KR20180096042A - The fuel cell system for submarine - Google Patents

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KR20180096042A
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정승교
변윤철
박영인
이정무
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대우조선해양 주식회사
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Abstract

A fuel cell system for a submarine is provided. The fuel cell system for a submarine comprises: a reactant storage tank for storing a reactant for a hydrolysis reaction for generating hydrogen; a reactor receiving the reactant from the reactant storage tank and generating hydrogen through a hydrolysis reaction; a separator for receiving a synthesis gas from the reactor to separate hydrogen; a fuel cell for receiving hydrogen separated in the separator to convert chemical energy into electric energy; a reaction water collection tank for recovering and collecting reaction water present in an exhaust gas discharged from the fuel cell; a byproduct storage tank for storing a byproduct generated in the reactor; and a cooler for storing a coolant supplied to the fuel cell. The coolant passing through the fuel cell through a coolant line is supplied to the reactor to maintain a temperature of the reactor within a predetermined range.

Description

잠수함용 연료전지시스템{The fuel cell system for submarine}[0001] The fuel cell system for submarine [

본 발명은 잠수함용 연료전지시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 연료전지시스템에 구비된 반응기의 온도를 소정의 범위 내로 유지시켜 반응 부산물에 의한 발열반응이 방해받는 것을 방지할 수 있는 잠수함용 연료전지시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell system for a submarine. More particularly, the present invention relates to a fuel cell system for a submarine capable of maintaining the temperature of a reactor provided in a fuel cell system within a predetermined range to prevent an exothermic reaction caused by reaction byproducts from being disturbed.

화석연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 연료전지시스템이 개발되고 있는데, 연료전지는 기존의 화석연료에 비해 대기오염물질 배출이 적으며, 높은 효율로 인해 연료소비도 적고, 낮은 소음 및 진동으로 안정성 또한 높아 많은 연구개발이 이루어지고 있다. Recently, a fuel cell system has been developed to solve the problems caused by the use of fossil fuels. Fuel cells have less air pollutant emission than conventional fossil fuels, and have a low fuel consumption due to high efficiency, The stability of vibration is also high, so much research and development are being done.

연료전지(fuel cell)는 LNG(액화천연가스), LPG(액화석유가스), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 가솔린 등의 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이며, 공기극(cathode)에는 산화제인 산소의 환원반응, 연료극(anode)에는 연료인 수소의 산화반응이 일어나는 전기화학반응이 진행되어 전기, 열, 물 등을 발생시킨다. A fuel cell is a fuel cell that uses the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in a hydrocarbon-based material such as LNG (liquefied natural gas), LPG (liquefied petroleum gas), methanol (CH3OH), ethanol (C2H5OH) The electric power is converted into direct electric energy. Electrochemical reaction, which is the reduction reaction of oxygen, which is an oxidizer, is performed on the cathode and the oxidation reaction of hydrogen, which is a fuel, is performed on the anode, generates electricity, heat and water .

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질막형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류되며, 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 연료전지의 적정운전 온도범위, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. The fuel cell is classified into a phosphoric acid type fuel cell, a molten carbonate type fuel cell, a solid oxide type fuel cell, a polymer electrolyte membrane type or an alkaline type fuel cell depending on the kind of electrolyte used, and each of these fuel cells is fundamentally the same Although it is operated by the principle, the kind of the fuel used, the suitable operating temperature range of the fuel cell, the catalyst, the electrolyte and the like are different.

이러한 연료전지의 작동온도범위를 살펴보면, 인산형 연료전지는 150~200℃에서 작동하며, 용융탄산염형 연료전지는 600~700℃에서 작동하며, 고체산화물형 연료전지는 1000℃ 이상의 온도에서 작동하며, 고분자전해질막형 연료전지는 상온 내지 100℃ 이하의 온도에서 작동한다. The phosphoric acid fuel cell operates at 150-200 ° C, the molten carbonate fuel cell operates at 600-700 ° C, and the solid oxide fuel cell operates at 1000 ° C or higher , The polymer electrolyte membrane type fuel cell operates at a temperature of from room temperature to 100 ° C or less.

한국 공개특허 10-2012-0114983 (공고일자 2012년 10월 17일)Korean Patent Laid-Open No. 10-2012-0114983 (Publication date October 17, 2012)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 수소화물 중 안정적인 NaBH4를 가수화 반응시켜 수소를 발생시키는 반응과 관련하여, 반응온도를 부산물의 겔형성을 방지할 수 있는 온도 범위 내로 유지시켜 반응속도와 수율을 증가시킬 수 있는 잠수함용 연료전지시스템을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to provide a process for producing hydrogen by hydrolyzing stable NaBH 4 in a hydride, And to provide a fuel cell system for a submarine capable of increasing the yield.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 상기 과제로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있다. It is to be understood, however, that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, but may be variously modified without departing from the technical spirit and scope of the present invention.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 잠수함용 연료전지시스템은, 수소를 발생시키는 가수화 반응을 위한 반응물을 저장하는 반응물 저장탱크, 상기 반응물 저장탱크로부터 상기 반응물을 제공받고, 가수화 반응을 통해 수소를 발생시키는 반응기, 상기 반응기로부터 합성가스를 제공받아 수소를 분리하는 분리기, 상기 분리기에서 분리된 수소를 제공받아 화학에너지를 전기에너지로 전환시키는 연료전지, 상기 연료전지에서 배출되는 배기가스에 존재하는 반응수를 회수하여 수집하는 반응수 수집탱크, 상기 반응기에서 발생하는 부산물을 저장하는 부산물 저장탱크, 및 상기 연료전지에 공급되는 냉각수를 저장하는 냉각기를 포함하고, 냉각수 라인을 통해 상기 연료전지를 통과한 냉각수를 상기 반응기에 공급하여 상기 반응기의 온도를 소정의 범위 내에서 유지시킨다.According to an aspect of the present invention, there is provided a sub fuel cell system for a submarine, comprising: a reactant storage tank for storing a reactant for a hydrolysis reaction for generating hydrogen; A separator for separating hydrogen by receiving a synthesis gas from the reactor, a fuel cell for converting chemical energy into electrical energy by receiving hydrogen separated from the separator, A reaction water collection tank for collecting and collecting the reaction water present in the exhaust gas, a byproduct storage tank for storing the byproducts generated in the reactor, and a cooler for storing the cooling water supplied to the fuel cell, The cooling water passing through the fuel cell is supplied to the reactor, It maintains the temperature within a predetermined range.

본 발명에 따른 실시예에서, 상기 반응물 저장탱크는 액체 상태의 NaBH4 수용액을 저장할 수 있다. In an embodiment according to the present invention, the reactant storage tank may store an aqueous NaBH 4 solution.

본 발명에 따른 실시예에서, 상기 반응물 저장탱크는 액체 상태의 HCl 수용액을 저장하고, 상기 반응기에는 고체 상태의 NaBH4가 저장될 수 있다. In an embodiment according to the present invention, the reactant storage tank stores a liquid aqueous HCl solution, and the reactor may store solid NaBH 4 .

본 발명에 따른 실시예에서, 상기 반응기의 온도는, 가수화 반응에 따른 부산물의 겔형성을 방지하는 온도 범위 내로 유지될 수 있다. In an embodiment according to the present invention, the temperature of the reactor can be maintained within a temperature range that prevents gel formation of the by-product as a result of the hydrolysis reaction.

본 발명에 따른 실시예에서, 상기 반응기 내로 금속 촉매를 제공하여 반응성을 향상시킬 수 있다. In an embodiment according to the present invention, the reactivity can be improved by providing a metal catalyst into the reactor.

본 발명에 따른 실시예에서, 상기 냉각기에는 해수가 공급되어, 상기 냉각기에 저장된 냉각수의 온도를 소정의 범위 내로 유지시킬 수 있다. In an embodiment according to the present invention, seawater is supplied to the cooler so that the temperature of the coolant stored in the cooler can be kept within a predetermined range.

본 발명에 따른 실시예에서, 상기 반응기로 청수를 제공하는 밸브와 상기 밸브를 제어하는 제어장치를 더 포함할 수 있다.In an embodiment according to the present invention, the apparatus may further comprise a valve for providing fresh water to the reactor and a control device for controlling the valve.

본 발명에 따른 실시예에서, 상기 제어장치는 상기 반응기 후단의 온도 상승시에 상기 밸브를 개방시켜 상기 반응기로 청수를 공급할 수 있다.In an embodiment according to the present invention, the control device may open the valve at the time of the temperature rise at the rear end of the reactor to supply clean water to the reactor.

본 발명에 따른 실시예에서, 상기 제어장치는 상기 반응기 후단, 상기 연료전지 후단, 및 상기 냉각기 후단의 온도를 측정할 수 있다.In an embodiment according to the present invention, the control device can measure the temperature of the rear end of the reactor, the rear end of the fuel cell, and the rear end of the cooler.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Other specific details of the invention are included in the detailed description and drawings.

연료전지를 사용하는 잠수함 내에서 연료전지로 공급하기 위한 수소를 생성할 필요가 있는데, 본 발명에 따르면 연료전지시스템에 구비된 반응기(reactor)의 온도를 소정의 범위 내로 유지시켜 안정적으로 수소를 발생시킬 수 있다. It is necessary to generate hydrogen for supply to the fuel cell in the submarine using the fuel cell. According to the present invention, the temperature of the reactor provided in the fuel cell system is maintained within a predetermined range to stably generate hydrogen .

또한, 본 발명에 따르면, 가수화 반응의 부산물에 의한 반응속도 저하 및 수율 저하를 방지할 수 있다. Further, according to the present invention, it is possible to prevent the reaction rate and the yield from lowering due to by-products of the hydrolysis reaction.

다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있다. However, the effects of the present invention are not limited to the above effects, and can be variously extended without departing from the spirit and scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 블록도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 블록도이다.
1 is a schematic block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic block diagram of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
3 is a schematic block diagram of a fuel cell system according to another embodiment 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 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 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. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of 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, 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.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. It is noted that the terms "comprises" and / or "comprising" used in the specification are intended to be inclusive in a manner similar to the components, steps, operations, and / Or additions.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In addition, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless explicitly defined otherwise.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings. The same reference numerals are used for the same constituent elements in the drawings and redundant explanations for the same constituent elements are omitted.

화학전지는 화학 변화가 일어날 때의 에너지 변화를 전기에너지로 바꾸는 장치이다. 일반적으로 화학전지는 전극을 구성하는 물질과 전해질을 용기 속에 넣어 화학반응을 수행하지만, 이 전지는 외부에서 수소와 산소를 계속 공급해서 계속 전기에너지를 발생시킨다. A chemical cell is a device that converts energy changes when a chemical change occurs into electrical energy. Generally, a chemical cell performs a chemical reaction by putting an electrode and an electrolyte into a container. However, the cell continuously supplies hydrogen and oxygen from the outside and continuously generates electric energy.

이는 마치 연료와 공기의 혼합물을 엔진 속에 공급하여 연소시키는 것과 유사하다. 이와 같이 연료의 연소와 유사한 화학전지를 연료전지라고 한다. 연료전지에 공급된 수소는 연소시키는 것이 아니고, 수용액에서 전자를 교환하는 산화/환원 반응이 진행되며, 그 과정에서 수소와 산소가 물로 바뀐다. 이 때의 에너지가 전기에너지로 전환된다. This is similar to burning a mixture of fuel and air into the engine. A chemical cell similar to the combustion of fuel is called a fuel cell. The hydrogen supplied to the fuel cell is not burned, but the oxidation / reduction reaction for exchanging electrons in the aqueous solution proceeds, and hydrogen and oxygen are converted into water in the process. The energy at this time is converted into electric energy.

본 발명은 수소원자를 포함하고 있는 고체연료를 이용한 연료전지시스템에 관한 것으로, 고체연료와 물의 가수화 반응을 통해 수소를 발생시키고, 가수화 반응에 의해 발생하는 열을 냉각하여 소정의 온도 범위를 유지할 수 있는 반응기를 갖는 연료전지시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell system using a solid fuel containing a hydrogen atom, which generates hydrogen through a hydrolysis reaction between a solid fuel and water, cooling the heat generated by the hydrolysis reaction, And more particularly to a fuel cell system having a reactor capable of maintaining a high temperature.

잠수함의 은닉성을 극대화하기 위해서는 장시간 잠항을 할 수 있는 능력이 필요하다. 재래식 잠수함은 배터리, 디젤엔진, 및 발전기의 조합으로 잠항 시간이 짧지만, 공기불요시스템(AIP; Air Independent Propulsion)을 적용한 잠수함은 이보다 2~3배 정도 잠항 시간이 길기 때문에 작전 능력이 우수한 장점이 있다. In order to maximize the confidentiality of a submarine, it is necessary to have a capability of long-term submersion. A conventional submarine is a combination of a battery, a diesel engine, and a generator. However, since submarines using air independent propulsion (AIP) have a longer diving time than a submarine, have.

이와 같은 공기불요시스템(AIP)은 MESMA, 스털링, 연료전지와 같이 다양한 에너지 변환 장치를 포함한다. 그 중에 연료전지는 수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치이며, 타 장치들보다 에너지 효율이 높기 때문에, 잠수함에 적용된 경우가 많다.These airless systems (AIPs) include various energy conversion devices such as MESMA, sterling, and fuel cells. Among them, fuel cells are devices that convert the chemical energy of hydrogen into electrical energy and are often applied to submarines because they are more energy efficient than other devices.

이와 같은 연료전지에 적용되는 연료인 수소를 저장, 공급하는 방법이 문제가 되며, 수소를 저장하는 방법으로는 고압 압축 저장, 액화 저장, 수소 저장 합금, 수소화물 저장 방법 등이 있다. A method of storing and supplying hydrogen, which is a fuel applied to the fuel cell, is a problem. Examples of methods for storing hydrogen include high pressure compression storage, liquefaction storage, hydrogen storage alloy, and hydride storage method.

고압 압축 저장은 빠른 저장 속도가 장점인 반면 350기압 이상의 높은 압력이 요구되므로 밀폐된 잠수함에 적용하기에는 안전성 문제가 있으며, 액화 저장은 저장밀도는 높지만 -252.7도의 낮은 온도로 액화하기 위한 에너지 소모량이 많고, 이를 저장 시 지속적으로 발생하는 증발가스(Boil-off Gas)를 처리하거나 방지하는 별도 장치가 필요한 단점이 있다. Compressed storage of high pressure requires a high storage pressure of over 350 atmospheres. However, there is a safety problem to be applied to sealed submarines. Liquefaction storage has a high storage density, but has a high energy consumption for liquefaction at a low temperature of -252.7 degrees A separate device for treating or preventing boil-off gas, which is generated continuously during storage, is required.

수소 저장 합금은 부피당 저장 가능한 수소 질량비가 높지만 타 시스템보다 무게가 무거운 단점이 있다. 이에 반해 수소화물 저장 방법은 수소 함량이 10.8wt%을 가지고 있으며 염기성 용액에서 안정된 상태로 저장이 가능하고 촉매 또는 산성 용액을 통해 쉽게 수소가 발생하는 특성을 가지고 있어 연료전지에 적용하기 위한 연료로 적합하다. Hydrogen storage alloys have a high hydrogen mass ratio per volume, but they are heavier than other systems. On the other hand, the hydride storage method has a hydrogen content of 10.8 wt% and can be stored in a stable state in a basic solution and has a characteristic of easily generating hydrogen through a catalyst or an acidic solution, Do.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 블록도이다. 1 is a schematic block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템은, 반응물 저장탱크(10), 반응기(20), 분리기(30), 연료전지(40), 반응수 수집탱크(50), 부산물 저장탱크(60), 냉각기(70)를 포함한다. 1, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a reactant storage tank 10, a reactor 20, a separator 30, a fuel cell 40, a reaction water collection tank 50, A byproduct storage tank 60, and a cooler 70.

본 발명은, 수소화물 중 안정적인 연료로 사용 가능한 NaBH4를 이용한다. 이러한 NaBH4는 액체 형태와 고체 형태로 반응을 시켜 수소 발생이 가능하다. The present invention utilizes NaBH 4 , which can be used as a stable fuel among hydrides. These NaBH 4 reacts in liquid form and solid form to generate hydrogen.

반응물 저장탱크(10)는 수소를 발생시키는 가수화 반응을 위한 반응물을 저장한다. 반응기(20)는 반응물 저장탱크(10)로부터 상기 반응물을 제공받고, 가수화 반응을 통해 수소를 발생시킨다. 분리기(30)는 반응기(20)로부터 합성가스를 제공받아 수소를 분리한다. 연료전지(40)는 분리기(30)에서 분리된 수소를 제공받아 화학에너지를 전기에너지로 전환시킨다. 반응수 수집탱크(50)는 연료전지(40)에서 배출되는 배기가스에 존재하는 반응수를 회수하여 수집한다. 부산물 저장탱크(60)는 반응기(20)에서 발생하는 부산물을 저장한다. 냉각기(70)는 연료전지(40)에 공급되는 냉각수를 저장한다. The reactant storage tank 10 stores a reactant for the hydrolysis reaction to generate hydrogen. The reactor 20 receives the reactant from the reactant storage tank 10 and generates hydrogen through a hydrolysis reaction. The separator 30 receives synthesis gas from the reactor 20 to separate the hydrogen. The fuel cell 40 receives the separated hydrogen from the separator 30 and converts chemical energy into electric energy. The reaction water collection tank 50 collects and collects the reaction water present in the exhaust gas discharged from the fuel cell 40. The byproduct storage tank (60) stores the byproducts generated in the reactor (20). The cooler 70 stores cooling water supplied to the fuel cell 40.

본 발명에서는 냉각수 라인을 통해 연료전지(40)를 통과한 냉각수를 반응기(20)에 공급하여 반응기(20)의 온도를 소정의 범위 내에서 유지시키는 것을 특징으로 한다. 왜냐하면, 반응기(20) 내의 가수화 반응은 발열반응이기 때문에 반응속도 제어를 위해서는 온도를 소정의 범위 내에서 유지시킬 필요가 있기 때문이다. The present invention is characterized in that the cooling water that has passed through the fuel cell 40 through the cooling water line is supplied to the reactor 20 to maintain the temperature of the reactor 20 within a predetermined range. This is because the hydrolysis reaction in the reactor 20 is an exothermic reaction and therefore it is necessary to keep the temperature within a predetermined range for controlling the reaction rate.

여기에서, 반응물 저장탱크(10)에 저장되는 반응물은 NaBH4 수용액일 수 있다. NaBH4를 액체 형태로 저장하는 경우, NaBH4는 염기성 용액과 함께 안정된 형태로 저장되어 다음과 같이 물과 반응하여 발열 반응이 진행되고 수소와 부산물을 생성한다.Here, the reagent stored in the reagent storage tank 10 is NaBH 4 Aqueous solution. When NaBH 4 is stored in a liquid form, NaBH 4 is stored in a stable form together with the basic solution and reacts with water as follows to generate an exothermic reaction and produce hydrogen and byproducts.

NaBH4 + 2H2O → NaBO2 + 4H2 + HeatNaBH 4 + 2H 2 O → NaBO 2 + 4H 2 + Heat

이 때, 촉매 없이 물과 반응하게 되면 이론적인 발생량 대비 35%만이 수소가 발생하지만, Ru, Pd, Pt, Pt-Pd 등의 귀금속 촉매 또는 CO-B, Ni-B와 같은 전이 금속 촉매를 이용하여 반응성을 높임으로써 수율을 증가시킬 수 있다. At this time, when the catalyst is reacted with water without water, only 35% of the theoretical amount of hydrogen is generated, but a noble metal catalyst such as Ru, Pd, Pt or Pt-Pd or a transition metal catalyst such as CO-B or Ni-B And the yield can be increased by increasing the reactivity.

따라서, 반응기(20) 내에는 귀금속 촉매 또는 전이 금속 촉매가 제공되어 반응성을 향상시킬 수 있다. Thus, in the reactor 20, a noble metal catalyst or a transition metal catalyst may be provided to improve the reactivity.

발열반응은 르샤틀리에 법칙에 의해 주위 온도를 낮추었을 때 정방향으로 반응이 일어나지만, 상기 반응에서 발생하는 부산물이 겔형태로 존재하여 부산물이 반응물과 촉매의 접촉을 방해함으로써 발열반응을 저해한다. 이것을 방지하기 위해서 겔형성을 방지할 수 있는 소정의 온도 범위 내에서 반응기(20)의 내부 온도를 유지시킨다. The exothermic reaction occurs in the forward direction when the ambient temperature is lowered by the Le Chatlie's law, but the by-product generated in the reaction exists in the form of a gel, and the by-product obstructs the contact between the reactant and the catalyst, thereby hindering the exothermic reaction. In order to prevent this, the internal temperature of the reactor 20 is maintained within a predetermined temperature range in which gel formation can be prevented.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 블록도이다. 2 is a schematic block diagram of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지시스템은, 반응물 저장탱크(10), 반응기(20), 분리기(30), 연료전지(40), 반응수 수집탱크(50), 부산물 저장탱크(60), 냉각기(70)를 포함한다. 이하에서는, 상기에서 설명한 구성요소와 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 2, the fuel cell system according to another embodiment of the present invention includes a reactant storage tank 10, a reactor 20, a separator 30, a fuel cell 40, a reaction water collection tank 50, A byproduct storage tank 60, and a cooler 70. Hereinafter, the overlapping description with the constituent elements described above will be omitted.

반응물 저장탱크(10)에 저장되는 반응물은 HCl 수용액일 수 있다. 그리고, 반응기(20) 내에는 고체 상태의 NaBH4가 저장될 수 있다. 이 경우에는, NaBH4에 산성 용액을 첨가하여 반응을 진행시켜 다음과 같이 수소와 부산물을 생성한다.The reactants stored in the reactant storage tank 10 may be HCl aqueous solutions. In the reactor 20, solid state NaBH 4 can be stored. In this case, an acidic solution is added to NaBH 4 to proceed the reaction to produce hydrogen and by-products as follows.

NaBH4 + (HCl + 3H2O) → NaCl + H3BO3 + 4H2 + HeatNaBH 4 + (HCl + 3H 2 O) - > NaCl + H 3 BO 3 + 4H 2 + Heat

이와 같은 반응은 발열반응이므로 반응 속도를 제어하기 위해서는 반응기(20) 내의 온도를 소정의 범위 내에서 유지시켜야 하고 이를 위해서 냉각기(70)가 필요하다. Since the reaction is an exothermic reaction, in order to control the reaction rate, the temperature in the reactor 20 must be maintained within a predetermined range, and a cooler 70 is required for this purpose.

발열반응은 르샤틀리에 법칙에 의해 주위 온도를 낮추었을 때 정방향으로 반응이 일어나지만, 상기 반응에서 발생하는 부산물이 겔형태로 존재하여 부산물이 반응물, 촉매, 및 산성 물질이 서로 접촉하는 것을 방해함으로써 발열반응을 저해한다. 이것을 방지하기 위해서 겔형성을 방지할 수 있는 소정의 온도 범위 내에서 반응기(20)의 내부 온도를 유지시킨다. The exothermic reaction occurs in the forward direction when the ambient temperature is lowered by the Lechardlier's law, but the by-product generated in the reaction is in the form of a gel, thereby preventing the byproduct from contacting the reactant, the catalyst and the acidic substance It inhibits the exothermic reaction. In order to prevent this, the internal temperature of the reactor 20 is maintained within a predetermined temperature range in which gel formation can be prevented.

연료전지(40)는 PEMFC, MCFC, SOFC 등 다양한 종류가 있지만 연료전지(40)를 안정적으로 운전하기 위해서는 운전온도가 일정하여야 한다. 따라서 냉각수가 연료전지(40)에 공급되며 냉각수 공급온도는 연료전지(40) 운전온도와 근접하게 유지된다. Although the fuel cell 40 has various types such as a PEMFC, an MCFC, and an SOFC, the operating temperature must be constant for the fuel cell 40 to operate stably. Accordingly, the cooling water is supplied to the fuel cell 40, and the cooling water supply temperature is kept close to the operating temperature of the fuel cell 40.

잠수함의 경우 연료전지(40) 운전온도보다 5~7도 낮은 냉각수를 공급하고 있다. 연료전지(40)를 냉각하고 난 후 가열된 냉각수는 잠수함의 수소저장 합금에 필요한 열원을 공급하듯이 열원이 필요한 장소에 열에너지를 전달할 수 있다.The submarine supplies cooling water that is 5 to 7 degrees lower than the operating temperature of the fuel cell (40). The cooling water heated after the cooling of the fuel cell 40 can transmit heat energy to a place where a heat source is required as well as supplying the heat source necessary for the hydrogen storage alloy of the submarine.

따라서, 본 발명에서의 NaBH4를 연료로 하는 연료전지시스템을 구성하기 위해 필요한 냉각기(70)를 연료전지(40)와 결합하여 연료전지(40)를 냉각하고 난 후 가열된 냉각수를 NaBH4 가수화 반응기에 공급함으로써 반응온도 유지와 부산물의 겔형성을 방지하여 반응속도 및 수율을 증가시킬 수 있다. Thus, the heated cooling water after the cooler (70) necessary to constitute the fuel cell system of the NaBH 4 according to the present invention, the fuel cools the fuel cell 40 in conjunction with the fuel cell 40 NaBH 4 singer The reaction temperature and the gelation of the by-products can be prevented, so that the reaction rate and the yield can be increased.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 블록도이다. 3 is a schematic block diagram of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지시스템은, 반응물 저장탱크(10), 반응기(20), 분리기(30), 연료전지(40), 반응수 수집탱크(50), 부산물 저장탱크(60), 냉각기(70), 밸브(80), 제어장치(90)를 포함한다. 이하에서는, 상기에서 설명한 구성요소와 중복되는 설명은 생략하기로 한다. Referring to FIG. 3, the fuel cell system according to another embodiment of the present invention includes a reactant storage tank 10, a reactor 20, a separator 30, a fuel cell 40, a reaction water collection tank 50, A byproduct storage tank 60, a cooler 70, a valve 80, and a control device 90. Hereinafter, the overlapping description with the constituent elements described above will be omitted.

반응물 저장탱크(10)에 저장되는 반응물은 HCl 수용액일 수 있다. 그리고, 반응기(20) 내에는 고체 상태의 NaBH4가 저장될 수 있다. 이 경우에는, NaBH4에 산성 용액을 첨가하여 반응을 진행시켜 다음과 같이 수소와 부산물을 생성한다.The reactants stored in the reactant storage tank 10 may be HCl aqueous solutions. In the reactor 20, solid state NaBH 4 can be stored. In this case, an acidic solution is added to NaBH 4 to proceed with the reaction to produce hydrogen and by-products as follows.

NaBH4 + (HCl + 3H2O) → NaCl + H3BO3 + 4H2 + HeatNaBH 4 + (HCl + 3H 2 O) - > NaCl + H 3 BO 3 + 4H 2 + Heat

이와 같은 반응은 발열반응이므로 반응 속도를 제어하기 위해서는 반응기(20) 내의 온도를 소정의 범위 내에서 유지시켜야 하고 이를 위해서 냉각기(70)가 필요하다. Since the reaction is an exothermic reaction, in order to control the reaction rate, the temperature in the reactor 20 must be maintained within a predetermined range, and a cooler 70 is required for this purpose.

발열반응은 르샤틀리에 법칙에 의해 주위 온도를 낮추었을 때 정방향으로 반응이 일어나지만, 상기 반응에서 발생하는 부산물이 겔형태로 존재하여 부산물이 반응물, 촉매, 및 산성 물질이 서로 접촉하는 것을 방해함으로써 발열반응을 저해한다. 이것을 방지하기 위해서 겔형성을 방지할 수 있는 소정의 온도 범위 내에서 반응기(20)의 내부 온도를 유지시킨다. The exothermic reaction occurs in the forward direction when the ambient temperature is lowered by the Lechardlier's law, but the by-product generated in the reaction is in the form of a gel, thereby preventing the byproduct from contacting the reactant, the catalyst and the acidic substance It inhibits the exothermic reaction. In order to prevent this, the internal temperature of the reactor 20 is maintained within a predetermined temperature range in which gel formation can be prevented.

밸브(80)는 반응기(20)로 청수(pure water)를 제공한다. 제어장치(90)는 상기 밸브(80)를 제어하며, 밸브(80)의 개방/폐쇄를 제어하여 반응기(20)로 공급되는 청수를 조절한다. The valve 80 provides pure water to the reactor 20. The control device 90 controls the valve 80 and controls the opening / closing of the valve 80 to regulate the fresh water supplied to the reactor 20.

구체적으로, 제어장치(90)는 반응기(20) 후단의 온도 상승시에 밸브(80)를 개방시켜 반응기(20)로 청수를 공급할 수 있다. 또한, 제어장치(90)는 반응기(20) 후단, 연료전지(40) 후단, 및 냉각기(70) 후단의 온도를 측정할 수 있으며, 측정된 온도를 기초로 밸브(80)의 동작을 제어할 수 있다. Specifically, the control device 90 can open the valve 80 at the time of the temperature rise at the rear end of the reactor 20 to supply the fresh water to the reactor 20. The control device 90 can also measure the temperature of the downstream end of the reactor 20, the downstream end of the fuel cell 40, and the downstream end of the cooler 70 and controls the operation of the valve 80 based on the measured temperature .

이상, 본 발명의 실시예들에 따른 잠수함용 연료전지시스템에 대하여 도면을 참조하여 설명하였지만, 상기 설명은 예시적인 것으로서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 수정 및 변경될 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, And the like.

10: 반응물 저장탱크
20: 반응기
30: 분리기
40: 연료전지
50: 반응수 수집탱크
60: 부산물 저장탱크
70: 냉각기
80: 밸브
90: 제어장치
10: Reactant storage tank
20: Reactor
30: separator
40: Fuel cell
50: Reaction water collection tank
60: Byproduct storage tank
70: cooler
80: Valve
90: Control device

Claims (9)

수소를 발생시키는 가수화 반응을 위한 반응물을 저장하는 반응물 저장탱크;
상기 반응물 저장탱크로부터 상기 반응물을 제공받고, 가수화 반응을 통해 수소를 발생시키는 반응기;
상기 반응기로부터 합성가스를 제공받아 수소를 분리하는 분리기;
상기 분리기에서 분리된 수소를 제공받아 화학에너지를 전기에너지로 전환시키는 연료전지;
상기 연료전지에서 배출되는 배기가스에 존재하는 반응수를 회수하여 수집하는 반응수 수집탱크;
상기 반응기에서 발생하는 부산물을 저장하는 부산물 저장탱크; 및
상기 연료전지에 공급되는 냉각수를 저장하는 냉각기를 포함하고,
냉각수 라인을 통해 상기 연료전지를 통과한 냉각수를 상기 반응기에 공급하여 상기 반응기의 온도를 소정의 범위 내에서 유지시키는, 잠수함용 연료전지시스템.
A reactant storage tank for storing a reactant for the hydrolysis reaction to generate hydrogen;
A reactor for receiving the reactant from the reactant storage tank and generating hydrogen through a hydrolysis reaction;
A separator for separating hydrogen by receiving synthesis gas from the reactor;
A fuel cell that converts the chemical energy into electric energy by receiving hydrogen separated from the separator;
A reaction water collection tank for collecting and collecting reaction water present in the exhaust gas discharged from the fuel cell;
A byproduct storage tank for storing byproducts generated in the reactor; And
And a cooler for storing cooling water supplied to the fuel cell,
Wherein the cooling water passing through the fuel cell is supplied to the reactor through a cooling water line to maintain the temperature of the reactor within a predetermined range.
제 1항에 있어서,
상기 반응물 저장탱크는 액체 상태의 NaBH4 수용액을 저장하는, 잠수함용 연료전지시스템.
The method according to claim 1,
The reaction storage tank, the fuel cell system for storing the NaBH 4 solution in a liquid state, and submarines.
제 1항에 있어서,
상기 반응물 저장탱크는 액체 상태의 HCl 수용액을 저장하고,
상기 반응기에는 고체 상태의 NaBH4가 저장되는, 잠수함용 연료전지시스템.
The method according to claim 1,
The reactant storage tank stores an aqueous solution of HCl in a liquid state,
Wherein the solid-state NaBH 4 is stored in the reactor.
제 1항에 있어서,
상기 반응기의 온도는, 가수화 반응에 따른 부산물의 겔형성을 방지하는 온도 범위 내로 유지되는, 잠수함용 연료전지시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the temperature of the reactor is maintained within a temperature range that prevents gel formation of byproducts due to the hydrolysis reaction.
제 1항에 있어서,
상기 반응기 내로 금속 촉매를 제공하여 반응성을 향상시키는, 잠수함용 연료전지시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the metal catalyst is provided in the reactor to improve reactivity.
제 1항에 있어서,
상기 냉각기에는 해수가 공급되어, 상기 냉각기에 저장된 냉각수의 온도를 소정의 범위 내로 유지시키는, 잠수함용 연료전지시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the cooler is supplied with seawater to maintain the temperature of the coolant stored in the cooler within a predetermined range.
제 1항에 있어서,
상기 반응기로 청수를 제공하는 밸브와 상기 밸브를 제어하는 제어장치를 더 포함하는, 잠수함용 연료전지시스템.
The method according to claim 1,
Further comprising a valve for providing clean water to the reactor and a control device for controlling the valve.
제 7항에 있어서,
상기 제어장치는 상기 반응기 후단의 온도 상승시에 상기 밸브를 개방시켜 상기 반응기로 청수를 공급하는, 잠수함용 연료전지시스템.
8. The method of claim 7,
Wherein the control device opens the valve at the time of temperature rise at the rear end of the reactor to supply clean water to the reactor.
제 8항에 있어서,
상기 제어장치는 상기 반응기 후단, 상기 연료전지 후단, 및 상기 냉각기 후단의 온도를 측정하는, 잠수함용 연료전지시스템.
9. The method of claim 8,
Wherein the controller measures the temperature of the rear end of the reactor, the rear end of the fuel cell, and the rear end of the cooler.
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