KR101782637B1 - 전류가 가시화되어 양적 측정이 가능한 쌍극전극 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쌍극전극 내부를 흐르는 전류를 가시화하여 양적 측정이 가능하도록 하는 쌍극전극 어셈블리, 이를 사용한 전기화학전지 및 전기화학전지 관리시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부 전원에 연결되지 않는 서로 이웃하는 전극; 상기 전극 사이에 삽입되어 전극 사이를 차폐시키는 부도체막; 상기 부도체막에 의해 차폐된 전극을 연결하는 전류계 또는 전류센서가 구비된 전극연결회로;를 포함하는 쌍극전극 어셈블리를 이용하여 전기화학전지를 구성하는 것이다.
본 발명에 따르면 쌍극전극을 내부를 흐르는 전류를 가시화한 전류 정보로부터 전해부산물의 생성속도, 전극의 전류밀도, 전해부산물의 누적생산량의 등에 대한 실시간 모니터링이 가능해지고, 전류가 가시화된 쌍극전극을 통한 전류와 셀 전압 그리고 전극의 전류밀도가 실시간으로 측정됨으로써, 전기화학전지 시설의 전력 효율의 실시간 정보가 유용해지는 효과가 있다. 또한, 전류가 가시화된 쌍극전극으로 구성된 전기화학전지로부터 수집된 실시간 데이터에 기초하여 전기화학전지 시스템을 총체적으로 관리하는 전기화학전지 관리시스템은 태양광 발전, 풍력발전 등의 재생에너지원으로부터의 전력을 고효율로 수소 생산에 적용하도록 하고, 전력망이나 스마트 그리드 시스템(smart grid system)과 연동되어 전력수요에 따라 작동 셀 수나 모듈 수를 탄력적으로 조절함으로 전력망 운영자가 전해조를 실시간 조절 가능한 부하로 작동함으로서 근본적으로 효용 없이 낭비되어 사라지는 소산성(dissipative) 운전예비전력의 효용을 창출하고, 전력망이 가변 재생에너지원으로부터의 과잉전력을 병목현상 없이 수용하여 수소를 생산함으로 전력발전부문과 수송연료부문의 탈탄소화(decarbonization)를 촉진하고 수소연료전지차의 보편화를 촉진할 수 있다.

Description

전류가 가시화되어 양적 측정이 가능한 쌍극전극 어셈블리{Electrode assemblies visualizing internal electric currents in bipolar electrodes}

본 발명은 쌍극전극 내부를 흐르는 전류를 가시화하여 양적 측정이 가능하도록 하는 쌍극전극 어셈블리, 이를 사용한 전기화학전지 및 전기화학전지 관리시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 쌍극전극 내부를 흐르는 전류를 전류계 또는 전류센서를 통해 가시화하여 양적 측정이 가능토록 함으로써, 전기화학전지의 효율을 극대화하는 것이다.

물의 전기분해를 통하여 수소를 생산하기 위한 전해조(electrolyzer)의 설계는 단극전극(unipolar electrode)을 사용하는 방법과 쌍극전극(bipolar electrode)을 사용하는 방법의 두 종류로 나뉜다.

먼저, 단극전극으로 구성된 전해조는, 전해조 내에 양극전극과 음극전극이 번갈아 배열되어 탱크형태(tank type)의 전해조로도 호칭된다. 쌍극전극 전해조에 있어서는 물리적으로 전원에 연결되지 않은 금속판(쌍극전극)이 셀과 셀을 전기적으로 연결한다.

상기 단극전극으로 구성된 전해조에 있어서, 전체 전해조에 적용된 전압은 각각의 셀에 적용된 전압과 같다. 또한, 단극전극 전해조는 전극의 배치가 단순하기에 전해장치의 제작과 유지 보수가 용이한 장점이 있으나, 작동시 저전압 고전류가 요구되어 저항 손실(Ohmic losses)이 큰 것이 단점으로 지적된다.

쌍극전극으로 구성된 전해조는, 전원에 연결된 양극과 음극 두 전극 사이에 전원에 연결되지 않은 단수 혹은 다수의 전극이 삽입된 형태로서, 전원에 연결되지 않은 금속 전극들은 전원에 연결된 양극과 음극에 의해 형성된 전계(electric field)에 의해서 전극의 양면이 양과 음의 쌍극을 가지도록 내부적 전자분포가 유도되어 전극의 양면에서 산화 환원의 서로 상이한 전기화학 반응이 일어난다.

상기 쌍극전극으로 구성된 전해조에 있어서, 전체 전해조에 적용된 총 전압은 각 단위 셀 전압의 합이 된다. 이러한 전극배치는 전기화학 셀을 모듈화(modularize)할 수 있도록 하여, 단극 설계에 있어서보다 더 높은 전압과 더 낮은 전류로 작동하는 장점이 있다. 이러한 쌍극전극 전해조는 단극전극 전해조에 비해 단위 셀 간의 밀폐 문제와 함께 설계가 복잡하고, 전해질의 누출의 위험이 크다는 문제가 있으나, 그럼에도 불구하고 전력효율이 높다는 이유로 산업에서 선호되고 있다.

쌍극전극 전해조의 작동원리는 전계 이론(electric field theory)과 전기화학(electrochemistry) 이론으로 설명되며, 상기 전계 이론에 의하면, 벡터의 성질을 가지는 전기력선(electric field line)은 양극전극의 표면에서 표면에 대해서 수직으로 발생되고 전기력선 밀도는 전계(electric field)의 세기에 관련된다. 전계에 노출된 도체 내의 자유전자는 적용된 전계를 따라서 쉽게 이동한다. 그 결과, 전계에 노출된 도체는 전자분포가 쌍극 분포를 가지도록 양면이 쌍극화되어 쌍극전극을 형성하게 된다. 그리고 전계에 노출되어 전하가 정전기적으로 평형상태에 있는 도체는 양극과 마주하는 표면에 높은 전자 밀도를 가지게 되고, 양극과 마주하는 쌍극전극의 표면에서 적용된 전압에 의해서 생성된 양이온의 환원으로 전자가 제거되면, 이 정전기적 평형상태는 무너지고, 전극은 다른 편의 전극표면으로부터 음이온의 산화를 통하여 전자가 공급되어야 할 필요가 야기된다.

그 결과, 전자는 전극의 한쪽 표면에서 다른 쪽 표면으로 전극의 내부를 통하여 흐르게 된다. 그리고 이런 이유로 전해조에 적용된 쌍극전극은 전원에 연결되지 않았음에도 한쪽 표면에서는 수소를 다른 쪽 표면에서는 산소를 생성하게 되는 것이다.

즉, 전해조의 양극과 음극 사이에 삽입된 전극들은, 양극과 마주하는 전극(cathode) 표면은 전자 밀도가 높아질 것이고, 이는 적용된 전계(electric field)에 의해서 전기적으로 중성인 평형상태에서 전극의 캐소드 쪽 표면에서 양이온이 환원됨으로 말미암아 전체적으로 전자빈곤상태 (electron hungry state) 즉, 전기적으로 양인 상태에 이르게 될 것이다. 이러한 전자빈곤상태는 반대편 전극(anode) 표면에서의 음이온의 산화를 통하여 생성된 전자가 전극 내부를 통하여 캐소드 쪽 표면으로 이동함으로 전기적 회로가 완성된다. 즉, 전극의 애노드 쪽 표면은 외부에서 적용된 전계에 의해서 전자 도너(doner) 혹은 전자 소스(source)로 작용하고 캐소드 쪽 표면은 전자수용(electron acceptor) 전극 혹은 전자 싱크(sink) 전극으로 작동하게 되는 것이다. 또한, 복수의 전극이 사용된 전기화학 셀에 있어서, 음이온 산화를 통하여 캐소드에 전자를 공급하는 애노드 쪽의 표면은 전기적으로 양인 상태이므로 연속적으로 마주 대하는 전극 표면에 전기력선을 발산하여 전자빈곤상태를 야기하게 되므로, 이들 전극들은 전원에 직접 연결되지 않았음에도 전극의 양면에서의 양이온의 환원 및 음이온의 산화 반응을 통하여 서로 다른 전해 생성물을 생성하게 된다.

또한, 전기화학 이론에 따르면 전해질은 전자에 대해서는 부도체이고 이온에 대해서는 도체이다. 전원에 연결된 음극 전극에서 한 개의 전자는 한 개의 수소이온(H+)을 환원시킨다. 전원에 연결된 양극과 음극 그리고 그 사이에 한 개의 쌍극전극이 삽입된 전해조에 있어서 전원으로부터의 1 패러데이(96500 쿨롬)의 전류는 음극과 쌍극전극의 캐소드에서 각 1몰씩 총 2몰의 수소(H)를 생성한다. 즉, 같은 양의 전류가 제공되었을 때 양극과 음극 그리고 한 개의 쌍극전극으로 구성된 전기화학전지는 전류경제상 단극 전극으로 구성된 셀에 있어서보다 2배의 수소가 생산된다는 것이다.

전력 에너지 측면에서, 전기분해에 사용된 전력과 수소생산량과의 관계는 전력 효율에 직접적으로 관계됨으로 매우 중요하다. 산업적 알칼라인(alkaline) 전기분해 장치의 설계에는 단극전극 전해조와 쌍극전극 전해조에 있어서 보통 2.0 ∼2.2V의 셀 전압을 적용하는 것으로 알려졌다. 쌍극전극으로 구성된 전해조에 있어서 전원에서 적용되는 전압은 전해질의 농도, 온도, 압력, 전극의 표면조건 그리고 사용된 분리막(separator or diaphragm)이나 박막(membrane)에 따라 다르겠으나 보통 2.2 x (n-1) 볼트의 전압을 적용하는 것으로 알려졌다. 여기서 n은 적용된 양극과 음극 그리고 쌍극전극을 포함하는 전극의 총 숫자를 의미한다. 단극전극으로 구성된 전해조와 양극과 음극 그리고 한 개의 쌍극전극으로 구성된 전해조에 있어서의 전력소모를 비교하기 위하여, 만일 단극전극 배열의 장치에 2.2볼트를 적용했다면 쌍극 전극배열의 설비에 있어서의 전극 수는 총 3개임으로 적용되어야 할 전압은 4.4 볼트가 될 것이다. 만일, 같은 전류량이 두 전해조에 적용되었다면, 쌍극전극으로 구성된 전기분해장치는 단극전극에 비해서 두 배의 전력을 소모할 것이다. 즉, 쌍극전극 전해조는 전류경제상으로는 2배의 수소를 생산하는 대신에 두 배의 전력을 소모한다는 것이다.

따라서, 여러 단점에도 불구하고 산업현장에서는 쌍극전극 전해조가 선호되는 바, 상기 쌍극전극은 전류가 전극의 한쪽 표면에서 다른 쪽 표면으로 내부를 통해서 흐르기 때문에, 전극 내부를 흐르는 전류는 가시화되어 양적으로 측정될 수 없다. 따라서, 전극의 작동 상태를 모니터링하고 진단할 수 없어, 전해생성물의 실시간 생성속도나 실시간 효율 측정이 실현될 수 없었다. 쌍극전극 내부를 흐르는 전류량이 유용하지 않아서 실시간 전력효율을 측정할 수 없었기에, 관련 산업은 전해 결과물을 기초로 역으로 효율을 계산해 온 것이 발견된다. 즉, "고위발열량(HHV)/1 kg 의 수소를 생산하는데 소모된 에너지"로 전기 분해의 전력효율을 계산해 온 것이 발견된다.

그러나 쌍극전극 내부를 흐르는 전류를 가시화하여 양적으로 측정할 수 있다면, 이는 모듈 내의 쌍극전극들로부터 발생되는 수소와 산소의 발생속도의 실시간 측정과 함께 누적 생산량 그리고 전극의 전류밀도(current density)를 계산할 수 있게 될 것이고, 또 실시간으로 전력효율을 계산할 수 있게 될 것이며 전극의 작동상태를 모니터하고 진단할 수 있게 될 것이다. 따라서, 이러한 점을 고려하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

한편, 평판형태의 쌍극전극을 사용한 전기화학 셀에 있어서 전극 간의 평형도는 셀 전압과 전류에 심각한 영향을 미치며, 쌍극전극으로 구성된 전기화학 셀에 있어서는 전극의 평형도와 함께 셀 간의 전해질의 누수 역시 전지의 전체적 성능과 전력효율에 심각한 영향을 미친다. 즉, 전극 간의 평형도와 셀 간의 전해질의 누수가 전력효율에 심각한 영향을 미침으로 전극 간의 최상의 평형도와 셀 간의 완전한 밀폐(seal)가 추구되어야 한다.

이를 더욱 상세히 설명하면, 애노드 쪽 양극액(anolyte)과 캐소드쪽 음극액(catholyte) 간에는 양이온과 음이온의 농도차가 존재할 것이다. 이러한 농도 차는 언제나 양이온과 음이온의 교차확산(cross-diffusion) 현상의 주요한 원동력(driving force)이고 교차확산의 결과는 양이온과 음이온의 재결합이므로 쌍극전극을 중심으로 이웃하는 셀의 음극액과 양극액은 물리적으로 완벽하게 밀폐되어야 한다. 이온의 확산뿐 아니고 전계를 따른 이온의 이동은 다니엘 전지의 염다리(salt bridge) 현상에서 확연히 입증된다. 따라서 전류가 가시화된 쌍극전극으로 구성된 전기화학전지에서도 양극액과 이웃하는 셀의 음극액 간에는 완벽한 밀폐 수단이 적용되어야 한다. 쌍극전극으로 구성된 전기분해설비는 전해액 공급펌프로 전해질을 공급하고 때로 생성기포의 제거를 촉진하기 위하여 전해액(electrolyte)을 순환시킨다. 따라서 전해액 공급관 혹은 순환 회로를 통한 농도 차에 의한 이온의 교차확산과 염다리 현상을 방지할 수 있는 효과적 수단을 필요로 한다.

또한, 셀 설계에서 전극의 평형도와 함께 고려되어야 할 바는 물의 전기분해에 있어서와 같이 기체 생성물이 중요한 요소일 경우 분리막 또는 박막을 중심으로 캐소드 쪽과 애노드쪽 압력이 각각 일정하게 유지되어야 한다는 것이다. 분리막 또는 박막을 중심으로 온도와 농도 및 압력차는 확산 (diffusion)의 원동력(driving force)이고 분리막 또는 박막의 양쪽의 압력차는 두 기체의 교차오염(crosscontamination)의 원인이 될 수 있기 때문이다. 심지어 분리막이나 박막이 기체의 통과나 전해질 내의 용존 기체(dissolved gas)의 통과를 완벽하게 차단한다 할지라도, 분리막 혹은 박막 양쪽 압력의 압력차가 크면 이들 막들이나 구조물의 기계적 안정성이나 수명에 영향을 미칠 수 있으므로, 물의 전기분해에 있어서 양극 및 음극액에 가해지는 압력은 압력차와 농도차에 의한 확산 및 각 기체의 매질 내에서의 확산계수(diffusion coefficient)를 고려하여 양극액과 음극액의 압력을 각각 일정하게 유지시키기 위한 수단을 필요로 한다.

전해조의 운전 압력에 있어서 양극액과 음극액의 최적 압력차는, 근간까지 발표된 관계 분야의 문헌에서 찾을 수 없는 바, 이는 음극액(catholyte)의 운전압력에 대해서 발생 가스의 교차 오염을 최소화할 수 있는 양극액(anolyte)의 압력은 실험적으로 추구하는 이상 다른 방법이 없을 것이다.

KR 10-2007-0097623 A KR 10-1103707 B1

따라서, 본 발명의 목적은 쌍극전극의 내부를 흐르는 전류를 전류센서를 통하여 가시화하여 양적으로 측정할 수 있도록 함으로써, 전해 생성물의 생성속도와 전극의 전류밀도를 실시간으로 측정하고 누적생산량을 계산할 정보를 획득하며 셀의 건강상태를 감시하도록 하는 것이다.

또한, 조립이 용이하면서도 전극 간의 평형도가 우수하며, 작은 점유면적(footprint)에 큰 전극면적을 제공할 수 있는 구조의 전기화학전지를 제공하는 것이다.

또한, 전기화학전지의 운용시, 시간에 따라 전압이 변화하는 전원에 대하여 전압조정기(dc-dc voltage regulator)의 사용 없이 출력전력을 직접 전기화학전지에 적용함으로 시스템의 효율을 극대화하는 것이다.

또한, 양극액과 음극액의 이온과 용존(dissolved) 가스의 농도 차나 양극액과 음극액의 압력차로 인한 확산동력, 그리고 전해액 공급관로를 통한 양극액과 음극액간의 염다리(salt bridge) 현상을 제거할 수 있는 전해액(electrolyte) 공급시스템 혹은 순환 시스템을 구현하기 위하여, 이온의 환원과 산화에 의해서 캐소드와 애노드에서 생성되는 상이한 가스의 전해질에 대한 용해도와 확산계수(diffusion coefficient)를 고려하여 양극액과 음극액의 압력과 그 압력의 차이를 일정하게 유지할 수 있도록 함으로, 상기 확산동력으로 인한 교차확산 동력(driving force)을 줄이고 분리막 또는 박막이나 구조물의 기계적 안정성을 증진하게 될 것이다.

또한, 각 셀의 전류와 전압 데이터로부터 셀의 작동상태를 실시간으로 모니터하고 전해생성물의 생성 속도와 전극의 전류밀도 그리고 누적생산량과 함께 시스템 효율을 실시간으로 제공할 뿐 아니라 전기화학전지의 최적 작동상태를 유지하고 태양광 전지판이나 풍력발전 출력에 있어서와 같이 전압이 시간에 따라 가변적인 전원에 대하여 직류-직류 변압장치(dc-dc converter)의 사용으로 인한 효율의 손실 없이 유동적으로 변화하는 전원의 전압에 상응하는 작동 셀 혹은 모듈수를 계산하고 이를 제어 시스템을 통하여 최적 작동에 반영하도록 할 수 있는 전기화학전지 관리시스템(Electrochemical Cell Management System)을 구성하는 것이다.

또한, 상기 전기화학전지 관리시스템을 스마트 그리드 시스템과 연동하여 운전 예비전력(spinning reserve)을 최소한의 안전마진(safety margin)을 제외하고 전기화학전지에 적용함으로 근본적으로 효용 없이 낭비되어 사라지는 소산성(dissipative) 운전예비전력의 효용을 창출하는 것이다. 스마트 그리드 시스템과 전력 수요에 대한 실시간 교신을 통하여, 전기화학전지 시스템의 작동 셀 혹은 모듈 수를 결정하고 전기화학전지 관리시스템의 제어 장치를 통하여 이를 실시간 반영함으로 운전예비 전력의 효용이 창출될 수 있을 것이다. 이 경우 전기화학전지 시스템은 전력망운영자가 실시간 전력수요에 따라 실시간으로 조절 가능한 전기적 부하(adjustable load)로 작용하게 된다.

또한 상기 전력망이나 스마트 전력망 시스템과 간헐적 및 가변적인 재생에너지와의 관계에 있어서, 풍력이나 태양광 단지의 발전량을 전력망이 과잉전력으로 간주하여 발전 중단을 요구한 사례가 미국과 유럽에서 보고되었다. 이러한 전력망의 병목현상은 전력망에서 재생에너지가 차지하는 비중이 늘어나면서 더욱 증가할 것으로 예측되는 바, 재생 에너지원으로부터의 과잉전력(excess power)을 전력망이 거부하지 않고 수용하여 전류가 가시화되어 양적측정이 가능한 쌍극전극으로 구성된 전기화학전지 설비에 적용하여 수소를 생산하여 재생에너지의 효용을 증대함으로 전력발전 부문의 탈탄소화(decarbonization)를 증진하는 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 쌍극전극 어셈블리는, 전류가 가시화되어 양적 측정이 가능한 쌍극전극 어셈블리에 있어서, 외부 전원에 연결되지 않는 서로 이웃하는 전극; 상기 전극 사이에 삽입되어 전극 사이를 차폐시키는 부도체막; 상기 부도체막에 의해 차폐된 전극을 연결하는 전류계 또는 전류센서가 구비된 전극연결회로;를 포함하며, 상기 전극은 평판형이거나, 중공을 갖는 원통형인 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명에 따른 전류가 가시화된 쌍극전극 전기화학전지는, 전류가 가시화된 쌍극전극 어셈블리로 구성되는 쌍극전극 전기화학전지 모듈로서, 케이싱; 상기 케이싱 내면에 구비되는 부도체막; 상기 케이싱 내 일측의 부도체막에 의해 일면이 차폐되는 전극; 및 상기 케이싱 내 상기 전극과 이격되어 마주보도록 설치되는 다른 전극을 포함하되, 상기 전극과 전극 사이에는 쌍극전극 어셈블리 하나 이상이 동일한 전극간 거리로 구비되며, 상기 쌍극전극 전기화학전지 모듈의 두 전극은 전원연결회로에 연결되는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명에 따른 다른 쌍극전극 전기화학전지는, 전류가 가시화된 쌍극전극 단위 모듈로 구성되는 쌍극전극 전기화학전지 모듈로서, 케이싱; 상기 케이싱 내면에 구비되는 부도체막; 상기 케이싱 내 일측의 부도체막에 의해 일면이 차폐되는 전극; 상기 케이싱 내 상기 전극과 이격되어 설치되는 다른 전극;을 포함하는 단위모듈이 둘 이상 구비되며, 상기 하나의 단위 모듈과 이와 이웃하는 단위 모듈 내의 서로 이웃하는 전극을 연결하는 전류계 또는 전류센서가 구비된 전극연결회로를 포함하며, 상기 쌍극전극 단위 모듈의 전극은 중공을 갖는 원통형인 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명에 따른 또 다른 전류가 가시화된 쌍극전극 어셈블리는, 전류가 가시화된 원통형 쌍극전극 어셈블리로 구성되는 쌍극전극 전기화학전지 모듈로서, 원통형 케이싱; 상기 케이싱 내면에 구비되는 원통형 부도체막; 상기 케이싱 내 일측의 부도체막에 의해 일면이 차폐되는 외곽전극; 및 상기 외곽전극과 동심원으로 거리를 두고 설치되는 원주형 금속 전극, 혹은 원통형 부도체막 혹은 원주형 부도체 외면에 부착된 중앙전극으로 구성되고, 상기 전극과 전극 사이에는 쌍극전극 어셈블리 하나 이상이 동일한 전극간 거리로 구비되며, 상기 중앙전극과 외곽전극은 전압계 혹은 전압센서와 전류계 혹은 전류센서를 구비한 전원연결회로에 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 또 다른 쌍극전극 전기화학전지는, 중공을 갖는 원통형의 외곽 전극; 상기 외곽 전극에 이중관 구조로 삽입되는 중공을 갖는 원통형의 중앙 전극;을 포함하는 원통형 쌍극전극 단위 모듈이 둘 이상이 직렬로 적재되고, 직렬로 적재된 단위모듈들의 첫 모듈의 중앙전극과 마지막 모듈의 외곽전극이 전원연결회로에 연결되고; 상기 하나의 단위 모듈의 외곽 전극과 이와 이웃하는 단위 모듈의 중앙 전극을 연결하는 전류계 또는 전류센서가 구비된 전극연결회로에 연결되는 것을 특징으로 한다.

이에 더하여, 본 발명에 따른 또 다른 쌍극전극 전기화학전지는, 전류가 가시화된 쌍극전극 전기화학전지로서, 액상(liquid) 전해질과 양자교환박막 전기분해장치(PEM electrolyzer)에 있어서와 같은 고체 전해질(solid electrolyte)로 작동하는 쌍극전극 전기화학전지를 포함하고, 또한 수소, 산소 혹은 염소와 같은 기체 생성물을 생산하는 쌍극전극 전기화학전지와 함께 전기정련(electro-refining)이나 전해채취(electrowinning)에 있어서와 같이 금속 전해생성물을 생산하는 쌍극전극 전기화학전지를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 전기화학전지 관리시스템은, 전기화학전지 관리시스템(Electrochemical Cell Management System)으로서, 전류가 가시화된 쌍극전극으로 구성된 전기화학전지로부터 실시간으로 수집된 셀 전류 및 전압, 셀 압력, 셀 온도, 전해질 수위 등의 정보로부터 실시간 전류밀도, 전해생성물의 생성속도 및 누적생산량, 그리고 전력 효율을 계산하여 제시하고, 전해생성물의 교차 오염도와 가스 생성물의 누출 데이터 등의 데이터에 근거하여 설비의 안전 운전을 보장하는 전자적 관리시스템으로 데이터 수집장치(Data Collection Unit); 데이터 버스(Data Bus); 제어장치(Control Unit); 감시 및 제어 컴퓨터 시스템(Monitoring & Control Computer System)으로 구성되어 전기화학전지 시스템을 실시간 데이터에 의거 최적의 작동조건으로 운전되도록 총체적의 관리하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 전기화학전지의 쌍극전극을 통해서 흐르는 전류를 가시화하여 양적 측정이 가능하게 됨으로써, 다수의 쌍극전극을 통한 전류 정보로부터 전해부산물의 생성속도, 전극의 전류밀도, 전해부산물의 누적생산량의 등에 대한 실시간 모니터링이 가능해지는 효과가 있다. 또한, 전류가 가시화된 쌍극전극을 통한 전류로부터 전극의 전류밀도가 실시간으로 측정됨으로써, 전류경제와 전력 효율의 실시간 정보가 유용해지는 효과가 있다.

또한, 실시간 전력효율 정보는 전기화학전지 관리시스템을 통하여 실시간으로 분석되어 전원의 전압과 전류를 제어하거나 전력망의 수요에 따라 작동 셀 수나 모듈 수를 실시간 조절함으로 전력망 운영자가 전기화학전지 설비를 실시간 조절 가능한 가변 부하로 사용할 수 있다. 전력망에 적용되어, 최소의 안전마진을 제외한 운전예비전력을 수소 생산에 적용함으로 근본적으로 효용 없이 낭비되어 사라지는 소산성(dissipative) 예비전력을 수소 생산에 적용하고, 가변 재생에너지로부터의 과잉전력을 전력망이 병목현상 없이 수용하여 수소 생산에 적용하며, 생산된 수소를 전력발전에 사용함으로 발전부문과 수송연료 부문에 있어서의 탈탄소화(decarbonization)를 촉진하고, 수소연료 전지차나 수소 내연기관 자동차의 보편화를 촉진하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의하여 한개의 전류가 가시화된 평판형 쌍극전극 어셈블리로 구성된 전기화학전지의 기본 모듈을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 평판형 쌍극전극 전기화학전지 모듈에서 쌍극전지 어셈블리를 다수 개 적용한 모듈 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 전류가 가시화되어 양적 측정이 가능하도록 하는 전기화학전지의 평판형 쌍극전지 어셈블리를 원통형으로 구현한 예를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 전기화학전지의 평판형 전극 단위 모듈을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 전기화학전지의 단위 모듈을 다수 개를 직렬로 적재한 상태를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 전기화학전지 단위 모듈을 원통형으로 구현한 예의 해부도(anatomical diagram).
도 7은 도 6의 원통형 단위 모듈 다수개를 직렬로 적재한 예를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 의한 전기화학전지 관리시스템을 나타낸 개략도(schematic diagram).

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

먼저, 본 명세서에서 전기화학전지(electrochemical cell)라 함은 물이나 소금물의 쌍극전극 전기분해 장치에 있어서와 같이 기체 전해 생성물을 생산하거나 전기정련(electrorefining)이나 전해채취(electrowinning) 혹은 전기도금(electroplating)에 있어서와 같이 전원에 연결된 전극을 통하여 제공된 전압 및 전류 조건하에서 전원에 연결되지 않은 쌍극전극들로부터 금속 전해생성물을 생산하는 장치를 의미한다.

또한, 본 명세서의 전기화학전지는 소금물이나 알칼라인 전해조에 있어서와 같이 액상 전해질을 사용하는 쌍극전극 전해조와 함께, 쌍극전극 양성자교환막(proton exchange membrane) 전기분해 장치(bipolar PEM electrolyzer)에 있어서와 같은 고체 전해질을 사용하는 쌍극전극 전기분해장치를 포함하나, 이에 국한되지 않고 다양한 액상 혹은 고체 전해질을 포함하는 쌍극전극 전해조를 포함한다.

본 발명은 쌍극전극의 전극 내부를 흐르는 전류를 가시화하고, 양적 측정이 가능하도록 하는 것을 가장 큰 특징으로 한다.

이를 위해 본 발명의 쌍극전극 어셈블리(10)는 도 1에서와 같이, 전기화학전지에 사용되는 쌍극전극 어셈블리(10)에 있어서, 외부 전원에 연결되지 않는 서로 이웃하는 전극(11)(12); 상기 전극(11)(12) 사이에 삽입되어 전극(11)(12) 사이를 차폐시키는 부도체막(13); 상기 부도체막(13)에 의해 차폐된 전극(11)(12)을 연결하는 전류계 또는 전류센서(15)가 구비된 전극연결회로(14);를 포함한다.

아울러, 도 4에서와 같이, 상기 서로 이웃하는 전극(11')(12)이 동일한 단위 모듈(1)(1') 내에 구비되는 것이 아닌, 서로 다른 단위 모듈(1)(1') 내에 구비되어 직렬로 적재될 수 있는 것으로, 서로 이웃하는 전극(11')(12)이 서로 하나 이상의 부도체막(13)(13')에 의해 차폐되면 족하며, 부도체막(13)(13') 사이에 케이싱(100)(100') 등이 개재, 즉 구비될 수도 있는 것으로, 그 실시형태를 제한하지 않는다.

즉, 본 발명의 전류가 가시화된 쌍극전극 어셈블리(10)는 그 구체적인 구현예 이외에도, 서로 이웃하는 전극(11)(12), 상기 전극 사이에 개재되어 전류를 차폐하는 하나 이상의 부도체막(13)이 구비되고, 상기 부도체막(13)에 의해 차폐된 전극(11)(12)을 연결하는 전류계 또는 전류센서(15)가 구비된 전극연결회로(14)를 구비하면 족하다.

이와 같은, 쌍극전극 어셈블리(10)는 전기화학전지에 적용되는데, 이를 다음과 같은 실시예로서 설명한다.

먼저, 본 발명의 일실시예는 도 1에서와 같이, 케이싱(100); 케이싱(100) 내면에 구비되는 부도체막(110); 상기 케이싱(100) 내 일측의 부도체막(110)에 의해 일면이 차폐되는 전극(120); 상기 케이싱(100) 내 전극(120)과 이격되도록 설치되는 다른 전극(120')을 포함하되, 상기 전극(120)과 전극(120') 사이에는 쌍극전극 어셈블리(10)가 하나 이상 구비됨을 특징으로 한다.

따라서, 상기 케이싱(100) 내 일측의 부도체막(110)에 의해 일면이 차폐되는 하나의 전극(120)과 상기 쌍극전극 어셈블리(10)에 구비되며 부도체막(13)에 의해 일면이 차폐된 하나의 전극(11), 그리고 상기 전극(120)(11) 사이에 주입되는 전해질(140) 및 상기 전해질(140)을 양극 전해질과 음극 전해질로 나누는 분리막 또는 박막(130)이 하나의 셀을 형성한다. 그리고 상기 부도체막(13)에 의해 일면이 차폐된 다른 하나의 전극(12)과 케이싱(100) 내 타측의 부도체막(110)에 의해 일면이 차폐되는 다른 하나의 전극(120')이 상기 전극(12)(120') 사이에 주입되는 전해질(140) 및 분리막 또는 박막(130)과 함께 다시 하나의 셀을 형성하며, 상기 셀과 셀은 부도체막(13)을 공유한다.

이 상태에서 첫 번째 셀의 첫 번째 전극(120)과 두 번째 셀의 두번째 전극(120')을 전원연결회로(150)의 외부전원에 연결하면 상기 첫 번째 전극(120)은 양극으로 작용하고, 상기 양극을 마주하는 하나의 셀 내 전극(11)은 캐소드로 작동하게 된다. 그리고 이 캐소드로 작동하는 전극(11)에 전류계나 전류센서(15)를 포함하는 전극연결회로(14)를 통해 연결된 다른 셀을 구성하는 전극(12)은 에노드로 작동하게 되며, 통상적으로 쌍극전극의 내부를 흐르던 전류는 전류계나 전류센서를 통해 양적 측정이 가능하게 된다.

즉, 양이온의 환원으로 전자빈곤상태에 있던 캐소드는 애노드로부터 음이온의 산화를 통하여 전자를 공급받게 되고, 이때 흐른 전류는 전류센서를 통하여 가시화되어 양적 측정이 가능하게 된다.

아울러, 상기 외부전원에 연결된 전극(120)(120') 간의 전류는 전원연결회로(150)에 전류계 또는 전류센서(15)가 구비됨으로써, 측정될 수 있다.

또한, 상기 셀 간의 전압 역시 양적 측정이 가능해지는데, 이는 상기 전극연결회로(14)와 상기 전원연결회로(150)에 연결, 설치되는 전압계 혹은 전압센서(160)에 의해 측정되는 것이다.

그리고 상기 케이싱(100), 부도체막(110), 분리막 또는 박막(130), 전해액(140) 등의 구성은 종래 공지된 다양한 전기화학전지에서 적용되는 것이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 다만, 본 발명의 전극(120)(120')은 평판형태일 수 있는바, 예시적으로 사각형태의 평판 또는 원 형태의 평판일 수 있는 것으로, 그 형태를 제한하지 않는다. 또한, 상기 케이싱(110)과 구조물, 부도체 구조물과 부도체 구조물, 부도체 구조물과 박막 사이에는 다수의 밀폐수단, 예시적으로 씰링(sealing)에 의해 밀폐되어 조립될 수 있는데, 이는 모듈 조립에 있어 압착식 조립(filter press)을 유용하도록 하기 위해서이다.

본 발명의 일실시예에서는 상기에서 설명한 바와 같이, 두 개의 셀이 연결된 형태를 기본 모듈로 하는데, 이를 기본으로 하여 도 2과 같이, 셋 이상의 셀이 연결된 형태, 즉 다수 개의 쌍극전극 어셈블리(10)가 구비된 상태로 전기화학전지 모듈을 구성할 수도 있다.

즉, 도 2의 전기화학전지 역시, 최초 애노드로 작동하는 전극으로부터 발생된 전기력선(electric field line)은 연속적으로 제2 또한 제3의 마주하는 전극에 전자 빈곤상태(electron hungry state)를 유발함으로써, 부도체로 분리된 두 전극에서 서로 다른 전해생성물을 생성하게 되는 것이다.

이와 같이 구성된 전기화학전지는, 모듈을 구성하는 각 전극 간 전류 및 셀의 전압이 실시간으로 모니터링됨으로써, 성능에 문제가 있는 전극이나 셀은 쉽게 확인될 수 있다. 또한, 셀의 전해생성물 생산속도와 전극의 전류밀도 그리고 누적생산량이 실시간으로 계산될 수 있다.

또한, 도 2에서와 같은 전류가 가시화된 쌍극전극 모듈 다수로 구성된 전기화학전지 시스템에 있어서, 모듈과 모듈간의 연결은 한 모듈의 마지막 전극과 이웃하는 모듈의 첫 전극을 전류센서 혹은 전류계가 구비된 전극연결회로에 연결하고 첫 번째 모듈의 첫 전극과 마지막 모듈의 마지막 전극을 전원연결회로에 연결하거나 셀 전류량을 조절하기 위하여 일정수의 모듈을 전원에 병렬로 연결하여 전체 모듈이 하나의 전기화학전지 시스템을 이루게 된다.

아울러, 본 발명의 쌍극전극 어셈블리는 도 1, 2와는 달리 도 3과 같이, 원통형으로 구현할 수도 있는바, 이에 대해서는 하기에서 다시 설명한다.

한편, 전류 경제적 및 전력 경제적 분석에 의거하면 도 1 및 도 2와 같은 쌍극전극 배열의 전기화학전지는 전력 경제상으로는 단극전극으로 구성된 전기화학셀에 비해 차이가 없으나 저 전류의 사용으로 전력효율이 높다는 것이 언급되었다.

따라서, 밀폐 수단의 수를 줄임으로써, 모듈의 압착식 조립을 용이하게 하고, 셀간 누수를 방지하여 설비의 수명을 연장하며 시설의 보수 유지를 용이하게 하기 위한 다른 실시예에 의한 기본모듈이 도 4와 같이 제시되었다.

상기 다른 실시예에 의한 기본 모듈은, 케이싱(100); 케이싱(100) 내면에 구비되는 부도체막(110); 상기 케이싱(100) 내 일측의 부도체막(110)에 의해 일면이 차폐되는 전극(11); 상기 케이싱(100) 내 상기 전극(11)과 이격되어 설치되는 다른 전극(12);을 포함하는 단위 모듈(1)이 둘 이상 구비되며, 상기 하나의 단위 모듈(1)과 이와 이웃하는 단위 모듈(1') 내의 서로 이웃하는 전극(12)(11')을 연결하는 전류계 또는 전류센서(15)가 구비된 전극연결회로(14)로 구성된다.

즉, 상기 최초 단위 모듈(1)의 전극(12)과 이웃하는 다른 단위 모듈(1')의 인접하는 전극(11')이 전류계 또는 전류센서(15)가 구비된 전극연결회로(14)로 연결됨으로써, 도 1과 같은 쌍극전극 어셈블리(10)를 구성하게 되는 것이다. 따라서, 한 전극은 캐소드로, 다른 전극은 애노드로 작동하게 됨으로써, 도 1의 기본 모듈과 같이 전류의 양적 측정이 가능해지는 것이다.

이러한 실시예는 앞선 실시예와 동일하게 각 셀의 전압과 전류가 실시간으로 모니터링됨으로써, 성능에 문제가 있는 전극이나 셀이 쉽게 확인될 수 있는 구조이며, 셀의 전해생성물의 생산속도, 전극의 전류밀도 그리고 누적생산량 역시 실시간으로 계산될 수 있다. 또한, 다수의 단위 모듈이 직렬로 적재된 상태에서 첫 모듈의 첫 전극과 마지막 모듈의 마지막 전극을 전원연결회로에 연결하고 이웃하는 전극을 전류계 혹은 전류센서를 경유하는 전극연결회로에 연결함으로써, 도 5와 같은 모듈 다수를 결합한 전기화학전지 시스템을 이루게 된다. 아울러, 도 4가 보이는 모듈은 도 1의 모듈에 비해서 셀간의 전해액의 누수를 효과적으로 방지할 뿐 아니라, 이는 압착식 조립공정의 적용과 결함 있는 셀의 교체 역시 도 1에 비해 용이한 구조로서 그 유지보수 비용이 절약되므로, 종래 쌍극전극의 단점을 개선한 것이다.

또한, 도 5는 상기 도 4의 단위 모듈(1)이 셋 이상 적재된 것으로, 한 면이 부도체막(110)으로 차폐된 첫 전극(11)과 마지막 전극(12')은 외부전원의 양극과 음극에 연결되고, 나머지 전극들은 전류센서(15)를 경유하여 이웃하는 전극과 연결되어 전류가 가사화된 쌍극전극을 이용한 전기화학전지 모듈을 구성한 것이다. 일정수의 모듈을 전원에 병렬로 전극연결회로를 통하여 연결함으로 셀 전류량이 조절될 수 있다.

한편, 애노드나 캐소드로 작동하는 전극의 표면은 미세구조상 고른 표면을 가지지 않을뿐더러, 전기화학적 촉매효과(electrocatalytic effect) 및 산화 환원반응의 효과, 혹은 생성가스 기포의 제거를 촉진하기 위하여 의도적으로 고른 표면을 회피하는 경우도 있다. 즉, 전력선이 표면에서 수직방향으로 발산됨으로 모듈의 설계는 발산되는 모든 전력선을 전극 사이에 가두는 기하학적 구조가 요구될 것이다. 이를 위하여는 전극(120)(120')(11)(12)의 밀폐나 평형도 구성이 평판형 전극보다 용이할 수 있는 원통형 모듈이 이상적일 것이다.

따라서, 본 발명의 전기화학전지 및 쌍극전극 어셈블리(10)는 원통형으로 구현할 수 있는바, 일례로서 도 3과 같이 쌍극전극 어셈블리(10)는 중공을 갖는 원통형 부도체막(13)의 양면에 중공을 갖는 원통형의 전극(11a)(12a)이 부착된다. 그리고 앞서 설명한 평판형과 동일하게, 상기 부도체막(13)에 의해 차폐된 전극(11a)(12a)을 연결하는 전류계 또는 전류센서(15)가 구비된 전극연결회로(14)를 구비한다.

도 1의 전극(120)과 전극(120')에 상응하는 원통형 전극은 도 6에서 중앙전극(11b)과 외곽전극(12b)으로 표현되었다. 원통형 단위 모듈을 구성하는 기타 다른 구성부품들은 도 4에서와 같은 참고부호로 도 6에 표시되었다. 도 3의 직경이 다른 다수의 원통형 쌍극전극 어셈블리를 도 6의 중앙전극(11b)과 외곽전극(12b) 사이에 동일한 전극간 거리의 동심원으로 배치하면 도 2가 보이는 모듈에 해당하는 원통형의 전류가 가시화된 쌍극전극 전해조 모듈을 얻게 된다. 또한 도 6은 도 4의 평판형 단위모듈에 상응하는 원통형 단위 모듈들의 해부도를 보인다.

상기, 원통형 모듈은 모듈의 높이에 따라 작은 점유면적(footprint)에 큰 전극면적을 제공함으로 고 전류를 수용할 수 있는 시설을 구현할 수 있다는 점에서 중앙식 대형 수소 생산시설뿐 아니라 소형 수소 생산시설에서도 매우 유리하다. 이러한 원통형의 모듈은, 구성요소 간에 안정적 밀폐 수단이 적용된다면 미래의 수소 생산설비에 적용할 수 있는 전기화학전지 시설에 매우 적합한 구조가 될 것이다.

아울러, 도 6과 같이 원통형으로서 단위 모듈(1)을 구현한 후, 도 7과 같이, 도 6의 단위 모듈을 다수 개 적층하여 전기화학전지를 구성하면, 도 5와 상응하는 형태의 모듈을 구현할 수 있게 된다. 즉, 중공을 갖는 원통형의 외곽 전극(11b); 상기 외곽 전극(11b)에 이중관 구조로 삽입되는 중공을 갖는 원통형의 중앙 전극(11a);을 포함하는 단위 모듈(1)을 둘 이상 적재하며, 상기 하나의 단위 모듈(1)의 외곽 전극(11b)과 이와 이웃하는 단위 모듈(1')의 중앙 전극(11a)은 전류계 또는 전류센서(15)가 구비된 전극연결회로(14)로 연결된다.

이러한 구조의 전기화학전지는 넓은 전극 면적에 비해 장비의 점유면적(footprint)은 현저히 작다는 장점이 있는 것이다. 여기서, 단위 모듈(1)의 형상을 원통형으로 구성한 것 이외의 나머지 구성은 평판형의 도 4의 단위 모듈(1)과 동일함은 당연하다.

도 4의 단위모듈(1)과 이를 원통형으로 구현한 도 6에 있어서, 도 6의 원주의 맨 바깥쪽 쉘(shell)인 케이싱(100)은 원주에 기계적 온전성(integrity)을 제공하기 위한 구조물이다. 기계적 온전성을 제공하기 위한 기능은 원통형 단위 모듈의 맨 바깥쪽 쉘(shell)인 케이싱(100) 없이 단지 외곽 전극(12b) 또는 외곽 전극(12b)을 감싸는 부도체막(13)에 의해서 구현될 수도 있다. 이러한 구조의 원통형 단위 모듈은 비용의 절감과 함께 조립에 있어서 용이성을 제공할 수 있다. 또한 도 6에서의 중앙전극은 부도체 원주 외면에 전극이 부착된 형태, 파이프 형태의 전극, 부도체 원통 외면에 전극이 부착된 형태 중 상판(101) 및 하판(102)과의 밀폐수단의 적용 및 조립의 용이성에 따라 전극의 구조가 변화될 수 있다.

한편, 도 1, 2 및 도 4, 5는 모두 전해액(140)의 상부 가스수집공간(gas collection plenum)을 통해서 전해액으로부터 가스가 분리되도록 구성되었는데, 이러한 가스는 전극과 전극 간의 공간부 상측에 연결 설치되는 가스 수송관(300)에 의해 배출된다. 이러한 가스 수송관(300)은 상기 양극 전해액 및 음극 전해액 측에 각각 제1가스 수송관(300a)과 제2가스 수송관(300b)으로 분리 설치되어 배출되는 가스를 수송한다.

여기서, 상기 각각의 가스 수송관(300a)(300b)에는 분리막 또는 박막(130) 양쪽의 압력을 각각 일정하게 유지하기 위한 역압력조정기(320)를 설치할 수 있다. 또한, 분리막 또는 박막(130)의 기계적 안정성을 유지하고 농도차나 압력차로 인한 가스 생성물의 확산을 방지하기 위하여 각각의 가스 수송관(300a)(300b)에 역압력조정기(back pressure regulator)(320)와 함께 가스압력센서(310)를 설치할 수도 있다.

또한, 양극 전해액과 음극 전해액 사이의 이온의 농도 차로 인한 확산 원동력과 염다리 현상을 차단하기 위해서, 전해액의 공급은 양극 전해액과 음극 전해액이 분리되어 공급되도록 함이 바람직하다. 이를 위해서는 상기 전극과 전극 간의 공간부 하측에 연결 설치되는 전해액 공급관(200)이 상기 양극 전해액 및 음극 전해액 측에 제1전해액 공급관(200a)과 제2전해액 공급관(200b)으로 분리 설치됨이 바람직하다.

한편, 상기 전해액 공급관(200)을 분리하여 설치하지 않을 경우에는 전해액 공급관(200)에 역류 방지 밸브(210)를 설치할 수 있다. 즉, 역류 방지 밸브(check valve)(210)를 설치하면 이온의 농도 차에 의한 교차 확산동력과 염다리 현상을 차단할 수 있다. 상기 역류 방지 밸브(210)를 사용할 경우 전해조의 정상 운행시에 펌프 쪽의 전해액은 전해조의 압력에 대하여 음압이 유지되어야 할 것이다.

또한, 전극표면으로부터 기포의 분리를 촉진하기 위하여 전해액 순환 시스템이 도입될 경우에는 전해액 상부의 가스수집 공간은 없어지고, 상기 가스수집 공간은 가스 기포와 전해액의 혼합유체(H₂가스 + 음극 전해액 혹은 O₂가스 + 양극전해액)로 채워지게 되며, 이러한 전해액과 가스의 혼합유체는 가스 수송관(300)을 통해 별도의 분리탱크로 수송되고, 가스와 전해액의 분리는 각각 별도의 분리탱크에서 수행된다. 그리고 가스가 분리된 양극 전해액과 음극 전해액은 분리된 가스 수송관(300)과 전해액 공급펌프(220)를 통하여 전해조에 재순환(recirculate)된다. 이때, 상기 가스압력센서(310)와 역압력조정기(320)는 분리탱크의 가스 출구 측에 위치하게 된다. 또한, 이러한 경우 상기 전해액은 양극 전해액과 음극 전해액에 대하여 전해액 공급관(200)에 별도의 전해액 공급펌프(220)를 각각 설치하여 전해액을 순환시켜야 한다. 이러한 전해액의 순환은 전력효율에 심각한 영향을 미치는 기포의 제거에 있어서 매우 유리함으로 산업에서 흔히 사용된다.

상기와 같이, 쌍극전극 내부를 흐르는 전류가 가시화되어 실시간 전류가 양적으로 측정가능하게 됨으로써, 전기화학전지의 작동을 총체적으로 관리하는 전자적 시스템인 전기화학전지 관리시스템(Electrochemical cell management system)의 도입이 가능해졌다.

이는 전기자동차나 하이브리드 전기차의 배터리 관리시스템(battery management system)과 유사한 전자적 관리시스템을 전류가 가시화된 쌍극전극으로 구성된 전지에 도입한 것으로, 데이터 수집장치(data collection unit), 감시 및 제어 컴퓨터 시스템(computer system), 통신채널 혹은 데이터 버스(data bus), 그리고 제어장치(control unit)로 구성되며, 그 개략적 개념도를 도 8에 나타냈다.

상기 전기화학전지 관리시스템은 각 셀의 전류와 전압 데이터로부터 셀의 작동상태와 건강상태를 실시간 감시하고, 전극 및 셀의 결함을 진단하며 전해생성물의 생성 속도 및 누적 생산량과 전극의 전류밀도를 계산하여 제시하고, 공급 전력에 대한 효율을 실시간 제공함으로써, 전기화학전지가 최적의 작동상태를 유지하도록 한다. 또한, 제어 장치(Control Unit)와 연계하여 태양전지판이나 풍력발전 출력에 있어서와 같이 전력이 시간에 따라 가변적인 전원에 대하여 전압 조정기의 사용으로 인한 효율의 손실 없이 적용된 전압에 상응하는 작동 셀의 수를 실시간으로 계산하고 이를 제어장치를 통하여 반영하여 전지의 최적 작동에 반영하는 기능을 가진다.

즉, 전류가 가시화된 쌍극전극으로 구성된 전기화학전지를 이용한 전기화학설비는 다음과 같이 관리된다. 전기화학전지를 구성하는 쌍극전극을 포함하는 모듈의 셀(cell) 전류, 셀 전압, 셀 압력, 전해질 수위(전해조 내 가스수집공간을 가질 경우), 전해질 온도 등의 모니터되는 실시간 데이터가 데이터 수집장치에 의해 수집된다. 그리고 이러한 데이터 수집장치는 이들 데이터 외에도 전원의 전류와 전압의 실시간 데이터, 생성된 산소와 수소 가스의 교차 오염도(cross-contamination) 데이터와 같은 외부입력신호와 전기화학설비 챔버에 설치된 가스누출검출장치를 통한 가스누출신호를 수집하여 감시 및 제어 컴퓨터 시스템에 보내 실시간 모니터하도록 하고, 제어장치를 통해 통신채널과 통신하여 전원의 전압, 전류의 제어, 전원의 유동적 전압에 대하여 활성화해야 할 셀 수를 계산하여 감시 및 제어 컴퓨터 시스템과 연계하여 작동 셀 수의 제어에 반영하는 기능을 구현한다. 이때, 제어장치는 생성된 가스의 교차 오염도와 전기분해 설비 챔버 내의 가스 누출 데이터를 사용하여 응급시에는 전 시스템의 전원을 차단함으로써 설비의 안전 운행을 구현하게 된다.

그리고 전기화학전지에 있어서, 생산된 수소는 저장되었다가 도시전력망의 최대 전력 소모 시간에 전력으로 전환될 수 있는 수단이기 때문에, 주요한 에너지 저장(energy storage)수단 혹은 에너지 운반체(energy carrier)로 간주된다. 태양광이나 풍력발전으로부터의 전력은 곧바로 전류가 가시화된 쌍극전극으로 구성된 전기화학전지에 적용되어 이러한 목적을 위하여 유용하게 사용될 수 있다. 즉, 본 발명의 전기화학전지 관리시스템은 태양광 발전이나 풍력발전을 포함하는 재생에너지원으로부터의 전력을 최대 효율로 수소 생산에 적용할 수 있도록 한다. 재생에너지원으로부터 수소가스로 전환되어 저장된 수소가스는 전력수요가 높은 피크 아우어(peak hour)에 다시 전력으로 전환되어 사용될 것이다.

전기분해에 적용되는 전원을 단극전극 전해조에 적용하기 위해서는 전압을 조절하기 위한 전압조정기를 사용하여야 하고, 이로 인해 전반적 전해 시스템의 효율은 저하될 것이다. 전류가 가시화된 쌍극전극을 사용한 전기화학전지는 이러한 전압조정기 없이, 전기화학전지 관리시스템의 데이터버스 그리고 스위치와 릴레이(relay)로 구성된 제어 시스템의 지원으로 현장에서 유용한 전원의 전력에 상응하는 작동 셀 수나 모듈 수를 조절함으로, 최적의 조건으로 작동하는 전기화학설비를 구현할 수 있다.

일반적으로 전력망은 첨두수요(peak hour demand)를 위하여 기저부하(base load)의 10% 가량의 예비 전력을 가진다. 이 예비전력은 때로 배터리 충전이나 양수발전((pumped-storage hydroelectricity)에 적용되기도 하는 것으로 보고되었다. 이 예비전력을 에너지 저장 수단인 수소 생산을 위하여 전기분해에 적용할 경우, 전기화학전지 관리시스템은 전력망 혹은 스마트 그리드 시스템(smart grid system)과 연동되어 0~10%의 운전예비 전력 내에서 최소한의 안전마진을 제외한 전력에 대하여 작동 셀 수나 모듈 수를 탄력적으로 조절 함으로 근본적으로 효용 없이 낭비되어 사라지는 소산성(dissipative) 운전예비전력의 효용을 창출하는 것이다.

유럽이나 미국의 풍력발전단지를 여행하면서, 우리는 좋은 조건의 바람이 부는데도 작동하지 않고 있는 풍력터빈들을 발견하게 된다. 그 이유 중의 하나는 풍력단지나 태양광단지의 전력이 전력망의 병목(bottleneck) 현상으로 인하여 과잉전력으로 간주되어 전력망이 발전 중단을 요청한데 기인된 것으로 보고되었다. 전력망이 이러한 과잉전력을 수용하여 전류가 가시화되어 양적측정이 가능한 쌍극전극으로 구성된 전기화학전지 설비에 적용하여 수소를 생산함으로서 전력망의 과잉전력 수용 역량을 증대하고 재생에너지의 효용을 극대화 할 뿐 아니라 발전 부문의 탈탄소화(decarbonization)를 증진할 수 있는 것이다.

본 발명의 실효성을 입증하기 위하여 다음과 같은 실험이 수행되었다.

본 발명의 일실시예를 따라 제작된 전류가 가시화된 쌍극전극으로 구성된 전해조를 통한 실험이 수행되었다. 이 실험에는 두께 1mm, 크기 160x160mm의 316L 평판 전극을 두께 5mm의 아크릴판의 양면에 부착하여 제작한 쌍극전극 어셈블리가 사용되었다. 그리고 쌍극전극 어셈블리 외 사용된 전극 역시 앞서 쌍극전극에 적용된 평판 전극과 동일한 크기로 하였으며, 전극 간 거리는 15mm로 하였고, 25% KOH 전해액이 사용되었다. 또한, 실험은 전해액 온도 13~18℃에서 수행되었다. 모든 실험에 있어서 분리막 또는 박막은 사용되지 않았다.

그리고 상기 쌍극전극 어셈블리는 각 전해조 별로 1개, 2개, 3개, 4개가 적용되었으며, 각 전해조에는 쌍극전극 어셈블리 수에 따라 각각 4.4, 6.6, 8.8, 11볼트의 정전압(constant voltage) 및 정전류(constant current) 조건하에서 전기분해가 수행되어 전류가 가시화된 쌍극전극을 흐른 전류와 셀 전압이 측정되었다.

모든 실험에 있어서, 상기 셀 전압은 평균적으로 2.2 볼트로 측정되었다. [(공급 전류 + 각 쌍극전극 어셈블리를 흐른 전류의 합)]은 전극 표면을 통해서 수소가스의 생성에 사용된 전류량을 의미한다. 이 값을 E라고 하면 "E/공급전류량"은 전류 효율과 전력효율을 대표한다. 공급전류는 양극에서 산소를 음극에서 수소를 생성하는데 사용되고, 각각의 쌍극전극의 애노드와 캐소드 간의 전류 역시 수소가스와 산소가스를 생성하는 전류이다. 따라서 E값이 공급전류량의 (n-1)배라면, 이는 전력경제상 100%의 효율로 해석될 수 있다.

실험 결과는 E 값이 전극의 전류밀도에 의존한다는 것을 보였다. 전력효율의 전류밀도 의존도를 규명하기 위하여 정전압(constant voltage) 조건하에서 13mA/㎠~36mA/㎠의 다양한 전류밀도에 대한 실험이 수행되었다.

그 결과, 이러한 전류밀도에 대하여 전력효율은 계기의 측정오차 한계 내에서 73%~100%의 변화를 보였다. 즉, 전류밀도의 증가와 함께 전력 효율은 감소하였다.

전류밀도의 증가와 함께 E 값이 감소한다는 것은 전력 효율이 생성된 수소가스와 산소가스 기포가 전극표면으로부터 제거되는 속도와 관련이 있음을 의미하는 것인바, 각종 과전압(overpotential)과 저항손실(Ohmic loss)로 인하여 전해조 내에 축적되는 에너지는 전해액의 온도상승으로 이어질 것이므로 전류밀도를 최적으로 유지하는 것이 전해액의 최적 온도 유지와 최상의 전력효율을 얻기 위한 수단이 될 것이라는 것을 확인하였다.

위와 같은 본 발명의 실시예를 따른 실험 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 전류가 가시화된 쌍극전극의 사용으로 전극의 전극의 전류밀도가 실시간으로 계산되어 전기화학전지의 전류경제상 및 전력경제상 효율이 실시간으로 모니터링될 수 있게 됨으로 다양한 전극 물질, 전극의 표면 조건, 사용된 전기화학적 촉매(electrocatalyst), 사용되는 분리막 또는 박막, 전해액 순환을 포함하는 가스 기포의 분리 방법, 전극-분리막 또는 박막-전극 간의 거리, 전해액의 점도, 그리고 전지의 작동 온도 및 압력하에서 전력 효율상 전지의 최적 작동 조건의 설정이 실험을 통해서 가능해질 수 있다는 것이다.

또한, 쌍극전극으로 구성된 전기화학전지의 전극 내부를 흐르는 전류를 가시화하여 양적 측정이 가능해짐으로써, 전기자동차나 하이브리드 전기차의 배터리 관리시스템(BMS: Battery Management System)과 유사한 쌍극전극 전기화학전지 시스템 전체를 최상의 전력 효율을 위한 최적의 작동 조건으로 유지 관리하는 전기화학전지 관리시스템(ECMS: Electrochemical Cell Management System)의 구현이 가능해진다.

나아가, 전기화학전지 관리시스템은 태양광발전이나 풍력발전과 같은 재생에너지원과 연동하여 최상의 효율을 제공함으로 발전부문의 탈탄소화를 증진할 수 있을 뿐 아니라, 스마트 그리드 시스템과 연동되어 근본적으로 효용 없이 낭비되어 사라지는 소산성(dissipative) 예비전력의 효용을 창출하고, 생산된 수소를 전력발전에 사용하거나 수소연료차에 사용함으로 전력부문과 수송연료부문의 탈탄소화에 기여할 수 있다.

미국의 국립재생에너지연구소(EERE)는 년간 수소 생산량 100,000kg으로 500대 이상의 수소연료전지차에 연료를 지원할 수 있는 수소충전소를 풀 서비스규모의 충전소(Full Forecourt Sized Fueling Station)로 분류했다. 2016년 7월 28일 중앙일보 기사에 의하면, 7월 26일의 전력수요는 81,110 MW이었고, 이 날의 전력예비량은 7,810 MW로 보고 되었다. 이 운전예비전력(spinning reserve)전력의 25%를 안전마진으로 남기고 나머지 75%를 그리드와 연동하는 전기화학전지 관리시스템을 통하여 수소 생산에 적용할 경우, 이는 풀 서비스규모의 분산생산 충전 설비 12,800개를 지원할 수 있고, 생산된 수소량은 하루 55kg의 수소를 사용하여 33마일(52.8 km)을 운행하는 수소연료전지차 480만대 이상을 지원할 수 있다. 국내에서 운행하는 승용차 수를 1000만대로 가상하면, 이는 현재 국내에서 운행 중인 승용차 수의 절반에 육박하는 수치이다. 이는 수송연료부문의 탈탄소화를 증진할 뿐 아니라, 수소차의 보편화에 크게 기여할 것이다.

또한, 전류가 가시화되어 양적측정이 가능한 쌍극전극으로 구성되는 전기화학 설비를 전력망과의 양방향 통신을 통하여 전력망 운영자가 실시간으로 조절 가능한 가변부하로 사용함으로 전력망이 재생에너지원으로부터의 과잉전력을 수용역량을 증대하고 재생에너지의 효용을 증대함으로 발전 부분에 있어서의 탈탄소화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

1: 단위 모듈 10 : 쌍극전극 어셈블리
11, 12, 120, 120', 11a, 12a: 전극
11b: 중앙 전극 12b: 외곽 전극
13, 110: 부도체막 14: 전극연결회로
15: 전류센서
100: 케이싱 130: 분리막 또는 박막
101: 상판 102: 하판
140: 전해액 150: 전원연결회로
160 : 전압센서 200: 전해액 공급관
200a: 제1전해액 공급관 200b: 제2전해액 공급관
210: 역류 방지 밸브 220: 전해액 공급펌프
300: 가스 수송관
300a: 제1가스 수송관 300b: 제2가스 수공관
310: 가스압력센서 320: 역압력조정기

Claims (11)

1. 전류가 가시화되어 양적 측정이 가능한 쌍극전극 어셈블리(10)에 있어서,
   외부 전원에 연결되지 않는 서로 이웃하는 한 쌍의 전극;
   상기 한 쌍의 전극 각각의 일면이 접하도록 상기 한 쌍의 전극 사이에 삽입되어 상기 한 쌍의 전극 사이를 차폐시키는 부도체막(13);
   상기 부도체막(13)에 의해 차폐된 상기 한 쌍의 전극 사이의 전류를 측정하는 전류계;를 포함하며,
   상기 전극은 평판형이거나, 중공을 갖는 원통형인 것을 특징으로 하는 전류가 가시화되어 양적 측정이 가능한 쌍극전극 어셈블리.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 부도체막(13)은 원통형이고;
   상기 한 쌍의 전극은 원통형의 상기 부도체막(13)의 내면과 외면에 부착된 한 쌍의 원통형의 전극(11a)(12a)이고;
   상기 전류계는 상기 부도체막(13)에 의해 일면이 차폐된 상기 한 쌍의 원통형의 전극(11a)(12a) 사이의 전류를 측정하는 것을 특징으로 하는 전류가 가시화되어 양적 측정이 가능한 쌍극전극 어셈블리.
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