KR102614408B1 - 수중함의 수소발생장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수중함의 수소발생장치에 관한 것으로, 구체적으로는 잠수함과 같은 수중함에 구비되는 수소발생장치에서 수용액과 금속연료가 반응하여 수소를 발생할 시 부피가 작아져 더 이상 반응이 되지 못하는 금속연료를 분리기를 통하여 처리하도록 함과 동시에 계속적으로 수용액 및 금속연료가 공급되도록 하여 수소발생장치의 운용이 계속적으로 이루어지도록 함으로서 안정적인 수소 생성이 될 수 있도록 하는 수중함의 수소발생장치에 관한 것이다.
본 발명은 내측에 금속연료가 수용되는 공간이 형성되며, 일측에 상기 금속연료와 반응하기 위한 수용액이 공급되는 수용액 공급부가 연결되는 반응기로 구성되되, 상기 반응기는, 내부에서 반응하고 남은 고체인 금속연료는 보관탱크로 이송되고, 수용액은 다시 수용액 공급부로 이송되어 반응기의 내부로 유입되도록 하는 분리기가 구비되며, 상부에는 상기 수용액과 금속연료의 반응에 의해 발생되는 수소가 배출되는 수소 배출관이 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 내측에 금속연료가 수용되는 공간이 형성되며, 일측에 상기 금속연료와 반응하기 위한 수용액이 공급되는 수용액 공급부가 연결되는 반응기로 구성되되, 상기 반응기는, 내부에서 반응하고 남은 고체인 금속연료는 보관탱크로 이송되고, 수용액은 다시 수용액 공급부로 이송되어 반응기의 내부로 유입되도록 하는 분리기가 구비되며, 상부에는 상기 수용액과 금속연료의 반응에 의해 발생되는 수소가 배출되는 수소 배출관이 구비되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 수중함의 수소발생장치에 관한 것으로, 구체적으로는 잠수함과 같은 수중함에 구비되는 수소발생장치에서 수용액과 금속연료가 반응하여 수소를 발생할 시 부피가 작아져 더 이상 반응이 되지 못하는 금속연료를 분리기를 통하여 처리하도록 함과 동시에 계속적으로 수용액 및 금속연료가 공급되도록 하여 수소발생장치의 운용이 계속적으로 이루어지도록 함으로서 안정적인 수소 생성이 될 수 있도록 하는 수중함의 수소발생장치에 관한 것이다.
일반적으로 잠수함을 포함한 수중함 등에서는 에너지 저장수단으로서 배터리 이외에 연료전지(fuel cell)의 사용이 크게 늘어나고 있다.
연료전지는 연료의 산화에 의해 생기는 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 것으로 수소와 같은 기체 반응물질을 외부에서 연속적으로 공급하여 전기의 생성을 도모하고 반응 후 생성물질은 연속적으로 반응계의 외부로 배출시키는 점에 그 특징이 있는 고효율의 무공해 발전장치의 일종이라 할 수 있다.
이와 같이 수소를 연료로 사용하는 기술은 현재까지 많은 발전을 이루었지만 아직도 수소 연료를 안전하게 생산하고 저장 혹은 이동하는 기술은 수소 연료전지 분야에서 늘 요구되고 있다.
그러므로 수소를 발생시키고 저장하는 기술에 많은 노력이 집중되고 있으며, 그 중에 금속의 부식반응을 이용하여 수소를 발생하는 기술에는 이미 많은 선행 기술들이 존재하고 있다. 하지만, 아직도 수소 발생의 반응을 조절하거나 저장하는 기술은 개발에 어려움이 있어서 일반화 되지 못하는 실정이다.
특히, 수중함에서 수소를 계속적으로 발생시켜 연료전지로 이용하도록 하기 위해서는 수용액과 금속연료가 계속적으로 반응하면서 반응한 금속연료는 반응기 외측으로 배출되고, 새로운 금속연료가 계속적으로 공급되어야 한다.
그러나 기존에 수중함에서 사용 중인 수소발생장치는 연속적으로 연료를 추가적으로 공급하려면 반응기 내부에 사용하고 남은 금속연료가 누적되어 결국 반응기를 정지시킨 후에 연료를 제거해야 하므로 이에 따른 불편함이 있었다.
따라서 반응기를 정지시키게 되면, 정지 시킨 만큼 수소를 발생시키기 못하므로 수중함의 운용에 어려움이 있었고, 또한, 정지시킨 반응기에서 연료를 제거하려면 그만큼 작업공수가 소요되므로 경제적이지 못한 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 수소발생장치에서 수용액과 금속연료가 반응하여 수소를 발생할 시 부피가 작아져 더 이상 반응이 되지 못하는 금속연료를 분리기를 통하여 처리하도록 함과 동시에 계속적으로 수용액 및 금속연료가 공급되도록 하여 수소발생장치의 운용이 계속적으로 이루어지도록 함으로서 안정적인 수소 생성이 될 수 있도록 하는 수중함의 수소발생장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 내측에 금속연료가 수용되는 공간이 형성되며, 일측에 상기 금속연료와 반응하기 위한 수용액이 공급되는 수용액 공급부가 연결되는 반응기로 구성되되, 상기 반응기는, 내부에서 반응하고 남은 고체인 금속연료는 보관탱크로 이송되고, 수용액은 다시 수용액 공급부로 이송되어 반응기의 내부로 유입되도록 하는 분리기가 구비되며, 상부에는 상기 수용액과 금속연료의 반응에 의해 발생되는 수소가 배출되는 수소 배출관이 구비되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 분리기와 수용액 공급부의 중간에는, 상기 반응기에서 금속연료와 반응하여 발열반응에 의해 온도가 상승된 수용액의 온도를 냉각시키기 위해 구비되는 열교환기를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 반응기는, 그 내측에 하나 이상의 층으로 구성되는 필터가 구비되어 상기 수용액과 반응하여 사이즈가 순차적으로 작아진 금속연료가 하부로 낙하하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 필터는, 총 3개의 층으로 구성되며, 하부로 갈수록 투과망이 조밀하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 반응기는, 상기 최상층의 필터의 상부면으로 볼 형태의 금속연료를 공급하기 위한 금속연료 공급부를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 반응기는, 외측에 PH측정부가 연결되어 상기 반응기 내부의 촉매인 수용액의 농도를 조절하여 반응속도를 조절하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 반응기는, 외측에 상기 반응기 내부에서 수용액 및 금속연료가 수용액의 농도에 따라 반응할 시 발생되는 온도 및 압력을 측정하기 위한 압력 측정부 및 온도 측정부를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 수용액 공급부는, 상기 열교환기 사이에 구비되어 상기 반응기로 공급되는 수용액을 펌핑하는 펌프를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 펌프 및 반응기 사이에는, 수용액이 유입되는 양을 조절하기 위한 조절밸브를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속연료는, 마그네슘, 마그네슘합금, 알루미늄, 알루미늄합금 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 수용액은, 수산화나트륨으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 수중함의 수소발생장치에 의하면, 수소발생장치에서 수용액과 금속연료가 반응하여 수소를 발생할 시 부피가 작아져 더 이상 반응이 되지 못하는 금속연료를 분리기를 통하여 처리하도록 하여 기존과 같이 폐기될 금속연료를 제거하기 위해 수소발생장치를 멈추지 않아도 되어 계속적인 수소발생을 시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 분리기로 배출되는 수용액 및 금속연료 만큼 계속적으로 수용액 및 금속연료가 공급되기 때문에 연속적인 수소 생성이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 수중함의 수소발생장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부되는 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명의 수중함의 수소발생장치을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 수중함의 수소발생장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 수중함의 수소발생장치는, 내측에 금속연료가 수용되는 공간이 형성되며, 일측에 상기 금속연료와 반응하기 위한 수용액이 공급되는 수용액 공급부(110)가 연결되는 반응기(100)가 구비된다. 상기 반응기(100)는 하우징 형태로 구성되며, 내측에 금속연료 및 수용액이 서로 반응하기 위한 공간이 형성된다. 여기서 상기 금속연료는 마그네슘, 마그네슘합금, 알루미늄, 알루미늄합금 중 어느 하나일 수 있으며, 또한, 상기 수용액은 수산화나트륨이 될 수 있다.
또한, 상기 반응기(100)는, 내부에서 반응하고 남은 고체인 금속연료는 보관탱크(130)로 이송되고, 수용액은 다시 수용액 공급부(110)로 이송되어 반응기(100)의 내부로 유입되도록 하는 분리기(120)가 구비되며, 상부에는 상기 수용액과 금속연료의 반응에 의해 발생되는 수소가 배출되는 수소 배출관(101)이 구비된다. 상기 보관탱크(130)로 이송된 금속연료는 일정량이 모아지면 다시 금속연료로 제조되거나 폐기된다. 그러나 분리기(120)에서 분리된 금속연료의 경우 예를 들어 금속연료가 Al일 경우 수용액과 반응하면 2Al(OH)2이기 때문에 보관탱크(130)로 보내져 추후 거의 폐기되거나, 상기 분리기(120)에서 반응하기 않은 Al을 분리하여 재사용하게 된다.
한편, 상기 수용액 공급부(110)에는 수용액 저장탱크(111)와 물 저장탱크(112)가 연결된다. 상기 분리기(120)에서 분리된 수용액은 다시 반응기(100)로 유입되는데 이때 유입되는 수용액의 농도가 옅을 경우에는 수용액이 공급되고, 수용액의 농도가 짙을 때는 물 저장탱크(112)에서 물이 공급되어 반응기(100)의 내부는 항상 일정한 PH를 유지하게 되는 것이다.
한편, 상기 분리기(120)와 수용액 공급부(110)의 중간에는, 상기 반응기(100)에서 금속연료와 반응하여 발열반응에 의해 온도가 상승된 수용액의 온도를 냉각시키기 위해 구비되는 열교환기(140)가 구비된다. 즉, 상기 반응기(100)에서 수용액과 금속연료는 서로 반응하여 수소를 생성할 시 발열반응이 일어나기 때문에 수용액의 온도는 상승하게 된다. 따라서 다시 반응기(100)로 유입시킬 시 이를 냉각하기 위하여 열교환기(140)가 구비되는 것이다.
한편, 상기 반응기(100)는, 그 내측에 하나 이상의 층으로 구성되는 필터(150)가 구비되어 상기 수용액과 반응하여 사이즈가 순차적으로 작아진 금속연료가 하부로 낙하하도록 구성된다. 즉, 상기한 금속연료는 수용액과 반응하면서 표면이 벗겨지고 다시 막이 생성되며, 막이 생성된 금속연료는 수용액과 반응하면서 표면이 벗겨지게 된다. 이와 같은 과정을 반복하면서 금속연료의 사이즈는 점차 작아지게 된다. 따라서 상기 필터(150)는, 하부로 갈수록 필터(150)의 조밀함이 작아지도록 구성되기 때문에 점점 작아지는 금속연료들은 하부로 계속 낙하하게 되는 것이다. 도면에서는 상기 필터(150)가 총 3개 층으로 구성되며, 하부로 갈수록 투과망이 조밀하게 형성되도록 도시되었으나, 필터(150)의 개수는 반응기(100)의 용량 즉, 발생되는 수소의 양에 대응하여 적절하게 구성하여 사용이 가능하다.
한편, 상기 최상층의 필터(150)의 상부면으로 볼 형태의 금속연료를 공급하기 위한 금속연료 공급부(160)가 구비된다.
즉, 상기한 금속연료의 경우 볼 형태로 반응기(100)의 내부로 공급되기 때문에 수용액과 반응하여 부피가 작아진 금속연료들은 각 층의 필터(150)들을 통과하여 최종적으론 분리기(120)로 유입되며, 사용된 양만큼의 금속연료는 상기 금속연료 공급부(160)로부터 계속적으로 공급된다. 또한, 금속연료 공급부(160)에서 공급되는 금속연료는 공급이 원활하도록 물과 함께 반응기(100)의 내부로 공급된다. 상기 물은 물 저장탱크(161)에 저장되며, 금속연료가 공급되는 라인과 연결되어 금속연료와 물이 동시에 공급된다.
한편, 상기 반응기(100)는, 외측에 PH측정부(170)가 연결되어 상기 반응기(100) 내부의 촉매인 수용액의 농도를 조절하여 반응속도를 조절하게 된다. 즉, 반응기(100) 내부에는 수용액의 양 및 농도에 따라 금속연료와 반응하기 때문에 상기 PH측정부(170)를 통하여 수소의 생성량을 균일하게 조절하기 위한 것이다. 따라서 상기 PH측정부(170)에 의해 수용액의 농도를 감지하게 되고, 수용액의 농도가 짙거나 옅을 경우 상기한 수용액 저장탱크(111) 또는 물 저장탱크(112)를 통하여 수용액 또는 물을 적절하게 공급하게 되는 것이다.
한편, 상기 반응기(100)는, 외측에 상기 반응기(100) 내부에서 수용액 및 금속연료가 수용액의 농도에 따라 반응할 시 발생되는 온도 및 압력을 측정하기 위한 압력 측정부(171) 및 온도 측정부(172)가 더 구비될 수 있다. 이는 반응기(100) 내부에서 수용액과 금속연료가 반응하면서 발생되는 열 및 압력을 측정하여 안정적으로 수소를 발생시키기 위한 것이다.
즉, 상기한 PH측정부(170), 압력 측정부(171) 및 온도 측정부(172)는 반응기(100) 내부에서 수용액과 금속연료가 서로 반응할 시 반응기(100)의 내부의 압력 및 수용액의 농도 이 세 가지 사항을 모두 측정하면서 수소를 발생시키도록 하기 때문에 보다 순도 높은 수소를 발생시킴과 동시에 안정적인 수소 생성이 되는 것이다.
한편, 상기 수용액 공급부(110)는, 상기 열교환기(140) 사이에 구비되어 상기 반응기(100)로 공급되는 수용액을 펌핑하는 펌프(180) 및 상기 펌프(180) 및 반응기(100) 사이에는, 수용액이 유입되는 양을 조절하기 위한 조절밸브(181)가 더 구비될 수 있다.
따라서 상기 열교환기(140)에서 냉각된 수용액이 다시 반응기(100)의 내부로 유입될 시 반응기(100) 내부에 있는 수용액의 양 및 농도에 따라 안정적으로 수용액이 공급되도록 하기 위한 것이다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 수중함의 수소발생장치의 작동상태에 대하여 살펴보기로 한다.
우선 상기 반응기(100)의 내부에 수용액 및 볼 형태의 금속연료를 투입하고, 구동시키게 되면, 반응기(100)의 내부의 수용액과 금속연료는 서로 반응하여 수소를 발생시키고 이렇게 발생된 수소는 수소 배출관(101)으로 배출되어 수중함의 연료로 사용이 된다.
이와 같이 반응기(100)에서 수용액 및 금속연료가 서로 반응하면서 금속연료는 그 부피가 작아져 최상층의 필터(150)를 통과하여 바로 아래층 필터(150)의 상부에 안착하게 된다. 이후, 그 크기가 더 작아지게 되면 최하층의 필터(150)까지 통과하게 되면, 수용액과 같이 분리기(120)로 유입된다. 이와 같이 분리기(120)로 유입된 수용액과 금속연료 중 금속연료는 보관탱크(130)로 이송되어 모아지게 된다.
한편, 상기 수용액은 다시 반응기(100)의 내부로 유입되어 새로 투입되는 금속연료와 반응을 하게 된다. 이때 상기 분리기(120)에서 배출되는 수용액은 반응기(100)에서 금속연료와 반응하면서 발열반응에 의해 온도가 높아졌기 때문에 수용액의 온도를 낮추고자 열교환기(140)를 거쳐 냉각되어 다시 반응기(100)로 유입되는 것이다. 이 때 상기 수용액이 순환하면서 소진되거나 그 농도의 변화가 필요할 시에는 상기 수용액 저장탱크(111)를 통하여 수용액이 공급되거나, 또는 물 저장탱크(112)를 통하여 물이 공급되어 수용액의 농도를 조절할 수 있게 된다.
여기서 상기 반응기(100)에서 배출된 금속연료는 금속연료 공급부(160)를 통하여 배출되는 양에 비례하여 반응기(100)로 공급된다.
이와 같이 수용액은 계속적으로 순환되어 반응기(100)의 내측으로 유입되며, 금속연료는 수용액과 반응하여 소요된 만큼 금속연료 공급부(160)를 통하여 반응기(100)로 공급되기 때문에 기존과 같이 금속연료의 소진으로 인해 수소발생장치의 구동을 멈추지 않아도 되므로 수소발생의 효율이 높아지게 되는 것이다.
이상에서 설명된 본 발명의 수중함의 수소발생장치의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
100 : 반응기 101 : 수소 배출관
110 : 수용액 공급부 111 : 수용액 저장탱크
112 : 물 저장탱크 120 : 분리기
130 : 보관탱크 140 : 열교환기
150 : 필터 160 : 금속연료 공급부
170 : PH측정부 171 : 압력 측정부
172 : 온도 측정부 180 : 펌프
181 : 조절밸브
110 : 수용액 공급부 111 : 수용액 저장탱크
112 : 물 저장탱크 120 : 분리기
130 : 보관탱크 140 : 열교환기
150 : 필터 160 : 금속연료 공급부
170 : PH측정부 171 : 압력 측정부
172 : 온도 측정부 180 : 펌프
181 : 조절밸브
Claims (11)
- 내측에 금속연료가 수용되는 공간이 형성되며, 일측에 상기 금속연료와 반응하기 위한 수용액이 공급되는 수용액 공급부(110)가 연결되는 반응기(100)로 구성되되,
상기 반응기(100)는, 내부에서 반응하고 남은 고체인 금속연료는 보관탱크(130)로 이송되고, 수용액은 다시 수용액 공급부(110)로 이송되어 반응기(100)의 내부로 유입되도록 하는 분리기(120)가 구비되며, 상부에는 상기 수용액과 금속연료의 반응에 의해 발생되는 수소가 배출되는 수소 배출관(101)이 구비되고,
상기 반응기(100)는 외측에 PH측정부(170)가 연결되어 상기 반응기(100) 내부의 촉매인 수용액의 농도를 조절하여 반응속도를 조절하며,
상기 금속연료는 마그네슘, 마그네슘합금, 알루미늄, 알루미늄합금 중 어느 하나로 구성되고,
상기 수용액은 수산화나트륨으로 구성되며,
상기 분리기(120)에서 분리된 금속연료가 Al인 경우 상기 보관탱크(130)로 보내져 폐기되거나, 상기 분리기(120)에서 반응하지 않은 Al를 분리하여 재사용되며,
상기 분리기(120)와 수용액 공급부(110)의 중간에는 상기 반응기(100)에서 금속연료와 반응하여 발열반응에 의해 온도가 상승된 수용액의 온도를 냉각시키기 위해 구비되는 열교환기(140)를 더 포함하고,
상기 반응기(100)는 그 내측에 하나 이상의 층으로 구성되는 필터(150)가 구비되어 상기 수용액과 반응하여 사이즈가 순차적으로 작아진 금속연료가 하부로 낙하하도록 구성되며,
상기 필터(150)는 총 3개의 층으로 구성되며, 하부로 갈수록 투과망이 조밀하게 형성되고,
상기 반응기(100)는 최상층의 필터(150)의 상부면으로 볼 형태의 금속연료를 공급하기 위한 금속연료 공급부(160)를 더 포함하며,
상기 반응기(100)는 외측에 상기 반응기(100) 내부에서 수용액 및 금속연료가 수용액의 농도에 따라 반응할 시 발생되는 온도 및 압력을 측정하기 위한 압력 측정부(171) 및 온도 측정부(172)를 더 포함하고,
상기 수용액 공급부(110)는 상기 열교환기(140) 사이에 구비되어 상기 반응기(100)로 공급되는 수용액을 펌핑하는 펌프(180)를 더 포함하며,
상기 펌프(180) 및 반응기(100) 사이에는, 수용액이 유입되는 양을 조절하기 위한 조절밸브(181)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중함의 수소발생장치. - 삭제
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