KR101854267B1 - 해상 부유식 구조물 - Google Patents

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KR101854267B1
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이승재
성용욱
피석훈
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삼성중공업(주)
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Abstract

본 발명은 해상 부유식 구조물을 제공한다. 본 발명의 해상 부유식 구조물은 연료 저장탱크; 상기 저장탱크로부터 제공받은 연료를 열분해하여 합성가스인 일산화탄소와 수소를 생성하는 개질반응기; 공기와 상기 개질반응기로부터 제공받은 수소를 이용하여 전기를 생성하는 연료 전지 스택; 상기 연료 전지 스택에서 발생된 열을 해수와 열교환하여 청수를 생성하는 청수 생성부; 및 상기 연료 전지 스택에서 발생되는 증류수를 저장하는 증류수 저장탱크를 포함할 수 있다.

Description

해상 부유식 구조물{Floating-type offshore structures}
본 발명은 해상 부유식 구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 장치를 갖는 해상 부유식 구조물에 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.
이로 인해, 현재 선박에 적용하려는 연료전지는 효율, 친환경 측면에서 많은 장점을 갖고 있음에도 불구하고, 기존 발전장치(발전기, 메인 엔진)와 비교해 부피가 크고, 무게가 많이 나가기 때문에 최종적으로 가격 경쟁력을 확보하지 못하고 있는 실정이다.
본 발명의 일 과제는, 종래 기술의 단점인 부피, 무게, 가격 이슈를 해결하고자 연료 전지 시스템에서 일부분을 기존 선박의 해당 장치로 대체할 수 있는 연료전지 장치를 갖는 해상 부유식 구조물을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 연료 저장탱크; 상기 저장탱크로부터 제공받은 연료를 열분해하여 합성가스인 일산화탄소와 수소를 생성하는 개질반응기; 공기와 상기 개질반응기로부터 제공받은 수소를 이용하여 전기를 생성하는 연료 전지 스택; 상기 연료 전지 스택에서 발생된 열을 해수와 열교환하여 청수를 생성하는 청수 생성부; 및 상기 연료 전지 스택에서 발생되는 증류수를 저장하는 증류수 저장탱크를 포함하는 해상 부유식 구조물이 제공될 수 있다.
또한, 상기 청수 생성부는 상기 연료 전지 스택에서 발생된 열과 해수의 열교환을 위한 열 교환기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 열교환기는 추진 엔진, 가스 터빈 및 발전기에서 발생되는 열을 회수하여 상기 개질 반응기로 공급할 수 있다.
또한, 상기 연료 전지 스택에 필요한 공기를 제공하기 위한 공기 공급부를 더 포함하되; 상기 공기 공급부는 가스 터빈으로 구동되는 블로워를 포함하여, 상기 블로워에서 공기를 생성하여 상기 연료 전지 스택으로 제공할 수 있다.
또한, 상기 공기 공급부에서 만들어진 공기는 예열된 후 상기 연료 전지 스택으로 공급될 수 있다.
또한, 상기 개질반응기에 필요한 수증기를 제공하기 위한 이코노마이저를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 이코노마이저는 추진엔진에서 발생되는 배기 가스에 의해 구동되는 가스 터빈으로부터 회수되는 배기가스와 상기 증류수 저장탱크로부터 공급되는 증류수와의 열교환을 통해 수증기를 생성할 수 있다.
또한, 상기 이코노마이저는 상기 개질반응기에 필요한 열을 제공할 수 있다.
또한, 상기 연료는 압축성 액화가스, 메탄올, 에탄올 또는 탄화수소 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 선박의 기존 설비를 활용하여 연료 전지 시스템의 부피, 무게, 가격 이슈를 해결할 수 있는 각별한 효과를 갖는다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 해상 부유식 구조물에 적용된 연료 전지 시스템을 보여주는 구성도이다.
도 2는 이중연료를 사용하는 해상 부유식 구조물의 연료 공급 계통도를 보여주는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 해상 부유식 구조물에 적용된 연료 전지 시스템을 보여주는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 해상 부유식 구조물(10)은 연료 저장탱크(100), 개질 반응기(200), 연료 전지 스택(300), 청수 생성부(400), 증류수 저장탱크(500), 공기 공급부(600), 이코노마이저(700), 추진엔진(800), 터빈(810)을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 해상 부유식 구조물(10)이란, 해상에서 부유된 채 사용되는 구조물과 선박을 모두 포함하는 개념으로, 예를 들어 LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading)나 LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)와 같은 해상 구조물뿐만 아니라 LNG RV(LNG Regasification Vessel)와 같은 선박을 모두 포함하는 것이다.
연료 저장탱크(100)는 선체(미도시됨) 측에 설치되고, 특히 연료 저장탱크(100)는 공간활용도를 높이도록 선체의 갑판 하부에 배치됨이 바람직하다.
연료 저장탱크(100)는 연료를 저장 및 공급하기 위한 해상 부유식 구조물(10) 내 저장 공간으로, 개질 반응기(200)에서 사용할 수 있는 연료가 저장되어 있다. 여기서, 연료에는 액화천연가스(Liquefied Natural Gas), 액화석유가스(liquefied petroleum gas), 액체연료(메탄올, 에탄올) 또는 개질에 의해 수소 생산이 가능한 탄화수소중 어느 하나일 수 있으며, 본 실시예에서는 액화천연가스가 연료로 사용될 수 있다.
연료 저장탱크(100)에 저장된 액화천연가스(이하 연료라고 함)를 개질 반응기(200)로 공급하기 위해서는 압력을 1기압 근처로 낮추는 감압기(120)가 필요하며, 감압기(120)는 연료 저장탱크(100)의 공급 라인(110)상에 설치될 수 있다.
감압기(120)에서 감압된 연료는 유량조절기를 거쳐 개질 반응기(200)로 공급된다.
한편, 육상에 설치되는 기존의 연료전지 시스템은 메탄 연료를 개질하기 전단계에서 개질 촉매를 보호하기 위해 연료에 포함된 부취제를 제거하는 탈황기가 필요하지만, 본 발명에서는 액화천연가스에 황 성분이 포함되지 않기 때문에 탈황기가 불필요하다.
개질 반응기(200)에서는 연료 저장탱크(100)로부터 제공받은 연료를 열분해하여 합성가스인 일산화탄소와 수소를 생성하게 된다. 개질 반응기(200)에서 만들어진 수소를 포함하는 연료가스는 연료 전지 스택(300)으로 공급된다. 개질 반응기에는 수증기 공급라인과 열 공급라인이 연결된다. 개질 반응기(200)에서 연료의 열분해에 필요한 수증기와 열은 해상 부유식 구조물 내에서 공급할 수 있다.
일 예로, 개질 반응기(200)는 이코노마이저(700) 또는 추진엔진(섭씨 250도 이상의 열이 발생)(800), 발전기(섭씨 350도 이상의 열이 발생됨)(미도시), 모터/ 윤활유에서 발생한 열을 열교환기(410)를 통해 회수하거나, 이코노마이저(700)를 통해(섭씨 200-300) 회수한 열을 공급받을 수 있다. 또한, 개질 반응기(200)는 청수 생성부(400)에서 만들어진 청수를 이코노마이저(700) 또는 모터/윤활유에서 발생한 열과 열교환하여 만들어진 수증기를 공급받을 수 있다.
연료 전지 스택(300)은 애노드(310), 캐소드(320) 그리고 쿨링 플레이트(330)를 포함할 수 있다. 연료 전지 스택(300)은 애노드(310)로 공급되는 수소를 포함하는 연료가스와 캐소드(320)로부터 공급되는 산소(예열된 공기)의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시킨다. 연료가스는 개질 반응기(200)에서 애노드(310)로 공급될 수 있다.
한편, 연료전지 스택(300)에서 필요한 산소는 공기 공급부(600)를 통해 제공받는다. 공기 공급부(600)는 터보차저에 연동된 터빈에서 구동되는 블로워(610)를 포함하고, 블로워(610)에 의해 만들어진 공기는 이코노마이저(700)에서 예열 처리되어 연료전지 스택(300)으로 공급될 수 있다.
이와 같이, 기존의 연료 전지 시스템에서는 캐소드에 산소를 공급하기 위해 대용량, 고출력의 공기 블로워를 사용하는데 그 부피와 소비전력이 많이 요구되었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템(20)은 메인 엔진에 공기를 공급하는 터보 차저에 연동된 터빈으로 구동되는 블로워(610)가 만들어낸 공기를 사용함으로써 별도의 블로워를 설치할 필요가 없어 부피, 소비전력, 가격 측면에서 장점이 있다.
연료전지 스택(300)에서 전기 생성 과정에서 발생되는 열과 해수는 열교환을 통해 스택 발생 열을 낮춤과 동시에 청수를 만드는 에너지원으로 사용될 수 있다. 따라서, 추가적인 수냉식 시스템이 필요 없고, 회수한 열을 다른 곳에 활용 가능하다.
한편, 연료전지 스택(300)에서 생산되는 직류(DC)는 스위칭시켜 교류(AC)로 만들고, AC를 코일, 트랜스, 커패시턴스 등으로 승압 또는 강압한 후 정류하여 다시 DC로 만든 후 인버터에서 DC를 AC로 변환하여 각종 전기 사용처에 공급할 수 있다.
청수 생성부(400)는 연료 전지 스택(300)에서 생성된 열을 해수와 열교환하는 열교환기(410)를 포함하며, 열교환기(410)를 통해 생성된 청수는 증류수 저장탱크(500)에 저장된다. 증류수 저장탱크(500)에는 연료전지 스택(300)에서 Fc 반응으로 생성된 증류수가 저장될 수 있다. 이렇게 증류수 저장탱크(500)에 저장된 청수는 이코노마이저(700)를 통해 개질 반응기(200)에 수증기 형태로 공급될 수 있다.
또한, 열교환기(410)는 추진엔진(800)(섭씨 250도), 발전기(미도시)(섭씨 350도), 모터/윤활유(820)에서 발생하는 열을 회수해 이를 개질 반응기(200)에 필요한 열에너지로 공급함으로써 추가적인 열 공급 에너지를 절약할 수 있다. 또한, 이코노마이저(700)(섭씨 200-300도)에서 회수한 열도 개질 반응기(200)에 공급하여 일정 부분 온도를 유지하는데 사용할 수 있다.
본 발명에서 연료전지 스택(300)에서 발생한 증류수는 불순물이 포함되지 않아 정제를 위한 별도의 정화기가 필요없고, 추진엔진, 모터/윤활유의 냉각 폐루프를 이동하는 열매체에서 확보한 열이 열교환기(410)의 진공 챔버에서 또 다른 폐루프를 이동하는 해수와 열접촉으로 순수한 증류수(청수)를 얻을 수 있다. 이렇게 얻어진 청수는 이코노마이저(700)를 통해 수증기로 변환된 후 개질 반응기(200)에 공급될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 해상 부유식 구조물에 설치된 연료 전지 시스템(20)은 육상에 설치되는 기존 시스템과 비교하여 단순화되었으며, 특히 연료전지 시스템(20)에 필요한 공기, 열, 물(수증기)에 대한 공급과 이용에 효과적이다. 다만, 개질 반응기 및 연료전지 스택은 폭발성 가스를 사용하기 때문에 엔진룸, 연료 저장탱크와 분리된 공간에 설치되는 것이 바람직하다.
도 2는 이중연료를 사용하는 해상 부유식 구조물의 연료 공급 계통도를 보여주는 도면이다.
도 2에서와 같이, 이중 연료는 압축성 액화가스(LNG,메탄,LPG), 액체연료(HFO,MDO,메탄올,에탄올)로 구성되며, 연료전지용 연료는 개질 반응기를 통해 수소를 만들 수 있는 압축성 액화가스 또는 메탄올, 에탄올이 포함될 수 있다. 압축성 액화가스가 연료전지 시스템(20)으로 공급될 경우, 감압기를 통해 1기압 근처로 압력이 조절된 가스가 개질 반응기로 공급된다(도 1 참조). 반면 액체 연료가 연료전지 스택으로 공급될 경우 연료는 상온,상압에서 연료전환밸브를 통해 개질 반응기로 공급된다. 그 외의 연료공급 계통은 이중연료-이중연료 엔진 시스템과 동일함으로 상세한 설명은 생략한다.
통상적으로, 해상 부유식 구조물에서 연료 전지는 출력, 부피, 가격, 부하변동 능력 등을 고려할 때 전기를 만들어내는 발전기를 대체하거나 발전기 여분(Redundancy) 또는 비상용 전원으로 사용될 것으로 예상될 수 있다. 또는, 레저 및 주기적인 연료공급이 가능한 정기선 등 중/소형 선박에 보조 또는 메인 엔진으로 적용이 가능할 것으로 기대된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 연료 저장탱크 200 : 개질 반응기
300 : 연료 전지 스택 400 : 청수 생성부
500 : 증류슈 저장탱크 600 : 공기 공급부
700 : 이코노마이저

Claims (9)

  1. 연료 저장탱크;
    상기 저장탱크로부터 제공받은 연료를 열분해하여 합성가스인 일산화탄소와 수소를 생성하는 개질반응기;
    공기와 상기 개질반응기로부터 제공받은 수소를 이용하여 전기를 생성하는 연료 전지 스택;
    상기 연료 전지 스택에서 발생된 열을 해수와 열교환하여 청수를 생성하는 청수 생성부;
    상기 연료 전지 스택에서 발생되는 증류수를 저장하는 증류수 저장탱크; 및
    상기 연료 전지 스택에 필요한 공기를 제공하기 위한 공기 공급부를 포함하되;
    상기 공기 공급부는
    해상 부유식 구조물의 추진 엔진에 공기를 공급하는 터보 차저에 연동된 터빈으로 구동되는 블로워를 포함하여, 상기 블로워를 이용해 공기를 상기 연료 전지 스택으로 제공하는 해상 부유식 구조물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 청수 생성부는
    상기 연료 전지 스택에서 발생된 열과 해수의 열교환을 위한 열 교환기를 더 포함하는 해상 부유식 구조물.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열교환기는 추진 엔진 및 발전기에서 발생되는 열을 회수하여 상기 개질 반응기로 공급하는 해상 부유식 구조물.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 공급부에서 만들어진 공기는 예열된 후 상기 연료 전지 스택으로 공급되는 해상 부유식 구조물.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 개질반응기에 필요한 수증기를 제공하기 위한 이코노마이저를 더 포함하는 해상 부유식 구조물.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 이코노마이저는 상기 추진엔진에서 발생되는 배기가스와 상기 증류수 저장탱크로부터 공급되는 증류수와의 열교환을 통해 수증기를 생성하는 해상 부유식 구조물.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 이코노마이저는 상기 개질반응기에 필요한 열을 제공하는 해상 부유식 구조물.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료는 압축성 액화가스, 메탄올, 에탄올 또는 탄화수소 중 어느 하나인 해상 부유식 구조물.
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