도 포함할 수 있다.And, when a component is described as being'connected','coupled' or'connected' to another component, the component is not only directly connected, coupled or connected to the other component, but also the component and It may also include the case of being'connected','coupled' or'connected' due to another component between the other components.
또한, 각 구성 요소의 “상(위) 또는 하(아래)”에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.In addition, when it is described as being formed or disposed on the “top (top) or bottom (bottom)” of each component, the top (top) or bottom (bottom) is one as well as when the two components are in direct contact with each other. It also includes a case in which the above other component is formed or disposed between the two components. In addition, when expressed as "upper (upper) or lower (lower)", the meaning of not only an upward direction but also a downward direction based on one component may be included.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but identical or corresponding components are denoted by the same reference numerals regardless of reference numerals, and redundant descriptions thereof will be omitted.
도 1 내지 도 3는, 본 발명을 개념적으로 명확히 이해하기 위하여, 주요 특징 부분만을 명확히 도시한 것이며, 그 결과 도해의 다양한 변형이 예상되며, 도면에 도시된 특정 형상에 의해 본 발명의 범위가 제한될 필요는 없다.1 to 3, in order to clearly understand the present invention conceptually, only the main characteristic parts are clearly shown, and as a result, various modifications of the illustration are expected, and the scope of the present invention is limited by the specific shape shown in the drawings. It doesn't have to be.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄공기전지를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 시스템의 블록도이고, 도 2는 도 1의 제어부의 전압제어테이블을 나타내는 도면이다.1 is a block diagram of a system for controlling heat, electricity, and hydrogen production using an aluminum air battery according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a view showing a voltage control table of the controller of FIG. 1.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 공기전지(100)를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 시스템은 알루미늄 공기전지(100), 전해질 탱크(200), 제1 열교환기(210), 전력저장소(400) 및 제어부(500)를 포함할 수 있다.1 and 2, the heat, electricity, and hydrogen production control system using the
알루미늄 공기전지(100)는 금속공기전지의 일종이다. 금속공기전지는 금속을 양극으로 공기환원극을 음극으로 하여 전해액 내에서 금속 산화반응과 공기 환원반응의 기전력차에 의하여 전력이 발생되는 1차 전지 시스템에 관한 것이다.The
이러한, 금속공기전기는 소모된 양극을 교체하여 기계적 충전 방식을 적용할 수 있으며, 양극과 전해액을 적정시기에 교체시 양극의 내구성에 비례하여 반영구적으로 사용할 수 있다. 또한, 금속공기전지는 알루미늄, 아연, 리튬 등의 다양한 금속이 양극으로 사용될 수 있으나, 본 발명에서는 알루미늄을 예로 하여 설명하도록 한다.Metal air electricity can be applied to a mechanical charging method by replacing the consumed anode, and can be used semi-permanently in proportion to the durability of the anode when the anode and the electrolyte are replaced at an appropriate time. In addition, in the metal-air battery, various metals such as aluminum, zinc, and lithium may be used as the positive electrode, but in the present invention, aluminum is used as an example.
알루미늄 공기전지(100)의 기본구성은 양극, 음극 및 전해액을 포함하며, 공지된 다양한 구성이 이용될 수 있다.The basic configuration of the
알루미늄 공기전지(100)는 아래와 같은 반응을 통해 전력을 생산하고 수소와 열의 부산물을 발생시킬 수 있다.The
양극 산화 반응 : Al + 4OH- → Al(OH)4- + 3e- Anodic oxidation reaction: Al + 4OH- → Al(OH)4- + 3e-
음극 환원 반응 : O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- Cathodic reduction reaction: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
전체 전지 반응 : 4Al + 3O2 + 6H2O → 4Al(OH)3 Total cell reaction: 4Al + 3O2 + 6H2O → 4Al(OH)3
전해질 탱크(200)는 알루미늄 공기전지(100)로 저온의 전해액을 공급하며, 고온의 전해액을 회수할 수 있다. 전해질 탱크(200)에는 알루미늄의 반응으로 생성되는 부산물인 수산화 알루미늄이 생성될 수 있다. 전해질 탱크(200)에서 생성되는 수산화 알루미늄은 전해질 탱크(200)와 연결되는 부산물 탱크(240)에 포집되며, 포집된 수산화 알루미늄은 재사용되도록 처리된다.The
제1 열교환기(210)는 전해질 탱크(200)의 고온의 전해액과 열교환을 통해 열저장소(220)로 열을 공급할 수 있다. 제1 열교환기(210)의 종류에는 제한이 없으며, 다양한 종류의 열교환기가 사용될 수 있다. 제1 열교환기(210)로 유입되는 고온의 전해액은 열교환을 통해 저온의 전해액으로 전해질 탱크(200)로 유입될 수 있다.The first heat exchanger 210 may supply heat to the
열저장소(220)에 공급된 열은 일반 난방시설과 같은 열이나 전기를 필요로 하는 열ㆍ전기 사용자시설(230)로 공급될 수 있다.The heat supplied to the
수소탱크(300)는 전해질 탱크(200)에서 발생되는 수소를 저장할 수 있다. 수소탱크(300)에 저장된 수소는 수소저장소(310)로 공급되어 판매될 수 있으며, 수소연료전지(320)로 공급되어 전력을 생산할 수 있다.The
수소연료전지(320)는 수소탱크(300)의 수소를 공급받아 전력을 생산할 수 있다. 수소연료전지(320)는 수소공급장치 및 공기공급장치에서 각각 공급된 수소와 산소의 산화 환원 반응을 이용하여 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 것으로 전기 에너지를 생산하는 연료전지 스택 및 이를 냉각시키기 위한 냉각 시스템 등을 포함할 수 있다.The
연료전지 스택의 애노드 측에는 수소가 공급되고, 애노드에서 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 캐소드로 이동한다. 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름으로부터 전기에너지가 발생한다.Hydrogen is supplied to the anode side of the fuel cell stack, and hydrogen oxidation reaction proceeds at the anode to generate protons and electrons, and the generated hydrogen ions and electrons form the electrolyte membrane and the separator, respectively. Moves to the cathode through. The cathode generates water through an electrochemical reaction involving hydrogen ions and electrons moving from the anode, and oxygen in the air, and electric energy is generated from the flow of electrons.
수소연료전지(320)의 구조는 공지된 구조가 사용될 수 있으며, 수소연료전지(320)에서 생산된 전력을 전력저장소(400)로 공급되며, 수소연료전지(320)에서 발생되는 열은 제2 열교환기(330)를 통하여 열저장소(220)로 공급될 수 있다.As for the structure of the
제2 열교환기(330)는 제1 열교환기(210)와 마찬가지로 열교환기의 종류에는 제한이 없으며, 다양한 공지의 구조로 실시될 수 있다. 제2 열교환기(330)를 통해 열저장소(220)로 공급된 열은 일반 난방시설과 같은 열이나 전기를 필요로 하는 열ㆍ전기 사용자시설(230)로 공급될 수 있다.Like the first heat exchanger 210, the
전력저장소(400)는 알루미늄 공기전지(100)에서 발생되는 전력과 수소연료전지(320)에서 발생되는 전력을 공급받을 수 있다. 전력저장소(400)에 저장된 전력은 열ㆍ전기 사용자시설(230)로 공급될 수 있으며, 다양한 전력 수요자에게 판매될 수 있다.The
제어부(500)는 알루미늄 공기전지(100)에 가해지는 전압을 제어할 수 있다. 제어부(500)는 전압을 제어하여 알루미늄 공기전지(100)에서 발생되는 열, 수소 및 전력의 발생량을 제어할 수 있다.The
이때, 제어부(500)는 열저장소(220)의 열량 정보, 수소탱크(300)의 수소 압력 및 전력저장소(400)의 전력량 정보를 취합하여 알루미늄 공기전지(100)에 가해지는 전압을 제어할 수 있다.At this time, the
일실시예로, 제어부(500)는 알루미늄 공기전지(100)에서 전압에 따른 열량 발생량과 수소 발생량 및 전력량을 테이블화하여 저장된 전압제어테이블을 구비할 수 있다.In one embodiment, the
표 1에 나타나는 전압제어테이블은 전압의 양이 구획되어 나타나고 있으나, 이에 한정되지 않으며 도 1의 그래프를 더욱 세분화하여 연속되는 범위로 설정될 수 있다. 도 2를 참조하면, 전압의 인가에 따른 열량, 수소 및 전력의 발생량은 비례하지 않음을 확인할 수 있으며, 제어부(500)는 수신된 열량정보, 수소 압력 및 전력량의 정보를 취합하여 전압제어테이블에서 알루미늄 공기전지(100)에 가할 전압을 결정할 수 있다.제어부(500)는 수신되는 정보와 전압제어테이블을 비교하여 필요로 하는 양을 만족시킬 수 있는 최적의 전압을 선택하여 알루미늄 공기전지(100)에 전압을 인가할 수 있다.The voltage control table shown in Table 1 shows the amount of voltage divided, but is not limited thereto and may be set to a continuous range by subdividing the graph of FIG. 1. Referring to FIG. 2, it can be seen that the amount of heat generated by the application of the voltage, the amount of hydrogen and the power generated is not proportional, and the
일실시예로, 제어부(500)는 수신되는 열량 정보, 수소 압력, 전력량의 정보 중 가장 부족한 것으로 판단되는 정보에 기초하여 알루미늄 공기전지(100)에 가할 전압을 결정할 수 있다. In one embodiment, the
각 사용자설비에서 요청되는 열량, 수소량, 전력량은 시기에 따라 달라질 수 있다. 이때, 제어부(500)는 필요로 하는 양이 많은 요청사항을 반영하여 전압을 결정할 수 있다.The amount of heat, hydrogen, and power requested by each user facility may vary depending on the time. In this case, the
또한, 제어부(500)는 열량 정보, 수소 압력 및 전력양의 정보 중 가장 부족한 것으로 판단되는 정보에 기초하여 상기 알루미늄 공기전지(100)에 가할 전압을 결정할 수 있다.In addition, the
도 2를 참조하면, 각 전압을 통해 알루미늄 공기전지(100)에서 생성되는 수소, 전력 및 열은 각 전압조건에서 다르게 생성될 수 있다.Referring to FIG. 2, hydrogen, power, and heat generated by the
열의 경우 0.2~0.4V의 전압이 알루미늄 공기전지(100)에 인가되는 경우, 약간의 변화는 있으나, 2500kcal/h 내외의 열이 발생하게 되며, 0.4V이상이 되는 경우 열 발생량이 급격히 감소함을 확인할 수 있다.In the case of heat, when a voltage of 0.2~0.4V is applied to the
따라서, 제어부(500)에서 열량이 가장 부족한 것으로 판단되는 경우 0.2~0.4V의 전압을 인가하여 부족한 열량을 빠르게 공급할 수 있다.Accordingly, when the
전력의 경우 0.2~0.4V의 전압이 인가되는 경우 일정량의 전력을 발생시키며, 0.6~0.8V의 전압 범위내에서 15000Wh 내외의 전력을 생산하게 되며, 0.8V 이상의 전압에서는 전력이 지속적으로 감소함을 확인할 수 있다.In the case of power, when a voltage of 0.2~0.4V is applied, a certain amount of power is generated, and within the voltage range of 0.6~0.8V, it produces around 15000Wh, and at voltages above 0.8V, the power is continuously reduced. I can confirm.
따라서, 제어부(500)에서 전력이 가장 부족한 것으로 판단되는 경우, 0.6~0.8V의 전압을 인가하여 부족한 전력을 빠르게 보충할 수 있다.Therefore, when it is determined that the power is insufficient in the
또한, 수소의 경우 전압이 증가함에 따라 수소의 발생량이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 제어부(500)에서 수소가 가장 부족한 것으로 판단되는 경우 1.2~1.4V의 전압을 인가하여 빠르게 수소를 보충할 수 있다In addition, in the case of hydrogen, it can be seen that the amount of hydrogen generated increases as the voltage increases. Therefore, when the
도 2의 그래프를 종합하면, 알루미늄 공지전지에서 생성되는 열, 전력 및 수소는 각각이 최대로 생산되는 범위에 차이가 있음을 알 수 있다. 본 발명에서는 알루미늄 공기전지(100)에서 생산되는 열, 전력 및 수소를 필요에 따라 공급량을 조절할 수 있음을 확인할 수 있다.Compiling the graph of FIG. 2, it can be seen that there is a difference in the range in which each of the heat, power, and hydrogen generated in the known aluminum battery is maximally produced. In the present invention, it can be seen that the amount of heat, power, and hydrogen produced by the
한편, 이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 알루미늄 공기전지(100)를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 방법을 설명하면 다음과 같다. 단, 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 공기전지(100)를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 시스템에서 설명한 바와 동일한 것에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.Meanwhile, hereinafter, a method for controlling heat, electricity, and hydrogen production using the
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 알루미늄 공기전지(100)를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 방법의 순서도이다. 도 3에 있어서, 도 1 내지 도 2와 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타내며 상세한 설명은 생략하기로 한다.3 is a flowchart of a method for controlling heat, electricity, and hydrogen production using an
도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예인 알루미늄 공기전지(100)에서 발생되는 열, 전기 및 수소 생산을 제어하는 제어방법은 정보 취합단계(S100), 전압 결정단계(S200) 및 전압 인가단계(S300)를 포함할 수 있다.3, a control method for controlling the production of heat, electricity, and hydrogen generated in the
정보 취합단계(S100)는 열저장소(220), 수소탱크(300) 및 전력저장소(400)로부터 요구되는 열량 정보, 수소 압력 및 전력양의 정보를 취합할 수 있다. 이때, 정보 취합은 일정시간 간격으로 열량 정보, 수소 압력 및 전력양의 정보를 수신할 수 있다.In the information collecting step (S100), information on the amount of heat required from the
전압 결정단계(S200)는 정보 취합단계(S100)에서 취합된 정보와 상기 알루미늄 공기전지(100)에서 전압에 따른 열량 발생량과 수소 발생량 및 전력양을 테이블화하여 저장된 전압제어테이블을 비교하여 상기 알루미늄 공기전지(100)에 가할 전압을 결정할 수 있다. 전압 결정단계(S200)는 제어부(500)로 송신된 정보를 이용하여 전압인가량을 결정하게 된다.In the voltage determination step (S200), the information collected in the information collecting step (S100) is compared with the stored voltage control table by tabulating the amount of heat generated, the amount of hydrogen generated, and the amount of power according to voltage in the aluminum air battery The voltage to be applied to the
일실시예로, 전압 결정단계(S200)는 열량 정보, 수소 압력 및 전력량의 정보 중 가장 부족한 것으로 판단되는 정보에 기초하여 상기 알루미늄 공기전지(100)에 가할 전압을 결정할 수 있다. 이를 통해 열량, 수소 및 전력 중 부족하다고 판단되는 요소를 빠르게 보충할 수 있다.In an exemplary embodiment, the voltage determining step S200 may determine a voltage to be applied to the
전압 인가단계(S300)는 전압 결정단계(S200)에서 결정된 전압을 알루미늄 공기전지(100)로 인가할 수 있다. 이때, 전압인가시간은 정보 취합단계(S100)에서 정보를 취합하는 시간 간격과 동일하게 변화할 수 있다. 일실시예로, 30분 간격으로 정보가 취합되는 경우, 일정전압을 유지하는 시간 또한 30분 간격으로 설정될 수 있다.In the voltage applying step S300, the voltage determined in the voltage determining step S200 may be applied to the
이상으로 본 발명의 실시 예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보았다.As described above, with reference to the accompanying drawings with respect to an embodiment of the present invention was looked at in detail.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs can make various modifications, changes, and substitutions within the scope not departing from the essential characteristics of the present invention. will be. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention and the accompanying drawings are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments and the accompanying drawings. . The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
100 : 알루미늄 공기전지
200 : 전해질 탱크
210 : 제1 열교환기
220 : 열저장소
230 : 열ㆍ전기 사용자시설
240 : 부산물 탱크
300 : 수소탱크
310 : 수소 저장소
320 : 수소 연료전지
330 : 제2 열교환기
400 : 전력저장소
500 : 제어부
100: aluminum air battery
200: electrolyte tank
210: first heat exchanger
220: heat storage
230: Heat and electricity user facilities
240: by-product tank
300: hydrogen tank
310: hydrogen storage
320: hydrogen fuel cell
330: second heat exchanger
400: power storage
500: control unit
Claims (13)
상기 알루미늄 공기전지로 저온의 전해액을 공급하고 고온의 전해액을 회수하는 전해질 탱크;
상기 전해질 탱크의 고온의 전해액과 열교환을 통해 열저장소로 열을 공급하는 제1 열교환기;
상기 전해질 탱크에서 발생되는 수소를 저장하는 수소탱크;
상기 알루미늄 공기전지에서 발생되는 전력을 저장하는 전력저장소; 및
상기 알루미늄 공기전지에 가해지는 전압을 제어하는 제어부;
를 포함하며,
상기 제어부는 상기 열저장소의 열량 정보, 상기 수소탱크의 수소 압력 및 상기 전력저장소의 전력양의 정보를 취합하여 상기 알루미늄 공기전지에 가해지는 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 공기전지를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 시스템.Aluminum air cells that generate electricity and generate hydrogen and by-products;
An electrolyte tank for supplying a low-temperature electrolyte to the aluminum-air battery and recovering the high-temperature electrolyte;
A first heat exchanger for supplying heat to a heat storage unit through heat exchange with the high temperature electrolyte in the electrolyte tank;
A hydrogen tank for storing hydrogen generated in the electrolyte tank;
A power storage for storing power generated from the aluminum air battery; And
A control unit controlling a voltage applied to the aluminum air battery;
Including,
The control unit controls the voltage applied to the aluminum air battery by collecting information on the amount of heat in the heat storage, the hydrogen pressure of the hydrogen tank, and the amount of power in the power storage, Electric and hydrogen production control system.
상기 전해질 탱크에서 생산되는 수산화알루미늄을 포집하는 부산물탱크;
를 더 포함하는 알루미늄 공기전지를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 시스템.The method of claim 1,
A by-product tank for collecting the aluminum hydroxide produced in the electrolyte tank;
Heat, electricity and hydrogen production control system using an aluminum air cell further comprising a.
상기 수소탱크의 수소를 공급받아 전력을 생산하는 수소연료전지;
를 더 포함하는 알루미늄 공기전지를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 시스템.The method of claim 1,
A hydrogen fuel cell for generating electric power by receiving hydrogen from the hydrogen tank;
Heat, electricity and hydrogen production control system using an aluminum air cell further comprising a.
상기 수소연료전지에서 생산되는 전력은 상기 전력저장소에 저장되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 공기전지를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 시스템.The method of claim 3,
Heat, electricity and hydrogen production control system using an aluminum air battery, characterized in that the power produced by the hydrogen fuel cell is stored in the power storage.
상기 수소연료전지에서 발생되는 열을 열교환을 통해 상기 열보관소로 전달하는 제2 열교환기;
를 포함하는 알루미늄 공기전지를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 시스템.The method of claim 4,
A second heat exchanger transferring heat generated from the hydrogen fuel cell to the heat storage station through heat exchange;
Heat, electricity and hydrogen production control system using an aluminum air cell comprising a.
상기 제어부는 상기 알루미늄 공기전지에서 전압에 따른 열량 발생량과 수소 발생량 및 전력양을 테이블화하여 저장된 전압제어테이블을 구비하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 공기전지를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 시스템.The method of claim 1,
The control unit includes a voltage control table that stores heat generation amount, hydrogen generation amount, and power amount according to voltage in the aluminum air battery.
상기 제어부는 수신된 상기 열량 정보, 상기 수소 압력 및 상기 전력양의 정보를 취합하여 상기 전압제어테이블에서 상기 알루미늄 공기전지에 가할 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 공기전지를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 시스템.The method of claim 6,
The control unit determines a voltage to be applied to the aluminum air battery from the voltage control table by collecting the received information on the amount of heat, the hydrogen pressure, and the amount of power. Production control system.
상기 제어부는 상기 열량 정보, 상기 수소 압력 및 상기 전력양의 정보 중 가장 부족한 것으로 판단되는 정보에 기초하여 상기 알루미늄 공기전지에 가할 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 공기전지를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 시스템.The method of claim 7,
The control unit determines a voltage to be applied to the aluminum air battery based on the information determined to be the least of the heat amount information, the hydrogen pressure, and the power amount information. Production control system.
상기 제어부는 열량이 부족한 것으로 판단되는 경우 0.2~0.4V의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 공기전지를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 시스템.The method of claim 8,
When it is determined that the amount of heat is insufficient, the control unit applies a voltage of 0.2 to 0.4V.
상기 제어부는 수소가 부족하다고 판단되는 경우 1.2~1.4V의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 공기전지를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 시스템.The method of claim 8,
The control unit applies a voltage of 1.2 ~ 1.4V when it is determined that hydrogen is insufficient.
상기 제어부는 전력이 부족하다고 판단되는 경우, 0.6~0.8V의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 공기전지를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 시스템.The method of claim 8,
When it is determined that the power is insufficient, the control unit applies a voltage of 0.6 to 0.8V.
열저장소, 수소탱크 및 전력저장소로부터 요구되는 열량 정보, 수소 압력 및 전력양의 정보를 취합하는 정보 취합단계;
상기 정보 취합단계에서 취합된 정보와 상기 알루미늄 공기전지에서 전압에 따른 열량 발생량과 수소 발생량 및 전력양을 테이블화하여 저장된 전압제어테이블을 비교하여 상기 알루미늄 공기전지에 가할 전압을 결정하는 전압결정단계; 및
상기 전압결정단계에서 결정된 전압을 상기 알루미늄 공기전지에 인가하는 전압인가단계;
를 포함하는 알루미늄 공기전지를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 방법.In the method for controlling the production of heat, electricity and hydrogen generated in an aluminum air battery,
An information collecting step of collecting information on the amount of heat, hydrogen pressure, and amount of power required from the heat storage, hydrogen tank and power storage;
A voltage determining step of determining a voltage to be applied to the aluminum pneumatic battery by comparing the information collected in the information collecting step with a voltage control table stored by tabulating the amount of heat generated according to the voltage in the aluminum air battery, the amount of hydrogen generated, and the amount of power; And
A voltage applying step of applying the voltage determined in the voltage determining step to the aluminum air battery;
Heat, electricity and hydrogen production control method using an aluminum air cell comprising a.
상기 전압결정단계는.
상기 상기 열량 정보, 상기 수소 압력 및 상기 전력양의 정보 중 가장 부족한 것으로 판단되는 정보에 기초하여 상기 알루미늄 공기전지에 가할 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 공기전지를 이용하는 열, 전기 및 수소 생산 제어 방법.The method of claim 12,
The voltage determining step is.
Heat, electricity and hydrogen production control using an aluminum air battery, characterized in that the voltage to be applied to the aluminum air battery is determined based on information determined to be the least of the information on the amount of heat, the hydrogen pressure, and the amount of power Way.
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