KR101755379B1 - Fuel reforming system for submarine - Google Patents

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KR101755379B1 KR1020160152022A KR20160152022A KR101755379B1 KR 101755379 B1 KR101755379 B1 KR 101755379B1 KR 1020160152022 A KR1020160152022 A KR 1020160152022A KR 20160152022 A KR20160152022 A KR 20160152022A KR 101755379 B1 KR101755379 B1 KR 101755379B1
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지현진
이정훈
최은영
서일성
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 연료전지; 다단으로 배치되고, 메탄올과 수증기를 촉매에 의해 반응시켜 상기 연료전지로 공급될 개질가스를 생성하는 복수 개의 수증기 연료개질기; 상기 복수 개의 수증기 연료개질기로부터 배출된 개질 가스 중 수소만을 통과시켜 연료전지에 전달하는 수소 필터; 및 다단으로 배치되고, 촉매를 이용하여 수소필터를 통과하지 못한 잔여 개질가스 혹은 상기 연료전지에서 사용하고 남은 개질가스와 산화제의 연소반응을 일으켜 상기 복수 개의 수증기 연료개질기로 유입되는 개질가스에 열을 공급하는 복수 개의 연소기를 포함하고, 상기 연료개질기는 상기 수소필터의 작동압력보다 높거나 같은 압력에서 운전되는 잠수함용 연료 개질 시스템을 제공한다. 이에 의해, 수증기 연료개질기의 용량이 증가하여도 수증기 연료개질기 내부로 효과적인 열 공급이 가능하여 전체 촉매의 열분포를 균일하게 유지할 수 있다.The present invention relates to a fuel cell; A plurality of steam fuel reformers arranged in a multi-stage and reacting methanol and water vapor by a catalyst to produce a reformed gas to be supplied to the fuel cell; A hydrogen filter for passing only hydrogen from the reformed gas discharged from the plurality of steam reformers to the fuel cell; And a reforming gas which is disposed in a multi-stage and which can not pass through the hydrogen filter using the catalyst, or a residual reforming gas that has not passed through the hydrogen filter, or a reforming gas remaining in the fuel cell and an oxidant, Wherein the fuel reformer is operated at a pressure equal to or higher than an operating pressure of the hydrogen filter. Accordingly, even when the capacity of the steam reformer is increased, efficient heat supply to the steam reformer can be performed, and the thermal distribution of the entire catalyst can be uniformly maintained.

Figure R1020160152022
Figure R1020160152022

Description

잠수함용 연료 개질 시스템{FUEL REFORMING SYSTEM FOR SUBMARINE}FUEL REFORMING SYSTEM FOR SUBMARINE

잠수함용 연료 개질 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지에 공급되는 수소 가스를 생성하는 잠수함용 연료 개질 시스템에 관한 것이다.And more particularly, to a fuel reforming system for a submarine that generates hydrogen gas to be supplied to a fuel cell.

일반적으로 잠수함은 동력원으로서 디젤엔진 전기추진 방식과 원자력을 이용하는 방식으로 구분된다. 여기서, 디젤엔진 전기추진 방식의 잠수함은 수중항해 시 납축전지와 같은 2차 전지에 저장된 에너지를 사용하여 잠항한다. Generally, a submarine is classified into a diesel engine electric propulsion system and a nuclear power system as a power source. Here, a submarine powered by a diesel engine electric propulsion system is submerged using energy stored in a secondary battery such as a lead-acid battery during underwater navigation.

따라서 잠항 중 2차전지의 에너지를 모두 소진하면 2차 전지를 재충전하기 위하여 해수면으로 부상하여 디젤엔진으로 2차 전지를 충전하는 스노클링이 필요하다.Therefore, when the energy of the rechargeable battery is exhausted during the submergence, the rechargeable rechargeable battery is floated to the sea surface and the rechargeable battery is recharged with the diesel engine.

이러한 잠수함의 스노클링은 잠수함의 최대 특성인 은닉성을 저해하는 문제를 초래함에 따라 스노클링 주기를 최소화하고 잠항시간을 증대시키기 위하여 공기불요추진(AIP; Air Independent Propulsion)이라고 불리는 시스템이 사용되고 있다.The snorkeling of these submarines causes a problem of hindering the maximum concealment of the submarine, so a system called Air Independent Propulsion (AIP) is used to minimize the snorkeling period and increase the diving time.

일반적으로 잠수함용 공기불요추진 시스템에는 연료전지, 폐회로 디젤, 스털링 기관 등이 있다. 이중 연료전지 시스템은 수소 및 산소의 전기화학반응으로 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 에너지 변환 장치로서 잠수함에 가장 적합한 공기불요추진기관으로 평가받고 있다.Generally, air-borne propulsion systems for submarines include fuel cells, closed-loop diesel engines, and Stirling engines. The dual fuel cell system is an energy conversion device that directly converts chemical energy into electrical energy by electrochemical reaction of hydrogen and oxygen and is evaluated as the most suitable air-driven propulsion system for submarines.

잠수함용 공기불요추진 시스템에 사용되는 연료전지 시스템은 전기에너지 생성에 필요한 수소를 공급하기 위해 함내에 액체상태의 연료를 저장하였다가 필요 시 개질하여 수소를 생산하는 수증기 연료개질기를 사용한다. 잠수함용 연료개질기는 연료와 수증기를 촉매와 함께 수증기 개질 반응(steam reforming)을 일으켜 다량의 수소 가스가 포함된 개질가스를 생성한다. 기본적인 반응식은 다음과 같다.The fuel cell system used in the submarine air-borne propulsion system uses a steam fuel reformer that stores liquid fuel in the vessel and reforms it as necessary to produce hydrogen to supply hydrogen required for electrical energy generation. The submarine fuel reformer causes steam reforming of the fuel and steam together with the catalyst to produce a reformed gas containing a large amount of hydrogen gas. The basic reaction formula is as follows.

CH3OH + 2H2O→4H2 + CO2 CH 3 OH + 2H 2 O → 4H 2 + CO 2

CH3OH + H2O→3H2 + CO CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO

잠수함용 개질기에서 생성된 개질가스 중 수소 가스는 연료전지에 공급된다. 이때 수증기 연료개질기에서 연료와 수증기는 흡열반응을 하기 때문에 외부로부터 열 공급이 필요하다.Among the reformed gases generated in the submarine reformer, hydrogen gas is supplied to the fuel cell. In this case, since the fuel and steam in the steam reformer react endothermically, it is necessary to supply heat from the outside.

한편, 잠수함용 개질기 시스템은 개질기에 열을 제공하기 위하여 연소열을 생성하는 연소기를 포함한다. On the other hand, a submarine reformer system includes a combustor that generates combustion heat to provide heat to the reformer.

연료전지의 출력을 증가시키기 위해 다량의 수소가 필요하고, 다량의 수소가 필요함에 따라 개질기 용량이 증가할 뿐만 아니라 많은 연소열을 개질기로 공급하도록 설계해야 한다. In order to increase the output of the fuel cell, a large amount of hydrogen is required, and a large amount of hydrogen is required, so that the reformer capacity is increased and a lot of combustion heat must be supplied to the reformer.

그런데, 종래 기술에서는 단위 연료개질기의 용량이 증가할 경우, 한 개의 연료개질기 내부에서 촉매의 열분포가 균일하지 않아 개질 성능이 감소될 수 있다. 즉, 하나의 패키지로 대형화된 연료개질기 내에서 반응물이 촉매반응을 일으키면 유동이 지나갈수록 개질기의 온도가 흡열반응으로 인해 점차적으로 내려간다. 이를 방지하기 위해 연료개질기의 내부에 외부로부터 열을 공급해야 하는데, 단위 연료개질기가 고용량화되면 단위 연료개질기의 내부로 열을 공급하는 것이 불가능하므로, 개질 성능이 저하되는 문제가 발생한다.However, in the prior art, when the capacity of the unit fuel reformer is increased, the heat distribution of the catalyst in one fuel reformer is not uniform, so that the reforming performance can be reduced. That is, if a reactant causes a catalytic reaction in a fuel reformer with a single package, the temperature of the reformer gradually decreases due to the endothermic reaction as the flow passes. In order to prevent this, it is necessary to supply heat from the outside to the inside of the fuel reformer. However, when the unit fuel reformer has a high capacity, it is impossible to supply heat into the unit fuel reformer.

또한, 하나의 패키지로 대형화된 연료개질기로 운전할 경우, 시스템에서 회수되는 열을 연료개질기로 공급하는데도 제한이 있다. Further, when the fuel reformer is operated with a large-sized fuel reformer in one package, there is a limitation in supplying heat recovered from the system to the fuel reformer.

따라서, 본 발명의 목적은, 단위 연료개질기의 용량이 증가하더라도 촉매의 작동온도를 일정하게 유지함으로써, 전체 개질 효율을 고효율 상태로 유지할 수 있고, 시스템에서 버려지는 에너지를 최대한 회수하여 연료개질기로 공급할 수 있는 잠수함용 연료 개질 시스템을 제공하기 위한 것이다.Therefore, it is an object of the present invention to provide a fuel reforming apparatus capable of maintaining the entire reforming efficiency at a high efficiency state by keeping the operating temperature of the catalyst constant even when the capacity of the unit fuel reformer is increased, A submersible fuel reforming system for a submarine.

또한, 본 발명의 다른 목적은 최종 배기가스를 최대한 CO2로 변환하여 연료인 메탄올에 포함된 탄소를 제거한 후 이산화탄소를 배출할 수 있는 잠수함용 연료 개질 시스템을 제공하기 위한 것이다.It is another object of the present invention is to provide a fuel reforming system for a submarine capable of discharging the carbon dioxide to remove the carbon contained in the fuel methanol to convert the final exhaust gas to the maximum CO 2.

이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 잠수함용 연료 개질 시스템은 연료전지; 다단으로 배치되고, 메탄올과 수증기를 촉매에 의해 반응시켜 상기 연료전지로 공급될 개질가스를 생성하는 복수 개의 수증기 연료개질기; 상기 복수 개의 수증기 연료개질기로부터 배출된 개질 가스 중 수소만을 통과시켜 연료전지에 전달하는 수소 필터; 및 다단으로 배치되고, 촉매를 이용하여 수소필터를 통과하지 못한 잔여 개질가스 혹은 상기 연료전지에서 사용하고 남은 개질가스와 산화제의 연소반응을 일으켜 상기 복수개의 수증기 연료개질기로 유입되는 개질가스에 열을 공급하는 복수 개의 연소기를 포함하고, 상기 연료개질기는 상기 수소필터의 작동압력 및 잠항심도(잠수함의 운용심도)에 따른 수압보다 높거나 같은 압력에서 운전된다.In order to accomplish the above object, according to the present invention, there is provided a fuel reforming system for a submarine, comprising: a fuel cell; A plurality of steam fuel reformers arranged in a multi-stage and reacting methanol and water vapor by a catalyst to produce a reformed gas to be supplied to the fuel cell; A hydrogen filter for passing only hydrogen from the reformed gas discharged from the plurality of steam reformers to the fuel cell; And a reforming gas which is disposed in a multi-stage and which can not pass through the hydrogen filter using the catalyst, or a residual reforming gas that has not passed through the hydrogen filter, or a reforming gas remaining in the fuel cell and an oxidant, And the fuel reformer is operated at a pressure equal to or higher than the hydraulic pressure corresponding to the working pressure of the hydrogen filter and the submergence depth (depth of operation of the submarine).

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 복수 개의 개질기 중 어느 하나의 개질기로부터 배출되는 개질가스는 다른 하나의 개질기로 순차적으로 공급되어 배출되고, 상기 복수 개의 연소기 각각은 복수 개의 연료개질기 각각의 입구에 열을 공급하여 상기 복수 개의 연료개질기 각각의 입구 온도를 제어함으로써, 복수 개의 연료개질기 내에서 촉매 반응이 원활하게 이루어질 수 있는 온도 범위 내에 존재하도록 한다.According to an embodiment of the present invention, the reformed gas discharged from any one of the plurality of reformers is sequentially supplied to and discharged from another reformer, and each of the plurality of combustors is connected to an inlet of each of the plurality of fuel reformers And the temperature of the inlet of each of the plurality of fuel reformers is controlled by supplying heat so that the catalytic reaction can be smoothly performed within a plurality of fuel reformers.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 복수 개의 수증기 연료개질기 각각은 전체 반응물 중 일부의 반응물에 대하여 개질 반응을 일으킨다. 고용량의 연료개질기를 요구할 경우, 복수 개의 연료개질기로 분리하여 설계 및 제조함으로써 촉매 반응 역시 분리하여 발생하며, 복수 개의 연료개질기의 용량을 모두 합치면 상기 고용량 연료개질기의 용량과 동일하도록 한다.According to an embodiment of the present invention, each of the plurality of steam reformers causes a reforming reaction with respect to some of the reactants. When a high-capacity fuel reformer is required, the catalytic reaction is separately generated by designing and manufacturing the fuel reformer by separating it into a plurality of fuel reformers. When the capacities of the plurality of fuel reformers are all combined, the capacity of the reformer is made equal to the capacity of the high capacity fuel reformer.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 복수 개(N개)의 수증기 연료개질기 각각에 들어가는 촉매의 양은 전체 연료량(A)을 개질하기 위해 필요한 전체 촉매양(B)을 연료개질기의 전체 갯수(N개)로 나눈 양(B/N)으로 이루어지며, 각 개질기에서는 전체 연료량을 연료개질기의 전체 갯수로 나눈 연료량(A/N)만큼만 촉매반응 처리가 될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the amount of the catalyst contained in each of the plurality of (N) steam reformer units is set such that the total amount (B) of the catalyst required for reforming the total fuel amount (A) (B / N) divided by the number of fuel reformers, and in each reformer, the catalytic reaction process can be performed only by the amount of fuel A / N divided by the total number of fuel reformers.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 복수 개의 수증기 연료개질기의 연속적인 개질 반응과 상기 복수 개의 연소기의 연소열 제공은 상기 개질 반응이 종료될 때까지 수행될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the continuous reforming reaction of the plurality of steam reformers and the combustion heat of the plurality of combustors may be performed until the reforming reaction is terminated.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 복수 개의 연소기는, 상기 복수 개의 수증기 연료개질기로 공급되는 개질 가스가 기설정된 개질기의 목표온도에 도달하도록, 산화제(공기 혹은 산소)의 공급량을 제어하여 상기 개질 가스에 연소열을 제공할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the plurality of combustors controls the supply amount of the oxidizer (air or oxygen) so that the reformed gas supplied to the plurality of steam reformers reaches the target temperature of the predetermined reformer, It is possible to provide combustion heat to the gas.

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 복수 개의 연소기에서 생성되는 열은 열교환기와 열매체(포화수증기)를 통해 개질가스에 전달될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the heat generated in the plurality of combustors may be transferred to the reformed gas through the heat exchanger and the heating medium (saturated water vapor).

본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 복수 개의 연소기는 최후단에 배치된 연소기로부터 배출되는 최종 배출가스의 조성이 CO2나 H2O로 될 때까지 설치되어, 메탄올에 포함된 탄소가 대부분 CO2로 전환될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the plurality of combustors are installed until the composition of the final exhaust gas discharged from the combustor disposed at the rearmost end becomes CO 2 or H 2 O, so that the carbon contained in the methanol is mostly CO 2 < / RTI >

상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.According to the present invention configured as described above, the following effects can be obtained.

첫째, 단위 연료개질기가 고용량화될 경우 단위 연료개질기의 용량을 복수 개로 나누어 복수 개의 연료개질기를 다단으로 배치하고, 첫번째 연료개질기(제1단 연료개질기) 내에서 반응물과 촉매의 흡열반응으로 개질가스의 온도가 떨어지면 연소기의 연소반응을 통해 회수한 열을 이용하여 개질가스의 온도를 목표온도로 높인 후 두번째 연료개질기(제2단 연료개질기)로 공급하고, 두번째 연료개질기에서 흡열반응으로 개질가스의 온도가 또 떨어지면 다시 연소기로부터 열을 공급하는 방식으로 N번째 연료개질기(제N단 연료개질기)의 개질가스의 온도를 상승시킴으로써, 연료개질기의 용량이 증가하여도 연료개질기 내부로 효과적인 열 공급이 가능하여 전체 촉매의 열분포를 균일하게 유지할 수 있다.First, when the unit fuel reformer becomes high capacity, a plurality of fuel reformers are divided into a plurality of units and a plurality of fuel reformers are arranged in multiple stages. In the first fuel reformer (first reformer), the endothermic reaction When the temperature falls, the temperature of the reformed gas is increased to the target temperature by using the heat recovered through the combustion reaction of the combustor, and then supplied to the second fuel reformer (second reformer). In the second reformer, The temperature of the reforming gas of the N-th fuel reformer (the N-th stage reformer) is increased by supplying heat from the combustor again. Thus, even if the capacity of the reformer is increased, efficient heat supply to the interior of the reformer is possible The thermal distribution of the whole catalyst can be maintained uniformly.

둘째, 종래의 하나의 연소기만을 사용하여서는 일산화탄소를 완전히 제거할 수 없지만, 본 발명에 따른 다단의 연소기를 사용하여 여러 번 나눠서 연소시킴으로써, 일산화탄소를 제거하여 잠항 중 이산화탄소를 배출할 수 있다.Second, carbon monoxide can not be completely removed by using only one conventional combustor. However, carbon monoxide can be removed by burning several times by using a multi-stage combustor according to the present invention, thereby discharging carbon dioxide during submergence.

도 1은 본 발명에 따른 잠수함용 연료 개질 시스템을 보여주는 개념도이다.
도 2는 도 1의 연료 개질 시스템에 따른 온도를 설명하기 위한 온도 그래프이다.
1 is a conceptual diagram showing a fuel reforming system for a submarine according to the present invention.
2 is a temperature graph for explaining the temperature according to the fuel reforming system of FIG.

이하, 본 발명에 관련된 잠수함용 개질 시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Hereinafter, a submarine reforming system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In the following description of the embodiments of the present invention, a detailed description of related arts will be omitted when it is determined that the gist of the embodiments disclosed herein may be obscured.

도 1은 본 발명에 따른 잠수함용 연료 개질 시스템을 보여주는 개념도이고, 도 2는 도 1의 연료 개질 시스템에 따른 온도를 설명하기 위한 온도 그래프이다.FIG. 1 is a conceptual diagram showing a fuel reforming system for a submarine according to the present invention, and FIG. 2 is a temperature graph for explaining a temperature according to the fuel reforming system of FIG.

본 발명에 따른 잠수함용 연료 개질 시스템은 복수 개의 수증기 연료개질기(41,42,43;이하, 개질기로 약칭하기로 함)와 복수 개의 연소기(51,52,53,54)를 포함한다.The fuel reforming system for a submarine according to the present invention includes a plurality of steam reformers (41, 42, 43) (hereinafter abbreviated as a reformer) and a plurality of combustors (51, 52, 53, 54).

복수 개의 개질기(41,42,43)는 다단으로 배치되어, 연료전지(80)로 공급될 개질 가스를 생성한다. 복수 개의 개질기(41,42,43)는 서로 직렬로 연결되는 제1단 개질기(41) 내지 제N단 개질기로 구성될 수 있다. The plurality of reformers 41, 42, and 43 are arranged in multiple stages to generate a reformed gas to be supplied to the fuel cell 80. The plurality of reformers 41, 42, and 43 may be composed of a first stage reformer 41 to an Nth stage reformer connected in series to each other.

복수 개의 연소기(51,52,53,54)는 다단으로 배치되어, 각 개질기(40)로 유입되는 반응물 또는 개질 가스를 가열하기 위한 연소열을 생성한다. 복수 개의 연소기(50)는 촉매 연소버너일 수 있고, 제1단 연소기(51) 내지 제N단 연소기로 구성될 수 있다.The plurality of combustors 51, 52, 53, and 54 are disposed in multiple stages to generate combustion heat for heating reactants or reformed gas flowing into each reformer 40. The plurality of combustors 50 may be a catalytic combustion burner and may be composed of the first stage combustor 51 to the Nth stage combustor.

상기 제N단에서 N은 2이상의 자연수이고, 도 1에 도시된 개질기는 제1단 내지 제3단 개질기(41,42,43)로 구성되어 있고, 연소기(50)는 제1단 내지 제4단 연소기(51,52,53,54)로 구성되어 있다. 하지만, 개질기 및 연소기의 갯수는 이에 한정되지 않는다.In the N-th stage, N is a natural number of 2 or more, and the reformer shown in Fig. 1 is composed of first to third reformers 41, 42, 43, and the combustor 50 is a first- 52, 53, and 54, respectively. However, the number of reformers and combustors is not limited thereto.

제4단 연소기(54)는 복수 개의 연소기(51,52,53,54) 중에서 말단에 구비되고, 연료(메탄올)를 추가적으로 연소시켜, 연료 개질 시스템에서 열의 불균형이 발생할 경우에 부족한 열을 공급할 수 있다.The fourth stage combustor 54 is provided at the end of the plurality of combustors 51, 52, 53, and 54, and further combusts fuel (methanol) to supply insufficient heat when a heat imbalance occurs in the fuel reforming system have.

연료 개질 시스템은 복수 개의 연료공급부(10)와 물공급부(20)를 포함할 수 있다. The fuel reforming system may include a plurality of fuel supply units 10 and a water supply unit 20.

복수 개의 연료공급부(10)는 다단 개질기(40)에 각각 대응되게 배치되어, 다단 개질기(40)에 각각 연료를 공급할 수 있다. 연료공급부(10)는 메탄올 또는 에탄올 등의 연료를 공급할 수 있다. 각 연료공급부(10)는 개질기(40)와 연료공급배관에 의해 연결되고, 연료공급부의 전단 또는 후단에 연료공급펌프가 구비되어, 기설정된 압력 이상의 연료가 개질기(40)로 공급될 수 있다. 연료공급배관에 유량제어밸브가 설치되어 연료공급량을 조절할 수 있다.The plurality of fuel supply units 10 may be arranged corresponding to the multi-stage reformer 40, respectively, and may supply fuel to the multi-stage reformer 40, respectively. The fuel supply unit 10 can supply fuel such as methanol or ethanol. Each fuel supply unit 10 is connected to the reformer 40 by a fuel supply pipe and a fuel supply pump is provided at the front end or the rear end of the fuel supply unit so that fuel having a predetermined pressure or more can be supplied to the reformer 40. A flow control valve is installed in the fuel supply pipe to adjust the fuel supply amount.

물공급부(20)는 급수배관에 의해 제1단 개질기(41)와 연결되어, 제1단 개질기(41)에 물을 공급할 수 있다. 급수배관에 급수밸브가 설치되어, 급수량을 조절할 수 있다.The water supply unit 20 is connected to the first-stage reformer 41 by a water supply pipe, and can supply water to the first-stage reformer 41. A water supply valve is installed in the water supply pipe, and the water supply amount can be adjusted.

연료 개질 시스템은 복수 개의 산소공급부(31,32,33,34)를 포함할 수 있다. 복수 개의 산소 공급부(31,32,33,34)는 다단 연소기(50)에 각각 대응되게 배치되어, 다단 연소기(50)에 각각 산소를 공급하여 연소기(50)에서 개질가스와 산소의 연소반응이 이루어진다.The fuel reforming system may include a plurality of oxygen supply units (31, 32, 33, 34). The plurality of oxygen supply units 31, 32, 33, and 34 are disposed so as to correspond to the multi-stage combustor 50 so that oxygen is supplied to the multi-stage combustor 50 so that the combustion reaction of the reformed gas and oxygen in the combustor 50 .

연료 개질 시스템은 복수 개의 열교환기(61,62,63,64,65)를 포함할 수 있다. 복수 개의 열교환기(61,62,63,64,65)는 다단 연소기(50)와 다단 개질기(40)에 대응되게 배치되어, 다단 연소기(50)에서 생성된 열을 다단 개질기(40)로 열 전달하는 장치이다.The fuel reforming system may include a plurality of heat exchangers (61, 62, 63, 64, 65). The plurality of heat exchangers 61, 62, 63, 64, and 65 are disposed corresponding to the multi-stage combustor 50 and the multi-stage reformer 40 to heat the heat generated by the multi- .

복수 개의 열교환기(61,62,63,64,65) 각각은 연소열을 제공하는 제1열교환기(61a,62a,63a)와 연소열을 제공받는 제2열교환기(61b,62b,63b)로 구성될 수 있다. 연소열은 제1열교환기(61a,62a,63a)에서 제2열교환기(61b,62b,63b)로 열 전달된다. 제1열교환기(61b,62b,63b)에서 제2열교환기(61b,62b,63b)로 열 전달하는 방법은 직접 열 전달 방식과 간접 열 전달 방식 모두 가능하다.Each of the plurality of heat exchangers (61, 62, 63, 64, 65) comprises first heat exchangers (61a, 62a, 63a) for providing combustion heat and second heat exchangers (61b, 62b, 63b) . The heat of combustion is transferred from the first heat exchanger (61a, 62a, 63a) to the second heat exchanger (61b, 62b, 63b). The method of transferring heat from the first heat exchangers 61b, 62b, 63b to the second heat exchangers 61b, 62b, 63b can be either a direct heat transfer method or an indirect heat transfer method.

직접 열 전달 방식은 개질기(40)의 촉매 반응기 주위에 연소기(50)를 설치하여 연소열이 직접적으로 촉매 반응기에 공급되도록 설계한다. 이러한 방식은 촉매반응기의 근접영역에서 연소버너의 열을 직접 전달시킬 수 있어서 수증기 개질기(40)를 소형화할 수 있는 장점이 있다.In the direct heat transfer system, the combustor 50 is installed around the catalytic reactor of the reformer 40 so that the combustion heat is directly supplied to the catalytic reactor. This method has the advantage that the steam reformer 40 can be downsized because the heat of the combustion burner can be directly transferred in the vicinity of the catalytic reactor.

간접 열 전달 방식은 제1열교환기(61a,62a,63a)와 제2열교환기(61b,62b,63b) 사이에 열전달 유체가 순환하는 순환유로를 형성하여, 연소열이 열전달 유체를 매개로 열교환됨으로써 열매체(포화수증기)를 통해 제1열교환기(61a,62a,63a)로부터 제2열교환기(61b,62b,63b)로 전달되도록 한다. 이때, 연소열은 제1열교환기(61a,62a,63a)를 통해 열전달 유체로 열 전달되고, 열매체가 순환유로를 따라 제2열교환기(61b,62b,63b)로 이동하여 제2열교환기(61b,62b,63b)를 통해 개질기(40)에서 배출된 개질 가스와 열교환하여 상기 개질 가스로 열 전달이 이루어질 수 있다.The indirect heat transfer system forms a circulation flow path through which the heat transfer fluid circulates between the first heat exchanger (61a, 62a, 63a) and the second heat exchanger (61b, 62b, 63b), and the heat of combustion is heat exchanged through the heat transfer fluid 62a, 63a to the second heat exchangers 61b, 62b, 63b through the heating medium (saturated water vapor). At this time, the heat of combustion is transferred to the heat transfer fluid through the first heat exchanger 61a, 62a, 63a, and the heat medium moves to the second heat exchanger 61b, 62b, 63b along the circulation flow path to the second heat exchanger 61b 62b, and 63b to heat exchange with the reformed gas discharged from the reformer 40, thereby transferring heat to the reformed gas.

복수 개의 개질기(41,42,43) 각각은 반응물로 복수 개의 연료공급부(10)와 물공급부(20)로부터 각각 연료와 물을 공급받고, 연소기(50)로부터 공급되는 연소열을 이용하여 개질기(40) 내에서 연료와 물의 수증기 개질 반응을 일으켜 수소, 이산화탄소, 일산화탄소를 포함하는 개질 가스를 생성한다.Each of the plurality of reformers 41, 42 and 43 is supplied with fuel and water from the plurality of fuel supply units 10 and the water supply unit 20 as reactants and is supplied to the reformer 40 ) To generate a reformed gas containing hydrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide.

복수 개의 개질기는 고압에 운전된다. 복수 개의 개질기는 연료공급부로부터 소정 압력 이상의 메탄올 공급과 수증기의 기화로 인해 고압에서 운전될 수 있다. 예를 들어, 복수의 개질기의 운전압력은 개질가스가 수소필터를 통과할 수 있도록 수소필터의 작동압력뿐만 아니라 잠수함의 운용심도(잠항심도)에 따른 수압도 이겨야 한다. 따라서, 복수의 개질기는 수소필터의 작동압력과 잠항심도에 따른 수압(수심 10m당 1기압 상승)보다 높거나 같은 압력에서 운전되고, 이러한 개질기에서 운전되는 고압의 작동압력은 개질가스에 전달되어, 개질가스가 수소필터를 통과하여 연료전지로 공급되며, 잔류 배출가스 중 탄소는 이산화탄소로 전환되어 잠항 중 이산화탄소를 배출시킬 수 있다. The plurality of reformers are operated at a high pressure. The plurality of reformers can be operated at a high pressure due to the supply of methanol over a predetermined pressure from the fuel supply unit and the vaporization of water vapor. For example, the operating pressures of a plurality of reformers must overcome not only the operating pressure of the hydrogen filter but also the water pressure according to the operating depth of the submarine (depth of submergence) so that the reformed gas can pass through the hydrogen filter. Therefore, the plurality of reformers are operated at a pressure equal to or higher than the hydraulic pressure of the hydrogen filter and the hydraulic pressure (1 atmospheric pressure increase per 10 m of depth) depending on the depth of the submerged fuel, and the high- The reformed gas is supplied to the fuel cell through the hydrogen filter, and the carbon in the residual exhaust gas can be converted to carbon dioxide to discharge carbon dioxide during the submergence.

여기서, 복수 개의 개질기(41,42,43) 각각은 모든 반응물에 대해 수증기 개질을 수행하는 것이 아니라, 전체 반응물 중 일부 반응물과만 수증기 개질이 이루어진다. 다음의 세가지 방법에 의해 전체 반응물 중 일부 반응물과만 수증기 개질이 이루어질 수 있다. Here, each of the plurality of reformers 41, 42, and 43 does not perform steam reforming for all reactants, but steam reforming is performed only with some of the reactants of all the reactants. Steam reforming can be achieved only with some reactants in the total reactants by the following three methods.

첫째, 촉매의 양과 촉매의 반응시간을 줄이는 방법이다. 수증기 개질 반응에 의해 생성되는 개질 가스의 양은 촉매의 양 및 촉매의 반응 시간에 비례하기 때문에 촉매의 양이 줄어들수록 또는 촉매의 반응 시간이 단축될수록 촉매와 반응하여 생성되는 개질 가스가 감소한다. 예를 들면, 반응물은 촉매반응을 충분히 할 수 있는 시간을 주면 모든 반응물이 촉매반응을 할 수 있으나, 촉매 반응할 수 있는 시간을 줄여주면 전체 반응물의 일부만 반응하게 된다.First, it reduces the amount of catalyst and the reaction time of the catalyst. The amount of the reforming gas produced by the steam reforming reaction is proportional to the amount of the catalyst and the reaction time of the catalyst. Therefore, as the amount of the catalyst is reduced or the reaction time of the catalyst is shortened, the reforming gas produced by the reaction with the catalyst decreases. For example, reactants can catalyze all reactants if they give enough time to catalyze. However, if the time to catalyze is reduced, only a part of the reactants will react.

본 발명의 제1단 내지 제N단 개질기(41,42,43) 각각의 내부에 수용되는 촉매는 전체 촉매양 대비 일정 비율로 줄여 내장될 수 있다. 촉매의 양은 개질기(40)의 갯수에 따라 조절될 수 있다. 또한, 촉매가 내장된 개질기(40)의 크기는 한정되어 있으므로, 개질기(40)에 내장된 촉매의 감소함에 따라 반응물이 촉매와 반응할 수 있는 시간도 줄어들 수 있다.The catalyst contained in each of the first to Nth reformers (41, 42, 43) of the present invention may be embedded in a reduced ratio to the total amount of the catalyst. The amount of the catalyst can be adjusted depending on the number of the reformers 40. In addition, since the size of the reformer 40 in which the catalyst is incorporated is limited, the time for reactants to react with the catalyst can be reduced as the catalyst incorporated in the reformer 40 is reduced.

예를 들면, A라는 양의 연료를 개질하기 위해서 B라는 촉매양이 필요하다고 가정하고, 연료개질기가 4개로 구성된다면, 각 연료개질기에 들어가는 촉매양도 B/4 만큼 감소시켜 넣는다. 이에 의해, 첫번째 연료개질기에서는 A/4만큼의 연료양만큼 촉매반응이 이루어지게 된다.For example, suppose that the amount of catalyst B is needed to reform a positive fuel A, and if there are four fuel reformers, the amount of catalyst entering each fuel reformer is reduced by B / 4. Thereby, in the first fuel reformer, the catalytic reaction is performed by the amount of A / 4 fuel.

둘째, 반응물의 비율을 조절하는 방법이다. 즉, 제1단 내지 제N단 개질기(41,42,43) 각각으로 공급되는 연료(메탄올)와 물의 비율을 조절하면, 메탄올의 일부만 반응시킬 수 있다.Second, it is a method to control the ratio of reactants. That is, if the ratio of the fuel (methanol) and water supplied to each of the first to Nth reformers 41, 42 and 43 is adjusted, only a part of methanol can be reacted.

셋째, 개질기의 온도를 조절하는 방법이다. 제1단 내지 제N단 개질기 각각의 입구 온도를 제어함으로써, 전체 연료량 중 일부 연료량만이 각 개질기에서 촉매반응 처리될 수 있다.Third, the temperature of the reformer is controlled. By controlling the inlet temperatures of the first to Nth reformers, only a part of the fuel amount of the total fuel amount can be catalytically treated in each reformer.

연료 개질 시스템은 물공급부(20)에서 배출되는 물을 가열하여 기화시키는 수증기 생성용 열교환기(64b,65b)를 포함할 수 있다.The fuel reforming system may include a steam generating heat exchanger (64b, 65b) for heating and vaporizing the water discharged from the water supplying section (20).

연료 개질 시스템은 복수의 열 회수용 열교환기(64a,65a)를 포함할 수 있다. 복수의 열 회수용 열교환기(64a,65a)는 제N단 연소기(54)의 후단에 설치되고, 복수의 열 회수용 열교환기(64a,65a) 중 일부는 제N단 연소기(54)로부터 방출된 연소열의 일부를 회수하여 상기 수증기 생성용 열교환기(64b,65b)로 열 전달을 할 수 있다.The fuel reforming system may include a plurality of heat recovery heat exchangers (64a, 65a). The plurality of heat recovery heat exchangers 64a and 65a are installed at a rear stage of the Nth stage combustor 54 and a part of the plurality of heat recovery heat exchangers 64a and 65a is discharged from the Nth stage combustor 54 A part of the heat of combustion can be recovered and the heat can be transferred to the steam generating heat exchangers 64b and 65b.

또한, 복수의 열 회수용 열교환기(64a,65a) 중 다른 일부는 제N단 연소기(50)로부터 방출된 연소열의 다른 일부를 회수하여 상기 연료공급부(10)에서 배출되는 연료를 가열하는데 사용할 수 있다. 이를 위해, 연료공급배관에 연료 가열용 열교환기(65c)가 설치되고, 연료 가열용 열교환기(65c)는 열 회수용 열교환기(65a)로부터 열을 전달받아 연료를 가열할 수 있다.Another part of the plurality of heat recovery heat exchangers 64a and 65a may be used to recover the other part of the combustion heat emitted from the Nth stage combustor 50 and to heat the fuel discharged from the fuel supply part 10. [ have. To this end, a fuel heating heat exchanger 65c is provided in the fuel supply pipe, and the fuel heating heat exchanger 65c can receive heat from the heat recovery heat exchanger 65a to heat the fuel.

열 회수용 열교환기(65c)를 통해 회수된 열은 직접 열 전달 방식 또는 간접 열 전달 방식에 의해 열전달 가능하다.The heat recovered through the heat exchanging heat exchanger 65c can be heat-transferred by a direct heat transfer method or an indirect heat transfer method.

이하, 본 발명에 따른 잠수함용 연료 개질 시스템의 작용을 설명하기로 한다.Hereinafter, the operation of the fuel reforming system for a submarine according to the present invention will be described.

연료 개질 시스템의 반응물인 연료량 A를 한꺼번에 연료 개질을 하는 것은 어려우므로, 연료량 A를 A/N 만큼 나누어, 각 개질기의 입구에 주입한다. 이때, 각 개질기의 연료주입량에(A/N)에 대응되는 촉매의 양이 각 개질기에 포함된다.Since it is difficult to reform the fuel amount A, which is a reactant of the fuel reforming system, at once, the amount of fuel A is divided by A / N and injected into the inlet of each reformer. At this time, the amount of the catalyst corresponding to (A / N) in the amount of injected fuel of each reformer is included in each reformer.

본 실시예에서 3개의 개질기가 연속해서 다단으로 배치되어, A/3 만큼의 메탄올이 제1 내지 제3연료공급부(10)로부터 제1단 내지 제3단 개질기(41,42,43)의 입구로 각각 공급될 수 있다. 또한, 물은 물공급부(20)로부터 배출되어 수증기로 기화된 후 상기 제1단 내지 제3단 개질기(41,42,43)로 순차적으로 공급된다.In this embodiment, three reformers are continuously arranged in multiple stages, and methanol of A / 3 is supplied from the first to third fuel supply units 10 to the inlet of the first to third reformers 41, Respectively. In addition, the water is discharged from the water supply unit 20, vaporized by steam, and then sequentially supplied to the first to third reformers 41, 42, and 43.

이때, 제1 내지 제3연료공급부(11,12,13)로부터 공급되는 연료(메탄올)는 열교환기(65c)로부터 열을 전달받아 가열될 수 있다. 상기 열교환기(65c)는 수소필터 후단에 설치되는 열교환기(65a)로부터 열을 전달받는다. 이때 수소필터(70) 전후에 설치되는 열교환기 사이의 열전달은 열매체(포화수증기)를 통해 이뤄질 수 있다. 상기 열교환기(65a)는 연소기(54)에서 생성된 열을 획득한다.At this time, the fuel (methanol) supplied from the first to third fuel supply units 11, 12, and 13 can be heated by receiving heat from the heat exchanger 65c. The heat exchanger 65c receives heat from a heat exchanger 65a installed at the rear end of the hydrogen filter. At this time, the heat transfer between the heat exchangers installed before and after the hydrogen filter 70 can be performed through the heating medium (saturated water vapor). The heat exchanger 65a acquires the heat generated in the combustor 54. [

마찬가지로 물공급부(20)로부터 공급되는 물은 열교환기(64b,65b)로부터 열을 획득하여 수증기로 기화되고, 기화된 수증기는 설정된 온도, 예를 들어 섭씨 250~300도까지 상승될 수 있다. 상기 열교환기(64b,65b)는 수소필터(70) 이후에 설치되는 열교환기(65a, 64a)로부터 열을 공급받는다. 이때 두 열교환기 사이에는 열매체(포화수증기)를 통해 열이 열전달될 수 있다. 상기 열교환기(65a, 64a)는 연소기(54)로부터 열을 공급받는다.Similarly, the water supplied from the water supply unit 20 acquires heat from the heat exchangers 64b and 65b and is vaporized by water vapor, and the vaporized water vapor can be raised to a set temperature, for example, 250 to 300 degrees Celsius. The heat exchangers 64b and 65b receive heat from the heat exchangers 65a and 64a installed after the hydrogen filter 70. [ At this time, heat can be transferred between the two heat exchangers through the heating medium (saturated steam). The heat exchangers (65a, 64a) receive heat from the combustor (54).

제1단 개질기(41)로 공급되는 메탄올과 수증기는 제3단 연소기(53)에서 생성되는 열을 열교환기 61a와 열교환기 61b의 경로를 통해 열을 전달받아 목표온도까지 승온된다. 제1단 개질기(41)는 메탄올과 수증기를 수증기 개질 반응시켜 수소를 포함한 개질가스를 생성한다. 제1단 개질기(41)는 전체 반응물 중 일부만을 개질시키도록 이루어진다. 제1단 개질기(41)의 일부 개질은 연료공급량 또는 내장된 촉매의 양(촉매 반응시간)을 조절함으로 이루어질 수 있다.Methanol and water vapor supplied to the first-stage reformer 41 receive heat generated by the third stage combustor 53 through the heat exchanger 61a and the heat exchanger 61b and are heated to a target temperature. The first stage reformer 41 reacts methanol and steam with a steam reforming reaction to produce a reformed gas containing hydrogen. The first stage reformer 41 is configured to reform only a part of the entire reactants. Some reforming of the first-stage reformer 41 may be achieved by adjusting the amount of fuel supplied or the amount of catalyst contained therein (catalyst reaction time).

제1단 개질기(41)의 후단에는 개질 반응으로 생성되는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 수증기 및 개질반응에 참여하지 않은 연료가 존재한다. 상기 제1단 개질기(41)의 후단의 개질가스 및 잔여 연료는 흡열반응으로 인해 온도가 300도 이하로 감소한다. 이러한 개질가스 및 연료는 다시 제2단 연소기(52)로부터 연소열을 전달받아 다시 목표온도로 상승하여 제2단 개질기(42)로 공급된다. At the downstream of the first-stage reformer 41, hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, and fuel that are not involved in the reforming reaction are present in the reforming reaction. The temperature of the reformed gas and the residual fuel at the downstream of the first-stage reformer 41 decreases to 300 degrees or less due to the endothermic reaction. The reformed gas and the fuel again receive the combustion heat from the second stage combustor 52, rise again to the target temperature, and are supplied to the second stage reformer 42.

제2단 개질기(42)는 제1단 개질기(41)의 후단과 연결되어, 제1단 개질기(41)로부터 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 수증기 및 개질반응에 참여하지 않은 연료를 제공받아 수증기 개질 반응을 통해 개질 가스를 생성한다.The second stage reformer 42 is connected to the downstream end of the first stage reformer 41 and receives hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, steam, and fuel not participating in the reforming reaction from the first stage reformer 41, To generate reformed gas.

제2단 개질기(42) 역시 잔여 연료의 전부를 개질반응시키도록 대형화로 설계되지 않고 잔여 연료의 일부만을 개질시키도록 이루어진다. 다단 개질기(40)는 제1단 개질기(41)로 공급된 연료가 연료전지(80)에서 이용 가능한 개질가스로 변환될 때까지 연속공정으로 이루어진다. 즉, 다단 개질기(40)의 개질반응은 개질할 수 있는 잔여 연료가 없어질 때까지 연속해서 이루어진다.The second-stage reformer 42 is also designed to reform only a part of the residual fuel, not designed to be large-sized so as to perform the reforming reaction on all of the remaining fuel. The multistage reformer 40 is a continuous process until the fuel supplied to the first-stage reformer 41 is converted into a reformed gas usable in the fuel cell 80. That is, the reforming reaction of the multi-stage reformer 40 is continuously performed until the residual fuel that can be reformed is eliminated.

본 실시예에 따른 다단 개질기(40)는 제1단 내지 제3단 개질기(41,42,43)로 구성되어, 전체 반응물이 제1단 개질기(41)로부터 제3단 개질기(43)를 통과하면서 연료의 개질이 완료되도록 설계되어 있다.The multi-stage reformer 40 according to the present embodiment is composed of first to third reformers 41, 42 and 43, and the whole reactant passes through the third stage reformer 43 from the first stage reformer 41 While the reforming of the fuel is completed.

다단 개질기(40)에서 개질반응으로 생성된 개질가스로 수소, 일산화탄소, 이산화탄소가 주로 생성된다. 제3단 개질기(43)의 후단에 설치된 수소 필터(70)는 상기 개질가스 중 수소만을 통과시키고, 통과된 수소는 연료전지(80)로 공급되어 연료전지(80)에서 전기에너지를 생성하는데 사용된다.Hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide are mainly generated as the reforming gas generated by the reforming reaction in the multi-stage reformer 40. The hydrogen filter 70 provided at the rear stage of the third stage reformer 43 passes only hydrogen in the reformed gas and the hydrogen which has been passed is supplied to the fuel cell 80 to generate electric energy in the fuel cell 80 do.

수소 필터(70)에서 배출되는 잔여 개질가스 역시 잔여 수소, 일산화탄소, 이산화탄소로 구성된다. 잠수함에서는 모두 이산화탄소로 전환해야함으로, 잔여 개질가스는 수소 필터(70)의 후단에 연결된 제1단 내지 제3단 연소기(51,52,53)로 순차적으로 공급되어 모두 연소되어 일산화탄소가 이산화탄소로 전환된다.The remaining reforming gas discharged from the hydrogen filter 70 is also composed of residual hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide. In the submarine, all of the reformed gas must be converted to carbon dioxide, so that the remaining reformed gas is sequentially supplied to the first stage to third stage combustors 51, 52, 53 connected to the rear end of the hydrogen filter 70 and is all burned to convert carbon monoxide into carbon dioxide do.

상기 잔여 개질가스는 제1단 내지 제3단 연소기(51,52,53)에 의해 연소되고, 잔여 개질가스의 연소를 통해 확보된 연소열은 제1단 내지 제3단 연소기(51,52,53) 각각의 후단에 배치된 열교환기(61,62,63)를 통해 제1단 내지 제3단 개질기(41,4243)로 공급되는 반응물 또는 개질가스로 전달된다.The remaining reformed gas is combusted by the first to third combustors 51, 52 and 53, and the combustion heat secured through the combustion of the remaining reformed gas is passed through the first to third combustors 51, Through the heat exchangers (61, 62, 63) disposed at the downstream ends of the reformer (41, 423).

예를 들면, 복수 개의 연소기(51,52,53,54) 각각은 다단으로 배치된 복수 개의 개질기(41,42,43) 사이에 다단으로 배치될 수 있다. 또는 복수 개의 연소기(51,52,53,54) 각각으로부터 열 전달되는 복수 개의 열교환기(61b,62b,63b)는 복수 개의 개질기(41,42,43) 사이에 다단으로 배치될 수 있다.For example, each of the plurality of combustors 51, 52, 53, and 54 may be disposed in multiple stages between a plurality of reformers 41, 42, and 43 arranged in multiple stages. Or a plurality of heat exchangers 61b, 62b, and 63b that are thermally transferred from the plurality of combustors 51, 52, 53, and 54 may be disposed in multiple stages between the plurality of reformers 41, 42, and 43.

다단으로 배치된 복수 개의 개질기(41,42,43)의 목표온도가 설정되면, 각각의 개질기(40)로 공급되는 개질가스의 온도가 목표온도가 되도록 다단으로 배치된 복수 개의 연소기(51,52,53,54)로부터 연소열이 제공된다.When the target temperatures of the plurality of reformers 41, 42, and 43 arranged in multiple stages are set, the plurality of combustors 51 and 52 arranged in multiple stages so that the temperature of the reformed gas supplied to each reformer 40 becomes the target temperature , 53, 54).

다단으로 배치된 복수 개의 개질기(41,42,43)의 연속적인 개질 반응과 다단으로 배치된 복수 개의 연소기(51,52,53,54)의 연소열 제공은 개질 반응이 종료될 때까지 수행된다.The continuous reforming reaction of the plurality of reformers 41, 42, 43 arranged in multiple stages and the furnace heat supply of the plurality of combustors 51, 52, 53, 54 arranged in multiple stages are performed until the reforming reaction is completed.

본 발명의 일 실시예에 따른 잠수함용 연료 개질 시스템은 메탄올 연료 개질기(40)를 사용한다. The fuel reforming system for a submarine according to an embodiment of the present invention uses a methanol fuel reformer (40).

본 발명에 따른 잠수함용 연료 개질 시스템은 개질기(40)의 용량을 다단으로 나눠서 구성된다.The fuel reforming system for a submarine according to the present invention is constituted by dividing the capacity of the reformer (40) into multiple stages.

이하, 도 2를 참조하여 반응물과 개질가스의 온도변화를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the temperature changes of the reactant and the reformed gas will be described with reference to FIG.

본 발명에 따른 잠수함용 연료 개질 시스템에서는 각 단의 연료개질기의 입구온도(메탄올과 수증기의 온도)를 목표온도 250~300도로 설정할 수 있다. 본 실시예에서는, 제1 내지 제4단 연소기(51,52,53,54)에서 생성된 연소열을 회수하여 연료개질기로 유입되는 기체의 온도를 250~300도로 가열하는데 사용할 수 있다. In the fuel reforming system for a submarine according to the present invention, the inlet temperature (temperature of methanol and water vapor) of the fuel reformer at each stage can be set to a target temperature of 250 to 300 degrees. In this embodiment, the combustion heat recovered from the first to fourth combustors 51, 52, 53, and 54 can be recovered and used to heat the gas flowing into the fuel reformer to 250 to 300 degrees.

제1단 개질기(41)로 공급되는 수증기의 온도는 메탄올의 투입으로 하강할 수 있다.The temperature of the water vapor supplied to the first-stage reformer 41 can be lowered by the introduction of methanol.

제1단 개질기(41)로부터 배출되는 개질가스는 흡열반응에 따라 목표온도보다 낮아지게 된다.The reformed gas discharged from the first-stage reformer 41 becomes lower than the target temperature in accordance with the endothermic reaction.

예를 들면, 제1단 개질기(41)의 입구 온도를 다단 연소기(50)의 연소열에 의해 목표온도까지 상승시킨다. 제2단 개질기(42)로부터 생성된 개질가스는 목표온도보다 낮아지게 될 것이나 제1단 개질기(41)의 수증기량에 비해 제2단 개질기(42)의 수증기량이 감소함에 따라 제1단 개질기(41)로부터 생성된 개질가스의 온도보다 상승한다.For example, the inlet temperature of the first-stage reformer (41) is raised to the target temperature by the combustion heat of the multi-stage combustor (50). The reformed gas generated from the second-stage reformer 42 will be lower than the target temperature. However, as the steam amount of the second-stage reformer 42 is reduced compared to the steam amount of the first-stage reformer 41, ) Of the reforming gas.

다단 연소기(50)를 이용하여 다시 제2단 개질기(42)로부터 배출된 개질가스의 온도를 목표온도까지 상승시킨다.The temperature of the reformed gas discharged from the second-stage reformer 42 is again raised to the target temperature by using the multi-stage combustor 50.

이러한 과정은 다단 연소기(50)로부터 제공된 연소열에 의해 개질 반응이 더 이상 발생하지 않을 때까지 연속적으로 진행된다. 다단 연소기(50)를 통과한 잔여 개질 가스에 포함되어 있는 일산화탄소는 다단 연소기(50)에 의해 연소되어 이산화탄소로 전환되며, 전환된 이산화탄소를 해수로 배출시킬 수 있다.This process is continuously carried out until the reforming reaction no longer occurs due to the heat of combustion provided from the multi-stage combustor 50. The carbon monoxide contained in the residual reforming gas that has passed through the multi-stage combustor 50 is burned by the multi-stage combustor 50 to be converted into carbon dioxide, and the converted carbon dioxide can be discharged to the seawater.

이상의 설명은 본원발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본원발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본원발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, substitutions and alterations can be made hereto without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. will be.

또한, 본원발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본원발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본원발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. .

본원발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본원발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

10 : 연료공급부
11 : 제1연료공급부
12 : 제2연료공급부
13 : 제3연료공급부
14 : 제4연료공급부
20 : 물공급부
30 : 산소공급부
31 : 제1산소공급부
32 : 제2산소공급부
33 : 제3산소공급부
34 : 제4산소공급부
40 : 개질기
41 : 제1단 개질기
42 : 제2단 개질기
43 : 제3단 개질기
50 : 연소기
51 : 제1단 연소기
52 : 제2단 연소기
53 : 제3단 연소기
54 : 제4단 연소기
60 : 열교환기
70 : 수소 필터
80 : 연료전지
10: fuel supply unit
11: First fuel supply part
12: Second fuel supply part
13: Third fuel supply part
14: Fourth fuel supply part
20: water supply part
30: oxygen supply section
31: First oxygen supply unit
32: second oxygen supply part
33: Third oxygen supply unit
34: fourth oxygen supply unit
40: reformer
41: First stage reformer
42: Second stage reformer
43: Third stage reformer
50: Combustor
51: First stage combustor
52: Second stage combustor
53: Third stage combustor
54: Fourth stage combustor
60: heat exchanger
70: Hydrogen filter
80: Fuel cell

Claims (8)

잠수함 내부에 구비되는 연료전지;
직렬로 연결되어 다단으로 배치되고, 메탄올과 수증기를 촉매에 의해 반응시켜 상기 연료전지로 공급될 개질가스를 생성하는 복수 개의 수증기 연료개질기;
상기 복수 개의 수증기 연료개질기로부터 배출된 개질 가스 중 수소만을 통과시켜 연료전지에 전달하는 수소 필터;
직렬로 연결되어 다단으로 배치되고, 촉매를 이용하여 수소필터를 통과하지 못한 잔여 개질가스 혹은 상기 연료전지에서 사용하고 남은 개질가스와 산화제의 연소반응을 일으켜 상기 복수 개의 수증기 연료개질기로 유입되는 개질가스에 열을 공급하는 복수 개의 연소기; 및
상기 복수 개의 수증기 연료개질기와 상기 복수 개의 연소기에 각각 대응되도록 연결된 복수 개의 열교환기;
를 포함하고,
상기 복수 개의 수증기 연료개질기 중 어느 하나의 수증기 연료개질기로부터 배출되는 개질가스의 전부는 다음의 다른 하나의 수증기 연료개질기로 그대로 공급되고,
상기 복수 개의 연소기는 상기 어느 하나의 수증기 연료개질기로부터 배출되어 상기 다른 하나의 수증기 연료개질기로 공급되는 개질가스에 연소열을 제공하고,
상기 복수 개의 연소기 중 어느 하나의 연소기로부터 생성되는 열은 상기 열교환기를 통해 상기 개질가스에 전달되고,
상기 복수 개의 수증기 연료개질기는 상기 수소필터의 작동압력 및 잠수함의 운용심도에 따른 수압보다 높거나 같은 압력에서 운전되는 잠수함용 연료 개질 시스템.
A fuel cell provided inside the submarine;
A plurality of steam fuel reformers connected in series and arranged in a plurality of stages to generate a reformed gas to be supplied to the fuel cell by reacting methanol and steam with a catalyst;
A hydrogen filter for passing only hydrogen from the reformed gas discharged from the plurality of steam reformers to the fuel cell;
A reforming gas introduced into the plurality of steam reformers, which is connected in series and is arranged in a plurality of stages, causes a combustion reaction between the residual reforming gas that has not passed through the hydrogen filter using the catalyst or the reforming gas remaining in the fuel cell, A plurality of combustors for supplying heat to the combustion chamber; And
A plurality of heat exchangers connected to the plurality of steam reformers and corresponding to the plurality of combustors, respectively;
Lt; / RTI >
Wherein all of the reformed gas discharged from any one of the plurality of steam reformers is supplied to the other steam reformer,
Wherein the plurality of combustors exhaust heat from one of the steam reformers to supply combustion heat to the reformed gas supplied to the other steam reformer,
Heat generated from any one of the plurality of combustors is transferred to the reformed gas through the heat exchanger,
Wherein the plurality of steam reformers operate at a pressure equal to or higher than a hydraulic pressure corresponding to an operating pressure of the hydrogen filter and an operating depth of the submarine.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 복수 개의 수증기 연료개질기 각각은 전체 반응물 중 일부의 반응물에 대하여 개질 반응을 일으키는 것을 특징으로 하는 잠수함용 연료 개질 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein each of the plurality of steam reformers causes a reforming reaction with respect to a part of reactants of all the reactants.
제3항에 있어서,
상기 복수 개의 수증기 연료개질기는 연료공급부로부터 제공되는 연료의 양을 조절하거나 내부에 장착된 촉매의 양, 촉매의 반응시간 또는 개질기의 온도를 조절하여 상기 일부의 반응물과 개질반응을 일으키는 것을 특징으로 하는 잠수함용 연료 개질 시스템.
The method of claim 3,
Wherein the plurality of steam reformers adjust the amount of fuel supplied from the fuel supply unit or adjust the amount of the catalyst installed therein, the reaction time of the catalyst, or the temperature of the reformer to cause a reforming reaction with the reactants of the part Fuel reforming system for submarines.
제1항에 있어서,
상기 복수 개의 수증기 연료개질기의 연속적인 개질 반응과 상기 복수 개의 연소기의 연소열 제공은 상기 개질 반응이 종료될 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 잠수함용 연료 개질 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the continuous reforming reaction of the plurality of steam reformers and the combustion heat supply of the plurality of combustors are performed until the reforming reaction is terminated.
제5항에 있어서,
상기 복수 개의 연소기는, 상기 복수 개의 수증기 연료개질기로 공급되는 개질 가스가 기설정된 개질기의 목표온도에 도달하도록, 산화제(공기 혹은 산소)의 공급량을 제어하여 상기 개질 가스에 연소열을 제공하는 것을 특징으로 하는 잠수함용 연료 개질 시스템.
6. The method of claim 5,
Wherein the plurality of combustors controls the supply amount of the oxidizing agent (air or oxygen) so that the reformed gas supplied to the plurality of steam reformers reaches the target temperature of the predetermined reformer, thereby providing the combustion heat to the reformed gas Fuel reforming system for submarines.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 복수 개의 연소기는 최후단에 배치된 연소기로부터 배출되는 최종 배출가스의 조성이 CO2나 H2O로 될 때까지 설치되어, 메탄올에 포함된 탄소가 CO2로 전환되는 것을 특징으로 하는 연료개질 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of combustors are provided until the composition of the final exhaust gas discharged from the combustor disposed at the rearmost end becomes CO 2 or H 2 O so that the carbon contained in methanol is converted to CO 2 system.
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