KR102520201B1 - 연료전지 발전시스템 및 동 시스템을 구비한 선박 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 연료전지 발전시스템은 기체 암모니아를 분해하여 수소를 생산하는 수소 생산 유니트(100); 상기 수소 생산 유니트에서 생산한 수소를 이용하여 전력을 생산하는 수소 연료전지 유니트(200); 그리고 상기 수소 생산 유니트에서 발생하는 제1 배기 가스(EG1)를 이용하여 추가 전력을 생산하는 추가 발전 유니트(300)를 포함하고, 상기 추가 발전 유니트(300)는 상기 제1 배기 가스(EG1)를 팽창시키는 터보 팽창기(330), 그리고 상기 터보 팽창기(330)에서 팽창된 상기 제1 배기 가스(EG1)를 이용하여 전력을 생산하는 발전기(340)를 포함한다.
Description
본 발명은 연료전지 발전시스템 및 동 시스템을 구비한 선박에 관한 것으로, 보다 상세하게는 암모니아를 이용하면서 전체적인 에너지 소모를 줄이고 효율을 극대화한 연료전지 발전시스템 및 동 시스템을 구비한 선박에 관한 것이다.
대기로 방출되는 이산화탄소(CO2)가 지구 온난화의 핵심으로 지목됨에 따라, 연소 시 이산화탄소를 배출하는 탄화수소 중심의 화석 연료를 대체하기 위해 수소를 연료로 하는 광범위한 수소 경제 사이클, 즉 수소의 생산, 수송, 및 연소의 여러 가지 방안들이 모색되고 있다.
공업적으로 수소는 수증기 천연 가스의 개질(Steam Methane Reformer, SMR)이나 메탄올의 개질을 이용하여 주로 생산되나, 탄소를 포함한 원료의 특성상 공정 과정에서 필연적으로 이산화탄소를 방출한다. 물의 전기분해로 수소를 생산하는 경우에 이산화탄소는 발생하지 않으나 상기한 방법 대비 제조 원가가 높아 소규모로 사용된다. 수소는 원소 중 분자량이 가장 작아 단위부피당 중량이 적고 비등점이 -259.2℃로 매우 낮아서, 액화, 저장 및 수송에 많은 기술 및 상업적 어려움이 있다. 즉, 해상을 통한 대규모 수송에 수소의 액화가 필수적이고, 액체 수소의 증발 가스(Boil-off gas, BOG)의 응축의 난이도가 높으며, 통상 700bar로 압축한 저장 용기로 육상 운송을 진행하고 있어, 단위 중량당 수송 비용이 증가하여 수소 경제의 활성화가 용이하지 않다.
따라서, 운용이 용이한 암모니아를 분해하여 수소를 생산하고, 생산된 수소를 이용하여 전력을 생산하는 연료전지 발전시스템이 개발되고 있다.
이러한 연료전지 발전시스템에서는 고온의 배기 가스가 발생하며, 이를 외부로 방출하므로 전체적인 에너지 소모가 증가하는 문제가 있다.
본 발명의 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 암모니아를 이용하면서 전체적인 에너지 소모를 줄이고 효율을 극대화한 연료전지 발전시스템 및 동 시스템을 구비한 선박을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 발전시스템은 기체 암모니아를 분해하여 수소를 생산하는 수소 생산 유니트(100), 상기 수소 생산 유니트에서 생산한 수소를 이용하여 전력을 생산하는 수소 연료전지 유니트(200), 그리고 상기 수소 생산 유니트에서 발생하는 제1 배기 가스(EG1)를 이용하여 추가 전력을 생산하는 추가 발전 유니트(300)를 포함하고, 상기 추가 발전 유니트(300)는, 상기 제1 배기 가스(EG1)를 팽창시키는 터보 팽창기(330), 그리고 상기 터보 팽창기(330)에서 팽창된 상기 제1 배기 가스(EG1)를 이용하여 전력을 생산하는 발전기(340)를 포함한다.
또한, 상기 수소 생산 유니트(100)는 상기 기체 암모니아를 열분해하는 암모니아 개질기(110), 상기 암모니아 개질기(110)에서 배출되는 미분해 암모니아, 수소 및 질소를 포함하는 고온의 혼합가스를 냉각시키는 제1 열교환기(130), 상기 제1 열교환기(130)로부터 냉각된 상기 혼합가스에서 상기 미분해 암모니아를 흡착하는 암모니아 흡착기(120), 상기 암모니아 흡착기(120)를 통해 상기 미분해 암모니아가 흡착된 상기 혼합가스로부터 상기 질소를 흡착하는 질소 흡착기(140)를 포함하고, 상기 암모니아 흡착기(120)는 상기 암모니아 개질기(110)에서 배출되는 상기 고온의 혼합가스를 통해 재생될 수 있다.
또한, 상기 질소 흡착기(140)에서 흡착된 질소와 미분리된 일부 상기 수소를 연소시켜 상기 제1 배기 가스(EG1)를 생성하는 연소기(180)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 수소 연료전지 유니트(200)는, 상기 질소 흡착기(140)에서 분리된 상기 수소를 이용하여 전력을 생산하는 연료전지부(210)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 추가 발전 유니트(300)는, 공기를 가압하는 압축기(310), 그리고 상기 압축기(310)에서 공급되는 가압된 상기 공기와 상기 연소기(180)에서 발생하는 상기 제1 배기 가스(EG1)를 열교환시켜 상기 연료전지부(210)에 고온 및 고압의 공기를 공급하는 제2 열교환기(320)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 연료전지부(210)에서 발생하는 제2 배기 가스(EG2)는 상기 연소기(180)에 공급될 수 있다.
또한, 상기 수소 생산 유니트(100)는, 액체 상태의 암모니아를 저장하는 암모니아 저장 탱크(160), 그리고 상기 액체 상태의 암모니아를 기화시켜 상기 암모니아 개질기(110)로 공급하는 기화기(150)를 더 포함하고, 상기 터보 팽창기(330)를 통과한 상기 제1 배기 가스(EG1)는 상기 암모니아 개질기(110) 및 상기 기화기(150)로 순차 공급되어 열교환될 수 있다.
또한, 상기 수소 생산 유니트(100)는 상기 암모니아 흡착기(120)의 재생과정에서 탈착된 암모니아를 상기 암모니아 개질기(110)의 전단으로 합류시킬 수 있다.
또한, 상기 수소 연료전지 유니트(200)는 상기 연료전지부(210)에서 미반응된 수소를 상기 질소 흡착기(140)로부터 분리되어 상기 연료전지부(210)로 공급되는 상기 수소와 합류시킬 수 있다.
또한, 상기 암모니아 흡착기(120)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(110)와 연결되는 전단 제2 튜브관(3341), 그리고 상기 제1 열교환기(130)와 연결되는 후단 제2 튜브관(3342)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 암모니아 개질기(110)에서 상기 전단 제2 튜브관(3341)을 통해 상기 암모니아 흡착기(120)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 제1 열교환기(130)로 공급될 수 있다.
또한, 상기 후단 제2 튜브관(3342)를 통해 상기 제1 열교환기(130)로 공급되는 상기 혼합가스는 상기 제1 열교환기(130)에서 냉각될 수 있다.
또한, 상기 제1 튜브관(333)은 상기 제1 열교환기(130)와 연결되는 전단 제1 튜브관(3331)을 포함하고, 상기 제1 열교환기(130)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(140)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(140)로 공급되어 상기 질소가 흡착되어 상기 수소 및 상기 질소가 분리될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 선박은, 전술한 연료전지 발전시스템을 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템은 암모니아에서 수소를 생산하는 수소 생산 유니트에서 발생하는 고온의 제1 배기 가스를 이용하여 추가 전력을 생산함으로써, 친환경적이며 경제적이다.
또한, 추가 발전 유니트의 제2 열교환기는 연소기에서 발생되는 고온의 배기 가스와 압축기에서 공급되는 고압의 공기를 열교환시켜 연료전지부의 음극부에 고온 및 고압의 공기를 공급함으로써, 연료전지부의 음극부에서 산소의 환원 반응이 원활하게 이루어지게 하여 연료전지부의 전력 생산 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템의 구체적인 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.
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 구체적인 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템은 액체 상태의 액체 암모니아(L-NH3)를 분해하여 수소를 생산하는 수소 생산 유니트(100), 수소 생산 유니트(100)에서 생산한 수소를 이용하여 전력을 생산하는 수소 연료전지 유니트(200), 그리고 수소 연료전지 유니트(200)에서 발생하는 배기 가스를 이용하여 추가 전력을 생산하는 추가 발전 유니트(300)를 포함하여, 암모니아를 이용하면서 전체적인 에너지 소모를 줄이고 효율을 극대화한 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.
수소 생산 유니트(100)는 기화기(Vaporizer)(150), 암모니아 개질기(110), 암모니아 흡착기(120), 제1 열교환기(130), 질소 흡착기(140), 연소기(Combustor) (180), 그리고 암모니아 저장 탱크(160)를 포함할 수 있다.
기화기(150)는 액체 상태의 암모니아(L-NH3)를 기화시켜 기체 상태의 기체 암모니아(G-NH3)로 만들 수 있다. 이때, 열원으로서 후술하는 바와 같이 연소기(180)로부터 배출되는 고온의 제1 배기 가스(EG1)를 활용할 수 있다.
이러한 기화기(150)는 쉘 앤 튜브 타입(shell and tube type)의 열교환기일 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 구조의 열교환기가 가능하다.
암모니아 개질기(Reformer)(110)는 기화기(150)에서 생성된 기체 암모니아(G-NH3)를 개질할 수 있다. 즉, 암모니아 개질기(110)는 기화기(150)를 통과한 기체 암모니아(G-NH3)를 열분해(cracking reformer)를 통해 수소(H2) 및 질소(N2)로 분해할 수 있다. 이 때, 분해되지 않은 미분해 암모니아(NH3)가 발생할 수 있다. 이때, 열원으로서 후술하는 바와 같이 연소기(180)로부터 배출되는 고온의 제1 배기 가스(EG1)를 활용할 수 있다.
또한, 암모니아 개질기(110)는 보다 낮은 온도에서 암모니아 개질을 할 수 있도록, 암모니아 분해 촉매를 포함할 수 있다. 암모니아 분해 촉매로서는, 암모니아 분해 반응에 촉매활성을 갖는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 비금속계 변이 금속, 희토류계 물질, 귀금속계 물질를 조성으로서 포함하는 촉매를 들 수 있으며, 전술한 촉매들은 높은 비표면적을 갖는 담체에 담지해서 이용할 수 있다.
구체적으로는, 저온 촉매 방식의 암모니아 개질기(분해기)는 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.
암모니아 개질기(110)를 저온 촉매 방식의 암모니아 개질기를 사용하여, 암모니아 개질에 사용되는 열량을 최소화시킬 수 있다.
암모니아 흡착기(120)는 암모니아 개질기(110)에서 배출되는 미분해 암모니아, 수소 및 질소를 포함하는 혼합가스에서 미분해 암모니아(NH3)를 흡착할 수 있다.
즉, 암모니아 흡착기(120)는 암모니아 개질기(110)에서 배출되는 미분해 암모니아(NH3)를 흡착할 수 있다. 이러한 암모니아 흡착기(120)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(120)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.
한편, 암모니아 흡착기(120)에서 미분해 암모니아(NH3)를 흡착하기 위해서는 미분해 암모니아를 냉각시켜야 한다. 제1 열교환기(130)는 미분해 암모니아, 수소 및 질소를 포함하는 혼합가스를 냉각시켜 암모니아 흡착기(120)에서 미분해 암모니아(NH3)를 흡착하기 용이한 상태로 만들 수 있다.
제1 열교환기(130)는 암모니아 흡착기(120)에서 암모니아 개질기(110)부터의 고온의 미분해 암모니아를 흡착하기 위해서 미분해 암모니아를 약 40℃ 이하, 바람직하게는 대기 온도 수준으로 냉각시킬 수 있다. 제1 열교환기(130)의 냉각방식은 특별히 제한되지 않으나, 예를들면, 공냉식, 수냉식 또는 별도의 냉매를 사용하는 방식일 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(120)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 제1 열교환기(130)와 연결되는 전단 제1 튜브관(3331), 그리고 후단의 질소 흡착기(140)와 연결되는 후단 제1 튜브관(3332)을 포함할 수 있다. 그리고, 제2 튜브관(334)은 암모니아 개질기(110)와 연결되는 전단 제2 튜브관(3341), 그리고 제1 열교환기(130)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 홉합가스에 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 제1 열교환기(130)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(110)으로부터 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(140)로 투입될 수 있다. 그리고, 제2 튜브(332)를 재생시킨 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 후단 제2 튜브관(3342)를 통해 제1 열교환기(130)에 투입되어 냉각될 수 있다. 이때, 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 2차 냉각되어 대략 40도 이하, 바람직하게는 대기 온도 수준으로 될 수 있다. 따라서, 암모니아 흡착기(120)에서 미분해 암모니아(NH3)를 흡착하기 용이한 상태가 된다.
다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 열교환기(130)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(140)로 투입될 수 있다. 이 때, 제1 튜브(331)는 암모니아 개질기(110)으로부터 전단 제2 튜브관(3341)을 통해 흐르는 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스로부터 열을 공급받아(열교환되어) 재생될 수 있다. 이 때, 전술한 바와 같이, 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 제1 열교환기(130)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(120)에서 미분해 암모니아(NH3)를 흡착하기 용이한 상태가 된다.
한편, 제1 튜브(331) 또는 제2 튜브(332)에 흡착된 미분해 암모니아(NH3)가 재생 공정에서 탈착되면, 도 1에 도시된 바와 같이, 미분해 암모니아는 제1 송풍 수단(170)을 거쳐 암모니아 개질기(110)의 전단으로 투입되어 재활용될 수 있다. 이 때, 제1 송풍 수단(170)은 블로워일 수 있다.
전술한 암모니아가 재생 공정에서 탈착된 미분해 암모니아를 암모니아 개질기(110)의 전단으로 투입하여 재활용함으로써, 운용 비용을 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(120)를 효율적으로 사용할 수 있다.
본 실시예에서는 암모니아 흡착기(120)가 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332)만으로 이루어졌으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 암모니아 흡착기(120)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)와 연결되는 질소 흡착기(140)는 암모니아 흡착기(120)에서 배출되는 질소를 흡착할 수 있다. 이러한 질소 흡착기(140)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(140)에서 분리되지 않은 일부 수소 및 질소는 연소기(180)로 공급될 수 있다.
연소기(180)는 질소 흡착기(140)의 재생과정에서 배출되는 질소 및 일부 미분리 수소를 연소시켜 고온의 연소 생성물인 제1 배기 가스(EG1)를 생성할 수 있다. 이러한 고온의 제1 배기 가스(EG1)의 폐열은 추가 발전 유니트(300)에서 추가 전력을 발생시키고, 암모니아 개질기(110)의 열원으로 활용하며, 다시 기화기(150)로 공급함으로써, 고온의 제1 배기 가스(EG1)의 열에너지를 활용할 수 있다.
연소기(180)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.
한편, 암모니아 저장 탱크(160)는 액체 상태의 액체 암모니아(L-NH3)를 저장하며, 기화기(150)에 액체 상태의 액체 암모니아를 공급할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템이 선박에 설치되는 경우, 암모니아 저장 탱크(160)는 암모니아 운반선에 구비되는 화물창 즉, 운반용 암모니아를 저장하는 저장탱크이거나, 또는 암모니아 연료 추진선에 있어 연료용 암모니아를 저장하는 연료 저장탱크일 수 있다.
또한, 암모니아 저장탱크(160)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.
또한, 도시하지 않았으나, 암모니아 저장탱크(160) 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.
한편, 수소 연료전지 유니트(200)는 연료전지부(210), 그리고 제2 송풍 수단(220)을 포함할 수 있다.
연료전지부(210)는 수소를 연료로 사용하는 연료전지로서 특별히 형태에 대해서 제한되지 않으나, 바람직하게는 고온형 연료전지인 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC) 또는 고온 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)일 수 있다. 연료전지는 연료 기체가 가진 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸는 에너지 변환 전지를 말한다. 연료전지부(210)는 질소 흡착기(140)에서 분리된 수소를 공급받아 전력을 생산할 수 있다.
연료전지부(210)는, 수소의 산화반응이 일어나는 양극부(211)와 산소의 환원반응이 일어나는 음극부(212), 및 양극부(211)에서 수소의 산화반응에 의해 생성된 전자가 음극부(212)로 이동하도록 양극부(211)와 음극부(212)를 연결하는 도선을 포함할 수 있다. 양극부(211)로는 수소 생산 유니트(100)에서 생산된 고순도의 수소가 연료로서 공급되고, 음극부(212)로는 산소를 포함하는 공기가 공급될 수 있다.
이 때, 양극부(211)와 음극부(212) 사이는 전해질(213)로 채워져 있으며, 양극부(211)에서 수소의 산화반응에 의해 생성된 수소 양이온은 전해질(213)을 통해 음극부(212)로 이동하게 된다. 이때, 수소의 산화를 촉진하는 산화촉매를 추가로 사용할 수도 있다.
한편, 연료전지부(210)에서의 전기화학적 반응에 의해 고온의 제2 배기 가스(EG2)가 발생하게 되며, 이러한 고온의 제2 배기 가스(EG2)는 연소기(180)에 공급되어 연소기(180)에 열에너지를 공급함과 아울러, 연소될 수 있다.
연료전지부(210)의 형태는, 전술한 예에 한정되는 것은 아니며, 연료전지부(210)에 사용되는 각종 물질, 예를 들면 양극부 및 음극부를 구성하는 물질, 전해질 및 촉매의 종류 등은 특별히 한정되지 않는다. 이러한 연료전지부(210)에서 생산된 전력은 각종 수요처로 공급될 수 있으며, 예를 들면, 후술하는 압축기(310) 등의 전력에 활용될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템이 선박에 구비되는 경우에는, 선박의 각종 필요 전력 수요처로 공급될 수 있다.
제2 송풍 수단(220)은 연료전지부(210)와 연결될 수 있다. 제2 송풍 수단(220)은 연료전지부(210)에서 미반응된 일부 수소와, 전기화학적 반응의 결과물인 수증기의 일부를 연료전지부(210)로 재투입할 수 있다. 이때 제2 송풍 수단(220)은 블로워일 수 있다.
한편, 추가 발전 유니트(300)는 압축기(Compressor)(310), 제2 열교환기(320), 터보 팽창기(330), 그리고 발전기(340)를 포함할 수 있다.
압축기(310)는 공기를 가압하여 제2 열교환기(320)로 공급할 수 있다.
제2 열교환기(320)는 연소기(180)에서 발생되는 고온의 제1 배기 가스(EG1)와 압축기(310)에서 공급되는 고압의 공기를 열교환시켜 연료전지부(210)의 음극부(212)에 고온 및 고압의 공기를 공급할 수 있다. 따라서, 음극부(212)에서 산소의 환원 반응이 원활하게 이루어지므로 연료전지부(210)에서의 전력 생산 효율을 높일 수 있다. 이러한 제2 열교환기(320)는 연소 배기 가스를 이용하여 공기를 예열시키는 환열기(Recuperator)일 수 있다.
터보 팽창기(330)는 연소기(180)를 통과한 고온 및 고압의 제1 배기 가스(EG1)를 팽창시킬 수 있다.
발전기(340)는 고온 및 고압의 제1 배기 가스(EG1)를 터보 팽창기(330)에 의해 팽창시킴으로써 전력을 생산할 수 있다.
본 실시예에서는 고온 및 고압의 제1 배기 가스(EG1)가 공급되는 터보 팽창기와 발전기로 전력을 생산하는 것으로 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 가스 터빈을 이용하여 전력을 생산하는 것도 가능하다.
터보 팽창기(330)를 통과한 제1 배기 가스(EG1)는 암모니아 개질기(110)에 공급되어 암모니아 개질기(110)에 열에너지를 공급(열교환)하고, 다시 기화기(150)로 공급되어 액체 암모니아를 기체 암모니아로 기화(열교환)시킬 수 있다. 이와 같이, 제1 배기 가스(EG1)는 암모니아 개질기(110) 및 기화기(150)를 통과하며, 100℃ 이하로 냉각되어 중온의 제1 배기 가스(EG1)로 외부로 배출되므로 안전성을 확보하게 된다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템은 암모니아에서 수소를 생산하는 수소 생산 유니트에서 발생하는 고온의 제1 배기 가스를 이용하여 추가 전력을 생산함으로써, 친환경적이며 경제적이다.
또한, 추가 발전 유니트의 제2 열교환기(320)는 연소기(180)에서 발생되는 고온의 제1 배기 가스(EG1)와 압축기(310)에서 공급되는 고압의 공기를 열교환시켜 연료전지부(210)의 음극부(212)에 고온 및 고압의 공기를 공급함으로써, 연료전지부(210)의 음극부(212)에서 산소의 환원 반응이 원활하게 이루어지게 하여 연료전지부의 전력 생산 효율을 높일 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: 수소 생산 유니트 110: 암모니아 개질기
120: 암모니아 흡착기 130: 제1 열교환기
140: 질소 흡착기 150: 기화기
160: 암모니아 저장 탱크 170: 제1 송풍 수단
180: 연소기 200: 수소 연료전지 유니트
210: 연료전지부 220: 제2 송풍 수단
300: 추가 발전 유니트 310: 압축기
320: 제2 열교환기 330: 터보 팽창기
340: 발전기
120: 암모니아 흡착기 130: 제1 열교환기
140: 질소 흡착기 150: 기화기
160: 암모니아 저장 탱크 170: 제1 송풍 수단
180: 연소기 200: 수소 연료전지 유니트
210: 연료전지부 220: 제2 송풍 수단
300: 추가 발전 유니트 310: 압축기
320: 제2 열교환기 330: 터보 팽창기
340: 발전기
Claims (18)
- 기체 암모니아를 분해하여 수소를 생산하는 수소 생산 유니트(100),
상기 수소 생산 유니트에서 생산한 수소를 이용하여 전력을 생산하는 수소 연료전지 유니트(200), 그리고
상기 수소 생산 유니트에서 발생하는 제1 배기 가스(EG1)를 이용하여 추가 전력을 생산하는 추가 발전 유니트(300)를 포함하고,
상기 추가 발전 유니트(300)는,
상기 제1 배기 가스(EG1)를 팽창시키는 터보 팽창기(330), 그리고
상기 터보 팽창기(330)에서 팽창된 상기 제1 배기 가스(EG1)를 이용하여 전력을 생산하는 발전기(340)를 포함하며,
상기 수소 생산 유니트(100)는,
상기 기체 암모니아를 열분해하는 암모니아 개질기(110),
상기 암모니아 개질기(110)에서 배출되는 미분해 암모니아, 수소 및 질소를 포함하는 고온의 혼합가스를 냉각시키는 제1 열교환기(130),
상기 제1 열교환기(130)로부터 냉각된 상기 혼합가스에서 상기 미분해 암모니아를 흡착하는 암모니아 흡착기(120),
상기 암모니아 흡착기(120)를 통해 상기 미분해 암모니아가 흡착된 상기 혼합가스로부터 상기 질소를 흡착하는 질소 흡착기(140)를 포함하고,
상기 암모니아 흡착기(120)는 상기 암모니아 개질기(110)에서 배출되는 상기 고온의 혼합가스를 통해 재생되는, 연료전지 발전 시스템. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 질소 흡착기(140)에서 흡착된 질소와 미분리된 일부 상기 수소를 연소시켜 상기 제1 배기 가스(EG1)를 생성하는 연소기(180)를 더 포함하는, 연료전지 발전시스템. - 제 3 항에 있어서,
상기 수소 연료전지 유니트(200)는,
상기 질소 흡착기(140)에서 분리된 상기 수소를 이용하여 전력을 생산하는 연료전지부(210)를 포함하는, 연료전지 발전시스템. - 제 4 항에 있어서,
상기 추가 발전 유니트(300)는,
공기를 가압하는 압축기(310), 그리고
상기 압축기(310)에서 공급되는 가압된 상기 공기와 상기 연소기(180)에서 발생하는 상기 제1 배기 가스(EG1)를 열교환시켜 상기 연료전지부(210)에 고온 및 고압의 공기를 공급하는 제2 열교환기(320)을 포함하는, 연료전지 발전시스템. - 제 4 항에 있어서,
상기 연료전지부(210)에서 발생하는 제2 배기 가스(EG2)는 상기 연소기(180)에 공급되는, 연료전지 발전시스템. - 제 5 항에 있어서,
상기 수소 생산 유니트(100)는,
액체 상태의 암모니아를 저장하는 암모니아 저장 탱크(160), 그리고
상기 액체 상태의 암모니아를 기화시켜 상기 암모니아 개질기(110)로 공급하는 기화기(150)를 더 포함하고,
상기 터보 팽창기(330)를 통과한 상기 제1 배기 가스(EG1)는 상기 암모니아 개질기(110) 및 상기 기화기(150)로 순차 공급되어 열교환되는, 연료전지 발전시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 수소 생산 유니트(100)는 상기 암모니아 흡착기(120)의 재생과정에서 탈착된 암모니아를 상기 암모니아 개질기(110)의 전단으로 합류시키는, 연료전지 발전시스템. - 제 4 항에 있어서,
상기 수소 연료전지 유니트(200)는 상기 연료전지부(210)에서 미반응된 수소를 상기 질소 흡착기(140)로부터 분리되어 상기 연료전지부(210)로 공급되는 상기 수소와 합류시키는, 연료전지 발전시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 암모니아 흡착기(120)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. - 제 10 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. - 제 10 항에 있어서,
상기 제2 튜브관(334)은 상기 암모니아 개질기(110)와 연결되는 전단 제2 튜브관(3341), 그리고 상기 제1 열교환기(130)와 연결되는 후단 제2 튜브관(3342)을 포함하는, 연료전지 발전시스템. - 제 12 항에 있어서,
상기 암모니아 개질기(110)에서 상기 전단 제2 튜브관(3341)을 통해 상기 암모니아 흡착기(120)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 제1 열교환기(130)로 공급되는, 연료전지 발전시스템. - 제 13 항에 있어서,
상기 후단 제2 튜브관(3342)를 통해 상기 제1 열교환기(130)로 공급되는 상기 혼합가스는 상기 제1 열교환기(130)에서 냉각되는, 연료전지 발전시스템. - 제 14 항에 있어서,
상기 제1 튜브관(333)은 상기 제1 열교환기(130)와 연결되는 전단 제1 튜브관(3331)을 포함하고,
상기 제1 열교환기(130)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. - 제 15 항에 있어서,
상기 제1 튜브관(333)은 상기 질소를 흡착하는 상기 질소 흡착기(140)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(140)로 공급되어 상기 질소가 흡착되어 상기 수소 및 상기 질소가 분리되는, 연료전지 발전시스템. - 제 1 항, 및 제 3 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 발전시스템을 구비한 선박.
- 제 17 항에 있어서,
상기 선박은 암모니아 운반선 또는 암모니아 연료 추진선인, 선박.
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|---|---|---|---|
| KR1020210070545A KR102520201B1 (ko) | 2021-06-01 | 2021-06-01 | 연료전지 발전시스템 및 동 시스템을 구비한 선박 |
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| KR102283358B1 (ko) * | 2019-07-11 | 2021-07-29 | 한국조선해양 주식회사 | 연료전지 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물 |
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2021
- 2021-06-01 KR KR1020210070545A patent/KR102520201B1/ko active IP Right Grant
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