KR20140068663A - Regenerative energy system for providing oxygen and electric power for an oxygen-free or low oxygen environment - Google Patents

Regenerative energy system for providing oxygen and electric power for an oxygen-free or low oxygen environment Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a regenerative energy system, and more specifically, to a regenerative energy system for effectively providing oxygen and electric power for oxygen-free or low oxygen environments such as a marine city, an under-the-sea city, an underwater city, an underground city, a ground city, a space city, an underwater vehicle, an aero vehicle or a spaceship by using an integrated regenerative fuel cell using water as fuel.

Description

무산소 또는 저산소 환경에 산소 및 전력 공급을 위한 재생 에너지 시스템{Regenerative energy system for providing oxygen and electric power for an oxygen-free or low oxygen environment}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a regenerative energy system for oxygen and electric power supply in an oxygen-free or hypoxic environment,

본 발명은 재생 에너지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 물을 연료로 하는 일체형 재생 연료 전지를 이용하여 무산소 또는 저산소 환경인 해상도시, 해중도시, 수중도시, 지하도시, 지중도시, 우주도시, 수중이동체, 공중이동체 또는 우주 이동체에 산소 및 전력을 효과적으로 공급하기 위한 재생 에너지 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a regenerative energy system, and more particularly, to a regenerative energy system using an integrated regenerative fuel cell using water as a fuel, To a renewable energy system for efficiently supplying oxygen and electric power to a moving body, a public moving body, or a space mobile body.

지구생태계는 현재 인구의 폭발적인 증가가 이어지고 있다. 이는 미래에 산소공급이 원활한 육지에서 모든 인간이 다 같이 살 수 없을 수도 있음을 의미한다. 더욱이 지구 온난화 현상은 지속적으로 해수면의 상승을 야기하고 있다. The ecosystem of the earth is now continuing with explosive growth in population. This means that in the future, oxygen supply may not be possible for all humans to live together on a smooth land. Moreover, global warming is causing sea level rise continuously.

또한, 저지대가 서서히 물에 잠기면 더더욱 인류의 주거 생활은 제약을 받고 있고, 육지의 사막화 또한 인류의 주거 생활을 제한하는 요인으로 작용하고 있다.Furthermore, if the lowlands are slowly submerged in water, the residential life of mankind is restricted, and the desertification of the land is also limiting the residential life of mankind.

이러한 인류의 생존과 밀접한 관련이 있는 주거 장소의 제한 문제를 해결하기 위해 최근 해상도시, 해중도시, 해저도시, 수중도시, 지하도시 및 지중도시 등과 같이 인류가 살아가기에 꼭 필요한 산소가 없거나 부족한 환경에서의 인간을 포함한 생명체의 생존을 위한 건설 기술 개발의 필요성이 제기되고 있다. In order to solve the limitations of residential space which is closely related to the survival of these human beings, there is a need for a new environment in which there is no oxygen or lack of oxygen necessary for human life such as resolution, underwater city, underwater city, underwater city, There is a need for the development of construction technology for the survival of living things including humans.

해상도시의 경우에는 이미 개발이 많이 이루어졌지만 해중도시와 해저도시는 상대적으로 기술의 발전이 더딘 상태라 할 수 있다. 특히 해저 도시는 소규모 관광 상품용으로만 개발되어 상업성이 많이 부족한 것이 사실이다. In the case of resolution, a lot of development has already been done, but underwater cities and subsea cities are relatively slow technological development. In particular, it is true that subsea cities are developed only for small-scale tourism products and lack a lot of commerciality.

더불어 강이나 호수 아래의 수중도시, 땅 속의 지하도시와 지중도시도 담수를 확보할 수 있기 때문에 이곳에서도 인간을 포함한 생명체가 생존하기 위하여 산소 및 전력 공급을 위한 재생에너지시스템이 필요할 것이며, 해수나 담수를 공급받을 수 있는 우주도시 역시 산소 및 전력 공급을 위한 재생에너지 시스템이 필요할 것이다.In addition, underwater cities under the rivers and lakes, underground cities in the ground and underground cities can secure fresh water, so renewable energy systems for oxygen and power supply will be needed to survive, including humans, A space city that can be supplied with oxygen will also need a renewable energy system for oxygen and power supply.

또한, 상술한 해상도시, 해중도시, 해저도시, 수중도시, 지하도시, 지중도시 및 우주도시와 같은 고정형 공간뿐만 아니라 잠수함, 잠수정, 우주선 등 이동형 공간 에서도 산소 및 전력 공급을 위한 재생에너지시스템이 필요할 것이다.Further, a renewable energy system for supplying oxygen and electric power is required not only in the above-mentioned fixed-type spaces such as underwater cities, underwater cities, underwater cities, underground cities, underground cities and space cities, but also in subway, submersibles, will be.

최근 미국, 프랑스, 일본을 중심으로 해저도시 건설 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 특히 미국은 플로리다 근해에 해저도시 건설을 시도하고 있으며 인간이 생존할 수 있는 체류기간 확인 실험을 진행하고 있다. Recently, the US, France and Japan are focusing on the development of submarine city construction technology. In particular, the United States is attempting to build a submarine city on the coast of Florida and is conducting an experiment to confirm the residence period of human life.

산소가 없는 해저도시에서 인류가 생존하기 위한 기본 필수 요건은 물, 산소, 전기 및 열에너지라 할 수 있다. 현재까지의 기술로 물은 해수담수화 설비를 통해서 얻어내고, 산소는 담수를 전기분해하는 산소 발생 장치를 이용하며, 전기 및 열 에너지는 조력, 파력, 풍력 등 해양 에너지원을 도입하여 사용하고 있다. 따라서, 시스템의 구성이 복잡해지고 이들 시스템들의 체계 연동 기술도 복잡다단할 수밖에 없다. In an oxygen-free submarine city, water, oxygen, electricity and thermal energy are the basic requirements for mankind to survive. To date, water has been extracted through seawater desalination facilities, oxygen has been used to generate oxygen by electrolysis of fresh water, and electricity and thermal energy has been used by introducing marine energy sources such as tidal, wave and wind power. Therefore, the system configuration becomes complicated and the system interworking technology of these systems becomes complex.

또한, 강이나 호수 아래의 수중도시와 땅속의 지하도시의 경우에는 강이나 호수로부터 담수를 직접 공급받거나 지하수를 담수로 이용할 수는 있으나 산소는 담수를 전기분해하는 산소 발생 장치를 이용하여야 하므로 별도의 에너지원이 도입되고 있으므로 이 역시 시스템들의 체계 연동 기술이 복잡다단하다.In the case of an underwater city under a river or a lake and an underground city underground, freshwater can be directly supplied from a river or a lake, or ground water can be used as a fresh water. However, since an oxygen generating device for electrolyzing fresh water is used, Since the energy source is introduced, the system interworking technology of these systems is also complicated.

이러한 문제 해결을 위해 물과 산소 및 전기 에너지를 하나의 시스템에서 공급할 수 있는 새로운 시스템의 요구가 있다.To solve these problems, there is a need for a new system capable of supplying water, oxygen, and electric energy from a single system.

한편, 최근에는 일체형 재생 연료 전지에 풍력 발전기 또는 태양 전지를 결합하여 일체형 재생 연료 전지의 전기 분해 모드시 전기 에너지를 공급하는 기술에 대한 연구가 이루어지고 있으나, 최근 연구 기술은 대용량의 전력 공급에 적합하며, 독립 전원 공급 또는 분산 전원 공급을 위한 소용량의 전력을 공급하는 데 적합하지 않다. 또한, 일체형 재생 연료전지로부터 전력을 생산할 때, 물의 전기 분해에 의한 수소와 산소의 생성량이 충분하게 이루어지지 않을 수 있다.
In recent years, studies have been made on a technology for supplying electric energy in an electrolytic mode of an integral type regenerative fuel cell by combining a wind power generator or a solar cell with an integral type regenerative fuel cell. However, recently, the research technology is suitable for a large- And is not suitable for supplying a small amount of power for independent power supply or distributed power supply. Further, when electric power is produced from the integral regenerative fuel cell, the amount of hydrogen and oxygen produced by electrolysis of water may not be sufficiently achieved.

본 발명자들은 무산소 또는 저산소 환경에 물, 산소 및 전기 에너지를 하나의 독립적인 에너지 시스템을 이용하여 제공하고자 연구 노력한 결과, 일체형 재생 연료 전지를 이용하여 효과적으로 물, 산소 및 전기 에너지를 제공할 수 있는 재생 에너지 시스템의 기술적 구성을 개발하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors have made efforts to provide water, oxygen and electric energy in an oxygen-free or low-oxygen environment by using an independent energy system. As a result, it has been found out that, by using an integrated regenerative fuel cell, The technical structure of the energy system was developed, and the present invention was completed.

따라서, 본 발명의 목적은 무산소 또는 저산소 환경에 필요한 전기 에너지와 물, 산소를 일체로 제공할 수 있는 재생 에너지 시스템을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a renewable energy system capable of integrally providing electric energy, water, and oxygen necessary for an oxygen-free or hypoxic environment.

또한, 본 발명의 다른 목적은 담수를 직접 사용할 수 있는 환경에서도 산소와 전기 에너지를 일체로 제공할 수 있는 재생 에너지 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a renewable energy system capable of integrally providing oxygen and electric energy even in an environment where fresh water can be directly used.

또한, 본 발명의 다른 목적은 무산소 또는 저산소 환경에 독립 전원 및 분산전원을 제공할 수 있고, 수소 및 산소 생성 효율을 높일 수 있는 소용량의 재생 에너지 시스템을 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a small-capacity renewable energy system capable of providing an independent power source and a distributed power source in an oxygen-free or low-oxygen environment and capable of increasing hydrogen and oxygen production efficiency.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기의 목적을 달성하기 위하여 산소 및 전기 에너지를 공급하는 재생 에너지 시스템으로써, 전기 분해 모드에서는 외부 전기 공급 장치로부터 전기 에너지를 공급받아 담수로부터 수소와 산소를 생산하고, 연료 전지 모드에서는 수소와 산소를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 일체형 재생 연료 전지; 상기 일체형 재생 연료 전지에서 생산된 수소와 산소를 압축하여 저장하거나, 저장된 수소와 산소를 상기 일체형 재생 연료 전지로 공급하는 가스 저장 장치; 및 상기 외부 전기 공급 장치와 연결되고 상기 외부 전기 공급 장치의 전기 에너지를 상기 해저도시의 부하로 인가되게 하거나, 상기 외부 발전 장치의 잉여 전기 에너지를 상기 일체형 재생 연료 전지에 공급하여 상기 일체형 재생 연료 전지가 전기 에너지 또는 수소와 산소를 생산하게 하는 제어 및 전력 공급 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a renewable energy system for supplying oxygen and electric energy. In the electrolysis mode, hydrogen and oxygen are produced from fresh water by supplying electric energy from an external electricity supply device. In the fuel cell mode, An integral regenerative fuel cell that receives and supplies electrical energy; A gas storage device for compressing and storing hydrogen and oxygen produced in the integrated regenerative fuel cell or supplying stored hydrogen and oxygen to the integrated regenerative fuel cell; And an electric power supply unit connected to the external electric power supply unit to cause the electric energy of the external electric power supply unit to be applied to the load of the submarine city or to supply surplus electric energy of the external power generation unit to the integral type regenerative fuel cell, And a control and power supply device for causing electric energy or hydrogen and oxygen to be produced.

바람직한 실시예에 있어서, 해수를 담수로 변환하여 변환된 담수를 상기 일체형 재생 연료 전지로 공급하는 해수 담수화 장치를 더 포함한다.In a preferred embodiment, the apparatus further comprises a seawater desalination device for converting seawater into fresh water and supplying the converted fresh water to the integrated reconditioning fuel cell.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 일체형 재생 연료 전지에서 발생하는 열 에너지를 회수하여 열 회수 기관;을 더 포함한다.In a preferred embodiment, the integrated recovery fuel cell further includes a heat recovery engine for recovering heat energy generated from the integrated regenerative fuel cell.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 열 회수 기관에 축열된 열 에너지를 상기 해저도시의 자세제어를 위한 추력을 발생시키는 추력 발생 장치;를 더 포함한다.In a preferred embodiment, the apparatus further includes a thrust generator for generating thrust for controlling the posture of the submarine city with thermal energy stored in the heat recovery engine.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 외부 전기 공급 장치는 육상 또는 해상에 설치되고, 전기 에너지를 생성하여 상기 제어 및 전력 공급 장치로 공급하는 외부 발전 장치 또는 미리 전기 에너지가 저장되는 축전 장치로 구성되며, 상기 외부 발전 장치는 풍력 발전기, 태양광 발전기, 태양열 발전기, 파력 발전기 또는 조력 발전기를 포함하고, 상기 축전 장치는 1회 사용가능한 1차 전지 및 재충전하여 반복 사용가능한 2차 전지를 포함한다.In a preferred embodiment, the external electric power supply device is composed of an external electric power generating device installed on the land or sea and generating electric energy to supply the electric power to the control and electric power supplying device, or a power storage device in which electric energy is stored in advance, The external power generation device includes a wind power generator, a solar generator, a solar generator, a wave generator or a tidal generator, and the power storage device includes a single-use primary battery and a rechargeable and reusable secondary battery.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 외부 전기 공급 장치는 풍력 발전기, 태양광 발전기, 태양열 발전기, 파력 발전기, 조력 발전기, 1차 전지 및 2차 전지 중, 적어도 어느 두 개의 전기 공급 기기를 포함하며, 상기 제어 및 전력 공급 장치는 상기 부하의 용량 증가시, 상기 전기 공급 기기들을 병렬 운전을 수행한다.In a preferred embodiment, the external electric power supply device includes at least two electric power supply devices among a wind power generator, a solar power generator, a solar power generator, a wave generator, a tidal generator, a primary battery and a secondary battery, And the power supply unit performs the parallel operation of the electric supply devices when the load capacity is increased.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 가스 저장 장치:는 상기 일체형 연료 전지에서 생산된 수소와 산소를 포집하는 가스 포집기; 상기 가스 포집기에 연결되어 상기 수소와 산소를 각각 압축하는 압축기; 및 상기 압축기에 압축된 수소와 산소를 각각 저장하고, 저장된 수소와 산소를 상기 일체형 연료 전지로 공급하는 가스 저장 탱크;를 포함한다.In a preferred embodiment, the gas storage device comprises: a gas collector for collecting hydrogen and oxygen produced in the integrated fuel cell; A compressor connected to the gas collector and compressing the hydrogen and oxygen, respectively; And a gas storage tank for storing compressed hydrogen and oxygen, respectively, in the compressor, and supplying the stored hydrogen and oxygen to the integrated fuel cell.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 일체형 재생 연료 전지는 복수 개의 단위 셀이 적층된 연료 전지 스택으로 구성되며, 상기 단위 셀들은 각각 고분자 전해질막, 상기 고분자 전해질막의 일측에 형성되는 양극 및 상기 고분자 전해질막의 타측에 형성되는 음극을 포함한다.In a preferred embodiment, the integrated regenerative fuel cell comprises a fuel cell stack in which a plurality of unit cells are stacked, the unit cells each comprising a polymer electrolyte membrane, a positive electrode formed on one side of the polymer electrolyte membrane, As shown in FIG.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 단위 셀들은 인접하는 단위 셀들 간에 양극과 음극이 서로 교차하도록 적층되는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.In a preferred embodiment, the unit cells are stacked such that the anode and the cathode cross each other between adjacent unit cells.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 연료 전지 스택은 적층된 단위 셀등의 양측에 집전체를 갖는다.In a preferred embodiment, the fuel cell stack has collectors on both sides of the stacked unit cells.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 집전체는 백금, 금, 은 및 니켈 중 어느 하나 또는 둘 이상이 표면에 코팅된 타이타늄 판 또는 타이타늄 메쉬로 이루어진다.In a preferred embodiment, the current collector is made of a titanium plate or a titanium mesh coated with one or more of platinum, gold, silver and nickel.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 집전체는 표면에 유체의 흐름을 유도하는 채널이 형성되고, 상기 채널은 일자형, 서펜틴(Serpentine)형 또는 도트형의 형상을 갖고, 깊이와 폭이 각각 0.1mm 내지 10mm로 형성된다.According to a preferred embodiment of the present invention, the current collector is formed with a channel for guiding the flow of fluid to the surface thereof, and the channel has a shape of serpentine or dot shape, 10 mm.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 양극과 상기 음극은 상기 고분자 전해질 막에 열가압되어 결합하며, 각각 촉매층과 가스확산층을 갖는다.In a preferred embodiment, the anode and the cathode are thermally press-bonded to the polyelectrolyte membrane and have a catalyst layer and a gas diffusion layer, respectively.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 전극들은 100~200℃ 온도로 상기 고분자 전해질 막에 열가압된다.In a preferred embodiment, the electrodes are thermally pressed to the polymer electrolyte membrane at a temperature of 100-200 占 폚.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 촉매층은 촉매 및 바인더를 포함한다.In a preferred embodiment, the catalyst layer comprises a catalyst and a binder.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 고분자 전해질막과 상기 바인더는 양이온 교환 작용기를 갖는다.In a preferred embodiment, the polymer electrolyte membrane and the binder have a cation exchange functional group.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 양이온 교환 작용기는 -OH, -OSO3H, -COOH, -OPO(OH)2, -C6H4SO3H 중 어느 하나를 포함한다.In a preferred embodiment, the cation-exchange functional group comprises any one of -OH, -OSO 3 H, -COOH, -OPO (OH) 2, -C 6 H 4 SO 3 H.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 촉매는 백금, 루테늄, 이리듐, 코발트, 철 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함한다.In a preferred embodiment, the catalyst comprises any one selected from the group consisting of platinum, ruthenium, iridium, cobalt, iron, and combinations thereof.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 촉매는 백금 1~99중량%와 이리듐 1~99중량%의 조합으로 이루어진다.In a preferred embodiment, the catalyst comprises 1 to 99% by weight of platinum and 1 to 99% by weight of iridium.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 촉매는 백금 1~99중량%와 루테늄 1~99중량%의 조합으로 이루어진다.In a preferred embodiment, the catalyst comprises 1 to 99% by weight of platinum and 1 to 99% by weight of ruthenium.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 촉매의 입자크기는 10nm 이하이다.In a preferred embodiment, the particle size of the catalyst is 10 nm or less.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 촉매층은 담체를 더 포함하며, 상기 담체는 탄소, 아세틸렌 블랙 또는 탄소나노튜브를 포함한다.In a preferred embodiment, the catalyst layer further comprises a carrier, wherein the carrier comprises carbon, acetylene black or carbon nanotubes.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 담체의 비표면적은 2000m2/g 이하이다.In a preferred embodiment, the specific surface area of the carrier is 2000 m 2 / g or less.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 음극은 백금 촉매를 포함하고, 상기 양극은 백금-이리튬 합금 촉매를 포함한다.In a preferred embodiment, the cathode comprises a platinum catalyst, and the anode comprises a platinum-iridium alloy catalyst.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 바인더는 나피온(Nafion) 바인더이며, 상기 촉매의 함량에 대해 5wt% 내지 40wt%의 함량으로 포함된다.In a preferred embodiment, the binder is a Nafion binder and is included in an amount of 5 wt% to 40 wt% with respect to the content of the catalyst.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 고분자 전해질 막은 나피온 117막, 나피온 115막, 나피온112막, 나피온212막, Gore Select 중 적어도 어느 하나를 포함한다.In a preferred embodiment, the polymer electrolyte membrane includes at least one of a Nafion 117 membrane, a Nafion 115 membrane, a Nafion 112 membrane, a Nafion 212 membrane, and Gore Select.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 전기 분해 모드로 동작할 때, 상기 일체형 재생 연료 전지에는 70℃의 담수가 1L/min 내지 50L/min의 유속으로 공급된다.In a preferred embodiment, when operating in the electrolysis mode, the integrated regenerative fuel cell is supplied with 70 ° C fresh water at a flow rate of 1 L / min to 50 L / min.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 전기 분해 모드로 동작할 때, 상기 제어 및 전력 공급 장치는 상기 일체형 재생 연료 전지의 25cm2 면적당 0.1V 내지 2.0V의 전기 에너지를 공급한다.In a preferred embodiment, when operating in the electrolysis mode, the control and power supply is operated at a rate of 25 cm < 2 > Electric energy of 0.1 V to 2.0 V per area is supplied.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 연료 전지 모드로 동작할 때, 상기 일체형 재생 연료 전지에는 상기 단위 셀당 75℃의 수소가 50cc/min 내지 500cc/min의 유속으로 공급되고 75℃의 산소가 50cc/min 내지 500cc/min의 유속으로 공급된다.
In a preferred embodiment, when operating in the fuel cell mode, the integrated regenerative fuel cell is supplied with hydrogen at 75 DEG C per unit cell at a flow rate of 50 cc / min to 500 cc / min, oxygen at 75 DEG C is supplied at a rate of 50 cc / And is supplied at a flow rate of 500 cc / min.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.The present invention has the following excellent effects.

먼저, 본 발명의 재생 에너지 시스템에 의하면, 외부 발전 장치 또는 축전 장치의 잉여 전기 에너지를 공급받아 해상도시, 해중도시, 수중도시, 지하도시, 지중도시 또는 우주도시와 같은 고정형 시설물이나 수중이동체, 공중이동체 또는 우주 이동체와 같은 이동형 시설물에 필요한 전기 및 열 에너지와 물, 산소를 부가적으로 생산함으로써, 상기 외부 발전 장치 또는 축전 장치의 가동률이 낮은 경우에도 상기 시설물들에 필요한 전기 및 열 에너지, 물, 및 산소를 안정적으로 공급할 수 있는 효과가 있다.First of all, according to the renewable energy system of the present invention, by supplying surplus electric energy of an external power generation device or a storage device, it is possible to supply fixed energy such as resolution, underwater city, underwater city, underground city, underground city, Water and oxygen necessary for a mobile facility such as a mobile body or a space mobile body are additionally produced so that electric and thermal energy required for the facilities, And oxygen can be supplied stably.

또한, 본 발명의 재생 에너지 시스템에 의하면, 외부 전기 공급 장치와 일체형 재생 연료 전지에서 생산된 전기 에너지를 독립 전원 또는 분산 전원으로 계통에 제공할 수 있으므로 에너지 발전효율을 매우 높일 수 있는 효과가 있다.According to the regenerative energy system of the present invention, since the electric energy produced by the external electric power supply device and the integral regenerative fuel cell can be supplied to the system as independent power or distributed power, it is possible to remarkably increase energy generation efficiency.

또한, 본 발명은 재생 에너지 시스템에 의하면, 연료 전지 모드로 동작시 발생하는 열을 난방용 및 해저 도시의 자세 제어용으로 사용할 수 있는 효과가 있다.Further, according to the regenerative energy system of the present invention, the heat generated during the operation in the fuel cell mode can be used for controlling the posture of the heating and subsea cities.

또한, 본 발명의 재생 에너지 시스템에 의하면, 전기 분해 모드에서 생성된 수소 및 산소 가스를 연료 전지 모드에서 재생하여 사용하므로 기존 연료 전지의 수소 이용률을 획기적으로 개선할 수 있어, 수소 및 산소 생성 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
Further, according to the regenerative energy system of the present invention, hydrogen and oxygen gas generated in the electrolysis mode are regenerated in the fuel cell mode, so that the hydrogen utilization ratio of the existing fuel cell can be remarkably improved, There is an effect that can be maximized.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 에너지 시스템이 구비된 해저도시의 개념도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 에너지 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 재생 연료 전지의 구성도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 재생 연료 전지의 전기 분해 모드시 공급되는 전압에 따른 전류 특성 곡선을 보여주는 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 재생 연료 전지의 전기 분해 모드시 생산되는 수소와 산소의 량을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 재생 연료 전지의 연료 전지 모드시 생산되는 전압-전류 곡선을 보여주는 도면이다.
1 is a conceptual view of a subsea city equipped with a renewable energy system according to an embodiment of the present invention;
2 is a configuration diagram of a regenerative energy system according to an embodiment of the present invention,
3 is a configuration diagram of an integrated regenerative fuel cell according to an embodiment of the present invention;
4 is a graph showing a current characteristic curve according to a voltage supplied in the electrolysis mode of the integrated regenerative fuel cell according to an embodiment of the present invention,
5 is a graph showing the amounts of hydrogen and oxygen produced in the electrolysis mode of the integrated regenerative fuel cell according to an embodiment of the present invention,
FIG. 6 is a graph showing voltage-current curves produced in the fuel cell mode of the integrated regenerative fuel cell according to an embodiment of the present invention.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.Although the terms used in the present invention have been selected as general terms that are widely used at present, there are some terms selected arbitrarily by the applicant in a specific case. In this case, the meaning described or used in the detailed description part of the invention The meaning must be grasped.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical structure of the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments shown in the accompanying drawings.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Like reference numerals designate like elements throughout the specification.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 에너지 시스템(100)은 바다(10) 속 해저도시(30) 내부에 설치되고, 해저도시(30)에 필요한 음용수, 산소, 전기 및 열 에너지와 해저도시(30)의 자세 제어에 필요한 추력을 일체로 생성한다.1, a regenerative energy system 100 according to an embodiment of the present invention is installed in a submarine city 30 in a sea 10 and includes drinking water, oxygen, electricity, and heat necessary for the submarine city 30 Energy and the thrust necessary for attitude control of the submarine city 30 are integrally generated.

또한, 상기 해저도시(30)는 해저 바닥에 건설되는 해저도시뿐만 아니라 해중에 건설되는 해중도시를 포함하는 개념이다.Further, the undersea city 30 is a concept including an undersea city constructed on the bottom of the sea floor as well as an underwater city constructed underwater.

또한, 상기 재생 에너지 시스템(100)은 해상도시나 강 또는 호수 내에 건설되는 수중도시, 지중도시 및 지하도시 나아가 우주도시 등과 같이 산소와 물을 필요로 하는 다양한 고정형 시설물에 설치될 수 있다.Also, the renewable energy system 100 may be installed in various fixed facilities requiring oxygen and water, such as underwater city, underground city, underground city, and space city constructed in resolution, river or lake.

또한, 상기 재생 에너지 시스템(100)은 잠수함, 잠수정과 같은 수중이동체, 비행선과 같은 공중이동체와 우주선과 같은 우주 이동체인 이동형 시설물에도 설치가 가능하다.In addition, the renewable energy system 100 can be installed in mobile facilities such as submarines, underwater vehicles such as submersibles, aerial vehicles such as airships, and space vehicles such as spacecrafts.

즉, 상기 재생 에너지 시스템(100)은 음용수, 산소, 전기 및 열 에너지를 필요로 하는 어떠한 환경에도 적용가능한 시스템이다.That is, the regenerative energy system 100 is applicable to any environment requiring drinking water, oxygen, electricity, and thermal energy.

또한, 상기 재생 에너지 시스템(100)은 전기 분해 모드로 동작하기 위한 에너지를 외부 전기 공급 장치(160)로부터 공급받을 수 있으며, 상기 재생 에너지 시스템(100)은 상기 외부 전기 공급 장치(160)를 포함하여 구성될 수 있다.Also, the regenerative energy system 100 may receive energy for operating in an electrolysis mode from an external electric power supply 160, and the regenerative energy system 100 may include the external electric power supply 160 .

또한, 상기 외부 전기 공급 장치(160)는 기본적으로 상기 해저도시(30)의 부하로 전력을 공급하며 잉여전력을 상기 재생 에너지 시스템(100)으로 공급할 수 있다.In addition, the external electric power supply device 160 basically supplies electric power to the load of the submarine vessel 30 and supplies surplus electric power to the renewable energy system 100.

또한, 상기 외부 전기 공급 장치(160)는 풍력 발전기(161), 태양광 발전기(162)뿐만 아니라 파력 및 조력 발전기 등, 수중, 수상, 지하, 지상에 발전하는 공지된 다양한 발전 장치일 수 있다.The external electric power supply device 160 may be any of a variety of known power generating devices that generate power in the water, water, underground, and ground, such as a wind power generator 161 and a solar power generator 162 as well as a wave and a tidal power generator.

바람직하게는 상기 외부 전기 공급 장치(160)는 소용량 전력공급에 적합하고 상대적으로 발전효율이 우수한 풍력 발전기 및 태양광 발전기로 구성된다.Preferably, the external electric power supply device 160 is composed of a wind power generator and a solar power generator, which are suitable for small-capacity power supply and have relatively high power generation efficiency.

또한, 상기 외부 전기 공급 장치(160)는 상술한 발전 장치들뿐만 아니라 미리 전기 에너지가 저장되는 축전 장치로 구성될 수도 있으며, 상기 축전 장치는 건전지와 같이 1회 사용가능한 1차 전지 및 충전지와 같이 재충전하여 반복 사용가능한 2차 전지를 포함한다.In addition, the external electric power supply device 160 may be configured not only with the above-described power generation devices but also with a power storage device in which electric energy is stored in advance. The power storage device may be a single- And rechargeable and reusable secondary batteries.

또한, 상기 외부 전기 공급 장치(160)는 상기 발전 장치 및 상기 축전 장치와 같은 전기 공급 기기들이 병렬로 연결되어 아래에서 설명할 제어 및 전력 공급 장치(140)에 의해 병렬운전될 수 있다. 이는 해저 도시(30)의 부하용량변화에 유연하게 대처할 수 있게 하기 위함이다.
In addition, the external electric power supply device 160 may be connected in parallel with the electric power supply devices such as the power generation device and the power storage device, and may be operated in parallel by the control and power supply device 140 described below. This is to enable flexible adaptation to the change in the load capacity of the submarine city 30.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 에너지 시스템(100)의 구성을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the configuration of a regenerative energy system 100 according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 에너지 시스템(100)은 해수 담수화 장치(110), 일체형 재생 연료 전지(120), 가스 저장 장치(130) 및 제어 및 전력 공급장치(140)를 포함한다.2, a regenerative energy system 100 according to an embodiment of the present invention includes a seawater desalination device 110, an integrated regenerative fuel cell 120, a gas storage device 130, and a control and power supply 140 ).

상기 해수 담수화 장치(110)는 해수를 담수로 변환하는 장치로써 상기 해저도시(30)에 필요한 식수와 상기 일체형 재생 연료 전지(120)의 연료인 물을 공급한다.The seawater desalination apparatus 110 is a device for converting seawater into fresh water, and supplies the drinking water required for the seabed 30 and water as a fuel for the integrated reconditioning fuel cell 120.

그러나 상기 해수 담수화 장치(110)는 호수 또는 강에 건설되는 수중도시와 지하수를 직접 공급받을 수 있는 지중도시의 환경에서는 포함되지 않거나 필요에 의해 사용될 수 있다.However, the seawater desalination apparatus 110 is not included in an underground city environment in which a lake or a river can be directly supplied with an underwater city and groundwater, and may be used if necessary.

상기 일체형 재생 연료 전지(120)는 상기 해수 담수화 장치(110)의 물을 이용하여 상기 해저도시(30)에 필요한 산소를 생산하기 위한 것으로 전기 분해 모드 및 연료 전지 모드로 동작한다.The integrated regenerative fuel cell 120 operates in an electrolysis mode and a fuel cell mode for producing oxygen necessary for the seabed 30 by using the water of the seawater desalination device 110.

또한, 상기 일체형 재생 연료 전지(120)는 전기 분해 모드에서는 상기 외부 전기 공급 장치(160)로부터 전기 에너지를 공급받아 담수를 산화시켜 수소와 산소로 분해하고, 연료 전지 모드에서는 발생한 수소와 산소를 담수로 환원하며 전기 에너지를 생산한다. In the electrolytic mode, the integrated regenerative fuel cell 120 receives electric energy from the external electricity supply device 160 to oxidize the fresh water to decompose it into hydrogen and oxygen. In the fuel cell mode, And produces electrical energy.

또한, 상기 일체형 재생 연료 전지(120)로 공급되는 전기 에너지는 상기 해저도시(30) 등의 부하(40)에 사용되고 남은 잉여 에너지를 이용하여 수소와 산소를 생산한다.In addition, the electric energy supplied to the integral type regenerative fuel cell 120 is used in the load 40 of the submarine 30 or the like, and hydrogen and oxygen are produced using the surplus energy.

또한, 상기 일체형 재생 연료 전지(120)는 복수 개의 단위 셀(단위전지)이 적층된 연료 전지 스택(stack)으로 이루어질 수 있다.Also, the integral type regenerative fuel cell 120 may be a fuel cell stack in which a plurality of unit cells (unit cells) are stacked.

또한, 상기 연료 전지 스택은 인접하는 단위 셀들간에 양극과 음극이 서로 교차하도록 적층된다.Also, the fuel cell stack is stacked such that the anode and the cathode cross each other between adjacent unit cells.

또한, 도 3을 참조하면, 상기 단위 셀들(120')은 고분자 전해질막(121)과 상기 고분자 전해질막(121)의 양측에 열가압되어 부착되는 전극(122a,122b)를 포함하며, 상기 전극들(122a,122b)은 음극(122a)과 양극(122b)으로 구분된다.3, the unit cells 120 'include a polymer electrolyte membrane 121 and electrodes 122a and 122b which are thermally pressurized and attached to both sides of the polymer electrolyte membrane 121, The electrodes 122a and 122b are divided into a cathode 122a and a cathode 122b.

또한, 상기 고분자 전해질막(121)은 상기 양극(122a)의 수소 가스가 상기 음극(122b)로 통과하지 못하게 하고 이온화된 수소만을 통과하게 하며, 본 발명에서는 상기 고분자 전해질막(121)으로 미국의 'EI 듀폰 드 느무르 사(E I du Pont de Nemours and Co)'가 개발한 프로오르 기반의 전해질 멤브레인인 나피온112를 사용하였다.The polymer electrolyte membrane 121 allows the hydrogen gas in the anode 122a to pass through the cathode 122b and allows only ionized hydrogen to pass therethrough. In the present invention, Nafion 112, a proprietary electrolyte membrane developed by EI du Pont de Nemours and Co, was used.

그러나, 상기 고분자 전해질막(121)은 'EI 듀폰 드 느무르 사(E I du Pont de Nemours and Co)'의 나피온117막, 나피온115막, 나피온212막을 사용할 수 있고, 'Gore'사의 Gore Select막을 사용할 수도 있다.However, the polymer electrolyte membrane 121 may be a Nafion 117 membrane, a Nafion membrane 115, or a Nafion membrane membrane of EI du Pont de Nemours and Co., You can also use the Gore Select membrane.

또한, 상기 음극(122a)과 상기 양극(122b)은 100℃ 내지 200℃로 열가압되어 상기 고분자 전해질막(121)에 결합한다..The cathode 122a and the anode 122b are thermally pressurized to 100 占 폚 to 200 占 폚 and bonded to the polymer electrolyte membrane 121.

또한, 상기 음극(122a)과 상기 양극(122b)은 각각 촉매층(122a-2,122b-2)과 가스확산층(122a-1,122b-1)을 포함하여 이루어진다.The cathode 122a and the anode 122b include catalyst layers 122a-2 and 122b-2 and gas diffusion layers 122a-1 and 122b-1, respectively.

또한, 상기 촉매층(122a-2,122b-2)은 촉매(a) 및 바인더(c)를 포함하여 이루어지고 상기 촉매(a)는 백금, 루테늄, 이리듐, 코발트, 철 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함한다.The catalyst layers 122a-2 and 122b-2 include a catalyst (a) and a binder (c). The catalyst (a) may be any one of platinum, ruthenium, iridium, cobalt, And the like.

또한, 상기 촉매(a)는 백금 1~99중량%와 이리듐 1~99중량%의 조합으로 이루어지거나, 상기 촉매(a)는 백금 1~99중량%와 루테늄 1~99중량%의 조합으로 이루어질 수 있으며, 상기 촉매(a)의 입자크기는 10nm 이하인 것을 사용한다. 그러나 상기 촉매(a)의 입자크기는 5nm 또는 3nm 이하의 입자로 한정하여 첨가할 수 있다.The catalyst (a) may be a combination of 1 to 99 wt% of platinum and 1 to 99 wt% of iridium, or the catalyst (a) may be a combination of 1 to 99 wt% of platinum and 1 to 99 wt% of ruthenium And the particle size of the catalyst (a) is 10 nm or less. However, the particle size of the catalyst (a) may be limited to 5 nm or 3 nm or less.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 음극(122a)은 1cm2 면적당 4mg의 백금 촉매가 포함되고, 상기 양극(122b)은 1cm2면적당 4mg의 백금-이리튬 합금 촉매가 포함되도록 열가압하여 합착하였다.The negative electrode (122a) in the embodiment of the present invention is 1cm 2 4 mg of platinum catalyst per area was included, and the anode 122b was thermally pressed and cemented so as to contain 4 mg of platinum-iridium alloy catalyst per 1 cm 2 area.

또한, 상기 바인더(c)는 상기 촉매(a)를 상기 고분자 전해질막(121)에 융착하기 위한 것으로, 상기 고분자 전해질막(121)과 상기 바인더(c)는 양이온 교환 작용기를 갖는 재료로 구성된다. 또한, 상기 양이온 교환 작용기는 -OH, -OSO3H, -COOH, -OPO(OH)2, -C6H4SO3H 중 어느 하나를 포함한다.The binder (c) is for fusing the catalyst (a) to the polymer electrolyte membrane 121, and the polymer electrolyte membrane 121 and the binder (c) are composed of a material having a cation exchange functional group . In addition, the cation-exchange functional group comprises any one of -OH, -OSO 3 H, -COOH, -OPO (OH) 2, -C 6 H 4 SO 3 H.

또한, 상기 바인더(c)는 나피온(Nafion) 바인더일 수 있으며, 상기 바인더(c)의 함량은 상기 촉매(a)의 함량에 대해 20wt%로 포함되도록 하였다.The binder (c) may be a Nafion binder, and the content of the binder (c) is 20 wt% with respect to the content of the catalyst (a).

그러나, 상기 바인더(c)는 상기 촉매(a)의 함량에 대해 1wt% 내지 40wt%로 포함될 수 있다.However, the binder (c) may be contained in an amount of 1 wt% to 40 wt% with respect to the content of the catalyst (a).

또한, 상기 촉매층(122a-2,122b-2)은 상기 촉매(a)의 활성을 돕고 상기 촉매(a)를 물리적으로 지지하는 담체(b)를 더 포함할 수 있다.Further, the catalyst layers 122a-2 and 122b-2 may further include a carrier (b) which assists the activity of the catalyst (a) and physically supports the catalyst (a).

또한, 상기 담체(b)는 탄소, 아세틸렌 블랙 또는 탄소나노튜브로 제공될 수 있으며, 비표면적은 2000m2/g 이하인 것이 바람직하며, 1000m2/g, 500m2/g, 300m2/g 또는 100m2/g 이하의 비표면적을 갖는 담체로 한정하여 사용할 수 있다.In addition, the carrier (b) may also be provided with carbon, acetylene black or carbon nanotubes, the specific surface area is preferably 2000m 2 / g or less, 1000m 2 / g, 500m 2 / g, 300m 2 / g or 100m And can be limited to a carrier having a specific surface area of 2 g / g or less.

또한, 상기 단위 셀들(120')이 적층된 연료 전지 스택의 양쪽에는 전자가 흐를 수 있게 하는 집전체(123a,123b)가 적층될 수 있다.Current collectors 123a and 123b for allowing electrons to flow can be stacked on both sides of the fuel cell stack in which the unit cells 120 'are stacked.

또한, 도 3에서는 상기 집전체(123a,123b)가 단위 셀(120')의 양측에 적층되는 것으로 도시하였으나 실질적으로 복수의 단위 셀(120')들이 적층된 스택의 양측에 적층되며, 상기 단위 셀(120')들은 서로 다른 전극이 교차하도록 적층된다.Although the current collectors 123a and 123b are stacked on both sides of the unit cell 120 'in FIG. 3, substantially all of the unit cells 120' are stacked on both sides of the stack, The cells 120 'are stacked so that different electrodes cross each other.

또한, 상기 집전체(123a,123b)는 백금, 금, 은 및 니켈 중 어느 하나 또는 둘 이상을 표면에 코팅한 타이타늄 판 또는 타이타늄 메쉬(mesh)를 사용할 수 있다.The current collectors 123a and 123b may be a titanium plate or a titanium mesh having a surface coated with one or more of platinum, gold, silver, and nickel.

또한, 상기 집전체(123a,123b)에는 표면에 유체(물, 수소가스, 산소가스)의 흐름을 유도하는 채널(123a-1,123b-1)이 형성되고, 상기 채널(123a-1,123b-1)은 깊이와 폭이 각각 0.1mm 내지 10mm인 일자형, 서펜틴(Serpentine)형 또는 도트형의 채널일 수 있다.The current collectors 123a and 123b are formed with channels 123a-1 and 123b-1 for guiding the flow of fluids (water, hydrogen gas, and oxygen gas) ) May be a straight, serpentine or dot-like channel having a depth and a width of 0.1 mm to 10 mm, respectively.

상기 가스 저장 장치(130)는 전기분해 모드시 상기 일체형 연료 전지(120)에서 발생한 수소와 산소를 압축하여 저장하거나 연료 전지 모드시 저장된 수소와 산소를 상기 일체형 연료 전지(120)로 공급한다.The gas storage device 130 compresses and stores hydrogen and oxygen generated in the integrated fuel cell 120 in an electrolysis mode or supplies hydrogen and oxygen stored in the fuel cell mode to the integrated fuel cell 120.

또한, 상기 가스 저장 장치(130)는 상기 일체형 연료 전지(120)에서 생산된 수소와 산소를 포집하는 가스 포집기, 상기 가스 포집기에 연결되며, 포집된 수소와 산소를 각각 압축하는 압축기 및 압축된 수소와 산소를 저장하는 가스 저장 탱크를 포함할 수 있다.The gas storage device 130 includes a gas collecting device for collecting hydrogen and oxygen produced by the integrated fuel cell 120, a compressor connected to the gas collecting device and compressing the collected hydrogen and oxygen, And a gas storage tank for storing oxygen.

또한, 상기 압축기는 수소와 산소를 각각 1기압 내지 1000기압으로 압축시킬 수 있으며, 상기 가스 저장 탱크는 강철과 FRP로 강화된 밀폐용기, 합성 탱크, 강철용기 등을 사용할 수 있다.In addition, the compressor can compress hydrogen and oxygen from 1 atm to 1000 atmospheres, respectively. The gas storage tank may be a sealed vessel reinforced with steel and FRP, a synthetic tank, a steel vessel, or the like.

상기 제어 및 전력 공급장치(140)는 상기 외부 전기 공급 장치(160)의 전기 에너지를 해저도시의 부하(40)로 공급하거나 잉여 전기 에너지를 상기 일체형 재생 연료 전지(120)로 공급하여 상기 일체형 재생 연료 전지(120)가 전기 분해 모드로 동작하게 한다.The control and power supply unit 140 supplies the electric energy of the external electric power supply unit 160 to the submarine load 40 or supplies surplus electric energy to the integral regenerative fuel cell 120, Thereby causing the fuel cell 120 to operate in the electrolysis mode.

또한, 상기 제어 및 전력 공급장치(140)는 전기 분해 모드시, 상기 해수 담수화 장치(110)로부터의 담수를 상기 일체형 재생 연료 전지(120)로 공급되게 하여 산소와 수소가 발생하게 한다.Also, in the electrolysis mode, the control and power supply unit 140 allows the fresh water from the seawater desalination device 110 to be supplied to the integrated reconditioning fuel cell 120, thereby generating oxygen and hydrogen.

또한, 상기 담수는 70℃로 가열된 물이 30L/min의 유속으로 상기 일체형 재생 연료 전지(120)에 공급되게 하는 것이 바람직하다. In addition, it is preferable that the fresh water is supplied to the integrated regenerative fuel cell 120 at a flow rate of 30 L / min.

그러나, 상기 담수는 상기 일체형 재생 연료 전지(120)에 1L/min 내지 50L/min의 유속으로 공급될 수 있다. However, the fresh water can be supplied to the integrated regenerative fuel cell 120 at a flow rate of 1 L / min to 50 L / min.

이때, 상기 제어 및 전력 공급장치(140)는 상기 일체형 재생 연료 전지(120)의 25cm2 면적당 0.1V 내지 2.0V의 전기 에너지를 공급한다.At this time, 25cm 2 of the control and power supply unit 140 is the one-piece reproducing the fuel cell 120 Electric energy of 0.1 V to 2.0 V per area is supplied.

또한, 상기 제어 및 전력 공급장치(140)는 연료 전지 모드시, 상기 가스 저장 장치(130)에 저장된 수소 및 산소가 상기 일체형 재생 연료 전지(120)로 공급하여 전기 에너지가 생산되게 한다.In addition, the control and power supply unit 140 supplies hydrogen and oxygen stored in the gas storage unit 130 to the integrated reconditioning fuel cell 120 to generate electric energy in the fuel cell mode.

이때, 상기 수소는 75℃로 가열되어 단위 셀 당 250cc/min의 유속으로 공급되게 하고, 75℃의 산소가 단위 셀당 500cc/min의 유속으로 공급되게 하는 것이 바람직하다. At this time, it is preferable that the hydrogen is heated to 75 캜 and supplied at a flow rate of 250 cc / min per unit cell, and oxygen at 75 캜 is supplied at a flow rate of 500 cc / min per unit cell.

그러나, 상기 수소는 단위 셀 당 50L/min 내지 500L/min의 유속으로 공급될 수 있고, 상기 산도는 50L/min 내지 500L/min의 유속으로 공급될 수 있다. However, the hydrogen may be supplied at a flow rate of 50 L / min to 500 L / min per unit cell, and the acidity may be supplied at a flow rate of 50 L / min to 500 L / min.

또한, 상기 제어 및 전력 공급장치(140)는 상기 일체형 재생 연료 전지(120)에서 생산된 전기 에너지를 계통에 연계하여 부하(40)로 전기 에너지를 공급할 수 있고, 상기 부하(40)의 용량이 변화할 때 상기 외부 전기 공급 장치(160)의 병렬 운전을 수행할 수 있으며, 상기 외부 전기 공급 장치(160) 및 상기 일체형 재생 연료 전지(120)의 분산 전원을 상기 부하(40)로 공급할 수 있다.The control and power supply unit 140 may supply electrical energy to the load 40 by connecting the electrical energy produced by the integrated regenerative fuel cell 120 to the system, It is possible to perform the parallel operation of the external electric power supply unit 160 and to supply the distributed electric power of the external electric power supply unit 160 and the integral regenerative fuel cell 120 to the load 40 .

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 에너지 시스템(100)은 상기 일체형 재생 연료 전지(120)에서 발생하는 열 에너지를 회수하여 저장하는 열 회수 장치(140)를 더 포함할 수 있으며, 회수된 열은 해저도시의 난방, 상기 일체형 재생 연료 전지(120)로 공급되는 유체를 가열하는데 이용된다.The regenerative energy system 100 according to an embodiment of the present invention may further include a heat recovery apparatus 140 for recovering and storing thermal energy generated in the integrated regenerative fuel cell 120, Heat is used to heat the subsea city and the fluid supplied to the integrated regenerative fuel cell 120.

또한, 상기 열 회수 장치(140)는 알루미늄, 황동, 구리, 청동 또는 주석이나 이들의 조합에 의해 제작될 수 있으며, 원통 다관형 또는 판형의 열 교환기를 포함할 수 있다.The heat recovery apparatus 140 may be made of aluminum, brass, copper, bronze or tin, or a combination thereof, and may include a cylindrical tubular or plate heat exchanger.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 에너지 시스템(100)은 상기 해저도시(30)의 수평 자세를 유지하거나 이동하기 위한 추력을 발생하는 추력 발생 장치(150)를 더 포함할 수 있다.The regenerative energy system 100 according to an embodiment of the present invention may further include a thrust generator 150 for generating a thrust for maintaining or moving the horizontal position of the submarine 30.

또한, 상기 추력 발생 장치(150)는 상기 열 회수 장치(140)에서 회수된 열을 이용하여 직접 터빈을 회전시킴으로써 추력을 얻을 수 있고, 회수된 열 에너지를 전기 에너지로 변환하여 터빈을 회전시킴으로써 추력을 얻을 수도 있다.In addition, the thrust generator 150 can directly obtain the thrust by rotating the turbine using the heat recovered from the heat recovery device 140, convert the recovered heat energy into electric energy, and rotate the turbine, .

그러나, 상기 추력 발생 장치(150)는 상기 제어 및 전력 공급 장치(140)로부터 전기를 공급받아 추력을 발생시킬 수 있다..However, the thrust generator 150 may receive electricity from the control and power supply unit 140 to generate thrust.

도 4 및 도 5는 전기 분해 모드에서 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 재생 연료 전지(120)의 전압-전류 곡선과 생산되는 수소 및 산소의 량을 보여주는 도면으로 상기 일체형 재생 연료 전지(120)의 음극(122a)에는 1cm2 면적당 4mg의 백금 촉매를 도포하고, 양극(122b)에는 1cm2면적당 4mg의 백금-이리튬 합금 촉매를 도포하였으며, 나피온 바인더는 촉매의 함량에 대하여 20wt%가 혼합되게 하였다. 또한, 나피온 112를 고분자 전해질 막(121)으로 사용하였으며, 타이타늄 판에 백금을 전착하여 집전체(123a,123b)를 구성하였다.FIGS. 4 and 5 are graphs showing the voltage-current curves of the integral regenerative fuel cell 120 and the amount of produced hydrogen and oxygen according to an embodiment of the present invention in the electrolysis mode, Gt; cm < 2 > A platinum catalyst of 4 mg per area was coated, and a platinum-iridium alloy catalyst of 4 mg per cm 2 was applied to the anode 122b. The Nafion binder was mixed with 20 wt% of the catalyst. Further, Nafion 112 was used as the polymer electrolyte membrane 121, and platinum was electrodeposited on the titanium plate to construct current collectors 123a and 123b.

또한, 물은 70℃로 가열하여 30L/min의 유속으로 상기 일체형 재생 연료 전지(120)에 공급하였고, 전기 에너지는 상기 일체형 재생 연료 전지(120)의 25cm2 면적당 0.1V 내지 2.0V의 전압이 공급되게 하였다.The water was heated to 70 ° C and supplied to the integrated regenerative fuel cell 120 at a flow rate of 30 L / min. The electric energy was supplied to the integrated regenerative fuel cell 120 at 25 cm 2 A voltage of 0.1 V to 2.0 V per area was supplied.

그 결과, 단위셀 25cm2 면적당 수소가 6cc/min 생성되었고, 산소가 10cc/min 생성되는 것을 확인할 수 있었다.As a result, the unit cell 25cm 2 It was confirmed that hydrogen per area was 6 cc / min and oxygen was generated at 10 cc / min.

또한, 도 6은 연료 전지 모드에서 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 재생 연료 전지(120)가 출력하는 전압-전류량과 일반 연료 전지의 전압-전류량을 비교 표시한 것으로, 상기 일체형 재생 연료 전지(120)의 단위셀 25cm2 면적당 75℃의 수소가 250cc/min의 유속으로 공급되게 하고, 75℃의 산소가 500cc/min의 유속으로 공급되게 하였다.6 is a graph showing a comparison between the voltage-current amount output by the integral type regenerative fuel cell 120 according to an embodiment of the present invention and the voltage-current amount of a general fuel cell in the fuel cell mode, 120) of 25 cm 2 Hydrogen at 75 DEG C per area was supplied at a flow rate of 250 cc / min, and oxygen at 75 DEG C was supplied at a flow rate of 500 cc / min.

그 결과, 일반 연료전지와 거의 동일한 전기 에너지가 출력됨을 확인할 수 있었다.
As a result, it was confirmed that almost the same electric energy as the general fuel cell was outputted.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation in the present invention. Various changes and modifications will be possible.

100:재생 에너지 시스템 110:해수 담수화 장치
120:일체형 재생 연료 전지 121:고분자 전해질 막
122a:음극 122b:양극
122a-1,122b-1:가스확산층 122a-2,122b-2:촉매층
123a,123b:집전체 123a-1,123b-1:채널
130:가스 저장 장치 140:열 회수 장치
150:추력 발생 장치
100: renewable energy system 110: seawater desalination system
120: integral type regenerative fuel cell 121: polymer electrolyte membrane
122a: cathode 122b: anode
122a-1, 122b-1: gas diffusion layers 122a-2, 122b-2:
123a, 123b: current collector 123a-1, 123b-1: channel
130: Gas storage device 140: Heat recovery device
150: Thrust generator

Claims (31)

산소 및 전기 에너지를 공급하는 재생 에너지 시스템으로써,
전기 분해 모드에서는 외부 전기 공급 장치로부터 전기 에너지를 공급받아 담수로부터 수소와 산소를 생산하고, 연료 전지 모드에서는 수소와 산소를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 일체형 재생 연료 전지;
상기 일체형 재생 연료 전지에서 생산된 수소와 산소를 압축하여 저장하거나, 저장된 수소와 산소를 상기 일체형 재생 연료 전지로 공급하는 가스 저장 장치; 및
상기 외부 전기 공급 장치와 연결되고 상기 외부 전기 공급 장치의 전기 에너지를 상기 해저도시의 부하로 인가되게 하거나, 상기 외부 발전 장치의 잉여 전기 에너지를 상기 일체형 재생 연료 전지에 공급하여 상기 일체형 재생 연료 전지가 전기 에너지 또는 수소와 산소를 생산하게 하는 제어 및 전력 공급 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
As a renewable energy system that supplies oxygen and electric energy,
In the electrolysis mode, an integrated regenerative fuel cell generates electric energy by receiving electric energy from an external electric supply device and producing hydrogen and oxygen from fresh water, and supplying hydrogen and oxygen in a fuel cell mode.
A gas storage device for compressing and storing hydrogen and oxygen produced in the integrated regenerative fuel cell or supplying stored hydrogen and oxygen to the integrated regenerative fuel cell; And
Wherein the integrated regenerative fuel cell is connected to the external electric power supply device and allows the electric energy of the external electric power supply device to be applied to the load of the submarine city or supplies the surplus electric energy of the external power generation device to the integrated regenerative fuel cell, And a control and power supply device for producing electric energy or hydrogen and oxygen.
제 1 항에 있어서,
해수를 담수로 변환하여 변환된 담수를 상기 일체형 재생 연료 전지로 공급하는 해수 담수화 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
The method according to claim 1,
Further comprising a seawater desalination device for converting the seawater into fresh water and supplying the converted fresh water to the integrated reconditioning fuel cell.
제 1 항에 있어서,
상기 일체형 재생 연료 전지에서 발생하는 열 에너지를 회수하여 열 회수 기관;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
The method according to claim 1,
Further comprising a heat recovery engine for recovering thermal energy generated in the integrated type reconditioning fuel cell.
제 3 항에 있어서,
상기 열 회수 기관에 축열된 열 에너지를 상기 해저도시의 자세제어를 위한 추력을 발생시키는 추력 발생 장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
The method of claim 3,
Further comprising: a thrust generating device for generating thrust for controlling the attitude of the submarine city by the thermal energy stored in the heat recovery engine.
제 1 항에 있어서,
상기 외부 전기 공급 장치는 육상 또는 해상에 설치되고, 전기 에너지를 생성하여 상기 제어 및 전력 공급 장치로 공급하는 외부 발전 장치 또는 미리 전기 에너지가 저장되는 축전 장치로 구성되며,
상기 외부 발전 장치는 풍력 발전기, 태양광 발전기, 태양열 발전기, 파력 발전기 또는 조력 발전기를 포함하고,
상기 축전 장치는 1회 사용가능한 1차 전지 및 재충전하여 반복 사용가능한 2차 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
The method according to claim 1,
The external electric power supply device may include an external electric power generating device installed onshore or offshore and generating electric energy to supply the electric power to the control and electric power supplying device or a power storage device in which electric energy is stored in advance,
The external generator includes a wind turbine, a solar generator, a solar generator, a wave generator or a tidal generator,
Wherein the power storage device includes a primary battery that can be used once and a secondary battery that is recharged and used repeatedly.
제 5 항에 있어서,
상기 외부 전기 공급 장치는 풍력 발전기, 태양광 발전기, 태양열 발전기, 파력 발전기, 조력 발전기, 1차 전지 및 2차 전지 중, 적어도 어느 두 개의 전기 공급 기기를 포함하며,
상기 제어 및 전력 공급 장치는 상기 부하의 용량 증가시, 상기 전기 공급 기기들을 병렬 운전하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
6. The method of claim 5,
Wherein the external electric power supply device includes at least two electric power supply devices among a wind power generator, a solar power generator, a solar power generator, a wave generator, a tidal generator, a primary battery and a secondary battery,
Wherein the control and power supply device operates the electric supply devices in parallel when the load capacity is increased.
제 1 항에 있어서,
상기 가스 저장 장치:는
상기 일체형 연료 전지에서 생산된 수소와 산소를 포집하는 가스 포집기;
상기 가스 포집기에 연결되어 상기 수소와 산소를 각각 압축하는 압축기; 및
상기 압축기에 압축된 수소와 산소를 각각 저장하고, 저장된 수소와 산소를 상기 일체형 연료 전지로 공급하는 가스 저장 탱크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
The method according to claim 1,
The gas storage device
A gas collector for collecting hydrogen and oxygen produced in the integrated fuel cell;
A compressor connected to the gas collector and compressing the hydrogen and oxygen, respectively; And
And a gas storage tank for storing compressed hydrogen and oxygen in the compressor, respectively, and supplying the stored hydrogen and oxygen to the integrated fuel cell.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 일체형 재생 연료 전지는 복수 개의 단위 셀이 적층된 연료 전지 스택으로 구성되며,
상기 단위 셀들은 각각 고분자 전해질막, 상기 고분자 전해질막의 일측에 형성되는 양극 및 상기 고분자 전해질막의 타측에 형성되는 음극을 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
8. The method according to any one of claims 1 to 7,
Wherein the integrated regenerative fuel cell comprises a fuel cell stack in which a plurality of unit cells are stacked,
Wherein the unit cells each include a polymer electrolyte membrane, an anode formed on one side of the polymer electrolyte membrane, and a cathode formed on the other side of the polymer electrolyte membrane.
제 8 항에 있어서,
상기 단위 셀들은 인접하는 단위 셀들 간에 양극과 음극이 서로 교차하도록 적층되는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
9. The method of claim 8,
Wherein the unit cells are stacked such that an anode and a cathode cross each other between adjacent unit cells.
제 8 항에 있어서,
상기 연료 전지 스택은 적층된 단위 셀등의 양측에 집전체를 갖는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
9. The method of claim 8,
Wherein the fuel cell stack has current collectors on both sides of the stacked unit cells.
제 10 항에 있어서,
상기 집전체는 백금, 금, 은 및 니켈 중 어느 하나 또는 둘 이상이 표면에 코팅된 타이타늄 판 또는 타이타늄 메쉬인 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
11. The method of claim 10,
Wherein the current collector is a titanium plate or a titanium mesh coated with one or more of platinum, gold, silver and nickel.
제 11 항에 있어서,
상기 집전체는 표면에 유체의 흐름을 유도하는 채널이 형성되고, 상기 채널은 일자형, 서펜틴(Serpentine)형 또는 도트형의 형상을 갖고, 깊이와 폭이 각각 0.1mm 내지 10mm인 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
12. The method of claim 11,
Wherein the current collector has a channel for guiding a flow of fluid to the surface thereof and the channel has a shape of serpentine or dot and has a depth and a width of 0.1 mm to 10 mm respectively Renewable energy system.
제 8 항에 있어서,
상기 양극과 상기 음극은 상기 고분자 전해질 막에 열가압되어 결합하며, 각각 촉매층과 가스확산층을 갖는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
9. The method of claim 8,
Wherein the anode and the cathode are thermally pressurized and coupled to the polyelectrolyte membrane and each have a catalyst layer and a gas diffusion layer.
제 13 항에 있어서,
상기 전극들은 100~200℃ 온도로 상기 고분자 전해질 막에 열가압되는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
14. The method of claim 13,
Wherein the electrodes are thermally pressed to the polymer electrolyte membrane at a temperature of 100 to 200 ° C.
제 13 항에 있어서,
상기 촉매층은 촉매 및 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
14. The method of claim 13,
Wherein the catalyst layer comprises a catalyst and a binder.
제 15 항에 있어서,
상기 고분자 전해질막과 상기 바인더는 양이온 교환 작용기를 갖는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
16. The method of claim 15,
Wherein the polymer electrolyte membrane and the binder have a cation exchange functional group.
제 16 항에 있어서,
상기 양이온 교환 작용기는 -OH, -OSO3H, -COOH, -OPO(OH)2, -C6H4SO3H 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
17. The method of claim 16,
The cation-exchange functional groups are renewable energy system comprising the any one of -OH, -OSO 3 H, -COOH, -OPO (OH) 2, -C 6 H 4 SO 3 H.
제 15 항에 있어서,
상기 촉매는 백금, 루테늄, 이리듐, 코발트, 철 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
16. The method of claim 15,
Wherein the catalyst comprises any one selected from the group consisting of platinum, ruthenium, iridium, cobalt, iron, and combinations thereof.
제 18 항에 있어서,
상기 촉매는 백금 1~99중량%와 이리듐 1~99중량%의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
19. The method of claim 18,
Wherein the catalyst comprises a combination of 1 to 99% by weight of platinum and 1 to 99% by weight of iridium.
제 18 항에 있어서,
상기 촉매는 백금 1~99중량%와 루테늄 1~99중량%의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
19. The method of claim 18,
Wherein the catalyst comprises 1 to 99% by weight of platinum and 1 to 99% by weight of ruthenium.
제 18 항에 있어서,
상기 촉매의 입자크기는 10nm 이하인 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
19. The method of claim 18,
Wherein the catalyst has a particle size of 10 nm or less.
제 15 항에 있어서,
상기 촉매층은 담체를 더 포함하며, 상기 담체는 탄소, 아세틸렌 블랙 또는 탄소나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
16. The method of claim 15,
Wherein the catalyst layer further comprises a carrier, wherein the carrier comprises carbon, acetylene black or carbon nanotubes.
제 22 항에 있어서,
상기 담체의 비표면적은 2000m2/g 이하인 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
23. The method of claim 22,
Wherein the specific surface area of the support is 2000 m 2 / g or less.
제 15 항에 있어서,
상기 음극은 백금 촉매를 포함하고, 상기 양극은 백금-이리튬 합금 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
16. The method of claim 15,
Wherein the anode comprises a platinum catalyst, and the anode comprises a platinum-iridium alloy catalyst.
제 24 항에 있어서,
상기 바인더는 나피온(Nafion) 바인더이며, 상기 촉매의 함량에 대해 5wt% 내지 40wt%의 함량으로 포함되는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
25. The method of claim 24,
Wherein the binder is a Nafion binder and is contained in an amount of 5 wt% to 40 wt% with respect to the content of the catalyst.
제 24 항에 있어서,
상기 고분자 전해질 막은 나피온 117막, 나피온 115막, 나피온112막, 나피온212막, Gore Select 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
25. The method of claim 24,
Wherein the polymer electrolyte membrane comprises at least one of a Nafion 117 membrane, a Nafion membrane, a Nafion membrane, a Nafion membrane, and a Gore Select membrane.
제 25 항에 있어서,
상기 전기 분해 모드로 동작할 때, 상기 일체형 재생 연료 전지에는 70℃의 담수가 1L/min 내지 50L/min의 유속으로 공급되는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
26. The method of claim 25,
Wherein the integrated regenerative fuel cell is supplied with fresh water at 70 DEG C at a flow rate of 1 L / min to 50 L / min when operated in the electrolysis mode.
제 27 항에 있어서,
상기 전기 분해 모드로 동작할 때, 상기 제어 및 전력 공급 장치는 상기 일체형 재생 연료 전지의 25cm2 면적당 0.1V 내지 2.0V의 전기 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
28. The method of claim 27,
When operating in the electrolysis mode, the control and power supply is operated at 25 cm < 2 > And an electric energy of 0.1 V to 2.0 V per area is supplied.
제 25 항에 있어서,
상기 연료 전지 모드로 동작할 때, 상기 일체형 재생 연료 전지에는 상기 단위 셀당 75℃의 수소가 50cc/min 내지 500cc/min의 유속으로 공급되고 75℃의 산소가 50cc/min 내지 500cc/min의 유속으로 공급되는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
26. The method of claim 25,
When operating in the fuel cell mode, the integrated regenerative fuel cell is supplied with hydrogen at 75 DEG C per unit cell at a flow rate of 50 cc / min to 500 cc / min and oxygen at 75 DEG C at a flow rate of 50 cc / Is supplied to the regenerative energy system.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 재생 에너지 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하며, 생명체의 생존공간을 제공하는 해상도시, 해중도시, 수중도시, 지하도시, 지중도시 또는 우주도시인 고정형 시설물.
A fixed-type facility which is equipped with the renewable energy system according to any one of claims 1 to 7 and which is a resolution type, an underwater city, an underwater city, an underground city, an underground city, or a space city providing a living space of life.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 재생 에너지 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하며, 생명체의 생존공간을 제공하는 수중이동체, 공중이동체 또는 우주 이동체인 이동형 시설물.8. A portable facility, comprising a renewable energy system according to any one of claims 1 to 7, which is a submersible vehicle, an airborne vehicle or a spaceborne moving facility providing a living space for living creatures.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160005603A (en) 2014-07-07 2016-01-15 주식회사 케이디파워 Power supply system for country house
KR20160093377A (en) 2015-01-29 2016-08-08 주식회사 케이디파워 Hybrid distributing board
US20220033982A1 (en) * 2018-12-19 2022-02-03 3M Innovative Properties Company Water electrolyzers
CN114628747A (en) * 2022-05-12 2022-06-14 青岛科技大学 Fuel cell system for marine ship based on online seawater hydrogen production and application thereof

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