KR20130073503A - 잠수정용 전력 공급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 잠수정에 고용량의 전력을 안정적으로 공급하는 잠수정용 전력 공급 장치에 관한 것이다.
본 발명에서 제공하는 연료전지를 포함하는 잠수정용 전력 공급 장치는 연료를 지속적으로 공급하는 한 반영구적으로 전력공급이 가능하여 안정적으로 고용량의 전력을 공급할 수 있으며, 높은 파워의 고출력 전기공급이 가능하다. 또한, 전력 수요에 따라 적합한 전기에너지를 공급함으로써 에너지 효율을 높일 수 있으며, 종래의 전력공급 시스템에 비해 수명을 연장시키고, 작업 공간을 크게 확장시킬 수 있다.

Description

잠수정용 전력 공급 장치 {POWER SUPPLY APPARATUS FOR A SUBMARINE}
본 발명은 잠수정에 고용량의 전력을 안정적으로 공급하는 잠수정용 전력 공급 장치에 관한 것이다.
현재, 인류는 지상에서 얻을 수 있는 에너지와 천연자원의 고갈에 직면해 있다. 이에 따라 원유 및 천연가스로 대표되는 천연에너지의 채굴 장소는 과거 대륙 인근 200미터 이내의 대륙붕에서, 현재 극지방의 3000미터 이상의 심해로 바뀌고 있으며, 이에 따른 심해 작업의 필요성이 크게 증가하고 있다. 또한, 망간, 코발트, 니켈 등의 천연자원 및 심해에너지자원, 식량자원 등의 자원의 보고로서 심해탐사 및 개발에 대한 필요성이 크게 증가하고 있다.
이러한 심해 작업 및 개발을 위한 최초의 심해 무인 잠수정은 1953년 구소련의 드미트리 레미코프가 제작한 푸들이며, 이후 미국, 프랑스, 영국, 캐나다, 일본, 노르웨이, 스웨덴, 독일, 호주 등의 선진 해양 국가를 중심으로 무인잠수정이 개발되었다.
이러한 심해 작업 및 탐사를 위한 무인 잠수정은 동력공급 및 제어 방식에 따라 크게 원격제어 무인 잠수정(ROV; remotely-operated underwater vehicle)과 자율 무인 잠수정(AUV; autonomous underwater vehicle)으로 나눌 수 있다. 원격제어 무인 잠수정은 수면의 제어선과 유선으로 연결되어 전원공급, 원격제어 및 조종이 가능하며, 자율 무인잠수정은 지상과의 연결케이블 없이 자력으로 이동하기 위한 동력원과 해상과 통신을 위한 통신장치 및 제어장치 등을 가지고 있어 스스로 해저를 항해할 수 있다.
따라서, 원격제어 무인 잠수정은 제어선으로부터 동력이 공급되는 한 계속적으로 작업을 할 수 있으나, 제어선과의 연결 케이블의 제약으로 작업 반경 및 작업 공간이 제한적이며, 제어선을 운용해야하는 불편함이 있다. 이에 비하여 자율 무인 잠수정은 리튬 이온 배터리 등의 자체 동력을 가지고 있어 작업공간에 대한 제한은 없으나, 자체 동력이 충분하지 못하여 작업시간 및 작업반경이 제한되는 단점이 있다.
본 발명의 일 측면은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 잠수정에 고용량의 전력을 운용에 제약 없이 안정적으로 공급하는 잠수정용 전력 공급 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면에 따른 잠수정용 전력 공급 장치는 연료를 공급받아 전기화학반응에 의해 전기를 형성하고, 이 전기를 전력으로 변환하도록 구성되는 연료전지 시스템(100); 상기 연료전지 시스템(100)에 연료를 공급하는 연료공급 시스템(200); 및 상기 연료전지 시스템(100)으로부터 생산된 전력을 저장하고, 이를 전력 수요원으로 공급하는 배터리(300)를 포함할 수 있다.
본 발명에서 제공하는 연료전지를 포함하는 잠수정용 전력 공급 장치는 연료를 지속적으로 공급하는 한 반영구적으로 전력공급이 가능하여 안정적으로 고용량의 전력을 공급할 수 있으며, 높은 파워의 고출력 전기공급이 가능하다. 또한, 전력 수요에 따라 적합한 전기에너지를 공급함으로써 에너지 효율을 높일 수 있으며, 종래의 전력공급 시스템에 비해 수명을 연장시키고, 작업 공간을 크게 확장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 잠수정용 전력 공급 장치의 구성도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 잠수정용 전력 공급 장치의 구성도를 나타낸 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 연료전지 시스템을 이용하여 해저 잠수정에 안정적이고 지속적으로 전력을 공급할 수 있는 연료전지 시스템을 이용한 잠수정용 전력 공급 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
연료전지는 연료(수소)의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지(Cell)로서, 공급된 기상 연료들(예컨대, 수소와 산소)이 이온물질이 이동하는 전해질을 통과한 후 전기화학반응을 일으켜, 직류 전기를 생산하는 에너지 전환 장치이다.
연료전지를 이용한 발전은 친환경적이며, 태양광 발전 또는 풍력 발전과 비교하여 환경조건에 구애받지 않고, 생산할 수 있는 전력이 크고, 제어가 용이하며, 연료가 공급되는 한 영구적으로 지속적인 전력생산이 가능하다는 장점이 있다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
도 1 및 2는 본 발명에 따른 잠수정용 전력 공급 장치의 구성도를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 1에 나타낸 바와 같이 본 발명의 잠수정용 전력 공급 장치는 연료 를 공급받아 전기화학반응에 의해 전기를 형성하고, 이 전기를 전력으로 변환하도록 구성되는 연료전지 시스템(100); 상기 연료전지 시스템(100)에 연료를 공급하는 연료탱크(201)를 포함하는 연료공급 시스템(200); 및 상기 연료전지 시스템(100)으로부터 생산된 전력을 저장하고, 전력 수요원으로 전력을 공급하는 배터리(300)를 포함한다.
상기 잠수정용 전력 공급 장치를 구성하는 연료전지 시스템(100)에는 전기화학반응으로 전기를 생산하는 연료전지 스택, 상기 연료전지 스택에 공급되는 연료의 유·출입을 관리하고, 가압하는 압력을 조절하는 MBOP(mechanical balance of plant) 및 상기 연료전지 스택으로부터 생성된 전기를 전력으로 변환하여 이를 배터리(300)에 공급하는 EBOP(electrical balance of plant)가 포함될 수 있다.
한편, 연료로서 화석연료를 이용할 경우에는 상기 화석연료를 개질하기 위한 개질장치와 불순물 제거장치가 상기 연료전지 시스템(100)에 추가로 더 구비될 수 있다. 이때, 화석연료로는 메탄, PG, NG 또는 디젤유가 사용될 수 있다.
또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 잠수정용 전력 공급 장치를 구성하는 연료공급 시스템(200)에는 상기 연료전지 시스템(100)에 연료를 공급하기 위한 연료탱크(201)가 포함되며, 연료로서 화석연료를 사용하는 경우에는 상기 화석연료를 개질하는 개질장치에 순수를 공급하기 위한 순수공급설비(202)가 추가로 더 포함될 수 있다.
상기 순수공급설비(202)는 해수로부터 순수를 공급하기 위한 담수화·수처리 설비인 것이 바람직하다.
상기 연료전지 시스템(100)의 전력 생산 원리를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 연료전지 시스템(100)의 MBOP는 연료가 저장되어 있는 연료탱크(201)로부터 연료를 공급받아 연료전지 스택에 연료를 공급한다. 상기 연료전지 스택에서는 상기 MBOP로부터 공급받은 연료에 의해 전기를 생산한다.
이때, 상기 연료전지 스택에 연료로서 수소와 산소가 공급될 경우, 연료전지 스택 내에서 수소와 산소가 전기화학반응을 일으켜, 전기와 열, 물을 생성하게 된다. 이렇게 생성된 전기는 EBOP에 의해 전력으로 변환되고, 상기 EBOP에서 변환된 전력은 배터리(300)에 공급되어 충전된다.
상기 연료전지 스택에서 생산되는 전기는 직류형태일 수 있으며, 상기 전기를 받은 EBOP는 직류형태의 전기를 직류 또는 교류 전력으로 변환하여 전력 수요원에 공급할 수 있다. 즉, EBOP는 직류를 교류로 변환하는 일종의 인버터(inverter) 기능을 일부 포함할 수도 있다.
한편, 연료로서 화석연료가 공급되는 경우에는 연료전지 시스템(100) 내에 구비된 개질장치에 순수공급설비(202)에서 담수화 및 수처리 작업을 거쳐 생성된 순수를 공급하여 화석연료를 개질화하여 반응물질로 사용한다. 이때, 순수는 해수를 이용하여 생성될 수 있는데, 구체적으로 공급된 해수가 순수공급설비(202)에서 담수화 및 수처리 작업을 거치면 순수한 물(H2O)이 생성되고, 이렇게 생성된 물은 연료전지 시스템(100)의 개질장치에 공급될 수 있다.
상기 연료전지 스택은 대부분의 연료를 연소시키나, 일부 미반응된 연료를 포함할 수도 있다. 미반응된 연료는 수소의 농도가 낮은 희박 연료이기 때문에, 직접 연소시켜 에너지로 활용하기 어렵다. 이러할 경우, 상기 연료전지 시스템은 미반응된 연료를 개질할 수 있는 개질부를 더 포함할 수 있다. 상기 개질부를 더 포함할 경우에는 미반응 연료까지 재활용할 수 있으므로 연료전지 시스템의 효율을 더욱 높일 수 있다.
상기와 같이 배터리(300)에 충전된 전력은 전력 수요원에 전력을 공급하며, 공급하고 남은 전력을 저장할 수도 있다.
상기 배터리(300)로는 납축전지, 리튬배터리, 이차전지, 메탈-에어전지, NAS 등이 이용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 전지들을 구비할 경우, 연료전지 시스템(100)으로부터 공급받은 전력으로 충전할 수 있어, 배터리의 수명을 연장시킬 수 있다.
상기 배터리(100)로부터 저장된 전력을 공급받는 전력 수요원은 예를들어, 잠수정내의 표시장치, 관측장치, 통신장치, 자체구동장치 등이 될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 안정적이고 지속적으로 고용량의 전력을 공급할 수 있는 연료전지 시스템을 이용하여 잠수정을 운용할 경우, 기존의 낮은 동력 공급으로 제한되었던 작업의 종류가 다양해지며, 작업시간 및 작업반경을 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, 기존의 이차 전지를 대체할 수 있는 친환경적 전력 공급 장치를 제공할 수 있다.
100: 연료전지 시스템
200: 연료공급 시스템
201: 연료탱크
202: 순수공급설비
300: 배터리

Claims (8)

  1. 연료를 공급받아 전기화학반응에 의해 전기를 형성하고, 이 전기를 전력으로 변환하도록 구성되는 연료전지 시스템(100);
    상기 연료전지 시스템(100)에 연료를 공급하는 연료탱크(201)를 구비한 연료공급 시스템(200); 및
    상기 연료전지 시스템(100)으로부터 생산된 전력을 저장하고, 전력 수요원으로 전력을 공급하는 배터리(300)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 잠수정용 전력 공급 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료는 수소 및 산소인 것을 특징으로 하는 잠수정용 전력 공급 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템(100)은 화석연료를 개질하기 위한 개질장치를 더 구비하고, 상기 연료공급 시스템(200)에는 상기 개질장치에 순수를 공급하는 순수공급설비(202)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잠수정용 전력 공급 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템(100)은 전기화학반응으로 전기를 생산하는 연료전지 스택, 상기 연료전지 스택에 연료를 공급하는 MBOP(mechanical balance of plant) 및 생성된 전기를 전력으로 변환시키는 EBOP(electrical balance of plant)를 포함하는 것을 특징으로 하는 잠수정용 전력 공급 장치.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리(300)는 납축전지, 리튬배터리, 이차전지, 메탈-에어전지 및 NAS 중 1종 인 것을 특징으로 하는 잠수정용 전력 공급 장치.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 화석연료는 메탄, PG, NG 또는 디젤유인 것을 특징으로 하는 잠수정용 전력 공급 장치.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 순수공급설비(202)는 해수를 순수한 물로 처리하여, 연료전지 시스템(100)의 개질장치에 공급하는 담수화·수처리 설비인 것을 특징으로 하는 잠수정용 전력 공급 장치.
  8. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 수요원은 표시장치, 관측장치, 통신장치 및 자체구동장치로 구성된 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 장치인 것을 특징으로 하는 잠수정용 전력 공급 장치.
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