KR101079670B1 - 주기용 엔진의 폐열을 이용하는 보기용 연료전지 시스템 - Google Patents

주기용 엔진의 폐열을 이용하는 보기용 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주기용 엔진의 폐열을 이용하는 보기용 연료전지 시스템에 관한 것이다. 이는 선체 추진 동력을 제공하기 위한 주기용 엔진부(110)와 선박의 여러가지 전기 장치에 필요한 전력을 생산하기 위한 보기용 연료전지 시스템(130)을 갖춘 선박용 동력 시스템(110)에 있어서, 상기 보기용 연료전지 시스템(130)은, 탄화수소계열 연료와 수증기를 혼합하여 혼합 가스로서 배출하는 믹싱 모듈(131)과; 상기 믹싱 모듈(131)에서 배출된 혼합 가스를 개질하여 수소 가스를 생성하는 개질기(133)와; 상기 개질기(133)에 의하여 개질된 수소 가스와 공기 중의 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 연료전지스택(135)을 포함하되, 상기 믹싱 모듈(131)은 상기 주기용 엔진부(110)로부터의 배출가스로 예열된다. 이에 따라 보기용 연료전지 시스템의 개질기에 공급되는 탄화수소계열연료와 수증기의 예열이 주기용 엔진의 폐열에 의하여 이루어질 수 있기 때문에, 연료전지의 동작에 필요한 에너지가 절약될 수 있게 하는 등의 효과를 제공한다.

Description

주기용 엔진의 폐열을 이용하는 보기용 연료전지 시스템{Auxiliary Fuel Cell System Using Waste Heat of Main Engine}
본 발명은 일반적으로 선박용 연료전지의 예열 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 보기용 연료전지 시스템의 개질기에 공급되는 탄화수소계열연료와 수증기의 예열이 주기용 엔진의 폐열에 의하여 이루어질 수 있기 때문에, 연료전지의 동작에 필요한 에너지가 절약될 수 있게 하는 새로운 주기용 엔진의 폐열을 이용하는 보기용 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 선박용 동력 시스템에 있어서 선박용 엔진은 선체의 추진 동력을 얻기 위한 주기용 엔진과 선박의 여러 가지 장치에 필요한 전력을 얻기 위한 보조 동력 시스템인 보기용 엔진으로 구분되며, 이들 엔진은 선박의 경우 천연가스, 가솔린과 같은 경유, 또는 벙커C유 등의 중유를 사용하는 엔진으로서 탑재되어 있다. 이들 엔진은 소음과 진동이 심하고 해상 오염원을 발생시키며 폭발의 위험이 있는 등의 여러 가지 문제가 있어 디젤 내연기관을 대체할 새로운 동력 시스템에 대한 요구가 있었으며, 예컨대 대한민국 특허 등록번호 10-0614299에는 연료전지를 이용한 선박용 동력 시스템에 대한 언급이 있다.
연료전지는 전기화학 반응에 의해 수소와 산소의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서, 사용하는 전해질의 종류에 따라, 150 ~ 200℃ 부근에서 동작하는 인산형 연료전지, 600 ~ 700℃의 고온에서 동작하는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류되며, 이들 각각의 연료전지는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질 등이 서로 다르지만, 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이 근본적으로 같은 원리에서 작동한다.
즉 도시된 바와 같이 통상적으로 연료전지 시스템(10)은 탄화수소 계열의 연료를 공급하는 연료부(11)에서부터 공급된 연료를 개질기(12)에서 수소가 많이 함유된 기체와 산소가 포함된 공기(13)를 연료전지 스택(14)에 제공하면, 연료전지 스택(14)에서는 수소와 산소를 반응시켜 이에서 나오는 직류 전원을 출력할 수 있다. 일반적으로 연료전지 단위 셀의 전압은 실제 응용에 필요한 전압보다 크게 낮기 때문에 다수의 단위 셀을 적층시킨 연료전지 스택(14)이 이용되며, 이 스택(14)에서부터 출력된 전원은 직접 또는 원하는 종류의 전원으로 변환시키는 전력변환기(15)를 거쳐 배터리나 모터 등에 공급될 수 있다.
그런데, 연료전지의 동작에 있어서는 정상적으로 동작되는 온도로 승온시키고 이를 유지하여야 한다. 종래 연료전지 스택의 승온은 전기식 가열판과 같은 열교환기를 통하여 이루어지는데, 발전시스템의 용량이 커질수록 연료전지 스택의 가열 비용이 커진다는 문제가 있었다.
그런데 종래 기술에 따르면, 선박에서 연료전지 스택과 개질기의 온도를 높이기 위한 열교환기나 연소기와 같은 승온 장치가 각각 개별적으로 설치되는 경우 각각의 장치간 반응물의 이동 유로가 복잡하게 추가되어야 하였으므로 시스템 구조가 복잡해지고 커질 뿐만 아니라 비용이 상승하며 부수물의 처리에도 어려움이 있었다.
그러므로 상대적으로 높은 온도의 동작 온도가 필요로 되는 연료전지 시스템을 선박의 동력 시스템에 채용함에 있어서 연료전지 스택의 정상 동작 온도를 유지하면서도 전체 시스템의 크기가 소형화될 수 있고 열효율이 높도록 하는 구조에 대한 절실한 요구가 여전히 존재한다.
본 발명은 상술한 종래 선박용 연료전지의 시스템의 구조를 개선하고 다양한 추가 장점을 제공하기 위하여 발명된 것이다. 본 발명은 보기용 연료전지 시스템의 개질기에 공급되는 탄화수소계열연료와 수증기의 예열이 주기용 엔진의 폐열에 의하여 이루어질 수 있도록 함으로써, 연료전지의 동작에 필요한 에너지가 절약되고 연료전지 스택의 정상 동작 온도를 유지하면서도 전체 시스템의 크기가 소형화될 수 있고 열효율이 높도록 하는 구조를 가지는, 새로운 주기용 엔진의 폐열을 이용하는 보기용 연료전지 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적은 본 발명에 따라 제공되는 주기용 엔진의 폐열을 이용하는 보기용 연료전지 시스템에 의하여 달성된다.
본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 주기용 엔진의 폐열을 이용하는 보기용 연료전지 시스템은, 선체 추진 동력을 제공하기 위한 주기용 엔진부와 선박의 여러 가지 전기 장치에 필요한 전력을 생산하기 위한 보기용 연료전지 시스템을 갖춘 선박용 동력 시스템에 있어서, 상기 보기용 연료전지 시스템은, 탄화수소계열 연료와 수증기를 혼합하여 혼합 가스로서 배출하는 믹싱 모듈과; 상기 믹싱 모듈에서 배출된 혼합 가스를 개질하여 수소 가스를 생성하는 개질기와; 상기 개질기에 의하여 개질된 수소 가스와 공기 중의 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 연료전지스택을 포함하되, 상기 믹싱 모듈은 상기 주기용 엔진부로부터의 배출가스로 예열된다.
또한 일 실시예에 있어서, 상기 주기용 엔진부는 흡입, 압축, 폭발, 배기의 순환을 거쳐 동작하는 엔진과 상기 엔진에 압축공기를 공급하기 위한 과급기를 포함하며, 상기 엔진으로부터 배기된 가스가 상기 과급기의 동작에 사용된 이후 상기 믹싱 모듈의 예열에 이용된다.
상술한 구성을 가지는 본 발명에 따른 시스템은, 보기용 연료전지 시스템의 개질기에 공급되는 탄화수소계열연료와 수증기의 예열이 주기용 엔진의 폐열에 의하여 이루어질 수 있도록 함으로써, 연료전지의 동작에 필요한 에너지가 절약되고 연료전지 스택의 정상 동작 온도를 유지하면서도 전체 시스템의 크기가 소형화될 수 있고 열효율이 높다는 등의 현저한 효과가 제공된다.
도 1은 일반적인 연료전지 시스템의 구성을 보여주는 개략적인 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 주기용 엔진의 폐열을 이용하는 보기용 연료전지 시스템을 구비하는 선박용 동력 시스템의 구조를 보여주는 개략도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적인 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 주기용 엔진의 폐열을 이용하는 보기용 연료전지 시스템을 구비하는 선박용 동력 시스템의 구조를 보여주는 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 주기용 엔진의 폐열을 이용하는 보기용 연료전지 시스템(100)은, 주기용 엔진부(110)와 보기용 연료전지 시스템(130)을 포함한다.
주기용 엔진부(110)는 흡입, 압축, 폭발, 배기의 순환을 거쳐 동작하는 엔진(111)과 이 엔진(111)에 압축공기를 공급하기 위한 과급기(112)를 포함할 수 있다. 엔진(111)이 예컨대 디젤유를 연료로 이용하는 디젤엔진인 경우, 이 엔진에서 배기되는 배가스의 온도는 약 400 ~ 500 ℃ 정도이다. 이러한 배가스는 특정구역에 저장되고 엔진에 압축공기를 공급하기 위한 과급기(112)의 터빈을 회전시키는 동력원으로서 사용되는 것이 일반적이다. 이 경우 과급기의 동력으로 사용된 이후 배출되는 배가스는 약 200 ℃ 정도의 온도를 가진다. 따라서 이러한 선박의 동력 시스템에 의하면 과급기가 없는 경우에는 약 500℃의 폐열이, 그리고 과급기가 있는 경우라 하더라도 약 200 ℃ 의 폐열이 발생하여 버려지고 있다.
본 발명에 의하면 이러한 주기용 엔진의 폐열이 보기용 연료전지 시스템에서 유용하게 이용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 보기용 연료전지 시스템(130)은 믹싱모듈(131), 개질기(133) 및 연료전지스택(135)을 포함한다. 이 외에도 다른 요소들이 포함되어 있으나 본 발명의 특징에 대한 설명과 직접적인 연관이 없는 경우에는 설명의 편의를 위하여 생략한다.
믹싱모듈(131)은 탄화수소계열 연료와 수증기를 공급받아 혼합하고 미리 결정된 온도까지 가열하여 혼합연료가스로서 개질기(133)에 공급하기 위하여 배출하는 모듈이다. 개질기(133)는 믹싱 모듈(131)에서 배출된 혼합연료가스를 개질하여 수소 가스를 생성하여 연료전지스택(135)에 공급한다. 연료전지스택(135)은 개질기(133)에 의하여 개질된 수소 가스와 공기 중의 산소를 반응시켜 전기를 생산한다.
본 발명에 의하여 제공되는 보기용 연료전지 시스템(130)에 의하면, 믹싱 모듈(131)은 주기용 엔진부(110)로부터의 배출가스로 예열된다. 또한 일 실시예에 있어서, 주기용 엔진부(110)는 흡입, 압축, 폭발, 배기의 순환을 거쳐 동작하는 엔진(111)과 엔진(111)에 압축공기를 공급하기 위한 과급기(112)를 포함하는 선박의 경우, 엔진(111)으로부터 배기된 가스가 과급기(112)의 동작에 사용된 이후 상기 믹싱 모듈(131)의 예열에 이용된다.
보기용 연료전지 시스템(130)의 연료전지스택(135)에서 전기를 생산하기 위하여 사용되는 연료 즉 탄화수소계열연료는 수소로 변환되기 위하여 개질기(133)를 거쳐야 한다. 개질과정에서는 수증기가 필수적이다. 그렇기에 개질기(133)에 연료가 공급되기 전에 탄화수소계열연료와 수증기가 혼합되는 믹싱모듈(131)이 필요하다.
일 실시예에서, 믹싱모듈(131)에 의하여 배출된 탄화수소계열연료와 수증기의 혼합 가스는 개질기(133)에 의한 반응에 필요한 온도, 예컨대 약 750 ℃까지 올리기 위하여 배가스 연소기에 의하여 가열되는데, 이 배가스 연소기의 연료는 연료전지 스택(135)에서 배출되는 배가스를 이용한다. 개질기(133)에서 배출되는 수소는 약 800 ℃의 온도를 가지게 되고, 이 수소 가스는 공기 중의 산소와 함께 연료전지스택(135)에서 전기를 생산하기 위하여 사용된다. 연료전지스택(135)으로부터 배출되는 배가스 중에서 캐소드측 배가스는 개질기를 가열하기 위한 개질기 연소기의 연료로서 사용될 수 있으며, 애노드측 배가스는 믹싱 모듈(131)을 예열하기 위하여 사용될 수 있다.
이와 같은 경우, 보기용 연료전지 시스템(130)의 스타트 업을 위해서는 별도의 전기히터나 버너를 사용하여, 믹싱 모듈(131)을 상온에서 약 750 ℃까지 예열해야 한다. 본 발명에 따르면, 믹싱 모듈(131)은 약 200 ℃ 또는 약 500 ℃까지 주기용 엔진의 폐열에 의하여 예열될 수 있기 때문에, 믹싱 모듈(131)을 예열하는 에너지가 절약될 수 있다.
이상에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하였으나, 당업자라면 본 명세서에서 설명된 여러 가지 특징을 참조하고 조합하여 다양한 변형이 가능하다. 따라서 본 발명의 범위가 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의하여 해석되어야 함을 지적해둔다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 주기용 엔진의 폐열을 이용하는 보기용 연료전지 시스템은, 예컨대 선체 추진 동력을 제공하기 위한 주기용 엔진과 선박의 여러 가지 전기 장치에 필요한 전력을 생산하기 위한 보조 동력 시스템을 갖춘 선박용 동력 시스템 분야에서 널리 이용가능하다.
100 : 선박 동력 시스템
110 : 주기용 엔진부
111 : 엔진
112 : 과급기
130 : 보기용 연료전지 시스템
131 : 믹싱 모듈
133 : 개질기
135 : 연료전지 스택

Claims (2)

  1. 선체 추진 동력을 제공하기 위한 주기용 엔진부(110)와 선박의 여러가지 전기 장치에 필요한 전력을 생산하기 위한 보기용 연료전지 시스템(130)을 갖춘 선박용 동력 시스템(110)에 있어서, 상기 보기용 연료전지 시스템(130)은,
    탄화수소계열 연료와 수증기를 혼합하고 배출하는 믹싱 모듈(131)과;
    상기 믹싱 모듈(131)에서 배출된 혼합 가스를 개질하여 수소 가스를 생성하는 개질기(133)와;
    상기 개질기(133)에 의하여 개질된 수소 가스와 공기 중의 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 연료전지스택(135)을
    포함하되,
    상기 믹싱 모듈(131)은 상기 주기용 엔진부(110)로부터의 배출가스로 예열되는 것을 특징으로 하는 주기용 엔진의 폐열을 이용하는 보기용 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 주기용 엔진부(110)는 흡입, 압축, 폭발, 배기의 순환을 거쳐 동작하는 엔진(111)과 상기 엔진(111)에 압축공기를 공급하기 위한 과급기(112)를 포함하며, 상기 엔진(111)으로부터 배기된 가스가 상기 과급기(112)의 동작에 사용된 이후 상기 믹싱 모듈(131)의 예열에 이용되는 것을 특징으로 하는 주기용 엔진의 폐열을 이용하는 보기용 연료전지 시스템.
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