KR101843725B1 - 과산화수소, 디젤 연료를 이용한 수소생산장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 AIP로 이용되는 연료전지시스템의 디젤-과산화수소 연료처리기 기술에 관한 것으로서, 개질 반응에 필요한 산화제인 물과 산소를 과산화수소 수용액으로 대체하여 공급하며, 수소 저장밀도가 높은 디젤을 연료로 사용하고, 낮은 산소공급조건에서 연료-산화제의 혼합특성을 높여주는 분무장치를 통한 안정적인 개질반응을 유도하는 방식을 포함함으로써, 효과적으로 수소를 생산하여 잠수함 및 수중무인체계의 잠항능력을 향상시킬 수 있다.

Description

과산화수소, 디젤 연료를 이용한 수소생산장치 및 이를 이용한 연료전지 시스템{HYDROGEN PRODUCING APPARATUS USING HYDROGEN PEROXIDE AND DIESEL FUEL, AND FUEL CELL SYSTEM USING THE SAME}

본 발명은 연료전지시스템 구동에 필요한 수소를 생산하는 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 디젤 연료와 과산화수소를 사용하고 공기희박조건인 잠수함 및 수중무인체계 내에서 안정적인 수소생산을 위해 연료 분무장치를 이용함으로써 잠수함 및 수중무인체계의 잠항능력 향상을 위한 기술에 관한 것이다.

잠수함 및 수중무인체계의 잠항능력을 향상시키기 위해 최신 잠수함 및 수중무인체계에는 공기불요추진기관 (AIP, Air Independent Propulsion)이 도입되고 있다. 이 AIP 기관으로는 스털링사이클, 폐회로디젤사이클 등이 있으나, 산소 소모량이 적고(0.4kg/kW) 전기를 생산하는 효율이 높으며(∼70%), 소음을 적게 발생시키는 연료전지 시스템이 AIP 시스템으로 크게 주목받고 있다.

잠수함의 AIP 연료전지 시스템에서의 연료인 수소를 저장하여 공급하는 연료처리 방식으로 독일의 HDW 社의 212A/214모델은 수소저장합금을 이용하고 있으며, 이에 따른 잠항능력은 약 2주 정도로 보고되고 있다. 또한, 최근 HDW 社의 216모델은 연료처리 기술로 기존의 수소저장합금보다 수소저장밀도가 높은 메탄올을 개질하여 수소를 생산하여 공급하는 방식을 이용하는 것으로 알려져 있으며, 잠항능력은 약 4주 정도로 보고되고 있다.

최근 연료전지시스템의 연료처리기술로 부피대비 또는 질량대비 수소저장밀도가 높은 디젤연료를 개질하여 수소를 생산하는 방식에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러나 디젤연료를 개질하여 안정적으로 수소를 생산하기 위해서는 산화제로 물 이외에 산소를 공급해야 하므로 산소가 희박한 잠수함 등에서는 이용에 한계가 있었다.

본 발명의 일 목적은 공기희박조건에서 잠수함 및 수중무인체계의 잠항능력을 높이기 위한 연료전지 공기불요추진기관(AIP)에 수소를 생산하여 공급하는 디젤-과산화수소 연료처리기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 잠수함 및 수중무인체계 내에서 공기불요추진기관(Air Independent Propulsion)으로 이용되는 연료전지 시스템 구동을 위한 수소생산장치에 있어서, 촉매에 의해 연료와 산화제를 반응시키는 개질 반응기와, 상기 개질 반응기 내에 상기 산화제로 물과 산소를 공급하는 과산화수소 공급부와, 상기 개질 반응기에 디젤 연료를 미립화하여 공급하는 연료 분사기를 포함하고, 상기 개질 반응기 내에서 상기 디젤 연료, 물 및 산소의 화학반응에 의하여 수소를 생산하는 수소생산장치가 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 과산화수소 공급부와 개질 반응기 사이에 형성되고, 상기 과산화수소 수용액을 물과 산소로 분해시키고, 상기 물과 산소를 상기 개질 반응기에 공급하는 증발기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 과산화수소 수용액의 농도는 50wt.% 미만일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료 분사기는 초음파 노즐 또는 이유체 노즐(twin-fluid nozzle)일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 물은 증기 상태로 개질 반응기에 공급될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소생산장치를 포함하는 연료전지 시스템이 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 디젤 및 과산화수소를 이용하여 수소를 발생시킴으로써 공기희박조건에서도 잠수함 및 수중무인체계 구동용 연료전지를 위한 수소를 공급하여 잠항능력을 증대시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 잠수함 및 수중무인체계 내 공기 희박 조건에서 공기 대신 과산화수소 수용액을 산화제로 사용하여 개질을 수행할 수 있으며, 부피대비, 질량대비 수소저장밀도가 높은 디젤 연료를 사용하여 수소 저장 및 공급 능력을 최대화할 수 있다.

그리고, 낮은 산소 밀도에서도 안정적인 개질 반응이 일어나도록 하는 연료 분무 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산장치에 대한 공정모식도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일·유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 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. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에 사용하기 위한 수소생산장치는 디젤 연료에 과산화수소로부터 수소를 분해하여 상기 디젤 연료에 수소를 공급하는 장치이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산장치의 공정 모식도인데, 이하에서는 도 1을 참조하여 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산장치는 촉매에 의해 연료와 산화제를 반응시키는 개질 반응기(50)와, 상기 개질 반응기(50) 내에 물과 산소를 공급하는 과산화수소 공급부(20)와, 상기 개질 반응기(50)에 디젤 연료를 미립화하여 공급하는 연료 분사기(40)를 포함하여 이루어진다. 이때, 상기 디젤 연료는 디젤 공급부(10)로부터 공급되며, 상기 디젤 연료는 펌프(61)에 의해 공급되며, 체크 밸브(check valve,71)를 통해 디젤연료의 역류를 방지한다. 상기 개질 반응기(50) 내에서는 연료인 디젤과 산화제인 과산화수소를 촉매에 의해 반응시킴으로써 수소를 생산하게 된다. 이때의 산화제는 과산화수소가 분해된 물과 산소이다.

상기 과산화수소를 공급하기 위하여 상기 과산화수소 공급부(20)에는 펌프(62)가 유량을 제어하며, 상기 펌프(62)의 일측에 체크 밸브(72)가 구비되어 상기 과산화수소의 역류를 방지한다.

본 발명의 일 실시예에서의 수소생산장치는 상기 과산화수소 공급부(20)와 개질 반응기(50) 사이에 형성되고, 상기 과산화수소 수용액을 물과 산소로 분해시키고, 상기 물과 산소를 상기 개질 반응기(50)에 공급하는 증발기(30)를 더 포함하여 이루어진다. 산화제로 사용되는 과산화수소를 직접 개질 반응기(50)에 공급하면 반응이 잘 일어나지 않을 수 있으므로, 원활한 화학반응을 위하여 본 발명의 일 실시예에서는 과산화수소를 물과 산소로 분해한 다음 개질 반응기(50)에 공급한다. 즉, 상기 과산화수소는 상기 증발기(30)에서 수소를 포함하는 증기(H₂O)와 산소로 분해되어, 개질 반응기(50)에 공급된다. 상기 물과 산소를 개질 반응기(50)에 원활하게 공급하기 위하여 캐리어 가스(carrier gas)로 질소(N₂) 가스를 활용한다.

상기 개질 반응기(50) 내에서는 다양한 금속 및 세라믹 조성을 갖는 개질 촉매가 사용될 수 있다.

상기 연료처리기의 개질 촉매 반응 온도는 500~900℃ 범위 내로 한정할 수 있으나, 촉매 조성 및 연료 분사 조건에 따라 변화할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 연료처리기의 연료 분사기(40)로는 초음파 노즐 또는 이유체 노즐(twin-fluid nozzle) 등이 사용될 수 있으며, 연료 분무 및 미립화 장치로서 이용된다. 이와 같이 디젤 연료를 미립화함으로써 액체 연료의 기화율을 높이고, 기상반응구간에서의 산화제와의 혼합특성을 높여 낮은 산소밀도 조건에서도 안정적인 개질반응이 일어나게 할 수 있다.

이때, 상기 개질 반응기(50)의 전단 및 후단에는 압력을 측정하여 개질 반응이 안정적으로 이루어지는지 체크할 수 있도록 한다. 만약, 상기 개질 반응기(50) 내의 촉매가 손상되면 반응이 원활하게 이루어지지 않게 되어, 개질 반응기(50) 내의 압력이 상승하게 된다. 이를 체크하기 위하여 개질 반응기(50)의 전단 및 후단에서 압력 센서 등을 설치할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤-과산화수소를 이용한 수소생산장치에 대한 공정모식도인데, 실제 수소생산기술을 연료전지 시스템에 적용하기 위한 공정모식도는 달라질 수 있다.

일반적으로 디젤 개질 기술에 따르면 안정적인 디젤 개질 반응을 위해 물 이외에 산소도 산화제로 공급을 해야 한다. 그러나, 잠수함 및 수중무인체계의 AIP 시스템을 이용한 잠항능력 증대를 위해서는 산소의 소모량을 줄여야하므로, 본 발명의 일 실시예에서는 물과 산소를 산화제로 이용하지 않고, 과산화수소 수용액을 대체산화제로 이용하였다.

이때, 상기 과산화수소 수용액은 67wt.% 이상의 농도에서는 물과 산소로 분해될 때의 분해열로 인한 급격한 기체반응으로 인한 위험성이 존재할 수 있으므로, 잠수함의 극한 수중상황에서의 안전성을 고려해 과산화수소 수용액의 농도는 50wt.% 미만의 수용액으로 한정한다.

과산화수소 수용액을 상기 개질 반응기에 공급할 때는 증발기(30)를 거쳐 기화시켜 물과 산소로 먼저 분해한 다음에 공급한다. 이는 연료와 개질 반응기 내에서 기체상태로 혼합이 되어 반응을 하므로, 액체상태로 혼합을 시키는 직분사방식보다 안정적인 개질반응을 이끌어 낼 수 있도록 하기 위함이다.

상기 개질 반응기에 연료를 공급하는 연료 분사기(40)에는 초음파 노즐 및 이유체 노즐 등이 연료 분무 및 미립화 장치로서 사용될 수 있으며, 두 노즐의 구동방식은 다를 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에서의 수소생산장치에 이용되는 목적은 동일하다. 즉, 디젤 연료를 초음파 노즐이나 이유체 노즐 등의 분무장치로 분무를 하면 연료를 미립화시켜 기체 혼합구간에서의 기화율을 높일 수 있다. 이를 통해 공급된 산화제와의 혼합을 잘 이루어지게 함으로써 과산화수소 수용액에 포함되어 있는 낮은 산소공급조건에서도 안정적인 개질반응을 통해 수소를 생산할 수 있다.

상기 연료처리장치의 개질 반응기 내에서는 다양한 금속 및 세라믹 조성을 갖는 개질 촉매가 사용될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 백금 기반의 세라믹조성의 서포트를 가지는 촉매를 이용하였다.

상기 개질 반응기에서의 개질 촉매 반응 온도는 500~900℃ 범위 내에 있으며, 촉매 조성 및 과산화수소의 공급농도에 따라 달라질 수 있다.

한편, 연료전지란 수소와 같이 전기화학적 특성이 매우 우수한 연료와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기와 물을 생산하는 에너지 변환장치로써 높은 효율을 가질 뿐만 아니라 타 동력 기관에 비해 작동 운전 온도가 낮고 소음이 매우 적다는 장점을 갖는다. 또한 외부에서 연료가 공급되는 한 지속적으로 전기에너지를 생산할 수 있기 때문에, 충전된 에너지를 1회만 사용할 수 있는 축전지에 비해 장시간 운용이 가능하다. 그리고, 연료전지 구동 중에 생성되는 물은 잠항용 무게추 역할을 할 수 있어, 선외로 내보낼 필요 없이 내부에 저장하여 사용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 앞서 설명한 수소생산장치에서 생산한 수소를 연료전지 시스템에 활용할 수 있다. 특히, 잠수함 및 수중무인체계와 같은 공기희박조건에서도 제한된 공간 내에서 효율적인 수소를 공급할 수 있는 AIP 연료전지 시스템에 활용될 수 있다. 수소와 산소를 압축된 기체 상태로 저장하는 경우, 상대적으로 큰 부피의 저장 탱크가 필요하며, 잠수함 및 수중무인체계의 AIP 연료전지의 연료 공급 전략으로 응용하기에는 적절하지 않다. 따라서 본 수소생산장치는 단위 부피당 수소저장능력이 우수한 디젤연료와 산소와 물을 모두 공급할 수 있는 대체 산화제인 과산화수소를 통해 효율적으로 수소를 생산할 수 있으므로, 잠수함 및 수중무인체계 구동용 AIP 연료전지 시스템에 효과적으로 활용할 수 있다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (6)

1. 잠수함 및 수중무인체계 내에서 공기불요추진기관(Air Independent Propulsion)으로 이용되는 연료전지 시스템 구동을 위한 수소생산장치에 있어서,
   촉매에 의해 연료와 산화제를 반응시키는 개질 반응기;
   상기 개질 반응기 내에 상기 산화제로 물과 산소를 공급하는 과산화수소 공급부;
   상기 과산화수소 공급부와 개질 반응기 사이에 형성되고, 과산화수소 수용액을 물과 산소로 분해시키고, 상기 물과 산소를 상기 개질 반응기에 공급하는 증발기; 및
   상기 개질 반응기에 디젤 연료를 미립화하여 공급하는 연료 분사기를 포함하고,
   상기 개질 반응기는 상기 물과 산소의 혼합물 및 미립화된 상기 디젤 연료를 공급받도록 형성된 상기 개질 반응기의 입구로부터 분지된 배관을 포함하고,
   상기 수소생산장치는 상기 분지된 배관을 통하여 상기 물과 산소의 혼합물 및 미립화된 상기 디젤 연료가 각각 이송된 다음 서로 혼합되어 상기 개질 반응기에 공급되도록 형성되고,
   상기 물과 산소를 상기 개질 반응기에 원활하게 공급하기 위하여 캐리어 가스(carrier gas)로 질소(N2) 가스를 포함하고,
   상기 개질 반응기 내에서 상기 디젤 연료, 물 및 산소의 화학반응에 의하여 수소를 생산하고, 부산물로 생성되는 물은 상기 잠수함 및 상기 수중무인체계 내부에 저장하여 잠항용 무게추 역할을 하는 수소생산장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 과산화수소 수용액의 농도는 50wt.% 미만인 것을 특징으로 하는 수소생산장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 연료 분사기는 초음파 노즐 또는 이유체 노즐(twin-fluid nozzle)인 것을 특징으로 하는 수소생산장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 물은 증기 상태로 개질 반응기에 공급되는 것을 특징으로 하는 수소생산장치.
6. 제1항 및 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항의 수소생산장치를 포함하는 연료전지 시스템.

Images