KR20180104339A - 개질형 연료전지 잠수함 - Google Patents

Abstract

본 발명은 개질형 연료전지 잠수함에 관한 것으로, 구체적으로는 포름산을 포름산 개질기를 통하여 개질하되, 생산된 수소는 연료전지로 전달하여 전기를 생산하고, 개질 시 발생되는 이산화탄소는 다시 포름산 함성시스템으로 리플로우 시켜 수소 충전 시 수소와 함께 포름산 합성을 할 수 있도록 하는 개질형 연료전지 잠수함에 관한 것이다.
본 발명은 잠수함 외부에서 주입된 수소와 상기 주입된 수소를 이산화탄소와 합성하여 포름산을 합성하는 포름산 합성부와, 상기 포름산 합성부에서 생성된 포름산을 잠수함 내부에 구비되는 포름산 개질기로 전달하여 상기 포름산 개질기를 통해 포름산을 수소와 이산화탄소로 분해하여 수소를 잠수함의 연료전지 모듈로 공급하며, 공급된 수소와 산소가 반응하여 전기를 생산하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

개질형 연료전지 잠수함{Submarine of direct methyl formate fuel cell}

본 발명은 개질형 연료전지 잠수함에 관한 것으로, 구체적으로는 포름산을 포름산 개질기를 통하여 개질하되, 생산된 수소는 연료전지로 전달하여 전기를 생산하고, 개질 시 발생되는 이산화탄소는 다시 포름산 함성시스템으로 리플로우 시켜 수소 충전 시 수소와 함께 포름산 합성을 할 수 있도록 하는 개질형 연료전지 잠수함에 관한 것이다.

최근 휴대용 전자기기 및 무선통신기기의 급격한 보급으로 휴대용 전원 공급 장치인 배터리로서 연료전지의 개발, 무공해 자동차용 연료전지 및 청정 에너지원으로서 발전용 연료전지의 개발에 많은 관심과 연구가 진행되고 있다.

연료전지는 연료가스(수소, 메탄올, 또는 기타 유기물)와 산화제(산소 또는 공기)가 가지는 화학적 에너지를 전기화학반응을 통해 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템으로서 이는 작동조건에 따라 고체산화물 전해질형 연료전지, 용융탄산염 전해질형 연료전지, 인산염 전해질형 연료전지 및 고분자 전해질형 연료전지 등으로 나뉜다.

상기 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 세분하면 수소 가스를 연료로 사용하는 수소 이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell : PEMFC)와 액상의 메탄올을 직접 연료로 공급하여 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC) 등이 있다. 최근에는 직접 메탄올 연료전지가 가지는 문제점들을 해결하고자 에탄올, 프로판올, 포름산과 같은 다양한 연료를 사용한 연료전지가 연구 개발 중이다. 고분자 전해질형 연료전지는 화석에너지를 대체할 수 있는 청정에너지원으로서, 출력 밀도 및 에너지 전환 효율이 높고, 상온에서 작동이 가능하며 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 무공해 자동차, 가정용 발전시스템, 이동통신 장비의 휴대용 전원, 군사용 장비 등의 분야에 폭넓게 사용이 가능하다.

일반적으로 수소를 연료로 사용하는 기체형 연료전지는 에너지 밀도가 크다는 장점이 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.

그리고 액체를 사용하는 액체형 연료전지는 기체형에 비해 에너지 밀도는 낮으나 액체 상태인 연료의 취급이 용이하고 운전온도가 낮으며 특히 연료개질 장치를 필요로 하지 않는다는 특성이 있다. 하지만 메탄올 산화반응의 느린 반응속도와 백금 촉매의 일산화탄소의 촉매독 작용에 대한 내성 향상을 꾀하기 위해 백금-루테늄(Pt-Ru) 2원 촉매가 개발되고 있으며 이미 상용화까지 되어 있다. 그럼에도 불구하고 메탄올 산화 반응에 대한 활성이 낮아 백금-루테늄을 기본으로 하는 3원계 또는 4원계 촉매에 대한 연구가 여전히 진행되고 있는 실정이다. 또한 음극에서 산화되어야 할 메탄올이 고분자 전해질을 통해 양극(캐소드)으로 넘어가는 메탄올 크로스오버(cross-over) 현상으로 인해 양극 촉매 피독은 물론 전체 연료전지 성능 저하 및 연료 이용률 감소를 가져오게 된다. 이러한 이유로 인해 사용 가능한 메탄올 농도에 제약이 따르게 된다.

이에 반해 포름산을 연료로 사용하는 직접 포름산 연료전지(Direct Formic Acid Fuel Cell)에서, 포름산은 강 전해질로서 음극에서 전자와 수소이온의 전달을 용이하게 하며, 메탄올에 비해 무게당 출력밀도가 낮음에도 불구하고 연료의 크로스오버를 급격히 줄일 수 있고 용액 중에 무게 기준으로 70％ 정도인 20몰 농도 (20M) 까지 사용이 가능하다는 장점이 있다.

대한민국 등록특허 10-0671427호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 포름산을 포름산 개질기를 통하여 개질하되, 생산된 수소는 연료전지로 전달하여 전기를 생산하고, 개질 시 발생되는 이산화탄소는 다시 포름산 함성시스템으로 리플로우 시켜 수소 충전 시 수소와 함께 포름산 합성을 할 수 있도록 하는 개질형 연료전지 잠수함을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 잠수함 외부에서 주입된 수소와 상기 주입된 수소를 이산화탄소와 합성하여 포름산을 합성하는 포름산 합성부와, 상기 포름산 합성부에서 생성된 포름산을 잠수함 내부에 구비되는 포름산 개질기로 전달하여 상기 포름산 개질기를 통해 포름산을 수소와 이산화탄소로 분해하여 수소를 잠수함의 연료전지 모듈로 공급하며, 공급된 수소와 산소가 반응하여 전기를 생산하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 포름산 개질기에는, 상기 포름산 합성부에서 생성된 포름산이 저장되어 잠수함이 작전기간 동안 사용할 수 있도록 하는 포름산 저장탱크를 더 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 모듈에는, 상기 연료전지 모듈에서 수소와 반응할 산소를 공급하기 위한 산소 저장탱크와 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 산소 저장탱크에는 액화 산소(LOX)가 저장되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 포름산 개질기는, 포름산을 수소와 이산화탄소로 분해한 뒤 이산화탄소는 리플로우 되어 포름산 합성부로 전달되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 포름산 개질기와 포름산 합성부를 연결하는 경로에는 상기 포름산 개질기에서 발생되는 이산화탄소를 저장하기 위한 이산화탄소 저장탱크를 더 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 이산화탄소 저장탱크에는, 상기 포름산 합성부로 공급되는 이산화탄소의 양을 감지하는 이산화탄소 감지장치를 더 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 포름산 개질기는, 포름산을 분해할 시 발생되는 수소를 저장하여 일정량만 연료전지 모듈로 공급되도록 하는 수소 저장탱크를 더 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 수소 저장탱크는, 저장되는 수소의 압력 및 연료전지 모듈로 공급되는 수소의 양을 감지하는 수소 감지장치를 더 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 포름산 저장탱크는, 포름산의 저장된 상태를 감지하기 위한 포름산 감지장치를 더 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 연료전지 모듈은, 상기 잠수함의 추진력에 사용되는 연료전지와, 전기 생산 시 남은 전기를 저장하는 배터리로 구분되어 전달되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 배터리는, 전기 생산 시 남은 전기를 저장되어 비상 시 잠수함의 전력원으로 이용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 개질형 연료전지 잠수함에 의하면, 이산화탄소를 포름산 합성과 분해의 매개로 이용할 수 있도록 함외로 배출하지 않고 순환되도록 구성되기 때문에 지속적인 포름산을 생산할 수 있어 잠수함 운용의 효율성 및 잠항기간을 늘릴 수 있는 효과가 있다.

또한, 포름산을 포름산 개질기를 통하여 수소와 이산화탄소로 분리하는 과정이 상온 상압에서 이루어지기 때문에 열원공급에 있어 함내에서 전력의 소비가 적어지게 되는 효과가 있다.

또한, 포름산 개질은 PEMFC 등에 적합한 일산화탄소가 없는 고압수소를 공급할 수 있으며, 특히 포름산의 경우 독성이 낮기 때문에 함내 적용이 용이하며, 저장 위험성이 거의 없기 때문에 안전성이 보장되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 개질형 연료전지 잠수함의 구성을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 포름산 연료전지의 기본적인 원리를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부되는 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명의 개질형 연료전지 잠수함을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 개질형 연료전지 잠수함의 구성을 개략적으로 나타낸 모식도이고, 도 2는 포름산 연료전지의 기본적인 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 개질형 연료전지 잠수함은 잠수함의 내부에 포름산 개질기(10)를 구비하고, 상기 포름산 개질기(10)를 통해 포름산을 수소와 이산화탄소로 분해하여 수소를 잠수함의 연료전지 모듈(20)로 공급하며, 공급된 수소와 산소가 반응하여 전기를 생산하여 잠수함 운용에 사용되도록 하는 것이다.

이와 같이 포름산을 이용한 연료전지의 원리는 도 2에 도시된 바와 같이 연료극에서는 식 (1)과 같이 전기화학적 반응에 의해 포름산이 산화되어 이산화탄소, 수소이온, 그리고 전자가 생성된다. 연료극에서 생성된 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통해 공기극으로 이동하며, 공기극에서는 아래 식(2)와 같이 산소와 수소이온 그리고 전자가 반응하여 물을 생성시키게 된다. 한편, 연료극에서 생성된 전자는 외부 회로를 통해 이동하면서 화학반응을 통해 얻어진 자유에너지의 변화량을 전기 에너지로 전환시키게 된다. 전체 반응식은 아래 식(3)과 같이 개미산과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성시키게 되며, 일정 전압의 전위차를 발생시키게 된다.

이와 같은 포름산 연료전지를 잠수함 운용에 사용하기 위한 것이 본 발명의 핵심인 것이다.

구체적으로, 잠수함 외부에서 주입된 수소와 상기 주입된 수소를 이산화탄소와 합성하여 포름산을 합성하는 포름산 합성부(70)와, 상기 포름산 합성부(70)에서 생성된 포름산을 잠수함 내부에 구비되는 포름산 개질기(10)로 전달되도록 구성된다. 이와 같이 포름산 개질기(10)를 통해 포름산을 수소와 이산화탄소로 분해하여 수소를 잠수함의 연료전지 모듈(20)로 공급하며, 공급된 수소와 산소가 반응하여 전기를 생산하도록 구성되는 것이다.

한편, 상기 포름산 개질기(10)에는, 상기 포름산 합성부(70)에서 생성된 포름산이 저장되어 잠수함이 작전기간 동안 사용할 수 있도록 하는 포름산 저장탱크(30)가 구비된다. 즉, 포름산 저장탱크(30)로 상기 포름산 합성부(70)에서 생성된 포름산이 전달되어 저장되도록 구성되는 것이다.

여기서 상기 포름산 저장탱크(30)는, 포름산의 저장된 상태를 감지하기 위한 포름산 감지장치(31)가 더 구비될 수 있다. 따라서 잠수함 운용 시 또는 작전기간 동안 일정량의 포름산이 포름산 개질기(10)로 공급될 수 있도록 하는 것이다. 상기한 개미산은 액체이며 상온에서 53g/L의 우수한 부피대비 수소저장밀도를 가지고, 기존 잠수함에서 사용되는 35 기압의 압축수소가스가 함유하고 있는 14.7g/L의 수소저장밀도보다 월등하게 수소를 저장할 수 있어 수소저장용량이 증가된다. 게다가 포름산의 경우 낮은 독성이고 비교적 낮은 온도 압력 조건에서 개질하기 때문에 함 내에서 개질에 필요한 전력 소모 적으므로 포름산을 이용하여 수소를 생산하게 되는 것이다.

한편, 상기 연료전지 모듈(20)에는, 상기 연료전지 모듈(20)에서 수소와 반응할 산소를 공급하기 위한 산소 저장탱크(40)와 연결된다. 이와 같은 산소 저장탱크(40)에는 액화 산소(LOX)가 저장되어 저장용량을 증가시키게 된다.

한편, 상기 포름산 개질기(10)는, 포름산을 수소와 이산화탄소로 분해한 뒤 이산화탄소는 리플로우 되어 포름산 합성부(70)로 전달되도록 구성된다. 여기서 상기 포름산 개질기(10)와 포름산 합성부(70)를 연결하는 경로에는 상기 포름산 개질기(70)에서 발생되는 이산화탄소를 저장하기 위한 이산화탄소 저장탱크(80)가 더 구비되고, 상기 포름산 합성부(70)로 공급되는 이산화탄소의 양을 감지하는 이산화탄소 감지장치(81)가 더 구비될 수 있다.

한편, 상기 포름산 개질기(10)는, 포름산을 분해할 시 발생되는 수소를 저장하여 일정량만 연료전지 모듈(20)로 공급되도록 하는 수소 저장탱크(50)가 더 구비될 수 있다. 이와 같은 수소 저장탱크(50)는, 저장되는 수소의 압력 및 연료전지 모듈로 공급되는 수소의 양을 감지하는 수소 감지장치(51)가 더 구비되어 연료전지 모듈(20)로 공급되는 수소의 양을 일정하게 유지시키는 것이다.

한편, 상기 연료전지 모듈(20)은, 상기 잠수함의 추진력에 사용되는 연료전지(61)와, 전기 생산 시 남은 전기를 저장하는 배터리(62)로 구분되어 전달되도록 구성된다. 또한, 상기 배터리(62)는, 전기 생산 시 남은 전기를 저장되어 비상 시 잠수함의 전력원으로 이용되도록 하는 것이다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 개질형 연료전지 잠수함의 작동상태에 대하여 살펴보기로 한다.

우선 잠수함을 운용하기 위해서는 출항 시 충분한 양의 포름산을 포름산 저장탱크(30)에 저장하여 포름산 개질기(10)로 전달되면, 포름산을 수소와 이산화탄소로 분해하여 수소를 잠수함의 연료전지 모듈(20)로 공급하게 된다. 이때 상기 포름산 저장탱크(30)에는 포름산 감지장치(31)가 구비되어 있기 때문에 일정량의 포름산이 포름산 개질기(10)로 이송되는 것이다.

이와 같이 포름산을 지속적으로 공급하기 위해서는 출항 전에 충분한 양의 수소를 포름산 합성부(70)로 공급하여야 되며, 이와 같이 공급된 수소를 통하여 포름산 합성부(70)에는 포름산을 생산하여 포름산 저장탱크(30)에 저장하게 되는 것이다.

이후 공급된 수소와 산소가 반응하여 전기를 생산하게 되면, 연료전지 모듈에서 일정량의 전기는 연료전지(61)로 전달되어 잠수함의 추진력에 사용되고, 남은 전기는 배터리(62)에 저장되어 다른 용도로 사용될 수 있도록 구성된다. 이때, 연료전지 모듈(20)로 전달되는 수소의 경우 수소 저장탱크(50)를 거쳐 연료전지 모듈(20)로 전달되며, 연료전지 모듈(20)에 전달되는 수소는 일정량이 공급되도록 하기 위해 수소 감지장치(51)를 통하여 제어된다.

이와 같이 이산화탄소를 포름산 합성과 분해의 매개로 이용할 수 있도록 함외로 배출하지 않고 순환되도록 구성되기 때문에 중량보상이 필요 없게 된다.

또한, 포름산을 포름산 개질기를 통하여 수소와 이산화탄소로 분리하는 과정이 상온 상압에서 이루어지기 때문에 열원공급에 있어 함내에서 전력의 소비가 적어지게 된다.

또한, 포름산 개질은 PEMFC 등에 적합한 일산화탄소가 없는 고압수소를 공급할 수 있으며, 특히 포름산의 경우 독성이 낮기 때문에 함내 적용이 용이하며, 저장 위험성이 거의 없기 때문에 안전성이 보장될 수 있게 된다.

이상에서 설명된 본 발명의 개질형 연료전지 잠수함의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10 : 포름산 개질기 20 : 연료전지 모듈
30 : 포름산 저장탱크 31 : 포름산 감지장치
40 : 산소 저장탱크 50 : 수소 저장탱크
51 : 수소 감지장치 61 : 연료전지
62 : 배터리 70 : 포름산 합성부
80 : 이산화탄소 저장탱크 81 : 이산화탄소 감지부

Claims (12)

1. 잠수함 외부에서 주입된 수소와 상기 주입된 수소를 이산화탄소와 합성하여 포름산을 합성하는 포름산 합성부(70)와,
   상기 포름산 합성부(70)에서 생성된 포름산을 잠수함 내부에 구비되는 포름산 개질기(10)로 전달하여 상기 포름산 개질기(10)를 통해 포름산을 수소와 이산화탄소로 분해하여 수소를 잠수함의 연료전지 모듈(20)로 공급하며, 공급된 수소와 산소가 반응하여 전기를 생산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 개질형 연료전지 잠수함.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 포름산 개질기(10)에는,
   상기 포름산 합성부(70)에서 생성된 포름산이 저장되어 잠수함이 작전기간 동안 사용할 수 있도록 하는 포름산 저장탱크(30)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 개질형 연료전지 잠수함.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 연료전지 모듈(20)에는,
   상기 연료전지 모듈(20)에서 수소와 반응할 산소를 공급하기 위한 산소 저장탱크(40)와 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 개질형 연료전지 잠수함.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 산소 저장탱크(40)에는 액화 산소(LOX)가 저장되는 것을 특징으로 하는 개질형 연료전지 잠수함,
5. 제1 항에 있어서,
   상기 포름산 개질기(10)는,
   포름산을 수소와 이산화탄소로 분해한 뒤 이산화탄소는 리플로우 되어 포름산 합성부(70)로 전달되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 개질형 연료전지 잠수함.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 포름산 개질기(10)와 포름산 합성부(70)를 연결하는 경로에는 상기 포름산 개질기(70)에서 발생되는 이산화탄소를 저장하기 위한 이산화탄소 저장탱크(80)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 개질형 연료전지 잠수함.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 이산화탄소 저장탱크(80)에는,
   상기 포름산 합성부(70)로 공급되는 이산화탄소의 양을 감지하는 이산화탄소 감지장치(81)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 개질형 연료전지 잠수함.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 포름산 개질기(10)는,
   포름산을 분해할 시 발생되는 수소를 저장하여 일정량만 연료전지 모듈(20)로 공급되도록 하는 수소 저장탱크(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 개질형 연료전지 잠수함.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 수소 저장탱크(50)는,
   저장되는 수소의 압력 및 연료전지 모듈로 공급되는 수소의 양을 감지하는 수소 감지장치(51)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 개질형 연료전지 잠수함.
10. 제2 항에 있어서,
    상기 포름산 저장탱크(30)는,
    포름산의 저장된 상태를 감지하기 위한 포름산 감지장치(31)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 개질형 연료전지 잠수함.
11. 제1항 또는 제3 항에 있어서,
    상기 연료전지 모듈(20)은,
    상기 잠수함의 추진력에 사용되는 연료전지(61)와, 전기 생산 시 남은 전기를 저장하는 배터리(62)로 구분되어 전달되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 개질형 연료전지 잠수함.
12. 제11 항에 있어서,
    상기 배터리(62)는,
    전기 생산 시 남은 전기를 저장되어 비상 시 잠수함의 전력원으로 이용되는 것을 특징으로 하는 개질형 연료전지 잠수함.

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