KR101225994B1 - 연료전지시스템 및 이를 구비한 선박 - Google Patents

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Abstract

연료전지시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템은 수소가 포함된 연료가스를 저장하는 수소저장부, 과산화수소를 이용하여 산소를 생성하는 가스발생부, 연료전지시스템의 이상징후를 감지하고 비상신호를 발생시켜 가스발생부 및 수소저장부를 작동시키는 모니터링부 및 수소를 포함하는 연료가스와 산소를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지스택을 포함한다.

Description

연료전지시스템 및 이를 구비한 선박{ Fuel cell system and ship having the same }
본 발명은 연료전지시스템 및 이를 구비한 선박에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지는 연료기체가 소유하고 있는 화학에너지를 전기화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치이다. 고체산화물 연료전지의 전기화학반응을 보면, 연료극에서는 수소가 전자를 내어놓고 전해질을 통해 이동해온 산소이온과 만나 물과 열을 생성시키며, 연료극에서 생성된 전자는 외부회로를 통해 직류전류를 만들면서 공기극으로 이동하고, 공기극에서 산소와 만나 산소이온이 되고 생성된 산소이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동하게 된다.
연료극/전해질/공기극의 연료전지 기본 단위 셀 하나에서 얻어지는 전위차는 약 1V 정도이기 때문에, 연료전지를 동력원으로 사용하기 위해서는 여러 개의 단위 셀을 직렬 또는 병렬로 연결한 스택(stack)을 중심으로 연료전지시스템이 구성되고 있다.
통상적인 연료전지시스템은 전기를 생산하는 연료전지스택(stack), 연료전지스택에 수소/탄화수소 및 산소를 공급하는 연료처리장치, 연료전지스택에서 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 전환하는 전환시스템, 연료전지스택에서 발생되는 열을 회수하는 배열회수장치 등으로 구성된다.
연료전지는 사용되는 전해질의 물질에 따라, 알칼리형 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC)로 구분된다.
한편, LNG를 주연료로 하여 개질반응을 통하여 수소를 공급하는 용융탄산염 연료전지(MCFC)는 고온형 연료전지로써 선박에 탑재하여 전력을 공급하는 보조전원으로 가장 적합하다.
고온형 연료전지에는 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC)가 있는데 600도 ~ 1000도에서 작동하게 된다. 이러한 고온형 연료전지가 선박에서 구동되기 위해서는 고온의 온도를 유지해야 한다. 이러한 작동 조건은 ON/OFF를 쉽게 할 수 없게 되는 제약이 된다.
한편, 선박은 독립된 전원장치로 해상에서 운항하므로, 전원이 순간적으로 공급되지 않는 긴급상황이 발생할 가능성이 있다. 이러한 상태를 블랙아웃(Black out)상태라 한다. 기존 선박의 시스템에서는 이러한 블랙아웃상태에서 비상용 발전기(Emergency Generator)를 이용하여 전력을 생산하였다. 마찬가지로 연료전지가 설치되는 선박에서도 블랙아웃(Black out, 비상정지)상태에서 전력을 생산할 수 있는 긴급전력공급장치가 필요하다.
본 발명의 일 실시예는 연료전지가 설치된 선박에서 비상정지상태를 대비하기 위하여 블랙아웃(Black out)상태에서도 정상적으로 전력을 생산할 수 있는 연료전지시스템 및 이를 구비한 선박을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 반응물 가열에 필요한 버너 혹은 히터의 부하를 감소시키거나 완전히 제거할 수 있는 연료전지시스템 및 이를 구비한 선박을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 수소가 포함된 연료가스를 저장하는 수소저장부; 과산화수소를 이용하여 산소를 생성하는 가스발생부; 상기 연료전지시스템의 이상징후를 감지하고 비상신호를 발생시켜 상기 가스발생부 및 수소저장부를 작동시키는 모니터링부 및 상기 수소를 포함하는 연료가스와 상기 산소를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지스택을 포함하고, 비상시에는 상기 연료전지스택이 상기 수소저장부로부터 상기 연료가스를 공급받고 상기 가스발생부로부터 상기 산소를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지시스템이 제공될 수 있다.
이 때, LNG를 공급받아 수소를 포함하는 연료가스를 생성하는 연료처리부; 산소를 포함하는 공기를 정제하는 정제기 및 상기 정제기로부터 공급된 상기 산소를 포함하는 공기를 가열하여 상기 연료전지스택에 공급하는 촉매연소기를 더 포함하고, 정상적으로 작동시에는, 상기 연료전지스택이 상기 연료처리부로부터 상기 연료가스를 공급받고 상기 촉매연소기로부터 상기 산소를 공급받아 전기를 생산할 수 있다.
이 때, 상기 촉매연소기는 상기 연료전지스택으로부터 고온의 배기가스를 공급받아 연소시킬 수 있다.
한편, 상기 연료전지스택으로부터 상기 고온의 배기가스를 공급받아 외부로부터 공급된 물을 가열하여 상변화시키도록 상기 물을 상기 고온의 배기가스와 열교환하여 수증기 형태로 상기 연료처리부에 공급하는 제 1 열교환기를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 가스발생부는 과산화수소를 저장하는 과산화수소저장부; 촉매를 이용하여 상기 과산화수소를 분해하는 반응기 및 상기 과산화수소를 상기 반응기로 이동할 수 있도록 상기 과산화수소를 가압하기 위한 유체를 저장하는 가압물질저장부를 포함할 수 있다.
한편, 상기 가스발생부는 상기 반응기로부터 공급받은 고온의 수증기 및 상기 산소와 상기 수소저장부로부터 공급된 상기 수소가 포함된 연료가스의 열을 교환하여 상기 연료가스의 온도를 상승시키는 제 2 열교환기를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 가스발생부는 상기 반응기로부터 공급받은 고온의 수증기와 상기 산소를 이용하여 전기를 생산하는 발전기를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 가스발생부는 상기 유체는 기체이고, 상기 가압물질저장부로부터 상기 기체의 일부를 공급받아 압력을 하강시키는 압력하강부; 상기 가압물질저장부의 일측 또는 과산화수소저장부의 일측에 연결되는 공압밸브 및 상기 공압밸브의 일측에 연결되고 상기 모니터링부에서 발생된 상기 비상신호를 수신하여 개방되는 밸브구동부를 더 포함하고, 상기 기체의 일부는 상기 압력하강부에 의해서 압력이 하강되고 상기 밸브구동부를 통과하여 상기 공압밸브를 개방시키는 연료전지시스템.
한편, 상기 밸브구동부는 솔레노이드밸브이고, 상기 압력하강부는 압력레귤레이터일 수 있다.
이 때, 상기 가스발생부는 상기 가압물질저장부, 과산화수소저장부 및 공압밸브의 일측 중 어느 하나 이상에 연결되고 수동으로 작동되는 수동밸브를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 유체는 액체탄산가스 또는 액화 아산화질소일 수 있다.
이 때, 상기 촉매는 백금, 은, 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 이산화망간을 포함하는 망간산화물 및 과망간산칼륨을 포함하는 합성망간산화물일 수 있다.
한편, 상기 반응기에서 사용되는 촉매지지체는 펠렛, 허니컴 모노리스 및 폼형 중 어느 하나로 형성되는 금속 또는 세라믹일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 연료전지시스템을 포함하고, 상기 연료전지시스템은 LNG 저장 탱크에 저장된 LNG를 공급받는 LNG 선박이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템은 과산화수소 분해를 통해 고온의 산소를 생성하여 비상정지시에도 정상적으로 전력을 생산할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템은 고온의 산소를 연료전지스택에 공급함으로써 반응물 가열에 필요한 버너 혹은 히터의 부하를 감소시키거나 완전히 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시예에서 사용될 수 있는 가스발생부의 개략적인 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 LNG 선박의 개략적인 구성도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다. 도 1에서 점선은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템이 정상적으로 작동할 때의 흐름을 도시하고 있다. 도 1에서 실선은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템이 비정상적으로 작동할 때의 흐름을 도시하고 있다. 여기에서 비정상적 작동상태란 전원이 순간적으로 공급되지 않는 블랙아웃(Black out)상태에서 연료전지시스템이 작동하지 않거나 연료전지시스템이 셧다운(Shut-down)되는 상태를 말한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템(10)은 연료처리부(400), 정제기(100), 수소저장부(200), 가스발생부(300), 제 1 열교환기(500), 연료전지스택(600), 촉매연소기(700) 및 모니터링부(800)를 포함할 수 있다.
연료처리부(400)는 외부로부터 LNG 연료를 공급받아 수소가 풍부한 연료가스를 생성한다. 연료처리부(400)는 LNG 연료를 공급받아 수소가 풍부한 개질가스를 생성하는 개질기(미도시) 및 개질기에서 배출된 개질가스를 공급받아 황성분을 제거하여 연료가스를 생성하는 탈황기(미도시)를 포함할 수 있다.
한편, 수소저장부(200)는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템(10)이 비정상적으로 작동할 때 연료전지스택(600)에 공급되는 수소가 포함된 연료가스를 저장한다.
한편, 가스발생부(300)는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템(10)이 비정상적으로 작동할 때 과산화수소를 이용하여 산소를 생성한다. 가스발생부(300)는 가압물질저장부(310), 과산화수소저장부(320) 및 반응기(330)를 포함할 수 있다.
가압물질저장부(310)는 과산화수소를 가압하기 위한 기체 또는 액체를 저장한다. 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템은 과산화수소를 가압하기 위한 기체로 압축공기를 사용할 수 있다. 또한 과산화수소의 가압에는 압축공기 대신 선박 내에 저장된 다른 고압 비활성기체를 사용할 수 있다.
예를 들면, 압축공기를 저장해 두지 않고 고압 액체탄산가스나 액화 아산화질소를 저장하여 사용할 수 있다. 고압 액체탄산가스 중 이산화탄소는 상온에서 약 52 bar 정도의 증기압을 가지고 있기 때문에 대부분의 저장 상태에서 액체상태로 저장이 가능하다. 따라서 비교적 작은 부피에 많은 양을 저장할 수 있고 용기 내 압력을 비교적 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있다.
한편, 과산화수소저장부(320)는 연료전지스택(600)에 공급할 과산화수소를 저장한다. 저장된 과산화수소(H2O2)는 가압물질저장부(310)에 저장된 기체 또는 액체에 의해서 반응기(330)로 이동된다.
반응기(330)는 촉매를 이용하여 과산화수소저장부(320)로부터 공급된 과산화수소를 분해한다. 과산화수소(Hydrogen peroxide, H2O2)는 [화학식 1]과 같이 촉매와 접촉할 경우 열과 함께 산소와 수증기를 발생시킨다.
Figure 112010087795348-pat00001
80 ~ 90% 정도의 농도를 가지는 과산화수소수는 밀도가 1.34 ~ 1.39 kg/liter이며 끓는점과 어는점이 각각 133~141℃, -25 ~ -12℃이다.
고온의 연료전지시스템일 경우에는 연료전지스택의 온도가 특정 온도 이상으로 유지되어야 하므로 비상 재가동을 위하여 압축공기를 공급하게 되면 별도의 가열장치가 요구된다. 하지만 과산화수소 분해가스를 사용하게 되면 고온의 수증기가 발생하므로 별도의 가열 장치가 요구되지 않는다.
일반적으로 67% 농도 이상의 과산화수소수는 단열분해시 100℃ 이상의 가스를 발생시킬 수 있으며 80~90% 농도 범위에서 과산화수소수의 단열분해온도는 495℃ ~ 745℃가 된다. 따라서 적용 범위에 따라 농도를 적절히 조절하여 사용할 수 있다.
90% 농도의 과산화수소수의 단열분해 온도는 약 1000K로 용융탄산염 연료전지(MCFC)의 작동온도보다 충분히 높기 때문에 후술되는 발전기(도 3의 350)의 터빈을 통과한다 하더라도 압축공기를 사용하여 연료전지스택에 산소를 공급하는 경우보다는 연료전지 스택의 온도 유지 관점에서 큰 장점을 가질 수 있다.
이때, 과산화수소는 백금(Pt), 은(Ag), 이리듐(Ir), 로듐(Rh)과 같은 귀금속 촉매뿐만 아니라 과망간산칼륨(K2MnO4), 이산화망간(MnO2)과 같은 비교적 값싼 금속산화물에 의해서도 분해반응이 안정적으로 유지될 수 있다.
또한 67% 이상의 과산화수소수에 대해서는 모두 발열분해반응이고 과열증기(superheated steam)의 생성이 가능하므로 저장된 과산화수소의 농도 및 공급 유량을 조절하여, 비상시에 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 재시동시의 발전량과 발전기에 의한 발전량을 조절할 수 있다.
이때, 촉매는 백금, 은, 이산화망간을 포함하는 망간산화물, 과망간산칼륨을 포함하는 합성망간산화물을 사용할 수 있다. 그리고 반응기(330)에서 사용되는 촉매지지체는 펠렛, 허니컴 모노리스 및 폼형으로 형성되는 금속 또는 세라믹을 사용할 수 있다.
한편, 정제기(100)는 외부로부터 공기를 공급받아 공기를 정제한다. 정제기(100)는 공기에 포함된 이산화탄소(CO2) 및 수분을 제거한다.
한편, 제 1 열교환기는(500)는 연료전지스택(600)으로부터 고온의 가스를 공급받아 고온의 가스를 이용하여 외부로부터 공급된 물을 수증기로 변화시켜 연료처리부(400)에 공급한다.
한편, 연료전지스택(600)은 정상적으로 작동할 때, 연료처리부(400)로부터 연료가스를 공급받고 촉매연소기(700)로부터 가열된 산소를 공급받아 수소와 산소를 반응시켜 전류를 생산한다.
이때 연료전지스택(600)은 연료극 가스 배출구와 연료극 가스 유입구를 포함하는 연료극 및 공기극 가스 배출구와 공기극 가스 유입구를 포함하는 공기극으로 구성될 수 있다.
이때, 연료전지스택(600)은 연료극 가스 유입구를 통해 유입된 연료가스를 연료극 가스 배출구로 배출한다. 연료가스는 전기화학적 반응이 수행된 연료 가스 및 전기화학적 반응이 수행되지 않은 미반응 연료가스를 포함할 수 있다.
또한, 연료전지스택(600)은 공기극 가스 유입구를 통해 유입된 공기를 공기극 가스 배출구로 배출한다. 이때, 공기는 전기화학적 반응이 수행된 산소를 포함하는 공기 및 전기화학적 반응이 수행되지 않은 미반응 공기를 포함할 수 있다.
비정상적으로 작동할 때, 연료전지스택(600)은 수소저장부(200)로부터 수소가 포함된 연료가스를 공급받고 가스발생부(300)로부터 산소와 고온의 수증기를 공급받아 전기를 생산한다.
한편, 촉매연소기(700)는 연료전지스택(600)에서 발생한 배기가스를 공급받아 연소시켜 발생한 고온의 연소가스를 이용하여 정제기(100)로부터 공급된 공기를 가열한다. 이후에 촉매연소기(700)는 산소가 포함된 가열된 공기를 연료전지스택(600)에 공급한다. 이 때, 배기가스는 연료전지스택에서 배출되는 연료가스 및 미반응 연료가스가 혼합된 가스이고, 연소가스는 배기가스를 연소시킬 때 생성되는 고온의 가스이다.
한편, 모니터링부(800)는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 이상징후를 감지하고 비상신호를 발생시켜 가스발생부(300) 및 수소저장부(200)를 작동시킨다. 연료전지스택(600)에 공급되는 수소 또는 산소의 부피, 연료전지스택(600)에서 생산되는 전력의 양 및 연료전지스택(600) 내부의 온도를 모니터링하면서 오차범위를 벗어나는 급격한 변화가 발생할 경우, 모니터링부(800)는 제어신호를 생성해서 가스발생부(300) 및 수소저장부(200)에 전달한다. 이때, 연료전지스택(600)에 공급되는 수소 또는 산소의 부피, 연료전지스택(600)에서 생산되는 전력의 양 및 연료전지스택(600) 내부의 온도를 감지하는 센서들이 부착될 수 있다.
좀 더 상세히, 모니터링부(800)로부터 비상신호를 수신하면 가스발생부(300)의 가압물질저장부(310)의 일측에 설치된 밸브가 개방되고 압축공기가 과산화수소를 반응기(330)로 이동시킨다. 그리고 모니터링부(800)로부터 비상신호를 수신하면 수소저장부(200)의 일측에 설치된 밸브가 개방되어 수소를 포함하고 있는 연료가스가 연료전지스택(600)에 공급된다.
한편, 펌프(20, 30, 40)는 각각 공기, LNG 및 물을 정제기(100), 연료처리부(400) 및 제 1 열교환기(500)에 공급한다.
다음으로 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템을 사용하여 전류를 생산하는 과정을 설명한다.
먼저, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템(10)이 정상적으로 작동할 경우의 작동과정을 설명한다. 도 1을 참조하면, 정상적으로 작동하는 과정은 점선으로 표시되어 있다.
먼저, 정제기(100)가 외부에서 공급된 공기에서 CO2와 수분을 제거한다. 이후에 정제된 공기는 촉매연소기(700)에 공급된다. 다음으로 촉매연소기(700)는 연료전지스택(600)에서 배기가스를 공급받아 연소를 시켜 산소가 포함된 공기의 온도를 상승시킨다. 이후에 온도가 상승된 공기는 연료전지스택(600)에 공급된다.
한편, 연료처리부에 공급된 LNG는 개질기에서 수소가 풍부한 개질가스가 된다. 다음으로 탈황기(미도시)에서 개질가스를 공급받아 황성분을 제거하여 연료가스를 생성한다.
생성된 연료가스와 가열된 공기를 공급받은 연료전지스택(600)이 연료가스에 포함된 수소와 공기 중에 포함된 산소를 반응시켜 전류, 수증기 및 열을 생성한다.
다음으로, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템(10)이 셧다운(shut-down) 되었거나 선박의 블랙아웃(black-out) 상태로 인하여 작동이 중단될 경우와 같은 비정상 작동상태에서의 작동과정을 설명한다. 도 1을 참조하면, 셧다운(shut-down) 되었거나 선박의 블랙아웃(black-out) 상태와 같은 비정상 작동상태에서의 작동과정은 실선으로 표시되어 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템(10)이 셧다운(shut-down) 되었거나 선박의 블랙아웃(black-out) 상태와 같은 비정상 작동상태로 인하여 작동이 중단될 경우, 모니터링부는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 이상 징후를 감지하고 정해진 프로세스에 따라 내부 배터리에 저장된 전력을 이용하여 비상신호를 발생시킨다.
이후에 모니터링부에서 발생한 신호에 의하여 가압물질저장부(310)의 일측에 설치된 밸브가 개방된다. 그리고 과산화수소저장부(320)에 저장된 과산화수소는 가압물질저장부(310)로부터 공급된 압축공기에 의하여 가압되어 반응기(330)로 공급된다.
다음으로 반응기(330)에서 상기의 [화학식 1]과 같이 분해 반응이 일어나 고온, 고압의 수증기와 산소를 생성한다. 반응기(330)에서 배출되는 고압의 수증기와 산소는 연료전지스택(600)에 공급된다.
그리고 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 정상작동 과정에서 저장해 둔 수소를 포함하고 있는 연료가스는 수소저장부(200)에 저장되어 있다가 수소저장부(200)의 일측에 설치되어 있는 밸브가 개방되면 수소를 포함하고 있는 연료가스가 연료전지스택(600)의 내부로 공급된다.
이 때, 수소를 포함하고 있는 연료가스를 저장하는 별도의 저장부를 구비하고 이를 연료전지스택(600)의 내부로 공급할 수도 있다.
한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템은 연료전지스택에 고온의 산소, 수증기 혼합기체를 공급할 수 있기 때문에 안정적으로 전력을 생산할 수 있는 장점이 있다. 또한 상온의 압축 공기 대신 고온 산소를 공급함으로써 고온의 연료전지에 적용할 경우, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템(10)은 반응물 가열에 필요한 버너 혹은 히터의 부하를 감소시키거나 완전히 제거할 수 있다는 장점이 있다.
다음으로 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템을 설명한다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다. 도 2에서 점선은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템이 정상적으로 작동할 때의 흐름을 도시하고 있다. 도 2에서 실선은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템이 비정상적으로 작동할 때의 흐름을 도시하고 있다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템의 구성 중 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 구성과 유사하거나 동일한 구성은 자세한 설명을 생략한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템(10)은 연료처리부(400), 정제기(100), 수소저장부(200), 가스발생부(300), 제 1 열교환기(500), 연료전지스택(600), 촉매연소기(700) 및 모니터링부(800)를 포함할 수 있다.
한편, 가스발생부(300)는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템과 비교하여 제 2 열교환기(340)를 더 포함한다. 제 2 열교환기(340)는 반응기(330)로부터 고온의 수증기와 산소를 공급받아 수소저장부(200)에서 공급된 수소가 포함된 연료가스의 온도를 상승시킨다.
다음으로, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템(10)이 셧다운(shut-down) 되었거나 선박의 블랙아웃(black-out) 상태와 같은 비정상 작동상태로 인하여 작동이 중단되었을 경우의 작동과정을 설명한다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템(10)이 셧다운(shut-down) 되었거나 선박의 블랙아웃(black-out) 상태와 같은 비정상 작동상태로 인하여 작동이 중단될 경우에, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템은 수소저장부에 저장된 수소가 가열 없이 바로 연료전지스택에 공급되었으나, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템은 제 2 열교환기(340)가 반응기(330)로부터 고온의 수증기와 산소를 공급받아 수소저장부(200)에서 공급된 수소의 온도를 상승시킨다. 그리고 온도가 상승된 수소가 연료전지스택(600)에 공급된다.
한편, 고온연료전지의 경우 연료전지스택의 온도가 일정온도 이상으로 유지되어야 하는데, 비상작동시에는 연료전지스택의 온도가 감소하여 연료전지스택에 열적 충격이 가해지거나 성능저하 현상이 발생할 수 있다.
그러나, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템(10)은 고온의 수증기, 산소 및 혼합 기체를 이용하여 수소농후가스를 가열함으로써 비상작동시에도 연료전지스택에 공급되는 반응물의 온도를 안정적으로 유지할 수 있어 열적 충격이나 성능저하 현상을 감소시킬 수 있다.
다음으로 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템을 설명한다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다. 도 3에서 점선은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템이 정상적일 때의 흐름을 도시하고 있다. 도 3에서 실선은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템이 비정상적일 때의 흐름을 도시하고 있다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템의 구성 중 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 구성과 유사하거나 동일한 구성은 자세한 설명을 생략한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템(10)은 연료처리부(400), 정제기(100), 수소저장부(200), 가스발생부(300), 제 1 열교환기(500), 연료전지스택(600), 촉매연소기(700) 및 모니터링부(800)를 포함할 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 가스발생부(300)는 가압물질저장부(310), 과산화수소저장부(320), 반응기(330) 및 발전기(350)를 포함할 수 있다.
한편, 가스발생부(300)는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템과 비교하여 발전기(350)를 더 포함할 수 있다. 여기에서, 발전기(350)는 반응기(330)로부터 고온의 수증기와 산소를 공급받아 터빈을 이용하여 전력을 생산할 수 있다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템의 반응기(330)의 단열분해온도는 저장한 과산화수소수의 농도가 90%일 경우 약 750℃이다. 용융탄산염 연료전지시스템에 적용할 경우 작동 온도에 비하여 높은 온도의 산소를 생성할 수 있다. 이때, 이와 같은 높은 온도의 산소를 이용하여 발전기(350)가 전력을 생산할 수 있다.
또한, 압축공기를 연료전지스택에 필요한 산소공급압력보다 훨씬 더 높은 압력으로 저장할 경우, 도 3과 같이 반응기 하류에 발전기(350)를 배치하여 전력을 생산할 수 있다. 이 경우 발전된 전력을 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템에 공급하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템의 전력소모장치(펌프, 블로워 등)의 재가동을 신속히 수행할 수 있는 장점이 있다.
다음으로 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시예에서 사용될 수 있는 가스발생부(300)의 예를 설명한다.
도 4는 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시예에서 사용될 수 있는 가스발생부(300)의 개략적인 구성도이다.
도 4를 참조하면, 가스발생부(300)는 과산화수소를 이용하여 수증기와 산소를 생성한다. 가스발생부(300)는 가압물질저장부(310), 과산화수소저장부(320), 반응기(330) 및 발전기(350)를 포함할 수 있다.
여기에서, 가압물질저장부(310), 과산화수소저장부(320) 및 반응기(330)는 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템의 가스발생부의 가압물질저장부, 과산화수소저장부 및 반응기와 동일하여 자세한 설명은 생략한다. 그리고 발전기(350)는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템의 발전기와 동일하여 자세한 설명은 생략한다.
이때, 가스발생부(300)는 압력하강부(390), 공압밸브(361, 362) 및 밸브구동부(381, 382)를 포함할 수 있다.
압력하강부(390)는 가압물질저장부(310)로부터 압축공기의 일부를 공급받아 압력을 하강시킨다. 그리고 공압밸브(361, 362)는 압력이 하강된 압축공기에 의해서 개방되고, 가압물질저장부(310)의 일측 또는 과산화수소저장부(320)의 일측에 연결된다. 그리고 밸브구동부(381, 382)는 공압밸브(361, 362)의 일측에 연결되고 모니터링부에서 발생된 비상신호를 수신하고 개방되어 압력이 하강된 압축공기를 공압밸브(361, 362)로 공급하게 된다.
바람직하게는 압력하강부(390)는 압력레귤레이터를 사용할 수 있고 밸브구동부(381, 382)는 솔레노이드밸브를 사용할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 가스발생부(300)는 가압물질저장부(310), 과산화수소저장부(320) 및 공압밸브(361, 362)의 일측 중 어느 하나 이상에 연결되고 수동으로 작동되는 수동밸브(371, 372, 373, 374)를 더 포함할 수 있다.
수동밸브(371, 372)는 밸브구동부(381, 382)나 공압밸브(361, 362)가 자동적으로 작동하지 않을 경우 작업자가 수동으로 가스발생부(300)를 구동할 수 있도록 장착된다.
본 실시예의 가스발생부(300)에서는 두 개의 밸브구동부(381, 382), 두 개의 공압밸브(361, 362) 및 네 개의 수동밸브(371, 372, 373, 374)가 설치되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 가압물질저장부(310) 측에만 각각 하나씩 설치될 수 있다.
다음으로 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템이 셧다운(shut-down) 되었거나 선박의 블랙아웃(black-out)상태와 같은 비정상 작동상태로 인하여 작동이 중단될 경우에, 가스발생부에서 산소를 생성하는 과정을 설명한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템이 셧다운(shut-down) 되었거나 선박이 블랙아웃(black-out) 상태와 같은 비정상 작동상태일 경우에, 모니터링부에서 발생된 전기 신호가 밸브구동부(381,382)를 구동한다. 이때 가압물질저장부(310) 내에 10 ~ 30 bar로 저장된 압축공기의 일부가 압력하강부(390)에 의하여 공압밸브(361,362)의 구동에 필요한 적정압력(7~10 bar)으로 감압되어 개방된 밸브구동부(381,382)를 통과하여 공압밸브(361, 362)를 작동시킨다. 공압밸브가 개방되면 압축공기가 과산화수소저장부(320)로 이동한다. 이후에 압축공기의 가압에 의하여 과산화수소저장부(320)에 저장되어 있는 과산화수소가 하부의 반응기(330)로 이동한다.
다음으로 반응기로 이동한 과산화수소는 촉매에 의하여 분해되어 수증기, 산소 및 열을 생성한다. 이렇게 생성된 수증기 및 산소는 발전기(350)로 이동하여 터빈을 구동시켜 전력을 생산한다.
다음으로 본 발명의 제 4 실시예에 따른 LNG 선박에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 LNG 선박의 개략적인 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 LNG 선박(900)은 앞서 설명한 다양한 실시예에 따른 연료전지시스템을 구비하며, 연료 전지 시스템의 일 구성요소, 예를 들어 연료처리부에 액화 LNG를 공급하기 위한 LNG저장탱크(910) 및 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지시스템을 포함할 수 있다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 LNG 선박(900)은 LNG저장탱크(910)를 포함하고 있어, 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지시스템은 간단하게 LNG 저장 탱크(910)에 배관을 연결하여 효율적으로 액화 LNG를 공급받아 사용할 수 있다.
본 명세서에서,“선박”이라는 용어는 수상을 항해하는 구조물을 의미하는 것으로 한정되지 않으며, 수상을 항해하는 구조물뿐만 아니라, 수상에서 부유하며 작업을 수행하는 FLNG와 같은 해상 구조물을 포함하는 것으로 사용된다. 본 실시형태의 선박(900)은 예를 들어, LNGC 또는 FLNG일 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
이상으로 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것이다.
10 : 연료전지시스템 20, 30, 40 : 펌프
100 : 정제기 200 : 수소저장부
300 : 가스발생부 310 : 가압물질저장부
320 : 과산화수소저장부 330 : 반응기
340 : 제 2 열교환기 350 : 발전기
361, 362 : 공압밸브 371, 372, 373, 374 : 수동밸브
381, 382 : 밸브구동부 390 : 압력하강부
400 : 연료처리부 500 : 제 1 열교환기
600 : 연료전지스택 700 : 촉매연소기
800 : 모니터링부 900 : LNG 선박
910 : LNG 저장 탱크

Claims (14)

  1. 연료전지시스템으로서,
    수소가 포함된 연료가스를 저장하는 수소저장부;
    과산화수소를 이용하여 산소를 생성하는 가스발생부;
    상기 연료전지시스템의 이상징후를 감지하고 비상신호를 발생시켜 상기 가스발생부 및 수소저장부를 작동시키는 모니터링부 및
    상기 수소를 포함하는 연료가스와 상기 산소를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지스택을 포함하고,
    비상시에는 상기 연료전지스택이 상기 수소저장부로부터 상기 연료가스를 공급받고 상기 가스발생부로부터 상기 산소를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    LNG를 공급받아 수소를 포함하는 연료가스를 생성하는 연료처리부;
    산소를 포함하는 공기를 정제하는 정제기 및
    상기 정제기로부터 공급된 상기 산소를 포함하는 공기를 가열하여 상기 연료전지스택에 공급하는 촉매연소기를 더 포함하고,
    정상적으로 작동시에는, 상기 연료전지스택이 상기 연료처리부로부터 상기 연료가스를 공급받고 상기 촉매연소기로부터 상기 산소를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 촉매연소기는
    상기 연료전지스택으로부터 고온의 배기가스를 공급받아 연소시키는 연료전지시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 연료전지스택으로부터 상기 고온의 배기가스를 공급받아 외부로부터 공급된 물을 가열하여 상변화시키도록 상기 물을 상기 고온의 배기가스와 열교환하여 수증기 형태로 상기 연료처리부에 공급하는 제 1 열교환기를 더 포함하는 연료전지시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 가스발생부는,
    과산화수소를 저장하는 과산화수소저장부;
    촉매를 이용하여 상기 과산화수소를 분해하는 반응기 및
    상기 과산화수소를 상기 반응기로 이동할 수 있도록 상기 과산화수소를 가압하기 위한 유체를 저장하는 가압물질저장부
    를 포함하는 연료전지시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 가스발생부는,
    상기 반응기로부터 공급받은 고온의 수증기 및 상기 산소와 상기 수소저장부로부터 공급된 상기 수소가 포함된 상기 연료가스의 열을 교환하여 상기 연료가스의 온도를 상승시키는 제 2 열교환기를 더 포함하는 연료전지시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 가스발생부는,
    상기 반응기로부터 공급받은 고온의 수증기와 상기 산소를 이용하여 전기를 생산하는 발전기를 더 포함하는 연료전지시스템.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 가스발생부는,
    상기 유체는 기체이고,
    상기 가압물질저장부로부터 상기 기체의 일부를 공급받아 압력을 하강시키는 압력하강부;
    상기 가압물질저장부의 일측 또는 과산화수소저장부의 일측에 연결되는 공압밸브 및
    상기 공압밸브의 일측에 연결되고 상기 모니터링부에서 발생된 상기 비상신호를 수신하여 개방되는 밸브구동부를 더 포함하고,
    상기 기체의 일부는 상기 압력하강부에 의해서 압력이 하강되고 상기 밸브구동부를 통과하여 상기 공압밸브를 개방시키는 연료전지시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 밸브구동부는 솔레노이드밸브이고,
    상기 압력하강부는 압력레귤레이터인 연료전지시스템.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 가스발생부는,
    상기 가압물질저장부, 과산화수소저장부 및 공압밸브의 일측 중 어느 하나 이상에 연결되고 수동으로 작동되는 수동밸브를 더 포함하는 연료전지시스템.
  11. 제 5항에 있어서,
    상기 유체는,
    액체탄산가스 또는 액화 아산화질소인 연료전지시스템.
  12. 제 5항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매는,
    백금, 은, 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 이산화망간을 포함하는 망간산화물 및 과망간산칼륨을 포함하는 합성망간산화물인 연료전지시스템.
  13. 제 5항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기에서 사용되는 촉매지지체는 펠렛, 허니컴 모노리스 및 폼형 중 어느 하나로 형성되는 금속 또는 세라믹인 연료전지시스템.
  14. LNG를 저장하는 LNG 저장 탱크를 구비한 LNG 선박으로서,
    제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 연료전지시스템을 포함하고,
    상기 연료전지시스템은 상기 LNG 저장 탱크에 저장된 상기 LNG를 공급받는 LNG 선박.
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