KR102655873B1 - Fuel cell system of underwater moving body for utilizing waste heat of fuel cell - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지의 폐열 활용이 가능한 수중운동체의 연료전지시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 폐열 활용이 가능한 수중운동체의 연료전지시스템은 수소를 공급하는 수소저장합금, 상기 수소저장합금으로부터 수소를 공급받아 전기에너지를 생성하는 연료전지, 상기 연료전지에 제공되는 청수를 순환시키는 청수순환라인, 상기 청수순환라인에 설치되며 상기 연료전지에서 사용된 고온의 청수를 저온의 해수와 열교환시키는 열교환기, 및 상기 열교환기에 함 외부의 해수를 공급하는 한편, 상기 열교환기를 통과한 해수를 상기 수소저장합금에 제공하는 해수순환라인을 포함하며, 상기 열교환기를 통과한 청수를 바이패스 하여, 상기 청수의 열 에너지를 함 내부의 공기를 가열하는 전기히터의 열원으로 공급할 수 있다. The present invention relates to a fuel cell system for an underwater vehicle capable of utilizing the waste heat of a fuel cell. According to an embodiment of the present invention, the fuel cell system for an underwater vehicle capable of utilizing the waste heat of a fuel cell includes a hydrogen storage alloy that supplies hydrogen; A fuel cell that generates electrical energy by receiving hydrogen from the hydrogen storage alloy, a fresh water circulation line that circulates fresh water provided to the fuel cell, and a low-temperature fresh water circulation line installed in the fresh water circulation line and converting the high-temperature fresh water used in the fuel cell into low-temperature It includes a heat exchanger that exchanges heat with seawater, and a seawater circulation line that supplies seawater outside the ship to the heat exchanger and supplies seawater that has passed through the heat exchanger to the hydrogen storage alloy, and bypasses the fresh water that has passed through the heat exchanger. Thus, the thermal energy of the fresh water can be supplied as a heat source for an electric heater that heats the air inside the box.
Description
본 발명의 실시예는 연료전지의 폐열 활용이 가능한 수중운동체의 연료전지시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지시스템에서 발생하는 폐열을 효율적으로 활용하여 수중운동체의 전체적인 효율을 향상시킬 수 있는 수중운동체의 연료전지시스템에 관한 것이다. An embodiment of the present invention relates to a fuel cell system for an underwater vehicle that can utilize the waste heat of a fuel cell. More specifically, it relates to a fuel cell system for an underwater vehicle that can efficiently utilize the waste heat generated from the fuel cell system to improve the overall efficiency of the underwater vehicle. It is about the fuel cell system of a moving vehicle.
잠수함 등의 수중운동체는 은닉성을 극대화하기 위해서는 장시간 잠항을 할 수 있는 능력이 필요하다. 재래식 잠수함은 배터리, 디젤엔진, 및 발전기의 조합으로 잠항 시간이 짧지만, 공기불요시스템(AIP: Air Independent Propulsion)을 적용한 잠수함은 이보다 2~3배 정도 잠항 시간이 길기 때문에 작전 능력이 우수한 장점이 있다.Underwater vehicles such as submarines require the ability to submerge for long periods of time in order to maximize concealment. Conventional submarines have a short submersion time due to a combination of batteries, diesel engines, and generators, but submarines equipped with an air independent propulsion system (AIP: Air Independent Propulsion) have an advantage of excellent operational capabilities because their submergence time is two to three times longer. there is.
기존의 AIP 잠수함은 잠항 운전 시에 내부에 구비한 산소와 수소를 통해 연료전지에서 전력을 생산하여 추진한다. 그리고 수소저장합금을 통해 수소를 공급하는데, 수소저장합금에서 수소를 방출시키기 위해 열원이 필요하다. Existing AIP submarines are propelled by generating power from fuel cells using the oxygen and hydrogen contained within them during submerging operations. Hydrogen is supplied through the hydrogen storage alloy, and a heat source is needed to release hydrogen from the hydrogen storage alloy.
도 1은 종래의 수중운동체의 연료전지시스템을 나타낸 도면이다. Figure 1 is a diagram showing the fuel cell system of a conventional underwater vehicle.
종래의 수중운동체의 연료전지시스템(10)은 작동원리에 따라 냉각이 필요하다. 연료전지(12)의 냉각과정에서 발생된 폐열은 수소저장합금(11)에서 수소 방출열로 활용된다. 이를 위해 열교환기, 펌프 등을 더 포함하여 구성되었다. The
그런데 수소저장합금(11)에서 수소 방출에 필요한 열량은 연료전지(12)에서 발생된 폐열의 열량보다 현저하게 작아 대부분의 폐열은 해수를 통해 폐기되었다. However, the amount of heat required to release hydrogen from the
한편, 심해에서 운전하는 잠수함 등의 수중운동체는 내부 공기를 일정 온도로 유지시키기 위해 격실마다 전기히터를 구비하며, 전기히터에는 열원을 공급하는 전용의 시스템이 구비되었다. 그 결과 수중운동체의 효율을 저하시키는 원인이 되었다.Meanwhile, underwater vehicles such as submarines operating in the deep sea are equipped with electric heaters in each compartment to maintain the internal air at a constant temperature, and the electric heaters are equipped with a dedicated system to supply a heat source. As a result, it caused a decrease in the efficiency of underwater vehicles.
본 발명의 목적은 연료전지에서 버려지는 폐열을 격실 내에 구비된 전기히터의 열원으로 활용하여 에너지 효율을 높일 수 있는 연료전지의 폐열 활용이 가능한 수중운동체의 연료전지시스템을 제공하는 것이다. The purpose of the present invention is to provide a fuel cell system for an underwater vehicle that can utilize the waste heat of the fuel cell to increase energy efficiency by utilizing the waste heat discarded from the fuel cell as a heat source for an electric heater provided in the compartment.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects and advantages of the present invention that are not mentioned can be understood by the following description and will be more clearly understood by the examples of the present invention. Additionally, it will be readily apparent that the objects and advantages of the present invention can be realized by the means and combinations thereof indicated in the patent claims.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 폐열 활용이 가능한 수중운동체의 연료전지시스템은 수소를 공급하는 수소저장합금; 상기 수소저장합금으로부터 수소를 공급받아 전기에너지를 생성하는 연료전지; 상기 연료전지에 제공되는 청수를 순환시키는 청수순환라인; 상기 청수순환라인에 설치되며 상기 연료전지에서 사용된 고온의 청수를 저온의 해수와 열교환시키는 열교환기; 및 상기 열교환기에 함 외부의 해수를 공급하는 한편, 상기 열교환기를 통과한 해수를 상기 수소저장합금에 제공하는 해수순환라인;을 포함하며, 상기 열교환기를 통과한 청수를 바이패스 하여, 상기 청수의 열 에너지를 함 내부의 공기를 가열하는 전기히터의 열원으로 공급할 수 있다. The fuel cell system of an underwater vehicle capable of utilizing waste heat from a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a hydrogen storage alloy that supplies hydrogen; A fuel cell that generates electrical energy by receiving hydrogen from the hydrogen storage alloy; a fresh water circulation line that circulates fresh water provided to the fuel cell; A heat exchanger installed in the fresh water circulation line and heat-exchanging high-temperature fresh water used in the fuel cell with low-temperature seawater; And a seawater circulation line that supplies seawater outside the vessel to the heat exchanger, while providing seawater that has passed through the heat exchanger to the hydrogen storage alloy, by bypassing the fresh water that has passed through the heat exchanger, thereby dissipating the heat of the fresh water. Energy can be supplied as a heat source for an electric heater that heats the air inside the ship.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 폐열 활용이 가능한 수중운동체의 연료전지시스템은 상기 청수순환라인에 설치되며, 상기 열교환기의 출구 측 후단에 위치하는 제1 삼방밸브; 및 상기 제1 삼방밸브와 일단부가 연결되고, 타단부는 상기 전기히터를 통과하여 상기 청수순환라인에 연결되며, 상기 열교환기를 통과한 청수를 바이패스 시켜 상기 전기히터의 열원으로 공급하는 제1 바이패스라인;을 포함한다. At this time, the fuel cell system of the underwater vehicle capable of utilizing the waste heat of the fuel cell according to an embodiment of the present invention is installed in the fresh water circulation line and includes a first three-way valve located at the rear end of the outlet side of the heat exchanger; And a first bypass that has one end connected to the first three-way valve, the other end passing through the electric heater and connected to the fresh water circulation line, and bypassing the fresh water that has passed through the heat exchanger to supply it as a heat source of the electric heater. Includes a pass line.
또한, 상기 청수순환라인에 설치되며, 상기 연료전지의 출구 측 후단에 위치하는 제2 삼방밸브; 및 상기 제2 삼방밸브와 일단부가 연결되고, 타단부는 상기 제1 바이패스라인의 출구 측 후단에 위치하도록 상기 청수순환라인에 연결되는 중앙분기라인;을 포함한다. Additionally, a second three-way valve installed in the fresh water circulation line and located at a rear end of the outlet side of the fuel cell; and a central branch line connected to the fresh water circulation line so that one end is connected to the second three-way valve and the other end is located at a rear end of the outlet side of the first bypass line.
또한, 상기 중앙분기라인의 타단부와 상기 연료전지 사이에 설치되며, 상기 연료전지로 제공되는 청수의 온도를 검출하는 센서를 더 포함하며, 상기 센서의 검출 신호를 이용하여 상기 제2 삼방밸브의 개폐 동작이 제어될 수 있다. In addition, it is installed between the other end of the central branch line and the fuel cell, and further includes a sensor that detects the temperature of fresh water provided to the fuel cell, and uses the detection signal of the sensor to control the second three-way valve. Opening and closing operations can be controlled.
또한, 상기 중앙분기라인의 타단부와 상기 센서 사이에는 청수공급펌프가 더 구비될 수 있다. Additionally, a fresh water supply pump may be further provided between the other end of the central branch line and the sensor.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 상기 청수순환라인에 설치되며, 상기 열교환기의 출구 측 후단에 위치하는 제1 삼방밸브; 상기 열교환기를 통과한 청수의 열 에너지를 간접적으로 이용하여 상기 전기히터에 열원을 공급하도록 구비되는 보조 열교환기; 및 상기 제1 삼방밸브와 일단부가 연결되며, 타단부는 상기 보조 열교환기로부터 바이패스 시켜 상기 청수순환라인에 연결되는 제2 바이패스라인;을 포함한다. Meanwhile, according to another embodiment of the present invention, a first three-way valve is installed in the fresh water circulation line and located at the rear end of the outlet side of the heat exchanger; an auxiliary heat exchanger provided to supply a heat source to the electric heater by indirectly using the heat energy of fresh water passing through the heat exchanger; and a second bypass line, one end of which is connected to the first three-way valve, and the other end of which is bypassed from the auxiliary heat exchanger and connected to the fresh water circulation line.
또한, 상기 보조 열교환기는, 상기 청수순환라인에 설치되며, 상기 제1 삼방밸브와 상기 제2 바이패스라인의 타단부 사이에 위치할 수 있다. Additionally, the auxiliary heat exchanger may be installed in the fresh water circulation line, and may be located between the first three-way valve and the other end of the second bypass line.
또한, 상기 보조 열교환기와 상기 전기히터 사이에는 열매체가 순환하며, 상기 보조 열교환기 내에서, 상기 열교환기를 통과한 청수와의 열교환을 통해 열매체는 가열되며 상기 전기히터에 열원을 공급할 수 있다.In addition, a heating medium circulates between the auxiliary heat exchanger and the electric heater, and within the auxiliary heat exchanger, the heating medium is heated through heat exchange with fresh water that has passed through the heat exchanger and can supply a heat source to the electric heater.
또한, 상기 청수순환라인에 설치되며, 상기 연료전지의 출구 측 후단에 위치하는 제2 삼방밸브; 및 상기 제2 삼방밸브와 일단부가 연결되고, 타단부는 상기 제2 바이패스라인의 출구 측 후단에 위치하도록 상기 청수순환라인에 연결되는 중앙분기라인;을 포함한다. Additionally, a second three-way valve installed in the fresh water circulation line and located at a rear end of the outlet side of the fuel cell; and a central branch line connected to the fresh water circulation line so that one end is connected to the second three-way valve and the other end is located at a rear end of the outlet side of the second bypass line.
또한, 상기 센서를 더 포함하며, 상기 센서의 검출 신호를 이용하여 상기 제2 삼방밸브의 개폐 동작이 제어될 수 있다. In addition, it further includes the sensor, and the opening and closing operation of the second three-way valve can be controlled using the detection signal of the sensor.
또한, 상기 중앙분기라인의 타단부와 상기 센서 사이에는 청수공급펌프가 더 구비될 수 있다. Additionally, a fresh water supply pump may be further provided between the other end of the central branch line and the sensor.
본 발명에 의하면 잠수함의 연료전지시스템에서 버려지는 폐열을 연료전지가 배치된 격실 내에 구비된 전기히터에서 활용할 수 있다.According to the present invention, waste heat discarded from the fuel cell system of a submarine can be utilized in an electric heater provided in the compartment where the fuel cell is placed.
특히, 잠수함의 내부 공기를 일정 온도로 유지하기 위해 격실에는 전기히터가 구비되는데, 연료전지시스템의 냉각과정에서 발생된 폐열을 수소저장합금에서의 수소 방출열로 활용하는 한편, 전기히터의 열원으로도 활용할 수 있다.In particular, an electric heater is installed in the compartment to maintain the interior air of the submarine at a constant temperature. The waste heat generated during the cooling process of the fuel cell system is used as hydrogen release heat from the hydrogen storage alloy and as a heat source for the electric heater. You can also use .
그 결과, 본 발명에 의하면 잠수함 내의 에너지 효율을 대폭 향상시킬 수 있는 유리한 기술적 효과가 있다.As a result, according to the present invention, there is an advantageous technical effect that can significantly improve energy efficiency in a submarine.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.In addition to the above-described effects, specific effects of the present invention are described below while explaining specific details for carrying out the invention.
도 1은 종래의 수중운동체의 연료전지시스템을 간략히 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따르는 연료전지의 폐열 활용이 가능한 수중운동체의 연료전지시스템을 간략히 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따르는 연료전지의 폐열 활용이 가능한 수중운동체의 연료전지시스템을 간략히 도시한 개념도이다.Figure 1 is a conceptual diagram briefly showing the fuel cell system of a conventional underwater vehicle.
Figure 2 is a conceptual diagram briefly illustrating a fuel cell system for an underwater vehicle capable of utilizing waste heat from a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a conceptual diagram briefly illustrating a fuel cell system for an underwater vehicle capable of utilizing waste heat from a fuel cell according to another embodiment of the present invention.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.The above-mentioned objects, features, and advantages will be described in detail later with reference to the attached drawings, so that those skilled in the art will be able to easily implement the technical idea of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of known technologies related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. In the drawings, identical reference numerals are used to indicate identical or similar components.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.Hereinafter, the “top (or bottom)” of a component or the arrangement of any component on the “top (or bottom)” of a component means that any component is placed in contact with the top (or bottom) of the component. Additionally, it may mean that other components may be interposed between the component and any component disposed on (or under) the component.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.Additionally, when a component is described as being “connected,” “coupled,” or “connected” to another component, the components may be directly connected or connected to each other, but the other component is “interposed” between each component. It should be understood that “or, each component may be “connected,” “combined,” or “connected” through other components.
잠수함 등의 수중운동체는 은닉성을 극대화하기 위해서는 장시간 잠항을 할 수 있는 능력이 필요하다. 재래식 잠수함은 배터리, 디젤엔진, 및 발전기의 조합으로 잠항 시간이 짧지만, 공기불요시스템(AIP; Air Independent Propulsion)을 적용한 잠수함은 이보다 2~3배 정도 잠항 시간이 길기 때문에 작전 능력이 우수한 장점이 있다. 이와 같은 공기불요시스템(AIP)은 MESMA, 스털링, 연료전지와 같이 다양한 에너지 변환 장치를 포함한다. Underwater vehicles such as submarines require the ability to submerge for long periods of time in order to maximize concealment. Conventional submarines have a short submersion time due to the combination of batteries, diesel engines, and generators, but submarines equipped with an air independent propulsion (AIP) system have an advantage of excellent operational capabilities because their submergence time is two to three times longer. there is. Such air-independent systems (AIP) include various energy conversion devices such as MESMA, Stirling, and fuel cells.
연료전지는 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생산하는 장치로서, 타 장치들보다 에너지 효율이 높기 때문에, 잠수함 등의 수중운동체에 적용된 경우가 많다. A fuel cell is a device that produces electricity through a chemical reaction between hydrogen and oxygen. Because it has higher energy efficiency than other devices, it is often applied to underwater vehicles such as submarines.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 연료전지의 폐열 활용이 가능한 수중운동체의 연료전지시스템에 관하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, a fuel cell system for an underwater vehicle capable of utilizing waste heat from a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따르는 연료전지의 폐열 활용이 가능한 수중운동체의 연료전지시스템을 간략히 도시한 개념도이다. Figure 2 is a conceptual diagram briefly illustrating a fuel cell system for an underwater vehicle capable of utilizing waste heat from a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르는 연료전지의 폐열 활용이 가능한 수중운동체의 연료전지시스템은 수소저장합금(110), 연료전지(130), 청수순환라인(131), 열교환기(115), 해수순환라인(111)을 포함하며, 열교환기(115)를 통과한 청수를 바이패스 하여, 청수의 열 에너지를 함 내부의 공기를 가열하는 전기히터(190)의 열원으로 공급할 수 있다. Referring to FIG. 2, the fuel cell system of an underwater vehicle capable of utilizing waste heat from a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a
수소저장합금(110)은 연료전지(130)에서 필요한 수소를 공급하도록 구비된다. The
연료전지(130)는 수소저장합금(110)으로부터 수소를 공급받아 전기에너지를 생성한다. The
청수순환라인(131)은 연료전지(130)에 청수를 제공하도록 청수를 순환시키는 배관을 말한다. The fresh
잠수함 등의 수중운동체의 경우, 수소저장합금(110)을 통해 제공된 수소가 연료전지(130)에 공급된다. In the case of underwater vehicles such as submarines, hydrogen provided through the
그런데 수소저장합금(110)에서 수소를 방출하기 위해서는 열원이 필요하다.However, a heat source is required to release hydrogen from the
그리고 연료전지(130)는 기본적으로 냉각이 필요한데, 연료전지(130)의 냉각 과정에서 발생된 폐열을 수소저장합금(110)에서 수소 방출 열로 활용될 수 있다. Additionally, the
이때, 청수순환라인(131)을 통해 순환하는 청수는 수소저장합금(110)에 제공되는 해수와 열교환 되며, 이로써, 연료전지(130)의 냉각 과정에서 발생된 폐열은 수소저장합금(110)에서 수소 방출에 필요한 열 에너지로 이용될 수 있다.At this time, the fresh water circulating through the fresh
해수순환라인(111)은 열교환기(115)에 함 외부의 해수를 공급하는 한편, 열교환기(115)를 통과하며 청수와의 열교환을 통해 가열된 해수를 수소저장합금(110)에 제공한다. The
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따르는 수중운동체의 연료전지시스템(100)은 열교환기(115)를 통과한 청수를 전기히터(190) 쪽으로 바이패스 하여 청수의 열 에너지를 함 내부의 공기를 가열하는 전기히터(190)의 열원으로 공급한다. Here, the
수소저장합금(110)에서 수소를 방출하기 위하여 필요로 하는 열량은 연료전지(130)에서 버려지는 열량보다 현저하게 작아서, 기존에는 해수를 통해 버려지는 열이 많은 단점이 있었다. The amount of heat required to release hydrogen from the
또한, 심해에서 운전하는 잠수함 등의 수중운동체의 경우 함 내부의 공기를 일정 온도로 유지하기 위하여 격실마다 전기히터를 구비하는 경우가 많은데, 전기히터의 열원 공급에 필요한 별도의 시스템이 요구되었다. In addition, in the case of underwater vehicles such as submarines operating in the deep sea, electric heaters are often installed in each compartment to maintain the air inside the ship at a constant temperature, but a separate system for supplying the heat source of the electric heater is required.
따라서, 열교환기(115)를 통과한 청수를 전기히터(190) 쪽으로 바이패스 하여 청수의 열 에너지를 이용하여 전기히터(190)의 열원으로 활용할 경우 에너지 효율을 높일 수 있다. Therefore, when the fresh water that has passed through the
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따르는 수중운동체의 연료전지시스템(100)은 제1 삼방밸브(150), 제1 바이패스라인(191), 제2 삼방밸브(170), 중앙분기라인(171), 센서(173)를 더 포함한다. To this end, the
제1 삼방밸브(150)는 청수순환라인(131)에 설치될 수 있다. 구체적으로는, 제1 삼방밸브(150)는 청수순환라인(131)에서 열교환기(115)의 출구 측 후단에 위치하도록 설치될 수 있다. The first three-
제1 바이패스라인(191)은 일단부가 제1 삼방밸브(150)와 연결되고 타단부는 전기히터(190)를 통과하여 청수순환라인(131)에 연결된다. 이와 같이 구성됨에 따라, 제1 바이패스라인(191)은 열교환기(115)를 통과한 청수를 바이패스 시켜 전기히터(190)의 열원으로 공급할 수 있다. One end of the
제2 삼방밸브(170)는 제1 삼방밸브(150)와 같이 청수순환라인(131)에 설치된다. 다만, 제2 삼방밸브(170)는 제1 삼방밸브(150)와 설치 위치에 있어 차이가 있는데, 바람직하게는 연료전지(130)의 출구 측 후단에 위치하도록 설치될 수 있다. The second three-
중앙분기라인(171)은 제2 삼방밸브(170)와 일단부가 연결되고, 타단부는 제1 바이패스라인(191)의 출구 측 후단에 위치하도록 청수순환라인(131)에 연결될 수 있다. The
센서(173)는 중앙분기라인(171)의 타단부와 연료전지(130)의 입구 사이에 설치되며, 연료전지(130)로 제공되는 청수의 온도를 검출하여 유량을 제어하는 기능을 갖는다. 다시 말해, 센서(173)의 검출 신호를 이용하여 제2 삼방밸브(170)의 개폐 동작이 제어될 수 있다. The
그리고 한편, 중앙분기라인(171)의 타단부와 센서(173) 사이에는 청수공급펌프(133)가 더 구비될 수 있다. Meanwhile, a fresh
그리고 해수순환라인(111)에는 열교환기(115)를 향하여 해수를 공급하는 해수공급펌프(113)가 더 구비될 수 있다. In addition, the
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따르는 연료전지의 폐열 활용이 가능한 수중운동체의 연료전지시스템을 간략히 도시한 개념도이다. 도 3에 도시된 실시예의 경우 폐열을 전기히터(190)의 열원으로 간접적으로 사용할 수 있다. Figure 3 is a conceptual diagram briefly illustrating a fuel cell system for an underwater vehicle capable of utilizing waste heat from a fuel cell according to another embodiment of the present invention. In the case of the embodiment shown in FIG. 3, waste heat can be indirectly used as a heat source for the
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따르는 수중운동체의 연료전지시스템(100)은 제1 삼방밸브(150), 보조 열교환기(193), 제2 삼방밸브(170), 중앙분기라인(171), 센서(173)를 더 포함한다. Referring to FIG. 3, the
제1 삼방밸브(150)는 청수순환라인(131)에 설치될 수 있다. 구체적으로는, 제1 삼방밸브(150)는 청수순환라인(131)에서 열교환기(115)의 출구 측 후단에 위치하도록 설치될 수 있다. The first three-
보조 열교환기(193)는 열교환기(115)를 통과한 청수의 열 에너지를 간접적으로 이용하여 전기히터(190)에 열원을 공급하도록 구비될 수 있다. The
예를 들어, 보조 열교환기(193)는 청수순환라인(131)에 설치되며, 제1 삼방밸브(150)와 제2 바이패스 라인(151)의 타단부 사이에 위치할 수 있다. For example, the
이와 같이 구성되는 보조 열교환기(193)와 전기히터(190) 사이에는 열매체가 순환하는 순환배관이 구비될 수 있다. 이를 통해, 보조 열교환기(193) 내에서, 청수와의 열교환을 통해 열매체는 가열되며 가열된 열매체는 전기히터에 열원을 공급할 수 있다. A circulation pipe through which the heat medium circulates may be provided between the
제2 바이패스라인(151)은 제1 삼방밸브(150)와 일단부가 연결되며, 타단부는 보조 열교환기(193)로부터 바이패스 시켜 청수순환라인(131)에 연결될 수 있다. One end of the
다시 말해, 제2 바이패스라인(151)은 전기히터(190)에 열원 공급이 필요하지 않을 경우 열교환기(115)를 통과한 청수를 전기히터(190) 쪽으로 제공하지 않도록 바이패스 시켜주는 역할을 한다. 예를 들어, 전기히터(190)가 사용되지 않는 계절 또는 지역 등의 조건에서 이용할 수 있다. In other words, the
제2 삼방밸브(170)는 제1 삼방밸브(150)와 같이 청수순환라인(131)에 설치된다. 다만, 제2 삼방밸브(170)는 제1 삼방밸브(150)와 설치 위치에 있어 차이가 있는데, 바람직하게는 연료전지(130)의 출구 측 후단에 위치하도록 설치될 수 있다. The second three-
중앙분기라인(171)은 제2 삼방밸브(170)와 일단부가 연결되고, 타단부는 제2 바이패스라인(151)의 출구 측 후단에 위치하도록 청수순환라인(131)에 연결될 수 있다. The
한편, 센서(173)는 중앙분기라인(171)의 타단부와 연료전지(130)의 입구 사이에 설치되며, 센서(173)의 검출 신호를 이용하여 제2 삼방밸브(170)의 개폐 동작이 제어될 수 있다. Meanwhile, the
그리고 중앙분기라인(171)의 타단부와 센서(173) 사이에는 청수공급펌프(133)가 더 구비될 수 있다. Additionally, a fresh
그리고 해수순환라인(111)에는 열교환기(115)를 향하여 해수를 공급하는 해수공급펌프(113)가 더 구비될 수 있다. In addition, the
상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면 잠수함의 연료전지시스템에서 버려지는 폐열을 연료전지가 배치된 격실 내에 구비된 전기히터에서 활용할 수 있는 장점이 있다.As described above, according to the structure and operation of the present invention, there is an advantage that waste heat discarded from the fuel cell system of a submarine can be utilized in an electric heater provided in the compartment where the fuel cell is placed.
예컨대, 잠수함의 내부 공기를 일정 온도로 유지하기 위해 격실에는 전기히터가 구비되는데, 연료전지시스템의 냉각과정에서 발생된 폐열을 수소저장합금에서의 수소 방출열로 활용하는 한편, 전기히터의 열원으로도 활용할 수 있어 종래에 비해 유리한 기술적인 효과가 있다.For example, in order to maintain the interior air of the submarine at a certain temperature, the compartment is equipped with an electric heater. The waste heat generated during the cooling process of the fuel cell system is used as hydrogen release heat from the hydrogen storage alloy, and as a heat source for the electric heater. It can also be used, which has an advantageous technical effect compared to the past.
나아가, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면 잠수함 내의 에너지 효율을 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.Furthermore, according to the structure and operation of the present invention, there is an advantage of significantly improving energy efficiency within a submarine.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.As described above, the present invention has been described with reference to the illustrative drawings, but the present invention is not limited to the embodiments and drawings disclosed herein, and various modifications may be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention. It is obvious that transformation can occur. In addition, although the operational effects according to the configuration of the present invention were not explicitly described and explained in the above description of the embodiments of the present invention, it is natural that the predictable effects due to the configuration should also be recognized.
100: 수중운동체의 연료전지시스템
110: 수소저장합금
111: 해수순환라인
113: 해수공급펌프
115: 열교환기
130: 연료전지
131: 청수순환라인
133: 청수공급펌프
150: 제1 삼방밸브
151: 제2 바이패스라인
170: 제2 삼방밸브
171: 중앙분기라인
173: 센서
190: 전기히터
191: 제1 바이패스라인
193: 보조 열교환기100: Fuel cell system of underwater vehicle
110: Hydrogen storage alloy
111: Seawater circulation line
113: Seawater supply pump
115: heat exchanger
130: Fuel cell
131: Fresh water circulation line
133: Fresh water supply pump
150: First three-way valve
151: Second bypass line
170: Second three-way valve
171: Central branch line
173: sensor
190: Electric heater
191: first bypass line
193: Auxiliary heat exchanger
Claims (9)
상기 수소저장합금으로부터 수소를 공급받아 전기에너지를 생성하는 연료전지;
상기 연료전지에 제공되는 청수를 순환시키는 청수순환라인;
상기 청수순환라인에 설치되며 상기 연료전지에서 사용된 고온의 청수를 저온의 해수와 열교환시키는 열교환기;
상기 열교환기에 함 외부의 해수를 공급하는 한편, 상기 열교환기를 통과한 해수를 상기 수소저장합금에 제공하는 해수순환라인;
상기 청수순환라인에 설치되며, 상기 열교환기의 출구 측 후단에 위치하는 제1 삼방밸브;
상기 제1 삼방밸브와 일단부가 연결되고, 타단부는 전기히터를 통과하여 상기 청수순환라인에 연결되며, 상기 열교환기를 통과한 청수를 바이패스 시켜 상기 전기히터의 열원으로 공급하는 제1 바이패스라인;
상기 청수순환라인에 설치되며, 상기 연료전지의 출구 측 후단에 위치하는 제2 삼방밸브; 및
상기 제2 삼방밸브와 일단부가 연결되고, 타단부는 상기 제1 바이패스라인의 출구 측 후단에 위치하도록 상기 청수순환라인에 연결되는 중앙분기라인;을 포함하며,
상기 열교환기를 통과한 청수를 바이패스 하여, 상기 청수의 열 에너지를 함 내부의 공기를 가열하는 상기 전기히터의 열원으로 공급하는
연료전지의 폐열 활용이 가능한 수중운동체의 연료전지시스템.
Hydrogen storage alloy that supplies hydrogen;
A fuel cell that generates electrical energy by receiving hydrogen from the hydrogen storage alloy;
a fresh water circulation line that circulates fresh water provided to the fuel cell;
A heat exchanger installed in the fresh water circulation line and heat-exchanging high-temperature fresh water used in the fuel cell with low-temperature seawater;
A seawater circulation line that supplies seawater from outside the ship to the heat exchanger and provides seawater that has passed through the heat exchanger to the hydrogen storage alloy;
A first three-way valve installed in the fresh water circulation line and located at a rear end of the outlet side of the heat exchanger;
One end is connected to the first three-way valve, the other end passes through an electric heater and is connected to the fresh water circulation line, and a first bypass line that bypasses the fresh water that has passed through the heat exchanger and supplies it as a heat source of the electric heater. ;
A second three-way valve installed in the fresh water circulation line and located at a rear end of the outlet side of the fuel cell; and
It includes a central branch line connected to the fresh water circulation line so that one end is connected to the second three-way valve and the other end is located at a rear end of the outlet side of the first bypass line,
Bypassing the fresh water that has passed through the heat exchanger, the thermal energy of the fresh water is supplied to the heat source of the electric heater that heats the air inside the box.
A fuel cell system for an underwater vehicle that can utilize the waste heat of a fuel cell.
상기 중앙분기라인의 타단부와 상기 연료전지 사이에 설치되며, 상기 연료전지로 제공되는 청수의 온도를 검출하는 센서를 더 포함하며,
상기 센서의 검출 신호를 이용하여 상기 제2 삼방밸브의 개폐 동작이 제어되는
연료전지의 폐열 활용이 가능한 수중운동체의 연료전지시스템.
According to paragraph 1,
It is installed between the other end of the central branch line and the fuel cell, and further includes a sensor that detects the temperature of fresh water provided to the fuel cell,
The opening and closing operation of the second three-way valve is controlled using the detection signal of the sensor.
A fuel cell system for an underwater vehicle that can utilize the waste heat of a fuel cell.
상기 청수순환라인에 설치되며, 상기 열교환기의 출구 측 후단에 위치하는 제1 삼방밸브;
상기 열교환기를 통과한 청수의 열 에너지를 간접적으로 이용하여 상기 전기히터에 열원을 공급하도록 구비되는 보조 열교환기; 및
상기 제1 삼방밸브와 일단부가 연결되며, 타단부는 상기 보조 열교환기로부터 바이패스 시켜 상기 청수순환라인에 연결되는 제2 바이패스라인;
을 포함하는 연료전지의 폐열 활용이 가능한 수중운동체의 연료전지시스템.
According to paragraph 1,
A first three-way valve installed in the fresh water circulation line and located at a rear end of the outlet side of the heat exchanger;
an auxiliary heat exchanger provided to supply a heat source to the electric heater by indirectly using the heat energy of fresh water passing through the heat exchanger; and
a second bypass line, one end of which is connected to the first three-way valve, and the other end of which is bypassed from the auxiliary heat exchanger and connected to the fresh water circulation line;
A fuel cell system for an underwater vehicle capable of utilizing the waste heat of a fuel cell including.
상기 보조 열교환기는,
상기 청수순환라인에 설치되며, 상기 제1 삼방밸브와 상기 제2 바이패스라인의 타단부 사이에 위치하는
연료전지의 폐열 활용이 가능한 수중운동체의 연료전지시스템.
According to clause 5,
The auxiliary heat exchanger,
It is installed in the fresh water circulation line and located between the first three-way valve and the other end of the second bypass line.
A fuel cell system for an underwater vehicle that can utilize the waste heat of a fuel cell.
상기 보조 열교환기와 상기 전기히터 사이에는 열매체가 순환하며,
상기 보조 열교환기 내에서, 상기 열교환기를 통과한 청수와의 열교환을 통해 열매체는 가열되며 상기 전기히터에 열원을 공급하는
연료전지의 폐열 활용이 가능한 수중운동체의 연료전지시스템.
According to clause 6,
A heat medium circulates between the auxiliary heat exchanger and the electric heater,
In the auxiliary heat exchanger, the heat medium is heated through heat exchange with fresh water passing through the heat exchanger and supplies a heat source to the electric heater.
A fuel cell system for an underwater vehicle that can utilize the waste heat of a fuel cell.
상기 청수순환라인에 설치되며, 상기 연료전지의 출구 측 후단에 위치하는 제2 삼방밸브; 및
상기 제2 삼방밸브와 일단부가 연결되고, 타단부는 상기 제2 바이패스라인의 출구 측 후단에 위치하도록 상기 청수순환라인에 연결되는 중앙분기라인;
을 포함하는 연료전지의 폐열 활용이 가능한 수중운동체의 연료전지시스템.
In clause 7,
A second three-way valve installed in the fresh water circulation line and located at a rear end of the outlet side of the fuel cell; and
a central branch line connected to the fresh water circulation line so that one end is connected to the second three-way valve and the other end is located at a rear end of the outlet side of the second bypass line;
A fuel cell system for an underwater vehicle capable of utilizing the waste heat of a fuel cell including.
상기 중앙분기라인의 타단부와 상기 연료전지 사이에 설치되며, 상기 연료전지로 제공되는 청수의 온도를 검출하는 센서를 더 포함하며,
상기 센서의 검출 신호를 이용하여 상기 제2 삼방밸브의 개폐 동작이 제어되는
연료전지의 폐열 활용이 가능한 수중운동체의 연료전지시스템.According to clause 8,
It is installed between the other end of the central branch line and the fuel cell, and further includes a sensor that detects the temperature of fresh water provided to the fuel cell,
The opening and closing operation of the second three-way valve is controlled using the detection signal of the sensor.
A fuel cell system for an underwater vehicle that can utilize the waste heat of a fuel cell.
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| KR101845591B1 (en) * | 2015-10-23 | 2018-04-04 | 대우조선해양 주식회사 | Cooling apparatus and methdo for reformer system of underwater moving body |
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