KR20180038711A - 수소발생량 제어가 가능한 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템 - Google Patents

수소발생량 제어가 가능한 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 금속연료, 물, 촉매를 공급받아 수소를 발생시키는 리액터(Reactor); 상기 리액터 내의 pH를 측정하는 pH 측정유닛; 상기 리액터 내의 수위를 측정하는 수위 측정유닛; 및, 상기 pH 측정유닛의 pH 측정 값을 전달 받아 상기 리액터로 공급되는 물과 촉매의 양을 조절하는 한편, 상기 수위 측정유닛의 수위 측정 값을 전달 받아 상기 리액터의 수위를 조절하는 제어부;를 포함하는, 수소발생량 제어가 가능한 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템을 제공한다.

Description

수소발생량 제어가 가능한 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템{HYDROGEN SUPPLYING SYSTEM OF UNDERWATER MOVING BODY USING METAL FUEL}
본 발명은 수소를 연료로 하는 수중운동체에서 금속연료 수소발생기에서의 수소 발생 속도를 제어하여 발생량을 조절할 수 있는 수중운동체의 수소공급 시스템에 관한 것이다.
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.
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.
한편, AIP(Air Independent Propulsion) 잠수함은 잠수 중에 외부공기 영향을 받지 않고 추진할 수 있는 잠수함으로, 연료전지가 주로 사용되고 있다.
주지된 바와 같이, 금속연료를 이용하여 수소를 발생하는 방법에는 크게 연소식과 촉매반응식이 있다. 연소식은 물과 금속연료를 리액터(Reactor)에 넣고 온도를 높임으로써 수소를 발생시킬 수 있다. 이와 달리, 촉매식은 물과 금속연료, 촉매를 넣고 온도를 높임으로써 수로를 발생시키며 촉매를 투입함으로써 반응온도를 약 80~120도까지 낮출 수 있다.
예컨대, 알루미늄에서 수소를 발생시키는 반응식은 아래와 같다.
Al+3H2O+NaOH→Al(OH)3+NaOH+3/2H2
위 반응식과 같이 금속연료 수소 발생기에서 금속연료와 물, 촉매가 반응하여 수소가 발생된다. 위 반응식에서는 Al 과 H2O로 나타나 있으나 Al이 아닌 다른 금속 연료가 다양하게 적용될 수 있다.
이와 같이, AIP 잠수함에 금속연료 수소 발생기를 적용하면, 리액터에서 발생된 수소는 연료전지에 전달되어 전력을 생산하게 된다.
다만, 연료전지의 운전 모드에 따라 요구하는 수소량이 변하게 되는데, 바람직하게는 리액터를 통해 생성되는 수소량이 제어될 수 있어야 하나 현재까지 알려진 바로는 리액터를 통해 발생되는 수소의 양이 제어되지 못하는 단점이 있었다.
수소발생장치가 구비된 연료전지 시스템(대한민국 공개특허공보 제10-2009-0093044호)
본 발명은 리액터 내의 pH를 측정하고 반응에 필요한 적정 pH 조절을 위해 공급되는 촉매의 양을 조절하여 수소 발생 속도를 제어하여 수소 발생량을 제어할 수 있는 수중운동체의 수소공급 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 리액터 내의 수위를 측정하여 일정 수위를 유지함으로써 리액터 운전의 안전성을 확보할 수 있는 수중운동체의 수소공급 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
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.
본 발명의 일 측면에 따르면, 금속연료, 물, 촉매를 공급받아 수소를 발생시키는 리액터(Reactor); 상기 리액터 내의 pH를 측정하는 pH 측정유닛; 상기 리액터 내의 수위를 측정하는 수위 측정유닛; 및, 상기 pH 측정유닛의 pH 측정 값을 전달 받아 상기 리액터로 공급되는 물과 촉매의 양을 조절하는 한편, 상기 수위 측정유닛의 수위 측정 값을 전달 받아 상기 리액터의 수위를 조절하는 제어부;를 포함하는, 수소발생량 제어가 가능한 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템을 제공한다.
상기 수위 측정유닛의 수위 측정 값이 기준 값을 초과하게 되면, 상기 제어부는 상기 리액터에 대한 물과 촉매의 공급량을 조절하거나, 상기 리액터 내의 수용액을 외부로 배출하는 방식으로 상기 리액터의 수위를 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 리액터로 공급되는 촉매를 저장하는 촉매 저장부; 및, 상기 촉매 저장부와 상기 리액터 사이에 연결된 촉매 공급배관에 설치되며, 상기 제어부의 지령에 따라 상기 리액터로 공급되는 촉매의 양을 조절하는 촉매 공급 조절밸브;를 포함한다.
본 발명은, 상기 리액터로 공급되는 물을 저장하는 물 저장부; 및, 상기 물 저장부와 상기 리액터 사이에 연결된 물 공급배관에 설치되며, 상기 제어부의 지령에 따라 상리 리액터로 공급되는 물의 양을 조절하는 물 공급 조절밸브;를 포함한다.
상기 물 공급배관은 상기 촉매 공급배관과 개별 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 리액터에서 배출된 수용액을 저장하는 수용액 저장부; 및, 상기 수용액 저장부와 상기 리액터 사이에 연결된 수용액 배출배관에 설치되며, 상기 제어부의 지령에 따라 상기 리액터에서 배출되는 수용액의 양을 조절하는 수용액 배출 조절밸브;를 포함한다.
상기 수위 측정유닛이 상기 리액터 내의 수위를 측정하는 시점은, 상기 리액터로 물과 촉매가 공급되기 직전이거나 상기 리액터로 물과 촉매가 공급되는 도중인 것을 특징으로 한다.
상기 리액터로 물과 촉매가 공급되기 직전에 측정된 수위가 기준 값을 초과하는 경우에는, 상기 리액터 내의 수용액을 미리 외부로 배출한 후 물과 촉매를 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 리액터로 물과 촉매가 공급되는 도중에 측정된 수위가 기준값을 초과하는 경우에는, 물과 촉매의 공급을 멈추고 상기 리액터 내의 수용액을 외부로 배출한 후 다시 물과 촉매의 공급을 시작하거나, 물과 촉매의 공급을 멈추지 않고 물과 촉매의 공급과 수용액의 배출을 병행하는 것을 특징으로 한다.
상기 촉매 공급 조절밸브는 상기 제어부의 지령에 따라 개폐 조절되는 전자 제어 밸브인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 리액터 내의 pH를 측정하고 반응에 필요한 적정 pH 조절을 위해 공급되는 촉매의 양을 조절하여 수소 발생량을 제어할 수 있다.
또한, 물과 촉매의 공급 시 리액터 내의 수위를 측정하여 일정 수위를 유지함으로써 리액터 운전의 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 원활한 반응과 일정한 수소 공급에 따른 수소 사용장비의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소 발생량 제어가 가능한 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템의 개념도.
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.
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.
AIP(Air Independent Propulsion) 잠수함은 잠수 중에 외부공기 영향을 받지 않고 추진할 수 있는 잠수함으로, 연료전지가 주로 사용되고 있다. 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 수소 발생량 제어가 가능한 금속연료를 이용한 수중운동체 수소공급 시스템에 관하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소 발생량 제어가 가능한 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템(100)은 리액터(10), pH 측정유닛(21), 수위 측정유닛(22), 그리고 제어부(20)를 포함한다.
여기서, 수중운동체라 함은, 수중에서 이동 가능한 장치로서, 대표적인 것으로 AIP 잠수함을 예로 들 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
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 있어 고효율의 무공해 발전장치일 수 있다.
그리고 금속연료라 함은, 고순도의 금속, 예를 들면 알루미늄, 마그네슘, 아연, 나트륨 등을 말하는데, 이들은 특정한 조건에서 산성/알칼리 용액과 반응하여 수소를 발생시킬 수 있다.
리액터(10)는 금속연료, 물, 촉매를 공급받아 수소를 발생시킬 수 있다.
예를 들면, 알루미늄(Al), 물(H2O), 그리고 촉매(NaOH)를 이용하여 아래의 반응식과 같은 반응이 나타날 수 있다.
Al+3H2O+NaOH→Al(OH)3+NaOH+3/2H2
상기 반응식에서는 알루미늄(Al)이 이용되었으나, 이와 달리 상기 금속연료로는 Al, Mg 등이 다양하게 이용 가능하며, 수중운동체 주변 해수를 이용할 수 있다.
상기 반응식에서는 NaOH가 이용되었으나, 이에 한정되지 않는다. 따라서 다양한 실시예를 통해서 금속연료에서 수소를 발생하기 위한 촉매로 KOH 등이 다양하게 이용 가능하다.
pH 측정유닛(21)은 상기 리액터(10) 내의 pH를 측정하도록 구성된다.
수위 측정유닛(22)은 상기 리액터(10) 내의 수위를 측정하도록 구성된다.
제어부(20)는 상기 pH 측정유닛(21)의 pH 측정 값을 전달 받아 상기 리액터(10)로 공급되는 물과 촉매의 양을 조절하는 한편, 상기 수위 측정유닛(22)의 수위 측정 값을 전달 받아 상기 리액터(10)의 수위를 조절하는 역할을 한다.
이에 더하여 본 발명의 실시예에 따르면, 물 저장부(11), 물 공급 조절밸브(12), 촉매 저장부(13), 그리고 촉매 공급 조절밸브(14)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
촉매 저장부(13)는 상기 리액터(10)로 공급되는 촉매를 저장할 수 있다.
그리고 촉매 공급 조절밸브(14)는 상기 촉매 저장부(13)와 상기 리액터(10) 사이에 연결된 촉매 공급배관에 설치될 수 있다.
바람직하게는 상기 촉매 공급 조절밸브(14)는 상기 제어부(20)의 지령에 따라 개폐 조절되는 전자 제어 밸브일 수 있으며, 이로써 리액터(10)로 공급되는 촉매의 양을 신속 정확하게 조절할 수 있다.
물 저장부(11)는 상기 리액터(10)로 공급되는 물을 저장할 수 있다.
그리고 물 공급 조절밸브(12)는 상기 물 저장부(11)와 상기 리액터(10) 사이에 연결된 물 공급배관에 설치될 수 있는데, 상기 물 공급배관은 상기 촉매 공급배관과 개별 구성될 수 있다. 그리고 물 공급 조절밸브(12) 역시 상기 제어부(20)의 지령에 따라 개폐 조절되도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 수위 측정유닛(22)은 리액터(10) 운전의 안전성을 확보하기 위한 것으로, 만약 상기 수위 측정유닛(22)의 측정 값이 기준 값을 초과하게 되면, 제어부(20)는 리액터(10)에 대한 물과 촉매의 공급량을 조절하거나, 리액터(10) 내의 수용액(물+촉매)을 외부로 배출하는 방식으로 리액터(10)의 수위를 조절한다.
이 경우, 물과 촉매의 공급량 조절은 제어부(20)가 물 공급 조절밸브(12)나 촉매 공급 조절밸브(14)를 개폐 조절함으로써 달성될 수 있다.
한편, 리액터(10) 내의 수용액을 외부로 배출하기 위하여, 본 발명은 수용액 저장부(15)와 수용액 배출 조절밸브(16)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
수용액 저장부(15)는 리액터(10)에서 배출된 수용액을 저장하며, 수용액 배출 조절밸브(16)는 수용액의 배출량을 조절한다.
수용액 배출 조절밸브(16)는 상기 수용액 저장부(15)와 리액터(10) 사이에 연결된 수용액 배출배관에 설치될 수 있다. 그리고 수용액 배출 조절밸브(16)는 상기 제어부(20)의 지령에 따라 개폐 조절되도록 구성될 수 있다.
한편, 수위 측정유닛(22)이 리액터(10) 내의 수위를 측정하는 시점은, 리액터(10)로 물과 촉매가 공급되기 직전일 수도 있고 물과 촉매가 공급되는 도중일 수도 있다.
물과 촉매가 공급되기 직전에 측정된 수위가 기준 값을 초과하는 경우에는, 리액터(10) 내의 수용액을 미리 외부로 배출한 후 물과 촉매를 공급한다. 그리고 물과 촉매가 공급되는 도중에 측정된 수위가 기준값을 초과하는 경우에는, 물과 촉매의 공급을 멈추고 리액터(10) 내의 수용액을 외부로 배출한 후 다시 물과 촉매의 공급을 시작한다. 물론 이 경우, 물과 촉매의 공급을 멈추지 않고, 물과 촉매의 공급과 수용액의 배출을 병행할 수도 있다.
pH 측정유닛(21)에 의해 측정된 pH 값은 제어부(20)로 전송되고, 제어부(20)는 리액터(10)로 공급되는 물과 촉매의 양을 조절하도록 물 공급 조절밸브(12)나 촉매 공급 조절밸브(14)에 제어신호를 인가한다. 이로써, 리액터(10)에서의 수소 발생 속도와 발생량이 신속 정확하게 제어될 수 있다. 예컨대, 촉매의 공급량을 증가시켜 수소 발생 속도를 증가시킬 수 있으며, 반대로 촉매의 공급량을 감소시켜 수소 발생 속도를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 수소 발생 속도와 발생량의 조절과 동시다발적으로, 제어부(20)는 수위 측정유닛(22)을 통한 리액터(10)의 수위 측정을 통해 리액터(10)가 항상 안정적 수위를 유지하도록 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면, 리액터 내의 pH를 측정하고 반응에 필요한 적정 pH 조절을 위해 공급되는 촉매의 양을 조절하여 수소 발생 속도와 발생량을 제어할 수 있다.
또한, 물과 촉매의 공급 시 리액터 내의 수위를 측정하여 일정 수위를 유지함으로써 리액터 운전의 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 원활한 반응과 일정한 수소 공급에 따른 수소 사용장비의 안전성을 향상시킬 수 있다.
지금까지 본 발명에 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.
100: 수중운동체의 수소공급 시스템
10: 리액터
11: 물 저장부
12: 물 공급 조절밸브
13: 촉매 저장부
14: 촉매 공급 조절밸브
15: 수용액 저장부
16: 수용액 배출 조절밸브
20: 제어부
21: pH 측정유닛
22: 수위 측정유닛

Claims (10)

  1. 금속연료, 물, 촉매를 공급받아 수소를 발생시키는 리액터(Reactor);
    상기 리액터 내의 pH를 측정하는 pH 측정유닛;
    상기 리액터 내의 수위를 측정하는 수위 측정유닛; 및
    상기 pH 측정유닛의 pH 측정 값을 전달 받아 상기 리액터로 공급되는 물과 촉매의 양을 조절하는 한편, 상기 수위 측정유닛의 수위 측정 값을 전달 받아 상기 리액터의 수위를 조절하는 제어부;를 포함하는, 수소발생량 제어가 가능한 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수위 측정유닛의 수위 측정 값이 기준 값을 초과하게 되면, 상기 제어부는 상기 리액터에 대한 물과 촉매의 공급량을 조절하거나, 상기 리액터 내의 수용액을 외부로 배출하는 방식으로 상기 리액터의 수위를 조절하는 것을 특징으로 하는, 수소발생량 제어가 가능한 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 리액터로 공급되는 촉매를 저장하는 촉매 저장부; 및
    상기 촉매 저장부와 상기 리액터 사이에 연결된 촉매 공급배관에 설치되며, 상기 제어부의 지령에 따라 상기 리액터로 공급되는 촉매의 양을 조절하는 촉매 공급 조절밸브;를 포함하는, 수소발생량 제어가 가능한 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 리액터로 공급되는 물을 저장하는 물 저장부; 및
    상기 물 저장부와 상기 리액터 사이에 연결된 물 공급배관에 설치되며, 상기 제어부의 지령에 따라 상리 리액터로 공급되는 물의 양을 조절하는 물 공급 조절밸브;를 포함하는, 수소발생량 제어가 가능한 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 물 공급배관은 상기 촉매 공급배관과 개별 구성되는 것을 특징으로 하는, 수소발생량 제어가 가능한 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 리액터에서 배출된 수용액을 저장하는 수용액 저장부; 및
    상기 수용액 저장부와 상기 리액터 사이에 연결된 수용액 배출배관에 설치되며, 상기 제어부의 지령에 따라 상기 리액터에서 배출되는 수용액의 양을 조절하는 수용액 배출 조절밸브;를 포함하는, 수소발생량 제어가 가능한 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수위 측정유닛이 상기 리액터 내의 수위를 측정하는 시점은, 상기 리액터로 물과 촉매가 공급되기 직전이거나 상기 리액터로 물과 촉매가 공급되는 도중인 것을 특징으로 하는, 수소발생량 제어가 가능한 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 리액터로 물과 촉매가 공급되기 직전에 측정된 수위가 기준 값을 초과하는 경우에는, 상기 리액터 내의 수용액을 미리 외부로 배출한 후 물과 촉매를 공급하는 것을 특징으로 하는, 수소발생량 제어가 가능한 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 리액터로 물과 촉매가 공급되는 도중에 측정된 수위가 기준값을 초과하는 경우에는, 물과 촉매의 공급을 멈추고 상기 리액터 내의 수용액을 외부로 배출한 후 다시 물과 촉매의 공급을 시작하거나, 물과 촉매의 공급을 멈추지 않고 물과 촉매의 공급과 수용액의 배출을 병행하는 것을 특징으로 하는, 수소발생량 제어가 가능한 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 촉매 공급 조절밸브는 상기 제어부의 지령에 따라 개폐 조절되는 전자 제어 밸브인 것을 특징으로 하는, 수소발생량 제어가 가능한 금속연료를 이용한 수중운동체의 수소공급 시스템.
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