KR20200048441A - 개질기를 적용한 연료전지형 수중운동체의 수소공급시스템 - Google Patents

개질기를 적용한 연료전지형 수중운동체의 수소공급시스템 Download PDF

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Abstract

개질기를 적용한 연료전지형 수중운동체의 수소공급시스템에 관하여 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 개질기를 적용한 연료전지형 수중운동체의 수소공급시스템은 탄화수소계열 화합물을 공급하는 연료공급부, 상기 연료공급부로부터 탄화수소계열 화합물을 공급받아 수소를 발생시키는 연료개질부, 상기 연료개질부에서 발생된 개질 가스로부터 수소를 정제하는 연료정제부, 및 상기 연료정제부에서 정제된 수소를 공급받아 가동하는 연료전지를 포함하며, 상기 연료정제부는 PSA(Pressure Swing Adsorption) 방식을 이용하여 상기 연료개질부에서 개질된 개질 가스 내에 존재하는 수소를 제외한 불순물을 흡착 및 탈착하는 것을 특징으로 한다.

Description

개질기를 적용한 연료전지형 수중운동체의 수소공급시스템{HYDROGEN SUPPLY SYSTEM OF FUEL CELL TYPE UNDERWATER MOVING BODY APPLYING REFORMER}
본 발명의 실시예는 개질기를 적용한 연료전지형 수중운동체의 수소공급시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 메탄올 개질 반응을 통한 수소생산방식을 적용한 개질기를 적용한 연료전지형 수중운동체의 수소공급시스템에 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.
이러한 연료전지를 사용하는 수중운동체의 경우, 개질기(Reformer)를 이용하여 수소를 생산하는 방식이 알려져 있는데, 상기 개질기는 탄화수소 계열 혹은 알코올 계열 연료를 수증기 및 산소와 촉매 반응을 통해 수소를 발생하는 장치를 말한다.
도 1은 종래의 연료전지 및 개질기를 탑재한 수중운동체의 수소공급시스템(1)의 개념도이다. 도시된 바와 같이, 개질기(10)는 화석연료를 연료전지(50)에서 사용하는 수소로 개질 하여 연료전지(50)에 공급한다. 이를 위해 산소탱크(11)에서 산소를 공급받으며, 연료 탱크(12)에서 연료를 공급받으며, 청수 탱크(13)에서 물(즉, 증류수)을 공급받는다. 한편, 연료전지(50)에 공급되는 수소와 산소는 일정량의 수분을 가져야 하는데, 가습기(40)와 연결되어 일정량의 수분을 가질 수 있다. 개질기(10)에서 공급된 개질 가스는 수소정제기(30)를 거쳐 정제되고, 이때 남은 여분의 수분은 보관 탱크(60)에 저장된다. 또한, 연료전지(50)에서 생성된 미반응 가스 및 반응수도 보관 탱크(60)에 저장된다.
한편, 연료전지를 가동하기 위해서는 고순도의 수소를 공급해 주어야 한다. 종래에는 잠수함에 설치된 수소저장합금실린더라는 특정 저장장치에 적재된 수소를 곧바로 연료전지에 공급해주는 방식으로 전력을 생산해왔다.
하지만 수소는 단위 질량당 에너지 밀도가 높은 물질이기 때문에 에너지원으로써 활용도가 높지만 단위 부피당 밀도가 매우 낮아 이를 저장하기 위해서는 고압 및 극저온환경을 유지해야 하기 때문에 저장과 운송의 효율성이 좋지 않으며, 높은 폭발성질로 인해 안전측면에서 활용하기가 쉽지 않은 문제점이 있다.
또한, 종래의 방식에 따르면 수소저장용기를 잠수함 바닥과 측면에 배치해야 하는데, 이는 잠수함 크기를 키우는 요인이 되기 때문에 잠수함 저항과 추진마력, 전력사용 및 잠항기간 등에 나쁜 영향을 주는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1670174호(2016.10.27. 공고일)
본 발명의 목적은 수소보다 저장성과 안전성이 좋은 탄화수소계열 화합물(메탄올 등)을 적재한 뒤 이를 개질 하여 수소를 생산하는 방식을 적용함에 있어, 개질 가스에 압력순환흡착 방식을 적용하여 고순도 수소로 정제하여 연료전지에 공급할 수 있는 개질기를 적용한 연료전지형 수중운동체의 수소공급시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개질기를 적용한 연료전지형 수중운동체의 수소공급시스템은 탄화수소계열 화합물을 공급하는 연료공급부; 상기 연료공급부로부터 탄화수소계열 화합물을 공급받아 수소를 발생시키는 연료개질부; 상기 연료개질부에서 발생된 개질 가스로부터 수소를 정제하는 연료정제부; 및 상기 연료정제부에서 정제된 수소를 공급받아 가동하는 연료전지;를 포함하며, 상기 연료정제부는, PSA(Pressure Swing Adsorption) 방식을 이용하여 상기 연료개질부에서 개질된 개질 가스 내에 존재하는 수소를 제외한 불순물을 흡착 및 탈착하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 연료정제부는, 내부에 흡착제가 배치된 적어도 하나의 흡착탑;을 포함한다.
또한, 상기 흡착탑은, 설정 압력 범위 내에서, 고압부터 저압까지 압력을 주기적으로 변환시켜 흡착 및 탈착 과정을 반복적으로 실시하여, 내부로 유입된 가스 중 필요한 가스만을 분리해 낼 수 있다.
또한, 상기 흡착탑은, 가압, 흡착, 감압, 탈착이 순차적으로 수행되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 연료정제부는 가압 시, 상기 연료개질기로부터 개질된 개질 가스를 상기 흡착탑의 제1 유로로 주입시키고 흡착 동작에 필요한 제1 설정 압력까지 가압시킬 수 있다.
또한, 상기 연료정제부는 흡착 시, 상기 제1 설정 압력을 유지하면서 상기 흡착탑의 제1 유로로 주입된 개질 가스 중 일산화탄소, 이산화탄소, 미반응 메탄올 중 적어도 하나를 포함하는 가스성분을 상기 흡착제에 흡착시키고, 정제된 수소를 상기 흡착탑의 제2 유로로 배출시킬 수 있다.
또한, 상기 연료정제부는 감압 시, 상기 정제된 수소의 배출에 따라 제2 설정 압력까지 감압시킬 수 있다.
또한, 상기 연료정제부는 탈착 시, 상기 제2 설정 압력을 유지하면서 상기 흡착탑의 제2 유로를 통해 질소 가스를 유입시켜, 상기 흡착제에 흡착된 가스성분을 상기 흡착제로부터 탈착시켜 상기 흡착탑의 제1 유로를 통해 배출시킬 수 있다.
본 발명에 의하면 수소보다 저장성과 안전성이 좋은 탄화수소계열 화합물(메탄올 등)을 적재한 뒤 이를 개질 하여 수소를 생산하는 방식을 적용함에 있다. 그 결과, 고압 수소의 저장 및 운송의 위험성을 낮출 수 있는 유리한 기술적 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 함 외부 바닥 면에 설치한 수소저장실린더를 제거할 수 있어 함 저항성, 추진마력 및 전력 사용을 줄여 잠항기간을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면 함 외부 바닥 면에 설치한 수소저장실린더의 제거로 인하여 잠수함 등의 수중운동체의 해저면 착저 기동성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면 개질 가스를 PSA(Pressure Swing Adsorption) 방식으로 고순도 수소로 정제하여 연료전지에 공급할 수 있다. PSA 방식은 수소 회수율이 다른 가스 분리공정 대비 상대적으로 높고, 설비의 경제성이 좋은 장점이 있다.
이에 따라, 본 발명에 의하면 연료전지에 필요한 수소 공급량에 대해 최적화된 잠수함용 수소 PSA 공정을 통한 함 내 배치공간을 확보하면 수소 저장의 위험성과 효율성 및 설비 구축의 경제성 등 여러 가지 이점이 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래의 연료전지 및 개질기를 탑재한 수중운동체의 수소공급시스템의 개념도이다.
도 2는 탄화수소계열 화합물을 개질하여 수소를 생산하는 방식을 간략히 도시한 개념도이다. .
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 개질기를 적용한 연료전지형 수중운동체의 수소정제방법을 설명하기 위해 도시한 개념도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 2는 탄화수소계열 화합물(예: 메탄올 등)을 개질 하여 수소를 생산하는 방식을 간략히 도시한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 수소공급시스템(100)은 연료공급부(110), 연료가열부(120), 연료개질부(130), 연료정제부(140), 기액분리부(150)를 포함한다. 연료정제부(140)는 PSA(Pressure Swing Adsorption) 방식을 이용하여 연료개질부(130)에서 개질된 개질 가스 내에 존재하는 수소를 제외한 나머지 가스성분(이를 불순물이라 함)을 흡착 및 탈착 하도록 구성될 수 있다.
연료공급부(110)는 메탄올 등의 탄화수소계열 화합물을 저장하고 공급한다.
연료가열부(120)는 연료공급부(110)에서 공급된 메탄올 등의 탄화수소계열 화합물을 소정 온도로 가열하여 연료개질부(130)에 공급한다.
연료개질부(130)는 연료공급부(110)에서 공급된 메탄올 등의 탄화수소계열 화합물을 공급받아 연료전지에 사용될 수소를 발생시킨다. 이때, 연료개질부(130)의 개질 작용에 의해 수소와 함께 여러 가스성분이 생성되는데, 이를 포함하여 개질 가스 등의 명칭을 사용한다.
연료정제부(140)는 연료개질부(130)에서 발생된 수소를 고순도의 수소로 정제한다.
연료정제부(140)에서 정제된 고순도의 수소는 기액분리기(150)를 거쳐 연료전지에 공급되어 사용된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서는 고순도의 수소를 정제하기 위해 PSA(Pressure Swing Adsorption) 방식을 이용한다. 그 결과, 개질 가스 내에 존재하는 수소만을 정제하여 분리 제공할 수 있으며, 그 밖의 가스성분은 흡착 및 탈착 과정을 반복적으로 실시하여 제거할 수 있다.
만일의 경우, 연료전지에 상기와 같은 가스성분을 포함한 불순물이 수소와 함께 공급된다면, 연료전지 스택의 수명에 치명적인 손상을 줄 수 있기 때문이다.
이를 위해, 개질 가스 중에서 이산화탄소, 일산화탄소, 증기, 미반응 메탄올 등의 조성을 가지는 가스성분은 연료정제부(140)에서 제거하고, 고순도의 수소만을 연료전지에 공급하여 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 개질기를 적용한 연료전지형 수중운동체의 수소정제방법을 설명하기 위해 도시한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 연료정제부(140)는 적어도 하나의 흡착탑(141)을 포함한다.
흡착탑(141)의 내부에는 흡착제(142)가 배치될 수 있다. 흡착탑(141)을 포함하는 연료정제부(140)는 설정 압력 범위 내에서, 고압부터 저압까지 압력을 주기적으로 변환시켜 흡착 및 탈착 과정을 반복적으로 실시할 수 있도록 구성되어, 내부로 유입된 가스 중 필요한 가스, 즉 고순도의 수소만을 공급할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 흡착탑(141)을 포함하는 연료정제부(140)는 도 3의 (a)에 도시된 그래프와 같이 가압 단계, 흡착 단계, 감압 단계, 탈착 단계가 순차적으로 수행되도록 구성될 수 있다.
도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 가압 단계에서, 연료정제부(140)는 연료개질기(130, 도 2 참조)로부터 개질된 개질 가스를 흡착탑(141)의 제1 유로(143)로 주입시키고 흡착 동작에 필요한 제1 설정 압력까지 가압시킨다.
이어서, 흡착 단계에서, 연료정제부(140)는 제1 설정 압력을 유지하면서 흡착탑(141)의 제1 유로(143)로 주입된 개질 가스 중 일산화탄소, 이산화탄소, 미반응 메탄올 중 적어도 하나를 포함하는 가스성분을 흡착제(142)에 흡착시키고, 정제된 수소를 흡착탑(141)의 제2 유로(144)로 배출시킨다.
이어서, 감압 단계에서 연료정제부(140)는 정제된 수소의 배출에 따라 제2 설정 압력까지 감압된다. 즉 흡착탑(141)이 제2 설정 압력까지 감압된다.
이어서, 탈착 단계에서, 연료정제부(140)는 제2 설정 압력을 유지하면서 흡착탑(141)의 제2 유로(144)를 통해 질소 가스를 유입시켜, 흡착제(142)에 흡착된 가스성분을 흡착제(142)로부터 탈착시켜 흡착탑(141)의 제1 유로(143)를 통해 배출시킨다.
이처럼 연료정제부(140)는 가압, 흡착, 감압, 탈착 과정을 반복함으로써 고순도의 수소를 정제할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 고순도의 메탄올 개질 반응으로 수소직접생산방식을 적용하는 잠수함, 즉 수중운동체의 경우 고순도의 수소를 정제할 수 있는 기술이 필요한데, PSA 방식을 이용하여 안정성과 효율성을 동시에 도모할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면 수소보다 저장성과 안전성이 좋은 탄화수소계열 화합물(메탄올 등)을 적재한 뒤 이를 개질 하여 수소를 생산하는 방식을 적용함에 있다. 그 결과, 고압 수소의 저장 및 운송의 위험성을 낮출 수 있다.
그리고 함 외부 바닥 면에 설치한 수소저장실린더를 제거할 수 있어 함 저항성, 추진마력 및 전력 사용을 줄여 잠항기간을 증가시킬 수 있으며, 함 외부 바닥 면에 설치한 수소저장실린더의 제거로 인하여 잠수함 등의 수중운동체의 해저면 착저 기동성을 향상시킬 수 있다.
나아가, 본 발명에 의하면 개질 가스를 PSA(Pressure Swing Adsorption) 방식으로 고순도 수소로 정제하여 연료전지에 공급할 수 있다.
PSA 방식은 수소 회수율이 다른 가스 분리공정 대비 상대적으로 높고, 설비의 경제성이 좋은 장점이 있다.
이에 따라, 연료전지에 필요한 수소 공급량에 대해 최적화된 잠수함용 수소 PSA 공정을 통한 함 내 배치공간을 확보하면 수소 저장의 위험성과 효율성 및 설비 구축의 경제성 등 여러 가지 이점이 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
100: 수소공급시스템
110: 연료공급부
120: 연료가열부
130: 연료개질부
140: 연료정제부
141: 흡착탑
142: 흡착제
143: 제1 유로
144: 제2 유로
150: 기액분리부

Claims (8)

  1. 탄화수소계열 화합물을 공급하는 연료공급부;
    상기 연료공급부로부터 탄화수소계열 화합물을 공급받아 수소를 발생시키는 연료개질부;
    상기 연료개질부에서 발생된 개질 가스로부터 수소를 정제하는 연료정제부; 및
    상기 연료정제부에서 정제된 수소를 공급받아 가동하는 연료전지;를 포함하며,
    상기 연료정제부는,
    PSA(Pressure Swing Adsorption) 방식을 이용하여 상기 연료개질부에서 개질된 개질 가스 내에 존재하는 수소를 제외한 불순물을 흡착 및 탈착하는 것을 특징으로 하는
    개질기를 적용한 연료전지형 수중운동체의 수소공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료정제부는,
    내부에 흡착제가 배치된 적어도 하나의 흡착탑;
    을 포함하는 개질기를 적용한 연료전지형 수중운동체의 수소공급시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 흡착탑은,
    설정 압력 범위 내에서, 고압부터 저압까지 압력을 주기적으로 변환시켜 흡착 및 탈착 과정을 반복적으로 실시하여, 내부로 유입된 가스 중 필요한 가스만을 분리해 내는 것을 특징으로 하는
    개질기를 적용한 연료전지형 수중운동체의 수소공급시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 흡착탑은,
    가압, 흡착, 감압, 탈착이 순차적으로 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    개질기를 적용한 연료전지형 수중운동체의 수소공급시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연료정제부는 가압 시, 상기 연료개질기로부터 개질된 개질 가스를 상기 흡착탑의 제1 유로로 주입시키고 흡착 동작에 필요한 제1 설정 압력까지 가압시키는 것을 특징으로 하는
    개질기를 적용한 연료전지형 수중운동체의 수소공급시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연료정제부는 흡착 시, 상기 제1 설정 압력을 유지하면서 상기 흡착탑의 제1 유로로 주입된 개질 가스 중 일산화탄소, 이산화탄소, 미반응 메탄올 중 적어도 하나를 포함하는 가스성분을 상기 흡착제에 흡착시키고, 정제된 수소를 상기 흡착탑의 제2 유로로 배출시키는 것을 특징으로 하는
    개질기를 적용한 연료전지형 수중운동체의 수소공급시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연료정제부는 감압 시, 상기 정제된 수소의 배출에 따라 제2 설정 압력까지 감압시키는 것을 특징으로 하는
    개질기를 적용한 연료전지형 수중운동체의 수소공급시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연료정제부는 탈착 시, 상기 제2 설정 압력을 유지하면서 상기 흡착탑의 제2 유로를 통해 질소 가스를 유입시켜, 상기 흡착제에 흡착된 가스성분을 상기 흡착제로부터 탈착시켜 상기 흡착탑의 제1 유로를 통해 배출시키는 것을 특징으로 하는
    개질기를 적용한 연료전지형 수중운동체의 수소공급시스템.
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