KR102140823B1 - Regenerative energy system for providing oxygen and electric power for an oxygen-free or low oxygen environment - Google Patents

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Abstract

본 발명은 재생 에너지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 물을 연료로 하는 일체형 재생 연료 전지를 이용하여 무산소 또는 저산소 환경인 해상도시, 해중도시, 수중도시, 지하도시, 지중도시, 우주도시, 수중이동체, 공중이동체 또는 우주 이동체에 산소 및 전력을 효과적으로 공급하기 위한 재생 에너지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a renewable energy system, and more specifically, using an integrated renewable fuel cell using water as a fuel, in an anaerobic or low-oxygen environment, resolution city, underwater city, underwater city, underground city, underground city, space city, underwater It relates to a renewable energy system for effectively supplying oxygen and electric power to a moving object, an air vehicle, or a space vehicle.

Description

무산소 또는 저산소 환경의 시설물에 산소 및 전력 공급을 위한 재생 에너지 시스템{Regenerative energy system for providing oxygen and electric power for an oxygen-free or low oxygen environment} Renewable energy system for providing oxygen and electric power for an oxygen-free or low oxygen environment

본 발명은 재생 에너지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 물을 연료로 하는 일체형 재생 연료 전지를 이용하여 무산소 또는 저산소 환경의 시설물인 해상도시, 해중도시, 수중도시, 지하도시, 지중도시, 우주도시, 수중이동체, 공중이동체 또는 우주 이동체에 산소 및 전력을 효과적으로 공급하기 위한 재생 에너지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a renewable energy system, and more specifically, using an integral renewable fuel cell using water as a fuel, a facility in an oxygen-free or low-oxygen environment at resolution, underwater city, underwater city, underground city, underground city, space city , It relates to a renewable energy system for effectively supplying oxygen and electric power to an underwater vehicle, an aerial vehicle, or a space vehicle.

지구생태계는 현재 인구의 폭발적인 증가가 이어지고 있다. 이는 미래에 산소공급이 원활한 육지에서 모든 인간이 다 같이 살 수 없을 수도 있음을 의미한다. 더욱이 지구 온난화 현상은 지속적으로 해수면의 상승을 야기하고 있다. The global ecosystem is currently experiencing an explosive increase in population. This means that in the future, all humans may not be able to live together on land where oxygen supply is smooth. Moreover, global warming continues to cause sea level rise.

또한, 저지대가 서서히 물에 잠기면 더더욱 인류의 주거 생활은 제약을 받고 있고, 육지의 사막화 또한 인류의 주거 생활을 제한하는 요인으로 작용하고 있다.In addition, if the lowland is gradually submerged, the living life of human beings is more restricted, and desertification of the land is also acting as a limiting factor for human living.

이러한 인류의 생존과 밀접한 관련이 있는 주거 장소의 제한 문제를 해결하기 위해 최근 해상도시, 해중도시, 해저도시, 수중도시, 지하도시 및 지중도시 등과 같이 인류가 살아가기에 꼭 필요한 산소가 없거나 부족한 환경에서의 인간을 포함한 생명체의 생존을 위한 건설 기술 개발의 필요성이 제기되고 있다. In order to solve the limitations of residential places closely related to the survival of humanity, there is no oxygen or lack of oxygen necessary for humanity to survive, such as the city of resolution, underwater city, submarine city, underwater city, underground city, and underground city. There is a need to develop construction technologies for the survival of life, including humans, in Esau.

해상도시의 경우에는 이미 개발이 많이 이루어졌지만 해중도시와 해저도시는 상대적으로 기술의 발전이 더딘 상태라 할 수 있다. 특히 해저 도시는 소규모 관광 상품용으로만 개발되어 상업성이 많이 부족한 것이 사실이다. In the case of Resolution City, many developments have already been made, but the development of technology is relatively slow for underwater cities and submarine cities. In particular, it is true that submarine cities are developed only for small-sized tourism products, and thus lack commerciality.

더불어 강이나 호수 아래의 수중도시, 땅 속의 지하도시와 지중도시도 담수를 확보할 수 있기 때문에 이곳에서도 인간을 포함한 생명체가 생존하기 위하여 산소 및 전력 공급을 위한 재생에너지시스템이 필요할 것이며, 해수나 담수를 공급받을 수 있는 우주도시 역시 산소 및 전력 공급을 위한 재생에너지 시스템이 필요할 것이다.In addition, underwater cities under rivers or lakes, underground cities and underground cities in the ground can secure fresh water, so a renewable energy system for supplying oxygen and electricity will also be needed here to survive, including humans. Space cities that can receive electricity will also need a renewable energy system to supply oxygen and electricity.

또한, 상술한 해상도시, 해중도시, 해저도시, 수중도시, 지하도시, 지중도시 및 우주도시와 같은 고정형 공간뿐만 아니라 잠수함, 잠수정, 우주선 등 이동형 공간 에서도 산소 및 전력 공급을 위한 재생에너지시스템이 필요할 것이다.In addition, a renewable energy system for supplying oxygen and power in a mobile space such as a submarine, a submersible, or a spacecraft, as well as a fixed space such as a submarine, a submarine, an underwater city, an underwater city, an underground city, an underground city, and a space city is required at the above resolution. will be.

최근 미국, 프랑스, 일본을 중심으로 해저도시 건설 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 특히 미국은 플로리다 근해에 해저도시 건설을 시도하고 있으며 인간이 생존할 수 있는 체류기간 확인 실험을 진행하고 있다. Recently, the United States, France, and Japan are focusing on the development of submarine city construction technology. In particular, the United States is attempting to build a submarine city off the coast of Florida and is conducting experiments to confirm the length of stay that humans can survive.

산소가 없는 해저도시에서 인류가 생존하기 위한 기본 필수 요건은 물, 산소, 전기 및 열에너지라 할 수 있다. 현재까지의 기술로 물은 해수담수화 설비를 통해서 얻어내고, 산소는 담수를 전기분해하는 산소 발생 장치를 이용하며, 전기 및 열 에너지는 조력, 파력, 풍력 등 해양 에너지원을 도입하여 사용하고 있다. 따라서, 시스템의 구성이 복잡해지고 이들 시스템들의 체계 연동 기술도 복잡다단할 수밖에 없다. Water, oxygen, electricity and thermal energy are the basic requirements for human survival in an oxygen-free subsea city. With the technology so far, water is obtained through a seawater desalination facility, oxygen uses an oxygen generator that electrolyzes fresh water, and electric and thermal energy is introduced and used by marine energy sources such as tidal power, wave power, and wind power. Therefore, the system configuration is complicated and the system interlocking technology of these systems is inevitably complicated.

또한, 강이나 호수 아래의 수중도시와 땅속의 지하도시의 경우에는 강이나 호수로부터 담수를 직접 공급받거나 지하수를 담수로 이용할 수는 있으나 산소는 담수를 전기분해하는 산소 발생 장치를 이용하여야 하므로 별도의 에너지원이 도입되고 있으므로 이 역시 시스템들의 체계 연동 기술이 복잡다단하다.In addition, in the case of underwater cities under the river or lake and underground cities in the ground, fresh water can be directly supplied from rivers or lakes or ground water can be used as fresh water, but oxygen must be used as an oxygen generator that electrolyzes fresh water. Since energy sources are being introduced, the system interlocking technology of systems is also complicated.

이러한 문제 해결을 위해 물과 산소 및 전기 에너지를 하나의 시스템에서 공급할 수 있는 새로운 시스템의 요구가 있다.To solve this problem, there is a need for a new system that can supply water, oxygen, and electric energy in one system.

한편, 최근에는 일체형 재생 연료 전지에 풍력 발전기 또는 태양 전지를 결합하여 일체형 재생 연료 전지의 전기 분해 모드시 전기 에너지를 공급하는 기술에 대한 연구가 이루어지고 있으나, 최근 연구 기술은 대용량의 전력 공급에 적합하며, 독립 전원 공급 또는 분산 전원 공급을 위한 소용량의 전력을 공급하는 데 적합하지 않다. 또한, 일체형 재생 연료전지로부터 전력을 생산할 때, 물의 전기 분해에 의한 수소와 산소의 생성량이 충분하게 이루어지지 않을 수 있다.On the other hand, in recent years, research has been conducted on a technology for supplying electric energy in an electrolysis mode of an integrated renewable fuel cell by combining a wind generator or a solar cell with the integrated renewable fuel cell. It is not suitable for supplying small amounts of power for independent power supply or distributed power supply. In addition, when generating power from the integrated renewable fuel cell, the amount of hydrogen and oxygen generated by electrolysis of water may not be sufficiently achieved.

본 발명자들은 무산소 또는 저산소 환경에 물, 산소 및 전기 에너지를 하나의 독립적인 에너지 시스템을 이용하여 제공하고자 연구 노력한 결과, 일체형 재생 연료 전지를 이용하여 효과적으로 물, 산소 및 전기 에너지를 제공할 수 있는 재생 에너지 시스템의 기술적 구성을 개발하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors have researched and tried to provide water, oxygen, and electric energy in an oxygen-free or low-oxygen environment using one independent energy system. As a result, renewables that can effectively provide water, oxygen, and electric energy using an integrated renewable fuel cell The technical configuration of the energy system was developed to complete the present invention.

따라서, 본 발명의 목적은 무산소 또는 저산소 환경에 필요한 전기 에너지와 물, 산소를 일체로 제공할 수 있는 재생 에너지 시스템을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a renewable energy system capable of integrally providing water, oxygen, and electrical energy required for an oxygen-free or low-oxygen environment.

또한, 본 발명의 다른 목적은 담수를 직접 사용할 수 있는 환경에서도 산소와 전기 에너지를 일체로 제공할 수 있는 재생 에너지 시스템을 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to provide a renewable energy system capable of providing oxygen and electrical energy integrally even in an environment where fresh water can be directly used.

또한, 본 발명의 다른 목적은 무산소 또는 저산소 환경에 독립 전원 및 분산전원을 제공할 수 있고, 수소 및 산소 생성 효율을 높일 수 있는 소용량의 재생 에너지 시스템을 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to provide an independent power supply and a distributed power supply in an oxygen-free or low-oxygen environment, and to provide a small-capacity renewable energy system capable of increasing hydrogen and oxygen production efficiency.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 무산소 또는 저산소 환경의 시설물에 설치되는 재생 에너지 시스템으로서, 전기 분해 모드에서는 외부 전기 공급 장치로부터 전기 에너지를 공급받아 담수로부터 수소와 산소를 생산하고, 연료 전지 모드에서는 수소와 산소를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 일체형 재생 연료 전지; 상기 일체형 재생 연료 전지에서 생산된 수소와 산소를 압축하여 저장하거나, 저장된 수소와 산소를 상기 일체형 재생 연료 전지로 공급하는 가스 저장 장치; 해수를 담수로 변환하여 변환된 담수를 상기 일체형 재생 연료 전지로 공급하는 해수 담수화 장치; 상기 일체형 재생 연료 전지에서 발생하는 열 에너지를 회수하는 열 회수 기관; 상기 열 회수 기관에 축열된 열 에너지를 직접 이용하거나, 상기 열 에너지를 변환한 전기 에너지를 이용하여 상기 시설물의 자세제어를 위한 추력을 발생시키는 추력 발생 장치; 및 상기 외부 전기 공급 장치와 연결되어 상기 외부 전기 공급 장치의 전기 에너지를 시설물의 부하로 인가되게 하거나, 상기 외부 전기 공급 장치의 잉여 전기 에너지를 상기 일체형 재생 연료 전지에 공급하여 상기 일체형 재생 연료 전지가 수소와 산소를 생산하게 하고, 상기 일체형 재생 연료 전지에서 생산된 전기 에너지를 상기 시설물의 부하로 공급할 수 있으며, 상기 시설물의 부하의 용량이 변화할 때 상기 외부 전기 공급 장치의 병렬 운전을 수행할 수 있고, 상기 외부 전기 공급 장치 및 상기 일체형 재생 연료 전지의 분산 전원을 상기 부하로 공급할 수 있는 제어 및 전력 공급 장치;를 포함하며, 상기 시설물은 생명체의 생존공간을 제공하는 해상도시, 해중도시, 수중도시, 수중이동체 중 어느 하나 이상이고, 상기 시설물에 음용수, 산소, 전기에너지, 열 에너지 및 상기 시설물의 자세 제어에 필요한 추력 중 하나 이상을 일체로 공급하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a renewable energy system installed in a facility in an oxygen-free or low-oxygen environment. In the electrolysis mode, electric energy is supplied from an external electric supply to produce hydrogen and oxygen from fresh water, and a fuel cell mode In the one-piece renewable fuel cell that is supplied with hydrogen and oxygen to produce electrical energy; A gas storage device that compresses and stores hydrogen and oxygen produced in the integrated renewable fuel cell or supplies stored hydrogen and oxygen to the integrated renewable fuel cell; A seawater desalination device that converts seawater into freshwater and supplies the converted freshwater to the integrated renewable fuel cell; A heat recovery engine that recovers heat energy generated in the integrated renewable fuel cell; A thrust generating device that directly uses heat energy stored in the heat recovery engine or generates thrust for attitude control of the facility using electrical energy converted from the heat energy; And connected to the external electric supply device to allow the electric energy of the external electric supply device to be applied as a load of a facility, or to supply the excess electric energy of the external electric supply device to the integrated renewable fuel cell, so that the integrated renewable fuel cell Hydrogen and oxygen can be produced, and the electric energy produced by the integrated renewable fuel cell can be supplied to the load of the facility, and parallel operation of the external electric supply can be performed when the capacity of the load of the facility changes. And a control and power supply device capable of supplying the external electric supply device and the distributed power supply of the integrated renewable fuel cell to the load, wherein the facility is in a resolution, underwater city, underwater, providing a living space for life. Provided is a renewable energy system characterized by supplying one or more of drinking water, oxygen, electrical energy, thermal energy, and thrust necessary for posture control of the facility to the facility.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 외부 전기 공급 장치는 육상 또는 해상에 설치되고, 전기 에너지를 생성하여 상기 제어 및 전력 공급 장치로 공급하는 외부 발전 장치 또는 미리 전기 에너지가 저장되는 축전 장치로 구성되며, 상기 외부 발전 장치는 풍력 발전기, 태양광 발전기, 태양열 발전기, 파력 발전기 또는 조력 발전기를 포함하고, 상기 축전 장치는 1회 사용가능한 1차 전지 및 재충전하여 반복 사용가능한 2차 전지를 포함한다. In a preferred embodiment, the external electricity supply device is installed onshore or offshore, and is composed of an external power generation device that generates electrical energy and supplies it to the control and power supply device or a power storage device in which electrical energy is stored in advance. The external power generating device includes a wind power generator, a solar power generator, a solar power generator, a wave power generator, or a tidal power generator, and the power storage device includes a primary battery that can be used once and a secondary battery that can be repeatedly used repeatedly.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 외부 전기 공급 장치는 풍력 발전기, 태양광 발전기, 태양열 발전기, 파력 발전기, 조력 발전기, 1차 전지 및 2차 전지 중, 적어도 어느 두 개의 전기 공급 기기를 포함하며, 상기 제어 및 전력 공급 장치는 상기 부하의 용량 증가시, 상기 전기 공급 기기들을 병렬 운전한다.In a preferred embodiment, the external electricity supply device includes at least any two electricity supply devices among wind power generators, solar power generators, solar power generators, wave power generators, tidal power generators, primary and secondary cells, and the control And the power supply device operates the electric supply devices in parallel when the load capacity increases.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 가스 저장 장치는 상기 일체형 재생 연료 전지에서 생산된 수소와 산소를 포집하는 가스 포집기; 상기 가스 포집기에 연결되어 상기 수소와 산소를 각각 압축하는 압축기; 및 상기 압축기에 압축된 수소와 산소를 각각 저장하고, 저장된 수소와 산소를 상기 일체형 재생 연료 전지로 공급하는 가스 저장 탱크;를 포함한다. In a preferred embodiment, the gas storage device includes a gas collector for collecting hydrogen and oxygen produced in the integrated renewable fuel cell; A compressor connected to the gas collector to compress the hydrogen and oxygen, respectively; And a gas storage tank that stores compressed hydrogen and oxygen, respectively, in the compressor, and supplies the stored hydrogen and oxygen to the integrated renewable fuel cell.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 일체형 재생 연료 전지는 복수 개의 단위 셀이 적층된 연료 전지 스택으로 구성되며, 상기 단위 셀들은 각각 고분자 전해질막, 상기 고분자 전해질막의 일측에 형성되는 양극 및 상기 고분자 전해질막의 타측에 형성되는 음극을 포함하고, 인접하는 단위 셀들 간에 양극과 음극이 서로 교차하도록 적층된다. In a preferred embodiment, the integral renewable fuel cell is composed of a fuel cell stack in which a plurality of unit cells are stacked, and the unit cells are each a polymer electrolyte membrane, an anode formed on one side of the polymer electrolyte membrane, and the other side of the polymer electrolyte membrane. It includes a negative electrode formed on, and is stacked so that the positive electrode and the negative electrode cross each other between adjacent unit cells.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 연료 전지 스택은 적층된 단위 셀들의 양측에 집전체를 갖는데, 상기 집전체는 백금, 금, 은 및 니켈 중 어느 하나 또는 둘 이상이 표면에 코팅된 타이타늄 판 또는 타이타늄 메쉬로서, 상기 집전체는 표면에 유체의 흐름을 유도하는 채널이 형성되고, 상기 채널은 일자형, 서펜틴(Serpentine)형 또는 도트형의 형상을 갖고, 깊이와 폭이 각각 0.1mm 내지 10mm인 이다.In a preferred embodiment, the fuel cell stack has current collectors on both sides of the stacked unit cells, wherein the current collector is a titanium plate or a titanium mesh coated with one or more of platinum, gold, silver and nickel on the surface. As, the current collector has a channel for inducing the flow of fluid on the surface, the channel has a straight, serpentine (Serpentine) or dot-shaped shape, the depth and width of 0.1mm to 10mm, respectively.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 양극과 상기 음극은 상기 고분자 전해질막에 열가압되어 결합하며, 각각 촉매층과 가스확산층을 갖는데, 상기 전극들은 100~200℃ 온도로 상기 고분자 전해질 막에 열가압되고, 상기 촉매층은 촉매 및 바인더를 포함하며, 상기 고분자 전해질막과 상기 바인더는 양이온 교환 작용기를 갖는다. In a preferred embodiment, the positive electrode and the negative electrode are heat-pressed and bonded to the polymer electrolyte membrane, each having a catalyst layer and a gas diffusion layer, wherein the electrodes are heat-pressed to the polymer electrolyte membrane at a temperature of 100-200° C. The catalyst layer includes a catalyst and a binder, and the polymer electrolyte membrane and the binder have a cation exchange functional group.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 양이온 교환 작용기는 -OH, -OSO3H, -COOH, -OPO(OH)2, -C6H4SO3H 중 어느 하나를 포함하고, 상기 촉매는 백금, 루테늄, 이리듐, 코발트, 철 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함한다. In a preferred embodiment, the cation exchange functional group comprises any of -OH, -OSO 3 H, -COOH, -OPO(OH) 2 , -C 6 H 4 SO 3 H, and the catalyst is platinum, ruthenium , Any one selected from the group consisting of iridium, cobalt, iron, or a combination thereof.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 촉매는 백금 1~99중량%와 이리듐 1~99중량%의 조합 또는 백금 1~99중량%와 루테늄 1~99중량%의 조합으로 이루어지는데, 상기 촉매의 입자크기는 10nm 이하이다. In a preferred embodiment, the catalyst is composed of a combination of 1 to 99% by weight of platinum and 1 to 99% by weight of iridium or a combination of 1 to 99% by weight of platinum and 1 to 99% by weight of ruthenium, the particle size of the catalyst 10 nm or less.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 촉매층은 담체를 더 포함하는데, 상기 담체는 탄소, 아세틸렌 블랙 또는 탄소나노튜브를 포함하고, 상기 담체의 비표면적은 2000m2/g 이하이다. In a preferred embodiment, the catalyst layer further includes a carrier, the carrier comprises carbon, acetylene black or carbon nanotubes, and the specific surface area of the carrier is 2000 m 2 /g or less.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 음극은 백금 촉매를 포함하고, 상기 양극은 백금-이리듐 합금 촉매를 포함하며, 상기 바인더는 나피온(Nafion) 바인더로서, 상기 촉매의 함량에 대해 5wt% 내지 40wt%의 함량으로 포함된다. In a preferred embodiment, the negative electrode includes a platinum catalyst, the positive electrode comprises a platinum-iridium alloy catalyst, and the binder is a Nafion binder, 5 wt% to 40 wt% of the content of the catalyst Content.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 전기 분해 모드로 동작할 때, 상기 일체형 재생 연료 전지에는 70℃의 담수가 1L/min 내지 50L/min의 유속으로 공급된다. In a preferred embodiment, when operating in the electrolysis mode, fresh water at 70°C is supplied to the integrated renewable fuel cell at a flow rate of 1 L/min to 50 L/min.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 전기 분해 모드로 동작할 때, 상기 제어 및 전력 공급 장치는 상기 일체형 재생 연료 전지의 25cm2 면적당 0.1V 내지 2.0V의 전기 에너지를 공급한다. In a preferred embodiment, when operating in the electrolysis mode, the control and power supply supplies 0.1 V to 2.0 V of electrical energy per 25 cm 2 area of the integrated renewable fuel cell.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 연료 전지 모드로 동작할 때, 상기 일체형 재생 연료 전지에는 상기 단위 셀당 75℃의 수소가 50cc/min 내지 500cc/min의 유속으로 공급되고 75℃의 산소가 50cc/min 내지 500cc/min의 유속으로 공급된다. In a preferred embodiment, when operating in the fuel cell mode, 75° C. hydrogen per unit cell is supplied at a flow rate of 50 cc/min to 500 cc/min and oxygen at 75° C. is supplied to the integral regenerative fuel cell at 50 cc/min to It is supplied at a flow rate of 500 cc/min.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.The present invention has the following excellent effects.

먼저, 본 발명의 재생 에너지 시스템에 의하면, 외부 발전 장치 또는 축전 장치의 잉여 전기 에너지를 공급받아 해상도시, 해중도시, 수중도시, 지하도시, 지중도시 또는 우주도시와 같은 고정형 시설물이나 수중이동체, 공중이동체 또는 우주 이동체와 같은 이동형 시설물에 필요한 전기 및 열 에너지와 물, 산소를 부가적으로 생산함으로써, 상기 외부 발전 장치 또는 축전 장치의 가동률이 낮은 경우에도 상기 시설물들에 필요한 전기 및 열 에너지, 물, 및 산소를 안정적으로 공급할 수 있는 효과가 있다.First, according to the renewable energy system of the present invention, when receiving excess electric energy from an external power generation device or power storage device, a fixed facility such as a underwater city, an underwater city, an underground city, an underground city, or a space city, an underwater moving body, or the air By additionally producing electricity and heat energy and water and oxygen required for mobile facilities such as a mobile body or a space vehicle, electricity and thermal energy, water, and water required for the facilities even when the utilization rate of the external power generation device or power storage device is low. And it is possible to stably supply oxygen.

또한, 본 발명의 재생 에너지 시스템에 의하면, 외부 전기 공급 장치와 일체형 재생 연료 전지에서 생산된 전기 에너지를 독립 전원 또는 분산 전원으로 계통에 제공할 수 있으므로 에너지 발전효율을 매우 높일 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the renewable energy system of the present invention, since the electric energy produced by the external electric supply device and the integrated renewable fuel cell can be provided to the system as an independent power source or a distributed power source, energy generation efficiency can be greatly improved.

또한, 본 발명은 재생 에너지 시스템에 의하면, 연료 전지 모드로 동작시 발생하는 열을 난방용 및 해저 도시의 자세 제어용으로 사용할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, according to the renewable energy system, there is an effect that heat generated during operation in the fuel cell mode can be used for heating and posture control of a submarine city.

또한, 본 발명의 재생 에너지 시스템에 의하면, 전기 분해 모드에서 생성된 수소 및 산소 가스를 연료 전지 모드에서 재생하여 사용하므로 기존 연료 전지의 수소 이용률을 획기적으로 개선할 수 있어, 수소 및 산소 생성 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the renewable energy system of the present invention, since hydrogen and oxygen gas generated in the electrolysis mode are regenerated and used in the fuel cell mode, the hydrogen utilization rate of the existing fuel cell can be significantly improved, thereby improving hydrogen and oxygen production efficiency. It has the effect of maximizing.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 에너지 시스템이 구비된 해저도시의 개념도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 에너지 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 재생 연료 전지의 구성도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 재생 연료 전지의 전기 분해 모드시 공급되는 전압에 따른 전류 특성 곡선을 보여주는 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 재생 연료 전지의 전기 분해 모드시 생산되는 수소와 산소의 량을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 재생 연료 전지의 연료 전지 모드시 생산되는 전압-전류 곡선을 보여주는 도면이다.1 is a conceptual diagram of a submarine city equipped with a renewable energy system according to an embodiment of the present invention,
2 is a configuration diagram of a renewable energy system according to an embodiment of the present invention,
3 is a block diagram of an integrated renewable fuel cell according to an embodiment of the present invention,
4 is a view showing a current characteristic curve according to the voltage supplied in the electrolysis mode of the integrated renewable fuel cell according to an embodiment of the present invention,
5 is a view showing the amount of hydrogen and oxygen produced in the electrolysis mode of the integrated renewable fuel cell according to an embodiment of the present invention,
6 is a view showing a voltage-current curve produced in the fuel cell mode of an integrated renewable fuel cell according to an embodiment of the present invention.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.The terminology used in the present invention has been selected from the general terms that are currently widely used, but in certain cases, there are also terms that are arbitrarily selected by the applicant. Therefore, the meaning should be grasped.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical configuration of the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments illustrated in the accompanying drawings.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. The same reference numerals throughout the specification indicate the same components.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 에너지 시스템(100)은 바다(10) 속 해저도시(30) 내부에 설치되고, 해저도시(30)에 필요한 음용수, 산소, 전기 및 열 에너지와 해저도시(30)의 자세 제어에 필요한 추력을 일체로 생성한다.Referring to FIG. 1, a renewable energy system 100 according to an embodiment of the present invention is installed inside a submarine city 30 in the sea 10 and requires drinking water, oxygen, electricity, and heat required for the submarine city 30 Energy and thrust necessary for the posture control of the submarine city 30 are integrally generated.

또한, 상기 해저도시(30)는 해저 바닥에 건설되는 해저도시뿐만 아니라 해중에 건설되는 해중도시를 포함하는 개념이다.In addition, the submarine city 30 is a concept including a submarine city built on the sea floor as well as a submarine city built on the sea floor.

또한, 상기 재생 에너지 시스템(100)은 해상도시나 강 또는 호수 내에 건설되는 수중도시, 지중도시 및 지하도시 나아가 우주도시 등과 같이 산소와 물을 필요로 하는 다양한 고정형 시설물에 설치될 수 있다.In addition, the renewable energy system 100 may be installed in various fixed facilities that require oxygen and water, such as underwater cities, underground cities, underground cities, and space cities built in a river or lake at the time of resolution.

또한, 상기 재생 에너지 시스템(100)은 잠수함, 잠수정과 같은 수중이동체, 비행선과 같은 공중이동체와 우주선과 같은 우주 이동체인 이동형 시설물에도 설치가 가능하다.In addition, the renewable energy system 100 may be installed in mobile facilities such as submarines, submersible underwater vehicles such as submarines, airborne vehicles such as airships, and space vehicles such as spacecraft.

즉, 상기 재생 에너지 시스템(100)은 음용수, 산소, 전기 및 열 에너지를 필요로 하는 어떠한 환경에도 적용가능한 시스템이다.That is, the renewable energy system 100 is a system applicable to any environment requiring drinking water, oxygen, electricity, and thermal energy.

또한, 상기 재생 에너지 시스템(100)은 전기 분해 모드로 동작하기 위한 에너지를 외부 전기 공급 장치(160)로부터 공급받을 수 있으며, 상기 재생 에너지 시스템(100)은 상기 외부 전기 공급 장치(160)를 포함하여 구성될 수 있다.In addition, the renewable energy system 100 may receive energy for operating in an electrolysis mode from an external electrical supply device 160, and the renewable energy system 100 includes the external electrical supply device 160 Can be configured.

또한, 상기 외부 전기 공급 장치(160)는 기본적으로 상기 해저도시(30)의 부하로 전력을 공급하며 잉여전력을 상기 재생 에너지 시스템(100)으로 공급할 수 있다.In addition, the external electric supply device 160 basically supplies power to the load of the submarine city 30 and can supply surplus power to the renewable energy system 100.

또한, 상기 외부 전기 공급 장치(160)는 풍력 발전기(161), 태양광 발전기(162)뿐만 아니라 파력 및 조력 발전기 등, 수중, 수상, 지하, 지상에 발전하는 공지된 다양한 발전 장치일 수 있다.In addition, the external electricity supply device 160 may be a variety of well-known power generation devices that generate power in water, water, underground, and ground, such as a wind power generator 161 and a solar power generator 162, as well as wave and tidal power generators.

바람직하게는 상기 외부 전기 공급 장치(160)는 소용량 전력공급에 적합하고 상대적으로 발전효율이 우수한 풍력 발전기 및 태양광 발전기로 구성된다.Preferably, the external electric supply device 160 is composed of a wind power generator and a solar power generator suitable for small-capacity power supply and having relatively high power generation efficiency.

또한, 상기 외부 전기 공급 장치(160)는 상술한 발전 장치들뿐만 아니라 미리 전기 에너지가 저장되는 축전 장치로 구성될 수도 있으며, 상기 축전 장치는 건전지와 같이 1회 사용가능한 1차 전지 및 충전지와 같이 재충전하여 반복 사용가능한 2차 전지를 포함한다.In addition, the external electricity supply device 160 may be configured as a power storage device in which electrical energy is stored in advance, as well as the above-described power generation devices, and the power storage device may be used as a primary battery and a rechargeable battery that can be used once, such as batteries. It includes a rechargeable rechargeable battery that can be used repeatedly.

또한, 상기 외부 전기 공급 장치(160)는 상기 발전 장치 및 상기 축전 장치와 같은 전기 공급 기기들이 병렬로 연결되어 아래에서 설명할 제어 및 전력 공급 장치(140)에 의해 병렬운전될 수 있다. 이는 해저 도시(30)의 부하용량변화에 유연하게 대처할 수 있게 하기 위함이다.In addition, the external electricity supply device 160 may be operated in parallel by the control and power supply device 140, which will be described below, by connecting electricity generation devices such as the power generation device and the power storage device in parallel. This is to be able to flexibly cope with changes in load capacity of the submarine city 30.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 에너지 시스템(100)의 구성을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the configuration of the renewable energy system 100 according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 에너지 시스템(100)은 해수 담수화 장치(110), 일체형 재생 연료 전지(120), 가스 저장 장치(130) 및 제어 및 전력 공급장치(140)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the renewable energy system 100 according to an embodiment of the present invention includes a seawater desalination device 110, an integrated renewable fuel cell 120, a gas storage device 130, and a control and power supply device 140 ).

상기 해수 담수화 장치(110)는 해수를 담수로 변환하는 장치로써 상기 해저도시(30)에 필요한 식수와 상기 일체형 재생 연료 전지(120)의 연료인 물을 공급한다.The seawater desalination device 110 is a device for converting seawater into fresh water, and supplies drinking water required for the submarine city 30 and water, which is fuel for the integrated renewable fuel cell 120.

그러나 상기 해수 담수화 장치(110)는 호수 또는 강에 건설되는 수중도시와 지하수를 직접 공급받을 수 있는 지중도시의 환경에서는 포함되지 않거나 필요에 의해 사용될 수 있다.However, the seawater desalination device 110 may not be included or used as necessary in an environment of an underwater city built on a lake or river and an underground city that can directly receive groundwater.

상기 일체형 재생 연료 전지(120)는 상기 해수 담수화 장치(110)의 물을 이용하여 상기 해저도시(30)에 필요한 산소를 생산하기 위한 것으로 전기 분해 모드 및 연료 전지 모드로 동작한다.The integrated renewable fuel cell 120 is for producing oxygen required for the subsea city 30 using water of the seawater desalination device 110 and operates in an electrolysis mode and a fuel cell mode.

또한, 상기 일체형 재생 연료 전지(120)는 전기 분해 모드에서는 상기 외부 전기 공급 장치(160)로부터 전기 에너지를 공급받아 담수를 산화시켜 수소와 산소로 분해하고, 연료 전지 모드에서는 발생한 수소와 산소를 담수로 환원하며 전기 에너지를 생산한다. In addition, the integrated renewable fuel cell 120 receives electrical energy from the external electricity supply device 160 in an electrolysis mode to oxidize fresh water to decompose it into hydrogen and oxygen, and to generate hydrogen and oxygen generated in the fuel cell mode. And produce electrical energy.

또한, 상기 일체형 재생 연료 전지(120)로 공급되는 전기 에너지는 상기 해저도시(30) 등의 부하(40)에 사용되고 남은 잉여 에너지를 이용하여 수소와 산소를 생산한다.In addition, the electrical energy supplied to the integrated renewable fuel cell 120 is used for the load 40 of the submarine city 30, and uses the remaining surplus energy to produce hydrogen and oxygen.

또한, 상기 일체형 재생 연료 전지(120)는 복수 개의 단위 셀(단위전지)이 적층된 연료 전지 스택(stack)으로 이루어질 수 있다.In addition, the integrated renewable fuel cell 120 may be formed of a stack of fuel cells in which a plurality of unit cells (unit cells) are stacked.

또한, 상기 연료 전지 스택은 인접하는 단위 셀들간에 양극과 음극이 서로 교차하도록 적층된다.In addition, the fuel cell stack is stacked so that the anode and the cathode cross each other between adjacent unit cells.

또한, 도 3을 참조하면, 상기 단위 셀들(120')은 고분자 전해질막(121)과 상기 고분자 전해질막(121)의 양측에 열가압되어 부착되는 전극(122a,122b)를 포함하며, 상기 전극들(122a,122b)은 음극(122a)과 양극(122b)으로 구분된다.In addition, referring to FIG. 3, the unit cells 120 ′ include a polymer electrolyte membrane 121 and electrodes 122a and 122b attached to both sides of the polymer electrolyte membrane 121 by heat pressing, and the electrodes The fields 122a and 122b are divided into a cathode 122a and an anode 122b.

또한, 상기 고분자 전해질막(121)은 상기 양극(122a)의 수소 가스가 상기 음극(122b)로 통과하지 못하게 하고 이온화된 수소만을 통과하게 하며, 본 발명에서는 상기 고분자 전해질막(121)으로 미국의 'EI 듀폰 드 느무르 사(E I du Pont de Nemours and Co)'가 개발한 프로오르 기반의 전해질 멤브레인인 나피온112를 사용하였다.In addition, the polymer electrolyte membrane 121 prevents the hydrogen gas of the positive electrode 122a from passing through the negative electrode 122b and passes only ionized hydrogen. In the present invention, the polymer electrolyte membrane 121 is used in the United States. Nafion 112, a proor-based electrolyte membrane developed by EI du Pont de Nemours and Co, was used.

그러나, 상기 고분자 전해질막(121)은 'EI 듀폰 드 느무르 사(E I du Pont de Nemours and Co)'의 나피온117막, 나피온115막, 나피온212막을 사용할 수 있고, 'Gore'사의 Gore Select막을 사용할 수도 있다.However, the polymer electrolyte membrane 121 may use a Nafion 117 membrane, a Nafion 115 membrane, or a Nafion 212 membrane of'EI du Pont de Nemours and Co', and'Gore' You can also use the Gore Select film.

또한, 상기 음극(122a)과 상기 양극(122b)은 100℃ 내지 200℃로 열가압되어 상기 고분자 전해질막(121)에 결합한다..In addition, the negative electrode 122a and the positive electrode 122b are heat-pressed to 100°C to 200°C to be bonded to the polymer electrolyte membrane 121.

또한, 상기 음극(122a)과 상기 양극(122b)은 각각 촉매층(122a-2,122b-2)과 가스확산층(122a-1,122b-1)을 포함하여 이루어진다.In addition, the cathode 122a and the anode 122b include catalyst layers 122a-2 and 122b-2 and gas diffusion layers 122a-1 and 122b-1, respectively.

또한, 상기 촉매층(122a-2,122b-2)은 촉매(a) 및 바인더(c)를 포함하여 이루어지고 상기 촉매(a)는 백금, 루테늄, 이리듐, 코발트, 철 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함한다.In addition, the catalyst layer (122a-2, 122b-2) is made of a catalyst (a) and a binder (c) and the catalyst (a) is platinum, ruthenium, iridium, cobalt, iron, or any combination thereof Any one selected from the group consisting of.

또한, 상기 촉매(a)는 백금 1~99중량%와 이리듐 1~99중량%의 조합으로 이루어지거나, 상기 촉매(a)는 백금 1~99중량%와 루테늄 1~99중량%의 조합으로 이루어질 수 있으며, 상기 촉매(a)의 입자크기는 10nm 이하인 것을 사용한다. 그러나 상기 촉매(a)의 입자크기는 5nm 또는 3nm 이하의 입자로 한정하여 첨가할 수 있다.In addition, the catalyst (a) is made of a combination of 1 to 99% by weight of platinum and 1 to 99% by weight of iridium, or the catalyst (a) is made of a combination of 1 to 99% by weight of platinum and 1 to 99% by weight of ruthenium. May be used, the particle size of the catalyst (a) is 10nm or less. However, the particle size of the catalyst (a) can be added limited to particles of 5 nm or 3 nm or less.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 음극(122a)은 1cm2 면적당 4mg의 백금 촉매가 포함되고, 상기 양극(122b)은 1cm2면적당 4mg의 백금-이리튬 합금 촉매가 포함되도록 열가압하여 합착하였다.In one embodiment of the present invention, the negative electrode 122a was heat-pressed and bonded to include 4 mg of a platinum catalyst per 1 cm 2 area, and the positive electrode 122b was 4 mg of a platinum-lithium alloy catalyst per 1 cm 2 area.

또한, 상기 바인더(c)는 상기 촉매(a)를 상기 고분자 전해질막(121)에 융착하기 위한 것으로, 상기 고분자 전해질막(121)과 상기 바인더(c)는 양이온 교환 작용기를 갖는 재료로 구성된다. 또한, 상기 양이온 교환 작용기는 -OH, -OSO3H, -COOH, -OPO(OH)2, -C6H4SO3H 중 어느 하나를 포함한다.In addition, the binder (c) is for fusion of the catalyst (a) to the polymer electrolyte membrane 121, and the polymer electrolyte membrane 121 and the binder (c) are made of a material having a cation exchange functional group. . In addition, the cation exchange functional group includes any of -OH, -OSO 3 H, -COOH, -OPO(OH) 2 , -C 6 H 4 SO 3 H.

또한, 상기 바인더(c)는 나피온(Nafion) 바인더일 수 있으며, 상기 바인더(c)의 함량은 상기 촉매(a)의 함량에 대해 20wt%로 포함되도록 하였다.In addition, the binder (c) may be a Nafion (Nafion) binder, the content of the binder (c) was to be included in 20 wt% based on the content of the catalyst (a).

그러나, 상기 바인더(c)는 상기 촉매(a)의 함량에 대해 1wt% 내지 40wt%로 포함될 수 있다.However, the binder (c) may be included in 1wt% to 40wt% with respect to the content of the catalyst (a).

또한, 상기 촉매층(122a-2,122b-2)은 상기 촉매(a)의 활성을 돕고 상기 촉매(a)를 물리적으로 지지하는 담체(b)를 더 포함할 수 있다.In addition, the catalyst layers 122a-2 and 122b-2 may further include a carrier (b) that assists the activity of the catalyst (a) and physically supports the catalyst (a).

또한, 상기 담체(b)는 탄소, 아세틸렌 블랙 또는 탄소나노튜브로 제공될 수 있으며, 비표면적은 2000m2/g 이하인 것이 바람직하며, 1000m2/g, 500m2/g, 300m2/g 또는 100m2/g 이하의 비표면적을 갖는 담체로 한정하여 사용할 수 있다.In addition, the carrier (b) may be provided with carbon, acetylene black or carbon nanotubes, and the specific surface area is preferably 2000 m 2 /g or less, and 1000 m 2 /g, 500 m 2 /g, 300 m 2 /g or 100 m It can be used as a carrier having a specific surface area of 2 /g or less.

또한, 상기 단위 셀들(120')이 적층된 연료 전지 스택의 양쪽에는 전자가 흐를 수 있게 하는 집전체(123a,123b)가 적층될 수 있다.In addition, current collectors 123a and 123b that allow electrons to flow may be stacked on both sides of the fuel cell stack in which the unit cells 120 ′ are stacked.

또한, 도 3에서는 상기 집전체(123a,123b)가 단위 셀(120')의 양측에 적층되는 것으로 도시하였으나 실질적으로 복수의 단위 셀(120')들이 적층된 스택의 양측에 적층되며, 상기 단위 셀(120')들은 서로 다른 전극이 교차하도록 적층된다.In addition, in FIG. 3, the current collectors 123a and 123b are stacked on both sides of the unit cell 120 ′, but substantially a plurality of unit cells 120 ′ are stacked on both sides of the stacked stack. The cells 120' are stacked so that different electrodes intersect.

또한, 상기 집전체(123a,123b)는 백금, 금, 은 및 니켈 중 어느 하나 또는 둘 이상을 표면에 코팅한 타이타늄 판 또는 타이타늄 메쉬(mesh)를 사용할 수 있다.In addition, the current collectors 123a and 123b may use a titanium plate or a titanium mesh coated with one or more of platinum, gold, silver, and nickel on the surface.

또한, 상기 집전체(123a,123b)에는 표면에 유체(물, 수소가스, 산소가스)의 흐름을 유도하는 채널(123a-1,123b-1)이 형성되고, 상기 채널(123a-1,123b-1)은 깊이와 폭이 각각 0.1mm 내지 10mm인 일자형, 서펜틴(Serpentine)형 또는 도트형의 채널일 수 있다.In addition, channels (123a-1, 123b-1) for guiding the flow of fluid (water, hydrogen gas, oxygen gas) are formed on the current collectors (123a, 123b), and the channels (123a-1, 123b-1) are formed. ) May be a straight, serpentine or dot type channel having a depth and a width of 0.1 mm to 10 mm, respectively.

상기 가스 저장 장치(130)는 전기분해 모드시 상기 일체형 연료 전지(120)에서 발생한 수소와 산소를 압축하여 저장하거나 연료 전지 모드시 저장된 수소와 산소를 상기 일체형 연료 전지(120)로 공급한다.The gas storage device 130 compresses and stores hydrogen and oxygen generated in the integrated fuel cell 120 in the electrolysis mode or supplies hydrogen and oxygen stored in the integrated fuel cell 120 in the fuel cell mode.

또한, 상기 가스 저장 장치(130)는 상기 일체형 연료 전지(120)에서 생산된 수소와 산소를 포집하는 가스 포집기, 상기 가스 포집기에 연결되며, 포집된 수소와 산소를 각각 압축하는 압축기 및 압축된 수소와 산소를 저장하는 가스 저장 탱크를 포함할 수 있다.In addition, the gas storage device 130 is a gas collector for collecting hydrogen and oxygen produced in the integrated fuel cell 120, is connected to the gas collector, a compressor for compressing the collected hydrogen and oxygen, respectively, and compressed hydrogen And it may include a gas storage tank for storing oxygen.

또한, 상기 압축기는 수소와 산소를 각각 1기압 내지 1000기압으로 압축시킬 수 있으며, 상기 가스 저장 탱크는 강철과 FRP로 강화된 밀폐용기, 합성 탱크, 강철용기 등을 사용할 수 있다.In addition, the compressor can compress hydrogen and oxygen to 1 atm to 1000 atm, respectively, and the gas storage tank may be a sealed container, a synthetic tank, a steel container, etc. reinforced with steel and FRP.

상기 제어 및 전력 공급장치(140)는 상기 외부 전기 공급 장치(160)의 전기 에너지를 해저도시의 부하(40)로 공급하거나 잉여 전기 에너지를 상기 일체형 재생 연료 전지(120)로 공급하여 상기 일체형 재생 연료 전지(120)가 전기 분해 모드로 동작하게 한다.The control and power supply device 140 supplies the electrical energy of the external electric supply device 160 to the load 40 in a submarine city or supplies excess electrical energy to the integrated renewable fuel cell 120 to regenerate the integrated type. The fuel cell 120 is operated in an electrolysis mode.

또한, 상기 제어 및 전력 공급장치(140)는 전기 분해 모드시, 상기 해수 담수화 장치(110)로부터의 담수를 상기 일체형 재생 연료 전지(120)로 공급되게 하여 산소와 수소가 발생하게 한다.In addition, the control and power supply device 140, in the electrolysis mode, the fresh water from the seawater desalination device 110 is supplied to the integrated renewable fuel cell 120 to generate oxygen and hydrogen.

또한, 상기 담수는 70℃로 가열된 물이 30L/min의 유속으로 상기 일체형 재생 연료 전지(120)에 공급되게 하는 것이 바람직하다. In addition, it is preferable that the fresh water is supplied to the integrated renewable fuel cell 120 at a flow rate of 30 L/min of water heated to 70°C.

그러나, 상기 담수는 상기 일체형 재생 연료 전지(120)에 1L/min 내지 50L/min의 유속으로 공급될 수 있다. However, the fresh water may be supplied to the integrated renewable fuel cell 120 at a flow rate of 1 L/min to 50 L/min.

이때, 상기 제어 및 전력 공급장치(140)는 상기 일체형 재생 연료 전지(120)의 25cm2 면적당 0.1V 내지 2.0V의 전기 에너지를 공급한다.At this time, the control and power supply 140 supplies electric energy of 0.1V to 2.0V per 25cm 2 area of the integrated renewable fuel cell 120.

또한, 상기 제어 및 전력 공급장치(140)는 연료 전지 모드시, 상기 가스 저장 장치(130)에 저장된 수소 및 산소가 상기 일체형 재생 연료 전지(120)로 공급하여 전기 에너지가 생산되게 한다.In addition, the control and power supply device 140 in the fuel cell mode, the hydrogen and oxygen stored in the gas storage device 130 is supplied to the integrated renewable fuel cell 120 to produce electrical energy.

이때, 상기 수소는 75℃로 가열되어 단위 셀 당 250cc/min의 유속으로 공급되게 하고, 75℃의 산소가 단위 셀당 500cc/min의 유속으로 공급되게 하는 것이 바람직하다. At this time, it is preferable that the hydrogen is heated to 75°C to be supplied at a flow rate of 250 cc/min per unit cell, and oxygen at 75°C to be supplied at a flow rate of 500 cc/min per unit cell.

그러나, 상기 수소는 단위 셀 당 50L/min 내지 500L/min의 유속으로 공급될 수 있고, 상기 산도는 50L/min 내지 500L/min의 유속으로 공급될 수 있다. However, the hydrogen may be supplied at a flow rate of 50 L/min to 500 L/min per unit cell, and the acidity may be supplied at a flow rate of 50 L/min to 500 L/min.

또한, 상기 제어 및 전력 공급장치(140)는 상기 일체형 재생 연료 전지(120)에서 생산된 전기 에너지를 계통에 연계하여 부하(40)로 전기 에너지를 공급할 수 있고, 상기 부하(40)의 용량이 변화할 때 상기 외부 전기 공급 장치(160)의 병렬 운전을 수행할 수 있으며, 상기 외부 전기 공급 장치(160) 및 상기 일체형 재생 연료 전지(120)의 분산 전원을 상기 부하(40)로 공급할 수 있다.In addition, the control and power supply 140 may supply electrical energy to the load 40 by connecting the electrical energy produced by the integrated renewable fuel cell 120 to the system, and the capacity of the load 40 is When changing, it is possible to perform parallel operation of the external electric supply device 160, and supply distributed power of the external electric supply device 160 and the integrated renewable fuel cell 120 to the load 40. .

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 에너지 시스템(100)은 상기 일체형 재생 연료 전지(120)에서 발생하는 열 에너지를 회수하여 저장하는 열 회수 장치(140)를 더 포함할 수 있으며, 회수된 열은 해저도시의 난방, 상기 일체형 재생 연료 전지(120)로 공급되는 유체를 가열하는데 이용된다.In addition, the renewable energy system 100 according to an embodiment of the present invention may further include a heat recovery device 140 for recovering and storing heat energy generated in the integrated renewable fuel cell 120, and recovered Heat is used to heat the fluid supplied to the integrated renewable fuel cell 120, the heating of the submarine city.

또한, 상기 열 회수 장치(140)는 알루미늄, 황동, 구리, 청동 또는 주석이나 이들의 조합에 의해 제작될 수 있으며, 원통 다관형 또는 판형의 열 교환기를 포함할 수 있다.In addition, the heat recovery device 140 may be made of aluminum, brass, copper, bronze or tin, or a combination thereof, and may include a cylindrical multi-tube type or plate type heat exchanger.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 에너지 시스템(100)은 상기 해저도시(30)의 수평 자세를 유지하거나 이동하기 위한 추력을 발생하는 추력 발생 장치(150)를 더 포함할 수 있다.In addition, the renewable energy system 100 according to an embodiment of the present invention may further include a thrust generating device 150 that generates thrust for maintaining or moving the horizontal posture of the submarine city 30.

또한, 상기 추력 발생 장치(150)는 상기 열 회수 장치(140)에서 회수된 열을 이용하여 직접 터빈을 회전시킴으로써 추력을 얻을 수 있고, 회수된 열 에너지를 전기 에너지로 변환하여 터빈을 회전시킴으로써 추력을 얻을 수도 있다.In addition, the thrust generating device 150 may obtain thrust by directly rotating the turbine using the heat recovered from the heat recovery device 140, and convert the recovered heat energy into electrical energy to rotate the turbine to thrust. You can also get

그러나, 상기 추력 발생 장치(150)는 상기 제어 및 전력 공급 장치(140)로부터 전기를 공급받아 추력을 발생시킬 수 있다..However, the thrust generating device 150 may generate thrust by receiving electricity from the control and power supply device 140.

도 4 및 도 5는 전기 분해 모드에서 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 재생 연료 전지(120)의 전압-전류 곡선과 생산되는 수소 및 산소의 량을 보여주는 도면으로 상기 일체형 재생 연료 전지(120)의 음극(122a)에는 1cm2 면적당 4mg의 백금 촉매를 도포하고, 양극(122b)에는 1cm2면적당 4mg의 백금-이리튬 합금 촉매를 도포하였으며, 나피온 바인더는 촉매의 함량에 대하여 20wt%가 혼합되게 하였다. 또한, 나피온 112를 고분자 전해질 막(121)으로 사용하였으며, 타이타늄 판에 백금을 전착하여 집전체(123a,123b)를 구성하였다.4 and 5 are diagrams showing the voltage-current curve and the amount of hydrogen and oxygen produced in the integrated renewable fuel cell 120 according to an embodiment of the present invention in an electrolysis mode. The anode 122a was coated with 4 mg of platinum catalyst per 1 cm 2 area, and the anode 122b was coated with 4 mg of platinum-lithium alloy catalyst per 1 cm 2 area, and the Nafion binder was mixed with 20 wt% based on the content of the catalyst. Made it. In addition, Nafion 112 was used as the polymer electrolyte membrane 121, and platinum was electrodeposited on a titanium plate to form current collectors 123a and 123b.

또한, 물은 70℃로 가열하여 30L/min의 유속으로 상기 일체형 재생 연료 전지(120)에 공급하였고, 전기 에너지는 상기 일체형 재생 연료 전지(120)의 25cm2 면적당 0.1V 내지 2.0V의 전압이 공급되게 하였다.In addition, water was heated to 70° C. and supplied to the integrated renewable fuel cell 120 at a flow rate of 30 L/min, and the electric energy was a voltage of 0.1 V to 2.0 V per 25 cm 2 area of the integrated renewable fuel cell 120. To be supplied.

그 결과, 단위셀 25cm2 면적당 수소가 6cc/min 생성되었고, 산소가 10cc/min 생성되는 것을 확인할 수 있었다.As a result, it was confirmed that 6 cc/min of hydrogen was generated per 25 cm 2 area of the unit cell, and 10 cc/min of oxygen was generated.

또한, 도 6은 연료 전지 모드에서 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 재생 연료 전지(120)가 출력하는 전압-전류량과 일반 연료 전지의 전압-전류량을 비교 표시한 것으로, 상기 일체형 재생 연료 전지(120)의 단위셀 25cm2 면적당 75℃의 수소가 250cc/min의 유속으로 공급되게 하고, 75℃의 산소가 500cc/min의 유속으로 공급되게 하였다.In addition, FIG. 6 shows a comparison of the voltage-current amount output from the integrated renewable fuel cell 120 according to an embodiment of the present invention in the fuel cell mode and the voltage-current amount of the general fuel cell, and the integrated renewable fuel cell ( Hydrogen at 75° C. per 25 cm 2 area of the unit cell of 120) was supplied at a flow rate of 250 cc/min, and oxygen at 75° C. was supplied at a flow rate of 500 cc/min.

그 결과, 일반 연료전지와 거의 동일한 전기 에너지가 출력됨을 확인할 수 있었다.As a result, it was confirmed that the electric energy almost identical to that of the general fuel cell was output.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.As described above, the present invention has been illustrated and described with reference to preferred embodiments, but is not limited to the above-described embodiments and is within the scope of the present invention without departing from the spirit of the present invention. By this, various changes and modifications will be possible.

100:재생 에너지 시스템 110:해수 담수화 장치
120:일체형 재생 연료 전지 121:고분자 전해질 막
122a:음극 122b:양극
122a-1,122b-1:가스확산층 122a-2,122b-2:촉매층
123a,123b:집전체 123a-1,123b-1:채널
130:가스 저장 장치 140:열 회수 장치
150:추력 발생 장치100: renewable energy system 110: seawater desalination device
120: integrated renewable fuel cell 121: polymer electrolyte membrane
122a: cathode 122b: anode
122a-1,122b-1: Gas diffusion layer 122a-2,122b-2: Catalyst layer
123a,123b: current collector 123a-1,123b-1: channel
130: gas storage device 140: heat recovery device
150: thrust generating device

Claims (14)

무산소 또는 저산소 환경의 시설물에 설치되는 재생 에너지 시스템으로서,
전기 분해 모드에서는 외부 전기 공급 장치로부터 전기 에너지를 공급받아 담수로부터 수소와 산소를 생산하고, 연료 전지 모드에서는 수소와 산소를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 일체형 재생 연료 전지;
상기 일체형 재생 연료 전지에서 생산된 수소와 산소를 압축하여 저장하거나, 저장된 수소와 산소를 상기 일체형 재생 연료 전지로 공급하는 가스 저장 장치;
해수를 담수로 변환하여 변환된 담수를 상기 일체형 재생 연료 전지로 공급하는 해수 담수화 장치;
상기 일체형 재생 연료 전지에서 발생하는 열 에너지를 회수하는 열 회수 기관;
상기 열 회수 기관에 축열된 열 에너지를 직접 이용하거나, 상기 열 에너지를 변환한 전기 에너지를 이용하여 상기 시설물의 자세제어를 위한 추력을 발생시키는 추력 발생 장치; 및
상기 외부 전기 공급 장치와 연결되어 상기 외부 전기 공급 장치의 전기 에너지를 시설물의 부하로 인가되게 하거나, 상기 외부 전기 공급 장치의 잉여 전기 에너지를 상기 일체형 재생 연료 전지에 공급하여 상기 일체형 재생 연료 전지가 수소와 산소를 생산하게 하고, 상기 일체형 재생 연료 전지에서 생산된 전기 에너지를 상기 시설물의 부하로 공급할 수 있으며, 상기 시설물의 부하의 용량이 변화할 때 상기 외부 전기 공급 장치의 병렬 운전을 수행할 수 있고, 상기 외부 전기 공급 장치 및 상기 일체형 재생 연료 전지의 분산 전원을 상기 부하로 공급할 수 있는 제어 및 전력 공급 장치;를 포함하며,
상기 시설물은 생명체의 생존공간을 제공하는 수중이동체이고,
상기 시설물에 음용수, 산소, 전기에너지, 열 에너지 및 상기 시설물의 자세 제어에 필요한 추력 중 하나 이상을 일체로 공급하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
A renewable energy system installed in a facility in an oxygen-free or low-oxygen environment,
An integrated renewable fuel cell that produces hydrogen and oxygen from fresh water by receiving electrical energy from an external electricity supply in the electrolysis mode, and produces electrical energy by supplying hydrogen and oxygen in the fuel cell mode;
A gas storage device that compresses and stores hydrogen and oxygen produced in the integrated renewable fuel cell or supplies stored hydrogen and oxygen to the integrated renewable fuel cell;
A seawater desalination device that converts seawater into freshwater and supplies the converted freshwater to the integrated renewable fuel cell;
A heat recovery engine that recovers heat energy generated in the integrated renewable fuel cell;
A thrust generating device that directly uses heat energy stored in the heat recovery engine or generates thrust for attitude control of the facility using electrical energy converted from the heat energy; And
The integrated renewable fuel cell is connected to the external electrical supply device so that the electrical energy of the external electrical supply device is applied to the load of the facility, or the surplus electrical energy of the external electrical supply device is supplied to the integrated renewable fuel cell, so that the integrated renewable fuel cell is hydrogen And oxygen to be produced, and to supply electrical energy produced by the integrated renewable fuel cell to the load of the facility, and to perform parallel operation of the external electricity supply when the load capacity of the facility changes. , A control and power supply that can supply the external power supply and the distributed power supply of the integrated renewable fuel cell to the load.
The facility is an underwater vehicle that provides a living space for living things,
Renewable energy system, characterized in that for supplying at least one of drinking water, oxygen, electrical energy, thermal energy, and thrust necessary for posture control of the facility.
제 1 항에 있어서,
상기 외부 전기 공급 장치는 육상 또는 해상에 설치되고, 전기 에너지를 생성하여 상기 제어 및 전력 공급 장치로 공급하는 외부 발전 장치 또는 미리 전기 에너지가 저장되는 축전 장치로 구성되며,
상기 외부 발전 장치는 풍력 발전기, 태양광 발전기, 태양열 발전기, 파력 발전기 또는 조력 발전기를 포함하고,
상기 축전 장치는 1회 사용가능한 1차 전지 및 재충전하여 반복 사용가능한 2차 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.According to claim 1,
The external electricity supply device is installed onshore or offshore, and is composed of an external power generation device that generates electrical energy and supplies it to the control and power supply device or a power storage device in which electrical energy is stored in advance.
The external power generation device includes a wind power generator, a solar power generator, a solar power generator, a wave power generator, or a tidal power generator,
The power storage device comprises a primary battery that can be used once and a secondary battery that can be repeatedly used to be recharged. 제 1 항에 있어서,
상기 외부 전기 공급 장치는 풍력 발전기, 태양광 발전기, 태양열 발전기, 파력 발전기, 조력 발전기, 1차 전지 및 2차 전지 중, 적어도 어느 두 개의 전기 공급 기기를 포함하며,
상기 제어 및 전력 공급 장치는 상기 부하의 용량 증가시, 상기 전기 공급 기기들을 병렬 운전하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
According to claim 1,
The external electric supply device includes at least any two electric supply devices among wind power generators, solar power generators, solar power generators, wave power generators, tidal power generators, primary and secondary batteries,
The control and power supply unit, the renewable energy system, characterized in that when the capacity of the load increases, the electric supply devices are operated in parallel.
제 1 항에 있어서,
상기 가스 저장 장치는
상기 일체형 재생 연료 전지에서 생산된 수소와 산소를 포집하는 가스 포집기;
상기 가스 포집기에 연결되어 상기 수소와 산소를 각각 압축하는 압축기; 및
상기 압축기에 압축된 수소와 산소를 각각 저장하고, 저장된 수소와 산소를 상기 일체형 재생 연료 전지로 공급하는 가스 저장 탱크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
According to claim 1,
The gas storage device
A gas collector that collects hydrogen and oxygen produced by the integrated renewable fuel cell;
A compressor connected to the gas collector to compress the hydrogen and oxygen, respectively; And
And a gas storage tank that stores compressed hydrogen and oxygen, respectively, in the compressor, and supplies the stored hydrogen and oxygen to the integrated renewable fuel cell.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 일체형 재생 연료 전지는 복수 개의 단위 셀이 적층된 연료 전지 스택으로 구성되며,
상기 단위 셀들은 각각 고분자 전해질막, 상기 고분자 전해질막의 일측에 형성되는 양극 및 상기 고분자 전해질막의 타측에 형성되는 음극을 포함하고, 인접하는 단위 셀들 간에 양극과 음극이 서로 교차하도록 적층되는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
The method according to any one of claims 1 to 4,
The integrated renewable fuel cell is composed of a fuel cell stack in which a plurality of unit cells are stacked.
Each of the unit cells includes a polymer electrolyte membrane, a positive electrode formed on one side of the polymer electrolyte membrane, and a negative electrode formed on the other side of the polymer electrolyte membrane, and is stacked so that the positive electrode and the negative electrode cross each other between adjacent unit cells. Renewable energy system.
제 5 항에 있어서,
상기 연료 전지 스택은 적층된 단위 셀들의 양측에 집전체를 갖는데,
상기 집전체는 백금, 금, 은 및 니켈 중 어느 하나 또는 둘 이상이 표면에 코팅된 타이타늄 판 또는 타이타늄 메쉬로서,
상기 집전체는 표면에 유체의 흐름을 유도하는 채널이 형성되고, 상기 채널은 일자형, 서펜틴(Serpentine)형 또는 도트형의 형상을 갖고, 깊이와 폭이 각각 0.1mm 내지 10mm인 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
The method of claim 5,
The fuel cell stack has current collectors on both sides of the stacked unit cells.
The current collector is a titanium plate or a titanium mesh coated with one or more of platinum, gold, silver and nickel on the surface,
The current collector is formed with a channel for inducing a flow of fluid on the surface, and the channel has a straight, serpentine or dot shape, and the depth and width are respectively 0.1 mm to 10 mm. Renewable energy system.
제 5 항에 있어서,
상기 양극과 상기 음극은 상기 고분자 전해질막에 열가압되어 결합하며, 각각 촉매층과 가스확산층을 갖는데,
상기 전극들은 100~200℃ 온도로 상기 고분자 전해질 막에 열가압되고,
상기 촉매층은 촉매 및 바인더를 포함하며,
상기 고분자 전해질막과 상기 바인더는 양이온 교환 작용기를 갖는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
The method of claim 5,
The positive electrode and the negative electrode are heat-pressed and bonded to the polymer electrolyte membrane, each having a catalyst layer and a gas diffusion layer,
The electrodes are heat-pressed to the polymer electrolyte membrane at a temperature of 100 to 200°C,
The catalyst layer includes a catalyst and a binder,
Renewable energy system, characterized in that the polymer electrolyte membrane and the binder have a cation exchange functional group.
제 7 항에 있어서,
상기 양이온 교환 작용기는 -OH, -OSO3H, -COOH, -OPO(OH)2, -C6H4SO3H 중 어느 하나를 포함하고,
상기 촉매는 백금, 루테늄, 이리듐, 코발트, 철 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
The method of claim 7,
The cation exchange functional group includes any of -OH, -OSO 3 H, -COOH, -OPO(OH) 2 , -C 6 H 4 SO 3 H,
The catalyst is platinum, ruthenium, iridium, cobalt, iron, any one or a combination selected from the group consisting of a renewable energy system.
제 7 항에 있어서,
상기 촉매는 백금 1~99중량%와 이리듐 1~99중량%의 조합 또는 백금 1~99중량%와 루테늄 1~99중량%의 조합으로 이루어지는데,
상기 촉매의 입자크기는 10nm 이하인 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.The method of claim 7,
The catalyst is composed of a combination of 1 to 99% by weight of platinum and 1 to 99% by weight of iridium or a combination of 1 to 99% by weight of platinum and 1 to 99% by weight of ruthenium,
Renewable energy system, characterized in that the particle size of the catalyst is 10nm or less. 제 7 항에 있어서,
상기 촉매층은 담체를 더 포함하는데, 상기 담체는 탄소, 아세틸렌 블랙 또는 탄소나노튜브를 포함하고,
상기 담체의 비표면적은 2000m2/g 이하인 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
The method of claim 7,
The catalyst layer further comprises a carrier, the carrier comprises carbon, acetylene black or carbon nanotubes,
The specific surface area of the carrier is 2000m 2 /g or less, characterized in that the renewable energy system.
제 7 항에 있어서,
상기 음극은 백금 촉매를 포함하고, 상기 양극은 백금-이리듐 합금 촉매를 포함하며,
상기 바인더는 나피온(Nafion) 바인더로서, 상기 촉매의 함량에 대해 5wt% 내지 40wt%의 함량으로 포함되는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
The method of claim 7,
The negative electrode includes a platinum catalyst, and the positive electrode includes a platinum-iridium alloy catalyst,
The binder is a Nafion (Nafion) binder, a renewable energy system, characterized in that contained in an amount of 5wt% to 40wt% with respect to the content of the catalyst.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 분해 모드로 동작할 때, 상기 일체형 재생 연료 전지에는 70℃의 담수가 1L/min 내지 50L/min의 유속으로 공급되는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
The method according to any one of claims 1 to 4,
When operating in the electrolysis mode, a renewable energy system characterized in that fresh water at 70°C is supplied to the integrated renewable fuel cell at a flow rate of 1L/min to 50L/min.
제 12 항에 있어서,
상기 전기 분해 모드로 동작할 때, 상기 제어 및 전력 공급 장치는 상기 일체형 재생 연료 전지의 25cm2 면적당 0.1V 내지 2.0V의 전기 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.
The method of claim 12,
When operating in the electrolysis mode, the control and power supply device is a renewable energy system, characterized in that for supplying electrical energy of 0.1V to 2.0V per 25cm 2 area of the integrated renewable fuel cell.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연료 전지 모드로 동작할 때, 상기 일체형 재생 연료 전지에는 단위 셀당 75℃의 수소가 50cc/min 내지 500cc/min의 유속으로 공급되고 75℃의 산소가 50cc/min 내지 500cc/min의 유속으로 공급되는 것을 특징으로 하는 재생 에너지 시스템.The method according to any one of claims 1 to 4,
When operating in the fuel cell mode, 75 °C hydrogen per unit cell is supplied at a flow rate of 50 cc/min to 500 cc/min and oxygen at 75 °C is supplied at a flow rate of 50 cc/min to 500 cc/min per unit cell. Renewable energy system, characterized in that.
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