KR102480678B1 - 수중 운동체의 연료공급시스템 및 연료공급방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지를 사용한 수중 운동체의 연료공급시스템 및 상기 수중 운동체에 연료를 공급하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 수중 운동체의 연료공급시스템은 연료 공급부로부터 탄화수소 및 알코올 연료와 증류수를 공급받아서 수소를 발생시키며 상기 발생된 수소를 연료전지에 공급하는 개질기, 상기 개질기에서 발생된 수소를 정제하여 수소의 순도를 증가시키는 수소 정제부 및 상기 수소 정제부에서 분리된 개질 가스를 수용하고 상기 개질 가스를 연료로 사용하여 연소 반응이 발생되는 연소기를 포함하고, 상기 연소 반응시 발생되는 연소열이 상기 개질기로 공급되는 연료를 가열하는 데에 사용되도록 열에너지의 이동 경로가 제어된다.

Description

수중 운동체의 연료공급시스템 및 연료공급방법{FUEL OIL SUPPLY SYSTEM OF UNDERWATER MOVING BODY AND FUEL OIL SUPPLY METHOD OF THE SAME}
본 발명은 동력원으로써 연료전지를 사용한 수중 운동체의 연료공급시스템 및 상기 수중 운동체에 연료를 공급하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 연소기에서 연소 반응이 발생됨으로써 생성되는 열을 개질기로 공급함에 따라 효율적인 시스템 운용이 가능한 수중 운동체의 연료공급시스템 및 연료공급방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서, 환경 조화성이 우수하고 높은 발전효율이 기대되는 에너지 공급 장치이다. 최근, 잠수함에서는 이러한 연료전지가 동력 제공원으로 많이 사용되고 있다(특허문헌 1 참조).
즉, 상기 연료전지는 연료의 산화와 환원 반응에 의해 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지를 변환시키는 장치로서, 수소와 같은 기체 반응물질을 외부에서 연속적으로 공급하여 전기의 생성을 도모하고, 반응 후 생성되는 물은 연속적으로 외부로 배출시킬 수 있다. 이와 같이, 연료전지는 고효율의 무공해 발전장치라 할 수 있다.
이러한 연료전지를 사용하는 잠수함과 같은 수중운동체의 경우, 개질기(Reformer)를 이용하여 수소를 생산하는 방식이 알려져 있다. 상기 개질기를 통과한 물질은 수소 정제부를 통과하면서 정제된 수소와 개질 가스로 분리된다. 이와 같이 개질 과정과 수소정제 처리 과정을 거친 정제된 수소가 연료전지에 공급된다. 일반적으로 연료 개질 및 수소정제 처리 과정을 포함하여 연료개질 프로세서라고 일컫는다.
위의 과정은 흡열반응이므로 일정한 양의 열에너지 공급이 필요하다. 종래에는 연소기의 연소가스를 개질 반응기에 직접 전달하였다. 그러나, 수소의 연소열은 고온이기 때문에 장치에 직접 열을 전달하는 경우 재료의 열화가 발생하는 문제점이 있었다. 또한, 정제된 수소의 순도가 높지 않을 경우, 즉 수소에 불순물이 포함된 경우, 이러한 불순물이 연료전지에 공급되면 상기 연료전지의 내구성이 저하되고 운전 성능이 크게 낮아지는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허공보 제2016-0047936호.
본 발명의 목적은 연소기에서 연소 반응이 발생됨으로써 생성되는 열을 개질기로 이동시킴으로써 상기 개질기에 직접 열을 전달하지 않고도 개질 반응이 발생하기에 충분한 열에너지 확보가 가능한 수중 운동체의 연료공급시스템 및 연료공급방법을 제공하는 것이다.
위와 같은 종래 기술의 과제와 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 수중 운동체의 연료공급시스템은 연료 공급부로부터 탄화수소 및 알코올 연료와 증류수를 공급받아서 수소를 발생시키며 상기 발생된 수소를 연료전지에 공급하는 개질기, 상기 개질기에서 발생된 수소를 정제하여 수소의 순도를 증가시키는 수소 정제부 및 상기 수소 정제부에서 분리된 개질 가스를 수용하고 상기 개질 가스를 연료로 사용하여 연소 반응이 발생되는 연소기를 포함하고, 상기 연소 반응시 발생되는 연소열이 상기 개질기로 공급되는 연료를 가열하는 데에 사용되도록 열에너지의 이동 경로가 제어된다.
또한, 상기 수소 정제부로부터 분리된 정제된 수소는 메인 배관을 따라 상기 연료 전지로 이동되고, 상기 수소 정제부로부터 분리된 개질 가스는 분지 배관을 따라 상기 연소기로 이동된다.
또한, 전기 에너지를 발생시키기 위해 상기 수소 정제부로부터 정제된 수소에 산소를 제공하는 산소 공급부를 더 포함하고, 상기 산소 공급부로부터 배출되는 산소의 양은 상기 산소 공급부와 상기 연소기를 연결하는 산소공급배관에 설치된 산소공급밸브에 의해 조절된다.
또한, 상기 연료 공급부와 상기 연소기는 연료의 양을 조절하기 위한 연료공급밸브가 설치되는 연료공급배관에 의해 서로 연결되고, 상기 제어부는 상기 산소공급밸브와 상기 연료공급밸브의 개도량을 조절함으로써 상기 연소기 후단의 온도를 제어한다.
또한, 상기 연소기의 후단에는 상기 연소기의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서가 설치된다.
또한, 상기 수소 정제부와 상기 연료 전지는 메인 배관에 의해 서로 연결되고, 상기 메인 배관에는 연료의 이동 통로로써 세 개의 통로가 형성된 삼 방향 밸브가 설치된다.
또한, 상기 삼 방향 밸브는 한 개의 유입구와 두 개의 배출구로 이루어지고, 상기 수소 정제부로부터 분리되는 정제된 수소는 상기 수소 정제부와 상기 유입구를 연결하는 유입 배관을 따라 상기 삼 방향 밸브로 이동되고, 상기 수소 정제부로부터 분리되는 개질 가스는 상기 분지 배관을 따라 상기 연소기로 이동된다.
또한, 상기 유입 배관을 따라 상기 삼 방향 밸브로 이동된 정제된 수소는 불순물 포함 여부에 따라 배출구가 달라지도록 이동 방향이 결정된다.
또한, 상기 삼 방향 밸브로 이동된 정제된 수소에 불순물이 포함된 경우 상기 불순물 포함 정제된 수소는 바이패스 배관을 통해 상기 연소기로 이동되고,
상기 삼 방향 밸브로 이동된 정제된 수소에 불순물이 미포함된 경우 상기 불순물 미포함 정제된 수소는 배출 배관을 통해 상기 연료전지로 이동된다.
본 발명의 다른 측면에 따른 수중 운동체의 연료공급방법은, 개질기를 통해 개질된 물질이 수소 정제부로 이동되는 단계, 상기 수소 정제부에서 정제된 수소와 개질 가스를 분리하는 단계, 상기 수소 정제부에서 분리된 개질 가스를 수용하는 연소기에서 상기 개질 가스를 연료로 사용하여 연소 반응이 발생되는 단계 및 상기 연소 반응시 발생되는 연소열이 상기 개질기로 공급되는 연료를 가열하는 데에 사용되도록 열에너지가 이동되는 단계를 포함한다.
또한, 상기 수소 정제부에서 정제된 수소는 연료 전지 방향으로 이동됨으로써 산소 공급부에서 생성된 산소와 반응하여 에너지를 발생시키고, 상기 수소 정제부로부터 분리되는 개질 가스는 상기 연소기로 이동하여 상기 연소기의 연료로 사용된다.
또한, 상기 수소 정제부에서 정제된 수소에 불순물 포함 여부에 따라 상기 수소 정제부 후단에 설치되는 삼 방향 밸브의 개방 방향이 달라진다.
또한, 상기 수소 정제부에서 정제된 수소에 불순물이 포함된 경우 상기 수소는 상기 연소기로 이동되고, 상기 수소 정제부에서 정제된 수소에 불순물이 미포함된 경우 상기 수소는 상기 연료전지로 이동된다.
제안되는 본 발명에 따르면, 연소기에서 연소 반응이 발생됨으로써 생성되는 열을 개질기로 이동시킴으로써 상기 개질기에 직접 열을 전달하지 않고도 충분한 열에너지 확보가 가능한 장점이 있다.
이에 따라, 상기 개질기에 직접 열을 전달하지 않아도 되므로, 수중 운동체 연료공급시스템의 지속적인 운전 시 재료의 열화가 발생하는 문제를 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 수소 정제부를 통과한 정제된 수소 중 불순물이 포함된 수소를 추가로 걸러내어 연소기로 이동시킬 수 있으므로 효율적으로 시스템을 운용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중 운동체 연료공급시스템의 전체적인 구성을 보여주는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중 운동체 연료공급시스템의 전체적인 동작 흐름을 보여주는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수중 운동체 연료공급시스템의 전체적인 구성을 보여주는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수중 운동체 연료공급시스템의 전체적인 동작 흐름을 보여주는 순서도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중 운동체 연료공급시스템의 전체적인 구성을 보여주는 구성도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중 운동체의 연료공급시스템(100)은 메탄올과 증류수와 같은 연료를 제공하는 연료 공급부(10), 상기 연료 공급부(10)로부터 공급된 메탄올과 증류수를 개질하여 수소를 발생시키는 개질기(20) 및 상기 개질기(20)에서 발생된 수소를 정제하여 수소의 순도를 증가시키는 수소 정제부(30)를 포함한다.
상기 개질기(20)는 수중운동체 내에서 화석연료, 예를 들면 탄화수소 또는 알코올 연료로서 메탄, 메탄올, 에탄올, 가솔린 등과 같은 연료를 공급받아서 수소, 이산화탄소, 일산화탄소, 수증기 등으로 개질시키는 장치이다. 위와 같은 개질된 가스 물질들은 상기 수소 정제부(30)로 이동되고, 상기 수소 정제부(30)에서 순도가 높은 수소를 분리하는 작업이 이루어진다. 구체적으로, 상기 수소 정제부(30)에서 정제된 순도가 높은 수소는 메인 배관(32)을 따라 이동하여 냉각기(40)로 유입된다. 그리고, 상기 수소 정제부(30)에서 분리된 개질 가스는 분지 배관(31)을 따라 이동하여 연소기(70)로 유입된다. 여기서 상기 개질 가스는 순도가 높은 수소 이외의 물질인 불순물이 포함된 수소, 이산화탄소, 일산화탄소, 수증기 등을 일컫는다. 즉, 상기 수소 정제부(30)로 이동된 물질은 그 종류에 따라 두 개의 배관으로 분리되어 이동하게 된다.
상기 냉각기(40)로 이동된 순도가 높은 수소는 산소 공급부(60)에서 공급된 산소와 접촉하여 화학 반응이 발생하게 된다. 상기 산소 공급부(60)는 산소공급배관(61)을 통해 상기 냉각기(40)의 일측에 연결되는 구성이다. 즉, 상기 산소 공급부(60)에서 발생된 산소는 상기 산소공급배관(61)을 따라 이동하여 상기 냉각기(40)로 유입된다. 이때, 상기 산소공급배관(61)에는 산소의 양을 제어할 수 있는 산소공급밸브(62)가 설치된다. 즉, 상기 산소공급밸브(62)의 개방 정도에 따라 상기 냉각기(40)로 유입되는 산소의 양이 결정될 수 있다.
상기 산소 공급부(60)에서 공급된 산소는 상기 수소 정제부(30)를 거친 순도가 높은 수소를 냉각하기 위한 수단으로 사용된다. 구체적으로, 상기 수소 정제부(30)를 통과한 순도가 높은 수소는 온도가 약 250~300도 사이의 고온이다. 이러한 순도가 높은 수소가 최종적으로 연료전지(50)에 공급되기 위해서는 냉각이 필요하다. 따라서, 상기 수소 정제부(30)와 상기 연료전지(50) 사이에 상기 냉각기(40)가 설치되는 것이고, 상기 냉각기(40)에는 상기 산소 공급부(60)로부터 공급되는 저온의 산소가 제공되는 것이다. 즉, 상기 냉각기(40)에서 정제된 고온의 수소가 저온의 산소와 열교환이 이루어짐으로써 열교환이 완료된 정제된 수소가 상기 연료전지(50)로 공급될 수 있다.
그리고, 상기 산소 공급부(60)의 다른 일측은 상기 연료전지(50)와 공급 배관(66)을 통해 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 산소 공급부(60)로부터 공급된 산소는 상기 연료전지(50)로 이동하여 상기 냉각기(40)를 거친 정제된 수소와 만나 에너지를 생성할 수 있게 된다.
이와 같이 상기 수소 정제부(30)에서 분리된 순도 높은 수소는 수중 운동체의 연료로 사용되는 한편, 상기 수소 정제부(30)에서 분리된 개질 가스는 상기 연소기(70)로 이동하여 연소기의 연료로 공급된다. 즉, 상기 연소기(70)는 상기 개질 가스를 연료로 사용하여 연소 반응이 발생되는 장치이다.
그리고, 상기 연소기(70)의 일측에는 상기 냉각기(40)에서 예열된 산소가 이동하기 위한 경로인 산소이동배관(41)이 연결되어 있다. 즉, 상기 냉각기(40)에서 열교환이 이루어진 산소가스가 상기 산소이동배관(41)을 따라 이동하여 상기 연소기(70)로 공급될 수 있다. 이에 따라, 상기 연소기(70)에서의 연소 반응이 발생될 수 있다.
위와 같은 상기 연소기(70)의 연소 반응은 흡열 반응이므로 이에 대한 결과물로 연소열이 발생하게 된다. 이때, 상기 연소 반응시 발생되는 연소열은 상기 개질기(20)로 이동하게 된다. 이러한 연소열의 이동은 제어부(90)의 제어 신호에 의해 결정될 수 있다. 이에 따라, 연소기(70)에서 발생되는 연소열은 열 전달 매개체를 통해 연료를 가열하는 데에 사용될 뿐만 아니라, 상기 개질기(20)의 반응에 필요한 에너지로도 사용될 수 있다.
상기 연소기(70)의 후단에는 연소열을 냉각시키기 위한 추가 냉각기(80)가 설치된다. 그리고, 상기 연소기(70)의 후단과 상기 추가 냉각기(80)의 후단 각각에는 각 장치의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(71, 81)가 설치된다. 상기 온도 센서(71, 81)에서 측정된 온도 수치는 상기 제어부(90)로 전달되고, 상기 제어부(90)는 측정된 온도 수치에 기초하여 과부하 여부를 판단할 수 있다.
또한, 상기 연료 공급부(10)와 상기 연소기(70)는 별도의 연료공급배관(11)에 의해 서로 연결되어 있다. 즉, 연소기(70)의 연료 부족시 상기 연료 공급부(10)로부터 연료를 직접 전달받을 수 있도록 상기 연료공급배관(11)이 추가로 설치된다. 그리고, 상기 연료공급배관(11)에는 연료의 이동량을 제어할 수 있는 연료공급밸브(12)가 설치된다.
만약, 상기 연소기(70)의 후단 온도가 높을 경우, 상기 제어부(90)는 상기 연료공급밸브(12)와 상기 산소공급밸브(62)의 개도량을 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 연소기(70)의 후단에 설치된 상기 온도 센서(71)에서 측정된 온도 수치가 일정값 이상일 경우, 상기 제어부(90)는 상기 연소기(70)로 공급되는 연료의 양과 산소의 양을 줄이도록 상기 연료공급밸브(12)와 상기 산소공급밸브(62)의 개도량을 조절함으로써 전체적인 반응 총량을 감소시킬 수 있다.
위에서 설명한 실시 예에 따른 수중 운동체의 연료공급방법이 도 2에 도시되어 있다. 도면을 참조하여 설명하면, 먼저 개질기(20)에는 연료 공급부(10)로부터 생성된 메탄올과 증류수가 공급된다(S10). 그 다음, 상기 개질기(20)에서의 개질 반응에 의해 개질된 물질이 수소 정제부(30)로 이동하게 된다(S20). 상기 개질된 물질은 수소, 이산화탄소, 일산화탄소, 수증기 등으로 구성된다.
상기 수소 정제부(30)는 개질된 물질을 순도가 높은 수소와 그 외의 개질 가스로 분리한다. 이때, 상기 순도가 높은 수소는 메인 배관(32)을 따라 냉각기(40)로 이동된다(S31). 그리고, 상기 냉각기(40)의 다른 일측에는 저온의 산소를 공급하기 위한 산소 공급부(60)가 연결되어 있다. 상기 산소 공급부(60)에서 공급된 산소는 상기 수소 정제부(30)를 거친 순도가 높은 수소를 냉각하기 위한 수단으로 사용된다. 즉, 상기 냉각기(40)에서 정제된 고온의 수소가 저온의 산소와 열교환이 이루어짐으로써 열교환이 완료된 정제된 수소가 상기 연료전지(50)로 공급될 수 있다.
그리고, 상기 산소 공급부(60)의 다른 일측은 상기 연료전지(50)와 공급 배관(66)을 통해 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 산소 공급부(60)로부터 공급된 산소는 상기 연료전지(50)로 이동하여 상기 냉각기(40)를 거친 정제된 수소와 만나게 된다(S32). 이러한 과정에 따라, 상기 연료전지(50)에서 에너지를 생성할 수 있게 되는 것이다(S33).
한편, 상기 수소 정제부(30)에서 분리된 개질 가스는 상기 분지 배관(31)을 따라 이동하여 상기 연소기(70)로 유입된다(S41). 즉, 상기 개질 가스는 상기 연소기(70)의 연료로 사용된다. 이에 따라, 연소기(70)에서는 연소 반응이 발생하여 온도가 높아지게 된다.
이러한 작업 진행 과정에 걸쳐서, 상기 제어부(90)는 온도 센서(71)를 통해 상기 연소기(70) 후단의 온도가 기 설정된 온도를 초과하는지 여부를 판단한다(S42). 만약, 연소기(70) 후단의 온도가 기 설정된 온도를 초과하는 경우, 상기 제어부(90)는 연료공급밸브(12)와 산소공급밸브(62)의 개도량을 조절하여 전체 연소량을 감소시킨다(S43). 다만, 연소기(70) 후단의 온도가 기 설정된 온도를 초과하지 않는 경우, 상기 S43 단계는 생략될 수 있다.
그 다음, 상기 연소기(70)에서의 연소 반응에 의해 발생되는 열은 상기 개질기(20)로 이동하게 된다(S44). 이에 따라, 상기 개질기(20)에 직접 열을 전달하지 않고도 충분한 열에너지 확보가 가능한 장점이 있다. 이하에서는, 상기 수중 운동체 연료공급시스템의 다른 예에 대하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수중 운동체 연료공급시스템의 전체적인 구성을 보여주는 구성도이다.
도 3에 도시된 실시 예는 이전 실시 예와 비교하여 볼 때, 전체 구성은 유사하고 일부 구성에서만 차이가 있으므로, 이하에서는 양 실시 예 사이에 차이가 있는 부분을 중점적으로 설명하기로 한다.
이전 실시 예와 마찬가지로, 본 실시 예에 따른 연료공급 시스템(110)에 있어서, 상기 개질기(20)를 통과한 개질 물질은 수소 정제부(30)로 이동하게 된다. 이때, 상기 수소 정제부(30)로 이동된 개질된 물질 중 정제된 수소는 메인 배관 중 유입 배관(34)을 따라 삼 방향 밸브(35)로 이동하게 되고, 그 외의 개질 가스는 분지 배관(39)을 따라 상기 연소기(70)로 이동하게 된다.
구체적으로, 상기 메인 배관에는 연료의 이동 통로로써 세 개의 통로가 형성된 삼 방향 밸브(35)가 설치되고, 상기 삼 방향 밸브(35)는 한 개의 유입구와 두 개의 배출구로 이루어진다. 상기 한 개의 유입구는 수소 정제부(30)로부터 분리된 순도가 높은 수소의 이동 경로인 유입 배관(34)과 연결되어 있다. 그리고, 두 개의 배출구 중 하나는 순도가 높은 수소 중 불순물이 포함되지 않은 수소의 이동 경로인 배출 배관(37)과 연결되어 있다. 상기 배출 배관(37)을 따라 이동하는 불순물 미포함 수소는 상기 냉각기(40)로 이동하여 산소와 연소 반응이 일어나게 된다. 또한 상기 두 개의 배출구 중 나머지 하나는 순도가 높은 수소 중 불순물이 포함된 수소의 이동 경로인 바이패스 배관(36)과 연결되어 있다. 상기 바이패스 배관(36)을 따라 이동하는 불순물 포함 수소는 상기 연소기(70)로 이동하여 개질 가스와 함께 연소기의 연료로 사용될 수 있다.
이와 같이, 상기 삼 방향 밸브(35)는 상기 수소 정제부(30)를 거친 순도가 높은 수소의 불순물 포함 여부에 따라 개방 방향을 달리함으로써 상기 연료전지(50)에서의 산소와 수소의 연소 반응 효율이 크게 향상될 수 있는 장점이 있다.
도 4에는 도 3에 도시된 실시 예에 따른 수중 운동체의 연료공급방법이 도시되어 있다. 도 4를 참조하여 설명하면, 먼저 개질기(20)에는 연료 공급부(10)로부터 생성된 메탄올과 증류수가 공급된다(S50). 그리고, 상기 개질기(20)에서의 개질 반응에 의해 개질된 물질이 수소 정제부(30)로 이동하게 된다(S60).
그 다음, 제어부(90)는 상기 수소 정제부(30)를 통해 분리된 순도 높은 수소에 불순물이 포함되었는지 여부를 판단한다(S71). 만약, 순도 높은 수소에 불순물이 포함되어 있다면, 불순물을 포함한 수소가 연소기(70)로 이동하도록 삼 방향 밸브(35)의 개도 방향을 제어한다(S72). 이에 따라, 연소기(70)에서는 연소 반응이 발생하여 온도가 높아지게 된다.
이러한 작업 진행 과정에 걸쳐서, 상기 제어부(90)는 온도 센서(71)를 통해 상기 연소기(70) 후단의 온도가 기 설정된 온도를 초과하는지 여부를 판단한다(S73). 만약, 연소기(70) 후단의 온도가 기 설정된 온도를 초과하는 경우, 상기 제어부(90)는 연료공급밸브(12)와 산소공급밸브(62)의 개도량을 조절하여 전체 연소량을 감소시킨다(S74). 다만, 연소기(70) 후단의 온도가 기 설정된 온도를 초과하지 않는 경우, 상기 S74 단계는 생략될 수 있다. 그 다음, 상기 연소기(70)에서의 연소 반응에 의해 발생되는 열은 상기 개질기(20)로 이동하게 된다(S75).
한편, 상기 S71단계에서 상기 수소 정제부(30)를 통해 정제된 수소에 불순물이 포함되지 않은 경우, 불순물 미포함 수소는 상기 연료전지(50)로 이동하도록 상기 삼 방향 밸브(35)의 개도 방향이 제어된다(S81). 이에 따라, 상기 순도가 높은 불순물 미포함 수소는 상기 냉각기(40)로 이동되고, 상기 냉각기(40)에서 정제된 고온의 수소가 산소 공급부(60)에서 공급되는 저온의 산소와 열교환이 이루어짐으로써 열교환이 완료된 정제된 수소가 상기 연료전지(50)로 공급될 수 있다.
그리고, 상기 산소 공급부(60)의 다른 일측은 상기 연료전지(50)와 공급 배관(66)을 통해 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 산소 공급부(60)로부터 공급된 산소는 상기 연료전지(50)로 이동하여 상기 냉각기(40)를 거친 정제된 수소와 만나게 된다(S82). 이러한 과정에 따라, 상기 연료전지(50)에서 에너지를 생성할 수 있게 되는 것이다(S83).
이와 같이 본 발명에 따르면, 수소 정제부를 통과한 정제된 수소 중 불순물이 포함된 수소를 추가로 걸러내어 연소기로 이동시킬 수 있으므로 효율적으로 시스템을 운용할 수 있는 장점이 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되고, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 110: 연료공급시스템 10: 연료 공급부
20: 개질기 30: 수소 정제부
35: 삼 방향 밸브 70: 연소기
71: 온도 센서 90: 제어부

Claims (13)

  1. 연료 공급부로부터 탄화수소 및 알코올 연료와 증류수를 공급받아서 수소를 발생시키며 상기 발생된 수소를 연료전지에 공급하는 개질기;
    상기 개질기에서 발생된 수소를 정제하여 수소의 순도를 증가시키는 수소 정제부; 및
    상기 수소 정제부에서 분리된 개질 가스를 수용하고 상기 개질 가스를 연료로 사용하여 연소 반응이 발생되는 연소기를 포함하고,
    상기 연소 반응시 발생되는 연소열이 상기 개질기로 공급되는 연료를 가열하는 데에 사용되도록 열에너지의 이동 경로가 제어되며,
    전기 에너지를 발생시키기 위해 상기 수소 정제부로부터 정제된 수소에 산소를 제공하는 산소 공급부를 더 포함하고,
    상기 산소 공급부로부터 배출되는 산소의 양은 상기 산소 공급부와 상기 연소기를 연결하는 산소공급배관에 설치된 산소공급밸브에 의해 조절되며,
    상기 수소 정제부와 상기 연료 전지는 메인 배관에 의해 서로 연결되고,
    상기 메인 배관에는 연료의 이동 통로로써 세 개의 통로가 형성된 삼 방향 밸브가 설치되며,
    상기 삼 방향 밸브는 한 개의 유입구와 두 개의 배출구로 이루어지고,
    상기 수소 정제부와 상기 유입구 사이에는 정제된 수소의 이동 경로인 유입 배관이 설치되고,
    상기 유입 배관을 따라 상기 삼 방향 밸브로 이동된 정제된 수소는 불순물 포함 여부에 따라 배출구가 달라지도록 이동 방향이 결정되는 것을 특징으로 하는 수중 운동체의 연료공급시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 수소 정제부로부터 분리된 정제된 수소는 메인 배관을 따라 상기 연료 전지로 이동되고,
    상기 수소 정제부로부터 분리된 개질 가스는 분지 배관을 따라 상기 연소기로 이동되는 것을 특징으로 하는 수중 운동체의 연료공급시스템.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 연료 공급부와 상기 연소기는 연료의 양을 조절하기 위한 연료공급밸브가 설치되는 연료공급배관에 의해 서로 연결되고,
    제어부는 상기 산소공급밸브와 상기 연료공급밸브의 개도량을 조절함으로써 상기 연소기 후단의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 수중 운동체의 연료공급시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 연소기의 후단에는 상기 연소기의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서가 설치되는 것을 특징으로 하는 수중 운동체의 연료공급시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 수소 정제부로부터 분리되는 정제된 수소는 상기 유입 배관을 따라 상기 삼 방향 밸브로 이동되고,
    상기 수소 정제부로부터 분리되는 개질 가스는 분지 배관을 따라 상기 연소기로 이동되는 것을 특징으로 하는 수중 운동체의 연료공급시스템.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 삼 방향 밸브로 이동된 정제된 수소에 불순물이 포함된 경우 상기 불순물 포함 정제된 수소는 바이패스 배관을 통해 상기 연소기로 이동되고,
    상기 삼 방향 밸브로 이동된 정제된 수소에 불순물이 미포함된 경우 상기 불순물 미포함 정제된 수소는 배출 배관을 통해 상기 연료전지로 이동되는 것을 특징으로 하는 수중 운동체의 연료공급시스템.
  10. 개질기를 통해 개질된 물질이 수소 정제부로 이동되는 단계;
    상기 수소 정제부에서 정제된 수소와 개질 가스를 분리하는 단계;
    상기 수소 정제부에서 분리된 개질 가스를 수용하는 연소기에서 상기 개질 가스를 연료로 사용하여 연소 반응이 발생되는 단계; 및
    상기 연소 반응시 발생되는 연소열이 상기 개질기로 공급되는 연료를 가열하는 데에 사용되도록 열에너지가 이동되는 단계를 포함하며,
    상기 수소 정제부에서 정제된 수소에 불순물 포함 여부에 따라 상기 수소 정제부 후단에 설치되는 삼 방향 밸브의 개방 방향이 달라지며,
    상기 수소 정제부에서 정제된 수소에 불순물이 포함된 경우 상기 수소는 상기 연소기로 이동되고,
    상기 수소 정제부에서 정제된 수소에 불순물이 미포함된 경우 상기 수소는 연료전지로 이동되는 것을 특징으로 하는 수중 운동체의 연료공급방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 수소 정제부에서 정제된 수소는 연료 전지 방향으로 이동됨으로써 산소 공급부에서 생성된 산소와 반응하여 에너지를 발생시키는 것을 특징으로 하는 수중 운동체의 연료공급방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006032269A (ja) * 2004-07-21 2006-02-02 Hitachi Ltd 燃料電池装置、および燃料電池管理システム
KR101783218B1 (ko) * 2017-05-04 2017-09-29 국방과학연구소 잠수함용 개질기 시스템

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006032269A (ja) * 2004-07-21 2006-02-02 Hitachi Ltd 燃料電池装置、および燃料電池管理システム
KR101783218B1 (ko) * 2017-05-04 2017-09-29 국방과학연구소 잠수함용 개질기 시스템

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