KR102140111B1 - 수소 생성을 이용한 발전시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소 가스의 생성을 이용하여 발전을 수행하는 시스템에 있어서: 연료전지(10)와 급수조(15)를 갖춘 본체; 공기공급기(21)와 용수공급기(22)를 갖추고, 세라믹봉(24)을 이용하여 물극성을 저감하는 전처리수단(20); 상기 전처리수단(20)의 하류측에서 수소분리기(33)로 고주파를 인가하여 수소를 생성하는 수소생성수단(30); 상기 수소생성수단(30)의 하류측에서 수증기를 수분리통(44)에 포집하고 용수공급기(22)로 공급하는 후처리수단(40); 및 상기 본체, 전처리수단(20), 수소생성수단(30), 후처리수단(40)을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 차량ㆍ선박ㆍ항공기 등에서 비교적 소규모로 적용하면서 수소 분리의 용이성을 기반으로 발전의 신뢰성을 유지하고 내구성 저하를 방지하여 다양한 분야에서 실질적인 활용성을 제고하는 효과가 있다.

Description

수소 생성을 이용한 발전시스템{Power generaton system using hydrogen production}
본 발명은 수소 발전시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 차량, 선박, 항공기, 건물 등에서 비교적 소규모로 적용할 수 있는 수소 생성을 이용한 발전시스템에 관한 것이다.
수소는 1차 에너지원으로부터 얻을 수 있는 2차에너지원으로서 전기분해, 천연가스개질, 석탄가스화, 미생물 분해 등의 방식으로 생성되어 발전을 비롯한 다양한 용도로 활용성을 증대하고 있다. 그런데 전기분해 방식은 비용이 많이 소요되고 미생물 방식은 면적을 많이 차지하는 문제점이 있다. 석유정제 과정에서 발생하는 부산물인 수소를 포집하는 것이 가장 저렴하기는 하지만 포집 현장에서 멀어질수록 가격 이점이 낮아지고 안정적 활용성을 기대하기 곤란하다.
이와 관련되어 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서, 하기의 한국 등록특허공보 제0863725호(선행문헌 1), 한국 공개특허공보 제2017-0036987호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.
선행문헌 1은 전해질수용액을 담고 있는 전해조, 전해조 내부의 일면에 적층되고 전자를 발생시키는 제1전극, 제1전극 상에 적층되고 전해질수용액을 흡습하는 흡습층 및 흡습층 상에 적층되고 전자 및 전해질수용액을 이용하여 수소를 발생시키는 제2전극을 포함한다. 이에, 간단한 구조로 소형화하고 수소량 조절로 연료전지의 사용이 가능한 효과를 기대한다.
선행문헌2는 수소함침금속을 수용한 수소반응카트리지와 물을 저장하는 워터카트리지를 갖는 수소생성카트리지유니트; 물을 수소반응카트리지로 공급하는 펌프; 스택수용부에 수용되어 수소생성카트리지유니트로부터의 수소로 전기를 발생하는 연료전지스택; 등으로 구성된다. 이에, 간편하게 휴대가 가능하면서 정전 등의 비상시에 사용하는 효과를 기대한다.
다만, 상기한 선행문헌은 이동 과정에서 진동을 받는 차량 등에 탑재하는 경우 신뢰성과 내구성을 확보하기 미흡하여 개선의 여지를 보이고 있다.
한국 등록특허공보 제0863725호 "수소 발생 장치 및 연료전지 발전 시스템" (공개일자 : 2008.10.16.) 한국 공개특허공보 제2017-0036987호 "수소생성카트리지유니트 및 포터블 수소발전기" (공개일자 : 2017.04.04.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 차량ㆍ선박ㆍ항공기 등에서 비교적 소규모로 적용하면서 수소 분리의 용이성을 기반으로 발전의 신뢰성을 유지하고 내구성 저하를 방지하는 수소 생성을 이용한 발전시스템를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 수소 가스의 생성을 이용하여 발전을 수행하는 시스템에 있어서: 연료전지와 급수조를 갖춘 본체; 공기공급기와 용수공급기를 갖추고, 세라믹봉을 이용하여 물극성을 저감하는 전처리수단; 상기 전처리수단의 하류측에서 수소분리기로 고주파를 인가하여 수소를 생성하는 수소생성수단; 상기 수소생성수단의 하류측에서 수증기를 수분리통에 포집하고 용수공급기로 공급하는 후처리수단; 및 상기 본체, 전처리수단, 수소생성수단, 후처리수단을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 전처리수단은 세라믹봉에 지그재그 또는 나선형의 유로를 구비하고, 세라믹봉의 외면과 내면에 단열재와 히터를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 세라믹봉은 점토 100중량부에 알루미나 10~20중량부, 동 5~10중량부, 코발트 3~5중량부, 지르코늄 2~3중량부, 크롬 1~2중량부를 배합하고 1350~1400℃에서 소결하여 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 수소생성수단은 반응조에 설치된 수소분리기에서 80~850㎒ 범위의 고주파를 인가하고, 수소안정기를 거친 수소를 연료전지로 공급하여 발전을 유도하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 변형예로서, 상기 수소생성수단은 광촉매를 갖춘 반응조의 적외선 고투과율 영역에 적외선조사기를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 후처리수단은 연료전지의 수증기를 증기관으로 보내면서 증기트랩과 포집망으로 포집하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 차량ㆍ선박ㆍ항공기 등에서 비교적 소규모로 적용하면서 수소 분리의 용이성을 기반으로 발전의 신뢰성을 유지하고 내구성 저하를 방지하여 다양한 분야에서 실질적인 활용성을 제고하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템 전체를 개략적으로 나타내는 모식도
도 2는 본 발명에 따른 전처리수단을 부분적으로 나타내는 모식도
도 3은 본 발명에 따른 후처리수단의 주요부를 나타내는 모식도
도 4는 본 발명에 따른 제어기의 회로적 연결을 나타내는 블록도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 수소 가스의 생성을 이용하여 발전을 수행하는 시스템에 관하여 제안한다. 도 1처럼 차량에 적용되어 수소를 생성하고 발전하는 시스템을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
본 발명에 따르면 본체에 연료전지(10)와 급수조(15)를 갖춘 구조를 이루고 있다. 연료전지(10)는 수소와 공기를 반응시켜 전기를 생산한다. 급수조(15)는 시스템에서 발생되는 물(용수)를 저장하지만 외부에서 보충 가능하도록 캡을 구비한다. 다만 본 발명은 생성된 수소를 보관하기 위한 저장조를 배제하고, 전량 연료전지(10)의 발전을 거쳐 에너지로 사용하거나 축전지에 저장한다.
한편, 도시에는 생략하나 본체는 냉각장치를 구비하고, 급수조(15)는 수위센서(56)를 구비한다.
또한, 본 발명에 따르면 전처리수단(20)이 공기공급기(21)와 용수공급기(22)를 갖추고, 세라믹봉(24)을 이용하여 물극성을 저감하는 구조를 이룬다. 도 1에서, 전처리수단(20)을 구성하는 공기공급기(21), 용수공급기(22), 세라믹봉(24) 등이 나타난다. 공기공급기(21)는 블로워로 외기를 흡입하면서 제습과 정화를 거쳐 연료전지(10) 등으로 공급한다. 용수공급기(22)는 급수조(15)의 물을 세라믹봉(24)으로 공급한다. 세라믹봉(24)은 전하를 띠고 있는 물분자의 전하를 제거하여 분해가 용이한 무극성 상태로 개질한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 전처리수단(20)은 세라믹봉(24)에 지그재그 또는 나선형의 유로(25)를 구비하고, 세라믹봉(24)의 외면과 내면에 단열재(26)와 히터(28)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 2를 참조하면, 세라믹봉(24)에 구성되는 유로(25), 단열재(26), 히터(28) 등이 나타난다. 세라믹봉(24)은 중공 구조로 히터(28)를 수용하면서 외면에 단열재(26)를 갖춘다. 히터(28)는 실시간으로 온조 조절이 용이한 전기 구동식을 적용한다. 세라믹봉(24)의 외면에 드러나는 급수공과 출수공은 내부에 형성된 지그재그 또는 나선형의 유로(25)와 연통된다. 지그재그 유로(25)는 세라믹봉(24)의 길이 방향으로 순행과 역행을 반복하는 구조이다. 나선형 유로(25)는 히터(28)를 중심으로 선회하는 구조로서 급수공과 출수공을 반대측으로 배치한다.
한편, 도시에는 생략하나 세라믹봉(24)은 지그재그 및 나선형 유로(25)를 모두 갖출 수도 있다. 전처리수단(20)은 복수의 세라믹봉(24)을 병렬 배관으로 연결한 구조도 가능하다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 세라믹봉(24)은 점토 100중량부에 알루미나 10~20중량부, 동 5~10중량부, 코발트 3~5중량부, 지르코늄 2~3중량부, 크롬 1~2중량부를 배합하고 1350~1400℃에서 소결하여 형성된 것을 특징으로 한다.
도 2의 세라믹봉(24)을 구성하는 상기 성분, 함량, 소성온도는 히터(28)의 대략 40℃ 가온과 연계하여 9~11㎛ 범위의 원적외선 발생에 적합하다. 물은 수소분자와 산소분자가 104.5˚의 각도로 안정화되어 있고 극성을 지니기에 세라믹봉(24)의 원적외선으로 처리하여 개질한다. 물이 세라믹봉(24)의 유로(25)를 통과하는 동안 수소 분자각을 104.8˚로 이완시켜 극성이 사라지도록 하면 후술하는 수소생성수단(30)의 작은 충격에도 수소분자가 쉽게 분리된다.
또한, 본 발명에 따르면 수소생성수단(30)이 상기 전처리수단(20)의 하류측에서 수소분리기(33)로 고주파를 인가하여 수소를 생성하는 구조이다. 도 1에서, 수소생성수단(30)을 구성하는 반응조(31), 수소분리기(33), 수소안정기(35), 수소공급기(36) 등이 나타난다. 특히 반응조(31)에 탑재된 수소분리기(33)의 고주파는 극성이 제거된 용수의 수소분자를 비교적 신속하게 분리한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 수소생성수단(30)은 반응조(31)에 설치된 수소분리기(33)에서 80~850㎒ 범위의 고주파를 인가하고, 수소안정기(35)를 거친 수소를 연료전지(10)로 공급하여 발전을 유도하는 것을 특징으로 한다.
도 1에서, 수소생성수단(30)은 수소분리기(33)를 저면에 장착한 반응조(31)에서 다소 이격시킨 위치에 수소안정기(35)와 수소공급기(36)를 연결한 상태로 예시한다. 수소분리기(33)는 후술하는 제어기(50)의 제어로 80~850㎒ 범위의 고주파를 가변적으로 인가할 수 있도록 구성된다. 이는 전처리수단(20)과 연계하여 수소 발생 효율을 최적화하기 위함이다. 수소안정기(35)는 반응조(31)에서 생성된 수소의 탈습ㆍ정제하며 이외에 설치환경에 따라 냉각ㆍ감압을 부가할 수 있다. 수소공급기(36)는 본체에 별도의 수소저장조가 없기에 수소를 연료전지(10)로 공급하면서 재순환을 유도한다.
본 발명의 변형예로서, 상기 수소생성수단(30)은 광촉매를 갖춘 반응조(31)의 적외선 고투과율 영역에 적외선조사기(38)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 1에서, 반응조(31)의 상면에 적외선조사기(38)를 장착한 상태를 예시한다. 적외선조사기(38)는 3㎛ 내외의 파장을 조사하는 적외선 발생기를 사용하거나 태양광선을 프레넬 렌즈로 집광하여 레저로 조사하는 방식을 적용한다. 후자의 경우 반응조(31)는 적외선 투과율이 높은 영역을 갖추도록 별도의 소재를 선정하여 구성한다. 특히 후자의 경우 선택적으로 반응조(31)에 가시광선에 반응하는 광촉매를 부가하는 것도 가능하다. 광촉매는 반응조(31)의 용수에 분말상으로 투입되어 분산된 상태로 유지될 수 있다. 어느 경우에나 반응조(31)에서 고주파에 의해 생성되는 기포에 적외선을 조사하여 여기ㆍ공명 상태로 되면서 물분자의 충돌이 활성화되어 수소 발생을 촉진한다.
또한, 본 발명에 따르면 후처리수단(40)이 상기 수소생성수단(30)의 하류측에서 수증기를 수분리통(44)에 포집하고 용수공급기(22)로 공급하는 구조를 이루고 있다. 도 1에서, 후처리수단(40)의 증기관(41) 상에 수분리통(44)이 설치된 상태로 나타난다. 수분리통(44)에 포집된 물은 급수조(15)에 공급되고 용수공급기(22)에 의하여 재순환된다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 후처리수단(40)은 연료전지(10)의 수증기를 증기관(41)으로 보내면서 증기트랩(42)과 포집망(45)으로 포집하는 것을 특징으로 한다.
도 3을 참조하면, 후처리수단(40)을 구성하는 증기관(41), 증기트랩(42), 포집망(45) 등이 명확하게 나타난다. 증기관(41)은 연료전지(10)에서 필요한 길이로 연장되어 발생된 수증기를 처리한다. 증기관(41)에 장착된 증기트랩(42)과 포집망(45)은 수증기의 응결을 유도한다. 증기트랩(42)은 포집망(45)의 하류측에서 급수조(15)나 차량의 냉각장치에 인접하도록 설치하여 응결을 촉진한다. 포집망(45)은 증기관(41)과 수분리통(44) 사이에 설치되어 수증기의 응결과 수분의 이탈을 방지한다. 포집망(45)은 부직포를 기반으로 하면서 상면에 금속망을 부가한 구조로 구성할 수 있다. 증기관(41)의 말단에는 외부의 이물질 유입을 차단하는 방진망(46)을 설치한다. 수분리통(44)은 급수조(15)와 배관으로 연결되고, 급수조(15)의 펌프(48)를 이용하여 용수의 재순환을 유발한다.
또한, 본 발명에 따르면 제어수단이 상기 본체, 전처리수단(20), 수소생성수단(30), 후처리수단(40)을 설정된 알고리즘으로 제어하는 구조이다. 도 4에서, 제어기(50)에 전원구동부(51) 및 출력조절부(52)가 연결된 상태를 예시한다. 제어기(50)는 마이크로프로세서, 메모리, 입출력인터페이스를 갖춘 마이컴 회로이다. 제어기(50)의 입력인터페이스에는 온도센서(54)ㆍ수위센서(56) 등이 연결되고, 출력인터페이스에는 전원구동부(51)ㆍ출력조절부(52) 등이 연결된다.
온도센서(54)는 연료전지(10), 세라믹봉(24), 반응조(31) 등에 설치된다. 수위센서(56)는 급수조(15), 반응조(31), 수분리통(44) 등에 설치된다. 전원구동부(51)는 마이크로프로세서의 출력을 변환하여 공기공급기(21), 용수공급기(22), 히터(28), 적외선조사기(38) 등의 전원을 단속한다. 출력조절부(52)는 마이크로프로세서의 출력에 대응하여 고주파발진기 및 주파수변환기를 통한 수소분리기(33)의 출력을 변동한다.
한편, 본 발명의 제어기(50)는 3방변(58)을 제어하여 수분리통(44)의 용수를 급수조(15)에 저장하거나 급수조(15)의 용수를 전처리수단(20)으로 재순환한다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 연료전지 15: 급수조
20: 전처리수단 21: 공기공급기
22: 용수공급기 24: 세라믹봉
25: 유로 26: 단열재
28: 히터 30: 수소생성수단
31: 반응조 33: 수소분리기
35: 수소안정기 36: 수소공급기
38: 적외선조사기 40: 후처리수단
41: 증기관 42: 증기트랩
44: 수분리통 45: 포집망
46: 방진망 48: 펌프
50: 제어기 54: 온도센서
56: 수위센서 58: 3방변

Claims (6)

  1. 수소 가스의 생성을 이용하여 발전을 수행하는 시스템에 있어서:
    연료전지(10)와 급수조(15)를 갖춘 본체;
    공기공급기(21)와 용수공급기(22)를 갖추고, 세라믹봉(24)을 이용하여 물극성을 저감하는 전처리수단(20);
    상기 전처리수단(20)의 하류측에서 수소분리기(33)로 고주파를 인가하여 수소를 생성하는 수소생성수단(30);
    상기 수소생성수단(30)의 하류측에서 수증기를 수분리통(44)에 포집하고 용수공급기(22)로 공급하는 후처리수단(40); 및
    상기 본체, 전처리수단(20), 수소생성수단(30), 후처리수단(40)을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소 생성을 이용한 발전시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전처리수단(20)은 세라믹봉(24)에 지그재그 또는 나선형의 유로(25)를 구비하고, 세라믹봉(24)의 외면과 내면에 단열재(26)와 히터(28)를 구비하는 것을 특징으로 하는 수소 생성을 이용한 발전시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹봉(24)은 점토 100중량부에 알루미나 10~20중량부, 동 5~10중량부, 코발트 3~5중량부, 지르코늄 2~3중량부, 크롬 1~2중량부를 배합하고 1350~1400℃에서 소결하여 형성된 것을 특징으로 하는 수소 생성을 이용한 발전시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소생성수단(30)은 반응조(31)에 설치된 수소분리기(33)에서 80~850㎒ 범위의 고주파를 인가하고, 수소안정기(35)를 거친 수소를 연료전지(10)로 공급하여 발전을 유도하는 것을 특징으로 하는 수소 생성을 이용한 발전시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소생성수단(30)은 광촉매를 갖춘 반응조(31)의 적외선 고투과율 영역에 적외선조사기(38)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수소 생성을 이용한 발전시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 후처리수단(40)은 연료전지(10)의 수증기를 증기관(41)으로 보내면서 증기트랩(42)과 포집망(45)으로 포집하는 것을 특징으로 하는 수소 생성을 이용한 발전시스템.
KR1020190143286A 2019-11-11 2019-11-11 수소 생성을 이용한 발전시스템 KR102140111B1 (ko)

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