KR20200060661A - 열교환장치가 적용된 수소 발생 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 잠수함 내 개질기를 통해 배출되는 고온의 배기가스와 개질기에 공급되는 저온의 연료 간의 열교환시킨 후, 열교환에 의해 상대적으로 온도가 하강한 배기가스 내에서 수소를 별도 분리하여 연료전지로 공급함은 물론, 열교환에 의해 상대적으로 온도가 상승한 연료와 수소가 분리된 배출물의 플라즈마 반응을 통해 추가적인 수소를 분리하여 연료전지로 공급함으로써, 보다 많은 수소발생을 통해 잠수함의 잠항시간을 보다 향상시킬 수 있는 열교환장치가 적용된 수소 발생 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 열교환장치가 적용된 수소 발생 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 잠수함 내 개질기를 통해 배출되는 고온의 배기가스와 개질기에 공급되는 저온의 연료 간의 열교환시킨 후, 열교환에 의해 상대적으로 온도가 하강한 배기가스 내에서 수소를 별도 분리하여 연료전지로 공급함은 물론, 열교환에 의해 상대적으로 온도가 상승한 연료와 수소가 분리된 배출물의 플라즈마 반응을 통해 추가적인 수소를 분리하여 연료전지로 공급함으로써, 보다 많은 수소발생을 통해 잠수함의 잠항시간을 보다 향상시킬 수 있는 열교환장치가 적용된 수소 발생 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 공기불요시스템(Air Independent Propulsion, AIP)이 적용된 AIP 잠수함은 잠항 운전 시 내부에 구비된 산소 및 수소를 통해 연료전지에서 전력을 생산하여 추진하게 된다.
이때, 기존의 AIP 잠수함은 수소저장합금을 통해 추진에 필요한 수소를 발생 및 연료전지에 공급하게 되는데, 수소저장합금의 경우 질량 대비 수소 저장률이 낮아 잠수함의 잠항시간에 제약이 발생하고 있는 실정이다.
이에, 한정된 크기의 잠수함 내 연료전지에서 수소발생률을 보다 높임으로써 효과적인 추진력을 얻기 위한 기술이 필요한 실정이다.
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 잠수함 내 개질기를 통해 배출되는 고온의 배기가스와 개질기에 공급되는 저온의 연료 간의 열교환시킨 후, 열교환에 의해 상대적으로 온도가 하강한 배기가스 내에서 수소를 별도 분리하여 연료전지로 공급함은 물론, 열교환에 의해 상대적으로 온도가 상승한 연료와 수소가 분리된 배출물의 플라즈마 반응을 통해 추가적인 수소를 분리하여 연료전지로 공급함으로써, 보다 많은 수소발생을 통해 잠수함의 잠항시간을 보다 향상시킬 수 있는 열교환장치가 적용된 수소 발생 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환장치가 적용된 수소 발생 시스템은 잠수함 내 탑재되는 개질기, 상기 개질지로부터 배출되는 제1 배출물과 상기 개질기로 공급되는 개질연료를 서로 열교환시키는 열교환기, 상기 열교환기로부터 배출되는 상기 제1 배출물로부터 수소를 분리하여 연료전지에 공급하는 제1 수소 분리기 및 상기 제1 수소 분리기로부터 배출되는 제2 배출물로부터 수소를 분리하여 상기 연료전지에 추가로 공급하는 제2 수소 분리기를 포함하며, 상기 열교환기에 의해 상대적으로 온도가 낮아진 상기 제1 배출물은 상기 제1 수소 분리기로 공급되고, 상기 열교환기에 의해 상대적으로 온도가 높아진 상기 개질연료는 상기 제2 수소 분리기로 공급되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 배출물은 수소(H2), 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)에 해당할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 수소 분리기는 상기 열교환기에 의해 상대적으로 온도가 낮아진 상기 제1 배출물로부터 수소를 분리한 후, 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)을 상기 제2 배출물로서 상기 제2 수소 분리기로 배출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 수소 분리기는,
상기 제2 배출물 내에 포함된 이산화탄소(CO2)와, 상기 열교환기를 통해 공급되는 상기 개질연료를 플라즈마 반응시킴으로써, 상기 이산화탄소로부터 수소를 분리할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 개질연료는 탄화수소계열 연료 또는 에탄올계열 연료일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 열교환에 의해 상대적으로 온도가 하강한 배기가스 내에서 수소를 별도 분리하여 연료전지로 공급함은 물론, 열교환에 의해 상대적으로 온도가 상승한 연료와 수소가 분리된 배출물의 플라즈마 반응을 통해 추가적인 수소를 분리하여 연료전지로 공급함으로써, 보다 많은 수소발생을 통해 잠수함의 잠항시간을 보다 향상시킬 수 있는 이점을 가진다.
또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 활성화 에너지가 매우 높은 플라즈마 반응을 이용하기 때문에, 반응성이 낮은 배출물로부터 수소를 효과적으로 발생시킬 수 있으며, 반응 시간이 짧아 구동에 시간 및 비용이 최소화되는 이점을 가진다.
또한 열교환기에 의해 온도가 상승한 연료를 플라즈마 반응에 이용함으로써 플라즈마 반응 효율을 높일 수 있음은 물론, 수소 분리기 전단으로 공급되는 배출물의 온도를 낮출 수 있기 때문에 수소 분리기의 효율도 함께 상승하는 이점을 가진다.
도 1은 잠수함 내 개질기로부터 배출되는 배출물로부터 수소를 분리하여 연료전지에 공급하는 종래의 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환장치가 적용된 수소 발생 시스템(100)을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환장치가 적용된 수소 발생 시스템(100)을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
도 1은 잠수함 내 개질기로부터 배출되는 배출물로부터 수소를 분리하여 연료전지에 공급하는 종래의 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 살펴보면, 종래의 잠수함 내 수소 공급 시스템의 경우, 수소 분리기(2)에서는 물과 연료를 이용한 개질기(1)로부터 배출되는 배출물(수소(H2), 이산화탄소(CO2), 물(H2O) 등) 내에서 수소를 분리시킨 후 연료전지(3)에 공급하며, 이때 수소 분리기(2)로부터 배출되는 배출물인 이산화탄소 및 물은 재활용하지 않는다.
따라서, 수소 분리기(2)를 통해 공급되는 수소량이 제한적이기 때문에 잠수함의 잠항 및 추진력에 제약이 발생하게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환장치가 적용된 수소 발생 시스템(100)을 도시한 도면이다.
도 2를 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환장치가 적용된 수소 발생 시스템(100)은 크게 개질기(110), 열교환기(120), 제1 수소 분리기(130) 및 제2 수소 분리기(140)를 포함하여 구성될 수 있다.
개질기(110)는 잠수함 내 물과 개질연료를 개질하는 공정 과정에서 수소(H2), 이산화탄소(CO2), 물(H2O) 등의 배출물(제1 배출물)을 발생하게 되며, 이렇게 발생된 제1 배출물은 수소 분리기(120)로 공급된다. 이때, 배출되는 제1 배출물은 고온의 가스형태인데, 후술되는 열교환기(120)를 통해 온도가 하강된 상태에서 제1 수소 분리기(130)로 공급됨으로써 제1 수소 분리기(130)의 수소 분리 효율이 상승할 수 있다.
열교환기(120)는 개질기(110)로부터 배출되는 고온의 가스 형태인 제1 배출물과 개질기(110)로 공급되는 개질연료를 서로 열교환시킴으로써, 제1 배출물의 온도는 낮추고 개질연료의 온도는 높이는 역할을 한다.
따라서, 열교환기(120)에 의해 온도가 낮아진 제1 배출물은 제1 수소 분리기(130)로 공급되고, 열교환기(120)에 의해 온도가 높아진 개질연료는 후술되는 제2 수소 분리기(140)로 공급된다.
제1 수소 분리기(130)는 열교환기(120)로부터 배출되는 상대적으로 온도가 낮아진 제1 배출물(수소(H2), 이산화탄소(CO2), 물(H2O) 등)로부터 수소를 분리하여 연료전지에 공급하는 역할을 한다.
이러한 제1 수소 분리기(130)는 제1 배출물 중에서 수소를 분리한 후, 남은 이산화탄소 및 물은 제2 수소 분리기(140)로 배출하게 된다.
제2 수소 분리기(140)는 일측이 제1 수소 분리기(130)의 배출단과 연결되며, 또한 일측은 열교환기(120)의 배출단과 연결된다.
따라서, 열교환기(120)로부터 공급되는(배출되는) 상대적으로 온도가 높아진 개질연료와, 제1 수소 분리기(130)로부터 배출되는 이산화탄소(CO2), 물(H2O) 등의 배출물(제2 배출물)을 이용하여 수소를 다시 분리하여 연료전지에 추가로 공급하는 역할을 한다.
이러한 제2 수소 분리기(140)는 이산화탄소 전환기 또는 플라즈마 개질기(건식 개질)라고도 명명할 수 있으며, 제2 배출물 내에 포함된 이산화탄소와 열교환기(120)로부터 공급되는 상대적으로 온도가 높아진 개질연료를 플라즈마 반응시킴으로써 수소를 분리하게 된다.
보다 구체적으로, 제2 수소 분리기(140)는 제2 배출물 내에 포함된 이산화탄소과 개질연료를 혼합한 후 플라즈마를 이용하여 고온, 고압을 가함으로써 이산화탄소(CO2)를 수소(H2)와 일산화탄소(CO)로 전환한다. 예컨대, CO2 + CH4 + 플라즈마 반응 = 2CO + 2H2와 같은 화학식 반응이 일어나게 된다. 이렇게 전환된 수소는 연로전지로 추가로 공급되게 된다.
이때, 개질연료라 함은 탄화수소계열 또는 에탄올계열 연료를 의미할 수 있으며, 열교환기(120)에 의해 이미 온도가 올라간 상태에 해당하기 때문에 제2 수소 분리기(140)를 통한 플라즈마 반응 시 그 효율이 상승할 수 있다.
또한, 플라즈마 반응은 플라즈마 상태를 이용한 것을 의미하는데, 플라즈마 상태는 기체분자나 원자에 에너지가 가해짐에 따라 최외각 전자가 궤도를 이탈함으로써 자유전자가 되어 양전하를 띄게 되며, 양전하의 이온과 전자들이 다수가 모여 전체적으로 전기적인 중성을 갖게 되고 이렇게 구성된 입자들의 상호작용에 의해서 독특한 빛을 방출하면서 높은 반응성을 갖게 되는 상태를 의미한다.
한편, 제2 수소 분리기(140)는 일 실시예에서 플라즈마 개질기를 의미할 수 있다. 플라즈마 개질기는 플라즈마의 분류에 따라 고온 플라즈마 개질기와 저온 플라즈마 개질기로 나눌 수 있다. 고온 플라즈마 개질기는 고온의 열원 발생용으로 사용되는 plasmatron을 이용하는 방법이고, 저온 플라즈마 개질기는 상압 저온플라즈마인 barrier plasma등을 사용하는 방법에 해당한다. 본 발명에서는 어느 방법에 국한되지 않는다.
살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 잠수함 내 개질기를 통해 배출되는 고온의 배기가스와 개질기에 공급되는 저온의 연료 간의 열교환시킨 후, 열교환에 의해 상대적으로 온도가 하강한 배기가스 내에서 수소를 별도 분리하여 연료전지로 공급함은 물론, 열교환에 의해 상대적으로 온도가 상승한 연료와 수소가 분리된 배출물의 플라즈마 반응을 통해 추가적인 수소를 분리하여 연료전지로 공급함으로써 열교환기에 의해 온도가 상승한 연료를 플라즈마 반응에 이용함으로써 플라즈마 반응 효율을 높일 수 있음은 물론, 수소 분리기 전단으로 공급되는 배출물의 온도를 낮출 수 있기 때문에 수소 분리기의 효율도 함께 상승하는 이점을 가진다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 개질기
2: 수소 분리기
3: 연료전지
100: 열교환장치가 적용된 수소 발생 시스템
110: 개질기
120: 열교환기
130: 제1 수소 분리기
140: 제2 수소 분리기
3: 연료전지
100: 열교환장치가 적용된 수소 발생 시스템
110: 개질기
120: 열교환기
130: 제1 수소 분리기
140: 제2 수소 분리기
Claims (5)
- 잠수함 내 탑재되는 개질기;
상기 개질지로부터 배출되는 제1 배출물과 상기 개질기로 공급되는 개질연료를 서로 열교환시키는 열교환기;
상기 열교환기로부터 배출되는 상기 제1 배출물로부터 수소를 분리하여 연료전지에 공급하는 제1 수소 분리기; 및
상기 제1 수소 분리기로부터 배출되는 제2 배출물로부터 수소를 분리하여 상기 연료전지에 추가로 공급하는 제2 수소 분리기;를 포함하며,
상기 열교환기에 의해 상대적으로 온도가 낮아진 상기 제1 배출물은 상기 제1 수소 분리기로 공급되고, 상기 열교환기에 의해 상대적으로 온도가 높아진 상기 개질연료는 상기 제2 수소 분리기로 공급되는 것을 특징으로 하는, 열교환장치가 적용된 수소 발생 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 배출물은 수소(H2), 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)인 것을 특징으로 하는, 열교환장치가 적용된 수소 발생 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 수소 분리기는,
상기 열교환기에 의해 상대적으로 온도가 낮아진 상기 제1 배출물로부터 수소를 분리한 후, 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)을 상기 제2 배출물로서 상기 제2 수소 분리기로 배출하는 것을 특징으로 하는, 열교환장치가 적용된 수소 발생 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 수소 분리기는,
상기 제2 배출물 내에 포함된 이산화탄소(CO2)와, 상기 열교환기를 통해 공급되는 상기 개질연료를 플라즈마 반응시킴으로써, 상기 이산화탄소로부터 수소를 분리하는 것을 특징으로 하는, 열교환장치가 적용된 수소 발생 시스템.
- 제4항에 있어서,
상기 개질연료는,
탄화수소계열 연료 또는 에탄올계열 연료인 것을 특징으로 하는, 열교환장치가 적용된 수소 발생 시스템.
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|---|---|---|---|
| KR1020180145742A KR20200060661A (ko) | 2018-11-22 | 2018-11-22 | 열교환장치가 적용된 수소 발생 시스템 |
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ID=71083243
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101770451B1 (ko) | 2014-11-07 | 2017-08-23 | 대우조선해양 주식회사 | 잠수함 수소 공급 시스템 및 방법 |
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2018
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Patent Citations (1)
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