KR102648265B1 - 금속연료를 이용한 수소 발생 장치 및 방법 - Google Patents
금속연료를 이용한 수소 발생 장치 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
금속연료를 이용한 수소 발생 장치 및 방법이 제공된다. 상기 금속연료를 이용한 수소 발생 장치는, 금속연료와 액상물질을 공급받아 화학반응을 통해 수소를 발생시키는 반응기, 상기 반응기와 연결되고, 상기 금속연료와 상기 액상물질이 상기 반응기로 공급되기 전에 소정의 시간 동안 수용되는 실린더, 상기 실린더와 연결되고, 상기 실린더 내로 상기 금속연료를 공급하는 금속연료 저장탱크, 상기 실린더와 연결되고, 상기 실린더 내로 상기 액상물질을 공급하는 액상물질 저장탱크, 상기 실린더와 상기 액상물질 저장탱크 사이의 통로에 설치되고, 개폐가 조절가능한 제1 밸브장치, 상기 실린더와 상기 금속연료 저장탱크 사이의 통로에 설치되고, 개폐가 조절가능한 제2 밸브장치, 및 상기 실린더와 상기 반응기 사이의 통로에 설치되고, 개폐가 조절가능한 제3 밸브장치를 포함한다.
Description
본 발명은 금속연료를 이용한 수소 발생 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 금속연료를 공급받는 반응기 내에서 발생한 수소가 다시 금속연료가 저장된 탱크로 역류하는 것을 방지하는 수소 발생 장치 및 방법에 관한 것이다
잠수함의 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.
일반적인 경우 금속연료를 반응기(reactor)에 공급하여 전해질과 반응으로 수소를 생성시키고, 이 수소를 이용하여 에너지 생성을 달성한다. 그리고 이와 같은 과정에서 금속연료는 반응을 거쳐 금속 산화물 또는 수산화물로 변화된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 반응기 내에서 생성된 수소가 금속연료 저장탱크로 역류하는 것을 방지할 수 있는 금속연료를 이용한 수소 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 반응기 내에 금속연료와 물을 원활히 공급하며, 반응기 내로 공급되는 금속연료와 물의 양을 적절하게 조절할 수 있는 금속연료를 이용한 수소 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 상기 수소 발생 장치를 이용하여 원활하고 용이하게 수소를 생성할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 상기 과제들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 금속연료를 이용한 수소 발생 장치는, 금속연료와 액상물질을 공급받아 화학반응을 통해 수소를 발생시키는 반응기, 상기 반응기와 연결되고, 상기 금속연료와 상기 액상물질이 상기 반응기로 공급되기 전에 소정의 시간 동안 수용되는 실린더, 상기 실린더와 연결되고, 상기 실린더 내로 상기 금속연료를 공급하는 금속연료 저장탱크, 상기 실린더와 연결되고, 상기 실린더 내로 상기 액상물질을 공급하는 액상물질 저장탱크, 상기 실린더와 상기 액상물질 저장탱크 사이의 통로에 설치되고, 개폐가 조절가능한 제1 밸브장치, 상기 실린더와 상기 금속연료 저장탱크 사이의 통로에 설치되고, 개폐가 조절가능한 제2 밸브장치, 및 상기 실린더와 상기 반응기 사이의 통로에 설치되고, 개폐가 조절가능한 제3 밸브장치를 포함한다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 제1 내지 제3 밸브장치 중 어느 하나가 개방되는 경우, 나머지 두 개의 밸브장치는 폐쇄될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 제1 밸브장치가 개방되면 상기 액상물질이 상기 실린더 내로 공급되고, 상기 제2 및 제3 밸브장치는 폐쇄된 상태를 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 제2 밸브장치가 개방되면 상기 금속연료가 상기 실린더 내로 공급되고, 상기 제1 및 제3 밸브장치는 폐쇄된 상태를 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 제3 밸브장치가 개방되면 상기 금속연료 및 상기 액상물질은 함께 상기 반응기 내로 공급되고, 상기 제1 및 제2 밸브장치는 폐쇄된 상태를 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 금속연료는 알루미늄(Al) 또는 마그네슘(Mg)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 금속연료는 상기 금속연료 저장탱크 내에 파우더(powder) 형태로 존재할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 액상물질은 물(H2O)일 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 제1 밸브장치는 상기 반응기 내에서 발생한 수소가 상기 액상물질 저장탱크 내로 역류하는 것을 방지하고, 상기 제2 밸브장치는 상기 반응기 내에서 발생한 수소가 상기 금속연료 저장탱크 내로 역류하는 것을 방지할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 금속연료를 이용한 수소 발생 방법은, 제1 밸브장치를 개방하여 실린더 내로 액상물질을 공급하는 단계, 상기 제1 밸브장치를 폐쇄하고, 제2 밸브장치를 개방하여 상기 실린더 내로 금속연료를 공급하는 단계, 상기 제2 밸브장치를 폐쇄하고, 제3 밸브장치를 개방하여 상기 실린더 내의 상기 금속연료 및 상기 액상물질을 반응기 내로 공급하는 단계, 및 상기 반응기 내에서 상기 금속연료와 상기 액상물질을 이용한 화학반응을 통해 수소를 발생시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 수소를 발생시키는 단계는, 상기 반응기 내에서, 알루미늄(Al)과 수산화나트륨(NaOH) 수용액을 가수분해 반응하여 수소를 발생시킬 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 제1 내지 제3 밸브장치를 이용하여 상기 반응기 내에서 발생한 수소가 역류하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
연료전지를 사용하는 잠수함 내에서 연료전지로 공급하기 위한 수소를 생성할 필요가 있는데, 본 발명에 따르면 수소 발생 장치에서 생성된 수소가 손실되지 않고 연료전지로 제공될 수 있다. 본 발명에서는 실린더 및 밸브장치에 의해, 반응기 내에서 발생한 수소가 금속연료 저장탱크로 역류하는 것을 방지하기 때문이다. 수소가 금속연료 저장탱크로 역류하게 된다면, 수소의 손실이 발생하며 이는 연료전지로 수소 공급을 원활하게 하지 못하도록 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 반응기 내에서 생성되는 수소의 양을 정확하게 측정할 수 있으며, 이는 수소 발생 장치의 운영에 도움을 준다.
또한, 본 발명에 따르면, 반응에 필요한 금속연료와 물의 양을 정확하게 조절할 수 있으며, 이는 본 발명에서의 실린더 및 밸브장치에 의해 구현 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 밸브장치에 대한 간단한 조작만으로 수소 발생 장치를 포함하는 시스템 전체를 용이하게 운영할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 구성과 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
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 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이러한 용어는 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
연료전지의 연료인 수소는 알루미늄과 수산화나트륨(NaOH) 수용액의 가수분해 반응을 통해서 얻을 수 있다. 이론상 1g의 알루미늄이 가수분해 반응을 일으킬 때 약 1.25L의 수소가 발생한다. 본 발명에서는 파우더(powder) 형태의 금속연료(예를 들어, 알루미늄)를 반응기 내에서 수산화나트륨(NaOH) 수용액과 반응시켜 수소를 발생시키는 원리를 이용한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 구성과 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치는, 반응기(100), 실린더(110), 금속연료 저장탱크(120), 액상물질 저장탱크(130), 제1 내지 제3 밸브장치(10, 20, 30)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치에 포함된 각종 장비들은 잠수함의 압력선체 내부에 배치될 수 있는데, 그 결과 잠수함의 공간 효율을 극대화시킬 수 있다.
반응기(100) 내에서는 금속연료(M)와 액상물질(L)을 공급받아 화학반응을 통해 수소를 발생시킨다. 금속연료 저장탱크(120)는 실린더(110)를 통하여 반응기(100) 내로 제공되는 금속연료(M)를 저장한다. 액상물질 저장탱크(130)는 실린더(110)를 통해 반응기(100) 내로 제공되는 액상물질(L)을 저장한다.
여기서, 금속연료(M)는 고순도의 금속, 예를 들면 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 나트륨(Na) 등의 금속으로서, 특정한 조건에서 산성/알칼리성 용액과 반응하여 수소를 발생시킬 수 있는 연료를 의미한다.
만일, 이러한 금속연료(M)를 입경이 매우 작은 분말 형태(파우더 형태)로 만들어 접촉 면적을 늘릴 경우에는 고온 상태가 아니라도 충분한 양의 수소를 발생시킬 수 있다. 따라서, 금속연료(M)는 금속연료 저장탱크(120) 내에 파우더(powder) 형태로 존재할 수 있다.
액상물질(L)은 예를 들어, 물(H2O)일 수 있다. 그리고, 본 발명에서는 반응기(100) 내에 수산화나트륨(NaOH)이 공급되어, 반응기(100) 내에서 수산화나트륨(NaOH) 수용액이 형성되고, 금속연료(M)와 반응하여 수소를 발생시킬 수 있다.
실린더(110)는 반응기(100), 금속연료 저장탱크(120) 및 액상물질 저장탱크(130)와 연결되고, 금속연료(M)와 액상물질(L)이 반응기(100)로 공급되기 전에 소정의 시간 동안 실린더(110) 내에 수용될 수 있다. 여기에서, 제1 내지 제3 밸브장치(10, 20, 30)가 각각의 통로에 설치될 수 있다.
제1 내지 제3 밸브장치(10, 20, 30) 중 어느 하나가 개방되는 경우, 나머지 두 개의 밸브장치는 폐쇄되도록 구성되어, 실린더(110) 내에 액상물질(L)과 금속연료(M)를 차례로 주입할 수 있다.
즉, 제1 밸브장치(10)가 개방(도 1 참고)되면 액상물질(L)이 실린더(110) 내로 공급되고, 제2 및 제3 밸브장치(20, 30)는 폐쇄된 상태를 유지할 수 있다. 이에 따라, 실린더(110) 내에는 액상물질(L)만 존재할 수 있다.
이어서, 제2 밸브장치(20)가 개방(도 2 참고)되면 금속연료(M)가 실린더(110) 내로 공급되고, 제1 및 제3 밸브장치(10, 30)는 폐쇄된 상태를 유지할 수 있다. 이에 따라, 실린더(110) 내에는 액상물질(L)과 금속연료(M)가 함께 존재할 수 있다.
이어서, 제3 밸브장치(30)가 개방(도 3 참고)되면 금속연료(M) 및 액상물질(L)은 함께 반응기(100) 내로 공급되고, 제1 및 제2 밸브장치(10, 20)는 폐쇄된 상태를 유지할 수 있다. 이에 따라, 제1 밸브장치(10)는 반응기(100) 내에서 발생한 수소가 액상물질 저장탱크(130) 내로 역류하는 것을 방지할 수 있고, 제2 밸브장치(20)는 반응기(100) 내에서 발생한 수소가 금속연료 저장탱크(120) 내로 역류하는 것을 방지할 수 있다.
이와 같은 구성 및 동작을 위하여, 제1 밸브장치(10)는 실린더(110)와 액상물질 저장탱크(130) 사이의 통로에 설치되고, 개폐가 조절가능하도록 구성된다.
그리고, 제2 밸브장치(20)는 실린더(110)와 금속연료 저장탱크(120) 사이의 통로에 설치되고, 개폐가 조절가능하도록 구성된다.
그리고, 제3 밸브장치(30)는 실린더(110)와 반응기(100) 사이의 통로에 설치되고, 개폐가 조절가능하도록 구성된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 1 내지 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 방법은, 상술한 수소 발생 장치를 이용한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 방법은 우선, 제1 밸브장치(10)를 개방하여 실린더(110) 내로 액상물질(L)을 공급한다(S100). 여기에서, 액상물질(L)은 물(H2O)일 수 있다.
이어서, 제1 밸브장치(10)를 폐쇄하고, 제2 밸브장치(20)를 개방하여 실린더(110) 내로 금속연료(M)를 공급한다(S110). 마찬가지로, 금속연료(M)는 상술한 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 나트륨(Na) 등의 금속일 수 있다.
이어서, 제2 밸브장치(20)를 폐쇄하고, 제3 밸브장치(30)를 개방하여 실린더(110) 내의 금속연료(M) 및 액상물질(L)을 반응기(100) 내로 공급한다(S120).
이어서, 반응기(100) 내에서 금속연료(M)와 액상물질(L)을 이용한 화학반응을 통해 수소를 발생시킨다(S130). 반응기(100) 내에서 화학반응은 알루미늄(Al)과 수산화나트륨(NaOH) 수용액을 가수분해 반응하여 수소를 발생시키는 반응일 수 있다.
본 발명에서는, 제1 내지 제3 밸브장치(10, 20, 30)를 이용하여 반응기(100) 내에서 발생한 수소가 역류하는 것을 방지할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 따른 금속연료를 이용한 수소 발생 장치 및 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명하였지만, 상기 설명은 예시적인 것으로서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 수정 및 변경될 수 있을 것이다.
10, 20, 30: 제1 내지 제3 밸브장치
100: 반응기
110: 실린더
120: 금속연료 저장탱크
130: 액상물질 저장탱크
100: 반응기
110: 실린더
120: 금속연료 저장탱크
130: 액상물질 저장탱크
Claims (12)
- 금속연료와 액상물질을 공급받아 화학반응을 통해 수소를 발생시키는 반응기;
상기 반응기와 연결되고, 상기 금속연료와 상기 액상물질이 상기 반응기로 공급되기 전에 소정의 시간 동안 수용되는 실린더;
상기 실린더와 연결되고, 상기 실린더 내로 상기 금속연료를 공급하는 금속연료 저장탱크;
상기 실린더와 연결되고, 상기 실린더 내로 상기 액상물질을 공급하는 액상물질 저장탱크;
상기 실린더와 상기 액상물질 저장탱크 사이의 통로에 설치되고, 개폐가 조절가능한 제1 밸브장치;
상기 실린더와 상기 금속연료 저장탱크 사이의 통로에 설치되고, 개폐가 조절가능한 제2 밸브장치; 및
상기 실린더와 상기 반응기 사이의 통로에 설치되고, 개폐가 조절가능한 제3 밸브장치를 포함하며,
상기 제1 내지 제3 밸브장치 중 어느 하나가 개방되는 경우, 나머지 두 개의 밸브장치는 폐쇄되고,
상기 제1 밸브장치가 개방되면 상기 액상물질이 상기 실린더 내로 공급되고, 상기 제2 및 제3 밸브장치는 폐쇄된 상태를 유지하며,
상기 제2 밸브장치가 개방되면 상기 금속연료가 상기 실린더 내로 공급되고, 상기 제1 및 제3 밸브장치는 폐쇄된 상태를 유지하고,
상기 제3 밸브장치가 개방되면 상기 금속연료 및 상기 액상물질은 함께 상기 반응기 내로 공급되고, 상기 제1 및 제2 밸브장치는 폐쇄된 상태를 유지하며,
상기 금속연료는 알루미늄(Al) 또는 마그네슘(Mg)을 포함하고,
상기 금속연료는 상기 금속연료 저장탱크 내에 파우더(powder) 형태로 존재하며,
상기 액상물질은 물(H2O)이고,
상기 제1 밸브장치는 상기 반응기 내에서 발생한 수소가 상기 액상물질 저장탱크 내로 역류하는 것을 방지하고, 상기 제2 밸브장치는 상기 반응기 내에서 발생한 수소가 상기 금속연료 저장탱크 내로 역류하는 것을 방지하는, 금속연료를 이용한 수소 발생 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1 밸브장치를 개방하여 실린더 내로 액상물질을 공급하는 단계;
상기 제1 밸브장치를 폐쇄하고, 제2 밸브장치를 개방하여 상기 실린더 내로 금속연료를 공급하는 단계;
상기 제2 밸브장치를 폐쇄하고, 제3 밸브장치를 개방하여 상기 실린더 내의 상기 금속연료 및 상기 액상물질을 반응기 내로 공급하는 단계; 및
상기 반응기 내에서 상기 금속연료와 상기 액상물질을 이용한 화학반응을 통해 수소를 발생시키는 단계를 포함하며,
상기 수소를 발생시키는 단계는 상기 반응기 내에서, 알루미늄(Al)과 수산화나트륨(NaOH) 수용액을 가수분해 반응하여 수소를 발생시키고,
상기 제1 내지 제3 밸브장치를 이용하여 상기 반응기 내에서 발생한 수소가 역류하는 것을 방지하며,
상기 제1 내지 제3 밸브장치 중 어느 하나가 개방되는 경우, 나머지 두 개의 밸브장치는 폐쇄되고,
상기 제1 밸브장치가 개방되면 상기 액상물질이 상기 실린더 내로 공급되고, 상기 제2 및 제3 밸브장치는 폐쇄된 상태를 유지하며,
상기 제2 밸브장치가 개방되면 상기 금속연료가 상기 실린더 내로 공급되고, 상기 제1 및 제3 밸브장치는 폐쇄된 상태를 유지하고,
상기 제3 밸브장치가 개방되면 상기 금속연료 및 상기 액상물질은 함께 상기 반응기 내로 공급되고, 상기 제1 및 제2 밸브장치는 폐쇄된 상태를 유지하며,
상기 금속연료는 알루미늄(Al) 또는 마그네슘(Mg)을 포함하고,
상기 금속연료는 금속연료 저장탱크 내에 파우더(powder) 형태로 존재하며,
상기 액상물질은 물(H2O)이고,
상기 제1 밸브장치는 상기 반응기 내에서 발생한 수소가 액상물질 저장탱크 내로 역류하는 것을 방지하고, 상기 제2 밸브장치는 상기 반응기 내에서 발생한 수소가 상기 금속연료 저장탱크 내로 역류하는 것을 방지하는, 금속연료를 이용한 수소 발생 방법. - 삭제
- 삭제
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