KR20170047504A - Fuel cell system of underwater moving body and underwater moving body having the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 실시예는 개질 시스템과 연료전지 사이에 버퍼 실린더를 설치하여 동력 급변에 버퍼 실린더의 연료를 사용할 수 있는 수중운동체의 연료전지시스템 및 이를 포함한 수중운동체에 관한 것이다.
An embodiment of the present invention relates to a fuel cell system for an underwater vehicle in which a buffer cylinder is provided between a reforming system and a fuel cell and the fuel of the buffer cylinder can be used for power suddenly change, and an underwater vehicle including the fuel cell system.
수중운동체는 잠수함 등을 포함하는 개념으로서, 수중을 잠항할 수 있으며, 이를 위해 함내의 전원을 공급받아 동작하는 추진모터 등에 의해 회전력이 발생되고, 이 회전력이 프로펠러까지 전달되어 추진력을 발생시킨다. Submersible motors are submersible in submersible, and can be submerged underwater. For this purpose, a rotating force is generated by a propulsion motor that operates with power supplied from the cabin, and the rotational force is transmitted to the propeller to generate propulsive force.
연료전지는 연료의 산화에 의해 생기는 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 장치로서, 수소와 같은 기체 반응물질을 외부에서 연속적으로 공급하여 전기의 생성을 도모하고, 반응 후 생성물질은 연속적으로 외부로 배출시킬 수 있다. 즉, 연료전지는 고효율의 무공해 발전장치이다. BACKGROUND ART A fuel cell is a device for directly converting chemical energy generated by oxidation of a fuel into electrical energy. The fuel cell is continuously supplied with a gas reactant such as hydrogen from the outside to generate electricity. Can be discharged. That is, the fuel cell is a high-efficiency, pollution-free power generation device.
수중운동체의 구체적인 예로서, 잠수함은 AIP System을 이용하여 잠항 시, 함 내에 저장된 수소 및 산소를 공급하여 연료전지를 통해 동력을 생산한다. 이는 디젤-전기방식에 비해 낮은 스노클비로 효율성이 높으며, 장함 깊이에 무관하여 운용이 장시간의 잠항 능력을 향상 시킬 수 있는 장점이 있다.As a specific example of an underwater vehicle, a submarine uses the AIP System to produce power through a fuel cell by supplying hydrogen and oxygen stored in a vessel during submergence. It has high efficiency with low snorkel ratio compared with the diesel-electric system, and it has the advantage of improving operation ability for long time tentative operation regardless of depth of the ship.
기존의 AIP system은 금속수소형 연료전지로 이는 수소를 수소저장 합금에 저장하는 방식으로, 안전성은 높으나 수소 저장율이 낮고, 금속실린더의 중량과 가격 측면에서 장기간의 잠항 능력을 요구하는 중형 잠수함에 탑재하기 힘들다는 문제가 있다. The existing AIP system is a metal submerged fuel cell that stores hydrogen in a hydrogen storage alloy. It has high safety but low hydrogen storage rate. It is a mid-sized submarine that requires long-term submersibility in terms of weight and price of metal cylinders. There is a problem that it is difficult to mount.
이에 비해, 메탄올 및 에탄올에서 수소를 개질하는 방식을 사용하면 이와 같은 단점을 극복할 수 있다. 하지만, 연료전지에 비해 개질 시스템은 동력 급변이 느리다는 단점이 있다. In contrast, the use of a method of reforming hydrogen in methanol and ethanol can overcome these disadvantages. However, the reforming system has a disadvantage that the power fluctuation is slow compared with the fuel cell.
AIP 운전 시 연료전지는 꾸준한 연료공급이 필요할 뿐만 아니라, 불특정한 상황에서 동력 급변이 필요한데 이와 같은 개질 시스템의 문제점을 해결할 수 있는 기술적 해결방안이 필요한 실정이다.
In AIP operation, the fuel cell requires not only steady fuel supply but also sudden power change in the unspecified situation, and technical solution to solve the problem of such reforming system is needed.
본 발명의 목적은, 개질 시스템과 연료전지 사이에 버퍼 실린더를 설치하여 동력 급변에 버퍼 실린더의 연료를 사용할 수 있는 수중운동체의 연료전지시스템 및 이를 포함한 수중운동체를 제공한다.
An object of the present invention is to provide a fuel cell system of a submersible vehicle and a submersible vehicle including the submergible fuel system, in which a buffer cylinder is provided between the reforming system and the fuel cell to use the fuel of the buffer cylinder for sudden power change.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problem (s), and another problem (s) not mentioned here will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지; 연료를 개질하여 상기 연료전지에 공급될 수소를 생성하는 개질기; 상기 개질기에 필요한 열을 공급하는 연소기; 상기 개질기로부터 미반응된 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 수성가스 전환 반응기; 상기 개질기로부터 생성된 수소의 순도를 높이는 가스 분리기; 및 상기 가스 분리기와 상기 연료전지 사이에 설치되며 동력변화에 따른 반응시간 차이를 보조하여 상기 연료전지에서 필요한 양의 수소를 저장 및 공급하는 버퍼 실린더;를 포함하는 수중운동체의 연료전지시스템을 제공한다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell comprising: a fuel cell; A reformer for reforming the fuel to generate hydrogen to be supplied to the fuel cell; A combustor for supplying heat required for the reformer; A water gas shift reactor for converting unreacted carbon monoxide into carbon dioxide from the reformer; A gas separator for increasing the purity of hydrogen produced from the reformer; And a buffer cylinder installed between the gas separator and the fuel cell to assist a difference in reaction time according to a change in power to store and supply a required amount of hydrogen in the fuel cell, .
상기 버퍼 실린더는, 상기 연료전지보다 높은 압력으로 운전되며 압력 변화에 따라 연료의 공급량을 제어할 수 있다. The buffer cylinder is operated at a pressure higher than that of the fuel cell and can control the supply amount of fuel according to the pressure change.
또한, 상기 개질기를 향해 연료가 공급되는 배관에는 연료 공급량을 조절하는 밸브가 구비되며, 상기 버퍼 실린더는 상기 밸브의 동작을 제어할 수 있다. Also, a pipe for supplying fuel to the reformer is provided with a valve for controlling the fuel supply amount, and the buffer cylinder can control the operation of the valve.
또한, 상기 개질기를 향해 연료가 공급되는 배관에는 연료 공급량을 조절하는 펌프가 구비되며, 상기 버퍼 실린더는 상기 펌프의 동작을 제어할 수 있다. Also, a pipe for supplying fuel toward the reformer is provided with a pump for controlling the fuel supply amount, and the buffer cylinder can control the operation of the pump.
또한, 상기 연소기로부터 연소된 가스로 상기 수성가스 전환 반응기를 통해 가열된 수소를 냉각시키는 제1 열교환기; 상기 연료전지로부터 발생하는 반응수 및 개질에 필요한 반응물을 기화시키는 제2 열교환기; 및 상기 액체 상태의 연료를 상기 개질기의 개질에 필요한 기체 상태로 기화시키는 제3 열교환기; 포함한다.
A first heat exchanger for cooling the hydrogen heated through the water gas shift reactor with the gas burned from the combustor; A second heat exchanger for vaporizing the reaction water generated from the fuel cell and the reactant necessary for reforming; And a third heat exchanger for vaporizing the liquid fuel into a gas state required for reforming the reformer; .
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기의 연료전지시스템을 포함하여, 상기 버퍼 실린더의 압력에 따라 상기 개질기로 공급되는 연료의 공급량이 제어되는 것을 특징으로 하는 수중운동체를 제공한다.
According to another embodiment of the present invention, there is provided an underwater vehicle including the fuel cell system, wherein a supply amount of fuel supplied to the reformer is controlled according to a pressure of the buffer cylinder.
본 발명에 의하면, 잠수함의 공간적 제약에 따른 장비 소형화 및 개질기 연료전지 시스템의 반응시간 차이에 따른 제한이 있어도, 요구조건에 맞는 안정적인 전력 공급이 이뤄질 수 있는 장점이 있다. According to the present invention, there is an advantage that stable power supply can be achieved in accordance with the requirements even if the size of the equipment is reduced due to the spatial restriction of the submarine and the reaction time difference of the reformer fuel cell system is limited.
또한, 본 발명에 의하면 버퍼 실린더의 압력에 따라 개질 시스템으로 가는 유량 공급이 제어됨으로 개질 시스템의 연료 소모율의 최소화로 인한 개질 시스템의 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
In addition, according to the present invention, the supply of the flow rate to the reforming system is controlled according to the pressure of the buffer cylinder, thereby improving the efficiency of the reforming system due to the minimization of the fuel consumption rate of the reforming system.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들에 따라 수중운동체의 연료전지시스템을 설명하기 위해 도시한 개념도들이다. 1 and 2 are conceptual diagrams illustrating a fuel cell system of an underwater vehicle according to embodiments of the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
그리고 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. The following terms are defined in consideration of the functions in the embodiments of the present invention, which may vary depending on the intention of the user, the intention or the custom of the operator. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 수중운동체의 연료전지시스템에 관하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
Hereinafter, a fuel cell system for an underwater vehicle according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들에 따라 수중운동체의 연료전지시스템을 설명하기 위해 도시한 개념도들이다. 1 and 2 are conceptual diagrams illustrating a fuel cell system of an underwater vehicle according to embodiments of the present invention.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도시된 수중운동체의 연료전지시스템(100)은 연료전지(170), 개질기(120), 연소기(110), 수성가스 전환 반응기(130), 가스 분리기(140), 버퍼 실린더(160), 그리고 제1, 2, 3 열교환기(151)(153)(155)를 포함한다. 1 and 2, the illustrated underwater vehicle
수중운동체는 잠수함 등을 포함하는 개념으로서, 수중을 잠항할 수 있으며, 이를 위해 함내의 전원을 공급받아 동작하는 추진모터 등에 의해 회전력이 발생되고, 이 회전력이 프로펠러까지 전달되어 추진력을 발생시킨다. Submersible motors are submersible in submersible, and can be submerged underwater. For this purpose, a rotating force is generated by a propulsion motor that operates with power supplied from the cabin, and the rotational force is transmitted to the propeller to generate propulsive force.
상기 연료전지(170)는 수소와 같은 기체 반응물질을 외부에서 연속적으로 공급받아 전기의 생성을 도모하고, 반응 후 생성된 물질은 외부로 배출시키는 고효율의 무공해 발전장치이다. The
상기 개질기(120)는 연료(예: 메탄올 또는 에탄올 등)를 개질하여 상기 연료전지(17)서 이용될 수소를 생성한다. The
상기 연소기(110)는 상기 개질기(120)에서 필요한 열을 공급하는 장치로서, 바람직하게는 연료와 산소를 공급받아 연소반응을 한다. The
상기 수성가스 전환 반응기(130)는 상기 개질기(120)로부터 미반응된 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 장치이다. The water
상기 가스 분리기(140)는 상기 개질기(120)로부터 생성된 수소를 연료전지(170)로 공급될 고순도의 수소로 만들어주는 장치로서, 예를 들면 멤브레인을 이용하여 수소의 순도를 높일 수 있는데, 이러한 형태에 한정되지 않는다. The
상기 버퍼 실린더(160)는 버퍼 탱크 등으로 지칭될 수 있는데, 개질 시스템, 더욱 구체적으로는 가스 분리기(140)와 연료전지(170) 사이를 연결하는 배관에 설치될 수 있다. The
상기 버퍼 실린더(160)는 동력변화에 따른 반응시간 차이를 보조하여 상기 연료전지(170)에서 필요한 양의 수소를 저장 및 공급할 수 있다. The
바람직하게는 상기 버퍼 실린더(160)는 상기 연료전지(170)보다 높은 압력으로 운전될 수 있으며, 압력 변화에 따라 상기 개질기(120)로 공급되는 연료의 공급량을 제어하도록 구성될 수 있다. The
예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 개질기(120)를 향해 연료가 공급되는 배관에는 연료 공급량을 조절하는 밸브(101)가 구비될 수 있는데, 상기 버퍼 실린더(160)는 상기 밸브(101)의 동작을 제어하여 상기 개질기(120)로 공급되는 연료의 공급량을 제어할 수 있다. For example, as shown in FIG. 1, a
이와 다른 예로서, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 개질기(120)를 향해 연료가 공급되는 배관에는 연료의 유량을 조절하는 펌프(102)가 구비될 수 있는데, 상기 버퍼 실린더(160)는 상기 펌프(102)의 동작을 제어하여 상기 개질기(120)로 공급되는 연료의 공급량을 제어할 수 있다. 2, a pipe for supplying fuel to the
그리고 본 발명의 실시예들에 따르면, 제1 열교환기(151), 제2 열교환기(152), 그리고 제3 열교환기(153)를 포함할 수 있다. According to embodiments of the present invention, the
상기 제1 열교환기(151)는 상기 개질기(120)에 열을 공급해주기 위해서 상기 연소기(110)로부터 연소된 가스가 상기 수성가스 전환 반응기(130)를 통해 가열된 수소를 냉각시키는 역할을 담당할 수 있다. The
상기 제2 열교환기(152)는 상기 제1열교환기(151)를 통과하고 난 후, 상기 연료전지(170)로부터 발생하는 반응수 및 개질에 필요한 반응물을 수증기로 기화시키는 역할을 담당할 수 있다. The
상기 제3 열교환기(153)는 액체 상태의 연료(예: 메탄올 또는 에탄올 등)을 개질에 필요한 기체 상태로 기화시키는 역할을 담당할 수 있다. The
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면 상기 개질기(120)로부터 생성된 수소는 상기 버퍼 실린더(160)로 공급 및 저장되며, 상기 버퍼 실린더(160)는 상기 연료전지(170)보다 높은 압력으로 운전되어 압력 변화에 따라 연료(메탄올 및 에탄올)의 공급량을 효과적으로 제어할 수 있다. 그리고 상기 연료전지(170)는 필요한 양의 수소를 상기 버퍼 실린더(160)로부터 공급받을 수 있다.
The hydrogen generated from the
상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면, 잠수함의 공간적 제약에 따른 장비 소형화 및 개질기 연료전지 시스템의 반응시간 차이에 따른 제한이 있어도, 요구조건에 맞는 안정적인 전력 공급이 이뤄질 수 있는 장점이 있다. As described above, according to the configuration and the operation of the present invention, it is possible to provide a stable power supply according to the requirements even when the size of the equipment is reduced according to the space limitation of the submarine and the reaction time difference of the reformer fuel cell system is limited have.
또한, 버퍼 실린더의 압력에 따라 개질 시스템으로 가는 유량 공급이 제어됨으로 개질 시스템의 연료 소모율의 최소화로 인한 개질 시스템의 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
Also, since the supply of the flow rate to the reforming system is controlled according to the pressure of the buffer cylinder, there is an advantage that the efficiency of the reforming system can be increased by minimizing the fuel consumption rate of the reforming system.
지금까지 본 발명인 수중운동체의 연료전지시스템에 관하여 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였다. 전술된 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 이 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Up to now, the fuel cell system of the underwater vehicle of the present invention has been described with reference to preferred embodiments. The foregoing embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive, the scope of the invention being indicated by the appended claims rather than the foregoing description. It is intended that all changes and modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims are to be embraced within their scope.
100: 수중운동체의 연료전지시스템
101, 103: 밸브
102: 펌프
110: 연소기
120: 개질기
130: 수성가스 전환 반응기
140: 가스 분리기
151: 제1 열교환기
152: 제2 열교환기
153: 제3 열교환기
160: 버퍼 실린더
170: 연료전지100: Fuel cell system of underwater vehicle
101, 103: Valve
102: pump
110: Combustor
120: reformer
130: water gas conversion reactor
140: Gas separator
151: first heat exchanger
152: second heat exchanger
153: third heat exchanger
160: Buffer cylinder
170: Fuel cell
Claims (6)
연료를 개질하여 상기 연료전지에 공급될 수소를 생성하는 개질기;
상기 개질기에 필요한 열을 공급하는 연소기;
상기 개질기로부터 미반응된 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 수성가스 전환 반응기;
상기 개질기로부터 생성된 수소의 순도를 높이는 가스 분리기; 및
상기 가스 분리기와 상기 연료전지 사이에 설치되며 동력변화에 따른 반응시간 차이를 보조하여 상기 연료전지에서 필요한 양의 수소를 저장 및 공급하는 버퍼 실린더;를 포함하는 수중운동체의 연료전지시스템.
Fuel cells;
A reformer for reforming the fuel to generate hydrogen to be supplied to the fuel cell;
A combustor for supplying heat required for the reformer;
A water gas shift reactor for converting unreacted carbon monoxide into carbon dioxide from the reformer;
A gas separator for increasing the purity of hydrogen produced from the reformer; And
And a buffer cylinder installed between the gas separator and the fuel cell and supporting a difference in reaction time according to a change in power to store and supply a necessary amount of hydrogen in the fuel cell.
상기 버퍼 실린더는, 상기 연료전지보다 높은 압력으로 운전되며 압력 변화에 따라 연료의 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 수중운동체의 연료전지시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the buffer cylinder is operated at a pressure higher than that of the fuel cell and controls the supply amount of the fuel according to the pressure change.
상기 개질기를 향해 연료가 공급되는 배관에는 연료 공급량을 조절하는 밸브가 구비되며,
상기 버퍼 실린더는 상기 밸브의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 수중운동체의 연료전지시스템.
3. The method of claim 2,
A pipe for supplying fuel to the reformer is provided with a valve for controlling the fuel supply amount,
Wherein the buffer cylinder controls the operation of the valve.
상기 개질기를 향해 연료가 공급되는 배관에는 연료 공급량을 조절하는 펌프가 구비되며,
상기 버퍼 실린더는 상기 펌프의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 수중운동체의 연료전지시스템.
3. The method of claim 2,
A pipe for supplying fuel to the reformer is provided with a pump for regulating a fuel supply amount,
Wherein the buffer cylinder controls operation of the pump.
상기 연소기로부터 연소된 가스로 상기 수성가스 전환 반응기를 통해 가열된 수소를 냉각시키는 제1 열교환기;
상기 연료전지로부터 발생하는 반응수 및 개질에 필요한 반응물을 기화시키는 제2 열교환기; 및
상기 액체 상태의 연료를 상기 개질기의 개질에 필요한 기체 상태로 기화시키는 제3 열교환기; 포함하는 것을 특징으로 하는 수중운동체의 연료전지시스템.
The method according to claim 1,
A first heat exchanger for cooling the hydrogen heated through the water gas shift reactor with the gas burned from the combustor;
A second heat exchanger for vaporizing the reaction water generated from the fuel cell and the reactant necessary for reforming; And
A third heat exchanger for vaporizing the liquid fuel into a gas state required for reforming the reformer; Fuel cell system according to claim 1,
상기 버퍼 실린더의 압력에 따라 상기 개질기로 공급되는 연료의 공급량이 제어되는 것을 특징으로 하는 수중운동체.A fuel cell system comprising the fuel cell system of any one of claims 1 to 5,
Wherein the supply amount of the fuel supplied to the reformer is controlled according to the pressure of the buffer cylinder.
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