KR102664615B1 - 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템 및 그 부산물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템 및 그 부산물에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 설명하면, 해수를 포함하는 물이 가열되어 수소/산소 가스 생성기에서 해리상태로 수소/산소 가스로 생성되어 분리되고 상기 분리된 수소/산소 가스를 수소/산소분리기를 통하여 다시 수소/산소 가스로 분리되고 상기 분리된 수소/산소 가스가 고온연소버너를 통하여 연소시켜 고속분사기류가 발생되어 분사되고 상기 분사된 분사력은 고속터빈이 회전되게 하고 상기 고속터빈의 회전축은 발전기를 회전시켜 전기를 발생시키고 상기 고속터빈을 회전시킨 고속분사공기는 사용된 상태로 수소/산소 가스 생성기로 귀환되어 전기를 생산하면서 원료인 고온 수증기가 순환되어 저렴한 비용으로 경제적으로 작동되는 것이 가능하게 되고 상기 발전 시스템에 의하여 생성되는 산소, 담수나 나트륨과 같은 유용한 부산물을 얻을 수가 있게 되는 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템 및 그 부산물에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 설명하면, 해수를 포함하는 물이 가열되어 수소/산소 가스 생성기에서 해리상태로 수소/산소 가스로 생성되어 분리되고 상기 분리된 수소/산소 가스를 수소/산소분리기를 통하여 다시 수소/산소 가스로 분리되고 상기 분리된 수소/산소 가스가 고온연소버너를 통하여 연소시켜 고속분사기류가 발생되어 분사되고 상기 분사된 분사력은 고속터빈이 회전되게 하고 상기 고속터빈의 회전축은 발전기를 회전시켜 전기를 발생시키고 상기 고속터빈을 회전시킨 고속분사공기는 사용된 상태로 수소/산소 가스 생성기로 귀환되어 전기를 생산하면서 원료인 고온 수증기가 순환되어 저렴한 비용으로 경제적으로 작동되는 것이 가능하게 되고 상기 발전 시스템에 의하여 생성되는 산소, 담수나 나트륨과 같은 유용한 부산물을 얻을 수가 있게 되는 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 수소는 미래 연료로서, 연료 전지 분야, 수소 연소 엔진 및 기타 관련 기술들에서의 많은 발전들에도 불구하고, 수소 소비체는 여전히 경제적으로 실용화되는 데 거리가 있고, 또한, 수소연로의 이송과 저장은 대단히 높은 압력과 큰 부피를 차지하게 되어 수소가 구동 연료로서의 사용의 필요성이 제기되는 높은 사용 요구에 대한 변화에 커다란 걸림돌이되고 있다는 문제점이 있다.
그리고, 수소연료전지를 동력원으로 하는 차세대 전기차량 혹은 이동수단의 실용화를 위한 선결조건중 하나는 수소충전소의 원활한 보급이다. 이 문제가 해결되면 배터리 전기차량에 비해서 주행거리, 충전시간 그리고 폐전지 처리 등의 문제에서 큰 우위를 갖고 있는 연료전지 전기차량의 보급은 확대될 것이다.
수소충전소의 원활한 보급을 막는 가장 큰 장애 요소는 충전소의 큰 규모, 높은 건설 및 유지비용이다. 충전소의 건설은 수소가스의 공급원 확보와 압축문제로 요약된다. 충전소로의 수소공급은 크게 세 가지 방법에 의존한 다. 첫째 방법은 납사의 분해 등 정유공장에서 부산물로 혹은 제철공장에서 부산물로 얻어지는 부생수소의 이용이다. 가격이 매우 저렴하다는 장점은 있으나 이 수소에 함유돼 있는 불순물의 제거와 고순도 정화, 충전소로의 운송, 그리고 저장시설 확보 등의 문제가 있다. 둘째 방법은 천연가스 등 화석연료의 개질(reforming)에 의한 방법이다. 개질에 의한 수소생산은 이산화탄소 가스가 동반 생산되므로 청정에너지(clean energy)원이라는 수소의 소기 목적에 배치된다. 셋째 방법은 물 전기분해에 의한 방법이다. 장치가 작고 산소가 동반 생산된다는 이점은 있으나 경제성이 전기가격에 민감하게 좌우된다.
수소의 압축에는 다이어프램(diaphragm) 혹은 이온화 액체(ionic liquid)를 사용하는 피스톤 기계식 방법이 주로 사용된다. 수소가스를 고압으로 압축하기 위해서는 다단계(multi-stage) 압축과정이 필요하며 냉각의 필요성 때문에 장치의 규모가 커진다. 이밖에도 기계식 압축방법은 높은 소음과 낮은 에너지 효율 등의 단점이 있다.
이러한 기계식 압축방법을 대체하는 방식으로 전기화학적 압축방법이 있으며 많은 연구 개발이 진행되고 있다. 전기화학적 압축방식은 외부 압력에 의하여 가스를 압축하는 것이 아니라 전기화학 셀에 연속적으로 인가되는 전력에 의해 생성되는 가스로 폐공간(closed space)을 채우는 방식으로 다시 말하면 내부 압력 증가 방식이다. 전기화학 셀은 기본적으로 분리막이 삽입된 두 개의 전극으로 구성되며 이 전극사이에 전압을 인가하면 전류가 흐르고 이에 따라 전극사이로 가스가 이동하거나 전극에서 수소가 생성된다. 전극을 포함하는 공간을 닫힌계로 하고 계속 전류를 흘리면 이 외벽이 분쇄되지 않는 한 가스의 압력은 상승한다.
전기화학식 압축방법은 압축기에 공급되는 원료에 따라 두 방식으로 나눌 수 있다. 하나는 물을 사용하는 전기 분해 방식이다. 물을 원료로 사용하는 이 시스템에 전력을 공급하면 한쪽 전극에서는 수소가 다른 쪽 전극에서는 산소가 생성되며 압축에 따라 고압 수소와 산소가스가 동반 생산된다. 물의 공급은 각 단위 셀에 병렬식으로 공급되므로 수소/산소 생산은 각 셀에서 동시에 일어나며 공동 유로(conduit)를 통하여 배출된다. 다른 하나의 전기화학적 방법은 수소를 원료로 사용하는 다단계 산화/환원 방식이다. 수소를 원료로 사용하는 이 방식의 시스템 구성은 연료전지와 유사하며 어떤 출처의 수소가스라도 사용 가능하다. 이 시스템에서는 단위 셀의 한쪽 전극에서 원료인 수소 분자를 수소이온으로 산화시켜 멤브레인 분리막을 투과하게 만들고 다른 쪽 전극에서 이 이온을 다시 수소 분자로 환원시키는 산화/환원반응이 일어난다. 따라서 이 방식에서는 직렬로 연결된 각 단위 셀을 수소 가스가 지나면서 중복적인 산화/환원을 통하여 그 압력을 점진적으로 상승시킨다. 단위 셀의 전극면적과 화학적 조성 그리고 축적된 단위 셀의 수가 동일할 경우 시간당 수소 생산량이 전기분해 방식에 비하여 훨씬 낮다.
본 발명에서 소개하는 물 전기분해에 의한 전기화학적 수소 생산 압축방법의 가장 큰 기술적 문제점은 두 가지로 요약된다. 하나는 장치의 핵심요소인 스택의 기계 및 구조적 강도이며 다른 하나는 생산되는 수소의 순도이다. 고압에서 전극의 더미인 스택의 구조적 안정성은 단위 셀 두 전극 간에 삽입하는 분리막과 단위 셀 다른 구성요소의 기계적 강도 그리고 스택의 결속 접합면 등에 걸리는 국부적인 응력(stress) 등에 민감하게 의존된다.
스택을 조립할 때 내부에서 생성되는 가스의 압력을 견뎌 내도록 외벽을 "환상(ring)"구조의 소재를 사용하고 전극과 양극성 배전판 사이에 "짠 직조 판(woven sheet)"과 같은 신축성 소재를 삽입하기도 하여 혹은 멤브레인의 기계적 강도가 보강된 복합막을 사용하기도 한다. 그러나 내부 가스의 압력이 300 기압 이상으로 상승할 경우 스택 구성요소의 보강만으로는 한계에 부딪친다. 수소충전소가 보편화되기 위해서는 저장용기의 수소가스 압력이 700 기압 이상으로 유지되어야 하며 높은 압력에 견디는 압축장치 내부 구조의 설계가 필수적이다.
상기한 조건을 만족시키기 위해서는 아주 새로운 방법과 소재의 선택이 요구된다. 특허문헌 1에서는 물 전기분해에 의해 수소와 산소를 동시 생산하고 산소의 일부는 수소의 압축을 돕는 보조제 역할을 하는 방법을 제시하였다. 이 방법은 고압 수소 생산압축장치의 크기를 현저히 줄이고 저가의 소재를 사용하여 장치의 가격을 낮추는 가능성은 제시하였다. 이 방법의 핵심은 물 전기분해 스택을 하우징(housing or container) 내부에 배치하고 하우징의 내부 공간을 스택에서 생산되는 고압의 산소가스로 채운다. 따라서 스택 안팎을 등압(equal pressure)으로의 유지가 가능하며 스택의 구조적 안정성을 높일 수 있다. 스택 안팎을 등압(equal pressure)으로 하는 방식은 물 전기분해방법의 큰 장점이 될 수 있다. 그러나 이 방법은 장치의 파손으로 인하여 고압의 수소와 산소가스의 돌발적인 섞임이 유발할 수도 있는 폭발반응에 대한 대비책은 제시하지 못 하였다.
고압 전기분해장치의 다른 하나의 기술적인 문제점으로는 가스의 순도이다. 물 전기분해에서 가스의 압력이 상승함에 따라 장치 내부를 순환하는 전해질 용액에는 헨리의 법칙 (Henry's law)에 따라 수소와 산소가스의 용해도(solubility)도 증가한다. 따라서 생산되는 가스의 순도를 높이기 위해서는 수소가스가 용해된 전해질 용액과 산소가스가 용해된 전해질 용액의 혼합을 최소화해야 한다. 고압 조건에서는 스택 내부의 물 저장소(water reservoir)로의 물의 공급, 수소/산소 가스압력의 등가화(equalizer), 전해질 용액의 순환방식이 상압 전기분해장치에서의 순환방식과는 다르게 설계되어야 한다. 이러한 문제점에 대한 기술적 분석과 구체적인 해결책은 보고된 바가 없다.
그리고, 태양광을 이용해서는 주로 태양광 발전을 수행하고 있으며, 다른 용도로는 태양광을 이용하여 물을 가열시키는 용도로 한정된 특정 용도로만 사용되고 있는 실정이고, 이러한 태양광 발전은 무한정, 무공해의 태양 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술로서, 반도체 pn접합으로 구성된 태양전지에 태양광이 조사되면 광에너지에 의한 전자-양공 쌍이 생겨나고, 전자와 양공이 이동하여 n층과 p층을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 기전력이 발생하여 외부에 접속된 부하에 전류가 흐르게 되는 것으로, 태양의 에너지를 수집하기 위해 만들어진 집열판은 태양 빛을 가장 많이 받는 장소에 고정적으로 설치되는 고정식 집열판 및 태양의 위치에 따라 방향을 바꿀 수 있도록 설치되는 방향 전환식 집열판으로 나누어지고, 고정식 집열판은 대부분 태양 빛을 가장 많이 받는 장소에 고정시킴으로써, 항상 지정된 방향에서 태양 빛을 받도록 설치되어 있어서, 지정된 양의 태양 에너지를 취할 수 있고, 그리고, 방향 전환식 집열판은 광센서에 의해 모터를 제어하여 집열판의 방향을 바꾸는 등의 방식으로 작동되나, 고정식 집열판의 경우 대부분이 작업자에 의해 개략적이고 경험적으로 설치되어 지고 있으며, 또한 방향 전환식 집열판의 경우, 광센서를 이용하여 태양열을 추적할 경우 복잡한 제어 장치가 요구되며, 제어 작동상 다단계 과정을 거쳐 작동이 이루어지기 때문에 작동 과정 또는 외부 요인에 따라 오동작이 발생할 가능성이 매우 높을 뿐만 아니라 설치 비용이 높은 문제점을 갖고 있으며, 역시 태양열 장치로만 사용되며 태양열을 집열효과도 대단히 낮게 이루어지게 되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은, 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수소/산소 가스로 생성되어 분리되고 상기 분리된 수소/산소 가스를 수소/산소분리기를 통하여 다시 수소/산소 가스로 분리되고 상기 분리된 수소/산소 가스가 고온연소버너를 통하여 연소시켜 고속분사공기가 발생되어 분사되고 상기 분사된 분사력은 고속터빈이 회전되게 하고 상기 고속터빈의 회전축은 발전기를 회전시켜 전기를 발생시키고 상기 고속터빈을 회전시킨 고속분사공기는 사용된 상태로 냉각되어 다시 수소/산소 가스 생성기로 귀환되어 전기를 생산하면서 냉각된 수증기가 순환되어 저렴한 비용으로 경제적으로 작동되는 것이 가능하게 되는 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 태양열을 이용하여 물을 가열시켜 900℃ 이상의 임계점 이상의 고온의 물분자 증기를 발생시키고 이와 같은 임계점 이상의 고온의 물분자 증기를 수소/산소 가스 생성기로 공급하고 이와 같이 공급된 고온증기를 그래핀 필터가 구비된 제1 수소/산소분리기로 분리하여 수소/산소 가스로 분리하여 최소의 에너지를 사용하여 수소/산소 가스로 분리하는 것이 가능한 수소/산소 생성기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 분리된 수소/산소 가스를 질소가스로 냉각된 제2 수소/산소분리기를 통하여 다시 수소/산소 가스와 물로 분리하여 2차로 수소/산소 가스로 분리하는 것이 가능한 제2 수소/산소분리기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 미분리된 수소/산소 가스를 질소냉매가 유입된 질소냉매파이프가 갈지(之) 형태로 배치되고 수소/산소가스가 유입되어 수소가스와 액체산소로 분리된 제3 수소/산소분리기를 통하여 다시 수소/산소 가스와 물로 분리하여 2차로 수소/산소 가스로 분리하는 것이 가능한 제3 수소/산소분리기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 분리된 수소/산소 가스를 고온연소버너를 통하여 연소시켜 회전력을 발생시키는 고속터빈으로 구동되게 되는 것이 가능한 고온연소버너를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 고온연소버너를 통하여 고속분사공기가 발생되어 분사된 분사력에 의하여 회전되는 고속터빈은 고속으로 회전되는 회전력이 발생되면서도 냉각된 고온수증기는 1,000℃ 이하로 다시 냉각되어 상기 수소/산소 가스 생성기로 귀환되고 상기 수소/산소 가스 생성기는 태양열에 의하여 900℃ 이상의 고온증기로 가열되는 것이다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 고속터빈의 회전축에 연결되어 전기를 발생시키도록 작동되는 발전기가 설치되고, 발전된 전기는 ESS장치에 저장되어 필요한 용도로 사용된 것이 특징이라고 할 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 수소/산소 가스 생성기에서 사용되는 물은 해수를 끌어들여서 사용되므로 용수공급에 전혀 지장이 없이 사용될 수 있으며 상기 수소/산소 가스 생성기는 태양열에 의하여 900℃ 이상의 고온증기로 가열되므로 상기 수소/산소 가스 생성기의 저면에는 부산물로 고체상의 Na 가 생성되는 것이 특징이라고 할 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 태양열을 이용하여 물을 가열시켜 900℃ 이상의 임계점 이상의 고온의 물분자 증기를 발생시키고 이와 같은 임계점 이상의 고온의 물분자 증기를 수소/산소 가스 생성기로 공급하고 이와 같이 공급된 고온증기를 그래핀 필터가 구비된 제1 수소/산소분리기로 분리하고 다시 수소/산소 가스를 질소가스로 냉각된 제2 수소/산소분리기를 통하여 다시 수소/산소 가스와 물로 분리하여 2차로 수소/산소 가스로 분리하기 위하여 중간에 열교환기가 설치되어 고온의 증기를 냉각하면서 부산물로 담수가 생성되고 이와 같이 생성된 담수가 상기 고온연소버너를 냉각시키는 용도로 사용되는 것이 특징이라고 할 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 수소/산소 가스 생성기는 고속터빈은 고속으로 회전되는 회전력이 발생되면서도 냉각된 고온수증기는 1,000℃ 이하로 다시 냉각되어 상기 수소/산소 가스 생성기로 귀환되는 귀환증기관과, 해수를 포함하는 물이 유입되는 물유입관의 2부분으로 증기와 물이 유입되는 2중 유입 구조를 갖는 것이 특징이라고 할 수 있다.
본 발명의 이러한 목적은, 수소/산소분리기와, 상기 수소/산소분리기를 통하여 이송된 수소가스를 저장하는 수소가스저장소와 이송된 산소를 저장하는 산소저장소와, 상기 수소가스저장소와 산소저장소에서 이송된 가스가 혼합되고 연소되어 고속기류를 발생시키는 고온연소로와, 상기 고온연소로에서 유출되는 고속기류에 의하여 회전되는 고속터빈과, 상기 고속터빈의 회전축에 의하여 회전되며 전기를 발생시키는 발전부를 포함하는 본 발명에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템에 의하여 달성된다.
본 발명의 이러한 목적은, 상기 수소/산소분리기는 제1 수소/산소분리기와 제2 수소/산소분리기로 구분되어 보다 정교한 수소/산소의 분리가 수행되는 본 발명에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템에 의하여 달성된다.
본 발명의 이러한 목적은, 상기 수소/산소분리기의 이전에 수소/산소를 생성하는 수소/산소 가스 생성기가 추가로 설치된 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템에 의하여 달성된다.
본 발명의 이러한 목적은, 상기 수소/산소 가스 생성기는 태양광이 입사되어 전기나 열을 발생시키는 태양광 판넬부가 연결되고 해수를 포함하는 물이 유입되는 물유입관이 추가로 설치된 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템에 의하여 달성된다.
본 발명의 이러한 목적은, 상기 제1 수소/산소분리기와 제2 수소/산소분리기와의 사이에 고온의 증기를 냉각시키는 열교환기가 설치되고 상기 열교환기에 의하여 냉각된 담수는 상기 고온연소로에 공급되어 상기 고온연소로의 온도를 냉각시킬 수 있는 본 발명에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템에 의하여 달성된다.
본 발명의 이러한 목적은, 수소/산소 가스생성기에서 수소가스와 산소가스가 해리된 상태로 분리시키는 단계와, 상기 해리 상태로 분리된 수소가스와 산소가스를 그래핀필터가 구비된 제1 수소/산소분리기에서 분리시키는 단계와, 상기 제1 수소/산소분리기에서 분리된 수소가스와 산소가스를 액체질소가 구비된 제2 수소/산소분리기에서 분리시키는 단계와, 분리된 수소가스와 산소가 수소가스저장소와 산소저장소에 저장되고 저장된 수소가스와 산소가 2:1의 비율로 공급되어 고온연소로에서 연소되며 고속기류가 발생되는 단계와, 고속기류에 의하여 고속터빈이 회전되며 회전력이 발생되는 단계와, 상기 고속터빈의 회전축에 연결되어 전기를 발생시키는 단계를 포함하는 본 발명에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 방법에 의하여 달성된다.
본 발명에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템 및 그 부산물은, 해수를 포함하는 물이 가열되어 해리상태로 수소/산소 가스로 생성되는 수소/산소 가스 생성기와, 해리상태로 생성된 수소/산소 가스를 수소가스와 산소로 분리하는 수소/산소분리기와, 상기 수소/산소분리기를 통하여 이송된 수소가스를 저장하는 수소가스저장소와 이송된 산소를 저장하는 산소저장소와, 상기 수소가스저장소와 산소저장소에서 이송된 가스가 혼합되고 연소되어 고속기류를 발생시키는 고온연소로와, 상기 고온연소로에서 유출되는 고속기류에 의하여 회전되는 고속터빈과, 상기 고속터빈의 회전축에 의하여 회전되며 전기를 발생시키는 발전부를 포함하여, 해수를 포함하는 물이 가열되어 수소/산소 가스 생성기에서 해리상태로 수소/산소 가스로 생성되어 분리되고 상기 분리된 수소/산소 가스를 수소/산소분리기를 통하여 다시 수소/산소 가스로 분리되고 상기 분리된 수소/산소 가스가 고온연소버너를 통하여 연소시켜 고속분사기류가 발생되어 분사되고 상기 분사된 분사력은 고속터빈이 회전되게 하고 상기 고속터빈의 회전축은 발전기를 회전시켜 전기를 발생시키고 상기 고속터빈을 회전시킨 고속분사공기는 사용된 상태로 수소/산소 가스 생성기로 귀환되어 전기를 생산하면서 원료인 고온 수증기가 순환되어 저렴한 비용으로 경제적으로 작동되는 것이 가능하게 되고 상기 발전 시스템에 의하여 생성되는 산소, 담수나 나트륨과 같은 유용한 부산물을 얻을 수가 있게 되는 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템의 개략적인 구성도
도 2a, 2b, 2c, 2d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템의 수소/산소 생성기의 개략적인 종단면도, 태양광판넬부가 수소/산소 생성기에 연결된 개략적인 측면도, 전기발생판넬의 사시도, 열발생판넬의 사시도
도 3a, 3b, 3c, 3d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템의 제1 수소/산소분리기의 개략적인 종단면도, 그래핀필터의 분해 사시도, 그래핀필터의 종단면도, 스위치의 작동도
도 4a, 4b, 4c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템의 제2 수소/산소분리기의 개략적인 종단면도, 제2 수소/산소분리기의 다른 실시예의 종단면도, 열교환기가 설치된 개략적인 구성도
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템의 고온연소로의 개략적인 종단면도
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템의 고속터빈의 개략적인 종단면도
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템의 발전기의 개략적인 종단면도
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템의 개략적인 구성도
도 2a, 2b, 2c, 2d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템의 수소/산소 생성기의 개략적인 종단면도, 태양광판넬부가 수소/산소 생성기에 연결된 개략적인 측면도, 전기발생판넬의 사시도, 열발생판넬의 사시도
도 3a, 3b, 3c, 3d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템의 제1 수소/산소분리기의 개략적인 종단면도, 그래핀필터의 분해 사시도, 그래핀필터의 종단면도, 스위치의 작동도
도 4a, 4b, 4c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템의 제2 수소/산소분리기의 개략적인 종단면도, 제2 수소/산소분리기의 다른 실시예의 종단면도, 열교환기가 설치된 개략적인 구성도
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템의 고온연소로의 개략적인 종단면도
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템의 고속터빈의 개략적인 종단면도
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템의 발전기의 개략적인 종단면도
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템의 개략적인 구성도
본 발명의 제1 실시예에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템(A)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 900℃ 이상의 임계점 이상의 고온의 물분자 증기로 가열되어 해리상태의 수소가스와 산소가스를 생성시키는 수소/산소 가스 생성기(1)와, 해리상태로 분리된 수소/산소 가스가 수소가스와 산소로 분리되는 수소/산소분리기(2)와, 분리된 수소가 저장되는 수소저장부(61)와 산소가 저장되는 산소저장부(62)와, 상기 각기 분리되어 저장된 수소/산소 가스를 2:1로 혼합하여 고온으로 연소시키는 고온연소로(3)와, 상기 고온연소로에서 배출되는 고온고압으로 분사되는 고속기류를 이용하여 회전동력을 얻을 수 있는 고속터빈(4)과, 상기 고속터빈(4)의 회전축(42)에 연결되어 회전되면서 전기를 발생시키는 발전기(5)를 포함한다.
상기 수소/산소 생성기(1)는, 본 실시예에서는 900℃ 이상의 임계점 이상의 고온의 물분자 증기를 그래핀 필터부에 의하여 수소/산소 가스로 분리생성되는 태양광에너지를 이용하였으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 물을 전기분해시키는 수전해나 고속 전자빔을 통하여 수소/산소 가스로 분리생성시키는 방법 등도 본 발명에서 기술되는 수소/산소 생성기(1)에 포함된다고 할 것이다.
본 실시예에서, 상기 수소/산소 생성기(1)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 생성기본체(11)와, 상기 생성기본체(11)의 일면에 설치된 1500℃ 이상의 온도로 가열된 다수의 Si-C 가열봉(12)과, 상기 생성기본체(11)로 해수와 같은 물이 유입되는 물유입관(13)과 상기 고속터빈(4)에서 사용된 900℃ 이상의 물이 귀환되는 귀환증기관(14)이 상기 생성기본체(11)의 일면에 설치되고, 상기 다수의 Si-C 가열봉(12)에 의하여 가열되어 900℃ 이상의 임계점 이상의 수소와 산소로 해리상태로 분리된 고온의 물분자 증기로 분리된 상태로 배출되는 배출구(15)를 포함한다.
상기 수소/산소 생성기(1)의 하부의 다수의 Si-C 가열봉(12)에 의하여 가열되는 해수는 걸음망(13a)을 통하여 걸러지게 되고, 해수가 가열 시에 수분이 증발되어 고체상태의 NaCl이 형성되어 생산되므로 상기 NaCl 중의 Cl성분을 제거하면 부산물로서 고체상 Na가 제조되어 2차전지의 양극재로도 사용할 수가 있게 되는 것이다.
상기 수소/산소 생성기(1)에 설치된 1500℃ 이상의 온도로 가열된 다수의 Si-C 가열봉(12)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 태양광이 입사되어 전기나 열을 발생시키는 태양광 판넬부(10)에 의하여 가열되며, 상기 태양광 판넬부(10)는 2부분으로 구성되어, 제1부분은 전기를 발생시키는 전기발생판넬(11a)로 이루어져 시스템 전체의 필요한 가동전기를 공급하고, 제2부분은 태양광을 집열시키는 프레넬 렌즈로 구성되어 태양광을 900~1300℃로 집열시키는 열발생판넬(11b)로 이루어지고, 상기 열발생판넬에는 발생된 열을 이송시키는 상기 Si-C 가열봉(12)이 연결되어 있으나, 이에 제한되지 않고 탄화규소나 그래핀 와이어 케이블도 사용될 수 있을 것이다.
상기 전기발생판넬(11a)은 일반적으로 사용되는 공지된 반도체 pn접합으로 구성된 태양전지패널로 이루어지고, 상기 열발생판넬(11b)은 프레넬렌즈형태로 제작된 다수의 강화유리판넬로 구성되어 태양열을 한 지점으로 집열시켜 고온의 열을 발생시키는 구조를 갖는다.
상기 Si-C 가열봉(12)은 그래핀 와이어나 탄화규소(SiC)나 그래핀과 같은 탄화 구조를 가진 열전달체로 제조되어 열전달효율이 거의 90% 이상으로 대단히 효율적으로 태양광 판넬부(10)에서 발생된 열을 상기 수소/산소 생성기(1)로 전달하게 된다.
본 실시예에서, 상기 수소/산소분리기(2)는, 수소가스와 산소가스를 보다 고순도로 분리하기 위하여 제1 수소/산소분리기(2a)와 제2 수소/산소분리기(2b)가 설치되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고 제1 수소/산소분리기(2a)만을 사용하거나 제2 수소/산소분리기(2b)만을 선택적으로 사용할 수도 있을 것이다.
또한, 본 실시예에서, 상기 수소/산소분리기(2)는, 상기 제1 수소/산소분리기(2a)와 제2 수소/산소분리기(2b)와의 사이에 고온의 증기를 냉각시키는 열교환기(2d)가 설치되고 상기 열교환기(2d)에 의하여 발생되어 냉각된 담수는 상기 고온연소로(3)에 공급되어 상기 고온연소로(3)의 온도를 냉각시킬 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1 수소/산소분리기(2a)는 그래핀필터가 사용되어 900℃ 이상의 물분자를 형성하는 분해가능한 임계치의 이상으로 가열된 수소분자 및 산소분자로 분해가능한 고온 물분자를 상기 그래핀필터에 의하여 산소분자를 주기적으로 포획하는 방식으로, 수소분자와 산소분자를 분리할 수가 있게 되는 것이다.
상기 제1 수소/산소분리기(2a)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 수소/산소 생성기(1)에서 900℃ 이상의 물분자를 형성하는 분해가능한 임계치의 이상으로 가열된 수소분자 및 산소분자로 분해가능한 고온 물분자를 만들어 20 bar 이상의 고압으로 송풍되는 가압송풍로(21)와, 상기 가압송풍로(21)의 중간의 내부에 설치되어 전압인가시에는 수소가스만을 선택적으로 통과시키는 그래핀필터(22)를 포함한다.
상기 그래핀필터(22)에는 일정한 전압/전류가 인가 또는 소거되는 센서형 스위치(S)가 설치되어 전압이 인가되는 경우에는 산소가스가 전압이 인가된 상기 그래핀필터(22)에 설치된 그래핀입자에 포획되어 수소가스만이 통과되게 되고, 전압이 없어져 소거된 경우에는, 상기 그래핀필터(22)의 그래핀입자에 포획된 산소가스가 상기 그래핀입자로부터 자유롭게 이동되어 산소가스가 통과되게 되는 원리를 이용하여 수소가스와 산소가스를 순도있게 분리할 수가 있게 되는 것이다.
상기 가압송풍로(21)로 이송된 수소가스와 산소가스는 상기 가압송풍로(21)상에 직렬로 배치된 다수의 그래핀 필터(22)를 통과하게 되고, 상기 그래핀필터(22)에 전압이 인가된 경우에는 그래핀 필터(22)의 그래핀박막(221)에 산소분자가 포텐셜에 의하여 포획되고 수소분자는 그래핀박막(221)을 지나서 가압송풍로(21)를 따라 이송되게 된다.
따라서, 수소가스만 상기 가압송풍로(21)를 지나 그래핀필터(22)를 통과하고 산소가스는 상기 그래핀 필터(22)의 그래핀박막(221)에 산소원자, 산소이온 등이 포텐셜에 의하여 포획된 상태로 그대로 정체되어 있는 상태를 유지하고, 도 3d에 도시된 바와 같이, 이와 같은 상태가 일정시간이 지속되어 산소가스가 그래핀박막(221)에 포획되는 숫자가 많아지게 되므로, 이러한 산소가스의 포획량에 따라 스위치의 색상이 작을 경우에 녹색에서 많을 경우에 적색으로 색의 변화 또는 전류/전압의 변화를 하게 되면, 상기 스위치(S)에 표시된 색상표시부(S1)의 색상을 보고 용이하게 스위치(S)의 전환시간을 조절시켜 수소가스의 저장량을 조절할 수가 있게 되는 것이다.
본 실시예에서는 산소가스의 포획량을 스위치(S)의 색상표시부(S1)에 표시하였으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 수소가스분리시스템의 다른 제어부(도시되지 않음)에 부착설치될 수 있음은 물론이라고 할 것이고, 수소가스분리시스템에서 이를 자동으로 인지하고 상기 스위치(S)의 전원을 온/오프 작동시킬 수도 있을 것이다.
이와 같이 스위치(S)에 설치된 색상의 변화를 시각적으로 인식하게 되면 산소가스의 포획된 정도를 파악할 수가 있게 되어 스위치의 전환시기를 용이하게 파악할 수가 있게 되어, 수소가스와 산소가스의 분리를 더욱 효율적으로 수행할 수가 있게 되는 것이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 그래핀 필터(22)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 그래핀박막(221)이 사각 프레임(222)에 결합되어 있다. 상기 그래핀박막은 그래핀의 크기를 40nm 개방공의 크기를 갖게 형성되어 수소원자나 산소원자들이 용이하게 통과할 수 있는 크기로 제조된다.
상기 그래핀박막의 가장자리에는 사각 프레임(222)이 설치되어 있고, 상기 사각 프레임(222)은 상기 그래핀박막에 일정시간 간격으로 전기/전압을 인가/소멸시키는 스위치(S)가 연결되게 설치되어 있다.
상기 제1 실시예에서는, 탄소원자들로만 제조된 그래핀박막이 사용되었으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 그래핀박막의 강도를 보강하기 위하여 벤토나이트나 규조토와 같은 성분이 혼합되어 코팅된 그래핀박막이 사용될 수 있음은 물론이라고 할 것이다. 더욱 구체적으로 설명하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 그래핀 필터(22)는, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 그래핀박막(221)이 다수가 집적된 그래핀박막 집합체(220)와 상기 그래핀박막 집합체(220)의 사이에 배치된 그래핀코팅된 나노 클레이 할로이 사이트 코팅 집합체(223)를 반복적으로 배치시켜 보다 저비용의 그래핀 코팅된 나노 클레이 할로이 사이트 코팅 집합체(223)를 사용하여 저렴하게 그래핀 필터를 제조하는 것이 가능하게 되는 것이다.
상기 제2 수소/산소분리기(2b)는, 도 4a에 도시된 바와 같이, 분리본체케이스(23)와, 상기 수소가스와 산소가스로 분리된 상태의 가스가 유입되는 가스유입구(24)와, 수소가스가 배출되는 수소가스배출구(25)와, 액체산소가 배출되는 액체산소배출구(26)를 포함한다.
상기 제2 수소/산소분리기(2b)는, 액체질소가 주원료로서, 상기 액체질소는 액체에서 기체 상태로 변하는 온도인 끓는점은 -195.79C 이므로 액체질소의 온도가 -196℃ ~ -205℃ 를 유지할 경우에는, 산소가스는 이보다 더 높은 온도인 -183℃에서 액체산소를 얻을 수 있게 되므로, 기체상태의 산소는 -196℃ ~ -205℃의 온도에서는 액체산소가 되어 아래로 떨어지게 되면서 액체산소의 비중이 액체질소의 비중과 다르므로 액체산소를 분리할 수가 있게 되고, 상기 수소는 가스상태로 상부에서 분리되고 산소는 액체상태로 하부에서 분리되므로, 2차로 용이하고 완전하게 수소/산소 가스를 분리할 수가 있게 되는 것이다.
상기 제2 수소/산소분리기(2c)는, 도 4b에 도시된 바와 같이, 질소냉매가 유입된 질소냉매파이프(27)가 갈지(之)자로 지그재그로 굴곡된 형태로 배치되고 수소/산소가스가 가스유입구(24)로 유입되어 수소가스는 가스상태로 수소가스배출구(25)를 통하여 배출되고 산소가스는 질소냉매파이프(27)에 접촉되어 액화되어 액체산소로 분리되어 액체산소배출구(26)를 통하여 배출되게 되어 정교하게 2차로 분리되게 되는 것이다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 제1 수소/산소분리기(2a)와 제2 수소/산소분리기(2b)와의 사이에 고온의 증기를 냉각시키는 열교환기(2d)가 설치되고, 상기 열교환기(2d)는 고온의 수소가스와 산소가스의 온도를 150℃ 이하로 냉각시키기 위한 것으로, 냉각되어 액화된 담수는 담수공급관(28)을 통하여 상기 고온연소로(3)에 공급되어 상기 고온연소로(3)의 온도를 냉각시키게 되는 구조이나, 이에 제한되지 않고 담수를 생산하여 광물성분과 같은 필요한 성분을 첨가하여 음용수와 같은 다른 용도로 사용하는 것도 가능하다고 할 것이다.
상기 수소/산소분리기(2)를 통과한 수소가스는 수소저장부(61)에 저장되고 산소는 산소저장부(62)에 저장되게 되는 것이다. 상기 수소저장부(61)에 저장된 수소가스는 수소가스를 이용한 제철소용 원료로 사용될 수도 있을 것이고,다른 수소산업을 위한 용도로도 사용될 수가 있을 것이다.
상기 수소저장부(61)와 산소저장부(62)에 저장된 수소가스와 산소가스는 고온연소로(3)에서 2:1의 비율로 혼합되어 연소되어 3,000℃ 이상의 고온으로 연소되고 연소된 후에는 물로 환원되며, 이와 같이 고온으로 연소되는 고온연소로(3)를 냉각시키기 위하여 담수공급관(28)을 통하여 상기 고온연소로(3)의 내측면에 냉각수가 공급되어 고온연소로(3)의 내측의 높은 연소온도를 낮은 온도로 냉각시키게 되는 것이다. 상기 고온연소로(3)는 일측에 수소유입관(61a)과 산소유입관(62a)과 담수공급관(28)이 설치되고 타측에 분사기류배출구(34)가 설치된 연소로본체(30)와, 상기 수소가스와 산소가스가 유입되는 가스유입구(31)와, 유입된 가스가 연소되는 연소공간(33)과, 상기 연소로본체(30)의 가장자리에 설치된 수증기분사구(32)를 포함하는 구성을 갖는다.
상기 고온연소버너(3)의 상기 가스유입구(31)의 반대편에는 높은 압력으로 발생된 고속연소분사기류가 분사되는 분사기류배출구(34)가 형성되어 발생된 고속연소분사기류가 분사된다.
이와 같이, 상기 고온연소로(3)에서 연소된 고속기류는 연통된 고속터빈(4)의 임펠러(41)에 부딪히면서 고속터빈(4)이 고속으로 회전되게 되는 것이고, 상기 고속터빈(4)의 임펠러에 부딪혀 냉각된 냉각수는 냉각수가 귀환되는 귀환증기관(14)을 통하여 상기 수소/산소 생성기(1)로 귀환되어 재사용되게 되는 것이다.
상기 고속터빈(4)의 터빈본체(43)의 타측에 형성된 회전축(42)은 상기 터빈본체(43)와 동일한 속도로 회전하게 되며, 상기 회전축(42)의 일단부가 상기 발전기(5)의 회전축(51)에 커플링(52)으로 연결되어 있어, 상기 발전기(5)는 상기 고속터빈(4)과 동일하거나 다른 속도로 회전되면서 전기를 생산할 수가 있게 되는 것이다. 상기 발전기(5)는 상기 회전축(51)에 고정된 회전자(53)와 상기 케이스(54)에 고정된 고정자(55)를 포함하여, 상기 회전자(53)가 회전되면서 고정자(55)와 협동하여 전기가 생산되는 것은 이미 공지된 것이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
상기 고속터빈(4)의 회전축(42)에 연결된 발전기(5)는 상기 회전축(42)과 동일하게 회전되면서 전기를 생산할 수가 있게 되는 것이며, 이와 같이 생산된 전기는 ESS(Energy Storage System)(7)에 저장되거나, 전기로와 같은 전기를 사용하는 장치에서 사용될 수가 있게 되는 것이다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템(A)의 작동을 이하에 상세하게 기술한다.
우선은, 본 발명에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템(A)에서, 900℃ 이상의 임계점 이상의 고온의 물분자 증기가 수소/산소 생성기(1)에 유입되어 결합상태가 약한 900℃ 이상의 임계점 이상의 고온의 물분자 증기가 제1 수소/산소분리기(2a)에 의하여 수소/산소 가스로 분리생성되는 것이고, 이와 같이 각기 분리된 수소/산소 가스가 액체질소가 주원료인 제2 수소/산소분리기(2b)를 통과시키게 되면 수소가스는 가스상태로 유출되고 산소가스는 액체상태로 침전되어 수소가스는 기체 상태로 상부로 분리되고 산소가스는 액화되어 침전되면서 액체상태로 하부에서 분리되게 되므로 2중으로 수소/산소 가스를 고순도로 분리할 수가 있게 되는 것이다.
상기 수소/산소 생성기(1)에서 유입된 물로서 해수가 물유입관(13)을 통하여 유입되고 상기 Si-C 가열봉(12)에 의하여 가열되는 경우에는 해수에 포함된 수분이 증발되어 고체상태의 NaCl만이 남게 되고, 상기 NaCl 중의 Cl성분을 제거하면 부산물로서 고체상 Na가 제조되어 중요한 자원인 Na가 부산물로서 생성되므로 2차전지의 양극재로도 사용할 수가 있게 되는 것이다.
이와 같이 분리된 수소가스와 액체산소는 별도의 보관용기를 통하여 수소저장부(61)와 산소저장부(62)를 통하여 저장되게 되고, 도 5에 도시된 바와 같이, 수소와 산소가 2:1의 비율로 가스유입구(31)를 통하여 상기 고온연소로(3)의 내부인 연소공간(33)으로 유입되면서 발화되어 3000℃ 이상의 고온으로 연소되게 되고(적색으로 표기됨), 이와 같이 수소와 산소의 발화로 인한 연소로본체(30)의 용융을 방지하기 위하여 담수공급관(28)을 통하여 공급된 담수가 수증기분사구(32)에서 수증기가 나선형으로 분사되게 되면서 상기 연소로본체(30)의 가장자리를 휘감으면서 분사되므로(파란색으로 도시됨) 상기 연소로본체(30)의 용융이 방지되어 설계수명대로 사용할 수 있게 되는 것이다.
이와 같이 연소로본체(30)를 통하여 분사되는 고온고압으로 분사되는 고온고속수증기의 분사속도는 7~8 m/s 의 고속으로 분사되므로 상기 연소로본체(30)의 분사기류배출구(34)를 통하여 분사되는 고온고속기류는 상기 고속터빈(4)의 임펠러(41)에 부딪히어 상기 고속터빈(4)을 고속으로 회전시키는 것이 가능하게 되는 것이다. 이와 같이 상기 고속터빈(4)을 고속으로 회전시키는 회전축(42)은 상기 회전축(42)의 일단부가 상기 발전기(5)의 연결축(51)에 커플링으로 연결되어 있으므로, 연결축(51)도 동일 속도로 회전되게 되므로 결국에는 상기 발전기(5)는 상기 고속터빈(4)과 동일하거나 다른 속도로 회전되면서 전기를 생산할 수가 있게 되는 것이므로, 이와 같이 생산된 전기를 전기로와 같은 장치에 사용하거나 ESS(7)에 저장시켜 필요한 경우에 방전시켜 사용할 수가 있게 되는 것이다.
또한, 상기 고속터빈(4)의 임펠러(41)에 부딪히어 터빈본체(43)를 회전시키고 냉각된 1000℃ 의 수증기는 수증기배출구(44)를 통하여 배출되게 되고, 이와 같이 배출된 냉각된 1000℃ 의 수증기는 귀환증기관(14)를 통하여 상기 수소/산소 생성기(1)로 귀환되게 되고, 이와 같이 상기 1000℃ 의 수증기가 유입된 수소/산소 생성기(1)는, 900℃ 이상의 임계점 이상의 고온의 물분자 증기를 수소/산소분리기(2)에 의하여 수소/산소 가스로 분리생성되게 작동되면서 수증기의 낭비가 없이 연속적인 귀환사용이 가능하게 되는 것이다.
본 발명에 따른 본 발명에 따른 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템은 일반적인 수소/산소를 이용하는 발전산업에서 동일한 제품을 반복적으로 제조하는 것이 가능하다고 할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이라고 할 것이다.
A : 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템
1 : 수소/산소 생성기 2 : 수소/산소 분리기
3 : 고온연소버너 4 : 고속터빈
5 : 발전기
1 : 수소/산소 생성기 2 : 수소/산소 분리기
3 : 고온연소버너 4 : 고속터빈
5 : 발전기
Claims (10)
- 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템(A)에 있어서,
상기 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템(A)은, 태양광 판넬부(10)의 열발생판넬(11b)에 발생된 열을 이송시키는 Si-C 가열봉(12)에 의하여 물을 900℃ 이상으로 가열하여 임계점 이상의 고온의 물분자 증기를 해리상태의 수소/산소 가스로 분리생성하는 수소/산소 생성기(1)와,
분리된 수소/산소 가스가 통과되어 수소가스와 액체산소로 수소/산소 가스를 분리하는 수소/산소분리기(2)와,
상기 각기 분리되어 저장된 수소/산소 가스를 고온으로 연소시키는 고온연소로(3)와,
상기 고온연소로에서 배출되는 고온고압으로 분사되는 고속수증기를 이용하여 회전동력을 얻을 수 있는 고속터빈(4)과,
상기 고속터빈(4)의 회전축(42)에 연결되어 회전되면서 전기를 발생시키는 발전기(5)를 포함하고,
상기 수소/산소분리기(2)는, 액체질소가 들어 있는 분리본체케이스(23)와, 상기 수소가스와 산소가스로 분리된 상태의 가스가 상기 액체질소가 들어 있는 위치로 유입되게 배치된 가스유입구(24)와, 수소가스가 배출되는 수소가스배출구(25)와, 액체산소가 배출되는 액체산소배출구(26)를 포함하고,
상기 고속터빈(4)의 수증기배출구(44)는 귀환증기관(14)를 통하여 상기 수소/산소 생성기(1)로 귀환되게 연결된 것을 특징으로 하는 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 고온연소로(3)는 내부에 연소공간이 형성된 연소로본체(30)와,
유입되는 수소가스와 산소가스가 유입되고 상기 연소로본체(30)의 일측에 부착되는 가스유입구(31)와,
상기 연소로본체(30)에 설치된 상기 가스유입구(31)보다 외측의 가장자리에 설치되며 수증기가 내측면을 감싸며 나선형으로분사되도록 설치된 수증기분사구(32)와,
상기 고온연소로(3)의 상기 가스유입구(31)의 반대편에는 높은 압력으로 발생된 고속연소분사기류가 분사되는 분사기류배출구(34)가 배치된 것을 특징으로 하는 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 고속터빈(4)은 상기 고온연소로(3)에서 배출되는 고온고압으로 분사되는 고온고속수증기가 유입되는 증기유입구(42)가 일측에 형성된 터빈케이스(41)와,
상기 터빈케이스(41)의 내부에 설치되어 회전되는 터빈본체(43)와,
상기 터빈케이스(41)의 타측에 설치되며 냉각된 수증기가 배출되는 수증기배출구(44)를 포함하고,
상기 터빈본체(43)는 회전력을 받아서 회전하는 회전축(42)과, 상기 회전축(42)에 부착되며 상기 고온연소로(3)의 분사기류배출구(34)에서 분사된 고속연소분사기류에 부딪히어 회전되는 다수의 임펠러가 설치되고,
상기 수증기배출구(44)는 귀환증기관(14)를 통하여 상기 수소/산소 생성기(1)로 귀환되게 연결된 것을 특징으로 하는 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 고속터빈(4)의 터빈본체(43)의 타측에 형성된 회전축(42)은 상기 터빈본체(43)와 동일한 속도로 회전하게 되며,
상기 회전축(42)의 일단부가 상기 발전기(5)의 회전축(51)에 커플링(52)으로 연결되어 있어,
상기 고속터빈(4)의 회전에 의하여 발전기(5)가 회전되어 전기가 발생되는 것을 특징으로 하는 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 수소/산소분리기(2)는, 질소냉매가 유입된 질소냉매파이프(25)가 갈지(之) 자로 굴곡된 형태로 배치되고 수소/산소가스가 가스유입구(22)로 유입되어 수소가스는 가스상태로 수소가스배출구(23)를 통하여 배출되고 산소가스는 질소냉매파이프(25)에 접촉되어 액화되어 액체산소로 분리되어 액체산소배출구(24)를 통하여 배출되는 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 고속터빈(4)의 수증기배출구(44)와 연결된 연결파이프(63)의 말단에 배치된 고온증기저장부(7)가 추가로 설치되고, 상기 고온증기저장부(7)는 상기 수소/산소 생성기(1)에 연결된 것을 특징으로 하는 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 수소/산소 생성기(1)의 수소가스와 산소가스를 가열하기 위하여 태양광 판넬부(10)가 설치되며,
상기 태양광 판넬부(10)는 2부분으로 구성되어,
제1부분은 전기를 발생시키는 전기발생판넬(11a)로 이루어져 시스템 전체의 필요한 가동전기를 공급하고,
제2부분은 태양광을 집열시키는 렌즈로 구성되어 태양광을 900~1300℃로 집열시키는 열발생판넬(11b)로 이루어지고,
상기 열발생판넬에는 발생된 열을 이송시키는 케이블(12)이 상기 수소/산소 생성기(1)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 수소/산소 생성기(1)는, 생성기본체(11)와, 상기 생성기본체(11)의 일면에 설치된 1500℃ 이상의 온도로 가열된 다수의 Si-C 가열봉(12)과, 상기 생성기본체(11)로 해수와 같은 물이 유입되는 물유입관(13)과 상기 고속터빈(4)에서 사용된 900℃ 이상의 물이 귀환되는 귀환증기관(14)이 상기 생성기본체(11)의 일면에 설치되고, 상기 다수의 Si-C 가열봉(12)에 의하여 가열되어 900℃ 이상의 임계점 이상의 수소와 산소로 해리상태로 분리된 고온의 물분자 증기로 분리된 상태로 배출되는 배출구(15)를 포함하고,
상기 수소/산소 생성기(1)의 하부의 다수의 Si-C 가열봉(12)에 의하여 가열되는 해수는 가열 시에 수분이 증발되어 용융상태 또는 고체상태의 NaCl이 형성되고, 상기 NaCl 중의 Cl성분을 제거하면 부산물로서 Na가 제조되는 것을 특징으로 하는 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 수소/산소분리기(2)는, 제1 수소/산소분리기(2a)와 제2 수소/산소분리기(2b)가 구비되고,
상기 제1 수소/산소분리기(2a)는, 상기 수소/산소 생성기(1)에서 900℃ 이상의 물분자를 형성하는 분해가능한 임계치의 이상으로 가열된 수소분자 및 산소분자로 분해가능한 고온 물분자를 만들어 20 bar 이상의 고압으로 송풍되는 가압송풍로(21)와, 상기 가압송풍로(21)의 중간의 내부에 설치되어 전압인가시에는 수소가스만을 선택적으로 통과시키는 그래핀필터(22)를 포함하고,
상기 제2 수소/산소분리기는, 분리본체케이스(23)와, 상기 수소가스와 산소가스로 분리된 상태의 가스가 유입되는 가스유입구(24)와, 수소가스가 배출되는 수소가스배출구(25)와, 액체산소가 배출되는 액체산소배출구(26)와, 상기 분리본체케이스(23)의 내부에 들어 있는 액체질소를 포함하거나,
상기 제2 수소/산소분리기는, 액체질소가 유입된 액체질소파이프(27)가 갈지(之)자로 지그재그로 굴곡된 형태로 배치되고 수소/산소가스가 가스유입구(24)로 유입되어 수소가스는 가스상태로 수소가스배출구(25)를 통하여 배출되고,
상기 제1 수소/산소분리기(2a)와 제2 수소/산소분리기(2b)와의 사이에 고온의 증기를 냉각시키는 열교환기(2d)가 설치되고, 상기 열교환기(2d)는 고온의 수소가스와 산소가스의 온도를 냉각시키고, 냉각되어 액화된 담수는 담수공급관(28)을 통하여 상기 고온연소로(3)에 공급되어 상기 고온연소로(3)의 온도를 냉각시키거나, 냉각된 담수를 생산하여 광물성분과 같은 필요한 성분을 첨가하여 재활용하는 것을 특징으로 하는 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전시스템.
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| KR1020230037205A KR102664615B1 (ko) | 2023-03-22 | 2023-03-22 | 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템 및 그 부산물 |
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| KR1020230037205A KR102664615B1 (ko) | 2023-03-22 | 2023-03-22 | 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템 및 그 부산물 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230037205A KR102664615B1 (ko) | 2023-03-22 | 2023-03-22 | 수소/산소 가스 생성 및 연소를 통한 발전 시스템 및 그 부산물 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102664615B1 (ko) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11285235A (ja) * | 1998-03-27 | 1999-10-15 | Zipangu Energy:Kk | 小型発電システム及び装置 |
| KR100426840B1 (ko) | 2001-12-01 | 2004-04-14 | 강남태양열주식회사 | 태양열 집열장치, 집열방법, 집열방법이 기록된 기록매체 |
| KR20040092542A (ko) | 2003-04-24 | 2004-11-04 | 김상남 | 브라운가스 자동공급시스템 |
| KR102426856B1 (ko) * | 2020-09-14 | 2022-07-28 | 신갑규 | 자동차용 수소발생장치 |
| KR20220138769A (ko) | 2021-04-06 | 2022-10-13 | 주식회사 그린우전 | 태양광 및 풍력을 이용한 융복합 발전시스템 및 수소 발전시스템 |
-
2023
- 2023-03-22 KR KR1020230037205A patent/KR102664615B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11285235A (ja) * | 1998-03-27 | 1999-10-15 | Zipangu Energy:Kk | 小型発電システム及び装置 |
| KR100426840B1 (ko) | 2001-12-01 | 2004-04-14 | 강남태양열주식회사 | 태양열 집열장치, 집열방법, 집열방법이 기록된 기록매체 |
| KR20040092542A (ko) | 2003-04-24 | 2004-11-04 | 김상남 | 브라운가스 자동공급시스템 |
| KR102426856B1 (ko) * | 2020-09-14 | 2022-07-28 | 신갑규 | 자동차용 수소발생장치 |
| KR20220138769A (ko) | 2021-04-06 | 2022-10-13 | 주식회사 그린우전 | 태양광 및 풍력을 이용한 융복합 발전시스템 및 수소 발전시스템 |
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