KR102453316B1 - 연료전지 발전시스템 및 동 시스템을 구비한 선박 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 발전시스템(100)은 암모니아를 열분해하는 암모니아 개질기(320), 암모니아 개질기(320)에서 배출되는 미분해 암모니아, 수소 및 질소를 포함하는 고온의 혼합가스를 냉각시키는 냉각기(380), 냉각기(380)로부터 냉각된 혼합가스에서 미분해 암모니아를 흡착하는 암모니아 흡착기(330), 암모니아 흡착기(330)를 통해 미분해 암모니아가 흡착된 혼합가스로부터 질소를 흡착하는 질소 흡착기(340), 및 암모니아로부터 분해된 수소를 이용하여 전력을 생산하는 고분자 전해질 연료전지부(360)를 포함하고, 암모니아 흡착기(330)는 암모니아 개질기(320)에서 배출되는 고온의 혼합가스를 통해 재생되는 것을 요지로 한다.

Description

연료전지 발전시스템 및 동 시스템을 구비한 선박{FUEL CELL GENERATION SYSTEM AND VESSEL INCLUDING THE SAME}
본 발명은 연료전지 발전시스템 및 동 시스템을 구비한 선박에 관한 것으로, 상세하게는 전해질의 누출이 없고 비교적 낮은 온도에서도 작동이 가능한 고분자 전해질 연료전지부를 포함하는 연료전지 발전시스템 및 동 시스템을 구비한 선박에 관한 것이며, 보다 상세하게는 암모니아 흡착기에 흡착된 미분해 암모니아를 암모니아 개질기로부터의 고온의 혼합가스를 통해 재생시키고, 미분해 암모니아를 회수 및 재생할 수 있으며, 고분자 전해질 연료전지부에 공급되는 수소에 함유된 미분해 암모니아를 제거하여 연료전지 발전시스템을 보호할 수 있고, 가습기를 구비하여 가습된 순수 수소를 고분자 전해질 연료전지부로 공급함으로써, 고분자 전해질 연료전지의 성능저하를 방지할 수 있어 에너지 효율을 높일 수 있는 연료전지 발전시스템 및 동 시스템을 구비한 선박에 관한 것이다.
암모니아는 20℃, 0.857MPa에서 용이하게 액화하며, 액체 암모니아는 중량 수소 밀도가 17.8중량％로 매우 높고, 또한 체적 수소 밀도는 액체 수소의 1.5 내지 2.5배라고 하는 매우 우수한 수소 캐리어로 주목받고 있으며, 암모니아를 개질하여, 수소를 분리할 경우, 암모니아는 탄소중립 연료로서, 이산화탄소를 발생시키지 않는다.
한편, 최근 들어, 화석연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 연료전지 발전시스템 개발이 활발히 진행되고 있다.
연료전지는 LNG(Liquefied Natural Gas, LNG), LPG(liquefied petroleum gas, LPG), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 가솔린 등을 개질하여, 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료전지의 음극부에서는 산화제인 산소의 환원반응이 일어나며, 양극부에서는 연료인 수소의 산화반응이 일어나는데, 이러한 전기화학 반응을 통해 전기, 열, 물 등이 발생된다.
특히, 선박이나 차량 등의 적용을 위한 연료전지 발전시스템의 연료전지는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)가 가장 적합하다고 평가받고 있는데, 이는 고분자 전해질 연료전지는 고체의 고분자막을 전해질로 사용함으로써, 전해질의 누출이 없고 다른 타입에 비교하여 비교적 낮은 온도에서 작동하며, 유지 및 보수가 간편하다는 장점을 갖고 있기 때문이다.
한편, 암모니아를 활용한 수소 연료전지를 연료전지 발전시스템으로 적용할 경우, 암모니아 개질기(NH3 Reformer)가 구비되어야 한다. 이때, 암모니아 개질기로부터 생성된 혼합가스는 미분해 암모니아를 포함할 수 있는데, 이러한 미분해 암모니아는 연료전지의 열화를 야기시킬 뿐만 아니라, 연료극인 양극부의 크랙 발생 및 수명저하의 원인이 될 수 있다.
이 경우, 미분해 암모니아를 분리하여 연료전지를 보호하기 위해 암모니아 흡착기가 사용될 수 있는데, 이러한 암모니아 흡착기는 이전 공정에서 암모니아 흡착기에 기 흡착된 암모니아를 탈착함으로써 암모니아 흡착기를 재생시킬 수 있다. 일 예로, 암모니아 흡착기가 가열 교대 흡착기(Thermal Swing Adsorption; TSA)인 경우, 암모니아 흡착기에 열을 가하여 암모니아 흡착기를 재생시킬 수 있다.
그러나, 가열 교대 흡착기인 암모니아 흡착기를 재생하기 위해서는 열원을 제공할 수 있는 별도의 장비가 설치되어야 하므로, 결과적으로 비용이 증가하게 되는 문제가 있다.
한국 공개특허공보 제10-2021-0007791호 (연료전지 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물, 2021.01.20.)
발명의 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 연료전지부로서 전해질의 누출이 없고 비교적 낮은 온도에서도 작동이 가능한 고분자 전해질 연료전지부를 포함하고, 암모니아 흡착기에 흡착된 미분해 암모니아를 암모니아 개질기로부터의 고온의 혼합가스를 통해 재생시켜 미분해 암모니아를 회수 및 재생할 수 있으며, 고분자 전해질 연료전지에 공급되는 수소에 함유된 미분해 암모니아를 제거하여 연료전지 발전시스템을 보호할 수 있고, 가습기를 구비하여 가습된 순수 수소를 고분자 전해질 연료전지부로 공급함으로써, 고분자 전해질 연료전지의 성능저하를 방지할 수 있어 에너지 효율을 높일 수 있는 연료전지 발전시스템 및 동 시스템을 구비한 선박을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 발전시스템은 암모니아를 열분해하는 암모니아 개질기(320), 상기 암모니아 개질기(320)에서 배출되는 미분해 암모니아, 수소 및 질소를 포함하는 고온의 혼합가스를 냉각시키는 냉각기(380), 상기 냉각기(380)로부터 냉각된 상기 혼합가스에서 상기 미분해 암모니아를 흡착하는 암모니아 흡착기(330), 상기 암모니아 흡착기(330)를 통해 상기 미분해 암모니아가 흡착된 상기 혼합가스로부터 상기 질소를 흡착하는 질소 흡착기(340), 및 상기 암모니아로부터 분해된 상기 수소를 이용하여 전력을 생산하는 고분자 전해질 연료전지부(PEMFC)(360)를 포함하고, 상기 암모니아 흡착기(330)는 상기 암모니아 개질기(320)에서 배출되는 상기 고온의 혼합가스를 통해 재생된다.
또한, 상기 질소 흡착기(340)와 상기 고분자 전해질 연료전지부(360)의 사이에 구비되어 상기 암모니아로부터 분해된 상기 수소를 가습하는 가습기(390)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 가습기(390)는 버블러 타입 가습기, 인젝션 타입 가습기, 흡착제 타입가습기 또는 막가습기일 수 있다.
또한, 상기 암모니아 흡착기(330)는 가열 교대 흡착기로서, 서로 이격되어 위치하는 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332), 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332) 각각의 내부로 연결되는 제1 튜브관(333), 그리고 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332) 각각의 외부면과 접촉하거나 연결되어 열교환이 가능하도록 연결되는 제2 튜브관(334)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)는 상기 제1 튜브관(333)을 통해 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)의 내부로 번갈아 투입되는 상기 혼합가스에서 상기 미분해 암모니아를 흡착하고, 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)는 상기 제2 튜브관(334)을 통해 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)의 외부면과 접촉하거나 연결되어 상기 혼합가스와 번갈아 열교환되어 재생될 수 있다.
또한, 상기 제2 튜브관(334)은 상기 암모니아 개질기(320)와 연결되는 전단 제2 튜브관(3341), 그리고 상기 냉각기(380)와 연결되는 후단 제2 튜브관(3342)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 암모니아 개질기(320)에서 상기 전단 제2 튜브관(3341)을 통해 상기 암모니아 흡착기(330)로 공급되는 상기 혼합가스는 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)와 열교환하여 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)를 재생시키고 상기 후단 제2 튜브관(3342)를 통해 상기 냉각기(380)로 공급될 수 있다.
또한, 상기 후단 제2 튜브관(3342)를 통해 상기 냉각기(380)로 공급되는 상기 혼합가스는 상기 냉각기(380)에서 냉각될 수 있다.
또한, 상기 제1 튜브관(333)은 상기 냉각기(380)와 연결되는 전단 제1 튜브관(3331)을 포함하고, 상기 냉각기(380)로부터 배출되는 상기 혼합가스는 상기 전단 제1 튜브관(3331)을 통해 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332) 내부로 공급되어 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)에서 상기 미분해 암모니아가 흡착될 수 있다.
또한, 상기 제1 튜브관(333)은 상기 질소를 흡착하는 상기 질소 흡착기(340)와 연결되는 후단 제1 튜브관(3332)을 더 포함하고, 상기 혼합가스에 포함되는 상기 수소 및 상기 질소는 상기 후단 제1 튜브관(3332)를 통해 상기 질소 흡착기(340)로 공급되어 상기 질소가 흡착되어 상기 수소 및 상기 질소가 분리될 수 있다.
또한, 상기 고분자 전해질 연료전지부(360)는, 상기 질소 흡착기(340)에서 분리되어, 상기 가습기(390)에서 가습된 상기 수소가 연료로 공급될 수 있다.
또한, 상기 고분자 전해질 연료전지부(360)에서 미반응된 수소는 상기 가습기(390)로부터 가습되어 상기 고분자 전해질 연료전지부(360)로 공급되는 상기 수소와 합류될 수 있다.
또한, 상기 질소 흡착기(340)에서 흡착된 질소와 미분리된 일부 상기 수소를 연소시키는 연소기(350)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 암모니아 개질기(320) 전단에 구비되어 액체 암모니아를 저장하는 암모니아 저장 탱크(370), 그리고 상기 암모니아 저장 탱크(370)로부터의 상기 액체 암모니아를 기화시켜 상기 암모니아 개질기(320)로 공급하는 기화기(310)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 연소기(350)로부터 배출되는 고온의 연소 생성물은, 상기 암모니아 개질기(320) 및 상기 기화기(310)로 순차 공급되어 열교환될 수 있다.
또한, 상기 혼합가스는 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)와 열교환하여 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)를 재생시키고, 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)의 재생에 의해 탈착된 암모니아를 상기 암모니아 개질기(320)의 전단으로 합류시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 선박은, 전술한 연료전지 발전시스템을 구비할 수 있다.
이때, 상기 선박은 암모니아 운반선 또는 암모니아 연료 추진선일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템은 전해질의 누출이 없고 비교적 낮은 온도에서도 작동이 가능한 고분자 전해질 연료전지부를 포함하여, 선박이나 차량 등에 적합한 연료전지 발전시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템은 암모니아 흡착기를 가열 교대 흡착기(Thermal Swing Adsorption; TSA)로 적용하여, 암모니아 흡착기를 재생할 경우, 재생을 위한 열원을 암모니아 개질기로부터의 고온의 혼합가스를 사용함으로써, 전체적인 에너지 소모를 줄이고, 추가적인 열원을 제공하기 위한 장비가 필요하지 않으므로 비용을 절감할 수 있다.
또한, 암모니아가 재생 공정에서 탈착된 미분해 암모니아를 암모니아 개질기의 전단으로 투입하여 재활용함으로써, 연료전지 발전시스템의 운용비용을 절감시킬 수 있다.
또한, 고분자 전해질 연료전지부에 공급되는 수소에 함유된 미분해 암모니아를 제거하여 연료전지 발전시스템을 보호할 수 있다.
또한, 질소 흡착기로부터의 질소가 흡착된 순수 수소를 가습하여 고분자 전해질 연료전지부로 공급함으로써, 고분자 전해질 연료전지부의 성능저하를 방지하여 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템의 암모니아 흡착기의 구체적 도면이다.
도 3은 도 2의 암모니아 흡착기에서 제1 튜브가 미분해 암모니아를 흡착하고, 제2 튜브가 재생되는 상태를 설명하는 도면이다.
도 4는 도 2의 암모니아 흡착기에서 제2 튜브가 미분해 암모니아를 흡착하고, 제1 튜브가 재생되는 상태를 설명하는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템의 개략적인 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템(100)은 암모니아를 열분해하는 암모니아 개질기(320), 암모니아 개질기(320)에서 배출되는 미분해 암모니아, 수소 및 질소를 포함하는 고온의 혼합가스를 냉각시키는 냉각기(380), 냉각기(380)로부터 냉각된 혼합가스에서 미분해 암모니아를 흡착하는 암모니아 흡착기(330), 암모니아 흡착기(330)를 통해 미분해 암모니아가 흡착된 혼합가스로부터 질소를 흡착하는 질소 흡착기(340), 및 암모니아로부터 분해된 수소를 이용하여 전력을 생산하는 고분자 전해질 연료전지부(PEMFC)(360)를 포함하고, 암모니아 흡착기(330)는 암모니아 개질기(320)에서 배출되는 고온의 혼합가스를 통해 재생됨으로써, 암모니아 흡착기(330)의 재생을 위한 열원으로서 암모니아 개질기(320)로부터의 고온의 혼합가스를 사용하여, 전체적인 에너지 소모를 줄이고, 추가적인 열원을 제공하기 위한 장비가 필요하지 않으므로 비용을 절감할 수 있는 연료전지 발전시스템을 제공하는 것을 요지로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템은 선박에 설치될 수 있으며, 이때 선박은 암모니아 운반선 또는 암모니아 연료 추진선일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템(100)은 기화기(Vaporizer)(310), 암모니아 저장 탱크(370) 그리고 가습기(390)를 포함할 수 있다.
기화기(310)는 액체 상태의 암모니아(L-NH3)를 기체 상태의 암모니아(G-NH3)로 만들 수 있다. 이때, 열원으로서 후술하는 바와 같이 연소기(350)로부터 배출되는 고온의 연소 생성물을 활용할 수 있다. 이러한 기화기(310)는 쉘 앤 튜브 타입(shell and tube type)의 열교환기일 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 구조의 열교환기가 가능하다.
연료전지 발전시스템(100)은 액체 상태의 암모니아(L-NH3)를 저장하기 위한 암모니아 저장 탱크(370)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 암모니아 저장 탱크(370)는 액체 상태의 암모니아를 저장할 수 있는 탱크로서, 멤브레인형 탱크이거나 또는 독립형 탱크일 수 있으며, 독립형 탱크일 경우 IMO type A, IMO type B, 또는 IMO type C의 저장 탱크일 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 구조의 저장 탱크가 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템이 선박에 설치되는 경우, 암모니아 저장 탱크(370)는 암모니아 운반선에 구비되는 화물창 즉, 운반용 암모니아를 저장하는 저장탱크이거나, 또는 암모니아 연료 추진선에 있어 연료용 암모니아를 저장하는 연료 저장탱크일 수 있다.
또한, 도시하지 않았으나, 암모니아 저장 탱크(370) 내부에는 액체 상태의 암모니아를 공급하기 위한 공급펌프가 설치될 수 있다. 공급펌프는 액체 상태의 암모니아에 설치되는 수중 펌프(submerged pump) 또는 딥웰펌프(deep well pump)일 수 있다.
기화기(310)는 암모니아 저장 탱크(370)의 공급펌프(미도시)를 통해 액체 상태의 암모니아(L-NH3)를 공급받아, 기체 상태의 암모니아(G-NH3)로 만들 수 있다. 이때, 열원으로서 후술하는 바와 같이 연소기(350)로부터 배출되는 고온의 연소 생성물을 활용할 수 있다.
암모니아 개질기(Reformer)(320)는 기화기(310)에서 생성된 기체 상태의 암모니아(G-NH3)를 개질할 수 있다. 즉, 암모니아 개질기(320)는 기화기(310)를 통과한 기체 상태의 암모니아(G-NH3)를 고온에서 열분해(cracking reformer)를 통해 수소(H2) 및 질소(N2)로 분해할 수 있다. 이때, 분해되지 않은 미분해 암모니아(NH3)가 발생할 수 있다. 이때, 열원으로서 후술하는 바와 같이 연소기(350)로부터 배출되는 고온의 연소 생성물을 활용할 수 있다.
또한, 암모니아 개질기(320)는 저온 촉매 방식의 암모니아 분해기일 수 있다. 저온 촉매 방식의 암모니아 분해기는 저온, 예를 들면, 약 400~600℃에서 암모니아를 분해할 수 있는 암모니아 개질기로서, 주기율표 상의 제8족 금속원소, 제1B족 금속원소 등을 분해 촉매로서 포함할 수 있다. 이러한 분해 촉매는 전술한 원소에 한정되는 것은 아니며, 산화구리, 산화크롬, 산화망간, 산화철, 팔라듐 또는 백금이거나, 혹은 제올라이트에 크롬, 구리 또는 코발트를 담지한 분해 촉매가 될 수 있다.
이로 인해, 본 발명에 따른 연료전지 발전시스템은 암모니아 개질기를 저온 촉매 방식의 암모니아 분해기를 사용하여, 암모니아 개질에 사용되는 열량을 최소화시킬 수 있다.
냉각기(380)는 암모니아 흡착기(330)에서 암모니아 개질기(320)부터의 고온의 미분해 암모니아를 흡착하기 위해서 미분해 암모니아를 약 40℃ 이하, 바람직하게는 대기 온도 수준으로 냉각시킬 수 있다. 냉각기(380)의 냉각방식은 특별히 제한되지 않으나, 예를들면, 공냉식, 수냉식 또는 별도의 냉매를 사용하는 방식일 수 있다.
암모니아 흡착기(330)는 암모니아 개질기(320)에서 배출되는 미분해 암모니아(NH3)를 흡착할 수 있다. 이러한 암모니아 흡착기(330)는 온도 변동 흡착기 또는 가열 교대 흡착기(Thermal Swing Adsorption; TSA)일 수 있다. 가열 교대 흡착기는 불순물을 흡착시킨 후 포화가 되면 열을 가하여 흡착기를 재생시키는 구조를 가질 수 있다.
암모니아 흡착기(330)의 암모니아 흡착 재료로서는, 미분해 암모니아를 흡착할 수 있고 포화 상태에서는 재생이 가능한 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는, 제올라이트, 활성탄, 알루미나, 및 실리카 중 어느 하나를 포함하는 흡착 재료이거나, 이들의 복합 산화물일 수 있다.
질소 흡착기(340)는 암모니아 흡착기(330)에서 배출되는 질소를 흡착할 수 있다. 이러한 질소 흡착기(340)는 압력 변동 흡착기 또는 가압 교대 흡착기(Pressure Swing Adsorption, PSA)일 수 있다. 가압 교대 흡착기는 불순물을 흡착시킨 후 포화가 되면 압력을 감소시켜 흡착기를 재생시키는 구조를 가질 수 있다.
가습기(390)는 질소 흡착기(340)와 고분자 전해질 연료전지부(360)의 사이에 구비될 수 있으며, 질소 흡착기(340)로부터 질소가 흡착된 후의 순수 수소를 가습하여 고분자 전해질 연료전지부(360)로 공급할 수 있다.
또한, 가습기(390)의 전단에는 고분자 전해질 연료전지부(360)로 공급되는 순수 수소의 유량을 조절할 수 있는 유량조절밸브가 더 구비될 수 있다.
여기서, 가습기(390)의 타입에는 버블러(bubbler) 타입 가습기, 인젝션(injection) 타입 가습기, 흡착제 타입 가습기 또는 막가습기일 수 있다.
고분자 전해질 연료전지부(360)는 가습기(390)로부터 공급받은 가습된 순수 수소를 이용하여 전력을 생산한다. 이러한 고분자 전해질 연료전지부(360)는 고분자막을 전해질로 사용함으로써, 전해질의 누출이 없고 유지 및 보수가 간편하다는 장점을 가지고 있어 선박이나 차량 등에 적합한 연료전지 발전시스템을 구성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템의 암모니아 흡착기의 구체적 도면이고, 도 3은 도 2의 암모니아 흡착기에서 제1 튜브가 미분해 암모니아를 흡착하고, 제2 튜브가 재생되는 상태를 설명하는 도면이며, 도 4는 도 2의 암모니아 흡착기에서 제2 튜브가 미분해 암모니아를 흡착하고, 제1 튜브가 재생되는 상태를 설명하는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 암모니아 흡착기(330)는 서로 이격되어 위치하는 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332), 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332) 각각의 내부로 연결되는 제1 튜브관(333), 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332) 각각의 외부면과 접촉하거나 연결되어 열교환 공정을 진행하는 제2 튜브관(334), 제1 튜브관(333)에 설치되는 제1 밸브(335), 그리고 제2 튜브관(334)에 설치되는 제2 밸브(336)를 포함할 수 있다.
제1 튜브관(333)은 냉각기(380)와 연결되는 전단 제1 튜브관(3331), 그리고 후단의 질소 흡착기(340)와 연결되는 후단 제1 튜브관(3332)을 포함할 수 있다. 그리고, 제2 튜브관(334)은 암모니아 개질기(320)와 연결되는 전단 제2 튜브관(3341), 그리고 냉각기(380)와 연결되는 후단 제2 튜브관(3342)을 포함할 수 있다.
제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332)는 제1 튜브관(333)을 통해 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332)의 내부로 번갈아 투입되는 미분해 암모니아를 흡착할 수 있다. 또한, 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332)는 제2 튜브관(334)을 통해 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332)의 외부면과 접촉하거나 연결되어 번갈아 열교환됨으로써, 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 고온의 혼합가스에 의해 재생될 수 있다.
이에 대해 이하에서 도 3 및 도 4를 참고로 하여 상세히 설명한다.
우선, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 튜브(331)가 냉각기(380)와 연결된 전단 제1 튜브관(3331)을 통해 투입되는 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스 중에서 미분해 암모니아를 흡착하는 경우, 제2 튜브(332)는 암모니아 개질기(320)로부터 전단 제2 튜브관(3341)을 통해 흐르는 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스와 열교환되어 재생될 수 있다. 이를 통해, 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 1차 냉각된다. 제2 튜브(332)는 이전 공정에서 미분해 암모니아를 흡착하여 포화된 상태에서 전단 제2 튜브관(3341)을 통해 흐르는 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스와 열교환하여 재생될 수 있다.
한편, 미분해 암모니아가 제1 튜브(331)에 흡착되므로, 제1 튜브(331)에서는 수소 및 질소만이 배출되고, 제1 튜브(331)에서 배출된 수소 및 질소는 후단 제1 튜브관(3332)을 통해 질소 흡착기(340)로 투입될 수 있다. 그리고, 제2 튜브(332)를 재생시킨 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 후단 제2 튜브관(3342)를 통해 냉각기(380)에 투입되어 냉각될 수 있다. 이 때, 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 2차 냉각되어 대략 40도 이하, 바람직하게는 대기 온도 수준으로 될 수 있다. 따라서, 암모니아 흡착기(330)에서 미분해 암모니아를 흡착하기 용이한 상태가 된다.
다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 냉각기(380)를 통과한 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 도 3에서 재생된 제2 튜브(332)에 전단 제1 튜브관(3331)을 통해 투입되어 미분해 암모니아가 제2 튜브(332)에서 흡착될 수 있다. 미분해 암모니아가 제2 튜브(332)에 흡착되므로, 제2 튜브(332)에서는 수소 및 질소만이 배출되고, 제2 튜브(332)에서 배출된 수소 및 질소는 후단 제1 튜브관(3332)을 통해 질소 흡착기(340)로 투입될 수 있다. 이 때, 제1 튜브(331)는 암모니아 개질기(320)로부터 전단 제2 튜브관(3341)을 통해 흐르는 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스로부터 열을 공급받아(열교환)되어 재생될 수 있다. 전술한 바와 같이 이 때, 고온의 미분해 암모니아, 수소 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 1차 냉각된다. 그리고, 제1 튜브(331)를 재생시킨 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 후단 제2 튜브관(3342)를 통해 냉각기(380)에 투입되어 냉각될 수 있다. 이 때, 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 2차 냉각되어 대략 40도 이하, 바람직하게는 대기 온도 수준으로 될 수 있다. 따라서, 암모니아 흡착기(330)에서 미분해 암모니아를 흡착하기 용이한 상태가 된다.
한편, 제1 튜브(331) 또는 제2 튜브(332)에 흡착된 암모니아가 재생 공정에서 탈착되면, 제1 송풍수단(210)을 거쳐 암모니아 개질기(320)의 전단으로 투입되어 재활용될 수 있다. 이때, 제1 송풍수단(210)은 블로워일 수 있다.
전술한 암모니아 재생 공정에서 탈착된 미분해 암모니아를 암모니아 개질기(320)의 전단으로 투입하여 재활용함으로써, 연료전지 발전시스템의 운용비용을 절감시킬 수 있다.
제1 밸브(335)는 제1 튜브관(333)에 설치되어 제1 튜브관(333)을 통해 흐르는 미분해 암모니아를 포함하는 혼합가스의 양을 조절할 수 있다. 유사하게, 제2 밸브(336)는 제2 튜브관(334)에 설치되어 제2 튜브관(334)을 통해 흐르는 미분해 암모니아를 포함하는 혼합가스의 양을 조절할 수 있다.
이와 같이, 제1 튜브(331)에서 재생 공정을 진행하는 경우, 제2 튜브(332)에서 흡착 공정을 진행하고, 다시 제1 튜브(331)에서 흡착 공정을 진행하는 경우, 제2 튜브(332)에서 재생 공정을 진행함으로써, 암모니아 흡착기(330)를 효율적으로 사용할 수 있다.
본 실시예에서는 암모니아 흡착기(330)가 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332)만으로 이루어졌으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 암모니아 흡착기(330)가 3개, 4개 혹은 그 이상의 튜브로 이루어지는 것도 가능하다.
이로 인해, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템은 암모니아 흡착기를 가열 교대 흡착기(Thermal Swing Adsorption; TSA)를 적용하여, 암모니아 흡착기를 재생할 경우, 재생을 위한 열원을 암모니아 개질기로부터의 고온의 혼합가스를 사용함으로써, 전체적인 에너지 소모를 줄이고, 추가적인 열원을 제공하기 위한 장비가 필요하지 않으므로 비용을 절감할 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 후단 제1 튜브관(3332)과 연결되는 질소 흡착기(340)는 암모니아 흡착기(330)에서 배출되는 질소를 흡착할 수 있다. 이러한 질소 흡착기(340)는 압력 변동 흡착기 또는 가압 교대 흡착기(Pressure Swing Adsorption, PSA)일 수 있다. 가압 교대 흡착기는 불순물을 흡착시킨 후 포화가 되면 압력을 감소시켜 흡착기를 재생시킨다. 질소 흡착기(340)에서 분리되지 않은 일부 수소 및 질소는 연소기(350)로 공급될 수 있다.
연소기(350)는 질소 흡착기(340)의 재생과정에서 배출되는 질소 및 일부 미분리 수소를 연소시켜 고온의 연소 생성물을 암모니아 개질기(320)의 열원으로 활용하고 다시 기화기(310)로 공급함으로써 고온의 연소 생성물의 열에너지를 활용할 수 있다.
연소기(350)는 수소를 연소할 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 내부에 연소 촉매를 포함하는 연소 반응 장치이거나, 또는 직접 연소 장치 등 일 수 있다.
고분자 전해질 연료전지부(360)는 수소를 연료로 사용하는 연료전지로서, 수소 양이온을 이동시키는 고분자막을 전해질로 사용하는데, 이온 전도성을 유지하기 위하여 고분자 전해질막은 적절한 수분을 함유하고 있어야 한다.
이에 고분자 전해질 연료전지부(360)로 공급되는 수소에는 가습을 위한 가습기가 구비될 필요가 있으며, 이러한 가습기는 질소 흡착기(340)와 고분자 전해질 연료전지부(360) 사이에 구비될 수 있다.
다시 말해, 본 발명에 따른 연료전지 발전시스템은 질소 흡착기(340)에서 질소가 흡착된 순수 수소를 가습기(390)에 의해 가습하고, 고분자 전해질 연료전지부(360)에 공급하여, 전해질막의 이온 전도성을 유지함과 아울러, 고분자 전해질 연료전지부(360)의 성능 저하를 방지하여 에너지 효율을 높일 수 있다.
참고로, 고분자 전해질 연료전지부(360)는, 수소의 산화반응이 일어나는 양극부와 산소의 환원반응이 일어나는 음극부, 및 양극부에서 수소의 산화반응에 의해 생성된 전자가 음극부로 이동하도록 양극부와 음극부를 연결하는 도선을 포함할 수 있고, 양극부와 음극부 사이는 고분자 전해질로 채워져 있으며, 수소의 산화반응에 의해 생성된 수소 양이온은 고분자 전해질을 통해 음극부로 이동하게 된다. 이때, 수소의 산화를 촉진하는 산화촉매를 추가로 사용할 수도 있다.
고분자 전해질 연료전지부(360)의 형태는, 전술한 예에 한정되는 것은 아니며, 고분자 전해질 연료전지부(360)에 사용되는 각종 물질, 예를 들면 양극부 및 음극부를 구성하는 물질, 고분자 전해질 및 촉매의 종류 등은 특별히 한정되지 않는다.
또한, 고분자 전해질 연료전지부(360)에서 미반응된 일부 수소와, 전기화학적 반응의 결과물인 수증기의 일부는 제2 송풍수단(220)을 통해 고분자 전해질 연료전지부(360)로 재투입될 수 있고, 이때 제2 송풍수단(220)은 블로워일 수 있다.
한편, 고분자 전해질 연료전지부(360)의 음극부로 가압된 공기를 투입하기 위한 압축기(230)가 구비될 수 있으며, 가압된 공기를 투입받은 고분자 전해질 연료전지부(360)에서의 전기화학적 반응에 의해 고온의 배기가스가 발생하게 되고, 이러한 고온의 배기가스는 연소기(350)에 공급되어 연소기(350)에 열에너지를 공급함과 아울러, 연소될 수 있다.
이와 같이, 암모니아 저장 탱크로부터 공급되는 액체 상태의 암모니아(L-NH3)를 이용하여 수소를 생산하고, 생산된 수소로 고분자 전해질 연료전지부(360)를 통해 전력을 생산하여 각종 수요처에 사용할 수 있는 연료전지 발전시스템을 제공할 수 있으며, 전해질의 누출이 없고 비교적 낮은 온도에서도 작동이 가능한 고분자 전해질 연료전지를 채택하여 선박이나 차량 등에 적합한 연료전지 발전시스템을 구축할 수 있고, 암모니아의 개질 과정에서 발생하는 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 고온의 혼합가스를 활용하여 암모니아 흡착기를 재생하여, 전체적인 에너지 소모를 줄이고, 추가적인 열원을 제공하기 위한 장비가 필요하지 않으므로 비용을 절감할 수 있으며, 암모니아 재생 공정에서 탈착된 미분해 암모니아를 암모니아 개질기의 전단으로 투입하여 재활용함으로써, 연료전지 발전시스템의 운용비용을 절감시킬 수 있고, 질소 흡착기로부터의 질소가 흡착된 순수 수소를 가습하여 고분자 전해질 연료전지부로 공급함으로써, 고분자 전해질 연료전지부의 성능저하를 방지하여 에너지 효율을 높일 수 있으며, 연료전지에 공급되는 수소에 함유된 미분해 암모니아를 제거하여 연료전지 발전시스템을 보호할 수 있다.
이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 이어지는 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 연료전지 발전시스템 210: 제1 송풍수단
220: 제2 송풍수단 230: 압축기
310: 기화기 320: 암모니아 개질기
330: 암모니아 흡착기 340: 질소 흡착기
350: 연소기 360: 고분자 전해질 연료전지부
370: 암모니아 저장 탱크 380: 냉각기
390: 가습기

Claims (18)

  1. 암모니아를 열분해하는 암모니아 개질기(320),
    상기 암모니아 개질기(320)에서 배출되는 미분해 암모니아, 수소 및 질소를 포함하는 고온의 혼합가스를 냉각시키는 냉각기(380),
    상기 냉각기(380)로부터 냉각된 상기 혼합가스에서 상기 미분해 암모니아를 흡착하는 암모니아 흡착기(330),
    상기 암모니아 흡착기(330)를 통해 상기 미분해 암모니아가 흡착된 상기 혼합가스로부터 상기 질소를 흡착하는 질소 흡착기(340), 및
    상기 암모니아로부터 분해된 상기 수소를 이용하여 전력을 생산하는 고분자 전해질 연료전지부(PEMFC)(360)
    를 포함하고,
    상기 암모니아 흡착기(330)는 상기 암모니아 개질기(320)에서 배출되는 상기 고온의 혼합가스를 통해 재생되는, 연료전지 발전시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 질소 흡착기(340)와 상기 고분자 전해질 연료전지부(360)의 사이에 구비되어 상기 암모니아로부터 분해된 상기 수소를 가습하는 가습기(390)를 더 포함하는, 연료전지 발전시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가습기(390)는 버블러 타입 가습기, 인젝션 타입 가습기, 흡착제 타입가습기 또는 막가습기인, 연료전지 발전시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 암모니아 흡착기(330)는 가열 교대 흡착기로서,
    서로 이격되어 위치하는 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332),
    상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332) 각각의 내부로 연결되는 제1 튜브관(333), 그리고
    상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332) 각각의 외부면과 접촉하거나 연결되어 열교환이 가능하도록 연결되는 제2 튜브관(334)
    을 포함하는, 연료전지 발전시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)는 상기 제1 튜브관(333)을 통해 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)의 내부로 번갈아 투입되는 상기 혼합가스에서 상기 미분해 암모니아를 흡착하고,
    상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)는 상기 제2 튜브관(334)을 통해 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)의 외부면과 접촉하거나 연결되어 상기 혼합가스와 번갈아 열교환되어 재생되는, 연료전지 발전시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 튜브관(334)은 상기 암모니아 개질기(320)와 연결되는 전단 제2 튜브관(3341), 그리고 상기 냉각기(380)와 연결되는 후단 제2 튜브관(3342)을 포함하는, 연료전지 발전시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 암모니아 개질기(320)에서 상기 전단 제2 튜브관(3341)을 통해 상기 암모니아 흡착기(330)로 공급되는 상기 혼합가스는 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)와 열교환하여 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)를 재생시키고 상기 후단 제2 튜브관(3342)를 통해 상기 냉각기(380)로 공급되는, 연료전지 발전시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 후단 제2 튜브관(3342)를 통해 상기 냉각기(380)로 공급되는 상기 혼합가스는 상기 냉각기(380)에서 냉각되는, 연료전지 발전시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 튜브관(333)은 상기 냉각기(380)와 연결되는 전단 제1 튜브관(3331)을 포함하고,
    상기 냉각기(380)로부터 배출되는 상기 혼합가스는 상기 전단 제1 튜브관(3331)을 통해 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332) 내부로 공급되어 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)에서 상기 미분해 암모니아가 흡착되는, 연료전지 발전시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 튜브관(333)은 상기 질소를 흡착하는 상기 질소 흡착기(340)와 연결되는 후단 제1 튜브관(3332)을 더 포함하고,
    상기 혼합가스에 포함되는 상기 수소 및 상기 질소는 상기 후단 제1 튜브관(3332)를 통해 상기 질소 흡착기(340)로 공급되어 상기 질소가 흡착되어 상기 수소 및 상기 질소가 분리되는, 연료전지 발전시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 연료전지부(360)는,
    상기 질소 흡착기(340)에서 분리되어, 상기 가습기(390)에서 가습된 상기 수소가 연료로 공급되는, 연료전지 발전시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 연료전지부(360)에서 미반응된 수소는 상기 가습기(390)로부터 가습되어 상기 고분자 전해질 연료전지부(360)로 공급되는 상기 수소와 합류되는, 연료전지 발전시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 질소 흡착기(340)에서 흡착된 질소와 미분리된 일부 상기 수소를 연소시키는 연소기(350)를 더 포함하는, 연료전지 발전시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 암모니아 개질기(320) 전단에 구비되어 액체 암모니아를 저장하는 암모니아 저장 탱크(370), 그리고 상기 암모니아 저장 탱크(370)로부터의 상기 액체 암모니아를 기화시켜 상기 암모니아 개질기(320)로 공급하는 기화기(310)를 더 포함하는, 연료전지 발전시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 연소기(350)로부터 배출되는 고온의 연소 생성물은, 상기 암모니아 개질기(320) 및 상기 기화기(310)로 순차 공급되어 열교환되는, 연료전지 발전시스템.
  16. 제 7 항에 있어서,
    상기 혼합가스는 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)와 열교환하여 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)를 재생시키고,
    상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)의 재생에 의해 탈착된 암모니아를 상기 암모니아 개질기(320)의 전단으로 합류시키는, 연료전지 발전시스템.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 발전시스템을 구비한 선박.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 선박은 암모니아 운반선 또는 암모니아 연료 추진선인, 선박.
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JP2019053855A (ja) * 2017-09-13 2019-04-04 株式会社豊田自動織機 燃料電池システム
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KR20210010030A (ko) * 2019-07-19 2021-01-27 대우조선해양 주식회사 암모니아의 탈수소화반응을 이용한 수중운동체의 연료전지 수소 공급 시스템 및 이를 포함하는 수중운동체

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