KR101435386B1 - 선박용 연료 전지 시스템 - Google Patents

Abstract

연료 전지 시스템이 제공된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 선박에 설치되는 연료 전지 시스템으로서, 공기와 수소가 공급되어 전기를 생산하는 연료 전지 스택; 해수를 공급받아 청수를 생성하는 조수기; 조수기로부터 생성된 청수를 저장하는 청수 탱크; 청수 탱크로부터 공급된 청수를 탈이온화시키는 초순수 제조기; 초순수 제조기에 의하여 제조된 초순수를 연료 전지 스택으로 공급하는 펌프; 연료 전지 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급기를 포함하되, 공기 공급기로부터 공급되는 공기는 연료 전지 스택으로 공급되기 전에 청수 탱크를 지나도록 형성되며, 공기는 청수 탱크 내부에 저장된 청수에 의하여 공기 내의 수분에 함유된 염분이 상기 선박 주위 대기의 염분 함유량 보다 낮은 염분 함유량을 갖거나 또는 염분이 제거된 상태로 연료 전지 스택으로 공급된다.

Description

선박용 연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM FOR A SHIP }

본 발명은 선박용 연료 전지 시스템에 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 이동해 온 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.

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.

최근에는 이와 같은 연료 전지 시스템을 선박에 설치하여 선박을 운항하는 동안 전력 생산원으로 사용하고자 하는 시도가 이루어지고 있다. 그런데, 선박에 설치된 연료 전지 시스템으로 공급되는 공기는 해상에 존재하기 때문에 많은 염분을 포함하고 있어 연료 전지 시스템으로 염분이 많이 함유된 공기가 유입될 경우 공기 중 함유된 염분에 의하여 연료 전지가 손상을 입게 되는 문제점이 발생할 수 있다.

본 발명의 일 실시예는 선박에 설치될 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 연료 전지 스택으로 유입되는 공기의 염분이 제거되거나 염분 함유량이 낮게 형성될 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 선박에 설치되는 연료 전지 시스템으로서, 공기와 수소가 공급되어 전기를 생산하는 연료 전지 스택; 해수를 공급받아 순수를 생성하는 조수기; 상기 조수기로부터 생성된 순수를 저장하는 청수 탱크; 상기 청수 탱크로부터 공급된 청수를 탈이온화시키는 초순수 제조기; 상기 초순수 제조기에 의하여 제조된 초순수를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 펌프; 상기 연료 전지 스택으로 상기 공기를 공급하는 공기 공급기를 포함하되, 상기 공기 공급기로부터 공급되는 공기는 상기 연료 전지 스택으로 공급되기 전에 상기 청수 탱크를 지나도록 형성되며, 상기 공기는 상기 청수 탱크 내부에 저장된 청수에 의하여 상기 공기 내의 수분에 함유된 염분이 상기 선박 주위 대기의 염분 함유량 보다 낮은 함유량을 갖거나 또는 염분이 제거된 상태로 상기 연료 전지 스택으로 공급되는, 연료 전지 시스템이 제공된다.

이 때, 상기 공기는 상기 청수 탱크 내부의 청수 안으로 유입되며, 상기 청수 탱크 내부의 청수에 의하여 상기 공기 내의 수분에 함유된 염분이 희석됨으로써 공기 중의 염분이 제거될 수 있다.

한편, 상기 청수 탱크 내부의 상부측에는 상기 청수 탱크 내부의 청수가 분사되는 복수의 스프레이 노즐이 설치되며, 상기 공기는 상기 청수가 분사되는 청수 탱크 내부를 지나 유동하는 동안 상기 공기 내의 수분에 함유된 염분이 희석됨으로써 공기 중의 염분이 제거될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택으로 유입되는 공기에서 염분이 제거되거나 또는 염분 함유량이 낮게 형성될 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 부분 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 부분 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 시스템의 구성도이다. 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 부분 구성도이다. 이하 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 설명함에 있어 연료 전지 시스템의 일반적인 구성에 대한 상세한 설명은 생략하도록 하고, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 구성하기 위한 특유의 구성을 중심으로 발명의 일 실시예를 설명하도록 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)은 연료 전지 스택(14), 조수기(16), 청수 탱크(18), 초순수 제조기(20), 펌프(30), 공기 공급기(26)를 포함한다. 이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면 공기 공급기(26)로부터 공급되는 공기는 연료 전지 스택(14)으로 공급되기 전에 청수 탱크(18)를 지나도록 형성되며, 공기는 청수 탱크(18) 내부에 저장된 청수에 의하여 공기 내의 수분에 함유된 염분이 제거된 상태로 연료 전지 스택(14)으로 공급되도록 형성된다.

보다 상세히, 연료 전지 시스템(1)은 연료 탱크(10)로부터 공급된 연료 가스로부터 형성된 수소와 해수를 정제하여 생성한 초순수 및 공기로부터 형성된 산소를 연료 전지 스택(14)으로 공급하여 연료 전지 스택(14) 내부에서 전기 화학적 반응을 통하여 전기를 생성한다.

이 때, 도 1에서는 연료 탱크(10)로부터 펌프(12) 및 밸브(42)를 거쳐 연료 전지 스택(14)으로 연료 가스가 공급되는 구성이 도시되어 있는데, 이 때, 연료 전지 스택(14)으로 공급되는 연료 가스는 예를 들어, 도시 가스 또는 LNG 와 같이 선박 내에 탑재된 연료 탱크 내부에 저장된 가스일 수 있다.

이 때, 연료 탱크(10)로부터 연료 전지 스택(14)으로 공급되는 연료 가스는 도시되지 않은 탈황기에 의하여 연료 내의 황 물질이 제거된 후 해수를 정제하여 형성한 초순수와 혼합된 상태로 가습기를 거쳐 고온 상태로 예비 개질기 및 개질기를 거쳐 연료 전지 스택(14) 내부로 유입될 수 있다.

이 때, 연료 가스가 연료 전지 스택(14) 내부로 공급되는 과정은 이미 공지된 구성과 동일하게 이루어질 수 있는 바, 그에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

한편, 선박에 설치되는 연료 전지 시스템(1)에 있어서, 연료 전지 스택(14)으로 공급되는 초순수는 해수를 이용하여 생성된다.

보다 상세히, 도 1에 도시된 바와 같이, 선박 내에 설치된 펌프(15)에 의하여 해수가 선박 내부로 유입된 후, 조수기(16)에서 해수를 이용하여 청수를 생성한다.

이와 같이 조수기(16)에서 생성된 청수는 청수 탱크(18)에 저장되고, 청수 탱크(18)에 저장된 청수는 초순수 제조기(20), 예를 들어, EDI(electric de-ionizer)를 이용하여 초순수로 생성된다.

이와 같이 형성된 초순수는 도 1에 도시된 바와 같이, 초순수 저장 탱크(22)에 저장된다. 그 후, 초순수는 펌프(24) 및 밸브(42)를 거쳐 전술한 바와 같이 연료 전지 스택으로 공급되는데, 전술한 바와 같이, 초순수는 연료 가스와 홉합된 상태로 가습기를 거치고, 예비 개질기를 및 개질기를 거쳐 개질된 후 연료 전지 스택으로 공급될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)에서는 공기 공급기에서 연료 전지 스택(14)으로 공급되는 공기를 흡입하여 연료 전지 스택(14)으로 공급한다. 이 때, 공기 공급기(26)는 에어 블로워(air blower)일 수 있다.

공기 공급기(26)에 의하여 공급된 공기는 도 2에 도시된 바와 같이 펌프(30)에 의하여 공급관(32)을 통해 청수 탱크(18) 내부로 공급된다.

이 때, 청수 탱크(18) 내부로 공급된 공기는 청수 안으로 유입되며, 청수 안으로 유입된 공기는 공기 중의 수분에 함유된 염분이 청수 내에 희석되도록 형성된다. 이 때, 공급관(32)으로 공기가 이동하는 경우 청수가 공급관(32)을 통하여 역류하는 것을 방지하기 위하여 공급관(32)에는 역류 방지 밸브(미도시)가 설치될 수 있다.

청수 안에서 염분이 희석된 후, 공기는 청수 탱크(18)의 상부측으로 이동하여 청수 탱크로부터 배출관(34)을 통하여 배출된다. 그 후 배출관(34)을 통하여 배출된 공기는 연료 전지 스택(14)으로 공급된다.

선박에 사용되는 연료 전지 시스템(1)을 작동시키는 경우 연료 전지 스택(14)으로 공급되는 공기는 해상에 존재하는 공기로서, 공기 중에 존재하는 염분은 수분에 함유된 이온(Na+, Cl-)형태로 존재한다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)은 청수 탱크(18) 내부에 저장된 청수를 통과하면서 염분이 청수에 의하여 희석된 후 청수 탱크(18)를 나오기 때문에 공기가 염분을 함유하고 있지 않거나 염분을 함유하고 있더라도 선박 주위 대기의 공기가 함유하고 있는 염분의 함유량 보다 매우 낮은 함유량을 가지므로, 이와 같은 공기가 연료 전지 스택(14) 내부로 공급될 경우 해상의 공기 중에 함유된 염분에 의한 연료 전지 스택(14)의 손상을 방지 또는 최소화할 수 있다.

이 때, 도 1 및 도 2에는 도시되지 아니하였으나, 청수 탱크(18)로부터 나온 후 연료 전지 스택(14)으로 공급되는 공기는, 히터에 의하여 가열된 후, 연료 전지 스택(14)의 양극으로부터 나온 미반응 연료와 혼합되고, 촉매 연소기를 거쳐 음극으로 공급될 수 있다. 이와 같은 구성은 연료 전지 시스템(1)의 일반적인 구성이므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

한편, 연료 전지 스택(14) 내부에서는 연료 전지 스택(14)으로 공급된 연료 가스, 초순수 및 공기를 이용하여 전기를 생성하고, 남은 배기가스를 블로워(44)를 이용하여 펀넬(46)을 통하여 외부로 배출한다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(1)을 이용함으로써 선박 내에 설치되는 연료 전지 시스템(1)에서 공기 중에 염분이 다량으로 함유된 상태로 공기가 연료 전지 스택(14)으로 공급될 경우 발생될 수 있는 연료 전지 스택 내부의 손상이 방지될 수 있다.

도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 부분 구성도이다. 본 발명의 제 2 실시예를 설명함에 있어 제 1 실시예와 동일한 구성에 대하여는 상세한 설명을 생략하도록 하고 제 1 실시예와 구별되는 구성을 중심으로 제 2 실시예에 대하여 설명한다.

본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서는 제 1 실시예에서 청수 탱크 내부에 저장된 청수를 통과하면서 청수에 염분이 희석됨으로써 공기중의 염분이 제거된 것과 달리, 청수 탱크(18) 내부에 분사 노즐(19)을 설치하고, 분사 노즐(19)을 통하여 청수를 청수 탱크(18) 내부의 상부 측으로 분사하도록 구성된다.

이 때, 청수가 청수 탱크(18) 내부의 상부 측으로 분사되는 동안, 염분을 함유한 공기가 청수 탱크(18) 내부로 공급관(32)을 통하여 공급된 후 청수 탱크(18) 내부의 상부측을 지나도록 구성된다.

이와 같이 염분을 함유한 공기가 청수 탱크(18) 내부의 상부측을 지나면, 공기 내의 수분에 함유된 염분이, 청수 탱크(18) 내부의 상부측으로 분사된 청수 입자에 의하여 희석되며, 이에 따라 공기 중의 염분이 제거되거나 공기가 상기 선박 주위 대기의 염분 함유량 보다 낮은 염분 함유량을 갖도록 형성된다다.

이와 같은 공기는 배출관(34)을 통하여 청수 탱크(18) 밖으로 배출된 후 연료 전지 스택(14)으로 공급된다.

이 때, 도 3에는 도시되지 아니하였으나, 청수 탱크(18)로부터 나온 후 연료 전지 스택(14)으로 공급되는 공기는, 히터에 의하여 가열된 후 연료 전지 스택의 양극으로부터 나온 미반응 연료와 혼합되고, 촉매 연소기를 거쳐 음극으로 공급될 수 있다.

육상에서 사용되는 연료 전지 시스템의 경우에는 공기 중에 염분이 함유되어 있지 않기 때문에, 공기 공급기로부터 공급되는 공기의 염분을 제거하기 위한 염분 제거기가 필요하지 않다.

그러나, 해상과 같은 특수한 환경하에서는 연료 전지 스택으로 유입되는 공기 중의 염분 함유량이 연료 전지 시스템의 성능에 중요한 영향을 미칠 수 있으므로 본 발명의 여러 실시예에서와 같이 공기 중의 염분이 제거된 상태 또는 염분 함유량이 주위 대기보다 매우 낮은 상태로 연료 전지 스택으로 공급될 수 있도록 함으로써 해상에서 운항하는 선박의 내부에 설치된 연료 전지 시스템을 안정적으로 운전할 수 있다.

본 명세서에서, '선박'이라는 용어는 수상을 항해하는 구조물을 의미하는 것으로 한정되지 않으며, 수상에서 부유하며 작업을 수행하는 FLNG와 같은 해상 구조물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. 이 때, 본 실시 형태의 선박은 예를 들어, LNGC 또는 FLNG일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

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.

1 연료 전지 시스템 10 연료 탱크
12 15 30 펌프 14 연료 전지 스택
16 조수기 18 청수 탱크
19 분사 노즐 20 초순수 제조기
22 초순수 탱크 30 펌프
32 공급관 34 배출관

Claims (3)

1. 선박에 설치되는 연료 전지 시스템으로서,
   공기와 수소가 공급되어 전기를 생산하는 연료 전지 스택;
   해수를 공급받아 청수를 생성하는 조수기;
   상기 조수기로부터 생성된 청수를 저장하는 청수 탱크;
   상기 청수 탱크로부터 공급된 청수를 탈이온화시키는 초순수 제조기;
   상기 초순수 제조기에 의하여 제조된 초순수를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 펌프;및
   상기 연료 전지 스택으로 상기 공기를 공급하는 공기 공급기를 포함하되,
   상기 공기 공급기로부터 공급되는 공기는 상기 연료 전지 스택으로 공급되기 전에 상기 청수 탱크를 지나도록 형성되며,
   상기 공기는 상기 청수 탱크 내부에 저장된 청수에 의하여 상기 공기 내의 수분에 함유된 염분이 상기 선박 주위 대기의 염분 함유량 보다 낮은 염분 함유량을 갖거나 또는 염분이 제거된 상태로 상기 연료 전지 스택으로 공급되되,
   상기 공기는 상기 청수 탱크 내부의 청수 안으로 유입되며, 상기 청수 탱크 내부의 청수에 의하여 상기 공기 내의 수분에 함유된 염분이 희석됨으로써 공기 중의 염분이 제거되거나 또는 상기 선박 주위 대기의 염분 함유량 보다 낮은 함유량을 갖도록 형성되는 연료 전지 시스템.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 청수 탱크 내부의 상부측에는 상기 청수 탱크 내부의 청수가 분사되는 복수의 스프레이 노즐이 설치되며, 상기 공기는 상기 청수가 분사되는 청수 탱크 내부를 지나 유동하는 동안 상기 공기 내의 수분에 함유된 염분이 희석됨으로써 공기 중의 염분이 제거되거나 또는 상기 선박 주위 대기의 염분 함유량 보다 낮은 함유량을 갖도록 형성되는 연료 전지 시스템.

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