KR101621616B1 - 잠수함의 금속연료 재생 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

잠수함의 금속연료 재생 시스템 및 방법에 관하여 개시한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 잠수함 내에서 금속연료를 저장하는 금속연료저장소와, 금속연료를 이용하여 수소를 발생시키는 반응기와, 반응기로부터 발생된 수소를 제공받는 연료전지 및, 잠수함의 압력선체 외부에 구비되며, 반응기에서 반응에 이용되고 남은 금속 산화물 또는 수산화물을 환원시켜 금속연료저장소로 공급하는 환원플랜트를 포함하는 잠수함의 금속연료 재생 시스템을 제공할 수 있다.

Description

잠수함의 금속연료 재생 시스템 및 방법{SUBMARINE METAL FUEL RECYCLING SYSTEM AND METHOD THEREOF}
본 발명은 잠수함의 금속연료 재생 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 잠수함 내의 반응기에서 반응에 이용되고 남은 금속 산화물 또는 수산화물을 고순도의 금속연료로 환원시켜 금속연료를 재사용할 수 있는 잠수함의 금속연료 재생 시스템 및 방법에 관한 것이다.
잠수함의 에너지 저장수단으로서 배터리 이외에 연료전지(fuel cell)의 사용이 크게 늘어나고 있다.
연료전지는 연료의 산화에 의해 생기는 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 장치로서, 수소와 같은 기체 반응물질을 외부에서 연속적으로 공급하여 전기의 생성을 도모하고, 반응 후 생성물질은 연속적으로 외부로 배출시킬 수 있다. 즉, 연료전지는 고효율의 무공해 발전장치이다.
한편, 고순도의 금속, 예를 들면 알루미늄, 마그네슘, 아연, 나트륨 등은 특정한 조건에서 산성/알칼리 용액과 반응하게 되어 수소를 발생시킬 수 있으며, 이를 금속연료라 지칭한다.
일반적인 경우 금속연료를 반응기(reactor)에 공급하여 전해질과 반응으로 수소를 생성시키고, 이 수소를 이용하여 에너지 생성을 달성한다. 그리고 이와 같은 과정에서 금속연료는 반응을 거쳐 금속 산화물 또는 수산화물로 변화된다.
그런데 이와 같은 종래의 방식에 따를 경우, 상기와 같은 반응을 거쳐 변화된 금속 산화물 또는 수산화물을 다시 재생시켜 금속원료로 활용하기에 어려움이 있었으므로, 이에 대한 개선 방안이 요청된다.
연료전지의 연료 공급 시스템(대한민국 공개특허공보 제10-2014-0064378호)
본 발명은 잠수함 내의 반응기에서 반응에 이용되고 남은 금속 산화물 또는 수산화물을 고순도의 금속연료로 환원시켜 금속연료저장소로 공급하여 재사용할 수 있는 잠수함의 금속연료 재생 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 잠수함 내에서 금속연료를 저장하는 금속연료저장소; 상기 금속연료를 이용하여 수소를 발생시키는 반응기; 상기 반응기로부터 발생된 수소를 제공받는 연료전지; 및 상기 잠수함의 압력선체 외부에 구비되며, 상기 반응기에서 반응에 이용되고 남은 금속 산화물 또는 수산화물을 환원시켜 상기 금속연료저장소로 공급하는 환원플랜트를 포함하는 잠수함의 금속연료 재생 시스템을 제공한다.
상기 금속연료저장소, 상기 반응기 및 상기 연료전지는, 상기 잠수함의 압력선체 내부에 구비될 수 있다.
상기 반응기 및 상기 환원플랜트는, 상기 잠수함에 구비된 디젤 발전기로부터 필요한 전원을 제공받을 수 있다.
상기 반응기는, 상기 잠수함 주변의 해수를 공급받아 전해질로 이용할 수 있다.
상기 환원플랜트는, 상기 금속 산화물 또는 수산화물을 전기분해 하여 상기 금속연료로 이용 가능한 형태로 환원시킬 수 있다.
상기 환원플랜트는, 상기 잠수함 주변의 해수를 공급받아 상기 금속 산화물 또는 수산화물을 환원시키는 원료로 이용할 수 있다.
상기 반응기로부터 상기 금속 산화물 또는 수산화물을 상기 환원플랜트로 공급해주는 제1배관; 및 상기 환원플랜트에서 환원된 금속을 상기 금속연료저장소로 공급해주는 제2배관을 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 잠수함의 압력선체 내부에서 금속연료를 이용하여 수소를 발생시키는 수소발생단계; 상기 수소 발생 반응 후의 금속 산화물 또는 수산화물을 상기 압력선체 외부의 환원플랜트로 공급하는 환원플랜트 공급단계; 상기 환원플랜트 내에서 상기 금속 산화물 또는 수산화물을 고순도의 금속으로 환원시키는 금속 환원단계; 및 상기 환원된 금속을 금속연료저장소에 공급하여 금속연료로 재사용하는 금속연료 재사용단계를 포함하는 잠수함의 금속연료 재생 방법을 제공한다.
상기 수소발생단계에서, 상기 잠수함 주변의 해수를 공급받아 상기 수소를 발생시키는 데 필요한 전해질로 이용할 수 있다.
상기 수소발생단계 및 상기 금속 환원단계에서 필요한 전원은 상기 잠수함에 구비된 디젤 발전기로부터 제공받을 수 있다.
상기 금속 환원단계에서, 상기 금속 산화물 또는 수산화물을 전기분해 할 수 있다.
상기 금속 환원단계에서, 상기 잠수함 주변의 해수를 공급받아 상기 금속 산화물 또는 수산화물을 환원시키는 원료로 이용할 수 있다.
본 발명인 잠수함의 금속연료 재생 시스템 및 방법에 의하면 잠수함 내의 반응기에서 반응에 이용되고 남은 금속 산화물 또는 수산화물을 고순도의 금속원료로 재생시켜 금속연료저장소로 다시 공급해 줄 수 있는 장점이 있다.
또한, 잠수함 주변으로부터 쉽게 공급받을 수 있는 해수를 반응기의 전해질과 환원플랜트에서 필요한 원료로 사용이 가능한 장점이 있다.
또한, 잠수함 내에 구비된 디젤 발전기로부터 전원을 공급받을 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잠수함의 금속연료 재생 시스템을 간략히 도시한 개념도.
도 2는 마그네슘의 환원반응을 이용한 잠수함의 금속연료 재생 시스템의 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잠수함의 금속연료 재생 방법을 간략히 도시한 순서도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
그리고 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 잠수함의 금속연료 재생 시스템 및 방법에 관하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잠수함의 금속연료 재생 시스템을 간략히 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 잠수함의 금속연료 재생 시스템(100)은 금속연료저장소(110), 반응기(120), 연료전지(130) 및 환원플랜트(140)를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 금속연료저장소(110), 상기 반응기(120) 및 상기 연료전지(130)는 잠수함(1)의 압력선체(10) 내부에 구비될 수 있다. 이에 따라, 잠수함의 안전성을 확보할 수 있으며 연료충전의 편의성을 향상시킬 수 있다.
금속연료저장소(110)는 잠수함 내에서 금속연료를 저장하는 장소에 해당될 수 있다.
여기서, 금속연료라 함은, 고순도의 금속, 예를 들면 알루미늄, 마그네슘, 아연, 나트륨 등의 금속으로서, 특정한 조건에서 산성/알칼리 용액과 반응하게 되어 수소를 발생시킬 수 있는 연료를 말한다.
예컨대, 상기 금속연료를 입경이 매우 작은 분말형태로 만들어 접촉면적을 늘일 경우에는 고온상태가 아니라도 충분한 양의 수소를 발생시킬 수 있는 효과를 가져올 수 있다.
금속연료저장소(110)는 상기 금속연료를 잠수함 내에 저장하기 위한 수용공간을 제공한다.
반응기(120)는 상기 금속연료를 수소를 발생시키는 반응장치이다.
상기 반응기(120)는 상기 금속연료저장소(110)로부터 공급된 금속연료를 전해질과 반응시켜 수소를 생성해낸다. 그리고 이 수소는 연료전지(130)를 비롯한 다양한 수소소비장치(예: 수소엔진 등)로 보내져 활용될 수 있다.
한편, 상기 반응기(120)는 상기 잠수함(1) 주변으로부터 손쉽게 얻을 수 있는 해수를 전해질로 이용할 수 있다.
그리고 상기 반응기(120)에서 필요한 전원은 상기 잠수함(1) 내에 이미 장착되어 있는 디젤 발전기(150)로부터 공급받을 수 있다.
연료전지(130)는 상기 반응기(120)에서 발생된 수소를 제공받아 전기 에너지를 발생시키는 장치이다.
상기 연료전지(130)는 상기 금속연료저장소(110)와 상기 반응기(120)와 함께 상기 잠수함(1)의 압력선체 내부에 구비될 수 있다.
한편, 상기 반응기에서 반응에 이용되고 남은 금속 산화물 또는 수산화물은 환원플랜트(140)로 보내져 고순도의 금속(즉, 금속연료)으로 재생될 수 있다.
환원플랜트(140)는 상기 반응기에서 수소를 발생시키는 반응에 이용되고 남은 금속 산화물 또는 수산화물을 환원시키는 장치로서, 바람직하게는 상기 잠수함(1)의 압력선체(10) 외부에 구비될 수 있다.
상기 환원플랜트(140)에서 필요한 전원은 상기 잠수함(1) 내에 이미 장착되어 있는 디젤 발전기(150)로부터 공급받을 수 있다.
그리고 상기 환원플랜트(140)는 상기 금속 산화물 또는 수산화물을 전기분해 하여 고순도의 금속(즉, 금속연료)으로 환원시킬 수 있다.
이때, 상기 환원플랜트(140)는 상기 잠수함(1) 주변의 해수를 손쉽게 공급받아 상기 금속 산화물 또는 수산화물을 전기분해 하는데 필요한 원료로 이용할 수 있다.
상기 환원플랜트(140)와 반응기(120), 그리고 상기 환원플랜트(140)와 금속연료저장소(110) 사이에는 다수의 배관이 연결될 수 있다.
예컨대, 상기 반응기(120)에서 반응을 마치고 남은 금속 산화물 또는 수산화물이 상기 환원플랜트로 공급되는 제1배관(141)을 포함할 수 있다.
그리고 상기 환원플랜트에서 환원된 고순도의 금속(즉, 금속연료)을 상기 금속연료저장소(110)로 공급해 주기 위한 제2배관(143)을 포함할 수 있다.
다만, 이와 같은 배관의 위치, 형상에 본 발명은 한정되지 않는다.
이와 같이, 잠수함 내의 반응기에서 반응에 이용되고 남은 금속 산화물 또는 수산화물을 고순도의 금속원료로 재생시켜 금속연료저장소로 다시 공급해 줄 수 있는 장점이 있다. 그리고 잠수함 주변으로부터 쉽게 공급받을 수 있는 해수를 반응기의 전해질과 환원플랜트에서 필요한 원료로 사용이 가능하며, 상기 반응기 및 환원플랜트에서 필요한 전원은 잠수함 내의 디젤 발전기로부터 손쉽게 공급받을 수 있다.
다음으로, 도 2를 참조하여 마그네슘의 환원반응을 이용하여 잠수함 내에서 고순도의 금속연료를 재생하는 시스템에 관하여 설명하기로 한다.
도 2는 마그네슘의 환원반응을 이용한 잠수함의 금속연료 재생 시스템의 예시도 이다.
도 2를 참조하면, 금속연료저장소(110)로서 마그네슘 연료탱크(Mg Tank)가 구비되며, 반응기(Reactor)(120), 연료전지(Fuel Cell)(130) 및 환원플랜트(Plant)(140)가 포함될 수 있다. 그리고 디젤 발전기(DG)(150)가 구비된다.
먼저, 금속연료저장소(110)에 저장된 마그네슘(Mg)이 반응기(120)로 보내어지면, 상기 반응기(120) 에서는 아래의 [화학반응식 1]에 따른 반응이 일어난다.
[화학반응식 1]
Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2
상기 [화학반응식 1]에 따라 상기 반응기(120)에서 생성된 수소(H2)는 연료전지(130)로 공급될 수 있다.
한편, 상기 반응기(120)에서 수소 발생에 이용되고 남은 Mg(OH)2는 상기 환원플랜트(140)로 보내진다.
상기 환원플랜트(140)에서는 해수 내에 존재하는 염소와 해수 내 존재하는 수소로부터 얻을 수 있는 염산(HCl)을 상기 반응기(120)로부터 제공받은 Mg(OH)2와 반응시켜 아래의 [화학반응식 2]와 같은 화학반응을 일으킨다.
[화학반응식 2]
Mg(OH)2 + 2HCl → MgCl2 + 2H2O
이로써, 상기 [화학반응식 2]를 통해 염소화합물인 MgCl2과 물(H2O)이 만들어진다.
한편, 상기 염소화합물인 MgCl2은 전기분해를 통해 아래의 [화학반응식 3]과 같은 화학반응이 일어난다.
[화학반응식 3]
Mg2 + + 2e- → Mg
2Cl- → Cl2(g) + 2e-
이로써, 고순도의 마그네슘(Mg)으로 환원되고, 이는 금속연료저장소(110)인 마그네슘 연료탱크(Mg Tank)로 공급되어 재사용될 수 있다. 그리고 Cl2는 염화나트륨(NaCl)으로 만들어질 수 있다.
이와 같은 마그네슘의 환원반응은 하나의 바람직한 예로서, 반드시 이에 제한될 필요는 없다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 잠수함의 금속연료 재생 방법에 관하여 살펴보기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잠수함의 금속연료 재생 방법을 간략히 도시한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 잠수함의 금속연료 재생 방법은 수소발생단계(S100), 환원플랜트 공급단계(S200), 금속 환원단계(S300) 및 금속연료 재사용단계(S400)를 포함한다.
수소발생단계(S100)
본 단계는 수소발생단계로서, 잠수함의 압력선체 내부에 구비된 금속연료저장소로부터 반응기 쪽으로 금속연료를 공급하여 반응기 내에서 금속연료를 반응시켜 수소를 발생시키는 단계에 해당한다. 이 단계에서 발생된 수소는 연료전지 또는 수소엔진 등의 잠수함 내 수소소비장치로 공급될 수 있다.
그리고 이 단계에서 필요한 전원은 잠수함의 디젤 발전기로부터 공급받을 수 있으며, 반응에 필요한 전해질은 잠수함 주변으로부터 손쉽게 얻을 수 있는 해수를 이용할 수 있다.
환원플랜트 공급단계(S200)
본 단계는 환원플랜트 공급단계로서, 상기 수소 발생 반응 후에 남은 금속 산화물 또는 수산화물을 상기 잠수함의 압력선체 외부에 구비된 환원플랜트로 공급하는 단계에 해당한다.
금속 환원단계(S300)
본 단계는 금속 환원단계로서, 상기 환원플랜트 내에서 반응기로부터 공급받은 상기 금속 산화물 또는 수산화물을 전기분해 등의 방식으로 환원시켜 고순도의 금속으로 환원시키는 단계에 해당한다.
그리고 이 단계에서 필요한 전원은 잠수함의 디젤 발전기로부터 공급받을 수 있으며, 환원에 필요한 산 원료 등은 잠수함 주변으로부터 손쉽게 얻을 수 있는 해수를 이용할 수 있다.
금속연료 재사용단계(S400)
본 단계는 금속연료 재사용단계로서, 이전 단계에서 환원플랜트를 거쳐 환원된 고순도의 금속(즉, 금속연료)를 금속연료저장소로 공급하여, 금속연료로 재사용하는 단계에 해당한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면, 잠수함 내의 반응기에서 반응에 이용되고 남은 금속 산화물 또는 수산화물을 고순도의 금속원료로 재생시켜 금속연료저장소로 다시 공급해 줄 수 있는 장점이 있다.
또한, 잠수함 주변으로부터 쉽게 공급받을 수 있는 해수를 반응기의 전해질과 환원플랜트에서 필요한 원료로 사용이 가능한 장점이 있다.
또한, 잠수함 내에 구비된 디젤 발전기로부터 전원을 공급받을 수 있는 장점이 있다.
지금까지 본 발명인 잠수함의 금속연료 재생 시스템 및 방법에 관한 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였다.
전술된 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 이 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
S100: 수소발생단계
S200: 환원플랜트 공급단계
S300: 금속 환원단계
S400: 금속연료 재사용단계
1: 잠수함
10: 압력선체
100: 잠수함의 금속연료 재생 시스템
110: 금속연료저장소
120: 반응기
130: 연료전지
140: 환원플랜트
150: 디젤 발전기

Claims (12)

  1. 잠수함 내에서 금속연료를 저장하는 금속연료저장소;
    상기 금속연료를 이용하여 수소를 발생시키는 반응기;
    상기 반응기로부터 발생된 수소를 제공받는 연료전지; 및
    상기 잠수함의 압력선체 외부에 구비되며, 상기 반응기에서 반응에 이용되고 남은 금속 산화물 또는 수산화물을 환원시켜 상기 금속연료저장소로 공급하는 환원플랜트를 포함하며,
    상기 반응기 및 상기 환원플랜트는, 상기 잠수함에 구비된 디젤 발전기로부터 필요한 전원을 제공받으며,
    상기 반응기는, 상기 잠수함 주변의 해수를 공급받아 전해질로 이용하고,
    상기 환원플랜트는, 상기 잠수함 주변의 해수를 공급받고서 상기 공급받은 해수를 원료로 하여 상기 금속 산화물 또는 수산화물을 전기분해 하여 상기 금속연료로 이용 가능한 형태로 환원시키며,
    상기 반응기로부터 상기 금속 산화물 또는 수산화물을 상기 환원플랜트로 공급해주는 제1배관; 및 상기 환원플랜트에서 환원된 금속을 상기 금속연료저장소로 공급해주는 제2배관을 더 포함하는 잠수함의 금속연료 재생 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속연료저장소, 상기 반응기 및 상기 연료전지는,
    상기 잠수함의 압력선체 내부에 구비되는 잠수함의 금속연료 재생 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 잠수함의 압력선체 내부에서 금속연료를 이용하여 수소를 발생시키는 수소발생단계;
    상기 수소 발생 반응 후의 금속 산화물 또는 수산화물을 상기 압력선체 외부의 환원플랜트로 공급하는 환원플랜트 공급단계;
    상기 환원플랜트 내에서 상기 금속 산화물 또는 수산화물을 고순도의 금속으로 환원시키는 금속 환원단계; 및
    상기 환원된 금속을 금속연료저장소에 공급하여 금속연료로 재사용하는 금속연료 재사용단계를 포함하며,
    상기 수소발생단계에서, 상기 잠수함 주변의 해수를 공급받아 상기 수소를 발생시키는 데 필요한 전해질로 이용하며,
    상기 수소발생단계 및 상기 금속 환원단계에서 필요한 전원은 상기 잠수함에 구비된 디젤 발전기로부터 제공받고,
    상기 금속 환원단계에서, 상기 잠수함 주변의 해수를 공급받고서 상기 공급받은 해수를 원료로 하여 상기 금속 산화물 또는 수산화물을 전기분해 하는 것을 특징으로 하는 잠수함의 금속연료 재생 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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