KR101906183B1 - 잠수함용 개질기 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 잠수함의 연료전지에 공급되는 개질가스를 생성하는 잠수함용 개질기 시스템에 관한 것으로, 연료와 물의 수증기 개질 반응에 의해 개질가스를 생성하는 연료 개질기; 상기 연료 개질기에서 생성된 개질가스를 수소 분리막을 통해 수소가스와 잔여가스로 분리하는 수소 분리기; 상기 수소 분리막을 통과한 수소가스를 이용하여 전기를 생성하는 연료전지; 상기 수소 분리막에서 걸러진 잔여가스를 제공받아 연소열을 제공하는 연소기; 및 상기 연소기로부터 제공된 연소열에 의해 가열된 열량을 열 매체를 통해 상기 연료 개질기로 전달하는 열 매체부;를 포함하며, 상기 열 매체부로 인가되는 열 매체의 유량은 연료 개질기의 온도변화에 따라 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 잠수함은 동력원으로서 디젤엔진 전기추진 방식과 원자력을 이용하는 방식으로 구분된다. 여기서, 디젤엔진 전기추진 방식의 잠수함은 수중항해 시 납축전지와 같은 2차전지에 저장된 에너지를 사용하여 잠항한다. 따라서 잠항 중 2차전지의 에너지를 모두 소진하면 2차전지를 재충전하기 위하여 해수면 근처까지 부상하여 디젤엔진으로 2차전지를 충전하는 스노클링이 필요하다.
이러한 디젤 잠수함의 스노클링은 잠수함의 최대 특성인 은닉성을 저해하는 문제를 초래하기 때문에 스노클링 주기를 최소화하고 잠항시간을 증대시키기 위하여 공기불요추진(AIP; Air Independent Propulsion)이라고 불리는 시스템이 디젤 잠수함에 추가적으로 설치되어 사용하고 있다. 일반적으로 잠수함용 공기불요추진 시스템에는 연료전지, 폐회로 디젤, 스털링 기관 등이 있다. 이 중 연료전지 시스템은 수소 및 산소의 전기화학반응으로 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시켜 주는 에너지 변환 장치로서 잠수함에 가장 적합한 공기불요추진기관으로 평가되고 있다.
일반적으로 잠수함용 연료전지 시스템에서는 수소를 공급하기 위해 금속수소저장합금 또는 연료개질 시스템을 사용한다. 금속수소저장합금 방식은 출항 전 기지에서 수소를 금속수소저장합금에 충전하였다가 필요 시 방출하는 방식이다. 이에 반해 연료개질 시스템은 함내에 액체상태의 연료를 저장하였다가 필요 시 개질하여 수소를 생산하는 방식이다. 종래의 잠수함용 공기불요추진 시스템에서는 금속수소저장합금 방식을 주로 이용하였으나, 최신의 잠수함에서는 연료개질 시스템을 채택하고 있다.
연료 개질은 반응 방법에 따라 수증기 개질, 부분 산화개질, 자열개질 방법으로 구분할 수 있다. 수증기 개질은 탄화수소 계열의 연료와 물을 촉매 반응기에 공급하여 촉매 반응을 일으키는 방식으로, 흡열반응이다. 따라서 외부에서 추가적인 열을 공급해야만 촉매 반응기의 온도가 유지될 수 있다. 부분 산화개질은 탄화수소 계열의 연료와 공기를 촉매 반응기에 공급하여 촉매반응을 일으키는 방식으로 발열반응이다. 따라서 외부의 냉각장치를 통해 열을 제거해 주어야 촉매 반응기의 온도를 유지시킬 수 있다. 자열개질은 수증기개질과 부분 산화개질의 혼합 방식으로서, 탄화수소계열 연료, 물, 공기를 함께 촉매 반응기에 공급하여 촉매반응을 일으키는 방식이다. 따라서 촉매반응으로 발생하는 열은 물과 공기의 양으로 제어할 수 있으므로 설계자가 원하는 온도에서 촉매 반응기를 운전할 수 있다.
잠수함용 연료개질 시스템에서는 풍부한 수소를 생성할 수 있는 수증기 개질 방식을 선호한다. 잠수함용 연료개질 시스템은 공기 및 주변 인프라가 풍부한 지상에서 운용하는 것과는 달리 연료소비량이 최소가 되도록 설계하여야 한다. 이를 위해서는 연료에서 획득할 수 있는 에너지를 최대한 사용하여 연료개질 시스템이 운전되어야 한다. 또한, 수중에서 운용되는 잠수함에 장착되는 연료개질 시스템은 지상에서 운용되는 가정용 연료 개질기와는 달리 고압 운전이 필요하다. 따라서, 상기에서 언급된 연료개질 시스템의 구성요소 역시 고압에 견딜 수 있는 구조를 갖추어야 한다.
결론적으로 수증기 개질방식을 사용하는 잠수함용 연료개질 시스템에서는 고압에 견딜 수 있는 수증기 개질기, 흡열반응 중인 수증기 개질기에 열을 공급하기 위한 열공급 시스템, 이를 제어하기 위한 제어기 등이 필요하다.
도 1은 종래의 수증기 개질방식을 사용하는 잠수함용 연료개질 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 잠수함용 연료개질 시스템은 연료 개질기(10), 연료전지(20) 및 연소기(30)를 포함할 수 있다.
이러한 연료 개질 시스템에서 연료 개질기(10)는 연료와 물(수증기)의 개질 반응에 따라 수소 가스를 포함한 개질가스(수증기, 일산화탄소, 이산화탄소)를 생성하고, 연료전지(20)는 개질가스 중에서 수소를 이용하여 전기를 생성한 후 잔여가스(전기를 생성하지 않은 수소, 수증기, 일산화탄소, 이산화탄소)를 배출한다. 이어서 연소기(30)는 연료전지(20)에서 배출된 잔여가스를 연소시킨 후 연소열을 수증기 개질기(10)에 공급한다.
종래의 잠수함용 연료개질 시스템은 구조가 간단한 장점이 있다. 종래의 연료 개질기에서는 상압의 일반적인 대기 조건에서 운전되므로 제한요소가 비교적 적으며, 잠수함 대비 소출력으로 설계되므로 열전달 문제도 심각하지 않다. 또한 종래의 연료 개질기에서는 열공급 방법으로 주로 연소 버너를 사용한다. 즉 연료 개질기의 촉매 반응기 주위에 연소기(연소버너)(30)를 설치하여 연소열을 직접적으로 촉매 반응기에 공급되도록 설계한다. 이러한 방식은 촉매반응기의 근접영역에서 연소버너의 열을 직접 전달시킬 수 있으므로 연료 개질기를 소형화할 수 있다는 장점이 있다.
그런데, 종래의 잠수함용 연료개질 시스템은 연료전지(20)에서 소비되는 수소량에 따라서 연소기(30)로 들어가는 연료의 양이 달라질 수 있다. 연료전지 스택은 생성되는 전기량에 비례하여 수소를 소비하기 때문에 연료전지(20)의 전력 생산량이 많아지면 잔여가스 중 남아있는 수소량이 줄어들기 때문에 연소기(30)로 들어가는 수소량도 자연히 감소하게 된다. 이것은 결국 연소기(30)에서 생성되는 열량이 전력 생산량에 따라 지속적으로 변화될 수 있다는 것을 의미하는 것으로 바람직한 것은 아니다.
따라서, 연료 개질기(10)의 온도를 일정하게 유지하기 위해서 연소기(30)는 잔여가스뿐만 아니라 연료 라인에서 직접 연료를 공급받아 연소되도록 조절해야한다.
그런데, 잔여가스는 전력 생산량과 연동되어 공급량이 결정되므로 잔여가스를 사용하는 연소기의 열량은 수증기 개질기 온도제어용 제어파라미터로 직접적인 사용은 할 수 없으며, 특히 빠른 동특성을 요구하는 개질기 시스템에서는 사용할 수 없다. 따라서, 빠른 동특성을 요구하는 연료개질 시스템에서 종래의 기술을 사용할 경우에는 개질기 온도 제어를 위하여 연료 라인을 통해 추가적으로 연료를 공급받아 연소시켜 개질기를 직접 가열해야 하기 때문에 연료소비량이 증가될 수 있다.
이에 더하여 종래의 잠수함용 연료개질 시스템은 연료 개질기가 대형화될 경우 연소기(연소버너)에서 촉매 반응기 영역으로 균질한 열전달이 되지 않을 수 있다. 즉, 대형화된 연료 개질기를 설계하기 위해서는 연소버너 역시 대형화시키고 연소의 균질성 및 열전달 효율을 높여야 하는 문제가 발생된다. 만약 연료 개질기가 고압에서 운전될 경우, 구조적인 보강을 위하여 촉매 반응기 두께를 증가해야 하므로, 연소기로부터 촉매 반응기까지의 열전달 문제는 더욱 심각해 질 수 있다.
본 발명의 목적은 연소기의 연료 소비율을 감소시키고 개질기의 온도를 일정하게 유지할 수 있는 개선된 잠수함용 개질기 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 잠수함용 개질기 시스템은, 연료와 물의 수증기 개질 반응에 의해 개질가스를 생성하는 연료 개질기; 상기 연료 개질기에서 생성된 개질가스를 수소 분리막을 통해 수소가스와 잔여가스로 분리하는 수소 분리기; 상기 수소 분리막을 통과한 수소가스를 이용하여 전기를 생성하는 연료전지; 상기 수소 분리막에서 걸러진 잔여가스를 제공받아 연소열을 제공하는 연소기; 및 상기 연소기로부터 제공된 연소열에 의해 가열된 열량을 열 매체를 통해 상기 연료 개질기로 전달하는 열 매체부;를 포함하며, 상기 열 매체부로 인가되는 열 매체의 유량은 연료 개질기의 온도변화에 따라 적응적으로 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 열 매체는 오일 또는 포화 수증기를 포함할 수 있으며, 상기 포화 수증기는 계통 압력 제어를 통해 잠열 온도가 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 수소 분리기는 팔라듐 필터를 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 일 실시예에 따른 잠수함용 개질기 시스템은 개질기의 온도와 기준 온도를 실시간 비교하여 온도 변화에 따른 제어신호를 발생하는 제어기; 및 상기 연료 개질기와 열 매체부사이에 위치하여, 상기 제어기의 제어에 따라 열 매체부로 유입되는 열 매체의 유량을 조절하는 유량 조절기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어기는 개질기가 수소를 많이 생성하여 흡열 반응이 증가된 경우 유량 조절기를 제어하여 열매체의 유량을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어기는 열 매체로서 포화 수증기를 사용할 경우 포화 수증기의 잠열 구간을 이용하여 연료 개질기의 온도를 제어할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 잠수함용 개질기 시스템은, 연료와 물의 수증기 개질 반응에 의해 개질가스를 생성하는 연료 개질기; 상기 생성된 개질가스를 이용하여 전기를 생성하는 연료전지; 상기 연료전지로부터 잔여가스를 제공받아 연소열을 제공하는 연소기; 상기 연소기로부터 제공된 연소열에 의해 가열된 열량을 열 매체를 통해 상기 연료 개질기로 전달하는 열 매체부; 상기 연료 개질기의 온도 변화에 따른 제어신호를 발생하는 제어부; 및 상기 연료 개질기와 열 매체부사이에 위치하여, 상기 제어부의 제어에 따라 열 매체부로 유입되는 열 매체의 유량을 조절하는 유량 조절기;를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 열 매체는 오일 또는 포화 수증기를 포함할 수 있고, 상기 포화 수증기는 계통 압력 제어를 통해 잠열 온도가 제어될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 제어부는 연료 개질기가 수소를 많이 생성하여 흡열 반응이 증가된 경우 유량 조절기를 제어하여 열 매체의 유량을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 제어부는 열 매체로서 포화 수증기를 사용할 경우 포화 수증기의 잠열 구간을 이용하여 연료 개질기의 온도를 제어할 수 있다.
본 발명은 전력 생산량과 연동하여 연소열이 변할 때 해당 연소열의 변화를 열 매체의 유량 조절로 극복함으로써 전력 변동량이 커서 갑자기 연소열이 감소하더라도 열을 머금고 있는 열매체의 유량을 증가시킴으로써 반응기에 열량을 제공할 수 있는 효과가 있다.
이에 더하여 본 발명은 열용량이 큰 열매체를 사용함으로써 대형 수증기 개질기의 열을 균질하게 분포시킬 수 있을 뿐만 아니라 열전달 효과도 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 잠수함용 개질기 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 잠수함용 개질기 시스템의 구성도.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 잠수함용 개질기 시스템의 구성도.
종래의 잠수함용 연료개질 시스템은 빠른 동특성을 만족시키기 위하여 잔여가스 뿐만 아니라 추가적인 연료를 사용하여 연소기의 생성 열량을 제어해야 하기 때문에 연료 소비량이 증가될 수 있다. 따라서, 연료 소비율을 감소하기 위해서는 항상 전체 시스템에 대한 열 평형 상태를 고려하면서 제어하면서 운전해야 한다. 즉, 되도록 잔여가스만으로 연소열을 획득하여 연료 개질기에 공급해야 한다. 그러나 이럴 경우에는 연료 개질기 온도를 일정하게 제어하는 것이 어렵게 된다. 왜냐하면 연소기가 사용하는 잔여가스는 전력생산량과 연동되어 공급량이 결정되기 때문이다.
이에 본 발명의 발명자(들)은 상기와 같은 종래의 문제점을 인식하고, 연료 소비율을 감소시킴과 함께 개질기의 온도를 일정하게 유지할 수 있는 개선된 잠수함용 연료개질 시스템을 제안한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 잠수함용 개질기 시스템의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 잠수함용 개질기 시스템은 연료 개질기(110), 수소 분리기(120), 연료전지(130), 연소기(140), 열 매체부(열 버퍼)(150) 유량 조절기(160) 및 제어기(170)를 포함한다.
상기 연료 개질기(110)는 연료와 물의 수증기의 개질방식에 의해 수소 가스를 포함한 개질가스를 생성한다. 상기 연료 개질기(110)는 쉘 앤 튜브(shell and tubes) 형상을 갖는다. 상기 연료 개질기(110)의 쉘에는 수증기가 공급되고, 튜브에는 개질가스로 변환될 수 있는 반응가스가 공급된다. 여기서, 튜브에는 수증기 개질 반응에 따른 흡열반응이 발생되도록 촉매가 수용되어 있다. 상기 연료 개질기(110)에 공급되는 반응가스는 일 예로 메탄올이 사용되나, 이에 한정되지 않고 다량의 수소 가스가 포함된 개질가스가 생성될 수 있는 에탄올 등이 사용될 수 있다.
상기 수소 분리기(120)는 연료 개질기(110)와 연료 전지(130)사이에 배치되어, 수소 분리막을 이용하여 연료 개질기(110)에서 생성된 개질가스(수증기, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소)로부터 고순도의 수소를 분리하여, 상기 수소 분리막을 통과한 수소는 연료전지(130)로 제공하고, 상기 수소 분리막에서 걸러진 잔여가스는 연소기(연소버너)(140)로 제공하는 역할을 한다. 상기 잔여가스는 수증기, 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)를 포함한다. 상기 수소 분리기(190)는 팔라듐(Pd) 필터를 포함할 수 있다. 물론, 수소 분리기(190)는 팔라듐 필터로 한정되지 않고 개질가스로부터 고순도의 수소 가스를 분리할 수 있는 다양한 구성이 사용될 수 있다.
상기 연료전지(120)는 수소 분리기(120)에서 제공된 수소를 이용하여 전기를 생성하고, 상기 연소기(140)는 수소 분리기(120)로부터 잔여가스를 공급받아 열 매체부(150)를 가열한다.
상기 열 매체부(150)는 열 매체가 연료 개질기(110)로 입력되는 경로에 위치하여, 상기 열 매체의 통로를 제공한다. 상기 열 매체부(150)는 연소기(140)에 의해 가열되며, 열 매체부(150)에 수용된 열 매체는 연소기의 연소열을 연료 개질기(110)로 전달한다. 따라서, 본 발명에서 열 매체는 열용량이 큰 오일 또는 포화 수증기를 사용한다. 특히 포화 수증기는 계통 압력 제어를 통해 잠열온도를 제어할 수 있다. 열 매체로서 포화 수증기의 잠열구간을 이용하면 보다 정확하고 균일한 온도 제어가 가능하다.
상기 유량 조절기(160)는 연료 개질기(110)로부터 배출된 열 매체(포화 수증기 또는 오일)가 순환되어 열 매체부(150)로 인가될 때 해당 열 매체의 유속을 제어하여 유량을 제어하는 역할을 수행한다.
상기 제어기(170)는 연료 개질기(110)의 온도를 감지하고, 해당 온도가 일정하게 유지될 수 있도록 유량 조절기(160)를 제어하는 역할을 수행한다. 특히 제어기(170)는 열매체로서 포화 수증기의 잠열구간을 이용하여 연료 개질기(110)의 열 제어를 수행한다.
이와같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 잠수함용 연료개질 시스템의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 연소기(140)의 연료 소비율을 감소시키고 연료 개질기(110)의 온도를 일정하게 유지하기 위하여, 연소기(140)가 연료전지(130)의 전력 생산량에 연동하여 열을 발생하도록 하고, 연료 개질기(110)를 간접적으로 가열하는 구조(방식)을 채택한다.
즉, 본 발명은 연소기(30)가 연료전지(20)에서 출력된 잔여가스를 연소시켜 연소열을 발생하는 것이 아니라(도 1), 도 2에 도시된 바와같이, 연료전지(130)로 들어가기 이전의 개질가스, 더 상세하게는 수소 분리기(120)를 통해 수소가 분리된 잔여가스를 연소시켜 연소열을 발생한다.
이러한 구조는 연료전지(130)의 전력 생산량과 연동하여 연소열이 변화되더라도 일정한 연소열을 제공할 수 있어 연료 개질기(110)를 온도를 어느 정도 일정하게 유지할 수 있으며, 종래와 같이 추가적으로 연료를 공급받을 필요가 없거나 공급받는 양을 줄여 연소기(140)의 연료 소비율을 대폭적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 연료 개질기(10)의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 연료 개질기(10)를 직접 가열하는 것이 아니라(도 1의 직접가열방식), 도 2에 도시된 바와같이 연소기(140)가 열 매체부(150)를 가열하면, 열 매체가 연소기(140)에서 생성된 열을 연료 개질기(110)에 전달하는 역할을 수행하도록 한다(간접가열방식). 상기 열 매체는 열용량이 크기 때문에 전기회로의 커패시터와 같은 버퍼(Buffer) 역할을 수행할 수 있다. 특히 상기 열 매체(150)를 열용량이 크므로 대형 수증기 개질기를 사용할 경우에는 균질한 열전달이 가능한 장점이 있다.
한편 연소기(140)가 수소 분리기(120)에서 분리된 잔여가스를 사용하여 연소할 때 연료 개질기(110)의 개질 반응에 따라 연소기의 열량이 일정하지 않을 수 있으며, 이 경우에는 연료 개질기(110)의 온도제어가 필요하다.
본 발명은 열 매체가 잔여가스에 의한 연소기(140)의 연소열을 연료 개질기(110)로 전달할 때 열 매체부(150)로 인가되는 열 매체의 유량을 적응적으로 조절하여 연료 개질기(110)로 공급되는 열량을 제어함으로써 연료 개질기(110)의 온도를 일정하게 유지할 수 있다. 이를 위하여 제어기(170)는 연료 개질기(110)의 온도를 감지한 후 감지된 온도를 기설정된 기준 온도와 실시간 비교하여 온도 차이값에 해당되는 제어신호를 발생하여 유량 조절기(160)로 출력할 수 있다.
상기 유량 조절기(160)는 제어기(170)의 제어신호에 따라, 연료 개질기 (110)에서 배출되어 순환되는 열 매체(오일 또는 포화 수증기)의 유속을 제어하여 결과적으로 유량을 제어한다. 예를들어, 연료 개질기(110)가 수소를 많이 생성하여 흡열반응이 증가된 경우, 제어기(170)는 유량 조절기(160)를 제어하여 열매체의 유속을 증가시켜 유량을 제어할 수 있으며, 그 반대인 경우에는 유량을 감소시킬 수 있다. 특히 장기적으로 많은 흡열반응이 필요하다고 판단하면 열 매체의 자체 온도를 상승시켜 대응할 수도 있다.
다시 설명하면, 본 발명에서 잠수함용 개질기 시스템이 연료 개질기-수소분리기-연료전지로 구성되고 출력 100%로 동작하고 있다고 가정해 보자. 이 상태에서 갑자기 출력을 50%로 줄이면, 연료전지에서 사용하는 수소량이 즉각적으로 50%로 감소하고, 이로 인하여 수소 분리기(수소 분리막)를 통과하는 수소가 정체되어(수소 분리기 후단에서 압력 상승), 걸러지는(분리되는) 수소량도 자연히 적어지게 된다. 이로 인하여 잔여가스중 수소량이 증가하게 된다.
연료 개질기도 이를 감지하여 반응물(연료+수증기)의 양을 줄이게 되는데, 상기 연료 개질기는 연료전지처럼 동특성이 우수하지 못하기 때문에 반응물의 양을 줄이는 동작이 천천이 반영된다. 이와같은 연료 개질기의 느린 동특성으로 인하여 연료 개질기의 열관리가 중요하게 된다. 그런데, 연소기는 연료전지(모듈)의 전력 생산량과 직접적인 연관이 있기 때문에 이를 이용하여 연료 개질기의 열관리를 수행할 수는 없다.
따라서, 본 발명의 핵심은 연소기의 열량을 보존 및 보충할 수 있는 버퍼 (buffer), 더 상세하게는 열 버퍼(열매체부)를 두어 연료 개질기의 열관리를 수행하는 것이며, 이 것이 곧 간접가열방식을 의미한다.
상기와 같은 구조로 본 발명은 수증기 개질기의 온도 제어를 위한 설계마진을 대폭적으로 증가시킬 수 있으며 연료 소비량도 감소시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 잠수함용 개질기 시스템의 구성도이다.
도 3를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 잠수함용 개질기 시스템은 수소 분리기를 제거하여, 연료전지(130)에서 출력된 잔여가스가 연소기(140)로 제공되도록 구성한다.
이러한 구조는 연소기(104)에서 제1실시예의 경우보다 연료 개질기(110)의 온도를 일정하게 유지하는데 불리하지만, 이는 제어기(170)의 제어에 다른 유량 조절기(160)의 동작에 의해 충분히 보상(회복)될 수 있다.
즉, 연소기(140)가 연료전지(130)에서 출력된 잔여가스를 이용하여 열 매체 부(150)를 가열할 경우 연소기(140)가 사용하는 잔여가스의 공급량은 연료전지(130)의 전력 생산량과 연동되어 결정된다. 따라서, 연료전지(130)는 생성되는 전기량에 비례하여 수소를 소비하기 때문에 연료전지(20)의 전력 생산량이 많아지면 잔여가스 중 남아있는 수소량이 줄어들기 때문에 연소기(30)로 들어가는 수소량도 자연히 감소하게 된다. 이것은 연소기(30)에서 생성되는 열량이 전력 생산량에 따라 지속적으로 변화될 수 있음을 의미하고, 더 나아가서는 열 매체가 수증기 개질기(110)로 전달하는 열량이 지속적으로 변화될 수 있다는 것을 의미하여, 결과적으로 연료 개질기(110)의 온도가 일정하게 유지되지 못하게 된다.
이와 같이 연소기(140)로 인가되는 잔여가스의 공급량 변화에 의해 연료 개질기(110)의 온도가 불안정해지면, 제어기(170)는 감지된 연료 개질기(110)의 온도와 기설정된 기준 온도를 비교하여 온도 차이값에 해당되는 제어신호를 발생하여 유량 조절기(160)로 출력한다. 상기 유량 조절기(160)는 제어기(170)의 제어신호에 따라 연료 개질기(110)에서 배출되어 순환되는 열 매체(오일 또는 포화 수증기)의 유량을 제어함으로써 연료 개질기(110)의 온도는 안정상태가 된다.
상술한 바와같이 본 발명은 연료전지에서 전력 생산량이 변동되어 연료 개질기에서 필요로 하는 열량이 변동(출렁)될 때 열매체부(열 버퍼)를 통해 필요한 열량을 제공함으로써(간접가열방식) 연료 개질기의 열 관리를 효과적으로 수행할 수 있으며, 연료 개질기의 온도 변화에 따라 열매체부를 통해 흐르는 열 매체의 유량을 조절함으로써 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.
110: 연료 개질기 120 : 수소 분리기
130: 연료전지 140: 연소기
150: 열 매체부 160: 유량 제어기
170: 제어기

Claims (10)

  1. 연료와 물의 수증기 개질 반응에 의해 개질가스를 생성하는 연료 개질기;
    상기 연료 개질기에서 생성된 개질가스를 수소 분리막을 통해 수소가스와 잔여가스로 분리하는 수소 분리기;
    상기 수소 분리막을 통과한 수소가스를 이용하여 전기를 생성하는 연료전지;
    상기 수소 분리막에서 걸러진 잔여가스를 제공받아 연소열을 제공하는 연소기; 및
    상기 연소기로부터 제공된 연소열에 의해 가열된 열량을 열 매체를 통해 상기 연료 개질기로 전달하는 열 매체부;를 포함하며,
    상기 열 매체부로 인가되는 열 매체의 유량은 연료 개질기의 온도변화에 따라 적응적으로 조절되는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열 매체는
    오일 또는 포화 수증기를 포함하며,
    상기 포화 수증기는 계통 압력 제어를 통해 잠열 온도가 제어되는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수소 분리기는
    팔라듐 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 연료 개질기의 온도와 기준 온도를 실시간 비교하여 온도 변화에 따른 제어신호를 발생하는 제어기; 및
    상기 연료 개질기와 열 매체부사이에 위치하여, 상기 제어기의 제어에 따라 열 매체부로 유입되는 열 매체의 유량을 조절하는 유량 조절기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어기는
    연료 개질기가 수소를 많이 생성하여 흡열 반응이 증가된 경우 유량 조절기를 제어하여 열 매체의 유량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제어기는
    열 매체로서 포화 수증기를 사용할 경우 포화 수증기의 잠열 구간을 이용하여 연료 개질기의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  7. 연료와 물의 수증기 개질 반응에 의해 개질가스를 생성하는 연료 개질기;
    상기 생성된 개질가스를 이용하여 전기를 생성하는 연료전지;
    상기 연료전지로부터 잔여가스를 제공받아 연소열을 제공하는 연소기;
    상기 연소기로부터 제공된 연소열에 의해 가열된 열량을 열 매체를 통해 상기 연료 개질기로 전달하는 열 매체부;
    상기 연료 개질기의 온도 변화에 따른 제어신호를 발생하는 제어부; 및
    상기 연료 개질기와 열 매체부사이에 위치하여, 상기 제어부의 제어에 따라 열 매체부로 유입되는 열 매체의 유량을 조절하는 유량 조절기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 열 매체는
    오일 또는 포화 수증기를 포함하며,
    상기 포화 수증기는 계통 압력 제어를 통해 잠열 온도가 제어는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제어부는
    연료 개질기가 수소를 많이 생성하여 흡열 반응이 증가된 경우 유량 조절기를 제어하여 열 매체의 유량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 상기 제어부는
    열 매체로서 포화 수증기를 사용할 경우 포화 수증기의 잠열 구간을 이용하여 연료 개질기의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 잠수함용 개질기 시스템.
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