KR20220091934A - 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액화수소만으로 발전 및 냉각이 가능하여 외부의 전원 공급 없이 독자적으로 운영 가능한 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적 달성을 위하여 본 발명은, 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템에 있어서, 내부의 형성된 내부공간에 액체수소를 저장하는 저장탱크; 상기 저장탱크에서 기화된 수소를 이용하여 전원을 생성하는 연료전지; 상기 연료전지의 전원에 의하여 동작하는 초전도코일; 및 상기 초전도코일의 냉각 온도를 유지하기 위한 냉매를 냉각시키기 위하여 상기 저장탱크에 저장된 액화수로와 상기 냉매를 열교환하는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템{Spurconducting coil system using liquefied hydrogen and fuel cell}

본 발명은 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템에 관한 것이다.

초전도선재는 물체의 전기저항이 0인 물질을 의미하며, 액체헬륨의 온도인 4K 근처에서 전류저항이 0에 가까운 물질을 저온초전도선재(Low temperature superconductor, LTS), 액체 헬륨보다 고온의 액체질소 온도인 77K에서 초전도 현상을 보이는 물질을 고온초전도선재(High temperature superconductor, HTS)라 일컫는다. 초전도선재는 높은 임계온도, 임계전류밀도 및 임계자기장을 나타내기 때문에 초전도 코일 형태로 제작되어 많은 분야에 응용되고 있다.

특히, 초전도코일은 상기와 같은 특성을 갖는 선재를 이용하여 예를 들면 등록특허 제775986호에 개시된 바와 같이, 고정프레임에 결합된 권선부 및 상기 권선부 양측에 형성된 두개의 권선공급부 및 이에 대응되는 권선가이드부로부터, 상기 권선부를 이루는 더블팬케이크 보빈의 위치를 고정한 상태에서, 상기 권선공급부를 순차적으로 작동시키는 방법으로 더블팬케이크 보빈의 1층권선대 및 2층권선대에 초전도 선재를 연속적이고 신속하게 권선시키는 방법으로 제작될 수 있다.

또한, 초전도코일은 극저온의 온도를 유지한 상태에서 통상 저전압 고전류의 전력으로 구동되는 것이 일반적이다.

한편, 현재 전기 발전원으로 사용되고 있는 석유, 천연가스 및 우라늄의 사용가능한 매장량의 한계와, CO2 발생으로 인한 기후변화 및 방사능 오염 등으로 인한 환경문제를 해결하기 위하여, 수소에너지를 이용한 발전시스템인 연료전지가 대체 발전기술로 도입되고 있다.

특히 연료전지는 수소를 이용하여 발전하는 것을 특징으로 하고, 단위 스택을 기준으로 저전압에 고전류를 생성할 수 있는 저가형을 선택하더라도 초전도코일의 전력 공급용으로 적합한 독특한 특징이 있다.

또한 수소 연료의 경우, 저장 경제성을 위항 주로 액화된 상태에 보관되고 이동되고, 실제 사용시에 기화하여 사용하므로, 상기 기화에 따라 생성되는 냉열을 별도로 활용할 수 있다.

즉, 액화수소와 연료전지를 이용하여 초전도코일을 구동하는 경우 별도의 외부 전원 공급 없이 액화수소만으로 가동할 수 있을 것으로 기대된다.

본 발명은 상기와 같은 필요에 의하여 안출된 것으로, 액화수소만으로 발전 및 냉각이 가능하여 외부의 전원 공급 없이 독자적으로 운영 가능한 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기의 목적 달성을 위하여 본 발명은, 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템에 있어서, 내부의 형성된 내부공간에 액체수소를 저장하는 저장탱크; 상기 저장탱크에서 기화된 수소를 이용하여 전원을 생성하는 연료전지; 상기 연료전지의 전원에 의하여 동작하는 초전도코일; 및 상기 초전도코일의 냉각 온도를 유지하기 위한 냉매를 냉각시키기 위하여 상기 저장탱크에 저장된 액화수로와 상기 냉매를 열교환하는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 저장탱크는 기화된 수소를 배출하여 상기 연료전지로 공급하는 배출관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 배출관은 상기 저장탱크 상단에 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 저장탱크는 내부공간에 저장된 액체수소를 상기 열교환기에 공급하는 유동관을 포함하고, 상기 열교환기에 공급된 액화수소가 기화된 수소를 다시 상기 저장탱크로 안내하는 유입관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 유동관은 상기 저장탱크의 하부에 위치하고, 상기 유입관은 상기 저장탱크에 저장되는 액화수소 수위 상단 위치의 저장탱크에 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 초전도코일의 냉각하는 냉매는 순환관을 통하여 상기 열교화기와 상기 초전도코일을 순환하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 순환관은 상기 열교환기 내부에 배치되는 절곡부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 절곡부는 복수개인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 열교환기는 수소의 순환 방향과 냉매의 순환 방향을 반대로 설정하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 연료전지의 스텍은 한 개 내지 세 개인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 유출관에는 액화수소의 이송을 위한 펌핑장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템은 액화수소를 저장하는 저장탱크, 저장탱크의 기화 수소를 이용하여 동작하는 연료전지, 연료전지에서 생성된 전기로 동작하는 초전도코일, 상기 초전도코일의 냉각을 위한 냉매와 상기 저장탱크의 액화수로와 열교화시켜 냉매를 냉각하는 열교환기를 포함하여, 액화수소를 이용하여 초전도코일에 적합한 전력을 생성하여 공급하고, 또한 초전도 현상을 위한 냉각을 동시에 수행할 수 있어, 외부전력의 공급없이 안정된 상태로 초전도코일을 구동할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템의 구성도이며,
도 2는 도 1에 도시된 연료탱크의 구성도이며,
도 3은 도 1에 도시된 열교환기의 구성도이며,
도 4는 도 3의 다른 실시예이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 “연결”, “결합” 또는 “접속”된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 “연결”, “결합” 또는 “접속”될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템(100)은 도 1에 도시된 바와 같이, 액화수소를 저장하는 저장탱크(10), 상기 저장탱크(10)의 기화된 수소를 이용하여 전력을 생성하는 연료전지(20), 상기 연료전지(20)에서 생성된 전원에 의하여 동작하는 초전도코일(90), 상기 초전도코일(90)의 냉각을 위한 냉매와 상기 저장탱크(10)의 액화수소를 순화시켜 열교환하는 열교환기(30)을 포함하여 구성된다.

먼저 상기 저장탱크(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 내부 공간이 형성되어 있으며, 별도의 관 등을 통하여 액화수소가 공급되어 상기 내부 공간에 저장된다.

또한 기화된 수소가 배출되는 배출관(11)을 포함하며, 상기 배출관(11)은 저장탱크(10) 상단에 연통되는 형태로 배치되는 것이 바람직하다.

상기 배출관(11)을 통하여 유출되는 수소는 상기 연료전지(20)에 공급되며, 필요한 경우 상기 수소의 유동을 위한 별도의 펌핑 장치를 포함할 수 있다.

또한 일부의 액화수소가 유출되는 유동관(12)을 포함하며, 상기 유동관(12)은 상기 저장탱크(10) 하단에 연통되는 형태로 배치되는 것이 바람직하다.

또한 상기 유동관(12)을 통하여 배출되는 액화수소가 상기 열교환기(30)를 거쳐 기화된 수소가 다시 상기 저장탱크(10)로 유입되는 유입관(13)을 포함한다.

상기 유입관(13)을 통하여 기화된 수소가 유입되므로, 상기 유입관(13)은 상기 저장탱크(10)에 통상으로 저장되는 액체 수소 수위 보다 높은 위치에 배치되는 것이 바람직하다.

즉, 액화수소는 상기 유동관(12)을 통하여 유출된 후, 열교환기(30)를 통하여 열관환되어 기화되며, 기화된 수소는 상기 유입관(13)을 통하여 다시 저장탱크(10)로 유입된다.

필요한 경우 상기 유동관(12) 관로에는 액화수소의 유동을 위한 펌핑 장치를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 연료전지(20)는 상기 배출관(11)과 연통되어 구성되며, 상기 배출관(11)을 통하여 공급되는 수소를 이용하여 전력을 생산한다.

필요한 경우, 별도의 물 등을 공급받을 수 있으며, 예열이나 기타 연료전지(20) 가동을 위한 장치들을 포함한다.

통상의 연료전지(20)는 다수의 스텍이 적층되어 제작되어 높은 제조비용을 나타내나, 단일 스텍으로 구동에 필요한 전력이 생성되는 경우, 낮은 비용으로 연료전지(20)를 적용할 수 있다.

일반적으로 연료전지(20)의 단일 스텍은 최대 정격에서 0.6 내지 0.7V의 직류 전원을 생성하는 특성이 있다.

또한 상기 초전도코일(90)은 낮은 전압에서 동작되는 특성이 있으며, 단일 스텍 또는 2~3개 정도의 스텍만으로 상기 초전도코일(90)을 구동할 수 있는 충분한 전원을 생성할 수 있어, 저가의 연료전지(20)을 적용할 수 있다.

즉, 상기와 같은 특성을 갖는 연료전지(20)는 저전압의 직류를 생성하고, 생성된 직류는 초전도코일(90)의 동작을 위하여 공급되므로, 상기와 같은 적은 스텍 수를 갖는 연료전지(20)와 초전도코일(90)의 조합은 낮은 비용에서 매우 안정적으로 초전도코일(90)의 동작을 지원하는 효과가 있다.

한편, 상기 초전도코일(90)은 상기 연료전지(20)에서 공급되는 전원에 의하여 동작하며, 또한 별도로 순환되는 냉매에 의하여 초전도 현상을 위한 온도로 유지된다.

상기 초전도코일(90)에 사용되는 초전도 선재는 금속 기판, 완충층, 초전도층, 캡핑층 및 안정화층의 적층 구조를 가질 수 있고, 초전도부로 기능하는 초전도층을 중심으로 상부의 금속층들은 상부 금속부, 하부의 금속층들은 하부 금속부로 칭할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서 금속부는 하나의 단일의 금속층으로 구성될 수도 있고, 이와 달리 둘 이상의 복수의 금속층의 적층 구조로 구성될 수도 있다.

또한, 상기 초전도층과 상기 기판과 같은 하부 금속부 사이에는 완충층과 같은 다른 층이 개재될 수 있다. 또한, 본 발명에서 상기 상부 금속부와 하부 금속부는 선재 외곽을 따라 연결될 수 있음은 물론이다.

본 발명에 사용되는 초전도선재는 특히 각 층의 적층면에 수직 방향(즉 적층 방향)으로 초전도층을 관통하는 복수의 수직 채널이 형성되어 있다. 상기 채널은 상부 금속부와 하부 금속부를 결합한다.

상기 냉매는 헬륨 또는 질소를 이용하며, 본 발명에서는 액화수소에 의하여 냉매를 냉각하므로, 헬륨 또는 질소 모두를 적용할 수 있다.

상기 냉매는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 초전도코일(90) 내부와 상기 연료환기(30) 사이에 배치되는 순환관(91)을 통하여 순환한다.

물론 상기 순환관(91)에는 냉매 순환을 위한 별도의 펌핑 장치를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 순환관(91)은 도 3에 도시된 바와 같이, 열교환기(30) 내부에 배치되어 순환되는 냉매의 온도를 강하시킨다.

상기 열교환기(30)는 내부에 공간이 형성되며, 상기 내부 공간은 상기 유동관(12)과 상기 유입관(13)과 각각 연통한다.

따라서 상기 유동관(12)을 통하여 상기 저장탱크(10)에 저장된 액화수소가 유입되어 상기 내부 공간에 담겨지며, 기화된 수소는 상기 유입관(13)을 통하여 상기 저장탱크(10)로 이동된다.

또한, 상기 순환관(91) 역시 상기 열교관기(30) 내부에 배치되며, 이때 상기 순환관(91)은 액화수소 저장 영역을 수직으로 통과한 후, 수소 영역을 수평으로 진행한 후, 다시 액화수소 저장 영역을 관통하는 하나의 절곡부(92)를 포함하여 구성될 수 있다.

필요한 경우 상기 절곡부(92)는 액화수소 저장 영역에만 배치되도록 설치될 수 있다.

또한, 상기 냉매의 순화 방향과 액화수소 및 수소의 유동 방향과는 서로 반대 방향으로 설정하는 것이 열교환측면에서 유리하다.

통상 액화수소의 온도가 액체 헬륨 또는 액체 질소보다 낮으므로, 상기 순환관(91) 중 상기 열교환기(30) 내부에 배치되는 길이를 조절하는 경우, 냉각된 기체 냉매 또는 액화된 냉매 형태로 상기 초전도코일(90) 측으로 공급할 수 있다.

즉, 많은 열전달이 요하는 경우 도 4와 같이 상기 열교환기(30) 내부에 배치되는 순환관(91)에 복수의 절곡부(92)를 포함하도록 구성될 수 있으며, 이때 냉매의 충분한 온도 저감을 얻을 수 있으며, 필요한 경우 액체의 냉매도 얻을 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템을 실시하기 위한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변경하여 실시가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

10: 저장탱크 11: 배출관
12: 유동관 13: 유입관
20: 연료전지 30: 열교환기
90: 초전도코일 91: 순환관
92: 절곡부 100: 초전도코일 시스템

Claims (11)

1. 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템에 있어서,
   내부의 형성된 내부공간에 액체수소를 저장하는 저장탱크;
   상기 저장탱크에서 기화된 수소를 이용하여 전원을 생성하는 연료전지;
   상기 연료전지의 전원에 의하여 동작하는 초전도코일; 및
   상기 초전도코일의 냉각 온도를 유지하기 위한 냉매를 냉각시키기 위하여 상기 저장탱크에 저장된 액화수로와 상기 냉매를 열교환하는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 저장탱크는 기화된 수소를 배출하여 상기 연료전지로 공급하는 배출관을 포함하는 것을 특징으로 하는 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 배출관은 상기 저장탱크 상단에 형성되는 것을 특징으로 하는 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 저장탱크는 내부공간에 저장된 액체수소를 상기 열교환기에 공급하는 유동관을 포함하고, 상기 열교환기에 공급된 액화수소가 기화된 수소를 다시 상기 저장탱크로 안내하는 유입관을 포함하는 것을 특징으로 하는 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 유동관은 상기 저장탱크의 하부에 위치하고, 상기 유입관은 상기 저장탱크에 저장되는 액화수소 수위 상단 위치의 저장탱크에 형성되는 것을 특징으로 하는 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 초전도코일의 냉각하는 냉매는 순환관을 통하여 상기 열교화기와 상기 초전도코일을 순환하는 것을 특징으로 하는 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 순환관은 상기 열교환기 내부에 배치되는 절곡부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 절곡부는 복수개인 것을 특징으로 하는 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템.
9. 청구항 6에 있어서, 상기 열교환기는 수소의 순환 방향과 냉매의 순환 방향을 반대로 설정하는 것을 특징으로 하는 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템.
10. 청구항 1에 있어서, 상기 연료전지의 스텍은 한 개 내지 세 개인 것을 특징으로 하는 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템.
11. 청구항 4에 있어서, 상기 유출관에는 액화수소의 이송을 위한 펌핑장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액화수소와 연료전지를 이용한 초전도코일 시스템.

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