KR101259820B1 - Fuel cell system and ship having the same - Google Patents
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Abstract
연료전지시스템 및 이를 구비한 선박이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템은 물과 해수 중 어느 하나를 이용하여 수소 가스를 생성하는 수소생성부, 공기와 LNG를 공급받아 LNG가 기화된 NG로 상변화 할 때 발생되는 냉열을 이용하여 공기로부터 산소가스와 액화산소 중 어느 하나 이상을 생성하는 공기액화분리기, 공기액화분기리로부터 생성된 액화 산소를 산소 가스로 상변화시키도록 액화 산소와 열교환하거나 또는 산소 가스와 열교환하는 제 1 열교환기 및 수소 가스 및 산소 가스를 공급받아 전류를 생산하는 연료전지스택을 포함한다.A fuel cell system and a vessel having the same are disclosed. Fuel cell system according to an embodiment of the present invention receives the heat generated by the hydrogen generation unit for generating hydrogen gas, the air and LNG by using any one of water and sea water to cool the heat generated when the phase change of LNG to vaporized NG Air liquefied separator for generating at least one of oxygen gas and liquefied oxygen from air, heat exchanged with liquefied oxygen to phase change liquefied oxygen generated from air liquefied branched to oxygen gas, or heat exchanged with oxygen gas And a fuel cell stack for supplying gas and hydrogen gas and oxygen gas to produce a current.
Description
본 발명은 연료전지시스템 및 이를 구비한 선박에 관한 것이다.
The present invention relates to a fuel cell system and a ship having the same.
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 이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동하게 된다.A solid oxide fuel cell is an energy conversion device that converts chemical energy owned by a fuel gas directly into electrical energy by an electrochemical reaction. In the electrochemical reaction of a solid oxide fuel cell, in the anode, hydrogen meets oxygen ions that have passed through electrons and moves through the electrolyte to generate water and heat, and the electrons generated at the anode produce a DC current through an external circuit. It moves to the cathode, meets oxygen at the cathode, becomes oxygen ions, and the generated ions move to the anode through the electrolyte.
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.Since the potential difference obtained from one basic unit cell of a fuel cell of an anode / electrolyte / air electrode is about 1 V, in order to use the fuel cell as a power source, the fuel cell is centered on a stack in which several unit cells are connected in series or in parallel. The system is being configured.
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.Typical fuel cell systems include fuel cell stacks that produce electricity, fuel processing devices that supply hydrogen / hydrocarbon and oxygen to fuel cell stacks, conversion systems that convert DC power produced by fuel cell stacks to AC power, The heat recovery device recovers heat generated from the fuel cell stack.
연료전지는 사용되는 전해질의 물질에 따라, 알칼리형 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC)로 구분된다.Fuel cells can be classified into three categories depending on the substance of the electrolyte used: alkali fuel cells (AFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), solid oxide fuel cells ).
한편, 알칼리형 연료전지는 다른 연료전지보다 충분히 경제성이 있다. 왜냐하면 다른 연료전지는 전해질이나 촉매 등에 약점이 되는 비싼 재료들이 필요하나, 알칼리형 연료전지는 비싼 재료가 필요가 없기 때문이다.On the other hand, alkaline fuel cells are sufficiently economical than other fuel cells. This is because other fuel cells need expensive materials that are weak points in electrolytes and catalysts, but alkaline fuel cells do not need expensive materials.
그러나 알칼리형 연료전지는 순수한 수소와 산소가 연료로서 공급되어야 하는 특성 때문에 상용화하는데 어려운 문제점이 있다. 그래서 고분자 전해질형 연료전지나 기타 다른 화석연료를 연료로 사용가능한 타입의 연료전지들이 추가로 개발되었다.
However, alkaline fuel cells have a problem that it is difficult to commercialize because of the characteristics that pure hydrogen and oxygen must be supplied as fuel. Thus, fuel cell types of polymer electrolyte fuel cells and other fossil fuels have been developed.
본 발명의 일 실시예는 순수한 산소 및 수소를 생성하여 이를 연료전지시스템에 공급하여 연료전지시스템의 효율을 향상시키고 반응률을 높일 수 있는 연료전지시스템 및 이를 구비한 선박을 제공하고자 한다.
An embodiment of the present invention is to provide a fuel cell system and a vessel having the same by generating pure oxygen and hydrogen and supplying it to the fuel cell system to improve the efficiency of the fuel cell system and increase the reaction rate.
본 발명의 일 측면에 따르면, 물과 해수 중 어느 하나를 이용하여 수소 가스를 생성하는 수소생성부; 공기와 LNG를 공급받아 상기 LNG가 기화된 NG로 상변화 할 때 발생되는 냉열을 이용하여 상기 공기로부터 산소가스와 액화산소 중 어느 하나 이상을 생성하는 공기액화분리기; 상기 공기액화분기리로부터 생성된 액화 산소를 산소 가스로 상변화시키도록 상기 액화 산소와 열교환하거나 또는 상기 산소 가스와 열교환하는 제 1 열교환기 및 상기 수소 가스 및 상기 산소 가스를 공급받아 전류를 생산하는 연료전지스택을 포함하는 연료전지시스템이 제공될 수 있다.According to an aspect of the invention, the hydrogen generation unit for generating hydrogen gas using any one of water and sea water; An air liquefaction separator that receives air and LNG and generates at least one of oxygen gas and liquefied oxygen from the air by using cold heat generated when the LNG is phase-changed into vaporized NG; A first heat exchanger for exchanging liquefied oxygen generated from the liquefied oxygen to oxygen gas or a first heat exchanger for exchanging heat with the liquefied oxygen and the hydrogen gas and the oxygen gas to generate a current A fuel cell system including a cell stack can be provided.
이 때, 상기 수소생성부는 해수를 전기분해하여 상기 수소가스를 생성하는 알칼리 해수 생성부를 포함할 수 있다.At this time, the hydrogen generating unit may include an alkaline sea water generating unit for generating the hydrogen gas by electrolysis of sea water.
한편, 상기 수소생성부는 물을 전기분해하여 상기 수소가스를 생성하는 전기분해부를 포함할 수 있다.On the other hand, the hydrogen generation unit may include an electrolysis unit for generating the hydrogen gas by electrolysis of water.
한편, 상기 수소생성부는 상기 물과 해수 중 어느 하나를 나트륨과 반응시켜 상기 수소가스를 생성하는 반응기를 포함할 수 있다.On the other hand, the hydrogen generation unit may include a reactor for generating the hydrogen gas by reacting any one of the water and sea water with sodium.
이 때, 상기 연료전지스택에서 발생된 고온의 배기가스가 상기 제 1 열교환기에 공급되어 상기 산소 가스와 액화 산소 중 어느 하나 이상과 열교환 할 수 있다.At this time, the hot exhaust gas generated in the fuel cell stack may be supplied to the first heat exchanger to exchange heat with any one or more of the oxygen gas and the liquefied oxygen.
한편, 상기 연료전지스택에서 발생된 고온의 배기가스를 연소시켜 상기 액화산소 또는 산소 가스의 온도를 상승시키는 촉매연소기를 더 포함할 수 있다.On the other hand, it may further include a catalytic burner for increasing the temperature of the liquefied oxygen or oxygen gas by burning the high-temperature exhaust gas generated in the fuel cell stack.
한편, 상기 촉매연소기로부터 발생된 연소 가스가 상기 제 1 열교환기에 공급되어 상기 산소 가스와 액화 산소 중 어느 하나 이상과 열교환 할 수 있다.On the other hand, the combustion gas generated from the catalytic combustor may be supplied to the first heat exchanger to exchange heat with any one or more of the oxygen gas and liquefied oxygen.
이 때, 상기 기화된 NG를 공급받아 수소를 포함하는 연료가스를 생성하는 연료처리부를 더 포함할 수 있다.In this case, the fuel processor may further include a fuel processor configured to receive the vaporized NG and generate a fuel gas including hydrogen.
한편, 상기 연료처리부는 상기 기화된 NG를 공급받아 황성분을 제거하는 탈황기 및 탈황된 상기 기화된 NG를 공급받아 개질하여 수소를 포함하는 상기 연료가스를 생성하는 개질기를 포함할 수 있다.The fuel processor may include a desulfurizer for removing sulfur components by receiving the vaporized NG and a reformer for reforming the desulfurized NG by receiving the vaporized NG to generate the fuel gas including hydrogen.
한편, 상기 공기액화분리기는 상기 공기를 압축하는 압축기; 상기 압축기에 의하여 압축된 공기를 정제하는 정제기; 상기 LNG의 기화열과, 상기 정제기에서 정제된 공기가 열교환하는 제 2 열교환기; 상기 열교환 된 공기를 단열 팽창시켜 상기 공기에 포함된 산소가 액화 온도에 도달하게 하는 팽창 밸브 및 상기 팽창 밸브를 지난 상기 공기를 산소와 질소로 분리하는 분리기를 포함할 수 있다.On the other hand, the air liquefied separator is a compressor for compressing the air; A purifier for purifying compressed air by the compressor; A second heat exchanger in which the vaporization heat of the LNG and the air purified in the purifier exchange heat; It may include an expansion valve for adiabatic expansion of the heat-exchanged air to reach the liquefaction temperature of oxygen contained in the air, and a separator for separating the air passing through the expansion valve into oxygen and nitrogen.
이 때, 상기 공기액화분리기는 상기 압축기와 상기 정제기 사이에 설치되고 상기 분리기로부터 분리되어 공급된 상기 질소와 상기 압축기로부터 공급된 상기 공기가 열교환하는 제 3 열교환기; 상기 제 2 열교환기와 상기 팽창밸브 사이에 설치되고 상기 분리기로부터 분리되어 공급된 상기 산소와 상기 제 2 열교환기로부터 공급된 상기 공기가 열교환하는 제 4 열교환기 및 상기 정제기와 상기 제 2 열교환기 사이에 설치되고 상기 제 4 열교환기로부터 공급된 상기 산소와 상기 정제기로부터 공급된 상기 공기가 열교환하는 제 5 열교환기 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.At this time, the air liquefaction separator is installed between the compressor and the purifier, the third heat exchanger for heat exchange between the nitrogen supplied from the separator and supplied from the separator and the air supplied from the compressor; A fourth heat exchanger installed between the second heat exchanger and the expansion valve and separated from the separator and supplied between the fourth heat exchanger and the purifier and the second heat exchanger, in which the air supplied from the second heat exchanger exchanges heat. It may further include at least one of the fifth heat exchanger installed and the heat exchanged between the oxygen supplied from the fourth heat exchanger and the air supplied from the purifier.
한편, 상기 공기액화분리기는 상기 분리기로부터 분리된 상기 산소를 상기 제 4 열교환기 및 제 5 열교환기 중 적어도 어느 하나에 공급하는 펌프를 더 포함할 수 있다.The air liquefaction separator may further include a pump for supplying the oxygen separated from the separator to at least one of the fourth heat exchanger and the fifth heat exchanger.
한편, 상기 공기액화분리기는 상기 질소를 저장하는 질소저장부를 더 포함할 수 있다.On the other hand, the air liquefaction separator may further include a nitrogen storage for storing the nitrogen.
이 때, 상기 압축기는 상기 연료전지시스템으로부터 발생한 상기 배기가스, 선박에서 발생되는 스팀 및 선박엔진의 배기가스 중 어느 하나 이상에 의해서 구동될 수 있다.In this case, the compressor may be driven by any one or more of the exhaust gas generated from the fuel cell system, steam generated from the ship, and exhaust gas of the ship engine.
한편, 상기 압축기는 상기 연료전지시스템으로부터 발생된 전력에 의해서 구동될 수 있다.On the other hand, the compressor may be driven by the power generated from the fuel cell system.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 물 또는 해수를 저장하는 저장 탱크 및 연료 전지 시스템을 포함하고, 상기 저장 탱크에 저장된 상기 물과 해수 중 어느 하나를 전기분해하여 수소를 생성하거나 또는 상기 물과 해수 중 어느 하나를 나트륨과 반응시켜 수소를 생성하여 상기 연료 전지 시스템에 공급하는 것을 특징으로 하는 선박이 제공될 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a storage tank and a fuel cell system for storing water or seawater, wherein any one of the water and seawater stored in the storage tank is electrolyzed to generate hydrogen or in the water and seawater. A vessel may be provided which reacts with sodium to produce hydrogen and supply it to the fuel cell system.
이 때, LNG를 저장하는 LNG 저장 탱크를 더 포함하고, 상기 연료 전지 시스템은 상기 LNG 저장 탱크로부터 상기 LNG를 공급받아 상기 LNG의 기화 중에 발생하는 냉열을 이용하여 공기로부터 액화산소를 생성할 수 있다.
The LNG storage tank may further include an LNG storage tank configured to store LNG, and the fuel cell system may receive liquefied LNG from the LNG storage tank to generate liquefied oxygen from air by using cold heat generated during vaporization of the LNG. .
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템은 순수한 수소를 생성해서 이를 연료전지시스템에 공급하여 연료전지시스템의 효율을 향상시키고 반응률을 높일 수 있다.The fuel cell system according to the exemplary embodiment of the present invention may generate pure hydrogen and supply it to the fuel cell system, thereby improving efficiency of the fuel cell system and increasing reaction rate.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템은 공기 중에 포함되어 있는 산소를 LNG의 기화열을 이용하여 액화시켜 순수한 산소를 생성하고 이를 연료전지시스템에 공급하여 연료전지시스템의 효율을 향상시키고 반응률을 높일 수 있다.
In addition, the fuel cell system according to an embodiment of the present invention to liquefy the oxygen contained in the air using the vaporization heat of LNG to generate pure oxygen and supply it to the fuel cell system to improve the efficiency of the fuel cell system and the reaction rate Can increase.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기의 개략적인 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 선박에 대한 개략적인 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
2 is a schematic configuration diagram of an air liquefaction separator of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
3 is a schematic structural diagram of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
4 is a schematic structural diagram of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.
5 is a schematic configuration diagram of an air liquefaction separator of a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention.
6 is a schematic configuration diagram of a ship according to a fifth embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세하게 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, configurations and operations of embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다. 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기의 개략적인 구성도이다. 도 1에서, 촉매연소기(600)가 제 1 열교환기(500)에 공급하는 연소가스, 연료전지스택(700)이 촉매연소기(600)로 공급하는 배기가스, 제 1 열교환기(500)가 촉매연소기(600)에 공급하는 산소가스 및 촉매연소기가(600)가 연료전지스택에 공급하는 산소가스와 관련된 유동은 점선으로 도시하고 있다. 이하 도 3 및 4에서도 동일하다.1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 2 is a schematic configuration diagram of an air liquefaction separator of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, combustion gas supplied from the
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템(10)은 수소생성부(200), 산소생성부, 연료처리부(300), 제 1 열교환기(500), 연료전지스택(700) 및 촉매연소기(600)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the
수소생성부(200)는 수소를 생성하여 연료전지스택(700)에 공급한다. 수소생성부(200)는 알칼리 해수 생성부(210) 및 해수 저장부(270)를 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다. 수소를 생성할 수 있는 장치라면 본 발명의 기술사상에 포함될 수 있다.The
알칼리 해수 생성부(210)는 해수를 공급받아 해수를 전기분해하여 수소기체와 염소기체를 생성한다. 하기의 [화학식 1]에 의한 전기분해를 통해서 해수는 수산화나트륨을 포함하고 있는 알칼리해수, 수소기체 및 염소기체를 생성한다.The alkaline seawater generating
바람직하게는 알칼리 해수 생성부(210)는 알칼리 해수 생성장치(ULFELS, Ultra-low Frequency Electrolysis System)일 수 있다. 플랜트나 선박 내에서 화석에너지를 연료로 디젤발전기를 가동하면 배기 가스가 발생하는데, 알칼리 해수 생성장치는 이러한 배기 가스를 저감하기 위한 장치이다.Preferably, the alkaline
알칼리 해수 생성장치는 해수를 알칼리화하고 이 해수를 NOx, SOx, CO2가 포함되어 있는 배기가스에 분사한다. 그리고 NOx, SOx, CO2와 반응하고 배출되는 해수를 처리한다.Alkali water generation apparatus injects alkaline sea water and the sea water to the NOx, SOx, the exhaust gas containing the CO 2. And it processes the seawater NOx, SOx, CO 2 and the reaction and discharged.
알칼리 해수 생성장치는 해수를 알칼리화하는 과정에서 상기의 [화학식 1]에 의해서 수소를 생성한다. 그리고 생성된 수소를 연료전지스택(700)에 공급할 수 있다.The alkaline seawater generating device generates hydrogen by the above [Formula 1] in the process of alkalizing seawater. The generated hydrogen may be supplied to the
이 때, 알칼리 해수 저장부(270)는 생성된 알칼리 해수를 알칼리 해수 생성부(210)로부터 공급받아 저장한다.At this time, the alkaline
한편, 산소생성부는 산소가스와 액화산소 중 어느 하나 이상을 연료전지스택(700)에 공급한다. 바람직하게는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템(10)은 산소생성부의 실시예로써 공기액화분리기(100)를 사용할 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않는다. 순수한 산소가스를 공급할 수 있는 장치라면 본 발명의 기술사상에 포함될 수 있다.Meanwhile, the oxygen generator supplies at least one of oxygen gas and liquefied oxygen to the
이 때, 산소가스와 액화산소 중 어느 하나 이상을 연료전지스택(700)에 공급하기 전에 먼저 산소가스의 온도를 상승시키거나 또는 액화산소를 산소가스로 상변화시키기 위해서 제 1 열교환기(500)에 공급할 수 있다.In this case, before supplying any one or more of oxygen gas and liquefied oxygen to the
공기액화분리기(100)는 외부로부터 공기를 공급받아 LNG의 기화 중에 발생하는 냉열을 이용하여 공기를 냉각시켜서 액화 산소를 분리한다.The
도 2를 참조하면, 공기액화분리기(100)는 압축기(110), 정제기(120), 제 2 열교환기(140), 팽창밸브(130) 및 분리기(180)로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 2, the
압축기(110)는 외부로부터 공급받은 공기를 압축한다. 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템에서 외부동력 소모장치인 압축기(110)의 동력은 다음과 같은 방법으로 공급될 수 있다.The
첫째로, 압축기(110)는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템으로부터 발생한 배기가스를 이용하여 공기를 압축할 수 있다. 예를 들면, 고온연료전지(MCFC, SOFC)의 배기가스를 이용하여 터빈을 구동하는 방식으로 압축기가 작동될 수 있다.First, the
둘째로, 압축기(110)는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템으로부터 발생한 전력에 의해서 구동될 수 있다. 이 방식은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 생산 전력의 일부를 소모하게 된다.Secondly, the
셋째로, 선박에서 발생된 스팀을 사용하여 공기를 압축할 수 있다. 예를 들면, LNG의 증발가스 연소를 통해 청수를 가열하여 발생한 스팀(steam)을 공급받아 압축기를 구동할 수 있다. 바람직하게는 압축기는 LNG저장탱크 및 연료전지시스템을 포함하는 LNG선박에서 LNG의 증발가스 연소를 통해 청수를 가열하여 발생된 스팀을 공급받아 터빈을 구동하는 방식으로 압축기가 작동될 수 있다.Third, the steam generated by the ship can be used to compress the air. For example, the compressor may be driven by receiving steam generated by heating fresh water through combustion of boil-off gas of LNG. Preferably, the compressor may be operated by driving a turbine by receiving steam generated by heating fresh water through combustion of boiled gas of LNG in an LNG vessel including an LNG storage tank and a fuel cell system.
넷째로, 선박을 추진하는 엔진의 배기가스를 사용하여 공기를 압축할 수 있다. 예를 들면, 주추진 엔진의 배기가스를 이용하여 공기를 압축할 수 있다. 그리고 선박의 엔진의 배기가스를 이용하여 스팀을 발생시키는 이코노마이저(economizer)에서 스팀을 공급받아 터빈을 구동하는 방식으로 공기를 압축할 수 있다.Fourth, the air can be compressed using the exhaust gas of the engine propelling the vessel. For example, the exhaust gas of the main propulsion engine can be used to compress the air. The air may be compressed by supplying steam from an economizer that generates steam using the exhaust gas of the ship's engine and driving the turbine.
한편, 정제기(120)는 압축기(110)로부터 압축된 공기를 공급받아 압축된 공기를 정제한다. 정제기(120)는 압축된 공기에 포함된 이산화탄소(CO2) 및 수분을 제거한다.On the other hand, the
제 2 열교환기(140)는 외부로부터 LNG를 공급받아 압축된 공기를 냉각시킨다. 공급된 LNG는 압축된 공기로부터 열을 빼앗아 기화한다. 그리고 기화되는 LNG에 열을 빼앗긴 압축된 공기는 냉각된다.The
팽창밸브(130)는 압축된 공기를 단열팽창시킨다. 압축된 공기가 단열팽창됨에 따라서, 압축된 공기는 산소를 액화시킬 수 있는 액화온도에 도달하게 된다. 압축된 공기가 외부에서 공급받는 열원 없이 팽창밸브(130)를 지나면서 부피가 팽창되고 이에 따라서 압축된 공기는 냉각되어 공기 중에 포함된 산소가 액화할 수 있는 온도에 이르게 된다.
분리기(180)는 팽창밸브(130)로부터 공기를 공급받아 액체산소(LO2)와 질소로 분리한다. 이때 생성된 질소가스(GN2)는 비활성 기체이므로 저장탱크에 저장하거나 다른 필요한 용도에 사용할 수도 있다. 그리고 생성된 액체산소는 제 1 열교환기(500)에 공급된다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기(100)는 질소를 저장하는 질소저장부(191)를 더 포함할 수 있다.The
한편, 연료처리부(300)는 공기액화분리기에서 기화된 NG를 공급받아 수소가 포함된 연료가스를 생성한다. 이때, 연료처리부(300)는 기화된 NG를 공급받아 황성분을 제거하는 탈황기 및 황성분이 제거된 NG를 공급받아 개질하여 수소를 포함하는 연료가스를 생성하는 개질기를 포함할 수 있다.On the other hand, the
한편, 도 1을 참조하면, 제 1 열교환기(500)는 연료전지스택(700)에서 배출되는 고온의 배기가스로 열교환을 하여 공기액화분리기(100)로부터 공급되는 액화 산소의 온도를 일차적으로 상승시킨다. 이를 통해서 액화 산소를 산소 가스로 상변화시킨다.Meanwhile, referring to FIG. 1, the
또한, 제 1 열교환기(500)는 촉매연소기(600)로부터 고온의 연소가스를 공급받아 액화 산소와 열교환 할 수 있다.In addition, the
이 때, 제 1 열교환기(500)는, 도 1에 도시되지 않았으나, 연료처리부(300)에서 생성된 수소를 포함하는 연료가스를 촉매연소기의 고온의 연소가스 또는 연료전지스택의 배기가스와 열교환하여 연료가스의 온도를 상승시킨 후에 연료전지스택에 공급할 수 있다. 여기에서, 배기가스는 후술되는 연료극의 배출가스 및 공기극의 배출가스를 포함할 수 있다.In this case, although not shown in FIG. 1, the
한편, 연료전지스택(700)은 제 1 열교환기(500) 또는 촉매연소기(600)로부터 기화된 산소를 공급받고, 수소생성부(200)로부터 순수한 수소를 공급받거나 연료처리부(300)로부터 수소가 포함된 연료가스를 공급받아 전류를 생산한다. 이때 연료전지스택(700)은 연료극 가스 배출구와 연료극 가스 유입구를 포함하는 연료극 및 공기극 가스 배출구와 공기극 가스 유입구를 포함하는 공기극을 포함할 수 있다.On the other hand, the
이때, 연료전지스택(700)은 연료극 가스 유입구를 통해 유입된 연료가스 및 순수한 수소를 연료극 가스 배출구로 배출한다. 연료극의 배출가스는 전기화학적 반응이 수행된 연료 가스 및 전기화학적 반응이 수행되지 않은 미반응 연료가스를 포함할 수 있다. 또한, 전기화학적 반응이 수행된 수소가스 및 전기화학적 반응이 수행되지 않은 수소가스를 포함할 수 있다.In this case, the
또한, 연료전지스택(700)은 공기극 가스 유입구를 통해 유입된 산소가스를 공기극 가스 배출구로 배출한다. 이때, 공기극의 배출가스는 전기화학적 반응이 수행되지 않은 미반응 산소를 포함할 수 있다.In addition, the
한편, 촉매연소기(600)는 공기극의 배출가스 및 연료극의 배출가스를 공급받아 연소시켜 고온의 연소가스를 생성하고, 고온의 연소가스를 이용하여 제 1 열교환기(500)로부터 공급되는 산소의 온도를 2차로 올려준다. 그리고 촉매연소기(600)는 온도가 상승된 산소를 연료전지스택(700)에 공급한다. 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템에서는 제 1 열교환기(500) 및 촉매연소기(600)에서 산소의 온도를 상승시켰으나, 예를 들면, 각각 하나씩만을 사용하여 산소의 온도를 상승시킬 수도 있다.
On the other hand, the
다음으로 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템을 사용하여 전류를 생산하는 과정을 설명한다.Next, a process of producing a current using the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention will be described.
먼저, 수소생성부(200)의 알칼리 해수 생성부(210)에서 해수를 전기분해하여 순수한 수소기체를 생성하고 생성된 순수한 수소기체를 연료전지스택(700)에 공급한다. 그리고 해수 저장부(270)가 알칼리 해수 생성부(210)에서 생성된 알칼리해수를 전달받아 저장한다.First, the alkaline
다음으로 외부에서 공급된 공기는 압축기(110)에 의하여 압축된다. 이후에 정제기(120)가 압축된 공기에서 CO2와 수분을 제거한다. 이후에 제 2 열교환기(140)에 LNG가 공급되어 LNG가 기화되면서 압축 공기로부터 열을 빼앗아 압축공기를 냉각시킨다.Next, the air supplied from the outside is compressed by the
다음으로, 냉각된 압축 공기는 팽창밸브(130)를 통과하며 단열 팽창하고, 공기 중에 포함된 산소는 액화 온도에 도달한다. 이후에, 분리기에서 공기는 액체산소와 질소로 분리된다.Next, the cooled compressed air passes through the
이후에, 제 1 열교환기(500)가 공기액화분리기(100)로부터 공급받은 액화 산소를 연료전지스택(700)으로부터 고온의 배기가스를 공급받아 가열한다. 가열된 액화 산소는 기체로 상변화되어 산소가스의 형태로 촉매연소기(600)로 공급된다. 촉매연소기(600)는 연료전지스택으로부터 미반응 연료가스가 포함된 고온의 배기가스를 공급받아 연소시키고, 발생된 연소가스를 이용하여 산소 가스의 온도를 2차로 상승시킨다. 온도가 상승된 산소가스는 연료전지스택에 공급된다.Thereafter, the
한편, 제 2 열교환기(140)를 통과한 LNG는 기화되어 기체로 된다. 그리고 기화된 NG는 연료처리부(300)로 공급된다. 이후에 연료처리부(300)의 탈황기에서 기화된 NG를 공급받아 탈황을 한다. 다음으로 연료처리부(300)의 개질기에서 탈황된 NG를 개질하여 연료가스를 생성한다. 생성된 연료가스는 연료전지스택(700)에 공급된다.On the other hand, LNG passing through the
이후에 연료전지스택(700)에서 연료가스에 포함된 수소나 수소생성부에서 생성된 순수한 수소가 산소와 반응하여 전류, 수증기 및 열이 발생된다.
Subsequently, in the
한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료처리시스템의 공기액화분리기는 LNG를 연료처리부(300)에 공급하기에 앞서 LNG를 기화시킨다. LNG가 기화되면서 열을 빼앗는 원리를 이용하여 공기액화분리기(100)는 액화분리공정을 진행한다. 여기에서 액화분리공정은 LNG가 기화될 때 공기로부터 열을 흡수하여 공기를 냉각시키고, 이를 통해서 공기 중에 포함된 산소를 액화시켜 공기로부터 산소를 분리하는 과정이다.Meanwhile, the air liquefaction separator of the fuel processing system according to the first embodiment of the present invention vaporizes LNG before supplying the LNG to the
이때, 액화분리 단계에서 분리된 산소는 연료전지스택에 공급에 앞서 작동 온도에 맞게 온도가 상승 되어야 한다. 이를 위하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료처리시스템은 제 1 열교환기(500)를 사용하여 산소를 작동온도까지 가열하여 연료전지스택(700)에 공급한다.At this time, the oxygen separated in the liquefaction step should be raised in temperature to match the operating temperature prior to supply to the fuel cell stack. To this end, the fuel processing system according to the first exemplary embodiment of the present invention heats oxygen to an operating temperature using the
한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템은 연료가스와 산소를 연료전지스택에 공급하여 전력을 생산하며 출력 측면에서는 산화제로 순수산소를 공급하는 것이 적합하나 경제적인 측면에서 대기 중의 공기를 공급할 수 있다.On the other hand, the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention is to supply the fuel gas and oxygen to the fuel cell stack to produce power, and in terms of output, it is suitable to supply pure oxygen as an oxidant, but in terms of economics, air in the air Can be supplied.
그러나 공기의 80% 정도를 차지하는 질소는 비활성 물질이므로 공급된 연료가스의 화학에너지를 열의 형태로 흡수하여 연료전지시스템의 효율을 감소시킬 수 있다. 또한 공기를 공급하는 방식은 순산소 공급에 비하여 산소 농도가 낮게 형성되어 반응률(reaction rate)이 낮아질 수 있다.However, since nitrogen, which occupies about 80% of air, is an inert substance, it can absorb the chemical energy of the supplied fuel gas in the form of heat, thereby reducing the efficiency of the fuel cell system. In addition, the method of supplying air may have a lower oxygen concentration than the supply of pure oxygen, thereby lowering a reaction rate.
따라서 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템은 공기 중에 포함되어 있는 산소를 액화하여 공급한다. 이에 따라서 질소가 분리되어 비활성 물질에 의한 불필요한 에너지 손실을 방지하고 반응률을 증가시켜, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템은 촉매 혹은 반응에 필요한 물질의 양을 감소시킬 수 있다.Therefore, the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention liquefies and supplies oxygen contained in the air. Accordingly, the nitrogen is separated to prevent unnecessary energy loss by the inert material and increase the reaction rate, so that the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention can reduce the amount of the catalyst or the material required for the reaction.
한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템은 플랜트나 선박 등에서는 화석연료로 전력을 생산하는 발전설비의 배기가스를 처리하는 알칼리 해수 생성장치(ULFELS, Ultra-low Frequency Electrolysis System)로부터 순수한 수소를 공급받아 가동될 수 있어 효율적으로 운영될 수 있다.
On the other hand, the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention from an alkaline seawater generating device (ULFELS, Ultra-low Frequency Electrolysis System) for treating the exhaust gas of the power generation facilities for producing electricity from fossil fuel in plants or ships Pure hydrogen can be operated to operate efficiently.
다음으로 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템을 설명한다.Next, a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention will be described.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다.3 is a schematic structural diagram of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템의 구성 중 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 구성과 유사하거나 동일한 구성은 자세한 설명을 생략한다.A configuration similar or identical to that of the fuel cell system according to the first embodiment of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention will not be described in detail.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템의 수소생성부(200')는 반응기(230) 및 해수 저장부(270)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, the
반응기(230)는 나트륨(Na)과 해수를 반응시켜 하기의 [화학식 2]에 의해서 수산화나트륨(NaOH) 및 수소기체를 생성한다. 생성된 알칼리해수는 해수저장부(270)에 저장되고, 수소기체는 연료전지스택(700)에 공급된다.The
반응기가 해수와 나트륨을 반응시켜 순수한 수소기체를 생성하고 이를 연료전지스택(700)에 공급함으로써, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템은 보다 효율적으로 가동될 수 있다.By reacting the seawater with sodium to generate pure hydrogen gas and supplying it to the
이 때, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템은 해수를 나트륨과 반응시켜 수소기체를 생성하였으나, 예를 들면, 물을 나트륨과 반응시켜 수소기체를 생성할 수도 있다.
In this case, the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention generates hydrogen gas by reacting seawater with sodium, but, for example, hydrogen gas may be generated by reacting water with sodium.
다음으로 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템을 설명한다.Next, a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention will be described.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다.4 is a schematic structural diagram of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템의 구성 중 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 구성과 유사하거나 동일한 구성은 자세한 설명을 생략한다.A configuration similar or identical to that of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention among the configuration of the fuel cell system according to the third embodiment of the present invention will not be described in detail.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템은 전기분해부(250)를 포함할 수 있다. 이 때, 전기분해부(250)는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 수소생성부(200)에 대응한다.Referring to FIG. 4, the fuel cell system according to the third embodiment of the present invention may include an
전기분해부(250)는 물을 전기분해하여 하기 [화학식 3]에 의하여 수소기체와 산소기체를 생성한다. 이 때, 생성된 순수한 수소기체를 연료전지스택(700)에 공급한다.The
본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템은 전기분해부에서 물을 전기분해하여 순수한 수소를 생성하고, 순수한 수소를 연료전지스택에 공급함으로써, 연료전지시스템의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
The fuel cell system according to the third exemplary embodiment of the present invention can further improve efficiency of the fuel cell system by electrolyzing water in the electrolysis unit to generate pure hydrogen and supplying pure hydrogen to the fuel cell stack.
다음으로 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기를 설명한다.Next, an air liquefaction separator of a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention will be described.
도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기의 개략적인 구성도이다.5 is a schematic configuration diagram of an air liquefaction separator of a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기(100') 구성 중 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기의 구성과 유사하거나 동일한 구성은 자세한 설명을 생략한다.Configurations similar to or identical to those of the air liquefaction separator of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention among the
도 5를 참조하면, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기(100')는 외부로부터 공기를 공급받아 LNG의 기화 중에 발생하는 냉열을 이용하여 공기로부터 산소를 분리한다.Referring to FIG. 5, the
이때, 공기액화분리기(100')는 압축기(110), 정제기(120), 제 2 열교환기(140), 팽창밸브(130), 분리기(180), 제 3 열교환기(170), 제 4 열교환기(150) 및 제 5 열교환기(160)를 포함할 수 있다.At this time, the air liquefied separator 100 'is a
제 3 열교환기(170), 제 4 열교환기(150) 및 제 5 열교환기(160)는 산소 또는 질소를 공급받아 공기를 냉각시킨다. The
도 5를 참조하면, 제 3 열교환기(170)는 분리기(180)로부터 질소를 공급받아 압축기(110)로부터 공급받은 공기를 냉각시킨다. 제 3 열교환기(170)는 압축기와 정제기 사이에 설치된다.Referring to FIG. 5, the
제 4 열교환기(150)는 액체산소를 분리기(180)로부터 공급받아 제 2 열교환기(140)로부터 공급된 공기를 냉각시킨다. 제 4 열교환기(150)는 제 2 열교환기(140)와 팽창밸브(130) 사이에 설치된다.The
제 5 열교환기(160)는 제 4 열교환기(150)로부터 공급받은 산소를 이용하여 정제기(120)로부터 공급된 압축된 공기를 냉각시킨다. 제 5 열교환기(160)는 정제기(120)와 제 2 열교환기(140) 사이에 설치된다.The
다음으로 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기(100')가 공기 중에 포함되어 있는 산소를 액화하여 공기에서 산소를 분리하는 과정을 설명한다.Next, a process of separating the oxygen from the air by liquefying the oxygen contained in the air in the air liquefied separator 100 'of the fuel cell system according to the fourth embodiment of the present invention.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기(100')가 공기 중에 포함되어 있는 산소를 액화하여 공기에서 산소를 분리하는 과정은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기(100)가 공기 중에 포함되어 있는 산소를 액화하여 공기에서 산소를 분리하는 과정에 부가적으로 분리된 산소와 질소의 냉열을 사용하여 유입된 공기를 냉각시키는 과정이 추가된다.The process of separating the oxygen from the air by liquefying the oxygen contained in the air by the air liquefaction separator 100 'of the fuel cell system according to the fourth embodiment of the present invention is the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. In addition to the process of liquefying the oxygen contained in the air of the liquid
좀 더 상세히, 분리기(180)에서 배출된 저온의 질소 가스는 제 3 열교환기(170)에 공급되어 압축기로부터 공급된 공기를 냉각시킨다. 다음으로 분리기(180)에서 분리된 액체 산소는 펌프(190)에 의해서 제 4 열교환기(150)에 공급되고, 액체산소가 차례로 제 4 열교환기(150) 및 제 5 열교환기(160)를 지나면서 공기를 냉각시킨다.In more detail, the low temperature nitrogen gas discharged from the
최종적으로 질소 기체는 배출되거나 질소저장부(191)에 저장되어 비활성 가스가 필요한 영역에 사용될 수 있다. 그리고 산소 가스는 제 1 열교환기(500)에 공급된다.Finally, the nitrogen gas may be discharged or stored in the
이때, 제 3 열교환기(170), 제 4 열교환기(150) 및 제 5 열교환기(160)의 위치는 전체 과정의 상황에 따라 변할 수 있다.In this case, the positions of the
한편, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기는 분리된 산소와 질소의 냉열을 이용함에 따라 압축기에 요구되는 부하를 줄이고 최소한의 에너지 입력으로 공기액화분리 과정을 진행할 수 있다.On the other hand, the air liquefaction separator of the fuel cell system according to the fourth embodiment of the present invention can reduce the load required for the compressor and proceed with the air liquefaction process with a minimum energy input by using the separated heat of oxygen and nitrogen. .
분리기(180)에서 배출되는 질소와 산소는 저온이며 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지시스템의 목적은 기체의 액화 저장이 아니기 때문에 이를 공기의 냉각에 사용할 수 있다.Nitrogen and oxygen discharged from the
본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기는 공기의 액화 분리를 통하여 산소 분압이 높은 공기 혹은 순산소를 연료전지스택에 공급한다. 특히 산소의 경우 가열된 기체상태로 연료전지스택(700)에 공급되어야 하기 때문에 액체 상태에서 다시 기화 프로세스를 진행하여야 한다. 예를 들면, 액체상태의 산소는 열교환기에서 배기가스와 열교환을 진행하여 다시 기화된다.
The air liquefaction separator of the fuel cell system according to the fourth embodiment of the present invention supplies air or pure oxygen having a high oxygen partial pressure to the fuel cell stack through liquefaction separation of air. In particular, since oxygen must be supplied to the
다음으로 본 발명의 제 5 실시예에 따른 선박에 대하여 설명한다.Next, a ship according to a fifth embodiment of the present invention will be described.
도 6은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 선박에 대한 개략적인 구성도이다.6 is a schematic configuration diagram of a ship according to a fifth embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 선박(900)은 앞서 설명한 다양한 실시예에 따른 연료전지시스템을 구비하며, 연료 전지 시스템의 일 구성요소, 예를 들어 수소생성부에 해수 또는 물을 공급하기 위한 저장 탱크(910)를 포함할 수 있다. 또한, 저장된 LNG를 연료 전지 시스템에 공급하는 LNG 저장 탱크(920)를 포함할 수도 있다.Referring to FIG. 6, a
이 때, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 선박은 저장 탱크(910)로부터 물 또는 해수를 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템에 공급한다. 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템은 물 또는 해수를 공급받아 전기분해하여 순수한 수소를 생성하고 이를 이용하여 전기를 생산한다.At this time, the ship according to the fifth embodiment of the present invention supplies the water or sea water from the
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템은 물 또는 해수를 나트륨과 반응하여 수소를 생성하고 이를 이용하여 전기를 생산한다.In addition, the fuel cell system according to an embodiment of the present invention generates hydrogen by reacting water or seawater with sodium to produce electricity using the same.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템(10)이 저장 탱크(910)에 저장된 물 또는 해수를 공급받아 순수한 수소를 생성하여 작동함으로써, 연료 전지 시스템의 작동 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
On the other hand, the
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 선박은 예를 들어, LNGC 또는 FLNG일 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
As used herein, the term “ship” is not limited to meaning a structure that sails aquatic waters, but is used to include not only structures that sail aquatic waters, but also naval structures such as FLNG, which are floating and perform operations in aquatic waters. . The ship of the present embodiment may be, for example, LNGC or FLNG, but the present invention is not limited thereto.
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.
Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art may implement the present invention in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. You will understand that. The embodiments described above are therefore to be considered in all respects as illustrative and not restrictive.
10 : 연료전지시스템 100 : 공기액화분리기
110 : 압축기 120 : 정제기
130 : 팽창밸브 140 : 제 2 열교환기
170 : 제 3 열교환기 150 : 제 4 열교환기
160 : 제 5 열교환기 180 : 분리기
190 : 펌프 191 : 질소저장부
200, 200' : 수소생성부 210 : 알칼리해수생성부
230 : 반응기 250 : 전기분해부
270 : 해수저장부 300 : 연료처리부
500 : 제 1 열교환기 600 : 촉매연소기
700 : 연료전지스택 900 : 선박
910 : 저장탱크 920 : LNG 저장 탱크10: fuel cell system 100: air liquefied separator
110: compressor 120: purifier
130
170: third heat exchanger 150: fourth heat exchanger
160: fifth heat exchanger 180: separator
190: pump 191: nitrogen storage
200, 200 ': hydrogen generating part 210: alkali seawater generating part
230
270: seawater storage unit 300: fuel processing unit
500: first heat exchanger 600: catalytic combustion
700: fuel cell stack 900: ship
910: storage tank 920: LNG storage tank
Claims (17)
공기와 LNG를 공급받아 상기 LNG가 기화된 NG로 상변화 할 때 발생되는 냉열을 이용하여 상기 공기로부터 산소가스와 액화산소 중 어느 하나 이상을 생성하는 공기액화분리기;
상기 공기액화분기리로부터 생성된 액화 산소를 산소 가스로 상변화시키도록 상기 액화 산소와 열교환하거나 또는 상기 산소 가스와 열교환하는 제 1 열교환기 및
상기 수소 가스 및 상기 산소 가스를 공급받아 전류를 생산하는 연료전지스택을 포함하되,
상기 공기액화분리기는,
상기 공기를 압축하는 압축기;
상기 압축기에 의하여 압축된 공기를 정제하는 정제기;
상기 LNG의 기화열과, 상기 정제기에서 정제된 공기가 열교환하는 제 2 열교환기;
상기 열교환 된 공기를 단열 팽창시켜 상기 공기에 포함된 산소가 액화 온도에 도달하게 하는 팽창 밸브;
상기 팽창 밸브를 지난 상기 공기를 산소와 질소로 분리하는 분리기; 및
상기 압축기와 상기 정제기 사이에 설치되고 상기 분리기로부터 분리되어 공급된 상기 질소와 상기 압축기로부터 공급된 상기 공기가 열교환하는 제 3 열교환기를 포함하는 연료전지시스템.
Hydrogen generation unit for generating hydrogen gas using any one of water and sea water;
An air liquefaction separator that receives air and LNG and generates at least one of oxygen gas and liquefied oxygen from the air by using cold heat generated when the LNG is phase-changed into vaporized NG;
A first heat exchanger which heat-exchanges with the liquefied oxygen or heat-exchanges with the oxygen gas so as to phase change the liquefied oxygen generated from the air liquefaction separation into oxygen gas;
Including a fuel cell stack for supplying the hydrogen gas and the oxygen gas to produce a current,
The air liquefaction separator,
A compressor for compressing the air;
A purifier for purifying compressed air by the compressor;
A second heat exchanger in which the vaporization heat of the LNG and the air purified in the purifier exchange heat;
An expansion valve for adiabatic expansion of the heat-exchanged air to allow oxygen contained in the air to reach a liquefaction temperature;
A separator separating the air passing through the expansion valve into oxygen and nitrogen; And
And a third heat exchanger installed between the compressor and the purifier and configured to exchange heat between the nitrogen supplied separately from the separator and the air supplied from the compressor.
상기 수소생성부는,
해수를 전기분해하여 상기 수소가스를 생성하는 알칼리 해수 생성부를 포함하는 연료전지시스템.
The method of claim 1,
The hydrogen generation unit,
A fuel cell system comprising an alkaline seawater generating unit for generating the hydrogen gas by electrolysis of seawater.
상기 수소생성부는,
물을 전기분해하여 상기 수소가스를 생성하는 전기분해부를 포함하는 연료전지시스템.
The method of claim 1,
The hydrogen generation unit,
A fuel cell system comprising an electrolysis unit for generating the hydrogen gas by electrolysis of water.
상기 수소생성부는,
상기 물과 해수 중 어느 하나를 나트륨과 반응시켜 상기 수소가스를 생성하는 반응기를 포함하는 연료전지시스템.
The method of claim 1,
The hydrogen generation unit,
And a reactor for generating the hydrogen gas by reacting any one of the water and sea water with sodium.
상기 연료전지스택에서 발생된 고온의 배기가스가 상기 제 1 열교환기에 공급되어 상기 산소 가스와 액화 산소 중 어느 하나 이상과 열교환하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
The method of claim 1,
And a high temperature exhaust gas generated from the fuel cell stack is supplied to the first heat exchanger to exchange heat with at least one of the oxygen gas and the liquefied oxygen.
상기 연료전지스택에서 발생된 고온의 배기가스를 연소시켜 상기 액화산소 또는 산소 가스의 온도를 상승시키는 촉매연소기를 더 포함하는 연료전지시스템.
The method of claim 1,
And a catalytic combustor configured to increase the temperature of the liquefied oxygen or oxygen gas by combusting the high-temperature exhaust gas generated in the fuel cell stack.
상기 촉매연소기로부터 발생된 연소 가스가 상기 제 1 열교환기에 공급되어 상기 산소 가스와 액화 산소 중 어느 하나 이상과 열교환 하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
The method according to claim 6,
And a combustion gas generated from the catalytic burner is supplied to the first heat exchanger to exchange heat with at least one of the oxygen gas and the liquefied oxygen.
상기 기화된 NG를 공급받아 수소를 포함하는 연료가스를 생성하는 연료처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
The method of claim 1,
And a fuel processor configured to receive the vaporized NG and generate a fuel gas including hydrogen.
상기 연료처리부는,
상기 기화된 NG를 공급받아 황성분을 제거하는 탈황기 및
탈황된 상기 기화된 NG를 공급받아 개질하여 수소를 포함하는 상기 연료가스를 생성하는 개질기를 포함하는 연료전지시스템.
The method of claim 8,
The fuel processor,
Desulfurizer for removing the sulfur component by receiving the vaporized NG and
A fuel cell system comprising a reformer that receives the desulfurized vaporized NG and reforms to generate the fuel gas including hydrogen.
공기와 LNG를 공급받아 상기 LNG가 기화된 NG로 상변화 할 때 발생되는 냉열을 이용하여 상기 공기로부터 산소가스와 액화산소 중 어느 하나 이상을 생성하는 공기액화분리기;
상기 공기액화분기리로부터 생성된 액화 산소를 산소 가스로 상변화시키도록 상기 액화 산소와 열교환하거나 또는 상기 산소 가스와 열교환하는 제 1 열교환기 및
상기 수소 가스 및 상기 산소 가스를 공급받아 전류를 생산하는 연료전지스택을 포함하되,
상기 공기액화분리기는,
상기 공기를 압축하는 압축기;
상기 압축기에 의하여 압축된 공기를 정제하는 정제기;
상기 LNG의 기화열과, 상기 정제기에서 정제된 공기가 열교환하는 제 2 열교환기;
상기 열교환 된 공기를 단열 팽창시켜 상기 공기에 포함된 산소가 액화 온도에 도달하게 하는 팽창 밸브;
상기 팽창 밸브를 지난 상기 공기를 산소와 질소로 분리하는 분리기; 및
상기 제 2 열교환기와 상기 팽창밸브 사이에 설치되고 상기 분리기로부터 분리되어 공급된 상기 산소와 상기 제 2 열교환기로부터 공급된 상기 공기가 열교환하는 제 4 열교환기를 포함하는 연료전지시스템.
Hydrogen generation unit for generating hydrogen gas using any one of water and sea water;
An air liquefaction separator that receives air and LNG and generates at least one of oxygen gas and liquefied oxygen from the air by using cold heat generated when the LNG is phase-changed into vaporized NG;
A first heat exchanger which heat-exchanges with the liquefied oxygen or heat-exchanges with the oxygen gas so as to phase change the liquefied oxygen generated from the air liquefaction separation into oxygen gas;
Including a fuel cell stack for supplying the hydrogen gas and the oxygen gas to produce a current,
The air liquefaction separator,
A compressor for compressing the air;
A purifier for purifying compressed air by the compressor;
A second heat exchanger in which the vaporization heat of the LNG and the air purified in the purifier exchange heat;
An expansion valve for adiabatic expansion of the heat-exchanged air to allow oxygen contained in the air to reach a liquefaction temperature;
A separator separating the air passing through the expansion valve into oxygen and nitrogen; And
And a fourth heat exchanger installed between the second heat exchanger and the expansion valve and configured to exchange heat between the oxygen supplied from the separator and the air supplied from the second heat exchanger.
상기 공기액화분리기는,
상기 정제기와 상기 제 2 열교환기 사이에 설치되고 상기 제 4 열교환기로부터 공급된 상기 산소와 상기 정제기로부터 공급된 상기 공기가 열교환하는 제 5 열교환기를 더 포함하는 연료전지시스템.
The method of claim 10,
The air liquefaction separator,
And a fifth heat exchanger installed between the purifier and the second heat exchanger and configured to exchange heat between the oxygen supplied from the fourth heat exchanger and the air supplied from the purifier.
상기 공기액화분리기는,
상기 분리기로부터 분리된 상기 산소를 상기 제 4 열교환기 및 제 5 열교환기 중 적어도 어느 하나에 공급하는 펌프를 더 포함하는 연료전지시스템.
12. The method of claim 11,
The air liquefaction separator,
And a pump for supplying the oxygen separated from the separator to at least one of the fourth heat exchanger and the fifth heat exchanger.
상기 공기액화분리기는,
상기 질소를 저장하는 질소저장부를 더 포함하는 연료전지시스템.
The method according to any one of claims 1, 10 and 11,
The air liquefaction separator,
A fuel cell system further comprising a nitrogen storage unit for storing the nitrogen.
상기 압축기는,
상기 연료전지시스템으로부터 발생한 배기가스, 선박에서 발생되는 스팀 및 선박엔진의 배기가스 중 어느 하나 이상에 의해서 구동되는 연료전지시스템.
The method according to any one of claims 1, 10 and 11,
The compressor includes:
And a fuel cell system driven by at least one of exhaust gas generated from the fuel cell system, steam generated from a ship, and exhaust gas of a ship engine.
상기 압축기는,
상기 연료전지시스템으로부터 발생된 전력에 의해서 구동되는 연료전지시스템.
The method according to any one of claims 1, 10 and 11,
The compressor includes:
And a fuel cell system driven by electric power generated from the fuel cell system.
제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항의 연료 전지 시스템을 포함하고,
상기 저장 탱크에 저장된 상기 물과 해수 중 어느 하나를 전기분해하여 수소를 생성하거나 또는 상기 물과 해수 중 어느 하나를 나트륨과 반응시켜 수소를 생성하여 상기 연료 전지 시스템에 공급하는 것을 특징으로 하는 선박.
A ship having a storage tank for storing water or sea water,
13. A fuel cell system as claimed in any one of claims 1 to 12,
And electrolyze any one of the water and the seawater stored in the storage tank to produce hydrogen, or react one of the water and the seawater with sodium to produce hydrogen and supply it to the fuel cell system.
LNG를 저장하는 LNG 저장 탱크를 더 포함하고,
상기 연료 전지 시스템은,
상기 LNG 저장 탱크로부터 상기 LNG를 공급받아 상기 LNG의 기화 중에 발생하는 냉열을 이용하여 공기로부터 액화산소를 생성하는 것을 특징으로 하는 선박.17. The method of claim 16,
Further comprising an LNG storage tank for storing LNG,
The fuel cell system includes:
Receiving the LNG from the LNG storage tank ship using the heat generated during the vaporization of the LNG liquefied oxygen from the ship, characterized in that.
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