KR101454290B1 - Complex power generating system connected to the LNG Receiving terminal - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 LNG 인수기지와 연계된 복합발전시스템은, 액화천연가스 저장소나 LNG 운반선의 액화천연가스로부터 생성된 증발가스(Boil off Gas, BOG)를 공급받아 압축하는 압축기 및 상기 압축기로부터 공급받은 증발가스를 연료화시킨 후 연료전지장치의 애노드 전극에 공급하는 연료변환부를 포함한다.The combined power generation system associated with the LNG receiving station according to an embodiment of the present invention includes a compressor for receiving and compressing boil off gas (BOG) generated from liquefied natural gas of a liquefied natural gas reservoir or an LNG carrier, And a fuel converting unit for converting the evaporated gas supplied from the compressor into fuel and supplying the fuel to the anode electrode of the fuel cell apparatus.

Figure R1020120158641
Figure R1020120158641

Description

LNG 인수기지와 연계된 복합발전시스템{Complex power generating system connected to the LNG Receiving terminal}The complex power generation system connected to the LNG receiving terminal is connected to the LNG receiving terminal,

본 발명의 일실시예들은 LNG 인수기지에서 생성된 증발가스를 이용하는 복합발전시스템에 관한 것이다.One embodiment of the present invention relates to a combined power generation system using evaporative gas generated at an LNG receiving station.

연료전지장치는 친환경적인 에너지 장치로서, 화석 연료의 대안으로 현재 관심을 받고 있다. 연료전지장치는 화학적 에너지를 직접적으로 전기 에너지로 전환시키는 발전 장치로서, 수소를 포함하고 있는 연료가 지속적으로 공급됨과 동시에 산소가 포함된 공기가 지속적으로 공급되어 상기 공급된 수소와 산소의 전기화학적 반응을 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기 에너지로 직접 변환시킨다. Fuel cell devices are an environmentally friendly energy device and are currently attracting attention as an alternative to fossil fuels. The fuel cell device is a power generation device that directly converts chemical energy into electric energy. The fuel containing hydrogen is continuously supplied, and at the same time, the air containing oxygen is continuously supplied, and the electrochemical reaction To directly convert the energy difference before and after the reaction into electric energy.

또한, 현재 우리나라에서 사용되고 있는 천연가스는 해외로부터 수입될 때 저온의 액체상태(LNG)로 수입되어, 하역설비, 저장탱크, 압축기, 증발기 등의 설비를 거쳐 가압된 후, 공급관리소로부터 각 수용처에 적합한 압력으로 1차 감압되어 공급되고 있다. 이때, 액화천연가스 저장소에 저장된 액화천연가스가 기화되어 증발가스(Boil off Gas, BOG)가 되는데, 이러한 증발가스는 약 99%의 순도 높은 메탄을 함유한다. In addition, natural gas which is currently used in Korea is imported into a low-temperature liquid state (LNG) when it is imported from overseas, and is pressurized through facilities such as a cargo handling facility, a storage tank, a compressor and an evaporator, And is supplied at a first reduced pressure. At this time, the liquefied natural gas stored in the liquefied natural gas reservoir is vaporized into boil off gas (BOG), which contains about 99% of high purity methane.

따라서, LNG 인수기지에서 생성되는 증발가스를 연료전지장치의 연료로 사용할 수 있는 발전시스템이 고려될 수 있다.Therefore, a power generation system capable of using the evaporation gas generated at the LNG receiving station as the fuel of the fuel cell apparatus can be considered.

본 발명의 일 목적은 LNG 인수기지에서 생성되는 증발가스를 연료화하여 연료전지장치에 연료로서 공급하는 복합발전시스템을 제공하기 위한 것이다. It is an object of the present invention to provide a combined-cycle power generation system in which an evaporation gas generated at an LNG receiving station is fueled and supplied as fuel to a fuel cell apparatus.

이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 LNG 인수기지와 연계된 복합발전시스템은, 액화천연가스 저장소나 LNG 운반선의 액화천연가스로부터 생성된 증발가스(Boil off Gas, BOG)를 공급받아 압축하는 압축기 및 상기 압축기로부터 공급받은 증발가스를 연료화시킨 후 연료전지장치의 애노드 전극에 공급하는 연료변환부를 포함한다.In order to accomplish the object of the present invention, a combined power generation system connected to an LNG receiving station according to an embodiment of the present invention includes a boil off gas generated from a liquefied natural gas in a liquefied natural gas reservoir or an LNG carrier Gas, and BOG), and a fuel converting unit for converting the evaporated gas supplied from the compressor into fuel and supplying the fuel to the anode electrode of the fuel cell apparatus.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 연료변환부는, 상기 증발가스에 포함된 메탄과 외부로부터 공급되는 물을 반응시켜 수소와 이산화탄소를 형성할 수 있다.According to an example of the present invention, the fuel conversion unit may form hydrogen and carbon dioxide by reacting methane contained in the evaporated gas with water supplied from the outside.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 연료전지장치는, 외부로부터 이산화탄소와 산소를 공급받아 탄산 이온(CO3 2 -)으로 전환시켜 상기 애노드 전극에 공급하는 캐소드 전극을 포함할 수 있다.According to an example of the present invention, the fuel cell apparatus may include a cathode electrode that receives carbon dioxide and oxygen from the outside and converts the carbon dioxide into carbonic acid ions (CO 3 2 - ) to supply the carbon dioxide to the anode electrode.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 캐소드 전극에서 배출되는 열을 이용하여, 상기 애노드 전극으로 공급되는 연료를 가열하도록, 상기 연료변환부와 상기 애노드 전극 사이에 열교환부가 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a heat exchange unit may be formed between the fuel conversion unit and the anode electrode so as to heat the fuel supplied to the anode electrode using heat emitted from the cathode electrode.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 액화천연가스 저장소에서 액화천연가스 소비유닛까지 연결되는 공급라인 및 상기 공급라인의 증발기와 연결되고, 상기 캐소드 전극에서 배출되는 열을 이용하여 상기 증발기를 가열하는 순환라인을 더 포함할 수 있다.According to an example of the present invention, a supply line connected from the liquefied natural gas reservoir to a liquefied natural gas consumption unit and a heat exchanger connected to the evaporator of the supply line, and heating the evaporator using heat discharged from the cathode electrode And may further include a circulation line.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 순환라인은 상기 캐소드 전극에서 배출되는 열을 저장하는 열저장소를 더 포함하고, 상기 열저장소의 열이 상기 증발기를 가열하도록 상기 열저장소가 상기 증발기에 연결될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the circulation line further comprises a heat reservoir for storing heat discharged from the cathode electrode, and the heat reservoir can be connected to the evaporator so that heat of the heat reservoir heats the evaporator have.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 LNG 인수기지와 연계된 복합발전시스템은, LNG 인수기지에서 생성되는 증발가스를 연료화하여 연료전지장치에 연료로서 공급함으로써, LNG 인수기지와 연계된 복합발전시스템을 구축할 수 있다. The combined power generation system associated with the LNG receiving station according to at least one embodiment of the present invention configured as described above is characterized in that the evaporation gas generated at the LNG receiving station is fueled and supplied as fuel to the fuel cell apparatus, A combined combined power generation system can be constructed.

또한, 연료전지장치의 배열을 증발기에 공급함으로써, 전체 시스템의 효율을 높일 수 있다.Further, by supplying the arrangement of the fuel cell apparatus to the evaporator, the efficiency of the entire system can be increased.

그리고, 연료전지장치에 순도 높은 메탄을 공급하기 때문에 선개질기가 필요하지 않으며, 이에 따라 연료전지장치에 공급되는 연료를 가열하는 데 필요한 열교환기 등을 통합하여 사용할 수 있다. In addition, since a high purity methane is supplied to the fuel cell device, a line reformer is not required, and thus a heat exchanger and the like necessary for heating the fuel supplied to the fuel cell device can be integrally used.

이로 인해, 전체 시스템의 구축비용 뿐만 아니라 발전에 필요한 유지비용을 감소시킬 수 있다.This can reduce the construction cost of the entire system as well as the maintenance cost required for the power generation.

도 1은 본 발명의 실시예들과 관련하여 LNG가 LNG 인수기지에서 가스 소비처까지 LNG가 공급되는 흐름을 도시한 개념도.
도 2는 본 발명과 관련된 연료전지장치의 개념도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따르는 LNG 인수기지와 연계된 복합발전시스템의 개념도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따르는 LNG 인수기지와 연계된 복합발전시스템의 개념도.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a conceptual diagram showing the flow of LNG supplied from an LNG receiving station to a gas consuming point in connection with the embodiments of the present invention. FIG.
2 is a conceptual view of a fuel cell apparatus related to the present invention.
3 is a conceptual diagram of a combined power generation system associated with an LNG receiving station according to the first embodiment of the present invention;
4 is a conceptual diagram of a combined power generation system associated with an LNG receiving station according to a second embodiment of the present invention;

이하, 본 발명에 관련된 LNG 인수기지와 연계된 복합발전시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. Hereinafter, a combined power generation system associated with an LNG receiving station according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The suffix "module" and " part "for the components used in the following description are given or mixed in consideration of ease of specification, and do not have their own meaning or role. In the present specification, the same or similar reference numerals are given to different embodiments in the same or similar configurations. As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise.

도 1은 본 발명의 실시예들에 관련하여 LNG(Liquefied Natural Gas) 인수기지에서 가스 소비처까지 LNG가 공급되는 흐름을 도시한 개념도이다.1 is a conceptual diagram showing a flow of supplying LNG from a LNG (Liquefied Natural Gas) receiving station to a gas consuming point according to embodiments of the present invention.

도 1을 참조하면, LNG가 해상 부유구조물(110)(운반선, FSRU 등)에서 액화천연가스 저장소(120)에 공급되어 저장된다. 해상 부유구조물(110)이나 액화천연가스 저장소(120)에 저장된 액화천연가스는 기화되어 증발가스(Boil off Gas, BOG)가 될 수 있다. 이때, 증발가스는 액화천연가스 저장소(120) 내에서 자연적으로 기화되어 발생되는 자연증발가스(natural boiled off gas)와, 필요에 따라 강제적으로 기화시켜 발생시킨 강제증발가스(forced boiled off gas)로 구분될 수 있다.Referring to FIG. 1, an LNG is supplied to and stored in a liquefied natural gas reservoir 120 in a floating suspended structure 110 (carrier, FSRU, etc.). The liquefied natural gas stored in the floating structure 110 or the liquefied natural gas reservoir 120 may be vaporized and become a boil off gas (BOG). At this time, the evaporated gas is separated into a natural boiled off gas generated by naturally vaporizing in the liquefied natural gas reservoir 120 and a forced boiled off gas generated by forced vaporization if necessary Can be distinguished.

여기서 자연증발가스나 강제증발가스 중 일부는 저압 펌프(LP)를 통해 증발가스 재액화기(Recondenser, 122)에 공급될 수 있다. 그리고, 해상 부유구조물(110)이나 액화천연가스 저장소(120)에 저장된 액화천연가스 중 일부는 증발부(141)에 의해 강제증발될 수 있다. 이렇게 강제증발된 증발가스는 압축기(142)에 의해 압축된 후 상기 증발가스 재액화기(122)에 공급될 수 있다. Here, some of the natural evaporative gas and the forced evaporative gas may be supplied to the evaporative gas re-liquidator 122 through the low-pressure pump LP. Some of the liquefied natural gas stored in the floating structure 110 or the liquefied natural gas reservoir 120 can be forcibly evaporated by the evaporator 141. The forcedly evaporated gas may be compressed by the compressor 142 and then supplied to the evaporative gas re-liquidator 122.

증발가스 재액화기(122)에서 액화된 가스는 고압 펌프(HP)를 거쳐 해수식 증발기(Open rack vaporizer, 132)나 수중연소식 증발기(Submerged combustion vaporizer, 133)에 의해 기화된 후 가스계량설비(Metering station, 134)을 거쳐 가스 소비 유닛에 공급된다. The liquefied gas in the evaporation gas re-liquidator 122 is vaporized by a high pressure pump HP via an open rack vaporizer 132 or a submerged combustion vaporizer 133, Metering station 134 to the gas consumption unit.

이 때, 압축기(142)에 의해 압축된 증발가스는 양질의 메탄을 포함하고 있는데, 이러한 메탄은 연료전지장치(200)의 연료로 사용될 수 있다. 본 발명은 LNG 인수기지에서 생산되는 증발가스를 연료전지장치(200)의 연료로 사용하는 복합발전시스템에 관한 것으로써, 이하 연료전지장치(200)의 구성을 간략히 살펴본 후 본 발명의 실시예들에 따르는 LNG 인수기지와 연계된 복합발전시스템에 대하여 상세히 설명하기로 한다.At this time, the evaporated gas compressed by the compressor 142 contains high-quality methane, which can be used as fuel for the fuel cell apparatus 200. The present invention relates to a combined power generation system using evaporation gas produced at an LNG receiving station as fuel for a fuel cell device 200. Hereinafter, the configuration of the fuel cell device 200 will be briefly described, The combined power generation system linked to the LNG receiving terminal will be described in detail.

도 2는 본 발명과 관련된 연료전지장치(200)의 개념도이다. 2 is a conceptual diagram of a fuel cell apparatus 200 related to the present invention.

연료 전지의 종류는 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell), 알칼리 연료전지(Alkaline Fuel Cell), 고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell), 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell) 등 다양하다. 상기한 바와 같은 연료 전지 종류들은 연료적으로 같은 원리에 의해 작동하지만, 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 등에 따라 분류된다.The types of fuel cells include a phosphoric acid fuel cell, an alkaline fuel cell, a proton exchange membrane fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid oxide Fuel cell (Solid Oxide Fuel Cell), direct methanol fuel cell (Direct Methanol Fuel Cell). The fuel cell types as described above operate by the same principle as fuel, but they are classified according to the type of fuel used, the operating temperature, the catalyst, and the like.

이중에서 특히, 용융 탄산염 연료전지 (molten carbonate fuel cell, MCFC)는 650 ℃ 이상의 고온에서 운전되기 때문에 전기화학 반응속도가 빨라 전극 재료로 백금촉매 대신 니켈을 사용할 수 있으므로 경제성에서 유리하다.In particular, a molten carbonate fuel cell (MCFC) is operated at a high temperature of 650 ° C or higher, so that the electrochemical reaction rate is high, and nickel can be used instead of a platinum catalyst as an electrode material.

그리고 열회수 스팀 발생기(Heat Recovery Steam Generator)을 이용한 버터밍 사이클(Bottoming Cycle)을 적용할 경우, 양질의 고온 폐열을 회수해 사용하면 전체 발전 시스템의 열효율을 60% 이상으로 증가시킬 수 있다.In addition, when the bottoming cycle using the heat recovery steam generator is applied, the heat efficiency of the entire power generation system can be increased to 60% or more by recovering the high-temperature waste heat.

이와 함께 용융 탄산염 연료전지는 고온에서 운전되기 때문에, 전기 화학 반응이 일어나는 연료전지 스택 내부에서 연료 개질(Reforming) 반응을 동시에 진행시키는 내부 개질(Internal Reforming)형태의 채용이 가능하다는 장점이 있다. In addition, since the molten carbonate fuel cell is operated at a high temperature, it can be employed as an internal reforming type in which a fuel reforming reaction is simultaneously carried out in a fuel cell stack where an electrochemical reaction occurs.

이러한 내부 개질형 용융 탄산염 연료전지는 전기화학반응에서 발생하는 열을 별도의 외부 열교환기 없이 직접 흡열반응인 개질반응에 이용하기 때문에 외부개질형 용융 탄산염 연료전지 보다 전체 시스템의 열효율이 추가로 증가하는 동시에 시스템 구성이 간단해지는 장점을 갖는다.Since the internal reforming-type molten carbonate fuel cell utilizes the heat generated from the electrochemical reaction in the reforming reaction, which is a direct endothermic reaction without a separate external heat exchanger, the thermal efficiency of the entire system is further increased as compared with the externally reforming molten carbonate fuel cell And the system configuration is simplified at the same time.

연료전지장치(200)는 일정량의 연료를 공급하는 연료 공급부와 상기 연료 공급부의 연료를 공급받아 수소가스와 열을 포함하는 부산물을 발생시키는 개질기부와 상기 개질기부에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택부를 포함할 수 있다.The fuel cell apparatus 200 includes a fuel supply unit for supplying a certain amount of fuel, a reformer unit for generating a byproduct containing hydrogen gas and heat by receiving the fuel of the fuel supply unit, And a stack portion for generating electricity and heat by an electrochemical reaction of oxygen.

스택부는 개질기(210), 애노드 전극(220)과 전해질막(240) 그리고 캐소드 전극(230)을 포함하여 구성되는 단위 전지가 다수개 적층되어 이루어질 수 있다.The stack portion may be formed by stacking a plurality of unit cells including a reformer 210, an anode electrode 220, an electrolyte membrane 240, and a cathode electrode 230.

상기한 바와 같은 연료전지 모듈의 작동은 다음과 같다.The operation of the fuel cell module as described above is as follows.

먼저, 상기 연료 공급부에서 액화천연가스(일명; LNG) 또는 메탄(CH4) 성분을 포함한 연료와 물을 상기 개질기부에 공급하게 되면 그 개질기부에서 수증기 개질 반응(Steam Reforming) 및 수성 전이 반응(Water Gas Shift Reaction)이 복합적으로 일어나면서 수소가스와 반응열과 그리고 물을 포함하는 기타 부산물을 발생시키게 된다. First, when fuel and water containing liquefied natural gas (LNG) or methane (CH 4 ) are supplied to the reforming unit in the fuel supply unit, steam reforming and aqueous transfer reaction Water Gas Shift Reaction), which generates hydrogen gas, reaction heat and other by-products including water.

CH4 + 2H2O -> 4H2 + CO2 CH 4 + 2H 2 O - > 4H 2 + CO 2

그리고 상기 스택부에서는 상기 개질기부에서 공급되는 수소가스와 캐소드에 공급되는 산소 및 이산화탄소가 반응하여 탄산이온(CO3 2-)이 되고, 생성된 탄산이온(CO3 2 -)이 전기화학반응을 일으켜 전기와 열과 물을 발생시키게 된다. In the stack portion, hydrogen gas supplied from the reforming unit reacts with oxygen and carbon dioxide supplied to the cathode to form carbonate ions (CO 3 2- ), and the generated carbonate ions (CO 3 2 - ) undergoes an electrochemical reaction It generates electricity, heat and water.

상기 스택부를 구성하는 단위 전지에서 발생되는 전기화학반응을 보다 상세하게 설명하면, 먼저 상기 수소가스(H2)가 애노드 전극(Anode; 연료극, 220)측에 공급되어 탄산 이온(CO3 2 -)과 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 물과 이산화탄소 및 전자(e-)를 생성한다. First, the hydrogen gas (H 2 ) is supplied to the anode (anode) 220 side to form carbonic acid ions (CO 3 2 - ). And an electrochemical oxidation reaction takes place to produce water, carbon dioxide and electrons (e-).

H2 + CO3 2 - -> H2O + CO2 + 2e- H 2 + CO 3 2 - -> H 2 O + CO 2 + 2e -

그리고, 캐소드 전극(Cathode; 일명, 공기극, 230)에서는 외부로부터 공급되는 산소와 이산화탄소 및 전자가 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 탄산 이온(CO3 2 -), 반응열 및 물을 발생시키게 된다. 캐소드 전극(230)에서 생성된 탄산 이온은 캐소드 전극(230)과 애노드 전극(220) 사이에 위치하는 전해질막(240)의 전해질을 통하여 캐소드 전극(230)에서 애노드 전극(220)으로 이동하며, 애노드 전극(220)에서 생성된 전자는 외부회로를 경유하여 이동하면서, 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다. 이때 전해질은 평상시에는 고체 상태로 존재하다가 연료전지 시스템이 정상 운전될 경우에는 약 650℃까지 온도가 상승하게 되어 전해질은 액화된다.In the cathode electrode (aka, air electrode 230), oxygen, carbon dioxide, and electrons supplied from the outside generate an electrochemical reduction reaction to generate carbonate ions (CO 3 2 - ), reaction heat, and water. The carbonate ions generated in the cathode electrode 230 move from the cathode electrode 230 to the anode electrode 220 through the electrolyte of the electrolyte membrane 240 located between the cathode electrode 230 and the anode electrode 220, Electrons generated in the anode electrode 220 move through an external circuit while electric energy is generated by movement of electrons. At this time, the electrolyte is normally present in a solid state, but when the fuel cell system is operated normally, the temperature rises to about 650 ° C, and the electrolyte is liquefied.

(1/2)O2 + CO2 + 2e- -> CO3 2 - (1/2) O 2 + CO 2 + 2e - -> CO 3 2 -

여기서, CO2는 전기화학 반응 메커니즘에 의하여 전해질을 통해 캐소드 전극(230)에서 애노드 전극(220)으로 이동되어 농축된다.
Here, CO 2 is moved from the cathode electrode 230 to the anode electrode 220 through the electrolyte by an electrochemical reaction mechanism, and is concentrated .

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따르는 LNG 인수기지와 연계된 복합발전시스템의 개념도이다.3 is a conceptual diagram of a combined power generation system associated with an LNG receiving station according to the first embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 복합발전시스템은 연료전지장치(200)와 액화천연가스 저장소나 LNG 운반선과 같은 LNG 인수기지 내의 액화천연가스를 공급하는 장치들에서 생성된 증발가스(Boil off Gas, BOG)를 공급받아 압축하는 압축기(142)를 포함할 수 있다.3, the combined-cycle power generation system includes a boil-off gas (BOG) generated in devices for supplying liquefied natural gas in a LNG receiving station such as a fuel cell device 200, a liquefied natural gas storage, or an LNG carrier, And a compressor 142 for receiving and compressing the refrigerant.

그리고, 증발부(141)를 포함할 수 있는데, 증발부(141)는 앞서 설명한 바와 같이 액화천연가스 저장소(120)에서 액화천연가스를 공급받아 증발가스를 형성할 수 있다. 자연증발방식이나 강제증발방식에 의해 형성된 증발가스는 일차로 버퍼 탱크(143)에 저장되었다가 압축기(142)에 의해 일정 압력으로 압축된다. 압축된 가스는 연료변환부(150)에 공급될 수 있다. The evaporator 141 may be configured to receive the liquefied natural gas from the liquefied natural gas reservoir 120 to form the evaporation gas as described above. The evaporation gas formed by the natural evaporation system or the forced evaporation system is first stored in the buffer tank 143 and then compressed to a certain pressure by the compressor 142. The compressed gas may be supplied to the fuel conversion unit 150.

이와 달리 압축된 가스 중 일부만이 연료변환부(150)에 공급되고, 나머지는 증발가스 재액화기(122)에 공급될 수 있다. 이 때, 증발가스 재액화기(122)에서 액화된 가스는 고압 펌프를 거쳐 해수식 증발기(132)나 수중연소식 증발기(133)에 의해 기화된 후 가스계량설비(134)을 거쳐 가스 소비 유닛에 공급될 수 있다. Alternatively, only a part of the compressed gas may be supplied to the fuel conversion unit 150, and the remainder may be supplied to the evaporative gas re-liquidator 122. At this time, the liquefied gas in the evaporation gas re-liquidator 122 is vaporized by the seawater evaporator 132 or the underwater evaporator 133 via the high-pressure pump, and then is supplied to the gas consumption unit Can be supplied.

연료변환부(150)는 증발부(141)로부터 공급받은 증발가스를 연료화시킨 후 연료전지장치(200)의 애노드 전극에 공급한다. 여기서 연료화라고 함은, 증발가스에 포함된 메탄과 외부로부터 공급되는 물을 반응시켜 수소와 산소를 형성하는 것을 말한다. 즉, 연료변환부(150)는 연료전지장치(200)의 개질기부에 해당하는 역할을 하게 된다.The fuel converting unit 150 converts the evaporated gas supplied from the evaporator 141 into fuel and supplies the fuel to the anode electrode of the fuel cell apparatus 200. The term "fueling" as used herein refers to reacting methane contained in the evaporated gas with water supplied from the outside to form hydrogen and oxygen. In other words, the fuel converting unit 150 functions as a reforming unit of the fuel cell apparatus 200.

이와 같이, 본 발명은 LNG 저장소(121)나 LNG 운반선(110)에서 배출되는 증발가스에 포함된 순도 높은 메탄을 연료전지장치(200)에 공급하기 때문에 선개질기가 필요하지 않으며, 이에 따라 연료전지장치(200)에 공급되는 연료를 가열하는 데 필요한 열교환기등을 통합하여 사용할 수 있다. As described above, since the present invention supplies the high-purity methane contained in the vaporized gas discharged from the LNG storage 121 and the LNG carrier 110 to the fuel cell apparatus 200, a line reformer is not required, A heat exchanger necessary for heating the fuel supplied to the apparatus 200, and the like can be integrally used.

그리고, 연료전지장치(200)의 캐소드 전극은 외부로부터 이산화탄소와 산소를 공급받아 탄산 이온(CO3 2 -)으로 전환시켜 애노드 전극에 공급하고, 애노드 전극은 수소와 탄산 이온(CO3 2 -)을 반응시켜 전기에너지를 생산한다.The cathode electrode of the fuel cell device 200 is supplied with carbon dioxide and oxygen from the outside to convert it into carbonate ions (CO 3 2 - ) and supply it to the anode electrode. The anode electrode includes hydrogen and carbonate ions (CO 3 2 - ). To produce electrical energy.

이 때, 캐소드 전극에서는 배가스와 함께 배가스에 포함된 폐열이 배출된다. 이렇게 배출되는 폐열을 재이용하기 위하여 연료변환부(150)와 애노드 전극을 잇는 라인 상에 열교환부(250)가 형성된다. 폐열은 열교환부(250)에 공급되고, 열교환부(250)는 연료변환부(150)에서 애노드 전극으로 공급되는 연료를 가열한다. At this time, waste gas contained in the exhaust gas together with the exhaust gas is discharged from the cathode electrode. A heat exchange unit 250 is formed on the line connecting the fuel conversion unit 150 and the anode electrode to reuse the waste heat. The waste heat is supplied to the heat exchanging unit 250, and the heat exchanging unit 250 heats the fuel supplied from the fuel converting unit 150 to the anode electrode.

그리고, 폐열은 열교환부(250)를 거쳐 다시 열회수장치(Heat recovery unit, 160)에 공급된다. The waste heat is supplied to the heat recovery unit 160 through the heat exchange unit 250. [

열회수장치(160)는 증발기에 폐열을 공급하도록 순환되는 순환라인에 연결된다. 이 때, 순환라인은 액화천연가스 저장소(120)에서 액화천연가스 소비유닛(190)까지 연결되는 공급라인 상에 형성된 증발기(130)와 연결되어 증발기(130)에 열을 공급한다. 이러한 증발기(130)는 일 예로, 수중 연소식 증발기나 해수식 증발기가 될 수 있다. 이렇게 폐열을 재활용함으로써, 전체 시스템의 열효율을 상승시킬 수 있다. 그리고, 열회수장치(160)에서는 배가스가 적어도 일부 배출된다. 또한, 증발기(130)에 열을 공급하지 않을 때에는 폐열이 온수(Hot water)로서 배출될 수 있다. 이러한 온수는 각 열소비유닛에 공급될 수 있다.The heat recovery apparatus 160 is connected to a circulation line circulated to supply waste heat to the evaporator. At this time, the circulation line is connected to the evaporator 130 formed on the supply line connected from the liquefied natural gas reservoir 120 to the liquefied natural gas consumption unit 190 to supply heat to the evaporator 130. The evaporator 130 may be, for example, an underwater evaporator or a seawater evaporator. By recycling the waste heat in this manner, the thermal efficiency of the entire system can be increased. In the heat recovery apparatus 160, exhaust gas is at least partially discharged. Further, when no heat is supplied to the evaporator 130, waste heat can be discharged as hot water. This hot water can be supplied to each heat consumption unit.

앞서 설명한 바와 같이 공급라인은 액화천연가스 저장소(120)에서 고압 펌프를 거쳐 해수식 증발기(132)나 수중연소식 증발기(133)에 의해 기화된 후 가스계량설비(Metering station, 134)을 거쳐 가스 소비 유닛에 공급된다. 그리고, 부취화부(Odorizaton part, 140)가 가스계량설비(134)에 연결되어 액화천연가스 소비유닛(190)에 공급되는 가스에 부취제를 포함시킬 수 있다.
The supply line is vaporized in the liquefied natural gas reservoir 120 through the high pressure pump by the seawater evaporator 132 or the underwater evaporator 133 and then supplied to the gas And is supplied to the consuming unit. An odorizer part 140 may be connected to the gas metering facility 134 to include an odorant in the gas supplied to the liquefied natural gas consumption unit 190.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따르는 LNG 인수기지와 연계된 복합발전시스템의 개념도이다. 도 4에 도시된 LNG 인수기지와 연계된 복합발전시스템의 구성 중 도 3에 도시된 구성과 동일하거나 유사한 구성에 대해서는 도 3에 개시된 설명에 갈음하기로 한다.4 is a conceptual diagram of a combined power generation system associated with an LNG receiving station according to a second embodiment of the present invention. The configuration of the combined power generation system associated with the LNG receiving station shown in FIG. 4, which is the same as or similar to the configuration shown in FIG. 3, will be omitted from the description of FIG.

도 4를 참조하면, 복합발전시스템은 연료전지장치(200)와 LNG 인수기지에서 액화천연가스를 강제 증발시키는 증발부(141)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4, the combined power generation system may include a fuel cell apparatus 200 and an evaporator 141 for forcibly evaporating liquefied natural gas at an LNG receiving station.

증발부(141)는 LNG 운반선(110)이나 액화천연가스 저장소(120)에서 액화천연가스를 공급받아 증발가스를 형성한다. 형성된 증발가스는 일차로 버퍼 탱크(143)에 저장되었다가 압축기(142)에 의해 일정 압력으로 압축된다. 압축된 가스는 연료변환부(150)에 공급될 수 있다. The evaporator 141 receives the liquefied natural gas from the LNG carrier 110 or the liquefied natural gas reservoir 120 to form an evaporative gas. The formed evaporation gas is primarily stored in the buffer tank 143 and compressed to a certain pressure by the compressor 142. The compressed gas may be supplied to the fuel conversion unit 150.

캐소드 전극에서 배출된 배가스에 포함된 폐열은 열교환부(250)를 거쳐 열회수장치(Heat recovery unit, 160)에 공급된다. The waste heat contained in the exhaust gas discharged from the cathode electrode is supplied to the heat recovery unit 160 through the heat exchange unit 250.

열회수장치(160)는 증발기에 폐열을 공급하도록 순환되는 순환라인에 연결된다. 이 때, 순환라인은 액화천연가스 저장소(120)에서 액화천연가스 소비유닛(190)까지 연결되는 공급라인 상에 형성된 증발기(133)와 연결되어 증발기(133)에 열을 공급한다. 다만, 앞선 실시예와 달리 본 발명에 따르는 순환라인은 열저장소(Thermal storage tank, 170)를 포함한다. 증발기(133)에 열을 공급하지 않을 때 열저장소(170)에 지속적으로 폐열이 공급되어 일정온도를 유지하게 된다. 그리고, 증발기(133)를 구동시킬 때에는 열저장소(170)로부터 공급되는 열을 이용하게 된다. 이로 인하여, 시스템의 열효율을 높일 수 있다.The heat recovery apparatus 160 is connected to a circulation line circulated to supply waste heat to the evaporator. At this time, the circulation line is connected to the evaporator 133 formed on the supply line connected from the liquefied natural gas reservoir 120 to the liquefied natural gas consumption unit 190 to supply heat to the evaporator 133. However, unlike the previous embodiments, the circulation line according to the present invention includes a thermal storage tank 170. When heat is not supplied to the evaporator 133, waste heat is continuously supplied to the heat storage 170 to maintain a constant temperature. When the evaporator 133 is driven, heat supplied from the heat storage 170 is used. As a result, the thermal efficiency of the system can be increased.

상기와 같이 설명된 LNG 인수기지와 연계된 복합발전시스템은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.The combined power generation system associated with the LNG receiving station described above can be applied to all or some of the embodiments so that various modifications can be made to the embodiments and methods of the embodiments described above, May be selectively combined.

Claims (6)

액화천연가스로부터 생성된 증발가스(Boil off Gas, BOG)를 공급받아 압축하는 압축기; 및
상기 압축기로부터 공급받은 증발가스를 연료화시킨 후 연료전지장치의 애노드 전극에 공급하는 연료변환부를 포함하고,
상기 연료변환부는, 상기 증발가스에 포함된 메탄과 외부로부터 공급되는 물을 반응시켜 수소와 이산화탄소를 형성하고,
상기 연료전지장치는, 외부로부터 이산화탄소와 산소를 공급받아 탄산 이온(CO3 2-)으로 전환시켜 상기 애노드 전극에 공급하는 캐소드 전극을 포함하며,
상기 캐소드 전극에서 배출되는 열을 이용하여, 상기 애노드 전극으로 공급되는 연료를 가열하도록, 상기 연료변환부와 상기 애노드 전극 사이에 열교환부가 형성되고,
액화천연가스 저장소에서 액화천연가스 소비유닛까지 연결되는 공급라인; 및
상기 공급라인의 증발기와 연결되고, 상기 캐소드 전극에서 배출되는 열을 이용하여 상기 증발기를 가열하는 순환라인을 더 포함하며,
상기 순환라인은 상기 캐소드 전극에서 배출되는 열을 저장하는 열저장소를 더 포함하고, 상기 열저장소의 열이 상기 증발기를 가열하도록 상기 열저장소가 상기 증발기에 연결되는 것을 특징으로 하는 LNG 인수기지와 연계된 복합발전시스템.
A compressor for receiving and compressing boil off gas (BOG) generated from liquefied natural gas; And
And a fuel converting unit for converting the evaporated gas supplied from the compressor into fuel and supplying the fuel to the anode electrode of the fuel cell apparatus,
Wherein the fuel conversion unit reacts methane contained in the evaporation gas with water supplied from outside to form hydrogen and carbon dioxide,
The fuel cell apparatus includes a cathode electrode that receives carbon dioxide and oxygen from the outside and converts the carbon dioxide into carbonic acid ions (CO 3 2- ) to supply the carbonic acid ions to the anode electrode,
A heat exchange portion is formed between the fuel conversion portion and the anode electrode so as to heat the fuel supplied to the anode electrode using the heat discharged from the cathode electrode,
A feed line from the liquefied natural gas reservoir to the liquefied natural gas consumption unit; And
And a circulation line connected to the evaporator of the supply line and heating the evaporator using heat discharged from the cathode electrode,
Characterized in that the circulation line further comprises a heat reservoir for storing heat discharged from the cathode electrode and the heat reservoir is connected to the evaporator so that the heat of the heat reservoir heats the evaporator. Combined power generation system.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004119098A (en) * 2002-09-25 2004-04-15 Matsushita Electric Works Ltd Fuel cell power generating system
KR20120065042A (en) * 2010-12-10 2012-06-20 삼성중공업 주식회사 Fuel cell system and ship having the same
KR20120133510A (en) * 2011-05-31 2012-12-11 삼성중공업 주식회사 Fuel cell generating system and ship having the same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004119098A (en) * 2002-09-25 2004-04-15 Matsushita Electric Works Ltd Fuel cell power generating system
KR20120065042A (en) * 2010-12-10 2012-06-20 삼성중공업 주식회사 Fuel cell system and ship having the same
KR20120133510A (en) * 2011-05-31 2012-12-11 삼성중공업 주식회사 Fuel cell generating system and ship having the same

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106021687A (en) * 2016-05-13 2016-10-12 中国石油大学(华东) Planar arrangement method for marine modular LNG receiving terminal
CN106021687B (en) * 2016-05-13 2019-02-22 中国石油大学(华东) A kind of sea Modular L NG receives the horizontal layout method of terminal

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