WO2020085594A1 - 수중용 연료전지 시스템 - Google Patents

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WO2020085594A1
WO2020085594A1 PCT/KR2019/005591 KR2019005591W WO2020085594A1 WO 2020085594 A1 WO2020085594 A1 WO 2020085594A1 KR 2019005591 W KR2019005591 W KR 2019005591W WO 2020085594 A1 WO2020085594 A1 WO 2020085594A1
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fuel cell
supply unit
oxygen
fuel
combustor
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PCT/KR2019/005591
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신현길
이정규
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범한퓨얼셀 주식회사
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    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to an underwater fuel cell system.
  • a fuel cell is an energy conversion device that directly converts chemical energy of hydrogen and oxygen in air into electrical energy.
  • These fuel cells depending on the type of electrolyte used, alkaline fuel cells (Alkaline Fuel Cell: AFC), phosphoric acid fuel cells (Phosporic Acid Fuel Cell: PAFC), molten carbonate fuel cells (Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC) , It can be classified as a polymer electrolyte fuel cell (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC).
  • the reformed type fuel cell used in a submarine or the like can be operated using hydrogen or oxygen stored in a liquefied state produced through a reforming process using hydrocarbon or methanol and ethanol-based alcohol fuel.
  • a fuel cell when a fuel cell is used in water, it is not easy to discharge hydrogen and oxygen generated after the reaction in the fuel cell to the outside, so a fuel having a multi-stage structure to react hydrogen and oxygen at a conversion rate close to 100%. Cells were applied.
  • An underwater fuel cell system includes a fuel supply unit; Oxygen supply; A reformer connected to the fuel supply unit and receiving a fuel from the fuel supply unit to cause a reforming reaction to generate a mixed gas containing carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen; A combustor connected to the fuel supply unit and the oxygen supply unit, receiving the fuel from the fuel supply unit, and receiving the oxygen from the oxygen supply unit to heat the reformer; A purification unit connected to the reformer, receiving hydrogen from the reformer to purify hydrogen, and discharging the carbon monoxide and the carbon dioxide into the combustor; And a first stage fuel cell connected to the purification unit, the oxygen supply unit and the combustor, receiving the purified hydrogen from the purification unit, and receiving the oxygen from the oxygen supply unit to produce electrical energy. Unreacted hydrogen and unreacted oxygen that have not reacted in the process of producing electrical energy in the first stage fuel cell may be discharged to the combustor.
  • the combustor may discharge carbon dioxide to the outside.
  • At least some of the carbon dioxide discharged from the combustor may be diluted with oxygen supplied from the oxygen supplyer and supplied to the first stage fuel cell.
  • the first stage fuel cell may include a dual catalyst including platinum, carbon-supported platinum or platinum black (Pt-black).
  • the first-stage fuel cell may include an electrolyte membrane having a thickness of 5 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the purification unit may include a palladium membrane or a pressure swing adsorption (PSA).
  • PSA pressure swing adsorption
  • An underwater fuel cell system includes a fuel supply unit; Oxygen supply; A reformer connected to the fuel supply unit and receiving a fuel from the fuel supply unit to cause a reforming reaction to generate a mixed gas containing carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen; A combustor connected to the fuel supply unit and the oxygen supply unit, receiving the fuel from the fuel supply unit, and receiving the oxygen from the oxygen supply unit to heat the reformer; A purification unit connected to the reformer and converting the carbon monoxide to carbon dioxide by receiving the mixed gas from the reformer; And a first stage fuel cell connected to the purification unit, the oxygen supply unit and the combustor, receiving the hydrogen from the purification unit and receiving the oxygen from the oxygen supply unit to produce electrical energy. Unreacted hydrogen and unreacted oxygen that have not reacted in the process of producing electrical energy in the fuel cell may be discharged to the combustor.
  • the combustor may discharge carbon dioxide to the outside.
  • At least a portion of the carbon dioxide discharged from the combustor may be diluted with oxygen supplied to the oxygen supplyer and supplied to the first stage fuel cell.
  • the first stage fuel cell may include a binary catalyst including platinum, carbon-supported platinum, or platinum black.
  • the first-stage fuel cell may include an electrolyte membrane having a thickness of 5 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the purification unit may include at least one of a WGS (Water Gas Shift) reactor and a PROx (Preferential Oxidation) reactor.
  • WGS Water Gas Shift
  • PROx Preferential Oxidation
  • the fuel cell system for underwater use has a simple structure by using a single-stage fuel cell, and manufacturing cost can be reduced.
  • FIG. 1 is a schematic structural diagram of an underwater fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic structural diagram of an underwater fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic structural diagram of an underwater fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic structural diagram of an underwater fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
  • an underwater fuel cell system 1 is a schematic structural diagram of an underwater fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention.
  • an underwater fuel cell system 1 may mean an energy conversion system that converts energy generated through a chemical reaction between hydrogen and oxygen into electrical energy.
  • the fuel cell system 1 for water is connected to the fuel supply unit 100 for supplying fuel, the oxygen supply unit 200 for supplying oxygen, and the fuel supply unit 100 to receive a fuel and cause a reforming reaction to generate a mixed gas.
  • the reformer 400 to be generated, the fuel supply unit 100 and the oxygen supply unit 200 is connected to the combustor 300 for heating the reformer 400, the reformer 400 is connected to the mixed gas introduced from the reformer 400 It may include a purification unit 500 to be purified and a one-stage fuel cell 600 connected to the purification unit 500 to receive hydrogen.
  • the fuel supply unit 100 may store fuel for generating hydrogen used in the first-stage fuel cell 600, for example, natural gas, petroleum, methanol-based alcohol, as well as hydrocarbons such as coal and bioethanol. You can.
  • the fuel supply unit 100 may store hydrocarbon or methanol and ethanol-based alcohol. Hydrogen may be purified while the hydrocarbon or methanol and ethanol-based alcohol supplied from the fuel supply unit 100 sequentially passes through the reformer 400 and the purification unit 500, and the purified hydrogen is supplied to the first stage fuel cell 600. Can be introduced.
  • the oxygen supply unit 200 may include liquid oxygen and an oxygen tank that stores liquid oxygen.
  • the oxygen supply unit 200 may be respectively connected to the combustor 300 and the first stage fuel cell 600 to supply oxygen to the combustor 300 and the first stage fuel cell 600.
  • Combustor 300 may be provided to heat reformer 400.
  • the combustor 300 may be connected to the fuel supply unit 100 and the oxygen supply unit 200 to receive fuel and oxygen to generate combustion reactions to generate heat. Heat generated from the combustor 300 may heat the reformer 400.
  • the combustor 300 may discharge carbon dioxide therein to the outside. In other words, carbon dioxide may be generated as a result of the combustion reaction in the combustor 300 or carbon dioxide may be introduced from the purification unit 500. Accordingly, the combustor 300 may discharge such carbon dioxide to the outside.
  • the reformer (400, reformer) is connected to the fuel supply unit 100 is supplied with fuel from the fuel supply unit 100 to generate a mixed gas containing carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen.
  • the reformer 400 may be heated by the combustor 300 to effectively generate a mixed gas.
  • the reformer 400 may extract hydrogen from a mixed gas supplied from the fuel supply unit 100 through a chemical reaction as shown in Equation 1 below.
  • the refining unit 500 may be connected to the reformer 400 to purify hydrogen from a mixture of carbon monoxide, carbon dioxide, and hydrogen that has passed through the reformer 400, and discharge carbon monoxide and carbon dioxide to the combustor 300. Therefore, the mixed gas that has passed through the refining unit 500 may flow into the first stage fuel cell 600 including high concentration hydrogen gas.
  • the purification unit 500 may include, for example, a palladium film or a PSA (Pressure Swing Adsorption).
  • the first stage fuel cell 600 may be connected to the purification unit 500 and the oxygen supply unit 200 to receive hydrogen and oxygen.
  • the first stage fuel cell 600 may produce electrical energy through chemical reactions of hydrogen and oxygen. For example, when hydrogen and oxygen are supplied to the first stage fuel cell 600, an oxidation reaction in which hydrogen loses electrons occurs at the negative electrode of the first stage fuel cell 600, and the first stage fuel cell 600 In the anode, a reduction reaction in which oxygen obtains electrons occurs. In this process, electric energy is generated by the movement of electrons.
  • the underwater fuel cell system 1 is a multi-stage fuel cell that is conventionally used by supplying unreacted hydrogen and unreacted oxygen generated in the first-stage fuel cell 600 to the combustor 300. Can not be used.
  • a multi-stage fuel cell is used to repeatedly react unreacted hydrogen and unreacted oxygen. After producing energy, only the least amount of unreacted gas was discharged to the outside.
  • a multi-stage fuel cell has a complicated structure, which has a disadvantage in terms of maintenance and has a high production cost.
  • a single-stage fuel cell can be used instead of a multi-stage fuel cell, and consequently maintenance / maintenance. It is easy and has the effect of reducing the manufacturing cost.
  • the fuel cell system 1 for underwater according to another embodiment of the present invention is connected to a fuel supply unit 100 for supplying fuel, an oxygen supply unit 200 for supplying oxygen, and a fuel supply unit 100 It is connected to the combustor 300, the reformer 400 which is connected to the reformer 400, the fuel supply unit 100, and the oxygen supply unit 200 that generates a mixed gas by receiving a fuel and causes a reforming reaction, and heats the reformer 400. It may include a purification unit 500 for refining the mixed gas flowing from the reformer 400 and a one-stage fuel cell 600 connected to the purification unit 500 to receive hydrogen.
  • oxygen supplied to the first stage fuel cell 600 may include carbon dioxide.
  • a binary catalyst containing platinum instead of a fuel cell containing a thick electrolyte membrane,
  • a single-stage fuel cell including a carbon-supported platinum (Pt / C) or platinum black (Pt-black) and a thin electrolyte membrane may be used.
  • the carbon-carrying platinum means that platinum is coated on the surface of the carbon, which is a carrier, and the platinum black means a platinum powder without other carriers.
  • the electrolyte membrane used in the single-stage fuel cell 600 may have a thickness of 5 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less. As a result, the fuel cell system 1 for water according to another embodiment of the present invention has an effect of lowering the manufacturing cost.
  • an underwater fuel cell system 1 is connected to a fuel supply unit 100 that supplies fuel, an oxygen supply unit 200 that supplies oxygen, and a fuel supply unit 100
  • the combustor 300, the reformer 400 which is connected to the reformer 400, the fuel supply unit 100, and the oxygen supply unit 200 that receives fuel and generates a mixed gas through a reforming reaction, and heats the reformer 400.
  • It may be connected to the purification unit 500 to purify the mixed gas flowing from the reformer 400 and the purification unit 500 may include a one-stage fuel cell 600 that receives hydrogen.
  • the fuel cell system for underwater according to another embodiment of the present invention (1) except for the operational configuration of the purification unit 500 and the single-stage fuel cell 600, all other configurations of the present invention disclosed in FIG. It is the same as the underwater fuel cell system 1 according to one embodiment. Therefore, detailed description of the same configuration is omitted and replaced by the above description.
  • the purification unit 500 includes at least one of a WGS (Water Gas Shift) reactor and a PROx (Preferential Oxidation) reactor. Chemical reactions according to the following Equations 2 and 3 may occur in the purification unit 500.
  • WGS Water Gas Shift
  • PROx Preferential Oxidation
  • the purification unit 500 may not discharge carbon monoxide and carbon dioxide to the combustor 300.
  • an underwater fuel cell system 1 is connected to a fuel supply unit 100 that supplies fuel, an oxygen supply unit 200 that supplies oxygen, and a fuel supply unit 100
  • the combustor 300, the reformer 400 which is connected to the reformer 400, the fuel supply unit 100, and the oxygen supply unit 200 that receives fuel and generates a mixed gas through a reforming reaction, and heats the reformer 400.
  • It may be connected to the purification unit 500 to purify the mixed gas flowing from the reformer 400 and the purification unit 500 may include a one-stage fuel cell 600 that receives hydrogen.
  • the fuel cell system for underwater according to another embodiment of the present invention (1), except for the operating configuration of the combustor 300 and the first stage fuel cell 600, all other configurations are one of the present invention disclosed in FIG. It is the same as the underwater fuel cell system 1 according to the embodiment. Therefore, detailed description of the same configuration is omitted and replaced by the above description.
  • At least some of the carbon dioxide discharged from the combustor 300 in the fuel cell system 1 for underwater according to another embodiment of the present invention may be mixed with oxygen supplied from the oxygen supply 200.
  • oxygen supplied to the first stage fuel cell 600 may include carbon dioxide.
  • a binary catalyst containing platinum instead of a fuel cell containing a thick electrolyte membrane,
  • a single-stage fuel cell including carbon-supported platinum (Pt / C) or platinum black and a thin electrolyte membrane can be used.
  • the single stage fuel cell 600 may include an electrolyte membrane having a thickness of 5 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the fuel cell system 1 for water according to another embodiment of the present invention has an effect of lowering the manufacturing cost.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템은 연료를 공급하는 연료 공급부; 산소를 공급하는 산소 공급부; 상기 연료 공급부와 연결되어 상기 연료를 공급받아 개질반응을 통해 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 혼합가스를 발생시키는 개질기; 상기 연료 공급부 및 상기 산소 공급부와 연결되어 각각 상기 연료와 상기 산소를 공급받아 상기 개질기를 가열하는 연소기; 상기 개질기와 연결되어 상기 혼합가스를 공급받아 상기 혼합가스로부터 수소를 정제하고, 상기 일산화탄소 및 상기 이산화탄소를 상기 연소기로 배출하는 정제부; 및 상기 정제부와 및 상기 산소 공급부에 연결되어 각각 상기 수소 및 상기 산소를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 1단 연료전지;를 포함하고, 상기 1단 연료전지에서 배출된 미반응 수소 및 미반응 산소는 상기 연소기로 배출될 수 있다.

Description

수중용 연료전지 시스템
본 발명은 수중용 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 수소와 공기 중의 산소의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치이다. 이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 알칼리형 연료 전지(Alkaline Fuel Cell:AFC), 인산형 연료전지(Phosporic Acid Fuel Cell: PAFC), 용융탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC), 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)로 구분할 수 있다.
한편, 잠수함 등에서 사용되는 개질 타입 연료 전지는 탄화수소 또는 메탄올 및 에탄올계 알코올 연료를 사용하여 개질 공정을 통해 생산된 수소 및 액화상태로 저장된 산소를 사용하여 가동될 수 있다. 이때, 종래에는 연료전지가 수중에서 사용되는 경우 연료전지에서 반응 후 생성되는 수소 및 산소 등을 외부로 배출하기가 용이하지 않기 때문에 수소와 산소를 100%에 가까운 전환율로 반응시키기 위해 다단 구조의 연료전지를 적용하였다.
다만, 다단 구조의 연료전지를 사용함으로써, 연료전지의 구조가 복잡해지며, 고가의 두꺼운 전해질막을 사용함으로 인한 제작 비용증가 문제가 있었다. 따라서, 보다 효율적인 연료전지 구조에 대한 연구가 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 구조가 간단하고 제작비용을 절감할 수 있는 수중용 연료전지 시스템을 제공하는데 발명의 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템은 연료 공급부; 산소 공급부; 상기 연료 공급부와 연결되고, 상기 연료 공급부로부터 연료를 공급받아 개질반응을 일으켜서 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 혼합가스를 발생시키는 개질기; 상기 연료 공급부 및 상기 산소 공급부와 연결되고, 상기 연료 공급부로부터 상기 연료를 공급받고, 상기 산소 공급부로부터 산소를 공급받아 상기 개질기를 가열하는 연소기; 상기 개질기와 연결되고, 상기 개질기로부터 상기 혼합가스를 공급받아 수소를 정제하고, 상기 일산화탄소 및 상기 이산화탄소를 상기 연소기로 배출하는 정제부; 및 상기 정제부, 상기 산소 공급부 및 상기 연소기에 연결되고, 상기 정제부로부터 정제된 상기 수소를 공급 받고 상기 산소 공급부로부터 상기 산소를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 1단 연료전지;를 포함하고, 상기 1단 연료전지에서 전기 에너지를 생산하는 과정에서 반응하지 않은 미반응 수소 및 미반응 산소는 상기 연소기로 배출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템에서 상기 연소기는 이산화탄소를 외부로 배출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템에서 상기 연소기에서 배출된 상기 이산화탄소 중 적어도 일부는 상기 산소 공급기에서 공급된 산소와 희석되어 상기 1단 연료 전지에 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템에서 상기 1단 연료전지는 백금을 포함한 이원촉매, 카본 담지 백금 또는 백금 블랙(Pt-black)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템에서 상기 1단 연료전지는 5μm 이상 100μm 이하의 두께를 가지는 전해질 막을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템에서 상기 정제부는 팔라듐막 또는 PSA(Pressure Swing Adsorption)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템은 연료 공급부; 산소 공급부; 상기 연료 공급부와 연결되고, 상기 연료 공급부로부터 연료를 공급받아 개질반응을 일으켜서 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 혼합가스를 발생시키는 개질기; 상기 연료 공급부 및 상기 산소 공급부와 연결되고, 상기 연료 공급부로부터 상기 연료를 공급받고, 상기 산소 공급부로부터 산소를 공급받아 상기 개질기를 가열하는 연소기; 상기 개질기와 연결되고, 상기 개질기로부터 상기 혼합가스를 공급받아 상기 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 정제부; 및 상기 정제부, 상기 산소 공급부 및 상기 연소기에 연결되고, 상기 정제부로부터 상기 수소를 공급 받고 상기 산소 공급부로부터 상기 산소를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 1단 연료전지;를 포함하고, 상기 1단 연료전지에서 전기 에너지를 생산하는 과정에서 반응하지 않은 미반응 수소 및 미반응 산소는 상기 연소기로 배출될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템에서 상기 연소기는 이산화탄소를 외부로 배출할 수 있다
본 발명의 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템에서 상기 연소기에서 배출된 상기 이산화탄소 중 적어도 일부는 상기 산소 공급기에 공급된 산소와 희석되어 상기 1단 연료 전지로 공급될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템에서 상기 1단 연료전지는 백금을 포함한 이원촉매, 카본 담지 백금 또는 백금 블랙을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템에서 상기 1단 연료전지는 5μm 이상 100μm 이하의 두께를 가지는 전해질 막을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템에서 상기 정제부는 WGS(Water Gas Shift) 반응기 및 PROx(Preferential Oxidation) 반응기 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템은 1단의 연료전지를 사용함으로써 구조가 단순해지며 제작비용이 절감될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템의 개략 구조도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템의 개략 구조도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템의 개략 구조도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템의 개략 구조도이다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템(1)의 개략 구조도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템(1)은 수소와 산소의 화학적 반응을 통해 발생하는 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 변환 시스템을 의미할 수 있다. 이러한, 수중용 연료전지 시스템(1)은 연료를 공급하는 연료 공급부(100), 산소를 공급하는 산소 공급부(200), 연료 공급부(100)와 연결되어 연료를 공급받아 개질반응을 일으켜 혼합가스를 발생시키는 개질기(400), 연료 공급부(100) 및 산소 공급부(200)와 연결되고 개질기(400)를 가열하는 연소기(300), 개질기(400)와 연결되어 개질기(400)로부터 유입된 혼합가스를 정제하는 정제부(500) 및 정제부(500)와 연결되어 수소를 공급받는 1단 연료전지(600)를 포함할 수 있다.
연료 공급부(100)는 1단 연료전지(600)에서 사용되는 수소를 발생시키기위한 연료를 저장할 수 있으며, 예를 들어, 천연가스, 석유류, 메탄올계 알콜뿐만아니라 석탄, 바이오에탄올 등의 탄화수소를 저장할 수 있다. 바람직하게 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 공급부(100)는 탄화수소 또는 메탄올 및 에탄올계 알콜을 저장할 수 있다. 연료 공급부(100)로부터 공급되는 탄화수소 또는 메탄올 및 에탄올계 알콜이 개질기(400) 및 정제부(500)를 순차적으로 통과하면서 수소가 정제될 수 있으며, 정제된 수소는 1단 연료전지(600)로 유입될 수 있다.
산소 공급부(200)는 액체 산소 및 액체 산소를 저장하는 산소 탱크를 포함할 수 있다. 산소 공급부(200)는 연소기(300) 및 1단 연료전지(600)에 각각 연결되어 연소기(300) 및 1단 연료전지(600)에 산소를 공급할 수 있다.
연소기(300)는 개질기(400)를 가열하기 위해 구비될 수 있다. 예를 들어, 연소기(300)는 연료 공급부(100) 및 산소 공급부(200)와 연결되어 각각 연료와 산소를 공급받아 연소반응을 일으켜 열을 발생시킬 수 있다. 연소기(300)로부터 발생된 열은 개질기(400)를 가열할 수 있다. 연소기(300)는 내부의 이산화탄소를 외부로 배출할 수 있다. 다시 말해, 연소기(300)에는 연소반응의 결과물로 이산화탄소가 생성되거나 정제부(500)로부터 이산화탄소가 유입될 수 있다. 이에, 연소기(300)는 이러한 이산화탄소를 외부로 배출할 수 있다.
한편, 개질기(400, reformer)는 연료 공급부(100)와 연결되어 연료 공급부(100)로부터 연료를 공급받아 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 혼합가스를 생성할수 있다. 이때, 개질기(400)는 연소기(300)에의해 가열되어 효과적으로 혼합가스를 생성할 수 있다. 개질기(400)는 일 예로서 아래 식 1과 같은 화학 반응을 통해 연료 공급부(100)로부터 공급받은 혼합가스에서 수소를 추출할 수 있다.
[식 1]
Figure PCTKR2019005591-appb-I000001
정제부(500)는 개질기(400)와 연결되어 개질기(400)를 통과한 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소 혼합가스로부터 수소를 정제하고, 일산화탄소 및 이산화탄소를 연소기(300)로 배출할 수 있다. 따라서, 정제부(500)를 통과한 혼합가스는 고농도의 수소가스를 포함하여 1단 연료전지(600)로 유입될 수 있다. 이러한 정제부(500)는 예를 들어, 팔라듐막 또는 PSA(Pressure Swing Adsorption)를 포함하여 구비될 수 있다.
한편, 1단 연료전지(600)는 정제부(500) 및 산소 공급부(200)에 각각 연결되어 수소 및 산소를 공급받을 수 있다. 1단 연료전지(600)는 공급받은 수소 및 산소의 화학반응을 통해 전기 에너지를 생산할 수 있다. 예를 들어, 수소 및 산소가 1단 연료전지(600)로 공급되는 경우, 1단 연료전지(600)의 음극에서는 수소가 전자를 잃는 산화반응이 발생하게되고, 1단 연료전지(600)의 양극에서는 산소가 전자를 얻는 환원반응이 발생하게 된다. 이 과정에서 전자의 이동에 의한 전기 에너지가 발생하게 된다.
이때, 1단 연료전지(600)에서 반응하지 못한 수소 및 산소가 발생할 수 있으며, 이러한 미반응 수소 및 미반응 산소는 연소기(300)로 배출될 수 있다. 이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템(1)은 1단 연료전지(600)에서 발생한 미반응 수소 및 미반응 산소를 연소기(300)로 공급함으로써 종래에 사용되는 다단 연료전지를 사용하지 않을 수 있다.
다시 말해, 일반적으로 사용되는 수중용 연료전지의 경우, 미반응 가스를 외부로 배출하기가 환경적으로 곤란하므로, 다단 구조의 연료전지를 사용하여, 미반응 수소 및 미반응 산소를 반복적으로 반응시켜 에너지를 생산한 후 최소한의 미반응 가스만 외부로 배출하였다. 그러나 이와 같은 다단 구조의 연료전지는 구조가 복잡하여 유지보수 측면에서 불리한 점이 있을 뿐만 아니라 제작 비용이 높다는 문제가 있었다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템(1)의 경우 미반응 가스를 외부가 아닌 연소기로 보냄으로써, 다단 구조의 연료전지 대신 1단 연료전지를 사용할 수 있으며 결과적으로 유지/보수가 용이하며 제작비용이 절감된다는 효과를 가진다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템의 개략 구조도이다. 도 2를 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템(1)은 연료를 공급하는 연료 공급부(100), 산소를 공급하는 산소 공급부(200), 연료 공급부(100)와 연결되어 연료를 공급받아 개질반응을 일으켜 혼합가스를 발생시키는 개질기(400), 연료 공급부(100) 및 산소 공급부(200)와 연결되고 개질기(400)를 가열하는 연소기(300), 개질기(400)와 연결되어 개질기(400)로부터 유입된 혼합가스를 정제하는 정제부(500) 및 정제부(500)와 연결되어 수소를 공급받는 1단 연료전지(600)를 포함할 수 있다. 여기서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템(1)은 연소기(300) 및 1단 연료전지(600)의 동작 구성을 제외하고 다른 구성은 모두 도 1에 개시된 본 발명의 일 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템(1)과 동일하다. 따라서 동일한 구성에 대한 상세설명은 생략하고 전술한 설명에 갈음한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템(1)에서 연소기(300)에서 외부로 배출되는 이산화탄소 중 적어도 일부는 산소 공급기(200)에서 공급된 산소와 혼합될 수 있다. 따라서, 1단 연료전지(600)에 공급되는 산소에는 이산화탄소가 포함될 수 있다. 이와 같이 1단 연료전지(600)에 공급되는 산소에 이산화탄소를 혼합하여 고순도의 산소 대신 희석된 산소를 1단 연료전지(600)에 공급함으로써 두꺼운 전해질막을 포함하는 연료전지 대신 백금을 포함한 이원촉매, 카본 담지 백금(Pt/C) 또는 백금 블랙(Pt-black)과 얇은 전해질막을 포함하는 1 단 연료전지를 사용할 수 있다. 카본 담지 백금은 운반체인 카본의 표면에 백금이 코팅된 것을 의미하고, 백금 블랙은 다른 운반체를 구비하지 않는 백금 파우더를 의미한다. 이러한 1단 연료전지(600)에 사용되는 전해질 막은 5μm 이상 100μm 이하의 두께를 가질 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템(1)은 제작 단가를 낮추는 효과가 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템의 개략 구조도이다. 도 3을 참조하면 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템(1)은 연료를 공급하는 연료 공급부(100), 산소를 공급하는 산소 공급부(200), 연료 공급부(100)와 연결되어 연료를 공급받아 개질반응을 통해 혼합가스를 발생시키는 개질기(400), 연료 공급부(100) 및 산소 공급부(200)와 연결되고 개질기(400)를 가열하는 연소기(300), 개질기(400)와 연결되어 개질기(400)로부터 유입된 혼합가스를 정제하는 정제부(500) 및 정제부(500)와 연결되어 수소를 공급받는 1단 연료전지(600)를 포함할 수 있다. 여기서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템(1)은 정제부(500) 및 1단 연료전지(600)의 동작 구성을 제외하고 다른 구성은 모두 도 1에 개시된 본 발명의 일 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템(1)과 동일하다. 따라서 동일한 구성에 대한 상세설명은 생략하고 전술한 설명에 갈음한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템(1)에서 정제부(500)는 WGS(Water Gas Shift, 수성가스 전이) 반응기 및 PROx(Preferential Oxidation, 선택적 산화) 반응기 중 하나 이상을 포함할 수 있으며, 이에 따라 정제부(500)에서는 하기 식 2 및 식 3에 따른 화학 반응이 발생할 수 있다.
[식 2] (WGS, WATER GAS SHIFT 반응)
Figure PCTKR2019005591-appb-I000002
[식 3]{PrOx, PREFERENTIAL OXIDATION 반응}
Figure PCTKR2019005591-appb-I000003
이때, 정제부(500)에서 발생한 이산화탄소 및 수소는 1단 연료전지(600)로 유입될 수 있다. 따라서, 정제부(500)는 도 1에 개시된 실시예와는 달리 일산화탄소 및 이산화탄소를 연소기(300)로 배출하지 않을 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템의 개략 구조도이다. 도 3을 참조하면 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템(1)은 연료를 공급하는 연료 공급부(100), 산소를 공급하는 산소 공급부(200), 연료 공급부(100)와 연결되어 연료를 공급받아 개질반응을 통해 혼합가스를 발생시키는 개질기(400), 연료 공급부(100) 및 산소 공급부(200)와 연결되고 개질기(400)를 가열하는 연소기(300), 개질기(400)와 연결되어 개질기(400)로부터 유입된 혼합가스를 정제하는 정제부(500) 및 정제부(500)와 연결되어 수소를 공급받는 1단 연료전지(600)를 포함할 수 있다. 여기서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템(1)은 연소기(300) 및 1단 연료전지(600)의 동작 구성을 제외하고 다른 구성은 모두 도 3에 개시된 본 발명의 일 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템(1)과 동일하다. 따라서 동일한 구성에 대한 상세설명은 생략하고 전술한 설명에 갈음한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템(1)에서 연소기(300)에서 외부로 배출되는 이산화탄소 중 적어도 일부는 산소 공급기(200)에서 공급된 산소와 혼합될 수 있다. 따라서, 1단 연료전지(600)에 공급되는 산소에는 이산화탄소가 포함될 수 있다. 이와 같이 1단 연료전지(600)에 공급되는 산소에 이산화탄소를 혼합하여 고순도의 산소 대신 희석된 산소를 1단 연료전지(600)에 공급함으로써 두꺼운 전해질막을 포함하는 연료전지 대신 백금을 포함한 이원촉매, 카본 담지 백금(Pt/C) 또는 백금 블랙과 얇은 전해질막을 포함하는 1 단 연료전지를 사용할 수 있다. 예를 들어 1단 연료전지(600)는 5μm 이상 100μm 이하의 두께를 가지는 전해질 막을 포함할 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중용 연료전지 시스템(1)은 제작 단가를 낮추는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명의 속하는 기술분야의 통상의 기술자들에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.

Claims (12)

  1. 연료 공급부;
    산소 공급부;
    상기 연료 공급부와 연결되고, 상기 연료 공급부로부터 연료를 공급받아 개질반응을 일으켜서 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 혼합가스를 발생시키는 개질기;
    상기 연료 공급부 및 상기 산소 공급부와 연결되고, 상기 연료 공급부로부터 상기 연료를 공급받고, 상기 산소 공급부로부터 산소를 공급받아 상기 개질기를 가열하는 연소기;
    상기 개질기와 연결되고, 상기 개질기로부터 상기 혼합가스를 공급받아 수소를 정제하고, 상기 일산화탄소 및 상기 이산화탄소를 상기 연소기로 배출하는 정제부; 및
    상기 정제부, 상기 산소 공급부 및 상기 연소기에 연결되고,상기 정제부로부터 정제된 상기 수소를 공급 받고 상기 산소 공급부로부터 상기 산소를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 1단 연료전지;를 포함하고,
    상기 1단 연료전지에서 전기 에너지를 생산하는 과정에서 반응하지 않은 미반응 수소 및 미반응 산소는 상기 연소기로 배출되는 수중용 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소기는 이산화탄소를 외부로 배출하는 수중용 연료전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 연소기에서 배출된 상기 이산화탄소 중 적어도 일부는 상기 산소 공급기에서 공급된 산소와 혼합되어 상기 1단 연료 전지로 공급되는 수중용 연료전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 1단 연료전지는 백금을 포함한 이원촉매, 카본 담지 백금, 또는 백금 블랙(Pt-black)을 포함하는 수중용 연료전지 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 1단 연료전지는 5μm 이상 100μm 이하의 두께를 가지는 전해질 막을 포함하는 수중용 연료전지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 정제부는 팔라듐막 또는 PSA(Pressure Swing Adsorption)를 포함하는 수중용 연료전지 시스템.
  7. 연료 공급부;
    산소 공급부;
    상기 연료 공급부와 연결되고, 상기 연료 공급부로부터 연료를 공급받아 개질반응을 일으켜서 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 혼합가스를 발생시키는 개질기;
    상기 연료 공급부 및 상기 산소 공급부와 연결되고, 상기 연료 공급부로부터 상기 연료를 공급받고, 상기 산소 공급부로부터 산소를 공급받아 상기 개질기를 가열하는 연소기;
    상기 개질기와 연결되고, 상기 개질기로부터 상기 혼합가스를 공급받아 상기 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 정제부; 및
    상기 정제부, 상기 산소 공급부 및 상기 연소기에 연결되고, 상기 정제부로부터 상기 수소를 공급 받고 상기 산소 공급부로부터 상기 산소를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 1단 연료전지;를 포함하고,
    상기 1단 연료전지에서 전기 에너지를 생산하는 과정에서 반응하지 않은 미반응 수소 및 미반응 산소는 상기 연소기로 배출되는 수중용 연료전지 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 연소기는 이산화탄소를 외부로 배출하는 수중용 연료전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 연소기에서 배출된 상기 이산화탄소 중 적어도 일부는 상기 산소 공급기에 공급된 산소와 혼합되어 상기 1단 연료 전지에 유입되는 수중용 연료전지 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 1단 연료전지는 백금을 포함한 이원촉매, 카본 담지 백금 또는 백금 블랙을 포함하는 수중용 연료전지 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 1단 연료전지는 5μm 이상 100μm 이하의 두께를 가지는 전해질 막을 포함하는 수중용 연료전지 시스템.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 정제부는 WGS(Water Gas Shift) 반응기 및 PROx(Preferential Oxidation) 반응기 중 하나 이상을 포함하는 수중용 연료전지 시스템.
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