KR102465884B1 - 암모니아 개질형 연료 전지 선박의 평형수 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 암모니아 개질형 연료 전지 선박의 평형수 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 암모니아 개질을 이용한 선박용 연료 전지 시스템은 선체에 전력을 공급하고 연료전지가 포함된 전력부; 상기 전력부에 연료를 공급하는 연료공급부;상기 연료전지에서 배출되는 청수를 공급받아 선체의 부유시 부력에 따른 균형을 조절하는 밸러스트부; 및 상기 액상암모니아 및 상기 청수의 하중값을 제공받아 선체 부력의 균형 조절을 위해 필요한 상기 청수의 배수량을 도출하여 상기 밸러스트부의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 연료공급부는 액상암모니아에서 수소 기체를 추출하여 상기 연료전지에 공급하는 것을 특징으로 한다.

Description

암모니아 개질형 연료 전지 선박의 평형수 시스템 {A BALLAST WATER SYSTEM OF MARINE FUEL CELL SHIP USING AMMONIA REFORMING}
본 발명은 암모니아 개질형 연료 전지 선박의 평형수 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기름 연료와 체적이 유사한 액상암모니아를 분해하여 수소 생산 촉매 효율을 증대시키고, 생성된 수소를 선박의 전력원인 수소연료전지에 공급하며 연료전지에서 생성된 청수를 선체의 평형수로 사용하도록 하는 암모니아 개질형 연료전지 선박의 평형수 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 선박이란 내부에 장착된 연료전지(Fuel Cell)의 전기에너지를 사용해 추진하는 선박을 의미하는 것으로, 선박 내부에 설치된 연료전지로 공급된 수소가 산소와 전기화학 반응을 일으켜 전기에너지가 생성되며, 반응 생성물로 물과 열이 발생된다.
또한, 연료 전지 선박에서는 연료인 수소(혹은 천연가스 같은 탄산수소계열), 전기를 발생시키는 연료전지 및 전기로 추진력을 만드는 전기모터, 이 세 부분의 동력 시스템을 구성한다.
또한, 현재까지 상용화된 연료 전지 선박은 많지 않으나 머지 않아 연료 전지 선박이 많이 상용화 될 것으로 예측되고 있다.
또한, 연료 전지 선박은 동력 시스템만 제외하면 일반적인 선박과 큰 차이가 없으며, 따라서, 동력 시스템은 중요한 부분으로, 이의 변동이 선박의 구조와 운항에 많은 영향을 끼칠 수 있다.
또한, 연료전지 선박은 친환경 선박으로서 차세대 수소 경제에 적합하고, 엔진의 출력을 수시로 변경하는 선박의 특성상 주로 '고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC)'가 사용된다.
상기 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)는 다른 연료전지와 비교하면 전기 부하의 변동에 따른 출력 조정이 유리해 안정적일 수 있으며, 열효율이 높아 연료 비용이 절감되어 경제적이다.
한편, 연료전지에 공급되는 수소에너지는 액화 수소로, 사용 시 지구상에서 중량 대비 에너지 밀도가 높고, 상압의 수소 가스 대비 1/770 이하의 부피로 저장 효율성을 확보하여 수소차, 무인항공기, 로켓 추진체로 사용되고 있다.
그러나, 상기 액화 수소는 LNG의 110K보다 더욱 낮은 30K의 극저온 환경을 구축하여야 하며, 수소 가스는 특히나 확산성이 높아 금속과 결합 시 수소 취화, 수소 침식 등으로 이어져 기계적 성능을 저하시킬 수 있다.
이에 따라 기술적으로 수소와 관련한 문제를 해결할 경우, 수소 연료전지 추진 선박은 향후 미래기술로 높은 가치를 지니고 있다.
그러나, 종래의 선박은 다양한 화물을 선적하는 목적으로 건조되며, 냉동이 필요한 화물을 위한 냉동 컨테이너 또는 선객의 서비스를 위한 환기시스템, 생물의 신선도를 유지하기 위한 어선의 얼음 창구(Chill bath) 등을 필요로 한다.
이러한 제반 사항을 토대로 선박의 냉동 컨테이너, 환기시스템, 얼음 창구 등은 냉기를 공급하기 위한 냉동 시스템을 구비하고 있으며, 이러한 냉동 시스템은 냉매와 공기와의 열교환에 의해 냉기 및 열기를 발생하게 된다.
선박의 냉동시스템에서 발생된 열기는 연료공급 시스템에서 액화 수소의 기화에 영향을 미쳐 연료(수소 가스)의 정량 공급 및 안정화에 악영향을 주기 때문에 열기를 안정화시키고 공기 순환을 원활하게 하기 위하여 환기 시스템(Ventilation System)이 구축될 필요가 있다.
또한, 액화 수소의 기화에 의해 발생한 수소 가스를 연료전지에 공급할 때 일정한 양의 수소 가스가 공급되어야 추진 효율을 향상시킬 수 있는데, 종래의 액화 가스를 연료로 사용하는 선박에 구성되는 연료 공급 시스템은 기체 연료의 공급량을 제어하기 위한 구성이 복잡한 문제가 있다.
따라서, 장시간 해양을 항해하는 선박의 특성을 고려하여 항해 중 연료전지에 충분한 양의 수소를 공급할 수 있으면서도 안전하게 저장이 가능하고, 종래 선박에 사용되었던 연료인 기름의 체적과 동일하게 보관 및 운반이 가능하여 액화 수소보다 작은 부피로 많은 양의 수소를 저장할 수 있고 연료전지에서 생성된 청수를 선체의 균형을 유지하는 평형수로 사용할 수 있도록 하는 암모니아 개질형 연료 전지 선박의 평형수 시스템의 개발이 요구되고 있다.
[특허문헌] KR 10-2013-0125443호 (공개일자 2013년 11월 19일)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 액상암모니아에서 수소 기체를 추출하여 전력부의 연료전지에 공급하도록 구성되고, 연료전지의 전기 화학 반응 후 생성되는 물 즉, 청수를 수집 저장하고 저장된 청수를 선박의 평형수로 사용할 수 있도록 구성됨으로써, 연료전지의 전기 화학 반응에 의한 고효율의 청정 발전을 구현할 수 있고, 수소 공급원으로 액화 수소를 사용하는 경우보다 작은 부피로 많은 수소를 저장할 수 있을 뿐 아니라 타국의 해수 유입에 따른 해양 생태계 변화 및 해양 오염 확산등의 종래의 밸러스트수에서 나타났던 문제점을 해결할 수 있도록 하는 암모니아 개질형 연료 전지 선박의 평형수 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 암모니아 개질형 연료 전지 선박의 평형수 시스템은 선체에 전력을 공급하고 연료전지가 포함된 전력부; 상기 전력부에 연료를 공급하는 연료공급부; 상기 연료전지에서 배출되는 청수를 공급받아 선체의 부유시 부력에 따른 균형을 조절하는 밸러스트부; 및 상기 액상암모니아 및 상기 청수의 하중값을 제공받아 선체 부력의 균형 조절을 위해 필요한 상기 청수의 배수량을 도출하여 상기 밸러스트부의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 연료공급부는 액상암모니아에서 수소 기체를 추출하여 상기 연료전지에 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 연료공급부는 상기 액상암모니아를 저장하는 저장탱크; 상기 액상암모니아로부터 기체 상태의 암모니아를 배출하는 상태변환기; 상기 암모니아를 분해하여 수소를 발생시키는 촉매반응기; 및 상기 수소를 상기 연료전지로 공급하는 수소공급관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 밸러스트부는 상기 청수를 공급받아 저장하는 밸러스트탱크; 상기 연료공급부에서 상기 밸러스트탱크로 청수를 이동시키는 공급관; 선체 하중 변화에 따른 선체 부력의 균형 조절을 위해 상기 청수를 외부로 배수시키는 배출관; 및 상기 배출관에 구비되는 펌프;를 포함하고, 상기 청수는 상기 밸러스트탱크에 저장되어 선체의 평형수로 사용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 제어부는 상기 액상암모니아 및 상기 청수의 하중값을 제공받아 선체 평형수의 전체 하중값을 도출하는 밸러스트측정모듈; 상기 밸러스트측정모듈에서 측정된 하중값과 기설정된 평형수의 기준 하중값을 비교 분석하는 기준값비교분석모듈; 및 상기 기준값비교분석모듈에서 측정된 선체 평형수 하중값이 기설정된 기준값을 초과하는 신호 도출시, 상기 밸러스트탱크 내의 청수를 외부로 배수하는 배수모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 밸러스트부는 해수를 공급받아 선체의 부유시 부력에 따른 균형을 추가적으로 조절하는 해수공급라인;을 포함하고, 상기 해수공급라인은 상기 액상암모니아 및 상기 청수의 하중값이 기설정된 평형수 하중값보다 작을 경우 상기 제어부의 제어에 의해 작동되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 해수공급라인은 상기 밸러스트탱크로 연결된 해수공급관; 상기 해수공급관 일측에 설치되어, 해수를 유입시키는 해수펌프; 상기 밸러스트탱크에서 외부로 배출되는 해수를 정화하는 담수플랜트; 및 상기 밸러스트탱크와 상기 담수플랜트에 연결된 청수라인;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 제어부는 상기 액상암모니아 및 상기 청수의 하중값을 제공받아 선체 평형수의 전체 하중값을 도출하는 밸러스트측정모듈; 상기 밸러스트측정모듈에서 측정된 하중값과 기설정된 평형수의 기준 하중값을 비교 분석하는 기준값비교분석모듈; 및 상기 기준값비교분석모듈에서 선체 평형수 하중값이 기설정된 기준값에 미달되는 신호 도출시 상기 해수공급라인을 구동시키는 해수공급모듈; 상기 기준값비교분석모듈에서 선체의 평형수 하중값이 기설정된 기준값을 초과하는 신호 도출시, 밸러스트탱크 내의 해수 유입 여부를 판단하는 해수유입판단모듈; 상기 해수유입판단모듈에서 밸러스트탱크로 해수가 유입되지 않음이 판단되면, 상기 배출관을 개방하는 배수모듈; 및 상기 해수유입판단모듈에서 밸러스트탱크로 해수 유입이 판단되면, 상기 청수라인을 개방하는 청수라인제어모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 상기 제어부는 상기 청수라인제어모듈에 의해 상기 밸러트스탱크의 평형수가 배출이 완료되면, 상기 밸러스트탱크 내에 잔존하는 염분이나 불순물을 제거하는 스티밍 청소 작업을 수행하는 스티밍작동모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 암모니아 개질형 연료 전지 선박의 평형수 시스템에 의하면, 연료전지의 수소 공급원으로 액상암모니아에서 추출된 수소를 사용할 수 있도록 구성됨으로써, 장시간 해양을 항해하는 선박의 특성을 고려하고 수소를 안전하게 저장할 수 있으며, 액화 수소보다 작은 부피로 많은 수소를 저장할 수 있어 항해 중 연료전지에 충분한 수소를 공급할 수 있으면서도 기름 연료와 체적이 동일하여 보관 및 운반이 용이하고 선박 운항의 효율성이 증대되는 효과가 있다.
아울러, 연료전지에서 배출되는 청수를 저장하여 선체 부유시 부력에 따른 균형 조절을 위한 밸러스트부를 구비함으로써, 해수를 이용하여 선체의 균형을 조절하였던 종래의 밸러스트부에서 나타났던 타국 해수 유입에 따른 해양 생태계 변화 및 해양 오염 확산등의 문제점을 해결할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 암모니아 개질형 연료 전지 선박의 평형수 시스템의 전반적인 구성을 나타내는 제1구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 암모니아 개질형 연료 전지 선박의 평형수 시스템의 전반적인 구성을 나타내는 제2구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료공급부의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4(a)는 본 발명에 따른 밸러스트부의 사용상태 중 선박의 출항 전 상태를 나타내는 제1상태도이다.
도 4(b)는 본 발명에 따른 밸러스트부의 사용상태 중 선박 항해 중 상태를 나타내는 제2상태도이다.
도 4(c)는 본 발명에 따른 밸러스트부의 사용상태 중 화물이 선박에 적재된 상태를 나타내는 제3상태도이다.
도 5는 본 발명에 따른 해수공급라인의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 제어부의 구성을 나타내는 제1블록도이다.
도 7은 본 발명에 따른 제어부의 구성을 나타내는 제2블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 암모니아 개질형 연료 전지 선박의 평형수 시스템의 전반적인 구성을 나타내는 제1구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 암모니아 개질형 연료 전지 선박의 평형수 시스템의 전반적인 구성을 나타내는 제2구성도이다.
본 발명에 따른 암모니아 개질형 연료 전지 선박의 평형수 시스템(1)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 전력부(100), 연료공급부(200), 밸러스트부(300) 및 제어부(400)를 포함할 수 있다.
상기 전력부(100)는 선체(30)에 전력을 공급하고 연료전지(미도시)가 포함되어 구성될 수 있다.
따라서, 상기 전력부(100)는 수소를 이용하여 전력을 생산하는 연료전지로 구성된 것으로, 이러한 연료전지는 한정된 공간에 많은 에너지원을 저장해야 하는 선박의 전력원으로써 적절한 대안일 수 있으며, CO₂의 배출이 전혀 없어 해양 환경 규제 시행에 따른 친환경 선박으로서의 조건에 충족될 수 있다.
또한, 상기 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생산하는 일종의 발전 시스템으로, 수소와 산화제 중의 산소를 전기 화학 반응에 의해서 직접 전기에너지로 변환시키는 전력 발전 기술일 수 있다.
따라서, 상기 연료전지는 상기 연료공급부에서 수소 기체를 제공받아 전력을 생산하며, 이러한 과정에서 물(청수)이 배출될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 연료공급부의 구성을 나타내는 블록도이다.
본 발명에 따른 상기 연료공급부(200)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 전력부(100)에 연료를 공급하도록 구비된다.
구체적으로, 상기 연료공급부(200)는 선체(30)의 내부에 구비되어 상기 전력부(100)로 연료를 공급하는 역할을 수행하는 것으로, 액체 연료에서 수소를 생산하여 전력부(100)에 공급할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 연료공급부(200)는 저장된 액체 연료 즉, 액상암모니아(10)를 기화하여 기체의 암모니아를 생성하고, 생성된 기체 암모니아를 촉매 반응시켜 수소와 질소로 분해시켜 상기 연료전지에 공급해야 할 수소 기체를 생산하게 된다.
또한, 상기 액상암모니아(10)는 종래 연료전지의 수소 공급원으로 사용되는 액화 수소와 차별화되는 장점을 갖는다.
액화 수소의 경우 수소를 액화하려면 -253℃ 이하로 냉각해야 하고, 별도의 운송차량과 저장탱크를 갖춰야 하며, 액화유지 온도가 너무 낮아 저장용 탱크 안에서 기화가 발생하게 되며 이 경우 탱크 내부의 압력이 상승하게 되어 기화된 기체를 빼주는 작업을 수행해야 하는데, 이 과정에서 저장된 기체의 손실이 발생하게 된다.
또한, 상기 액상암모니아(10)는 액화 수소보다 수소의 저장농도가 커 1㎥당 120kg의 수소를 저장할 수 있고, 자연 발화 온도가 651℃로 높아 화재 위험성이 낮은 장점이 있다.
또한, 암모니아는 끓는점이 -33℃인 성질을 갖는 물질로, 액상암모니아 제조를 위해 액화 수소보다 비교적 높은 온도인 -40℃에서 상태 변화시킬 수 있고 액체 상태를 유지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 암모니아는 겨울 조건에서 얼지 않으며, 특히 200℃ 미만의 작동 온도(도시 주행)에서, 환원제로서 더 효과적이다.
요소 침착이나 오염 및 요소의 암모니아로의 불충분한 분해와 같은, 그러한 온도에서의 요소 주입과 연계된 어려움 없이 암모니아를 직접 주입할 수 있다.
또한, 암모니아는 주입 시 동일 수준의 가압을 요구하지 않으며, 암모니아의 직접 주입은 요소 주입과 연계된 더 긴 혼합 채널 또는 더 고도의 난류에 대한 필요성을 배제한다.
따라서, 암모니아는 -33℃의 기화점을 갖고 암모니아를 생성하기 위해 요소를 분해할 필요가 없기 때문에, 본 발명의 시스템은 추운 환경에서 보다 효율적으로 작동하고 가열을 덜 요구할 수 있다.
따라서, 상기 연료공급부(200)는 액상암모니아(10)를 저장하는 저장탱크(210), 상기 액상암모니아(10)로부터 기체 상태의 암모니아를 배출하는 상태변환기(220), 상기 암모니아를 분해하여 수소를 발생시키는 촉매반응기(230) 및 상기 수소를 상기 연료전지로 공급하는 수소공급관(240)을 포함할 수 있다.
상기 상태변환기(220)는 끓는점 이하의 저온 상태인 저장탱크(210)에 보관된 액상암모니아(10)의 온도를 높여 줌으로써, 기체의 암모니아가 상태 변화하여 생성될 수 있도록 구비된다.
본 발명에 따른 암모니아 개질형 연료 전지 선박의 평형수 시스템(1)은 암모니아를 수소 및 질소로 접촉 분해하도록 구성된 촉매반응기(230)와 조합될 수 있다.
또한, 생성된 수소는 유리하게는 연료전지 내로 주입될 수 있으며, 여기서 특정 접촉(catalytic) 공정 및 촉매 재생 공정에서 환원제로서 적합하게 기능할 수 있다.
또한, 접촉 공정에는 CO, HC 또는 NOx 오염 물질의 산화가 포함될 수도 있다.
또한, 상기 촉매 반응기(230)는, 촉매 반응기(230)의 내측 표면일 수 있는 촉매 반응기(230)에 포함된 하나 이상의 내측 표면 상에 배치되거나 촉매 반응기(230)의 반응기 부피 내에 존재하는 고 표면적 지지체 상에 배치된 암모니아 분해 촉매를 함유할 수 있다.
또한, 상기 촉매 반응기(230)는 수소 분리막(231)을 포함할 수 있으며, 이 수소 분리막(231)은, 막의 외측 표면 상에 배치된 암모니아 분해 촉매를 포함하는 촉매 코팅조성물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 수소 분리막(231)은 암모니아가 분해 촉매를 함유하는 외측 표면과 접촉할 수 있도록 구성된다.
또한, 상기 촉매 반응기(230)는 그 내측 표면 상에 반응기(230)의 부피 내에 존재할 수 있는 고 표면적 지지체 상에 배치된 암모니아 분해 촉매를 포함할 수 있다.
또한, 상기 촉매 반응기(230)는 내연 기관으로부터 발생된 폐열을 촉매로 제공하도록 (촉매를 가열하도록) 구성된 열 교환기(미도시)를 포함할 수 있다.
또한, 암모니아 분해 촉매는 고정량의 암모니아와 공기의 연소를 통해 가열될 수 있다.
예를 들어, 상기 촉매 반응기(230)는 그의 내측 표면 상에 또는 그의 부피 내에 존재하는 고 표면적 지지체 상에 배치된 암모니아 분해 촉매를 포함하는 코팅 조성물을 함유할 수 있다.
또한, 상기 촉매 반응기(230)는 유리하게는 열 교환기(미도시)와 연계될 수 있으며, 이때, 예를 들어 열 교환기(미도시)는 내연 기관과 연계되고, 분해 촉매를 가열하기 위해 엔진으로부터 반응기로 폐열을 제공하도록 구성될 수 있다.
대안적으로, 분해 촉매는 원하는 경우 고정량의 암모니아 및 공기의 연소를 통해 가열될 수 있다.
상기 수소공급관(240)은 상기 촉매반응기(230)에서 생성된 수소 기체를 상기 전력부(100)의 연료전지로 공급하도록 구비되는 것으로, 간헐적인 요구에 따라 상기 수소를 연료전지 내로 도입하도록 구성된 체크밸브(241)를 포함할 수 있다.
도 4(a)는 본 발명에 따른 밸러스트부의 사용상태 중 선박의 출항 전 상태를 나타내는 제1상태도이고, 도 4(b)는 본 발명에 따른 밸러스트부의 사용상태 중 선박 항해 중 상태를 나타내는 제2상태도이며, 도 4(c)는 본 발명에 따른 밸러스트부의 사용상태 중 화물이 선박에 적재된 상태를 나타내는 제3상태도이다.
본 발명에 따른 상기 밸러스트부(300)는 도 4(a) 및 도 4(c)에 도시된 바와 같이 상기 전력부(100)의 연료전지에서 배출되는 물 즉 청수(20)을 공급받아 선체(30)의 부유 시 부력에 따른 균형을 조절하도록 구비된다.
이하, 연료전지에서 배출되는 물을 청수(20)로 지칭하도록 한다.
구체적으로, 상기 밸러스트부(300)는 연료전지의 전력 공급시 부산물로 생성되는 청수(20)을 유입하여 선체에 필요한 밸러스트수(20)로 사용할 수 있도록 구비되는 것으로, 상기 연료공급부(200)와 이웃하는 선체(30) 저면에 배치되도록 한다.
일반적으로, 선박은 빈 상태 또는 부분적으로 적재된 상태로 출항하기 전에 밸러스트탱크에 물을 취수하여 안정성을 유지하고, 부력을 조절하는데, 이 경우, 밸러스트탱크에 취수되는 물은 출항하는 해수를 적재하여 사용하고, 목적지에 도착한 선박에 화물을 적재할 준비가 완료되면 취수한 밸러스트수 즉, 평형수를 방출하여 선박의 균형을 조절하게 되며, 이 때, 방출되는 타국의 해수 유입으로 인한 해양 외래 침입종으로 인해 해양 생태계 변화 및 해양 오염물 확산등의 문제점이 발생한다.
따라서, 상기 밸러스트부(300)는 상기 본체부(100)의 연료전지에서 생성된 청수(20)를 공급받아 평형수로 저장하는 밸러스트탱크(310), 상기 연료공급부(200)에서 상기 밸러스트탱크(310)로 청수(20)을 이동시키는 공급관(320), 선체(30) 하중 변화에 따른 선체(30) 부력의 균형 조절을 위해 상기 평형수(20)를 외부로 배수시키는 배출관(330) 및 상기 배출관(330)에 구비되는 펌프(340)를 포함할 수 있다.
상기 밸러스트탱크(310)는 상기 저장탱크(210)와 인접한 상태의 하면에 배치되어, 선체의 밸러스트 조절시 상기 밸러스트탱크(310)에 저장된 청수(20)와 상기 저장탱크(210)에 저장된 액상암모니아(10)의 하중을 이용하여 선체의 밸러스트를 조절할 수 있도록 한다.
따라서, 본 발명에 따른 선박용 연료 전지 시스템(1)은 연료전지에 공급될 액상암모니아(10) 및 연료전지 사용시 발생되는 청수(20)를 저장하여 구성된 평형수를 이용하여 선체(30)의 균형을 조절할 수 있도록 구성됨으로써, 해수의 취수 또는 배수에 의해 작동되는 종래의 밸러스트 장치에서 나타났던 문제점을 해결할 수 있도록 한다.
따라서, 상기 밸러스트부(300)는 도시되지는 않았지만 액상암모니아(10) 및 상기 밸러스트탱크(310)에 유입된 청수(20)의 하중을 측정하는 센서(미도시)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 밸러스트부(300)는 상기 센서(미도시)에서 측정된 액상암모니아(10) 및 청수(20)의 하중값에 기초하여 배수되어야 할 청수(20)의 양을 도출해내는 제어부(400)의 제어에 의해 상기 펌프(340)가 작동되어 청수(20)가 선체(30) 외부로 방출될 수 있도록 한다.
또한, 상기 밸러스트부(300)는 선체의 평형수가 액상암모니아 및 청수만으로 부족할 경우, 부분적으로 해수를 유입시켜 선체의 밸러스트를 조절할 수 있도록 구성된 해수공급라인(350)을 더 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 해수공급라인의 구성을 나타내는 구성도이다.
본 발명에 따른 상기 해수공급라인(350)은 도 5에 도시된 바와 같이 해수를 공급받아 선체(30)의 부유시 부력에 따른 균형을 추가적으로 조절하도록 구비된다.
또한, 상기 해수공급라인(350))은 상기 액상암모니아 및 상기 청수의 하중값이 기설정된 평형수의 하중값보다 작은 경우 상기 제어부(400)의 제어에 의해 작동될 수 있도록 구성된다.
따라서, 상기 해수공급라인(350)은 상기 밸러스트탱크(310)로 연결된 해수공급관(351), 상기 해수공급관(351) 일측에 설치되어 해수를 유입시키는 해수펌프(352), 상기 밸러스트탱크(310)에서 외부로 배출되는 해수를 정화하는 담수플랜트(353) 및 상기 밸러스트탱크(310)와 상기 담수플랜트(353)에 연결된 청수라인(354)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 해수공급라인(350)은 선체(30)에 내장된 액상암모니아 및 청수의 하중만으로 부족할 경우, 선체의 밸러스트를 위해 추가적으로 밸러스트탱크(310)에 해수를 유입하기 위한 구성으로, 밸러스트탱크(310)에 해수를 유입시키는 해수공급관(351)과 해수공급관(351)에 해수를 유입시키기 위한 해수펌프(352)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 해수공급라인(350)은 선체(30)가 정박하여 화물을 적재하여 밸러스트탱크(310)에 충전된 평형수를 외부로 배출해야 할 경우, 상기 제어부(400)의 후술할 해수유입판단모듈(450) 및 청수라인제어모듈(470)의 제어에 의해 밸러스트탱크(310) 내부의 해수가 그대로 바닷물에 배출되지 않도록 해수를 정화하는 담수플랜프(353)를 포함할 수 있다.
따라서, 상기 담수플랜트(353)는 밸러스트탱크(310) 내부의 해수를 담수처리하는 구성으로, 타지역의 해수가 유입되어 해양 생물을 생태계 변화에 따른 생태계 균형을 저해하는 문제점을 해결할 수 있도록 한다.
또한, 상기 담수플랜트(353)는 해수를 정화하고 담수화하는 공지의 장치를 적용실시할 수 있도록 한다.
도 6은 본 발명에 따른 제어부의 구성을 나타내는 제1블록도이고, 도 7은 본 발명에 따른 제어부의 구성을 나타내는 제2블록도이다.
본 발명에 따른 상기 제어부(400)는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 상기 액상암모니아(10) 및 상기 청수(20)의 하중값을 제공받아 선체(30) 부력의 균형 조절을 위해 상기 청수(20)의 배수량을 도출하여 상기 밸러스트부(300)의 작동을 제어하도록 구비된다.
또한, 상기 제어부(400)는 상기 액상암모니아(10) 및 상기 청수(20)가 선체(30)의 균형을 조절하는 평형수로 작용하도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부(400)는 상기 액상암모니아(10) 및 상기 청수(20)의 하중값 신호를 전송받고, 선박의 항해 중 화물을 적재하게 되어 선체(30)의 균형을 위해 청수(20)의 배수가 필요한 시점에 배수를 위한 배출관(330)의 펌프(340)를 구동시켜 청수(20)가 배수될 수 있도록 한다.
한편, 상기 제어부(400)는 연료전지에서 배출된 물 즉, 청수(20)만으로 선체(30)의 균형을 조절할 수도 있다.
또한, 상기 제어부(400)는 선체의 균형을 위한 평형수로 사용되는 본 발명의 액상암모니아 및 청수(20) 만으로는 선체의 안정적인 균형이 어려운 경우 예를 들면, 선체의 규모가 크거나 형체의 특성에 따라 더 많은 평형수가 필요한 경우에는 상기 밸러스트탱크(310)에 추가적으로 해수를 유입시켜 액상암모니아, 청수 및 해수가 평형수로 구성될 수 있도록 제어할 수 있다.
따라서, 상기 제어부(400)는 밸러스트측정모듈(410), 기준값비교분석모듈(420), 배수모듈(430), 해수공급모듈(440), 해수유입판단모듈(450), 청수라인제어모듈(460) 및 스티밍작동모듈(470)을 포함할 수 있다.
상기 밸러스트측정모듈(410)은 선체의 평형수로 사용되는 상기 액상암모니아 및 청수의 하중값을 제공받아 선체 평형수의 전체 하중값을 도출하는 모듈일 수 있다.
상기 기준값비교분석모듈(420)은 상기 밸러스트측정모듈(410)에서 측정된 하중값과 기설정된 평형수의 기준 하중값을 비교 분석하는 모듈일 수 있다.
따라서, 상기 기준값비교분석모듈(420)은 상기 밸러스트측정모듈(410)에서 도출한 하중값을 비교하여 선체의 평형수 하중값이 기설정된 기준값을 초과하는 것으로 판단되면 상기 배수모듈(430)에 신호를 전송하게 된다.
상기 배수모듈(430)은 상기 기준값비교분석모듈(420)에서 측정된 선체 평형수 하중값이 기설정된 기준값을 초과하는 신호 도출시, 상기 밸러스트탱크(310) 내의 청수를 외부로 배수하도록 상기 펌프(340)의 작동을 제어하는 모듈일 수 있다.
이는, 이론상으로 1리터의 액상암모니아를 이용하여 연료전지 사용시 1.8리터의 청수가 발생하는 점을 고려한 것으로, 초과되는 청수 생성시 선체의 균형 변화를 대비하기 위한 모듈일 수 있다.
상기 해수공급모듈(440)은 상기 기준값비교분석모듈(420)에서 측정된 하중값이 기설정된 기준값에 미달되는 신호가 도출될 때, 상기 해수공급라인(440)을 구동시키는 모듈일 수 있다.
구체적으로, 상기 해수공급모듈(440)은 액상암모니아 및 청수만으로 평형수의 하중값이 부족한 경우, 액상암모니아 및 청수에 추가적으로 해수를 유입시켜 선체의 평형수를 구성하도록 제어하는 모듈일 수 있다.
상기 해수유입판단모듈(450)은 상기 기준값비교분석모듈(420)에서 선체의 평헝수 하중값이 기설정된 기준값을 초과하는 신호 도출시, 밸러스트탱크(310) 내의 해수 유입 여부를 판단하는 모듈일 수 있다.
이는, 상기 기준값비교분석모듈(420)에서 선체의 평헝수 하중값이 기설정된 기준값을 초과하는 신호가 도출되어 평형수를 외부로 배수하는 과정 전에 밸러스트탱크(310)에 충전된 평형수가 청수만으로 구성되었는지, 청수에 해수가 추가적으로 구성되었는지는 판단하여, 상황에 적합한 후속 과정이 이루어질 수 있도록 판단하는 과정일 수 있다.
따라서, 상기 해수유입판단모듈(450)은 충전된 평형수가 청수만으로 구성될 경우, 도출된 신호를 상기 배수모듈(430)로 전송하고, 충전된 평형수가 청수에 해수가 추가적으로 구성된 경우에는 도출된 신호를 청수라인제어모듈(460)로 전송될 수 있도록 한다.
상기 청수라인제어모듈(460)은 상기 해수유입판단모듈(450)에서 밸러스트탱크(310)로 해수 유입이 판단되면, 상기 청수라인(354)을 개방하는 모듈일 수 있다.
따라서, 상기 청수라인제어모듈(460)은 평형수에 포함된 해수가 상기 담수플랜트(353)를 거쳐 담수화 과정 수행 후 외부로 배출될 수 있도록 한다.
상기 스티밍작동모듈(470)은 상기 청수라인제어모듈(460)에 의해 상기 밸러스트탱크(310)의 평형수가 배출이 완료되면, 상기 밸러스트탱크(310) 내에 잔존하는 염분이나 불순물을 제어하는 스티밍 청소 작업이 수행되는 모듈일 수 있다.
이는, 해수가 유입되었던 밸러스트탱크(310) 내에 해수에 의해 잔존하게 되는 염분이나 불순불들을 완전하게 제거한 후 연료전지에서 배출된 청수가 담길 수 있도록 하여, 이 후 밸러스트탱크(310)에 채워지는 청수는 배출시 담수화과정을 거치지 않은 상태로 안전하게 배출될 수 있도록 하는 과정일 수 있다.
따라서, 상기 밸러스트탱크(310)에는 도시되지는 않았지만 스티밍 청소 장치(미도시)가 구비될 수 있다.
또한, 상기 스티밍 청소 장치(미도시)는 공지의 것을 제한없이 적용실시할 수 있도록 한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 암모니아 개질형 연료 전지 선박의 평형수 시스템에 의하면, 연료전지의 수소 공급원으로 액상암모니아에서 추출된 수소를 사용할 수 있도록 구성됨으로써, 장시간 해양을 항해하는 선박의 특성을 고려하고 수소를 안전하게 저장할 수 있으며, 액화 수소보다 작은 부피로 많은 수소를 저장할 수 있어 항해 중 연료전지에 충분한 수소를 공급할 수 있으면서도 기름 연료와 체적이 동일하여 보관 및 운반이 용이하고 선박 운항의 효율성이 증대되는 효과가 있다.
아울러, 연료전지에서 배출되는 물을 저장하여 선체 부유시 부력에 따른 균형 조절을 위한 밸러스트부를 구비함으로써, 해수를 이용하여 선체의 균형을 조절하였던 종래의 밸러스트부에서 나타났던 타국의 해수 유입에 따른 해양 생태계 변화 및 해양 오염 확산등의 문제점을 해결할 수 있는 효과가 있다.
이에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
1 : 암모니아 개질형 연료 전지 선박의 평형수 시스템
10 : 액상암모니아 20 : 청수
30 : 선체 100 : 전력부
200 : 연료공급부 210 : 저장탱크
220 : 상태 변환기 230 : 촉매 반응기
231 : 수소 분리막 240 : 수소 공급관
241 : 체크 밸브 300 : 밸러스트부
310 : 밸러스트탱크 320 : 공급관
330 : 배출관 340 : 펌프
350 : 해수공급라인 351 : 해수공급관
352 : 해수펌프 353 : 담수플랜트
354 : 청수라인 400 : 제어부
410 : 밸러스트측정모듈 420 : 기준값비교분석모듈
430 : 배수모듈 440 : 해수공급모듈
450 : 해수유입판단모듈 460 : 청수라인제어모듈
470 : 스티밍작동모듈

Claims (8)

  1. 선체에 전력을 공급하고 연료전지가 포함된 전력부;
    상기 전력부에 연료를 공급하는 연료공급부;
    상기 연료전지에서 배출되는 청수를 공급받아 선체의 부유시 부력에 따른 균형을 조절하는 밸러스트부; 및
    액상암모니아 및 상기 청수의 하중값을 제공받아 선체 부력의 균형 조절을 위해 필요한 상기 청수의 배수량을 도출하여 상기 밸러스트부의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 연료공급부는,
    액상암모니아에서 수소 기체를 추출하여 상기 연료전지에 공급하며,
    상기 밸러스트부는,
    상기 청수를 공급받아 저장하는 밸러스트탱크;
    상기 연료공급부에서 상기 밸러스트탱크로 청수를 이동시키는 공급관;
    선체 하중 변화에 따른 선체 부력의 균형 조절을 위해 상기 청수를 외부로 배수시키는 배출관; 및
    상기 배출관에 구비되는 펌프;를 포함하고,
    상기 청수는,
    상기 밸러스트탱크에 저장되어 선체의 평형수로 사용되며,
    상기 밸러스트부는,
    해수를 공급받아 선체의 부유시 부력에 따른 균형을 추가적으로 조절하는 해수공급라인;을 포함하고,
    상기 해수공급라인은,
    상기 액상암모니아 및 상기 청수의 하중값이 기설정된 평형수 하중값보다 작을 경우 상기 제어부의 제어에 의해 작동되며,
    상기 해수공급라인은,
    상기 밸러스트탱크로 연결된 해수공급관;
    상기 해수공급관 일측에 설치되어, 해수를 유입시키는 해수펌프;
    상기 밸러스트탱크에서 외부로 배출되는 해수를 정화하는 담수플랜트; 및
    상기 밸러스트탱크와 상기 담수플랜트에 연결된 청수라인;을 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 액상암모니아 및 상기 청수의 하중값을 제공받아 선체 평형수의 전체 하중값을 도출하는 밸러스트측정모듈;
    상기 밸러스트측정모듈에서 측정된 하중값과 기설정된 평형수의 기준 하중값을 비교 분석하는 기준값비교분석모듈; 및
    상기 기준값비교분석모듈에서 선체 평형수 하중값이 기설정된 기준값에 미달되는 신호 도출시 상기 해수공급라인을 구동시키는 해수공급모듈;
    상기 기준값비교분석모듈에서 선체의 평형수 하중값이 기설정된 기준값을 초과하는 신호 도출시, 밸러스트탱크 내의 해수 유입 여부를 판단하는 해수유입판단모듈;
    상기 해수유입판단모듈에서 밸러스트탱크로 해수가 유입되지 않음이 판단되면, 상기 배출관을 개방하는 배수모듈; 및
    상기 해수유입판단모듈에서 밸러스트탱크로 해수 유입이 판단되면, 상기 청수라인을 개방하는 청수라인제어모듈;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아 개질형 연료 전지 선박의 평형수 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료공급부는,
    상기 액상암모니아를 저장하는 저장탱크;
    상기 액상암모니아로부터 기체 상태의 암모니아를 배출하는 상태변환기;
    상기 암모니아를 분해하여 수소를 발생시키는 촉매반응기; 및
    상기 수소를 상기 연료전지로 공급하는 수소공급관;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아 개질형 연료 전지 선박의 평형수 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 청수라인제어모듈에 의해 상기 밸러스트탱크의 평형수가 배출이 완료되면, 상기 밸러스트탱크 내에 잔존하는 염분이나 불순물을 제거하는 스티밍 청소 작업을 수행하는 스티밍작동모듈;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아 개질형 연료 전지 선박의 평형수 시스템.
KR1020210031473A 2021-03-10 2021-03-10 암모니아 개질형 연료 전지 선박의 평형수 시스템 KR102465884B1 (ko)

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