KR102618262B1 - 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따르면, 다공성의 내부 반응기와, 상기 내부 반응기를 둘러 감싸 배치되며, 측면을 관통하여 다수의 촉매 수용액 주입구가 형성되는 외부 반응기를 포함하는 반응부와, 상기 내부 반응기에 상하로 적층되는 다수의 카트리지형 금속연료를 포함하며, 상기 촉매 수용액 주입구를 통해 주입된 촉매는 상기 내부 반응기의 하부로 유입되는 구조로 이루어지는 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템을 제공한다.
Description
본 발명의 실시예는 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템에 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.
도 1은 금속연료를 이용한 수소공급 시스템의 개념도이다. 도 1을 참조하면, 도시된 종래의 수소공급 시스템(1)은 리액터(10), 베슬(20), 컨덴서(40), 팬 유닛(50), 그리고 제습기(60)를 포함하여 구성되어 있었다. 리액터(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, 이와 같은 금속연료를 이용하여 수소가 발생되는 반응은 특정 온도에서 활발하게 진행되기 때문에, 원활한 반응을 위해 특정 온도로 유지시켜주는 것이 요구된다. 특히, 시스템의 초기 가동 시에는 초기 반응을 위해 필요한 열 에너지를 공급하므로 추가적인 장비와 에너지의 사용이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 이중구조의 반응기를 가지고 금속연료를 카트리지 형태로 공급하는 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템을 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, 다공성의 내부 반응기와, 상기 내부 반응기를 둘러 감싸 배치되며, 측면을 관통하여 다수의 촉매 수용액 주입구가 형성되는 외부 반응기를 포함하는 반응부와, 상기 내부 반응기에 상하로 적층되는 다수의 카트리지형 금속연료를 포함하며, 상기 촉매 수용액 주입구를 통해 주입된 촉매는 상기 내부 반응기의 하부로 유입되는 구조로 이루어지는 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템을 제공한다.
상기 내부 반응기는, 외면을 둘러 간격을 두고 형성된 다수의 타공이 형성되며, 내부가 비워진 실린더 형상을 가질 수 있다.
상기 다수의 카트리지형 금속연료는, 상기 실린더 형상의 내부 반응기의 내부 빈 공간에 수납 가능하도록 각각이 일정한 높이를 갖는 디스크 형상으로 이루어져 상기 내부 반응기 내에 상하로 적층 보관되며, 상기 적층된 다수의 카트리지형 금속연료 중 최하단의 카트리지형 금속연료부터 수소 발생 반응에 순차로 이용될 수 있다.
상기 촉매 수용액 주입구는, 상기 최하단의 카트리지형 금속연료에 대향하여 위치할 수 있다.
상기 내부 반응기와 상기 외부 반응기 사이에는 설정 간격이 유지될 수 있다.
상기 내부 반응기의 상부 중앙을 통해 상기 반응부에서 발생된 수소가 배출되어 수소 공급라인을 통해 외부 공급이 가능할 수 있다.
상기 수소 공급라인을 통해 공급되는 수소를 정제하는 수소 정제부를 포함하며, 상기 수소 정제부는, 컨덴서, 팬 유닛, 제습기 중 하나 이상을 포함한다.
상기 반응부의 초기 동작 시, 상기 다수의 카트리지형 금속연료 중 최하단의 금속연료의 수소 발생 반응에 필요한 열원을 제공하는 시동용 가열장치를 더 포함한다.
본 발명에 의하면, 금속연료 수소발생기에서 수소를 발생시켜 수중운동체에 공급하는 수소공급 시스템에 있어서, 카트리지형 금속연료를 사용하되, 시동용 가열장치를 이용하여 하나의 카트리지형 금속연료에 대한 수소 발생 반응을 일으킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 여러 층으로 적층되는 구조의 다공성을 가진 카트리지 내에 금속 연료(예: 알루미늄 등)이 담겨 있고, 반응기의 촉매 주입구를 통해 수용액이 분사되는 구조를 가짐에 따라, 연속적으로 수소발생이 가능하고 금속 연료의 공급이 용이한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 카트리지를 다공성으로 만들어 수용액이 금속연료와 반응하기 용이하며, 생성물인 수소를 배출하기 용이한 장점이 있다.
도 1은 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템의 개념도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템의 개념도.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 반응기의 동작 구성을 간략히 도시한 개념도들.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템의 개념도.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 반응기의 동작 구성을 간략히 도시한 개념도들.
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 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템에 관하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템의 개념도이다.
도 2를 참조하면, 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템(100)은, 외부 반응기(110)와 외부 반응기(120)를 포함하는 반응부(110, 120)와, 카트리지형 금속연료(130)를 포함한다.
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 연료전지(180)가 사용된다.
연료전지(180)는 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.
고순도의 금속, 예를 들면 알루미늄, 마그네슘, 아연, 나트륨 등은 특정한 조건에서 산성/알칼리 용액과 반응하게 되어 수소를 발생시킬 수 있으며, 이를 금속연료라 지칭한다.
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
반응부(110, 120)는 다공성의 내부 반응기(120)와, 상기 내부 반응기(120)를 둘러 감싸 배치되며, 측면을 관통하여 다수의 촉매 수용액 주입구(110a)가 형성되는 외부 반응기(110)를 포함한다.
외부 반응기(110)는 적어도 둘 이상의 촉매 수용액 주입구(110a)를 구비하며, 도 2에 도시된 형태와 같이 원통형으로 형성될 수 있다. 그리고 내부 반응기(120)를 내부 빈 공간에 수납할 수 있다.
내부 반응기(120)는 외부 반응기(110)와 사이에 일정 간격을 두고 그 중앙에 배치될 수 있다. 이러한 간격을 통해 주입된 촉매 수용액이 중력에 의해 내부 반응기(120)의 하부로 유입되어 수소 발생 반응이 일어난다.
내부 반응기(120)는 내부가 비워진 실린더 형상을 갖도록 구성된다.
그리고 이러한 내부 반응기(120)에는 외면을 둘러 간격을 두고 형성된 다수의 타공(121)이 형성된다.
이러한 내부 반응기(120)의 내부 빈 공간을 통해 다수의 카트리지형 금속연료(130)가 적층 방식으로 수납 가능한데, 상기 타공(121)에 의해 촉매 수용액(이하 간략히 '수용액'이라 함)이 금속연료와 반응하기 쉬워질 수 있다.
구체적으로는, 다수의 카트리지형 금속연료(130)는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 실린더 형상의 내부 반응기(120)의 내부 빈 공간에 수납 가능하도록 일정한 높이를 갖는 디스크 형상으로 제공되는 것이 바람직하다.
그리고 다수의 카트리지형 금속연료(130)의 내측 중앙에는 관통 홀(111)이 구비될 수 있는데, 이를 통해 내부에서 생성된 수소가 외부로 공급될 수 있다.
즉, 상기 내부 반응기(120)의 상부 중앙을 통해 내부에서 발생된 수소가 배출될 수 있는데, 이는 수소 공급라인을 통해 외부로 공급될 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 다수의 카트리지형 금속연료(130)는 최하단의 것부터 수소 발생 반응에 이용된다.
최하단의 카트리지형 금속연료(130', 도 4 참조)의 반응이 끝나면, 도 4에 도시된 바와 같이, 그 상부에 적층된 카트리지형 금속연료(130, 도 4 참조)가 차례대로 아래로 이동하며 반응에 이용된다.
또한, 외부 반응기(110)의 측면을 관통하여 형성되는 다수의 촉매 수용액 주입구(110a)는 최하단의 카트리지형 금속연료(130')에 대향하여 위치하는 것이 좋다.
이에 따라, 외부 반응기(110)를 통해 공급된 수용액이 최하단의 카트리지형 금속연료(130') 쪽으로 더욱 원활하게 유동할 수 있다.
다만, 도 3 및 도 4에 도시된 촉매 수용액 주입구(110a)는 동일 높이 상에 다수 개가 양쪽으로 구비된 형태로 이루어져 있으나 이에 한정되지 않으며, 별도로 도시하진 않았으나, 촉매 수용액 주입구는 서로 다른 높이로 다수 개가 구비될 수 있다.
한편, 도 5를 참조하면, 상기 외부 반응기(110)의 하단에는 시동용 가열장치(150)가 더 구비된다.
시동용 가열장치(150)는 수소 발생 반응 초기, 즉 시동 시에 다수의 카트리지형 금속연료(130) 중 최하단의 것에 대한 수소 발생 반응에 필요한 열원을 제공하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 이러한 시동용 가열장치(150)로는 전기히터 등이 이용 가능한데, 이와 달리 열교환기 등 다양한 가열수단이 이용 가능하다.
다시 도 1을 참조하면, 이와 같이 구성된 반응기(110, 120)를 통해 발생된 수소는 수소 공급라인(즉, 배관)을 통해 외부의 사용처(예: 연료전지(180) 등)로 공급되는데, 공급되는 수소를 정제하도록 수소 정제부(40, 50, 60)를 포함할 수 있다.
예컨대, 이러한 수소 정제부(40, 50, 60)에는 컨덴서(40), 팬 유닛(50), 제습기(60) 중 하나 이상이 포함될 수 있으며, 여기에 도시되지 않은 다양한 정제용 수단이 더 포함되어도 무방하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면, 금속연료 수소발생기에서 수소를 발생시켜 수중운동체에 공급하는 수소공급 시스템에 있어서, 카트리지형 금속연료를 사용하되, 시동용 가열장치를 이용하여 하나의 카트리지형 금속연료에 대한 수소 발생 반응을 일으킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 여러 층으로 적층되는 구조의 다공성을 가진 카트리지 내에 금속 연료(예: 알루미늄 등)이 담겨 있고, 반응기의 촉매 주입구를 통해 수용액이 분사되는 구조를 가짐에 따라, 연속적으로 수소발생이 가능하고 금속 연료의 공급이 용이한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 카트리지를 다공성으로 만들어 수용액이 금속연료와 반응하기 용이하며, 생성물인 수소를 배출하기 용이한 장점이 있다.
지금까지 본 발명인 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템에 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.
40: 컨덴서
50: 팬 유닛
60: 제습기
100: 수중운동체의 수소공급 시스템
110: 반응부
110: 외부 반응기
110a: 촉매 수용액 주입구
120: 내부 반응기
121: 타공
130(130'): 카트리지형 금속연료
150: 시동용 가열장치
180: 연료전지
50: 팬 유닛
60: 제습기
100: 수중운동체의 수소공급 시스템
110: 반응부
110: 외부 반응기
110a: 촉매 수용액 주입구
120: 내부 반응기
121: 타공
130(130'): 카트리지형 금속연료
150: 시동용 가열장치
180: 연료전지
Claims (8)
- 다공성의 내부 반응기와, 상기 내부 반응기를 둘러 감싸 배치되며, 측면을 관통하여 다수의 촉매 수용액 주입구가 형성되는 외부 반응기를 포함하는 반응부와,
상기 내부 반응기에 상하로 적층되는 다수의 카트리지형 금속연료를 포함하며,
상기 촉매 수용액 주입구를 통해 주입된 촉매는 상기 내부 반응기의 하부로 유입되는 구조로 이루어지는 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 내부 반응기는,
외면을 둘러 간격을 두고 형성된 다수의 타공이 형성되며, 내부가 비워진 실린더 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 다수의 카트리지형 금속연료는,
상기 실린더 형상의 내부 반응기의 내부 빈 공간에 수납 가능하도록 각각이 일정한 높이를 갖는 디스크 형상으로 이루어져 상기 내부 반응기 내에 상하로 적층 보관되며,
상기 적층된 다수의 카트리지형 금속연료 중 최하단의 카트리지형 금속연료부터 수소 발생 반응에 순차로 이용되는 것을 특징으로 하는 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템.
- 제3항에 있어서,
상기 촉매 수용액 주입구는,
상기 최하단의 카트리지형 금속연료에 대향하여 위치하는 것을 특징으로 하는 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 내부 반응기와 상기 외부 반응기 사이에는 설정 간격이 유지되는 것을 특징으로 하는 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 내부 반응기의 상부 중앙을 통해 상기 반응부에서 발생된 수소가 배출되어 수소 공급라인을 통해 외부 공급이 가능한 것을 특징으로 하는 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템.
- 제6항에 있어서,
상기 수소 공급라인을 통해 공급되는 수소를 정제하는 수소 정제부를 포함하며,
상기 수소 정제부는,
컨덴서, 팬 유닛, 제습기 중 하나 이상을 포함하는 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 반응부의 초기 동작 시, 상기 다수의 카트리지형 금속연료 중 최하단의 금속연료의 수소 발생 반응에 필요한 열원을 제공하는 시동용 가열장치를 더 포함하는 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템.
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|---|---|---|---|
| KR1020160101568A KR102618262B1 (ko) | 2016-08-10 | 2016-08-10 | 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160101568A KR102618262B1 (ko) | 2016-08-10 | 2016-08-10 | 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20180017555A KR20180017555A (ko) | 2018-02-21 |
| KR102618262B1 true KR102618262B1 (ko) | 2023-12-26 |
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ID=61524629
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160101568A KR102618262B1 (ko) | 2016-08-10 | 2016-08-10 | 카트리지형 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템 |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102618262B1 (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008037699A (ja) | 2006-08-04 | 2008-02-21 | Seiko Instruments Inc | 水素発生装置及び燃料電池設備及び水素発生方法 |
| JP2016115532A (ja) | 2014-12-15 | 2016-06-23 | ローム株式会社 | 燃料電池システムおよびその動作方法、燃料容器 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100959116B1 (ko) * | 2007-10-30 | 2010-05-25 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료용기 및 이를 구비한 연료 전지 시스템 |
| KR100969508B1 (ko) | 2008-02-28 | 2010-07-09 | 한국기계연구원 | 수소발생장치가 구비된 연료전지 시스템 |
| KR101369891B1 (ko) * | 2013-02-26 | 2014-03-25 | 박수규 | 흡착흡장 연료전지시스템. |
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2016
- 2016-08-10 KR KR1020160101568A patent/KR102618262B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
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