KR102655872B1 - 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템 및 이를 포함하는 수중운동체 - Google Patents
고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템 및 이를 포함하는 수중운동체 Download PDFInfo
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Abstract
고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템 및 이를 포함하는 수중운동체에 관하여 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템은 액화산소를 저장하는 액화산소탱크, 상기 액화산소탱크에 저장된 액화산소를 외부로 인출하여 공급하는 공급펌프, 상기 공급펌프의 출측에 위치하며, 상기 공급펌프에 의해 외부로 공급된 액화산소를 고압 상태로 공급하는 제1 고압펌프, 상기 제1 고압펌프를 거쳐 공급된 액화산소를 기화시키는 기화기, 액체연료를 저장하는 액체연료탱크, 상기 액체연료탱크에 저장된 액체연료를 외부로 인출하여 고압 상태로 공급하는 제2 고압펌프, 상기 기화기를 거쳐 기화된 산소가스와 상기 제2 고압펌프에 의해 공급된 액체연료를 기화시킨 연료가스를 함께 공급받아 혼합하는 혼합챔버, 및 상기 혼합챔버를 거쳐 혼합된 산소가스와 연료가스를 공급받아 연소시키는 연소기를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템은 액화산소를 저장하는 액화산소탱크, 상기 액화산소탱크에 저장된 액화산소를 외부로 인출하여 공급하는 공급펌프, 상기 공급펌프의 출측에 위치하며, 상기 공급펌프에 의해 외부로 공급된 액화산소를 고압 상태로 공급하는 제1 고압펌프, 상기 제1 고압펌프를 거쳐 공급된 액화산소를 기화시키는 기화기, 액체연료를 저장하는 액체연료탱크, 상기 액체연료탱크에 저장된 액체연료를 외부로 인출하여 고압 상태로 공급하는 제2 고압펌프, 상기 기화기를 거쳐 기화된 산소가스와 상기 제2 고압펌프에 의해 공급된 액체연료를 기화시킨 연료가스를 함께 공급받아 혼합하는 혼합챔버, 및 상기 혼합챔버를 거쳐 혼합된 산소가스와 연료가스를 공급받아 연소시키는 연소기를 포함한다.
Description
본 발명의 실시예는 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 프로세서를 통해 수소를 생성하고 수중운동체에 탑재된 연료전지에 수소를 공급하는 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템 및 이를 포함하는 수중운동체에 관한 것이다.
잠수함(이하, 수중운동체라 함)의 연료전지에 수소를 공급하는 방식으로 금속수소저장합금을 연료 개질로 대체하려는 연구가 진행되고 있다. 연료 개질은 탄화수소와 알코올 계열의 연료를 개질 반응을 통해 수소를 생성시키는 기술이다.
수중운동체의 경우, 연료 개질에서 생성되는 수소는 연료전지의 연료로 공급되지만 이산화탄소, 일산화탄소, 미반응 연료 등의 불순물 가스는 별도 처리가 필요하다.
여기서, 수증기 개질은 흡열반응으로 반응을 지속적으로 유지하기 위해 외부로부터 열에너지 공급이 필요하므로 상기 불순물 가스를 연소시켜 연소 열을 이용할 수 있게 된다. 이때, 연소에 의해 발생한 이산화탄소와 같은 연소가스는 잠수함 내 저장을 하거나 외부로 배출을 해야 한다. 그러나 잠수함은 장비 배치 공간이 제한되어 있고 기체를 수중 운항 시 함 외로 배출하게 되면 적에게 쉽게 노출될 위험이 있다.
이를 해결하기 위해 이산화탄소를 함 외의 해수에 녹여 배출하는 기술이 개발되고 있다.
한편, 이산화탄소를 해수에 용해시키기 위해서는 잠수함으로 유입되는 해수의 압력보다 높은 조건이어야 한다. 따라서 상압 조건으로 설계한 연료 개질을 잠수함에서 적용하기 위해서는 이산화탄소 가스를 압축하여 해수와 용해시켜야 하고 가스를 압축하기 위한 에너지 소모가 필요하다.
본 발명의 목적은 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 방식으로서, 수소를 생성하고 수중운동체에 탑재된 연료전지에 수소를 공급할 수 있는 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템 및 이를 포함하는 수중운동체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 금속수소저장합금을 대체할 수 있는 연료개질기를 잠수함에 적용하기 위해 요구되는 고압 조건의 연소기를 운용하여 수소를 효율적으로 공급할 수 있는 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템 및 이를 포함하는 수중운동체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전력소모량을 감소시켜 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템 및 이를 포함하는 수중운동체를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템은 액화산소를 저장하는 액화산소탱크; 상기 액화산소탱크에 저장된 액화산소를 외부로 인출하여 공급하는 공급펌프; 상기 공급펌프의 출측에 위치하며, 상기 공급펌프에 의해 외부로 공급된 액화산소를 고압 상태로 공급하는 제1 고압펌프; 상기 제1 고압펌프를 거쳐 공급된 액화산소를 기화시키는 기화기; 액체연료를 저장하는 액체연료탱크; 상기 액체연료탱크에 저장된 액체연료를 외부로 인출하여 고압 상태로 공급하는 제2 고압펌프; 상기 기화기를 거쳐 기화된 산소가스와 상기 제2 고압펌프에 의해 공급된 액체연료를 기화시킨 연료가스를 함께 공급받아 혼합하는 혼합챔버; 및 상기 혼합챔버를 거쳐 혼합된 산소가스와 연료가스를 공급받아 연소시키는 연소기;를 포함한다.
이때, 상기 기화기는, 상기 제1 고압펌프를 거쳐 공급된 액화산소를 수중운동체 내에서 사용되는 청수와 열교환하여 기화시킬 수 있다.
또한, 상기 연소기에서 연소 후 생성된 연소가스를 해수 용해하여 수중운동체의 외부로 배출하는 이산화탄소 처리장치;를 더 포함한다.
또한, 상기 혼합챔버에 공급되는 산소가스의 압력을 측정하는 압력계; 및 상기 혼합챔버에 공급되는 산소가스의 압력을 조절하는 압력조절밸브;를 더 포함한다.
또한, 상기 제2 고압펌프에서 공급된 액체연료를 기화하는 전기히터 및 열교환기;를 더 포함한다.
또한, 상기 전기히터는, 상기 제2 고압펌프의 출측에 위치하며, 시동 시에만 상기 제2 고압펌프에서 공급된 액체연료를 기화시킬 수 있다.
또한, 상기 전기히터는 시동이 걸리고 난 이후에는 동작이 중단되며, 정상 운전시에는 상기 열교환기가 상기 제2 고압펌프에서 공급된 액체연료를 기화시킬 수 있다.
또한, 상기 열교환기는, 상기 연소기의 연소 후 생성된 연소가스를 일부 공급받아 상기 제2 고압펌프에서 공급된 액체연료와 열교환시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 고압펌프와 상기 제2 고압펌프는, 시동 시 유량제어를 위해 상기 액화산소탱크와 상기 액체연료탱크 사이에서 바이패스 라인을 통해 연결될 수 있다. 그리고 이때 제어밸브가 더 구비될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 전술한 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템을 포함하는 수중운동체를 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템을 이용하여 수소를 생성하고 수중운동체에 탑재된 연료전지에 수소를 공급할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 금속수소저장합금을 대체할 수 있는 연료개질기를 잠수함에 적용하기 위해 요구되는 고압 조건의 연소기를 운용하여 수소를 효율적으로 공급할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 전력 소모량을 감소시켜 함 전체 부하를 최소화할 수 있으며, 이를 통해 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래의 일반적인 연소기의 연료 및 산소 공급 방식을 간략히 설명하기 위해 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따르는 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템을 설명하기 위해 간략히 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따르는 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템을 설명하기 위해 간략히 도시한 개념도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
잠수함 등의 수중운동체는 은닉성을 극대화하기 위해서는 장시간 잠항을 할 수 있는 능력이 필요하다. 재래식 잠수함은 배터리, 디젤엔진, 및 발전기의 조합으로 잠항 시간이 짧지만, 공기불요시스템(AIP; Air Independent Propulsion)을 적용한 잠수함은 이보다 2~3배 정도 잠항 시간이 길기 때문에 작전 능력이 우수한 장점이 있다.
이와 같은 공기불요시스템(AIP)은 MESMA, 스털링, 연료전지와 같이 다양한 에너지 변환 장치를 포함한다. 그 중에 연료전지는 수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치이며, 타 장치들보다 에너지 효율이 높기 때문에, 잠수함 등의 수중운동체에 적용된 경우가 많다. 이와 같은 연료전지에 적용되는 연료인 수소를 저장, 공급하는 방법이 문제가 되며, 수소를 저장하는 방법으로는 고압 압축 저장, 액화 저장, 수소 저장 합금, 수소화물 저장 방법 등이 있다.
고압 압축 저장은 빠른 저장 속도가 장점인 반면 350기압 이상의 높은 압력이 요구되므로 밀폐된 잠수함에 적용하기에는 안전성 문제가 있으며, 액화 저장은 저장밀도는 높지만 -252.7도의 낮은 온도로 액화하기 위한 에너지 소모량이 많고, 이를 저장 시 지속적으로 발생하는 증발가스(Boil-off Gas)를 처리하거나 방지하는 별도 장치가 필요한 단점이 있다.
수중운동체의 경우, 연료 개질에서 생성되는 수소는 연료전지의 연료로 공급되지만 이산화탄소, 일산화탄소, 미반응 연료 등의 불순물 가스는 별도 처리가 필요하다. 여기서, 수증기 개질은 흡열반응으로 반응을 지속적으로 유지하기 위해 외부로부터 열에너지 공급이 필요하므로 상기 불순물 가스를 연소시켜 연소 열을 이용할 수 있게 된다.
이때, 연소에 의해 발생한 이산화탄소와 같은 연소가스는 잠수함 내 저장을 하거나 외부로 배출을 해야 한다. 그러나 잠수함은 장비 배치 공간이 제한되어 있고 기체를 수중 운항 시 함 외로 배출하게 되면 적에게 쉽게 노출될 위험이 있다. 이를 해결하기 위해 이산화탄소를 함 외의 해수에 녹여 배출하는 기술이 개발되고 있다. 다만, 이산화탄소를 해수에 용해시키기 위해서는 잠수함으로 유입되는 해수의 압력보다 높은 조건이어야 한다. 따라서 상압 조건으로 설계한 연료 개질을 잠수함에서 적용하기 위해서는 이산화탄소 가스를 압축하여 해수와 용해시켜야 하고 가스를 압축하기 위한 에너지 소모가 필요하다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해서 본 발명의 실시예들에 따르면 액체수소를 고압으로 공급할 수 있는 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템을 제공한다.
도 1은 일반적인 연소시스템을 간략히 도시한 개념도이다. 도시된 연소시스템(10)은 연소기(11), 블로워(12), 연료공급펌프(13)를 포함한다. 연소기(11)는 블로워(12)의 가동에 의해 공기를 공급받으며, 연료공급펌프(13)에 의해 연료를 공급받는다.
그런데 블로워(20)는 보통 압력비가 1.1이상 2미만, 압력상승 구간이 10~100kPa인 경우 사용되는 장비이다. 잠수함 등의 수중운동체는 최대 잠항심도가 200m 이상이므로 20barg 이상의 이산화탄소가 압축이 필요하므로 상당한 압축 일이 필요하다. 예를 들면, 1kmol/h의 이산화탄소를 80도 조건에서 상압에서 20barg까지 압축하기 위해서는 Adiabatic efficiency 75% 인 경우 약 4.5kW 동력이 필요하지만, 동일 유량의 이산화탄소를 메탄의 연소반응식에서 생성하기 위해 필요한 산소(4kmol/h)를 액체상태에서 동일 압력비로 승압하는 경우 0.083kW 동력으로 충분하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템(100)은 초저온고압펌프를 적용할 수 있다.
도 2를 참조하면, 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템(100)은 액화산소탱크(110), 공급펌프(111), 제1 고압펌프(113), 기화기(115), 혼합챔버(120), 액체연료탱크(130), 제2 고압펌프(131), 전기히터(133), 열교환기(135), 연소기(140), 개질기(150), 이산화탄소 처리장치(160)를 포함한다.
여기서, 액화산소탱크(110)는 액화산소를 저장할 수 있다.
또한, 공급펌프(111)는 액화산소탱크(110)에 저장된 액화산소를 공급한다.
또한, 제1 고압펌프(113)는 공급펌프(111)를 통해 과냉각(sub-cooled) 상태의 액화산소를 공급받아 소정의 압력으로 연소기(140)에 공급한다.
이는 액화산소탱크(110)에 저장된 액화산소가 포화상태이므로 제1 고압펌프(113)를 이용하여 공급하는 경우, 제1 고압펌프(113)의 저항으로 발생하는 압력 저하 현상으로 인해 액화산소 내에 기포가 발생하여 캐비테이션을 야기할 수 있기 때문이다.
한편, 제1 고압펌프(113)는 초저온고압펌프를 이용할 수 있는데, 제1 고압펌프(113)를 거쳐 연소기(140)에 공급되는 액화산소의 압력은 20barg이상일 수 있다.
한편, 제1 고압펌프(113)를 통해 이송된 산소는 기화기(115)로 공급된다.
액화산소는 기화기(115)에서 잠수함 내에서 사용되는 청수와 열교환하여 기화될 수 있다.
이후, 기화된 산소는 혼합챔버(120)에서 연료가스와 혼합되고 연소기(140)에 공급된다. 연소가스는 이산화탄소 처리장치(160)에서 해수 용해를 거쳐 함 외부로 배출하게 된다.
그리고 연소기(140)로 공급되는 산소 가스의 압력은 기화기(115) 후단에 배치된 압력조절밸브(117)와 압력계(119)에 의해 계측 및 조절되며, 이러한 구성에 대한 전체적인 제어 기능은 제어부(200)에서 담당한다.
한편, 액체연료탱크(130)는 액체연료를 저장한다. 액체연료탱크(130)에 저장된 액체연료는 제2 고압펌프(131), 전기히터(133), 열교환기(135), 압력제어밸브(137)를 거쳐 연료가스로 생성되어 혼합챔버(120)에 공급된다. 이후 혼합챔버(120)에서 산소와 연료가스는 혼합되어 연소기에 공급된다.
이때, 액화가스를 공급하는 제1 고압펌프(113)와 액체연료를 공급하는 제2 고압펌프(131)는 시동 시 유량제어를 위해 액화산소탱크(110)와 액체연료탱크(130)로 바이패스 라인(180)과 제어밸브(190)를 구성한다.
한편, 전기히터(133)는 시동 시에만 동작하고 시동이 걸리고 난 이후에는 동작하지 않을 수 있다.
시동이 걸리고 난 이후, 정상 운전 시에는 연소가스의 일부가 열교환기(135)에 공급되어 액체연료를 기화시킬 수 있으며, 기화된 연료가스는 연소기(140)에 공급될 수 있다.
한편, 개질기(150)는 연소기(140)로부터 열을 공급받을 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템을 이용하여 수소를 생성하고 수중운동체에 탑재된 연료전지에 수소를 공급할 수 있다.
나아가, 금속수소저장합금을 대체할 수 있는 연료개질기를 잠수함에 적용하기 위해 요구되는 고압 조건의 연소기를 운용하여 수소를 효율적으로 공급할 수 있다.
더 나아가, 전력 소모량을 감소시켜 함 전체 부하를 최소화할 수 있으며, 이를 통해 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
100: 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템
110: 액화산소탱크
111: 공급펌프
113: 제1 고압펌프
115: 기화기
117: 압력조절밸브
119: 압력계
120: 혼합챔버
130: 액체연료탱크
131: 제2 고압펌프
133: 전기히터
135: 열교환기
140: 연소기
150: 개질기
160: 이산화탄소 처리장치
180: 바이패스 라인
190: 제어밸브
200: 제어부
110: 액화산소탱크
111: 공급펌프
113: 제1 고압펌프
115: 기화기
117: 압력조절밸브
119: 압력계
120: 혼합챔버
130: 액체연료탱크
131: 제2 고압펌프
133: 전기히터
135: 열교환기
140: 연소기
150: 개질기
160: 이산화탄소 처리장치
180: 바이패스 라인
190: 제어밸브
200: 제어부
Claims (10)
- 액화산소를 저장하는 액화산소탱크;
상기 액화산소탱크에 저장된 액화산소를 외부로 인출하여 공급하는 공급펌프;
상기 공급펌프의 출측에 위치하며, 상기 공급펌프에 의해 외부로 공급된 액화산소를 고압 상태로 공급하는 제1 고압펌프;
상기 제1 고압펌프를 거쳐 공급된 액화산소를 기화시키는 기화기;
액체연료를 저장하는 액체연료탱크;
상기 액체연료탱크에 저장된 액체연료를 외부로 인출하여 고압 상태로 공급하는 제2 고압펌프;
상기 기화기를 거쳐 기화된 산소가스와 상기 제2 고압펌프에 의해 공급된 액체연료를 기화시킨 연료가스를 함께 공급받아 혼합하는 혼합챔버;
상기 혼합챔버를 거쳐 혼합된 산소가스와 연료가스를 공급받아 연소시키는 연소기; 및
상기 연소기에서 연소 후 생성된 연소가스를 해수 용해하여 수중운동체의 외부로 배출하는 이산화탄소 처리장치;
를 포함하는 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 기화기는,
상기 제1 고압펌프를 거쳐 공급된 액화산소를 수중운동체 내에서 사용되는 청수와 열교환하여 기화시키는 것을 특징으로 하는
고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 혼합챔버에 공급되는 산소가스의 압력을 측정하는 압력계; 및
상기 혼합챔버에 공급되는 산소가스의 압력을 조절하는 압력조절밸브;
를 더 포함하는 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 고압펌프에서 공급된 액체연료를 기화하는 전기히터 및 열교환기;
를 더 포함하는 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템.
- 제5항에 있어서,
상기 전기히터는,
상기 제2 고압펌프의 출측에 위치하며, 시동 시에만 상기 제2 고압펌프에서 공급된 액체연료를 기화시키는 것을 특징으로 하는
고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템.
- 제6항에 있어서,
상기 전기히터는 시동이 걸리고 난 이후에는 동작이 중단되며,
정상 운전시에는 상기 열교환기가 상기 제2 고압펌프에서 공급된 액체연료를 기화시키는 것을 특징으로 하는
고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템.
- 제7항에 있어서,
상기 열교환기는,
상기 연소기의 연소 후 생성된 연소가스를 일부 공급받아 상기 제2 고압펌프에서 공급된 액체연료와 열교환시키는 것을 특징으로 하는
고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 고압펌프와 상기 제2 고압펌프는,
시동 시 유량제어를 위해 상기 액화산소탱크와 상기 액체연료탱크 사이에서 바이패스 라인을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는
고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템.
- 제1항 내지 제2항 및 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항의 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템을 포함하는
수중운동체.
Priority Applications (1)
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| KR1020180140390A KR102655872B1 (ko) | 2018-11-15 | 2018-11-15 | 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템 및 이를 포함하는 수중운동체 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020180140390A KR102655872B1 (ko) | 2018-11-15 | 2018-11-15 | 고압연소시스템을 이용한 연료 개질 시스템 및 이를 포함하는 수중운동체 |
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