KR101122567B1 - 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비 - Google Patents

연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비에 관한 것으로서, 선박의 추진 및 추가적인 구동을 위하여 요구되는 전력을 생산하도록 기체를 연료로 사용하는 내연기관과, 선박의 기저 전력을 생산하도록 설치되는 연료전지와, 내연기관과 연료전지에서 생산된 전력을 전력사용기기에 공급하도록 조절하는 전력분배기와, 전력분배기를 통해 공급되는 잉여전력으로 수소를 생산하고, 연료전지의 부산물인 고온의 스팀은 스팀사용기기 측으로 공급하는 스팀전기분해장치와, 스팀전기분해장치로부터 생산된 수소를 저장하고 저장된 수소를 연료전지의 연료로 공급하는 수소저장탱크를 포함한다. 따라서 본 발명에 의하면 대형 선박의 추력 등에서 요구되는 높은 전력량에 따른 대용량의 전력의 발전에는 내연기관이 사용되고, 선박에서 지속적으로 요구되는 기저 전력은 연료전지를 이용하는 혼용 시스템을 적용함으로써, 발전장치의 효율을 증대시키게 되며, 또한, 두 개의 발전 장치로 생산된 잉여전력을 이용하여 수소를 생산하고, 이를 저장하였다가 다시 연료전지의 연료로 활용하여 연료 절감의 효과를 가진다.
선박, 내연기관, 연료전지, 전력, 발전장비

Description

연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비{THE ELECTRIC POWER GENERATOR WITH BOTH FUEL-CELL AND GAS FUEL ENGINE}
본 발명은 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선박의 추진 및 선박내의 소요 전력을 생산하기 위하여 기체연료를 사용하는 내연기관을 이용한 발전과 연료전지를 이용한 발전이 혼용 사용되며, 이들에게서 생산된 전력량 중 선박에서의 요구 전력을 제외한 잉여 전력을 이용한 전기분해를 통하여 연료전지의 추가 연료를 확보할 수 있는 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비에 관한 것이다.
환경에 의존하는 전통적인 동력원에 관해, 발전의 대체 수단에 대한 조사가 매우 중요해지고 있다. 특히, 연소에 기초한 에너지 시스템에서 관련된 환경적 및 정치적 문제를 무시할 수 없다. 이러한 형태의 동력원과 발전 방법에 의존하는 것을 감소시키는 노력으로서, 연소를 사용하지 않고 연료를 소비하여 전기를 발전시킬 수 있는 장치에 관한 연구가 증가되어 왔다.
잘 알려진 바와 같이, 내부연소 엔진에 의해 동력이 공급되는 자동차에 대한 대체 안으로 여러 형태의 전기 자동차를 포함할 수 있는데, 근래에는 대형 선박의 추진을 위하여 연료전지를 활용하는 사례가 점점 증가하고 있으며, 더불어 보다 효율적인 사용을 위한 연구가 계속 이루어져 오고 있다.
연구되어 오고 있는 연료전지 중 3세대 연료전지로 불리는 고체산화물 연료전지(SOFC)는 산소 또는 수소 이온 전도성을 띄는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로써 1937년에 Bauer와 Preis에 의해 처음으로 작동되었다.
고체산화물 연료전지는 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(700～1000℃)에서 작동하며, 모든 구성요소가 고체로 이루어져있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없으며, 귀금속 촉매가 필요 없고 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다. 또한, 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다. 이러한 장점 때문에 고체산화물 연료전지에 관한 연구는 21세기 초 상업화를 목표로 미국, 일본 등 선진국을 중심으로 활발히 이루어지고 있다.
특히, 고체산화물 연료전지는 연료전지 가운데 가장 효율이 높고 공해요인이 적으며, 700～1000℃에서 작동되기 때문에 천연가스, 석탄가스 등을 직접 사용할 수 있고, 고온에서 작동되기 때문에 가스터빈, 증기터빈과 결합한 MW급 용량의 복합발전이 가능하며, 70%의 전기효율을 얻을 수 있다.
그러나, 종래에 연료전지를 적용한 시스템에서는 연료전지의 동작에서 나타나는 열원을 또 다른 에너지원으로 사용하는데 한계가 있었다. 이러한 종래 시스템들의 효율을 높이기 위하여 생산된 잉여 전력을 2차 전지에 저장하였다가 필요시에 이 에너지를 사용하는 방법이 주로 사용되었다. 또한, 2차 전지가 만충이 된 경우에는 남은 잉여전력을 다른 시스템에서 활용하는 방법이 모색되고 있으나, 현재 기술에서는 그 활용방법으로 남은 전력을 소비하기 위하여 일정 시스템이 과도하게 작동되는 문제가 발생될 수도 있을 뿐만 아니라 발전된 전력을 방전해야 하는 문제가 발생될 수 있다.
더욱이 현재의 연료전지로는 발전 용량, 용적, 무게 등의 문제로 인하여 대형 선박에 적용하기에는 한계를 가지고 있기에 대부분 내륙 운송용 소형 선박에만 적용되고 있는 실정이다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 대형 선박의 기저 전력을 생산하는 장치로는 연료전지를 활용하고, 구동에서 요구되는 대용량의 전력은 가스를 연료로 사용하는 내연기관을 혼용하여 사용하며, 두 개의 발전 장치를 이용하여 발전한 전력 중의 잉여 전력을 이용하여 연료전지의 연료인 수소를 생산하며, 이를 저장하였다가 다시 연료전지의 연료로 활용하여 발전장치의 효율을 증대시키게 되는 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 선박의 추진 및 추가적인 구동을 위하여 요구되는 전력을 생산하도록 기체를 연료로 사용하는 내연기관과, 선박의 기저 전력을 생산하도록 설치되는 연료전지와, 내연기관과 연료전지에서 생산된 전력을 전력사용기기에 공급하도록 조절하는 전력분배기와, 전력분배기를 통해 공급되는 잉여전력으로 수소를 생산하고, 연료전지의 부산물인 고온의 스팀은 스팀사용기기 측으로 공급하는 스팀전기분해장치와, 스팀전기분해장치로부터 생산된 수소를 저장하고 저장된 수소를 연료전지의 연료로 공급하는 수소저장탱크를 포함하는 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비를 제공한다.
그리고 내연기관과 연료전지의 후단으로는 동일한 기체연료를 공급하도록 기체연료탱크가 설치되고, 기체연료탱크로부터 공급되는 기체연료가 내연기관과 연료전지에 분배 공급되도록 조절될 수 있다.
더욱이 연료분배기는 선박내의 발전량 요구 부하에 맞춰 기체연료의 공급 비율에 따라 내연기관과 연료전지의 작동을 조절하게 될 수 있다.
그리고 연료전지와 전력분배기의 사이에는 컨버터가 설치되어 직류로 발전된 연료전지의 전력을 교류로 변환시킬 수 있다.
그리고 전력사용기기로는 선박추진모터, 거주구 사용전력, 엔진룸, 장비실에 장착된 장비 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
그리고 스팀 전기분해장치로부터 생산된 수소는 압축기에서 일정 압력까지 증가시켜서 수소저장탱크에 저장될 수 있으며, 연료분배기는 수소저장탱크의 충진 정도에 따라 연료전지로 공급되는 기체연료의 공급을 중단하고 수소저장탱크의 수소를 연료전지에 공급하게 될 수 있다.
여기서 스팀사용기기로는 히터, 흡수식 냉동기를 포함한 HVAC 장비일 수 있다.
본 발명의 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비에 의하면, 대형 선박의 추력 등에서 요구되는 높은 전력량에 따른 대용량의 전력의 발전에는 내연기관이 사용되고, 선박에서 지속적으로 요구되는 기저 전력은 연료전지를 이용하는 혼용 시스템을 적용함으로써, 발전장치의 효율을 증대시키게 되며, 또한, 두 개의 발전 장치로 생산된 잉여전력을 이용하여 수소를 생산하고, 이를 저장하였다가 다시 연료전지의 연료로 활용하여 연료 절감의 효과를 가진다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비는, 선박(미도시)의 혼용 발전장비로 사용되는 내연기관(120)과, 연료전지(130) 그리고 내연기관(120)과 연료전지(130)에서 생산된 전력을 분배하는 전력분배기(140)와, 스팀을 공급하고 수소를 생산하는 스팀전기분해장치(160)와, 생산된 수소를 저장하는 수소저장탱크(180)를 포함할 수 있다.
여기서 선박의 추진을 위하여 설치되는 전기모터의 추진 구동을 위하여 수십 MW 이상의 전력이 요구되며, 이러한 전력 생산을 위하여 기체 연료를 사용하는 내연기관(120)이 장착될 수 있다.
더욱이 기체연료를 사용하는 내연기관(120)의 경우 일반적으로 유류를 사용하는 선박에 비하여 오염 물질의 방출량이 현저히 작아 환경 문제에 장점을 가질 수 있다.
이러한 내연기관(120)은 대략 발전기와 쌍을 이루어 2～4조 정도로 설치될 수 있다.
그리고 선박에서 기저 전력을 생산하도록 설치되는 연료전지(130)는, 용융탄산염 연료전지 혹은 고체 산화물 연료전지일 수 있으며, 이들 연료전지는 기존의 고분자 전해질형 연료전지에 비하여 작동 온도가 높아 내부 개질이 가능하고, 발전시 배출되는 고온의 스팀을 활용할 수 있다. 또한, 지속적인 발전이 발전에 적합한 특성을 가지고 있으며, 대형 선박의 경우, 일정량 이상의 지속적인 전력 소비가 발생되므로 일정량 이상의 기저전력이 요구되어 적합할 수 있다.
여기서 내연기관(120)과 연료전지(130)의 후단으로는 기체연료탱크(100)가 설치되어 동일 연료를 사용하는 내연기관(120)과 연료전지(130)에 기체 연료를 공급하게 되며, 이들 기체연료탱크(100)와 내연기관(120)과 연료전지(130)의 사이에는 연료분배기(110)가 설치될 수 있다.
연료분배기(110)는 기체연료탱크(100)로부터 공급되는 기체연료를 선박내의 발전량 요구 부하에 맞춰 기체연료의 공급 비율에 따라 내연기관(120)과 연료전지(130)의 작동을 조절하게 될 수 있다.
이러한 연료분배기(110)에는 공급 비율 조절할 수 있는 자동조절 밸브일 수 있으며, 이 밸브는 제어부(미도시)를 통해 전기적으로 조절될 수 있다.
그리고 내연기관(120)과 연료전지(130)에서 생산된 전력을 조절하여 전력사용기기(150)에 공급하도록 전력분배기(140)가 설치될 수 있다.
전력분배기(140)는 대부분의 전력을 전력사용기기(150)에 공급하고, 공급하고 남은 잉여전력은 스팀전기분해장치(160)로 보내지게 된다.
덧붙여, 전력사용기기(150)로는 선박추진모터, 거주구 사용전력, 엔진룸, 장비실에 장착된 장비 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 연료전지(130)에서 생산된 전력을 공급하기에 앞서 연료전지(130)와 전력분배기(140)의 사이에는 컨버터(132)가 설치되어 직류로 발전된 연료전지(130)의 전력을 교류로 변환시켜서 전력분배기(140)로 공급하게 된다.
한편, 스팀전기분해장치(160)에서는 전력분배기(140)를 통해 공급되는 잉여전력을 이용하여 수소를 생산하고, 연료전지(130)의 부산물인 스팀을 이용해서는 고온의 스팀이 요구되는 스팀사용기기(190)에 공급하게 된다.
즉, 스팀전기분해장치(160)에서는 잉여전력이 전력분배기(140)로부터 공급되는 경우, 잉여전력을 이용하여 연료전지(130)로부터 공급되는 고온의 스팀을 전기 분해하여 수소를 생성하게 되며, 이때, 고온의 스팀을 전기분해 할 경우 저온의 물을 전기 분해하는데 투입되는 에너지보다 낮은 에너지로 가능할 수 있다. 그리고 잉여전력이 존재하지 않을 경우에는 고온의 스팀을 스팀사용기기(190)에 바로 공급하게 된다.
스팀사용기기(190)로는 히터, 흡수식 냉동기 등의 HVAC장비 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
그리고 스팀전기분해장치(160)의 후단으로 압축기(170)와 수소저장탱크(180)가 설치될 수 있다.
압축기(170)는 스팀전기분해장치(160)로부터 생산된 수소를 일정 압력까지 증가시켜서 수소저장탱크(180)에 저장될 수 있도록 하는 것이며, 수소저장탱크(180)는 스팀전기분해장치(160)로부터 생산된 수소를 저장하고 저장된 수소를 연료전지(130)의 연료로 공급할 수 있다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비의 작동을 예로 들어 설명하면 다음과 같다.
다시 도 1을 참고하여 설명하면, 기체연료탱크(100)로부터 공급되는 기체연료는 연료분배기(110)를 통해 내연기관(120)과 연료전지(130)에 적절 비율로 공급되게 된다.
대체적으로 내연기관(120)으로는 추진 전력을 생산하기 위하여 기체 연료의 공급 비율이 높을 수 있고, 추진 전력이 필요 없을 경우에는 공급이 중단될 수도 있다. 반면에 연료전지(130)로는 기전력을 연속하여 생산하기 위하여 연속적이지만 공급 비율이 낮은 상태로 기체연료가 공급될 수 있다.
이어서 기체연료 공급을 받은 내연기관(120)에서 생산된 전력은 전력분배기(140)를 통해 대부분 전력사용기기(150)에 구동 전력을 공급하게 되며, 연료전지(130)에서 생산된 전력은 컨버터(132)에서 직류 전력을 교류로 변환시켜 전력분배기(140)로 하여 전력사용기기(150)에 구동 전력을 공급하게 된다.
이때, 전력사용기기(150)에 공급하고 남은 잉여전력은 스팀전기분해장치(160)에 공급되며 이 잉여전력을 이용하여 연료전지(130)로부터 공급되는 고온의 스팀을 전기 분해하여 수소를 생성하게 되며, 생성된 수소는 압축기(170)에서 일정 압력까지 증가시켜 수소저장탱크(180)로 보내지게 된다.
그리고 잉여전력이 존재하지 않을 경우에는 연료전지(130)에서 공급된 고온의 스팀을 바로 스팀사용기기(190)에 바로 공급하여 사용하게 된다.
여기서 수소저장탱크(180)에서는 그 충진 정도에 따라 스팀전기분해장치(160)의 작동을 조절하게 되며, 만충시에는 연료분배기(110)에서 연료전지(130)로 공급되는 기체연료의 공급을 중단하고 수소저장탱크(180)의 수소를 연료전지(130)에 공급하여 사용하게 된다.
그러므로 이상과 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 대형 선박에 사용될 수 있도록 대용량의 전력은 내연기관이 사용되고, 기저 전력은 연료전지를 사용하는 혼용 시스템을 적용하여 발전장치의 효율을 증대시키게 되며, 또한, 두 개의 발전 장치를 이용하여 연료인 수소를 생산하고, 이를 저장하였다가 다시 연료전지의 연료로 활용하여 연료 절감을 이룰 수 있다.
이상 본 발명에 따른 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비의 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 용이하게 변경할 수 있으며, 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비의 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 기체연료탱크 110 : 연료분배기
120 : 내연기관 130 : 연료전지
132 : 컨버터 140 : 전력분배기
150 : 전력사용기기 160 : 스팀전기분해장치
170 : 압축기 180 : 수소저장탱크
190 : 스팀사용기기

Claims (8)

  1. 선박의 추진 및 추가적인 구동을 위하여 요구되는 전력을 생산하도록 기체를 연료로 사용하는 내연기관과,
    상기 선박의 기저 전력을 생산하도록 설치되는 연료전지와,
    상기 내연기관과 상기 연료전지에서 생산된 전력을 전력사용기기에 공급하도록 조절하는 전력분배기와,
    상기 전력분배기를 통해 공급되는 잉여전력으로 수소를 생산하고, 상기 연료전지의 부산물인 고온의 스팀은 스팀사용기기 측으로 공급하는 스팀전기분해장치와,
    상기 스팀전기분해장치로부터 생산된 수소를 저장하고 저장된 수소를 상기 연료전지의 연료로 공급하는 수소저장탱크와,
    상기 내연기관과 상기 연료전지의 후단으로 동일한 기체연료를 공급하도록 설치되는 기체연료탱크와,
    상기 기체연료탱크로부터 공급되는 기체연료가 상기 내연기관과 상기 연료전지에 분배 공급되도록 조절하는 연료분배기와,
    직류로 발전된 상기 연료전지의 전력을 교류로 변환시키도록 상기 연료전지와 상기 전력분배기의 사이에 설치되는 컨버터와,
    상기 스팀전기분해장치로부터 생산된 수소를 일정 압력까지 증가시켜서 상기 수소저장탱크에 저장되도록 설치되는 압축기
    를 포함하는 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료분배기는 선박내의 발전량 요구 부하에 맞춰 기체연료의 공급 비율에 따라 상기 내연기관과 상기 연료전지의 작동을 조절하는 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력사용기기로는, 선박추진모터, 거주구 사용전력, 엔진룸, 장비실에 장착된 장비 중 어느 하나 이상을 포함하는 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료분배기는 상기 수소저장탱크의 충진 정도에 따라 상기 연료전지로 공급되는 기체연료의 공급을 중단하고 상기 수소저장탱크의 수소를 상기 연료전지에 공급하는 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 스팀사용기기로는 히터, 흡수식 냉동기를 포함한 HVAC 장비인 것을 특징으로 하는 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비.
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