KR102337299B1 - 수중무기체계용 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 메탄올 수증기 개질 촉매가 담지된 튜브 및 상기 튜브를 둘러싸는 응축부를 포함하는 메탄올 수증기 개질 장치, 상기 메탄올 수증기 개질 장치의 상기 응축부로 과산화수소를 공급하는 과산화수소 공급부, 상기 메탄올 수증기 개질 장치의 상기 튜브로 메탄올을 공급하는 메탄올 공급부 및 상기 메탄올 수증기 개질 장치로부터 추출된 산소 및 상기 메탄올 수증기 개질 장치에 의해 개질된 개질가스를 정제한 수소를 공급받아 전기에너지를 생산하는 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템으로서, 본 발명에 의하면, 과산화수소에서 분해되는 수증기와 산소를 개질반응에 직접적으로 사용하지 않고, 과산화수소의 분해반응에서 생성되는 수증기를 응축시켜 메탄올 수증기 개질 반응에 분해열만 사용하며, 과산화수소에서 생성되는 산소는 연료전지를 위해 공급할 수 있도록 한다.

Description

수중무기체계용 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM COMPRISING METHANOL STEAM REFORMER FOR UNDERWATER WEAPON SYSTEM}
본 발명은 메탄올 수증기 개질 장치에 의해 생성되는 산소와 수소를 이용하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
잠수함 및 무인잠수정과 같이 수중에서 운용되는 무기체계의 경우, 외부 공기의 공급 없이 장시간 동안 수중에서 운용해야만 한다. 초기의 잠수함은 납축전지 등과 같은 2차전지의 전력에 의존하여 수중에서 운용하였지만, 현대에는 연료전지 등을 활용한 공기불요추진체계를 함 내에 탑재하여 장시간 전력을 공급받고 있다(원자력 잠수함은 제외). 특히 연료전지는 연료인 수소와 산화제인 산소가 필요하다.
따라서 잠항시간 증가를 위해서는 함 내에 반응물인 수소와 산소를 많이 탑재해야만 한다. 자동차용 연료전지 시스템의 경우에는 압축 수소 탱크를 사용하여 고순도 수소를 저장할 수 있지만, 잠수함이나 수중 무기체계에 압축수소탱크를 적용하기에는 기술적/환경적/운용적 한계가 있다. 그 이유는 아래와 같다.
- 함내에 적합한 700 bar 수준의 고압수소탱크를 개발하는 것이 어렵다.
- 고압수소탱크는 원형이기 때문에 공간 손실이 크다.
- 잠항시간이 증가할수록 고압수소탱크의 사이즈가 상대적으로 크게 비례하여 증가한다.
- 700 bar 탱크를 설치한다 하더라도 재충전하기 위해서 고압시설이 필요하다.
- 고압수소탱크는 고충격/고진동 환경에 부적합하다.
- 충격 등에 의해 고압수소탱크 폭발 시, 그 피해가 크다.
- 고압수소의 충전절차가 복잡하다.
따라서 수중무기체계에서는 다른 형태의 수소저장/공급 방식을 고려해야 한다.
또한, 지상에서 운용되는 연료전지의 경우에는 산화제로 공기를 사용할 수 있다. 하지만, 수중무기체계는 공기가 존재하지 않으므로, 산화제를 함 내에 별도로 탑재해야만 한다. 현재까지 가장 많이 사용되고 있는 산화제는 액체산소이다. 액체산소는 고압산소에 비해서 많은 양의 산소를 저장할 수 있는 장점이 있다.
하지만, 아래와 같은 단점이 있다.
- 잠항시간이 증가할수록 고압수소탱크의 사이즈가 상대적으로 크게 비례하여 증가한다.
- 액체산소탱크는 원형이기 때문에 공간 손실이 크다.
- 연료전지에서 산소를 사용하지 않을 경우, 액체산소탱크에서 보관 중인 액체산소가 자연 증발하여 탱크의 압력을 증가시킬 수 있다.
- 액체산소탱크의 충전절차가 복잡하다.
따라서 수중무기체계에서는 다른 형태의 산화제 저장/공급 방식을 고려해야 한다.
상기의 문제점들을 극복하기 위하여 크게 연료와 산화제로 구분하여 기술이 발전하고 있다. 연료의 경우, 순수 수소를 고압으로 저장하는 것 대신, 연료개질 장치를 이용하여 메탄올, 에탄올, 디젤, 가솔린 등과 같은 탄화수소계 연료로부터 수소를 추출하는 기술이 개발되고 있다. 액체형 탄화수소계 연료는 수소저장밀도가 높고, 고압탱크가 필요 없으며, 연료의 보관/취급이 용이하다. 따라서 액체형 탄화수소계 연료로부터 고순도 수소를 추출하는 기술을 적용할 경우, 장시간 잠항이 가능하게 된다.
산화제의 경우에는, 액체산소탱크 대신 과산화수소를 사용할 수 있다. 과산화수소는 촉매 반응을 통해 물과 산소로 분리될 수 있다.
H2O2 -> H2O + 1/2 O2 (발열반응)
과산화수소 역시 액체산소에 비하여 취급/보관이 용이하고 고압탱크가 불필요하며, 필요할 때마다 즉시 산소를 생산할 수 있다는 장점이 있다.
앞에서 언급하였듯이 수소를 효율적으로 생산하고, 연료전지에 수소를 공급하기 위하여 연료개질 기술이 개발되고 있다. 연료개질 기술은 촉매반응을 통해 탄화수소계 연료로부터 수소를 추출하는 기술이다. 연료개질의 종류에는 크게 3가지가 존재한다.
- 수증기 개질 : 탄화수소계 연료와 수증기만 사용하여 촉매반응을 일으킨다. 흡열반응이므로 외부에서 촉매로 열을 공급해 줘야 한다. 개질 가스 내에 수소 함유량이 높다.
- 부분산화 개질 ; 연료와 산소만 사용하여 촉매반응을 일으킨다. 발열반응이므로 촉매에서 발생하는 열을 외부로 빼주어야 한다. 개질 가스내에 수소 함유량이 낮다.
- 자열개질 : 연료, 산소, 수증기를 사용하여 촉매반응을 한다. 흡열반응과 발열반응을 조절하여 목표하는 온도에서 운전할 수 있다. 수소 함유량이 중간 정도이다.
한편, 연료전지 시스템에 산소 공급을 위해 과산화수소를 이용하는 종래기술이 있다.
즉, 디젤 개질용 촉매와 과산화수소 촉매를 분리하여 사용하는 종래기술로서, 과산화수소에서 생성된 수증기와 산소를 모두 디젤 개질 촉매를 위한 반응물로 사용하는 즉, 자열개질 방식의 종래기술이 존재한다.
그러나, 만약 해당 기술이 적용된 기술을 연료전지 시스템까지 확장하여 생각할 경우, 연료전지를 위한 추가 산소공급장치, 물탱크가 필요하며, 또한 수소함량도 낮을 수밖에 없어 잠수함 등 수중 무기체계에는 적합하지 못하다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
Byeongseob Park, Sejin Kwon, "Compact design of oxidative steam reforming of methanol assisted by blending hydrogen peroxide", International Journal of Hydrogen Energy, Volume 40, Issue 37, 5 October 2015, Pages 12697-12704 Gwangwoo Han, Kwangho Lee, Sanghyeon Ha, Joongmyeon Bae, "Development of a thermally self-sustaining kWe-class diesel reformer using hydrogen peroxide for hydrogen production in low-oxygen environments", Journal of Power Sources, Volume 326, 15 September 2016, Pages 341-348
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 과산화수소에서 분해되는 수증기와 산소를 개질반응에 직접적으로 사용하지 않고, 과산화수소의 분해반응에서 생성되는 수증기를 응축시켜 메탄올 수증기 개질 반응에 분해열만 사용하며, 과산화수소에서 생성되는 산소는 연료전지를 위해 공급할 수 있도록 하는 메탄올 수증기 개질 장치 및 그것을 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 관점에 의한 연료전지 시스템은, 메탄올 수증기 개질 촉매가 담지된 튜브 및 상기 튜브를 둘러싸는 응축부를 포함하는 메탄올 수증기 개질 장치, 상기 메탄올 수증기 개질 장치의 상기 응축부로 과산화수소를 공급하는 과산화수소 공급부, 상기 메탄올 수증기 개질 장치의 상기 튜브로 메탄올을 공급하는 메탄올 공급부 및 상기 메탄올 수증기 개질 장치로부터 추출된 산소 및 상기 메탄올 수증기 개질 장치에 의해 개질된 개질가스를 정제한 수소를 공급받아 전기에너지를 생산하는 연료전지를 포함한다.
그리고, 상기 과산화수소 공급부에 의해 공급되는 과산화수소는 제1 열교환기에 의해 승온된 후, 열분해 촉매(Pt catalyst)를 거쳐 수증기와 산소로 분해되어 상기 응축부로 공급되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 메탄올 수증기 개질 촉매는 Cu-Zn계 촉매인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 응축부에 공급된 수증기는 상기 메탄올 수증기 개질 촉매에 의한 흡열반응에 의해 물로 응축되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 응축부 내에 응축된 물은 물 공급라인을 통해 상기 튜브로 공급되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 물 공급라인에 구비되어 상기 튜브로 공급되는 물의 압력을 조절하는 컨트롤 밸브를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 응축부 상부에 존재하는 산소를 공급 받아 상기 연료 전지에 산소를 공급하는 산소탱크를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 메탄올 공급부에 의해 공급되는 메탄올은 제2 열교환기에 의해 승온된 후 상기 튜브로 공급되는 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 메탄올 수증기 개질 장치에 의해 개질된 상기 개질가스를 승온시키는 제3 열교환기 및 상기 제3 열교환기에 의해 승온된 상기 개질가스로부터 수소를 분리시키는 팔라듐 필터를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 팔라듐 필터를 통과하고 상기 제2 열교환기를 거친 수소를 공급 받아 상기 연료 전지에 수소를 공급하는 수소탱크를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 팔라듐 필터에 의해 걸러지지 않은 수소를 포함한 가스를 연소시키는 버너를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 버너에 의한 연소가스는 상기 제1 열교환기 또는 상기 제3 열교환기에 공급되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 과산화수소 공급부에 의해 공급되는 과산화수소는 70% 내지 80%로 희석된 것을 특징으로 한다.
또 다른 본 발명의 일 관점에 의한 연료전지 시스템은, 상기 메탄올 수증기 개질 장치에 의해 개질된 상기 개질가스는 상기 제2 열교환기에서 메탄올과 열교환하며, 상기 제2 열교환기에 의해 감온된 상기 개질가스를 응축시키는 응축기 및 상기 응축기를 통과한 개질가스로부터 수소를 분리시키는 PSA(pressure swing adsorption, 가압 교대 흡착기)를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 PSA를 통과한 수소를 공급 받아 상기 연료 전지에 수소를 공급하는 수소탱크를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 PSA에 의해 걸러지지 않은 수소를 포함한 가스를 연소시키는 버너를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 버너에 의한 연소가스는 상기 제1 열교환기에 공급되는 것을 특징으로 한다.
다음으로, 본 발명의 일 관점에 의한 메탄올 수증기 개질 장치는, 메탄올 수증기 개질 촉매가 담지되고, 상단부를 통해 유입되는 메탄올을 상기 메탄올 수증기 개질 촉매에 의해 개질하는 튜브 및 상기 튜브를 둘러싸며, 일 측부에 구비된 열분해 촉매(Pt catalyst)에 의해 과산화수소가 수증기와 산소로 분해되어 유입되는 응축부를 포함하고, 상기 응축부에 유입된 수증기는 상기 메탄올 수증기 개질 촉매에 의한 흡열반응에 의해 물로 응축되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 응축부 내에 응축된 물은 물 공급라인을 통해 상기 튜브의 상단부로 공급되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메탄올 수증기 개질 촉매는 Cu-Zn계 촉매인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 과산화수소의 반응열과 반응물을 분리하여 설계할 수가 있다. 이를 통해 과산화수소 반응열을 이용한 메탄올 개질기 온도 제어가 용이하다. 즉, 과산화수소에서 생성되는 물을 응축하여 포집하기 위한 응축기가 존재하고, 그 응축기 압력을 제어하면 응축된 물의 온도까지 제어할 수 있다. (포화수증기 압력을 제어하면 포화수증기 온도를 제어할 수 있는 것과 동일한 원리이다. 고압환경에서는 물의 끓는점 역시 상승하는 것과 동일한 원리이다.)
본 발명이 적용된 연료전지 시스템을 고려해 볼 때, 별도의 물탱크를 요하지 않는다. 기존의 메탄올 수증기 개질의 경우, 물탱크가 추가로 필요하였다. 하지만, 본 발명에서는 과산화수소에 의해 생성되는 물을 활용할 수 있으므로 물탱크가 필요 없게 된다.
또한, 연료전지 시스템 측면에서 연료전지 산화제를 공급하기 위한 산소공급시스템이 불필요하다. 즉, 종래 기술에서는 과산화수소에서 발생하는 산소를 개질에 사용하였지만, 본 발명에서는 과산화수소에서 발생하는 산소를 연료전지용 산소 공급에 사용하였다.
그리고, 개질가스의 수소 함유량이 높다. 종래 기술에서는 자열개질 방식을 사용하기 때문에 개질 가스 내에 수소 함유량이 낮다. 하지만, 본 발명에서는 수증기 개질 방식을 사용하기 때문에 개질 가스 내에 수소함유량이 높다(약 70% 수준).
아울러, 개질가스 내의 수소 함유량이 높기 때문에 수소정제가 용이하다. 수소 함유량이 낮으면 PSA(pressure swing adsorption) 및 Pd filter 등의 기술을 활용하여 고순도 수소를 만드는 것이 어렵다. 하지만, 본 특허에서는 수증기 개질 방식을 이용하므로 수소 함유량이 높아 수소 정제가 쉽다.
또한, 촉매의 성능 및 내구성이 우수하다. 개질촉매와 분해촉매를 구분하여 사용하므로 각 목적에 맞는 촉매를 개발/적용할 수 있고, 이를 통해 성능과 내구성도 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 연료전지 시스템을 도시한 것이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 시스템을 도시한 것이다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 메탄올 수증기 개질 장치 및 그것을 포함하는 연료전지 시스템을 설명하기로 한다.
본 발명은 과산화수소에서 분해되는 수증기와 산소를 개질반응에 직접적으로 사용하지 않으며, 과산화수소의 분해반응에서 생성되는 수증기를 응축시켜 메탄올 수증기 개질 반응에 분해열만 사용하고, 과산화수소에서 생성되는 산소는 연료전지를 위하여 공급하는 연료전지 시스템이다.
종래에 과산화수소는 촉매반응을 통해 분해되고, 분해열은 생성물인 수증기와 산소를 고온으로 상승시키는, 즉, 분해열은 고온의 수증기와 산소를 통해 직접적으로 개질기 촉매로 전달되어 사용하였는데 반해, 본 발명에서는 과산화수소는 촉매반응을 통해 분해되고, 분해열은 생성물인 수증기와 산소를 고온으로 상승시키며, 수증기와 산소는 직접적으로 개질기로 촉매로 공급되지 않고 응축기로 들어가고, 응축기에서 모여진 고온의 수증기를 통해 간접적으로 개질기의 촉매에 열을 전달하는 시스템이다.
그리고, 과산화수소 분해 후의 산소는 종래에는 개질기용 촉매에 들어가서 개질 반응에 사용되었으나, 본 발명에서는 개질기용 촉매로 들어가는 것이 아니라 연료전지용 산화제로서 사용된다.
또한, 과산화수소 분해 후 수증기는 종래에는 고온의 수증기가 개질기용 촉매에 들어가서 개질 반응에 사용되었으나, 본 발명에서는 응축기에서 액적상태로 존재하는 물은 고압상태로 저장되어 있고, 이 물은 저압 환경에 존재하는 개질기용 촉매에 공급하기 위하여 저압 환경으로 공급된다. 이 과정에서 액적 상태의 물이 분무/기화가 됨. 기화된 물이 개질 반응에 사용된다.
나아가, 종래의 메탄올 개질기는 자열개질(ATR, autothermal reforming) 방식인데 반해, 본 발명의 메탄올 개질기는 수증기 개질(Steam Reforming) 방식을 취한다.
보다 구체적으로 도 1을 참조하면, 연료전지(20)는 산소탱크(140)로부터 산소를 공급받고, 수소탱크(160)로부터 수소를 공급받아 전기에너지를 생산한다.
메탄올 수증기 개질 장치(130)가 구비되며, 과산화수소 공급부(110)로부터 과산화수소를 공급받는다. 펌프에 의해 과산화수소 공급부(110)에 저장된 과산화수소가 메탄올 수증기 개질 장치(130)로 공급되고, 과산화수소는 제1 열교환기(111)에 의해 승온되어 공급되게 된다.
메탄올 공급부(120)에 저장된 메탄올은 펌프에 의해 메탄올 공급라인(122)을 통해 메탄올 수증기 개질 장치(130)에 공급된다.
메탄올은 제2 열교환기(121)에 의해 승온되어 공급된다.
메탄올 수증기 개질 장치(130)는 튜브(131) 및 튜브(131)를 둘러싸는 형태로 구성되는 응축부(132, shell side)을 포함하는 쉘 앤 튜브 형(shell and tube)으로 구성되며, 응축부(132)가 튜브(131)를 둘러싸는 형태로 형성된다.
과산화수소는 열분해 촉매(Pt catalyst)를 거쳐 수증기와 산소로 분해되고, 분해된 수증기와 산소는 메탄올 수증기 개질 장치(130)의 일부 영역인 shell side의 응축부(132)로 공급된다.
튜브(131)에는 메탄올 수증기 개질 촉매가 담지되어 있다. 촉매로는 Cu/Zn이 사용될 수 있으며, Cu/Zn의 메탄올 개질 촉매 반응은 흡열반응이고, 메탄올이 튜브(131) 상단을 통해 유입된다.
응축부(132)의 수증기와 산소는 메탄올 수증기 개질 장치(130)의 흡열반응 및 외부 방열에 의해서 수증기가 물로 응축된다. 즉, 응축부(132)에서는 물과 산소로 분리가 되고, 이때 응축부(132)의 압력은 개질 목표 온도에 맞도록 제어할 수 있다. 예를 들어 개질 목표 온도가 250도일 경우, 250도의 포화수증기 압력인 약 39bar가 되도록 쉘 압력을 제어 밸브로 제어한다. 이때 쉘사이드(응축부)에 저장된 물의 온도는 약 250도가 되며 개질반응에 필요한 열을 공급할 수 있다.
메탄올 개질 반응은 쉘 사이드(응축부, 132) 압력보다 낮은 압력에서 운전한다. 예를 들어 메탄올 개질 반응은 10bar에서 운전할 수 있다.
한편, 메탄올 개질에 필요한 물은 응축부(132)의 하부로부터 메탄올 공급라인(122)으로 연결된 물 공급라인을 통해서 튜브(131) 상단으로 공급된다.
이때 튜브(131) 상단으로 공급되는 물은 컨트롤 밸브(133)에 의해서 응축수 압력이 조절되어 공급됨으로써 포화수증기압을 제어한다.
응축된 물은 압력차에 의해서 곧바로 분무/기화된 후 개질기에 공급될 수 있다.
응축부(132)인 쉘 사이드의 상부에는 기체 상태인 산소가 존재한다. 이 산소는 산소 공급라인을 통해 산소탱크(140)로 공급되고, 산소탱크(140)에 저장되는 산소는 제1 레귤레이터(141)에 의해 압력 조절되어 연료 전지(20)로 공급된다.
산소탱크(140)는 압력 변동을 완화시켜주는 expansion tank 역할을 수행할 뿐만 아니라 추가적으로 물을 응축시켜주는 역할도 수행한다. 산소 탱크의 압력은 항시 모니터링한다.
메탄올 수증기 개질 장치(130)에 의한 개질반응 후에는 수소가 다량 함유된 개질가스가 생성된다. 개질가스 내에는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 수증기가 존재한다. 개질가스는 튜브(131) 하단으로부터 제3 열교환기(151)를 거쳐 개질가스로부터 수소를 분리하기 위하여 Pd filter(팔라듐 필터, 152)로 유입된다.
팔라듐 필터(152)는 수소만 걸러서 통과시키고, 통과된 수소는 제2 열교환기(121)를 거쳐 수소탱크(160)에 보관된다. 수소탱크(160)에 저장되는 수소는 제2 레귤레이터(161)에 의해 압력 조절되어 연료 전지(20)로 공급된다.
팔라듐 필터(152)를 통해 걸러지지 않은 수소 및 기타 가스는 버너(153)를 통해 연소하며, 연소열은 제3 열교환기(151)를 통해 개질가스를 350도까지 상승시키는데 활용된다. 왜냐하면 팔라듐 필터(152)의 작동온도 350도 이상이기 때문이다. 또한 연소가스는 제3 열교환기(151)를 거쳐 제1 열교환기(111)에 공급됨으로써 과산화수소의 온도를 상승시키는데 사용될 수 있다.
산소탱크(140)와 수소탱크(160)의 압력은 크게 2가지 방법으로 제어할 수 있다. 첫 번째는 메탄올 및 과산화수소의 공급량을 조절하는 것이고, 두 번째는 연료전지(20)의 전류를 상승 또는 하강시켜 수소 및 산소 소비량을 제어하는 것이다.
본 특허의 또 하나의 핵심은 메탄올과 과산화수소의 공급 비율을 일정하게 유지하는 것이다. 이때 과산화수소의 희석율이 중요하다. 일반적으로 고순도 과산화수소는 위험하므로 사용하지 않는다. 즉, 과산화수소는 필요에 따라 희석하여 사용하는 것이 일반적이다. 본 특허에서는 과산화수소의 희석율을 메탄올 수증기 개질에 필요한 수증기량 및 연료전지에 필요한 산소량을 바탕으로 결정하는 것이다. 즉, 일반적으로 메탄올 수증기 개질기는 메탄올 1몰 대비 물 1.2~1.5몰이 필요하고, 연료전지는 메탄올 개질 및 정제로 생성되는 수소량의 1/2만큼 산소가 필요하다. 따라서 분해 후 생성되는 물이 메탄올 1몰 대비 1.2~1.5몰이 되고, 분해 후 생성되는 산소가 연료전지에 충분히 공급할 수 있도록 과산화수소를 희석하여 사용한다. 본 특허에서는 과산화수소의 농도가 70% 내지 80% 수준, 예를 들어 78% 수준이 연료 시스템에 바람직하다.
본 발명은 이와 같이 과산화수소의 분해반응에서 생성되는 수증기를 응축시켜 메탄올 수증기 개질 반응에 분해열만 사용하며, 과산화수소 분해반응으로 생성되는 물을 전량 메탄올 수증기 개질 반응에 사용하게 되므로, 별도의 물탱크가 필요 없는 메탄올 수증기 개질 장치의 설계가 가능하다.
또한 메탄올 수증기 개질에 필요한 물의 양을 정확히 공급하기 위해서는 개질기의 쉘사이드(응축기)의 수위를 정확히 유지하는 제어가 필요하다. 즉, 개질기 쉘사이드의 수위를 일정하게 유지하게 되면 과산화수소 분해에 의해 생성되는 물을 전부 메탄올 개질 반응에 사용하는 것과 동일하게 된다.
다음으로, 도 2를 참조하여 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 연료전지 시스템을 설명하기로 하며, 도 1의 실시예와 동일한 구성 및 작용에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.
도 2의 실시예에 의한 연료전지 시스템은 도 1에서 팔라듐 필터 대신 PSA(pressure swing adsorption, 가압 교대 흡착기, 253)가 적용되어 수소를 정제한다.
메탄올 개질 장치(130)에 의한 개질반응 후의 개질가스는 제3 열교환기(251)를 거쳐 응축기(252)를 통해 PSA(253)에 유입된다.
PSA(253)의 작동온도는 60도 부근이기 때문에 개질가스를 60도까지 하강시켜야 하므로, 이를 위하여 개질가스는 메탄올 공급부(120)와 연결된 제2 열교환기(251)에서 메탄올과 열교환을 하고, 응축기(252)를 통해 물을 응축시켜 제거한다.
이를 위해 메탄올은 제2 열교환기(251)를 거쳐 튜브(131)로 공급된다.
그리고, 60도 부근으로 하강된 개질가스는 PSA(253)를 통해 고순도 수소를 생성하여 수소탱크(140)에 저장되며, PSA(253)에서 변환되지 못한 개질가스는 버너(254)를 통해 연소한다. 연소가스는 제1 열교환기(111)에 공급됨으로써 과산화수소의 온도를 상승시키는데 사용된다.
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
110 : 과산화수소 공급부 111 : 제1 열교환기
120 : 메탄올 공급부
121 : 제2 열교환기 122 : 메탄올 공급라인
130 : 메탄올 수증기 개질 장치
131 : 튜브 132 : 응축부 133 : 컨트롤 밸브
140 : 산소탱크 141 : 제1 레귤레이터
151, 251 : 제3 열교환기
152 : 팔라듐 필터 153, 254 : 버너
160 : 수소탱크 161 : 제2 레귤레이터
252 : 응축기
253 : PSA

Claims (20)

  1. 메탄올 수증기 개질 촉매가 담지된 튜브 및 상기 튜브를 둘러싸는 응축부를 포함하는 메탄올 수증기 개질 장치;
    상기 메탄올 수증기 개질 장치의 상기 응축부로 과산화수소를 공급하는 과산화수소 공급부;
    상기 메탄올 수증기 개질 장치의 상기 튜브로 메탄올을 공급하는 메탄올 공급부; 및
    상기 메탄올 수증기 개질 장치로부터 추출된 산소 및 상기 메탄올 수증기 개질 장치에 의해 개질된 개질가스를 정제한 수소를 공급받아 전기에너지를 생산하는 연료전지를 포함하고,
    상기 응축부 내에 응축된 물은 물 공급라인을 통해 상기 튜브로 공급되며, 상기 튜브로 공급되는 물의 압력을 조절하는 컨트롤 밸브를 더 포함하며,
    상기 과산화수소 공급부에 의해 공급되는 상기 과산화수소의 농도는 70% 내지 80%인 것을 특징으로 하는,
    수중무기체계용 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 과산화수소 공급부에 의해 공급되는 과산화수소는 제1 열교환기에 의해 승온된 후, 열분해 촉매(Pt catalyst)를 거쳐 수증기와 산소로 분해되어 상기 응축부로 공급되는 것을 특징으로 하는,
    수중무기체계용 연료전지 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 메탄올 수증기 개질 촉매는 Cu-Zn계 촉매인 것을 특징으로 하는,
    수중무기체계용 연료전지 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 응축부에 공급된 수증기는 상기 메탄올 수증기 개질 촉매에 의한 흡열반응에 의해 물로 응축되는 것을 특징으로 하는,
    수중무기체계용 연료전지 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 응축부 상부에 존재하는 산소를 공급 받아 상기 연료 전지에 공급하는 산소탱크를 더 포함하는,
    수중무기체계용 연료전지 시스템.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 메탄올 공급부에 의해 공급되는 메탄올은 제2 열교환기에 의해 승온된 후 상기 튜브로 공급되는 것을 특징으로 하는,
    수중무기체계용 연료전지 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 메탄올 수증기 개질 장치에 의해 개질된 상기 개질가스를 승온시키는 제3 열교환기; 및
    상기 제3 열교환기에 의해 승온된 상기 개질가스로부터 수소를 분리시키는 팔라듐 필터를 더 포함하는,
    수중무기체계용 연료전지 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 팔라듐 필터를 통과하고 상기 제2 열교환기를 거친 수소를 공급 받아 상기 연료 전지에 수소를 공급하는 수소탱크를 더 포함하는,
    수중무기체계용 연료전지 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 팔라듐 필터에 의해 걸러지지 않은 수소를 포함한 가스를 연소시키는 버너를 더 포함하는,
    수중무기체계용 연료전지 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 버너에 의한 연소가스는 상기 제1 열교환기 또는 상기 제3 열교환기에 공급되는 것을 특징으로 하는,
    수중무기체계용 연료전지 시스템.
  13. 청구항 4에 있어서,
    상기 과산화수소 공급부에 의해 공급되는 과산화수소는 70% 내지 80%로 희석된 것을 특징으로 하는,
    수중무기체계용 연료전지 시스템.
  14. 청구항 8에 있어서,
    상기 메탄올 수증기 개질 장치에 의해 개질된 상기 개질가스는 상기 제2 열교환기에서 메탄올과 열교환하며,
    상기 제2 열교환기에 의해 감온된 상기 개질가스를 응축시키는 응축기; 및
    상기 응축기를 통과한 개질가스로부터 수소를 분리시키는 PSA(pressure swing adsorption, 가압 교대 흡착기)를 더 포함하는,
    수중무기체계용 연료전지 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 PSA를 통과한 수소를 공급 받아 상기 연료 전지에 수소를 공급하는 수소탱크를 더 포함하는,
    수중무기체계용 연료전지 시스템.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 PSA에 의해 걸러지지 않은 수소를 포함한 가스를 연소시키는 버너를 더 포함하는,
    수중무기체계용 연료전지 시스템.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 버너에 의한 연소가스는 상기 제1 열교환기에 공급되는 것을 특징으로 하는,
    수중무기체계용 연료전지 시스템.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007501178A (ja) * 2003-07-23 2007-01-25 ハイラディックス，インク． 水素発生装置操作方法
KR100844409B1 (ko) * 2007-04-18 2008-07-08 한국과학기술원 연료개질 시스템 및 그 제조방법과 연료전지 시스템
KR101811294B1 (ko) * 2017-01-31 2017-12-26 국방과학연구소 잠수함용 메탄올 연료프로세서

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007501178A (ja) * 2003-07-23 2007-01-25 ハイラディックス，インク． 水素発生装置操作方法
KR100844409B1 (ko) * 2007-04-18 2008-07-08 한국과학기술원 연료개질 시스템 및 그 제조방법과 연료전지 시스템
KR101811294B1 (ko) * 2017-01-31 2017-12-26 국방과학연구소 잠수함용 메탄올 연료프로세서

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Byeongseob Park, Sejin Kwon, "Compact design of oxidative steam reforming of methanol assisted by blending hydrogen peroxide", International Journal of Hydrogen Energy, Volume 40, Issue 37, 5 October 2015, Pages 12697-12704
Gwangwoo Han, Kwangho Lee, Sanghyeon Ha, Joongmyeon Bae, "Development of a thermally self-sustaining kWe-class diesel reformer using hydrogen peroxide for hydrogen production in low-oxygen environments", Journal of Power Sources, Volume 326, 15 September 2016, Pages 341-348

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