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KR102922819B1 - System and Method for producing hydrogen based on composite energy - Google Patents

System and Method for producing hydrogen based on composite energy

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KR102922819B1
KR102922819B1 KR1020230076125A KR20230076125A KR102922819B1 KR 102922819 B1 KR102922819 B1 KR 102922819B1 KR 1020230076125 A KR1020230076125 A KR 1020230076125A KR 20230076125 A KR20230076125 A KR 20230076125A KR 102922819 B1 KR102922819 B1 KR 102922819B1
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hot water
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hydrogen
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오남근
조형민
홍창현
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한국전력공사
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Abstract

태양열 및 태양광 복합 에너지를 활용하여 수소를 생산하는 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템이 제공된다. 상기 복합 에너지 기반 수소 생성 시스템은, 태양 에너지를 수집하여 온수 또는 전기를 생성하는 복합 에너지 블럭, 생성된 상기 온수를 이용하여 수소를 생산하는 수소 생성 블럭, 및 생성된 상기 전기를 저장하거나 공급하는 전기 공급 블럭을 포함하는 것을 특징으로 한다.A hybrid energy-based hydrogen production system that produces hydrogen using solar thermal and solar composite energy is provided. The hybrid energy-based hydrogen production system is characterized by including a hybrid energy block that collects solar energy to generate hot water or electricity, a hydrogen production block that produces hydrogen using the generated hot water, and an electricity supply block that stores or supplies the generated electricity.

Description

복합 에너지 기반 수소 생산 시스템 및 방법{System and Method for producing hydrogen based on composite energy}System and Method for Producing Hydrogen Based on Composite Energy

본 발명은 수소 생산 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 태양열 집열기에서 생산되는 열을 이용하여 전해질의 온도를 높이고, 태양광 모듈에서 생산되는 전력을 이용하여 물을 전기분해하는 방식으로, 태양에너지를 최대 활용하여 효율적으로 수소를 생산하는 시스템 및 방법에 대한 것이다.The present invention relates to a hydrogen production technology, and more specifically, to a system and method for efficiently producing hydrogen by maximizing solar energy by increasing the temperature of an electrolyte using heat produced from a solar thermal collector and electrolyzing water using electricity produced from a solar module.

오늘날 국제적인 유가 급등 문제 및/또는 기후 변화로 인해 에너지 공급 안정성 및 환경 문제에 대한 관심이 고조되고 있으며, 이를 해결하기 위해 대체 에너지에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다. Today, due to the global oil price surge and/or climate change, concerns about energy supply stability and environmental issues are increasing, and research and development on alternative energy sources are actively being conducted to address these issues.

최근에는 여러 대체 에너지들 중에서도 특히, 지속 가능하고 친환경적인 에너지원인 수소 에너지가 크게 주목받고 있다. 수소 에너지는 연소시 부산물로 물만 발생하는 친환경적인 에너지로, 발전기 및 연료전지 등을 통해 열 및 전기를 생산하는데 활용될 수 있다. Among various alternative energy sources, hydrogen energy, a sustainable and environmentally friendly energy source, has recently been attracting significant attention. Hydrogen energy is an environmentally friendly energy source that produces only water as a byproduct when burned. It can be used to generate heat and electricity through generators and fuel cells.

기존에는 화석연료를 이용해 개질하는 방식으로 수소를 생산해왔으나, 최근에는 생산 과정에서 CO2를 발생시키지 않는 전기분해 방식을 이용하려 하고 있다. 그러나 전기분해 방식을 이용한 수소 생산은 비용이 비싸다는 단점이 존재한다.Traditionally, hydrogen has been produced by reforming fossil fuels, but recent efforts are shifting to electrolysis, which does not produce CO2 during the production process. However, hydrogen production using electrolysis has the disadvantage of being expensive.

수소 생산 단가를 결정하는 요소로는 전기 가격, 에너지 효율, 설비 운영시간, 생산량 등 여러 가지가 존재한다. 따라서, 수소 생산 단가를 낮추기 위해서는 값싼 전기 사용, 에너지 효율화, 설비 대규모화 등의 방법이 필요하다. There are several factors that determine the unit cost of hydrogen production, including electricity prices, energy efficiency, facility operating hours, and production volume. Therefore, lowering the unit cost of hydrogen production requires methods such as using cheaper electricity, improving energy efficiency, and expanding facilities.

이전부터 수전해 설비를 재생 에너지와 연계하는 방법이 크게 부각되어 왔으며, 그 중에서도 가장 고도화 보급이 잘 된 태양광을 위주로 연구 및 개발되고 있다. 수전해 설비를 태양광 발전과 연계시, 전력 수요와도 연계될 수 있어서, 전력 공급의 안정성도 높일 수 있다.The integration of electrolysis facilities with renewable energy sources has been a significant area of research and development, particularly with solar power, which is the most advanced and widely deployed energy source. Linking electrolysis facilities to solar power generation allows for a seamless connection with electricity demand, thereby enhancing the stability of the power supply.

최근 태양광 발전 모듈의 가격이 저렴해지고 설치 비용도 감소하면서, 태양광 발전이 상용화되어 가정용 및 상업용 발전 시설에도 많이 사용되고 있다. As the price of solar power generation modules has decreased and installation costs have decreased, solar power generation has become commercialized and is being widely used in both residential and commercial power generation facilities.

그러나, 태양광 발전 모듈은 전기를 생산하는 과정에서 열을 발생시켜 자체 온도를 상승시키기 때문에 전기생산 효율이 일정 수준 이상 올라가지 못하는 단점이 존재한다. 태양광 발전용 셀의 온도가 지나치게 상승 시 셀의 성능과 내구성 등에 영향을 미치게 되고, 전기 변환 효율이 감소하게 된다.However, solar power modules generate heat during the electricity generation process, increasing their temperature. This causes their power generation efficiency to remain limited. Excessive temperature rises in solar cells can affect their performance and durability, reducing their power conversion efficiency.

태양 에너지를 활용하는 기술로는 태양광 발전 이외에도 태양열을 이용하는 기술이 존재한다. 태양열의 경우 태양 복사열을 흡수하여 온수를 생산하는 기술로, 광보다는 열을 활용한다. 태양광과 마찬가지로 태양열의 경우에도, 장시간 태양에 노출되면 과열되어 내부 파손 및 제기능을 못하는 단점이 존재한다.In addition to solar power generation, solar thermal technology also exists. Solar thermal technology absorbs solar radiation to produce hot water, utilizing heat rather than light. Like solar energy, solar thermal technology also suffers from the disadvantage of overheating when exposed to sunlight for extended periods, leading to internal damage and malfunction.

이러한 배경에서 태양광과 태양열을 동시에 이용하여 서로의 단점을 상호보완할 수 있도록 하는 태양열 및 태양광 복합 발전 장치가 개발되어 사용되고 있다.Against this backdrop, solar thermal and solar power generation devices that utilize both solar energy and solar heat simultaneously to complement each other's shortcomings are being developed and used.

하기 특허문헌 1("대한민국등록특허번호 제10-1331623호(등록일자: 2013년11월14일)"에는, 태양열 집열기 상부에 태양광 모듈이 위치한 태양열 태양광 복합장치의 구조가 기재되어 있다. 상기 태양광 모듈은 별도의 동력장치의 작동으로 레일을 따라 수평 이동시켜 집열기 일부를 태양에 노출시키거나 차단하는 것을 특징으로 한다.The following patent document 1 (“Republic of Korea Patent No. 10-1331623 (Registration date: November 14, 2013)” describes the structure of a solar thermal photovoltaic composite device in which a solar module is positioned above a solar thermal collector. The solar module is characterized in that it moves horizontally along a rail by the operation of a separate power device to expose or block a portion of the solar thermal collector to the sun.

하기 특허문헌 2("대한민국등록특허번호 제10-2088791호(등록일자: 2020년03월09일)")에는, 태양열 축열장치 표면에 박막형 태양전지로 이루어진 가림막을 전개시키는 태양열 태양광 복합장치의 구조가 기재되어 있다. 상기 가림막은 별도의 동력장치의 작동으로 원통형으로 감기거나 전개되어 축열장치 일부를 태양에 노출시키거나 차단하는 것을 특징으로 한다.The following patent document 2 (“Republic of Korea Patent No. 10-2088791 (Registration Date: March 9, 2020)”) describes the structure of a solar thermal photovoltaic composite device that deploys a shield made of thin-film solar cells on the surface of a solar thermal storage device. The shield is characterized in that it is rolled or deployed into a cylindrical shape by the operation of a separate power device to expose or block a portion of the thermal storage device to the sun.

하기 특허문헌 3("대한민국등록특허번호 제10-2088791호(등록일자: 2020년03월09일)")에는, 태양열과 태양광을 이용한 수소 발생 장치가 기재되어 있다. 상기 수소 발생 장치는 각각 태양광 집광모듈, 태양열 집열모듈이 각각 별도로 설치되어 있으며, 태양광을 통해 전기를 공급받고 태양열을 통해 냉각수에서 수소를 해리한다. 상기 수소 발생 장치는 전기분해 이후 물과 수소가 혼합된 상태에 열을 가해 수소를 분리하는 방식이다.The following patent document 3 (“Republic of Korea Patent No. 10-2088791 (Registration Date: March 9, 2020)”) describes a hydrogen generation device using solar heat and solar energy. The hydrogen generation device includes a solar light collection module and a solar heat collection module installed separately, and receives electricity through solar energy and dissociates hydrogen from coolant through solar heat. The hydrogen generation device separates hydrogen by applying heat to a mixture of water and hydrogen after electrolysis.

따라서, 물을 가열시켜 전해조에 공급하는 형태로 열을 이용하는 방식이 요구되고 있다.Therefore, a method of utilizing heat by heating water and supplying it to an electrolytic cell is required.

1. 대한민국등록특허번호 제10-1331623호(등록일자: 2013년11월14일)1. Republic of Korea Patent No. 10-1331623 (Registration date: November 14, 2013) 2. 대한민국등록특허번호 제10-2088791호(등록일자: 2020년03월09일)2. Republic of Korea Patent No. 10-2088791 (Registration date: March 9, 2020) 3. 대한민국등록특허번호 제10-2088791호(등록일자: 2020년03월09일)3. Republic of Korea Patent No. 10-2088791 (Registration date: March 9, 2020)

본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 태양열 및 태양광 복합 에너지를 활용하여 수소를 생산하는 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the problems according to the above background technology, and its purpose is to provide a hybrid energy-based hydrogen production system and method that produces hydrogen by utilizing solar thermal and solar photovoltaic composite energy.

또한, 본 발명은 태양광은 전기를 생산하는데 이용하고, 태양열은 전기분해 설비에서 열교환 기능을 이용하여 에너지 효율이 높은 수소를 생산할 수 있는 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.In addition, another purpose of the present invention is to provide a hybrid energy-based hydrogen production system and method capable of producing hydrogen with high energy efficiency by utilizing solar energy to produce electricity and solar heat to use the heat exchange function in an electrolysis facility.

본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 태양열 및 태양광 복합 에너지를 활용하여 수소를 생산하는 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템을 제공한다.In order to achieve the task presented above, the present invention provides a hybrid energy-based hydrogen production system that produces hydrogen by utilizing solar thermal and solar photovoltaic composite energy.

상기 복합 에너지 기반 수소 생성 시스템은, The above complex energy-based hydrogen production system is,

태양 에너지를 수집하여 온수 또는 전기를 생성하는 복합 에너지 블럭;A composite energy block that collects solar energy to generate hot water or electricity;

생성된 상기 온수를 이용하여 수소를 생산하는 수소 생성 블럭; 및 A hydrogen generation block that produces hydrogen using the generated hot water; and

생성된 상기 전기를 저장하거나 공급하는 전기 공급 블럭;을 포함하는 것을 특징으로 한다.It is characterized by including an electric supply block that stores or supplies the generated electricity.

또한, 상기 복합 에너지 블럭은, 상기 태양 에너지중 태양광을 집광하여 전기를 생성하는 태양광 집광부; 상기 태양 에너지중 태양열을 집광 축열하여 온수를 생성하는 태양열 집열부; 및 생성된 상기 온수를 저장하는 제 1 축열 탱크;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the composite energy block is characterized by including a solar collector that collects sunlight among the solar energy to generate electricity; a solar heat collector that collects and stores solar heat among the solar energy to generate hot water; and a first heat storage tank that stores the generated hot water.

또한, 상기 복합 에너지 블럭은, 상기 제 1 축열 탱크의 온수 수위를 측정하는 제 1 수위 센서; 및 상기 제 1 축열 탱크의 온수 온도를 측정하는 제 1 온도 센서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the composite energy block is characterized by including a first water level sensor for measuring the hot water level of the first storage tank; and a first temperature sensor for measuring the hot water temperature of the first storage tank.

또한, 상기 제 1 축열 탱크는 내부에 추가적인 가열을 위해 코일이 설치되는 것을 특징으로 한다.Additionally, the first storage tank is characterized in that a coil is installed inside for additional heating.

또한, 운전 조건별 필요 에너지량에 따라 상기 태양광 집광부와 상기 태양열 집열부가 태양에 노출되는 면적을 유동적으로 변동시킬 수 있다.In addition, the area exposed to the sun by the solar collector and the solar thermal collector can be dynamically changed according to the amount of energy required for each driving condition.

또한, 상기 수소 생성 블럭은, 상기 온수로부터 산소(O2)와 수소(H2)를 생성하는 전해조; 물과 산소를 분리하는 제 1 기액 분리기; 물과 수소를 분리하는 제 2 기액 분리기; 및 생성된 상기 수소를 저장하는 수소 저장 탱크;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the hydrogen generation block is characterized by including an electrolytic cell that generates oxygen (O 2 ) and hydrogen (H 2 ) from the hot water; a first gas-liquid separator that separates water and oxygen; a second gas-liquid separator that separates water and hydrogen; and a hydrogen storage tank that stores the generated hydrogen.

또한, 상기 제 1 및 제 2 기액 분리기에서 기체와 분리된 물은 기액 분리기 물 회수 제어 밸브의 조작에 의해 상기 제 1 축열 탱크로 회수되는 것을 특징으로 한다.In addition, the water separated from the gas in the first and second gas-liquid separators is characterized in that it is recovered to the first storage tank by operation of the gas-liquid separator water recovery control valve.

또한, 상기 시스템은, 생산된 상기 수소를 이용하여 전기를 생성하고, 생성된 상기 전기를 전기 공급 블럭에 공급하는 수소 연료 전지;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the system is characterized by including a hydrogen fuel cell that generates electricity using the produced hydrogen and supplies the generated electricity to an electricity supply block.

또한, 상기 전해조는 PEM(Polymer Electrolyte Membrane, 고분자전해질막) 수전해 기반 전해조인 것을 특징으로 한다.In addition, the electrolytic cell is characterized by being a PEM (Polymer Electrolyte Membrane) water electrolysis-based electrolytic cell.

또한, 상기 수소 생성 블럭은, 분리된 상기 수소를 정제하는 수소 정제기; 및 상기 정제된 수소에서 물기를 제어하여 순수 수소를 생성하는 드라이어;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the hydrogen generation block is characterized by including a hydrogen purifier that purifies the separated hydrogen; and a dryer that controls moisture in the purified hydrogen to generate pure hydrogen.

또한, 상기 수소 생성 블럭은, 분리된 산소를 대기중으로 배출시키는 화염 방지기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the hydrogen generation block is characterized by including a flame arrestor that discharges separated oxygen into the atmosphere.

또한, 상기 시스템은, 상기 수소 생성 블럭이 가동하지 않거나 상기 복합 에너지 블럭의 태양열 집열부에서 필요 이상의 열에너지를 수용할 경우, 열에너지를 저장하는 열저장 블럭;을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the system is characterized by including a heat storage block that stores heat energy when the hydrogen generation block is not operating or the solar collector of the composite energy block receives more heat energy than necessary.

또한, 온수를 상기 복합 에너지 블럭에 순환 공급하거나, 상기 열저장 블럭에 상기 열에너지를 전송하는 물 순환 공급 블럭;을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, it is characterized by including a water circulation supply block that circulates and supplies hot water to the complex energy block or transmits the heat energy to the heat storage block.

또한, 상기 물 순환 공급 블럭은, 온수를 상기 복합 에너지 블럭 내부로 유입시키는 보일러 온수 제어밸브; 온수 라인 제어를 위한 온수 라인 제어 밸브; 온수를 순환 펌핑하는 순환 펌프; 및 상기 전해조에 온수를 공급하는 전해조 물 공급 제어밸브; 및 상기 제 1 축열 탱크로 유입 또는 유출되는 온수량을 제어하는 제 1 축열 탱크 제어 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the water circulation supply block is characterized by including a boiler hot water control valve for introducing hot water into the complex energy block; a hot water line control valve for controlling a hot water line; a circulation pump for circulating and pumping hot water; and an electrolytic tank water supply control valve for supplying hot water to the electrolytic tank; and a first storage tank control valve for controlling the amount of hot water flowing into or out of the first storage tank.

또한, 상기 열저장 블럭은, 상기 열에너지를 저장하는 제 2 축열 탱크; 상기 제 2 축열 탱크 내 저장된 온수의 온도를 측정하는 제 2 온도 센서; 상기 제 2 축열 탱크의 저장된 온수의 수위를 체크하는 제 2 수위 센서; 및 상기 제 2 축열 탱크에 저장된 온수의 온도 유지가 필요할 경우 또는 기타 용도로 외부로 배수하기 위한 제 2 축열 탱크 드레인 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the heat storage block is characterized by including: a second heat storage tank for storing the heat energy; a second temperature sensor for measuring the temperature of hot water stored in the second heat storage tank; a second water level sensor for checking the water level of the hot water stored in the second heat storage tank; and a second heat storage tank drain valve for draining hot water stored in the second heat storage tank to the outside when it is necessary to maintain the temperature of the hot water or for other purposes.

또한, 상기 시스템은, 용수를 공급하거나 온수를 보조적으로 가열하는 용수 공급 블럭;을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the system is characterized by including a water supply block that supplies water or auxiliary heats hot water.

또한, 상기 보조 용수 공급 블럭은, 온수 또는 난방 공급 용도로 활용되며, 온수를 상기 복합 에너지 블럭에 공급하는 보일러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the auxiliary water supply block is characterized by including a boiler that is used for hot water or heating supply and supplies hot water to the complex energy block.

또한, 상기 시스템은, 상기 복합 에너지 블럭에 불순물 및 이온을 제거한 용수를 공급하는 정수기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the system is characterized by including a water purifier that supplies water from which impurities and ions have been removed to the complex energy block.

또한, 상기 전기 공급 블럭은, 상기 복합 에너지 블럭에서 생성된 전기를 저장하거나 상기 수소 연료 전지(140)에 의해 생성된 전기를 저장하는 배터리; 저장된 전기를 DC 전원으로 변환하여 상기 전해조에 공급하는 DC/DC(Direct Current/Direct Current) 전력 변환기; 및 저장된 전기를 AC 전원으로 변환하여 외부에 공급하는 DC/AC(Direct Current/Alternating Current) 전력 변환기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the power supply block is characterized by including a battery that stores electricity generated in the complex energy block or electricity generated by the hydrogen fuel cell (140); a DC/DC (Direct Current/Direct Current) power converter that converts the stored electricity into DC power and supplies it to the electrolyzer; and a DC/AC (Direct Current/Alternating Current) power converter that converts the stored electricity into AC power and supplies it to the outside.

다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 복합 에너지 블럭이 태양 에너지를 수집하여 온수 또는 전기를 생성하는 단계; (b) 수소 생성 블럭이 생성된 상기 온수를 이용하여 수소를 생산하는 단계; 및 (c) 전기 공급 블럭이 생성된 상기 전기를 저장하거나 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 에너지 기반 수소 생산 방법을 제공한다.On the other hand, another embodiment of the present invention provides a method for producing hydrogen based on composite energy, characterized in that it comprises: (a) a step in which a composite energy block collects solar energy to produce hot water or electricity; (b) a step in which a hydrogen production block produces hydrogen using the produced hot water; and (c) a step in which an electricity supply block stores or supplies the produced electricity.

본 발명에 따르면, 태양 에너지를 최대한으로 활용하여 효율적으로 수소 생산을 할 수 있다. According to the present invention, hydrogen can be produced efficiently by maximizing solar energy.

또한, 본 발명의 다른 효과로서는 수소 생산에 필요한 전력은 태양광 발전으로부터 사용해 전력 구매 비용을 줄이고, 설비 가동에 필요한 열에너지는 태양열을 활용해 에너지 코스트 및 설비 운영 비용을 줄여 기존 방식보다 낮은 수소 생산 단가를 기대할 수 있어 경제적인 측면에서 효과적이다는 점을 들 수 있다.In addition, another effect of the present invention is that the electricity required for hydrogen production is used from solar power generation, thereby reducing the cost of purchasing electricity, and the heat energy required for facility operation is used from solar heat, thereby reducing energy costs and facility operation costs, and thus lower hydrogen production costs can be expected than with existing methods, making it economically effective.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 일조량이 많은 낮 시간대에 필요 전력 또는 열보다 초과 수급될 경우, 전기 에너지는 배터리에 저장하고, 열에너지는 축열조에 저장하여 일조량이 적은 시간대에 부족한 전력과 열을 보충하여 수소를 생산할 수 있는 장점을 지닌다는 점을 들 수 있다.In addition, another effect of the present invention is that when the supply of electricity or heat exceeds the required amount during the daytime when there is a lot of sunlight, the electric energy is stored in a battery and the heat energy is stored in a thermal storage tank, thereby supplementing the insufficient electricity and heat during the time when there is little sunlight, thereby producing hydrogen.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 가정 또는 빌딩에서의 전력망과 난방 및 온수 공급망과 연계되어, 수소 생산 설비를 가동하지 않을 경우에 배터리에 저장된 전기 에너지는 전력 수요가 필요한 곳에 공급할 수 있으며, 축열조에 저장된 열에너지는 난방 및 온수 공급에 사용될 수 있어 범용성을 지니고 있다는 점을 들 수 있다.In addition, another effect of the present invention is that it is connected to the power grid and heating and hot water supply network in a home or building, so that when the hydrogen production facility is not in operation, the electric energy stored in the battery can be supplied to a place where power demand is needed, and the thermal energy stored in the storage tank can be used for heating and hot water supply, so that it has universality.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 가정 또는 빌딩에서의 발전용 연료전지와 연계되어, 생산한 수소를 연료전지에 투입하여 필요시, 전력을 추가적으로 생산하고 공급할 수 있다는 점을 들 수 있다.In addition, another effect of the present invention is that, in conjunction with a fuel cell for power generation in a home or building, the produced hydrogen can be fed into the fuel cell to additionally produce and supply electricity when necessary.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 에너지 및 열에너지를 활용하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광을 이용하여 수소를 생산하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 일반적인 셀 전압과 전류 밀도간의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 5는 일반적인 활성화 과전압과 전류 밀도간의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 6은 일반적인 오믹 과전압과 전류 밀도간의 관계를 보여주는 그래프이다.
FIG. 1 is a conceptual diagram of a composite energy-based hydrogen production system according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 is a flowchart showing a process of utilizing electric energy and thermal energy according to one embodiment of the present invention.
Figure 3 is a flowchart showing a process of producing hydrogen using solar energy according to one embodiment of the present invention.
Figure 4 is a graph showing the relationship between typical cell voltage and current density.
Figure 5 is a graph showing the relationship between typical activation overvoltage and current density.
Figure 6 is a graph showing the relationship between typical ohmic overvoltage and current density.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention is susceptible to various modifications and embodiments. Specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, but rather to encompass all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and technical scope of the present invention.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.When describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components.

제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. The terms "first," "second," etc. may be used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are used solely to distinguish one component from another.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.For example, without departing from the scope of the present invention, a first component could be referred to as a second component, and similarly, a second component could also be referred to as a first component. The term "and/or" includes any combination of a plurality of related listed items or any one of a plurality of related listed items.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted to have a meaning consistent with their meaning in the context of the relevant technology, and should not be interpreted in an idealized or overly formal sense unless expressly defined in this application.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a composite energy-based hydrogen production system and method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템(100)의 개념도이다. 도 1을 참조하면, 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템(100)은, 태양 에너지를 수집하여 온수 또는 전기를 생성하는 복합 에너지 블럭(110), 온수를 이용하여 수소를 생산하는 수소 생성 블럭(120), 온수를 보조적으로 가열하는 용수 공급 블럭(130), 생산된 수소를 이용하여 전기를 생성하는 수소 연료 전지(140), 생성된 전기를 저장하거나 공급하는 전기 공급 블럭(150), 물을 복합 에너지 블럭(110)에 순환 공급하는 물 순환 공급 블럭(160), 열을 저장하는 열저장 블럭(170) 등을 포함하여 구성될 수 있다.FIG. 1 is a conceptual diagram of a complex energy-based hydrogen production system (100) according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the complex energy-based hydrogen production system (100) may be configured to include a complex energy block (110) that collects solar energy to generate hot water or electricity, a hydrogen production block (120) that produces hydrogen using hot water, a water supply block (130) that auxiliary heats the hot water, a hydrogen fuel cell (140) that generates electricity using the produced hydrogen, an electricity supply block (150) that stores or supplies the generated electricity, a water circulation supply block (160) that circulates and supplies water to the complex energy block (110), a heat storage block (170) that stores heat, etc.

복합 에너지 블럭(110)은 태양광을 집광하여 전기를 생성하는 태양광 집광부(112), 태양열을 집광 축열하여 온수를 생성하는 태양열 집열부(113), 생성된 온수를 저장하는 제 1 축열 탱크(114), 제 1 축열 탱크(114)의 온수 수위를 측정하는 제 1 수위 센서(115), 제 1 축열 탱크(114)의 온수 온도를 측정하는 제 1 온도 센서(116) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 물론, 수소 생성 블럭(120)으로부터 물을 회수하는 기액 분리기 물 회수 제어 밸브(117)를 포함할 수 있다.The composite energy block (110) may be configured to include a solar collector (112) that collects sunlight to generate electricity, a solar thermal collector (113) that collects and stores solar heat to generate hot water, a first thermal storage tank (114) that stores the generated hot water, a first water level sensor (115) that measures the hot water level of the first thermal storage tank (114), a first temperature sensor (116) that measures the hot water temperature of the first thermal storage tank (114), etc. Of course, it may include a gas-liquid separator water recovery control valve (117) that recovers water from the hydrogen generation block (120).

태양열 집열부(113)는 태양광을 전기로 변환하는 태양광 모듈(미도시)을 포함할 수 있다. 태양광 모듈(미도시)은 광을 전기 에너지로 변환하는 태양전지를 포함한다. The solar collector (113) may include a solar module (not shown) that converts sunlight into electricity. The solar module (not shown) includes a solar cell that converts light into electrical energy.

태양광 집광부(112) 및/또는 태양열 집열부(113)는 시스템 운전 조건별 필요 에너지량에 따라 태양에 노출되는 면적을 유동적으로 변동시킬 수 있다. 태양광 집광부는 태양열 집열부 상부에 위치하여, 태양에 직접적으로 노출된 태양광 집광부의 면적을 줄이면 태양열 집열부가 태양에 노출되는 면적이 넓어지게 된다. The solar collector (112) and/or solar thermal collector (113) can dynamically change the area exposed to the sun according to the amount of energy required for each system operating condition. The solar collector is located above the solar thermal collector, so that by reducing the area of the solar collector directly exposed to the sun, the area of the solar thermal collector exposed to the sun increases.

평면형 패널은 상하 또는 좌우 방향의 일정 각도가 적용된 슬라이딩 방식으로, 박막형 패널은 폴딩 또는 롤링 방식으로 태양광 집광부 면적을 조절하여 태양에 노출되는 태양열 집광부의 면적을 조절할 수 있다. Flat panels can adjust the area of the solar collector exposed to the sun by sliding at a certain angle in the up-down or left-right direction, and thin-film panels can adjust the area of the solar collector exposed to the sun by folding or rolling.

이 때, 각 방식은 기어를 조작하여 태양광 집광부 면적을 조절할 수 있다. 시스템 운전에 요구되는 필요에너지를 사전 분석하고 발전 상황을 모니터링하여 전력 수급이 필요한 경우에는 태양광 집광부를 최대한 노출시키고, 전력 과잉 공급 또는 열교환에 필요한 열에너지가 부족한 경우에는 태양광 집광부 노출 면적을 줄이고 태양열 집열부의 노출 면적을 늘림으로써 에너지 수요 및 공급 상황에 따라 유연하게 운전할 수 있다.At this time, each method can adjust the area of the solar collector by manipulating the gear. The energy required for system operation can be preliminarily analyzed and power generation status can be monitored. When power supply is required, the solar collector area can be exposed as much as possible. When power is oversupplied or the thermal energy required for heat exchange is insufficient, the exposed area of the solar collector area can be reduced and the exposed area of the solar thermal collector area can be increased, allowing flexible operation according to energy demand and supply.

제 1 축열 탱크(114)는 제 1 수위 센서(115)가 구비되어 저장된 물이 일정 수위 아래로 떨어지게 되면 물을 공급받게 된다. 또한, 제 1 온도 센서(116)가 구비되어 제 1 축열 탱크(114) 내 저장된 온수의 온도가 측정되며, 온수 온도가 설정 온도까지 도달하지 못할 경우에 제 1 축열 탱크(114) 내에 구비된 코일을 통해 추가적으로 가열된다. 태양열에 의해 가열된 물은 물 순환 펌프(160)의 순환 펌프(168)의 동작 및 제 1 축열 탱크 제어 밸브(167)의 조작을 통해 순환된다. The first storage tank (114) is equipped with a first water level sensor (115) so that water is supplied when the stored water falls below a certain level. In addition, the first temperature sensor (116) is equipped so that the temperature of the hot water stored in the first storage tank (114) is measured, and if the hot water temperature does not reach the set temperature, it is additionally heated through a coil equipped in the first storage tank (114). The water heated by solar heat is circulated through the operation of the circulation pump (168) of the water circulation pump (160) and the operation of the first storage tank control valve (167).

제 1 축열 탱크(114)에 저장된 온수는 수소 생산을 위해 전해조 물 공급 제어밸브(169)의 조작에 의해 수소 생성 블럭(120)으로 공급될 수 있다.Hot water stored in the first storage tank (114) can be supplied to the hydrogen generation block (120) by operating the electrolytic cell water supply control valve (169) for hydrogen production.

수소 생성 블럭(120)은 온수로부터 산소(O2)와 수소(H2)를 생성하는 전해조(123), 물과 산소를 분리하는 제 1 기액 분리기(124), 물과 수소를 분리하는 제 2 기액 분리기(126), 수소를 정제하는 수소 정제기(128), 정제된 수소에서 물기를 제어하여 순도 높은 순수 수소를 생성하는 드라이어(129), 생성된 수소를 저장하는 수소 저장 탱크(122) 등을 포함하여 구성될 수 있다. The hydrogen generation block (120) may be configured to include an electrolytic cell (123) that generates oxygen (O 2 ) and hydrogen (H 2 ) from hot water, a first gas-liquid separator (124) that separates water and oxygen, a second gas-liquid separator (126) that separates water and hydrogen, a hydrogen purifier (128) that purifies hydrogen, a dryer (129) that controls moisture in purified hydrogen to generate high-purity pure hydrogen, and a hydrogen storage tank (122) that stores the generated hydrogen.

수소 생성 블럭(120)의 전해조(123)는 배터리(151)에 저장된 전기를 이용해 공급된 온수를 전기분해하여 산소(O2)와 수소(H2)를 생산하게 된다. The electrolytic cell (123) of the hydrogen generation block (120) electrolyzes the supplied hot water using electricity stored in the battery (151) to produce oxygen (O 2 ) and hydrogen (H 2 ).

이때, 공급되는 전력은 DC/DC 전력 변환기(152-1)를 통해 전해조(123)의 운전 전압대에 맞춰 변환된다. 전해조(123)는 PEM 수전해 기반의 전해조가 이용될 수 있다. At this time, the supplied power is converted to match the operating voltage range of the electrolyzer (123) through a DC/DC power converter (152-1). The electrolyzer (123) may be a PEM water electrolysis-based electrolyzer.

강염기성 전해질을 기반으로 전기분해하는 알칼라인 수전해의 경우, 설비 및 배관 부식 문제가 존재하며 온수 및 난방으로 사용될 수 없어 전해조(123)는 순수를 기반으로 전기분해하는 PEM(Polymer Electrolyte Membrane, 고분자전해질막) 수전해를 기반으로 한다.In the case of alkaline water electrolysis based on a strong basic electrolyte, there are problems with corrosion of equipment and pipes and it cannot be used for hot water and heating, so the electrolytic cell (123) is based on PEM (Polymer Electrolyte Membrane) water electrolysis based on pure water.

전해조(123)에서 생산되는 산소 기체는 제 1 기액 분리기(124)로 이송되어 물과 분리되며, 분리된 산소 기체는 화염 방지기(125)를 거쳐 대기중으로 배출된다. 한편, 전해조(123)에서 생상되는 수소 기체는 제 2 기액 분리기(126)로 이송되어 물과 분리되며, 분리된 산소 기체는 수소 정제기(128) 및 드라이어(129)를 거치면서 순도가 높아지게 된다. 즉, 순수 수소 가스가 된다.The oxygen gas produced in the electrolytic cell (123) is transferred to the first gas-liquid separator (124) and separated from water, and the separated oxygen gas is discharged into the atmosphere through the flame arrestor (125). Meanwhile, the hydrogen gas produced in the electrolytic cell (123) is transferred to the second gas-liquid separator (126) and separated from water, and the separated oxygen gas is passed through the hydrogen purifier (128) and the dryer (129) to increase its purity. In other words, it becomes pure hydrogen gas.

각각의 기액 분리기(124,126)에서 기체와 분리된 물은 기액 분리기 물 회수 제어 밸브(117)의 조작에 의해 제 1 축열 탱크(114)로 회수된다. 정제된 수소 가스는 수소 저장 탱크(122)에 저장된다.The water separated from the gas in each gas-liquid separator (124, 126) is recovered to the first storage tank (114) by operation of the gas-liquid separator water recovery control valve (117). The purified hydrogen gas is stored in the hydrogen storage tank (122).

저장된 수소 가스는 수소 연료 전지(140)에 투입되어 태양광 발전량이 부족한 시간대에 추가적으로 전력을 생산할 수 있으며, 생산된 전기는 DC/DC 전력 변환기(11)를 통해 배터리(10)에 저장될 수 있다.The stored hydrogen gas can be fed into a hydrogen fuel cell (140) to produce additional electricity during times when solar power generation is insufficient, and the produced electricity can be stored in a battery (10) through a DC/DC power converter (11).

생산된 전기는 필요시 DC/AC(Direct Current/Alternating Current) 전력 변환기(152-2)를 통해 수요처로 송전될 수 있다. 또한, 저장된 수소 가스는 필요 시 수송되어 활용할 수 있다.The generated electricity can be transmitted to the demand source via a DC/AC (Direct Current/Alternating Current) power converter (152-2) when needed. Additionally, the stored hydrogen gas can be transported and utilized when needed.

전기 공급 블럭(150)은 복합 에너지 블럭(110)에서 생성된 전기를 저장하거나 수소 연료 전지(140)에 의해 생성된 전기를 배터리(151)에 저장하고, 이를 DC/DC(Direct Current/Direct Current) 전력 변환기(152-1) 및/또는 DC/AC(Direct Current/Alternating Current) 전력 변환기(152-2)를 이용하여 DC 전원 또는 AC 전원으로 변환하여 공급한다.The power supply block (150) stores electricity generated from the composite energy block (110) or stores electricity generated by the hydrogen fuel cell (140) in a battery (151), and converts it into DC power or AC power using a DC/DC (Direct Current/Direct Current) power converter (152-1) and/or a DC/AC (Direct Current/Alternating Current) power converter (152-2) and supplies it.

배터리(151)는 배터리 셀(미도시)이 직렬 및/또는 병렬로 구성되며, 이 배터리 셀은 니켈 메탈 배터리 셀, 리튬 이온 배터리 셀, 리튬 폴리머 배터리 셀, 리튬황 배터리셀, 나트륨황 배터리 셀, 전고체 배터리 셀 등의 고전압 배터리 셀이 될 수 있다. 일반적으로 고전압 배터리는 전기 차량 등을 움직이는 동력원으로 사용하는 배터리로서 100V 이상의 고전압을 말한다. 그러나, 이에 한정되지는 않으며, 저전압 배터리도 가능하다. The battery (151) is composed of battery cells (not shown) arranged in series and/or in parallel, and the battery cells may be high-voltage battery cells such as nickel metal battery cells, lithium ion battery cells, lithium polymer battery cells, lithium sulfur battery cells, sodium sulfur battery cells, and all-solid-state battery cells. In general, a high-voltage battery is a battery used as a power source for moving electric vehicles, etc., and refers to a high voltage of 100 V or higher. However, the present invention is not limited thereto, and low-voltage batteries are also possible.

DC/DC(Direct Current/Direct Current) 전력 변환기(152-1)는 승압 또는 강압을 통해 전해조(123) 및/또는 수소 연료 전지(140)에 전원을 공급하는 기능을 수행한다.The DC/DC (Direct Current/Direct Current) power converter (152-1) performs the function of supplying power to the electrolyzer (123) and/or the hydrogen fuel cell (140) through step-up or step-down.

물 순환 공급 블럭(160)은 물을 복합 에너지 블럭(110)에 순환 공급하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 물 순환 공급 블럭(160)은, 용수 공급 블럭(130)에서 만들어진 온수를 복합 에너지 블럭(110) 내부로 유입시키는 보일러 온수 제어밸브(161), 온수 라인 제어를 위한 제 1 온수 라인 제어 밸브(163), 온수 라인 제어를 위한 제 2 온수 라인 제어 밸브(164), 온수를 순환 펌핑하는 순환 펌프(168), 전해조에 온수를 공급하는 전해조 물 공급 제어밸브(169), 제 1 축열 탱크(114)로 유입 또는 유출되는 온수량을 제어하는 제 1 축열 탱크 제어 밸브(167) 등을 포함하여 구성될 수 있다.The water circulation supply block (160) performs the function of circulating and supplying water to the composite energy block (110). To this end, the water circulation supply block (160) may be configured to include a boiler hot water control valve (161) that introduces hot water produced in the water supply block (130) into the composite energy block (110), a first hot water line control valve (163) for controlling the hot water line, a second hot water line control valve (164) for controlling the hot water line, a circulation pump (168) for circulating and pumping hot water, an electrolytic cell water supply control valve (169) for supplying hot water to the electrolytic cell, and a first storage tank control valve (167) for controlling the amount of hot water flowing into or out of the first storage tank (114).

수소 생성 블럭(120)이 가동하지 않거나 복합 에너지 블럭(110)의 태양열 집열부(113)에서 필요 이상의 열에너지를 수용할 경우, 열에너지를 열저장 블럭(170)에 저장할 수 있다. 온수는 제 1 온수 라인 제어 밸브(163)를 통해 열저장 블럭(170)으로 이송될 수 있다. 공급된 온수는 제 2 축열 탱크 온수 제어밸브(176)를 통해 제 2 축열 탱크(171)로 이송되어 저장된다. When the hydrogen generation block (120) is not operating or the solar collector (113) of the composite energy block (110) receives more heat energy than necessary, the heat energy can be stored in the heat storage block (170). Hot water can be transferred to the heat storage block (170) through the first hot water line control valve (163). The supplied hot water is transferred to the second heat storage tank (171) through the second heat storage tank hot water control valve (176) and stored there.

제 2 축열 탱크(171)에는 제 2 수위 센서(179)가 구비되어 저장된 물이 일정 수위 아래로 떨어지게 되면 제 2 축열 탱크 저온수 제어밸브(177)의 조작을 통해 물을 공급받게 된다. 또한, 제 2 온도 센서(178)가 구비되어 제 2 축열 탱크(171) 내 저장된 온수의 온도가 측정된다. 제 2 축열 탱크(171)에 저장된 물의 온도 유지가 필요할 경우 또는 기타 용도로 제 2 축열 탱크 드레인 밸브(175)를 통해 외부로 배수될 수 있다.The second storage tank (171) is equipped with a second water level sensor (179), and when the stored water falls below a certain level, water is supplied through the operation of the second storage tank low-temperature water control valve (177). In addition, a second temperature sensor (178) is equipped, and the temperature of the hot water stored in the second storage tank (171) is measured. When it is necessary to maintain the temperature of the water stored in the second storage tank (171) or for other purposes, the water can be drained to the outside through the second storage tank drain valve (175).

용수를 공급하거나 온수를 보조적으로 가열하는 보조 용수 공급 블럭(130)이 구성된다. 전체 시스템 내부에서 이용되는 물은 외부에서 용수 공급 제어밸브(181)의 조작을 통해 유입된다. 또한, 유입된 용수는 정수기(180)를 거치며 불순물 및/또는 이온이 제거되며, 정수기 제어 밸브(136)의 조작을 통해 시스템 내부로 이송된다.An auxiliary water supply block (130) is configured to supply water or auxiliary heat hot water. Water used within the entire system is introduced from the outside by operating a water supply control valve (181). In addition, the introduced water passes through a water purifier (180) to remove impurities and/or ions, and is then transferred into the system by operating a water purifier control valve (136).

보조 용수 공급 블럭(130)은 온수 또는 난방 공급 용도로 활용하기 위해 외부 공급 또는 난방 이후, 회수된 온수를 보조적으로 가열하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 용수 공급 블럭(130)은 보일러(138), 히터(132), 각종 밸브(131,133,134,135,136,137,139) 등을 포함하여 구성될 수 있다.The auxiliary water supply block (130) performs the function of auxiliary heating of recovered hot water after external supply or heating for use in hot water or heating supply. To this end, the water supply block (130) may be configured to include a boiler (138), a heater (132), various valves (131, 133, 134, 135, 136, 137, 139), etc.

외부 공급 또는 난방 이후, 회수된 온수는 저온수 공급 제어밸브(137)에 의해 보일러(138)으로 이송되어 보조적으로 가열될 수 있다. After external supply or heating, the recovered hot water can be transferred to the boiler (138) by the low-temperature water supply control valve (137) and heated auxiliary.

보일러(138)는 온수의 온도를 일정 온도로 컨트롤하거나 일조량이 적은 겨울철 또는 밤 시간대에 온수 또는 난방 공급 용도로 활용될 수 있다. 또한, 겨울철 배관 동파를 방지하는데 사용될 수 있다. 이때, 물은 저온수 공급 제어밸브(137) 조작을 통해 보일러(138)에 공급되며, 보일러(138)에서 만들어진 온수는 보일러 온수 제어밸브(139)의 조작을 통해 시스템 내부로 이송된다.The boiler (138) can be used to control the temperature of hot water to a certain level or to supply hot water or heating during winter or at night when there is little sunlight. It can also be used to prevent pipes from freezing during winter. At this time, water is supplied to the boiler (138) by operating the low-temperature water supply control valve (137), and the hot water produced in the boiler (138) is transferred into the system by operating the boiler hot water control valve (139).

히터(132)는 에너지가 공급되어 열을 발생시키는 장치로, 해당 부분은 히터 자체보다는 온수가 공급되는 가정/건물의 난방 또는 열에너지 필요 개소이다.A heater (132) is a device that generates heat by supplying energy, and the part is a heating or heat energy-requiring part of a home/building to which hot water is supplied rather than the heater itself.

히터(132)의 전단에는 히터용 용수 공급 제어 밸브(135)가, 후단에는 히터용 용수 배출 제어 밸브(131)가 설치된다. A heater water supply control valve (135) is installed at the front end of the heater (132), and a heater water discharge control valve (131) is installed at the rear end.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 에너지 및 열에너지를 활용하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 2를 참조하면, 태양열이 집열됨에 따라 태양열을 이용하여 온수를 생산한다(단계 S210,S220).Figure 2 is a flowchart illustrating a process for utilizing electrical energy and thermal energy according to one embodiment of the present invention. Referring to Figure 2, hot water is produced using solar heat as solar heat is collected (steps S210 and S220).

이후 태양열 집열부(113)에 의해 열이 집열됨에 따라 제 1 축열 탱크(114)에 축열된 온수가 저장되어 온수를 공급하거나 난방을 수행한다(단계 S221,S223,S225). 물론, 난방이후, 물을 회수하여 온수를 생산하는데 이용된다(단계 S227).Afterwards, as heat is collected by the solar collector (113), the accumulated hot water is stored in the first storage tank (114) to supply hot water or perform heating (steps S221, S223, S225). Of course, after heating, the water is recovered and used to produce hot water (step S227).

한편, 온수가 생산됨에 따라 수소 생성 블럭(120)에서 전기 분해를 수행하여 산소,수소와 기액을 분리하고 산소를 방출한다(단계 S230,S240,S250).Meanwhile, as hot water is produced, electrolysis is performed in the hydrogen generation block (120) to separate oxygen, hydrogen, and gaseous liquid and release oxygen (steps S230, S240, S250).

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광을 이용하여 수소를 생산하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 복합 에너지 블럭(110)의 태양광 집광부(112)에서 태양광 집광이 이루어진다(단계 S310).Figure 3 is a flowchart illustrating a process for producing hydrogen using solar energy according to one embodiment of the present invention. Referring to Figure 3, solar energy is collected in a solar collector (112) of a composite energy block (110) (step S310).

태양광 집광부(112)는 이러한 태양광 집광에 의해 전기를 생산하고, 이를 전기 공급 블럭(150)에 저장한다(단계 S320). The solar collector (112) produces electricity by collecting solar light and stores it in the electricity supply block (150) (step S320).

전기 공급 블럭(150)은 전기를 외부에 공급한다(단계 S321).The power supply block (150) supplies electricity to the outside (step S321).

물론, 전기 공급 블럭(150)은 수소 생성 블럭(120)의 전해조(123)에도 전기를 공급함으로써 전기 분해가 실행된다(단계 S330).Of course, the electric supply block (150) also supplies electricity to the electrolytic cell (123) of the hydrogen generation block (120), thereby executing electrolysis (step S330).

전기 분해에 의해 산소와 수소가 생성되며, 산소, 수소와 기액을 분리한다(단계 S340).Oxygen and hydrogen are generated by electrolysis, and oxygen, hydrogen, and gas/liquid are separated (step S340).

이후, 수소를 정제하고, 건조하여 순수 수소를 저장한다(단계 S350,S360,S370).Afterwards, hydrogen is purified and dried to store pure hydrogen (steps S350, S360, S370).

이후, 수소 연료 전지(140)에서 수소를 활용하여 전기를 생산한다(단계 S380,S311). Afterwards, electricity is produced by utilizing hydrogen in a hydrogen fuel cell (140) (steps S380, S311).

도 4는 일반적인 셀 전압과 전류 밀도간의 관계를 보여주는 그래프이다. 일반적으로, 수전해에서, 물에 담긴 전극에 전압을 인가하게 되면 전극 계면과 물 사이에서 전기화학 반응이 일어난다. Figure 4 is a graph showing the relationship between typical cell voltage and current density. Typically, in water electrolysis, when voltage is applied to an electrode immersed in water, an electrochemical reaction occurs between the electrode interface and the water.

이론적으로는 약 1.23V에서부터 물이 분해되기 시작하지만, 실제로는 1.23V보다 더 높은 전압에서 물이 분해된다. 이는 과전압(Overpotential) 및 각종 저항 때문으로, 수전해 분야에서는 과전압 및 저항의 수치를 더 낮추기 위한 연구가 진행 중이다. Theoretically, water decomposition begins at approximately 1.23 V, but in practice, it occurs at voltages higher than 1.23 V. This is due to overpotential and various resistances, and research is ongoing in the field of water electrolysis to further reduce these values.

도 4에 도시된 바와 같이, 동일 전압에서 물의 온도가 높아질수록 전류밀도가 상승하게 되는 것을 확인할 수 있다. 이는 과전압과 저항은 물의 온도가 높아질 수록 감소하기 때문이다. 이를 보여주는 도면이 도 5 및 도 6이다.As shown in Figure 4, it can be confirmed that the current density increases as the water temperature increases at the same voltage. This is because the overvoltage and resistance decrease as the water temperature increases. Figures 5 and 6 illustrate this.

도 5는 일반적인 활성화 과전압과 전류 밀도간의 관계를 보여주는 그래프이고, 도 6은 일반적인 오믹 과전압과 전류 밀도간의 관계를 보여주는 그래프이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 과전압과 저항은 물의 온도가 높아질 수록 감소되는 것을 볼 수 있다.Figure 5 is a graph showing the relationship between a typical activation overvoltage and current density, and Figure 6 is a graph showing the relationship between a typical ohmic overvoltage and current density. Referring to Figures 5 and 6, it can be seen that the overvoltage and resistance decrease as the water temperature increases.

해당 현상은 알칼라인 수전해와 더불어 PEM 수전해 및 그 외 모든 수전해에서 동일하게 나타난다. 즉, 같은 면적에서 전류가 더 많이 흐를수록 수소 발생량이 증가한다.This phenomenon is the same in alkaline electrolysis, PEM electrolysis, and all other electrolysis methods. That is, the more current flows through the same area, the more hydrogen is generated.

100: 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템
110: 복합 에너지 블럭
112: 태양광 집광부 113: 태양열 집열부
114: 제 1 축열 탱크 115: 제 1 수위 센서
116: 제 2 온도 센서
120: 수소 생성 블럭
122: 수소 저장 탱크 123: 전해조
124: 제 1 기액 분리기 126: 제 2 기액 분리기
130: 보조 용수 공급 블럭
132: 히터 138: 보일러
140: 수소 연료 전지
150: 전기 공급 블럭
151: 배터리
152-1: DC/DC(Direct Current/Direct Current) 전력 변환기
152-2: DC/AC(Direct Current/Alternating Current) 전력 변환기
160: 물 순환 공급 블럭
161: 보일러 온수 제어 밸브
163,164: 제 1 및 제 2 온수 라인 제어 밸브
167: 제 1 축열 탱크 제어 밸브
168: 순환 펌프 169: 전해조 물 공급 제어 밸브
170: 열저장 블럭
171: 제 2 축열 탱크 175: 제 2 축열 탱크 드레인 밸브
180: 정수기
100: Hybrid Energy-Based Hydrogen Production System
110: Composite Energy Block
112: Solar collector 113: Solar thermal collector
114: First storage tank 115: First water level sensor
116: Second temperature sensor
120: Hydrogen Generation Block
122: Hydrogen storage tank 123: Electrolyzer
124: First gas-liquid separator 126: Second gas-liquid separator
130: Auxiliary water supply block
132: Heater 138: Boiler
140: Hydrogen fuel cell
150: Power supply block
151: Battery
152-1: DC/DC (Direct Current/Direct Current) Power Converter
152-2: DC/AC (Direct Current/Alternating Current) Power Converter
160: Water circulation supply block
161: Boiler hot water control valve
163,164: First and second hot water line control valves
167: First storage tank control valve
168: Circulation pump 169: Electrolyzer water supply control valve
170: Heat storage block
171: Second storage tank 175: Second storage tank drain valve
180: Water purifier

Claims (19)

◈청구항 1은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 1 was waived upon payment of the registration fee.◈ 태양 에너지를 수집하여 온수 또는 전기를 생성하는 복합 에너지 블럭(110);
생성된 상기 온수를 이용하여 수소를 생산하는 수소 생성 블럭(120); 및
생성된 상기 전기를 저장하거나 공급하는 전기 공급 블럭(150);을 포함하며,
상기 복합 에너지 블럭(110)은,
상기 태양 에너지중 태양광을 집광하여 전기를 생성하는 태양광 집광부(112);
상기 태양 에너지중 태양열을 집광 축열하여 온수를 생성하는 태양열 집열부(113); 및
생성된 상기 온수를 저장하는 제 1 축열 탱크(114);를 포함하며,
상기 제 1 축열 탱크(114)는 내부에 추가적인 가열을 위해 코일이 설치되며, 운전 조건별 필요 에너지량에 따라 상기 태양광 집광부(112)와 상기 태양열 집열부(113)가 태양에 노출되는 면적을 유동적으로 변동시키는 것을 특징으로 하는 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템.
A composite energy block (110) that collects solar energy to generate hot water or electricity;
A hydrogen generation block (120) that produces hydrogen using the generated hot water; and
It includes an electric supply block (150) that stores or supplies the generated electricity;
The above complex energy block (110) is
A solar collector (112) that collects sunlight from the above solar energy to generate electricity;
A solar collector (113) that collects and stores solar heat from the above solar energy to generate hot water; and
It includes a first storage tank (114) for storing the generated hot water;
A composite energy-based hydrogen production system characterized in that the first storage tank (114) has a coil installed inside for additional heating, and the solar collector (112) and the solar heat collector (113) dynamically change the area exposed to the sun according to the amount of energy required for each operating condition.
삭제delete ◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 3 was waived upon payment of the registration fee.◈ 제 1 항에 있어서,
상기 복합 에너지 블럭(110)은,
상기 제 1 축열 탱크(114)의 온수 수위를 측정하는 제 1 수위 센서(115); 및
상기 제 1 축열 탱크(114)의 온수 온도를 측정하는 제 1 온도 센서(116);를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템.
In the first paragraph,
The above complex energy block (110) is
A first water level sensor (115) for measuring the hot water level of the first storage tank (114); and
A composite energy-based hydrogen production system, characterized by including a first temperature sensor (116) for measuring the temperature of hot water in the first storage tank (114).
삭제delete ◈청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 5 was waived upon payment of the registration fee.◈ 제 1 항에 있어서,
상기 수소 생성 블럭(120)은,
상기 온수로부터 산소(O2)와 수소(H2)를 생성하는 전해조(123);
물과 산소를 분리하는 제 1 기액 분리기(124);
물과 수소를 분리하는 제 2 기액 분리기(126); 및
생성된 상기 수소를 저장하는 수소 저장 탱크(122);를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템.
In the first paragraph,
The above hydrogen generation block (120) is
An electrolytic cell (123) that produces oxygen (O 2 ) and hydrogen (H 2 ) from the above hot water;
A first gas-liquid separator (124) that separates water and oxygen;
A second gas-liquid separator (126) for separating water and hydrogen; and
A composite energy-based hydrogen production system characterized by including a hydrogen storage tank (122) for storing the generated hydrogen.
◈청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 6 was waived upon payment of the registration fee.◈ 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 기액 분리기(124,126)에서 기체와 분리된 물은 기액 분리기 물 회수 제어 밸브(117)의 조작에 의해 상기 제 1 축열 탱크(114)로 회수되는 것을 특징으로 하는 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템.
In paragraph 5,
A composite energy-based hydrogen production system, characterized in that the water separated from the gas in the first and second gas-liquid separators (124, 126) is recovered to the first storage tank (114) by operation of the gas-liquid separator water recovery control valve (117).
◈청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 7 was waived upon payment of the registration fee.◈ 제 5 항에 있어서,
생산된 상기 수소를 이용하여 전기를 생성하고, 생성된 상기 전기를 전기 공급 블럭(150)에 공급하는 수소 연료 전지(140);를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템.
In paragraph 5,
A composite energy-based hydrogen production system characterized by including a hydrogen fuel cell (140) that generates electricity using the produced hydrogen and supplies the generated electricity to an electricity supply block (150).
◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 8 was waived upon payment of the registration fee.◈ 제 5 항에 있어서,
상기 전해조(123)는 PEM(Polymer Electrolyte Membrane, 고분자전해질막) 수전해 기반 전해조인 것을 특징으로 하는 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템.
In paragraph 5,
A composite energy-based hydrogen production system characterized in that the above electrolytic cell (123) is a PEM (Polymer Electrolyte Membrane) water electrolysis-based electrolytic cell.
◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 9 was waived upon payment of the registration fee.◈ 제 5 항에 있어서,
상기 수소 생성 블럭(120)은,
분리된 상기 수소를 정제하는 수소 정제기(128); 및
상기 정제된 수소에서 물기를 제어하여 순수 수소를 생성하는 드라이어(129);를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템.
In paragraph 5,
The above hydrogen generation block (120) is
A hydrogen purifier (128) for purifying the separated hydrogen; and
A composite energy-based hydrogen production system characterized by including a dryer (129) for controlling moisture in the purified hydrogen to produce pure hydrogen.
◈청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 10 was waived upon payment of the registration fee.◈ 제 5 항에 있어서,
분리된 산소를 대기중으로 배출시키는 화염 방지기(125);를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템.
In paragraph 5,
A composite energy-based hydrogen production system characterized by including a flame arrestor (125) that discharges separated oxygen into the atmosphere.
◈청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 11 was waived upon payment of the registration fee.◈ 제 5 항에 있어서,
상기 수소 생성 블럭(120)이 가동하지 않거나 상기 복합 에너지 블럭(110)의 태양열 집열부(113)에서 필요 이상의 열에너지를 수용할 경우, 열에너지를 저장하는 열저장 블럭(170);을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템.
In paragraph 5,
A composite energy-based hydrogen production system characterized by including a heat storage block (170) that stores heat energy when the hydrogen generation block (120) is not in operation or when the solar heat collector (113) of the composite energy block (110) receives more heat energy than necessary.
◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 12 was waived upon payment of the registration fee.◈ 제 11 항에 있어서,
온수를 상기 복합 에너지 블럭(110)에 순환 공급하거나, 상기 열저장 블럭(170)에 상기 열에너지를 전송하는 물 순환 공급 블럭(160);을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템.
In paragraph 11,
A complex energy-based hydrogen production system characterized by including a water circulation supply block (160) that circulates and supplies hot water to the complex energy block (110) or transmits the heat energy to the heat storage block (170).
◈청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 13 was waived upon payment of the registration fee.◈ 제 12 항에 있어서,
상기 물 순환 공급 블럭(160)은,
온수를 상기 복합 에너지 블럭(110) 내부로 유입시키는 보일러 온수 제어밸브(161);
온수 라인 제어를 위한 온수 라인 제어 밸브(163,164);
온수를 순환 펌핑하는 순환 펌프(168); 및
상기 전해조(123)에 온수를 공급하는 전해조 물 공급 제어밸브(169); 및
상기 제 1 축열 탱크(114)로 유입 또는 유출되는 온수량을 제어하는 제 1 축열 탱크 제어 밸브(167);를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템.
In paragraph 12,
The above water circulation supply block (160) is
A boiler hot water control valve (161) that introduces hot water into the above-mentioned complex energy block (110);
Hot water line control valve (163,164) for hot water line control;
A circulation pump (168) for circulating hot water; and
An electrolytic cell water supply control valve (169) that supplies hot water to the electrolytic cell (123); and
A composite energy-based hydrogen production system, characterized by including a first storage tank control valve (167) that controls the amount of hot water flowing into or out of the first storage tank (114).
◈청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 14 was waived upon payment of the registration fee.◈ 제 12 항에 있어서,
상기 열저장 블럭(170)은,
상기 열에너지를 저장하는 제 2 축열 탱크(171);
상기 제 2 축열 탱크(171) 내 저장된 온수의 온도를 측정하는 제 2 온도 센서(178);
상기 제 2 축열 탱크(171)의 저장된 온수의 수위를 체크하는 제 2 수위 센서(179); 및
상기 제 2 축열 탱크(171)에 저장된 온수의 온도 유지가 필요할 경우 또는 기타 용도로 외부로 배수하기 위한 제 2 축열 탱크 드레인 밸브(175);를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템.
In paragraph 12,
The above heat storage block (170) is
A second storage tank (171) for storing the above thermal energy;
A second temperature sensor (178) that measures the temperature of hot water stored in the second storage tank (171);
A second water level sensor (179) that checks the water level of the stored hot water in the second storage tank (171); and
A composite energy-based hydrogen production system characterized by including a second storage tank drain valve (175) for draining hot water stored in the second storage tank (171) to the outside when it is necessary to maintain the temperature or for other purposes.
◈청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 15 was waived upon payment of the registration fee.◈ 제 1 항에 있어서,
용수를 공급하거나 온수를 보조적으로 가열하는 용수 공급 블럭(130);을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템.
In the first paragraph,
A composite energy-based hydrogen production system characterized by including a water supply block (130) for supplying water or auxiliary heating of hot water.
◈청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 16 was waived upon payment of the registration fee.◈ 제 15 항에 있어서,
상기 보조 용수 공급 블럭(130)은,
온수 또는 난방 공급 용도로 활용되며, 온수를 상기 복합 에너지 블럭(110)에 공급하는 보일러(138);를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템.
In paragraph 15,
The above auxiliary water supply block (130) is
A complex energy-based hydrogen production system, characterized in that it comprises a boiler (138) for supplying hot water or heating and supplying hot water to the complex energy block (110).
◈청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 17 was waived upon payment of the registration fee.◈ 제 1 항에 있어서,
상기 복합 에너지 블럭(110)에 불순물 및 이온을 제거한 용수를 공급하는 정수기(180);를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템.
In the first paragraph,
A complex energy-based hydrogen production system characterized by including a water purifier (180) that supplies water from which impurities and ions have been removed to the complex energy block (110).
◈청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 18 was waived upon payment of the registration fee.◈ 제 7 항에 있어서,
상기 전기 공급 블럭(150)은,
상기 복합 에너지 블럭(110)에서 생성된 전기를 저장하거나 상기 수소 연료 전지(140)에 의해 생성된 전기를 저장하는 배터리(151);
저장된 전기를 DC 전원으로 변환하여 상기 전해조(123)에 공급하는 DC/DC(Direct Current/Direct Current) 전력 변환기(152-1); 및
저장된 전기를 AC 전원으로 변환하여 외부에 공급하는 DC/AC(Direct Current/Alternating Current) 전력 변환기(152-2);를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 에너지 기반 수소 생산 시스템.
In paragraph 7,
The above electric supply block (150) is
A battery (151) that stores electricity generated from the above complex energy block (110) or electricity generated by the above hydrogen fuel cell (140);
A DC/DC (Direct Current/Direct Current) power converter (152-1) that converts stored electricity into DC power and supplies it to the electrolytic cell (123); and
A composite energy-based hydrogen production system characterized by including a DC/AC (Direct Current/Alternating Current) power converter (152-2) that converts stored electricity into AC power and supplies it to the outside.
(a) 복합 에너지 블럭(110)이 태양 에너지를 수집하여 온수 또는 전기를 생성하는 단계;
(b) 수소 생성 블럭(120)이 생성된 상기 온수를 이용하여 수소를 생산하는 단계; 및
(c) 전기 공급 블럭(150)이 생성된 상기 전기를 저장하거나 공급하는 단계;를 포함하며,
상기 복합 에너지 블럭(110)은,
상기 태양 에너지중 태양광을 집광하여 전기를 생성하는 태양광 집광부(112);
상기 태양 에너지중 태양열을 집광 축열하여 온수를 생성하는 태양열 집열부(113); 및
생성된 상기 온수를 저장하는 제 1 축열 탱크(114);를 포함하며,
상기 제 1 축열 탱크(114)는 내부에 추가적인 가열을 위해 코일이 설치되며, 운전 조건별 필요 에너지량에 따라 상기 태양광 집광부(112)와 상기 태양열 집열부(113)가 태양에 노출되는 면적을 유동적으로 변동시키는 것을 특징으로 하는 복합 에너지 기반 수소 생산 방법.
(a) A step in which a composite energy block (110) collects solar energy to generate hot water or electricity;
(b) a step of producing hydrogen using the hot water generated by the hydrogen generation block (120); and
(c) a step of storing or supplying the generated electricity by the electric supply block (150);
The above complex energy block (110) is
A solar collector (112) that collects sunlight from the above solar energy to generate electricity;
A solar collector (113) that collects and stores solar heat from the above solar energy to generate hot water; and
It includes a first storage tank (114) for storing the generated hot water;
A composite energy-based hydrogen production method characterized in that the first storage tank (114) has a coil installed inside for additional heating, and the solar collector (112) and the solar heat collector (113) dynamically change the area exposed to the sun according to the amount of energy required for each operating condition.
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