KR20210074066A - 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템은 수중함에 구비되며, 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 발생시키는 연료전지, 상기 연료전지에 산소를 공급하는 산소공급장치, 상기 연료전지에 수소를 공급하는 수소공급장치, 상기 연료전지가 설정 운전온도 범위 내에서 운전 하도록 냉각수를 순환시켜 상기 연료전지를 냉각하는 냉각시스템, 및 상기 냉각시스템에서의 폐열을 회수하여 전기에너지를 발생시키는 중저온 폐열회수 장치를 포함한다.

Description

수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템{WASTE HEAT RECYCLING SYSTEM FOR FUEL CELL SYSTEM OF SUBMARINE}
본 발명의 실시예들은 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템에 관한 것으로, 수중함의 연료전지시스템에서 버려지는 폐열을 회수하여 전기에너지를 발생시킬 수 있는 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템에 관한 것이다.
수중함은 적에게 노출되지 않기 위해 장시간의 잠항 성능을 요구하고 있다. 이와 같은 성능을 달성하기 위해 공기불요추진(Air Independent Propulsion, AIP) 체계가 적용되고 있으며, 그 중 연료전지가 정숙성 및 효율에서 큰 장점을 보이고 있다.
도 1을 일반적인 수중함 연료전지시스템을 간략히 도시한 도면이다. 연료전지(11)는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 발생시키는 장치이다.
수소는 수소저장합금(또는 연료개질장치)(13)에서 연료전지(11)로 공급된다. 수소저장합금은 수소와 친밀성이 높은 금속격자에 수소를 저장시키는 방법으로 수소를 저장할 때 냉각이 필요하고 수소를 금속격자에서 탈장할 때 가열이 필요하다. 연료개질장치는 탄화수소 및 알코올 계열의 연료를 수증기 개질, 부분산화 개질, 자열 개질과 같은 개질 반응을 이용해 수소와 이산화탄소를 생성한다.
그리고 산소는 산소공급장치(14)에서 연료전지(11)로 공급된다.
한편, 수중함에 적용될 수 있는 연료전지(11)로서 시동 성능과 부하 추종 성능이 좋은 고분자전해질연료저지(PEMFC)가 있으며, 반응 온도에 따라 저온과 고온으로 구분된다. 저온 PEMFC의 운전온도는 60~80℃이고 고온 PEMFC는 120~180℃이다. 연료전지(11)는 운전온도 범위에서 운전을 하는 경우 효율과 내구성이 보장되기 때문에 냉각시스템(15)이 필수적으로 구비된다.
이때, 연료전지(11)에서 1kW 전기를 발생시키기 위해서는 1kW 정도의 열이 냉각되어야 하고, 필요한 수소량은 연료이용률 70~99%, 셀당 0.7V 기준에서 0.075~0.01mol/s 이다. 수소를 생성하기 위해 수소저장합금에서 필요한 에너지는 수소 1mol당 30kJ 기준으로 0.2~0.3kW가 필요하며 안전률 1.3을 적용하더라도 50% 정도의 열에너지가 사용되지 않고 버려질 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2019-0042397호
본 발명의 목적은 수중함에 적용된 연료전지시스템에서 버려지는 폐열을 회수하여 전기에너지를 발생시킬 수 있는 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 수중함에 적용된 연료전지시스템의 연료전지에서 전기를 생성할 때 발생되는 열에너지를 회수하여 전기에너지로 변환시킴으로써 전기추진시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템을 제공함에 있다.
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 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템은 수중함에 구비되며, 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 발생시키는 연료전지; 상기 연료전지에 산소를 공급하는 산소공급장치; 상기 연료전지에 수소를 공급하는 수소공급장치; 상기 연료전지가 설정 운전온도 범위 내에서 운전 하도록 냉각수를 순환시켜 상기 연료전지를 냉각하는 냉각시스템; 및 상기 냉각시스템에서의 폐열을 회수하여 전기에너지를 발생시키는 중저온 폐열회수 장치;를 포함한다.
상기 수소공급장치는, 수소와 친밀성이 높은 금속격자에 수소를 저장시키는 수소저장합금일 수 있다.
상기 연료전지와 상기 냉각시스템 사이를 연결하며, 상기 연료전지를 통과한 냉각수를 회수하는 냉각수 회수라인; 및 상기 냉각시스템과 상기 연료전지 사이를 연결하며, 상기 냉각시스템을 통과한 냉각수를 상기 연료전지로 공급하는 냉각수 공급라인;을 포함하며, 상기 냉각수 공급라인은 서로 분리된 제1, 2 분기라인을 포함한다.
상기 제1 분기라인에는 상기 수소저장합금과 열교환을 하는 제1 열교환기가 구비되고, 상기 제1 열교환기는 상기 수소저장합금에 필요한 열에너지를 전달하며, 상기 제2 분기라인에는 상기 중저온 폐열회수 장치와 열교환을 하는 제2 열교환기가 구비되고, 상기 제2 열교환기는 상기 수소저장합금에 필요한 열에너지를 전달하고 남은 열에너지를 이용하여 상기 중저온 폐열회수 장치에서 열매개체를 기화시킬 수 있다.
상기 제1 열교환기에서는, 해수가 가열되고, 상기 가열된 해수가 상기 수소저장합금에 공급되어 상기 수소저장합금에서 수소가 탈장할 수 있다.
상기 제2 열교환기에서, 상기 열매개체는 중저온의 열원에서 증발이 가능한 R245fa, Novec649, TFEA 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 중저온 폐열회수 장치는 상기 제2 열교환기에 의해 기화된 열매개체를 이용하여 터빈을 구동시켜 전기에너지를 발생시킬 수 있다.
상기 수소공급장치는, 연료개질을 이용하여 수소를 생산하는 연료개질장치 일 수 있다.
상기 연료전지와 상기 냉각시스템 사이를 연결하며, 상기 연료전지를 통과한 냉각수를 회수하는 냉각수 회수라인; 및 상기 냉각시스템과 상기 연료전지 사이를 연결하며, 상기 냉각시스템을 통과한 냉각수를 상기 연료전지로 공급하는 냉각수 공급라인;을 포함하며, 상기 냉각수 공급라인에는, 상기 냉각수의 열에너지를 상기 중저온 폐열회수 장치에 전달하는 열교환기가 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예 따르는 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템에 의하면 수중함에 적용된 연료전지시스템에서 버려지는 폐열을 회수하여 전기에너지를 발생시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예 따르는 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템에 의하면 연료전지에서 전기를 생성할 때 발생되는 열에너지를 회수하여 전기에너지로 변환시킴으로써 전기추진시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
종래의 경우, 연료전지에서 전기를 생성할 때 발생되는 열에너지를 그대로 바다로 방출하는 등 열에너지를 폐기 및 일부만 사용하여 시스템의 효율이 저하되는 문제가 있었다.
본 발명은 이를 해결하기 위해 연료전지시스템에서 버려지는 폐열을 회수하여 전기에너지를 발생시키는데 이용함으로써, 전기추진시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 수중함 연료전지시스템을 간략히 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템을 간략히 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템을 간략히 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템을 간략히 도시한 개념도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템을 간략히 도시한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템(100)은 연료전지(110), 산소공급장치(120), 수소공급장치(130), 냉각시스템(140), 중저온 폐열회수 장치(170)를 포함한다.
연료전지(110)는 수중함에 구비되며, 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 발생시킨다.
산소공급장치(120)는 상기 연료전지(110)에 산소를 공급하도록 구성될 수 있다.
수소공급장치(130)는 상기 연료전지(110)에 수소를 공급하도록 구성될 수 있다.
냉각시스템(140)은 상기 연료전지(110)가 설정 운전온도 범위 내에서 운전 하도록 냉각수를 순환시켜 상기 연료전지(110)를 냉각하는 역할을 담당한다.
중저온 폐열회수 장치(170)는 상기 냉각시스템(140)에서의 폐열을 회수하여 전기에너지를 발생시키는 장치를 말한다.
도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템(100)의 경우, 상기 수소공급장치(130)는 수소와 친밀성이 높은 금속격자에 수소를 저장시키는 수소저장합금(131)을 이용할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템(100)은 냉각수 회수라인(151)과 냉각수 공급라인(153)을 포함한다.
냉각수 회수라인(151)은 상기 연료전지(110)와 상기 냉각시스템(140) 사이를 연결하며, 상기 연료전지(110)를 통과한 냉각수를 회수하는 배관으로 구성될 수 있다.
냉각수 공급라인(153)은 상기 냉각시스템(140)과 상기 연료전지(110) 사이를 연결하며, 상기 냉각시스템(140)을 통과한 냉각수를 상기 연료전지(110)로 다시 공급하는 배관으로 구성될 수 있다.
구체적으로는 냉각수 공급라인(153)은 서로 분리된 복수의 분기라인, 즉 제1, 2 분기라인(154, 155)을 포함한다.
이때, 제1 분기라인(155)에는 상기 수소저장합금(131)과 열교환을 하는 제1 열교환기(161)가 구비될 수 있다. 제1 열교환기(161)는 상기 수소저장합금(131)에 필요한 열에너지를 전달하는 역할을 한다.
또한, 제2 분기라인(154)에는 상기 중저온 폐열회수 장치(170)와 열교환을 하는 제2 열교환기(163)가 구비될 수 있다.
제2 열교환기(163)는 상기 수소저장합금(131)에 필요한 열에너지를 전달하고 남은 열에너지를 이용하여 중저온 폐열회수 장치(170)에서 열매개체를 기화시키도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 제1 열교환기(161)에서는 해수가 가열된다. 제1 열교환기(161)에서 가열된 해수는 상기 수소저장합금(131)에 공급되어 상기 수소저장합금(131)에서 수소가 탈장하게 된다.
또한, 상기 제2 열교환기(163)에서 열매개체는 중저온의 열원에서 증발이 가능한 R245fa, Novec649, TFEA 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
중저온 폐열회수 장치(170)는 상기 제2 열교환기(163)에 의해 기화된 열매개체를 이용하여 터빈을 구동시켜 전기에너지를 발생시킬 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템(100)의 경우, 수소공급장치(130)는 연료개질을 이용하여 수소를 생산하는 연료개질장치(133)를 이용할 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템(100)은 연료전지(110)와 냉각시스템(140) 사이를 연결하며, 연료전지(110)를 통과한 냉각수를 회수하는 냉각수 회수라인(151)과, 냉각시스템(140)과 연료전지(110) 사이를 연결하며, 냉각시스템(140)을 통과한 냉각수를 연료전지(110)로 공급하는 냉각수 공급라인(153)을 포함한다.
이때, 냉각수 공급라인(153)에는 냉각수의 열에너지를 중저온 폐열회수 장치(170)에 전달하는 열교환기(163)가 구비될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따르는 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템(100)의 작용에 관하여 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따르는 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템(100)에서, 중저온 폐열회수 장치(170)는 중저온의 열원에서 증발이 가능한 열매개체(냉매)를 이용하는 것으로, R245fa, Novec649, TFEA 등을 이용할 수 있다.
연료전지(110)의 냉각수는 물 혹은 증류수를 이용하고 연료전지(110)를 통과하고 가열된 냉각수(저온 PEMFC의 경우 60~70℃, 고온 PEMFC의 경우 100~120℃)의 일부는 수소저장합금(131)에 필요한 열에너지를 전달하기 위한 제1 열교환기(161)로 공급되고, 남는 열에너지는 중저온 폐열회수 장치(170)에서 열매개체를 기화하기 위한 제2 열교환기(163) 에 공급된다.
수소저장합금(131)을 열에너지를 전달하기 위한 제1 열교환기(161)에서는 해수가 가열된다. 가열된 해수는 수소저장합금(131)에 공급되어 열전달을 통해 수소저장합금(131)에서 수소가 탈장하게 된다.
중저온 폐열회수 장치(170)에서는 기화된 열매개체가 터빈을 거쳐 전기에너지를 발생시킨다. 발생된 전기에너지는 수중함에 필요한 전기 장비에 공급될 수 있다.
도 3을 참조하면, 만일, 수소공급장치(130)에 수소저장합금(131, 도 2 참조)이 아니라 연료개질장치(133)를 이용하여 수소를 생산하는 경우, 냉각수의 열에너지 모두를 중저온 폐열회수 장치(170)에 전달하여 전기에너지를 발생시키고 연료 개질 공정에 필요한 전기 장비에 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면 수중함에 적용된 연료전지시스템에서 버려지는 폐열을 회수하여 전기에너지를 발생시킬 수 있는 장점이 있다.
나아가, 연료전지에서 전기를 생성할 때 발생되는 열에너지를 회수하여 전기에너지로 변환시킴으로써 전기추진시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
종래의 경우, 연료전지에서 전기를 생성할 때 발생되는 열에너지를 그대로 바다로 방출하는 등 열에너지를 폐기 및 일부만 사용하여 시스템의 효율이 저하되는 문제가 있었다. 본 발명은 이를 해결하기 위해 연료전지시스템에서 버려지는 폐열을 회수하여 전기에너지를 발생시키는데 이용함으로써, 전기추진시스템의 효율을 향상시킬 수 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: 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템
110: 연료전지
120: 산소공급장치
130: 수소공급장치
131: 수소저장합금
133 연료개질장치
140: 냉각시스템
151: 냉각수 회수라인
153: 냉각수 공급라인
154: 제2 분기라인
155: 제1 분기라인
161: 제1 열교환기
163: 제2 열교환기(또는 열교환기)
170: 중저온 폐열회수 장치

Claims (9)

  1. 수중함에 구비되며, 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 발생시키는 연료전지;
    상기 연료전지에 산소를 공급하는 산소공급장치;
    상기 연료전지에 수소를 공급하는 수소공급장치;
    상기 연료전지가 설정 운전온도 범위 내에서 운전 하도록 냉각수를 순환시켜 상기 연료전지를 냉각하는 냉각시스템; 및
    상기 냉각시스템에서의 폐열을 회수하여 전기에너지를 발생시키는 중저온 폐열회수 장치;
    를 포함하는 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수소공급장치는,
    수소와 친밀성이 높은 금속격자에 수소를 저장시키는 수소저장합금인 것을 특징으로 하는
    수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연료전지와 상기 냉각시스템 사이를 연결하며, 상기 연료전지를 통과한 냉각수를 회수하는 냉각수 회수라인; 및
    상기 냉각시스템과 상기 연료전지 사이를 연결하며, 상기 냉각시스템을 통과한 냉각수를 상기 연료전지로 공급하는 냉각수 공급라인;을 포함하며,
    상기 냉각수 공급라인은 서로 분리된 제1, 2 분기라인을 포함하는
    수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 분기라인에는 상기 수소저장합금과 열교환을 하는 제1 열교환기가 구비되고,
    상기 제1 열교환기는 상기 수소저장합금에 필요한 열에너지를 전달하며,
    상기 제2 분기라인에는 상기 중저온 폐열회수 장치와 열교환을 하는 제2 열교환기가 구비되고,
    상기 제2 열교환기는 상기 수소저장합금에 필요한 열에너지를 전달하고 남은 열에너지를 이용하여 상기 중저온 폐열회수 장치에서 열매개체를 기화시키는 것을 특징으로 하는
    하는 수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 열교환기에서는, 해수가 가열되고, 상기 가열된 해수가 상기 수소저장합금에 공급되어 상기 수소저장합금에서 수소가 탈장하는 것을 특징으로 하는
    수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2 열교환기에서, 상기 열매개체는 중저온의 열원에서 증발이 가능한 R245fa, Novec649, TFEA 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
    수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 중저온 폐열회수 장치는 상기 제2 열교환기에 의해 기화된 열매개체를 이용하여 터빈을 구동시켜 전기에너지를 발생시키는 것을 특징으로 하는
    수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수소공급장치는,
    연료개질을 이용하여 수소를 생산하는 연료개질장치인 것을 특징으로 하는
    수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연료전지와 상기 냉각시스템 사이를 연결하며, 상기 연료전지를 통과한 냉각수를 회수하는 냉각수 회수라인; 및
    상기 냉각시스템과 상기 연료전지 사이를 연결하며, 상기 냉각시스템을 통과한 냉각수를 상기 연료전지로 공급하는 냉각수 공급라인;을 포함하며,
    상기 냉각수 공급라인에는,
    상기 냉각수의 열에너지를 상기 중저온 폐열회수 장치에 전달하는 열교환기가 구비되는 것을 특징으로 하는
    수중함 연료전지시스템의 폐열 회수시스템.
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