KR20150094186A

KR20150094186A - 수소엔진을 이용한 잠수함 추진 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20150094186A
Application number: KR1020140015157A
Authority: KR
Inventors: 방현진; 박장두
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2014-02-10
Filing date: 2014-02-10
Publication date: 2015-08-19

Abstract

본 발명은 수소엔진을 이용한 잠수함 추진 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 기존 재래식 잠수함에서 디젤유저장탱크 및 수소저장합금으로 분리된 연료저장소 개념을 수소저장합금으로 일원화함으로써 연료저장소의 유지보수가 단일화되고 용이해지며 잠수함의 효율적 공간배치가 가능해지도록 하는 것을 특징으로 하는 새로운 개념의 잠수함 추진 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

수소엔진을 이용한 잠수함 추진 시스템 및 방법{A submarine propulsion system and method using a hydrogen engine}

일반적으로 잠수함은 수중과 수상에서 자체의 추진력으로 이동할 수 있는 선박으로 주로 군용으로 사용되며, 이러한 잠수함은 대부분의 시간 동안 적에게 노출되지 않고 수중에서 작전 수행을 해야 하는 특성을 가지고 있다.

또한, 잠수함은 적의 잠수함을 탐색하고 공격하는 대잠전(anti-submarine warfare), 기동 전투전대 외곽에 배치하여 적의 수상함을 정찰하고 공격하는 대함전(anti-surface ship warfare), 전략 핵무기 및 미사일(missile)을 탑재하여 전략 임무를 수행하는 대지전(anti land warfare), 상대국의 작전 해역에서 전자정보 및 통신정보를 수집하는 정찰 및 감시(surveillance and reconnaissance), 특수전 요원을 투입하여 정보수집 및 주요시설 파괴 등의 임무를 수행하는 특수전(special warfare) 및 기뢰부설(mine laying) 등 중요한 전략 임무를 수행한다.

현대에 들어 잠수함은 비대칭전략무기로 전쟁억지력이 다른 무기체계에 비하여 높으며, 특히 최근 국지전(전투가 한정된 지역에서만 이루어지는 제한 전쟁의 한 형태)의 형태로 발생하고 있는 전쟁에서 잠수함은 정보전 및 특수전 요원 투입을 적에게 들키지 않고 접근하여 수행할 수 있는 최적의 함정으로 대두되고 있다.

한편, 우리나라의 경우 현재까지 군용으로 사용되고 있는 잠수함은 모두 디젤 잠수함(이하, ‘기존 재래식 잠수함’이라 함)인데, 기존 재래식 잠수함은 디젤 잠수함의 특성상 물 위로 올라와 발전기를 돌려 충전하는 스노클링 횟수가 많다. 따라서 기존 재래식 잠수함은 해상에 노출되는 횟수가 많아 적에게 발각될 위험성이 높은 단점이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 도입된 것이 바로 공기불요추진장치(AIP: air independent propulsion)이다. 공기불요추진장치는 잠수함의 추진장치가 운전하는 데에 공기가 소모되지 않도록 개발된 것으로, 기존 재래식 잠수함은 이러한 공기불요추진장치를 탑재함으로써 3~4일에 한 번씩은 충전을 위해 수행해야 했던 스노클링을 2주에 한 번 가량만 하면 되므로 그 만큼 해상에 노출되는 횟수가 줄어 적에게 발각될 위험성도 줄었다.

이와 관련하여 도 2는 공기불요추진장치를 탑재한 기존 재래식 잠수함의 연료 추진 시스템을 보여준다.

스노클링 상황에서 디젤유저장탱크(12)는 저장하고 있던 디젤유를 디젤엔진(14)으로 공급하며 디젤엔진(14)은 스노클(7)을 통하여 공기를 공급받아 발전기(8)를 돌려 전력을 생산하고 베터리(9)를 충전한다. 한편, 잠항 시 수소저장합금(13)은 저장하고 있던 수소를, 그리고 산소저장탱크(6)는 저장하고 있던 산소를 각각 연료전지(5)로 공급하며 연료전지(5)는 자체 내에서 이루어지는 물의 전기분해 역반응을 통해 필요한 전력을 생산하여 베터리(9)를 충전한다. 모터(10)는 베터리(9)에 충전된 전력을 이용하여 프로펠러(11)를 돌린다.

따라서 연료전지를 탑재한 기존 재래식 잠수함은 디젤유를 저장하기 위한 디젤유저장탱크(12)와 수소를 저장하기 위한 수소저장합금(13)을 모두 구비해야 한다. 하지만, 이처럼 기존 재래식 잠수함에서 연료저장소 개념이 디젤유저장탱크(12) 및 수소저장합금(13)으로 분리(이원화)되면 이들 각각에 대한 유지보수를 한꺼번에 하는 것이 쉽지 않고 비용이 많이 들며 잠수함의 효율적 공간배치가 힘들어지는 문제가 있다.

잠수함 연료전지용 수소저장 실린더의 단열 덮개(특허출원 제10-2010-0057871호)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 기존 재래식 잠수함에서 디젤유저장탱크 및 수소저장합금으로 분리된 연료저장소 개념을 수소저장합금으로 일원화함으로써 연료저장소의 유지보수가 단일화되고 용이해지며 잠수함의 효율적 공간배치가 가능해지도록 하는 것을 특징으로 하는 새로운 개념의 잠수함 추진 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기존 재래식 잠수함에서 디젤유저장탱크 및 수소저장합금으로 분리된 연료저장소 개념을 수소저장합금 하나로 통일한 것을 특징으로 하는 잠수함 추진 시스템으로서, 수소를 저장하는 수소저장합금; 산소를 저장하는 산소저장탱크; 상기 수소저장합금과 연결되며 상기 수소저장합금으로부터 공급받은 수소를 연료로 사용하여 발전기를 돌려 전력을 생산하는 수소엔진 및; 상기 수소저장합금 및 상기 산소저장탱크와 연결되며 상기 수소저장합금으로부터 공급받은 수소와 상기 산소저장탱크로부터 공급받은 산소로부터 물의 전기분해 역반응을 통해 전력을 생산하는 연료전지;를 포함하는 수소엔진을 이용한 잠수함 추진 시스템을 제공한다.

본 발명은, 상기 수소저장합금의 후단에 설치되어 상기 수소저장합금에 저장된 수소의 공급 경로를 선택하는 경로밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편 본 발명은, 기존 재래식 잠수함에서 디젤유저장탱크 및 수소저장합금으로 분리된 연료저장소 개념을 수소저장합금 하나로 통일하되, 수소를 저장하는 수소저장합금과 산소를 저장하는 산소저장탱크를 포함하는 잠수함 추진 시스템의 추진 방법으로서, 고출력 추진 시 수소엔진이 상기 수소저장합금으로부터 공급받은 수소를 연료로 사용하여 발전기를 돌려 전력을 생산하는 단계 및; 저출력 추진 시 연료전지가 상기 수소저장합금으로부터 공급받은 수소와 상기 산소저장탱크로부터 공급받은 산소로부터 물의 전기분해 역반응을 통해 전력을 생산하는 단계;를 포함하는 수소엔진을 이용한 잠수함 추진 방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 경로밸브는 상기 수소저장합금에 저장된 수소의 공급 경로를 선택하되 고출력 추진 시에는 상기 수소엔진에 수소를 공급하고 저출력 추진 시에는 상기 연료전지에 수소를 공급하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 기존 재래식 잠수함에서 디젤유저장탱크 및 수소저장합금으로 분리된 연료저장소 개념이 수소저장합금으로 일원화되므로 연료저장소의 유지보수가 단일화되고 용이해지며 잠수함의 효율적 공간배치가 가능해진다.

도 1은 본 발명에 따른 수소엔진을 이용한 잠수함 추진 시스템의 실시 예를 보여준다.
도 2는 기존 재래식 잠수함의 연료 추진 시스템을 보여준다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 기존 재래식 잠수함(도 2)에서 디젤유저장탱크(12) 및 수소저장합금(13)으로 분리(이원화)된 연료저장소 개념을 수소저장합금(13)으로 일원화한 것을 특징으로 하는바, 이와 관련하여, 본 발명의 실시 예에서는 연료저장소 개념을 수소저장합금(13) 하나로 일원화하였다. 그리고 본 발명의 실시 예의 모든 경우에 있어서 연료저장소 개념을 일원화하기 위하여 기존의 디젤엔진(14)을 대체한 수소엔진(20)을 도입하였다. 이하, 본 발명의 실시 예에 대하여 상세히 설명한다.

실시 예

도 1은 본 발명에 따른 수소엔진을 이용한 잠수함 추진 시스템의 실시 예를 보여준다.

본 실시 예에 있어서, 본 발명은 수소저장합금(13), 산소저장탱크(6), 수소엔진(20) 및 연료전지(5)를 포함하여 이루어진다. 이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 구성요소별 기능 및 작용에 대하여 상세히 설명한다.

수소저장합금(13)은 수소를 저장하는바, 본 발명에서 수소저장합금(13)은 기존 재래식 잠수함에서 디젤유저장탱크(12) 및 수소저장합금(13)으로 분리된 연료저장소를 일원화한 개념이다.

산소저장탱크(6)는 산소를 저장한다. 이러한 산소저장탱크(6)는 연료전지(5)와 연결되어 있어 잠수함의 저출력 추진 시 전력 생산을 위하여 연료전지(5)로 산소를 공급하는 역할을 한다. 산소저장탱크(6)는 그 저장용량을 늘리기 위하여 고압으로 압축하여 액화된 영하 183˚c의 초저온 액화산소를 저장하는바, 산소저장탱크(6)는 압력용기 형태의 탱크로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 경우 압력용기 형태의 탱크는 통상적인 압력용기와 같은 이중구조를 사용하면 될 것이며, 잠항기간을 고려하여 허용압력 및 용기의 두께 등을 조절하면 될 것이다.

수소엔진(20)은 수소저장합금(13)과 연결되어 있어 수소저장합금(13)으로부터 수소를 공급받아 연료로 사용하며, 특히 잠수함의 고출력 추진 시 발전기(8)를 돌려 전력을 생산하고 베터리(9)를 충전한다. 모터(10)는 베터리(9)에 충전된 전력을 이용하여 프로펠러(11)를 돌린다. 일반적으로, 수소엔진(20)은 물을 전기 분해해 수소를 만들어 연료로 쓰는 엔진을 말하나 본 발명의 경우 수소엔진(20)은 물을 전기 분해할 필요 없이 수소저장합금(13)으로부터 곧바로 수소를 공급받는다.

연료전지(5)는 수소저장합금(13) 및 산소저장탱크(6)와 연결되며 수소저장합금(13)으로부터 공급받은 수소와 산소저장탱크(6)로부터 공급받은 산소로부터 물의 전기분해 역반응을 통해 전력을 생산한다. 연료전지(5)는 수소를 공급받아 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분해하는 연료극과, 수소 이온과 전자, 그리고 산소가 결합하여 물이 생성되는 공기극으로 구성된다. 이때, 연료극은 애노드(anode)로 작용하고, 공기극은 캐소드(cathode)로 작용하며, 연료극에서 발생한 수소 이온은 전해질층인 멤브레인을 거쳐 공기극으로 이동하게 되고, 연료극에 발생한 전자는 외부 회로를 거쳐 전류를 발생시키게 된다. 즉, 연료극에서 분리된 전자가 외부 회로를 거쳐 전류를 발생시킴으로써 전지의 기능을 수행하게 되는 것이다. 이러한 연료전지(5)는 황산화물과 질소산화물 등의 대기오염물질을 거의 배출하지 않고 이산화탄소의 발생도 적어 무공해 발전이며, 저소음, 무진동 등의 장점이 있다.

한편, 수소저장합금(13)의 후단에는 경로밸브(21)가 설치되는데, 이러한 경로밸브(21)는 수소저장합금(13)에 저장된 수소의 공급 경로를 선택하는 기능을 한다. 보다 구체적으로, 경로밸브(21)는 수소저장합금(13)에 저장된 수소를 수소엔진(20)으로 공급할지 아니면 연료전지(5)로 공급할지를 선택하는 기능을 하는바, 경로밸브(21)는 잠수함의 고출력 추진 시에는 수소엔진(20)으로 수소를 공급하고 저출력 추진 시에는 연료전지(5)로 수소를 공급함으로써 잠수함의 출력을 조절하는 기능을 하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 잠수함의 운용방법과 관련하여, 잠수함은 고출력 추진 시에는 수소엔진(20)이 수소저장합금(13)으로부터 공급받은 수소를 연료로 사용하여 발전기(8)를 돌려 전력을 생산하며, 저출력 추진 시에는 연료전지(5)가 수소저장합금(13)으로부터 공급받은 수소와 산소저장탱크(6)로부터 공급받은 산소로부터 물의 전기분해 역반응을 통해 전력을 생산하는 것을 선택적으로 할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 잠수함은 스노클링을 자주 할 필요가 없으므로 그 만큼 해상에 노출되는 횟수가 줄어 적에게 발각될 위험성도 줄어들게 된다. 하지만, 이 경우 본 발명의 보다 중요한 장점은, 공기불요추진장치를 탑재한 기존 재래식 잠수함과 비교할 때, 기존 재래식 잠수함에서 디젤유저장탱크(12) 및 수소저장합금(13)으로 분리된 연료저장소 개념이 수소저장합금(13)으로 일원화되므로 연료저장소의 유지보수가 단일화되고 용이해지며 특히 잠수함의 효율적 공간배치가 가능해진다는 점이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

5 : 연료전지 6 : 산소저장탱크
7 : 스노클 8 : 발전기
9 : 베터리 10 : 모터
11 : 프로펠러 12 : 디젤유저장탱크
13 : 수소저장합금 14 : 디젤엔진
20 : 수소엔진 21 : 경로밸브

Claims

기존 재래식 잠수함에서 디젤유저장탱크(12) 및 수소저장합금(13)으로 분리된 연료저장소 개념을 수소저장합금(13) 하나로 통일한 것을 특징으로 하는 잠수함 추진 시스템으로서,
수소를 저장하는 수소저장합금(13);
산소를 저장하는 산소저장탱크(6);
상기 수소저장합금(13)과 연결되며 상기 수소저장합금(13)으로부터 공급받은 수소를 연료로 사용하여 발전기(8)를 돌려 전력을 생산하는 수소엔진(20) 및;
상기 수소저장합금(13) 및 상기 산소저장탱크(6)와 연결되며 상기 수소저장합금(13)으로부터 공급받은 수소와 상기 산소저장탱크(6)로부터 공급받은 산소로부터 물의 전기분해 역반응을 통해 전력을 생산하는 연료전지(5);
를 포함하는 수소엔진을 이용한 잠수함 추진 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 수소저장합금(13)의 후단에 설치되어 상기 수소저장합금(13)에 저장된 수소의 공급 경로를 선택하는 경로밸브(21);
를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 수소엔진을 이용한 잠수함 추진 시스템.
기존 재래식 잠수함에서 디젤유저장탱크(12) 및 수소저장합금(13)으로 분리된 연료저장소 개념을 수소저장합금(13) 하나로 통일하되, 수소를 저장하는 수소저장합금(13)과 산소를 저장하는 산소저장탱크(6)를 포함하는 잠수함 추진 시스템의 추진 방법으로서,
고출력 추진 시 수소엔진(20)이 상기 수소저장합금(13)으로부터 공급받은 수소를 연료로 사용하여 발전기(8)를 돌려 전력을 생산하는 단계 및;
저출력 추진 시 연료전지(5)가 상기 수소저장합금(13)으로부터 공급받은 수소와 상기 산소저장탱크(6)로부터 공급받은 산소로부터 물의 전기분해 역반응을 통해 전력을 생산하는 단계;
를 포함하는 수소엔진을 이용한 잠수함 추진 방법.
청구항 3에 있어서,
경로밸브(21)가 상기 수소저장합금(13)에 저장된 수소의 공급 경로를 선택하되 고출력 추진 시에는 상기 수소엔진(20)에 수소를 공급하고 저출력 추진 시에는 상기 연료전지(5)에 수소를 공급하는 것을 특징으로 하는 수소엔진을 이용한 잠수함 추진 방법.