KR101185527B1 - 선박내의 연료전지 스택 모듈에 부착되는 배관장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 단위 스택 모듈(10)은 직육면체 형상으로, 그 전면의 상부와 좌측면의 상부에 각각 연결된 배기가스 배출파이프(12)와, 우측면의 상부와 후면의 상부에 각각 연결된 생산전력 연결라인(14)과, 전면의 하부와 좌측면의 하부에 각각 연결된 공기 공급파이프(22)와, 우측면의 하부와 후면의 하부에 각각 연결된 수소 공급파이프(24)를 포함하고, 세트로 배치되어, 인접하는 단위 스택 모듈사이의 배관을 공동으로 하여 최단거리로 연결됨에 따라, 연료전지(Fuel Cell)의 부하추종성을 확보하고, 연료전지 스택의 교체 및 설치를 위한 무게 또는 부피를 최적화하고, 연료전지의 발전용량을 만족시키면서 주변 설비 및 배관계의 무게 또는 부피를 최소화하며, 효율성과 안전성을 고려한 최소 전달경로로 설계하여 배치함으로서, LNG, 수소 등의 가연성 기체의 누수 가능성을 최소화할 수 있고, 배기가스, 냉온 가스 등의 열손실을 최소화할 수 있는 효과를 가진다.

Description

선박내의 연료전지 스택 모듈에 부착되는 배관장치{PIPING APPARATUS DISTRIBUTED TO A FUELCELL STACK MODULE IN A VESSEL}

본 발명은 선박내의 연료전지 스택 모듈에 부착되는 배관장치에 관한 것으로서, 특히 연료전지(Fuel Cell)의 부하추종성을 확보하고, 연료전지 스택의 교체 및 설치를 위한 무게 또는 부피를 최적화하고, 연료전지의 발전용량을 만족시키면서 주변 설비 및 배관계의 무게 또는 부피를 최소화하며, 효율성과 안전성을 고려한 최소 전달경로로 설계하여 배치함으로서, LNG, 수소 등의 가연성 기체의 누수 가능성을 최소화할 수 있고, 배기가스, 냉온 가스 등의 열손실을 최소화할 수 있도록 선박내의 연료전지 스택 모듈에 부착되는 배관장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 기존의 연소를 통한 회전력으로 전기를 생산하는 방식과 달리 물질의 화학에너지를 전기화학적 반응을 통해 직접 전기를 생산하는 전지로서, NOx, SOx의 배출량이 획기적으로 줄어들기 때문에 기존의 화석연료를 이용한 발전설비보다 친환경적인 장점이 있으며, 화학전지와 달리 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되고 반응생성물이 계외로 제거된다. 연료전지의 가장 대표적 형태가 수소-산소 연료전지이고 연료전지는 작동온도에 따라 고온형과 저온형(예컨대, 300℃이상은 고온형, 그 이하는 저온형)으로 나누어진다.

구체적인 작동원리로는 수소는 양극(Anode)을 통과하고 산소는 음극(Cathode)을 통과한다. 수소는 전기 화학적으로 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전극에 전류를 발생시킨다. 전자가 전해질을 통과하면서 직류 전력이 발생하며 열도 부수적으로 생산된다. 직류 전류는 직류 전동기의 동력으로 사용되거나 인버터에 의해 교류 전류로 바꾸어 사용된다. 연료전지에서 발생된 열은 개질을 위한 증기를 발생시키거나 냉난방 열로 사용될 수 있으며, 사용되지 않을 경우에는 배기열로 배출된다.

이러한 연료전지에 있어서, 일정 규모의 산업체, 소규모 집단체, 대형빌딩 등에 사용할 수 있는 수~수십 MW급 발전규모를 분산형 연료전지라 하며, 이런 용도로 개발되는 연료전지의 종류로는 인산형 연료전지(PAFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고분자 연료전지(PEMFC) 등이 있다. 이중 MCFC SOFC는 각각 650℃와 1000℃ 근처의 고온에서 운전되는 특성이 있어 복합발전 형태로 사용할 경우, 발전시스템의 효율이 60% 이상으로 다른 종류의 연료전지의 발전효율보다 15~20% 정도 높다. 특히 MCFC의 경우 SOFC에 비해 낮은 온도에서 운전되기 때문에 재료 측면에서 경제적으로 장치를 제작할 수 있고, 수명도 다른 연료전지들에 비해 긴 수명을 가지고 있으므로, 선박용 연료전지로 사용하기 위한 연구가 다양하게 이루어지고 있다.

이러한 MCFC발전시스템은 크게 스택 모듈(Stack Module)과, MBOP(Mechanical Balance Of Plant)와, EBOP(Electrical Balance Of Plant)의 3가지로 구성되며, 스택 모듈은 막-전극 어셈블리(membrane electrode assembly:MEA)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 셀(cell)이 수 개 내지 수십 개 적층된 구조로서, 연료로 이용되고 있는 천연가스(LNG)와 공기를 공급받아 전기 화학반응에 의해 전기를 발생시키므로, 이러한 스택 구조의 연료전지에서 셀의 적층 개수를 조절함으로써 원하는 전압을 용이하게 얻을 수 있다.

하지만, 이와 같은 MCFC의 경우에는 대형의 발전설비로서, 발전용량은 크지만, 부하추종성이 없는 단점이 있다. 즉 한번 연료전지 스택 모듈을 가동하면, 가동되는 연료전지 스택 모듈은 정상적으로 가동하기 까지 또는 가동을 멈출 때까지의 시간의 1~2일 이상 걸리는 특성이 있다. 이러한 특성은 선박이나 기타 플랜트의 전력공급을 위한 설비로서는 치명적인 단점에 해당된다.

또한, 기존의 연료전지 스택 모듈은 5년의 교체 주기를 가지며, 기타 배관계 및 주변 설비는 20년의 교체 주기를 가지므로, 무게가 무겁고 부피가 큰 설비를 교체하는 것이 매우 비효율적이기 때문에, 이를 효율적으로 교체하기 위해서는 스택 자체의 무게와 부피를 적절하게 분할하여 배치하는 것이 필요하지만, 선박 또는 해양 플랜트에서 연료전지를 분할하여 배치하게 되면, 배관계의 배치 및 무게에도 영향을 미치게 된다. 이에 따라 배관계의 배치를 간단히 하고 무게를 줄이고자 단일 제어를 받는 스택 모듈을 채택하는 것이 유리하지만, 이 역시 부하추종성을 확보하기 위해서는 최대한 여러 개의 스택 모듈을 따로 제어하는 것이 유리하므로, 서로 상충되는 문제가 있다.

본 발명은, 이상과 같은 기존의 연료전지의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 그 목적은 각 배관계를 동일 위치에 위치하되, 최소 전달경로가 되도록 표준화하여 제작된 소정 용량의 복수개의 스택 모듈이 서로 중첩함에 따라, 각 배관계의 무게와 부피가 최소화될 수 있는 선박내의 연료전지 스택 모듈에 부착되는 배관장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선박내의 연료전지 스택 모듈에 부착되는 배관장치는 전면의 상부와 좌측면의 상부에 각각 연결된 배기가스 배출파이프와, 우측면의 상부와 후면의 상부에 각각 연결된 생산전력 연결라인과, 전면의 하부와 좌측면의 하부에 각각 연결된 공기 공급파이프와, 우측면의 하부와 후면의 하부에 각각 연결된 수소 공급파이프를 포함하는 직육면체 형상의 단위 스택 모듈을 세트로 배치하되, 인접하는 단위 스택 모듈사이의 배관을 공동으로 하여 최단거리로 연결된다.

배기가스 배출파이프와 생산전력 연결라인 및 공기 공급파이프와 수소 공급파이프는 각각 서로 같은 수평면에 위치되고, 배기가스 배출파이프와 공기 공급파이프 및 생산전력 연결라인과 수소 공급파이프는 각각 서로 같은 수직면에 위치된다.

단위 스택 모듈의 전후면과 좌우측면의 각각의 상부에는 배기가스 배출파이프와 생산전력 연결라인이 서로 어긋나게 각각 부착되고, 단위 스택 모듈의 전후면과 좌우측면의 각각의 하부에는 공기 공급파이프와 수소 공급파이프가 서로 어긋나게 각각 부착된다.

단위 스택 모듈의 세트는 3 또는 9의 배수로 설치되는 것이 바람직하고, 세트 가운데의 연료전지 단위 스택 모듈은 상부 일측에 배기가스 배출파이프가 최단거리로 연결되어 배기가스 배출관에 연결되고, 상부 타측에 생산전력 연결라인이 최단거리로 연결되어 전기 배선관에 연결되며, 하부 일측에 공기 공급파이프가 최단거리로 연결되어 공기 공급관에 연결되고, 하부 타측에 수소 공급파이프가 최단거리로 연결되어 수소 또는 LNG의 연료 공급관에 연결된다.

본 발명에 있어서, 단위 스택 모듈은 플랫폼의 사이에 위치되고, 상기 플랫폼의 상부에는 EBOP와 배기가스를 외부로 배출하는 펀넬이 위치하며, 하부에는 MBOP가 위치되며, 배기가스 배출파이프는 배기가스 배출관을 통해, 공기 또는 수소 공급파이프는 공기 또는 연료 공급관을 통해, 생산전력 연결라인은 전기 배선관을 통해 상기 플랫폼과 연결된다.

본 발명에 의하면, 연료전지(Fuel Cell)의 부하추종성을 확보하고, 연료전지 스택의 교체 및 설치를 위한 무게 또는 부피를 최적화하고, 연료전지의 발전용량을 만족시키면서 주변 설비 및 배관계의 무게 또는 부피를 최소화하며, 효율성과 안전성을 고려한 최소 전달경로로 설계하여 배치함으로서, LNG, 수소 등의 가연성 기체의 누수 가능성을 최소화할 수 있고, 배기가스, 냉온 가스 등의 열손실을 최소화할 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 표준화된 단위 연료전지 스택 모듈을 나타내는 것으로, 도 1a 내지 도 1c는 각각 사시도, 평면도, 저면도이고,
도 2는 도 1의 연료전지 단위 스택 모듈이 세트로 배치된 상태의 상면을 나타내는 평면도이고,
도 3은 도 2 배치된 상태의 하면을 나타내는 평면도이고,
도 4는 도 1의 연료전지 단위 스택 모듈이 세트로 배치되어 플랫폼에 위치된 상태를 나타내는 정면도이고,
도 5는 도 4의 측면도이고,
도 6은 도 4의 연료전지 스택 모듈의 세트가 선박에 설치된 측면도이고,
도 7은 도 6의 정면도이고,
도 8은 도 7의 A-A선을 따라 취한 단면도이고,
도 9는 도 7의 B-B선을 따라 취한 단면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 표준화된 단위 연료전지 스택 모듈로서, 도 1a 내지 도 1c는 각각 스택 모듈의 사시도, 평면도 및 저면도이다.

도시된 바와 같이, 연료전지의 효율적인 분할배치를 위하여 표준화하여 제작된 본 발명의 연료전지 단위 스택 모듈(10)은 직육면체 형상으로, 그 전후면과 좌우측면의 각각의 상하부에 한 쌍씩 모두8개의 배관이 부착된다.

스택 모듈(10)의 전면의 상부와 좌측면의 상부에 각각 배기가스 배출파이프(12)가 연결되고, 우측면의 상부와 후면의 상부에 각각 생산전력 연결라인(14)이 연결되고, 전면의 하부와 좌측면의 하부에 각각 공기 공급파이프(22)가 연결되고, 우측면의 하부와 후면의 하부에 각각 수소 공급파이프(24)가 연결된다. 이때, 배기가스 배출파이프(12)와 생산전력 연결라인 (14) 및 공기 공급파이프(22)와 수소 공급파이프(24)는 각각 서로 같은 수평면에 위치되고, 배기가스 배출파이프(12)와 공기 공급파이프(22) 및 생산전력 연결라인(14)과 수소 공급파이프(24)는 각각 서로 같은 수직면에 위치된다. 또한 한 쌍의 배기가스 배출파이프(12), 생산전력 연결라인(14), 공기 공급파이프(22), 수소 공급파이프(24)의 각각은 서로 어긋나게 설치된다.

이에 따라, 도 1b에 도시된 바와 같이 스택 모듈(10)의 전후면과 좌우측면의 각각의 상부에는 배기가스 배출파이프(12)와 생산전력 연결라인(14)이 서로 어긋나게 각각 부착되고, 또한 도 1c에 도시된 바와 같이, 스택 모듈(10)의 전후면과 좌우측면의 하부에는 공기 공급파이프(22)와 수소 공급파이프(24)가 서로 어긋나게 각각 부착된다.

이러한 연료전지 단위 스택 모듈(10)의 설계 시, 설치할 대상 선박이나 해양 플랜트의 최대 발전 용량에 따라 단위 발전용량을 가지는 스택 모듈을 몇 세트 배치할 것이냐가 결정되기 때문에, 최대 설치 용량과 스택 모듈의 세트 수는 가장 중요한 고려대상이 된다. 예로서, 5MW의 발전량이 필요한 선박에 연료전지를 탑재하는 경우, 300Kw 스택 모듈을 18 세트로 배치할 수 있다. 이와 같은 3 또는 9의 배수로 스택 모듈을 설치하는 것은 공기 및 수소의 공급파이프, 생산전력의 전기 배선, 배기가스 배관 등과 같은 보조설비의 무게와 부피를 최소화할 수 있기 때문에 바람직하다. 즉, 17세트보다 18세트가 바람직한 것이다.

현재 개발된 주요한 연료전지의 스택 모듈 중, 기술적으로 화학 반응이 효율적으로 잘 일어나고 작동이 원활하여 가장 성능이 좋은 용량이 300kW 용량이므로, 본 발명은 이 용량을 단위 발전용량으로 하여, 최적으로 중첩함으로써 소망하는 용량의 연료전지 스택을 구성하였다.

도 2는 도 1의 연료전지 단위 스택 모듈이 세트로 배치된 상태의 상면을 나타내는 평면도이고, 도 3은 도 2 배치된 상태의 하면을 나타내는 평면도이다.

도시된 바와 같이, 단위 연료전지 스택 모듈(10)은 정방형으로 배치되고, 즉 3 x 3의 총 9개의 단위 연료전지 스택 모듈(10)을 세트로 단위면적내에 배치하고, 서로 인접하는 단위 연료전지의 동일한 배관과 최단거리로 연결된다.

즉 도 2에서 세트로 배치된 상면에는 배기가스 배출파이프(12)와 생산전력 공급라인(14)이 연결되며, 세트 가운데의 연료전지 단위 스택 모듈(10)의 일측에 배기가스 배출파이프(12)가 최단거리로 연결되어 배기가스 배출관(20)에 연결되고, 타측에 생산전력 연결라인(14)이 최단거리로 연결되어 전기 배선관(30)에 연결되는 반면, 도 3에서 세트로 배치된 하면에는 공기 공급파이프(22)와 수소 공급파이프(24)가 연결되며, 세트 가운데의 연료전지 단위 스택 모듈(10)의 일측에 공기 공급파이프(22)가 최단거리로 연결되어 공기 공급관(40)에 연결되고, 타측에 수소 공급파이프(24)가 최단거리로 연결되어 수소 또는 LNG의 연료 공급관(50)에 연결된다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따라 복수개 적층된 상태의 연료전지 단위 스택 모듈(10)은 플랫폼(90)의 사이에 위치되고, 플랫폼(90)의 상부에는 생산된 전력을 인버터(inverter)와 컨버터(converter)를 이용하여 사용하기 적합한 전압과 전력으로 변환하는 EBOP(60)와 배기가스를 외부로 배출하는 통로로서 선박에 기설치된 펀넬(funnel)(80)이 위치하며, 플랫폼(90)의 하부에는 연료전지가 반응하는데 필요한 연료와 공기 등이 공급되는 설비인 MBOP(70)가 연료전지 시스템에 추가되는 보조설비로서 위치된다. 단위 스택 모듈(10)에 연결된 배기가스 배출파이프(12)는 배기가스 배출관(20)을 통해, 공기 또는 수소 공급파이프(22)(24)는 공기 또는 연료 공급관(40)(50)을 통해, 생산전력 연결라인(14)은 전기 배선관(30)을 통해 플랫폼(90)과 연결된다. 도 4 및 도 5에 있어서 미설명 부호 (100)은 데크 플레이트를 나타낸다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 연료전지 스택 모듈은 도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 선박에 설치된다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 연료전지 단위 스택 모듈(10)의 세트는 연료전지실(Fullcell Room)(110)에 설치되며, 플랫폼(90)의 하부에 수소 또는 LNG가 저장된 연료탱크(120)로부터 MBOP(70)를 통하여 연료 공급관(50)이 연결되고, 또한 공기를 공급하기 위해 공기 공급팬(42)이 부착된 공기 공급관(40)이 연결된다.

한편 연료전지의 단위 스택 모듈(10) 세트 상부의 전기 배선관(30)과 배기가스 배출관(20)은 선박 뒤쪽에 설치된 EBOP(60)와, 펀넬(80)에 연결되며, EBOP(60)를 거친 전력은 데크 하우스(deck house)(130) 또는 추진 모터(140)에 연결되어 소비된다.

또한 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 선박의 고물보(transom)에서 보았을 때(도면에서 화살표방향에서), 연료전지실(110)의 상부와 하부에는 각각 MBOP 실(room)(150)과 EBOP실(160)이 위치되며, MBOP 실내(150)에서 MBOP(70)에는 연료 공급관(50)과 공기 공급관(40)이 교대로 연결되며, EBOP실(160)내에서 EBOP(60)와 펀넬(80)에 연결되는 배기가스 배출관(20)이 하나씩 연결된다. 경우에 따라서, EBOP(60)와 MBOP(70)의 구역 배치를 달리할 수 있음은 물론이다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 선박내의 연료전지 스택 모듈에 부착되는 배관장치는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10 : 단위 스택 모듈 12 : 배기가스 배출파이프
14 : 생산전력 연결라인 20 : 배기가스 배출관
22 : 공기 공급파이프 24 : 수소 공급파이프
30 : 전기 배선관 40 : 공기 공급관
42 : 공기 공급팬 50 : 연료 공급관
60 : EBOP 70 : MBOP
80 : 펀넬 90 : 플랫폼
100 : 데크 플레이트 110 : 연료전지실
120 : 연료탱크 130 : 데크 하우스
140 : 추진 모터

Claims (6)

1. 전면의 상부와 좌측면의 상부에 각각 연결된 배기가스 배출파이프와,
   우측면의 상부와 후면의 상부에 각각 연결된 생산전력 연결라인과,
   전면의 하부와 좌측면의 하부에 각각 연결된 공기 공급파이프와,
   우측면의 하부와 후면의 하부에 각각 연결된 수소 공급파이프를 포함하는 직육면체 형상의 단위 스택 모듈을 세트로 배치하되,
   인접하는 단위 스택 모듈사이의 배관을 공동으로 하여 최단거리로 연결되도록, 상기 배기가스 배출파이프와 생산전력 연결라인 및 상기 공기 공급파이프와 수소 공급파이프는 각각 서로 같은 수평면에 위치되고,
   상기 배기가스 배출파이프와 공기 공급파이프 및 상기 생산전력 연결라인과 수소 공급파이프는 각각 서로 같은 수직면에 위치되는
   선박내의 연료전지 스택 모듈에 부착되는 배관장치.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 단위 스택 모듈의 전후면과 좌우측면의 각각의 상부에는 상기 배기가스 배출파이프와 생산전력 연결라인이 서로 어긋나게 각각 부착되고,
   상기 단위 스택 모듈의 전후면과 좌우측면의 각각의 하부에는 상기 공기 공급파이프와 수소 공급파이프가 서로 어긋나게 각각 부착되는
   선박내의 연료전지 스택 모듈의 배관장치.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 단위 스택 모듈의 세트는 3 또는 9의 배수로 설치되는
   선박내의 연료전지 스택 모듈에 부착되는 배관장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 세트 가운데의 연료전지 단위 스택 모듈은
   상부 일측에 배기가스 배출파이프가 최단거리로 연결되어 배기가스 배출관에 연결되고, 상부 타측에 생산전력 연결라인이 최단거리로 연결되어 전기 배선관에 연결되며,
   하부 일측에 공기 공급파이프가 최단거리로 연결되어 공기 공급관에 연결되고, 하부 타측에 수소 공급파이프가 최단거리로 연결되어 수소 또는 LNG의 연료 공급관에 연결되는
   선박내의 연료전지 스택 모듈에 부착되는 배관장치.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 단위 스택 모듈은 플랫폼의 사이에 위치되고, 상기 플랫폼의 상부에는 EBOP와 배기가스를 외부로 배출하는 펀넬이 위치하며, 하부에는 MBOP가 위치되며,
   상기 배기가스 배출파이프는 배기가스 배출관을 통해, 공기 또는 수소 공급파이프는 공기 또는 연료 공급관을 통해, 생산전력 연결라인은 전기 배선관을 통해 상기 플랫폼과 연결되는
   선박내의 연료전지 스택 모듈에 부착되는 배관장치.

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