KR101684767B1 - 유기계 화학 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 장치 및 방법 - Google Patents

유기계 화학 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

유기계 화학 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 장치 및 방법에 관하여 개시한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 유기계 화학 수소화물(Organic Chemical Hydride)를 저장하는 저장탱크와, 상기 유기계 화학 수소화물을 공급받으며, 촉매를 사용하여 탄소와 수소 사이의 공유 결합을 끊어 수소를 분리시키는 촉매 반응기와, 상기 촉매 반응기로부터 분리 방출된 수소를 공급받는 연료전지를 포함하는 유기계 화학 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 장치를 제공한다.

Description

유기계 화학 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 장치 및 방법{HYDROGEN SUPPLY APPARATUS AND METHOD OF SUBMARINE USING ORGANIC CHEMICAL HYDRIDE}
본 발명은 유기계 화학수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 장치 및 방법에 관한 것이다.
잠수함에 들어가는 동력원으로 연료전지를 활용하는 기술이 개발되고 있다.
일반적으로, 연료전지에는 수소가 필요한데, 기존의 경우 수소를 공급하는 시스템으로서 금속 수소화물을 고려하여 개발이 이루어졌으며, 최근에는 개질 반응을 적용하는 시스템이 개발되고 있다.
도 1은 금속 수소화물을 이용하는 경우의 공정도이다. 금속 수소화물이란 금속이 수소와 화학반응에 의해 수소를 머금은 상태의 화합물을 말한다. 이와 같은 금속 수소화물을 이용하는 수소저장 메커니즘은 다음의 식과 같다.
Figure 112015014339785-pat00001
즉, 금속 수소화물(M)을 이용하는 경우에는 도 1에 도시된 바와 같이 수소저장실린더와 수소가 공급되는 라인상에 설치되는 감압밸브 정도만 있으면 가능하며, 연료전지의 폐열을 이용할 수 있으므로, 별도의 버너가 필요치 않다.
다만, 이와 같은 금속 수소화물은 무게가 많이 나가는 단점이 있으며, 수소 저장률이 낮으며, 사용횟수가 제한적인 단점이 있다.
도 2는 개질 반응을 적용하는 시스템의 공정도이다. EtOH 개질 공정의 개념은 탄화수소의 스팀 리포밍(Steam Reforming)을 통해 수소를 생성하는 방식이다.
EtOH 개질 공정에 의한 수소 생산 메커니즘은 1), 2), 3)의 식에 따라 이루어질 수 있다.
Figure 112015014339785-pat00002
다만, 이와 같은 EtOH 개질 공정에 의해 수소 생산 메커니즘을 구현해 내기 위해서는 연료공급을 위한 저장탱크(즉, 연료공급 시스템)와, 반응수 탱크(즉, 반응수 시스템), 버너(Burner), SR(Steam Reformer), WGS Reactor, Prox Reactor, 기체/기체/액체 분리기와 같은 구성이 필요하므로 시스템이 복잡해지며, 공정이 까다로워지는 단점이 있다.
따라서, 상기와 같은 기존의 방식에 비해 개선된 잠수함의 수소 공급 기술에 대한 개발이 필요한 실정이다.
단환 방향족 탄화수소의 제조 방법(대한민국 공개특허공보 제10-2014-0045927호)
본 발명은 유기계 화학수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
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, 유기계 화학 수소화물(Organic Chemical Hydride)를 저장하는 저장탱크; 상기 유기계 화학 수소화물을 공급받으며, 촉매를 사용하여 탄소와 수소 사이의 공유 결합을 끊어 수소를 분리시키는 촉매 반응기; 및 상기 촉매 반응기로부터 분리 방출된 수소를 공급받는 연료전지;를 포함하는 유기계 화학 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 장치를 제공한다.
상기 유기계 화학 수소화물은, MCH(Methyl Cyclohexane), 아세톤, 나프탈렌, 테칼린, 바이시클로헥실, Ammonia Borane, Hydrazine Borane, Formic Acid, 암모니아, N-ethylcarbazole 중 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 촉매 반응기를 설정 온도로 가열하는 히터(Heater)를 더 포함할 수 있다.
상기 촉매 반응기와 상기 연료전지 사이에 구비되어, 상기 연료전지로 수소만을 공급하는 기액 분리기(Gas-Liquid Separator)를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, MCH(Methyl Cyclohexane)을 저장하는 저장탱크; 상기 MCH를 공급받으며, 촉매를 사용하여 탄소와 수소 사이의 공유 결합을 끊어 톨루엔과 수소를 분리하는 촉매 반응기; 상기 촉매 반응기로부터 분리 방출된 수소를 공급받는 연료전지;를 포함하는 유기계 화학 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 장치를 제공할 수 있다.
상기 촉매 반응기를 설정 온도로 가열하는 히터(Heater)를 더 포함하며, 상기 히터에 의해 가열되는 온도는 350~360℃일 수 있다.
또한, 상기 촉매 반응기와 상기 연료전지 사이에 구비되어, 상기 촉매 반응기에서 생성된 톨루엔과 수소를 분리하여 상기 연료전지로 수소만을 공급하는 기액 분리기(Gas-Liquid Separator)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 기액 분리기에서 분리된 톨루엔은 수소화 반응(Hydriding Reactor)을 통해 다시 MCH의 형태로 상기 저장탱크에 저장되어 재사용이 가능해 질 수 있다.
또한, 상기 촉매 반응기에서 생성된 톨루엔과 수소는 별도의 기액 분리기 없이 상기 촉매 반응기에서 직접 분리되어, 상기 연료전지로는 수소만이 공급될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기의 유기계 화학 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 장치를 이용한 잠수함의 수소 공급 방법에 있어서, (a) 상기 저장탱크에 저장된 MCH(Methyl Cyclohexane)를 상기 촉매 반응기로 공급하는 단계; (b) 상기 촉매 반응기에서, 상기 저장탱크로부터 공급받은 MCH를 이용하여 톨루엔과 수소를 생성하는 단계; (c) 상기 기액 분리기에서, 상기 촉매 반응기에서 생성된 톨루엔과 수소를 각각 분리시키는 단계; 및 (d) 상기 기액 분리기에서 분리된 수소를 상기 연료전지로 공급하는 단계;를 포함하는 유기계 화학 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 방법을 제공한다.
상기 (b) 단계에서, 상기 촉매 반응기를 350~360℃의 설정 온도로 가열할 수 있다.
상기 (d) 단계에서, 상기 기액 분리기에서 분리된 톨루엔은 수소화 반응(Hydriding Reactor)을 통해 다시 MCH의 형태로 상기 저장탱크에 저장된 후 재사용이 가능해 질 수 있다.
본 발명에 의하면, 수소저장률이 높은 편이며(예를 들면, 6 wt%), 수소 생성 후 기/액 분리가 이루어져 수소의 분리 작업이 쉬운 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 금속 수소화물을 이용하는 경우에 비해 무게가 가벼우며, 단일 반응으로 부반응으로 인한 부산물 없다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 공정이 개질 공정을 이용하는 시스템에 비해 단순하며, 반응온도가 개질 반응에 비하여 낮으며, 반응이 가역적으로 이루어져 톨루엔 재사용 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상온 액체로 저장 용이하며 장기간 저장 및 수송이 가능하며, 기존의 오일탱크와 같은 인프라 시설을 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 기존의 금속 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 방식의 개념도.
도 2는 기존의 개질 반응을 적용한 잠수함의 수소 공급 방식의 개념도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 잠수함의 수소 공급 장치의 개념도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 잠수함의 수소 공급 장치의 공정도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 잠수함의 수소 공급 방법의 순서도.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 유기계 화학 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 장치 및 방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 잠수함의 수소 공급 장치의 개념도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 잠수함의 수소 공급 장치의 공정도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 유기계 화학 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 장치(100)는, 저장탱크(101), 촉매 반응기(110), 기액 분리기(120), 히터(130), 그리고 연료전지(140)를 포함한다.
저장탱크(101)는 유기계 화학 수소화물(Organic Chemical Hydride)를 저장하는 형태로 제공될 수 있다.
여기서, 상기 유기계 화학 수소화물은 특별히 제한될 필요는 없으나, MCH(Methyl Cyclohexane), 아세톤, 나프탈렌, 테칼린, 바이시클로헥실, Ammonia Borane, Hydrazine Borane, Formic Acid, 암모니아, N-ethylcarbazole 중 하나 또는 하나 이상일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
이하, 구체적인 예로서, 상기 유기계 화학 수소화물로서 MCH(Methyl Cyclohexane)를 이용하는 방식에 관하여 상세히 살펴보기로 한다.
촉매 반응기(110)는 MCH(Methyl Cyclohexane)을 공급받으며, 촉매를 사용하여 탄소와 수소 사이의 공유 결합을 끊어 톨루엔과 수소를 생성한다.
그리고 상기 촉매 반응기(110)로부터 생성된 톨루엔과 수소는 기액 분리기(120)에서 각각이 분리될 수 있으며, 이때 분리된 수소는 연료전지(140)로 공급되고, 톨루엔은 톨루엔 저장탱크(103)로 보관된다.
또한, 다른 실시예로서 상기 기액 분리기(120)를 사용하지 않고서 상기 촉매 반응기(110)에서 직접 기체와 액체, 즉, 수소와 톨루엔을 분리할 수 있다.
촉매 반응기(110)에서의 MCH가 톨루엔과 수소로 생성되는 반응은 다음 식과 같다.
Figure 112015014339785-pat00003
이때, 탈수소화반응, 즉 흡열반응을 위해 반응 온도에 해당하는 열이 가해져야 하는데, 이를 위해 히터(130)가 구비될 수 있다.
예컨대, 상기 히터(130)는 상기 촉매 반응기(110)로 대략 350~360℃의 열을 가해줄 수 있는 형태로 제공될 수 있다.
한편, 상기 기액 분리기(120)에서 분리된 수소는 상기 연료전지(140)로 공급되고, 이때 남은 톨루엔은 톨루엔 저장탱크(103)에 저장될 수 있는데, 수소화 반응(Hydriding Reactor)을 통해 다시 MCH의 형태로 상기 저장탱크에 저장되어 재사용될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
이와 같이, MCH를 비롯하여 다양한 유기계 화학 수소화물(Organic Chemical Hydride)을 이용함으로써, 잠수함의 연료전지에 수소를 공급해줄 수 있다.
특히, 불포화 유기화합물의 선택적인 수소화 촉매반응에 의해 쉽게 수소원자를 고정화 시킨 후, 그 후 촉매를 사용하여 탄소와 수소 사이의 공유 결합을 끊음으로써 수소를 방출할 수 있다.
따라서, 기존의 금속 수소화물을 이용하는 방식에 비해 효과적이며, 개질 반응을 적용하는 시스템에 비해 공정이 간단하며 수소 분리가 용이하며, 반응온도가 낮은 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 잠수함의 수소 공급 방법의 순서도이다.
도 5를 참조하면, 유기계 화학 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 장치를 이용한 잠수함의 수소 공급 방법은 MCH 공급 단계(S100), 톨루엔과 수소 생성 단계(S200), 톨루엔과 수소 분리 단계(S300), 그리고 수소를 연료전지로 공급하는 단계(S400)를 포함한다.
MCH 공급 단계( S100 )
먼저, 상기 저장탱크(101, 도 3 참조)에 저장된 MCH(Methyl Cyclohexane)를 상기 촉매 반응기(110, 도 3 참조)로 공급하는 단계(S100)가 수행될 수 있다.
톨루엔과 수소 생성 단계( S200 )
이어서, 상기 촉매 반응기(110, 도 3 참조)에서, 상기 저장탱크(101, 도 3 참조)로부터 공급받은 MCH를 이용하여 톨루엔과 수소를 생성하는 단계(S200)가 수행될 수 있다.
이 단계에서, 히터(130, 도 3 참조)를 이용하여 상기 촉매 반응기에 소정의 온도(예: 350~360℃)의 열을 가해줄 수 있다.
톨루엔과 수소 분리 단계( S300 )
다음으로, 상기 기액 분리기(Gas-Liquid Separator)(120, 도 3 참조)에서, 상기 촉매 반응기(110, 도 3 참조)에서 생성된 톨루엔과 수소를 각각 분리시키는 단계(S300)가 수행될 수 있다.
연료전지에 수소 공급 단계( S400 )
그 다음으로, 상기 기액 분리기(120, 도 3 참조)에서 분리된 수소를 상기 연료전지(140, 도 3 참조)로 공급하는 단계(S400)가 수행될 수 있다.
이 단계에서, 상기 기액 분리기(120, 도 3 참조)에서 분리된 톨루엔은 수소화 반응(Hydriding Reactor)을 통해 다시 MCH의 형태로 상기 저장탱크(101, 도 3 참조)에 저장된 후 재사용될 수 있다. 이때, 상기 톨루엔을 저장하기 위하여 톨루엔 저장탱크(103)를 이용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면, 수소저장율이 높은 편이며(예를 들면, 6 wt%), 수소 생성 후 기/액 분리가 이루어져 수소의 분리 작업이 쉬운 장점이 있다.
나아가, 금속 수소화물을 이용하는 경우에 비해 무게가 가벼우며, 단일 반응으로 부반응으로 인한 부산물 없다는 장점이 있다.
더 나아가, 공정이 개질 공정을 이용하는 시스템에 비해 단순하며, 반응온도가 개질 반응에 비하여 낮으며, 반응이 가역적으로 이루어져 톨루엔 재사용 가능한 장점이 있다.
이에 더하여, 상온 액체로 저장 용이하며 장기간 저장 및 수송이 가능하며, 기존의 오일탱크와 같은 인프라 시설을 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다.
지금까지 본 발명인 유기계 화학 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 장치 및 방법에 관하여 설명하였다.
전술된 실시예는 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.
100: 유기계 화학 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 장치
101: 저장탱크
103: 톨루엔 저장탱크
110: 촉매 반응기
120: 기액 분리기
130: 버너
140: 연료전지

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. MCH(Methyl Cyclohexane)을 저장하는 저장탱크;
    상기 MCH를 공급받으며, 촉매를 사용하여 탄소와 수소 사이의 공유 결합을 끊어 톨루엔과 수소를 생성하는 촉매 반응기;
    상기 촉매 반응기로부터 방출된 수소를 공급받는 연료전지; 및
    상기 촉매 반응기와 상기 연료전지 사이에 구비되어, 상기 촉매 반응기에서 생성된 톨루엔과 수소를 분리하여 상기 연료전지로 수소만을 공급하는 기액 분리기(Gas-Liquid Separator);를 포함하며,
    상기 기액 분리기에서 분리된 톨루엔은 수소화 반응(Hydriding Reactor)을 통해 다시 MCH의 형태로 상기 저장탱크에 저장되어 재사용이 가능한 것을 특징으로 하는,
    유기계 화학 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 촉매 반응기를 설정 온도로 가열하는 히터(Heater)를 더 포함하며,
    상기 히터에 의해 가열되는 온도는 350~360℃인 것을 특징으로 하는
    유기계 화학 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제5항에 있어서,
    상기 촉매 반응기에서 생성된 톨루엔과 수소는 별도의 기액 분리기 없이 상기 촉매 반응기에서 직접 분리되어, 상기 연료전지로는 수소만이 공급되는,
    유기계 화학 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 장치.
  10. 제5항의 유기계 화학 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 장치를 이용한 잠수함의 수소 공급 방법에 있어서,
    (a) 상기 저장탱크에 저장된 MCH(Methyl Cyclohexane)를 상기 촉매 반응기로 공급하는 단계;
    (b) 상기 촉매 반응기에서, 상기 저장탱크로부터 공급받은 MCH를 이용하여 톨루엔과 수소를 생성하는 단계;
    (c) 상기 기액 분리기에서, 상기 촉매 반응기에서 생성된 톨루엔과 수소를 각각 분리시키는 단계; 및
    (d) 상기 기액 분리기에서 분리된 수소를 상기 연료전지로 공급하는 단계;를 포함하되,
    상기 (d) 단계에서,
    상기 기액 분리기에서 분리된 톨루엔은 수소화 반응(Hydriding Reactor)을 통해 다시 MCH의 형태로 상기 저장탱크에 저장된 후 재사용이 가능한 것을 특징으로 하는,
    유기계 화학 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 촉매 반응기를 350~360℃의 설정 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는,
    유기계 화학 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 방법.
  12. 삭제
KR1020150020633A 2015-02-11 2015-02-11 유기계 화학 수소화물을 이용한 잠수함의 수소 공급 장치 및 방법 KR101684767B1 (ko)

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