KR102283365B1

KR102283365B1 - 연료전지 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물

Info

Publication number: KR102283365B1
Application number: KR1020190131772A
Authority: KR
Inventors: 윤병영; 이정일; 김대희; 조웅래; 이현섭
Original assignee: 한국조선해양 주식회사
Priority date: 2019-07-11
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2021-07-29
Also published as: KR102219136B1; KR20210007792A; KR102283358B1; KR102283350B1; KR20210007790A; KR20210007791A; KR20210007789A; KR102283345B1; KR20210007793A

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템 및 이를 갖는 해양구조물에 관한 것으로서, 상기 연료전지 시스템은 LOHC를 수소 공급원으로 이용하며, LOHC를 공급받아 탈수소화 반응을 수행하는 탈수소 반응기; 및 상기 탈수소 반응기로부터 수소를 공급받아 전력을 생산하여 해양 구조물의 수요처로 공급하는 연료전지를 포함하며, 상기 탈수소 반응기는, 상기 연료전지로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 LOHC의 탈수소화 반응을 수행하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물{Fuel cell system and marine structure having the same}

본 발명은 연료전지 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물에 관한 것이다.

해양 구조물의 발전, 추진 등 동력이나 전력을 공급하기 위한 시스템에 있어서, 기존 연료 대비 환경 오염을 저감하기 위해 연료전지의 도입이 연구되어 적용되고 있는 추세이다.

따라서, 해양 구조물은 연료전지에 공급하기 위한 수소를 저장하는 수단을 구비해야 하는데, 종래에는 수소 가스를 고압 기체 상태로 저장하거나, 액화시켜 저장하였다. 수소 가스를 고압 기체 상태로 저장하는 경우, 수소 가스의 폭발 위험이 있고, 초고압 저장을 하여야 하므로 대용량으로 저장하여 운송하는 것에는 한계가 있었다. 또한, 수소 가스를 액화시켜 저장하는 경우에는 저장 및 운송 중에 BOG가 발생하게 되므로, BOG의 처리를 위해서는 초저온 저장 탱크가 필요하다는 문제점이 있었다.

LOHC(liquid organic hydrogen carrier)는 수소 가스를 저장할 수 있는 유기 화합물을 포괄하여 지칭한다. LOHC는 불포화 상태에서는 수소화 반응을 통해 수소를 결합하여 안정한 상태로 유지하다가, 탈수소화 반응을 통해 수소 가스를 배출하고 다시 불포화상태로 돌아갈 수 있다. 즉, LOHC를 이용한 수소화, 탈수소화 반응은 가역적으로 일어날 수 있으며, 해양 구조물에서는 LOHC를 수소화하여 저장하였다가, 연료전지로 공급하기전에 탈수소화 반응을 통해 수소 가스를 생산하고, 이를 분리하여 공급하는 것일 수 있다. LOHC는 상온, 상압에서 저장 및 운송이 가능하다는 점에서 기존의 수소 가스 저장 방법 대비 월등한 이점을 가지나, 탈수소화 반응은 흡열 반응으로써 많은 에너지가 필요하고 이에따른 비용이 소모된다는 단점이 있다. 따라서, 해양구조물의 연료전지를 위한 수소 가스 공급원으로써 LOHC를 적용하기 위해, LOHC의 보다 효율적인 탈수소 공정 개발이 요구되는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료전지 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 시스템은 LOHC를 수소 공급원으로 이용하는 시스템으로서, LOHC를 공급받아 탈수소화 반응을 수행하는 탈수소 반응기; 및 상기 탈수소 반응기로부터 수소를 공급받아 전력을 생산하여 해양 구조물의 수요처로 공급하는 연료전지를 포함하며, 상기 탈수소 반응기는, 상기 연료전지로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 LOHC의 탈수소화 반응을 수행하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 시스템은, 천연가스 공급부를 더 포함하고, 상기 연료전지는, 수소 및 천연가스를 공급받아 전력을 생산할 수 있다.

구체적으로, 상기 연료전지 내에서 천연가스의 적어도 일부가 개질되며, 상기 개질은 흡열 반응으로서, 상기 연료전지가 수소를 이용하여 전력을 생산할 때 발생하는 열을 이용할 수 있다.

구체적으로, 상기 시스템은, 상기 탈수소 반응기로부터 상기 연료전지로 공급되는 수소의 유량, 상기 연료전지의 온도 및 상기 수요처의 전력 필요량 중 어느 하나 이상에 따라 상기 천연가스 공급부의 천연가스 공급량을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 시스템은, 암모니아 공급부를 더 포함하고, 상기 연료전지는, 수소 및 암모니아를 공급받아 전력을 생산할 수 있다.

구체적으로, 상기 암모니아는, 상기 연료전지로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 기화되어 상기 연료전지에 공급될 수 있다.

구체적으로, 상기 연료전지 내에서 암모니아의 적어도 일부가 개질되며, 상기 개질은 흡열 반응으로서, 상기 연료전지가 수소를 이용하여 전력을 생산할 때 발생하는 열을 이용할 수 있다.

구체적으로, 상기 LOHC는, 시클로헥산, 메틸시클로헥산, 테트라린, 페닐시클로헥산, 4-아미노피페린, 카바졸, 퍼하이드로-디벤젤톨루엔, 데칼린, 포름산, 암모니아보레인, 나프탈렌, 아세톤, N-에틸카바졸 및 2-N-메틸벤질 피리딘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.

구체적으로, 상기 연료전지는, 배기가스의 온도가 600 내지 1000℃인 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따른 해양 구조물은 상기 일 측면에 따른 연료전지 시스템을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은 종래 연료 대비 탄소 배출량을 저감하거나, 탄소를 배출하지 않을 수 있어 친환경적이다.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은 수소 공급원으로 LOHC를 이용하여, 상온 및 상압 조건에서 안정적인 저장 및 운송이 가능하다.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료전지에서 발생하는 폐열을 재활용할 수 있어 친환경적이다.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료전지로 공급되는 수소의 유량, 상기 연료전지의 온도 및 해양 구조물 내 수요처의 전력 필요량 중 어느 하나 이상을 고려하여 상기 연료전지에 부족한 연료의 양만큼 천연가스 또는 암모니아를 공급하도록 하여 최적의 연료전지 운용을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 내에서 천연가스의 적어도 일부가 흡열 반응을 통해 개질되므로, 수소의 전기화학반응으로 인해 발생하는 열을 이용할 수 있어서 연료전지를 별도로 냉각할 필요가 없게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 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, 저압, 고온, 저온, 고부하 및 저부하는 상대적인 것으로서, 절대적인 수치를 나타내는 것은 아님을 알려둔다.

이하에서는 본 발명의 연료전지 시스템에 대해 설명하며, 본 발명은 연료전지 시스템과 이를 포함하는 해양 구조물을 포함하는 것이다. 본 발명에 있어서 연료전지는 천연가스, 석탄가스, 메탄올과 같은 탄화수소 계열의 물질 등에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학 반응에 의해서 직접 전기에너지로 변환시키는 고효율의 청정발전 시스템을 의미한다. 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 분류될 수 있지만, 본 발명에서 사용되는 연료전지는 600 내지 1000℃의 고온 조건에서 발전하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 사용되는 연료전지는 600 내지 1000℃의 고온의 배기가스를 배출하는 것일 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 연료전지는 고체산화물(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) 연료전지 또는 용융탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)일 수 있으나, 바람직하게는 고체산화물 연료전지일 수 있다.

이하에서, 리치 LOHC는 수소가 풍부하거나 포화상태인 LOHC를 의미할 수 있으며, 린 LOHC는 상기 리치 LOHC가 탈수소화 반응을 거쳐 수소가 결핍하거나 없는 상태인 LOHC를 의미할 수 있다. 즉, 이하에서 LOHC는 탈수소화 및 수소화 반응을 통해 가역적으로 수소를 포함하거나 포함하지 않을 수 있는 유기 화합물로서 상기 두 가지 상태를 포괄하는 표현임을 알려둔다.

상기 해양 구조물은 화물을 운반하는 선박, 상선, 해양에서 천연 가스를 생산할 수 있는 선박, 가스 플랫폼과 해양 부유물을 모두 포괄하는 표현임을 알려둔다. 또한, 본 발명의 연료전지 시스템은 육상 플랜트에도 적용될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

이하에서는 도 1 내지 3을 참조하여 본 발명의 연료전지 시스템을 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에 관한 도면이다.

본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지(100) 및 탈수소 반응기(121) 등을 포함한다. 물론 본 실시예는 연료전지의 구동 및 상기 연료전지로부터 생산되는 전력을 저장, 공급하는데에 필요하다면 공지된 여러 구성들을 더 부가할 수 있다.

연료전지(100)는 연료로서 수소와 공기 중의 산소를 전기화학 반응시켜 전력을 생산할 수 있다.

이때, 상기 연료로서의 수소는 수소를 포함하는 다양한 화합물로부터 물리적 또는 화학적 반응을 통해 분리되어 상기 연료전지(100)의 연료로 사용되는 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 수소는 수소를 포함하는 다양한 화합물로부터 화학적 반응을 통해 분리되는 것일 수 있다. 상기 화학적 반응은 수소를 포함하는 화합물을 개질하거나 열분해하여 상기 화합물로부터 수소를 분리해내는 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 화합물은 LOHC(Liquid Organic Hydrogen Carrier)일 수 있다. 상기 LOHC로는, 예를 들어, 시클로헥산, 메틸시클로헥산, 테트라린, 페닐시클로헥산, 4-아미노피페린, 카바졸, 퍼하이드로-디벤젤톨루엔, 데칼린, 포름산, 암모니아보레인, 나프탈렌, 아세톤, N-에틸카바졸 및 2-N-메틸벤질 피리딘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 상기 LOHC는 메틸시클로헥산일 수 있다.

보다 구체적으로, LOHC가 메틸시클로헥산인 경우, 메틸시클로헥산은 수소가 풍부한 LOHC로 지칭될 수 있다. 본 실시예에 따른 연료전지 시스템을 갖는 해양 구조물은 메틸시클로헥산을 저장탱크에 저장하고 다니다가 전력 생산에 필요한 만큼의 메틸시클로헥산을 탈수소화할 수 있다. 메틸시클로헥산을 탈수소화하는 경우 3개의 수소 분자와 톨루엔이 생성되며, 생성된 수소는 연료전지에 공급하여 전기화학반응을 통해 전력을 생산하고, 톨루엔은 수소가 결핍한 LOHC가 되어 별도의 LOHC 저장부(E)에 저장할 수 있다. 수소가 결핍한 린 LOHC는 LOHC 저장부(E)에 저장하였다가, 하역하여 수소화 반응을 통해 수소가 풍부한 LOHC로 전환할 수 있으며, 이를 다시 탈수소화 반응에 활용할 수 있다. 즉, LOHC는 가역적인 탈수소화 반응 및 수소화 반응을 통해 전력 생산에 이용할 수 있음과 동시에 용이한 저장 및 운반을 제공할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 연료전지(100)는 수소와 함께 천연가스, 암모니아 또는 이들의 조합을 공급받아 전기화학 반응을 통해 전력을 생산하는 것일 수 있다. 천연가스와 암모니아는 산소와 함께 전기화학 반응을 통해 전력 생산에 이용될 수 있다. 또는, 상기 천연가스 또는 암모니아는 상기 연료전지(100) 내부에서 적어도 일부가 스팀과 만나 개질되어 수소 가스를 생성할 수 있다. 이때 상기 스팀은 연료전지(100)에서 수소의 전기화학 반응으로 생성되는 것일 수 있다. 또는, 상기 스팀은 후술할 스팀 공급부(N)에서 공급되는 것을 이용할 수 있다. 이러한 개질 반응은 흡열 반응으로서, 상기와 같은 수소의 전기화학 반응으로 인해 전력이 생산될 때 발생하는 열을 이용할 수 있다. 이러한 경우, 연료전지(100)에서 수소의 전기화학 반응으로 인해 연료전지(100)가 과도하게 가열되는 것을 방지할 수 있게 되어 연료전지(100)를 별도로 냉각할 필요가 없게 된다.

이하에서, 연료전지(100)가 암모니아를 이용하여 전력을 생산하는 경우, 암모니아는 스팀과 만나 반응하여 수소 가스를 생성할 수 있다. 본 발명에서 상기와 같은 반응은 암모니아의 개질 또는 열분해로 지칭할 수 있다.

연료전지(100)는 후술할 암모니아 공급부(A), 천연가스 공급부(B), 압축공기 공급부(C), LOHC 공급부(D) 중 어느 하나 이상과 연결되어 연료전지의 전기화학 반응에 필요한 물질을 공급받을 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 연료전지(100)는 600 내지 1000℃에서 구동하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 연료전지(100)는 내부의 전기화학반응이 완결되어 배출되는 배기가스의 온도가 600 내지 1000℃인 것일 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 연료전지는 배기가스의 온도가 600 내지 800℃인 것일 수 있다.

연료전지(100)는 연료전지 배기가스 라인(L113)을 통해 전기화학 반응의 결과로 생성되는 배기가스를 배출할 수 있다.

연료전지 배기가스 라인(L113)은 후술할 탈수소 반응기(121)에 상기 배기가스의 폐열을 전달할 수 있다. 추가적으로, 상기 연료전지 배기가스 라인(L113)은 후술할 LOHC 예열기(120) 및 암모니아 기화기(111)에도 상기 배기가스의 폐열을 전달할 수 있다.

탈수소 반응기(121)는 LOHC 공급부(D)로부터 LOHC를 공급받아 LOHC의 탈수소화 반응을 수행하기 위한 장소를 제공할 수 있다. LOHC의 탈수소화 반응은 흡열반응이므로, 탈수소 반응기(121)는 상기 LOHC의 탈수소화 반응에 충분한 열원을 공급하는 것일 수 있다.

본 실시예에 따른 탈수소 반응기(121)는 상기 연료전지(100)로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 LOHC의 탈수소화 반응을 수행할 수 있다. 구체적으로, 탈수소 반응기(121)는 상기 연료전지(100)로부터 배출되는 600 내지 1000℃의 배기가스를 폐열을 이용하여 LOHC의 탈수소화 반응을 수행할 수 있다.

탈수소 반응기(121)가 상기 연료전지(100)의 배기가스 폐열을 이용하고 별도의 열원을 공급받지 않는다면, 상기 탈수소 반응기(121)는 상기 연료전지(100)가 필요로 하는 전체 수소의 양 또는 상기 수소를 탈수소화 하는 데에 필요한 전체 에너지의 40 내지 60%를 충당할 수 있다. 나머지 40 내지 60%의 수소를 수득하기 위해서는 탈수소 반응기(121)에 추가 에너지를 공급하거나, 연료전지에 별도의 에너지 공급원을 공급해줄 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 천연가스 또는 암모니아를 추가 연료로 공급할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 암모니아 공급부(A)를 더 포함할 수 있다.

암모니아 공급부(A)는 연료전지 시스템에 대한 추가 연료로서 액상의 암모니아를 저장 및 공급하기 위한 수단이다. 따라서, 암모니아 공급부(A)는 암모니아를 액체 상태로 저장하기에 적합한 온도 및 내부 압력을 유지할 수 있다.

암모니아 공급부(A)는 암모니아 공급 라인(L110)을 통해 연료전지(100)에 암모니아를 공급할 수 있다. 이때, 상기 암모니아 공급 라인(L110) 상에는 액상의 암모니아를 펌핑하기 위한 펌프(110), 액상의 암모니아를 기화시키기 위한 암모니아 기화기(111), 연료혼합기(112) 등을 더 구비될 수 있다.

펌프(110)는 암모니아 공급부(A)로부터 액상의 암모니아를 가압하여 암모니아 공급 라인(L110)을 통해 암모니아를 유동시킨다. 상기 펌프(110)는 암모니아 공급부(A)로부터 공급되는 암모니아의 유량을 조절할 수 있으며, 후술할 제어부(102)에 의해 그 유량이 제어되는 것일 수 있다.

암모니아 기화기(111)는 액상의 암모니아를 기화시켜 기체 상태의 암모니아를 상기 암모니아 공급 라인(L110)을 통해 연료전지(100)로 공급할 수 있다. 따라서, 연료전지(100)로 공급되는 암모니아는 기체 상태로 개질되어 수소를 생성할 수 있게 된다. 암모니아 기화기(111)는 후술할 연료전지 배기가스 라인(L113)을 따라 유동하는 연료전지(100)의 배기가스의 폐열을 이용하여 액상의 암모니아를 기화시키는 것일 수 있다.

예를 들어, 암모니아 기화기(111)는 연료전지 배기가스 라인(L113) 상에 마련되는 것이고, 연료전지(100)를 기준으로 탈수소 반응기(121)와 LOHC 예열기(120)의 후단에 마련될 수 있다. 즉, 연료전지(100)의 배기가스는 탈수소 반응기(121), LOHC 예열기(120) 및 암모니아 기화기(111)에 순차적으로 폐열을 공급할 수 있다.

이러한 경우, 암모니아 기화기(111)를 거친 연료전지(100)의 배기가스는 배기가스 후처리 장치(114)에 공급되어 배기가스 중의 질소 산화물(NOx)을 제거하는 처리를 거칠 수 있다. 배기가스 후처리 장치(114)는 예를 들어, 선택적 촉매 환원 장치(SCR, Selective Catalytic Reduction)일 수 있으나, 이 기술분야에 알려진 것으로 질소 산화물의 저감에 사용될 수 있는 수단이면 한정되지 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 추가 연료로서 암모니아를 사용하는 경우 연료전지에서 질소 산화물이 생성 될 수 있다. 질소 산화물은 앞서 설명한 바와 같이 배기가스 후처리 장치(114)를 통해 저감할 수 있다.

배기가스 후처리 장치(114)를 거친 배기가스는 벤트 라인(L114)을 통해 벤트부(L)로 전달되어 벤트될 수 있다.

연료혼합기(112)는 암모니아 공급 라인(L110) 또는 천연가스 공급 라인(L111) 중 어느 하나 이상으로부터 가스를 공급받으며, 스팀 공급부(N)로부터 스팀을 공급받아 혼합시키는 수단일 수 있다.

연료혼합기(112) 내부에서 암모니아와 스팀이 혼합되어 암모니아의 개질 또는 열분해 반응이 일어날 수 있으며, 이를 통해 생산된 수소 가스가 연료전지(100)에 공급될 수 있다.

연료혼합기(112) 내부에서 천연가스가 스팀에 의해 개질될 수 있으며, 이를 통해 생산된 수소 가스가 연료전지(100)에 공급될 수 있다.

추가적으로, 연료혼합기(112)는 후술할 수소 라인(L122)로부터 수소 가스를 공급받아 암모니아, 천연가스 또는 이들의 조합과 혼합할 수 있다. 즉, 연료혼합기(112)는 수소 가스를 포함하는 가스의 혼합물을 연료전지(100)에 공급하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 천연가스 공급부(B)를 더 포함할 수 있다.

천연가스 공급부(B)는 연료전지 시스템에 대한 추가 연료로서 천연가스를 저장 및 공급하기 위한 수단이다. 예를 들어, 천연가스 공급부(B)는 종래 다양한 해양 구조물에서 추진 수단 등 수요처로 연료인 천연가스를 공급하는 연료가스 공급 시스템(FGSS)에 연결된 것일 수도 있다.

천연가스 공급부(B)는 천연가스 공급 라인(L111)을 통해 연료전지(100)에 천연가스를 공급할 수 있다. 이때, 상기 천연가스 공급 라인(L111) 상에는 천연가스의 유량을 제어하는 천연가스 제어 밸브(113), 연료혼합기(112) 등이 더 구비될 수 있다.

천연가스 제어 밸브(113)는 천연가스 공급부(B)로부터 공급되는 천연가스의 유량을 조절할 수 있으며, 후술할 제어부(102)에 의해 그 유량이 제어되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 스팀 공급부(N)를 더 포함할 수 있다.

스팀 공급부(N)는 연료전지(100) 내에서 천연가스가 개질되어 수소 가스를 생산하는 데에 필요한 물을 공급하기 위한 수단이다. 따라서, 스팀 공급부(N)는 천연가스에 스팀을 공급하기 위한 위치에 구비될 수 있다. 예를 들어, 스팀 공급부(N)는 연료혼합기(112)에 연결되어 스팀을 공급함으로써 천연가스의 원활한 개질이 가능하도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 압축공기 공급부(C)를 더 포함할 수 있다.

압축공기 공급부(C)는 수소와 전기화학 반응을 하는 데에 필요한 산소를 포함하는 공기를 압축하여, 연료전지(100)에 공급하기 위한 수단이다. 예를 들어, 압축공기는 일반 공기에 비해 더 높은 순도의 산소를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 LOHC 공급부(D)를 더 포함할 수 있다.

LOHC 공급부(D)는 수소가 풍부한 리치 LOHC를 저장 및 공급하기 위한 수단이다.

LOHC 공급부(D)는 LOHC 공급 라인(L120)을 통해 탈수소 반응기(121)에 LOHC를 공급할 수 있다. 이때, 상기 LOHC 공급 라인(L120) 상에는 LOHC를 예열하기 위한 LOHC 예열기(120)가 더 구비될 수 있다.

LOHC 예열기(120)는 수소가 풍부한 리치 LOHC를 예열하여 상기 탈수소 반응기(121)로 공급함으로써, 상기 탈수소 반응기(121)에서 탈수소 반응이 보다 원활하게 진행될 수 있도록 돕는다. 앞서 설명한 바와 같이, LOHC 예열기(120)는 연료전지 배기가스 라인(L113)을 통해 유동하는 연료전지(100) 배기가스의 폐열을 이용하여 LOHC를 예열하는 것일 수 있다.

탈수소 반응기(121)로 공급된 LOHC는 탈수소 반응이 수행되어 수소 가스와 린 LOHC의 혼합물의 형태로 배출될 수 있다. 탈수소 반응기(121)에서 배출되는 수소 가스와 린 LOHC의 혼합물은 수소 및 린 LOHC 라인(L121)을 통해 기액분리기(122)로 유입될 수 있다.

기액분리기(122)는 수소 및 린 LOHC 라인(L121)으로부터 수소 가스와 린 LOHC의 혼합물을 공급받아 기액분리할 수 있다.

분리되는 수소 가스 중 적어도 일부는 수소 가스는 수소 라인(L122)을 통해 연료혼합기(112)로 공급될 수 있다. 상기 수소 가스는 상기 연료혼합기(112)에서 암모니아, 천연가스 중 어느 하나 이상과 혼합된 상태로 연료전지(110)에 공급될 수도 있다.

추가적으로, 분리되는 수소 가스 중 적어도 일부는 수소 라인(L123)을 통해 수소 탱크(124)에 저장될 수 있다. 이때, 상기 수소 라인(L123) 상에는 수소를 압축하기 위한 압축기(135)가 더 구비될 수 있다. 따라서, 상기 수소 탱크(124)는 가압된 수소 가스를 저장하는 것일 수 있다.

이처럼, 상기 수소 탱크(124)는 LOHC의 탈수소 반응을 통해 생산되는 수소 가스 중 적어도 일부를 저장할 수 있고, 필요시에만 수소 라인(도시하지 않음)을 통해 연료전지(100)에 공급하는 것일 수 있다.

추가적으로, 수소 탱크(124)는 수소 라인(L124)을 통해 상기 기액분리기(122)로부터 상기 연료혼합기(112)로 수소를 공급하는 수소 라인(L122)에 수소를 공급할 수도 있다. 상기 수소 라인(L124)는 공급되는 수소의 유량을 조절하기 위한 수소 제어 밸브(125)를 더 구비할 수 있다. 수소 제어 밸브(125)는 후술할 제어부(102)에 의해 그 유량이 제어되는 것일 수 있다.

상기 기액분리기(122)에서 분리되는 액체 상태의 린 LOHC는 린 LOHC 라인(L125)을 통해 LOHC 저장부(E)로 전달될 수 있다. 상기 LOHC 저장부(E)는 해양 구조물에서 탈착 가능하도록 마련될 수 있으며, 이를 통해 해양 구조물로부터 쉽게 하역하도록 할 수 있다. 회수된 린 LOHC는 수소화 반응을 통해 리치 LOHC로 전환하여 다시 LOHC 공급부(D)에 저장하여 활용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 제어부(102)를 더 포함할 수 있다.

제어부(102)는 상기 탈수소 반응기(121)로부터 상기 연료전지(100)로 공급되는 수소 가스의 유량, 상기 연료전지(100)의 전기화학적 반응에 따른 연료전지(100)의 온도 및 해양 구조물의 수요처에서 요구되는 전력 필요량 중 어느 하나 이상에 따라 천연가스 공급부(B)의 천연가스 공급량, 암모니아 공급부(A)의 암모니아 공급량 또는 두 가지 모두를 제어할 수 있다.

예를 들어, 상기 탈수소 반응기(121)로부터 상기 연료전지(100)로 공급되는 수소 가스의 유량이 미리 정해진 기준보다 적거나, 생성되는 전력이 수요처에서 요구되는 전력 필요량 대비 적은 경우, 제어부(102)는 천연가스, 암모니아 또는 두 가지 모두의 공급량을 증가시킬 수 있다.

예를 들어, 상기 연료전지(100)의 온도가 미리 정해진 기준보다 높은 경우, 제어부(102)는 천연가스, 암모니아 또는 두 가지 모두의 공급량을 증가시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 제어부(102)는 암모니아 펌프(110), 천연가스 제어 밸브(113) 및 수소 제어 밸브(125)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 유량을 제어하여 연료전지 시스템의 구동을 조절할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 메인 스위치보드(SWBD)에 연결될 수 있다.

연료전지(100)는 상기 메인 스위치보드를 거쳐 해양 구조물의 다양한 수요처로 전력을 공급할 수 있다. 상기 수요처로는 호텔 로드(G), 카고 펌프(H), 밸러스트 펌프(I), 서비스 로드(J) 등 해양 구조물 내에 전력을 사용할 수 있는 다양한 수단을 포괄한다.

따라서, 메인 스위치보드는 각 수요처로 연결되는 전선과 개폐기, 과전류 보호기나 계기를 더 구비할 수 있다.

추가적으로, 상기 연료전지(100)에서 생산되는 잉여 전력을 임시로 저장할 수 있는 배터리(도시하지 않음)나 축전기(도시하지 않음)를 더 구비할 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 LOHC를 탈수소 반응시켜 수득한 수소를 연료전지(100)에 공급하여 전력을 생산하는 시스템으로서, 저장 및 취급이 어려운 수소 대신 LOHC를 이용할 수 있으며 연료전지(100)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 상기 탈수소 반응에 이용할 수 있어 친환경적이다. 또한, 탈수소를 통해 공급되는 수소가 부족한 경우, 추가 연료로 천연가스 또는 암모니아를 공급하여 충당할 수 있다. 이러한 경우, 연료전지(100)의 동일한 공간에서 천연가스 또는 암모니아의 개질반응과, 수소 가스의 전기화학반응이 동시에 일어날 수 있게 된다. 천연가스 또는 암모니아의 개질반응은 흡열반응이고, 수소 가스의 전기화학반응은 발열반응이어서, 연료전지의 구동시 별도의 냉각이 필요 없게 된다.

도 1을 계속 참조하여, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지(100), 탈수소 반응기(121) 및 전기 히터(126) 등을 포함한다. 본 실시예 또한 연료전지의 구동 및 상기 연료전지로부터 생산되는 전력을 저장, 공급하는데에 필요하다면 공지된 여러 구성들을 더 부가할 수 있다.

이하에서는 본 실시예가 앞선 실시예 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략한 부분은 앞선 내용으로 갈음한다.

탈수소 반응기(121)는 연료전지(100)로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 LOHC의 탈수소화 반응을 수행할 수 있다.

탈수소 반응기(121)가 상기 연료전지(100)의 배기가스 폐열을 이용하고 별도의 열원을 공급받지 않는다면, 상기 탈수소 반응기(121)는 상기 연료전지(100)가 필요로 하는 전체 수소의 양 또는 상기 수소를 탈수소화 하는 데에 필요한 전체 에너지의 40 내지 60%를 충당할 수 있다. 나머지 40 내지 60%의 수소를 수득하기 위해서는 탈수소 반응기(121)에 추가 에너지를 공급하거나, 연료전지에 별도의 에너지 공급원을 공급해줄 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 전기 히터(126)를 구비하여 상기 탈수소 반응기(121)에 추가 에너지를 공급할 수 있다.

전기 히터(126)는 해양 구조물에서 생산되는 전력을 공급받아 상기 탈수소 반응기(121)에 열 에너지를 공급할 수 있다.

예를 들어, 상기 전기 히터(126)는 상기 해양 구조물의 전력생산부(K)로부터 전력을 공급받을 수 있다. 바람직하게는, 상기 전기 히터(126)는 상기 해양 구조물의 잉여 전력을 공급받아 탈수소 반응기(121)에 부족한 에너지를 충당하는 것일 수 있다.

전력생산부(K)는 메인 엔진, 발전 엔진, 샤프트 발전기 등을 포괄하여 의미할 수 있다. 상기 샤프트 발전기는 엔진 등의 동력원에 연결되어 상기 동력원이 생산하는 동력의 일부를 이용하여 발전하는 동력 인출 장치 또는 파워 테이크 오프(PTO, Power Take Off)의 일종일 수 있다.

전기 히터(126)는 메인 스위치보드를 통해 해양 구조물로부터 전력을 공급받을 수 있다.

추가적으로, 상기 전기 히터(126)는 상기 전력생산부(K) 외에도 상기 연료전지(100) 또는 상기 연료전지(100)와 별도로 구비되는 연료전지로부터 전력을 공급받을 수도 있다.

제어부(102)는 상기 탈수소 반응기(121)로부터 상기 연료전지(100)로 공급되는 수소 가스의 유량, 상기 연료전지(100)의 전기화학적 반응에 따른 연료전지(100)의 온도 및 해양 구조물의 수요처에서 요구되는 전력 필요량 중 어느 하나 이상에 따라 상기 전기 히터(126)의 열 에너지 공급량을 제어할 수 있다.

예를 들어, 상기 탈수소 반응기(121)로부터 상기 연료전지(100)로 공급되는 수소 가스의 유량이 미리 정해진 기준보다 적거나, 생성되는 전력이 수요처에서 요구되는 전력 필요량 대비 적은 경우, 제어부(102)는 전기 히터(126)로 공급되는 전력을 증가시켜 전기 히터(126)의 열 에너지 공급량을 증가시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 LOHC를 탈수소 반응시켜 수득한 수소를 연료전지(100)에 공급하여 전력을 생산하는 시스템으로서, 저장 및 취급이 어려운 수소 대신 LOHC를 이용할 수 있으며 연료전지(100)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 상기 탈수소 반응에 이용할 수 있어 친환경적이다. 또한, 탈수소를 통해 공급되는 수소가 부족한 경우, 전기 히터(126)로 열 에너지를 탈수소 반응기(121)에 공급하여 수소를 충당할 수 있다. 이러한 경우, 해양 구조물의 잉여 전력을 활용할 수 있게 된다.

도 1을 계속 참조하여, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지(100), 전해셀(101) 및 탈수소 반응기(121) 등을 포함한다. 본 실시예 또한 연료전지와 전해셀의 구동 및 상기 연료전지로부터 생산되는 전력을 저장, 공급하는데에 필요하다면 공지된 여러 구성들을 더 부가할 수 있다.

전해셀(101)은 물 및 전력을 공급받아 수소 가스 및 산소 가스를 생산한다. 즉, 전해셀(101)은 공급받은 물을 전기분해하여 수소 가스와 산소 가스를 생산할 수 있다. 이때, 상기 전해셀(101)은 탈수소 반응기(121) 대비 고순도의 수소 가스를 생산하는 것일 수 있다.

이때, 물은 청수인 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. 전해셀(101)은 후술할 해수 공급부(F)로부터 공급되는 해수로부터 생성되는 스팀을 공급받아 이를 전기분해할 수 있다. 추가적으로, 전해셀(101)은 연료전지(100)의 배기가스에 포함된 스팀을 공급받아 이를 전기분해할 수 있다.

전해셀(101)은 해양 구조물에서 생산되는 전력을 공급받아 물을 전기분해할 수 있다.

예를 들어, 상기 전해셀(101)은 상기 해양 구조물의 전력생산부(K)로부터 전력을 공급받을 수 있다. 바람직하게는, 상기 전해셀(101)은 상기 해양 구조물의 잉여 전력을 공급받아 사용할 수 있다.

전해셀(101)은 메인 스위치보드를 통해 해양 구조물로부터 전력을 공급받을 수 있다.

추가적으로, 상기 전해셀(101)은 상기 전력생산부(K) 외에도 상기 연료전지(100) 또는 상기 연료전지(100)와 별도로 구비되는 연료전지로부터 전력을 공급받을 수도 있다.

전해셀(101)에서 생산되는 수소 가스 및 스팀은 수소 및 스팀 라인(L133)을 통해 수소 탱크(124)에 공급되거나, 연료전지(100)에 공급될 수 있다.

구체적으로, 수소 및 스팀 라인(L133) 상에는 기화기(133)가 구비될 수 있으며, 수소 및 스팀을 기액분리기(134)에 공급할 수 있다.

기화기(133)는 상기 수소 및 스팀 라인(L133)을 통해 공급되는 고온의 수소 가스 및 스팀을 이용하여 후술할 물 탱크(131)로부터 공급되는 물을 기화시킬 수 있다. 기화기(133)를 통해 생성된 스팀은 전해셀(101)로 공급될 수 있다.

기액분리기(134)는 수소 및 스팀 라인(L133)으로부터 수소 가스와 스팀을 공급받아 기액분리할 수 있다. 구체적으로, 상기 기액분리기(134)는 수소 가스와 스팀의 혼합물로부터 수소 가스만을 분리해내고, 스팀은 액화하여 배출할 수 있다. 분리되는 수소 가스는 수소 라인(L134)을 통해 수소 탱크(124)에 공급될 수 있다. 이때, 상기 수소 라인(L134) 상에는 수소를 압축하기 위한 압축기(135)가 더 구비될 수 있다.

기액분리기(134)에서 분리되는 물은 후술할 물 탱크(131)에 반환될 수 있다.

전해셀(101)에서 생산되는 산소 가스는 산소 라인(L132)를 통해 배출될 수 있다.

산소 라인(L132)은 탈수소 반응기(121)를 거쳐 산소 탱크(136)에 연결될 수 있다. 전해셀(101)에서 배출되는 산소 가스 또한 LOHC 대비 상대적으로 고온이기 때문에, 상기 탈수소 반응기(121)는 상기 산소 가스의 폐열을 이용하여 LOHC의 탈수소화 반응을 수행할 수 있다.

산소 탱크(136)는 산소 가스를 저장하였다가, 연료전지(100) 구동에 필요한 경우 압축공기와 혼합하여 압축공기 공급 라인(L112)을 통해 상기 연료전지(100)로 공급할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 해수 공급부(F)를 더 포함할 수 있다.

해수 공급부(F)는 해양 구조물의 외부로부터 해수를 저장하였다가 상기 시스템에 공급할 수 있다. 예를 들어, 해수 공급부(F)는 씨체스트일 수 있다.

해수 공급부(F)는 물 공급 라인(L130)을 통해 담수화부(130)에 해수를 공급할 수 있다.

담수화부(130)는 공급받은 해수를 탈염하여 담수를 생산하여 물 탱크(131)에 공급한다. 탈염을 통한 담수화는 이 기술분야에 알려진 통상의 수단으로 이루어질 수 있다.

물 탱크(131)는 상기 담수화부(130)로부터 공급되는 담수를 저장하였다가 전해셀(101)의 구동시 물을 공급할 수 있다. 물 탱크(131)는 물 공급 라인(L130)을 통해 기화기(133)로 물을 공급할 수 있다. 물 공급 라인(L130) 상에는 물의 펌핑을 위한 펌프(132)가 더 구비될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 기화기(133)로 공급된 물은 전해셀(101)로부터 배출되는 수소 및 스팀의 열로 인해 기화되어 스팀이 된다. 생성된 스팀은 스팀 라인(L131)을 통해 상기 전해셀(101)로 공급될 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 상기 전해셀(101)은 수소 가스를 생산하여 상기 연료전지(100)에 공급할 수도 있다.

이러한 경우, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 제어부(102)를 더 포함할 수 있으며, 상기 제어부(102)는 상기 탈수소 반응기(121)로부터 상기 연료전지(100)로 공급되는 수소 가스의 유량, 상기 연료전지(100)의 전기화학적 반응에 따른 연료전지(100)의 온도 및 해양 구조물의 수요처에서 요구되는 전력 필요량 중 어느 하나 이상에 따라 전해셀(101)의 수소 가스 공급량을 제어할 수 있다.

예를 들어, 상기 탈수소 반응기(121)로부터 상기 연료전지(100)로 공급되는 수소 가스의 유량이 미리 정해진 기준보다 적거나, 생성되는 전력이 수요처에서 요구되는 전력 필요량 대비 적은 경우, 제어부(102)는 전해셀(101)의 수소 가스 공급량을 증가시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 제어부(102)는 수소 제어 밸브(125)의 개도를 조절하여 수소 가스 공급량을 증가시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 LOHC를 탈수소 반응시켜 수득한 수소를 이용하여 전력을 생산하는 연료전지(100)와, 물과 전력을 이용하여 수소 및 산소를 생산하는 전해셀(101)을 포함한다. 이러한 연료전지 시스템은 연료전지(100) 및 전해셀(101)의 폐열을 이용하여 LOHC의 탈수소 반응에 이용할 수 있어 친환경적이다. 또한, 탈수소를 통해 공급되는 수소가 부족한 경우, 전해셀(101)로부터 생산되는 고순도의 수소 가스를 이용할 수 있다. 이러한 경우, 천연가스와 암모니아와 같은 추가 연료 사용량을 최소화하거나, 상기 추가 연료를 사용하지 않을 수 있게 된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에 관한 도면이다.

본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지(100) 및 암모니아 개질기(200) 등을 포함한다. 물론 본 실시예는 연료전지의 구동 및 상기 연료전지로부터 생산되는 전력을 저장, 공급하는데에 필요하다면 공지된 여러 구성들을 더 부가할 수 있다.

이때, 상기 연료로서의 수소는 수소를 포함하는 다양한 화합물로부터 물리적 또는 화학적 반응을 통해 분리되어 상기 연료전지(100)의 연료로 사용되는 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 수소는 수소를 포함하는 다양한 화합물로부터 화학적 반응을 통해 분리되는 것일 수 있다. 상기 화학적 반응은 수소를 포함하는 화합물을 개질하거나 열분해하여 상기 화합물로부터 수소를 분리해내는 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 화합물은 암모니아일 수 있다.

본 실시예에 따른 연료전지(100)는 암모니아를 개질 또는 열분해하여 얻어지는 수소 가스를 공급받아 전기화학 반응을 통해 전력을 생산하는 것일 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 연료전지(100)는 수소와 암모니아를 공급받아 전기화학 반응을 통해 전력을 생산하는 것일 수 있다. 암모니아와 산소가 전기화학 반응을 통해 전력을 생산하는 것일 수 있다. 또는, 상기 암모니아는 상기 연료전지(100) 내부에서 적어도 일부가 스팀과 개질 또는 열분해하여 수소 가스를 생성할 수 있다. 이때 상기 스팀은 연료전지(100)에서 수소의 전기화학 반응으로 생성되는 것일 수 있다. 이러한 개질 또는 열분해 반응은 흡열 반응으로서, 상기와 같은 수소의 전기화학 반응으로 인해 전력이 생산될 때 발생하는 열을 이용할 수 있다. 이러한 경우, 연료전지(100)에서 수소의 전기화학 반응으로 인해 연료전지(100)가 과도하게 가열되는 것을 방지할 수 있게 되어 연료전지(100)를 별도로 냉각할 필요가 없게 된다.

연료전지(100)는 후술할 암모니아 공급부(A)로부터 암모니아를 공급받을 수 있다.

연료전지(100)는 연료전지 배기가스 라인(L202)을 통해 전기화학 반응의 결과로 생성되는 배기가스를 배출할 수 있다.

연료전지 배기가스 라인(L202)은 후술할 암모니아 개질기(200)에 상기 배기가스의 폐열을 전달할 수 있다. 추가적으로, 상기 연료전지 배기가스 라인(L202)은 후술할 암모니아 기화기(111) 및 이코노마이저(210)에도 상기 배기가스의 폐열을 전달할 수 있다.

암모니아 공급부(A)는 암모니아 공급 라인(L110)을 통해 암모니아 기화기(111)에 액상의 암모니아를 공급할 수 있다. 이때, 상기 암모니아 공급 라인(L110) 상에는 액상의 암모니아를 펌핑하기 위한 펌프(110)가 더 구비될 수 있다.

암모니아 기화기(111)는 액상의 암모니아를 기화시켜 기체 상태의 암모니아를 상기 암모니아 공급 라인(L110)을 통해 암모니아 개질기(200)로 공급할 수 있다. 암모니아 기화기(111)는 연료전지 배기가스 라인(L202)을 따라 유동하는 연료전지(100)의 배기가스의 폐열을 이용하여 액상의 암모니아를 기화시키는 것일 수 있다.

예를 들어, 암모니아 기화기(111)는 연료전지 배기가스 라인(L202) 상에 마련되는 것이고, 연료전지(100)를 기준으로 후술할 암모니아 개질기(200)의 후단에 마련될 수 있다. 즉, 연료전지(100)의 배기가스는 암모니아 개질기(200) 및 암모니아 기화기(111)에 순차적으로 폐열을 공급할 수 있다. 추가적으로, 아모니아 기화기(111)를 거친 배기가스는 후술할 이코노마이저(210)에 폐열을 공급할 수 있다.

암모니아 개질기(200)는 암모니아 기화기(111)로부터 공급되는 기화된 암모니아의 적어도 일부를 개질 또는 열분해하기 위한 장소를 제공할 수 있다.

본 실시예에 따른 암모니아 개질기(200)는 상기 연료전지(100)로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 암모니아의 열분해 반응을 수행할 수 있다. 구체적으로, 암모니아 개질기(200)는 상기 연료전지(100)로부터 배출되는 600 내지 1000℃의 배기가스를 폐열을 이용하여 암모니아의 개질 또는 열분해를 수행할 수 있다.

암모니아 개질기(200)에 공급되는 암모니아는 전부 개질 또는 열분해되어 수소 가스와 질소 가스의 혼합물을 형성할 수 있다. 암모니아의 일부가 개질 또는 열분해되는 경우에는 수소 가스, 질소 가스 및 암모니아 가스의 혼합물이 형성된다.

가스분리기(201)는 수소 가스를 분리하여 수소 라인(L201)을 통해 연료전지(100)로 공급할 수 있다. 가스분리기(201)가 수소 가스를 분리하는 것은 PSA (Pressure Swing Adsorption), 수소 흡착 컬럼 등을 이용할 수 있으나, 이 기술분야에 알려진 것으로 수소 가스를 분리할 수 있는 수단이면 한정되지 않는다. 이러한 경우, 가스분리기(201)를 통해 수소 가스만 연료전지(100)에 공급되므로, 연료전지(100)의 전력 생산에 따라 질소 산화물이 발생하지는 않게 된다.

가스분리기(201)로부터 분리된 질소 가스는 질소 라인(L203)을 통해 후술할 이코노마이저(210)로 전달될 수 있다. 이코노마이저(210)는 상기 질소 가스의 폐열을 이용하여 스팀을 생산할 수 있다.

암모니아의 일부만 개질 또는 열분해되는 경우, 수소 가스, 질소 가스 및 암모니아 가스가 수소 및 질소 라인(L200)을 통해 가스분리기(201)로 공급될 수 있다.

또는, 시스템은 가스분리기(201)를 포함하지 않을 수 있고, 암모니아의 일부만 개질 또는 열분해됨에 따라 수소 가스, 질소 가스 및 암모니아 가스가 수소 및 질소 라인(L200)을 통해 연료전지(100)에 공급될 수 있다.

이러한 경우, 연료전지(100) 내에서 수소 가스는 전기화학 반응을 통해 전력 생산에 이용되며, 상기 전기화학 반응을 통해 생산되는 열은 암모니아 가스를 개질하는 데에 이용될 수 있다. 한편, 상기 수소 가스의 전기화학 반응을 통해 발생하는 열은 미반응 암모니아 가스가 흡수하여 암모니아의 열분해에 사용됨으로써 연료전지(100)에 대한 냉각 효과를 제공할 수 있게 된다. 이때 발생하는 질소 산화물은 배기가스 후처리 장치(도시하지 않음)에 공급되어 배기가스 중의 질소 산화물을 제거하는 처리를 거칠 수 있다.

이코노마이저(210)는 외부로부터 열을 공급받아 물로부터 스팀을 생성할 수 있다. 이코노마이저(210)는 WHRU(Waste Heat Recovery Unit)의 일종으로, 본 실시예에서는 연료전지 시스템의 폐열을 재활용할 수 있는 수단으로 이용된다.

이코노마이저(210)는 해양 구조물 내부에서 발생하는 잉여의 물을 이용할 수 있고, 해양 구조물 외부로부터 공급받거나, 해수를 담수화하여 생산한 물을 이용하여 스팀을 생산할 수 있다. 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 이코노마이저(210)에 물을 공급하기 위한 물 탱크(220)를 더 구비할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

예를 들어, 이코노마이저(210)는 상기 연료전지(100)로부터 연료전지 배기가스 라인(L202)을 통해 배기가스를 공급받고, 상기 배기가스의 폐열을 이용하여 스팀을 생산할 수 있다. 이러한 경우, 앞서 설명한 바와 같이 상기 연료전지 배기가스 라인(L202)은 암모니아 개질기(200) 또는 암모니아 개질기(200)와 암모니아 기화기(111)를 거친 후에 이코노마이저(210)에 연결되는 것일 수 있다. 스팀 생산에 이용된 배기가스는 벤트 라인(L204)를 통해 벤트부(L)로 전달되어 벤트될 수 있다. 상기 벤트 라인(L204)은 배기가스 후처리 장치(도시하지 않음)를 더 구비하여 배기가스 중의 질소 산화물을 제거한 후 배출할 수 있다. 연료전지(100)에 암모니아 가스가 공급되는 경우 연료전지에서 질소 산화물이 생성될 수 있다. 질소 산화물은 앞서 설명한 바와 같이 배기가스 후처리 장치를 통해 저감할 수 있다.

예를 들어, 이코노마이저(210)는 상기 가스분리기(201)로부터 질소 라인(L203)을 통해 질소 가스를 공급받고, 상기 질소 가스의 폐열을 이용하여 스팀을 생산할 수 있다. 스팀 생산에 이용된 질소 가스는 벤트 라인(L204)를 통해 벤트부(L)로 전달되어 벤트될 수 있다. 또는 질소 가스만을 회수하여 별도의 수요처에 공급할 수도 있다.

이코노마이저(210)에서 생산된 스팀은 스팀 라인(L205)을 통해 스팀 수요처(M)에 공급될 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 암모니아를 일부 또는 전부 개질하여 수소 가스를 생산하여 연료전지에 공급할 수 있다. 암모니아를 일부만 개질하는 경우에는 연료전지(100)의 동일한 공간에서 암모니아의 개질 또는 열분해반응과, 수소 가스의 전기화학반응이 동시에 일어날 수 있게 된다. 암모니아의 개질 또는 열분해반응은 흡열반응이고, 수소 가스의 전기화학반응은 발열반응이어서, 연료전지의 구동시 별도의 냉각이 필요 없게 된다. 암모니아를 전부 개질하는 경우에는 수소 가스만을 분리하여 연료전지(100)에 공급하여 전력을 생산할 수 있게 된다. 연료전지 시스템은 이코노마이저(210)와 같은 WHRU를 구비할 수 있고, 상기 이코노마이저(210)는 상기 연료전지(100)의 배기가스 폐열, 질소 가스의 폐열 또는 이들의 조합을 이용하여 스팀을 생산하여 수요처에 공급할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에 관한 도면이다.

본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 가역연료전지(300) 및 탈수소 반응기(121) 등을 포함한다. 물론 본 실시예는 가역연료전지의 구동 및 상기 가역연료전지로부터 생산되는 전력 및 수소 가스를 저장, 공급하는데에 필요하다면 공지된 여러 구성들을 더 부가할 수 있다.

가역연료전지(300)는 연료소서 수소와 공기 중의 산소를 전기화학 반응시켜 전력을 생산하는 연료전지 모드(FC mode)와, 물 및 전력을 공급받아 수소 가스와 산소 가스를 생산하는 전해셀 모드(EC mode)로 구동할 수 있다.

예를 들어, 가역연료전지(300)는 연료전지와 전해셀이 통합되어 구성된 것으로, 하나의 시스템을 구동 또는 역구동하도록 마련된 것일 수 있고, 전력과 수소 가스를 동시에 생산 가능하도록 마련된 것일 수도 있다.

또한, 상기 가역연료전지(300)는 상기 해양 구조물이 고부하 운전이 필요한 경우에는 연료전지 모드로 구동하고, 상기 해양 구조물이 저부하 운전이 필요한 경우에는 전해셀 모드로 구동하는 것일 수 있다.

예를 들어, 가역연료전지(300)는 해양 구조물의 정지 또는 정박시에는 해양 구조물 수요처의 요구 전력량이 감소하므로 전해셀 모드로 구동하여 수소 가스를 생산하여 저장할 수 있다. 가역연료전지(300)는 해양 구조물의 구동 또는 운항시에는 수요처의 요구 전력량이 증가함으로 연료전지 모드로 구동하여 전력을 생산하여 상기 해양 구조물의 수요처에 공급할 수 있다.

본 실시예에서 상기 가역연료전지(300)는 연료전지 모드시에 LOHC를 탈수소화시켜 수득한 수소를 공급받아 전력을 생산하는 것일 수 있다.

또한, 전해셀 모드시 공급받은 스팀과 전력생산부에서 공급받은 전력으로부터 수소와 산소를 생산하는 것일 수 있다.

연료전지와 전해셀 및 LOHC에 관련하여 전술한 실시예와 동일한 설명은 앞선 실시예의 설명으로 갈음한다.

본 실시예에 따른 탈수소 반응기(121)는 상기 가역연료전지(300)로부터 배출되는 배기가스 또는 산소 가스의 폐열을 이용하여 LOHC의 탈수소화 반응을 수행할 수 있다. 구체적으로, 탈수소 반응기(121)는 상기 가역연료전지(300)의 연료전지 모드시 연료전지 배기가스 라인(L301)을 통해 전달되는 600 내지 1000℃의 배기가스를 폐열을 이용하여 LOHC의 탈수소화 반응을 수행할 수 있다. 탈수소 반응기(121)는 상기 가역연료전지(300)의 전해셀 모드시 산소 라인(L325)을 통해 전달되는 산소 가스의 폐열을 이용하여 LOHC의 탈수소화 반응을 수행할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가역연료전지 시스템은 압축공기 공급부(C)를 더 포함할 수 있다.

압축공기 공급부(C)는 수소와 전기화학 반응을 하는 데에 필요한 산소를 포함하는 공기를 압축하여, 가역연료전지(300)에 공급하기 위한 수단이다. 예를 들어, 압축공기는 일반 공기에 비해 더 높은 순도의 산소를 포함하는 것일 수 있다.

압축공기 공급부(C)는 압축공기 공급 라인(L300)을 통해 압축공기를 상기 가역연료전지(300)에 공급할 수 있다. 상기 압축공기 공급 라인(L300) 상에는 공기 예열기(301)를 더 구비할 수 있다.

공기 예열기(301)는 연료전지 모드시 배기가스 라인(L301)을 통해 전달되는 배기가스를 폐열을 이용하여 압축공기를 예열할 수 있다. 공기 예열기(301)는 전해셀 모드시 산소 라인(L325)을 통해 전달되는 산소 가스의 폐열을 이용하여 압축공기를 예열할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가역연료전지 시스템은 LOHC 공급부(D)를 더 포함할 수 있다.

LOHC 공급부(D)는 LOHC 공급 라인(L310)을 통해 탈수소 반응기(121)에 LOHC를 공급할 수 있다. 이때, 상기 LOHC 공급 라인(L310) 상에는 LOHC를 예열하기 위한 LOHC 예열기(120)가 더 구비될 수 있다.

LOHC 예열기(120)는 수소가 풍부한 리치 LOHC를 예열하여 상기 탈수소 반응기(121)로 공급함으로써, 상기 탈수소 반응기(121)에서 탈수소 반응이 보다 원활하게 진행될 수 있도록 돕는다. LOHC 예열기(120)는 연료전지 모드시 배기가스 라인(L301)을 통해 전달되는 배기가스를 폐열을 이용하여 LOHC를 예열할 수 있다. LOHC 예열기(120)는 전해셀 모드시 산소 라인(L325)을 통해 전달되는 산소 가스의 폐열을 이용하여 LOHC를 예열할 수 있다.

이처럼, 가역연료전지(300)가 연료전지 모드일 때 배출되는 배기가스를 전달하는 연료전지 배기가스 라인(L301)은 탈수소 반응기(121), LOHC 예열기(120) 및 공기 예열기(301)에 순차적으로 폐열을 공급할 수 있다. 폐열을 공급한 배기가스는 벤트부(L)로 전달되어 벤트될 수 있다.

가역연료전지(300)가 전해셀 모드일 때 배출되는 산소 가스를 전달하는 산소 라인(L325)은 탈수소 반응기(121), LOHC 예열기(120) 및 공기 예열기(301)에 순차적으로 폐열을 공급할 수 있다. 폐열을 공급한 산소 가스는 산소 탱크(136)로 전달되어 저장될 수 있다. 산소 탱크(136)는 산소를 저장하다가 가역연료전지(300)가 연료전지 모드로 구동되는 경우에는 산소 라인(L326)을 통해 압축공기 공급 라인(L300)에 산소를 공급할 수 있다.

탈수소 반응기(121)로 공급된 LOHC는 탈수소 반응이 수행되어 수소 가스와 린 LOHC의 혼합물의 형태로 배출될 수 있다. 탈수소 반응기(121)에서 배출되는 수소 가스와 린 LOHC의 혼합물은 수소 및 린 LOHC 라인(L311)을 통해 기액분리기(122)로 유입될 수 있다.

기액분리기(122)는 수소 및 린 LOHC 라인(L311)으로부터 수소 가스와 린 LOHC의 혼합물을 공급받아 기액분리할 수 있다. 분리되는 수소 가스 중 적어도 일부는 수소 라인(L312)을 통해 가역연료전지(300)에 공급될 수 있다.

추가적으로, 분리되는 수소 가스 중 적어도 일부는 수소 라인(L313)을 통해 수소 탱크(124)에 저장될 수 있다. 이때, 상기 수소 라인(L123) 상에는 수소를 압축하기 위한 압축기(123)가 더 구비될 수 있다. 따라서, 상기 수소 탱크(124)는 가압된 수소 가스를 저장하는 것일 수 있다.

이처럼, 상기 수소 탱크(124)는 LOHC의 탈수소 반응을 통해 생산되는 수소 가스 중 적어도 일부를 저장할 수 있다. 구체적으로, 상기 수소 탱크(124)는 가역연료전지(300)가 연료전지 모드로 구동함에 따라 생산되는 잉여 전력을 저장하였다가, 상기 가역연료전지(300)가 전해셀 모드로 구동할 때 상기 가역연료전지(300)에 수소 공급 라인(L314)을 통해 수소 가스를 공급하는 것일 수 있다.

상기 기액분리기(122)에서 분리되는 액체 상태의 린 LOHC는 린 LOHC 라인(L315)을 통해 LOHC 저장부(E)로 전달될 수 있다. 상기 LOHC 저장부(E)는 해양 구조물에서 탈착 가능하도록 마련될 수 있으며, 이를 통해 해양 구조물로부터 쉽게 하역하도록 할 수 있다. 회수된 린 LOHC는 수소화 반응을 통해 리치 LOHC로 전환하여 다시 LOHC 공급부(D)에 저장하여 활용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가역연료전지 시스템은 해수 공급부(F)를 더 포함할 수 있다.

해수 공급부(F)는 물 공급 라인(L320)을 통해 담수화부(130)에 해수를 공급할 수 있다.

물 탱크(131)는 상기 담수화부(130)로부터 공급되는 담수를 저장하였다가 가역연료전지(300)의 전해셀 모드시 물을 공급할 수 있다. 물 탱크(131)는 물 공급 라인(L320)을 통해 기화기(133)로 물을 공급할 수 있다. 물 공급 라인(L320) 상에는 물의 펌핑을 위한 펌프(132)가 더 구비될 수 있다. 기화기(133)로 공급된 물은 전해셀 모드의 가역연료전지(300)로부터 배출되는 수소 및 스팀의 열로 인해 기화되어 스팀이 된다. 생성된 스팀은 스팀 라인(L321)을 통해 상기 가역연료전지(300)에 공급될 수 있다.

가역연료전지(300)의 전해셀 모드시 생성되는 수소 가스와 스팀의 혼합물은 수소 및 스팀 라인(L322)를 통해 배출될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 수소 가스와 스팀의 혼합물은 기화기(133)에서 스팀 생성에 이용된 후 기액분리기(134)에 공급될 수 있다.

기액분리기(134)는 수소 가스와 스팀의 혼합물로부터 수소 가스를 분리하여 수소 라인(L324)을 통해 수소 탱크(124)로 전달하고, 스팀은 물의 형태로 분리하여 물 리턴 라인(L323)을 통해 상기 물 탱크(131)로 리턴할 수 있다. 상기 수소 라인(L324) 상에는 수소 가스의 압축을 위한 압축기(135)가 더 구비될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가역연료전지 시스템은 메인 스위치보드(SWBD)에 연결될 수 있다.

가역연료전지(300)의 연료전지 모드 구동시 상기 가역 연료전지(300)는 상기 메인 스위치보드를 거쳐 해양 구조물의 다양한 수요처로 전력을 공급할 수 있다. 상기 수요처로는 호텔 로드(G), 카고 펌프(H), 밸러스트 펌프(I), 서비스 로드(J) 등 해양 구조물 내에 전력을 사용할 수 있는 다양한 수단을 포괄한다.

추가적으로, 상기 가역연료전지(300)에서 생산되는 잉여 전력을 임시로 저장할 수 있는 배터리(도시하지 않음)나 축전기(도시하지 않음)를 더 구비할 수 있다.

가역연료전지(300)의 전해셀 모드 구동시 상기 가역 연료전지(300)는 상기 메인 스위치보드를 통해 전력생산부(K)로부터 전력을 공급받을 수 있다. 바람직하게는, 상기 가역연료전지(300)는 상기 해양 구조물의 잉여 전력을 공급받아 전해셀 모드를 구동하는 것일 수 있다. 상기 전력생산부(K)는 메인 엔진, 발전 엔진, 샤프트 발전기 등을 포괄하여 의미할 수 있다. 상기 샤프트 발전기는 엔진 등의 동력원에 연결되어 상기 동력원이 생산하는 동력의 일부를 이용하여 발전하는 동력 인출 장치 또는 파워 테이크 오프(PTO)의 일종일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가역연료전지 시스템은 전기 히터(302)를 더 포함할 수 있다.

전기 히터(302)는 가역연료전지(300)의 구동에 필요한 열 에너지를 충당할 수 있다. 전기 히터(302)의 구동에 필요한 전력은 해양 구조물의 메인 스위치보드로부터 공급받을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가역연료전지 시스템은 제어부(303)를 더 포함할 수 있다.

제어부(303)는 상기 탈수소 반응기(121)로부터 상기 가역연료전지(300)로 공급되는 수소 가스의 유량, 상기 가역연료전지(300)의 전기화학적 반응에 따른 가역연료전지(300)의 온도 및 해양 구조물의 수요처에서 요구되는 전력 필요량 중 어느 하나 이상에 따라 상기 가역연료전지(300)의 모드 구동을 제어할 수 있다.

따라서, 제어부(303)는 가역연료전지(300)의 연료전지 모드에 따른 전력 생산량을 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 제어부(303)는 수소 탱크(124)의 수소 공급량을 조절하여 연료전지 모드에 따른 전력 생산량을 제어할 수 있다.

또한, 제어부(303)는 전기 히터(302)가 상기 가역연료전지(300)에 공급하는 열 에너지의 공급량을 제어할 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 가역연료전지 시스템은 LOHC를 탈수소 반응시켜 수득한 수소를 이용하여 전력을 생산하는 연료전지 모드와, 물 및 전기를 이용하여 수소 가스 및 산소 가스를 생산하는 전해셀 모드로 구동할 수 있는 가역연료전지(300)를 구비한다. 가역연료전지(300)를 연료전지 모드로 구동시에는 가역연료전지(300)의 배기가스 폐열을 이용하여 탈수소 반응에 이용할 수 있으며, 전해셀 모드로 구동시에는 산소 가스의 폐열을 이용하여 탈수소 반응에 이용할 수 있다는 점에서 친환경적이다. 전해셀 모드에서 생산한 수소 가스는 연료전지 모드 구동시에 사용할 수 있으며, 연료전지 모드에서 생산한 전력은 전해셀 모드 구동시에 사용할 수도 있다. 따라서, 해양 구조물의 운항, 정박 등 상황에 따른 전력 필요량에 맞추어 가역연료전지(300)의 모드 제어를 통한 최적 운용이 가능하다. 이러한 경우, 천연가스와 암모니아와 같은 추가 연료 사용량을 최소화하거나, 상기 추가 연료를 사용하지 않을 수 있게 된다.

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.

A: 암모니아 공급부 B: 천연가스 공급부
C: 압축공기 공급부 D: LOHC 공급부
E: LOHC 저장부 F: 해수 공급부
G: 호텔 로드 H: 카고 펌프
I: 밸러스트 펌프 J: 서비스 로드
K: 전력생산부 L: 벤트부
M: 스팀 수요처 N: 스팀 공급부
100: 연료전지 101: 전해셀
102: 제어부 110: 펌프
111: 암모니아 기화기 112: 연료혼합기
113: 천연가스 제어 밸브 114: 배기가스 후처리 장치
L110: 암모니아 공급 라인 L111: 천연가스 공급 라인
L112: 압축공기 공급 라인 L113: 연료전지 배기가스 라인
L114: 벤트 라인
120: LOHC 예열기 121: 탈수소 반응기
122: 기액분리기 123: 압축기
124: 수소 탱크 125: 수소 제어 밸브
126: 전기 히터
L120: LOHC 공급 라인 L121: 수소 및 린 LOHC 라인
L122, 123, 124: 수소 라인 L125: 린 LOHC 라인
130: 담수화부 131: 물 탱크
132: 펌프 133: 기화기
134: 기액분리기 135: 압축기
136: 산소 탱크
L130: 물 공급 라인 L131: 스팀 라인
L132: 산소 라인 L133: 수소 및 스팀 라인
L134: 수소 라인 L135: 물 리턴 라인
200: 암모니아 개질기 201: 가스분리기
210: 이코노마이저 220: 물 탱크
L200: 수소 및 질소 라인 L201: 수소 라인
L202: 연료전지 배기가스 라인 L203: 질소 라인
L204: 벤트 라인 L205: 스팀 라인
300: 가역연료전지 301: 공기 예열기
302: 전기 히터 303: 제어부
L300: 압축공기 공급 라인 L301: 연료전지 배기가스 라인
L310: LOHC 공급 라인 L311: 수소 및 린 LOHC 라인
L312, 313, 314: 수소 라인 L315: 린 LOHC 라인
L320: 물 공급 라인 L321: 스팀 라인
L322: 수소 및 스팀 라인 L323: 물 리턴 라인
L324: 수소 라인 L325, 326: 산소 라인

Claims

LOHC(Liquid Organic Hydrogen Carrier)를 수소 공급원으로 하는 연료전지 시스템으로서,
LOHC를 공급받아 탈수소화 반응을 수행하는 탈수소 반응기;
천연가스 공급부;
상기 탈수소 반응기로부터 공급되는 수소와 상기 천연가스 공급부로부터 공급되는 천연가스로 전력을 생산하여 해양 구조물의 수요처로 공급하는 연료전지; 및
상기 연료전지의 온도가 미리 정해진 기준보다 높으면 상기 천연가스 공급부의 천연가스 공급량을 증가시키는 제어부를 포함하며,
상기 탈수소 반응기는,
상기 연료전지로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 LOHC의 탈수소화 반응을 수행하며,
상기 연료전지 내에서 천연가스의 적어도 일부가 개질되며,
상기 개질은 흡열 반응으로서,
상기 연료전지가 수소를 이용하여 전력을 생산할 때 발생하는 열을 이용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 시스템은,
상기 탈수소 반응기로부터 상기 연료전지로 공급되는 수소의 유량 및 상기 수요처의 전력 필요량 중 어느 하나 이상에 따라 상기 천연가스 공급부의 천연가스 공급량을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서, 상기 시스템은,
암모니아 공급부를 더 포함하고,
상기 연료전지는,
수소 및 암모니아를 공급받아 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제5항에 있어서, 상기 암모니아는,
상기 연료전지로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 기화되어 상기 연료전지에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
제5항에 있어서,
상기 연료전지 내에서 암모니아의 적어도 일부가 개질되며,
상기 개질은 흡열 반응으로서,
상기 연료전지가 수소를 이용하여 전력을 생산할 때 발생하는 열을 이용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제5항에 있어서, 상기 시스템은,
상기 탈수소 반응기로부터 상기 연료전지로 공급되는 수소의 유량, 상기 연료전지의 온도 및 상기 수요처의 전력 필요량 중 어느 하나 이상에 따라 상기 암모니아 공급부의 암모니아 공급량을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서, 상기 LOHC는,
시클로헥산, 메틸시클로헥산, 테트라린, 페닐시클로헥산, 4-아미노피페린, 카바졸, 퍼하이드로-디벤젤톨루엔, 데칼린, 포름산, 암모니아보레인, 나프탈렌, 아세톤, N-에틸카바졸 및 2-N-메틸벤질 피리딘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서, 상기 연료전지는,
배기가스의 온도가 600 내지 1000℃인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항 및 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 시스템을 갖는 것을 특징으로 하는 해양 구조물.