KR20140036508A - 잠수함의 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 잠수함의 연료전지 시스템으로, 연료전지 모듈과 반응수 탱크를 포함하며, 상기 반응수 탱크로부터 방출되는 수소가스는 수소제거기를 구비한 기밀박스를 통하여 함내 통풍 덕트로 배출될 수 있도록 연결되고, 상기 반응수 탱크와 연결되는 기밀박스와 통풍 덕트 사이의 배관라인에는 가스의 압력에 의하여 구동되는 차압 밸브가 배치되며, 상기 기밀박스와 통풍 덕트 사이의 배관라인에 구비되는 차압 밸브에는 체크밸브가 추가되거나, 체크 밸브 기능을 구비한 차압 밸브로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라 본 발명의 실시 예에 따른 잠수함의 연료전지 시스템에 의하면, 연료전지에서 발생되는 반응수 내 잔여 수소가스를 기밀 박스를 통하여 함내 통풍 계통에 연결함에 따라 배관의 길이를 감소시킬 수 있도록 함으로써 함내 배관 배치의 간결성과 시공의 편리성을 확보할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 의하면, 반응수로부터 잔여가스의 배출을 원활하게 하여 배관 내부의 반응수로부터 배출된 잔여가스가 축적되는 현상을 방지함으로써 수소가스의 농도 증가에 따른 폭발의 위험성을 배제할 수 있도록 한다.

Description

잠수함의 연료전지 시스템{Fuel Cell System of Submarine}

본 발명은 잠수함의 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 잠수함의 연료전지에서 발생되는 반응수 내 잔여 수소가스를 수소제거기를 포함한 기밀 박스를 통하여 함내 통풍계통에 직접 연결함으로써 함내 전역으로 순환시켜 희석시킴과 동시에 함내에 별도로 구비되는 수소제거기를 통하여 수소를 제거할 수 있도록 하는 잠수함의 연료전지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 연료가 산화 반응을 일으키는 동안 방출되는 에너지를 바로 전류의 형태로 이용가능 하게 만드는 장치로서, 이러한 연료 전지의 원리는 100여년 전에 이미 확립되었지만, 최근에 와서야 비로소, 합리적이며 효율적인 연료전지의 구성이 가능해지게 되었고, 운송 수단의 추진용을 비롯한 많은 용도에서 전류를 발생시키기 위해 실용화되고 있다.

상기 연료전지에서 사용되는 산소와 수소는 각각 양극과 음극에서 화학 반응을 일으켜 기전력을 공급하게 되는데, 산소는 함내 산소 공급장치로부터 얻게 되며, 수소는 가압된 상태로 용기에 담겨지거나, 액화 또는 화학적으로 결합된 상태로 사용하게 된다.

특히, 수면 아래를 항주하는 잠수함은 크게 디젤 잠수함과 원자력 잠수함으로 구분되며, 이중 디젤 잠수함은 연료전지를 사용하는 기간 동안 함내 산소공급장치로부터 취해지는 산소를 이용하는 디젤 엔진 또는 연료가 산화반응을 일으키는 동안 방출되는 에너지를 전류의 형태로 이용가능 하게 만든 연료전지를 동력원으로 하여 구동된다.

상기와 같은 잠수함 내에 설치되는 공지의 연료전지장치는 수소 및 산소로 작동된다. 이로써 연료전지의 음극측에서 물이 생성된다. 또한 과잉의 산소가 음극측에서 생성된다. 연료전지의 양극측에서는 산소와 반응하지 않은 소량의 이질 가스와 함께 아주 소량의 물과 과잉의 수소가 생성된다.

이와 같이 잠수함 내의 전력생산과정에서 연료전지에 의한 수소가 방출되면, 잠수함이 밀폐된 공간이란 점과 이로부터 야기되는 폭발의 위험 때문에 문제가 될 수 있으므로 수소는 포집되어야 하며, 이러한 수소 포집장치를 구비한 잠수함이 대한민국 특허등록 제10-0898457호(발명의 명칭: 잠수함)로 공지되고 있다.

상기와 같은 종래기술에 의한 잠수함의 연료장치 시스템의 구조는 "연료전지장치와 배터리실 내에 배치되는 배터리장치를 갖는 잠수함에 있어서, 상기 배터리실에 환기시스템이 구비되고, 상기 연료전지 장치에 의해 방출되는 가스가 상기 배터리실의 상기 환기시스템을 통하여 배출될 수 있도록 상기 연료전지 장치가 상기 배터리실의 상기 환기시스템에 연결" 되는 구조로 이루어져 있다.

따라서, 상기와 같은 잠수함의 연료전지장치에 의하면 도 1에 도시한 바와 같이 함내 배치상 배터리실(a)은 엔진실이 위치한 함의 후미에 있으므로, 배관(b)을 함의 후미까지 배치하기에는 배관이 너무 길어지고, 긴 배관(b)의 길이에 따라 배관내 반응수로부터 배출된 잔여가스가 축적되면, 수소가스의 농도가 증가하여 폭발할 우려가 있는 문제점이 발생하게 된다.

대한민국 특허등록 제10-0898457호(발명의 명칭: 잠수함)

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 잠수함의 연료전지에서 발생되는 반응수 내 잔여 수소가스를 수소제거기를 포함한 기밀 박스를 통하여 근거리에 위치한 함내 통풍계통에 바로 연결함으로써 함내 전역으로 순환시켜 희석시킴과 동시에 함내에 별도로 구비되는 수소제거기를 통하여 수소를 제거할 수 있도록 하는 잠수함의 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적 아래 제안된 본 발명은, 잠수함의 연료전지 시스템으로, 연료전지 모듈과 반응수 탱크를 포함하며, 상기 반응수 탱크로부터 방출되는 수소가스는 수소제거기를 구비한 기밀박스를 통하여 함내 통풍 덕트로 배출될 수 있도록 연결되는 것을 특징으로 하는 잠수함의 연료전지 시스템을 제시한다.

본 발명에 있어 상기 반응수 탱크와 연결되는 기밀박스와 통풍 덕트 사이의 배관라인에는 가스의 압력에 의하여 구동되는 차압 밸브가 배치되는 것을 특징으로 하는 잠수함의 연료전지 시스템을 제시한다.

본 발명에 있어 상기 기밀박스와 통풍 덕트 사이의 배관라인에 구비되는 차압 밸브에는 체크밸브가 추가되거나, 체크 밸브 기능을 구비한 차압 밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잠수함의 연료전지 시스템을 제시한다.

본 발명의 실시 예에 따른 잠수함의 연료전지 시스템에 의하면, 연료전지에서 발생되는 반응수 내 잔여 수소가스를 기밀 박스를 통하여 함내 통풍 계통에 연결함에 따라 배관의 길이를 감소시킬 수 있도록 함으로써 함내 배관 배치의 간결성과 시공의 편리성을 확보할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명에 의하면, 반응수로부터 잔여가스의 배출을 원활하게 하여 배관내 반응수로부터 배출된 잔여가스가 축적되는 현상을 방지함으로써 수소가스의 농도 증가에 따른 폭발의 위험성을 배제할 수 있도록 한다.

도 1은 종래기술에 의한 잠수함의 연료전지 시스템을 개략적으로 예시한 도면
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 잠수함의 연료전지 시스템의 연결 구조를 개략적으로 예시한 도면.

상기와 같은 본 발명에 따른 잠수함의 연료전지 시스템에 대한 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 잠수함의 연료전지 시스템에 대한 연결 구조를 개략적으로 예시한 도면이다.

본 발명은 잠수함의 연료전지 시스템으로, 연료전지 모듈(10)과 반응수 탱크(20)를 포함하며, 상기 반응수 탱크(20)로부터 방출되는 수소가스는 수소제거기(30a)를 구비한 기밀박스(30)를 통하여 함내 환기 시스템인 통풍 덕트(40)로 배출될 수 있도록 연결된다.

여기서, 상기 연료전지 모듈(10)들의 개수는 가변적이며 전력 공급 시스템의 전압 레벨 및 모듈들의 전압 레벨에 따라 결정될 수 있다. 따라서 복수 개의 연료전지 모듈을 사용하는 것이 요구된다면 적어도 2개 이상 다수의 연료전지 모듈을 배치할 수 있으며, 상기 연료전지 모듈 중에서 하나의 고장을 보상하기 위하여 항상 이용가능한 비축 모듈(도시하지 않음)을 배치할 수 있다.

상기 반응수 탱크(20)는 연료전지의 수소쪽 반응수와 잔류수소 가스가 저장되는 곳으로 금속재질을 적용하는 것이 바람직하고, 상기 연료전지 모듈(10)과 반응수 탱크(20) 및 기밀박스(30)는 가능한 배관라인의 길이를 단축할 수 있도록 잠수함의 일정한 위치에 서로 근접하는 형태로 배치되는 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 기밀박스(30)는 반응수 탱크(20)와 통풍 덕트(40) 사이에 설치되어 배관라인(50)을 통과하는 수소가스의 압력을 완충시키는 일종의 버퍼(Buffer) 역할을 수행하는 것으로 스테인리스 스틸 등의 금속재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 기밀박스(30)의 일정한 위치에는 수소제거기(30a)가 구비된다.

상기 반응수 탱크(20)와 연결되는 기밀박스(30)와 통풍 덕트(40) 사이의 배관라인(50)에는 가스의 압력 값에 따라 열리거나 닫히는 차압 밸브(51)가 배치된다.

이 경우, 상기 차압 밸브(51)는 일정한 가스의 압력에서 동작할 수 있도록 사전에 개폐압력이 설정되며, 상기 기밀박스(30)에 충진되는 수소가스의 압력이 설정된 압력에 도달하였을 때 차압 밸브(51)가 동작하게 되는데, 상기 차압 밸브(51)는 가스의 역류를 방지하는 체크 밸브의 기능을 겸하여 수행하는 체크 및 차압 밸브를 적용할 수 있으며, 체크 밸브와 차압 밸브를 각각 배치하여 역류방지 기능과 개폐기능을 분리하여 수행하는 방법으로 배치할 수 있다.

여기서, 본 발명의 실시 예에 있어서는 수소가스의 배출압력을 차압 밸브(51)에 의하여 제어하는 기계적인 방식을 적용하고 있으나, 이러한 방식에 한정하지 않고 예를 들어, 기밀박스(30)의 내부에 압력감지센서를 배치하고 차압 밸브 대신 전자 밸브를 적용하여 상기 압력감지센서의 데이터 값이 제어기로 입력되고 상기 제어기가 상기 압력감지센서의 데이터 값에 따라 전자밸브를 구동하는 전자제어방식으로의 변경적용 또한 가능하다 할 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 잠수함의 연료전지 시스템에 대한 동작과정을 설명하면 다음과 같다,

잠수함 내의 전력생산과정에서 연료전지 모듈(10)에 의한 수소가 방출되면, 연료전지 모듈(10)로부터 배관을 통하여 반응수 탱크(20)로 수소가스가 포함된 반응수가 유입된다.

상기 반응수 탱크(20)로 유입된 반응수의 수소가스는 배관라인(21)을 통하여 기밀박스(30)에 포집되는데, 이때 포집된 수소가스 중의 일부는 상기 기밀박스(30)에 구비된 수소제거기(30a)에 의하여 제거된다.

이와 같은 과정에서 반응수 탱크(20)로부터 발생되는 수소가스가 상기 기밀박스(30)에 계속 포집되어 기밀박스(30)의 내부압력이 설정된 압력에 도달하면 차압 밸브(51)가 열리면서 함내의 가까운 통풍 덕트(40)를 통해 함내 전역으로 순환시켜 희석시킴에 따라 공기 또는 산소에 의하여 폭발한계 이하로 수소 함유량이 낮아지게 되고, 이때 잔여수소의 일부는 함내에 배치된 수소제거기(30b)에 의하여 제거됨으로써 폭발의 위험성을 배제할 수 있도록 한다.

이때, 상기 수소제거기(30a)(30b)는 비상시를 대비하여 무 전원 수소 제거기로 배치될 수 있는데, 상기 무 전원 수소 제거기는 에너지 없이 촉매로 수소를 산소와 결합시켜 물로 바꿔주는 장치로 촉매를 이용해 수소를 물로 만듦으로써 수소 농도를 떨어뜨리는 기능을 수행한다.

상기와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 잠수함의 연료전지 시스템에 의하면, 연료전지에서 발생되는 반응수 내 잔여 수소가스를 기밀 박스를 통하여 함내 통풍 계통에 연결함에 따라 배관의 길이를 감소시킬 수 있도록 함으로써 함내 배관 배치의 간결성과 시공의 편리성을 확보할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명에 따른 잠수함의 연료전지 시스템에 의하면, 반응수로부터 잔여가스의 배출을 원활하게 하여 배관 내부에 반응수로부터 배출된 잔여가스가 축적되는 현상을 방지함으로써 수소가스의 농도 증가에 따른 폭발의 위험성을 완전히 배제할 수 있도록 한다.

지금까지 실시 예들을 통하여 본 발명에 따른 잠수함의 연료전지 시스템에 대하여 설명하였다. 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 고안의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환 및 변형이 가능 하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명한 것이라 할 수 있다.

10: 연료전지 모듈 20: 반응수 탱크
21: 배관라인 30: 기밀박스
30a,30b: 수소 제거기 40: 통풍 덕트
50: 배관라인 51: 차압 밸브

Claims (3)

1. 잠수함의 연료전지 시스템으로,
   연료전지 모듈과 반응수 탱크를 포함하며, 상기 반응수 탱크로부터 방출되는 수소가스는 수소제거기를 구비한 기밀박스를 통하여 함내 통풍 덕트로 배출될 수 있도록 연결되는 것을 특징으로 하는 잠수함의 연료전지 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 반응수 탱크와 연결되는 기밀박스와 통풍 덕트 사이의 배관라인에는 가스의 압력에 의하여 구동되는 차압 밸브가 배치되는 것을 특징으로 하는 잠수함의 연료전지 시스템.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 기밀박스와 통풍 덕트 사이의 배관라인에 구비되는 차압 밸브에는 체크밸브가 추가되거나, 체크 밸브 기능을 구비한 차압 밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잠수함의 연료전지 시스템.
   
   

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