KR20210010030A - Fuel cell hydrogen supply system of underwater moving body using dehydrogenation reaction of ammonia and underwater moving body having the same - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a fuel cell hydrogen supply system of an underwater moving body using dehydrogenation reaction of ammonia and a underwater moving body having the same. The fuel cell hydrogen supply system of the underwater moving body according to one embodiment of the present invention includes: an ammonia storage tank for storing ammonia as fuel; an ammonia dehydrogenation reactor (NH3 dehydrogenation reactor) for performing an ammonia dehydrogenation reaction using the ammonia fuel supplied from the ammonia storage tank; an ammonia adsorption device for receiving the reactants passing through the ammonia dehydrogenation reactor and allowing only nitrogen and hydrogen to pass; a nitrogen adsorption device for receiving nitrogen and hydrogen passing through the ammonia adsorption device to supply only hydrogen to the fuel cell; and a waste heat recovery unit (WHRU) for recovering high-temperature reaction heat generated from the fuel cell, and transferring the recovered reaction heat to the ammonia dehydrogenation reactor so as to be used for the ammonia dehydrogenation reaction. Accordingly, ammonia is used as a fuel, so that the fuel is stored in a low pressurized tank or a low temperature tank.

Description

암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템 및 이를 포함하는 수중운동체{FUEL CELL HYDROGEN SUPPLY SYSTEM OF UNDERWATER MOVING BODY USING DEHYDROGENATION REACTION OF AMMONIA AND UNDERWATER MOVING BODY HAVING THE SAME}Fuel cell hydrogen supply system for underwater vehicle using ammonia dehydrogenation reaction and underwater vehicle including the same {FUEL CELL HYDROGEN SUPPLY SYSTEM OF UNDERWATER MOVING BODY USING DEHYDROGENATION REACTION OF AMMONIA AND UNDERWATER MOVING BODY HAVING THE SAME}

본 발명의 실시예는 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템 및 이를 포함하는 수중운동체에 관한 것이다. An embodiment of the present invention relates to a fuel cell hydrogen supply system for an underwater vehicle using a dehydrogenation reaction of ammonia, and an underwater vehicle including the same.

최근 들어, 화석연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 연료전지 시스템이 개발이 활발히 진행되고 있다. Recently, fuel cell systems have been actively developed in order to solve problems caused by the use of fossil fuels.

연료전지는 LNG, LPG, 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 가솔린 등의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료전지의 캐소드(cathode)에서는 산화제인 산소의 환원반응이 일어나며, 애노드(anode)에서는 연료인 수소의 산화반응이 일어나는데, 이러한 전기화학 반응을 통해 전기, 열, 물 등이 발생된다. The fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in substances such as LNG, LPG, methanol (CH3OH), ethanol (C2H5OH), and gasoline into electrical energy. A reduction reaction of oxygen, which is an oxidizing agent, occurs at the cathode of a fuel cell, and an oxidation reaction of hydrogen, which is a fuel, occurs at the anode, and electricity, heat, and water are generated through this electrochemical reaction.

연료전지는 기존의 화석연료에 비해 대기오염물질 배출이 적으며, 높은 효율로 인해 연료소비도 적고, 낮은 소음 및 진동으로 안정성 또한 높은 장점이 있다.Fuel cells have the advantage of having less air pollutant emissions compared to conventional fossil fuels, less fuel consumption due to high efficiency, and high stability due to low noise and vibration.

특히, 잠수함 등의 수중운동체 분야에서도 선진국에서는 수소저장합금 또는 개질 시스템을 이용한 AIP(Air Independent Propulsion) 시스템에 대한 많은 연구 개발이 이루어지고 있으며, 이미 상용화가 진행되고 있다. In particular, in the field of underwater vehicles such as submarines, many researches and developments have been made on AIP (Air Independent Propulsion) systems using hydrogen storage alloys or reforming systems in advanced countries, and commercialization is already in progress.

따라서, 선진국의 수소저장합금과 메탄올을 이용한 개질 시스템을 이용한 기술과는 차별화된 독자적인 수소 저장 및 공급 시스템의 개발이 필요한 실정이다. Therefore, it is necessary to develop an independent hydrogen storage and supply system differentiated from the technology using a hydrogen storage alloy and a reforming system using methanol of advanced countries.

대한민국 공개특허공보 제10-2015-0134091호(2015.12.01, 공개일)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2015-0134091 (2015.12.01, publication date)

본 발명의 목적은 암모니아를 연료로 이용하여 낮은 가압 탱크 또는 저온 탱크에 연료를 저장할 수 있으며, 부피 대피 높은 수소저장용량과 수소의 높은 무게 물성을 가지고, 질소와 수소만으로 구성되어 탈수소화반응을 통해 순도 높은 수소를 생산할 수 있는 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템 및 이를 포함하는 수중운동체를 제공함에 있다. It is an object of the present invention to store fuel in a low pressure tank or a low temperature tank using ammonia as a fuel, and has a high hydrogen storage capacity and high weight properties of hydrogen, and consists of only nitrogen and hydrogen through a dehydrogenation reaction. The objective is to provide a fuel cell hydrogen supply system for an underwater vehicle using a dehydrogenation of ammonia capable of producing high-purity hydrogen, and an underwater vehicle including the same.

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.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects and advantages of the present invention that are not mentioned can be understood by the following description, and will be more clearly understood by examples of the present invention. In addition, it will be easily understood that the objects and advantages of the present invention can be realized by the means shown in the claims and combinations thereof.

본 발명의 일 실시예에 따르면 암모니아를 연료로 이용하여 낮은 가압 탱크 또는 저온 탱크에 연료를 저장할 수 있으며, 부피 대피 높은 수소저장용량과 수소의 높은 무게 물성을 가지고, 질소와 수소만으로 구성되어 탈수소화반응을 통해 순도 높은 수소를 생산할 수 있는 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템을 제공할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, fuel can be stored in a low pressure tank or a low temperature tank using ammonia as a fuel, and has a high hydrogen storage capacity and high weight properties of hydrogen, and consists of only nitrogen and hydrogen for dehydrogenation. It is possible to provide a fuel cell hydrogen supply system for an underwater vehicle using a dehydrogenation reaction of ammonia capable of producing high purity hydrogen through a reaction.

본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템은 암모니아를 연료로 저장하는 암모니아 저장탱크; 상기 암모니아 저장탱크에서 공급받은 암모니아 연료를 이용하여 암모니아 탈수소화반응을 수행하는 암모니아 탈수소화반응기(NH3 dehydrogenation reactor); 상기 암모니아 탈수소화반응기를 거친 반응물을 공급받아 질소와 수소만을 통과시키는 암모니아 흡착장치; 상기 암모니아 흡착장치를 통과한 질소와 수소를 공급받아 연료전지에 수소만을 공급하는 질소 흡착장치; 및 상기 연료전지에서 발생되는 고온의 반응열을 회수하며, 상기 회수한 반응열을 상기 암모니아 탈수소화반응기로 전달하여 상기 암모니아 탈수소화반응에 이용시키는 WHRU(Waste Heat Recovery Unit);를 포함한다. A fuel cell hydrogen supply system for an underwater vehicle using a dehydrogenation of ammonia according to an embodiment of the present invention includes an ammonia storage tank for storing ammonia as fuel; An ammonia dehydrogenation reactor (NH3 dehydrogenation reactor) for performing ammonia dehydrogenation reaction using ammonia fuel supplied from the ammonia storage tank; An ammonia adsorption device that receives the reactant through the ammonia dehydrogenation reactor and passes only nitrogen and hydrogen; A nitrogen adsorption device for supplying only hydrogen to a fuel cell by receiving nitrogen and hydrogen passing through the ammonia adsorption device; And a WHRU (Waste Heat Recovery Unit) for recovering the high temperature reaction heat generated from the fuel cell and transferring the recovered reaction heat to the ammonia dehydrogenation reactor to be used in the ammonia dehydrogenation reaction.

상기 암모니아 저장탱크는, 암모니아를 액체 상태로 저장하기 위한 저온 탱크 또는 가압 탱크일 수 있다. 암모니아는 저온(예: -34도 등) 또는 10bar 이상에서 액체로 저장할 수 있다. The ammonia storage tank may be a low-temperature tank or a pressurized tank for storing ammonia in a liquid state. Ammonia can be stored as a liquid at low temperatures (eg -34 degrees) or above 10 bar.

상기 암모니아 흡착장치와 상기 질소 흡착장치 사이를 연결하는 배관상에 구비되어, 상기 배관 내의 암모니아 농도를 검출하는 암모니아 분석기;를 더 포함한다. And an ammonia analyzer provided on a pipe connecting the ammonia adsorption device and the nitrogen adsorption device to detect the ammonia concentration in the pipe.

상기 암모니아 분석기의 출측과 상기 암모니아 탈수소화반응기의 입측 사이를 연결하는 바이패스 배관을 더 포함하며, 상기 암모니아 분석기의 암모니아 농도 검출 결과에 따라 상기 바이패스 배관을 이용하여 상기 암모니아 탈수소화반응기로 다시 공급할 수 있다. Further comprising a bypass pipe connecting between the outlet side of the ammonia analyzer and the inlet side of the ammonia dehydrogenation reactor, and supply back to the ammonia dehydrogenation reactor using the bypass pipe according to the ammonia concentration detection result of the ammonia analyzer. I can.

상기 질소 흡착장치를 통해 상기 연료전지로 공급되는 수소와 분리된 질소를 저장하고 환기시키는 질소 저장 및 환기 시스템;을 더 포함한다. It further includes a nitrogen storage and ventilation system for storing and ventilating hydrogen and separated nitrogen supplied to the fuel cell through the nitrogen adsorption device.

상기 WHRU에서 회수한 상기 연료전지에서 발생된 고온의 반응열의 회수 량이 상기 암모니아 탈수소화반응기에서 필요한 열 에너지에 비해 적을 경우 상기 암모니아 탈수소화반응기에 열 에너지를 공급하는 히터;를 더 포함한다. A heater for supplying thermal energy to the ammonia dehydrogenation reactor when the amount of the high-temperature reaction heat recovered from the fuel cell recovered by the WHRU is less than the thermal energy required by the ammonia dehydrogenation reactor; further includes.

상기 히터는, 상기 연료전지로부터 미 반응 수소를 공급받아, 상기 미 반응 수소와 외부 공급된 산소 및 연료를 이용하여 가열되어 상기 암모니아 탈수소화반응기에 필요한 열 에너지를 공급할 수 있다.The heater may receive unreacted hydrogen from the fuel cell and heated using the unreacted hydrogen and externally supplied oxygen and fuel to supply thermal energy required for the ammonia dehydrogenation reactor.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 전술한 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템을 포함하는 수중운동체, 즉 잠수함을 제공한다. In addition, according to another embodiment of the present invention, there is provided an underwater vehicle, that is, a submarine, including a fuel cell hydrogen supply system for the underwater vehicle using the ammonia dehydrogenation reaction described above.

이때, 상기 수중운동체는, HDO 또는 HFO 연료유를 저장하는 저장탱크; 상기 HDO 또는 HFO 연료유를 공급받아 구동하는 엔진; 및 상기 엔진의 출력을 이용하여 전력을 생성하는 컨버터 및 트랜스포머;를 더 포함한다. At this time, the underwater vehicle, the storage tank for storing the HDO or HFO fuel oil; An engine driven by receiving the HDO or HFO fuel oil; And a converter and a transformer that generate electric power using the output of the engine.

그리고 상기 수중운동체는, 프로펠러 구동에 필요한 출력을 생성하는 모터를 더 포함하며, 상기 모터는, 상기 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템에 의해 수소를 공급받은 상기 연료전지로부터 전기 에너지를 공급받거나, 또는 상기 엔진의 출력을 이용하여 상기 컨버터 및 트랜스포머를 통해 생성된 전기 에너지를 공급받아 동작할 수 있다. And the underwater vehicle further includes a motor that generates an output required for driving the propeller, wherein the motor is supplied with hydrogen by a fuel cell hydrogen supply system of the underwater vehicle using a dehydrogenation reaction of the ammonia. The operation may be performed by receiving electric energy or by receiving electric energy generated through the converter and the transformer using the output of the engine.

본 발명에 의하면 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템 및 이를 포함하는 수중운동체를 제공할 수 있다. According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell hydrogen supply system for an underwater vehicle using ammonia dehydrogenation reaction, and an underwater vehicle including the same.

구체적으로는, 본 발명에 의하면 암모니아를 연료로 이용하여 낮은 가압 탱크 또는 저온 탱크에 연료를 저장할 수 있으며, 부피 대피 높은 수소저장용량(108kg/m3)과 수소의 높은 무게(17.6 wt%) 물성을 갖는 장점이 있다. 그리고 질소(N2)와 수소(H2)만으로 구성되어 암모니아의 탈수소화반응을 통해 순도 높은 수소를 생산할 수 있는 유리한 기술적 효과가 있다. Specifically, according to the present invention, fuel can be stored in a low pressure tank or a low temperature tank using ammonia as a fuel, and the bulk evacuation high hydrogen storage capacity (108 kg/m3) and high weight (17.6 wt%) properties of hydrogen There is an advantage to have. And it is composed of only nitrogen (N2) and hydrogen (H2), there is an advantageous technical effect that can produce high-purity hydrogen through ammonia dehydrogenation.

특히, 암모니아는 저온(예: -34도 등) 또는 10bar 이상에서 액체로 저장할 수 있으며, 암모니아 탈수소화 반응 실증에서 높은 전환율(99.8%)을 확인할 수 있었다. In particular, ammonia can be stored as a liquid at low temperatures (eg -34 degrees, etc.) or at 10 bar or higher, and a high conversion rate (99.8%) was confirmed in the demonstration of ammonia dehydrogenation reaction.

이때, 암모니아의 탈수소화 반응은 대략 450도 내지 550도 온도에서 높은 전환율을 확인할 수 있는데, 연료전지에서 발생하는 높은 온도의 반응열을 WHRU(Waste Heat Recovery Unit)에서 회수하여 암모니아 탈수소화 반응에 활용할 수 있다. 그 결과 본 발명에 의하면 WHRU에서 생성된 고온의 스팀을 암모니아의 탈수소화 반응에 사용할 수 있어 에너지의 효율적인 사용이 가능한 장점이 있다. At this time, the ammonia dehydrogenation reaction can confirm a high conversion rate at a temperature of approximately 450 to 550 degrees, and the high temperature reaction heat generated from the fuel cell can be recovered from the waste heat recovery unit (WHRU) and used for the ammonia dehydrogenation reaction. have. As a result, according to the present invention, the high-temperature steam generated in the WHRU can be used for the dehydrogenation of ammonia, thereby enabling efficient use of energy.

나아가, 본 발명에 의하면 연료전지에서 회수한 반응열이 암모니아의 탈수소화 반응에 사용하는데 부족할 경우, 연료전지에서 미 반응한 수소를 연료로 사용하여 별도의 히터를 가동하여 탈수소화 반응에 필요한 열을 제공할 수 있다. Furthermore, according to the present invention, when the reaction heat recovered from the fuel cell is insufficient to be used for the dehydrogenation reaction of ammonia, a separate heater is operated using unreacted hydrogen as fuel to provide the heat required for the dehydrogenation reaction. can do.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.In addition to the above-described effects, specific effects of the present invention will be described together while describing specific details for carrying out the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템을 간략히 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따르는 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템이 적용된 수중운동체를 간략히 도시한 개념도이다. 1 is a conceptual diagram schematically showing a fuel cell hydrogen supply system for an underwater vehicle using a dehydrogenation of ammonia according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram schematically showing an underwater vehicle to which a fuel cell hydrogen supply system of an underwater vehicle using a dehydrogenation reaction of ammonia according to an embodiment of the present invention is applied.

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.The above-described objects, features, and advantages will be described later in detail with reference to the accompanying drawings, and accordingly, one of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to easily implement the technical idea of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of known technologies related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description will be omitted. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to indicate the same or similar elements.

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.Hereinafter, it means that an arbitrary component is disposed on the "top (or lower)" of the component or the "top (or lower)" of the component, the arbitrary component is arranged in contact with the top (or bottom) of the component. In addition, it may mean that other components may be interposed between the component and any component disposed on (or under) the component.

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.In addition, when a component is described as being "connected", "coupled" or "connected" to another component, the components may be directly connected or connected to each other, but other components are "interposed" between each component. It is to be understood that "or, each component may be "connected", "coupled" or "connected" through other components.

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.Underwater vehicles such as submarines need the ability to submerge for a long time to maximize concealability. Conventional submarines have a short submerged time due to the combination of batteries, diesel engines, and generators, but submarines with an Air Independent Propulsion (AIP) have an advantage of superior operational capability because they have 2 to 3 times longer submersion time than this. have.

연료전지는 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생산하는 장치로서, 타 장치들보다 에너지 효율이 높기 때문에, 잠수함 등의 수중운동체에 적용될 경우 많은 장점이 있다. A fuel cell is a device that generates electricity through a chemical reaction of hydrogen and oxygen, and is more energy efficient than other devices, and thus has many advantages when applied to an underwater vehicle such as a submarine.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템을 간략히 도시한 개념도이고, 도 2는 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템이 적용된 수중운동체의 전체 구성을 간략히 도시한 개념도이다. 1 is a conceptual diagram schematically showing a fuel cell hydrogen supply system for an underwater vehicle using ammonia dehydrogenation according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a fuel cell hydrogen supply for an underwater vehicle using ammonia dehydrogenation. It is a conceptual diagram briefly showing the overall configuration of the underwater vehicle to which the system is applied.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르는 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템(100)은 암모니아를 연료로 이용하여 낮은 가압 탱크 또는 저온 탱크에 연료를 저장할 수 있다. As shown, the fuel cell hydrogen supply system 100 of an underwater vehicle using ammonia dehydrogenation reaction according to an embodiment of the present invention can store fuel in a low pressure tank or a low temperature tank using ammonia as fuel. .

본 발명의 일 실시예에 따르는 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템(100)은 부피 대피 높은 수소저장용량과 수소의 높은 무게 물성을 가지고, 질소와 수소만으로 구성되어 탈수소화반응을 통해 순도 높은 수소를 생산할 수 있는 장점이 있다. The fuel cell hydrogen supply system 100 for an underwater vehicle using a dehydrogenation reaction of ammonia according to an embodiment of the present invention has a high hydrogen storage capacity and high weight properties of hydrogen, and consists of only nitrogen and hydrogen for dehydrogenation. There is an advantage of being able to produce high purity hydrogen through the reaction.

구체적으로 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템(100)은 암모니아 저장탱크(110), 암모니아 탈수소화반응기(120), 암모니아 흡착장치(130), 질소 흡착장치(140), WHRU(180)를 포함한다. Specifically, the fuel cell hydrogen supply system 100 of an underwater vehicle using a dehydrogenation reaction of ammonia according to an embodiment of the present invention includes an ammonia storage tank 110, an ammonia dehydrogenation reactor 120, an ammonia adsorption device ( 130), a nitrogen adsorption device 140, and a WHRU (180).

암모니아 저장탱크(110)는 암모니아를 연료로 저장하는 용기 형태의 저장탱크를 말한다. The ammonia storage tank 110 refers to a storage tank in the form of a container that stores ammonia as fuel.

예를 들면, 암모니아 저장탱크(110)는 암모니아를 액체 상태로 저장하기 위한 저온 탱크 또는 가압 탱크일 수 있다. 이와 같이, 암모니아는 저온(예: -34도 등) 또는 10bar 이상에서 암모니아 저장탱크(110) 내에서 액체상태로 저장될 수 있다. For example, the ammonia storage tank 110 may be a low temperature tank or a pressurized tank for storing ammonia in a liquid state. In this way, ammonia may be stored in a liquid state in the ammonia storage tank 110 at a low temperature (eg -34 degrees, etc.) or 10 bar or more.

암모니아 탈수소화반응기(NH3 dehydrogenation reactor)(120)는 암모니아 저장탱크(110)에서 공급받은 암모니아 연료를 이용하여 암모니아 탈수소화반응을 수행한다. The ammonia dehydrogenation reactor 120 performs ammonia dehydrogenation reaction using ammonia fuel supplied from the ammonia storage tank 110.

암모니아 흡착장치(130)는 암모니아 탈수소화반응기를 거친 반응물을 공급받아 질소와 수소만을 통과시키는 흡착제를 포함하여 구성되는 장치를 말한다. The ammonia adsorption device 130 refers to a device including an adsorbent that passes only nitrogen and hydrogen by receiving a reactant through an ammonia dehydrogenation reactor.

질소 흡착장치(140)는 암모니아 흡착장치(130)를 통과한 질소와 수소를 공급받아 질소를 분리하고 연료전지(170)에 수소만을 공급하는 장치를 말한다. The nitrogen adsorption device 140 refers to a device that receives nitrogen and hydrogen that have passed through the ammonia adsorption device 130 to separate nitrogen and supply only hydrogen to the fuel cell 170.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템(100)의 경우, 암모니아 흡착장치(130)와 질소 흡착장치(150) 사이를 연결하는 배관(135)상에 구비되어, 배관(135) 내의 암모니아 농도를 검출하는 암모니아 분석기(140)를 더 포함한다. Meanwhile, in the case of the fuel cell hydrogen supply system 100 of an underwater vehicle using a dehydrogenation reaction of ammonia according to an embodiment of the present invention, a pipe connecting between the ammonia adsorption device 130 and the nitrogen adsorption device 150 ( 135), and further includes an ammonia analyzer 140 for detecting ammonia concentration in the pipe 135.

그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템(100)의 경우, 암모니아 분석기(140)의 출측과 암모니아 탈수소화반응기(120)의 입측 사이를 연결하는 바이패스 배관(145)을 더 포함한다. And in the case of the fuel cell hydrogen supply system 100 of the underwater vehicle using the dehydrogenation of ammonia according to an embodiment of the present invention, the connection between the outlet side of the ammonia analyzer 140 and the inlet side of the ammonia dehydrogenation reactor 120 It further includes a bypass pipe (145).

이와 같이 구성됨에 따라, 암모니아 분석기(140)의 암모니아 농도 검출 결과에 따라 검출된 암모니아 농도가 일정 기준치를 넘을 경우 바이패스 배관(145)을 이용하여 암모니아 탈수소화반응기(120)로 다시 공급하여 암모니아 탈수소화반응을 다시 수행하도록 조절할 수 있다. According to this configuration, when the ammonia concentration detected according to the ammonia concentration detection result of the ammonia analyzer 140 exceeds a predetermined reference value, the ammonia dehydration is supplied back to the ammonia dehydrogenation reactor 120 using the bypass pipe 145. It can be adjusted to perform the digestion reaction again.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템(100)의 경우, 질소 흡착장치(150)를 통해 연료전지(170)로 공급되는 수소와 분리된 질소를 저장하고 환기시키는 질소 저장 및 환기 시스템(160)을 더 포함할 수 있다. On the other hand, in the case of the fuel cell hydrogen supply system 100 of an underwater vehicle using a dehydrogenation reaction of ammonia according to an embodiment of the present invention, it is separated from hydrogen supplied to the fuel cell 170 through the nitrogen adsorption device 150 It may further include a nitrogen storage and ventilation system 160 to store and ventilated nitrogen.

WHRU(Waste Heat Recovery Unit)(180)는 연료전지(170)에서 발생되는 고온의 반응열을 회수한다. The waste heat recovery unit (WHRU) 180 recovers the high temperature reaction heat generated from the fuel cell 170.

그리고 WHRU(180)는 회수한 반응열을 암모니아 탈수소화반응기(120)로 전달하여 고온의 반응열이 필요한 암모니아 탈수소화반응에 사용하도록 해준다. In addition, the WHRU 180 transfers the recovered reaction heat to the ammonia dehydrogenation reactor 120 to be used for ammonia dehydrogenation reaction requiring high temperature reaction heat.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템(100)은 히터(190)를 더 포함할 수 있다. In addition, the fuel cell hydrogen supply system 100 for an underwater vehicle using a dehydrogenation reaction of ammonia according to an embodiment of the present invention may further include a heater 190.

히터(190)는 WHRU(180)에서 회수한 연료전지에서 발생된 고온의 반응열의 회수 량(즉, 열 에너지 공급량)이 암모니아 탈수소화반응기(120)에서 필요한 열 에너지(즉, 열 에너지 필요량)에 비해 적을 경우 가열작용을 통해 암모니아 탈수소화반응기(120)에 열 에너지를 공급하는 장치이다. Heater 190 is the recovery amount of the high-temperature reaction heat generated from the fuel cell recovered from the WHRU 180 (that is, the amount of heat energy supply) to the heat energy required by the ammonia dehydrogenation reactor 120 (that is, the amount of heat energy required). If it is less than that, it is a device that supplies thermal energy to the ammonia dehydrogenation reactor 120 through a heating action.

구체적인 예로서, 히터(190)는 연료전지(170)로부터 미 반응 수소를 공급받아 가열에 사용할 수 있다. 즉, 히터(190)는 연료전지(170)로부터 공급받은 미 반응 수소와, 외부로부터 공급된 산소 및 연료를 이용하여 가열될 수 있으며, 암모니아 탈수소화반응기(120)에 필요한 열 에너지를 공급할 수 있다. As a specific example, the heater 190 may receive unreacted hydrogen from the fuel cell 170 and use it for heating. That is, the heater 190 may be heated using unreacted hydrogen supplied from the fuel cell 170 and oxygen and fuel supplied from the outside, and may supply thermal energy required to the ammonia dehydrogenation reactor 120. .

도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 전술한 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템(100)을 포함하는 수중운동체(200)(즉, 잠수함)를 제공한다. Referring to FIG. 2, according to another embodiment of the present invention, there is provided an underwater vehicle 200 (ie, a submarine) including a fuel cell hydrogen supply system 100 for an underwater vehicle using the ammonia dehydrogenation reaction described above. .

도시된 바와 같이, 수중운동체(1000)는 압력선체(10)의 내부에 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템(100)과 함께, HDO 또는 HFO 연료유를 저장하는 저장탱크(200), HDO 또는 HFO 연료유를 공급받아 구동하는 엔진(210), 엔진(210)의 출력을 이용하여 전력을 생성하는 컨버터 및 트랜스포머(220)를 더 포함할 수 있다. As shown, the underwater vehicle 1000 is a storage tank for storing HDO or HFO fuel oil together with the fuel cell hydrogen supply system 100 of the underwater vehicle using a dehydrogenation reaction of ammonia inside the pressure hull 10 (200), an engine 210 that receives and drives HDO or HFO fuel oil, and a converter and a transformer 220 that generates power using the output of the engine 210 may be further included.

또한, 수중운동체(1000)는 프로펠러(240) 구동에 필요한 출력을 생성하는 모터(230)를 더 포함한다. In addition, the underwater vehicle 1000 further includes a motor 230 that generates an output required for driving the propeller 240.

이때, 모터(220)는 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템(100)에 의해 수소를 공급받은 연료전지(170)로부터 전기 에너지를 공급받아 동작하거나, 또는 엔진(210)의 출력을 이용하여 컨버터 및 트랜스포머(220)를 통해 생성된 전기 에너지를 공급받아 동작할 수 있다. At this time, the motor 220 operates by receiving electric energy from the fuel cell 170 receiving hydrogen by the fuel cell hydrogen supply system 100 of the underwater vehicle using a dehydrogenation reaction of ammonia, or the engine 210 Electric energy generated through the converter and transformer 220 may be supplied and operated using the output of.

상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템을 제공할 수 있다. As described above, according to the configuration and operation of the present invention, it is possible to provide a fuel cell hydrogen supply system for an underwater vehicle using a dehydrogenation reaction of ammonia.

본 발명에 의하면 암모니아를 연료로 이용하여 낮은 가압 탱크 또는 저온 탱크에 연료를 저장할 수 있으며, 부피 대피 높은 수소저장용량(108kg/m3)과 수소의 높은 무게(17.6 wt%) 물성을 갖는 장점이 있다. 그리고 질소(N2)와 수소(H2)만으로 구성되어 암모니아의 탈수소화반응을 통해 순도 높은 수소를 생산할 수 있는 유리한 기술적 효과가 있다. According to the present invention, fuel can be stored in a low pressure tank or a low temperature tank using ammonia as a fuel, and has the advantage of having a high hydrogen storage capacity (108 kg/m3) and a high weight (17.6 wt%) of hydrogen for volume evacuation. . And it is composed of only nitrogen (N2) and hydrogen (H2), there is an advantageous technical effect that can produce high-purity hydrogen through ammonia dehydrogenation.

특히, 암모니아는 저온(예: -34도 등) 또는 10bar 이상에서 액체로 저장할 수 있으며, 암모니아 탈수소화 반응 실증에서 높은 전환율(99.8%)을 확인할 수 있었다. 암모니아의 탈수소화 반응은 대략 450도 내지 550도 온도에서 높은 전환율을 확인할 수 있는데, 연료전지에서 발생하는 높은 온도의 반응열을 WHRU(Waste Heat Recovery Unit)에서 회수하여 암모니아 탈수소화 반응에 활용할 수 있다. 그 결과 본 발명에 의하면 WHRU에서 생성된 고온의 스팀을 암모니아의 탈수소화 반응에 사용할 수 있어 에너지의 효율적인 사용이 가능한 장점이 있다. In particular, ammonia can be stored as a liquid at low temperatures (eg -34 degrees, etc.) or at 10 bar or higher, and a high conversion rate (99.8%) was confirmed in the demonstration of ammonia dehydrogenation reaction. In the dehydrogenation reaction of ammonia, a high conversion rate can be confirmed at a temperature of about 450 to 550 degrees, and the high temperature reaction heat generated from the fuel cell can be recovered in a waste heat recovery unit (WHRU) and used for ammonia dehydrogenation reaction. As a result, according to the present invention, the high-temperature steam generated in the WHRU can be used for the dehydrogenation of ammonia, thereby enabling efficient use of energy.

나아가, 본 발명에 의하면 연료전지에서 회수한 반응열이 암모니아의 탈수소화 반응에 사용하는데 부족할 경우, 연료전지에서 미 반응한 수소를 연료로 사용하여 별도의 히터를 가동하여 탈수소화 반응에 필요한 열을 제공할 수 있다. Furthermore, according to the present invention, when the reaction heat recovered from the fuel cell is insufficient to be used for the dehydrogenation reaction of ammonia, a separate heater is operated using unreacted hydrogen as fuel to provide the heat required for the dehydrogenation reaction. can do.

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.As described above with reference to the drawings illustrated for the present invention, the present invention is not limited by the embodiments and drawings disclosed in the present specification, and various by a person skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention. It is obvious that transformation can be made. In addition, even if not explicitly described and described the effect of the configuration of the present invention while describing the embodiments of the present invention, it is natural that the predictable effect by the configuration should also be recognized.

100: 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템
110: 암모니아 저장탱크
120: 암모니아 탈수소화 반응기(dehydrogenation reactor)
130: 암모니아 흡착장치
135: 배관
140: 암모니아 분석기
145: 바이패스 배관
150: 질소 흡착장치
160: 질소 저장 및 환기 시스템
170: 연료전지
180: WHRU(Waste Heat Recovery Unit)
190: 히터
200: 연료유 저장탱크
210: 엔진
220: 컨버터 및 트랜스포머
230: 모터
240: 프로펠러
250: 소요처
1000: 수중운동체100: fuel cell hydrogen supply system for underwater vehicle
110: ammonia storage tank
120: ammonia dehydrogenation reactor
130: ammonia adsorption device
135: piping
140: ammonia analyzer
145: bypass piping
150: nitrogen adsorption device
160: nitrogen storage and ventilation system
170: fuel cell
180: Waste Heat Recovery Unit (WHRU)
190: heater
200: fuel oil storage tank
210: engine
220: converter and transformer
230: motor
240: propeller
250: required destination
1000: underwater vehicle

Claims (10)

암모니아를 연료로 저장하는 암모니아 저장탱크;
상기 암모니아 저장탱크에서 공급받은 암모니아 연료를 이용하여 암모니아 탈수소화반응을 수행하는 암모니아 탈수소화반응기(NH3 dehydrogenation reactor);
상기 암모니아 탈수소화반응기를 거친 반응물을 공급받아 질소와 수소만을 통과시키는 암모니아 흡착장치;
상기 암모니아 흡착장치를 통과한 질소와 수소를 공급받아 연료전지에 수소만을 공급하는 질소 흡착장치; 및
상기 연료전지에서 발생되는 고온의 반응열을 회수하며, 상기 회수한 반응열을 상기 암모니아 탈수소화반응기로 전달하여 상기 암모니아 탈수소화반응에 이용시키는 WHRU(Waste Heat Recovery Unit);
를 포함하는 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템.
Ammonia storage tank for storing ammonia as fuel;
An ammonia dehydrogenation reactor (NH3 dehydrogenation reactor) for performing ammonia dehydrogenation reaction using ammonia fuel supplied from the ammonia storage tank;
An ammonia adsorption device that receives the reactant through the ammonia dehydrogenation reactor and passes only nitrogen and hydrogen;
A nitrogen adsorption device for supplying only hydrogen to a fuel cell by receiving nitrogen and hydrogen passing through the ammonia adsorption device; And
A waste heat recovery unit (WHRU) for recovering the high-temperature reaction heat generated from the fuel cell and transferring the recovered reaction heat to the ammonia dehydrogenation reactor to be used in the ammonia dehydrogenation reaction;
Fuel cell hydrogen supply system of an underwater vehicle using a dehydrogenation reaction of ammonia comprising a.
 제1항에 있어서,
상기 암모니아 저장탱크는,
암모니아를 액체 상태로 저장하기 위한 저온 탱크 또는 가압 탱크인 것을 특징으로 하는
암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템.
The method of claim 1,
The ammonia storage tank,
Characterized in that it is a low temperature tank or a pressurized tank for storing ammonia in a liquid state
Fuel cell hydrogen supply system for underwater vehicle using ammonia dehydrogenation.
 제1항에 있어서,
상기 암모니아 흡착장치와 상기 질소 흡착장치 사이를 연결하는 배관상에 구비되어, 상기 배관 내의 암모니아 농도를 검출하는 암모니아 분석기;
를 더 포함하는 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템.
The method of claim 1,
An ammonia analyzer provided on a pipe connecting the ammonia adsorption device and the nitrogen adsorption device to detect ammonia concentration in the pipe;
Fuel cell hydrogen supply system of an underwater vehicle using a dehydrogenation reaction of ammonia further comprising a.
 제3항에 있어서,
상기 암모니아 분석기의 출측과 상기 암모니아 탈수소화반응기의 입측 사이를 연결하는 바이패스 배관을 더 포함하며,
상기 암모니아 분석기의 암모니아 농도 검출 결과에 따라 상기 바이패스 배관을 이용하여 상기 암모니아 탈수소화반응기로 다시 공급하는 것을 특징으로 하는
암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템.
The method of claim 3,
Further comprising a bypass pipe connecting between the outlet side of the ammonia analyzer and the inlet side of the ammonia dehydrogenation reactor,
According to the ammonia concentration detection result of the ammonia analyzer, characterized in that the supply back to the ammonia dehydrogenation reactor using the bypass pipe
Fuel cell hydrogen supply system for underwater vehicle using ammonia dehydrogenation.
 제1항에 있어서,
상기 질소 흡착장치를 통해 상기 연료전지로 공급되는 수소와 분리된 질소를 저장하고 환기시키는 질소 저장 및 환기 시스템;
을 더 포함하는 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템.
The method of claim 1,
A nitrogen storage and ventilation system for storing and ventilating hydrogen and separated nitrogen supplied to the fuel cell through the nitrogen adsorption device;
Fuel cell hydrogen supply system of an underwater vehicle using a dehydrogenation reaction of ammonia further comprising a.
 제1항에 있어서,
상기 WHRU에서 회수한 상기 연료전지에서 발생된 고온의 반응열의 회수 량이 상기 암모니아 탈수소화반응기에서 필요한 열 에너지에 비해 적을 경우 상기 암모니아 탈수소화반응기에 열 에너지를 공급하는 히터;
를 더 포함하는 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템.
The method of claim 1,
A heater for supplying thermal energy to the ammonia dehydrogenation reactor when the amount of the high-temperature reaction heat generated from the fuel cell recovered by the WHRU is less than the thermal energy required by the ammonia dehydrogenation reactor;
Fuel cell hydrogen supply system of an underwater vehicle using a dehydrogenation reaction of ammonia further comprising a.
 제6항에 있어서,
상기 히터는,
상기 연료전지로부터 미 반응 수소를 공급받아, 상기 미 반응 수소와 외부 공급된 산소 및 연료를 이용하여 가열되어 상기 암모니아 탈수소화반응기에 필요한 열 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는
암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템.
The method of claim 6,
The heater,
It characterized in that the unreacted hydrogen is supplied from the fuel cell and heated using the unreacted hydrogen and externally supplied oxygen and fuel to supply thermal energy required for the ammonia dehydrogenation reactor.
Fuel cell hydrogen supply system for underwater vehicle using ammonia dehydrogenation.
 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템을 포함하는
수중운동체.
Including a fuel cell hydrogen supply system for an underwater vehicle using the dehydrogenation reaction of ammonia according to any one of claims 1 to 7
Underwater vehicle.
 제8항에 있어서,
상기 수중운동체는,
HDO 또는 HFO 연료유를 저장하는 저장탱크;
상기 HDO 또는 HFO 연료유를 공급받아 구동하는 엔진; 및
상기 엔진의 출력을 이용하여 전력을 생성하는 컨버터 및 트랜스포머;
를 더 포함하는 수중운동체.
The method of claim 8,
The underwater vehicle,
A storage tank for storing HDO or HFO fuel oil;
An engine driven by receiving the HDO or HFO fuel oil; And
A converter and a transformer for generating electric power using the output of the engine;
An underwater vehicle further comprising a.
 제9항에 있어서,
상기 수중운동체는,
프로펠러 구동에 필요한 출력을 생성하는 모터를 더 포함하며,
상기 모터는,
상기 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템에 의해 수소를 공급받은 상기 연료전지로부터 전기 에너지를 공급받거나, 또는 상기 엔진의 출력을 이용하여 상기 컨버터 및 트랜스포머를 통해 생성된 전기 에너지를 공급받아 동작하는 것을 특징으로 하는
수중운동체. The method of claim 9,
The underwater vehicle,
Further comprising a motor generating an output required for driving the propeller,
The motor,
Electric energy is supplied from the fuel cell that has been supplied with hydrogen by the fuel cell hydrogen supply system of the underwater vehicle using the dehydrogenation reaction of the ammonia, or the electrical energy generated through the converter and the transformer using the output of the engine Characterized in that the operation is supplied with
Underwater vehicle.
KR1020190087346A 2019-07-19 2019-07-19 Fuel cell hydrogen supply system of underwater moving body using dehydrogenation reaction of ammonia and underwater moving body having the same KR20210010030A (en)

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