KR102590589B1 - 수중운동체의 수소공급시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 금속연료, 물, 촉매를 공급받아 수소를 발생시키는 리액터; 상기 리액터에 공급하는 물을 저장하는 워터탱크; 상기 워터탱크와 연료전지의 캐소드(Cathode) 측 사이에 연결되며, 상기 캐소드 측에서 생성된 물을 상기 워터탱크로 공급하는 제1공급라인; 및 상기 제1공급라인에 구비되는 제1펌프;를 포함하는 수중운동체의 수소공급시스템을 제공한다.

Description

수중운동체의 수소공급시스템{HYDROGEN SUPPLY SYSTEM OF UNDERWATER MOVING BODY}
본 발명의 실시예는 수중운동체의 수소공급시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 캐소드(Cathode) 측에서 생성된 물만 금속연료 수소 발생기에 활용함에 따라 밀폐된 잠수함 내에서 금속연료 수소 발생기에 연료전지에서 생성된 물을 안전하게 공급하여 사용할 수 있으며, 기존의 연료전지 반응수 탱크를 줄임과 동시에 금속연료 수소 발생기에 물을 공급하기 위한 워터탱크의 크기도 줄일 수 있는 수중운동체의 수소공급시스템을 제공하는데 있다.
수중운동체의 에너지 저장수단으로서 배터리 이외에 연료전지(fuel cell)의 사용이 크게 늘어나고 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. 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.
수중운동체 내에는 상기 금속연료를 저장하는 금속연료저장소가 구비되며, 이 금속연료저장소에 저장된 금속연료는 수소발생장치(즉, reactor)로 공급되고, 전해질과의 반응으로 수소를 발생시킬 수 있다. 그리고 이와 같이 발생된 수소를 이용하여 에너지 생성한다.
도 1은 종래의 금속연료를 이용한 수소공급시스템의 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 금속연료 수소 발생기, 즉 리액터(10)는 금속연료를 공급받아 수소를 발생시키는데, 구체적으로는 워터탱크(2)와 촉매탱크(3)로부터 물과 촉매를 공급받아 수소를 발생시킨다.
알루미늄을 예를 들면, 알루미늄에서 수소를 발생시키는 반응식은 다음과 같다.
Al+3H2O+NaOH → Al(OH)3+NaOH+3/2H2
위 반응식과 같이 금속연료 수소 발생기에서 금속연료와 물, 촉매가 반응하여 수소가 발생된다. 위 반응식에서는 Al과 H2O로 나타나 있으나 Al, Mg 등 다른 금속 연료가 다양하게 적용될 수 있다.
여기서, 촉매제로 NaOH만 언급되었으나, KOH 등 다른 촉매제의 사용이 가능함은 물론이다.
리액터(10)에서 발생된 수소는 컨덴서(20)와 제습기(30)를 거쳐 고순도의 수소로 정제되며, 연료전지(50)로 공급된다. 한편, 연료전지(50)에서는 상기와 같이 공급된 수소를 산소탱크(60)로부터 공급받은 산소와 반응을 시켜 수중운동체에 필요한 전기에너지를 발생시킨다.
한편, 금속연료 수소 발생기에서 수소를 발생시키기 위해서는 많은 양의 물 공급이 필요하다. 하지만, 잠수함 등의 수중운동체 내에서는 공간적 제약이 크기 때문에 탑재할 수 있는 연료들의 양이 제한적이다. 그런데, 연료전지(50)에서의 수소와 산소의 전기화학 반응시 전기에너지의 생산과 함께 물이 생성되는데, 이를 활용할 수 있는 방안이 요청된다.
잠수함(대한민국 공개특허공보 제10-2009-0101089호)
본 발명의 목적은, 캐소드(Cathode) 측에서 생성된 물만 금속연료 수소 발생기에 활용함에 따라 밀폐된 잠수함 내에서 금속연료 수소 발생기에 연료전지에서 생성된 물을 안전하게 공급하여 사용할 수 있는 수중운동체의 수소공급시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 기존의 연료전지 반응수 탱크를 줄임과 동시에 금속연료 수소 발생기에 물을 공급하기 위한 워터탱크의 크기도 줄일 수 있는 수중운동체의 수소공급시스템을 제공하는데 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, 금속연료, 물, 촉매를 공급받아 수소를 발생시키는 리액터; 상기 리액터에 공급하는 물을 저장하는 워터탱크; 상기 워터탱크와 연료전지의 캐소드(Cathode) 측 사이에 연결되며, 상기 캐소드 측에서 생성된 물을 상기 워터탱크로 공급하는 제1공급라인; 및 상기 제1공급라인에 구비되는 제1펌프;를 포함하는 수중운동체의 수소공급시스템을 제공한다.
또한, 상기 연료전지의 애노드(Anode) 측에서 생성된 물은 반응수 탱크로 보내져 저장될 수 있다.
또한, 상기 리액터에 촉매를 공급하는 촉매탱크를 더 포함한다.
또한, 상기 연료전지에 산소를 공급하는 산소탱크를 더 포함한다.
또한, 상기 리액터로부터 공급된 수소를 정제하는 컨덴서와 제습기를 포함한다.
또한, 상기 컨덴서로부터 생성된 응축수를 상기 워터탱크로 공급하는 제2공급라인을 포함하며, 상기 제2공급라인은, 일단부는 상기 컨덴서에 연결되고, 타단부는 상기 제1공급라인에 연결될 수 있다.
또한, 상기 제2공급라인에는 제2펌프가 구비된다.
본 발명에 의하면, 캐소드(Cathode) 측에서 생성된 물만 금속연료 수소 발생기에 활용함에 따라 밀폐된 잠수함 내에서 금속연료 수소 발생기에 연료전지에서 생성된 물을 안전하게 공급하여 사용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면 기존의 연료전지 반응수 탱크를 줄임과 동시에 금속연료 수소 발생기에 물을 공급하기 위한 워터탱크의 크기도 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 금속연료 수소 발생기에서 발생된 수소를 연료전지에서 요구하는 조건에 맞추기 위한 과정에서 컨덴서가 필요한데, 이때 발생하는 응축수도 사용할 수 있는 장점이 있다. 이 경우 펌프는 공간적 제약을 반영하여 적어도 하나 이상 설치될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
도 1은 종래의 수중운동체의 수소공급시스템의 개념도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 수중운동체의 수소공급시스템의 개념도들이다.
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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수중운동체의 수소발생시스템에 관하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 수중운동체의 수소공급시스템의 개념도들이다.
도시된 수중운동체의 수소공급시스템(100)은 금속연료 수소 발생기(이하, 리액터)(10), 워터탱크(2), 촉매탱크(3), 컨덴서(20), 제습기(30), 연료전지(50), 산소탱크(60), 반응수 탱크(70), 제1공급라인(110), 제2공급라인(120), 제1펌프(130, 도 3 참조), 제2펌프(140, 도 4 참조)를 포함한다.
금속연료 수소 발생기, 즉 리액터(10)는 금속연료를 공급받아 수소를 발생시키는데, 구체적으로는 워터탱크(2)와 촉매탱크(3)로부터 물과 촉매를 공급받아 수소를 발생시킨다.
알루미늄을 예를 들면, 알루미늄에서 수소를 발생시키는 반응식은 다음과 같다.
Al+3H2O+NaOH → Al(OH)3+NaOH+3/2H2
위 반응식과 같이 금속연료 수소 발생기에서 금속연료와 물, 촉매가 반응하여 수소가 발생된다. 위 반응식에서는 Al과 H2O로 나타나 있으나 Al, Mg 등 다른 금속 연료가 다양하게 적용될 수 있다.
여기서, 촉매제로 NaOH만 언급되었으나, KOH 등 다른 촉매제의 사용이 가능함은 물론이다.
상기 리액터(10)에서 발생된 수소는 컨덴서(20)와 제습기(30)를 거쳐 고순도의 수소로 정제되며, 연료전지(50)로 공급된다.
한편, 연료전지(50)에서는 상기와 같이 공급된 수소를 산소탱크(60)로부터 공급받은 산소와 반응을 시켜 수중운동체에 필요한 전기에너지를 발생시킨다.
그런데 상기 리액터(10)에서 수소를 발생시키기 위해서는 많은 양의 물 공급이 필요하다. 이를 위해, 본 발명의 실시예들에서는 연료전지(50)에서의 수소와 산소의 전기화학 반응시 전기에너지와 함께 생성되는 물을 리액터(10)의 반응수로 사용할 수 있다.
구체적으로는, 상기 워터탱크(2)는 상기 리액터(10)에 반응수로 공급하는 물을 저장하는 장치이다. 그리고 연료전지(50)에서 생성된 물을 상기 워터탱크(2)로 공급하기 위하여, 상기 워터탱크(2)와 연료전지(50)의 캐소드(Cathode) 측 사이에는 제1공급라인(110)이 연결될 수 있다.
이에 따라, 연료전지(50)의 캐소드(Cathode) 측에서 생성된 물이 워터탱크(2)로 회수되어 반응수로 사용할 수 있게 된다. 그리고 연료전지(50)의 캐소드(Cathode) 측에서 생성된 물이 워터탱크(2)로 원활하게 공급될 수 있도록 제1공급라인(110)에는 제1펌프(130)가 설치되어 이용 가능하다.
한편, 상기 연료전지(50)의 애노드(Anode) 측에서 생성된 물은 별도의 반응수 탱크(70)로 보내져 저장될 수 있다.
여기서, 애노드(Anode)는 산화전극 또는 연료극으로 지칭되는 것으로, 연료인 수소의 전기화학적 산화가 일어난다. 그리고 캐소드(Cathode)는 환원전극 또는 공기극이라 지칭되는 것으로, 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어난다. 이때 발생되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생된다.
그리고, 아래의 반응식과 같이 이론적으로 반응물은 캐소드(Cathode) 측에서만 생성되지만, 실제로 연료전지를 가동하면 애노드(Anode) 측에서도 가습과 역확산 등의 이유로 물이 생성된다.
Anode : H2(g) → 2H+ ＋ 2e
Cathode : 1/2O2(g) ＋ 2H+ ＋ 2e- → H2O(l)
이 중에서, 애노드 측에서 생성된 물은 반응수 탱크(70)에 저장하고, 캐소드 측에서 생성된 물만을 워터탱크(2)로 공급하여 리액터(10)의 수소 발생 반응에 필요한 물로 사용하는 것이다. 이는 애노드 측에서 생성된 물에는 잔여 H2가 남아있을 가능성이 높아 따로 분류하여 기존의 반응수 탱크에 저장하는 것이다.
한편, 상기 리액터(10)에 촉매를 공급하는 촉매탱크(3)가 더 포함될 수 있으며, 상기 연료전지(50)에 산소를 공급하는 산소탱크(60)를 더 포함할 수 있으며, 상기 리액터(10)로부터 공급된 수소를 정제하는 컨덴서(20)와 제습기(30)를 더 포함할 수 있는데 이에 한정되지 않는다.
그리고 상기 리액터(10)에서 발생된 수소는 컨덴서(20)와 제습기(30)를 거쳐 고순도의 수소로 정제된 후 연료전지(50)로 공급된다.
그런데 이때 상기 컨덴서(20)에서는 상기 리액터(10)에서 발생된 수소의 정제 과정 중 응축수가 생성된다. 이러한 응축수를 워터탱크(2)로 회수하여 사용하기 위하여, 도 3 및 도 4를 참조하면 제2공급라인(120)과 제2펌프(140)를 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 제2공급라인(120)은 상기 컨덴서(20)로부터 생성된 응축수를 상기 워터탱크(2)로 공급하는 배관을 의미하는데, 상기 제2공급라인(120)은, 일단부는 상기 컨덴서(20)에 연결되고, 타단부는 상기 제1공급라인(110)에 연결될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
그리고 도 4를 참조하면, 상기 제2공급라인(120)에 제2펌프(140)가 개별적으로 더 구비되는데, 이를 통해 상기 컨덴서(20)에서 생성된 응축수가 상기 제2공급라인(120)을 통해 워터탱크(2)까지 원활하게 이송될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면, 캐소드(Cathode) 측에서 생성된 물만 금속연료 수소 발생기에 활용함에 따라 밀폐된 잠수함 내에서 금속연료 수소 발생기에 연료전지에서 생성된 물을 안전하게 공급하여 사용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 기존의 연료전지 반응수 탱크를 줄임과 동시에 금속연료 수소 발생기에 물을 공급하기 위한 워터탱크의 크기도 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 금속연료 수소 발생기에서 발생된 수소를 연료전지에서 요구하는 조건에 맞추기 위한 과정에서 컨덴서가 필요한데, 이때 발생하는 응축수도 사용할 수 있는 장점이 있다. 이 경우 펌프는 공간적 제약을 반영하여 적어도 하나 이상 설치될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
지금까지 본 발명인 수중운동체의 수소공급시스템에 관하여 바람직한 실시예들을 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.
2: 워터탱크
3: 촉매탱크
10: 리액터
20: 컨덴서
30: 제습기
40: 응축수 탱크
50: 연료전지
60: 산소탱크
70: 반응수 탱크
100: 수소공급시스템
110: 제1공급라인
120: 제2공급라인
130: 제1펌프
140: 제2펌프

Claims (7)

  1. 금속연료, 물, 촉매를 공급받아 수소를 발생시키는 리액터;
    상기 리액터에 공급하는 물을 저장하는 워터탱크;
    상기 워터탱크와 연료전지의 캐소드(Cathode) 측 사이에 연결되며, 상기 캐소드 측에서 생성된 물을 상기 워터탱크로 공급하는 제1공급라인;
    상기 제1공급라인에 구비되는 제1펌프;
    상기 리액터에 촉매를 공급하는 촉매탱크;
    상기 연료전지에 산소를 공급하는 산소탱크;
    상기 리액터로부터 공급된 수소를 정제하는 컨덴서와 제습기; 및
    상기 컨덴서로부터 생성된 응축수를 상기 워터탱크로 공급하는 제2공급라인;을 포함하며,
    상기 연료전지의 애노드(Anode) 측에서 생성된 물은 반응수 탱크로 보내져 저장되고,
    상기 제2공급라인은 일단부는 상기 컨덴서에 연결되고, 타단부는 상기 제1공급라인에 연결되며,
    상기 제2공급라인에는 제2펌프가 구비되는 수중운동체의 수소공급시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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