KR101430162B1 - 연료 전지 시스템 및 이를 구비한 선박 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템이 제공된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 공기와 수소가 공급되는 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템으로서, 청수를 저장하는 청수 저장 탱크; 상기 청수 저장 탱크로부터 공급된 청수로부터 증기를 발생시키는 증기 발생기; 상기 증기 발생기로부터 발생된 증기를 과열시키는 과열기; 상기 과열된 증기를 개질시키는 증기 개질기; 상기 증기 개질기로부터 개질된 증기로부터 수소 및 증기를 정화하는 수소 정화기 및 상기 수소 정화기에 의하여 정화된 수소 및 증기를 냉각시켜 상기 수소 및 증기를 수소 및 청수로 분리시키는 수소 및 청수 분리부를 포함하되, 상기 수소 및 청수 분리부에 의하여 분리된 수소가 상기 연료 전지 스택으로 공급되고, 상기 수소 및 청수 분리부에 의하여 분리된 청수가 상기 증기 발생기로 공급된다.

Description

연료 전지 시스템 및 이를 구비한 선박{ Fuel cell system and ship having the same }
본 발명은 연료 전지 시스템 및 이를 구비한 선박에 관한 것이다.
연료전지는 친환경, 고효율의 발전장치로써 그 활용도가 매우 높으나 기술적인 성숙도가 낮아 아직 이론적인 발전 효율을 달성하지 못하고 있다. 　
특히, 선박에서는 해수를 이용하여 청수로 만들고 다시 필터를 거쳐 탈이온화(deionizing)하여 초순수로 만들어 연료전지에 공급하기 때문에 여러 단계의 설비를 거치게 되고 각 단계별로 일정 이상의 에너지를 소모하게 된다.
연료전지를 동작시키기 위해 필요한 주변장치들은 주요하게 연료(수소)공급장치, 물(초순수)공급장치, 공기(산소)공급장치로 나뉘어 진다.
연료전지 시스템의 성능은 연료전지 스택 자체의 성능뿐 아니라, 연료전지 주변장치 즉 BOP의 효율적인 운전에 의하여 전체 시스템의 효율을 향상 시킬 수 있다.
　이러한 측면에서 연료전지가 선박에 탑재될 경우, 선박으로부터 공급될 수 있는 잉여에너지를 통하여 선박에 탑재된 연료전지 시스템의 효율을 증대시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 효율을 증대시킬 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 공기와 수소가 공급되는 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템으로서, 청수를 저장하는 청수 저장 탱크; 상기 청수 저장 탱크로부터 공급된 청수로부터 증기를 발생시키는 증기 발생기; 상기 증기 발생기로부터 발생된 증기를 과열시키는 과열기; 상기 과열된 증기를 개질시키는 증기 개질기; 상기 증기 개질기로부터 개질된 증기로부터 수소 및 증기를 정화하는 수소 정화기 및 상기 수소 정화기에 의하여 정화된 수소 및 증기를 냉각시켜 상기 수소 및 증기를 수소 및 청수로 분리시키는 수소 및 청수 분리부를 포함하되, 상기 수소 및 청수 분리부에 의하여 분리된 수소가 상기 연료 전지 스택으로 공급되고, 상기 수소 및 청수 분리부에 의하여 분리된 청수가 상기 증기 발생기로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템이 제공된다.
이 때, 상기 수소 및 청수 분리부에 의하여 분리된 청수는 상기 증기 발생기로 공급되기 전 상기 청수 저장 탱크에 저장될 수 있다.
이 때, 상기 수소 및 청수 분리부는 상기 수소 정화기로부터 나온 수소 및 증기가 통과하면서 소정의 냉매와 열교환하여 냉각되도록 하는 열교환기 및 상기 열교환기를 지나 냉각된 수소 및 청수를 분리하는 분리기를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 열교환기로 공급되는 냉매는 액화 천연 가스 저장 탱크로부터 기화되는 기화열에 의하여 냉각될 수 있다.
한편, 상기 냉매는 해수일 수 있다.
한편, 상기 냉매는 상기 저장 탱크로부터 나와 상기 증기 발생기로 유입되는 청수일 수 있다.
한편, 상기 수소 및 청수 분리부는 상기 수소 정화기로부터 나온 수소 및 증기가 유입되는 혼합 탱크를 포함하되, 상기 청수 저장 탱크로부터 나온 청수가 상기 혼합 탱크로 혼합되어 상기 수소 정화기로부터 상기 혼합 탱크 내부로 유입된 수소 및 증기를 냉각시킴으로써 상기 혼합 탱크 내부에서 수소 및 청수가 형성되고, 상기 혼합 탱크 내부에서 냉각된 수소가 상기 연료 전지 스택으로 공급되며, 상기 혼합 탱크로부터 나온 청수가 상기 증기 발생기로 유입될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 전술한 연료 전지 시스템을 포함하는 선박이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10)의 구성도이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10)은 LNG를 운반하는 LNG 운반선 내에 설치되어 LNG 운반선에 필요한 전기를 생산하도록 구성된다.
보다 상세히, 도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10)은 연료 전지 스택(40), 공기 공급기(42), 수소 저장 탱크(32), 청수 발생기(12), 청수 저장 탱크(16), 증기 발생기(18), 과열기(20), 증기 개질기(22), 수소 정화기(24) 및 수소 및 청수 분리부(25)를 포함한다.
이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택(40)은 고분자전해질 연료전지(PEMFC; Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 스택일 수 있다.
공기 공급기(42)에 의하여 연료 전지 스택(40)에 공기가 공급되도록 형성되며, 수소 저장 탱크(32)에 저장된 수소가 또한 연료 전지 스택(40)으로 공급되도록 형성된다. 이 때, 수소 저장 탱크(32)에 저장되기 위한 수소를 형성하기 위한 구성에 대한 보다 상세한 설명은 후술한다.
청수 발생기(fresh water generator)(12)는 연료 전지 스택(40)의 운전에 필요한 물을 공급하기 위하여 해수로부터 청수를 생산한다.
이온 제거기(deionizer)(14)는 청수 발생기(12)로부터 발생된 청수로부터 이온을 제거(탈이온화)한다.
이온 제거기(14)로부터 이온이 제거된 청수는 청수 저장 탱크(16)에 저장된다. 이 때, 청수 저장 탱크(16)에 저장된 청수는 초순수로서 이온 전도도가 매우 낮은 상태이다.
이와 같이 청수 저장 탱크(16)에 저장된 청수를 증기로 만들기 위하여 청수는 증기 발생기(steam generator)(18)로 공급되며, 증기 발생기(18)에서 증기가 형성된다.
증기 발생기(18)에서 형성된 증기를 과열 상태로 만들기 위하여 증기는 과열기(super heater)(20)를 통과하게 된다.
과열기(20)를 통과하면서 과열된 증기는 과열된 상태로 증기 개질기(steam reformer)(22)를 통과하면서 개질된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택(40)의 어노드 전극에 공급되는 수소를 생산하기 위하여 증기 개질기(22)로 과열된 증기와 연료인 메탄이 공급되어 개질 과정을 거친다.
이와 같은 개질 과정을 거치면서 하기 화학식 1 및 2에 따라 수소와 수증기가 생성된다.
　
　CH4 + H2O →　CO + 3H2 (steam reforming) (화학식 1)
CO + H2O →　CO2 + H2 (water shift reaction) (화학식 2)
증기 개질기(22)를 거쳐 생산된 수소와 수증기는 고온 상태이며, 이는 수소 저장 탱크(32)에 저장하기가 용이하지 않다. 또한, 증기 개질기(22)를 거쳐 생산된 수소와 수증기에는 반응하지 않은 CO가 남아 있을 수 있다.
따라서, 수소 정화기(H2 Purifier)(24)를 통하여 수소와 수증기, 그리고 CO가 포함된 가스에서 CO를 제거한다. 이 때의 수소 정화기(H2 purifier)(24)는 Prox 반응을 이용하거나 폴리머의 분리막을 이용할 수도 있다.
이렇게 수소 정화기(H2 purifier)(24)를 거친 가스 속에는 최종적으로 고온 상태의 수증기와 수소가 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수소 정화기(24)로부터 나온 고온 상태의 수증기와 수소는 수소 및 청수 분리부(25)를 통과하면서 수소 및 청수로 분리된다.
이 때, 수소 및 청수 분리부(25)로 유입된 수소 및 수증기는 냉각 과정을 거치게 된다.
본 발명의 일 실시에에 따르면, 수소 및 청수 분리부(25)는 열교환기(26) 및 분리기(28)를 포함할 수 있다.
보다 상세히, 수소 정화기(24)로부터 나온 고온 상태의 수증기와 수소는 열교환기(26)를 거치면서 냉각된다. 이 때, 열교환기(26)로 유입되는 냉매는 LNG 저장 탱크(34)로부터 나온 LNG가 기화기(36)를 거치는 동안 발생된 냉열에 의하여 냉각된 냉매일 수 있다. 이 때, 냉매는 글리콜 워터일 수 있다.
기화기(36)를 거친 LNG는 가스 상태로 천연 가스 공급 시스템(38)으로 공급된 후 선박에서 필요한 장소로 공급된다.
한편, 열교환기(26)를 통과하면서 냉각된 증기 및 수소는 분리기(28)에서 청수와 수소로 분리된다.
이와 같이 분리된 청수 및 수소는 각각 청수 저장 탱크(16) 및 수소 저장 탱크(32)로 저장된다.
수소 저장 탱크(32)에 저장된 수소는 연료 전지 스택(40)으로 공급된다. 그리고 청수는 청수 저장 탱크(16)에 저장된 상태에서 증기 발생기(18)로 공급된 후 다시 전술한 수소 형성 과정을 거칠 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 연료 전지 시스템(10)은 고온의 수소 및 증기 혼합 가스를 냉각시켜 수소를 분리해 내는 과정에서 청수를 형성하므로, 청수를 형성하기 위한 에너지를 절감하여 전체 시스템의 효율을 높일 수 있으며, LNG 기화 장치와 개질 가스의 냉각을 동시에 수행할 수 있도록 함으로써 수소를 냉각시키는 동안 별도의 열원을 필요로 하지 않는다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10′)의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제 1 실시예의 변형례이며, 제 1 실시예와 동일한 구성에 대한 설명은 생략하도록 하고 제 1 실시예와 구별되는 구성을 중심으로 제 2 실시예를 설명하도록 한다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10′)은 수소 및 청수 분리부(25)에서 열교환기(26)로 유입되는 냉매로서 해수를 사용한다.
이와 같이 수소 및 청수 분리부(25)에서 열교환기(26)로 해수를 유입하기 위하여 선박 내부에 이미 설치된 해수 공급부(44), 예를 들어 해수 공급용 펌프 및 해수 공급 라인이 사용될 수 있다.
해수는 상온으로 항상 유지될 수 있기 때문에 제 1 실시예에서 LNG의 기화 냉열을 이용하는 것과 비교할 때, 보다 높은 온도를 가지기는 하나 고온의 수소 및 증기를 상온으로 냉각시키기에 충분한 정도의 온도를 가지고 있으며, 또한 무한정 공급될 수 있다.
따라서, LNG 운반선에서 LNG 저장 탱크의 기화 냉열을 이용할 수 없는 경우 혹은 별도의 LNG 저장 탱크가 구비되어 있지 않은 선박에서는 본 발명의 제 2 실시예에서와 같이 해수를 이용하여 고온의 수소 및 증기를 냉각시킬 수 있다.
이 때, 제 2 실시예에서는 해수가 열교환기(26)의 냉매로 사용되는 것을 예시하였으나, 제 1 실시예에서의 LNG 저장 탱크의 기화 냉열을 이용한 냉각 방식과 해수를 이용한 냉각 방식을 동시에 사용하거나 선택적으로 사용하도록 연료 전지 시스템을 구성하는 것도 가능할 것이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10˝)의 구성도이다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10˝)은 제 1 및 제 2 실시예의 변형례로서, 제 1 실시예 및 제 2 실시예와 동일한 구성에 대한 설명은 생략하도록 하고 제 1 실시예 및 제 2 실시예와 구별되는 구성을 중심으로 제 3 실시예를 설명하도록 한다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10˝)은 제 1 실시예에서 LNG 저장 탱크(34)의 기화 냉열, 그리고 제 2 실시예에서 해수를 이용하여 열교환기(26)를 지나는 고온의 수소 및 증기를 냉각하던 것과 달리, 수소 및 청수 분리부(25)의 열교환기(26)로 유입되는 냉매로서, 청수 저장 탱크(16)로부터 증기 발생기(18)로 유입되는 청수를 이용한다.
청수 저장 탱크(16)에 저장된 탈이온화된 청수는 상온 상태에서 증기 발생기(18)로 유입되어 가열됨으로써 증기로 상변화하므로 증기 발생기(18)로 유입되기 전 상태에서는 고온의 수소 및 증기를 냉각하기에 충분한 정도로 낮은 온도를 유지한다.
이에 따라 본 발명의 제 3 실시예에서와 같이 청수 저장 탱크(16)로부터 증기 발생기(18)로 유입되기 전의 청수를 냉매로 이용할 경우 증기 발생기로 유입되기 전 청수의 온도는, 열교환기(26)를 지나지 않는 경우 보다 높은 상태를 유지할 수 있다.
따라서, 이와 같이 높은 온도의 청수가 증기 발생기(18)로 유입될 경우 증기 발생기(18)에서 청수를 가열하여 증기를 생산하기 위한 열 에너지가 덜 사용될 수 있으므로 에너지 효율이 보다 높아질 수 있다.
이와 같이 청수 저장 탱크(16)로부터 증기 발생기(18)로 유입되는 청수를 냉매로 이용하는 제 3 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10)은 독립적으로 또는 제 1 실시예 및 제 2 실시예와 함께 연료 전지 시스템으로 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10"')의 구성도이다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 설명함에 있어, 전술한 제 1 내지 제 3 실시예와 동일한 구성에 대하여는 상세한 설명을 생략하도록 하고, 제 1 내지 제 3 실시예와 구별되는 구성을 중심으로 제 4 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 설명하도록 한다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10'")은 수소 및 청수 분리부(25)로서, 제 1 실시예에서 열교환기 및 분리기와 달리 혼합 탱크(46)를 포함한다.
이 때, 혼합 탱크(46)에는 수소 정화기(24)로부터 나온 고온의 수소 및 증기와 청수 저장 탱크(16)로부터 나온 청수가 혼합된다.
혼합 탱크(46) 내부에서는 청수와 고온의 수소 및 증기가 혼합되어 고온의 수소가 냉각되며 증기는 청수로 냉각된다.
고온의 수소 및 증기로부터 열을 전달받은 청수의 온도는 혼합 탱크(46) 내부에서 상승하게 된다. 혼합 탱크(46) 내부에서 냉각된 수소 및 온도가 상승된 청수는 분리되어 각각 수소 저장 탱크(32) 및 증기 발생기(18)로 이송된다.
수소 저장 탱크(32) 내부로 이송된 수소는 연료 전지 스택(40)으로 공급되도록 형성되며, 증기 발생기(18)로 이송된 청수는 과열된 후 전술한 실시예에서와 동일한 과정을 거쳐 수소 및 증기가 분리되는 과정을 거친다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10"')은 별도의 열교환기 및 분리기가 없이 수소 정화기로부터 나온 고온의 수소 및 증기를 냉각시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10 10' 10" 10'" 연료 전지 시스템 12 청수 발생기
14 이온 제거기 16 청수 저장 탱크
18 증기 발생기 20 과열기
22 증기 개질기 24 수소 정화기
25 수소 및 청수 분리부 26 열교환기
28 분리기 32 수소 저장 탱크
40 연료 전지 스택 42 공기 공급기
44 해수 공급부 46 혼합 탱크

Claims (8)

  1. 공기와 수소가 공급되는 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템으로서,
    청수를 저장하는 청수 저장 탱크;
    상기 청수 저장 탱크로부터 공급된 청수로부터 증기를 발생시키는 증기 발생기;
    상기 증기 발생기로부터 발생된 증기를 과열시키는 과열기;
    상기 과열된 증기를 개질시키는 증기 개질기;
    상기 증기 개질기로부터 개질된 증기로부터 수소 및 증기를 정화하는 수소 정화기 및
    상기 수소 정화기에 의하여 정화된 수소 및 증기를 냉각시켜 상기 수소 및 증기를 수소 및 청수로 분리시키는 수소 및 청수 분리부를 포함하되,
    상기 수소 및 청수 분리부에 의하여 분리된 수소가 상기 연료 전지 스택으로 공급되고,
    상기 수소 및 청수 분리부에 의하여 분리된 청수가 상기 증기 발생기로 공급되되,
    상기 수소 및 청수 분리부에 의하여 분리된 청수는 상기 증기 발생기로 공급되기 전 상기 청수 저장 탱크에 저장되며,
    상기 수소 및 청수 분리부는
    상기 수소 정화기로부터 나온 수소 및 증기가 통과하면서 소정의 냉매와 열교환하여 냉각되도록 하는 열교환기;
    상기 열교환기를 지나 냉각된 수소 및 청수를 분리하는 분리기를 포함하고,
    상기 열교환기로 공급되는 냉매는 액화 천연 가스 저장 탱크로부터 기화되는 기화열에 의하여 냉각되는
    연료 전지 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 및 청수 분리부는 상기 수소 정화기로부터 나온 수소 및 증기가 유입되는 혼합 탱크를 포함하되,
    상기 청수 저장 탱크로부터 나온 청수가 상기 혼합 탱크로 혼합되어 상기 수소 정화기로부터 상기 혼합 탱크 내부로 유입된 수소 및 증기를 냉각시킴으로써 상기 혼합 탱크 내부에서 수소 및 청수가 형성되고,
    상기 혼합 탱크 내부에서 냉각된 수소가 상기 연료 전지 스택으로 공급되며, 상기 혼합 탱크로부터 나온 청수가 상기 증기 발생기로 유입되는 연료 전지 시스템.
  8. 제 1 항 또는 제 7 항에 따른 연료 전지 시스템을 포함하는 선박.
KR1020120027311A 2012-03-16 2012-03-16 연료 전지 시스템 및 이를 구비한 선박 KR101430162B1 (ko)

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