KR102217612B1 - 연료 전지용 메탄올 개질 시스템, 이산화탄소 흡수식 탱크 시스템, 연료 및 반응수 저장 장치 및 이를 포함하는 해양 구조물 - Google Patents

연료 전지용 메탄올 개질 시스템, 이산화탄소 흡수식 탱크 시스템, 연료 및 반응수 저장 장치 및 이를 포함하는 해양 구조물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 메탄올 개질 시스템에 관한 것으로서, 메탄올 및 물을 혼합하여 메탄올 개질기로 공급하는 혼합기; 메탄올을 물로 개질하여 수소 가스를 생산하는 메탄올 개질기; 및 상기 메탄올 개질기에 열을 공급하기 위한 열매로 물을 순환시키는 열공급 순환루프를 포함하고, 상기 메탄올 개질기는 생산되는 수소 가스를 연료 전지에 공급하고, 상기 열공급 순환루프를 순환하는 물은 포화 상태인 것을 특징으로 한다.

Description

연료 전지용 메탄올 개질 시스템, 이산화탄소 흡수식 탱크 시스템, 연료 및 반응수 저장 장치 및 이를 포함하는 해양 구조물{Methanol reforming system, CO2 absorbing tank system, fuel and reaction water storage for fuel cell and marine structure including the same}
본 발명은 연료 전지용 메탄올 개질 시스템, 이산화탄소 흡수식 탱크 시스템, 연료 및 반응수 저장 장치 및 이를 포함하는 해양 구조물에 관한 것이다.
일반적으로 선박은 디젤유를 이용하여 구동력을 발생시키는 디젤엔진, LNG와 같은 가스를 이용하여 구동력을 발생시키는 가스엔진, 디젤유와 가스를 혼용하여 구동력을 발생시키는 이종연료엔진 등을 사용하여 추진한다.
최근에는 IMO 환경 규제 강화에 따라 친환경/고효율 엔진에 대한 요구가 증가하면서 다양한 연료를 이용한 추진 시스템에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 종래에는 선박에서 배출되는 황산화물, 질소산화물과 같은 환경 오염 물질의 배출량을 감소시키면서 추진하는 기술이 연구되었으나, 환경 규제가 점점 강화될수록 환경 오염 물질 저감 장치의 처리 용량이 더 커져야 했기 때문에 환경 오염 물질의 배출량 저감 장치 적용만으로는 규제를 만족시킬 수 없다는 한계가 있었다. 따라서, 환경 친화적이면서 효율적으로 추진할 수 있는 선박에 대한 개발이 요구되었다.
이에 따라 화석 연료에 비해 적은 오염 물질을 배출하는 수소 연료를 사용하는 추진 및 발전 시스템이 주목받고 있으며, 수소 연료를 이용한 가스 터빈, 혼소엔진 및 연료 전지에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
연료 전지는 수소 또는 수소가 포함된 연료를 공급받아 전기를 생산할 수 있다. 이때 연료 전지는 수소를 포함하는 연료의 전기화학적 반응을 위해 산소 등의 산화제가 필요하며 보통 공기를 많이 사용하고 있다. 연료 전지는 연료나 산소의 농도 또는 압력이 높을수록 전력을 생산하는 발전 효율이 높다.
그러나, 수소는 상온, 상압에서 밀도가 매우 낮기 때문에 압축, 액화 등의 제한된 방법을 통해서만 저장할 수 있다. 예를 들어, 700bar 이상의 초고압으로 저장하거나, 수소 가스를 액화시켜 70kg/m3 이상의 밀도를 갖는 액체로 저장하거나, 수소 저장 합금을 포함하는 멤브레인, 수소 저장 합금이 충진된 저장 탱크에 수소를 저장하였다가 사용할 수 있으나, 공통적으로 수소의 저장 및 활용에 지나치게 많은 에너지 소모가 요구된다는 문제가 있었다. 또한, 압축된 수소의 경우 취급에 각별한 주의가 필요하고, 수소 저장 합금의 경우 합금의 열관리를 위한 수단이 더 요구됨으로써 시스템 배치를 위한 공간이 많이 요구되는 등의 제약이 따르며, 대형화된 크기로는 상용화된 사례가 없어 해양 구조물에 대한 적용에는 한계가 있었다.
메탄올 개질 시스템은 메탄올을 기화시킨 뒤 수증기로 개질하여 이산화탄소와 수소를 생산할 수 있으며, 정제된 수소는 연료 전지에 공급하여 연료로 사용할 수 있다. 메탄올 개질 시스템은 원료로 메탄올과 물을 이용한다는 점에서 기존 수소 연료 저장 방법에 대한 대안으로 떠오르고 있으나, 해양 구조물 적용을 위한 연구는 미진한 실정이다.
메탄올 개질 시스템을 해양 구조물에 적용하는 경우, 메탄올 개질 시스템에서 배출되는 이산화탄소, 일산화탄소 등의 가스는 배기가스의 형태나 해수에 용해시켜 배출하는 방법을 고려할 수 있다. 그러나, 이산화탄소의 직접 배출시 환경 오염 문제와 직결되며, 해수에 용해시켜 배출하는 경우에도 배출되는 이산화탄소의 중량만큼 해양 구조물의 평형 유지에 문제가 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 연료 전지에 수소 공급이 용이한 메탄올 개질 시스템과, 메탄올 개질시 발생하는 이산화탄소의 처리를 위한 시스템, 연료 및 반응수 저장 장치 및 이를 포함하는 해양 구조물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 메탄올 개질 시스템은, 메탄올 및 물을 혼합하여 메탄올 개질기로 공급하는 혼합기; 메탄올을 물로 개질하여 수소 가스를 생산하는 메탄올 개질기; 및 상기 메탄올 개질기에 열을 공급하기 위한 열매로 물을 순환시키는 열공급 순환루프를 포함하고, 상기 메탄올 개질기는 생산되는 수소 가스를 연료 전지에 공급하고, 상기 열공급 순환루프를 순환하는 물은 포화 상태인 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 열공급 순환루프는 순환 펌프를 더 포함하되, 쿨러, 콘덴서 및 감압 밸브는 생략될 수 있다.
구체적으로, 상기 메탄올 개질 시스템은 상기 메탄올 개질기의 전단에 제1 열교환기를 더 포함하고, 상기 제1 열교환기는 상기 혼합기로부터 배출되는 메탄올 및 물의 혼합물을 상기 메탄올 개질기로부터 배출되는 수소 가스를 이용하여 가열할 수 있다.
구체적으로, 상기 메탄올 개질 시스템은 상기 메탄올 개질기로부터 배출되는 가스에서 수소 가스를 정제하는 수소 정제기; 상기 수소 정제기로부터 배출되는 오프 가스를 연소시키는 제1 버너; 및 상기 메탄올 개질기의 전단에 구비되는 제2 열교환기를 더 포함하고, 상기 제2 열교환기는 상기 제1 열교환기에서 열교환된 혼합물을 상기 수소 정제기로부터 배출되는 오프 가스의 연소 가스를 이용하여 가열할 수 있다.
구체적으로, 상기 수소 정제기는 수소 압력 변동 흡착기일 수 있다.
구체적으로, 상기 수소 정제기로부터 배출되는 수소 가스는 99.999% 이상의 순도를 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 메탄올 개질 시스템은 상기 메탄올 개질기에 열을 공급하고 순환되는 물을 상기 제1 버너로부터 배출되는 오프 가스의 연소 가스를 이용하여 가열하는 것을 제4 열교환기를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 메탄올 개질 시스템은 상기 제2 열교환기로부터 배출되는 연소 가스를 재연소시키는 제2 버너; 및 상기 메탄올 개질기의 전단에 구비되는 제3 열교환기를 더 포함하고, 상기 제3 열교환기는 상기 제2 열교환기에서 열교환된 혼합물을 상기 연소 가스의 재연소 가스를 이용하여 가열할 수 있다.
구체적으로, 상기 메탄올 개질 시스템은 메탄올 공급 라인; 및 상기 메탄올 공급 라인의 메탄올을 상기 제3 열교환기로부터 배출되는 재연소 가스를 이용하여 가열하는 제5 열교환기를 더 포함하고, 상기 제5 열교환기에서 토출되는 메탄올을 상기 제1 및 제2 버너로 공급할 수 있다.
구체적으로, 상기 메탄올 개질 시스템은 상기 제5 열교환기에서 열교환된 메탄올을 상기 제2 열교환기로부터 배출되는 연소 가스를 이용하여 가열하는 제6 열교환기를 더 포함하고, 상기 제6 열교환기에서 토출되는 메탄올을 상기 제1 및 제2 버너로 공급하며, 상기 제6 열교환기로부터 배출되는 연소 가스를 상기 제2 버너로 공급할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 해양 구조물은, 상기 메탄올 개질 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 메탄올 개질 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물은, 종래의 수소 저장 수단을 이용하는 경우에 비해 연료의 안정적인 저장이 가능하고, 연료 전지에 대한 연료 공급이 용이하다.
본 발명에 따른 메탄올 개질 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물은, 오프 가스를 이용하여 메탄올 및 물 혼합물의 기화가 가능하므로 별도의 기화기가 필요하지 않다.
본 발명에 따른 메탄올 개질 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물은, 수소 정제기로부터 배출되는 수소 가스를 열매로 메탄올 및 물 혼합물의 예열이 가능하므로 예열에 필요한 에너지를 절감할 수 있다.
본 발명에 따른 메탄올 개질 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물은, 열공급 순환루프에서 열매로 열용량이 높은 물을 사용하여 온도 조절이 용이하다.
본 발명에 따른 메탄올 개질 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물은, 포화상태의 물을 열공급 순환루프로 순환시킴으로써 스팀을 통한 열원 공급 방식에 비해 고온, 고압의 상태로 열 교환이 가능하여 에너지 손실을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 메탄올 개질 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물은, 오프 가스의 수소 함량을 조절하여 버너에 이용되는 별도 연료 구성이 필요하지 않다.
본 발명에 따른 이산화탄소 흡수식 중량보상 탱크 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물은, 이산화탄소 배출량을 감소시켜 중량보상 탱크의 체적을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 흡수식 반응수 탱크 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물은, 이산화탄소 배출량을 감소시켜 중량보상 탱크의 체적을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 연료 및 반응수 저장 장치, 및 이를 포함하는 해양 구조물은, 연료와 반응수 저장에 필요한 총 체적을 감소시킬 수 있으며, 해양 구조물의 롤링이나 피칭시에도 안정적으로 연료 및 반응수를 저장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1-1에 따른 메탄올 개질 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1-2에 따른 메탄올 개질 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1-3에 따른 메탄올 개질 시스템의 개념도이다.
도 4는 (a) 습증기를 이용한 종래 열공급 순환루프와 (b) 포화수를 이용한 본 발명의 열공급 순환루프의 T-S 선도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 이산화탄소 흡수식 중량보상 탱크 시스템의 개념도이다.
도 6은 종래 메탄올 개질 시스템의 이산화탄소 배출 방식과 중량보상 탱크를 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 3에 따른 이산화탄소 흡수식 반응수 탱크 시스템의 개념도이다.
도 8은 종래 메탄올 개질 시스템, 연료 전지와 반응수 탱크 및 중량보상 탱크를 나타낸 개념도이다.
도 9는 본 발명의 실시예 4에 따른 연료 및 반응수 저장 장치를 나타낸 개념도이다.
도 10의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 실시예 4에 따른 연료 및 반응수 저장 장치의 운용 시점에 따른 모습을 나타낸 개념도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하에서, 고압(HP: High pressure), 저압(LP: Low pressure), 고온 및 저온은 상대적인 것으로서, 절대적인 수치를 나타내는 것은 아님을 알려둔다.
이하에서는 본 발명의 메탄올 개질 시스템에 대해 설명하며, 본 발명은 상기 메탄올 개질 시스템과 이를 포함하는 해양 구조물을 포함하는 것이다. 이때 상기 해양 구조물은 화물 등을 적재하는 일반 상선, LNGC, 원유선, FSRU, FLNG 등의 운반선, 특수선, 잠수함과 해양 부유물을 모두 포괄하는 표현임을 알려둔다.
이하에서, 연료 전지(FC: fuel cell)는 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산하고 물을 배출할 수 있으며, 전해질의 종류와 이에 따른 작동 조건에 따라 세분화 될 수 있는 PEMFC, PAFC, MCFC 및 SOFC를 모두 포괄하는 표현임을 알려둔다.
이하에서, 연료 전지(FC)는 본 발명의 메탄올 개질 시스템으로부터 생산되는 수소 가스와 산소 공급 라인을 통해 공급되는 산소 가스를 이용하여 전력을 생산하고, 이산화탄소를 포함하는 가스와 반응수를 배출하는 것일 수 있다. 연료 전지에서 생산되는 전력은 DC/DC 컨버터(Converter)를 통해 추진 시스템(Propulsion system)을 포함하는 수요처에 공급될 수 있으며, 상기 추진 시스템의 운전을 통해 선박에 동력을 공급할 수 있다. 연료 전지에서 생산되는 전력은 축전지(Storage battery)에서 저장되었다가 수요처에 공급될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
이하에서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 메탄올 개질 시스템에 관한 실시예 1에 대해 자세히 설명한다.
본 발명의 실시예 1에 따른 메탄올 개질 시스템(1)은 혼합기(100), 메탄올 개질기(104), 열공급 순환루프(L120)를 포함하며, 개별 구성에 관해서는 후술할 실시예 1-1 내지 1-3에서 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예 1-1에 따른 메탄올 개질 시스템의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예 1-1에 따른 메탄올 개질 시스템(1)은 제1 열교환기(101), 제2 열교환기(102), 제3 열교환기(103), 메탄올 개질기(104), 수소 정제기(105), 다단 촉매 버너(110), 제4 열교환기(113) 및 열공급 순환루프(L120)를 포함한다.
본 실시예에서 각각의 라인 및 루프에는 개도 조절이 가능한 밸브(도시하지 않음)들이 설치될 수 있으며, 각 밸브의 개도 조절에 따라 메탄올, 물, 오프 가스, 연소 가스, 재연소 가스, 열매, 수소 가스 등의 유체 흐름이 조절될 수 있다.
상기 제1 열교환기(101), 제2 열교환기(102), 제3 열교환기(103) 및 메탄올 개질기(104)는 메탄올 및 물 공급 라인(L102)을 통해 연결될 수 있다. 상기 수소 정제기(105)는 수소 가스 회수 라인(L103) 및 오프 가스 전달 라인(L104)을 가질 수 있고, 상기 수소 가스 회수 라인(L103)을 통해 연료 전지(FC)와 연결될 수 있으며, 상기 오프 가스 전달 라인(L104)을 통해 상기 다단 촉매 버너(110)와 연결될 수 있다. 상기 다단 촉매 버너(110)는 연소 가스 전달 라인(L111)을 통해 상기 제2 열교환기(102)에 연결될 수 있고, 재연소 가스 전달 라인(L112)을 통해 상기 제3 열교환기(103)에 연결될 수 있다. 상기 메탄올 개질기(104)는 상기 열공급 순환루프(L120)와 연결될 수 있다.
이하에서는 메탄올 개질 시스템(1)에 유기적으로 형성되어 구현되는 개별적인 구성들에 대해서 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예 1-1에 따른 메탄올 개질 시스템(1)은 메탄올 공급 라인(L100) 및 물 공급 라인(L101)으로부터 각각 메탄올 및 물을 공급받을 수 있다. 상기 공급 라인으로부터 공급된 메탄올과 물은 혼합물을 형성하여 메탄올 및 물 공급 라인(L102)을 통해 메탄올과 물의 혼합물을 메탄올 개질 시스템(1)의 제1 열교환기(101)에 공급될 수 있으며, 이때 메탄올과 물의 원활한 혼합을 위해 혼합기(100)를 포함할 수 있다. 혼합기의 형태와 종류를 특별히 한정하지는 않으며, 둘 이상의 혼합기가 다단으로 구성된 연속 혼합기일 수 있다.
제1 열교환기(101)는 상기 메탄올 및 물 공급 라인(L102)으로부터 공급되는 메탄올 및 물의 혼합물을 후술할 수소 정제기(105)로부터 배출되는 수소 가스를 이용하여 가열하는 것일 수 있다. 즉, 상기 제1 열교환기(101)에서 상기 메탄올 및 물 공급 라인(L102)과 상기 수소 정제기(105)에 연결된 수소 가스 회수 라인(L103)의 열교환이 일어날 수 있으며, 상기 수소 가스 회수 라인(L103) 내부를 유동하는 수소 가스는 상기 메탄올 및 물의 혼합물에 비해 고온일 수 있다. 예를 들어, 상기 수소 가스의 온도는 200 내지 300℃일 수 있다. 이하에서, 열교환기의 형태와 종류를 특별히 한정하지는 않는다.
메탄올 및 물의 혼합물이 상기 제1 열교환기(101)를 통한 열교환에 의해 가열되는 것은 상기 혼합물의 온도가 50 내지 100℃로 상승하는 것일 수 있으며, 후술할 메탄올 개질 반응에 대한 대비로 예열되는 것일 수 있다. 이러한 상기 제1 열교환기(101)를 통한 열교환에 의해 메탄올 및 물 혼합물의 예열에 필요한 에너지를 절감할 수 있다.
제1 열교환기(101)로부터 토출되는 상기 혼합물은 메탄올 및 물 공급 라인(L102)을 통해 제2 열교환기(102)로 유입될 수 있으며, 상기 제1 열교환기(101)로부터 배출되는 수소 가스는 수소 가스 회수 라인(L103)을 통해 연료 전지(FC)에 공급될 수 있다.
제2 열교환기(102)는 상기 제1 열교환기(101)에서 열교환된 상기 혼합물을 상기 수소 정제기(105)로부터 배출되는 오프 가스의 연소 가스를 이용하여 가열하는 것일 수 있다. 즉, 상기 제2 열교환기(102)에서 상기 메탄올 및 물 공급 라인(L102)과 제1 버너(111)에 연결된 연소 가스 전달 라인(L111)의 열교환이 일어날 수 있으며, 상기 연소 가스 전달 라인(L111) 내부를 유동하는 오프 가스의 연소 가스는 상기 메탄올 및 물의 혼합물에 비해 고온일 수 있다. 예를 들어, 상기 연소 가스의 온도는 350 내지 450℃일 수 있다.
메탄올 및 물의 혼합물이 상기 제2 열교환기(102)를 통한 열교환에 의해 가열되는 것은 상기 혼합물의 온도가 150 내지 200℃로 상승하는 것일 수 있으며, 후술할 메탄올 개질 반응에 대한 대비로 예열되는 것일 수 있다. 이러한 상기 제2 열교환기(102)를 통한 열교환에 의해 메탄올 및 물 혼합물의 예열에 필요한 에너지를 절감할 수 있다.
제2 열교환기(102)로부터 토출되는 상기 혼합물은 메탄올 및 물 공급 라인(L102)을 통해 제3 열교환기(103)로 유입될 수 있으며, 상기 제2 열교환기(102)로부터 배출되는 오프 가스의 연소 가스는 연소 가스 전달 라인(L111)을 통해 제2 버너(112)에 공급될 수 있다.
제3 열교환기(103)는 상기 제2 열교환기(102)에서 열교환된 상기 혼합물을 제2 버너(112)로부터 배출되는 상기 연소 가스의 재연소 가스를 이용하여 가열하는 것일 수 있다. 상기 제2 열교환기(102)로부터 배출되는 오프 가스의 연소 가스는 연소 가스 전달 라인(L111)을 통해 제2 버너(112)에 공급되어 연소됨으로써 재연소 가스를 생성할 수 있다. 즉, 상기 제3 열교환기(103)에서 상기 메탄올 및 물 공급 라인(L102)과 제2 버너(112)에 연결된 재연소 가스 전달 라인(L112)의 열교환이 일어날 수 있고, 상기 재연소 가스 전달 라인(L112) 내부를 유동하는 연소 가스의 재연소 가스는 상기 메탄올 및 물의 혼합물에 비해 고온일 수 있다. 예를 들어, 상기 재연소 가스의 온도는 800 내지 1000℃일 수 있다.
메탄올 및 물의 혼합물이 상기 제3 열교환기(103)를 통한 열교환에 의해 가열되는 것은 상기 혼합물의 온도가 200 내지 250℃로 상승하는 것일 수 있다. 제3 열교환기(103)를 통한 열교환에 의해 상기 메탄올 및 물의 혼합물의 일부 또는 전부가 기화될 수 있으므로, 상기 메탄올 및 물 공급 라인(L102) 및 메탄올 개질기(104)에 별도의 기화기를 사용하지 않을 수 있게 된다.
제3 열교환기(103)로부터 토출되는 상기 혼합물은 그 일부 또는 전부가 상변화된 상태로 상기 메탄올 및 물 공급 라인(L102)을 통해 메탄올 개질기(104)로 유입될 수 있으며, 상기 제3 열교환기(103)로부터 배출되는 연소 가스의 재연소 가스는 재연소 가스 전달 라인(L112)을 통해 배기가스의 형태로 메탄올 개질 시스템(1) 외부로 배출될 수 있다.
메탄올 개질기(104)는 상기 메탄올 및 물 공급 라인(L102)을 통해 공급되는 메탄올과 물의 혼합물을 이용하여 메탄올을 개질하여 수소 및 이산화탄소를 포함하는 가스 혼합물을 생산하는 반응기일 수 있다. 상기 메탄올 개질기(104)는 상기 메탄올과 물의 혼합물을 공급받아 임시 저장하여 메탄올 개질 반응에 대한 장소를 제공할 수 있다. 상기 메탄올과 물의 혼합물은 기체 상태로 상기 메탄올 개질기(104) 내부로 공급되거나, 메탄올 개질기(104) 내부로 공급됨과 동시에 기화될 수 있다. 메탄올 개질기(104) 내부는 250 내지 360℃의 온도 및 20bar 이상의 압력으로 유지될 수 있으며, 메탄올 개질을 위한 금속 또는 금속 산화물 촉매를 더 포함할 수 있다.
메탄올 개질기(104)는 메탄올 개질 반응 이후에 발생하는 가스와 액체를 분리하기 위한 분리 수단(도시하지 않음)을 구비할 수 있고, 상기 분리 수단을 이용하여 기액 분리를 수행한 후 가스와 액체를 별도로 상기 메탄올 개질기(104) 외부로 배출할 수 있다.
메탄올 개질기(104)로부터 배출되는 가스는 수소 및 이산화탄소를 포함하는 가스의 혼합물일 수 있고, 수증기와 일산화탄소를 더 포함할 수 있다. 메탄올 개질기(104)로부터 배출되는 가스는 수소 정제기(105)로 공급될 수 있다.
수소 정제기(105)는 가스 혼합물로부터 수소 가스를 분리할 수 있는 장치로서, 예를 들어 수소 압력 변동 흡착기(PSA: pressure swing adsorption), 분리막, 심냉장치 또는 이들의 조합일 수 있으나, 바람직하게는 수소 압력 변동 흡착기일 수 있다. 수소 압력 변동 흡착기는 하나 이상의 흡착탑으로 구성되어 상기 흡착탑 내부의 흡착제를 통해 수소 가스를 흡착시킴으로써 수소 가스를 분리할 수 있으며, 상기 흡착제의 성능 유지를 위해 냉각탑, 유분 흡수탑, 수분 제거탑을 더 포함할 수 있다. 수소 압력 변동 흡착기를 포함하는 수소 정제기(105)를 사용하는 경우, 배출되는 수소 가스는 99.999% 이상의 순도를 가질 수 있으며, 바람직하게는 99.9999% 이상의 순도를 가질 수 있다.
수소 정제기(105)는 가스 혼합물로부터 수소 가스를 분리하여 수소 가스 회수 라인(L103)을 통해 배출할 수 있다. 상기 수소 가스 회수 라인(L103) 내의 수소 가스는 전술한 바와 같이 상기 제1 열교환기(101)에 열매로 이용할 수 있다. 이후 상기 수소 가스 회수 라인(L103)은 수소 가스를 연료 전지(FC)에 연속적으로 공급할 수 있어 연료 전지(FC)에 대한 안정적인 연료 공급을 달성할 수 있다.
수소 가스가 분리된 상기 가스 혼합물은 오프 가스(off gas)이며, 상기 수소 정제기(105)로부터 오프 가스 전달 라인(L104)을 통해 연속적으로 배출될 수 있다. 상기 오프 가스는 수소 및 이산화탄소를 포함하고, 수증기, 메탄올, 일산화탄소, 질소 및 산소로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 가스를 더 포함할 수 있다. 상기 수소 정제기(105)는 수소 가스의 분리 정도 또는 수소 가스의 배출량을 조절함으로써 상기 오프 가스에 포함된 수소 가스의 함량을 조절할 수 있다. 상기 오프 가스 전달 라인(L104)은 오프 가스를 제1 버너(111)에 공급할 수 있다.
다단(multi-stage) 촉매 버너(110)는 가스의 임시 저장과 촉매 연소를 위한 제1 버너(111) 및 제2 버너(112)를 포함할 수 있으며, 상기 다단 촉매 버너(110)는 이를 구성하는 개별 버너들이 일체형으로 결합된 형태일 수 있다. 상기 촉매(도시하지 않음)는 파이버 매트(fiber mat) 등의 연소 촉매로 연소 표면적이 넓어 연소 부하는 낮되, 발생되는 열을 복사전열 방식으로 활용하기에 유리하여 에너지 손실을 절감할 수 있다.
제1 버너(111)는 상기 수소 정제기(105)로부터 배출되는 오프 가스를 연소시킬 수 있다. 상기 제1 버너(111)는 오프 가스 전달 라인(L104)을 통해 오프 가스를, 산소 공급 라인(L110)을 통해 산소를 각각 공급받아 오프 가스를 연소시킬 수 있다.
제1 버너(111)의 최초 스타트업 시에 별도의 연료(도시하지 않음)가 투입될 수 있으나, 상기 수소 정제기(105)에서 배출되는 오프 가스의 수소 함량을 조절함으로써 이후에는 연료 없이 연속적으로 오프 가스의 연소가 가능할 수 있다. 예를 들어, 최초 스타트업 이후에 상기 오프 가스에 포함된 수소의 함량은 1 wt% 내지 3 wt%일 수 있다. 따라서, 최초 연소 이후에는 버너를 통한 오프 가스 연소를 위해 별도의 연료를 구성하지 않을 수 있다.
제1 버너(111)에서 연소된 오프 가스의 연소 가스는 연소 가스 전달 라인(L111)을 통해 연속적으로 배출될 수 있다. 상기 연소 가스 전달 라인(L111) 내의 연소 가스는 후술하는 바와 같이 제4 열교환기(113)에서 열공급 순환루프(L120)의 물을 이용하여 가열될 수 있으며, 이후에는 전술한 바와 같이 상기 제2 열교환기(102)에 열매로 이용될 수 있고, 연소 가스는 제2 버너(112)에 공급될 수 있다.
제2 버너(112)는 상기 제1 버너(111)로부터 배출되는 연소 가스를 재연소시킬 수 있다. 상기 제2 버너(112)는 연소 가스 전달 라인(L111)을 통해 연소 가스를, 산소 공급 라인(L110')을 통해 산소를 각각 공급받아 연소 가스를 재연소시킬 수 있다.
제2 버너(112)의 최초 스타트업 시에 별도의 연료(도시하지 않음)가 투입될 수 있으나, 상기 수소 정제기(105)에서 배출되는 오프 가스의 수소 함량과 상기 제1 버너(111)의 연소율을 조절함으로써 이후에는 연료 없이 연속적으로 연소 가스의 재연소가 가능할 수 있다. 따라서, 최초 연소 이후에는 버너를 통한 연소 가스 재연소를 위해 별도의 연료를 구성하지 않을 수 있다.
제2 버너(112)에서 재연소된 연소 가스의 재연소 가스는 재연소 가스 전달 라인(L112)을 통해 연속적으로 배출될 수 있다. 상기 재연소 가스 전달 라인(L112) 내의 재연소 가스는 전술한 바와 같이 상기 제3 열교환기(103)에 열매로 이용될 수 있으며, 상기 메탄올 및 물 공급 라인(L102) 내부의 메탄올 및 물의 혼합물 일부 또는 전부의 상변화를 유발할 수 있고, 재연소 가스는 배기가스 형태로 메탄올 개질 시스템(1) 외부로 배출될 수 있다.
열공급 순환루프(L120)는 상기 메탄올 개질기(104)에 열을 공급하기 위한 열매를 순환시키는 순환 라인일 수 있다. 상기 열공급 순환루프(L120)는 고온의 물을 열매로 순환시켜 메탄올 개질기(104)에 열을 공급할 수 있고, 공급되는 열은 메탄올 개질 반응에 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 열공급 순환루프(L120)를 통해 상기 메탄올 개질기(104)로 공급되는 물의 온도는 250 내지 300℃일 수 있고, 압력은 39 내지 86bar일 수 있다. 바람직하게는 상기 물은 포화수(saturated water) 상태로 순환할 수 있다.
도 4를 참조하면, (b) 열공급 순환루프(L120)를 통해 포화 상태의 물을 열매로 이용함에 따라, (a) 종래 습증기 영역에서 증발 잠열을 이용하여 개질기에 열원을 공급하는 방식에 비해 에너지 손실을 최소화하면서 수급 대상에 열을 안정적으로 공급할 수 있고, 물의 높은 열용량으로 인해 온도 조절이 용이할 수 있다. 종래 습증기의 잠열을 이용하는 경우, 열공급 및 열전달시 물의 상변화가 수반되어야 하므로 열공급 순환루프는 촉매 버너, 냉각기, 응축기, 버퍼탱크 및 순환 펌프를 필수적으로 구비하여야 하는 데에 비해, 포화수를 이용하는 본 실시예의 경우 물의 상변화를 수반하지 않아도 되므로 열공급 순환루프는 촉매 버너와 순환 펌프만 요구될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 메탄올 개질 시스템(1)에서 열공급 순환루프(L120)는 냉각기, 응축기 및 버퍼탱크를 생략할 수 있다.
열공급 순환루프(L120)는 메탄올 개질기(104)의 내부를 통과하면서 열매의 열을 공급할 수 있다. 이때, 열공급 순환루프(L120)는 메탄올 개질기(104)의 내부에서 다양한 형태로 배치되어 열매의 열을 공급할 수 있다. 예를 들어, 열공급 순환루프(L120)는 선형, 나선형, 헤어핀형, 플레이트핀형, 평판형, 곡판형, 격자형 또는 이들의 조합된 형태로 존재할 수 있고, 개질기의 바닥 또는 하나 이상의 개질기 내벽에 대해 접촉하거나, 이격되어 배치되거나, 개질기 내부 공간 중에 배치될 수 있다.
또한, 열공급 순환루프(L120)는 메탄올 개질기(104)의 외부에 배치된 상태로 열매의 열을 공급할 수 있다. 이때, 열공급 순환루프(L120)는 메탄올 개질기(104)의 외부에서 다양한 형태로 배치되어 열매의 열을 공급할 수 있다. 예를 들어, 열공급 순환루프(L120)는 선형, 나선형, 헤어핀형, 플레이트핀형, 평판형, 곡판형, 격자형 또는 이들의 조합된 형태로 존재할 수 있고, 개질기 외부의 바닥 또는 하나 이상의 개질기 외벽을 감싸는 형태로 배치될 수 있다.
메탄올 개질 반응에 이용된 물은 계속해서 열공급 순환루프(L120)를 통해 순환할 수 있다.
열공급 순환루프(L120)는 메탄올 개질기(104) 후단에서 제4 열교환기(113)에 연결될 수 있으며, 상기 제4 열교환기(113)는 상기 메탄올 개질기(104)에 열을 공급하고 순환되는 물을 상기 제1 버너(111)로부터 배출되는 오프 가스를 이용하여 가열할 수 있다.
또한, 열공급 순환루프(L120)는 순환 펌프(121)를 더 포함하여 루프 내의 물을 저장 및 순환시킬 수 있으며, 순환 펌프(121)를 조절하여 열공급량을 조절할 수 있다. 바람직하게는, 상기 순환 펌프(121)는 상기 메탄올 개질기(104)의 후단에 배치될 수 있다.
제4 열교환기(113)는 상기 열공급 순환루프(L120)의 물을 상기 제1 버너로부터 배출되는 오프 가스의 연소 가스를 이용하여 가열하는 것일 수 있다. 즉, 상기 메탄올 개질기에 열을 공급한 뒤 열공급 순환루프(L120)를 통해 순환되는 물을 상기 제1 버너(111)로부터 배출되는 오프 가스의 연소 가스를 이용하여 가열하는 것일 수 있다. 즉, 상기 제1 버너(111)에 연결된 연소 가스 전달 라인(L111)과 상기 열공급 순환루프(L120)의 열교환이 일어날 수 있으며, 상기 연소 가스 전달 라인(L111) 내부를 유동하는 오프 가스의 연소 가스가 상기 열공급 순환루프(L120) 내부를 순환하는 물에 비해 고온일 수 있다.
상기 오프 가스의 연소 가스는 상기 제4 열교환기(113)를 통한 열교환에 의해 350 내지 450℃로 냉각될 수 있으며, 전술한 바와 같이 상기 오프 가스의 연소 가스는 제1 버너(111)에서의 연소에 의해 열을 공급받아 상기 제4 열교환기(113)를 통한 열교환에 의해 상기 열공급 순환루프(L120)의 물을 가열시키고 제2 열교환기(102)에서 메탄올의 물의 혼합물을 가열시킬 수 있다.
제4 열교환기(113)로부터 배출되는 연소 가스는 연소 가스 전달 라인(L111)을 통해 제2 열교환기(102)로 유입될 수 있으며, 상기 제4 열교환기(113)로부터 토출되는 물은 열공급 순환루프(L120)를 통해 메탄올 개질기(104) 또는 물 저장탱크(120)로 재순환될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예 1-2에 따른 메탄올 개질 시스템의 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예 1-2에 따른 메탄올 개질 시스템(1)은 제1 열교환기(101), 제2 열교환기(102), 제3 열교환기(103), 메탄올 개질기(104), 수소 정제기(105), 다단 촉매 버너(110), 제4 열교환기(113), 열공급 순환루프(L120) 및 제5 열교환기(106)를 포함한다.
본 발명의 실시예 1-2에 따른 메탄올 개질 시스템(1)에서 제1 열교환기(101), 제2 열교환기(102), 제3 열교환기(103), 메탄올 개질기(104), 수소 정제기(105), 제4 열교환기(113) 및 열공급 순환루프(L120)는 앞선 실시예에 따른 메탄올 개질 시스템(1)에서와 각각 동일할 수 있다.
이하에서는 본 실시예가 앞선 실시예 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략한 부분은 앞선 내용으로 갈음한다. 이는 이하 후술하는 실시예 1-3에 대해서도 마찬가지임을 알려둔다.
본 발명의 실시예 1-2에 따른 메탄올 개질 시스템(1)은 메탄올 공급 라인(L100) 및 물 공급 라인(L101)으로부터 각각 메탄올 및 물을 공급받을 수 있다. 추가적으로, 메탄올 개질 시스템(1)은 상기 메탄올 공급 라인(L100)으로부터 분기되거나 독립적으로 마련되는 메탄올 공급 라인(L100')을 더 포함할 수 있다. 상기 메탄올 공급 라인(L100')은 제5 열교환기(106)에 연결될 수 있다.
제5 열교환기(106)는 상기 메탄올 공급 라인(L100')으로부터 공급되는 메탄올을 상기 제3 열교환기(103)로부터 배출되는 연소 가스의 재연소 가스를 이용하여 가열하는 것일 수 있다. 즉, 상기 제5 열교환기(106)에서 상기 메탄올 공급 라인(L100')과 상기 재연소 가스 전달 라인(L112)의 열교환이 일어날 수 있으며, 상기 제3 열교환기(103)를 거친 재연소 가스 전달 라인(L112) 내부의 재연소 가스는 상기 메탄올에 비해 고온일 수 있다.
메탄올은 상기 제5 열교환기(106)를 통해 50 내지 100℃로 가열될 수 있으며, 이는 후술할 버너에서의 연소 대한 대비로 예열되는 것일 수 있다. 이러한 상기 제5 열교환기(106)를 통한 열교환에 의해 버너의 스타트업시 사용될 연료의 기화에 필요한 에너지를 절감할 수 있다.
제5 열교환기(106)로부터 토출되는 메탄올은 메탄올 공급 라인(L100')을 통해 상기 제1 버너(111) 및 상기 제2 버너(112)에 공급될 수 있으며, 메탄올은 상기 버너에 대한 연료로 스타트업시에만 사용될 수 있다.
재연소 가스 전달 라인(L112)은 상기 제2 버너(112)에서 재연소된 연소 가스의 재연소 가스를 유동시킬 수 있다. 상기 재연소 가스 전달 라인(L112) 내의 재연소 가스는 전술한 바와 같이 상기 제3 열교환기(103)에 열매로 이용될 수 있으며, 상기 메탄올 및 물 공급 라인(L102) 내부의 메탄올 및 물의 혼합물 일부 또는 전부의 상변화를 유발할 수 있고, 이어서 상기 제5 열교환기(106)에 열매로 이용된 후에 배기가스 형태로 메탄올 개질 시스템(1) 외부로 배출될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예 1-3에 따른 메탄올 개질 시스템의 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예 1-3에 따른 메탄올 개질 시스템(1)은 제1 열교환기(101), 제2 열교환기(102), 제3 열교환기(103), 메탄올 개질기(104), 수소 정제기(105), 다단 촉매 버너(110), 제4 열교환기(113), 열공급 순환루프(L120), 제5 열교환기(106) 및 제6 열교환기(107)를 포함한다.
본 발명의 실시예 1-3에 따른 메탄올 개질 시스템(1)에서 제1 열교환기(101), 제2 열교환기(102), 제3 열교환기(103), 메탄올 개질기(104), 수소 정제기(105), 제4 열교환기(113), 열공급 순환루프(L120) 및 제5 열교환기(106)는 앞선 실시예에 따른 메탄올 개질 시스템(1)에서와 각각 동일할 수 있다.
본 발명의 실시예 1-3에 따른 메탄올 개질 시스템(1)은 메탄올 공급 라인(L100) 및 물 공급 라인(L101)으로부터 각각 메탄올 및 물을 공급받을 수 있으며, 상기 메탄올 개질 시스템(1)은 상기 메탄올 공급 라인(L100)으로부터 분기되거나 독립적으로 마련되는 메탄올 공급 라인(L100')을 더 포함할 수 있다. 상기 메탄올 공급 라인(L100')은 제5 열교환기(106)에 연결될 수 있다.
제5 열교환기(106)는 상기 메탄올 공급 라인(L100')으로부터 공급되는 메탄올을 상기 제3 열교환기(103)로부터 배출되는 연소 가스의 재연소 가스를 이용하여 가열하는 것일 수 있다. 이때, 상기 제5 열교환기(106)로부터 토출되는 메탄올은 메탄올 공급 라인(L100')을 통해 제6 열교환기(107)로 공급될 수 있다.
제6 열교환기(107)는 상기 메탄올 공급 라인(L100')으로부터 공급되는 메탄올을 상기 제2 열교환기(102)로부터 배출되는 오프 가스의 연소 가스를 이용하여 가열하는 것일 수 있다. 즉, 상기 제6 열교환기(107)에서 상기 메탄올 공급 라인(L100')과 상기 연소 가스 전달 라인(L111)의 열교환이 일어날 수 있으며, 상기 제2 열교환기(102)를 거친 연소 가스 전달 라인(L111) 내부의 연소 가스는 상기 메탄올에 비해 고온일 수 있다.
메탄올은 상기 제6 열교환기(107)를 통해 100 내지 150℃로 가열될 수 있으며, 이는 후술할 버너에서의 연소 대한 대비로 예열되는 것일 수 있다. 이러한 상기 제5 열교환기(106) 및 제6 열교환기(107)를 통한 열교환에 의해 버너의 스타트업시 사용될 연료의 기화에 필요한 에너지를 절감할 수 있다.
제6 열교환기(107)로부터 토출되는 메탄올은 메탄올 공급 라인(L100')을 통해 상기 제1 버너(111) 및 상기 제2 버너(112)에 공급될 수 있으며, 메탄올은 상기 버너에 대한 연료로 스타트업시에만 사용될 수 있다.
연소 가스 전달 라인(L111)은 상기 제1 버너(111)에서 연소된 오프 가스의 연소 가스를 유동시킬 수 있다. 상기 연소 가스 전달 라인(L111) 내의 연소 가스는 전술한 바와 같이 상기 제2 열교환기(102)에 열매로 이용되어 상기 메탄올 및 물 공급 라인(L102) 내부의 메탄올 및 물의 혼합물 예열시킬 수 있으며, 이어서 상기 제6 열교환기(107)에 열매로 이용된 후에 상기 제2 버너(112)에 공급될 수 있다.
이상과 같이 본 실시예 1은, 연료 전지에 공급하기 위한 수소 가스를 생산하는 메탄올 개질 시스템(1)으로서, 저장 및 취급이 어려운 수소 대신 메탄올을 이용하여 안정적인 저장과 용이한 공급이 가능하며, 메탄올 및 물 공급 라인(L102)을 수소 가스 회수 라인(L103), 연소 가스 전달 라인(L111), 재연소 가스 전달 라인(L112) 및 열공급 순환루프(L120)의 열로 예열 및 기화시켜 메탄올 개질에 이용함으로써, 별도의 기화기 없이 메탄올 개질에 필요한 에너지를 공급할 수 있어 에너지 절감이 가능하며 기존 수소저장합금을 이용한 수소공급 시스템 대비 전체 시스템의 가격 및 중량을 30% 이상 감소시킬 수 있다.
이하에서는 도 5 및 6를 참조하여 본 발명의 이산화탄소 흡수식 중량보상 탱크 시스템에 관한 실시예 2에 대해 자세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 이산화탄소 흡수식 중량보상 탱크 시스템(2)의 개념도이며, 도 6은 종래 메탄올 개질 시스템의 이산화탄소 배출 방식과 중량보상 탱크를 나타낸 개념도이다. 이하에서 메탄올 개질 시스템(1)은 메탄올을 개질하여 생산되는 수소 가스를 연료 전지에 공급할 수 있는 시스템을 의미한다.
도 6를 참조하면, 종래 메탄올 개질 시스템(1)에서 생산되는 수소 가스는 수소 가스 공급 라인(L200)을 통해 연료 전지(FC)로 공급되고, 메탄올 개질 시스템(1)에서 배출되는 오프 가스는 오프 가스 배출 라인(L201)을 통해 혼합부(220)로 공급되거나 별도의 배기가스 배출 라인(도시하지 않음)을 통해 외부로 배출된다. 이때 상기 오프 가스는 이산화탄소를 포함하고, 수소, 수증기, 메탄올, 일산화탄소, 질소 및 산소로 이루어진 군으로부터 선택되는 가스를 더 포함할 수 있다. 상기 혼합부(220)는 해수 공급 라인(L210')에 연결되어, 상기 오프 가스 배출 라인(L201)으로부터 공급된 오프 가스와 상기 해수 공급 라인(L210')으로부터 공급된 해수가 상기 혼합부(220) 내에서 임시로 저장되고, 혼합된다. 이때, 오프 가스에 포함된 이산화탄소의 일부가 해수 중에 용해되어 해수 배출 라인(L213)을 통해 바다로 배출된다.
이러한 경우, 상기 오프 가스 중의 이산화탄소의 일부만 해수에 용해될 수 있기 때문에, 용해되지 않은 대부분의 이산화탄소는 해수 배출 라인(L213) 또는 별도의 배기가스 배출 라인(도시하지 않음)을 통해 외부로 배출된다. 이러한 경우, 해양 구조물의 평형 유지를 위해 배출되는 이산화탄소의 중량만큼 중량보상 탱크(210) 내부로 해수가 공급되어야 하며, 중량보상 탱크(210) 설계시 이러한 추가 공급량까지 고려되어야 하기 때문에 상기 중량보상 탱크(210)의 전체적인 체적 증가가 필요하게 된다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예 2에 따른 이산화탄소 흡수식 중량보상 탱크 시스템(2)은 중량보상 탱크(210), 혼합부(220) 및 해수 배출 라인(L213)을 포함하며, 이산화탄소 흡수제 저장부(200)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에서 각각의 라인 및 루프에는 개도 조절이 가능한 밸브(도시하지 않음)들이 설치될 수 있으며, 각 밸브의 개도 조절에 따라 수소 가스, 오프 가스, 해수, 해수 및 이산화탄소 흡수제의 혼합물 등의 유체 흐름이 조절될 수 있다.
상기 이산화탄소 흡수식 중량보상 탱크 시스템(2)은 메탄올 개질 시스템(1)과 연료 전지(FC)를 더 포함할 수 있으며, 메탄올 개질 시스템(1)은 수소 가스 공급 라인(L200)을 통해 연료 전지(FC)와 연결되고, 오프 가스 배출 라인(L201)을 통해 중량보상 탱크(210)와 연결될 수 있다. 해수 공급 라인(L210, 210')은 중량보상 탱크(210), 이산화탄소 흡수제 저장부(200) 및 혼합부(220)에 해수를 공급할 수 있다. 상기 시스템(2)이 중량보상 탱크(210)로 이산화탄소 흡수제를 공급하기 위한 이산화탄소 흡수제 저장부(200)를 포함하는 경우, 상기 이산화탄소 흡수제 저장부(200)는 해수 및 이산화탄소 흡수제 공급 라인(L211)을 통해 상기 중량보상 탱크(210)와 연결될 수 있다. 상기 중량보상 탱크(210)는 가스 배출 라인(L212)을 통해 상기 혼합부(220)와 연결될 수 있으며, 상기 혼합부(220)는 해수 배출 라인(L213)을 가질 수 있다.
이하에서는 이산화탄소 흡수식 중량보상 탱크 시스템(2)에 유기적으로 형성되어 구현되는 개별적인 구성들에 대해서 설명하도록 한다.
이산화탄소 흡수제 저장부(200)는 이산화탄소 흡수제 및 해수 공급 라인(L210)으로부터 공급되는 해수를 저장할 수 있는 공간을 제공할 수 있다. 추가적으로, 상기 이산화탄소 흡수제 저장부(200)는 저장부 내로의 이산화탄소 흡수제의 공급을 위한 이산화탄소 흡수제 유입부(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 흡수제는 해수에 용해된 뒤, 이산화탄소와 반응하여 염이나 침전물을 형성하는 화합물이거나, 이산화탄소를 흡착시킬 수 있는 물질 또는 재료일 수 있다. 예를 들어, 탄산나트륨, 탄산칼륨, 수산화리튬, 수산화나트륨, 아연산나트륨, 황화나트륨, 수산화칼슘, 모노에탄올아민, 디에탄올아민 및 디글리콜아민으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다. 따라서, 상기 이산화탄소 흡수제는 상기 이산화탄소 흡수제 저장부(200) 내에 저장되어 있다가 해수가 공급됨에 따라 그 일부 또는 전부가 해수에 용해되어 해수와의 혼합물을 형성할 수 있다.
이산화탄소 흡수제 저장부(200)로부터 배출되는 해수 및 이산화탄소 흡수제의 혼합물은 해수 및 이산화탄소 흡수제 공급 라인(L211)을 통해 중량보상 탱크(210) 내부로 유입될 수 있다.
중량보상 탱크(210)는 이산화탄소 흡수제를 저장하고 있다가, 해수 공급 라인(L210)을 통해 공급되는 해수와 혼합하여 저장할 수 있으며 메탄올 개질 시스템(1)으로부터 배출되는 오프 가스를 저장하고, 상기 오프 가스 내의 이산화탄소와 이산화탄소 흡수제의 반응에 대한 장소를 제공할 수 있다.
상기 시스템(2)이 이산화탄소 흡수제 저장부(200)를 더 포함하는 경우에 중량보상 탱크(210)는 상기 이산화탄소 흡수제 저장부(200)로부터 해수 및 이산화탄소 흡수제 공급 라인(L211)을 통해 공급되는 해수 및 이산화탄소 흡수제의 혼합물 및 메탄올 개질 시스템(1)으로부터 배출되는 오프 가스를 저장하고, 상기 오프 가스 내의 이산화탄소와 상기 혼합물 내의 이산화탄소 흡수제의 반응에 대한 장소를 제공할 수 있다.
본 실시예에 따른 이산화탄소 흡수식 중량보상 탱크 시스템(2)을 포함하는 해양 구조물이 중량보상 탱크를 갖지 않는 경우, 상기 중량보상 탱크(210)는 밸러스트 탱크일 수 있다.
중량보상 탱크(210)는 해양 구조물에서 배출되는 중량만큼 해수를 저장하여 중량을 보상하는데, 해수 및 이산화탄소 흡수제의 혼합물이 중량보상을 할 수 있으며, 시스템(2)의 운전 초기에는 메탄올 개질 시스템(1)으로부터 배출되는 이산화탄소를 저장할 수 있기 때문에 일정기간 동안 해수 추가 유입을 통한 추가적인 중량보상을 필요로 하지 않게 된다. 즉, 본 실시예에 따른 중량보상 탱크(210)를 구비함으로써 전체 시스템(2)은 운전 초기에 일정 기간 동안 중량보상을 지연시킬 수 있게 된다. 따라서, 해수 추가 유입을 위한 펌프를 소형화할 수 있게 되며, 이에 따른 시스템(2)의 전력 부하를 줄일 수 있게 된다.
추가적으로, 상기 중량보상 탱크(210)는 별도의 해수 유입부(도시하지 않음) 및 배출부(도시하지 않음)를 더 포함하여 해수를 저장 및 배출할 수 있다. 이러한 경우, 이산화탄소가 용해된 해수를 상기 해수 배출부를 통해 바다로 배출시킬 수 있다.
중량보상 탱크(210) 내부에 해수 또는 해수와 이산화탄소 흡수제의 혼합물을 공급하는 경우, 상기 중량보상 탱크(210) 내부에 공급되는 오프 가스 공급 위치보다 더 상단부에서 분사하는 형태로 공급할 수 있으며, 상기 중량보상 탱크(210)는 내부에 해수, 이산화탄소 흡수제 및 오프 가스의 혼합을 용이하게 하기 위한 혼합기를 더 구비할 수 있다. 이를 통해 오프 가스와 이산화탄소 흡수제의 접촉 면적을 극대화할 수 있고, 보다 많은 양의 이산화탄소를 해수에 용해시키거나, 침전시킬 수 있다.
추가적으로, 중량보상 탱크(210)는 침전물 제거 장치를 더 포함하여 이산화탄소와 이산화탄소 흡수제 반응으로 생성된 침전물을 제거하기 위한 침전물 제거 장치(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 상기 침전물 제거 장치를 통해 제거되는 침전물은 별도 배출부(도시하지 않음)를 통해 별도로 마련된 침전물 저장부(도시하지 않음)에 따로 저장하였다가 회수할 수 있다.
해수 및 이산화탄소 흡수제의 혼합물에 용해되거나 침전물을 형성하지 않고 남은 이산화탄소와 이를 포함하는 가스는 중량보상 탱크(210)에 연결된 가스 배출 라인(L212)를 통해 혼합부(220)로 공급될 수 있다.
혼합부(220)는 상기 중량보상 탱크(210)로부터 공급되는 가스 및 해수 공급 라인(L210')으로부터 공급되는 해수를 임시로 저장하고, 이들을 혼합하기 위한 수단을 제공할 수 있다. 또한, 상기 혼합부(220)는 상기 수단을 둘 이상 포함하여 다단으로 제공함으로써 상기 가스 및 해수의 임시 저장과 혼합을 연속적으로 수행할 수 있다.
상기 중량보상 탱크(210)로부터 공급되는 가스는 중량보상 탱크(210) 내부에서 제거되지 않은 이산화탄소를 포함할 수 있으며, 상기 혼합부(220) 내에서 해수와 혼합되면서 이산화탄소의 일부 또는 전부가 해수에 용해될 수 있다.
이산화탄소가 용해된 해수는 상기 혼합부(220)에 연결된 해수 배출 라인(L213)을 통해 바다로 배출될 수 있으며, 용해되지 않는 가스는 별도 배출부(도시하지 않음)를 통해 시스템(2) 외부로 배출될 수 있다.
이상과 같이 본 실시예 2는, 중량보상 탱크(210)에서 해수 및 이산화탄소 흡수제의 혼합물을 이용하여, 연료 전지(FC)에 공급하기 위한 수소 가스를 생산하는 메탄올 개질 시스템(1)으로부터 배출되는 이산화탄소를 용해 또는 침전시켜 제거하고, 남은 이산화탄소는 해수에 용해시켜 배출함으로써 이산화탄소 배출량을 감소시켜 시스템(2)의 중량보상을 지연시킴과 동시에 펌프 소형화에 따라 시스템(2)의 전력 부하를 감소시킬 수 있으며, 중량보상 탱크(210)의 체적 감소를 통한 공간 배치상의 이점을 제공할 수 있다.
이하에서는 도 7 및 8을 참조하여 본 발명의 이산화탄소 흡수식 반응수 탱크 시스템에 관한 실시예 3에 대해 자세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시예 3에 따른 이산화탄소 흡수식 반응수 탱크 시스템(3)의 개념도이며, 도 8는 종래 메탄올 개질 시스템, 연료 전지와 반응수 탱크 및 중량보상 탱크를 나타낸 개념도이다. 이하에서 메탄올 개질 시스템(1)은 메탄올을 개질하여 생산되는 수소 가스를 연료 전지에 공급할 수 있는 시스템을 의미한다.
도 8을 참조하면, 종래 메탄올 개질 시스템(1)에서 생산되는 수소 가스는 수소 가스 공급 라인(L200)을 통해 연료 전지(FC)로 공급되고, 메탄올 개질 시스템(1)에서 배출되는 오프 가스는 오프 가스 배출 라인(L201)을 통해 혼합부(220)로 공급되거나 별도의 배기가스 배출 라인(도시하지 않음)을 통해 외부로 배출된다. 이때 상기 오프 가스는 이산화탄소를 포함하고, 수소, 수증기, 메탄올, 일산화탄소, 질소 및 산소로 이루어진 군으로부터 선택되는 가스를 더 포함할 수 있다. 상기 혼합부(220)는 해수 공급 라인(L210')에 연결되어, 상기 오프 가스 배출 라인(L201)으로부터 공급된 오프 가스와 상기 해수 공급 라인(L210')으로부터 공급된 해수가 상기 혼합부(220) 내에서 임시로 저장되고, 혼합된다. 이때, 오프 가스에 포함된 이산화탄소의 일부가 해수 중에 용해되어 해수 배출 라인(L213)을 통해 바다로 배출된다.
연료 전지(FC)는 상기 메탄올 개질 시스템(1)으로부터 수소 가스와, 산소 공급 라인(L202)으로부터 산소 가스를 공급받아 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산하고, 부산물로 생산되는 반응수는 반응수 배출 라인(L203)을 통해 반응수 탱크(300)에 저장하게 된다.
이러한 경우, 상기 오프 가스 중의 이산화탄소의 일부만 해수에 용해될 수 있기 때문에, 용해되지 않은 대부분의 이산화탄소는 해수 배출 라인(L213) 또는 별도의 배기가스 배출 라인(도시하지 않음)을 통해 외부로 배출된다. 이러한 경우, 해양 구조물의 평형 유지를 위해 배출되는 이산화탄소의 중량만큼 중량보상 탱크(210) 내부로 해수가 공급되어야 하며, 중량보상 탱크(210) 설계시 이러한 추가 공급량까지 고려되어야 하기 때문에 상기 중량보상 탱크(210)의 전체적인 체적 증가가 필요하게 된다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예 3에 따른 이산화탄소 흡수식 반응수 탱크 시스템(3)은 중량보상 탱크(210), 혼합부(220), 반응수 탱크(300) 및 해수 배출 라인(L213)을 포함하며, 이산화탄소 흡수제 저장부(200)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에서 각각의 라인 및 루프에는 개도 조절이 가능한 밸브(도시하지 않음)들이 설치될 수 있으며, 각 밸브의 개도 조절에 따라 산소 가스, 수소 가스, 오프 가스, 반응수, 반응수 및 이산화탄소 흡수제의 혼합물 등의 유체 흐름이 조절될 수 있다.
상기 이산화탄소 흡수식 반응수 탱크 시스템(3)은 메탄올 개질 시스템(1)과 연료 전지(FC)를 더 포함할 수 있으며, 메탄올 개질 시스템(1)은 수소 가스 공급 라인(L200)을 통해 연료 전지(FC)와 연결되고, 오프 가스 배출 라인(L201)을 통해 반응수 탱크(300)와 연결될 수 있다. 연료 전지(FC)는 산소 공급 라인(L202)에 연결되어 산소 가스를 공급 받을 수 있고, 반응수 배출 라인(L203)을 통해 반응수 탱크(300) 또는 이산화탄소 흡수제 저장부(200)에 반응수를 공급할 수 있다. 상기 시스템(3)이 반응수 탱크(300)로 이산화탄소 흡수제를 공급하기 위한 이산화탄소 흡수제 저장부(200)를 포함하는 경우, 상기 이산화탄소 흡수제 저장부(200)는 반응수 및 이산화탄소 흡수제 공급 라인(L300)을 통해 상기 반응수 탱크(300)와 연결될 수 있다. 상기 반응수 탱크(300)는 가스 배출 라인(L301)을 통해 상기 혼합부(220)와 연결될 수 있으며, 상기 혼합부(220)는 해수 공급 라인(L214') 및 해수 배출 라인(L213)을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예 3에 따른 이산화탄소 흡수식 반응수 탱크 시스템(3)에서 이산화탄소 흡수제(도시하지 않음)는 앞선 실시예 2에 따른 이산화탄소 흡수식 중량보상 탱크 시스템(2)에서와 동일할 수 있다.
이하에서는 본 실시예가 앞선 실시예 2 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략한 부분은 앞선 내용으로 갈음한다.
이하에서는 이산화탄소 흡수식 반응수 탱크 시스템(3)에 유기적으로 형성되어 구현되는 개별적인 구성들에 대해서 설명하도록 한다.
이산화탄소 흡수제 저장부(200)는 이산화탄소 흡수제 및 반응수 배출 라인 (L203)으로부터 공급되는 반응수를 저장할 수 있는 공간을 제공할 수 있다. 추가적으로, 상기 이산화탄소 흡수제 저장부(200)는 저장부 내로의 이산화탄소 흡수제의 공급을 위한 이산화탄소 흡수제 유입부(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 흡수제는 상기 이산화탄소 흡수제 저장부(200) 내에 저장되어 있다가 반응수가 공급됨에 따라 그 일부 또는 전부가 반응수에 용해되어 반응수와의 혼합물을 형성할 수 있다.
이산화탄소 흡수제 저장부(200)로부터 배출되는 반응수 및 이산화탄소 흡수제의 혼합물은 반응수 및 이산화탄소 흡수제 공급 라인(L300)을 통해 반응수 탱크(300) 내부로 유입될 수 있다.
반응수 탱크(300)는 이산화탄소 흡수제를 저장하고 있다가, 반응수 배출 라인(L203)을 통해 공급되는 반응수와 혼합하여 저장할 수 있으며 메탄올 개질 시스템(1)으로부터 배출되는 오프 가스를 저장하고, 상기 오프 가스 내의 이산화탄소와 이산화탄소 흡수제의 반응에 대한 장소를 제공할 수 있다.
상기 시스템(3)이 이산화탄소 흡수제 저장부(200)를 더 포함하는 경우에 반응수 탱크(300)는 상기 이산화탄소 흡수제 저장부(200)로부터 반응수 및 이산화탄소 흡수제 공급 라인(L300)을 통해 공급되는 반응수 및 이산화탄소 흡수제의 혼합물 및 메탄올 개질 시스템(1)으로부터 배출되는 오프 가스를 저장하고, 상기 오프 가스 내의 이산화탄소와 상기 혼합물 내의 이산화탄소 흡수제의 반응에 대한 장소를 제공할 수 있다.
이러한 경우, 반응수 탱크(300)는 시스템(3)의 운전 초기에 메탄올 개질 시스템(1)으로부터 배출되는 이산화탄소를 저장할 수 있기 때문에 일정기간 동안 시스템(3)에 마련된 중량보상 탱크(210)로의 해수 추가 유입을 통한 추가적인 중량보상을 필요로 하지 않게 된다. 즉, 본 실시예에 따른 반응수 탱크(300)를 구비함으로써 전체 시스템(3)은 운전 초기에 일정 기간 동안 중량보상을 지연시킬 수 있게 된다. 따라서, 해수 추가 유입을 위한 펌프 및 중량보상 탱크(210)를 소형화할 수 있게 되며, 이에 따른 시스템(3)의 전력 부하를 줄일 수 있게 된다.
추가적으로, 상기 반응수 탱크(300)는 별도의 배출부(도시하지 않음)를 더 포함하여, 이산화탄소가 용해된 반응수를 상기 배출부를 통해 바다로 배출시킬 수 있다.
반응수 탱크(300) 내부에 반응수 또는 반응수와 이산화탄소 흡수제의 혼합물을 공급하는 경우, 상기 반응수 탱크(300) 내부에 공급되는 오프 가스 공급 위치보다 더 상단부에서 분사하는 형태로 공급할 수 있으며, 상기 반응수 탱크(300)는 내부에 상기 혼합물과 오프 가스의 혼합을 위한 혼합기를 더 구비할 수 있다. 이를 통해 오프 가스와 상기 혼합물의 접촉 면적을 극대화할 수 있고, 보다 많은 양의 이산화탄소를 해수에 용해시키거나, 침전시킬 수 있다.
추가적으로, 상기 반응수 탱크(300)는 침전물 제거 장치를 더 포함하여 이산화탄소와 이산화탄소 흡수제 반응으로 생성된 침전물을 제거하기 위한 침전물 제거 장치(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 이하에서 상기 침전물 제거 장치를 통해 제거될 수 있는 침전물은 상기 이산화탄소 흡수제가 이산화탄소와 반응하여 해수에 용해되지 않는 침전물을 형성하는 경우뿐만 아니라, 해수 중에 용해되지 않는 이산화탄소 흡수제이거나 해수 중의 기타 불순물일 수 있다. 상기 침전물 제거 장치를 통해 제거되는 침전물은 별도 배출부(도시하지 않음)를 통해 별도로 마련된 침전물 저장부(도시하지 않음)에 따로 저장하였다가 제거 또는 회수할 수 있다.
반응수 및 이산화탄소 흡수제의 혼합물에 용해되거나 침전물을 형성하지 않고 남은 이산화탄소와 이를 포함하는 가스는 반응수 탱크(300)에 연결된 가스 배출 라인(L301)를 통해 혼합부(220)로 공급될 수 있다.
혼합부(220)는 상기 반응수 탱크(300)로부터 공급되는 가스 및 해수 공급 라인(L214')으로부터 공급되는 해수를 임시로 저장하고, 이들을 혼합하기 위한 수단을 제공할 수 있다. 이때, 상기 해수 공급 라인(L214')은 중량보상 탱크(210)에 해수를 공급하기 위한 해수 공급 라인(L214)으로부터 분기된 것이거나 이와는 별개로 제공될 수 있다. 또한, 상기 혼합부(220)는 상기 수단을 둘 이상 포함하여 다단으로 제공함으로써 상기 가스 및 해수의 임시 저장과 혼합을 연속적으로 수행할 수 있다.
상기 반응수 탱크(300)로부터 공급되는 가스는 반응수 탱크(300) 내부에서 제거되지 않은 이산화탄소를 포함할 수 있으며, 상기 혼합부(220) 내에서 해수와 혼합되면서 이산화탄소의 일부 또는 전부가 해수에 용해될 수 있다.
이산화탄소가 용해된 해수는 상기 혼합부(220)에 연결된 해수 배출 라인(L213)을 통해 바다로 배출될 수 있으며, 용해되지 않는 가스는 별도 배출부(도시하지 않음)를 통해 시스템(3) 외부로 배출될 수 있다.
이상과 같이 본 실시예 3은, 반응수 탱크(300)에서 반응수 및 이산화탄소 흡수제의 혼합물을 이용하여, 연료 전지(FC)에 공급하기 위한 수소 가스를 생산하는 메탄올 개질 시스템(1)으로부터 배출되는 이산화탄소를 용해 또는 침전시켜 제거하고, 남은 이산화탄소는 해수에 용해시켜 배출함으로써 이산화탄소 배출량을 감소시켜 시스템(3)의 중량보상을 지연시킴과 동시에 펌프 소형화에 따라 시스템(3)의 전력 부하를 감소시킬 수 있으며, 중량보상 탱크(210)의 체적 감소를 통한 공간 배치상의 이점을 제공할 수 있다.
이하에서는 도 9 및 도 10을 참조하여 본 발명의 연료 및 반응수 저장 장치에 관한 실시예 4에 대해 자세히 설명한다.
도 9는 본 발명의 실시예 4에 따른 연료 및 반응수 저장 장치의 개념도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예 4에 따른 연료 및 반응수 저장 장치(4)는 하우징(400), 연료 저장부(401), 반응수 저장부(402), 분리부(403) 및 연통부(404)를 포함한다.
연료 저장부(401), 반응수 저장부(402) 및 분리부(403)는 상기 연료 및 반응수 저장 장치(4)의 외관을 형성하는 하우징(400) 내부에 배치될 수 있으며, 상기 연통부(404)는 일단이 상기 연료 저장부(401) 및 상기 반응수 저장부(402)에 연결되고, 나머지 일단은 상기 하우징(400)을 통과하여 상기 장치(4) 외부에 위치할 수 있다.
본 실시예에서 각각의 연통부(404)에는 개도 조절이 가능한 밸브(도시하지 않음)들이 설치될 수 있으며, 각 밸브의 개도 조절에 따라 연료, 반응수 등의 유체 흐름이 조절될 수 있다.
이하에서, 상기 연료는 연료 전지(FC)에 공급하기 위한 것으로, 수소를 함유하는 화합물 또는 이를 포함하는 혼합물일 수 있다. 상기 반응수는 상기 연료 전지(FC)에 수소 및 산소 가스가 공급되어 전기화학 반응을 일으켜 생산되는 전기에 대한 부산물로 생산되는 물일 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료 및 반응수 저장 장치(4)는 메탄올 개질 시스템(1)을 더 포함할 수 있다. 이러한 경우, 상기 연료는 메탄올일 수 있으며, 상기 연료 저장부(401)는 메탄올을 저장하였다가 상기 메탄올 개질 시스템(1)에 메탄올을 공급할 수 있고, 상기 메탄올 개질 시스템(1)은 메탄올을 개질하여 생산되는 수소 가스를 상기 연료 전지(FC)에 공급할 수 있다.
이하에서는 연료 및 반응수 저장 장치(4)에 유기적으로 형성되어 구현되는 개별적인 구성들에 대해서 설명하도록 한다.
하우징(400)은 연료 및 반응수 저장 장치(4)의 외관을 형성하며, 내부에 연료 저장부(401), 반응수 저장부(402) 및 분리부(403)을 포함할 수 있다. 상기 하우징(400)의 내부 공간은 상기 분리부(403)를 기준으로, 상기 연료 저장부(401)가 배치되는 구획 및 상기 반응수 저장부(402)가 배치되는 구획으로 분리될 수 있다. 즉, 본 실시예에서 연료 저장부(401)와 반응수 저장부(402)는 상기 하우징(400) 내부에서 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 하우징(400)의 내부에서 연료 저장부(401) 및 반응수 저장부(402) 중 하나 이상의 체적 변화가 일어날 수 있고, 이러한 저장부 체적 변화에 따라 상기 저장부가 배치되는 구획의 체적도 변화할 수 있으나, 이러한 체적 변화가 발생하여도 상기 하우징(400)의 체적은 일정하게 유지될 수 있다.
상기 연료 저장부(401) 및 반응수 저장부(402)에 하나 이상의 연통부(404)가 연결됨에 따라 상기 하우징(400)에도 상기 연통부(404)가 통과할 수 있는 공간이 마련될 수 있으며, 전술한 바와 같이 하나 이상의 저장부에 체적 변화가 발생하여도 상기 하우징(400)의 체적이 일정하게 유지될 수 있도록 연료 저장부(401)가 배치된 구획 및 반응수 저장부(402)가 배치되는 구획에 각각 하나 이상의 공기 구멍(도시하지 않음)이 마련될 수 있다.
연료 저장부(401)는 상기 하우징(400)의 내부 공간에 배치되어, 연료 전지(FC)에 공급하기 위한 연료를 저장하기 위한 공간을 제공할 수 있으며, 저장되는 연료의 양에 따라 용적의 증감이 가능할 수 있다.
연료 저장부(401)는 저장되는 연료와 물리적, 화학적으로 반응하지 않아서 상기 연료를 안정적으로 저장할 수 있으면서, 상기 저장되는 연료의 양에 따라 용적의 증감이 가능한 것이면 그 형태 및 재질은 한정되지 않는다.
연료 저장부(401)는 하나 이상의 연통부(404)를 가질 수 있다. 상기 연료 저장부(401)는 상기 연통부(404)를 통해 상기 연료 및 반응수 저장 장치(4) 외부의 연료 공급부(도시하지 않음)에 연결되어, 상기 연료 공급부로부터 연료를 공급받아 저장할 수 있다. 또한, 상기 연료 저장부(401)는 상기 연통부(404)를 통해 상기 연료 및 반응수 저장 장치(4) 외부로 저장된 연료를 공급할 수 있다. 바람직하게는, 상기 연통부(404)는 메탄올 개질 시스템(1)에 연결되어, 상기 연료 저장부(401)에 저장된 메탄올을 상기 메탄올 개질 시스템(1)에 공급할 수 있다.
반응수 저장부(402)는 상기 하우징(400)의 내부 공간에 배치되어, 연료 전지(FC)로부터 배출되는 반응수를 저장하기 위한 공간을 제공할 수 있으며, 저장되는 반응수의 양에 따라 용적의 증감이 가능할 수 있다.
반응수 저장부(402)는 저장되는 반응수와 물리적, 화학적으로 반응하지 않아서 상기 반응수를 안정적으로 저장할 수 있으면서, 상기 저장되는 반응수의 양에 따라 용적의 증감이 가능한 것이면 그 형태 및 재질은 한정되지 않는다.
반응수 저장부(402)는 하나 이상의 연통부(404)를 가질 수 있다. 상기 반응수 저장부(402)는 상기 연통부(404)를 통해 연료 전지(FC)와 연결되어, 상기 연료 전지(FC)로부터 배출되는 반응수를 공급받아 저장할 수 있다. 또한, 상기 반응수 저장부(402)는 상기 연통부(404)를 통해 상기 연료 및 반응수 저장 장치(4) 외부로 저장된 반응수를 배출시킬 수 있다.
분리부(403)는 상기 하우징(400)의 내부 공간에, 상기 연료 저장부(401)와 상기 반응수 저장부(402) 사이에 배치되어 상기 연료 저장부(401)와 상기 반응수 저장부(402)가 배치되는 구획을 분리시킬 수 있다. 바람직하게는, 상기 분리부(403)는 상기 저장부의 구획을 분리하면서, 분리부(403)의 일면이 상기 연료 저장부(401)의 일면과, 상기 분리부(403)의 일면에 대한 대향면이 상기 반응수 저장부(402)의 일면과 접촉한 상태로 배치될 수 있다. 상기 분리부(403)의 일면 및 대향면의 형태는 상기 하우징(400)의 내부 공간의 일 단면의 형태와 동일할 수 있다.
분리부(403)는 상기 연료 저장부(401)와 상기 반응수 저장부(402) 중 어느 하나 이상의 용적 변화에 따라 상기 하우징(400)의 내부에서 이동이 가능할 수 있다. 구체적으로, 상기 저장부 중 어느 일 저장부의 용적이 증가하고, 나머지 일 저장부의 용적이 감소하는 경우, 상기 분리부(403)는 용적이 감소하는 상기 나머지 일 저장부가 배치된 구획 방향으로 이동할 수 있다.
상기와 같은 분리부(403)의 이동은 상기 하우징(400) 내부 및/또는 분리부(403) 자체에 마련된 이동 수단(도시하지 않음)에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 하우징(400) 내부에 마련되는 각 저장부 배치 구획에는 펌프(도시하지 않음)가 구비될 수 있고, 상기 펌프를 구동함으로써 분리부(403)를 이동시킬 수 있다. 또 다른 예로, 상기 하우징(400) 내벽에 레일 돌기(도시하지 않음)가 형성될 수 있고, 분리부(403)에서 상기 내벽의 레일 돌기에 결합 또는 결착되어 레일을 따라 이동 가능한 가이드 돌기(도시하지 않음)가 형성되어 분리부(403)가 이동할 수 있다.
상기와 같은 분리부(403)의 이동은 상기 저장부 중 어느 하나 이상의 용적 변화 또는 중량 변화에 의해 유발될 수 있다. 바람직하게는, 상기 분리부(403)는 상기 저장부 중 어느 하나의 용적 증가에 따른 압력에 의해 이동될 수 있다. 구체적으로, 상기 저장부 중 어느 하나의 용적이 증가함에 따라, 상기 저장부의 일면에 접촉한 분리부(403)가 압력을 받아 상기 저장부의 용적이 증가하는 방향으로 이동하는 것일 수 있다.
도 10의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 실시예 4에 따른 연료 및 반응수 저장 장치의 운용 시점에 따른 모습을 나타낸 개념도이다. 이하에서 상기 연료 및 반응수 저장 장치의 운용은 상기 장치에 저장된 연료가 소진될 때까지 연료 전지에 공급하고, 상기 연료 전지에서 배출되는 반응수는 상기 장치에 저장하는 일련의 과정을 의미한다.
도 10의 (a)는 운용 초기 상태, (b) 및 (c)는 운용 중기 상태, (d)는 운용 말기 상태의 연료 및 반응수 저장 장치(4)의 모습을 나타낸 것이다.
도 10의 (a)를 참조하면, 운용 초기에 상기 장치(4)는 연료 전지(FC)에 공급하기 위한 연료만을 상기 연료 저장부(401)에 저장하게 되므로, 하우징(400) 내부에서 연료 저장부(401)의 용적이 최대 상태이고, 반응수 저장부(402)의 용적은 최소 상태일 수 있다.
도 10의 (b) 및 (c)를 참조하면, 메탄올 개질 시스템(1) 및 연료 전지(FC)의 운용을 개시함에 따라, 연료 저장부(401) 내의 연료는 연료 전지로 공급되므로 상기 연료 저장부(401)의 용적은 감소하고, 연료 전지(FC)에서 배출되는 반응수가 반응수 저장부(402) 내로 공급되므로 상기 반응수 저장부(402)의 용적은 증가하게 된다. 상기 양 저장부의 용적 변화에 따라 상기 양 저장부의 사이에 배치된 분리막(403)도 이동하게 된다.
도 10의 (d)를 참조하면, 연료 저장부(401) 내의 연료를 모두 소진함에 따라, 상기 연료 저장부(401)의 용적은 최소 상태가 되고, 반응수 저장부(402)의 용적은 최대 상태가 될 수 있다.
도 10의 (d)와 같은 운용 말기 이후, 각 저장부에 마련된 하나 이상의 연통부(404, 404')를 이용하여 연료의 재충전 및 반응수의 배출이 가능하므로, 도 10의 (a)부터 (d)까지의 운용이 반복 실시될 수 있다.
이상과 같이 본 실시예 4는, 연료 및 반응수 저장 장치(4)를 마련하여 내부에 연료 저장부(401)와 반응수 저장부(402)를 배치하고, 분리부(403)를 이용하여 분리시킴으로써, 연료와 반응수의 혼합을 방지하면서도 저장 공간을 공유하는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상기 분리부(403)를 이용함으로써 해양 구조물 운용시에 롤링 또는 피칭이 발생하는 경우에도 어느 한쪽으로의 급격한 유동이나 치우침을 방지할 수 있고, 안정적으로 연료 및 반응수의 저장 및 수요부에 대한 연료 공급을 달성할 수 있다.
본 발명은 상기에서 설명한 실시예로 한정되지 않으며, 상기 실시예들의 조합 또는 상기 실시예 중 적어도 어느 하나와 공지 기술의 조합을 또 다른 실시예로서 포함할 수 있음은 물론이다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 본 발명을 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 기술내용을 벗어나지 않는 범위에서 실시예에 예시되지 않은 여러 가지의 조합 또는 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들로부터 용이하게 도출가능한 변형과 응용에 관계된 기술내용들은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
FC : 연료 전지 1: 메탄올 개질 시스템
100: 혼합기 101: 제1 열교환기
102: 제2 열교환기 103: 제3 열교환기
104: 메탄올 개질기 105: 수소 정제기
106: 제5 열교환기 107: 제6 열교환기
110: 다단 촉매 버너 111: 제1 버너
112: 제2 버너 113: 제4 열교환기
120: 물 저장탱크 121: 순환 펌프
L100, 100': 메탄올 공급 라인 L101: 물 공급 라인
L102: 메탄올 및 물 공급 라인 L103: 수소 가스 회수 라인
L104: 오프 가스 전달 라인 L110, 110': 산소 공급 라인
L111: 연소 가스 전달 라인 L112: 재연소 가스 전달 라인
L120: 열공급 순환루프
2: 이산화탄소 흡수식 중량보상 탱크 시스템
200: 이산화탄소 흡수제 저장부 210: 중량보상 탱크
220: 혼합부
L200: 수소 가스 공급 라인 L201: 오프 가스 배출 라인
L202: 산소 공급 라인 L203: 반응수 배출 라인
L210, 210': 해수 공급 라인
L211: 해수 및 이산화탄소 흡수제 공급 라인
L212: 가스 배출 라인 L213: 해수 배출 라인
L214, 214': 해수 공급 라인
3: 이산화탄소 흡수식 반응수 탱크 시스템
300: 반응수 탱크
L300: 반응수 및 이산화탄소 흡수제 공급 라인
L301: 가스 배출 라인
4: 연료 및 반응수 저장 장치 400: 하우징
401: 연료 저장부 402: 반응수 저장부
403: 분리부 404, 404': 연통부

Claims (12)

  1. 메탄올 및 물을 혼합하여 메탄올 개질기로 공급하는 혼합기;
    메탄올을 물로 개질하여 수소 가스를 생산하는 메탄올 개질기; 및
    상기 메탄올 개질기에 열을 공급하기 위한 열매로 물을 순환시키는 열공급 순환루프를 포함하고,
    상기 메탄올 개질기는 생산되는 수소 가스를 연료 전지에 공급하고,
    상기 열공급 순환루프를 순환하는 물은 포화 상태이며,
    상기 열공급 순환루프는 순환 펌프를 더 포함하되, 쿨러, 콘덴서 및 감압 밸브는 생략되는 것을 특징으로 하는 메탄올 개질 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메탄올 개질기의 전단에 제1 열교환기를 더 포함하고,
    상기 제1 열교환기는 상기 혼합기로부터 배출되는 메탄올 및 물의 혼합물을 상기 메탄올 개질기로부터 배출되는 수소 가스를 이용하여 가열하는 것을 특징으로 하는 메탄올 개질 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 메탄올 개질기로부터 배출되는 가스에서 수소 가스를 정제하는 수소 정제기;
    상기 수소 정제기로부터 배출되는 오프 가스를 연소시키는 제1 버너; 및
    상기 메탄올 개질기의 전단에 구비되는 제2 열교환기를 더 포함하고,
    상기 제2 열교환기는 상기 제1 열교환기에서 열교환된 혼합물을 상기 수소 정제기로부터 배출되는 오프 가스의 연소 가스를 이용하여 가열하는 것을 특징으로 하는 메탄올 개질 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수소 정제기는 수소 압력 변동 흡착기인 것을 특징으로 하는 메탄올 개질 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 수소 정제기로부터 배출되는 수소 가스는 99.999% 이상의 순도를 갖는 것을 특징으로 하는 메탄올 개질 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 메탄올 개질기에 열을 공급하고 순환되는 물을 상기 제1 버너로부터 배출되는 오프 가스의 연소 가스를 이용하여 가열하는 것을 제4 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄올 개질 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제2 열교환기로부터 배출되는 연소 가스를 재연소시키는 제2 버너; 및
    상기 메탄올 개질기의 전단에 구비되는 제3 열교환기를 더 포함하고,
    상기 제3 열교환기는 상기 제2 열교환기에서 열교환된 혼합물을 상기 연소 가스의 재연소 가스를 이용하여 가열하는 것을 특징으로 하는 메탄올 개질 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3 열교환기는 상기 제2 열교환기에서 열교환된 상기 혼합물을 상기 연소 가스의 재연소 가스를 이용하여 기화시키는 것을 특징으로 하는 메탄올 개질 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    메탄올 공급 라인; 및
    상기 메탄올 공급 라인의 메탄올을 상기 제3 열교환기로부터 배출되는 재연소 가스를 이용하여 가열하는 제5 열교환기를 더 포함하고,
    상기 제5 열교환기에서 토출되는 메탄올을 상기 제1 및 제2 버너로 공급하는 것을 특징으로 하는 메탄올 개질 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제5 열교환기에서 열교환된 메탄올을 상기 제2 열교환기로부터 배출되는 연소 가스를 이용하여 가열하는 제6 열교환기를 더 포함하고,
    상기 제6 열교환기에서 토출되는 메탄올을 상기 제1 및 제2 버너로 공급하며,
    상기 제6 열교환기로부터 배출되는 연소 가스를 상기 제2 버너로 공급하는 것을 특징으로 하는 메탄올 개질 시스템.
  12. 제1항 및 제3항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 메탄올 개질 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 해양 구조물.
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