KR101788743B1 - 선박용 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지를 이용하여 전기에너지를 얻는 선박용 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박에 적용하기 위한 연료전지 시스템에 반응수를 이용하여 연료전지 시스템의 효율을 증대시키는 선박용 연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 선박용 연료전지 발전시스템에 따르면, 연료, 공기 및 물을 공급받고, 상기 물을 기화시켜 상기 연료와 혼합하고, 상기 혼합된 연료로부터 수소를 생산하고, 상기 수소와 상기 공기의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지를 구비하는 연료전지 시스템에 있어서, 해수에 대해 담수화 과정 및 용존이온 제거과정을 거치도록 하여 생산되는 상기 물을 방향조절밸브(250)로 공급하는 해수공급부(300);상기 연료전지(700)에서 배출되는 배기가스에 존재하는 물(반응수)을 회수하여 상기 방향조절밸브(250)로 공급하는 반응수회수부(200);상기 해수공급부(300) 또는 상기 반응수회수부(200) 중 어느 하나 이상에서 공급되는 상기 물의 공급방향을 전환하는 방향조절밸브(250); 및 상기 방향조절밸브(250)에 의해 진행방향이 전환되는 상기 물을 공급받아 기화시켜 수증기로 만들고, 상기 수증기 및 상기 연료를 혼합하는 가습기(500);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

선박용 연료전지 시스템{Fuel cell system for ship}
본 발명은 연료전지를 이용하여 전기에너지를 얻는 선박용 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박에 적용하기 위한 연료전지 시스템에 반응수를 이용하여 연료전지 시스템의 효율을 증대시키는 선박용 연료전지 시스템에 관한 것이다.
에너지는 우리의 일상 생활에 있어서 의식주와 같이 없어서는 안될 중요한 요소이며, 산업 및 경제발전의 주요한 원동력이 되고 있다. 따라서 인류의 지속적인 성장과 발전을 위해서는 에너지 자원의 원활한 공급이 필수조건이 된다고 볼 수 있다.
인류가 사용하고 있는 에너지 중 대부분은 화석연료로부터 얻고 있으나, 이러한 화석연료의 매장량은 제한되어 있고, 화석연료의 사용은 대기오염 및 산성비, 지구 온난화 등의 환경에 심각한 영향을 미치고 있으며, 에너지 효율도 낮은 문제점이 있다.
이러한 화석연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 근래에는 연료전지 시스템이 개발되고 있는데, 연료전지는 기존의 화석연료에 비해 대기오염물질 배출이 적으며, 높은 효율로 인해 연료소비도 적고, 낮은 소음 및 진동으로 안정성 또한 높아 많은 연구개발이 이루어지고 있다.
연료전지(fuel cell)는 LNG(액화천연가스), LPG(액화석유가스), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 가솔린 등의 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이며, 공기극(cathode)에는 산화제인 산소의 환원반응, 연료극(anode)에는 연료인 수소의 산화반응이 일어나는 전기화학반응이 진행되어 전기, 열, 물 등을 발생시킨다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질막형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류되며, 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 연료전지의 적정운전 온도범위, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이러한 연료전지의 작동온도범위를 살펴보면, 인산형 연료전지는 150~200℃에서 작동하며, 용융탄산염형 연료전지는 600~700℃에서 작동하며, 고체산화물형 연료전지는 1000℃ 이상의 온도에서 작동하며, 고분자전해질막형 연료전지는 상온 내지 100℃ 이하의 온도에서 작동한다.
이러한 연료전지는 현재 소형 구조물인 전기자동차에 대해서는 적용이 이루어지고 있으나, 대형 구조물인 선박에서는 요구되는 발전출력도 상대적으로 커서 그에 따른 관련 설비가 대형화되고, 고비용이 되어 저비용으로 발전효율을 향상시키는 방안들에 대해 많은 연구가 되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 연료전지 시스템을 선박에 적용하면서 일부 장비의 유지보수의 필요성을 현저히 감소시키고, 효율성이 높은 선박용 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 연료, 공기 및 물을 공급받고, 상기 물을 기화시켜 상기 연료와 혼합하고, 상기 혼합된 연료로부터 수소를 생산하고, 상기 수소와 상기 공기의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지를 구비하는 연료전지 시스템에 있어서, 해수에 대해 담수화 과정 및 용존이온 제거과정을 거치도록 하여 생산되는 상기 물을 방향조절밸브(250)로 공급하는 해수공급부(300);상기 연료전지(700)에서 배출되는 배기가스에 존재하는 물(반응수)을 회수하여 상기 방향조절밸브(250)로 공급하는 반응수회수부(200);상기 해수공급부(300) 또는 상기 반응수회수부(200) 중 어느 하나 이상에서 공급되는 상기 물의 공급방향을 전환하는 방향조절밸브(250); 및 상기 방향조절밸브(250)에 의해 진행방향이 전환되는 상기 물을 공급받아 기화시켜 수증기로 만들고, 상기 수증기 및 상기 연료를 혼합하는 가습기(500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템을 제공한다.
상기 반응수회수부(200)의 전단에 설치되어, 상기 연료전지에서 배출되는 고온의 배기가스를 이용하여 상기 해수공급부(300)로부터 공급되는 담수를 기화시켜 스팀으로 만드는 폐열회수 스팀발생기(800);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 가습기(500)의 전단에 설치되어, 상기 가습기(500)로 공급되는 상기 연료를 일정한 온도범위로 가열시키는 연료히터(410); 및 상기 연료전지(700)로 공급되는 상기 공기를 일정한 온도범위로 가열시키는 공기히터(120);를 더 포함하되;상기 스팀은 상기 연료히터(410) 또는 상기 공기히터(120) 중 어느 하나 이상에 가열 열원으로 사용되는 것;을 특징으로 한다.
상기 열원으로 제공된 상기 스팀은 담수공급라인(1003)을 통해 상기 폐열회수 스팀발생기(800)로 회수되는 것;을 특징으로 한다.
상기 해수공급부(300)는, 상기 선박의 선체에 설치되어 해수를 취수하는 시체스트(310);상기 취수된 해수를 공급받아 담수로 변화시키는 조수기(320); 및 상기 담수를 공급받아 불순물이 제거된 상태인 상기 물로 변화시키는 순수기(330);을 특징으로 한다.
상기 반응수회수부(200)는, 상기 폐열회수 스팀발생기(800)로부터 공급받은 배기가스를 응축시켜 물(반응수)을 분리해내는 응축기(201); 및 상기 응축기(201)로부터 분리된 물(반응수)을 공급받아 저장하는 반응수저장탱크(202);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 연료, 공기 및 물을 공급받고, 상기 물을 기화시켜 상기 연료와 혼합하고, 상기 혼합된 연료로부터 수소를 생산하고, 상기 수소와 상기 공기의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지를 구비하는 연료전지 시스템에 있어서, 해수에 대해 담수화 과정 및 용존이온 제거과정을 거치도록 하여 생산되는 상기 물 또는 상기 연료전지에서 배출되는 고온의 배기가스에서 회수되는 물(반응수) 중 어느 하나 이상을 연료전지 측으로 공급될 수 있도록 공급방향을 전환하는 방향조절밸브(250);를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템.
상기 고온의 배기가스를 이용하여 상기 불순물이 제거된 물을 기화시켜 스팀으로 만드는 폐열회수 스팀발생기(800);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 폐열회수 스팀발생기(800)로부터 공급받은 배기가스를 응축시켜 반응수를 분리해내는 응축기(201); 및 상기 응축기(201)로부터 분리된 반응수를 공급받아 저장하는 반응수저장탱크(202);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 스팀은 상기 연료전지(700) 측으로 공급되는 상기 연료 및 공기를 일정한 온도범위로 가열시킨 후 담수공급라인(1003)을 통해 상기 폐열회수 스팀발생기(800)로 회수되는 것;을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 시스템을 선박에 적용함으로써, CO2, NOx, SOx 및 분진배출을 획기적으로 줄일 수 있다.
또한, 연료전지에서 배출되는 고온·고압의 배기가스를 활용하여 반응수를 가습기에 공급되는 물로 사용함으로써 조수기 및 순수기 등의 운전비용 및 유지보수비용을 절감할 수 있다.
또한, 조수기 및 순수기의 사용빈도가 적어 설비들의 고장위험성이 현저히 낮아지므로 설비들을 병렬로 구성할 필요가 없게 되어 연료전지 시스템의 제작비용을 줄일 수 있다.
또한, 연료전지에서 배출되는 고온·고압의 배기가스를 활용하여 연료와 공기를 예열하고 기타 선박의 스팀 수요처에 스팀을 공급함으로써 에너지 효율을 높일 수 있다.
또한, 선박에서 발생하는 진동과 소음을 줄여 비닉성 및 높은 안정성을 달성할 수 있다. .
또한, 연료로서 선박의 화물인 원유 및 천연가스 등을 활용할 수도 있어 연료비 절감의 효과도 있다.
또한, 연료전지 시스템은 모듈단위로 설계를 할 수 있어 선박설계에 유연성을 주고, 공간활용도도 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템을 탑재하고 있는 선박을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템을 구체적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
본 발명의 선박은 연료전지 시스템이 장착된 선박이라면, 그 명칭을 불구하고 어떠한 선박에도 적용될 수 있으며, LNG 운반선, LPG 운반선, LNG FPSO, 원유운반선, 컨테이너 운반선, 광석 운반선, 살물선, 여객선, 자동차 운반선 등 다양한 선종에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템을 탑재하고 있는 선박을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템을 구체적으로 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템(1)은 일시시예로서, 도 2에 도시된 바와 같이 연료, 공기 및 물을 공급받고, 상기 물을 기화시켜 상기 연료와 혼합하고, 상기 혼합된 연료로부터 수소를 생산하고, 상기 수소와 상기 공기의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지를 구비하는 연료전지 시스템으로서, 해수공급부(300), 반응수회수부(200), 방향조절밸브(250), 가습기(500)로 구성될 수 있다.
상기 연료전지 시스템(1)은 외부공기를 공급받아 상기 연료연지(700)의 공기극(cathode)으로 외부공기를 공급하는 데, 도 2 또는 도 3에서는 외부공기를 상기 연료전지 시스템(1)으로 공급하는 장치의 일예로서 공기공급부(100)를 도시하였다.
외부공기를 상기 연료전지(700)로 공급할 수 있는 장치로 구성된다면 그 명칭에 불구하고 공기공급부(100)를 형성할 수 있고, 바람직하게는 송풍기(110), 공기히터(120)로 구성될 수 있다.
상기 송풍기(110)는 상기 공기가 상기 연료전지(700)로 공급될 수 있도록 상기 공기를 상기 연료전지(700)로 공급하는 공기공급라인(1001)에 압력을 가해준다.
상기 공기히터(120)는 상기 연료전지(700)로 공급되는 공기를 일정한 온도범위로 가열시키는 장치이며, 상기 연료전지(700)로 공급되는 공기에 열원을 공급하기만 한다면 배치 위치는 어디라도 무방하나, 상기 송풍기(110)의 후단에 배치하는 것이 바람직하다.
이는 상기 연료전지(700)의 작동온도범위에 적합한 온도로 가열된 공기가 상기 연료전지(700)로 공급되어야 발전효율이 높아지므로 상기 연료전지(700)의 작동온도범위에 적합하도록 맞춰진 공기가 외부의 영향으로 온도가 내려가는 것을 막기 위함이며, 그 결과 상기 송풍기(110)를 통과한 공기에 열원을 가하는 것이다.
상기 연료전지 시스템(1)은 연료를 공급받아 상기 연료연지(700)의 연료극(anode) 측으로 공급될 수 있도록 하는데, 도 2 또는 도 3에서는 상기 연료를 공급하는 장치의 일예로서 연료공급부(400)를 도시하였다.
상기 연료공급부(400)는 탄화수소를 포함하는 연료를 상기 가습기(500)로 공급하며, 이러한 연료에는 액화연료가스(LNG(액화천연가스), LPG(액화석유가스) 등), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 가솔린 등의 탄화수소 계열의 연료를 포함한다.
상기 연료공급부(400)는 연료히터(410)를 포함할 수 있는데, 상기 연료히터(410)는 상기 가습기(500) 전단에 설치되어 상기 가습기(500)로 공급되는 연료를 일정한 온도범위로 가열시키는 장치이며, 연료히터(410)에 의해 상기 연료전지(700)의 작동온도에 적합한 온도범위로 가열된 연료를 상기 연료전지(700)로 공급하여야 발전효율이 높아지므로 상기 연료전지(700)의 작동온도범위에 맞도록 상기 연료를 가열시키기 위함이다.
상기 연료전지(700)의 작동온도범위는 사용되는 전해질의 종류에 따라 다르나, 예를 들면 인산형 연료전지는 150~200℃, 용융탄산염형 연료전지는 600~700℃, 고체산화물형 연료전지는 1000℃ 이상, 고분자전해질막형 연료전지는 상온 내지 100℃ 이하의 온도에서 작동한다.
해수공급부(300)는 해수에 대해 담수화 과정 및 용존이온 제거과정을 거치도록 하여 생산되는 상기 물을 방향조절밸브(250)로 공급하며, 전기전도도를 낮춰 연료전지(700)의 발전효율을 높이기 위해 담수화 및 용존이온제거 작업을 한다.
상기 해수공급부(300)는 바람직하게는 시체스트(310, seachest), 조수기(320), 순수기(330)로 구성될 수 있다.
시체스트(310)는 상기 선박의 선체에 설치되어 해수를 취수할 수 있도록 하는 해수 취수구를 의미하며, 이는 선체의 다양한 곳에 설치될 수 있고, 시체스트(310)에서 취수된 해수는 선박 내부에 해수가 필요한 다양한 장소로 공급될 수 있다. 특히 연료전지 시스템에 사용하는데 적합하도록 해수에 다양한 처리를 하는 설비들로 공급될 수 있다.
상기 시체스트(310)에서 취수된 해수는 해수공급라인(1002)을 통해서 해수가 필요한 선박 내 각종 장소로 공급될 수 있으며, 후술할 조수기(320)로도 공급될 수 있다.
조수기(320)는 상기 취수된 해수를 해수공급라인(1002)을 통해 공급받아 담수로 변화시킨다. 이는 해수를 직접 연료전지 시스템(1)으로 공급하는 경우 정밀한 연료전지 시스템의 각종 장비들에 손상을 가하므로 해수를 담수화시킬 필요가 있기 때문에 해수를 담수화시킨다.
담수화된 해수는 담수공급라인(1003)을 통해 담수가 필요한 선박내 각종 장소로 공급될 수 있으며, 후술할 순수기(330)로도 공급될 수 있다.
순수기(330)는 상기 담수를 담수공급라인(1003)을 통해 공급받아 용존이온이 제거된 상기 물로 변화시키며, 상기 순수기(330)에 의해 상기 담수 내의 용존 이온이 제거되어 순수(純水)에 가깝게 될 수 있다.
이는 연료전지(700) 내로 공급되는 물이 전기전도도가 낮아야 연료전지(700) 내부의 수소이온이 연료극(anode)으로부터 공기극(cathode)으로 쉽게 이동할 수 있게 되어 발전효율이 높아지므로 상기 담수 내의 전기전도도를 낮추도록 상기 담수내의 용존 이온을 저감시키는 것이다.
상기 순수기(330)로부터 나오는 상기 물은 물공급라인(1004)을 통해 선박 내 각종 장소로 공급될 수 있으며, 후술할 방향조절밸브(250)로도 공급될 수 있다.
반응수회수부(200)는 상기 연료전지(700)에서 배출되는 배기가스에 존재하는 물(반응수)을 회수하여 상기 방향조절밸브(250)로 공급하며, 배기가스라인(1007)을 통해 상기 연료전지로부터 배출되는 배기가스를 공급받는다.
상기 반응수회수부(200)는 바람직하게는 응축기(201), 반응수저장탱크(202)로 구성될 수 있다.
상기 응축기(201)는 상기 폐열회수 스팀발생기(800)로부터 공급받은 배기가스 속에 포함된 반응수를 응축시켜 반응수를 분리해 내고, 반응수저장탱크(202)는 상기 응축기(201)로부터 분리된 반응수를 공급받아 저장한다.
방향조절밸브(250)는 상기 해수공급부(300) 또는 상기 반응수회수부(200) 중 어느 하나 이상에서 공급되는 상기 물의 공급방향을 전환한다.
상기 방향조절밸브(250)의 유로는 3개여야 하므로 3방향 조절밸브 또는 2방향 조절밸브 2개 등 어떠한 형태의 밸브를 사용할 수 있으며, 어느 일방의 유로를 닫아 타방의 유로를 통해서만 상기 물을 흘러가도록 구성된다. 따라서, 도 2 또는 도 3에서는 상기 방향조절밸브(250)에 의해 상기 해수공급부(300) 또는 상기 반응수회수부(200) 중 어느 하나 이상에서 공급되는 상기 물이 가습기(500)로 흐를 수 있게 된다.
즉, 상기 연료전지 시스템(1)의 초기 구동시에는 상기 연료전지로부터 배출되는 배기가스가 없으므로 상기 해수공급부(300)로부터 공급되는 상기 물이 상기 방향조절밸브(250)로 공급되고, 상기 방향조절밸브(250)는 상기 물을 가습기(500)로 공급하여 연료전지에서 발전이 가능하도록 한다.
그러나, 상기 연료전지 시스템(1)이 구동 중에는 상기 연료전지(700)로부터 배기가스가 배출되므로 상기 반응수회수부(200)가 배기가스로부터 반응수를 회수할 수 있고, 그 결과 회수된 반응수를 상기 방향조절밸브(250)가 공급받아 상기 가습기(500)로 공급할 수 있으므로 상기 해수공급부(300)와 연결된 유로를 닫고, 상기 반응수회수부(200)로부터 공급되는 물로 발전이 이루어지도록 한다.
이로써 상기 해수공급부(300)를 사용하지 않아도 발전이 가능하므로 해수공급부(300)를 구성하는 여러 장치들의 소모가 적어 고장 발생률이 감소하게 되고 운전 및 유지보수 비용이 절감된다.
가습기(500)는 상기 방향조절밸브(250)에 의해 진행방향이 전환되는 상기 물을 공급받아 기화시켜 수증기로 만들고, 상기 수증기 및 상기 연료를 혼합한다. 이는 상기 수증기와 혼합된 상기 연료의 수분의 함량을 운전조건에 따라 적절히 조절하여 최적의 가습조건을 형성시켜 후술할 개질기(600)에서 수소를 생성하는데 도움을 주기 위함이다.
또한, 상기 가습기(500)는 상기 연료전지(700)에서 배출되는 고온의 배기가스를 공급받아 상기 물을 기화시켜 수증기로 만드는데 필요한 열원으로 사용할 수도 있으며(미도시), 이는 배기가스의 폐열을 활용하여 에너지 효율을 높일 수도 있을 것이다.
상기 연료전지 시스템(1)은 상기 수소를 생산하는 장치인 개질기(reformer, 600)를 포함하고 있는데, 개질기(reformer, 600)는 상기 가습기(500)로부터 상기 수증기와 혼합된 상기 연료를 받아 열 에너지에 의한 화학촉매 반응을 거쳐 상기 연료에 포함된 탄화수소로부터 상기 수소를 생산하고, 상기 수소를 상기 연료전지(700)로 공급한다.
상기 개질기(600)는 연료공급라인(1006)을 통해 상기 수증기와 혼합된 상기 연료를 공급받으며, 상기 개질 과정에서 열이 발산되는 경우에는 발산되는 열로 상기 연료를 가열하도록 할 수도 있다.
연료전지(700)는 상기 연료전지 시스템에 공기를 공급하는 공기공급부(100)로부터 공급받은 공기에 포함되어 있는 산소와 상기 수소의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산한다.
상기 연료전지(700)에서의 전기화학적 반응에 의해 고온의 가스도 발생하게 되는데, 이는 배기가스라인(1007))을 통해 외부로 배출시킬 수 있으나, 폐열회수 스팀발생기(800)으로 공급하여 고온의 폐열을 회수하도록 할 수도 있다.
상기 연료전지(700)는 원하는 발전출력을 얻기 위해 단위전지를 수십장, 수백장 직렬로 쌓아 올려 단위모듈형식으로 제작할 수도 있다.
또한, 상기 연료전지 시스템(1)에는 폐열회수 스팀발생기(800)를 추가 설치할 수 있다.
폐열회수 스팀발생기(800)는 상기 반응수회수부(200)의 전단에 설치되어, 상기 연료전지에서 배출되는 고온의 배기가스를 이용하여 상기 해수공급부(300)로부터 담수공급라인(1003)을 통해 공급되는 담수를 기화시켜 스팀으로 만들어, 상기 공기 또는 상기 연료 중 어느 하나 이상을 가열하는 열원으로 사용되도록 하고, 폐열이 회수된 상기 배기가스는 상기 반응수회수부(200)로 보내지게 된다.
즉, 상기 스팀은 스팀공급라인(1008)을 통해 상기 공기공급부(100) 또는 상기 연료공급부(400) 중 어느 하나 이상으로 보내어 상기 연료 또는 상기 공기 중 어느 하나 이상을 가열하게 되고, 상기 연료공급부(400) 또는 상기 공기공급부(100)를 통과하면서 냉각되어 담수로 변화된 스팀은 담수공급라인(1003)을 통해 다시 상기 폐열회수 스팀발생기(800)으로 회수된다. 이 때, 여분의 스팀은 스팀공급라인(1008)을 추가로 설치하여 선박 내에 별도의 스팀 수요처-예를 들어 온수 나 냉·난방용 보일러 등-로 보내어 이용할 수도 있을 것이다.
본 발명인 선박용 연료전지시스템은 연료, 공기 및 물을 공급받고, 상기 물을 기화시켜 상기 연료와 혼합하고, 상기 혼합된 연료로부터 수소를 생산하고, 상기 수소와 상기 공기의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지를 구비하는 연료전지 시스템에 있어서, 해수에 대해 담수화 과정 및 용존이온 제거과정을 거치도록 하여 생산되는 상기 물 또는 상기 연료전지에서 배출되는 고온의 배기가스에서 회수되는 물(반응수) 중 어느 하나 이상을 연료전지 측으로 공급될 수 있도록 공급방향을 전환하는 방향조절밸브(250)를 포함할 수 있고, 응축기(201)와 반응수저장탱크(202)를 포함하는 폐열회수 스팀발생기(800)를 더 포함할 수 있다.
상기의 각 구성품의 상세한 내용은 상술한 바와 동일하므로 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템(1)의 작용에 대해 본 발명의 일시시예인 도 2 또는 도 3을 기준으로 설명한다.
외부공기가 송풍기(110)에 의해 공급되면, 공기히터(120)에 의해 가열된 후 연료전지의 공기극(cathode)으로 공급된다.
선박의 선체에 설치되는 시체스트(210)에서 취수된 해수는 해수공급라인(1002)을 통해 조수기(320)로 공급되어 담수로 변화되고, 담수는 담수공급라인(1003)에 의해 순수기(330)로 공급되어 용존이온이 제거되며, 용존이온이 제거된 담수는 방향조절밸브(250)로 공급되어 반응수가 없는 연료전지 시스템(1)의 초기구동시나 연료전지 시스템(1)의 구동 중 회수되는 반응수가 발전 시스템 운영에 부족한 경우에 물공급라인(1006)을 통해 가습기(500)로 공급되고, 연료전지 시스템(1)의 시동 또는 계속적 구동이 가능해진다.
가습기(500)는 연료저장탱크 또는 화물창 등에서 공급되는 연료가 연료히터(410)에 의해 가열된 후 연료공급라인(1006)을 통해 가열된 연료를 공급받으며, 순수기(330)로부터 공급받은 물을 기화시켜 수증기로 만들어 상기 공급받은 연료와 혼합시킨다.
상기 수증기와 혼합된 연료는 개질기(600)를 거쳐 수소를 형성하고 연료공급라인(1006)을 통해 연료전지(700)로 공급된다.
연료전지(700)는 공기극의 산소와 연료극의 수소에 의한 화학반응으로 발전을 하게 되며, 이 때 발생되는 고온의 가스는 외부로 배기가스라인(1007)을 통해 배출되며, 배기가스라인(1007)은 폐열회수 스팀발생기(800)로 연결되어 고온의 배기가스는 폐열회수 스팀발생기(800)로 공급된다.
해수로부터 담수를 생산하는 조수기(320)는 담수를 담수공급라인(1003)을 통해 순수기(330) 및 폐열회수 스팀발생기(800)로 보낸다.
폐열회수 스팀발생기(800)로 공급되는 담수는 고온의 배기가스로 인해 스팀으로 변화되어 공기공급부(100)의 공기히터(120) 또는 연료공급부(400)의 연료히터(120), 기타 선박 내 스팀 수요처로 보내어 연료 또는 공기를 가열한다.
순수기(330)로 보내진 담수는 용존이온이 제거된 후 방향조절밸브(250)를 통해 가습기(500)로 전달된다.
폐열회수 스팀발생기(800)를 통과한 배기가스는 응축기(201)에 의해 배기가스에 포함된 반응수가 회수되고, 회수된 반응수는 반응수 저장탱크(202)에 저장된 후 필요한 양만큼 방향조절밸브(250)를 통해 가습기(500)로 공급된다.
가습기(500)로 공급되는 용존이온이 제거된 상기 물에 의해 연료전지 시스템(1)의 시동이 이루어지게 되며, 그 후 반응수가 회수되면, 방향전환밸브(250)는 해수공급부(300) 측의 유로를 닫아 반응수로만 연료전지 시스템을 계속 가동시킨다.
이 때, 반응수가 부족할 경우는 방향전환밸브(250)가 해수공급부(300) 측의 유로를 열어 담수로부터 용존이온이 제거된 물을 공급받아 연료전지 시스템을 계속 가동시키도록 한다.
상기와 같은 시스템을 제작하여 선박에 적용한다면 발전효율이 대폭 증대된 연료전지 발전시스템에 의해 선박의 운전비용을 절감할 수 있는 선박을 제작할 수 있게 될 것이다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
1: 선박용 연료전지 시스템 100: 공기공급부
110: 송풍기 120: 공기히터
200: 방응수회수부 201: 응축기
202: 반응수저장탱크 300: 해수공급부
310: 시체스트 320: 조수기
330: 순수기 400: 연료공급부
410: 연료히터 500: 가습기
600: 개질기 700: 연료전지
800: 폐열회수 스팀발생기 1001: 공기공급라인
1002: 해수공급라인 1003: 담수공급라인
1004: 물공급라인 1005: 반응수공급라인
1006: 연료공급라인 1007: 배기가스공급라인
1008: 스팀공급라인

Claims (10)

  1. 연료, 공기 및 물을 공급받고, 상기 물을 기화시켜 상기 연료와 혼합하고, 상기 혼합된 연료로부터 수소를 생산하고, 상기 수소와 상기 공기의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지를 구비하는 연료전지 시스템에 있어서,
    해수에 대해 담수화 과정 및 용존이온 제거과정을 거치도록 하여 생산되는 상기 물을 방향조절밸브(250)로 공급하는 해수공급부(300);
    상기 연료전지(700)에서 배출되는 배기가스에 존재하는 물(반응수)을 회수하여 상기 방향조절밸브(250)로 공급하는 반응수회수부(200);
    상기 해수공급부(300) 또는 상기 반응수회수부(200) 중 어느 하나 이상에서 공급되는 상기 물의 공급방향을 전환하는 방향조절밸브(250); 및
    상기 방향조절밸브(250)에 의해 진행방향이 전환되는 상기 물을 공급받아 기화시켜 수증기로 만들고, 상기 수증기 및 상기 연료를 혼합하는 가습기(500); 를 포함하고,
    상기 방향조절밸브(250) 측으로 공급되는 상기 물은, 연료전지 시스템의 초기 구동시에는 상기 해수공급부(300)로부터, 연료전지 시스템의 구동 중에는 상기 반응수회수부(200)로부터 선택적으로 공급받는 것을 특징으로 하는,
    선박용 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응수회수부(200)의 전단에 설치되어, 상기 연료전지에서 배출되는 고온의 배기가스를 이용하여 상기 해수공급부(300)로부터 공급되는 담수를 기화시켜 스팀으로 만드는 폐열회수 스팀발생기(800);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 가습기(500)의 전단에 설치되어, 상기 가습기(500)로 공급되는 상기 연료를 일정한 온도범위로 가열시키는 연료히터(410); 및
    상기 연료전지(700)로 공급되는 상기 공기를 일정한 온도범위로 가열시키는 공기히터(120);를 더 포함하되;
    상기 스팀은 상기 연료히터(410) 또는 상기 공기히터(120) 중 어느 하나 이상에 가열 열원으로 사용되는 것;
    을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 열원으로 제공된 상기 스팀은 담수공급라인(1003)을 통해 상기 폐열회수 스팀발생기(800)로 회수되는 것;
    을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 해수공급부(300)는,
    상기 선박의 선체에 설치되어 해수를 취수하는 시체스트(310);
    상기 취수된 해수를 공급받아 담수로 변화시키는 조수기(320); 및
    상기 담수를 공급받아 불순물이 제거된 상태인 상기 물로 변화시키는 순수기(330);
    을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 반응수회수부(200)는,
    상기 폐열회수 스팀발생기(800)로부터 공급받은 배기가스를 응축시켜 물(반응수)을 분리해내는 응축기(201); 및
    상기 응축기(201)로부터 분리된 물(반응수)을 공급받아 저장하는 반응수저장탱크(202);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템.
  7. 연료, 공기 및 물을 공급받고, 상기 물을 기화시켜 상기 연료와 혼합하고, 상기 혼합된 연료로부터 수소를 생산하고, 상기 수소와 상기 공기의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산하는, 연료전지 시스템의 구동 방법에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은,
    해수에 대해 담수화 과정 및 용존이온 제거과정을 거치도록 하여 생산되는 상기 물을 방향조절밸브(250)로 공급하는 해수공급부(300);
    상기 연료전지(700)에서 배출되는 배기가스에 존재하는 물(반응수)을 회수하여 상기 방향조절밸브(250)로 공급하는 반응수회수부(200);
    상기 해수공급부(300) 또는 상기 반응수회수부(200) 중 어느 하나 이상에서 공급되는 상기 물의 공급방향을 전환하는 방향조절밸브(250); 및
    상기 방향조절밸브(250)에 의해 진행방향이 전환되는 상기 물을 공급받아 기화시켜 수증기로 만들고, 상기 수증기 및 상기 연료를 혼합하는 가습기(500); 를 포함하고,
    (a) 상기 연료전지 시스템의 초기 구동시, 상기 방향조절밸브(250)는 상기 해수공급부(300)로부터 상기 가습기(500)로 상기 물이 공급되도록 제어되는 단계;
    (b) 상기 연료전지 시스템의 구동 중, 상기 방향조절밸브(250)는 상기 해수공급부(300)로부터 상기 가습기(500)에 연결된 유로를 닫고, 상기 반응수회수부(200)로부터 상기 가습기(500)로 상기 물이 공급되도록 제어되는 단계; 를 포함하는,
    연료전지 시스템의 구동 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    (c) 상기 반응수회수부(200)의 반응수가 부족할 경우, 상기 방향조절밸브(250)는 다시 상기 해수공급부(300)로부터 상기 가습기(500)로 상기 물이 공급되도록 제어되는 단계; 를 더 포함하는,
    연료전지 시스템의 구동 방법.
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