KR102579658B1 - 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 금속연료와, 물과 촉매를 혼합한 수용액을 이용하여 수소를 발생시키는 반응기; 상기 반응기에 주입되는 수용액의 온도를 조절하도록 수용액을 순환시키는 수용액 순환부; 및 상기 수용액 순환부를 제어하여 상기 반응기에서의 수소 발생 속도를 제어하는 제어부;를 포함하는 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템을 제공한다.

Description

수중운동체의 금속연료 수소발생시스템{METALLIC FUEL HYDROGEN GENERATION SYSTEM OF UNDERWATER MOVING BODY}
본 발명의 실시예는 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반응기 내부에 공급되는 수용액의 온도를 조절하여 수소 발생 속도에 영향을 미치는 수용액의 온도를 제어하여 보다 효율적이고 안정적으로 수소를 생산해 낼 수 있는 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템에 관한 것이다.
수중운동체의 에너지 저장수단으로서 배터리 이외에 연료전지(fuel cell)의 사용이 크게 늘어나고 있다.
예컨대, AIP(Air Independent Propulsion) 잠수함은 잠수 중에 외부공기 영향을 받지 않고 추진할 수 있는 잠수함을 말하는데, 대표적으로 연료전지가 사용된다.
연료전지는 연료의 산화에 의해 생기는 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 장치로서, 수소와 같은 기체 반응물질을 외부에서 연속적으로 공급하여 전기의 생성을 도모하고, 반응 후 생성물질은 연속적으로 외부로 배출시킬 수 있다. 즉, 연료전지는 고효율의 무공해 발전장치이다.
한편, 고순도의 금속, 예를 들면 알루미늄, 마그네슘, 아연, 나트륨 등은 특정한 조건에서 산성/알칼리 용액과 반응하게 되어 수소를 발생시킬 수 있으며, 이를 금속연료라 지칭한다.
일반적으로 금속연료에서 수소를 발생하는 방법에는 크게 연소식과 촉매반응식이 소개되어 있다. 연소식은 물과 금속연료를 리액터(Reactor)에 넣고 온도를 높임으로써 수소를 발생시킨다. 이와 달리 촉매식은 물과 금속연료, 촉매를 넣고 온도를 높임으로써 수소를 발생시키는데, 촉매를 투입함으로써 반응온도를 약 80~120도까지 낮출 수 있다.
구체적인 예로서, 대표적인 금속연료로서 알루미늄(Al)을 예로 들어 설명하면 다음과 같은 반응식에 따라 수소가 발생된다.
Al+3H2O+NaOH → Al(OH)3+NaOH+3/2H2
상기와 같은 반응식에 따라 알루미늄(Al)과 물, 촉매가 반응하여 수소가 발생되는데, 알루미늄 이외에 마그네슘(Mg) 등의 다른 금속 연료가 이용되어도 무방하다. 이때, 촉매도 NaOH 이외에 KOH 등 다른 촉매를 사용할 수 있다.
도 1은 금속연료를 이용한 수소공급 시스템의 개념도이다. 도 1을 참조하면, 도시된 종래의 수소공급 시스템(1)은 반응기(10), 베슬(20), 컨덴서(40), 팬 유닛(50), 그리고 제습기(60)를 포함하여 구성되어 있었다. 반응기(10)는 금속연료, 물, 촉매를 공급받아 수소를 발생시키는 장치이며, 알루미늄(Al) 등의 금속연료를 이용하여 물, 촉매와의 반응을 통해 수소를 발생시킨다. 발생된 수소는 컨덴서(40), 팬 유닛(50), 제습기(60)를 거쳐 높은 순도의 수소로 정제되며, 연료전지(Fuel Cell)까지 공급된다.
그런데, 금속연료 수소발생시스템에서 수소를 생산하기 위하여 반응기에 수용액(물+촉매)을 주입하는데, 수용액의 온도에 따라 수소 발생 속도가 달라질 수 있다.
다시 말해, 수소발생시스템의 내부에서 알루미늄과 수용액의 반응은 발열반응으로 냉각이 필요한데, 온도가 너무 떨어지면 반응 속도에 영향을 미칠 수 있다.
따라서, 수소를 보다 효율적이고 안정적으로 발생시키기 위해서는 수용액의 온도를 일정하게 유지시켜줄 필요성이 있다. 아울러, 잠수함의 운전모드의 변화에 따라 금속연료 수소발생시스템에서 생산하는 수소의 양을 조절해야 할 필요성이 있다.
수소발생장치가 구비된 연료전지 시스템(대한민국 공개특허공보 제10-2009-0093044호)
본 발명의 목적은, 반응기에 주입되는 수용액의 온도 조절을 통해 수소 발생속도를 제어함으로써, 생산되는 수소의 양을 조절할 수 있는 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 수용액의 온도 조절을 위하여 반응기 입구 및 출구의 온도를 측정하여, 공급되는 수용액의 온도를 일정하게 조절할 수 있는 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 수소발생시스템의 초기 동작 시 수소 발생을 원활하게 해주기 위하여 별도의 히터를 이용하여 공급되는 수용액의 온도를 높여줄 수 있는 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 금속연료와, 물과 촉매를 혼합한 수용액을 이용하여 수소를 발생시키는 반응기; 상기 반응기에 주입되는 수용액의 온도를 조절하도록 수용액을 순환시키는 수용액 순환부; 및 상기 수용액 순환부를 제어하여 상기 반응기에서의 수소 발생 속도를 제어하는 제어부;를 포함하는 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템을 제공한다.
상기 수용액 순환부는, 상기 반응기의 출구로부터 배출된 수용액 내의 부유물을 걸러내는 필터; 상기 필터를 통과한 수용액을 냉각수와 열교환시키는 열교환기; 및 상기 열교환기를 통과한 수용액을 상기 반응기의 입구로 주입시키는 펌프;를 포함한다.
상기 필터와 상기 열교환기와 상기 펌프 사이를 연결하는 3웨이 밸브를 더 포함한다.
상기 반응기의 입구에 근접 설치되어 상기 반응기로 주입되는 수용액의 온도를 측정하는 제1 온도 계측기; 및 상기 반응기의 출구에 근접 설치되어 상기 반응기로부터 배출되는 수용액의 온도를 측정하는 제2 온도 계측기;를 포함한다.
상기 제어부는, 상기 제1, 2 온도 계측기에서 측정된 온도 정보를 전달받아 상기 반응기 내부의 수소 발생 반응을 예측하고, 상기 쓰리웨이 밸브의 동작을 제어하여, 상기 반응기로 주입되는 수용액의 온도를 조절할 수 있다.
상기 수용액 순환부에 구비되어, 초기 시동 시 상기 반응기의 입구로 주입되는 수용액을 설정 온도로 가열하는 제1 히터를 포함한다.
상기 반응기의 내부에 구비되어, 초기 시동 시 상기 반응기에 보관된 수용액을 설정 온도로 가열하는 제2 히터를 포함한다.
또한, 수용액을 저장하는 수용액 탱크; 및 상기 수용액 탱크로부터 상기 반응기로 공급되는 수용액의 공급유동을 개폐 조절하는 밸브;를 포함한다.
상기 반응기에 보관된 수용액의 수위를 측정하는 수위측정기를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 수위측정기에서 측정된 수위 정보를 전달받아, 상기 반응기 내부의 수용액의 수위를 모니터링 하는 한편, 측정된 수위가 기준 수위보다 낮을 경우 상기 밸브를 개방시켜 상기 수용액 탱크로부터 상기 반응기로 수용액을 추가 공급시킬 수 있다.
본 발명인 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템에 의하면, 반응기에 주입되는 수용액의 온도 조절을 통해 수소 발생속도를 제어함으로써, 생산되는 수소의 양을 조절할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명인 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템에 의하면, 수용액의 온도 조절을 위하여 반응기 입구 및 출구의 온도를 측정하여, 공급되는 수용액의 온도를 일정하게 조절할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명인 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템에 의하면, 수소발생시스템의 초기 동작 시 수소 발생을 원활하게 해주기 위하여 별도의 히터를 이용하여 공급되는 수용액의 온도를 높여줄 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급시스템의 개념도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템의 개념도.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템의 개념도.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템의 개념도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
그리고 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도면에서, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템의 개념도이고, 도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템의 개념도이며, 도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템의 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템에 관하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템의 개념도이다.
도 2를 참조하면, 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템은 반응기(110), 수용액 순환부(130), 제어부(150)를 포함한다.
반응기(110)는 금속연료와, 물과 촉매를 혼합한 수용액을 이용하여 수소를 발생시키도록 구성될 수 있다.
수용액 순환부(130)는 상기 반응기(110)에 주입되는 수용액(L)의 온도를 조절하도록 수용액을 순환시키도록 구성될 수 있다.
제어부(150)는 상기 수용액 순환부(130), 더 구체적으로는 후술될 쓰리웨이 밸브(133), 열교환기(135), 펌프(137) 등의 구성을 제어하여 상기 반응기(110)로 주입되는 수용액(L)의 온도를 설정 온도로 제어하여 수소 발생 속도를 조절할 수 있다.
여기서, 수중운동체라 함은, 수중에서 이동 가능한 장치로서 대표적인 예로서 잠수함 등이 이에 포함될 수 있다. 예컨대, AIP(Air Independent Propulsion) 잠수함은 잠수 중에 외부공기 영향을 받지 않고 추진할 수 있는 잠수함을 말하는데, 대표적으로 연료전지가 사용될 수 있다.
연료전지는 연료의 산화에 의해 생기는 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 장치로서, 수소와 같은 기체 반응물질을 외부에서 연속적으로 공급하여 전기의 생성을 도모하고, 반응 후 생성물질은 연속적으로 외부로 배출시킬 수 있다.
금속연료는 고순도의 금속, 예를 들면 알루미늄, 마그네슘, 아연, 나트륨 등을 말하는데, 이들은 특정한 조건에서 산성/알칼리 용액과 반응하게 되어 수소를 발생시킬 수 있다. 알루미늄(Al)을 예로 들어 설명하면 다음과 같은 반응식에 따라 수소가 발생된다.
Al+3H2O+NaOH → Al(OH)3+NaOH+3/2H2
상기와 같은 반응식에 따라 알루미늄(Al)과 물, 촉매가 반응하여 수소가 발생되는데, 알루미늄 이외에 마그네슘(Mg) 등의 다른 금속 연료가 이용되어도 무방하다. 이때, 촉매도 NaOH 이외에 KOH 등 다른 촉매를 사용할 수 있다.
구체적으로는, 반응기(110)는 전술한 바와 같이, 금속연료와, 물 그리고 촉매가 혼합된 수용액을 공급받아 수소를 발생시킬 수 있는 반응장치를 말한다.
수용액 순환부(130)는 반응기(110)의 출구와 입구 사이를 수용액이 순환하도록 연결된 배관을 통해 구비되는 필터(131), 열교환기(135), 펌프(137)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 필터(131)는 상기 반응기(110)의 출구로부터 배출된 수용액(L) 내의 부유물을 걸러내는 역할을 담당한다.
열교환기(135)는 상기 필터(131)를 통과한 수용액을 냉각수와 열교환시킬 수 있다. 이때, 냉각수는 수중운동체, 즉 잠수함 내에서 해수나 청수를 공급하여 이용할 수 있다.
그리고 펌프(137)는 상기 열교환기(135)를 통과한 수용액을 상기 반응기(110)의 입구로 주입시키는 역할을 담당한다.
한편, 이러한 필터(131)와 열교환기(135)와 펌프(137) 사이에는 쓰리웨이 밸브(133)가 더 구비될 수 있다. 상기 제어부(150)는 쓰리웨이 밸브(133)의 동작을 제어하여 필터(131)를 통과한 수용액을 열교환기(135)로 보내거나 또는 펌프(137)로 보내도록 제어할 수 있다.
그리고 이와 같이 구성된 반응기(110)의 입구에는 제1 온도 계측기(138)가 설치될 수 있으며, 반대 편, 즉 반응기(110)의 출구에는 제2 온도 계측기(139)가 설치될 수 있다.
이에 따라, 제1 온도 계측기(138)에서는 상기 반응기(110)로 주입되는 수용액의 온도를 측정할 수 있으며, 이와 함께 제2 온도 계측기(139)에서는 상기 반응기(110)로부터 배출되는 수용액의 온도를 측정할 수 있다.
이와 같이 제1, 2 온도 계측기(138, 139)에서 측정된 온도 정보는 제어부(150)로 전달될 수 있다.
제어부(150)는 상기와 같은 온도 정보를 전달받아 반응기(110) 내부의 수소 발생 반응을 예측할 수 있다.
아울러 제어부(150)는 쓰리웨이 밸브(133)의 동작을 제어하여, 반응기(110)로 주입되는 수용액(L)의 온도를 조절할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예들에 따르면 필요한 경우(예: 초기 시동 등의 경우) 수용액을 설정 온도로 직접 가열하는 히터의 구성이 추가로 포함될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예의 경우로서 수용액 순환부(130) 내에 제1 히터(180)가 설치된 모습을 확인할 수 있다.
시동 초반에 수용액은 상온의 상태로 초기 시동 시, 수용액의 온도가 낮아 반응이 저하될 우려가 있다. 따라서 수용액의 온도를 반응이 활발히 일어나는 온도(대략 60도~100도)(이하, 설정 온도라 함)로 높여줄 필요성이 있다.
따라서, 제1 히터(180)는 초기 시동 시 상기 반응기(110)의 입구로 주입되는 수용액을 설정 온도로 가열하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 전기 히터 등이 이용 가능하며, 이에 한정되지는 않는다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예의 경우로서 반응기(110) 내부에 제2 히터(190)가 설치된 모습을 확인할 수 있다.
제2 히터(190)는 반응기(110) 내부에 구비되며, 초기 시동 시 반응기에 보관된 수용액(L)을 설정 온도, 즉 반응이 활발히 일어나는 온도로 가열해 줄 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들에 따르면, 반응기(110)에 수용액을 보충하도록 수용액을 저장하는 수용액 탱크(120)와, 수용액 탱크(120)로부터 반응기(110)로 공급되는 수용액의 공급유동을 개폐 조절하는 밸브(170)를 포함할 수 있다.
이에 더하여, 반응기(110)에 보관된 수용액(L)의 수위를 측정하는 수위측정기(160)를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 구성됨에 따라, 제어부(150)는 수위측정기(160)에서 측정된 수위 정보를 전달받아, 반응기(110) 내부의 수용액의 수위를 모니터링 할 수 있다. 이와 함께, 만일 측정된 수위가 기준 수위보다 낮을 경우 밸브(170)를 개방시켜 수용액 탱크(120)로부터 반응기(110)로 수용액을 추가 공급시킬 수 있다. 이로써, 수소 발생 반응이 진행됨에 따라 반응기(110) 내부의 수용액의 양이 감소할 수 있는데, 감소한 부분의 수용액을 추가하여 반응이 안정적으로 이루어지게 해 줄 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면, 반응기에 주입되는 수용액의 온도 조절을 통해 수소 발생속도를 제어함으로써, 생산되는 수소의 양을 조절할 수 있는 장점이 있다.
나아가, 수용액의 온도 조절을 위하여 반응기 입구 및 출구의 온도를 측정하여, 공급되는 수용액의 온도를 일정하게 조절할 수 있는 장점이 있다.
더 나아가, 수소발생시스템의 초기 동작 시 수소 발생을 원활하게 해주기 위하여 별도의 히터를 이용하여 공급되는 수용액의 온도를 높여줄 수 있는 장점이 있다.
지금까지 본 발명인 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템에 관하여 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였다.
전술된 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 이 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 반응기
120: 수용액 탱크
130: 수용액 순환부
131: 필터
133: 쓰리웨이 밸브
135: 열교환기
137: 펌프
138, 139: 온도 계측기
150: 제어부
160: 수위측정기
170: 밸브
180: 제1 히터
190: 제2 히터

Claims (9)

  1. 금속연료와, 물과 촉매를 혼합한 수용액을 이용하여 수소를 발생시키는 반응기;
    상기 반응기의 출구로부터 배출된 수용액 내의 부유물을 걸러내는 필터, 상기 필터를 통과한 수용액을 냉각수와 열교환시키는 열교환기 및 상기 열교환기를 통과한 수용액을 상기 반응기의 입구로 주입시키는 펌프를 포함하며, 상기 반응기에 주입되는 수용액의 온도를 조절하도록 수용액을 순환시키는 수용액 순환부;
    상기 수용액 순환부를 제어하여 상기 반응기에서의 수소 발생 속도를 제어하는 제어부;
    상기 필터와 상기 열교환기와 상기 펌프 사이를 연결하는 3웨이 밸브;
    상기 반응기의 입구에 근접 설치되어 상기 반응기로 주입되는 수용액의 온도를 측정하는 제1 온도 계측기;
    상기 반응기의 출구에 근접 설치되어 상기 반응기로부터 배출되는 수용액의 온도를 측정하는 제2 온도 계측기;
    상기 수용액 순환부에 구비되어, 초기 시동 시 상기 반응기의 입구로 주입되는 수용액을 설정 온도로 가열하는 제1 히터;
    상기 반응기의 내부에 구비되어, 초기 시동 시 상기 반응기에 보관된 수용액을 설정 온도로 가열하는 제2 히터;
    수용액을 저장하는 수용액 탱크;
    상기 수용액 탱크로부터 상기 반응기로 공급되는 수용액의 공급유동을 개폐 조절하는 밸브; 및
    상기 반응기에 보관된 수용액의 수위를 측정하는 수위측정기;를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 제1, 2 온도 계측기에서 측정된 온도 정보를 전달받아 상기 반응기 내부의 수소 발생 반응을 예측하고, 상기 쓰리웨이 밸브의 동작을 제어하여, 상기 반응기로 주입되는 수용액의 온도를 조절하고,
    상기 제어부는 상기 수위측정기에서 측정된 수위 정보를 전달받아, 상기 반응기 내부의 수용액의 수위를 모니터링 하는 한편, 측정된 수위가 기준 수위보다 낮을 경우 상기 밸브를 개방시켜 상기 수용액 탱크로부터 상기 반응기로 수용액을 추가 공급시키는 수중운동체의 금속연료 수소발생시스템.
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