KR102533771B1

KR102533771B1 - 독립형 수소 실린더가 적용된 수소 공급 시스템 및 수소 공급 방법

Info

Publication number: KR102533771B1
Application number: KR1020180094164A
Authority: KR
Inventors: 문경호
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2018-08-13
Filing date: 2018-08-13
Publication date: 2023-05-16
Also published as: KR20200018846A

Abstract

본 발명은 저온의 해수 환경에서 해수 냉각 계통 내의 해수가 일정 온도에 도달할 때까지 독립적 수소 공급 장치를 통해 함 내의 연료전지에 수소를 선 공급하여 가동시킴으로써, 저온의 해수온도에 영향을 받지 않고 항시 연료전지에 안정적인 수소를 공급할 수 있도록 하는 독립형 수소 실린더가 적용된 수소 공급 시스템 및 수소 공급 방법에 관한 것이다.

Description

독립형 수소 실린더가 적용된 수소 공급 시스템 및 수소 공급 방법{HYDROGEN SUPPLY SYSTEM WITH STAND-ALONE HYDROGEN CYLINDER AND HYDROGEN SUPPLY METHOD}

본 발명은 독립형 수소 실린더가 적용된 수소 공급 시스템 및 수소 공급 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 저온의 해수 환경에서 해수 냉각 계통 내의 해수가 일정 온도에 도달할 때까지 독립적 수소 공급 장치를 통해 함 내의 연료전지에 수소를 선 공급하여 가동시킴으로써, 저온의 해수온도에 영향을 받지 않고 항시 연료전지에 안정적인 수소를 공급할 수 있도록 하는 독립형 수소 실린더가 적용된 수소 공급 시스템 및 수소 공급 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 잠수함에서 사용되는 연료전지는 저온에서 수소를 방출시켜 연료전지를 가동시키고, 연료전지에서 방출되는 열을 이용하여 해수 냉각 계통의 해수 온도를 올리게 된다. 이렇게 온도가 올라간 해수를 이용하여 수소 실린더의 온도가 올라감에 따라 수소 실린더의 수소 방출량이 증가하게 되면서 연료전지의 출력량이 증가하게 된다.

하지만, 저온 환경에서 연료전지를 가동시킬 경우, 최대출력을 위한 수소 공급량을 충족시키기까지 시간이 소요되며, 저온 환경에서 방출되는 수소 량이 연료전지 가동을 유지시키기에 충분하지 않다는 문제점을 가지게 된다.

따라서, 현재 저온의 해수 환경에서도 연료전지의 최대 출력을 위해 충분한 양의 수소를 공급하기 위한 기술이 필요한 실정이다.

한국공개특허 제10-2018-0010607호

본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 저온의 해수 환경에서 해수 냉각 계통 내의 해수가 일정 온도에 도달할 때까지 독립적 수소 공급 장치를 통해 함 내의 연료전지에 수소를 선 공급하여 가동시킴으로써, 저온의 해수온도에 영향을 받지 않으면서도 연료전지의 최대 출력을 위한 안정적인 수소 공급이 이루어질 수 있도록 하는 독립형 수소 실린더가 적용된 수소 공급 시스템 및 수소 공급 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 수소 실린더가 적용된 수소 공급 시스템은 함 내의 해수 냉각 계통과 연결된 다수의 제1 수소 실린더 장치, 상기 다수의 제1 수소 실린더 장치와 연결된 제1 밸브, 상기 함 내의 청수 냉각 계통과 연결된 제2 수소 실린더 장치, 상기 제2 수소 실린더 장치와 연결된 제2 밸브 및 상기 제1 및 제2 밸브의 개폐상태를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 함 주변의 해수 온도가 기 설정된 온도 이하에 해당하는 경우, 상기 제2 밸브를 개방(OPEN)시킴으로써 상기 제2 수소 실린더 장치를 통해 연료전지모듈에 수소가 선 공급되도록 하고, 상기 제1 밸브를 개방(OPEN)시킴으로써 상기 다수의 제1 수소 실린더 장치를 통해 상기 연료전지모듈에 수소 공급이 이루어질 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 함 주변의 해수 온도가 기 설정된 온도 이하에 해당하는 경우, 상기 제1 밸브를 단속(CLOSE)시킨 상태에서 상기 제2 밸브를 개방(OPEN)시킨 후, 상기 제2 수소 실린더 장치를 통해 공급되는 수소가 연료전지모듈에 공급되도록 하여 상기 연료전지모듈의 동작을 개시시키고, 또한 상기 연료전지모듈로부터 방출되는 열을 냉각시키기 위해 상기 청수 냉각 계통이 작동됨에 따라, 상기 해수 냉각 계통이 가열되어 상기 해수 냉각 계통으로부터 방출되는 열에 의해 상기 다수의 제1 수소 실린더 장치가 가열되어 상기 다수의 제1 수소 실린더 장치로부터 수소가 방출될 경우, 상기 제어부는 상기 제1 밸브를 개방(OPEN)시키고 상기 제2 밸브를 단속(OPEN)시킴으로써 상기 다수의 제1 수소 실린더 장치를 통해 상기 연료전지모듈에 수소 공급이 이루어지도록 할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 연료전지모듈로부터 방출되는 열을 냉각시키기 위해 상기 청수 냉각 계통이 작동되는 경우, 상기 청수 냉각 계통으로부터 방출되는 열에 의해 상기 해수 냉각 계통이 가열되어 상기 다수의 제1 수소 실린더 장치를 가열하기 위한 열이 방출될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 독립형 수소 실린더가 적용된 수소 공급 시스템을 이용한 수소 공급 방법은 함 주변의 해수 온도가 기 설정된 온도 이하에 해당하는 경우, 제어부에서 연료전지모듈과 연결된 제1 및 제2 밸브 중 제1 밸브는 단속(CLOSE)시키고 제2 밸브를 개방(OPEN)시킴으로써 상기 제2 밸브와 연결된 제2 수소 실린더 장치를 통해 공급되는 수소가 상기 연료전지모듈에 선 공급되도록 하는 단계, 상기 연료전지모듈로부터 방출되는 열을 냉각시키기 위해 상기 제2 수소 실린더 장치와 연결된 청수 냉각 계통이 작동됨에 따라, 상기 청수 냉각 계통으로부터 방출되는 열에 의해 해수 냉각 계통이 가열되는 단계 및 상기 해수 냉각 계통이 가열됨에 따라, 상기 해수 냉각 계통과 연결된 다수의 제1 수소 실린더 장치가 가열되어 수소 방출되고, 상기 제어부는 상기 다수의 제1 수소 실린더 장치와 연결된 상기 제1 밸브를 개방(OPEN)시키고 상기 제2 밸브는 차단(CLOSE)시킴으로써 상기 제1 밸브를 통해 방출되는 수소가 상기 연료전지모듈에 공급되도록 하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면 저온의 해수 환경에서 해수 냉각 계통 내의 해수가 일정 온도에 도달할 때까지 독립적 수소 공급 장치를 통해 함 내의 연료전지에 수소를 선 공급하여 가동시킴으로써, 저온의 해수온도에 영향을 받지 않으면서도 연료전지의 최대 출력을 위한 안정적인 수소 공급이 이루어질 수 있는 이점을 가진다.

특히, 안정적인 수소 공급이 보장되기 때문에, 단 시간에 연료전지의 최대 출력 가동이 가능한 이점을 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 수소 실린더가 적용된 수소 공급 시스템(100)의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 독립형 수소 실린더가 적용된 수소 공급 시스템(100)을 통해 연료전지모듈에 수소를 공급하는 과정을 일련의 순서대로 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 수소 실린더가 적용된 수소 공급 시스템(100)의 구성을 도시한 도면이다.

도 1을 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 수소 실린더가 적용된 수소 공급 시스템(100)은 함 내의 해수 냉각 계통(1)과 연결된 다수의 제1 수소 실린더 장치(110), 다수의 제1 수소 실린더 장치(110)와 연결되는 제1 밸브(120), 함 내의 청수 냉각 계통(2)과 연결된 제2 수소 실린더 장치(130), 제2 수소 실린더 장치(130)와 연결된 제2 밸브(140) 및 제어부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.

보다 구체적으로, 다수의 제1 수소 실린더 장치(110)는 해수 냉각 계통(1)과 연료전지모듈(10) 사이에 마련되며, 다수의 제1 수소 실린더 장치(110)를 통해 방출되는 수소는 후술되는 제1 밸브(120)를 거쳐 연료전지모듈(10)에 공급될 수 있다.

이러한 다수의 제1 수소 실린더 장치(110)는 해수 냉각 계통(1)의 온도가 올라감에 따라 가열되면서 보다 많은 양의 수소를 방출하게 된다. 한편, 제1 밸브(120)는 후술되는 제어부(150)의 제어를 받아 개폐될 수 있다.

일 실시예에서, 제1 밸브(120)는 솔레노이드 밸브 혹은 볼 밸브가 적용될 수 있다.

제2 수소 실린더 장치(130)는 청수 냉각 계통(혹은 청온수 냉각 계통, 2)과 연료전지모듈(10) 사이에 마련되며, 제2 수소 실린더 장치(130)를 통해 방출되는 수소는 후술되는 제2 밸브(140)를 거쳐 연료전지모듈(10)에 선 공급될 수 있다.

여기에서 선 공급된다는 의미는, 다수의 제1 수소 실린더 장치(110)는 저온의 해수 환경에서 최대의 수소 방출량을 가질 수 없기에, 제2 수소 실린더 장치(130)를 통해 연료전지모듈(10)를 가동시키기 위한 수소가 우선 공급된다는 의미로 해석될 수 있다.

이때, 제2 수소 실린더 장치(130)는 청수 냉각 계통(2)과 연결됨에 따라, 연료전지모듈(10)에서 발생하는 열을 청수 냉각 계통(2)을 통해 식히게 된다.

한편, 해수 냉각 계통(1) 및 청수 냉각 계통(2)은 서로 연결되는데, 청수 냉각 계통(2)에서 방출되는 열에 의해 해수 냉각 계통(1)의 온도가 올라가면서 다수의 제1 수소 실린더 장치(110)가 히팅(heating)되고, 그에 따라 다수의 제1 수소 실린더 장치(110)의 온도가 올라가면서 방출되는 수소량이 증가하게 된다.

제어부(150)는 함 주변의 해수 온도가 기 설정된 임계값(예컨대, 다수의 제1 수소 실린더 장치(110)의 수소 방출량이 저하되는 온도) 이하로 떨어질 경우, 제1 밸브(120)를 단속(CLOSE)를 시킨 후, 제2 밸브(140)를 개방(OPEN)시킴으로써 제2 수소 실린더 장치(130)를 통해 연료전지모듈(10)에 수소가 우선 공급되도록 한다.

이때, 연료전지모듈(10)이 가동되면서 발생되는 열을 식히기 위해 청수 냉각 계통(2)이 작동하게 되고, 청수 냉각 계통(2)과 연결된 해수 냉각 계통(1)에 냉각열이 전달되면서 해수 냉각 계통(1)의 온도가 올라가게 된다.

따라서, 해수 냉각 계통(1)의 온도가 올라감에 따라 다수의 제1 수소 실린더 장치(110)의 온도가 올라가게 되고, 그에 따라 다수의 제1 수소 실린더 장치(110)의 수소 방출량이 연료전지모듈(10)을 최대 출력으로 작동시키기에 충분한 양이 될 수 있다. 이 경우, 제어부(150)는 제2 밸브(140)는 단속(CLOSE)시키고 제1 밸브(120)는 개방(OPEN)시키게 된다.

다음으로는, 도 2를 통해 이러한 과정을 일련의 순서대로 살펴보기로 한다.

도 2는 도 1에 도시된 독립형 수소 실린더가 적용된 수소 공급 시스템(100)을 통해 연료전지모듈에 수소를 공급하는 과정을 일련의 순서대로 도시한 도면이다.

도 2를 살펴보면, 먼저 제어부에서는 제1 밸브를 단속시키고 제2 밸브를 개방시킴으로써 제2 수소 실린더 장치를 통해 공급되는 수소가 연료전지모듈에 선 공급되도록 한다(S201).

그 다음, 연료전지모듈을 냉각시키기 위해 청수 냉각 계통이 작동되고(S202), 그에 따라 해수 냉각 계통이 가열되면서 열을 방출함에 따라 해수 냉각 계통과 연결된 다수의 제1 수소 실린더 장치가 가열되어 수소를 방출한다(S203).

다수의 제1 수소 실린더 장치로부터 수소가 방출될 경우, 제어부는 제2 밸브는 단속시키고 제1 밸브는 개방 시키게 된다(S204).

그에 따라, 다수의 제1 수소 실린더 장치로부터 방출되는 수소가 연료전지모듈에 공급되어 연료전지모듈의 출력이 증가하게 된다(S205).

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: 해수 냉각 계통
2: 청수 냉각 계통(청/온수 냉각 계통)
10: 연료전지모듈
100: 독립형 수소 실린더가 적용된 수소 공급 시스템
110: 제1 수소 실린더 장치
120: 제1 밸브
130: 제2 수소 실린더 장치
140: 제2 밸브
150: 제어부

Claims

함 내의 해수 냉각 계통과 연결된 다수의 제1 수소 실린더 장치;
상기 다수의 제1 수소 실린더 장치와 연결된 제1 밸브;
상기 함 내의 청수 냉각 계통과 연결된 제2 수소 실린더 장치;
상기 제2 수소 실린더 장치와 연결된 제2 밸브; 및
상기 제1 및 제2 밸브의 개폐상태를 제어하는 제어부;를 포함하며,
상기 제어부는 상기 함 주변의 해수 온도가 기 설정된 온도 이하에 해당하는 경우, 상기 제2 밸브를 개방(OPEN)시킴으로써 상기 제2 수소 실린더 장치를 통해 연료전지모듈에 수소가 선 공급되도록 하고, 상기 제1 밸브를 개방(OPEN)시킴으로써 상기 다수의 제1 수소 실린더 장치를 통해 상기 연료전지모듈에 수소 공급이 이루어지고,
상기 해수 냉각 계통 및 청수 냉각 계통은 서로 연결되며,
상기 제어부는 상기 함 주변의 해수 온도가 기 설정된 온도 이하에 해당하는 경우, 상기 제1 밸브를 단속(CLOSE)시킨 상태에서 상기 제2 밸브를 개방(OPEN)시킨 후, 상기 제2 수소 실린더 장치를 통해 공급되는 수소가 연료전지모듈에 공급되도록 하여 상기 연료전지모듈의 동작을 개시시키고, 또한 상기 연료전지모듈로부터 방출되는 열을 냉각시키기 위해 상기 청수 냉각 계통이 작동됨에 따라, 상기 해수 냉각 계통이 가열되어 상기 해수 냉각 계통으로부터 방출되는 열에 의해 상기 다수의 제1 수소 실린더 장치가 가열되어 상기 다수의 제1 수소 실린더 장치로부터 수소가 방출될 경우, 상기 제어부는 상기 제1 밸브를 개방(OPEN)시키고 상기 제2 밸브를 단속(OPEN)시킴으로써 상기 다수의 제1 수소 실린더 장치를 통해 상기 연료전지모듈에 수소 공급이 이루어지도록 하고,
상기 연료전지모듈로부터 방출되는 열을 냉각시키기 위해 상기 청수 냉각 계통이 작동되는 경우, 상기 청수 냉각 계통으로부터 방출되는 열에 의해 상기 해수 냉각 계통이 가열되어 상기 다수의 제1 수소 실린더 장치를 가열하기 위한 열이 방출되는 것을 특징으로 하는, 독립형 수소 실린더가 적용된 수소 공급 시스템.
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