KR102614407B1 - 수중운동체의 수소공급 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따르면, 금속연료, 물, 촉매를 공급받아 수소를 발생시키는 리액터(Reactor)를 포함하는 수중운동체의 수소공급 시스템으로서, 상기 리액터로부터 발생된 수소를 공급받아 저장하며 설정압력으로 수소를 연료전지에 공급하는 버퍼 탱크; 및 상기 버퍼 탱크와 배관 연결되어 수소를 저장하는 수소저장합금을 갖는 수소실린더;를 포함하며, 상기 연료전지의 수소요구량에 비해 상기 리액터의 수소생성량이 클 경우 잉여 수소를 상기 수소실린더에 저장하며, 상기 연료전지의 수소요구량에 비해 상기 리액터의 수소생성량이 작을 경우 상기 수소실린더에 저장된 수소를 공급받아 사용하는 것을 특징으로 하는 수중운동체의 수소공급 시스템을 제공한다.
Description
본 발명의 실시예들은 수중운동체의 수소공급 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소를 연료로 하는 잠수함에서 금속연료 수소발생기와 수소저장실린더가 하이브리드로 구성되어 연료전지에 수소를 공급할 수 있는 수중운동체의 수소공급 시스템 및 방법에 관한 것이다.
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.
본 발명의 목적은, 연료전지의 수소요구량 변화에 따라 즉각적으로 유량조절이 가능하며, 리액터에서는 설정된 조건하에서 지속적인 운전이 가능하여 반응 효율이 향상될 수 있는 수중운동체의 수소공급 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 수소저장합금에서 필요한 열에너지를 금속연료의 반응 열에너지에서 공급받을 수 있어 추가 에너지의 사용이 필요하지 않으며, 리액터에서 발생하는 수소의 압력으로 수소저장합금에 수소가 저장될 수 있어 수소 저장을 위해 추가 에너지의 사용이 필요하지 않는 수중운동체의 수소공급 시스템 및 방법을 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(Reactor)를 포함하는 수중운동체의 수소공급 시스템으로서, 상기 리액터로부터 발생된 수소를 공급받아 저장하며 설정압력으로 수소를 연료전지에 공급하는 버퍼 탱크; 및 상기 버퍼 탱크와 배관 연결되어 수소를 저장하는 수소저장합금을 갖는 수소실린더;를 포함하며, 상기 연료전지의 수소요구량에 비해 상기 리액터의 수소생성량이 클 경우 잉여 수소를 상기 수소실린더에 저장하며, 상기 연료전지의 수소요구량에 비해 상기 리액터의 수소생성량이 작을 경우 상기 수소실린더에 저장된 수소를 공급받아 사용하는 것을 특징으로 하는 수중운동체의 수소공급 시스템을 제공한다.
이때, 상기 수소실린더에 잉여 수소를 저장할 때의 발열반응 시, 해수 또는 청수를 상기 수소실린더로 순환시켜 냉각수로 활용할 수 있다.
또한, 상기 수소실린더에 저장된 수소를 공급받아 사용할 때의 흡열반응 시, 상기 리액터 또는 컨덴서의 폐열을 열원으로 활용할 수 있다.
삭제
또한, 상기 리액터를 수용하며, 수소 발생 반응 시 상기 리액터의 온도를 조절하는 베슬(Vessel)을 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 수중운동체의 수소공급 시스템을 이용하는 수중운동체의 수소공급 방법으로서, (a) 상기 리액터의 내부에 금속연료, 물, 촉매를 공급하는 단계; (b) 상기 리액터에서 발생되는 수소를 상기 버퍼 탱크에 저장하는 단계; 및 (c) 상기 연료전지의 수소요구량과 상기 리액터의 수소생성량을 비교하여, 상기 연료전지의 수소요구량에 비해 상기 리액터의 수소생성량이 클 경우, 상기 수소저장합금에 수소를 저장하고, 상기 연료전지의 수소요구량에 비해 상기 리액터의 수소생성량이 작을 경우 상기 수소저장합금에 저장된 수소를 공급받아 사용하는 단계;를 포함하는 수중운동체의 수소공급 방법을 제공한다.
상기 (c) 단계에서, 상기 수소실린더에 잉여 수소를 저장할 때의 발열반응 시, 해수 또는 청수를 상기 수소실린더로 순환시켜 냉각수로 활용하며, 상기 수소실린더에 저장된 수소를 공급받아 사용할 때의 흡열반응 시, 상기 리액터 또는 컨덴서의 폐열을 열원으로 활용할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 수중운동체의 수소공급 시스템의 개념도들.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수중운동체의 수소공급 방법을 간략히 도시한 순서도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수중운동체의 수소공급 방법을 간략히 도시한 순서도.
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 실시예에 따른 수중운동체 수소공급 시스템 및 수소 관리방법에 관하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
도면에서, 도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 수중운동체의 수소공급 시스템의 개념도들이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수중운동체의 수소공급 시스템(100)은 금속연료, 물, 촉매를 공급받아 수소를 발생시키는 리액터(Reactor)(110)를 포함하는 수중운동체의 수소공급 시스템으로서, 베슬(120), 컨덴서(140), 팬 유닛(150), 제습기(160), 버퍼 탱크(170), 수소실린더(180)를 포함한다.
버퍼 탱크(170)는 상기 리액터(110)로부터 발생된 수소를 공급받아 저장하며 설정압력으로 수소를 연료전지(Fuel Cell)에 공급할 수 있다.
수소실린더(180)는 다수 개가 구비될 수 있으며, 상기 버퍼 탱크(170)와 배관 연결되어 수소를 저장하는 수소저장합금을 갖는 형태로 이루어질 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
만일, 연료전지의 수소요구량에 비해 상기 리액터(110)의 수소생성량이 클 경우, 연료전지에서 사용되고 남은 수소(이하, 잉여 수소라 함)를 상기 수소실린더(180)에 저장할 수 있다.
연료전지의 수소요구량에 비해 상기 리액터(110)의 수소생성량이 클 경우, 잉여 수소를 수소실린더(180)에 저장하는 모습을 확인할 수 있다. 바람직하게는 버퍼 탱크(170)와 수소실린더(180) 사이에는 수소저장배관(181)이 구비될 수 있으며, 수소저장배관(181)에는 다수의 수소실린더(180) 각각에 대해 연결되는 분기된 배관들이 포함될 수 있는데, 반드시 이에 제한되지는 않는다.
이때, 상기 수소실린더(180)에 잉여 수소를 저장할 때의 반응은 발열반응이므로, 해수 또는 청수를 순환시켜 이를 상기 발열반응의 냉각수로 활용할 수 있다.
한편, 이와 반대로 연료전지의 수소요구량에 비해 상기 리액터(110)의 수소생성량이 작을 경우 상기 수소실린더(180)에 저장된 수소를 공급받아 사용할 수 있다.
여기서, 수중운동체라 함은, 수중에서 이동 가능한 장치로서, 대표적인 것으로 잠수함을 예로 들 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
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 있어 고효율의 무공해 발전장치일 수 있다.
그리고 금속연료라 함은, 고순도의 금속, 예를 들면 알루미늄, 마그네슘, 아연, 나트륨 등을 말하는데, 이들은 특정한 조건에서 산성/알칼리 용액과 반응하여 수소를 발생시킬 수 있다.
상기 리액터(110)는 금속연료, 물, 촉매를 공급받아 수소를 발생시킬 수 있는 장치로서, 금속연료는 상기 리액터(110)로 공급되고, 수소를 발생시킬 수 있다. 그리고 이와 같이 발생된 수소를 이용하여 에너지 생성한다.
예를 들면, 알루미늄(Al), 물(H2O), 그리고 촉매(NaOH)를 이용하여 아래의 반응식과 같은 반응이 나타날 수 있다.
Al+3H2O+NaOH→Al(OH)3+NaOH+3/2H2
상기 반응식에서는 알루미늄(Al)이 이용되었으나, 이와 달리 상기 금속연료로는 Al, Mg 등이 다양하게 이용 가능하며, 이에 한정되지 않는다.
상기 베슬(120)은 상기 리액터(110)를 수용하며, 수소 발생 반응 시 상기 리액터의 온도를 제어하는 기능을 제공한다.
삭제
상기 베슬(120)은 상기 리액터(110)를 내부공간에 수용하는 용기 형상 부재로 이루어질 수 있다. 그리고 이의 내부공간으로 유체가 통과하는 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 베슬(120)의 내부로 유입되는 유체는, 상기 수중운동체의 청수탱크로부터 공급된 청수를 이용하거나 또는 해수를 그대로 이용할 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
한편, 상기 컨덴서(140)에 냉각타워(Cooling Tower)로부터 유체가 공급되는데, 별도의 펌프(107)가 구비될 수 있으며, 이 유체는 상기 컨덴서(140)에서 열교환되어 상기 리액터(110)에서 공급받은 수소는 냉각될 수 있다.
예컨대, 버퍼 탱크(170)의 압력이 상승하면, 상기 수소실린더(180)의 밸브가 개방되어 상기 버퍼 탱크(170)에 저장된 수소가 상기 수소저장합금으로 공급되어 저장될 수 있다.
이와 달리, 만일, 상기 연료전지의 부하 높아지거나 또는 상기 리액터(110)의 수소발생량이 감소되면, 상기 수소저장합금에 저장된 수소가 상기 버퍼 탱크(170)로 공급되어 연료전지로 공급될 수 있다. 이를 위해, 상기 버퍼 탱크(170)와 상기 수소실린더(180) 사이에는 수소공급배관(181)이 설치 이용될 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 수중운동체의 수소공급 시스템으로서, 연료전지의 수소요구량에 비해 리액터의 수소생성량이 작은 경우를 보여준다.
먼저, 도 1을 참조하면, 연료전지의 수소요구량에 비해 상기 리액터(110)의 수소생성량이 작을 경우로서, 필요한 부족분의 수소를 수소실린더(180) 수소를 공급받아 사용할 수 있다.
이 경우, 수소실린더(180), 더 구체적으로는 수소실린더에 내장된 수소저장합금으로부터 수소를 공급받을 때 흡열반응이 발생된다. 만일 온도가 낮아지면 수소저장합금 내의 수소 탈장 속도가 낮아지므로 원활하게 수소를 공급하기 위해서는 열원이 공급되어야 한다. 이를 위해, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 리액터(110)의 폐열을 상기 수소실린더(180)에 열원(HW)으로 공급하여 수소를 원활하게 공급할 수 있다.
도 2를 참조하면, 리액터(110)의 폐열을 수소저장합금의 흡열반응에 필요한 열원으로 활용하는 방식과 달리, 상기 컨덴서(140)에서 열교환된 유체, 즉 온수를 상기 수소실린더(180)에 열원(HW)으로 공급하여 수소를 원활하게 공급할 수 있다.
이와 같이 잉여 수소가 생길 경우에는 해수 또는 청수를 냉각수로 사용하여 수소실린더(180)에 저장할 수 있으며, 반대로 연료전지의 수소요구량에 비해 리액터(110)에서 생성되는 수소생성량이 부족할 경우 수소실린더(180)에 저장된 수소를 리액터(110) 또는 컨덴서(140)의 폐열을 활용하여 원활하게 공급할 수 있어, 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 리액터(110)에서 발생하는 열원이 상기 수소실린더(180)에서 요구되는 열원보다 클 수 있으므로, 일정유량을 바이패스 될 수 있게 구성될 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수중운동체의 수소공급 방법의 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수중운동체의 수소공급 방법은, 먼저, 상기 리액터의 내부에 금속연료, 물, 촉매를 공급하는 단계(S110)가 수행될 수 있다.
다음으로, 상기 리액터에서 발생되는 수소를 정제하고 버퍼 탱크에 저장하며 필요 시 연료전지에 공급하는 단계(S120)가 수행될 수 있다.
그 다음으로, 상기 연료전지의 수소요구량과 상기 리액터의 수소생성량을 비교하는 단계(S130)가 수행될 수 있다. 이 비교 단계(S130)를 통해, 만일 상기 연료전지의 수소요구량에 비해 상기 리액터의 수소생성량이 클 경우, 상기 수소저장합금에 수소를 저장하는 단계(S140)가 수행될 수 있다. 이와 반대로, 만일 상기 연료전지의 수소요구량에 비해 상기 리액터의 수소생성량이 작을 경우 상기 수소저장합금에 저장된 수소를 공급받아 사용하는 단계(S150)가 수행될 수 있다.
이때, 상기 수소실린더에 잉여 수소를 저장할 때의 발열반응 시, 해수 또는 청수를 상기 수소실린더로 순환시켜 냉각수로 활용할 수 있다.
이와 반대로, 상기 수소실린더에 저장된 수소를 공급받아 사용할 때의 흡열반응 시, 상기 리액터 또는 컨덴서의 폐열을 열원으로 활용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면, 연료전지의 수소요구량 변화에 따라 즉각적으로 유량조절이 가능한 장점이 있으며, 이에 따라 리액터는 설정 조건하에서 지속적인 운전이 가능하여 반응 효율이 향상될 수 있다,
또한, 수소저장합금에서 필요한 열에너지를 금속연료의 반응 열에너지에서 공급받을 수 있어 추가 에너지의 사용을 요구하지 않으며, 리액터에서 발생하는 수소의 압력으로 수소저장합금에 수소가 저장될 수 있어 수소 저장을 위해 추가 에너지의 사용을 요구하지 않는 장점이 있다.
지금까지 본 발명인 수중운동체 수소공급 시스템 및 방법에 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.
100: 수중운동체의 수소공급 시스템
110: 리액터
120: 베슬
140: 컨덴서
150: 팬 유닛
160: 제습기
170: 버퍼 탱크
180: 수소실린더
181: 수소저장배관
183: 제1 순환배관
185: 제2 순환배관
110: 리액터
120: 베슬
140: 컨덴서
150: 팬 유닛
160: 제습기
170: 버퍼 탱크
180: 수소실린더
181: 수소저장배관
183: 제1 순환배관
185: 제2 순환배관
Claims (7)
- 금속연료, 물, 촉매를 공급받아 수소를 발생시키는 리액터(Reactor)를 포함하는 수중운동체의 수소공급 시스템으로서,
상기 리액터로부터 발생된 수소를 공급받아 저장하며 설정압력으로 수소를 연료전지에 공급하는 버퍼 탱크;
상기 버퍼 탱크와 배관 연결되어 수소를 저장하는 수소저장합금을 갖는 수소실린더; 및
상기 리액터를 수용하며, 수소 발생 반응 시 상기 리액터의 온도를 조절하는 베슬(Vessel);을 포함하며,
상기 수소실린더에 잉여 수소를 저장할 때의 발열반응 시, 해수 또는 청수를 상기 수소실린더로 순환시켜 냉각수로 활용하고,
상기 수소실린더에 저장된 수소를 공급받아 사용할 때의 흡열반응 시, 상기 리액터 또는 컨덴서의 폐열을 열원으로 활용하며,
상기 연료전지의 수소요구량에 비해 상기 리액터의 수소생성량이 클 경우 잉여 수소를 상기 수소실린더에 저장하며, 상기 연료전지의 수소요구량에 비해 상기 리액터의 수소생성량이 작을 경우 상기 수소실린더에 저장된 수소를 공급받아 사용하며,
상기 버퍼 탱크의 압력 상승 시, 상기 수소실린더의 밸브가 개방되어 상기 버퍼 탱크에 저장된 수소가 상기 수소저장합금으로 공급 및 저장되고,
상기 연료전지의 부하가 높아지거나 상기 리액터의 수소발생량이 감소되면, 상기 수소저장합금에 저장된 수소가 상기 버퍼 탱크로 공급되어 연료전지로 공급되는 것을 특징으로 하는 수중운동체의 수소공급 시스템.
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- 제1항의 수중운동체의 수소공급 시스템을 이용하는 수중운동체의 수소공급 방법으로서,
(a) 상기 리액터의 내부에 금속연료, 물, 촉매를 공급하는 단계;
(b) 상기 리액터에서 발생되는 수소를 상기 버퍼 탱크에 저장하는 단계; 및
(c) 상기 연료전지의 수소요구량과 상기 리액터의 수소생성량을 비교하여, 상기 연료전지의 수소요구량에 비해 상기 리액터의 수소생성량이 클 경우, 상기 수소저장합금에 수소를 저장하고, 상기 연료전지의 수소요구량에 비해 상기 리액터의 수소생성량이 작을 경우 상기 수소저장합금에 저장된 수소를 공급받아 사용하는 단계;를 포함하는 수중운동체의 수소공급 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 수소실린더에 잉여 수소를 저장할 때의 발열반응 시, 해수 또는 청수를 상기 수소실린더로 순환시켜 냉각수로 활용하며,
상기 수소실린더에 저장된 수소를 공급받아 사용할 때의 흡열반응 시, 상기 리액터 또는 컨덴서의 폐열을 열원으로 활용하는 것을 특징으로 하는 수중운동체의 수소공급 방법.
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Applications Claiming Priority (1)
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