KR101733278B1 - 금속연료를 이용한 잠수함 수소 시스템 및 수소 관리방법 - Google Patents

금속연료를 이용한 잠수함 수소 시스템 및 수소 관리방법 Download PDF

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Abstract

금속연료를 이용한 잠수함 수소 시스템 및 수소 관리방법에 관하여 개시한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 잠수함 내에서 금속연료를 저장하는 금속연료저장소와, 금속연료를 이용하여 수소를 발생시키는 수소발생장치와, 수소발생장치로부터 발생된 수소를 공급받아 소비하는 연료전지와, 연료전지로 공급되고 남은 수소를 저장하되, 액화산소탱크로부터 저온 에너지를 제공받아 수소를 저장하는 수소저장소를 포함하는 금속연료를 이용한 잠수함의 수소 시스템을 제공할 수 있다.

Description

금속연료를 이용한 잠수함 수소 시스템 및 수소 관리방법{SUBMARINE HYDROGEN SYSTEM AND HYDROGEN MANAGEMENT METHOD USING METAL FUEL}
본 발명의 실시예들은 금속연료를 이용한 잠수함 수소 시스템 및 수소 관리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속연료에서 발생하는 수소를 연료전지에 공급하고, 남은 수소는 수소저장소에 저장시키되 수소의 저장에 필요한 저온 에너지는 액화산소탱크로부터 제공받을 수 있는 금속연료를 이용한 잠수함 수소 시스템 및 수소 관리방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 상온상태에서 금속은 산소와 반응하여 산화피막이 형성되어 반응이 일어나지 않는다.
그러나 고순도의 금속, 예를 들면 알루미늄, 마그네슘, 아연, 나트륨 등은 특정한 조건에서 산성/알칼리 용액과 반응하게 되어 수소를 발생시킬 수 있다.
다만, 상기와 같은 조건 하에서 금속을 연소시키기 위해서는 대략 2000℃ 정도의 고온상태가 요구되지만, 만일 금속을 입경이 매우 작은 분말형태로 만들어 접촉면적을 늘릴 경우에는 상기의 고온상태가 아니라도 충분한 수소를 발생시킬 수 있다.
최근 다양한 장치의 연료로서, 금속연료를 이용하여 수소를 발생시키는 장치에 대한 개발이 이루어지고 있으며, 이와 같은 기술은 수소를 연료로 하여 추진하는 잠수함 분야에서도 적용이 가능하다.
수소발생장치가 구비된 연료전지 시스템(대한민국 공개특허공보 제10-2009-0093044호)
본 발명은 금속연료에서 발생하는 수소를 연료전지에 공급하고, 남은 수소는 수소저장소에 저장시키되 수소의 저장에 필요한 저온 에너지는 액화산소탱크로부터 제공받을 수 있는 금속연료를 이용한 잠수함 수소 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 금속연료에서 발생하는 수소를 연료전지에 공급하고, 남은 수소는 수소저장소에 저장시키되 수소의 저장에 필요한 저온 에너지는 액화산소탱크로부터 제공받을 수 있는 금속연료를 이용한 잠수함 수소 시스템에 의한 수소 관리방법을 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 수소발생장치; 상기 수소발생장치로부터 발생된 수소를 공급받아 소비하는 연료전지; 상기 연료전지로 공급되고 남은 수소를 저장하되, 액화산소탱크로부터 저온 에너지를 제공받아 수소를 저장하는 수소저장소를 포함하는 금속연료를 이용한 잠수함의 수소 시스템을 제공한다.
상기 수소저장소는, 수소저장합금의 형태로 제공될 수 있다.
상기 수소저장소는, 상기 잠수함의 압력선체 내부 또는 외부에 구비될 수 있다.
상기 수소저장소 내의 수소 저장이 완료된 후, 상기 수소발생장치를 통해 발생되는 수소는 배터리로 이송되어 제거되며, 상기 배터리는, 상기 잠수함의 압력선체 내부 또는 외부에 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 잠수함 내에 저장된 금속연료를 공급하여 수소발생장치에서 수소를 발생시키는 수소발생단계; 상기 발생된 수소를 상기 잠수함 내의 연료전지로 공급하여 소비시키는 수소소비단계; 및 상기 연료전지로 공급되고 남은 잔량의 수소를 수소저장소에 저장시키되, 상기 수소의 저장에 필요한 저온에너지를 액화산소탱크로부터 제공받는 수소저장단계;를 포함하는 금속연료를 이용한 잠수함의 수소 관리 방법을 제공한다.
상기 수소저장단계 이후에, 상기 수소저장소 내의 수소 저장이 완료된 다음에도 상기 수소발생장치를 통해 수소가 발생될 경우, 상기 발생된 수소를 배터리에서 제거시키는 수소제거단계를 더 포함한다.
본 발명에 의하면, 잠수함 내에서 금속연료를 이용하여 발생된 수소는 연료전지에 공급하고, 남은 수소를 수소저장소에 저장하되 수소의 저장에 필요한 저온에너지를 액화산소탱크로부터 제공받을 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 수소발생기는 일정한 운전 조건으로 운전함으로써 최고 효율 조건에서 운전될 수 있으며, 추가적으로 발생되는 수소는 액화산소탱크를 통해 공급되는 저온에너지를 이용하여 손쉽게 수소저장소로 저장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속연료를 이용한 잠수함의 수소 시스템의 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속연료를 이용한 잠수함의 수소 관리방법을 나타낸 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 실시예들에 따른 금속연료를 이용한 잠수함 수소 시스템 및 수소 관리방법에 관하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속연료를 이용한 잠수함의 수소 시스템의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 도시된 금속연료를 이용한 잠수함의 수소 시스템(100)은 금속연료저장소(110), 수소발생장치(120), 연료전지(130), 그리고 수소저장소(140)를 포함한다.
금속연료저장소(110)는 잠수함 내에서 금속연료를 저장하도록 제공될 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.
만일 이러한 금속연료를 입경이 매우 작은 분말형태로 만들어 접촉면적을 늘일 경우에는 고온상태가 아니라도 충분한 양의 수소를 발생시킬 수 있다.
상기 금속연료저장소(110)는 이와 같은 금속연료를 잠수함 내에 저장하기 위한 수용공간을 제공한다.
수소발생장치(120)는 상기 금속연료를 이용하여 수소를 발생시키는 반응장치에 해당한다.
바람직하게는 상기 수소발생장치(120)에서는 잠수함의 최소운항 조건에 필요한 동력을 생성해내기 위해 필요한 양의 수소를 발생시킬 수 있다.
상기 수소발생장치(120)를 통해 발생된 수소는 상기 잠수함(1) 내의 연료전지(130)로 공급될 수 있다.
한편, 상기 연료전지(130)로 공급되고 남은 수소는 수소저장소(140)로 보내져 저장될 수 있다.
즉, 수소저장소(140)는 상기 수소발생장치(120)에서 발생된 수소 중에서 상기 연료전지(130)에서 사용되고 남은 잔량의 수소를 저장할 수 있다.
그런데, 이와 같이 수소저장소(140) 내에서 수소가 저장되기 위해서는 소정의 저온 에너지가 요구되는데, 잠수함의 운항 중 저온 에너지를 별도로 발생시키는 데에는 어려움이 따른다.
이에 따라, 본 발명에서는 수소의 저장에 필요한 저온에너지를 액화산소탱크(150)에서 제공받을 수 있도록 구성될 수 있다.
즉, 액화산소탱크(150)는 연료전지(130)의 운전과 함께 동시에 운전되는 장치로서, 액화산소탱크(150)는 극저온 상태(예를 들어, -170℃ 이하)로 유지된다. 따라서, 상기 액화산소탱크(150)의 저온에너지를 수소저장소(140)로 전달하여 수소의 저장을 용이하게 해줄 수 있다.
여기서, 상기 수소저장소(140)는 수소저장합금의 형태로 이루어질 수 있다.
이와 같은, 금속연료저장소(110), 수소발생장치(120)는 잠수함의 압력선체(10)의 내부 또는 외부에 구비될 수 있는데, 다양한 실시예에 따라 그 위치 및 구조는 달라질 수 있다.
또한, 상기 수소저장소(140)는 하나 또는 여러 개가 구비될 수 있으며, 수소를 임시적으로 저장하는 공간으로 이용될 수 있으므로, 반드시 큰 사이즈로 구성될 필요는 없다.
한편, 상기 수소저장소(140)는 도 1에 도시된 바와 같이 잠수함의 압력선체(10)의 외부에 구성될 수도 있으며, 이와 달리, 잠수함의 압력선체(10)의 내부에 구성되어도 무방하다.
그리고 상기 수소저장소(140)는 상기 금속연료저장소(110)에 저장된 금속연료가 소멸되었을 때, 상기 연료전지(130)에서 필요로 하는 양의 수소를 공급하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 수소저장소(140)는 상기 수소발생장치(120)에서 발생되는 수소의 양에 비해 상기 연료전지(130)에서 필요로 하는 수소의 양이 많아질 경우, 연료전지(130)에서 필요로 하는 양의 수소를 보충하여 공급하도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 수소저장소(140) 내의 수소 저장이 완료된 이후에도, 상기 수소발생장치(120)를 통해 수소가 계속적으로 발생할 경우, 이렇게 발생된 수소는 배터리(미도시)로 이송되어 제거될 수 있다. 여기서, 상기 배터리(미도시)는 상기 잠수함의 압력선체(10)의 내부 또는 외부에 배치될 수 있으며, 특정 형태로 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속연료를 이용한 잠수함의 수소 관리방법을 간략히 도시한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 도시된 금속연료를 이용한 잠수함의 수소 관리방법은, 수소발생단계(S100), 수소소비단계(S200), 수소저장단계(S300)를 포함한다.
먼저, 잠수함 내에 저장된 금속연료를 이용하여 수소발생장치에서 수소를 발생시키는 수소발생단계(S100)가 수행될 수 있다.
그 다음으로, 상기 발생된 수소를 상기 잠수함 내의 연료전지로 공급하여 소비시키는 수소소비단계(S200)가 수행될 수 있다.
그 다음으로, 상기 연료전지에서 소비되고 남은 잔량의 수소를 수소저장소에 저장시키는 수소저장단계(S300)가 수행될 수 있다. 그런데, 이와 같이 수소가 저장되기 위해서는 소정의 저온 에너지가 요구되는데, 잠수함의 운항 중 저온 에너지를 별도로 발생시키는 데에는 어려움이 따른다.
따라서, 본 단계에서의 수소 저장 시 필요한 저온에너지는 액화산소탱크로부터 제공받을 수 있다. 상기 액화산소탱크는 연료전지의 운전과 동시에 운전되는 장치로서, 극저온 상태(예를 들어, -170℃ 이하)로 유지될 수 있다. 이와 같은 이유에 따라, 상기 액화산소탱크는 저온에너지를 수소저장소로 전달하여 수소의 저장을 원활하게 해줄 수 있다.
한편, 상기 수소저장단계 이후에는 수소제거단계가 더 수행될 수 있다.
상기 수소제거단계는 상기 수소저장소 내의 수소 저장이 완료된 다음에도 상기 수소발생장치를 통해 수소가 계속적으로 발생될 경우, 이를 배터리로 보내어 제거시키는 단계에 해당한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면, 잠수함 내에서 금속연료를 이용하여 발생된 수소는 연료전지에 공급하고, 남은 수소를 수소저장소에 저장하되 수소의 저장에 필요한 저온에너지를 액화산소탱크로부터 제공받을 수 있다.
또한, 수소발생기는 일정한 운전 조건으로 운전함으로써 최고 효율 조건에서 운전될 수 있으며, 추가적으로 발생되는 수소는 액화산소탱크를 통해 공급되는 저온에너지를 이용하여 손쉽게 수소저장소로 저장할 수 있다.
지금까지 본 발명인 금속연료를 이용한 잠수함 수소 시스템 및 수소 관리방법에 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.
1: 잠수함
10: 압력선체
100: 잠수함의 수소 시스템
110: 금속연료저장소
120: 수소발생장치
130: 연료전지
140: 수소저장소
150: 액화산소탱크

Claims (7)

  1. 잠수함 내에서 금속연료를 저장하는 금속연료저장소;
    상기 금속연료를 이용하여 수소를 발생시키는 수소발생장치;
    상기 수소발생장치로부터 발생된 수소를 공급받아 소비하는 연료전지;
    상기 연료전지로 공급되고 남은 수소를 저장하되, 액화산소탱크로부터 저온 에너지를 제공받아 수소를 저장하는 수소저장소를 포함하는,
    금속연료를 이용한 잠수함의 수소 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수소저장소는,
    수소저장합금의 형태로 제공되는,
    금속연료를 이용한 잠수함의 수소 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수소저장소는,
    상기 잠수함의 압력선체 내부 또는 외부에 구비되는,
    금속연료를 이용한 잠수함의 수소 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수소저장소 내의 수소 저장이 완료된 후, 상기 수소발생장치를 통해 발생되는 수소는 배터리로 이송되어 제거되는,
    금속연료를 이용한 잠수함의 수소 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배터리는,
    상기 잠수함의 압력선체 내부 또는 외부에 구비되는,
    금속연료를 이용한 잠수함의 수소 시스템.
  6. 잠수함 내에 저장된 금속연료를 공급하여 수소발생장치에서 수소를 발생시키는 수소발생단계;
    상기 발생된 수소를 상기 잠수함 내의 연료전지로 공급하여 소비시키는 수소소비단계; 및
    상기 연료전지로 공급되고 남은 잔량의 수소를 수소저장소에 저장시키되, 상기 수소의 저장에 필요한 저온에너지를 액화산소탱크로부터 제공받는 수소저장단계;를 포함하는,
    금속연료를 이용한 잠수함의 수소 관리 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수소저장단계 이후에,
    상기 수소저장소 내의 수소 저장이 완료된 다음에도 상기 수소발생장치를 통해 수소가 발생될 경우, 상기 발생된 수소를 배터리에서 제거시키는 수소제거단계를 더 포함하는,
    금속연료를 이용한 잠수함의 수소 관리방법.
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