KR102200361B1 - 선박 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 LNG(액화천연가스)를 공급하기 위한 원료 공급부, 원료수를 공급하기 위한 원료수 공급부, 추진력을 발생시키는 가스엔진 및 상기 가스엔진에서 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 사용하는 이코노마이저를 포함하는 가스엔진 시스템, 냉매를 이용하여 전기를 생산하는 랭킨사이클(Rankine Cycle) 시스템, 상기 가스엔진 시스템 및 상기 랭킨사이클 시스템에 연동하여 전기를 생산하는 연료전지 시스템, 및 상기 연료전지 시스템에서 출력되는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 전력변환부를 포함하는 선박에 관한 것이다.

Description

선박{SHIP}
본 발명은 환경 친화적인 선박에 관한 것이다.
일반적으로 전체 에너지의 대부분은 화석연료로부터 얻고 있다. 그런데 화석연료의 매장량은 제한되어 있고, 화석연료의 사용은 대기오염 및 산성비, 지구 온난화 등 환경에 심각한 영향을 미치고 있다. 이러한 화석연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 환경 친화적인 발전시스템이 개발되고 있다.
환경 친화적인 발전시스템에는 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 발전시스템이 있다. 또한, 환경 친화적인 발전시스템에는 화석연료를 변환하거나 수소와 산소 등의 화학 반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템이 있다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 알칼리 연료전지(AFC, Alkaline Fuel Cell), 인산형 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고분자전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접메탄올 연료전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell) 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동되지만 운전온도, 전해질, 발전효율, 발전성능이 서로 다르다. 연료전지는 연료 및 스팀(H20)을 개질반응시키는 개질기로부터 수소가 포함된 연료를 공급받고, 외부로부터 공기를 공급받아 전기를 생산할 수 있다. 연소기는 연료전지에서 배출되는 배기가스를 연소시킴으로써 개질기를 가열한다.
한편, 열차, 선박, 산업용 차량 등에서는 디젤엔진, 가스엔진 등을 포함하는 엔진을 사용하여 필요한 전력을 발전하는 발전시스템이 보편적으로 사용되고 있다. 그런데, 엔진을 이용한 발전시스템은 열효율이 40 ∼ 50 %로 낮다. 최근 들어, 업계에서는 Carnot 사이클을 이용한 엔진에 의한 발전시스템과 환경 친화적인 발전시스템으로서 전기화학적 반응을 이용한 연료전지 시스템, 스팀(H20)을 이용하여 전기를 생산하기 위한 구동력을 발생시키는 스팀터빈(Steam Turbine) 및 냉매를 이용하여 LNG와 같은 연료를 기화시키기 위한 랭킨사이클(Rankine Cycle) 시스템을 복합적으로 사용하여 필요한 전력을 발전함과 동시에 전 세계적인 환경오염 규제에 대응할 수 있는 새로운 방안을 연구하고 있다.
그런데, 엔진을 사용하는 발전시스템과 연료전지 시스템, 스팀터빈(Steam Turbine) 및 랭킨사이클(Rankine Cycle) 시스템을 복합적으로 적용하는 종래 기술의 경우, 다음과 같은 문제점이 발생한다.
첫째, 종래에는 랭킨사이클(Rankine Cycle) 시스템을 이용하여 연료를 기화시키는 경우, 랭킨사이클(Rankine Cycle) 시스템에 사용되는 냉매를 별도의 가열장치를 설치하여 가열하였다. 이에 따라, 종래에는 연료전지 및 가스엔진에 사용되는 연료나 전기를 가열장치에도 공급해야 하므로 연료전지의 전기 생산량이 감소되고, 전기 생산 효율이 저하될 뿐만 아니라 발전시스템을 운용하기 위한 비용이 증가하는 문제가 있다.
둘째, 종래의 가열장치는 랭킨사이클(Rankine Cycle) 시스템에 사용되는 냉매를 가열하기 위해 별도의 가열장치를 설치해야 하므로 가열장치 설치비용이 상승하게 된다. 이에 따라, 종래에는 전기를 생산하기 위한 구축 비용이 상승하게 되는 문제가 있다.
셋째, 종래의 가열장치는 랭킨사이클(Rankine Cycle) 시스템에 사용되는 냉매를 가열하기 위해 별도의 가열장치 설치공간이 필요하다. 따라서, 종래에는 가열장치 설치로 인해 전기를 생산 및 저장하기 위한 다른 장치들의 공간이 협소해지는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 발전시스템의 효율 향상 및 전기 생산량을 증가시킬 수 있는 선박을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 전기를 생산하기 위한 구축 비용을 줄일 수 있고, 설치공간의 활용도를 높일 수 있는 선박을 제공하기 위한 것이다.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 하기와 같은 구성을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 선박은 LNG(액화천연가스)를 공급하기 위한 원료 공급부; 원료수를 공급하기 위한 원료수 공급부; 추진력을 발생시키는 가스엔진 및 상기 가스엔진에서 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 사용하는 이코노마이저를 포함하는 가스엔진 시스템; 냉매를 이용하여 전기를 생산하는 랭킨사이클(Rankine Cycle) 시스템; 상기 가스엔진 시스템 및 상기 랭킨사이클 시스템에 연동하여 전기를 생산하는 연료전지 시스템; 및 상기 연료전지 시스템에서 출력되는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 전력변환부를 포함하고, 상기 연료전지 시스템은 상기 원료 공급부에서 공급되는 LNG(액화천연가스)를 전처리하기 위해 LNG(액화천연가스)를 기화시키는 LNG 증발기를 포함하는 원료처리부, 상기 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수를 전처리하기 위해 스팀(H20)에서 물을 분리하는 기수분리기를 포함하는 원료수 처리부, 상기 원료 처리부로부터 공급된 전처리된 연료 및 상기 원료수 처리부로부터 공급된 스팀(H20)을 개질반응시키는 개질기, 및 상기 개질기를 가열하기 위한 연소기를 포함하는 수소생성부; 상기 수소생성부로부터 공급되는 수소를 포함하는 연료에 기초하여 전기를 생산하는 연료전지; 상기 가스엔진 시스템의 이코노마이저로부터 배출되는 스팀(H20) 및 상기 연소기에서 배출되는 배기가스를 열교환시키는 제1열교환부; 상기 제1열교환부에서 배출되는 스팀(H20)으로 전기를 생산하기 위한 구동력을 발생시키는 스팀터빈(Steam Turbine); 및 상기 스팀터빈에서 배출되는 스팀(H20)을 열원으로 하여 상기 랭킨사이클의 냉매가 가열되도록, 상기 랭킨사이클 시스템의 냉매 및 상기 스팀터빈에서 배출되는 스팀(H20)을 열교환시키는 제2열교환부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 선박에 있어서, 상기 가스엔진 시스템의 가스엔진은 상기 LNG 증발기에서 기화되는 연료로 추진력을 발생시키며, 상기 가스엔진 시스템의 이코노마이저는 상기 가스엔진에서 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 하여 상기 기수분리기에서 공급되는 물과 스팀(H20) 중 적어도 하나를 가열할 수 있다.
본 발명에 따른 선박에 있어서, 상기 이코노마이저는 상기 가스엔진에서 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 하여 상기 기수분리기에서 공급되는 스팀(H20)을 가열하는 순환부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.
본 발명은 가스엔진에서 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 1차 가열되고, 연소기에서 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 2차 가열된 스팀(H20)으로 스팀터빈(Steam Turbine)을 구동하도록 구현됨으로써, 전기 생산량을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 1차 및 2차 가열된 스팀(H20)으로 스팀터빈을 구동시키고 스팀터빈에서 배출되는 스팀(H20)으로 랭킨사이클(Rankine Cycle) 시스템에 사용되는 냉매를 가열하도록 구현됨으로써, 종래 LNG 증발을 위한 냉매 가열장치에 공급되는 연료나 전기를 사용하는 별도의 가열장치 없이 전기 생산에 사용할 수 있으므로 전기 생산량 및 전기 생산 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 종래 가열장치에 공급되는 연료를 가스엔진에 사용할 수 있으므로 운항거리를 증가시킬 수 있다.
본 발명은 1차 및 2차 가열된 스팀(H20)으로 스팀터빈을 구동시키고 스팀터빈에서 배출되는 스팀(H20)으로 랭킨사이클(Rankine Cycle) 시스템에 사용되는 냉매를 가열하도록 구현됨으로써, 별도의 가열장치를 생략할 수 있으므로 전기를 생산하는데 소모되는 구축비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 설치공간에 대한 활용도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전체 시스템의 개념적인 구성도
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념적인 구성도
도 3a, 도 3b는 본 발명에 사용되는 연료전지의 동작을 설명하기 위한 예시도로서, 도 3a는 고체산화물 연료전지(SOFC)의 개념적인 구성도
도 3b는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 개념적인 구성도
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수소생성부를 설명하기 위한 예시도
도 5 및 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념적인 구성도
도 7a는 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제1실시예에 따른 구성도
도 7b는 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제1실시예에서 연료전지, 개질기 및 연소기를 제외한 실시예에 따른 구성도
도 8은 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제2실시예에 따른 구성도
도 9는 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제3실시예에 따른 구성도
도 10은 본 발명에 따른 선박의 일례를 나타낸 개략도
이하에서는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 전체 시스템의 개념적인 구성도, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념적인 구성도, 도 3a, 도 3b는 본 발명에 사용되는 연료전지의 동작을 설명하기 위한 예시도로서, 도 3a는 고체산화물 연료전지(SOFC)의 개념적인 구성도, 도 3b는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 개념적인 구성도, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수소생성부를 설명하기 위한 예시도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 발전시스템(100)에 적용되어 전기를 생산하는 기능을 담당한다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)을 설명하기에 앞서, 상기 발전시스템(100)을 먼저 살펴보면, 다음과 같다.
상기 발전시스템(100)은 원료 공급부(110), 원료수 공급부(120), 공기 공급부(130), 가스엔진 시스템(140), 스팀터빈(Steam Turbine)(150), 랭킨사이클(Rankine Cycle) 시스템(160), 전력변환부(170), 및 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)을 포함한다.
상기 원료 공급부(110)는 원료 저장탱크를 포함하며, 상기 원료 저장탱크로부터 원료를 공급한다. 예를 들어, 원료는 탄화수소 계열의 물질로, LNG(액화천연가스), LPG(액화석유가스), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 가솔린, 디메틸에테르, 메탄가스, 수소정제 오프가스, 순수소 등일 수 있다.
일례로, 상기 발전시스템(100)이 자동차에 적용되는 경우, 상기 원료 공급부(110)는 가스 저장탱크와 상기 가스 저장탱크로부터 가스를 공급하는 장치(예컨대, 펌프)를 포함하여 구현된다. 다른 예로, 상기 발전시스템(100)이 LNG 운반선에 적용되는 경우, 상기 원료 공급부(110)는 LNG 저장탱크와 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 제공하는 장치를 포함하여 구현된다. 또 다른 예로, 상기 발전시스템(100)이 디젤엔진 선박에 적용되는 경우, 상기 원료 공급부(110)는 디젤연료 저장탱크와 상기 디젤연료 저장탱크로부터 디젤연료를 공급하는 장치를 포함하여 구현된다.
상기 원료수 공급부(120)는 원료수 저장탱크와 상기 원료수 저장탱크로부터 원료수를 공급하는 장치(예컨대, 펌프)를 포함하여 구현될 수 있다. 원료수는 예를 들어, 상수(上水), 민물, 또는 해수일 수 있다. 다른 예로, 원료수는 민물, 해수에서 불순물의 제거 처리나 이온제거 치리된 물일 수 있다. 다른 예로, 원료수는 민물, 해수에서 불순물이 제거된 상태의 물일 수 있다.
상기 공기 공급부(130)는 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 공기를 공급한다. 통상적으로 공기는 질소, 산소, 이산화탄소 등을 포함하는 기체를 의미하지만, 본 명세서에서는 공기에서 질소 또는 이산화탄소, 또는 두 기체 등 산소 이외의 모든 기체를 제거한 경우도 포함한다. 상기 공기 공급부(130)는 공기 저장탱크와 상기 공기 저장탱크로부터 공기를 공급하는 장치(예컨대, 블로워)를 포함하여 구현될 수 있다. 다른 예로, 공기 공급부(130)는 외부공기를 공급받아 압축한 후 압축된 고압의 공기를 공급하거나 상압으로 공급하도록 구현될 수 있다.
가스엔진 시스템(140)은 상기 연료전지 시스템(200)에서 공급되는 LNG(액화천연가스)를 기화시킨 연료로 추진력을 발생시키는 가스엔진(1401), 및 상기 가스엔진에서 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 기수분리기에서 공급되는 물(액체 및 기체상태로서의 H20)과 스팀(H20) 중 적어도 하나를 가열하는 이코노마이저(1402)를 포함하여 구현될 수 있다. 상기 이코노마이저(1402)는 상기 가스엔진(1401)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 상기 기수분리기에서 공급되는 스팀(H20)을 가열하는 순환부를 포함할 수 있다. 상기 기수분리기는 스팀(H20)에서 물을 분리할 수 있다. 상기 가스엔진(1401)은 상기 연료전지 시스템(200)의 LNG 증발기(4101, 도 7에 도시됨)와 연결되게 설치되어 상기 LNG 증발기에서 기화되는 연료를 공급받아 추진력을 발생시킬 수 있다. 상기 LNG 증발기(4101)는 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 냉매를 열원으로 LNG(액화천연가스)를 기화시킬 수 있다. 상기 가스엔진(1401)에서 배출되는 배기가스는 상기 가스엔진 시스템(140)의 이코노마이저(1402, 도 7에 도시됨)로 공급될 수 있다. 상기 이코노마이저(1402)는 상기 가스엔진(1401)의 배기가스를 열원으로 물을 스팀(H20)으로 상변화시킬 수 있다.
상기 스팀터빈(150)은 상기 가스엔진 시스템(140)에서 공급되는 스팀(H20)으로 전기를 생산하기 위한 구동력을 발생시킨다. 도시하지 않았지만, 상기 스팀터빈(150)은 다이어프램, 로터, 버켓, 발전기를 포함하여 구현될 수 있다. 상기 다이어프램에는 고정익이 구비되고, 상기 버켓에는 회전익이 구비된다. 상기 고정익은 상기 가스엔진 시스템(140)에서 공급되는 스팀(H20)의 방향을 바꾸어 상기 회전익으로 유도하고, 상기 회전익은 상기 고정익으로부터 유도된 스팀(H20)에 의해 회전력을 발생시켜 로터를 회전시킨다. 상기 로터는 발전기(G, 도 7에 도시됨)에 연결되게 설치된다. 상기 발전기(G, 도 7에 도시됨)는 로터가 회전함에 따라 전기를 생산할 수 있다.
상기 랭킨사이클 시스템(160)은 2개의 단열 변화와 2개의 등압 변화로 구성되는 사이클로서, 냉매가 증기와 액체의 상변화(相變化)를 수반하는 것을 말한다. 상기 랭킨사이클 시스템(160)은 단열 압축, 등압 가열, 단열 압축 및 등압 방열의 순서로 이루어진다. 이를 위해, 상기 랭킨사이클 시스템(160)은 냉매를 단열 압축하기 위한 펌프(161), 상기 펌프(161)에서 압축된 냉매를 등압 가열하기 위한 가열기, 상기 가열기에서 가열된 냉매를 단열 압축하기 위한 압축기(162) 및 상기 압축기(162)에서 압축된 냉매를 등압 방열하기 위한 응축기(163)를 포함하여 구현될 수 있다. 상기 압축기(162)는 발전기(G, 도 7에 도시됨)에 연결되게 설치되어, 상기 발전기(G)에 전기를 생산하기 위한 구동력을 제공할 수 있다. 상기 압축기(162)는 상기 가열기에서 공급되는 냉매로 구동력을 발생시킬 수 있다. 상기 가열기에 공급되는 압축된 냉매는 상기 스팀터빈(150, 도 7에 도시됨)에서 배출되어 상기 제2열교환부(600, 도 7에 도시됨)로 공급되는 스팀(H20)에 의해 가열될 수 있다. 즉, 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 가열기는 상기 연료전지 시스템(200)의 제2열교환부(600, 도 7에 도시됨)로 대체될 수 있다. 상기 응축기(163)는 상기 연료전지 시스템(200)의 LNG 증발기(4101, 도 7에 도시됨) 내부에 설치될 수 있다. 이에 따라, 상기 연료전지 시스템(200)의 LNG 증발기(4101, 도 7에 도시됨)는 상기 제2열교환부(600, 도 7에 도시됨)에서 공급되는 냉매를 열원으로 LNG(액화천연가스)를 기화시킬 수 있다.
상기 전력변환부(170)는 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에서 나오는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환한다. 상기 전력변환부(170)는 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에서 나오는 출력전압을 승압 또는 감압하기 위한 DC-DC 컨버터 및 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 DC-AC 인버터 등으로 구성될 수 있다. 상기 전력변환부(170)는 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)으로부터 공급된 전기를 전력부하로 배출한다. 전력부하는, 예를 들어 선박의 경우 선박의 기본 전기설비 및 화물계통 전기설비 등과 같은 선박 내 전기설비일 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 전력변환부(170)는 에너지 저장장치, 예를 들어 배터리로 전기를 전송하여 저장하도록 구현될 수도 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료, 물(H2O), 및 공기를 이용하여 전기를 생산한다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 가정이나 자동차와 같은 소형 구조물에 사용될 수 있고, 선박 등과 같이 대형 구조물에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료의 연소 에너지를 이용하는 디젤엔진, 가스엔진, 증기터빈, 가스터빈, 또는 랭킨 사이클(Rankine Cycle) 시스템과 연동하도록 구현될 수도 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 관해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료전지(210), 및 수소생성부(400)를 포함한다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210), 상기 수소생성부(400) 등을 포함한 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(250)를 포함하여 구현될 수도 있다. 본 명세서에서는 수소생성부(400)에 유입되는 것을 원료 및 원료수, 상기 수소생성부(400)에서 생성되어 연료전지(210)로 유입되는 것을 연료로 정의한다.
상기 연료전지(210)는 연료전지 스택(stack)을 포함하여 구현된다. 상기 연료전지 스택은 공기극(cathode)과 연료극(anode) 사이에 전해질(electrolyte)층이 형성되고, 연료극(anode)과 공기극(cathode)에는 수소공급 및 공기공급, 열회수를 위한 분리판(separator)이 설치되어 있는 단위전지 모듈을 필요수량만큼 직렬 연결된 형태로 구성된다.
상기 연료전지(210)는 온도센서와 온도 유지용 기기. 즉 히터나 공기극 팬과 연료극 팬, 냉각판 등을 포함할 수 있다. 상기 온도센서는 연료전지 스택의 온도, 공기극(cathode)의 온도, 연료극(anode)의 온도를 센싱한다. 상기 히터에 의해 연료전지를 가열하여 운전에 필요한 온도를 유지하도록 할 수 있다. 상기 공기극 팬은 연료전지 스택의 공기극(cathode)에서 발열한 열을 방열시킨다. 상기 연료극 팬은 연료전지 스택의 연료극(anode)에서 발열한 열을 방열시킨다. 상기 공기극 팬 및 연료극 팬은 연료전지 스택에 사용되는 열교환기의 일부 구성으로 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)이 제어부(250)를 포함하는 경우, 상기 제어부(250)는 온도센서에서 출력되는 신호를 이용하여 히터나 공기극 팬과 연료극 팬을 제어하여 상기 연료전지(210)의 운전온도를 적절하게 유지한다. 예를 들어, 제어부(250)는 인산형 연료전지(PAFC)의 경우 운전온도를 190∼210℃로 유지하며, 용융탄산염 연료전지(MCFC)의 경우 운전온도를 550∼650℃로 유지하며, 고체산화물 연료전지(SOFC)의 경우 운전온도를 650∼1000℃로 유지하며, 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 경우 운전온도를 30∼80℃로 유지하도록 한다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 구비되는 연료전지(210)의 동작을 도 3a, 도 3b를 참조하여 설명하기로 한다. 도 3a는 고체산화물 연료전지(SOFC))의 개념적인 구성도이고, 도 3b는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 개념적인 구성도이다.
먼저, 도 3a를 참조하면 고체산화물 연료전지(SOFC)(310)는 공기극(cathode)(311)에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소이온이 전해질(312)을 통해 연료극(anode)(313)으로 이동한다. 연료극(anode)(313)에서는 수소(H2)를 포함하는 연료가 유입되는데, 전해질(312)을 통해 연료극(anode)(313)으로 이동한 산소이온(O2-)과 수소(H2)가 전기화학적으로 반응하여 물(H20)과 전자(e-)가 생성된다. 공기극(cathode)(311)에서는 전자가 소모되므로 공기극(cathode)(311)과 연료극(anode)(313)을 서로 연결하면 전기가 흐르게 된다.
고체산화물 연료전지(SOFC)(310)는 연료극(anode)(313)에 공급된 연료 중 포함될 수 있는 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2)와 같은 전기화학 미반응물질과 미반응 수소(H2)와 같은 잔여물질과 반응생성물인 물(액체 혹은 기체상태로서의 H20)을 배출한다. 또한, 고체산화물 연료전지(SOFC)(310)의 공기극(cathode)(311)에서는 미반응 산소 및 질소 등을 배출한다.
도 3b를 참조하면 고분자전해질 연료전지(PEMFC)(320)는 연료극(anode)(321)에 형성된 촉매층(322)에서 수소(H2)가 수소이온(H+)과 전자(e-)로 생성된다. 수소이온(H+)은 고분자 전해질막(Polymer Membrane)(323)을 통해 공기극(cathode)(324)으로 이동한다. 고분자전해질 연료전지(PEMFC)(320)는 공기극(cathode)(324)에 형성된 촉매층(325)에서 수소이온(H+)과 산소(O2)가 반응하여 물(H20)을 생산한다. 연료극(anode)(321)에 형성된 촉매층(322)과 공기극(cathode)(324)에 형성된 촉매층(325)을 서로 연결하면 전기가 흐르게 된다.
고분자전해질 연료전지(PEMFC)(320)는 연료극(anode)(321)의 촉매층(322)에서 미반응 수소(H2)와 같은 잔여물질을 배출한다. 또한, 고분자전해질 연료전지(PEMFC)(320)는 공기극(cathode)(324)에서 미반응 산소와 물(H20)을 배출한다.
그 외에 용융탄산염 연료전지(MCFC)는 연료극(anode)에서 수소(H2)와 탄산이온(CO3 2-)이 반응하여 물(H2O)과 이산화탄소(CO2), 전자(e-)가 생성된다. 생성된 이산화탄소(CO2)는 공기극(cathode)으로 보내지게 되고, 공기극(cathode)에서 이산화탄소(CO2)와 산소(O2)가 반응하여 탄산이온(C03- 2)을 생산한다. 탄산이온(C03- 2)은 전해질을 통해 연료극(anode)으로 이동한다. 용융탄산염 연료전지(MCFC)에서는 전기를 생성하는 과정에서 발생하는 이산화탄소(CO2)를 외부로 배출하지 않고 연료전지 내부에서 순환되도록 구현될 수 있다.
도 2 및 도 4를 참고하면, 상기 수소생성부(400)는 원료를 이용하여 연료전지(210)의 연료극(anode)에 필요한 연료, 즉 수소(H2) 가스를 생성하는 장치를 포함한다. 본 명세서에서는 상기 수소생성부(400)에 유입되는 것을 원료 및 원료수, 상기 수소생성부(400)에서 생성되어 상기 연료전지(210)로 유입되는 것을 연료로 정의한다.
수소생성부(400)는 연료전지(210)의 종류에 따라 또는 전기 생성 효율 향상을 위해 그 구조가 다양하게 설계될 수 있다. 예를 들어, 상기 연료전지(210)가 용융탄산염 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)인 경우, 상기 수소생성부(400)는 개질기(Reformer)와 연소기를 포함하여 구현될 수 있다. 다른 예로, 상기 연료전지(210)가 인산형 연료전지(PAFC) 또는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)인 경우 상기 수소생성부(400)는 개질기(Reformer)와 연소기 외에도 수성가스화반응기(Water Gas Shift reactor, WGS)를 더 포함하여 구현될 수 있다.
상기 수성가스화반응기(WGS)는 고온 수성가스화반응기(HTS, High-Temperature Shift Reactor), 중온 수성가스화반응기(MTS, Mid-Temperature Shift Reactor), 저온 수성가스화반응기(LTS, Low-Temperature Shift Reactor), 또는 일산화탄소 제거기를 포함할 수 있다. 상기 일산화탄소 제거기는 일산화탄소(CO)만을 연소시켜 제거하는 선택적산화반응기(Preferential Oxidation, PROX), 또는 일산화탄소(CO)를 수소(H2)와 반응시켜 그 농도를 저감시키는 메탄화반응기를 포함할 수 있다.
도 4를 참고하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 있어서, 상기 수소생성부(400)의 일례를 살펴보면, 다음과 같다.
상기 수소생성부(400)는 원료 처리부(410), 원료수 처리부(420), 개질기(Reformer)(430), 및 연소기(440)를 포함하여 구현될 수 있다.
상기 원료 처리부(410)는 원료 저장탱크를 포함하는 원료 공급부로부터 공급되는 원료를 전처리한다. 예를 들어, 상기 원료 처리부(410)는 LNG 저장탱크에서 공급되는 액화천연가스를 증발시키는 LNG 증발기를 포함하여 구현될 수 있다. 원료가 해상 가스유(Marine Gas Oil, MGO), 해상 디젤유(Marine Diesel Oil, MDO), 일반 중유(Heavy Fuel Oil, HFO) 등과 같이 상대적으로 높은 분자량을 갖는 액상 원료인 경우, 상기 원료 처리부(410)는 해상 가스유(MGO), 해상 디젤유(MDO), 또는 일반 중유(HFO)에 열을 가하는 히터와 상기 가열된 원료를 촉매 반응하여 메탄(CH4)을 생성하는 메탄화기를 포함하여 구현될 수 있다. 또한, 상기 원료 처리부(410)는 원료에 포함된 불순물을 제거하는 필터나 황화물을 제거하는 탈황기를 포함하여 구현될 수 있다.
상기 원료수 처리부(420)는 원료수 저장탱크를 포함하는 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수를 전처리한다. 상기 원료수 처리부(420)는 예를 들어, 원료수를 가열하여 스팀(H2O)을 생성하고, 상기 스팀(H2O)을 개질기(Reformer)로 공급한다. 상기 원료수 처리부(420)는 예를 들어, 연소기(440)에서 발생하는 배기가스의 폐열로 원료수를 가열하는 열교환기를 포함하여 구현될 수 있다. 또한, 상기 원료수 처리부(420)는 연료전지 시스템의 배기가스나 증기 내에 포함된 수분(물방울)을 분리하는 기수분리기(steam separator)를 포함하여 구현될 수 있다. 또한, 상기 원료수 처리부(420)는 원료수를 연료전지 시스템에서 요구하는 순도를 유지하기 위해 활성탄, 이온제거용 수지 등을 이용할 수도 있으며, 이를 측정하는 센서 및 제어 시스템을 포함할 수 있다. 다른 예로, 원료수 처리부(420)에 일정 수준의 수량을 유지하기 위한 외부 물 공급 라인 및 시스템을 포함할 수 있다.
상기 개질기(Reformer)(430)는 상기 원료 처리부(410)로부터 공급된 전처리된 연료 및 상기 원료수 처리부(420)로부터 공급된 스팀(H20)의 개질반응을 진행하여 수소(H2)를 포함하는 개질가스를 발생시킨다. 이러한 개질반응을 진행함에 있어서, 상기 개질기(430)는 상기 연소기(440)에서 제공되는 열 에너지를 이용할 수 있다. 이하 본 명세서에서는 상기 개질기(330)에서 나오는 개질가스를 연료로 정의한다.
상기 개질기(Reformer)(430)는 개질반응을 촉발시키는 개질촉매층을 포함하여 구현된다. 개질촉매층은 개질촉매가 담체에 담지된 촉매를 충전한 구조로 이루어진다. 개질촉매는 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 백금(Pt) 등으로 이루어지며, 촉매를 담지하는 담체의 형상은, 예컨대 입상, 펠릿형상 및 허니컴형상 등이 될 수 있고, 담체를 구성하는 재료는 세라믹, 내열성금속 등, 예컨대 알루미나(Al2O3)나 티타니아(TiO2) 등이 될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 있어서, 상기 개질기(430)는 상기 연료전지(210)의 외부에 설치될 수 있다. 이 경우, 상기 연료전지(210)는 외부 개질형으로 구현된다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 있어서, 상기 개질기(430)는 상기 연료전지(210)의 내부에 개질촉매층의 형태로 설치될 수도 있다. 이 경우, 상기 연료전지(210)는 내부 개질형으로 구현된다.
상기 연소기(440)는 상기 개질기(Reformer)(430)에서 개질반응이 원활하게 진행되도록 열을 제공한다. 상기 연소기(440)에 의한 개질기 가열온도가 낮은 경우, 상기 개질기(Reformer)(430)의 흡열반응에 의한 개질반응이 잘 진행되지 않으며 수분(물방울)이 상기 개질기(Reformer)(430) 내에 발생한다. 상기 연소기(440)의 가열온도가 높은 경우 상기 개질기(Reformer)(430)의 개질촉매층의 촉매활성이 저하될 수 있다.
상기 연소기(440)는 시스템 전체의 효율을 향상시키기 위해, 상기 원료 처리부(410)에서 전처리된 원료, 상기 연료전지(210)의 연료전지 스택의 연료극(anode)에서 배출되는 배기가스, 또는 그 둘을 혼합한 것을 연료로 사용할 수 있다. 상기 연소기(440)는 공기 공급부(130, 도 1에 도시됨)에서 공급되는 공기를 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 있어서, 상기 연소기(440)는 추가로 상기 연료전지(210)의 연료전지 스택의 공기극(cathode)에서 배출되는 공기를 사용할 수 있다.
도시하지 않았지만, 상기 수소생성부(400)는 하나 이상의 온도센서를 더 포함할 수 있으며, 상기 온도센서는 개질기(Reformer)(430)의 온도를 검출한다. 상기 개질기(Reformer)(430)의 온도는 상기 개질기(Reformer)(430)의 구성 및 상기 원료 처리부(410)에서 전처리된 연료와 스팀(H2O)과의 혼합비율 등의 조건에 의해서 최적 온도 범위가 변화한다. 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템(200)이 상기 제어부(250, 도 2에 도시됨)를 포함하는 경우, 상기 제어부(250)는 온도센서에서 출력되는 신호를 이용하여 상기 연소기(440)의 원료 연소량을 증감시켜 상기 개질기(Reformer)(430)의 온도를 제어한다. 예를 들어, 상기 제어부(250)는 최적 온도 범위에 대하여 ±20℃ 정도의 범위 내로 제어하도록 구현될 수 있다.
여기서, 상기 개질기(Reformer)(430)에서 개질반응을 통해 발생하는 가스에는 수소(H2)뿐 아니라 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 등이 포함된다. 상기 연료전지(210)가 고분자전해질 연료전지(PEMFC)인 경우 일산화탄소(CO)는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 연료전지 스택의 전극 촉매를 피독하여 연료전지(210)의 수명을 단축시킨다. 이에 일산화탄소(CO)의 농도를 10 ∼ 20 ppm 이하로 줄이기 위해, 상기 수소생성부(400)는 수성가스화반응기(WGS)(450)를 더 포함할 수 있다.
상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 일산화탄소(CO)와 스팀(H20)을 반응시켜 이산화탄소(CO2)와 수소(H2)를 생산한다. 상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 도 4에 도시한 바와 같이 고온 수성가스화반응기(HTS)와 저온 수성가스화반응기(LTS)를 포함하여 구현될 수 있다.
상기 고온 수성가스화반응기(HTS)와 상기 저온 수성가스화반응기(LTS)의 최적 온도는 사용하는 촉매의 종류에 따라 다르고, 제어온도의 평형에 의해서 배출되는 가스의 조성이 결정된다. 도 4에 도시하지 않았지만, 상기 고온 수성가스화반응기(HTS)와 상기 저온 수성가스화반응기(LTS)에는 각각 냉각기와 온도센서가 설치될 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)이 제어부(250, 도 2에 도시됨)를 포함하는 경우, 상기 제어부(250)는 온도센서에서 출력되는 신호를 이용하여 냉각기를 제어함으로써 상기 고온 수성가스화반응기(HTS)와 상기 저온 수성가스화반응기(LTS)의 온도를 제어한다. 예를 들어, 상기 고온 수성가스화반응기(HTS)는 300∼430℃ 범위 내에서 제어되고, 상기 저온 수성가스화반응기(LTS)는 200∼250℃ 범위 내에서 제어된다.
도시되지 않았지만, 상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 일산화탄소 제거기를 포함할 수 있다. 일산화탄소 제거기는 저온 수성가스화반응기(LTS) 후단에 저온 수성가스화반응기(LTS)에서 완전히 처리되지 않고 남은 극소량의 일산화탄소(CO)를 제거한다. 상기 일산화탄소 제거기는 공기공급부로부터 공기를 공급받아 저온 수성가스화반응기(LTS)에서 배출되는 가스 중 일산화탄소(CO)만을 연소시켜 제거하는 선택적산화반응기(Preferential Oxidation, PROX), 또는 일산화탄소(CO)를 수소(H2)와 반응시켜 그 농도를 저감시키는 메탄화반응기를 포함할 수 있다.
상기 선택적산화반응기(PROX)는 냉각기와 온도센서가 설치된다. 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템(200)이 상기 제어부(250, 도 2에 도시됨)를 포함하는 경우, 상기 제어부(250)는 온도센서에서 출력되는 신호를 이용하여 냉각기를 제어함으로써 선택적산화반응기(PROX)의 온도를 제어한다. 예를 들어, 상기 선택적산화반응기(PROX)는 120∼160℃ 범위 내에서 제어된다. 그러나, 상기 선택적산화반응기(PROX)의 최적 온도는 사용하는 촉매의 종류 및 사용방법 등의 조건에 따라 다르게 설정된다.
상기 선택적산화반응기(PROX)의 촉매층은 선택적산화촉매를 담지하는 담체가 충전된 구조로 이루어진다. 선택적산화촉매는 백금(Pt) 등으로 이루어지며, 촉매를 담지하는 담체의 형상은, 예컨대 입상, 펠릿형상 및 허니컴형상 등이 될 수 있고, 담체를 구성하는 재료는 예컨대 알루미나(Al2O3), 산화마그네슘(MgO) 등이 될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념적인 구성도, 도 7a는 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제1실시예에 따른 구성도, 도 7b는 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제1실시예에서 연료전지, 개질기 및 연소기를 제외한 실시예에 따른 구성도, 도 8은 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제2실시예에 따른 구성도, 도 9는 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제3실시예에 따른 구성도이다. 여기서, 도 1 내지 도 4와 동일한 구성은 동일한 도면부호를 사용한다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료전지(210), 수소생성부(400), 제1열교환부(500) 및 제2열교환부(600)를 포함한다. 여기서, 상기 제2열교환부(600)는 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 냉매를 등압 가열시키는 가열기를 대체할 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210), 상기 수소생성부(400), 상기 제1열교환부(500) 및 상기 제2열교환부(600) 등을 포함하는 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(250)를 포함하여 구현될 수도 있다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 상기 연료전지(210)는 상기 수소생성부(400)로부터 수소가 포함된 연료를 공급받아 전기 화학적 반응을 통해 전기를 생산할 수 있다. 예컨대, 상기 연료전지(210)는 개질기(430)로부터 수소가 포함된 연료를 공급받아 전기 화학적 반응을 통해 전기를 생산할 수 있다. 상기 연료전지(210)는 1개 또는 복수개의 연료전지 모듈로 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 연료전지(210)는 알칼리 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 및 직접메탄올 연료전지(DMFC) 중 적어도 하나의 연료전지를 포함할 수 있다. 상기 연료전지(210)는 전기 화학적 반응을 거치면서 발생하는 배기가스를 상기 수소생성부(400)에 공급할 수 있다. 예컨대, 상기 연료전지(210)는 상기 연소기(440)에 배기가스를 공급할 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 연료전지(210)의 운전 온도를 유지하기 위해, 연료 및 공기의 온도를 조절하여 공급하기 위한 열교환기 및 냉각기를 설치하여 운전할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 상기 수소생성부(400)는 원료 처리부(410), 원료수 처리부(420), 개질기(430), 및 연소기(440)를 포함하여 구현될 수 있다. 상기 수소생성부(400)는 상기 원료 공급부(110)로부터 LNG(액화천연가스)를 공급받고, 상기 원료수 공급부(120)로부터 물을 공급받아 상기 연료전지(210)에 필요한 수소가 포함된 연료를 생성한다. 상기 원료 저장탱크에 저장되는 원료는 해상 가스유(MGO), 해상 디젤유(MDO), 일반 중유(HFO), 메탄올, 디메틸에테르(DME), 액화석유가스(LPG) 및 LNG(액화천연가스) 등과 같은 액상 원료이다. 본 명세서에서는 LNG(액화천연가스)를 기화시켜 상기 개질기(430), 상기 연소기(440) 및 상기 가스엔진 시스템(140, 도 7에 도시됨)에 공급할 수 있다.
도 5 내지 도 7을 참고하면, 상기 원료 처리부(410)는 LNG 저장탱크를 포함하는 원료 공급부(110)에서 공급되는 LNG(액화천연가스)를 증발시키는 LNG 증발기(4101)를 포함할 수 있다. 상기 LNG 증발기(4101) 내부에는 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 응축기(163)가 설치될 수 있다. 상기 응축기(163)는 상기 제1열교환부(500)에서 공급되는 스팀(H20)으로 가열된 냉매를 공급받을 수 있다. 이에 따라, 상기 LNG 증발기(4101)는 상기 응축기(163)에 공급되는 고온의 냉매에 의해 LNG(액화천연가스)를 기화시킬 수 있다. 예컨대, 상기 냉매는 상기 랭킨사이클 시스템(160)을 순환하는 냉매일 수 있다.
도 5 내지 도 7을 참고하면, 상기 원료수 처리부(420)는 상기 원료수 공급부(120)로부터 원료수(예컨대, 물)를 공급받아 원료수를 전처리한다. 상기 원료수 처리부(420)는 기수분리기(4201)를 포함할 수 있다. 상기 기수분리기(4201)는 상기 가스엔진(1401) 및 상기 이코노마이저(1402)를 포함하는 가스엔진 시스템(140)과 연결되게 설치될 수 있다.
상기 기수분리기(4201)는 스팀(H20)에서 물을 분리한다. 예컨대, 상기 기수분리기(4201)는 상기 원료수 공급부(120)에서 공급받은 물을 상기 이코노마이저(1402)로 순환시켜 상변화된 스팀(H20)을 공급받아, 상기 스팀(H20)에서 물을 분리할 수 있다. 상기 기수분리기(4201)는 원심분리기, 금속망, 방해판 등을 이용하여 물을 분리할 수 있다. 상기 기수분리기(4201)에서 분리된 물은 외부로 배출되거나 상기 원료수 공급부(120)로 공급되어 저장될 수 있다. 상기 기수분리기(4201)에서 배출되는 스팀(H20)은 상기 이코노마이저(1402)로 공급될 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 이코노마이저(1402)에서 상기 기수분리기(4201)로 순환되는 회수 관로에 by-pass 라인을 설치하여 다른 용도로 스팀(H20)을 사용하도록 할 수 있다.
상기 가스엔진 시스템(140)의 상기 이코노마이저(1402)는 상기 기수분리기(4201)에서 공급되는 스팀(H20)을 가열한다. 여기서, 상기 이코노마이저(1402)는 가스엔진(1401, 도 7에 도시됨)으로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 상기 기수분리기(4201)에서 공급되는 물 또는 스팀(H20)을 가열할 수 있다. 상기 가스엔진(1401)은 상기 LNG 증발기(4101)에 연결되게 설치되어, 상기 LNG 증발기(4101)에서 기화되는 연료를 공급받아 추진력을 발생시킬 수 있다. 이 경우, 상기 연료는 LNG(액화천연가스)가 기화된 NG(천연가스)일 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 이코노마이저(1402)는 상기 가스엔진(1401)의 배기관과 배기 출구와의 사이에 설치된다. 상기 이코노마이저(1402)는 입구관, 고압 증발기, 중간관, 저압 증발기, 및 출구관을 포함하여 구성된다. 상기 입구관은 상기 가스엔진(1401)의 배기관에 접속되어 상기 가스엔진(1401)으로부터 배출되는 배기가스를 상기 고압 증발기로 안내한다. 상기 중간관은 상기 고압 증발기에서의 열교환 후의 배기가스를 저압 증발기로 안내한다. 상기 출구관은 저압 증발기에서의 열교환 후의 배기가스를 배기 출구로 안내한다. 상기 기수분리기(4201)에서 공급되는 스팀(H20)은 상기 고압 증발기 및 상기 저압 증발기를 거치면서 상기 가스엔진(1401)에서 배출되는 고온의 배기가스와 열교환된다. 상기 이코노마이저(1402)에서 가열된 스팀(H20)은 상기 제1열교환부(500)에 공급될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1열교환부(500)는 상기 연소기(440)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 상기 이코노마이저(1402)에서 공급되는 스팀(H20)을 추가적으로 가열할 수 있다.
도 5 내지 도 7을 참고하면, 상기 개질기(430)는 상기 LNG 증발기(4101)에서 공급되는 연료와 스팀터빈(150, 도 7에 도시됨)에서 배출되는 스팀(H20) 간의 개질반응을 진행하여 수소(H2)를 포함하는 개질가스를 발생시킨다. 이러한 개질반응을 진행함에 있어서, 상기 개질기(430)는 상기 연소기(440)에서 제공되는 열 에너지를 이용할 수 있다. 상기 개질기(430)는 상기 스팀터빈(150)에서 배출되는 고온, 고압의 스팀(H20)을 일부 공급받음으로써, 스팀 생성을 위한 별도의 가열장치 없이 개질반응 시키는 시스템 효율이 더 향상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 이코노마이저(1402)에서 1차 가열되고, 상기 제1열교환부(500)에서 2차 가열된 스팀(H20)을 이용하여 상기 스팀터빈(150)에서 전기를 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 1차 및 2차 가열된 스팀(H20)을 상기 개질기(430)에 일부 공급하도록 구현됨으로써, 상기 개질기(430)의 개질반응 효율을 향상시켜 상기 연료전지(210)에 수소가 포함된 연료를 원활하게 공급할 수 있다.
도 5 내지 도 7을 참고하면, 상기 연소기(440)는 상기 개질기(430)에서 개질반응이 원활하게 진행되도록 열을 제공한다. 상기 연소기(440)에 의한 개질기 가열온도가 낮은 경우, 상기 개질기(430)의 흡열반응에 의한 개질반응이 잘 진행되지 않으며 수분(물방울)이 상기 개질기(430) 내에 발생할 수 있다. 상기 연소기(440)의 가열온도가 높은 경우 상기 개질기(430)의 개질촉매층의 촉매활성이 저하될 수 있다. 상기 연소기(440)는 시스템 전체의 효율을 향상시키기 위해, 상기 원료 처리부(410)에서 전처리된 원료, 상기 연료전지(210)의 연료전지 스택의 연료극(anode)에서 배출되는 배기가스, 또는 그 둘을 혼합한 것을 연료로 사용할 수 있다. 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)에 있어서, 상기 연소기(440)는 상기 연료전지(210)의 연료전지 스택의 공기극(cathode)에서 배출되는 공기를 사용할 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 연소기(440)는 공기공급부(130, 도 4에 도시됨)에서 공급되는 공기를 사용할 수 있다.
도 7을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제1실시예는 제1열교환부(500), 제2열교환부(600)를 포함할 수 있다.
상기 제1열교환부(500)는 상기 이코노마이저(1402)와 상기 스팀터빈(150) 사이에 설치된다. 상기 제1열교환부(500)는 상기 이코노마이저(1402)에서 상기 스팀터빈(150)으로 공급되는 스팀(H20)이 가열되도록 상기 연소기(440)에서 배출되는 배기가스와 상기 이코노마이저(1402)에서 배출되는 스팀(H20)을 열교환하여 2차 가열된 스팀(H20)을 생성한다. 이 경우, 상기 연소기(440)에서 배출되는 배기가스는 상기 이코노마이저(1402)에서 배출되는 스팀(H20)을 가열하는 열원이 된다. 이에 따라, 상기 제1열교환부(500)에서 배출되는 스팀(H20)은 고온, 고압의 상태가 된다. 상기 제1열교환부(500)에서 배출되는 스팀(H20)은 상기 스팀터빈(150)으로 공급되어, 상기 스팀터빈(150)의 동력원으로 기능할 수 있다. 이 경우, 상기 스팀터빈(150)에 연결되게 설치된 발전기(G, 도 7에 도시됨)는 전기를 생산할 수 있다. 상기 제1열교환부(500)를 거친 상기 연소기(440)의 배기가스는 외부로 배출될 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 연소기(440)의 배기가스는 응축기를 통해 물을 응축시켜 상기 기수분리기(4201)로 공급하고 나머지 배기가스는 외부로 배출할 수 있다.
상기 연료전지 시스템(200)의 운전 시 이상 등으로 인해 정지되거나 보수 등으로 인해 상기 연료전지 시스템을 사용하지 않는 경우, 상기 제1열교환부(500)의 전단 및 상기 제1열교환부(500)의 후단을 연결하는 바이패스(by-pass) 라인. 즉, 상기 이코노마이저(1402)와 상기 제1열교환부(500)를 연결하는 배관, 및 상기 제1열교환부(500)와 상기 스팀터빈(Steam Turbine)(150)을 연결하는 배관을 연결하는 바이패스(by-pass) 라인을 설치하여 상기 연료전지 시스템(200)의 상기 연소기(440) 배기가스에 의해 2차 가열하지 않을 수 있다. 이 경우, 상기 가스엔진 시스템(140)의 상기 이코노마이저(1402)에 의해 가열된 스팀으로 상기 스팀터빈(150)을 구동하도록 함으로써, 상기 스팀터빈(150)에서 발전기에 의해 전력을 생산할 수도 있다.
도시하지 않았지만, 상기 바이패스(by-pass) 라인에 상기 스팀터빈(150)에 공급되는 스팀을 가열하는 보일러를 설치하여, 상기 이코노마이저(1402)에서 충분히 가열되지 못한 스팀을 2차 가열함으로써 높은 온도의 스팀이 상기 스팀터빈(150)으로 공급되도록 하여 전력을 생산하도록 할 수 있다. 이 경우, 상기 보일러의 연료는 상기 LNG 증발기(4101)에서 증발되어 공급되는 NG나 별도의 탱크에서 공급되는 디젤과 같은 연료일 수 있다.
또한, 상기 가스엔진(1401)이 정지된 상태에서도 상기 연료전지 시스템(200)의 상기 연소기(440) 배기가스를 이용하여 상기 기수분리기(4210)에서 상기 제1열교환부(500)로 공급되는 물 또는 스팀을 가열하도록 하여 상기 스팀터빈(150)에 공급하거나, 상기 보일러에 의해 가열된 스팀을 상기 스팀터빈(150)에 공급하도록 함으로써, 발전기에 의해 전력을 생산하도록 할 수 있다.
도시하지 않았지만, 상기 제어부(250)는 공급부(800, 도 7에 도시됨)에 설치된 밸브를 제어하여 관로 개방을 조절함으로써 상기 스팀터빈(150)에서 상기 제2열교환부(600)로 공급되는 스팀(H20) 중 일부를 상기 개질기(430)로 공급할 수 있다. 이에 따라, 상기 개질기(430)는 상기 공급부(800)를 통해 상기 스팀터빈(150)에서 공급되는 스팀(H20)을 공급받아 개질반응에 사용할 수 있다. 상기 제어부(250)는 상기 개질기(430)에 공급되는 스팀(H20)의 필요한 양을 상기 밸브를 제어하여 관로를 개폐함으로써, 상기 스팀터빈(150)에서 상기 개질기(430)로 적절하게 스팀(H20)이 공급되도록 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제1실시예는 상기 제1열교환부(500)에서 가열된 후 상기 스팀터빈(150)을 구동한 후 배출되는 스팀(H20)을 상기 개질기(430)에 공급할 수 있도록 구현됨으로써, 스팀 생성을 위한 열 공급을 줄임으로써 상기 연료전지 시스템(200)의 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 제2열교환부(600)는 냉매를 이용하여 LNG를 기화시키기 위한 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 냉매와 상기 스팀터빈(150)에서 배출되는 스팀(H20)을 열교환시킨다. 여기서, 상기 냉매는 물(액체 또는 기체로서의 H20), 이산화탄소(CO2), 프로판, 부탄, 에틸렌글리콜(Ethylene glycol) 및 프로필렌글리콜(Propylene glycol) 또는 이들의 혼합물 등일 수 있다. 상기 제2열교환부(600)는 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 가열기를 대체할 수 있다. 이에 따라, 본 명세서에서는 상기 랭킨사이클 시스템(160) 및 상기 연료전지 시스템(200)을 구분하여 상기 제2열교환부(600)를 설명하기로 한다.
먼저, 상기 랭킨사이클 시스템(160)에서 상기 제2열교환부(600)를 설명하면, 상기 스팀터빈(150)에서 상기 제2열교환부(600)로 공급되는 스팀(H20)은 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 냉매, 즉 물(액체 또는 기체로서의 H20) 등을 가열하는 열원이 된다. 본 명세서에서는 물을 기준으로 설명하기로 한다. 이에 따라, 상기 펌프(161)에서 상기 제2열교환부(600)로 공급되는 물(액체 또는 기체로서의 H20)은 상기 제2열교환부(600)를 거치면서 상기 스팀터빈(150)에서 공급되는 고온의 스팀(H20)에 의해 가열되어 스팀(H20)으로 상변화될 수 있다. 상기 제2열교환부(600)에서 상변화된 스팀(H20)은 상기 압축기(162)로 공급되어, 상기 압축기(162)에 구동력을 발생시킬 수 있다. 상기 압축기(162)는 발전기(G, 도 7에 도시됨)에 연결되게 설치됨으로써, 발생된 구동력을 상기 발전기에 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 발전기(G, 도 7에 도시됨)는 전기를 생산할 수 있다. 상기 압축기(162)에서 단열 압축된 냉매를 상기 LNG 증발기(4101) 내의 상기 응축기(163)에서 등압 방열하도록 구현하여, LNG 가열장치로서 작동하여 상기 LNG 증발기(4101)에서 LNG(액화천연가스)를 기화시킬 수 있다.
상기 LNG 증발기(4101)는 개질기(430), 연소기(440), 및 상기 가스엔진(1401)에 연결되게 설치된다. 이에 따라, 상기 LNG 증발기(4101)에서 기화되는 NG(천연가스)는 임펠러(Impeller), 블로워(Blower) 등을 통해 상기 개질기(430), 상기 연소기(440) 및 상기 가스엔진(1401)으로 공급될 수 있다. 상기 응축기(163)를 거친 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 냉매는 상기 스팀터빈(150)에서 배출되는 스팀과 열교환할 수 있도록 상기 펌프(161)에 의해 상기 제2열교환부(600)로 공급될 수 있다.
도 7b를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제1실시예에서 상기 제1열교환부(500), 상기 연료전지(210), 상기 개질기(430) 및 상기 연소기(440)를 제외하고, 상기 제2열교환부(600)을 포함할 수 있다. 상기 기수분리기(4201)에서 상기 이코노마이저(1402)로 공급된 물 또는 스팀이 가열되어 상기 제2열교환부(600)에서 냉매를 가열하도록 하고, 가열된 냉매를 이용하여 상기 LNG 증발기(4101)에서 LNG를 기화시키도록 구현할 수 있다.
이는 상기 도 7a에서 상기 바이패스(by-pass) 라인을 통해 상기 가스엔진(1401)의 배기가스에 의해 가열되어 발생한 스팀만으로 LNG를 기화시키는 냉매를 가열하는 시스템과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
다음, 상기 연료전지 시스템(200)에서 상기 제2열교환부(600)를 설명하면, 상기 스팀터빈(150)에서 상기 제2열교환부(600)로 공급되는 고온의 스팀(H20)은 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 냉매, 즉 물(액체 또는 기체로서의 H20)에 의해 냉각된다. 이에 따라, 상기 제2열교환부(600)에서 배출되는 스팀(H20)은 상기 스팀터빈(150)에서 상기 제2열교환부(600)로 공급되는 스팀(H20)에 비해 저온이다. 상기 스팀터빈(150)에서 공급되어 상기 제2열교환부(600)를 거쳐 배출되는 스팀(H20)은 제3열교환부(700, 도 8에 도시됨)로 공급될 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제1실시예는 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다.
첫째, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제1실시예는 상기 가스엔진(1401)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 1차 가열되고, 상기 연소기(440)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 2차 가열된 스팀(H20)으로 상기 스팀터빈(150)을 구동하도록 구현됨으로써, 상기 연료전지(210)와 별도로 상기 스팀터빈(150)에 의해 전기를 생산할 수 있으므로 전체적인 전기 생산량을 증가시키고, 상기 발전시스템의 효율을 높일 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제1실시예는 상기 이코노마이저(1402)에서 1차 가열되고, 상기 제1열교환부(500)에서 2차 가열된 스팀(H20)으로 상기 스팀터빈(150)을 구동시키고 상기 스팀터빈(150)에서 배출되는 스팀(H20)으로 랭킨사이클 시스템(160)에 사용되는 냉매를 가열하도록 구현됨으로써, 종래 냉매 가열장치를 생략할 수 있다. 이에 따라, 냉매 가열장치에 공급되는 연료나 전기를 줄임으로써, 상기 연료전지 시스템(200)의 전기 생산량 및 전기 생산 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 종래 가열장치에 공급되는 연료를 상기 가스엔진(140)에 사용할 수 있으므로 운항거리를 증가시킬 수 있다.
셋째, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제1실시예는 상기 이코노마이저(1402)에서 1차 및 상기 제1열교환부(500)에서 2차 가열된 스팀(H20)으로 상기 스팀터빈(150)을 구동시키고 상기 스팀터빈(150)에서 배출되는 스팀(H20)으로 랭킨사이클 시스템(160)에 사용되는 냉매를 가열하도록 구현됨으로써, 별도의 냉매 가열장치를 생략할 수 있으므로 전기를 생산하는데 소모되는 구축비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 설치공간에 대한 활용도를 높일 수 있다.
넷째, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제1실시예는 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 냉매를 열원으로 LNG(액화천연가스)를 기화시키도록 구현됨으로써, LNG(액화천연가스)를 가열하기 위한 별도의 가열장치를 생략할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제1실시예는 LNG(액화천연가스)를 기화시키기 위한 가열장치에 공급되는 연료나 전기를 상기 연료전지(210) 및 상기 가스엔진(140)에 공급할 수 있어 전기 생산량을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 가스엔진(140)의 가동시간을 증가시키고, 상기 발전시스템의 효율을 높일 수 있다.
도 8을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제2실시예는 제3열교환부(700)를 포함할 수 있다.
상기 제3열교환부(700)는 상기 제2열교환부(600)와 상기 기수분리기(4201) 사이에 설치된다. 상기 제3열교환부(700)는 상기 제2열교환부(600)에서 배출되는 물(액체 혹은 기체상태로서의 H20)이 가열되도록 상기 연료전지(210)에서 배출되는 배기가스 및 상기 제2열교환부(600)에서 배출되는 물(액체 혹은 기체상태로서의 H20)을 열교환시킨다. 이 경우, 상기 연료전지(210)에서 배출되는 배기가스는 상기 제2열교환부(600)에서 배출되는 물(액체 혹은 기체상태로서의 H20)을 가열하는 열원이 된다. 이에 따라, 상기 제3열교환부(700)에 공급되는 물(액체 혹은 기체상태로서의 H20)은 스팀(H20) 등으로 상변화 또는 가열되어 상기 제3열교환부(700)에서 배출된다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제2실시예는 상기 제2열교환부(600)에서 상기 기수분리기(4201)로 공급되는 스팀(H20)의 양을 증가시킴으로써, 상기 기수분리기(4201)가 스팀을 생성하기 위한 부하를 감소시켜 상기 기수분리기(4201)의 사용수명을 연장시키고 효율을 높일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제2실시예는 상기 기수분리기(4201)에 공급되는 스팀(H20)의 양을 증가시킴으로써, 상기 제2열교환부(600)에 공급되는 스팀(H20)의 양을 증가시켜 상기 LNG 증발기(4101)의 기화된 NG의 양을 증가시키고 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 전기 생산량을 증가시킬 수도 있다.
도시하지 않았지만, 상기 제어부(250)는 상기 공급부(800)에 설치된 밸브를 제어하여 관로를 개방함에 따라 상기 스팀터빈(150)에서 상기 제2열교환부(600)로 공급되는 스팀(H20) 중 일부를 상기 개질기(430)로 공급할 수 있다. 이에 따라, 상기 개질기(430)는 상기 공급부(800)를 통해 상기 스팀터빈(150)에서 공급되는 스팀(H20)을 공급받아 개질반응에 사용할 수 있다. 상기 제어부(250)는 상기 개질기(430)에 공급되는 스팀(H20)의 필요한 양을 상기 밸브를 제어하여 관로를 개폐함으로써, 상기 스팀터빈(150)에서 상기 개질기(430)로 적절하게 스팀(H20)이 공급되도록 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제2실시예는 상기 제1열교환부(500)에서 가열된 스팀(H20)으로 상기 스팀터빈(150)을 구동한 후, 상기 스팀터빈(150)에서 배출되는 스팀을 상기 개질기(430)에 공급할 수 있도록 구현됨으로써, 스팀 생성을 위한 열 공급을 줄임으로써 상기 연료전지 시스템(200)의 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 연료전지 시스템(200)의 운전 이상 등으로 인해 정지되거나 보수 등으로 인해 상기 연료전지 시스템을 사용하지 않는 경우, 상기 제1열교환부(500)를 거치지 않도록 상기 제1열교환부(500) 의 전단 및 상기 제1열교환부(500)의 후단을 연결하는 바이패스(by-pass) 라인을 설치하여 상기 연료전지 시스템(200)의 상기 연소기(440) 배기가스에 의해 2차 가열하지 않고, 상기 가스엔진 시스템(140)의 상기 이코노마이저(1402)에 의해 가열된 스팀으로 상기 스팀터빈(150)을 구동하여 전기를 생산하고, 상기 스팀터빈(150)에서 배출되는 스팀으로 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 냉매를 가열함으로써 상기 LNG 증발기(4101)에서 LNG를 기화시키도록 할 수도 있다. 또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제2실시예에서 상기 제1열교환부(500), 상기 연료전지(210), 상기 개질기(430) 및 상기 연소기(440)를 제외하고, 상기 제2열교환부(600) 및 상기 제3열교환부(700)를 포함할 수 있다. 상기 기수분리기(4201)에서 상기 이코노마이저(1402)로 공급된 물 또는 스팀이 가열되어 상기 제2열교환부(600)에서 냉매를 가열하도록 하고, 가열된 냉매를 이용하여 상기 LNG 증발기(4101)에서 LNG를 기화시키도록 구현할 수 있다.
도 9를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제3실시예는 제1응축기(810)를 포함할 수 있다.
상기 제1응축기(810)는 상기 제3열교환부(700) 및 상기 기수분리기(4201) 사이에 설치된다. 상기 제1응축기(810)는 상기 제3열교환부(700)에서 배출되는 상기 연료전지(210)의 배기가스에 포함된 스팀(H20)을 응축시킨다. 상기 제1응축기(810)는 수냉식, 공냉식, 증발식 등의 방법으로 스팀(H20)을 냉각시켜 응축시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 제1응축기(810)는 상기 연료전지(210)의 배기가스에 포함된 스팀(H20)을 물로 응축시킬 수 있다. 상기 제1응축기(810)는 응축시킨 물을 상기 기수분리기(4201)로 공급할 수 있다. 상기 제1응축기(810)에서 응축된 물을 제외한 나머지 잔여가스는 상기 연소기(440)로 공급된다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제3실시예는 상기 연료전지(210)의 배기가스로부터 스팀(H20)을 물로 응축시켜 상기 기수분리기(4201)에 공급할 수 있으므로, 외부로 배출되는 물을 재활용하여 전기를 생산하는데 필요한 물이 낭비되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제3실시예는 상기 제1응축기(810)에서 배출되는 배기가스를 상기 연소기(440)로 공급하여 연소되도록 구현됨으로써, 미반응 배기가스 배출량을 감소시켜 환경 보호에 기여할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 선박의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 10은 본 발명에 따른 선박의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 1 내지 도 10을 참고하면, 본 발명에 따른 선박(900)은 선체(910)에 발전시스템(100)이 설치된다. 상기 발전시스템(100)은 상기 가스엔진 시스템(140) 및 상기 연료전지 시스템(200)을 포함한다. 상기 가스엔진 시스템(140)은 상기 가스엔진(1401) 및 상기 이코노마이저(1402)를 포함한다. 상기 연료전지 시스템(200)은 연료전지(210), 수소생성부(400), 제1열교환부(500), 제2열교환부(600), 제3열교환부(700), 공급부(800) 및 제1응축기(810)를 포함한다. 상기 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210), 상기 수소생성부(400), 상기 제1열교환부(500), 상기 제2열교환부(600), 상기 제3열교환부(700), 상기 공급부(800) 및 상기 제1응축기(810) 등을 포함한 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(250)를 포함하여 구현될 수도 있다.
상기 연료전지(210)는 상기 수소생성부(400)로부터 수소가 포함된 연료를 공급받아 전기 화학적 반응을 통해 전기를 생산할 수 있다. 예컨대, 상기 연료전지(210)는 개질기(430)로부터 수소가 포함된 연료를 공급받아 전기 화학적 반응을 통해 전기를 생산할 수 있다. 상기 연료전지(210)는 알칼리 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 및 직접메탄올 연료전지(DMFC) 중 적어도 하나의 연료전지를 포함하여 구현될 수 있다. 상기 연료전지(210)에서 배출되는 배기가스는 상기 제3열교환부(700)에 공급되어, 상기 제2열교환부(600)에서 상기 기수분리기(4201)로 공급되는 물(액체 혹은 기체상태로서의 H20)을 가열하는 열원으로 사용될 수 있다.
상기 수소생성부(400)는 원료 처리부(410), 원료수 처리부(420), 개질기(430), 및 연소기(440)를 포함하여 구현될 수 있다. 상기 원료 처리부(410)는 상기 원료 공급부(110)로부터 원료를 공급받아 전처리하는 LNG 증발기(4101)를 포함한다. 상기 LNG 증발기(4101) 내부에는 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 응축기(163)가 설치될 수 있다. 이에 따라, 상기 LNG 증발기(4101)는 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 응축기(163)에 공급되는 스팀(H20)을 열원으로 LNG(액화천연가스)를 기화시킬 수 있다. 상기 원료수 처리부(420)는 상기 원료수 공급부(120)로부터 공급되는 원료수를 전처리하기 위해 스팀(H20)에서 물을 분리하는 기수분리기(4201)를 포함할 수 있다. 상기 수소생성부(400)는 상기 원료 공급부(110)로부터 원료를 공급받고, 상기 원료수 공급부(120)로부터 스팀(H20)을 공급받아 상기 연료전지(210)에 필요한 수소가 포함된 연료를 생성한다. 여기서, 상기 이코노마이저(1402)는 상기 가스엔진(1401)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 상기 기수분리기(4201)에서 공급되는 스팀(H20)을 가열할 수 있다.
상기 제1열교환부(500)는 상기 이코노마이저(1402)에서 상기 스팀터빈(150)으로 공급되는 스팀(H20)이 가열되도록 상기 연소기(440)에서 배출되는 배기가스 및 상기 이코노마이저(1402)에서 배출되는 스팀(H20)을 열교환시킨다. 이 경우, 상기 연소기(440)에서 배출되는 배기가스는 상기 이코노마이저(1402)에서 배출되는 스팀(H20)을 가열하는 열원이 된다. 이에 따라, 상기 제1열교환부(500)에서 배출되는 고온, 고압의 스팀(H20)은 상기 스팀터빈(150)으로 공급되어, 상기 스팀터빈(150)을 작동시키는 구동력을 제공할 수 있다.
상기 제2열교환부(600)는 냉매를 이용하여 LNG를 기화시키기 위한 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 냉매와 상기 스팀터빈(150)에서 배출되는 스팀(H20)을 열교환시킨다. 여기서, 상기 냉매는 물(액체 또는 기체로서의 H20), 이산화탄소(CO2), 프로판, 부탄, 에틸렌글리콜(Ethylene glycol) 및 프로필렌글리콜(Propylene glycol) 또는 이들의 혼합물 등일 수 있다. 본 명세서에서는 물을 기준으로 설명하기로 한다. 상기 제2열교환부(600)는 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 가열기를 대체할 수 있다. 먼저, 상기 제2열교환부(600)를 상기 랭킨사이클 시스템(160)에서 설명하면, 상기 스팀터빈(150)에서 상기 제2열교환부(600)로 공급되는 스팀(H20)은 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 냉매, 즉 물(액체 또는 기체로서의 H20)을 가열하는 열원이 된다. 이에 따라, 상기 펌프(161)에서 상기 제2열교환부(600)로 공급되는 물(액체 또는 기체로서의 H20)은 상기 제2열교환부(600)를 거치면서 상기 스팀터빈(150)에서 공급되는 고온의 스팀(H20)에 의해 가열되어 스팀(H20)으로 상변화될 수 있다. 상기 제2열교환부(600)에서 상변화된 스팀(H20)은 상기 압축기(162)로 공급되어, 상기 압축기(162)에 구동력을 발생시킬 수 있다. 상기 압축기(162)는 발전기(G, 도 7에 도시됨)에 연결되게 설치됨으로써, 발생된 구동력을 상기 발전기에 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 발전기(G, 도 7에 도시됨)는 전기를 생산할 수 있다. 다음, 상기 제2열교환부(600)를 상기 연료전지 시스템(200)에서 설명하면, 상기 스팀터빈(150)에서 상기 제2열교환부(600)로 공급되는 고온의 스팀(H20)은 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 냉매, 즉 물(액체 또는 기체로서의 H20)에 의해 냉각된다. 상기 스팀터빈(150)에서 공급되어 상기 제2열교환부(600)를 거쳐 배출되는 스팀(H20)은 제3열교환부(700, 도 8에 도시됨)로 공급될 수 있다.
상기 제3열교환부(700)는 상기 제2열교환부(600)에서 배출되는 물(액체 혹은 기체상태로서의 H20)이 가열되도록 상기 연료전지(210)에서 배출되는 배기가스 및 상기 제2열교환부(600)에서 배출되는 물(액체 혹은 기체상태로서의 H20)을 열교환시킨다. 이 경우, 상기 연료전지(210)에서 배출되는 배기가스는 상기 제2열교환부(600)에서 배출되는 물(액체 혹은 기체상태로서의 H20)을 가열하는 열원이 된다. 이에 따라, 상기 제3열교환부(700)에 공급되는 물(액체 혹은 기체상태로서의 H20)은 스팀(H20)으로 상변화되어 상기 기수분리기(4101)로 공급될 수 있다.
상기 공급부(800)는 상기 스팀터빈(150)에서 상기 제2열교환부(600)로 공급되는 스팀(H20) 중 일부를 상기 개질기(430)에 공급한다. 이를 위해, 상기 공급부(800)는 상기 스팀터빈(150)과 상기 제2열교환부(600)를 연결하는 관로, 및 상기 개질기(430)를 연결한다. 예컨대, 상기 공급부(800)는 관 또는 파이프와 같은 관로, 및 상기 관로에 설치되는 밸브(Valve)를 포함하여 구현될 수 있다. 제어부(250)는 상기 공급부(800)에 설치된 밸브를 제어하여 관로를 개방함에 따라 상기 스팀터빈(150)에서 상기 제2열교환부(600)로 공급되는 스팀(H20) 중 일부를 상기 개질기(430)로 공급할 수 있다.
상기 제1열교환부(500)의 전단 및 상기 제1열교환부(500)의 후단을 연결하는 바이패스(by-pass) 라인을 설치하여, 상기 연료전지 시스템(200)의 운전 이상 등으로 인해 정지되거나 보수 등으로 인해 상기 연료전지 시스템을 사용하지 않는 경우 상기 연료전지 시스템(200)의 상기 연소기(440) 배기가스에 의해 상기 이코노마이저(1402)에서 상기 스팀터빈(150)으로 공급되는 스팀(H20)이 2차 가열되지 않도록 할 수 있다. 이 경우, 상기 가스엔진 시스템(140)의 상기 이코노마이저(1402)에 의해 스팀을 가열하거나 바이패스(by-pass) 라인에 보일러(미도시)를 설치하여 스팀을 가열하도록 함으로써 고온의 스팀을 생성하여 상기 스팀터빈(150)에 공급하여 발전기를 구동하여 전기를 생산하고, 상기 스팀터빈(150)에서 배출되는 스팀으로 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 냉매를 가열함으로써 상기 LNG 증발기(4101)에서 LNG를 기화시키도록 할 수도 있다. 또한, 본 발명에 따른 선박은 상기 제1열교환부(500), 상기 연료전지(210), 상기 개질기(430) 및 상기 연소기(440)를 제외하고, 상기 제2열교환부(600) 및 상기 제3열교환부(700)를 포함할 수 있다. 상기 기수분리기(4201)에서 상기 이코노마이저(1402)로 공급된 물 또는 스팀이 가열되어 상기 제2열교환부(600)에서 냉매를 가열하도록 하고, 가열된 냉매를 이용하여 상기 LNG 증발기(4101)에서 LNG를 기화시키도록 구현할 수 있다.
상기 제1응축기(810)는 상기 제3열교환부(700)에서 배출되는 상기 연료전지(210)의 배기가스에 포함된 스팀(H20)을 응축시킨다. 상기 제1응축기(810)는 수냉식, 공냉식, 증발식 등의 방법으로 스팀(H20)을 냉각시켜 응축시킬 수 있다. 상기 제1응축기(810)에서 응축된 물은 상기 기수분리기(4201)로 공급될 수 있다. 상기 제1응축기(810)에서 응축된 물을 제외한 나머지 잔여가스는 상기 연소기(440)로 공급될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 선박(900)은 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다.
첫째, 본 발명에 따른 선박(900)은 상기 가스엔진(1401)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 1차 가열되고, 상기 연소기(440)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 2차 가열된 스팀(H20)으로 상기 스팀터빈(150)을 구동하도록 구현됨으로써, 상기 연료전지(210)와 별도로 전기를 생산할 수 있으므로 전체적인 전기 생산량을 증가시키고, 선박 내 상기 발전시스템의 효율을 높일 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 선박(900)은 상기 스팀터빈(150)에서 배출되는 스팀(H20)으로 랭킨사이클 시스템(160)에 사용되는 냉매를 가열하도록 구현됨으로써, 종래 냉매 가열장치를 생략할 수 있다. 이에 따라, 냉매 가열장치에 공급되는 연료나 전기를 줄임으로써, 상기 연료전지(210)의 전기 생산량 및 전기 생산 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 종래 가열장치에 공급되는 연료를 상기 가스엔진(140)에 사용할 수 있으므로 운항거리를 증가시킬 수 있다.
셋째, 본 발명에 따른 선박(900)은 상기 스팀터빈(150)에서 배출되는 스팀(H20)으로 상기 랭킨사이클 시스템(160)에 사용되는 냉매를 가열하도록 구현됨으로써, 별도의 가열장치를 생략할 수 있으므로 전기를 생산하는데 소모되는 구축비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 설치공간에 대한 활용도를 높일 수 있다.
넷째, 본 발명에 따른 선박(900)은 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 냉매를 열원으로 LNG(액화천연가스)를 기화시키도록 구현됨으로써, LNG(액화천연가스)를 가열하기 위한 별도의 가열장치를 생략할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 선박(900)은 LNG(액화천연가스)를 기화시키기 위한 가열장치에 공급되는 연료를 상기 연료전지(210) 및 상기 가스엔진(140)에 공급할 수 있어 전기 생산량을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 가스엔진(140)의 가동시간을 증가시킬 수 있다.
다섯째, 본 발명에 따른 선박(900)은 상기 기수분리기(4201)에 공급되는 스팀(H20)의 양을 증가시켜 상기 제2열교환부(600)에 공급되는 스팀(H20)의 양을 증가시킴으로써, 상기 랭킨사이클 시스템(160)에서 LNG 증발량 증가에 대응할 수 있다.
여섯째, 본 발명에 따른 선박(900)은 상기 스팀터빈(150)에서 배출되는 고온의 스팀(H20)을 상기 개질기(430)에 공급할 수 있도록 구현됨으로써, 상기 개질기(430)에서 필요로 하는 스팀 생성을 위한 열을 줄임으로써 상기 연료전지 시스템(200)의 효율을 향상시킬 수 있다.
일곱째, 본 발명에 따른 선박(900)은 상기 연료전지(210)의 배기가스에 포함된 스팀(H20)을 물로 응축시켜 상기 기수분리기(4201)에 공급할 수 있으므로, 외부로 배출되는 물을 재활용하여 전기를 생산하는데 필요한 물이 낭비되는 것을 방지할 수 있다.
여덟째, 본 발명에 따른 선박(900)은 상기 제1응축기(810)에서 배출되는 배기가스를 상기 연소기(440)로 공급하여 연소되도록 구현됨으로써, 미반응 배기가스 배출량을 감소시켜 환경 보호에 기여할 수 있다.
도 1 내지 도 10을 참고하면, 상기 선체(910)는 본 발명에 따른 선박(900)의 전체적인 외관을 이룬다. 상기 선체(910)에는 선체(910)를 이동시키기 위한 추진력을 발생시키는 엔진과 상기 엔진에 원료를 공급하는 원료 공급부(110)가 설치된다. 예를 들어, 원료는 탄화수소 계열의 물질로, NG(천연가스), LPG(액화석유가스), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 가솔린, 디메틸에테르, 메탄가스, 수소정제 오프가스, 순수소, 및 해상 가스유(Marine Gas Oil, MGO), 해상 디젤유(Marine Diesel Oil, MDO), 일반 중유(Heavy Fuel Oil, HFO) 등과 같이 상대적으로 높은 분자량을 갖는 액상 원료 등일 수 있다.
상기 선체(910)에는 원료수를 저장하는 원료수 저장탱크와 상기 원료수 저장탱크로부터 원료수를 공급하는 원료수 공급부(120)가 설치된다. 상기 원료수는 예를 들어, 상수, 민물, 또는 해수일 수 있다. 다른 예로, 원료수는 상수, 민물, 해수에서 불순물 제거 처리나 이온제거 처리된 물일 수 있다.
상기 선체(910)에는 상기 연료전지 시스템(200)에 공기를 공급하는 공기 공급부(130)가 설치된다. 통상적으로 공기는 질소, 산소, 이산화탄소 등을 포함하는 기체를 의미하지만, 본 명세서에서는 공기에서 질소 또는 이산화탄소, 또는 두 기체 등 산소 이외의 모든 기체를 제거한 경우도 포함한다. 상기 공기 공급부(130)는 공기 저장탱크와 상기 공기 저장탱크로부터 공기를 공급하는 장치(예컨대, 블로워)를 포함하여 구현될 수 있다. 다른 예로, 공기 공급부(130)는 외부공기를 공급받아 압축한 후 압축된 고압의 공기를 공급하거나 외부공기의 불순물 제거 후 상압으로 공급하도록 구현될 수 있다.
상기 선체(910)에는 원료 처리부(410)에서 공급되는 LNG(액화천연가스)가 기화된 연료로 추진력을 발생시키는 가스엔진(1401)이 설치된다. 상기 원료 처리부(410)는 LNG 증발기(4101)를 포함하고, 상기 LNG 증발기(4101)는 상기 원료 공급부(110)에 저장된 LNG(액화천연가스)를 공급받을 수 있다. 상기 가스엔진(1401)은 추진력을 발생시키면서 발생되는 배기가스를 상기 연료전지 시스템(200)으로 공급할 수 있다. 예컨대, 상기 가스엔진(1401)에서 배출되는 배기가스는 상기 이코노마이저(1402)에 공급될 수 있다.
상기 선체(910)에는 상기 제1열교환부(500)에서 공급되는 스팀(H20)으로 전기를 생산하기 위한 구동력을 발생시키는 스팀터빈(150)이 설치된다. 상기 스팀터빈(150)은 발전기(G, 도 7에 도시됨)에 연결되게 설치된다. 이에 따라, 상기 스팀터빈(150)은 발생시킨 구동력을 상기 발전기(G, 도 7에 도시됨)에 제공할 수 있다. 상기 스팀터빈(150)을 거친 스팀(H20)은 상기 제2열교환부(600)에 공급될 수 있다.
상기 선체(910)에는 상기 스팀터빈(150)에서 배출되는 고온의 스팀(H20)을 열원으로 냉매를 가열하여 상기 LNG 증발기(4101)에 공급되는 LNG를 기화시키기 위한 랭킨사이클 시스템(160)이 설치된다. 상기 랭킨사이클 시스템(160)은 냉매를 단열 압축하기 위한 펌프(161), 상기 펌프(161)에서 배출되는 냉매를 등압 가열하기 위한 가열기, 상기 가열기에서 배출되는 냉매를 단열 압축하기 위한 압축기(162) 및 상기 압축기(162)에서 배출되는 냉매를 등압 방열하기 위한 응축기(163)를 포함하여 구현될 수 있다. 본 명세서에서 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 가열기는 상기 연료전지 시스템(200)의 제2열교환부(600, 도 7에 도시됨)로 대체될 수 있다. 상기 랭킨사이클 시스템(160)의 응축기(163)는 상기 LNG 증발기(4101)의 내부에 설치되어, 상기 제2열교환부(600)에서 가열된 냉매를 공급받을 수 있다.
상기 선체(910)에는 상기 연료전지 시스템(200)에서 나오는 출력전압을 승압 또는 감압하기 위한 DC-DC 컨버터 및 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 DC-AC 인버터 등으로 구성된 전력변환부(170)가 설치된다. 상기 전력변환부(170)는 상기 연료전지 시스템(200)으로부터 공급된 전기를 전력부하로 배출한다. 전력부하는, 예를 들어 선박의 경우 선박의 기본 전기설비 및 화물계통 전기설비 등과 같은 선박 내 전기설비일 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 전력변환부(170)는 에너지 저장장치, 예를 들어 배터리로 전기를 공급하도록 구현될 수도 있다.
본 명세서에서,"선박"이라는 용어는 수상을 항해하는 구조물을 의미하는 것으로 한정되지 않으며, 수상을 항해하는 구조물뿐만 아니라, 수상에서 부유하며 작업을 수행하는 부유식 원유생산저장하역설비(FPSO) 등과 같은 해상 구조물을 포함한다.
지금까지, 본 명세서에는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자가 본 발명을 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 실시예들로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100 : 발전시스템
110 : 원료 공급부 120 : 원료수 공급부
130 : 공기 공급부 140 : 가스엔진 시스템
150 : 스팀터빈(Steam Turbine)
160 : 랭킨사이클 시스템(Rankine Cycle)
170 : 전력변환부
200 : 연료전지 시스템
210 : 연료전지 250 : 제어부
400 : 수소생성부 500 : 제1열교환부
600 : 제2열교환부 700 : 제3열교환부
800 : 공급부 810 : 제1응축기

Claims (9)

  1. 선박으로서,
    LNG(액화천연가스)를 공급하기 위한 원료 공급부;
    원료수를 공급하기 위한 원료수 공급부;
    추진력을 발생시키는 가스엔진 및 상기 가스엔진에서 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 사용하는 이코노마이저를 포함하는 가스엔진 시스템;
    냉매를 이용하여 전기를 생산하는 랭킨사이클(Rankine Cycle) 시스템;
    상기 가스엔진 시스템 및 상기 랭킨사이클 시스템에 연동하여 전기를 생산하는 연료전지 시스템; 및
    상기 연료전지 시스템에서 출력되는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 전력변환부를 포함하고,
    상기 연료전지 시스템은,
    상기 원료 공급부에서 공급되는 LNG(액화천연가스)를 전처리하기 위해 LNG(액화천연가스)를 기화시키는 LNG 증발기를 포함하는 원료처리부, 상기 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수를 전처리하기 위해 스팀(H20)에서 물을 분리하는 기수분리기를 포함하는 원료수 처리부, 상기 원료 처리부로부터 공급된 전처리된 연료 및 상기 원료수 처리부로부터 공급된 스팀(H20)을 개질반응시키는 개질기, 및 상기 개질기를 가열하기 위한 연소기를 포함하는 수소생성부;
    상기 수소생성부로부터 공급되는 수소를 포함하는 연료에 기초하여 전기를 생산하는 연료전지;
    상기 가스엔진 시스템의 이코노마이저로부터 배출되는 스팀(H20) 및 상기 연소기에서 배출되는 배기가스를 열교환시키는 제1열교환부;
    상기 제1열교환부에서 배출되는 스팀(H20)으로 전기를 생산하기 위한 구동력을 발생시키는 스팀터빈(Steam Turbine); 및
    상기 스팀터빈에서 배출되는 스팀(H20)을 열원으로 하여 상기 랭킨사이클 시스템의 냉매가 가열되도록, 상기 랭킨사이클 시스템의 냉매 및 상기 스팀터빈에서 배출되는 스팀(H20)을 열교환시키는 제2열교환부를 포함하고,
    상기 가스엔진 시스템의 가스엔진은 상기 LNG 증발기에서 기화되는 연료로 추진력을 발생시키며,
    상기 가스엔진 시스템의 이코노마이저는 상기 가스엔진에서 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 하여 상기 기수분리기에서 공급되는 물과 스팀(H20) 중 적어도 하나를 가열하며,
    상기 이코노마이저는 상기 가스엔진에서 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 하여 상기 기수분리기에서 공급되는 스팀(H20)을 가열해 상기 스팀터빈에 공급하고,
    상기 제1열교환부는, 상기 이코노마이저에서 배출된 스팀을 상기 연소기의 배기가스로 가열한 후 상기 스팀터빈으로 전달하며,
    상기 스팀터빈은, 배출되는 스팀을 상기 개질기 및 상기 제2열교환부로 분배하며,
    상기 제2열교환부는, 상기 이코노마이저에서 배출된 후 상기 제1열교환부에서 가열되고 상기 스팀터빈을 경유한 스팀을 이용하여 상기 랭킨사이클 시스템의 냉매를 등압 가열시키는 가열기를 대체하는 것을 특징으로 하는 선박.
  2. 삭제
  3. 냉매를 이용하여 전기를 생산하는 랭킨사이클(Rankine Cycle) 시스템에 연동하여 전기를 생산하는 연료전지 시스템으로서,
    원료 공급부에서 공급되는 LNG(액화천연가스)를 전처리하기 위해 LNG(액화천연가스)를 기화시키는 LNG 증발기를 포함하는 원료처리부, 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수를 전처리하기 위해 스팀(H20)에서 물을 분리하는 기수분리기를 포함하는 원료수 처리부, 상기 원료 처리부로부터 공급된 전처리된 연료 및 상기 원료수 처리부로부터 공급된 스팀(H20)을 개질반응시키는 개질기, 및 상기 개질기를 가열하기 위한 연소기를 포함하는 수소생성부;
    상기 수소생성부로부터 공급되는 수소를 포함하는 연료에 기초하여 전기를 생산하는 연료전지;
    상기 LNG 증발기에서 기화되는 연료로 추진력을 발생시키는 가스엔진, 및 상기 가스엔진에서 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 상기 기수분리기에서 공급되는 물과 스팀(H20) 중 적어도 하나를 가열하는 이코노마이저를 포함하는 가스엔진 시스템에서 상기 이코노마이저로부터 배출되는 스팀(H20) 및 상기 연소기에서 배출되는 배기가스를 열교환시키는 제1열교환부; 및
    상기 제1열교환부에서 배출되는 스팀(H20)으로 전기를 생산하기 위한 구동력을 발생시키는 스팀터빈에 연결되고, 상기 스팀터빈에서 배출되는 스팀(H20)을 열원으로 하여 상기 랭킨사이클 시스템의 냉매가 가열되도록 상기 랭킨사이클 시스템의 냉매 및 상기 스팀터빈에서 배출되는 스팀(H20)을 열교환시키는 제2열교환부를 포함하며,
    상기 이코노마이저는 상기 가스엔진에서 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 하여 상기 기수분리기에서 공급되는 스팀(H20)을 가열해 상기 스팀터빈에 공급하고,
    상기 제1열교환부는, 상기 이코노마이저에서 배출된 스팀을 상기 연소기의 배기가스로 가열한 후 상기 스팀터빈으로 전달하며,
    상기 스팀터빈은, 배출되는 스팀을 상기 개질기 및 상기 제2열교환부로 분배하며,
    상기 제2열교환부는, 상기 이코노마이저에서 배출된 후 상기 제1열교환부에서 가열되고 상기 스팀터빈을 경유한 스팀을 이용하여 상기 랭킨사이클 시스템의 냉매를 등압 가열시키는 가열기를 대체하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서,
    상기 LNG 증발기는 상기 제2열교환부에서 배출되는 상기 랭킨사이클 시스템의 냉매를 열원으로 하여 LNG(액화천연가스)를 기화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 이코노마이저와 상기 제1열교환부를 연결하는 배관, 및 상기 제1열교환부와 상기 스팀터빈을 연결하는 배관을 연결하는 바이패스(by-pass) 라인; 및
    상기 바이패스 라인에서 상기 스팀터빈으로 공급되는 스팀(H20)을 가열하기 위한 보일러를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제2열교환부와 상기 기수분리기 사이에 설치되는 제3열교환부를 포함하고,
    상기 제3열교환부는 상기 제2열교환부에서 배출되는 물 또는 스팀(H20) 및 상기 연료전지에서 배출되는 배기가스를 열교환시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 스팀터빈에서 상기 제2열교환부로 공급되는 스팀(H20) 중 일부를 상기 개질기에 공급하기 위한 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제3열교환부 및 상기 기수분리기 사이에 설치되는 제1응축기를 포함하고,
    상기 제1응축기는 상기 제3열교환부에서 배출되는 상기 연료전지의 배기가스에 포함된 스팀(H20)을 응축시키되, 상기 제1응축기에서 응축된 물이 상기 기수분리기로 공급되고 상기 응축된 물을 제외한 나머지 잔여가스가 상기 연소기로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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