KR101479710B1 - Oxygon Generating type Fuel Cell Propulsion System using Reformer's Residual Product - Google Patents

Oxygon Generating type Fuel Cell Propulsion System using Reformer's Residual Product Download PDF

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지현진
이재인
김영철
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국방과학연구소
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Abstract

A fuel cell propulsion system capable of producing an oxidizing agent using by-products from a fuel reformer of the present invention comprises at least one heat exchanger (51) for controlling the entrance temperature of a reactor equipped therein with water evaporation; and a fuel processor (50) having an inner solid-liquid separator (52) for converting the vapor among the products into liquid water and discharging to the outside, wherein the fuel processor (50) produces a product including hydrogen by reacting KO2 and CaO2 oxides with vapor or oxygen, and produces oxygen with a high purity from by-products in which hydrogen is excluded from the product, thereby drastically reducing the size of a storage tank installed within the vessel for treatment of unnecessary by-products, and utmost suppressing the volume/weight increase of the fuel cell system by producing oxygen whereas drastically increasing the operating time of the system.

Description

연료개질기 부산물로부터 산화제 생성이 가능한 연료전지 추진시스템{Oxygon Generating type Fuel Cell Propulsion System using Reformer's Residual Product}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a fuel cell propulsion system capable of generating an oxidizer from a fuel reformer byproduct,

본 발명은 연료전지 추진시스템에 관한 것으로, 특히 연료개질기 부산물을 이용한 산화제 생성이 가능한 연료전지 추진시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell propulsion system, and more particularly, to a fuel cell propulsion system capable of generating an oxidizer using fuel reformer byproducts.

일반적으로 수중 운용 함정의 공기불요추진(AIP, Air Independent Propulsion, 또는 비외기 추진장치)시스템은 디젤엔진 추진 방식과 같이 외부 공기의 함내 공급을 위한 수면위 노출이 없어 작전수행능력 감소를 가져오지 않는다.In general, the AIP, Air Independent Propulsion, or Non-Air Propulsion system of underwater operation vessels does not result in reduced operational performance due to lack of exposure to water for in-cabin air supply such as diesel engine propulsion .

이러한 공기불요추진시스템은 폐회로 디젤기관추진, 연료전지 추진, 스터링(stirling) 기관추진, 폐회로 터빈추진 등의 종류가 있지만, 연료전지 추진시스템은 타 시스템과 비교하여 효율 및 소음 측면에서 월등히 우수하여 최신 건조되는 함정의 공기불요추진 시스템으로 채택된다.Although there are various types of airless propulsion systems such as closed-loop diesel engine, fuel cell propulsion, stirling propulsion, and closed-loop turbine propulsion, fuel cell propulsion systems are far superior in efficiency and noise to other systems It is adopted as the air-borne propulsion system of the dry trap.

더 나아가 연료전지 추진시스템이 천연가스, 메탄, 가솔린, 디젤 등과 같은 탄화수소 계열의 연료로 부터 생산된 수소를 액체 연료 상태로 저장하는 연료개질기 방식으로 발전됨으로써 수소저장합금에 저장된 99.999%의 고순도 수소와 함께 액화산소를 이용하여 필요한 수소와 산소가 공급되는 방식대비 수소저장효율이 좋으면서 전 세계 연료 공급 인프라의 이용으로로 연료보급과 운용 유지가 매우 용이한 장점을 갖는다.Furthermore, the fuel cell propulsion system evolved into a fuel reformer system that stores hydrogen produced from hydrocarbon-based fuels such as natural gas, methane, gasoline, diesel, etc., in a liquid fuel state, resulting in 99.999% In addition, the hydrogen storage efficiency is good compared to the way in which the hydrogen and oxygen are supplied using the liquefied oxygen, and it is advantageous that the fuel supply and maintenance are very easy to use by utilizing the fuel supply infrastructure around the world.

특히, 연료개질기는 분자 크기가 작고 기화온도가 낮기 때문에 압축탱크 형태로 저장하기 힘들뿐만 아니라 액화시켜 저장하기도 난해한 순수 수소와 달리 C-H-O 형태로 존재하는 탄화수소계열연료로부터 수소를 추출함으로써 보다 효과적으로 수소 반응물을 저장/획득/운반이 가능할 수 있다.Particularly, since the fuel reformer has a small molecular size and a low vaporization temperature, it is difficult to store in the form of a compressed tank. In addition, unlike pure hydrogen which is difficult to be liquefied and stored, hydrogen is extracted from a hydrocarbon- Storage / acquisition / transport may be possible.

다만, 연료개질기를 운전하게 되면 수소뿐만 아니라 이산화탄소, 수증기, 일산화탄소 등과 같은 연료전지 시스템 운전에 불필요한 부산물도 생성될 수밖에 없다. 그러므로, 함정에서는 연료전지 시스템 운전중 이러한 부산물을 함내 저장탱크에 따로 보관하였다가 정박 혹은 부상 시 외부로 배출할 수밖에 없다.However, when the fuel reformer is operated, not only hydrogen but also by-products that are unnecessary for the operation of the fuel cell system such as carbon dioxide, water vapor, and carbon monoxide can not be produced. Therefore, during the operation of the fuel cell system, these byproducts must be stored separately in the storage tank and discharged to the outside when they are anchored or injured.

국내등록특허 10-0558908(2006년03월02일)Korean Registered Patent No. 10-0558908 (Mar. 02, 2006)

하지만, 연료개질기 운전 시 발생된 부산물을 함내 저장탱크에 따로 보관하는 방식은 함내에 추가적인 탱크 공간을 요구함으로써 수소와 함께 반드시 필요한 산화제인 산소 저장용 탱크 공간 확보가 제한될 수밖에 없다.However, the method of separately storing the byproducts generated during the operation of the fuel reformer in the storage tank requires additional tank space to limit the space for oxygen storage tank, which is an oxidant necessary together with hydrogen.

특히, 함정의 작전수행능력 향상을 위한 잠항 시간 증가 요구는 연료전지 시스템의 운전시간 증가를 가져오고, 연료전지 시스템의 운전시간 증가는 연료개질기 운전에 따른 부산물 증가를 가져옴으로써 부산물 저장을 위한 실린더 혹은 탱크의 무게 및 부피 비율이 증가할 수밖에 없다.In particular, the increase in the dwell time for improving the operational performance of the traps leads to an increase in the operating time of the fuel cell system, and the increase in the operating time of the fuel cell system leads to an increase in byproducts due to the operation of the fuel reformer, The weight and volume ratio of the tank must be increased.

실제적으로, 함정에 설치된 연료전지 시스템에서 반응물을 저장하기 위한 하부 시스템의 무게 및 부피가 80~90% 이상 차지하는 실정이고, 이는 산소저장량 증가 대비 액화산소탱크의 무게 증가분 기울기가 큰 액화산소저장탱크 방식이 더해져 액화산소탱크의 용량 증가가 더욱 어려운 실정이다.In practice, the weight and volume of a sub-system for storing reactants in a fuel cell system installed in a trap occupies 80 to 90% or more of the volume. This is because the liquefaction oxygen storage tank method It is more difficult to increase the capacity of the liquefaction oxygen tank.

이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 함정의 운항시간 증가시 함께 증가하는 연료개질기 부산물로부터 산소가 포함되어 있는 산화물과 추가적인 화학반응으로 고순도의 산소 공급이 이루어짐으로써 불필요한 부산물 처리를 위한 함내 탱크의 용량 감소와 함께 산소 저장용 액화산소탱크의 크기 축소가 이루어지고, 특히 연료전지 시스템의 부피/무게 증가는 최대한으로 억제하면서도 시스템 운전시간은 크게 증가될 수 있는 연료개질기 부산물로부터 산화제 생성이 가능한 연료전지 추진시스템의 제공에 목적이 있다.In view of the above, the present invention provides high purity oxygen by additional chemical reaction with oxides containing oxygen from the fuel reformer byproducts which increase together with the increase in the operating time of the vessel, so that the capacity of the tank for in- And the size of the liquefied oxygen tank for oxygen storage is reduced. In particular, the fuel cell system capable of generating an oxidizer from the fuel reformer byproduct which can greatly increase the system operation time while suppressing the volume / weight increase of the fuel cell system as much as possible The purpose of the system is to provide.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료개질기 부산물로부터 산화제 생성이 가능한 연료전지 추진시스템에는 연료펌프, 워터펌프, 수소와 산소로부터 전기를 생성하는 연료전지 모듈, 연료전지 모듈의 연료인 수소를 생성하기 위한 연료 프로세서, 산화제인 산소를 공급하도록 액화상태로 저장하는 산소저장장치가 포함되고; 상기 연료프로세서는 탄화수소 계열의 연료를 수증기나 수증기 및 산소와 반응시켜 수소가 포함되어 있는 생성물을 만들고, 상기 생성물중 수소가 제외된 부산물로부터 고순도의 산소를 생성하며, 내부에 구비된 반응기의 입구온도가 물의 수증기 기화로 제어하는 적어도 1개 이상의 열교환기를 갖추고, 상기 생성물중 수증기가 액체 상태의 물로 전환되어 외부로 배출시키는 내부기액분리기를 구비한 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, there is provided a fuel cell propulsion system capable of generating an oxidizer from the fuel reformer byproduct of the present invention, comprising a fuel pump, a water pump, a fuel cell module generating electricity from hydrogen and oxygen, A fuel processor for generating oxygen, an oxygen storage device for storing oxygen in the liquefied state to supply oxygen as an oxidant; The fuel processor reacts the hydrocarbon-based fuel with water vapor, water vapor, and oxygen to produce hydrogen-containing products, produces high purity oxygen from the hydrogen-free byproducts of the products, And an internal gas-liquid separator having at least one heat exchanger for controlling water vaporization of water, and converting the water vapor in the product into liquid water and discharging it to the outside.

상기 고순도의 산소 생성은 KO2, CaO2 산화물중 어느 하나를 사용한다.The high-purity oxygen production uses either KO2 or CaO2 oxide.

상기 연료프로세서로부터 생성된 생성물중 수분 제거가 이루어지는 외부 기액분리기, 상기 연료프로세서의 부산물을 이용한 생성물에서 이산화탄소를 제거하는 이산화탄소 분리기, 상기 외부 기액분리기에 연결되어 상기 외부 기액분리기에서 생성된 물을 저장하는 외부 반응수 탱크, 상기 외부 반응수 탱크에 저장된 물이 공급되거나 상기 이산화탄소분리기에 연결되어져 제거된 이산화탄소를 저장한 외부이산화탄소저장탱크의 이산화탄소가 공급되는 산소발생기가 더 포함된다.An external gas-liquid separator for removing water from the product generated from the fuel processor, a carbon dioxide separator for removing carbon dioxide from the product using the by-product of the fuel processor, a water separator connected to the external gas- An external reaction water tank, and an oxygen generator supplied with water stored in the external reaction water tank or connected to the carbon dioxide separator to supply carbon dioxide in the external carbon dioxide storage tank storing the carbon dioxide removed.

상기 산소발생기에서 생성된 산소는 상기 연료전지 모듈의 공기극에 공급되거나, 상기 연료전지 모듈로 공급되는 산소를 저장한 상기 산소저장장치의 산소와 함께 공급된다.Oxygen generated in the oxygen generator is supplied to the air electrode of the fuel cell module or supplied together with oxygen of the oxygen storage device that stores oxygen supplied to the fuel cell module.

상기 이산화탄소 분리기에는 제거된 이산화탄소 저장을 위한 외부 이산화탄소 저장탱크가 연결된다. 상기 외부 반응수 탱크에 저장된 물은 상기 열교환기로 공급된다. 상기 산소발생기에는 상기 외부 반응수 탱크에 저장된 물이 상기 열교환기로 공급되어 수증기로 기화된 후 공급된다.The carbon dioxide separator is connected to an external carbon dioxide storage tank for storing the carbon dioxide that has been removed. The water stored in the external reaction water tank is supplied to the heat exchanger. The oxygen generator is supplied with water stored in the external reaction water tank after being supplied to the heat exchanger and vaporized by steam.

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상기 연료프로세스에는 생성물을 고순도 산소로 만들어 주는 후처리장치가 더 연결되고, 상기 연료프로세스로 저장된 산소를 공급하는 액체산소탱크가 더 연결된다.The fuel process is further connected with a post-treatment device that produces the product with high purity oxygen, and a liquid oxygen tank for supplying oxygen stored in the fuel process is further connected.

이러한 본 발명은 연료개질기가 장착된 함정에서 연료전지 모듈 운전에 불필요한 이산화탄소 및 수증기 같은 부산물을 활용하여 고체산화물로 부터 산소를 획득한 후, 연료전지 모듈에 공급에 공급함으로써 연료전지 모듈의 산화제인 산소 획득이 용이한 효과가 있다.In the present invention, oxygen is obtained from the solid oxide by using by-products such as carbon dioxide and water vapor unnecessary for operation of the fuel cell module in a fuel cell equipped with the fuel reformer, and then supplied to the fuel cell module to supply oxygen There is an effect that acquisition is easy.

또한, 본 발명은 연료개질기 부산물이 고순도의 산소 공급을 위해 사용됨으로써 함내에서 불필요한 부산물 저장을 위한 탱크의 용량이 감소되고, 특히 산소의 생성이 이루어짐으로써 산소 저장용 액화산소탱크의 크기 축소가 이루어지는 효과가 있다.In addition, the present invention can reduce the capacity of the tank for storing unnecessary byproducts in the cabin by using the fuel reformer byproduct for supplying oxygen of high purity, and in particular, the oxygen is generated, thereby reducing the size of the liquefied oxygen tank for oxygen storage .

또한, 본 발명은 산소 생성에 연료개질기 부산물이 사용됨으로써 함정의 운항시간 증가시 연료개질기 부산물이 함께 증가되더라도 부산물 처리에 대한 염려 없는 함정의 작전 운용이 가능한 효과가 있다.Further, the present invention has an effect that operation of trap without worry about by-product treatment can be performed even if the fuel reformer byproduct is increased together with increase in the operating time of the trap by using fuel reformer byproduct for oxygen generation.

또한, 본 발명은 연료개질기 부산물이 산소 생성에 이용됨으로써 연료전지 시스템의 부피/무게 증가는 최대한으로 억제하면서도 시스템 운전시간은 크게 증가되는 효과가 있다.Further, since the byproduct of the fuel reformer is used for generating oxygen, the present invention has the effect of greatly increasing the system operation time while suppressing the volume / weight increase of the fuel cell system as much as possible.

도 1은 본 발명에 따른 연료개질기 부산물로부터 산화제 생성이 가능한 연료전지 추진시스템이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 추진시스템이 수증기 개질 방식의 연료개질기로 구성된 예이며, 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 추진시스템이 자열 개질 방식의 연료개질기로 구성된예이다.FIG. 2 is a view showing an example in which the fuel cell propulsion system according to the present invention is constituted by a steam reforming type fuel reformer, and FIG. 3 is a schematic view of a fuel cell propulsion system according to the present invention. The fuel cell propulsion system is an example of a fuel reformer of the self-heating type.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which illustrate exemplary embodiments of the present invention. The present invention is not limited to these embodiments.

도 1은 본 발명에 따른 연료개질기 부산물로부터 산화제 생성이 가능한 연료전지 추진시스템을 나타낸다.1 shows a fuel cell propulsion system capable of generating an oxidizer from a fuel reformer byproduct according to the present invention.

도시된 바와 같이, 연료전지 추진시스템은 연료펌프(10), 워터펌프(20), 수소와 산소로부터 전기를 생성하는 연료전지 모듈(42), 연료전지 모듈의 연료인 수소를 생성하기 위한 연료 프로세서(50), 산화제인 산소를 공급하도록 액화상태로 저장하는 산소저장장치(100)를 기본 구성으로 하여 구축된다.As shown, the fuel cell propulsion system includes a fuel pump 10, a water pump 20, a fuel cell module 42 for generating electricity from hydrogen and oxygen, a fuel processor 42 for generating hydrogen, (50), and an oxygen storage device (100) for storing oxygen in the liquefied state to supply oxygen as an oxidant.

상기 연료펌프(10)는 연료펌프라인(11)으로 연료 프로세서(50)에 연결되고, 연료펌프라인(11)을 통해 연료 프로세서(50)에서 요구되는 연료를 공급한다. 상기 워터펌프(20)는 워터펌프라인(21)으로 연료 프로세서(50)에 연결되고, 워터펌프라인(21)을 통해 연료 프로세서(50)에서 요구되는 물을 공급한다.The fuel pump 10 is connected to the fuel processor 50 via a fuel pump line 11 and supplies the fuel required by the fuel processor 50 through the fuel pump line 11. The water pump 20 is connected to the fuel processor 50 via a water pump line 21 and supplies the water required by the fuel processor 50 through the water pump line 21.

상기 연료전지 모듈(42)은 수소를 공급받아 전기화학반응이 일어나는 연료극(40)과, 산소를 공급받아 전기화학반응이 일어나는 공기극(41)이 포함된다.The fuel cell module 42 includes a fuel electrode 40 through which an electrochemical reaction takes place by receiving hydrogen, and an air electrode 41 through which an electrochemical reaction occurs by receiving oxygen.

상기 연료프로세서(50)는 연료펌프(10) 및 워터펌프(20)로부터 반응물들을 공급받아 작동되며, 경우에 따라 연료+물(수증기 개질)방식, 연료+물+산소(자열개질) 방식을 선택할 수 있다. 상기 연료+물(수증기 개질)방식은 도 2를 통해 예시되며, 상기 연료+물+산소(자열개질) 방식은 도 3을 통해 예시된다.The fuel processor 50 is operated by receiving reactants from the fuel pump 10 and the water pump 20 and may select the fuel + water (steam reforming) system or the fuel + water + oxygen . The fuel + water (steam reforming) scheme is illustrated in FIG. 2, and the fuel + water + oxygen reforming scheme is illustrated in FIG.

상기 연료 프로세서(50)의 내부에는 열교환기(51)와, 연료프로세서(50)의 생성물중 수증기를 액체 상태의 물로 전환해줌으로써 수증기를 외부로 배출해주는 내부기액분리기(52)가 더 구비된다.The fuel processor 50 further includes a heat exchanger 51 and an internal gas-liquid separator 52 for converting water vapor in the product of the fuel processor 50 into liquid water to discharge water vapor to the outside.

상기 열교환기(51)는 연료프로세서(50)의 내부로 존재하는 다수 반응기의 각각에 대한 입구온도를 제어하도록 반응기 수량에 맞춰 구비된다. 상기 열교환기(51)는 공급된 물을 수증기로 기화시켜줌으로써 각 반응기의 입구온도를 물을 통해 제어한다. 이러한 과정에서 물은 열교환기(51)를 통해 연료프로세서(50)로부터 버려지는 열을 회수한다.The heat exchanger 51 is fitted to the reactor quantity to control the inlet temperature for each of the plurality of reactors present inside the fuel processor 50. The heat exchanger (51) controls the temperature of the inlet of each reactor through water by vaporizing the supplied water with steam. In this process, the water recovers heat from the fuel processor 50 through the heat exchanger 51.

특히, 상기 연료프로세서(50)는 탄화수소 계열의 연료를 수증기 혹은 수증기 및 산소와 반응시켜 다량의 수소가 포함되어 있는 생성물을 만들어 주고, 생성물에는 다량의 수소뿐만 아니라 이산화탄소, 수증기, 일산화탄소가 포함된다. 이 중 수소는 연료전지 모듈(42)의 연료극(41)으로 공급됨으로써 전기화학반응에 참여하게 되고, 전기화학반응에 관여하지 않아 불필요한 나머지 물질은 산소가 포함되어 있는 산화물과 추가적인 화학반응으로 고순도의 산소 생성에 사용된다.In particular, the fuel processor 50 reacts a hydrocarbon-based fuel with water vapor or steam and oxygen to produce a product containing a large amount of hydrogen. The product includes not only a large amount of hydrogen but also carbon dioxide, water vapor, and carbon monoxide. In this case, hydrogen is supplied to the fuel electrode 41 of the fuel cell module 42 to participate in the electrochemical reaction. Since the hydrogen is not involved in the electrochemical reaction, the unnecessary remaining substance is further chemically reacted with the oxygen- It is used for oxygen production.

그러므로, 상기 연료전지 추진시스템에는 외부 기액분리기(60), 이산화탄소 분리기(70), 열교환기(51)로 공급되는 물을 저장하는 외부 반응수 탱크(80), 산소발생기(90)가 더 포함된다.Therefore, the fuel cell propulsion system further includes an external gas-liquid separator 60, a carbon dioxide separator 70, an external reaction water tank 80 for storing water supplied to the heat exchanger 51, and an oxygen generator 90 .

상기 외부 기액분리기(60)는 연료프로세서(50)로부터 생성된 생성물중 수분을 제거한다. 이와 같이 수분을 제거하는 이유는 연료프로세서(50)에서 생성된 수증기는 100도 이하의 온도에서는 액체상태로 존재하므로 연료전지 모듈(42)에 공급하기 이전에는 수분을 제거하기 위함이다.The external gas-liquid separator 60 removes moisture from the product generated from the fuel processor 50. The reason for removing moisture is that the water vapor generated in the fuel processor 50 exists in a liquid state at a temperature of 100 degrees or less, so that water is removed before supplying the fuel to the fuel cell module 42.

상기 이산화탄소 분리기(70)는 연료프로세서(50)가 부산물을 이용한 생성물에서 이산화탄소도 제거하고, 제거된 이산화탄소를 저장하도록 외부 이산화탄소 저장탱크(71)가 라인(72)으로 연결된다. 그러므로, 이산화탄소 분리기(70)를 거친 생성물에서는 수소 순도가 높아질 수 있다.The carbon dioxide separator 70 connects the external carbon dioxide storage tank 71 to the line 72 so that the fuel processor 50 also removes carbon dioxide from the product using byproducts and stores the removed carbon dioxide. Therefore, the hydrogen purity can be increased in products obtained through the carbon dioxide separator 70.

특히, 상기 외부 이산화탄소 저장탱크(71)는 수중함 외부공간으로 이어진 라인(73)을 통해 저장된 이산화탄소를 함 외부로 배출하거나 또는 다른 라인(74)으로 이어진 산소발생기(90)로 공급할 수 있다Particularly, the external carbon dioxide storage tank 71 may discharge the stored carbon dioxide through the line 73 leading to the outside space underwater, or may supply it to the oxygen generator 90 which leads to another line 74

상기 외부 반응수 탱크(80)는 라인(61)으로 외부 기액분리기(60)와 연결됨으로서 외부 기액분리기(60)에서 생성된 물을 저장한다. 특히, 상기 외부 반응수 탱크(80)는 수중함 외부공간으로 이어진 라인(81)을 통해 저장된 물을 함 외부로 배출하거나 또는 다른 라인(82)으로 이어진 열교환기(51)로 공급할 수 있다.The external reaction water tank 80 is connected to the external gas-liquid separator 60 through a line 61 to store the water generated in the external gas-liquid separator 60. Particularly, the external reaction water tank 80 can discharge the stored water through the line 81 leading to the external space underwater or to the heat exchanger 51 connected to the other line 82.

상기 산소발생기(90)는 열교환기(51)에 이어진 라인(83)을 통해 외부 반응수 탱크(80)의 물이 공급되거나 또는 외부 이산화탄소 저장탱크(71)에 이어진 라인(74)을 통해 이산화탄소가 공급된다. 필요 시 산소발생기(90)는 물과 이산화탄소를 함께 공급받을 수 있다.The oxygen generator 90 is supplied with water from the external reaction water tank 80 through a line 83 connected to the heat exchanger 51 or through a line 74 connected to the external carbon dioxide storage tank 71, . If necessary, the oxygen generator 90 can be supplied with water and carbon dioxide.

특히, 산소발생기(90)에는 외부 반응수 탱크(80)에 저장된 물이 열교환기(51)로 공급되어 수증기로 기화된 후 공급됨으로써 산소발생기(90)에서 산화물과 균질하게 화학반응을 일으킬 수 있다.Particularly, the water stored in the external reaction water tank 80 is supplied to the heat generator 51 and is supplied to the oxygen generator 90 after being vaporized by steam, so that the oxygen generator 90 can uniformly chemically react with oxides in the oxygen generator 90 .

이와 같이 구성된 연료전지 추진시스템이 작동되면, 연료프로세서(50)에서는 전기화학반응에 관여하지 않아 불필요한 부산물은 산소가 포함되어 있는 산화물중 KO2, CaO2 과 추가적인 화학반응으로 고순도의 산소 생성이 이루어진다.When the fuel cell propulsion system configured as described above is operated, the fuel processor 50 does not participate in the electrochemical reaction, and unnecessary by-products are produced with high purity oxygen by additional chemical reaction with KO2 and CaO2 among oxygen-containing oxides.

일례로, 산화물인 KO2가 수증기와 이산화탄소를 만나게 되면 아래와 같은 화학반응식에 의해서 산소가 생성되는 방식이다.For example, when the oxide KO2 meets water vapor and carbon dioxide, oxygen is produced by the following chemical reaction formula.

4KO2 + 2H2O + 4CO2 --> 4KHCO3 + 3O2 4KO 2 + 2H 2 O + 4CO 2 -> 4KHCO 3 + 3O 2

또는or

4KO2 + 2H2O --> 4KOH + 3O2 4KO 2 + 2H 2 O -> 4KOH + 3O 2

또는or

4KO2 + 2CO2 --> 2K2CO3 + 3O2 4KO 2 + 2CO 2 - > 2K 2 CO 3 + 3O 2

그러므로, 연료프로세서(50)로 이동한 부산물이 산화물과 만남으로써 산소가 발생된다. 이러한 산소는 다시 연료전지 모듈(42)의 공기극(41)에 공급됨으로써 연료전지 모듈(42)에서 필요로 하는 산소가 산소저장장치(100)를 이용하지 않고서도 공급될 수 있다. 필요 시 연료전지 모듈(42)에는 산소저장장치(100)에서 공급되는 산소와 혼합해서 공급이 가능할 수 도 있다. Therefore, byproducts traveling to the fuel processor 50 encounter oxygen and oxygen is generated. This oxygen is supplied again to the air electrode 41 of the fuel cell module 42 so that oxygen required by the fuel cell module 42 can be supplied without using the oxygen storage device 100. [ If necessary, the fuel cell module 42 may be mixed with oxygen supplied from the oxygen storage device 100 to be supplied.

이로 인해, 연료전지 모듈(42)은 연료프로세서(50)에서 공급되는 수소와 함께 연료프로세서(50)에서 단독으로 공급되는 산소나 또는 산소저장장치(100)와 함께 공급되는 산소에 의해서 전기화학반응이 일어남으로써 전기가 생성된다.This allows the fuel cell module 42 to perform an electrochemical reaction with oxygen supplied alone from the fuel processor 50 or oxygen supplied with the oxygen storage device 100 together with the hydrogen supplied from the fuel processor 50 Electricity is generated.

한편, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 추진시스템이 수증기 개질 방식의 연료개질기로 구성된 예를 나타낸다.Meanwhile, FIG. 2 shows an example in which the fuel cell propulsion system according to the present invention is composed of a steam reforming type fuel reformer.

도시된 바와 같이, 연료전지 추진시스템은 연료펌프(10)가 연료펌프라인(11)으로 연결되고 더불어 워터펌프(20)가 워터펌프라인(21)으로 연결된 수증기 개질 방식 연료개질기(200-1), 연료극(40)과 공기극(41)을 갖춘 연료전지 모듈(42), 후처리장치(300), 산소공급장치(400), 액체산소탱크(500)로 구성된다.As shown, the fuel cell propulsion system includes a steam reforming type fuel reformer 200-1 in which a fuel pump 10 is connected to a fuel pump line 11 and a water pump 20 is connected to a water pump line 21, A fuel cell module 42 having a fuel electrode 40 and an air electrode 41, a post-treatment device 300, an oxygen supply device 400, and a liquid oxygen tank 500.

상기 수증기 개질 방식 연료개질기(200-1)는 연료+물을 이용한 수증기 개질 방식으로 가동된다. 그러므로, 수증기 개질 방식 연료개질기(200-1)에는 액체산소탱크(500)를 통한 산소 공급이 요구되지 않는다.The steam reforming type fuel reformer 200-1 is operated by steam reforming using fuel + water. Therefore, oxygen supply through the liquid oxygen tank 500 is not required for the steam reforming type fuel reformer 200-1.

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그리고, 상기 산소공급장치(400)는 후처리장치(300)에서 공급된 산화제인 산소를 연료전지 모듈(42)로 공급하며, 상기 액체산소탱크(500)는 산화제인 산소를 연료전지 모듈(42)로 공급한다.The oxygen supply device 400 supplies oxygen, which is an oxidizing agent supplied from the post-treatment device 300, to the fuel cell module 42. The liquid oxygen tank 500 oxidizes oxygen, which is an oxidant, ).

한편, 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 추진시스템이 자열 개질 방식의 연료개질기로 구성된예를 나타낸다.Meanwhile, FIG. 3 shows an example in which the fuel cell propulsion system according to the present invention is composed of a fuel reformer of a self-heating type.

도시된 바와 같이, 연료전지 추진시스템은 연료펌프(10)가 연료펌프라인(11)으로 연결되고 더불어 워터펌프(20)가 워터펌프라인(21)으로 연결된 자열 개질 방식 연료개질기(200-2), 연료극(40)과 공기극(41)을 갖춘 연료전지 모듈(42), 후처리장치(300), 산소공급장치(400), 액체산소탱크라인(500-1)을 통해 자열 개질 방식 연료개질기(200-2)로 이어진 액체산소탱크(500)로 구성된다.As shown in the figure, the fuel cell propulsion system includes a self-heating reforming fuel reformer 200-2 in which the fuel pump 10 is connected to the fuel pump line 11 and the water pump 20 is connected to the water pump line 21, A fuel cell module 42 having a fuel electrode 40 and an air electrode 41, a post-treatment unit 300, an oxygen supply unit 400, and a liquid oxygen tank line 500-1. And a liquid oxygen tank 500 connected to the liquid tank 200-2.

상기 자열 개질 방식 연료개질기(200-2)는 연료+물+산소를 이용한 자열개질방식으로 가동된다. 이를 위해, 자열 개질 방식 연료개질기(200-2)는 액체산소탱크라인(500-1)으로 액체산소탱크(500)에 이어지고, 액체산소탱크(500)의 산소가 액체산소탱크라인(500-1)을 통해 공급된다.The autothermal reforming type fuel reformer 200-2 is operated by a self-heating reforming system using fuel + water + oxygen. The autothermal reforming fuel reformer 200-2 is connected to the liquid oxygen tank 500 through the liquid oxygen tank line 500-1 and the oxygen in the liquid oxygen tank 500 is connected to the liquid oxygen tank line 500-1 ).

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그리고, 상기 산소공급장치(400)는 후처리장치(300)에서 공급된 산화제인 산소를 연료전지 모듈(42)로 공급하며, 상기 액체산소탱크(500)는 산화제인 산소를 연료전지 모듈(42)로 공급한다.The oxygen supply device 400 supplies oxygen, which is an oxidizing agent supplied from the post-treatment device 300, to the fuel cell module 42. The liquid oxygen tank 500 oxidizes oxygen, which is an oxidant, ).

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료개질기 부산물로부터 산화제 생성이 가능한 연료전지 추진시스템에는 내부에 구비된 반응기의 입구온도가 물의 수증기 기화로 제어하는 적어도 1개 이상의 열교환기(51)를 갖추고, 상기 생성물중 수증기가 액체 상태의 물로 전환되어 외부로 배출시키는 내부기액분리기(52)를 구비한 연료프로세서(50)가 포함되고, 상기 연료프로세서(50)는 KO2, CaO2 산화물을 수증기나 수증기 및 산소와 반응시켜 수소가 포함된 생성물을 만들고, 상기 생성물중 수소가 제외된 부산물로부터 고순도의 산소를 생성함으로써 불필요한 부산물 처리를 위해 함내에 설치되던 저장 탱크 크기가 크게 축소되고, 특히 산소 생성으로 연료전지 시스템의 부피/무게 증가는 최대한으로 억제하면서도 시스템 운전시간은 크게 증가된다.As described above, the fuel cell propulsion system capable of generating the oxidizer from the fuel reformer by-product according to the present embodiment is provided with at least one heat exchanger (51) for controlling the inlet temperature of the reactor provided therein by water vaporization of water, (50) having an internal gas-liquid separator (52) for converting water vapor in the product into liquid water and discharging it to the outside, and the fuel processor (50) To produce hydrogen-containing products, and by producing high-purity oxygen from the hydrogen-free byproducts of the products, the size of the storage tank installed in the vessel is greatly reduced for treating unnecessary by-products. Particularly, The volume / weight increase of the system is suppressed as much as possible while the system operation time is greatly increased.

10 : 연료펌프 11 : 연료펌프라인
20 : 워터펌프 21 : 워터펌프라인
40 : 연료극 41 : 공기극
42 : 연료전지 모듈
50 : 연료프로세서 51 : 열교환기
52 : 내부 기액분리기 60 : 외부 기액분리기
70 : 이산화탄소 분리기 71 : 외부 이산화탄소 저장탱크
80 : 외부 반응수 탱크 90 : 산소발생기
100 : 산소저장장치
200-1 : 수증기 개질 방식 연료개질기
200-2 : 자열 개질 방식 연료개질기
300 : 후처리장치 400 : 산소공급장치
500 : 액체산소탱크 500-1 : 액체산소탱크라인10: fuel pump 11: fuel pump line
20: water pump 21: water pump line
40: anode 41: cathode
42: Fuel cell module
50: fuel processor 51: heat exchanger
52: internal gas-liquid separator 60: external gas-liquid separator
70: carbon dioxide separator 71: external carbon dioxide storage tank
80: external reaction water tank 90: oxygen generator
100: oxygen storage device
200-1: Steam reforming type fuel reformer
200-2: Autothermal reforming type fuel reformer
300: Post-treatment device 400: Oxygen supply device
500: Liquid oxygen tank 500-1: Liquid oxygen tank line

Claims (10)

연료펌프, 워터펌프, 수소와 산소로부터 전기를 생성하는 연료전지 모듈, 연료전지 모듈의 연료인 수소를 생성하기 위한 연료 프로세서, 산화제인 산소를 공급하도록 액화상태로 저장하는 산소저장장치가 포함되고;
상기 연료프로세서는 탄화수소 계열의 연료를 수증기나 수증기 및 산소와 반응시켜 수소가 포함되어 있는 생성물을 만들고, 상기 생성물중 수소가 제외된 부산물로부터 고순도의 산소를 생성하며, 내부에 구비된 반응기의 입구온도가 물의 수증기 기화로 제어하는 적어도 1개 이상의 열교환기를 갖추고, 상기 생성물중 수증기가 액체 상태의 물로 전환되어 외부로 배출시키는 내부기액분리기를 구비한 것을 특징으로 하는 연료개질기 부산물로부터 산화제 생성이 가능한 연료전지 추진시스템.
A fuel pump, a water pump, a fuel cell module for generating electricity from hydrogen and oxygen, a fuel processor for generating hydrogen which is fuel of the fuel cell module, and an oxygen storage device for storing in a liquefied state to supply oxygen which is an oxidant;
The fuel processor reacts the hydrocarbon-based fuel with water vapor, water vapor, and oxygen to produce hydrogen-containing products, produces high purity oxygen from the hydrogen-free byproducts of the products, And an internal gas-liquid separator for converting the water vapor in the product into liquid water and discharging the water vapor to the outside, characterized by comprising at least one heat exchanger for controlling water vaporization of water, Propulsion system.
청구항 1에 있어서, 상기 고순도의 산소 생성은 KO2, CaO2 산화물중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 연료개질기 부산물로부터 산화제 생성이 가능한 연료전지 추진시스템.
The fuel cell propulsion system according to claim 1, wherein the high-purity oxygen generation uses any one of KO2 and CaO2 oxides.
청구항 1에 있어서, 상기 연료프로세서로부터 생성된 생성물중 수분 제거가 이루어지는 외부 기액분리기, 상기 연료프로세서의 부산물을 이용한 생성물에서 이산화탄소를 제거하는 이산화탄소 분리기, 상기 외부 기액분리기에 연결되어 상기 외부 기액분리기에서 생성된 물을 저장하는 외부 반응수 탱크, 상기 외부 반응수 탱크에 저장된 물이 공급되거나 상기 이산화탄소분리기에 연결되어져 제거된 이산화탄소를 저장한 외부이산화탄소저장탱크의 이산화탄소가 공급되는 산소발생기가 더 포함된 것을 특징으로 하는 연료개질기 부산물로부터 산화제 생성이 가능한 연료전지 추진시스템.
[Claim 2] The method according to claim 1, further comprising: an external gas-liquid separator for removing water from the product generated from the fuel processor; a carbon dioxide separator for removing carbon dioxide from a product using a byproduct of the fuel processor; And an oxygen generator to which carbon dioxide is supplied from an external carbon dioxide storage tank storing carbon dioxide removed by supplying water stored in the external reaction water tank or connected to the carbon dioxide separator. Wherein the oxidizer is generated from the fuel reformer byproduct.
청구항 3에 있어서, 상기 산소발생기에서 생성된 산소는 상기 연료전지 모듈의 공기극에 공급되거나, 상기 연료전지 모듈로 공급되는 산소를 저장한 상기 산소저장장치의 산소와 함께 공급되는 것을 특징으로 하는 연료개질기 부산물로부터 산화제 생성이 가능한 연료전지 추진시스템.
4. The fuel reformer according to claim 3, wherein the oxygen generated in the oxygen generator is supplied to the cathode of the fuel cell module or is supplied together with oxygen of the oxygen storage device storing oxygen supplied to the fuel cell module. A fuel cell propulsion system capable of generating an oxidizer from byproducts.
삭제delete 청구항 3에 있어서, 상기 외부 반응수 탱크에 저장된 물은 상기 열교환기로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료개질기 부산물로부터 산화제 생성이 가능한 연료전지 추진시스템.
The fuel cell propulsion system according to claim 3, wherein water stored in the external reaction water tank is supplied to the heat exchanger.
청구항 3에 있어서, 상기 산소발생기에는 상기 외부 반응수 탱크에 저장된 물이 상기 열교환기로 공급되어 수증기로 기화된 후 공급되는 것을 특징으로 하는 연료개질기 부산물로부터 산화제 생성이 가능한 연료전지 추진시스템.
[Claim 5] The fuel cell propulsion system according to claim 3, wherein the oxygen generator is supplied with water stored in the external reaction water tank after being supplied to the heat exchanger and vaporized by steam.
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