KR101334834B1 - 선박용 연료전지 장치 - Google Patents

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Abstract

선박용 연료전지 장치가 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료전지 장치는 물과 연료의 공급을 위한 연료도입부와, 상기 연료도입부의 물라인과 연료라인으로부터 입수된 물 및 연료를 연료전지 음극(cathode) 배출가스로 가열하여 연료혼합물을 만드는 열교환기와, 해상의 공기의 염분을 공기용해조로 분리 제거하여 염분제거 공기를 만들고, 상기 염분제거 공기의 수분을 제습기로 분리하여 제습처리 공기를 만드는 공기처리부와, 상기 연료혼합물을 이용하여 전력을 생산하고, 상기 연료전지 음극 배출가스와 연료전지 양극(anode) 배출가스를 배출하는 연료전지 스택을 포함한다.

Description

선박용 연료전지 장치{FUEL CELL APPARATUS FOR VESSEL}
본 발명은 선박용 연료전지 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 해상의 다습하고 염도가 높은 공기를 처리하여 사용하는 선박용 연료전지 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 공기와 연료를 공급하여 발전하는 친환경 발전 장치이다.
이 때 필요한 공기는 불순물이 포함되지 않은 청정한 공기여야 한다. 이 공기 속의 산소와 연료로부터 추출한 수소가 반응하여 발전을 하기 때문이다.
예컨대, 발명의 배경이 되는 하기의 특허문헌에 개시된 연료전지 동력 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 구동모터를 갖는 운송수단의 동력을 제공하기 위해 온-보드 연료전지 동력 시스템과 함께 오프-보드 스테이션(1)을 제공하되, 연료 개질기(4)와 연료저장기(5)를 구비한다.
여기서, 오프-보드 스테이션(1)은 연료라인(2)을 통해 탄화수소 연료를 연료 개질기(4)에 공급하고, 물라인(3)을 통해 물을 연료 개질기(4)에 공급한다.
연료 개질기(4)는 탄화수소 연료와 물을 이용하여 수소를 함유한 연료로 변환시키고, 이렇게 변환된 수소 함유 연료는 연료저장기(5)내에 저장 및/또는 운송수단의 연료전지에 공급된다.
아울러, 연료전지에는 산화제로 사용되는 공기가 공급될 수 있다.
그러나, 특허문헌의 연료전지는 지상에서 이동하는 운송수단에 적용하고 있고, 특히 연료전지에 사용할 공기가 다습하고 염도가 높은 상태임을 전혀 고려하지 않고 있으므로 해상에서 사용되는 부유식 구조물 또는 선박에 적용할 수 없는 단점을 갖는다.
즉, 연료전지를 선박 내에 탑재하고 운전을 하게 될 경우, 해상의 다습하고 염도가 높은 공기를 주입시켜 연료전지의 반응을 일으키게 된다. 이 때의 다습하거나 염도가 높은 공기는 연료전지의 화학반응에 필수적인 촉매의 성능을 떨어뜨리거나 유로 내에 결정을 이루어 연료전지의 성능을 떨어뜨리게 된다. 이에 대한 대책이 필요하다.
연료전지 동력 시스템 등록특허공보 제10-0471502호
본 발명의 실시예는 앞서 언급한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 해상의 다습하고 염도가 높은 공기에서 이온 상태의 염분을 제거하고, 연료전지 스택의 작동에 적합한 수분 함유 상태로 공기를 제습함으로써, 염분이 제거되고 제습된 공기를 연료전지에 제공하여 연료전지 스택의 작동 성능을 확보할 수 있는 선박용 연료전지 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 물과 연료의 공급을 위한 연료도입부와, 상기 연료도입부의 물라인과 연료라인으로부터 입수된 물 및 연료를 연료전지 음극(cathode) 배출가스로 가열하여 연료혼합물을 만드는 열교환기와, 해상의 공기의 염분을 공기용해조로 분리 제거하여 염분제거 공기를 만들고, 상기 염분제거 공기의 수분을 제습기로 분리하여 제습처리 공기를 만드는 공기처리부와, 상기 연료혼합물을 이용하여 전력을 생산하고, 상기 연료전지 음극 배출가스와 연료전지 양극(anode) 배출가스를 배출하는 연료전지 스택을 포함하는 선박용 연료전지 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 공기처리부로부터 공급받은 상기 제습처리 공기를 가열하고, 가열된 제습처리 공기를 만들어 상기 연료전지 스택에 공급하는 공기히팅부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 공기처리부는, 다습하고 염분이 많은 해상의 공기와 청수간 접촉을 통해 해상의 공기 중 염분이 청수에 용해 및 분리되게 상기 청수를 저장하는 공기용해조와, 상기 공기용해조로부터 나온 염분제거 공기를 제습처리하여 제습처리 공기로 변환시키는 복수개의 제습기와, 상기 공기용해조와 상기 제습기의 경로가 되는 유체배관라인을 포함할 수 있다.
또한, 상기 유체배관라인은, 상기 공기용해조의 상부에 관통하게 설치되어 염분제거 공기 이동 경로가 되는 용해조공기배출라인과, 상기 용해조공기배출라인에서 분기되어 각각 제 1 제습기와 제 2 제습기를 경유하는 병렬구조의 제습기처리라인과, 상기 제습기처리라인의 종단에 관통하게 합류되어 제습처리 공기의 이동 경로가 되는 제습기공기배출라인과, 상기 제 1 제습기와 상기 제 2 제습기 쪽으로 공급될 제습기 열원의 분기 경로가 되는 제습기 열원 분기라인을 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예는 상기 제습기 열원 분기라인으로 공급되는 제습기 열원으로, 상기 연료전지 스택에서 발생하는 연료전지 음극 배출가스에 의한 제습기 열원과 연료전지 양극 배출가스에 의한 제습기 열원 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
또한, 상기 공기처리부는, 상기 연료전지 양극 배출가스를 사용하여 상기 제습기의 수분 방출 작동을 위해 필요한 제습기 열원을 생성시키는 촉매연소기와, 상기 촉매연소기에 의해 생성된 제습기 열원 또는 연료전지 스택에서 배출되는 고온의 연료전지 음극 배출가스에 의한 제습기 열원 중 어느 하나 이상을 공급받아 제습기 열원 분기라인의 분기점 쪽으로 공급하도록, 상기 제습기 열원 분기라인의 분기점과 촉매연소기의 출구 사이에 배관된 제습기 열원 공급라인을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제습기 열원 공급라인에서, 제습기 열원 중 하나에 해당하는 연료전지 음극 배출가스를 공급받기 위한 음극 배출가스 공급라인이 합류하는 지점과 상기 촉매연소기의 출구 사이에는, 상기 촉매연소기에서 생성된 제습기 열원과 상기 음극 배출가스 공급라인의 상기 제습기 열원 중 어느 하나 이상을 선택적으로 공급하도록 개폐되는 선택밸브가 더 마련될 수 있다.
또한, 상기 공기용해조에는, 상기 해상의 공기가 상기 공기용해조로 유입되는 경로가 되고, 상기 공기용해조 내부의 청수의 수면보다 아래에 위치하도록 상기 공기용해조의 저부에 배관된 공기주입라인과, 상기 청수가 청수 외부 공급원으로부터 상기 공기용해조로 유입되는 경로가 되는 청수유입라인과, 상기 공기용해조에서 사용이 끝난 청수를 배출시키도록 청수가 배출되는 경로가 되는 청수배수라인과, 상기 공기주입라인에 설치된 역류 방지용 체크변 및 공기 펌프가 포함될 수 있다.
또한, 상기 제습기는, 각각 실리카겔 또는 염화칼슘을 저장한 반응기 구조물과, 상기 제습기 중 어느 하나와 다른 하나를 선택적 사용하도록 수분 처리량 한계를 계측하고, 상기 반응기 구조물의 내부에 설치된 센서와, 상기 반응기 구조물의 하부에 설치된 수분을 배출용 드레인을 포함할 수 있다.
또한, 상기 센서에 전기 회로적으로 결합되고, 상기 제습기에 대한 제습 작동과 수분 방출 작동을 제어하는 제습기제어기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제습기는, 상기 드레인과 상기 공기용해조에 사이에 연결된 수분재이용라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 공기용해조의 내부에는, 상기 공기용해조의 하부와 상부 사이에 지그재그 격판 구조의 내부구조물이 더 마련될 수 있다.
또한, 상기 공기용해조는, 상기 공기용해조의 공기주입라인과 상기 공기히팅부의 전방측 제습기공기배출라인의 사이에 설치된 공기바이패스라인과, 상기 공기바이패스라인에 설치된 바이패스 유동제어용 제 1 개폐밸브와, 상기 제습기가 설치된 제습기처리라인의 종단측 제 1 합류 지점과 상기 공기바이패스라인이 상기 제습기공기배출라인에 합류되는 제 2 합류 지점 사이를 기준으로 상기 제습기공기배출라인에 설치된 바이패스 유동제어용 제 2 개폐밸브를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 공기 중 염분을 제거하기 위해 공기용해조를 사용함에 따라, 소형의 필터를 다량으로 사용할 필요가 없고, 필터 교체와 같은 잦은 유지보수가 없어 경제성을 갖는 공기처리부를 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 공기용해조를 나온 염분제거 공기를 제습기에 의해 제습처리 공기로 변환시키되, 복수개의 제습기 및 제습기처리라인을 병렬구조로 구성하여 제습기 중 어느 하나를 선택적 또는 순차적으로 사용함으로써, 제습처리를 연속적으로 수행할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 연료전지 스택에서 배출되는 연료전지 양극 배출가스를 촉매연소기에 사용하여 제습기에 사용할 제습기 열원을 마련하거나, 연료전지 스택에서 배출되는 연료전지 음극 배출가스를 제습기 쪽으로 공급하여 제습기 열원으로 사용함으로써, 제습기의 사용 이후 습기 방출을 원활하게 수행할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 복수개의 제습기에 드레인(drain)을 구비시키고, 드레인으로부터 연장된 수분재이용라인을 공기용해조에 연결하여, 제습기로부터 배출되는 수분을 염분 제거에 재활용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 공기바이패스라인을 구비하여, 공기에서 염분을 제거하고 제습할 필요가 없는 지역에서는 외부 해상의 공기를 공기용해조를 경유하지 않고 곧바로 공기히팅부에 공급하여, 염분 및 제습이 필요하지 않을 때 효율적으로 장치를 운용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 공기용해조에 지그재그 격판 구조의 내부구조물을 구비하여, 다습하고 염분이 많은 해상의 공기와 공기용해조 내부의 청수간 접촉 시간을 상대적으로 길게 가져가도록 함으로써, 해상의 공기 중 염분이 청수에 효율적으로 용해 및 분리 제거될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 동력 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 선박용 연료전지 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 공기처리부의 세부 구성을 보인 블록도이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공기처리부의 세부 구성을 보인 블록도이다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 공기처리부의 세부 구성을 보인 블록도이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 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 생략하고, 실시예간 유사구성이나 동일구성에 있어서는 유사하거나 도면부호를 사용할 수 있다.
제 1 실시예
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 선박용 연료전지 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 선박용 연료전지 장치는 연료도입부(100), 열교환기(200), 연료전지 스택(300), 공기처리부(400), 공기히팅부(500)를 포함할 수 있다.
선박용 연료전지 장치는 육지와 바다를 운항하는 선박이나 해양에 장시간 계류하는 부유식 해상구조물 등에 설치될 수 있다.
연료도입부(100)는 선박용 연료전지 장치에 물과 연료를 공급하는 역할을 담당할 수 있다. 이를 위해, 연료도입부(100)와 열교환기(200)의 사이에는 물라인(110)과 연료라인(120)을 각각 구비하고 있을 수 있다.
열교환기(200)는 연료도입부(100)의 물라인(110)과 연료라인(120)으로부터 입수된 물 및 연료를 연료전지 음극(cathode) 배출가스로 가열하여 열교환시키는 역할을 담당할 수 있다.
물라인(110)의 물과 연료라인(120)의 연료는 열교환기(200)에 의해 가열되어 각각 수증기와 연료가스의 혼합물 형태의 연료혼합물로 기화될 수 있다.
연료혼합물은 열교환기(200)와 연료전지 스택(300)의 사이에 배관된 연료혼합물공급라인(112)이 마련되어 있을 수 있다.
연료전지 스택(300)은 열교환기(200)를 경유하여 만들어진 연료혼합물을 이용하여 전력을 생산할 수 있되, 전력 생산시 이용하기 위해, 공기히팅부(500)를 경유하여 만들어진 가열된 제습처리 공기를 공급받을 수 있고, 연료전지 음극 배출가스와 연료전지 양극(anode) 배출가스를 배출하는 역할을 담당할 수 있다.
여기서, 연료전지 음극 배출가스는 고온 상태이고, 연료전지 양극 배출가스는 연료전지 음극 배출가스에 비해 상대적으로 저온 상태일 수 있다.
연료전지 스택(300)의 배출쪽 단부에는 연료전지 음극 배출가스의 공급 경로가 되는 음극라인(310)과, 연료전지 양극 배출가스의 공급 경로가 되는 양극라인(320)이 배관되어 있을 수 있다.
여기서, 음극라인(310)은 음극라인(310)의 분기점에 연결되어 열교환기(200)의 유입 단부까지 연장 및 연결된 열교환기 연결라인(311)과, 음극라인(310)의 분기기점으로부터 공기처리부(400)의 제습기 열원 공급라인(457)까지 연장 및 연결된 음극 배출가스 공급라인(312)을 포함할 수 있다.
또한, 양극라인(320)은 양극라인(320)의 분기점에 연결되어 연료전지 스택(300)의 유입 단부까지 연장 및 연결된 재순환라인(321)과, 양극라인(320)의 분기점으로부터 공기처리부(400)의 촉매연소기의 유입 단부까지 연장 및 연결된 양극 배출가스 공급라인(322)을 포함할 수 있다.
특히, 공기처리부(400)는 연료전지 스택(300)에 사용할 해상의 공기의 염분을 공기용해조로 분리 제거하여 염분제거 공기를 만들고, 염분제거 공기의 수분을 제습기로 분리하여 공기히팅부(500)의 입력 조건에 상응한 수분 상태의 제습처리 공기를 만드는 역할을 담당할 수 있다.
즉, 공기처리부(400)는 공기용해조를 사용하기 때문에, 해상의 공기가 공기용해조를 경유하면서 공기히팅부(500) 또는 연료전지 스택(300)의 작동에 적합한 수분 함유 상태보다 더 많은 수분을 함유할 수 있는데, 이를 방지하기 위하여 제습기로 염분제거 공기의 수분을 분리하여 적절한 수분 함유 상태를 만들 수 있다.
그 결과, 공기처리부(400)는 하기의 도 3을 통해 설명할 상세히 설명할 구성 및 작용에 의해, 해상의 공기를 공기용해조에 의해 염분제거 공기로 만들고, 그 염분제거 공기를 제습기에 의해 제습처리 공기로 만들어 제습기공기배출라인(456)을 통해 공기히팅부(500)로 공급시킬 수 있다.
또한, 공기히팅부(500)는 공기처리부(400)로부터 공급받은 제습처리 공기를 가열하고, 가열된 제습처리 공기를 만들어 연료전지 스택(300)에 공급하는 역할을 담당할 수 있다.
여기서, 공기히팅부(500)는 연료전지 스택(300)으로 유입되는 제습처리 공기의 온도를 미리 설정된 온도(약 400℃)로 유지하도록 외부 열원(미 도시)과 열교환하는 공기-외부 열원 열교환기 형태로 제작되어 있거나, 전기열을 이용한 공기히터 형태로 제작되어 있을 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 공기처리부의 세부 구성을 보인 블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 공기처리부(400)는 공기용해조(410), 제 1 제습기(420), 제 2 제습기(430), 촉매연소기(440), 유체배관라인(450)을 포함할 수 있다.
공기용해조(410)는 밀폐 용기 구조의 내부에 공급 또는 회수 가능하게 청수를 저장하고, 다습하고 염분이 많은 해상의 공기와 청수간 접촉을 통해 해상의 공기 중 염분이 청수에 용해 및 분리되게 하는 역할을 담당할 수 있다.
여기서, 공기용해조(410)에는 해상의 공기가 공기용해조(410)로 유입되는 경로가 되는 공기주입라인(411)과, 청수 외부 공급원으로부터 청수가 공기용해조(410)로 유입되는 경로가 되는 청수유입라인(412)과, 공기용해조(410)에서 사용이 끝난 청수를 배출시키도록 청수가 배출되는 경로가 되는 청수배수라인(413)이 배관되어 있을 수 있다.
공기주입라인(411)은 공기용해조(410)의 저부에 배관되어, 공기용해조(410)의 청수의 수면보다 아래에 위치됨에 따라, 해상의 공기가 기포 상태로 공기용해조(410)의 내부로 유입될 수 있다.
여기서, 공기주입라인(411)에는 해상의 공기 공급을 제어하기 위한 개폐밸브(414)가 마련되어 있을 수 있다.
또한, 공기주입라인(411)에는 역류 방지용 체크변(415)과, 공기 펌프(416)가 설치되어 있다.
해상의 공기는 공기 펌프(416)의 펌프압을 이용하여 공기용해조(410)의 청수 압력을 이겨내어 공기용해조(410)의 내부로 유입될 수 있고, 체크변(415)에 의해 공기용해조(410)의 청수가 공기주입라인(411) 또는 공기 펌프(416) 쪽으로 역류 되는 것을 방지할 수 있다.
제 1 제습기(420) 및 제 2 제습기(430)는 공기용해조(410)로부터 나온 염분제거 공기를 제습처리하여 제습처리 공기로 변환시키는 역할을 담당할 수 있다.
제 1 제습기(420) 및 제 2 제습기(430)는 각각 실리카겔 또는 염화칼슘을 저장한 반응기 구조물과, 제 1 제습기(420) 및 제 2 제습기(430)의 선택적 사용을 위한 수분 처리량 한계를 계측하기 위한 반응기 구조물의 내부에 설치된 센서(미 도시)와, 상기 센서와 전기 회로적으로 결합되고, 제 1 제습기(420) 및 제 2 제습기(430)에 대한 제습 작동과 수분 방출 작동을 제어하도록 단수 또는 복수로 구성될 수 있는 제습기제어기(425)를 포함할 수 있다.
제습기제어기(425)는 제 1 제습기(420) 및 제 2 제습기(430)의 내부 또는 외부에 설치되어 있을 수 있다.
공기용해조(410)로부터 나온 염분제거 공기는 제 1 제습기(420) 및 제 2 제습기(430)를 경유하고, 염분제거 공기의 수분이 실리카겔이나 염화칼슘에 의해 흡수될 수 있다.
여기서, 실리카겔의 경우, 저온에서는 물 또는 수분을 흡수하지만 150℃ ~ 200℃에서는 다시 흡수한 수분을 배출하게 된다.
제 1 제습기(420) 및 제 2 제습기(430)는 병렬구조로 제습기처리라인(451, 452)에 배관되어 있을 수 있고, 제 1, 제 2 제습기(420, 430)용 반응기 구조물의 하부에 설치된 각각 수분 배출용 드레인(421, 431)을 가질 수 있다.
제습기제어기(425)는 제 1 제습기(420), 제 2 제습기(430) 중 어느 하나를 제습 작동으로 가동시킬 때, 다른 하나를 수분 방출 작동으로 가동시킬 수 있게 구성되어 있고, 제습기제어기(425)에 마련된 밸브제어모듈을 통해 제습 작동과 수분 방출 작동에 상응하게 제습기처리라인(451, 452)의 제어밸브(460 ~ 463) 및 제습기 열원 분기라인(453, 454)의 제어밸브(464, 465)의 개폐 또는 개폐량을 제어하거나, 본 실시예들에서 언급한 각종 밸브의 개폐를 제어할 수 있도록 구성되어 있다.
여기서, 제습기 열원 분기라인(453, 454)은 제 1 제습기(420)와 제 2 제습기(430) 쪽으로 공급될 제습기 열원의 분기 경로로서 유체배관라인(450)에 포함될 수 있다.
제 1 제습기(420) 및 제 2 제습기(430)는 제습기제어기(425)의 제어에 대응하여 선택적 또는 순차적으로 제습 작동과 수분 방출 작동을 수행함에 따라, 결과적으로는 제습처리가 연속적으로 수행 및 이루어질 수 있게 된다.
즉, 제 1 제습기(420)는 제습 작동시 제 1 제습기(420)의 실리카겔에 의해 공기용해조(410)로부터 나온 염분제거 공기에서 수분을 분리하게 된다.
이후, 제 1 제습기(420)가 처리할 수 있는 수분 처리량이 한계에 도달하는 경우, 제습기제어기(425)에 의해 제 1 제습기(420)의 제습 작동이 멈추는 대신 제 1 제습기(420)의 수분 방출 작동이 시작될 수 있다.
이와 동시에, 제습기제어기(425)는 제 2 제습기(430)의 제습 작동을 시작시키도록 되어 있다.
또한, 제 2 제습기(430)가 처리할 수 있는 수분 처리량이 한계에 도달하는 경우, 역시 제습기제어기(425)에 의해 제 2 제습기(430)의 제습 작동이 멈추는 대신 제 2 제습기(430)의 수분 방출 작동이 시작될 수 있다.
이와 같은 제 1 제습기(420) 및 제 2 제습기(430) 중 어느 하나를 통해 제습처리가 이루어짐에 따라 만들어진 제습처리 공기는 앞서 설명한 바와 같이 공기히팅부 쪽으로 공급될 수 있다.
아울러, 제 1 제습기(420)와 제 2 제습기(430)의 수분 방출 작동을 위해 필요한 제습기 열원은 연료전지 양극 배출가스로 생성하는 촉매연소기(440)에 의해 마련하거나, 연료전지 스택에서 배출되는 고온의 연료전지 음극 배출가스를 공급받아 마련할 수 있다.
촉매연소기(440)는 기본적으로 하우징과 연소용 촉매를 포함할 수 있다. 여기서, 연소용 촉매는 금속 하니콤이나 세라믹 하이콤 캐리어 상에 수반된 팔라티늄 또는 다른 귀금속을 포함하는 공지된 촉매일 수 있다.
촉매연소기(440)는 양극 배출가스 공급라인(322)을 통해 공급받은 연료전지 양극 배출가스와, 촉매연소기(440)의 하우징 내부에 마련된 연소용 촉매간의 반응을 통해 온도 150℃ ~ 200℃의 제습기 열원을 생성하여 제습기 열원 공급라인(457) 쪽으로 공급하는 역할을 담당할 수 있다.
제습기 열원 중 하나에 해당하는 연료전지 음극 배출가스를 공급받기 위한 음극 배출가스 공급라인(312)이 합류하는 지점과 촉매연소기(440)의 출구 사이의 제습기 열원 공급라인(457)에는 촉매연소기(440)의 제습기 열원과 음극 배출가스 공급라인(312)의 제습기 열원 중 어느 하나 이상을 선택적으로 공급하도록 개폐되는 선택밸브(441)가 더 마련되어 있을 수 있다.
유체배관라인(450)은 공기용해조(410), 제 1, 제 2 제습기(420, 430) 및 촉매연소기(440)의 경로가 되는 역할을 담당할 수 있다.
예컨대, 유체배관라인(450)은 공기용해조(410)의 상부에 관통하게 설치되어 염분제거 공기 이동 경로가 되는 용해조공기배출라인(455)과, 용해조공기배출라인(455)에서 분기되어 각각 제 1 제습기(420)와 제 2 제습기(430)를 경유하는 병렬구조의 제습기처리라인(451, 452)과, 제습기처리라인(451, 452)의 종단에 관통하게 합류되어 제습처리 공기의 이동 경로가 되는 제습기공기배출라인(456)을 포함할 수 있다.
또한, 유체배관라인(450)에는 촉매연소기(440)의 출구와 제습기 열원 분기라인(453, 454)의 분기점(C3) 사이에 배관된 제습기 열원 공급라인(457)이 포함될 수 있다.
제습기 열원 공급라인(457)은 촉매연소기(440)에서 생성되어 제 1 제습기(420)와 제 2 제습기(430) 쪽으로 공급될 제습기 열원의 경로가 될 수 있다.
또한, 제습기 열원 공급라인(457)은 연료전지 스택에서 배출되는 고온의 연료전지 음극 배출가스에 의한 제습기 열원의 경로가 될 수 있다.
즉, 제습기 열원 공급라인(457)은 연료전지 양극 배출가스를 이용한 촉매연소기(440)의 제습기 열원 또는 연료전지 스택에서 배출되는 고온의 연료전지 음극 배출가스에 의한 제습기 열원 중 어느 하나 이상을 공급받아 제습기 열원 분기라인(453, 454)의 분기점(C3) 쪽으로 제습기 열원을 공급하는 역할을 담당할 수 있다.
이하, 공기처리부(400)의 작동 방법에 대하여 상세히 설명하고자 한다.
도 3을 참조하면, 제습기제어기(425)는 제습기 열원 분기라인(453, 454)의 제어밸브(464, 465)를 모두 폐쇄시켜서, 연료전지 양극 배출가스를 이용한 촉매연소기(440)의 제습기 열원, 또는 연료전지 스택에서 배출되는 고온의 연료전지 음극 배출가스에 의한 제습기 열원이 제 1 제습기(420) 또는 제 2 제습기(430) 쪽으로 공급되지 않도록 차단할 수 있다.
다습하고 염분이 많은 해상의 공기는 공기주입라인(411)을 통해 공기용해조(410)의 내부로 유입되고, 공기용해조(410)의 청수와 접촉한다.
공기용해조(410)의 내부에서는 해상의 공기와 청수간 접촉을 통해 해상의 공기 중 염분이 청수에 용해 및 분리되게 된다.
공기용해조(410)에서 사용이 끝난 청수는 청수배수라인(413)을 통해 배출될 수 있다. 또한, 청수유입라인(412)을 통해 새로운 청수가 공기용해조(410)에 유입 또는 보충될 수 있다.
공기용해조(410)에 의해 염분이 제거된 염분제거 공기는 용해조공기배출라인(455)을 통해 유동할 수 있다.
이때, 제습기제어기(425)에 의해, 제 1 제습기(420) 쪽 제습기처리라인(451)은 해당 제어밸브(460, 461)의 밸브개방에 의해 염분제거 공기를 공급받을 수 있는 반면, 제 2 제습기(430) 쪽 제습기처리라인(452)은 해당 제어밸브(462, 463)의 밸브폐쇄에 의해 염분제거 공기를 공급받지 못할 수 있다.
따라서, 염분제거 공기는 용해조공기배출라인(455)과 제 1 제습기(420) 쪽 제습기처리라인(451)을 통해 제 1 제습기(420)에 유입될 수 있다.
제 1 제습기(420)는 제습기제어기(425)에 의해 제습 작동을 시작하여 제 1 제습기(420)의 실리카겔에 의해 공기용해조(410)로부터 나온 염분제거 공기에서 수분을 분리하게 된다
이렇게 제 1 제습기(420)에 의한 제습처리 공기는 제습기공기배출라인(456)을 통해 앞서 설명한 바와 같이 공기히팅부 쪽으로 공급되어 연료전지 스택에 사용될 수 있다.
이후, 제 1 제습기(420)가 처리할 수 있는 수분 처리량이 한계에 도달할 수 있다.
이런 경우, 제습기제어기(425)는 제 1 제습기(420)의 제습 작동을 정지시키는 대신 제 2 제습기(430)의 제습 작동을 시작시킨다.
즉, 제습기제어기(425)는 제 1 제습기(420)의 제습 작동을 정지시키기 위하여 제 1 제습기(420) 쪽 제습기처리라인(451)의 해당 제어밸브(460, 461)를 밸브개방에서 밸브폐쇄로 스위칭하는 대신, 제 2 제습기(430)의 제습 작동을 시작시키기 위하여 제 2 제습기(430) 쪽 제습기처리라인(452)의 해당 제어밸브(462, 463)을 밸브폐쇄에서 밸브개방으로 스위칭시킬 수 있다.
이와 동시에, 제습기제어기(425)는 제 1 제습기(420)의 정지된 제습 작동을 수분 방출 작동으로 전환한다.
이때, 제습기제어기(425)는 음극 배출가스 공급라인(312)의 개폐밸브 또는 제습기 열원 공급라인(457)의 선택밸브(441)를 어느 하나 이상을 개폐하여, 제습기 열원이 제습기 열원 공급라인(457)에 공급될 수 있도록 할 수 있다.
또한, 제 1 제습기(420)의 수분 방출 작동을 위해, 제습기제어기(425)는 제습기 열원 공급라인(457)에서 분기된 제 1 제습기(420) 쪽 제습기 열원 분기라인(453)의 제어밸브(464)를 밸브폐쇄에서 밸브개방으로 스위칭시키고, 이와 함께, 제습기 열원 공급라인(457)에서 분기된 제 2 제습기(430) 쪽 제습기 열원 분기라인(454)의 제어밸브(465)를 계속 밸브폐쇄로 유지하여, 제습기 열원이 제 1 제습기(420) 쪽으로만 공급되게, 즉 선택적으로 공급되게 할 수 있다.
이에 따라, 제 1 제습기(420)는 온도 150℃ ~ 200℃의 제습기 열원으로 실리카겔에 흡수된 수분을 방출시킨 후, 제 1 제습기(420)의 드레인(421)을 통해 수분을 분리시킬 수 있다.
결국, 제 1 제습기(420)는 재 제습 작동이 가능한 상태로 재생될 수 있다.
제 1 제습기(420)의 수분 방출 작동이 끝날 경우, 제습기제어기(425)는 제 1 제습기(420) 쪽 제습기 열원 분기라인(453)의 제어밸브(464)를 밸브개방에서 밸브폐쇄으로 스위칭시켜서, 더 이상 제습기 열원이 제 1 제습기(420) 쪽으로 공급되지 않게 한다.
한편, 제 2 제습기(430)의 제습 작동을 살펴보면, 상기와 같이 제 2 제습기(430) 쪽 제습기처리라인(452)의 해당 제어밸브(462, 463)가 밸브폐쇄에서 밸브개방으로 스위칭되었으므로, 염분제거 공기는 제 1 제습기(420) 쪽으로 공급되지 못하고, 용해조공기배출라인(455)과 제 2 제습기(430) 쪽 제습기처리라인(452)을 통해 제 2 제습기(430) 쪽으로 공급될 수 있다.
제 2 제습기(430)의 실리카겔에 의해, 제 2 제습기(430)는 염분제거 공기에서 수분을 분리하게 된다.
이에 따라, 염분제거 공기는 제 2 제습기(430)를 경유하여 연속적으로 제습처리 공기로 될 수 있다.
이렇게 제 2 제습기(430)에 의한 제습처리 공기는 역시 제습기공기배출라인(456)을 통해 앞서 설명한 바와 같이 공기히팅부 쪽으로 공급되어 연료전지 스택에 사용될 수 있다.
또한, 제 2 제습기(430)도 처리할 수 있는 수분 처리량이 한계에 도달할 수 있다.
이런 경우, 제습기제어기(425)는 제 2 제습기(430)의 제습 작동을 정지시키는 대신 제 1 제습기(420)의 제습 작동을 재 시작시킨다.
즉, 제습기제어기(425)는 제 2 제습기(430)의 제습 작동을 정지시키기 위하여 제 2 제습기(430) 쪽 제습기처리라인(452)의 해당 제어밸브(462, 463)를 밸브개방에서 밸브폐쇄로 스위칭하는 대신, 제 1 제습기(420)의 재 제습 작동을 시작시키기 위하여 제 1 제습기(420) 쪽 제습기처리라인(451)의 해당 제어밸브(460, 461)을 밸브폐쇄에서 밸브개방으로 스위칭시킬 수 있다.
이와 동시에, 제습기제어기(425)는 제 2 제습기(430)의 정지된 제습 작동을 수분 방출 작동으로 전환한다.
즉, 제 2 제습기(430)의 수분 방출 작동을 위해, 제습기제어기(425)는 제 2 제습기(430) 쪽 제습기 열원 분기라인(454)의 제어밸브(465)를 밸브폐쇄에서 밸브개방으로 스위칭시키고, 제 1 제습기(420) 쪽 제습기 열원 분기라인(453)의 제어밸브(464)를 계속 밸브폐쇄로 유지하여, 제습기 열원이 제 2 제습기(430) 쪽으로만 공급되게 한다.
이에 따라, 제 2 제습기(423)는 온도 150℃ ~ 200℃의 제습기 열원으로 실리카겔에 흡수된 수분을 방출시킨 후, 제 2 제습기(430)의 드레인(431)을 통해 수분을 분리시킬 수 있다.
결국, 제 2 제습기(430)는 재 제습 작동이 가능한 상태로 재생될 수 있다.
이와 같이, 본 실시예의 제 1, 2 제습기(420, 430)에 따르면, 선택적 또는 순차적으로 제 1, 2 제습기(420, 430) 중 어느 하나가 제습 작동을 할 때, 다른 하나가 수분 방출 작동을 하여 재 재습 작동이 가능한 상태로 재생되는 것이 반복적으로 이루어져, 결국은 연속적으로 염분제거 공기는 제습처리 공기로 될 수 있다.
제 2 실시예
이 실시예에서 설명하는 본 발명의 선박용 연료전지 장치는 제습기의 드레인과 공기용해조에 사이에 연결된 수분재이용라인을 더 포함하고 있는 것을 제외하고는 제 1 실시예와 동일할 수 있다. 그러므로, 도 2 내지 도 4에서 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일하거나 유사한 도면부호가 부여될 것이며, 이것들에 대한 설명은 여기에서 생략될 것이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공기처리부의 세부 구성을 보인 블록도이다.
도 4를 참조하면, 제 2 실시예에 따른 공기처리부(400a)에서, 제 1 제습기(420) 및 제 2 제습기(430)에는 염분제거 공기로부터 분리한 수분을 배출하기 위한 드레인(421, 431)이 구비되어 있다.
수분은 제 1 제습기(420) 또는 제 2 제습기(430)의 수분 방출 작동시에 생성될 수 있다.
이런 수분을 재활용 또는 재이용하기 위하여, 각 드레인(421, 431)과 공기용해조(410)의 사이에는 수분재이용라인(480, 481)이 배관 또는 관통하게 연결되어 있을 수 있다.
제 1 제습기(420) 및 제 2 제습기(430)에서 수분 방출 작동시 생성된 수분은 드레인(421, 431)과 수분재이용라인(480, 481)을 통해 공기용해조(410)의 내부에 유입되어 공기용해조(410)의 청수 사용량에 보충될 수 있고, 염분 제거에 재활용할 수 있으므로, 청수 사용 효율을 높일 수 있다.
제 3 실시예
이 실시예에서 설명하는 본 발명의 선박용 연료전지 장치는 공기용해조에 지그재그 격판 구조의 내부구조물을 더 포함하고 있는 것을 제외하고는 제 1 실시예 또는 제 2 실시예와 동일할 수 있다. 그러므로, 도 2 내지 도 5에서 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일하거나 유사한 도면부호가 부여될 것이며, 이것들에 대한 설명은 여기에서 생략될 것이다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 공기처리부의 세부 구성을 보인 블록도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제 3 실시예에 따른 공기처리부(400b)에서, 공기용해조(410)의 내부에는 공기용해조(410)의 하부와 상부 사이에 지그재그 격판 구조의 내부구조물(490)이 마련되어 있을 수 있다.
내부구조물(490)의 각각의 격판은 공기용해조(410)의 가로 방향 단면적보다 작은 단면적을 가질 수 있다.
예컨대, 공기용해조(410)에 마련된 내부구조물(490)의 각각의 격판은 일측 부위가 절단되어 통로(491, 492, 493)를 갖는 평판 형상으로 형성되어 있을 수 있다.
내부구조물(490)은 공기용해조(410)에 저장된 청수에 잠길 수 있도록 공기용해조(410)의 내측 하부쪽에 설치될 수 있다.
지그재그 격판 구조란, 내부구조물(490)의 격판(490)이 공기용해조(410)의 상하 방향을 따라 이격 간격을 유지하면서, 내부구조물(490)의 격판(490)의 통로(491, 492, 493)가 공기용해조(410)의 좌우에 지그재그와 같이 배치된 구조를 의미할 수 있다.
이런 지그재그 격판 구조의 내부구조물(490)에 의해서, 다습하고 염분이 많은 해상의 공기는 공기용해조(410)에 유입 이후, 격판(490)과 통로(491, 492, 493)를 따라 공기용해조(410)의 하부에서 상부로 'S'자의 형태로 유동함에 따라, 제 1 실시예에 비해 해상의 공기와 공기용해조 내부의 청수간 접촉 시간을 상대적으로 길게 가져가도록 함으로써, 해상의 공기 중 염분 또는 염분 이온이 청수에 효율적으로 용해 및 분리 제거될 수 있다.
또한, 공기용해조(410)는 해상의 공기 또는 장치 유입 공기가 공기용해조(410)와 제 1, 제 2 제습기(420, 430)를 통과하지 않고 공기히팅부에 곧바로 공급되도록, 공기용해조(410)의 공기주입라인(411)과 공기히팅부의 전방측 제습기공기배출라인(456)의 사이에 설치된 공기바이패스라인(417)을 포함할 수 있다.
공기용해조(410)는 공기바이패스라인(417)에 설치된 바이패스 유동제어용 제 1 개폐밸브(418)를 포함할 수 있다.
공기용해조(410)는 제 1, 제 2 제습기(420, 430)가 설치된 제습기처리라인(451, 452)의 종단측 제 1 합류 지점(C1)과, 공기바이패스라인(417)이 제습기공기배출라인(456)에 합류되는 제 2 합류 지점(C2) 사이를 기준으로 제습기공기배출라인(456)에 설치된 바이패스 유동제어용 제 2 개폐밸브(419)를 포함할 수 있다.
선박용 연료전지 장치가 탑재된 선박이 육지에 장시간 정박하는 경우 공기 중에 염분 함유량이 해상에 있을 때보다 매우 미미할 수 있고, 또한 선박용 연료전지 장치의 고정 또는 사고 발생 혹은 유지 보수가 요구될 때, 앞서 언급한 해상의 공기와 같은 장치 유입 공기중에서 염분을 제거하지 못하는 상황이나, 염분을 제거할 필요가 없는 경우가 있을 수 있다.
이런 경우, 제습기제어기(425)는 공기주입라인(411)의 개폐밸브(414)와, 바이패스 유동제어용 제 2 개폐밸브(419)를 폐쇄시키는 대신, 바이패스 유동제어용 제 1 개폐밸브(418)를 개방시킬 수 있다.
이런 경우, 해상의 공기 또는 장치 유입 공기는 공기바이패스라인(414)을 통해 제습기공기배출라인(456) 쪽으로 곧바로 유입되어 불필요한 장치 사용에 따른 에너지를 줄일 수 있게 된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 기실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안되며, 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
100 : 연료도입부 200 : 열교환기
300 : 연료전지 스택 400, 400a, 400b : 공기처리부
410 : 공기용해조 420, 430 : 제 1, 제 2 제습기
440 : 촉매연소기 500 : 공기히팅부

Claims (13)

  1. 물과 연료의 공급을 위한 연료도입부와,
    상기 연료도입부의 물라인과 연료라인으로부터 입수된 물 및 연료를 연료전지 음극(cathode) 배출가스로 가열하여 연료혼합물을 만드는 열교환기와,
    해상의 공기의 염분을 공기용해조로 분리 제거하여 염분제거 공기를 만들고, 상기 염분제거 공기의 수분을 제습기로 분리하여 제습처리 공기를 만드는 공기처리부와,
    상기 연료혼합물을 이용하여 전력을 생산하고, 상기 연료전지 음극 배출가스와 연료전지 양극(anode) 배출가스를 배출하는 연료전지 스택을 포함하는 선박용 연료전지 장치에 있어서,
    상기 공기처리부로부터 공급받은 상기 제습처리 공기를 가열하고, 가열된 제습처리 공기를 만들어 상기 연료전지 스택에 공급하는 공기히팅부를 포함하는
    선박용 연료전지 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기처리부는,
    다습하고 염분이 많은 해상의 공기와 청수간 접촉을 통해 해상의 공기 중 염분이 청수에 용해 및 분리되게 상기 청수를 저장하는 공기용해조와,
    상기 공기용해조로부터 나온 염분제거 공기를 제습처리하여 제습처리 공기로 변환시키는 복수개의 제습기와,
    상기 공기용해조와 상기 제습기의 경로가 되는 유체배관라인을 포함하는
    선박용 연료전지 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유체배관라인은,
    상기 공기용해조의 상부에 관통하게 설치되어 염분제거 공기 이동 경로가 되는 용해조공기배출라인과,
    상기 용해조공기배출라인에서 분기되어 각각 제 1 제습기와 제 2 제습기를 경유하는 병렬구조의 제습기처리라인과,
    상기 제습기처리라인의 종단에 관통하게 합류되어 제습처리 공기의 이동 경로가 되는 제습기공기배출라인과,
    상기 제 1 제습기와 상기 제 2 제습기 쪽으로 공급될 제습기 열원의 분기 경로가 되는 제습기 열원 분기라인을 포함하는
    선박용 연료전지 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제습기 열원 분기라인으로 공급되는 제습기 열원으로, 상기 연료전지 스택에서 발생하는 연료전지 음극 배출가스에 의한 제습기 열원과 연료전지 양극 배출가스에 의한 제습기 열원 중 어느 하나 이상을 사용하는
    선박용 연료전지 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 공기처리부는,
    상기 연료전지 양극 배출가스를 사용하여 상기 제습기의 수분 방출 작동을 위해 필요한 제습기 열원을 생성시키는 촉매연소기와,
    상기 촉매연소기에 의해 생성된 제습기 열원 또는 연료전지 스택에서 배출되는 고온의 연료전지 음극 배출가스에 의한 제습기 열원 중 어느 하나 이상을 공급받아 제습기 열원 분기라인의 분기점 쪽으로 공급하도록, 상기 제습기 열원 분기라인의 분기점과 촉매연소기의 출구 사이에 배관된 제습기 열원 공급라인을 포함하는
    선박용 연료전지 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제습기 열원 공급라인에서, 제습기 열원 중 하나에 해당하는 연료전지 음극 배출가스를 공급받기 위한 음극 배출가스 공급라인이 합류하는 지점과 상기 촉매연소기의 출구 사이에는,
    상기 촉매연소기에서 생성된 제습기 열원과 상기 음극 배출가스 공급라인의 상기 제습기 열원 중 어느 하나 이상을 선택적으로 공급하도록 개폐되는 선택밸브가 더 마련되어 있는
    선박용 연료전지 장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 공기용해조에는,
    상기 해상의 공기가 상기 공기용해조로 유입되는 경로가 되고, 상기 공기용해조 내부의 청수의 수면보다 아래에 위치하도록 상기 공기용해조의 저부에 배관된 공기주입라인과,
    상기 청수가 청수 외부 공급원으로부터 상기 공기용해조로 유입되는 경로가 되는 청수유입라인과,
    상기 공기용해조에서 사용이 끝난 청수를 배출시키도록 청수가 배출되는 경로가 되는 청수배수라인과,
    상기 공기주입라인에 설치된 역류 방지용 체크변 및 공기 펌프가 포함되는
    선박용 연료전지 장치.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 제습기는,
    각각 실리카겔 또는 염화칼슘을 저장한 반응기 구조물과,
    상기 제습기 중 어느 하나와 다른 하나를 선택적 사용하도록 수분 처리량 한계를 계측하고, 상기 반응기 구조물의 내부에 설치된 센서와,
    상기 반응기 구조물의 하부에 설치된 수분을 배출용 드레인을 포함하는
    선박용 연료전지 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 센서에 전기 회로적으로 결합되고, 상기 제습기에 대한 제습 작동과 수분 방출 작동을 제어하는 제습기제어기를 더 포함하는
    선박용 연료전지 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제습기는,
    상기 드레인과 상기 공기용해조에 사이에 연결된 수분재이용라인을 더 포함하는
    선박용 연료전지 장치.
  12. 제 3 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 공기용해조의 내부에는,
    상기 공기용해조의 하부와 상부 사이에 지그재그 격판 구조의 내부구조물이 더 마련되어 있는
    선박용 연료전지 장치.
  13. 제 3 항에 있어서,
    상기 공기용해조는,
    상기 공기용해조의 공기주입라인과 상기 공기히팅부의 전방측 제습기공기배출라인의 사이에 설치된 공기바이패스라인과,
    상기 공기바이패스라인에 설치된 바이패스 유동제어용 제 1 개폐밸브와,
    상기 제습기가 설치된 제습기처리라인의 종단측 제 1 합류 지점과 상기 공기바이패스라인이 상기 제습기공기배출라인에 합류되는 제 2 합류 지점 사이를 기준으로 상기 제습기공기배출라인에 설치된 바이패스 유동제어용 제 2 개폐밸브를 포함하는
    선박용 연료전지 장치.
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