KR101783218B1 - 잠수함용 개질기 시스템 - Google Patents

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최은영
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 잠수함용 개질기 시스템에 관한 것으로, 열매체가 공급하는 열에 의해 가열되어 반응물의 흡열 반응에 따라 개질가스를 생성하는 연료 개질기; 상기 생성된 개질가스를 수소가스와 잔여가스로 분리하는 수소 분리기; 상기 분리된 수소가스를 이용하여 전기를 생성하는 연료전지 모듈; 상기 분리된 잔여가스와 연료를 공급받아 연소하는 연소기; 상기 연소기의 연소열에 따라 물을 가열하여 기체상태의 열매체를 연료 개질기로 공급하는 보일러; 및 상기 연료 개질기에 열을 공급하고 피드백 경로로 유입되는 열매체를 액체상태로 변환 및 저장하여 상기 보일러로 공급하는 열매체 피드백회로;를 포함하며, 상기 연료 개질기로 공급되는 반응물과 상기 연소기로 공급되는 연료의 양은연료전지 모듈에서 측정된 전류량에 비례하여 적응적으로 조절되는 것을 특징으로 한다.

Description

잠수함용 개질기 시스템{REFORMING SYSTEM FOR SUBMARINE}
본 발명은 잠수함의 연료전지에 공급되는 개질가스를 생성하는 잠수함용 개질기 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 잠수함의 동력원은 디젤엔진을 이용하는 방식과 원자력을 이용하는 방식으로 구분된다. 여기서, 디젤엔진 구동 잠수함은 프로펠러를 구동하기 위한 에너지를 확보하기 위해 부상(浮上) 및 스노클 항해 중에 디젤엔진을 구동시켜 함내에 설치되어 있는 배터리에 전기 에너지를 저장한다. 만약 잠수함 잠항 시 배터리에 저장되었던 에너지를 소진하면 해수면으로 다시 부상하거나 스노클 수심까지 상승하여 디젤엔진을 구동시켜 배터리를 재충전해야 한다.
이러한 잠수함의 스노클링은 잠수함의 최대 특성인 기밀성(또는 은닉성)을 저하는 문제를 초래하기 때문에 보다 긴 잠항시간을 확보하기 위하여, 즉 스노클링 주기를 최소화하기 위하여 최근 공기불요추진(AIP : Air Independent Propulsion)이라 불리는 시스템이 설치되어 사용되고 있다.
잠수함에서 사용되는 공기불요추진 시스템은 폐회로 디젤기관, 스털링 기관, 연료전지 시스템 등이 있다. 이 중에서 연료전지 시스템은 수소 및 산소의 전기화학반응으로 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시켜 주는 에너지 변환 장치로서 잠수함에 가장 적합한 공기불요추진기관으로 평가되고 있다. 상기 연료전지 시스템은 전기를 생성하기 위해서 수소가 필요한데, 현재 잠수함에서는 수소를 공급하기 위해 금속수소저장합금 또는 연료개질 시스템을 이용하여 수소 가스를 생성하고 있다.
그러나 연료개질 시스템은 금속수소저장합금 방식에 비해 수소를 공급하는 능력이 우수하지만, 상대적으로 복잡한 구조로 설계 및 제작되어야 한다. 즉, 금속수소저장합금은 단순히 수소를 충전 및 방전할 수 있는 형태인데 반해, 연료개질 시스템은 메탄올 등과 같은 액체연료로부터 촉매반응을 통해 수소를 분리/생성하는 형태이기 때문에 연속화학공정이라고 생각할 수 있다. 따라서 전체 연료개질 플랜트의 열 및 물질 수지의 밸런스를 고려하여 반응물 및 열매체 등의 유량을 제어하는 것이 반드시 필요하다.
잠수함 내에 설치되어 있는 공기불요추진시스템은 “연료개질시스템 + 연료전지시스템”으로 구성된다. 연료전지 시스템은 잠수함이 요구하는 동력량에 따라 필요한 수소의 양도 변화하므로, 연료개질 시스템에서 생산해야 하는 수소량도 실시간으로 변화할 수 있다. 그러나 잠수함용 연료개질 시스템은 민수용 소형 연료 개질기와는 달리 무게 및 부피가 상대적으로 크고, 더욱 복잡한 구조로 설계 및 제작되어야 하므로 수소요구량에 대한 응답속도가 느리다. 따라서 잠수함 환경에 적합한 연료개질 시스템의 제어방법이 필요하다. 만약 연료 개질기가 연료전지에 필요한 충분한 수소를 생산하지 못하면 연료전지 시스템은 안정적으로 전력 생산을 할 수 없게 된다.
민수에서 사용하는 발전용 연료 개질기와 같이 기존의 연료 개질기는 원 포인트(one-point) 운전을 하도록 설계되어 있다. 대부분의 발전용 연료전지 시스템은 전력 그리드(grid)에 연결되어 운전되고 있으므로, 전력 변화에 따른 부하추종을 할 필요는 없다. 따라서 설계점이 하나이기 때문에 연료 개질기 제어 역시 어렵지 않다.
그러나 잠수함용 연료 개질기는 연료전지와 독립적으로 연결되어 운전되므로 민수용 연료 개질기에 비해 부하추종 능력이 필요하다. 따라서 연료 개질기 역시 부하추종에 맞도록 제어될 필요가 있다. 하지만 잠수함용 연료개질기 시스템은 기존 연료전지 발전용 연료 개질기와 레이아웃(layout)이 상이할 뿐만 아니라 현재까지의 연료개질기의 제어 개념을 직접적으로 적용하기에는 한계가 있다.
본 발명의 목적은 연료전지의 전류신호를 근거로 빠르게 제어점을 변화시켜 빠른 부하추종 능력을 확보할 수 있는 잠수함용 개질기 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 피드백 제어를 통해 더욱 안정적으로 수소를 생산할 수 있는 잠수함용 개질기 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 잠수함용 개질기 시스템은, 기체상과 액체상 사이에서 상 변화가 일어나고 상 변화 시 잠열구간이 존재하는 열매체로부터 열을 공급받아 연료와 물의 촉매반응을 일으켜 개질가스를 생성하는 연료 개질기; 상기 생성된 개질가스를 수소가스와 잔여가스로 분리하는 수소 분리기; 상기 분리된 수소가스를 이용하여 전기를 생성하는 연료전지 모듈; 상기 분리된 잔여가스, 연료 및 산소를 공급받아 연소하는 연소기; 상기 연소기의 연소열에 액체상의 열매체가 가열되어 포화 수증기 상태의 열매체를 연료 개질기로 공급하는 보일러; 및 상기 연료 개질기에 열을 공급하고 피드백 경로로 유입되는 열매체를 액체상태로 변환 및 저장하여 상기 보일러로 공급하는 열매체 피드백회로;를 포함하며, 상기 연료 개질기로 공급되는 반응물과 상기 연소기로 공급되는 연료 및 산소의 양은 연료전지 모듈에서 측정된 전류량에 비례하여 적응적으로 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따라 상기 반응물은 메탄올과 물을 포함하고, 상기 연료는 메탄올을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 상기 연료 개질기는 메탄올 수증기 개질기이고, 상기 수소 분리기는 팔라듐 필터를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 상기 연소기는 제1메탄올 펌프와 산소유량제어기(MFC)와 연결된 다단의 연소기로 구성되어, 상기 수소 분리기에서 분리된 잔여가스, 제1메탄올 펌프에서 제공된 메탄올 및 산소유량제어기(MFC)에서 제공된 산소를 연소시켜 연소열을 발생할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 상기 열매체 피드백회로는 제2메탄올 펌프와 제2물펌프를 통해 공급되는 메탄올과 물을 상기 연료 개질기에 열을 공급한 후 열매체 피드백 경로로 배출되는 열매체의 열로 기화시켜 연료 개질기로 인가하는 열 교환기; 상기 열 교환기에 열을 공급하고 배출되는 열매체를 해수 펌프를 통해 제공된 해수로 응축하여 액체상태로 만드는 증기 응축기; 상기 연료 개질기 출구의 열매체 압력에 근거하여 상기 열매체 피드백 경로의 압력을 조절하는 압력 조절장치; 상기 증기 응축기에서 응축된 액체상태의 열매체를 저장하여 상기 보일러로 제공하는 리저버; 및 상기 리저버에서 보일러로 제공되는 열매체의 유량을 제어하는 제1물펌프;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 상기 해수 펌프는 상기 증기 응축기에서 응축되어 출력되는 열매체 온도에 근거하여 공급되는 해수의 유량을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 상기 제1물펌프는 보일러내의 유량센서에서 감지된 물의 수위에 근거하여 상기 보일러로 제공되는 열매체의 유량을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 상기 압력 조절장치는 상기 증기 응축기와 리저버 사이에 배치되어 액체상태로 운전되는 열매체 피드백 경로의 압력을 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 상기 압력 조절장치는 상기 연료 개질기와 열 교환기사이에 배치되어 기체상태로 운전되는 열매체 피드백 경로의 압력을 조절할 수 있다.
상기 실시예에 따라 본 발명은 포화 수증기의 잠열을 사용하기 잠열이 큰 포화 수증기를 열매체로 사용함으로써 연료 개질기의 온도를 일정하게 유지할 수 있을 뿐만 아니라 유동성이 뛰어난 액체상태로 운전할 수 있어, 연료 개질기가 대형화되더라도 균질한 온도분포를 기대할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 실시예에 따라 본 발명은 연료전지의 전류 신호를 바탕으로 빠르게 개질기 시스템의 제어점을 변화시킴으로써 빠른 부하추종 능력을 확보할 수 있고, 피드백 제어를 통해 수소를 안정적으로 생산할 수 있으며, 수증기 개질기의 온도를 일정하게 유지하여 개질기의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 잠수함용 개질기 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 잠수함용 개질기 시스템의 제어동작을 나타낸 순서도.
본 발명의 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 고안자는 그 자신의 고안을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 발명의 명세서에 기재된 실시예와 도면 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 제1,제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 구별하여 설명하기 위한 것일 뿐 상기 구성요소들은 상기 용어에 의해 한정되는 것은 아니다. 그리고, 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련 기재 항목들 중의 어나 항목을 포함한다.
본 발명은 기본적으로 잠열이 큰 포화 수증기를 열매체로 사용하여 연료 개질기의 온도를 일정하게 유지할 수 있는 잠수함용 개질기 시스템을 제안한다.
종래 스팀 터빈 발전소의 스팀회로에서 과열증기(superheated) 상태의 수증기로 터빈을 돌린 후 응축 및 재순환시키는 과정을 개시하고 있는데, 본 발명은 과열증기 상태까지 가지 않고 포화 수증기(saturated steam) 상태까지만 가서 포화 수증기의 잠열구간을 사용한다.
그리고 종래의 잠수함용 개질기 시스템에 대한 열균형을 계산해 보면 잔여 개질가스의 연소만으로는 열이 부족할 수 있어, 추가적인 연료, 예를들면 메탄올을 공급하여 연소시킨다. 이때 공급하는 메탄올의 양이 최대 관건인데, 만약 메탄올을 너무 많이 넣어주면 열량은 충분하나 잠수함 연료가 많이 소모되고, 너무 적게 넣어주면 열량이 부족하게 된다. 이를 제어하기 위하여 피드백 제어를 할 수도 있지만 이러한 경우 시스템이 너무 방대해지고 제어점 잡기가 어려워 사실상 용이하지 않다.
이에 본 발명에서는 시뮬레이션으로 미리 열균형을 계산하여 연료 개질기의 운전점마다 필요한 메탄올 추가값을 획득하고, 연료전지의 전류값에 비례하여 메탄올 및 산소 유량을 선행 제어함으로써 부하 추종성을 높이는 방안을 제안한다.
종합적으로 본 발명은 포화 수증기의 잠열구간을 이용하고 연료전지의 전류 생산량을 반영하는 전류신호에 근거하여 메탄올 및 산소 유량을 제어함에 의해 신속하게 연료 개질기의 제어점을 변화시킴으로써 빠른 부하추종 능력을 확보할 수 있고 안정적인 온도 제어가 가능한 잠수함용 메탄올 수증기 개질 시스템을 제안한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 잠수함용 개질기 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 잠수함용 개질기 시스템은 크게 메탄올 수증기 개질기(MSR : methanol steam reformer)(100), 수소 분리기(110), 연료전지 모듈(120), 연소기(burner)(130), 보일러(boiler)(140), 열교환기 (150), 증기 응축기 (160), 압력 조절장치(170), 리저버(reservoir)(180), 제1물 펌프 (190) 및 제어기(200)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 열교환기 (150), 증기 응축기 (160), 물 탱크(170) 및 물 펌프(180)는 열매체의 폐루프 회로를 구성하는데, 상기 폐루프 회로는 메탄올 수증기 개질기(100)에 열 공급을 마친 열매체가 냉각되어 수조에 저장된 후 다시 보일러 (boiler)(140)에 공급되는 피드백 경로를 제공한다.
상기 메탄올 수증기 개질기(또는 연료 개질기)100)는 쉘 앤 튜브(shell and tube) 형상으로 마련된다. 상기 개질기(100)의 쉘 내부에는 열매체인 수증기가 공급되고, 쉘 내부에 독립적으로 배치된 튜브에는 반응가스(e.g., 메탄올)가 공급된다. 상기 쉘 내부로 공급된 수증기와 튜브 내부에 공급된 메탄올은 흡열 반응에 의해 개질가스를 생성한다. 상기 튜브에는 수증기 개질 반응에 따른 흡열반응이 발생되도록 촉매가 수용되어 있다.
상기 수소 분리기(110)는 수소 분리막을 이용하여 메탄올 수증기 개질기 (100)에서 생성된 개질가스(수증기, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소)로부터 고순도의 수소와 잔여가스로 분리(필터링)한다. 상기 수소 분리기(110)는 팔라듐(Pd) 필터로 구성될 수 있다. 상기 수소 분리기(110)로부터 필터링된 고순도의 수소 가스는 감압 밸브(미도시)를 거쳐 연료전지 모듈(120)에 공급된다. 이때 수소 분리기(110))와 감압 밸브사이에는 압력 변동 및 안정성 확보를 위하여 팽창 탱크 (Expansion tank)가 설치될 수 있다. 상기 수소 분리기(110)에서 필터링된 잔여가스 즉, 수증기, 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)는 연소기로 제공된다.
상기 연료전지 모듈(120)은 수소 분리기(110)에서 제공된 수소를 이용하여 전기를 생성하고, 상기 연소기(130)는 수소 분리기(120)로부터 제공된 잔여가스와 제1메탄올 펌프(50)에서 제공되는 메탄올을 산소유량제어기(MFC)(51)에서 제공되는 산화제 즉 산소(O2)를 이용하여 연소시켜 연소열을 확보하고, 해당 연소열로 열매체부인 보일러(140)를 가열한다. 상기 연소기(130)는 잔여가스(CO 및 CO2)를 연소시키는데, 상기 잔여가스는 다단의 연소기를 통해 CO를 CO2로 대부분 변경될 때까지 연소시켜 연소가스(H20 및 CO2)를 발생한다.
상기 보일러(140)는 메탄올 수증기 개질기(100)에서 필요한 열을 간접 가열 방식으로 즉, 열매체를 통하여 공급한다. 상기 열매체는 고온 및 고압의 수증기일 수 있다. 이를 위하여 보일러(140)는 다단 연소기의 연소열로 물을 가열하여 고압의 수증기(포화 수증기)인 열매체를 메탄올 수증기 개질기(100)로 제공한다. 또한, 상기 보일러(140)에서 배출되는 배출가스(H20, CO2)는 해수로 녹여 배출할 수 있다.
상기 열 교환기(150)는 개질기(100)에 공급하고 남은 열매체의 열을 사용하여 제2메탄올 펌프(52)와 제2물펌프(53)를 통해 공급되는 반응물(물 및 메탄올)을 기화시켜 개질기(100)로 제공하는 역할을 수행한다.
상기 증기 응축기(160)는 열 교환기(150)에 열을 공급하고 남은 열매체를 해수 펌프(54)에서 제공된 해수로 응축하여 액체(물)로 만들어 열매체의 피드백 경로(라인)의 온도를 제어하는 역할을 수행한다. 이때, 해수 펌프(54)를 통해 제공되는 해수의 유량은 증기 응축기(160)의 출구 온도에 근거하여 제어된다(피드백 제어).
상기 압력 조절장치(170)는 메탄올 수증기 개질기(100)의 출구의 열매체 압력을 압력센서(P)를 통해 감지하여, 상기 감지된 압력에 따라 열매체의 피드백 경로의 압력을 조절하는(가압하는) 역할을 수행한다(피드백 제어).
상기 압력 조절장치(170)는 액체상태에서 열매체의 압력을 조절하고자 하는 경우는 증기 응축기(160)와 리저버(수조 또는 물 탱크)(180)사이에 배치되고, 기체상태에서 열매체의 압력을 조절하고자 할 경우에는 메탄올 수증기 개질기(100)와 열 교환기(150)사이에 배치될 수 있다.
상기 리저버(180)는 액체상태의 열매체 즉 물을 저장함과 함께 상기 저장된 물을 메탄올 수증기 개질기(100)로 제공하고, 상기 제1물 펌프(190)는 리저버(180)와 메탄올 수증기 개질기(100)사이에 위치하여, 상기 보일러(140)에 장착된 유량센서에서 감지된 물의 레벨에 근거하여 상기 메탄올 수증기 개질기(100)로 제공되는 물의 유량을 제어한다(피드백 제어).
상기 제어기(200)는 연료전지모듈(120)에 장착된 전류 센서를 통해 측정되는 전류신호를 바탕으로 상기 수소 분리기(110)에서 제공되는 수소량에 예측하며, 연소기(130), 열교환기(150), 증기 응축기(160)에 연결된 각종 펌프의 동작을 제어하는 역할을 수행한다.
이와같이 구성된 본 발명에 따른 잠수함용 개질기 시스템의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 잠수함용 개질기 시스템의 제어동작을 나타낸 순서도이다.
잠수함용 개질기 시스템의 시동시에는 열교환기(150)의 열 교환동작은 일어나지 않는데, 그 이유는 시동시에는 제2메탄올 펌프(52)와 제2물 펌프(53)를 통해 메탄올과 물을 공급하지 않기 때문이다. 따라서, 시동시에는 오로지 제2메탄올 펌프와 산소유량 제어기(MFC)(51)로부터 제공되는 메탄올과 산소만을 이용하여 메탄올 수증기 개질기(100)를 목표 온도(250°~3000°)까지 가열시킨다. 이때, 상기 제1메탄올 펌프(50)와 산소유량 제어기(MFC)(51)로부터 제공되는 메탄올 및 산소의 양은 제어기(200)에서 디폴트값으로 제어할 수 있다.
상기 메탄올 수증기 개질기(100)의 튜브에는 흡열 반응을 일으키는 촉매가 수용되어 있어, 상기 촉매의 흡열 반응에 의해 쉘 내부로 공급된 수증기와 튜브 내부에 공급된 메탄올이 개질가스를 생성한다. 그런데, 상기 촉매는 약 250°부터 동작할 수 있는데 시동시에는 메탄올 수증기 개질기(100)의 온도가 낮아 촉매가 구동되지 않게 되고, 이로 인하여 개질반응이 일어나지 않는다.
따라서, 상기 보일러(140)는 연소기(130)에서 출력된 연소가스에 따라 물을 가열하여 고압의 수증기인 열매체를 메탄올 수증기 개질기(100)로 제공한다(S100). 앞에서도 설명한 바와같이 본 발명은 개질기(100)를 직접 가열하여 열을 전달하는 것이 아니라 열매체를 통해 간접 가열하는 방식을 사용한다.
상기 보일러(140)로부터 공급된 고온 및 고압의 열매체인 수증기에 의해 메탄올 수증기 개질기(100)의 온도가 목표온도에 도달하면, 제2메탄올 펌프(52)와 제2물 펌프(53)를 통해 메탄올과 물이 공급되고, 상기 공급된 메탄올과 물은 열 교환기(150)에서 기화되어 메탄올 수증기 개질기(100)로 입력된다. 이때, 메탄올 수증기 개질기(100)내 튜브 사이드에 위치하는 촉매는 쉘 사이드로 공급되는 고온 및 고압의 수증기(열매체)로부터 열을 획득하여, 튜브 사이드로 공급되는 메탄올과 수증기를 개질반응시켜 개질가스를 생성한다(S110).
상기 생성된 개질가스는 수소 분리기(110)에서 수소와 잔여가스로 분리되어 (S120), 수소는 연료전지 모듈(120)로 제공되고, 잔여가스는 연소기(130)로 입력된다. 따라서, 연소기(130)는 수소 분리기(110)에서 출력된 잔여가스를 연소시켜 연소열을 발생하고, 연료전지 모듈(120)은 요구된 전기 생산량에 비례하여 필요한 만큼 수소를 가져와서 전기를 생성한다(S130).
그런데, 전체 시스템 측면에서 볼 때 잔여가스 연소만으로는 열량이 부족하여 열균형(heat balance)이 맞지 않고, 연소기(140)가 수소 분리기(120)에서 분리된 잔여가스를 연소할 때 메탄올 수증기 개질기(100)의 개질 반응에 따라 연소기(130)의 열량이 일정하지 않을 수 있다. 이를 위하여 본 발명은 전류센서를 통해 연료전지 모듈(120)에서 생상된 전기의 전류 양을 검출하고(S140), 상기 검출된 전류량에 비례하여 제어기(200)가 제1메탄올 펌프(50)에서 제공되는 메탄올과 산소유량제어기(MFC)(51)에서 제공되는 산소(O2)의 양을 제어하여 연소기(130)의 열량을 제어할 수 있다(S150).
또한, 제어기(200)는 상기 검출된 전류량에 비례하여 제2메탄올 펌프(52)와 제2물 펌프(53)를 제어하여, 열 교환기(150)를 통해 메탄올 수증기 개질기(100)로 공급되는 메탄올과 물의 양을 제어할 수 있다(S150).
한편 잠수함용 개질기 시스템의 시동시에는 제2메탄올 펌프(52)와 제2물 펌프(53)를 통해 메탄올과 물을 공급하지 않기 때문에 열 교환기(150)의 열 교환 동작은 일어나지 않는다. 이로 인하여 메탄올 수증기 개질기(100)에 일차로 열을 공급한 후 열 교환기(150)를 통과한 열매체는 일부는 액체상태가 되지만 대부분 기체상태로 열매체 피드백 경로를 따라 흐르게 되어 유동성이 떨어지게 된다.
따라서, 본 발명은 열매체의 유동성을 개선하고 열매체의 재사용율을 높이기 위하여 증기 응축기(160)를 구비한 후, 해수 펌프(54)를 통해 증기 응축기(160)에 해수를 인가하여, 상기 열매체 피드백 경로로 흐르는 기체상태의 열매체를 액체상태로 만든다. 이때, 상기 공급되는 해수의 양은 온도센서(T)에 의해 측정된 증기 응축기 (160)의 출구 온도에 기반하여 해수 펌프(54)가 피드백 제어된다.
이후 증기 응축기(160)에서 출력된 액체상태의 열매체는 압력 조절장치(170)를 통해 압력이 조절된 후 리저버(수조 또는 물 탱크)(180)에 저장되고, 상기 저장된 액체상태의 열매체는 제1물 펌프(19)를 통해 보일러(14)로 공급된다. 이때, 압력 조절장치(170)는 메탄올 수증기 개질기(100)의 출구의 압력을 압력센서(P)를 통해 감지하여, 상기 감지된 압력에 따라 열매체의 피드백 라인의 압력을 조절하고(가압하고), 상기 제1물 펌프(190)는 보일러(140)에 장착된 유량센서에서 감지된 물의 레벨에 근거하여 상기 메탄올 수증기 개질기(100)로 제공되는 열매체의 유량을 제어한다.
본 발명의 실시예에 따른 잠수함용 개질기 시스템에서 중요한 운전 변수는 제1메탄올 펌프(50), 산소 유량제어기(MFC)(50), 제1물펌프(190), 제2물펌프(53) 및 해수펌프(54)이다. 상기 운전 변수에 대한 올바른 제어방법을 통해서만 메탄올 연료개질기는 목표온도에서 안정적으로 운전할 수 있다.
따라서 본 발명은 메탄올 수증기 개질기(100)의 보다 빠른 부하추종을 위하여 다음과 같은 제어 전략을 수행한다.
도 2에 도시된 바와같이, 연료전지 모듈(120)에서 생산된 전기의 전류를 전류센서를 이용하여 측정한다(S140). 연료전지 모듈(120)에서 필요한 수소는 생산해야할 전류량에 비례한다. 따라서, 본 발명은 측정된 전류값에 비례하여, 연소기(130)에 연결되어 메탄올과 물을 각각 공급하는 제1메탄올 펌프(50)와 산소 유량제어기(MFC)(51)를 제어함과 함께 열 교환기(150)에 연결되어 각각 메탄올과 물을 공급하는 제2메탄올 펌프(52) 및 제2물 펌프(53)를 제어한다(S150).
이때 제1메탄올 펌프(50) 및 산소 유량제어기(51) 제어를 위한 비례상수는 전체 시스템에 대한 열균형 계산으로부터 획득할 수 있으며, 제2메탄올 펌프(52) 및 제2물펌프(53) 제어를 위한 비례상수는 “연료전지 모듈 전류⇔필요 반응물” 간 비례식에 의해 계산될 수 있다.
또한, 잠수함용 개질기 시스템에서 연소기(130)에서 생성되는 열량이 증가하면 보일러(140)에서는 보다 많은 열매체 즉, 수증기가 증발하게 된다. 이로 인하여 열매체 폐루프 경로의 압력은 점차 증가하고, 보일러(140)의 물의 수위는 점차 낮아지게 된다. 이때 제1물 펌프(190)는 보일러에 장착된 유량센서의 유량 감지신호에 따라 보일러(140)에 물을 공급한다.
상술한 바와같이 본 발명은 포화 수증기의 잠열을 사용하기 위하여 포화 수증기를 열매체로 사용한다. 포화 수증기는 잠열이 크기 때문에 촉매 온도를 일정하게 유지할 수 있을 뿐만 아니라 유동성이 뛰어난 액체상태로 운전할 수 있으므로 연료 개질기가 대형화되더라도 균질한 온도분포를 기대할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 잠수함용 개질기 시스템은 연료전지의 전류 신호를 바탕으로 빠르게 개질기 시스템의 제어점을 변화시킴으로써 빠른 부하추종 능력을 확보할 수 있고, 피드백 제어를 통해 수소를 안정적으로 생산할 수 있을 뿐만 아니라 수증기 개질기의 온도를 일정하게 유지하여 개질기의 효율을 향상시킬 수 있다.
상기와 같이 설명된 본 발명에 따른 잠수함용 개질기 시스템은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
100: 메탄올 수증기 개질기 110 : 수소 분리기
120: 연료전지 모듈 130: 연소기
140: 보일러부 150: 열 교환기
160: 증기 응축기 170 : 압력조절장치
180 : 리저버(reservoir) 190 : 물 펌프
200 : 제어기

Claims (14)

  1. 기체상과 액체상 사이에서 상 변화가 일어나고 상 변화 시 잠열구간이 존재하는 열매체로부터 열을 공급받아 연료와 물의 촉매반응을 일으켜 개질가스를 생성하는 연료 개질기;
    상기 생성된 개질가스를 수소가스와 잔여가스로 분리하는 수소 분리기;
    상기 분리된 수소가스를 이용하여 전기를 생성하는 연료전지 모듈;
    상기 분리된 잔여가스, 연료 및 산소를 공급받아 연소하는 연소기;
    상기 연소기의 연소열에 액체상의 열매체가 가열되어 포화 수증기 상태의 열매체를 연료 개질기로 공급하는 보일러; 및
    상기 연료 개질기에 열을 공급하고 피드백 경로로 유입되는 열매체를 액체상태로 변환 및 저장하여 상기 보일러로 공급하는 열매체 피드백회로;를 포함하며,
    상기 연료 개질기로 공급되는 연료 및 물과 상기 연소기로 공급되는 연료 및 산소의 양은 연료전지 모듈에서 측정된 전류량에 비례하여 적응적으로 조절되는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료 개질기 및 연소기로 공급되는 연료는
    메탄올인 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 연료 개질기는
    메탄올 수증기 개질기이고, 상기 수소 분리기는 팔라듐 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 연소기는
    제1메탄올 펌프와 산소유량제어기(MFC)와 연결된 다단의 연소기로 구성되어, 상기 수소 분리기에서 분리된 잔여가스, 제1메탄올 펌프에서 제공된 메탄올 및 산소유량제어기(MFC)에서 제공된 산소를 연소시켜 연소열을 발생하는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열매체 피드백회로는
    제2메탄올 펌프와 제2물펌프를 통해 공급되는 메탄올과 물을 상기 연료 개질기에 열을 공급한 후 열매체 피드백 경로로 배출되는 열매체의 열로 기화시켜 연료 개질기로 인가하는 열 교환기;
    상기 열 교환기에 열을 공급하고 배출되는 열매체를 해수 펌프를 통해 제공된 해수로 응축하여 액체상태로 만드는 증기 응축기;
    상기 연료 개질기 출구의 열매체 압력에 근거하여 상기 열매체 피드백 경로의 압력을 조절하는 압력 조절장치;
    상기 증기 응축기에서 응축된 액체상태의 열매체를 저장하여 상기 보일러로 제공하는 리저버; 및
    상기 리저버에서 보일러로 제공되는 열매체의 유량을 제어하는 제1물펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 해수 펌프는
    상기 증기 응축기에서 응축되어 출력되는 열매체 온도에 근거하여 공급되는 해수의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1물펌프는
    보일러내의 유량센서에서 감지된 물의 수위에 근거하여 상기 보일러로 제공되는 열매체의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  8. 제5항에 있어서, 상기 압력 조절장치는
    상기 증기 응축기와 리저버 사이에 배치되어 액체상태로 운전되는 열매체 피드백 경로의 압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  9. 제5항에 있어서, 상기 압력 조절장치는
    상기 연료 개질기와 열 교환기사이에 배치되어 기체상태로 운전되는 열매체 피드백 경로의 압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  10. 열매체가 공급하는 열에 의해 가열되어 반응물의 흡열 반응에 따라 개질가스를 생성하는 연료 개질기와, 상기 생성된 개질가스를 수소가스와 잔여가스로 분리하는 수소 분리기와, 상기 분리된 수소가스를 이용하여 전기를 생성하는 연료전지 모듈과 상기 분리된 잔여가스와 연료를 공급받아 연소하는 연소기 및 상기 연소기의 연소열에 따라 물을 가열하여 기체상태의 열매체를 연료 개질기로 공급하는 보일러 및 상기 연료 개질기에 열을 공급한 후 열매체 피드백 경로로 유입되는 액체상태의 열매체를 보일러로 공급하는 제1물펌프를 포함하는 잠수함용 개질기 시스템에 있어서,
    상기 연료전지 모듈에서 발생된 전류를 측정하는 전류 센서;
    상기 연소기로 메탄올을 공급하는 제1메탄올 펌프;
    상기 연소기로 산소를 공급하는 산소유량제어기;
    상기 연료 개질기에 열을 공급한 후 열매체 피드백 경로로 배출되는 열매체의 열로 메탄올과 물을 기화시켜 연료 개질기로 인가하는 열 교환기;
    상기 열 교환기로 메탄올과 물을 공급하는 제2메탄올 펌프 및 제2물펌프;
    상기 열 교환기에 열을 공급하고 배출되는 열매체를 해수 펌프를 통해 제공된 해수로 응축하여 액체상태로 만드는 증기 응축기; 및
    상기 증기 응축기에서 응축된 액체상태의 열매체를 저장하여 상기 제1물펌프로 제공하는 리저버;를 포함하여 구성되며,
    상기 제1메탄올 펌프, 산소유량제어기, 제2메탄올 펌프 및 제2물펌프는 상기 전류센서에서 측정된 전류신호에 비례하여 적응적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 해수 펌프는
    상기 증기 응축기에서 응축되어 출력되는 열매체 온도에 근거하여 공급되는 해수의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제1물펌프는
    보일러내의 유량센서에서 감지된 물의 수위에 근거하여 상기 보일러로 제공되는 열매체의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  13. 제5항에 있어서, 상기 연료 개질기 출구의 열매체 압력에 근거하여 상기 열매체 피드백 경로의 압력을 조절하는 압력 조절장치;를 더 포함하며,
    상기 압력 조절장치는 상기 증기 응축기와 리저버 사이에 배치되어 액체상태로 운전되는 열매체 피드백 경로의 압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 압력 조절장치는
    상기 연료 개질기와 열 교환기사이에 배치되어 기체상태로 운전되는 열매체 피드백 경로의 압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.

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