KR101367024B1

KR101367024B1 - 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치 및 이를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템

Info

Publication number: KR101367024B1
Application number: KR1020120069822A
Authority: KR
Inventors: 박규진; 안용규; 신정규
Original assignee: 두산엔진주식회사
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2014-02-24
Also published as: KR20140001633A

Abstract

본 발명의 실시예는 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치 및 이를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것으로, 우레아 가수분해 장치는 우레아를 가수분해시켜 암모니아를 생성하는 가수분해 챔버와, 가수분해 챔버에 유체를 공급하는 블로워와, 가수분해 챔버에 우레아를 분사하는 우레아 분사부와, 가수분해 챔버에 설치된 챔버 열교환부와, 전기를 생성하면서 고온의 배출 가스를 방출하는 보조 발전용 연료 전지, 그리고 연료 전지의 배출 가스를 챔버 열교환부로 공급하는 배출 가스 공급 유로를 포함한다.

Description

보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치 및 이를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템{UREA HYDROLYSIS APPARATUS USING FUEL CELL AND SELECTIVE CATALYTIC REUCTION SYSTEM WITH THE SAME}

본 발명의 실시예는 우레아 가수 분해 장치 및 이를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치 및 이를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 선박용 동력 장치는 저속 디젤 엔진과 과급기(turbocharger) 등을 포함한다. 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템은 디젤 엔진에서 발생된 배기 가스를 정화하여 질소산화물을 저감시키기 위한 시스템이다.

선택적 촉매 환원 시스템은 촉매가 내부에 설치된 반응기에 배기 가스와 환원제를 함께 통과시키면서 배기 가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다.

선택적 촉매 환원 시스템은 질소산화물을 저감시키기 위한 환원제로 우레아(urea)를 가수분해시켜 주로 사용하고 있다. 이때, 가수분해의 효율을 향상시키기 위해 가수분해 챔버의 내부 온도를 별도의 전기 히터 또는 버너를 이용하여 가수분해 반응 온도까지 상승시키는 방법을 사용하고 있다.

하지만, 가수분해에 소모되는 에너지가 적지 않으므로, 전체적인 선택적 촉매 환원 시스템의 운전에 필요 이상으로 많은 에너지가 소모되는 문제점이 있다.

일본 공개특허공보 특개2004-525300호(2004.08.19)

본 발명의 실시예는 선택적 촉매 환원 반응에 사용되는 암모니아를 포함한 환원제를 효과적으로 생성할 수 있는 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치 및 이를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 우레아 가수분해 장치는 우레아(urea, CO(NH₂)₂)를 가수분해시켜 암모니아(NH₃)를 생성하는 가수분해 챔버와, 상기 가수분해 챔버에 유체를 공급하는 블로워와, 상기 가수분해 챔버에 우레아를 분사하는 우레아 분사부와, 상기 가수분해 챔버에 설치된 챔버 열교환부와, 전기를 생성하면서 고온의 배출 가스를 방출하는 보조 발전용 연료 전지, 그리고 상기 연료 전지의 배출 가스를 상기 챔버 열교환부로 공급하는 배출 가스 공급 유로를 포함한다.

상기 연료 전지의 배출 가스는 섭씨 600도 내지 섭씨 1100도 범위 내의 온도를 가질 수 있다.

상기 연료 전지의 배출 가스는 상기 가수분해 열교환부를 거치면서 상기 가수분해 챔버의 내부 온도를 섭씨 300도 내지 섭씨 500도 범위 내로 유지시킬 수 있다.

상기 연료 전지는 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC) 및 고체 산화물형 연료 전지(SOFC) 중 하나일 수 있다.

또한, 우레아 가수분해 장치는 상기 배출 가스 공급 유로 상에 설치되어 역류를 방지하는 하나 이상의 체크 밸브를 더 포함할 수 있다.

또한, 우레아 가수분해 장치는 상기 우레아 분사부에 공급할 우레아를 저장하는 우레아 저장부를 더 포함할 수 있다.

상기 가수분해 챔버는 상대적으로 작은 크기를 가지고 전방에 위치한 제1 챔버와, 상대적으로 큰 크기를 가지고 후방에 위치한 제2 챔버를 포함할 수 있다.

상기 우레아 분사부는 상기 제2 챔버의 전단부에 설치될 수 있다.

상기 챔버 열교환부는 상기 제1 챔버에 설치된 제1 열교환부와, 상기 제2 챔버에 설치된 제2 열교환부를 포함할 수 있다.

상기 배출 가스 공급 유로는 상기 제1 열교환부를 거쳐 상기 제2 열교환부로 상기 연료 전지의 배출 가스를 공급할 수 있다.

또한, 우레아 가수분해 장치는 상기 블로워와 상기 가수분해 챔버를 연결하는 공기 공급 유로와, 상기 공기 공급 유로 상에 설치되어 상기 블로워로부터 상기 가수분해 챔버의 제1 챔버에 공급되는 유체의 유량을 조절하는 공기 공급 컨트롤 밸브와, 상기 배출 가스 공급 유로 상에 설치되어 상기 연료 전지로부터 상기 챔버 열교환부의 제1 열교환부로 공급되는 상기 배출 가스의 유량을 조절하는 제1 열교환 컨트롤 밸브와, 상기 가수분해 챔버의 제1 챔버의 후단부에 설치된 제1 챔버 온도 센서, 그리고 상기 제1 챔버 온도 센서의 정보 신호를 전달받아 상기 공기 공급 컨트롤 밸브와 상기 제1 열교환 컨트롤 밸브를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

또한, 우레아 가수분해 장치는 상기 배출 가스 공급 유로 상에 설치되어 상기 챔버 열교환부의 제1 열교환부를 거친 후 상기 챔버 열교환부의 제2 열교환부로 공급되는 상기 배출 가스의 유량을 조절하는 제2 열교환 컨트롤 밸브와, 상기 가수분해 챔버의 제2 챔버의 후단부에 설치된 제2 챔버 온도 센서를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 제어부는 상기 제2 챔버 온도 센서의 정보 신호를 전달받아 상기 제2 열교환 컨트롤 밸브를 제어할 수 있다.

또한, 우레아 가수분해 장치는 상기 제1 열교환부와 상기 제2 열교환부 사이의 상기 배출 가스 공급 유로 상에 설치된 압력 조절 밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 연료 전지(50)는 연료 전지 스택(51)과 개질기(52)를 포함할 수 있다. 상기 연료 전지(50)의 배출 가스는 상기 연료 전지 스택(51)에서 배출된 미반응 연료를 포함한 제1 배출 가스와, 반응 후 남은 공기를 포함한 제2 배출 가스를 포함할 수 있다. 그리고 상기 배출 가스 공급 유로(65)를 통해 상기 챔버 열교환부로 공급되는 상기 연료 전지(50)의 배출 가스는 상기 제2 배출 가스일 수 있다.

상기 연료 전지는 상기 개질기에 설치된 개질기 열교환부를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 배출 가스 공급 유로는 상기 챔버 열교환부의 제1 열교환부와, 상기 개질기 열교환부, 그리고 상기 챔버 열교환부의 제2 열교환부를 차례로 연결할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템은 배기 가스에 함유된 질소산화물을 저감시키는 촉매가 내부에 설치된 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 반응기와, 상기 선택적 촉매 환원 반응기의 촉매로 향하는 배기 가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사부와, 상기한 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치, 그리고 상기 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치에서 생성된 암모니아를 포함한 환원제를 상기 환원제 분사부에 공급하는 환원제 공급 유로를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치는 선택적 촉매 환원 반응에 사용되는 암모니아를 포함한 환원제를 효과적으로 생성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템은 상기한 우레아 가수분해 장치를 통해 효과적으로 환원제를 공급받을 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치 및 이를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치 및 이를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템을 나타낸 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 제2 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.

본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조 발전용 연료 전지(50)를 이용한 우레아 가수분해 장치(101) 및 이를 구비한 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템(201)을 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조 발전용 연료 전지(50)를 이용한 우레아 가수분해 장치(101)는 가수분해 챔버(41), 블로워(43), 우레아 분사부(47), 챔버 열교환부(71), 연료 전지(50), 및 배출 가스 공급 유로(67)를 포함한다.

그리고 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조 발전용 연료 전지(50)를 이용한 우레아 가수분해 장치(101)는 체크 밸브(89), 우레아 저장부(48), 공기 공급 유로(63), 공기 공급 컨트롤 밸브(83), 제1 열교환 컨트롤 밸브(86), 제2 열교환 컨트롤 밸브(87), 제1 챔버 온도 센서(76), 제2 챔버 온도 센서(77), 제어부(90), 및 압력 조절 밸브(88)를 더 포함할 수 있다.

가수분해 챔버(41)는 우레아(urea, CO(NH₂)₂)를 가수분해하여 암모니아(NH₃)를 생성한다. 구체적으로, 가수분해 챔버(41)에서 우레아(urea, CO(NH₂)₂)가 가수분해되면, 암모니아(NH₃)와 함께 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)이 생성된다. 그리고 이소시안산(HNCO)은 다시 암모니아와 이산화탄소(CO₂)로 분해된다.

본 발명의 제1 실시예에서, 가수분해 챔버(41)는 상대적으로 작은 크기를 가지고 전방에 위치한 제1 챔버(411)와, 상대적으로 큰 크기를 가지고 후방에 위치한 제2 챔버(412)를 포함한다. 제1 챔버(411)는 제2 챔버(412)와 대비하여 상대적으로 작은 직경 또는 부피를 가질 수 있다.

우레아 분사부(47)는 가수분해 챔버(41) 내에 우레아를 분사한다. 본 발명의 제1 실시예에서, 우레아 분사부(47)는 가수분해 챔버(41)의 제2 챔버(412)의 전단부에 설치될 수 있다. 즉, 제1 챔버(411)를 거쳐 제2 챔버(412)로 유입된 유체에 우레아가 분사된다.

우레아 저장부(48)는 우레아 분사부(47)에 공급할 우레아를 저장한다. 또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조 발전용 연료 전지(50)를 이용한 우레아 가수분해 장치(101)는 우레아 분사부(47)에 우레아와 함께 공급할 압축 공기 또는 물을 저장하는 보조 저장부(49)를 더 포함할 수 있다.

블로워(43)는 가수분해 챔버(41)에 유체를 공급한다. 일례로, 블로워(43)는 외부 공기를 가수분해 챔버(41)에 공급할 수 있다. 공기 공급 유로(63)는 블로워(43)와 가수분해 챔버(41)의 제1 챔버(411)를 연결한다.

챔버 열교환부(71)는 가수분해 챔버(41)에 설치된다. 구체적으로, 챔버 열교환부(71)는 가수분해 챔버(41)의 외벽에 설치되거나, 가수분해 챔버(41)의 내부에 설치될 수 있다. 챔버 열교환부(71)는 해당 기술 분야의 종사자가 용이하게 변경 실시할 수 있는 다양한 구조를 가질 수 있다.

또한, 본 발명읠 제1 실시예에서, 챔버 열교환부(71)는 가수분해 챔버(41)의 제1 챔버(411)에 설치된 제1 열교환부(711)와, 가수분해 챔버(41)의 제2 챔버(412)에 설치된 제2 열교환부(712)를 포함한다.

연료 전지(50)는 전기를 생성하면서, 고온의 배출 가스를 방출한다. 디젤 엔진(10)을 주동력원으로 사용하는 선박 또는 플랜트에서 연료 전지(50)는 보조 동력원으로 사용될 수 있다.

연료 전지(50)는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 연료의 산화 과정에서는 전기 및 물과 함께 다량의 열이 방출된다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 연료 전지(50)는 고온형 연료 전지이다. 일례로, 연료 전지(50)는 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC, 운전온도 650℃)나 고체 산화물형 연료 전지(SOFC, 운전온도 1000℃)일 수 있다. 이와 같은 연료 전지(50)는 해당 기술 분야의 종사자에게 공지되어 있다.

구체적으로, 연료 전지(50)는 연료 전지 스택(51), 개질기(52), 연료 공급부(56), 용수 공급부(57), 및 공기 공급부(58)를 포함한다.

개질기(52)는 연료와 물을 공급받아 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소를 포함하는 개질 가스를 생성한다.

연료 전지 스택(51)은 개질 가스와 공기를 공급받아 전기를 생성하고, 미반응 연료를 포함하는 제1 배출 가스와, 개질 가스의 수소와 반응하고 남은 공기를 포함하는 제2 배출 가스를 각각 배출한다. 즉, 연료 전지(50)의 배출 가스는 제1 배출 가스와 제2 배출 가스를 포함한다.

제1 배출 가스는 일반적으로 개질기(52)로 전달되어 재활용된다. 그리고 제2 배출 가스는 외부로 배출된다. 이때, 연료 전지(50)로부터 배출된 제2 배출 가스는 섭씨 600도 내지 섭씨 1100도 범위 내의 온도를 갖는다.

배출 가스 공급 유로(67)는 연료 전지(50)의 배출 가스 중 제2 배출 가스의 전부 또는 일부를 챔버 열교환부(71)로 공급한다. 구체적으로, 배출 가스 공급 유로(67)는 챔버 열교환부(71)의 제1 열교환부(711)를 거쳐 제2 열교환부(712)로 연료 전지(50)의 배출 가스를 공급한다.

체크 밸브(89)는 배출 가스 공급 유로(67) 상에 설치되어 연료 전지(50)의 배출 가스의 역류를 방지한다. 체크 밸브(89)는 배출 가스 공급 유로(67) 상에 하나 이상 설치될 수 있다.

압력 조절 밸브(88)는 제1 열교환부(711)와 제2 열교환부(712) 사이의 배출 가스 공급 유로(67) 상에 설치된다. 압력 조절 밸브(88)는 배출 가스 공급 유로(67) 내의 압력을 조절하여 제1 열교환부(711)를 거치면서 낮아진 연료 전지(50)의 배출 가스의 온도를 승온 시킬 수 있다. 즉, 압력 조절 밸브(88)는 제1 열교환부(711)를 거친 후 제2 열교환부(712)로 공급되는 연료 전지(50)의 배출 가스의 온도를 승온시킨다.

공기 공급 컨트롤 밸브(83)는 공기 공급 유로(63) 상에 설치되어 블로워(43)에 의해 가수분해 챔버(41)에 공급되는 유체의 유량을 조절한다.

제1 열교환 컨트롤 밸브(86)는 배출 가스 공급 유로(67) 상에 설치되어 연료 전지(50)로부터 배출되어 챔버 열교환부(71)의 제1 열교환부(711)로 공급되는 배출 가스의 유량을 조절한다.

제2 열교환 컨트롤 밸브(87)는 배출 가스 공급 유로(67) 상에 설치되어 챔버 열교환부(71)의 제1 열교환부(711)를 거친 후, 제2 열교환부(712)로 공급되는 배출 가스의 유량을 조절한다.

제1 챔버 온도 센서(76)는 가수분해 챔버(41)의 제1 챔버(411)의 후단부에 설치된다. 구체적으로, 제1 챔버 온도 센서(76)는 제1 챔버(411)에서 배출되는 유체의 온도를 측정한다.

제2 챔버 온도 센서(77)는 가수분해 챔버(41)의 제2 챔버(412)의 후단부에 설치된다. 구체적으로, 제2 챔버 온도 센서(77)는 제2 챔버(412)에서 배출되는 유체의 온도를 측정한다.

제어부(90)는 제1 챔버 온도 센서(76) 및 제2 챔버 온도 센서(77)로부터 정보 신호를 전달받아 공기 공급 컨트롤 밸브(83), 제1 열교환 컨트롤 밸브(86), 및 제2 열교환 컨트롤 밸브(87)를 제어한다.

구체적으로, 제어부(90)는 제1 챔버 온도 센서(76)의 정보 신호를 전달받아 공기 공급 컨트롤 밸브(83) 및 제1 열교환 컨트롤 밸브(86)를 조절하여 가수분해 챔버(41)의 제1 챔버(411)에서 배출되는 유체의 온도를 섭씨 300도 내지 섭씨 500도 범위 내로 유지시킨다.

또한, 제어부(90)는 제2 챔버 온도 센서(77)의 정보 신호를 전달받아 제2 열교환 컨트롤 밸브(87)를 조절하여 가수분해 챔버(41)의 제2 챔버(412)에서 배출되는 유체의 온도를 섭씨 300도 내지 섭씨 500도 범위 내로 유지시킨다.

이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에서는, 연료 전지(50)의 배출 가스를 배출 가스 공급 유로(67)를 통해 챔버 열교환부(71)로 공급하여 가수분해 챔버(41)의 내부 온도를 섭씨 300도 내지 섭씨 500도 범위 내로 유지시킨다.

가수분해 챔버(41)의 온도가 섭씨 300도 내지 섭씨 500도 범위 내로 유지되면, 우레아가 용이하게 가수분해되면서 암모니아(NH₃)와 이소시안산(HNCO)이 생성되고, 이소시안산(HNCO)은 다시 암모니아와 이산화탄소(CO₂)로 분해된다.

즉, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 보조 발전용으로 사용되는 연료 전지(50)의 배출 가스가 갖는 열 에너지를 일부 활용하여 우레아를 가수분해시키므로, 우레아를 가수분해 시키기 위해 별도의 전기 히터 또는 버너를 추가하지 않고도, 효과적으로 암모니아를 포함한 환원제를 생성할 수 있다. 또한, 우레아를 가수분해 시키기 위해 추가적인 연료의 소모도 최소화할 수 있다.

이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조 발전용 연료 전지(50)를 이용한 우레아 가수분해 장치(101)는 선택적 촉매 환원 반응에 사용되는 암모니아를 포함한 환원제를 효과적으로 생성할 수 있다.

이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조 발전용 연료 전지(50)를 이용한 우레아 가수분해 장치(101)를 구비한 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템(201)을 설명한다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 보조 발전용 연료 전지(50)를 이용한 우레아 가수분해 장치(101)를 구비한 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템(201)은 우레아 가수분해 장치(101)와 함께, 선택적 촉매 환원 반응기(30), 환원제 분사부(37), 및 환원제 공급 유로(64)를 포함한다.

선택적 촉매 환원 반응기(30)는 엔진(10)의 배기 가스를 정화하여 배기 가스에 함유된 질소산화물을 저감시킨다. 구체적으로, 선택적 촉매 환원 반응기(30)는 엔진(10)의 배기 가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다.

여기서, 엔진(10)은 통상적으로 선박 또는 플랜트의 주동력원으로 사용되는 저속 디젤 엔진일 수 있으며, 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 엔진(10)이 사용될 수 있다.

그리고 엔진(10)에서 배출된 배기 가스는 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 유입되기 전에 배기 리시버(exhaust gas receiver)(11)와 과급기(turbo charger)(15)를 거칠 수 있다. 과급기(15)는 엔진(10)의 배기 가스가 갖는 압력으로 터빈을 돌려 엔진(10)에 새로운 외기를 공급한다. 배기 리시버(11)는 엔진(10)의 실린더 왕복 운동으로 불균형한 압력을 가지고 배출된 엔진(10)의 배기 가스를 고르게 완화시킨다.

엔진(10)에서 배출된 배기 가스는 섭씨 250도 내지 섭씨 450도 범위 내의 온도를 가질 수 있다. 그러나, 배기 가스의 온도는 과급기(15)를 거치면서 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만의 온도로 낮아질 수 있다.

한편, 참조부호 19는 소기 리시버(scavenge air receiver) 를 나타낸다. 소기 리시버(19)는 과급기(15)가 엔진(10)에 공급하는 새로운 외기의 불균일한 압력을 고르게 완화시킬 수 있다.

선택적 촉매 환원 반응기(30)는 촉매(35)를 포함한다. 구체적으로, 제올라이트(Zeolite), 바나듐(Vanadium), 및 백금(Platinum) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 촉매(35)가 촉매 담체를 통해 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부에 설치된다. 본 발명의 제1 실시예에서는, 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부에 설치되는 촉매(35)로 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부 온도가 섭씨 300도 내지 섭씨 350도 범위 내일 때 촉매 반응이 우수한 촉매(35)가 사용될 수 있다.

또한, 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 하우징은 일례로 스테인레스 스틸(stainless steel)을 소재로 만들어질 수 있다.

배기 유로(61)는 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 질소산화물을 함유한 엔진(10)의 배기 가스를 공급한다.

환원제 분사부(37)는 암모니아(NH₃)를 포함한 환원제를 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 촉매(35)로 향하는 배기 가스에 분사한다. 도 1에서 환원제 분사부(37)는 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 전단부에 설치되나, 본 발명의 제1 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 환원제 분사부(37)는 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 배기 가스를 공급하는 배기 유로(61) 상에 설치될 수도 있다.

환원제 공급 유로(64)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 우레아 가수분해 장치(101)에서 생성된 암모니아(NH₃)를 포함한 환원제를 환원제 분사부(37)에 공급한다.

이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템(201)은 보조 발전용 연료 전지(50)를 이용한 우레아 가수분해 장치(101)를 통해 효과적으로 환원제를 공급받을 수 있다.

이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 보조 발전용 연료 전지(50)를 이용한 우레아 가수분해 장치(102) 및 이를 구비한 선택적 촉매 환원 시스템(202)을 설명한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 보조 발전용 연료 전지(50)를 이용한 우레아 가수분해 장치(101)는 연료 전지(50)의 개질기(52)에 설치된 개질기 열교환부(54)를 더 포함한다.

그리고 배출 가스 공급 유로(67)는 챔버 열교환부(71)의 제1 열교환부(711)와, 개질기 열교환부(54), 그리고 챔버 열교환부(71)의 제2 열교환부(712)를 순차적으로 연결한다.

연료 전지(50)로부터 배출된 배출 가스는 제1 열교환부(711)를 거치면서 제1 챔버(411)에 열을 전달하고 열 에너지가 감소된다. 따라서, 제2 열교환부(712)에서 제2 챔버(412)에 공급할 열 에너지가 충분하지 않을 수 있다.

하지만, 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 연료 전지(50)의 배출 가스는 상대적으로 높은 온도를 갖는 개질기 열교환기(54)를 거치면서 제1 열교환부(711)에서 손실된 열 에너지를 개질기 열교환기(54)를 통해 개질기(52)로부터 보충받을 수 있다. 따라서, 제2 열교환부(712)를 통해 제2 챔버(412)에 효과적으로 열 에너지를 공급할 수 있다.

이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 보조 발전용 연료 전지(50)를 이용한 우레아 가수분해 장치(102)는 선택적 촉매 환원 반응에 사용되는 암모니아를 포함한 환원제를 더욱 효과적으로 생성할 수 있다.

또한, 선택적 촉매 환원 시스템(202)은 보조 발전용 연료 전지(50)를 이용한 우레아 가수분해 장치(102)를 통해 더욱 효과적으로 환원제를 공급받을 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 엔진 11: 배기 리시버
15: 과급기 19: 소기 리시버
30: 선택적 촉매 환원 반응기 35: 촉매
37: 환원제 분사부 41: 가수분해 챔버
43: 블로워 47: 우레아 분사부
48: 우레아 저장부 49: 보조 저장부
50: 연료 전지 51: 연료 전지 스택
52: 개질기 56: 연료 공급부
57: 용수 공급부 58: 공기 공급부
61: 배기 유로 63: 공기 공급 유로
64: 환원제 공급 유로 67: 배출 가스 공급 유로
71: 챔버 열교환부 76: 제1 챔버 온도 센서
77: 제2 챔버 온도 센서 83: 공기 공급 컨트롤 밸브
86: 제1 열교환 컨트롤 밸브 87: 제2 열교환 컨트롤 밸브
88: 압력 조절 밸브 89: 체크 밸브
90: 제어부
101, 102: 우레아 가수분해 장치
201, 202: 선택적 촉매 환원 시스템
411: 제1 챔버 412: 제2 챔버
711: 제1 열교환부 712: 제2 열교환부

Claims

우레아(urea, CO(NH₂)₂)를 가수분해시켜 암모니아(NH₃)를 생성하는 가수분해 챔버(41);
상기 가수분해 챔버(41)에 유체를 공급하는 블로워(43);
상기 가수분해 챔버(41)에 우레아를 분사하는 우레아 분사부(47);
상기 가수분해 챔버(41)에 설치된 챔버 열교환부(71);
전기를 생성하면서 고온의 배출 가스를 방출하는 보조 발전용 연료 전지(50); 및
상기 연료 전지(50)의 배출 가스를 상기 챔버 열교환부(71)로 공급하는 배출 가스 공급 유로(67)
를 포함하는 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치.
제1항에서,
상기 연료 전지(50)의 배출 가스는 섭씨 600도 내지 섭씨 1100도 범위 내의 온도를 갖는 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치.
제1항에서,
상기 연료 전지(50)의 배출 가스는 상기 가수분해 열교환부(71)를 거치면서 상기 가수분해 챔버(41)의 내부 온도를 섭씨 300도 내지 섭씨 500도 범위 내로 유지시키는 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치.
제1항에서,
상기 연료 전지(50)는 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC) 및 고체 산화물형 연료 전지(SOFC) 중 하나인 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치.
제1항에서,
상기 배출 가스 공급 유로(67) 상에 설치되어 역류를 방지하는 하나 이상의 체크 밸브(89)를 더 포함하는 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치.
제1항에서,
상기 우레아 분사부(47)에 공급할 우레아를 저장하는 우레아 저장부(48)를 더 포함하는 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치.
제1항에서,
상기 가수분해 챔버(41)는 상대적으로 작은 크기를 가지고 전방에 위치한 제1 챔버(411)와, 상대적으로 큰 크기를 가지고 후방에 위치한 제2 챔버(412)를 포함하는 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치.
제7항에서,
상기 우레아 분사부(47)는 상기 제2 챔버(412)의 전단부에 설치된 것을 특징으로 하는 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치.
제7항에서,
상기 챔버 열교환부(71)는 상기 제1 챔버(411)에 설치된 제1 열교환부(711)와, 상기 제2 챔버(412)에 설치된 제2 열교환부(712)를 포함하는 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치.
제9항에서,
상기 배출 가스 공급 유로(67)는 상기 제1 열교환부(711)를 거쳐 상기 제2 열교환부(712)로 상기 연료 전지(50)의 배출 가스를 공급하는 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치.
제10항에서,
상기 블로워(43)와 상기 가수분해 챔버(41)를 연결하는 공기 공급 유로(63)와;
상기 공기 공급 유로(63) 상에 설치되어 상기 블로워(43)로부터 상기 가수분해 챔버(41)의 제1 챔버(411)에 공급되는 유체의 유량을 조절하는 공기 공급 컨트롤 밸브(83)와;
상기 배출 가스 공급 유로(67) 상에 설치되어 상기 연료 전지(50)로부터 상기 챔버 열교환부(71)의 제1 열교환부(711)로 공급되는 상기 배출 가스의 유량을 조절하는 제1 열교환 컨트롤 밸브(86)와;
상기 가수분해 챔버(41)의 제1 챔버(411)의 후단부에 설치된 제1 챔버 온도 센서(76); 그리고
상기 제1 챔버 온도 센서(76)의 정보 신호를 전달받아 상기 공기 공급 컨트롤 밸브(83)와 상기 제1 열교환 컨트롤 밸브(86)를 제어하는 제어부(90)
를 더 포함하는 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치.
제11항에서,
상기 배출 가스 공급 유로(67) 상에 설치되어 상기 챔버 열교환부(71)의 제1 열교환부(711)를 거친 후 상기 챔버 열교환부(71)의 제2 열교환부(712)로 공급되는 상기 배출 가스의 유량을 조절하는 제2 열교환 컨트롤 밸브(87)와, 상기 가수분해 챔버(41)의 제2 챔버(412)의 후단부에 설치된 제2 챔버 온도 센서(77)를 더 포함하며,
상기 제어부(90)는 상기 제2 챔버 온도 센서(77)의 정보 신호를 전달받아 상기 제2 열교환 컨트롤 밸브(87)를 제어하는 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치.
제10항에서,
상기 제1 열교환부(711)와 상기 제2 열교환부(712) 사이의 상기 배출 가스 공급 유로(67) 상에 설치된 압력 조절 밸브(88)를 더 포함하는 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치.
제9항에서,
상기 연료 전지(50)는 연료 전지 스택(51)과 개질기(52)를 포함하며,
상기 연료 전지(50)의 배출 가스는 상기 연료 전지 스택(51)에서 배출된 미반응 연료를 포함한 제1 배출 가스와, 반응 후 남은 공기를 포함한 제2 배출 가스를 포함하고,
상기 배출 가스 공급 유로(65)를 통해 상기 챔버 열교환부(71)로 공급되는 상기 연료 전지(50)의 배출 가스는 상기 제2 배출 가스인 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치.
제14항에서,
상기 연료 전지(50)는 상기 개질기(52)에 설치된 개질기 열교환부(54)를 더 포함하며,
상기 배출 가스 공급 유로(67)는 상기 챔버 열교환부(71)의 제1 열교환부(711)와, 상기 개질기 열교환부(54), 그리고 상기 챔버 열교환부(71)의 제2 열교환부(712)를 차례로 연결하는 보조 발전용 연료 전지를 이용한 우레아 가수분해 장치.
배기 가스에 함유된 질소산화물을 저감시키는 촉매(35)가 내부에 설치된 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 반응기(30);
상기 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 촉매(35)로 향하는 배기 가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사부(37);
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 보조 발전용 연료 전지(50)를 이용한 우레아 가수분해 장치(101); 및
상기 보조 발전용 연료 전지(50)를 이용한 우레아 가수분해 장치(101)에서 생성된 암모니아를 포함한 환원제를 상기 환원제 분사부(37)에 공급하는 환원제 공급 유로(64)
를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템.