KR20110008676A - 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트 및 그 설치방법 - Google Patents

바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트 및 그 설치방법 Download PDF

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Abstract

해상에서 떠다니도록 구성된 바지선 위에, 석탄으로부터 연료전지용 연료를 생성하고 이렇게 생성된 연료전지용 연료를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 얻는 연료전지 발전용 플랜트가 장착되어 이루어진 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트와, 상기 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트를 중량물 운반선에 올려서 예인선에 의해 예인하여 탄광 근처의 해안이나 석탄의 수입에 유리한 항구 또는 전력이 필요한 해안도시의 해안에 설치하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트의 설치방법이 개시된다.
연료전지 발전용 플랜트, 바지선

Description

바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트 및 그 설치방법 {Barge Mounted Fuel Cell Generating Plant and Method For Placing The Same}
본 발명은 연료전지를 이용하여 발전을 하는 연료전지 발전용 플랜트 및 그 설치방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 이러한 연료전지 발전용 플랜트가 해상에서 떠다니도록 구성된 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트 및 그 설치방법에 관한 것이다.
연료전지는 기존의 에너지원들을 대체할 수 있는 가장 유력한 방법으로, 최근에 연료전지에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중 발전용 플랜트 분야에서도 연료전지를 이용하려는 움직임이 보이고 있다. 연료전지를 이용하여 발전하도록 구성된 플랜트가 연료전지 발전용 플랜트이다.
연료전지는 연료전지용 연료(예를 들어, 수소가 포함된 합성가스 또는 수소)를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 얻는 것이다. 이러한 연료전지용 연료는 일반적으로 천연가스를 개질하여 많이 사용한다.
그러나, 천연가스는 전세계에 매장량이 많지 않고, 전 지역에 불균일하게 분포되어 있으며, 가격도 비싼 편이라서 발전용 연료에 사용하기에는 한계가 있다.
그리고, 연료전지 발전용 플랜트는 일반적으로 육상 고정식으로 건설되는데, 이러한 육상 고정식 연료전지 발전용 플랜트는 이동이 불가능하고, 건설용지 구입 비용 및 기초 공사 비용이 많이 들어가고, 건설 시간이 오래 걸리며, 한번 건설하면 그 장소에서만 사용이 제한되는 문제점이 있다.
또한, 육상 고정식 연료전지 발전용 플랜트를 건설하고자 하는 현지의 기상 여건이나 작업 여건이 열악한 경우, 육상 고정식 연료전지 발전용 플랜트를 건설하는 데에 어려움이 있다.
또한, 육상 고정식 연료전지 발전용 플랜트를 건설하고자 하는 현지에서, 건설 엔지니어를 포함한 작업 인력을 구하기가 힘든 문제점이 있다.
또한, 육상 고정식 연료전지 발전용 플랜트의 건설로 인해 산림이 파괴되고 시설 주변이 오염될 뿐만 아니라 연료전지 발전용 플랜트에서 지구온난화의 원인인 이산화탄소(CO2)가 대기중으로 배출되는 등의 환경 오염의 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은, 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연료전지를 이용하여 발전을 하는 연료전지 발전용 플랜트가 연료전지용 연료를 생성하는 원료로서 가격이 싸고 매장량이 많고 세계 전지역에 골고루 분포된 자원을 사용하면서 해상에서 떠다니도록 구성된 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트를 제공하는 것을 그 주된 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 지구온난화의 원인인 이산화탄소의 배출을 억제하도록 구성된 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트를 제공하는 것을 그 다른 하나의 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 해상에서 떠다니도록 구성된 바지선 위에, 석탄으로부터 연료전지용 연료를 생성하고 이렇게 생성된 연료전지용 연료를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 얻는 연료전지 발전용 플랜트가 장착되어 이루어진 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트가 제공된다.
상기 바지선은 내부에 공기 챔버가 형성된 복수의 블록들을 서로 조립하여 이루어진 것이 바람직하다.
상기 블록은 스틸 재질인 것이 바람직하다.
상기 연료전지 발전용 플랜트는, 석탄을 가스화시켜 합성가스를 생성하는 가 스화기와, 상기 가스화기에서 석탄이 가스화되어 생성된 합성가스를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산하는 연료전지를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 가스화기와 상기 연료전지에는 공기 중에서 산소를 분리하여 공급하는 산소 발생기가 연결된 것이 바람직하다.
상기 가스화기의 후단에는 석탄을 가스화시키는 과정에서 부수적으로 발생하는 물과 재(ash)를 분리 제거하는 분리기가 설치된 것이 바람직하다.
상기 분리기의 후단에는 상기 가스화기에서 석탄을 가스화시키는 과정에서 부수적으로 발생하는 이산화탄소를 포집하는 제1 이산화탄소 포집기가 설치된 것이 바람직하다.
상기 이산화탄소 포집기에서 포집된 이산화탄소를 저장하는 제1 이산화탄소 저장탱크를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 연료전지에는 상기 연료전지에서 생산된 전기를 저장하는 전기 저장부가 연결된 것이 바람직하다.
상기 연료전지는 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 연료전지가 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에는 상기 고체 산화물형 연료전지에서 합성가스를 전기화학적으로 반응시키는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집하는 제2 이산화탄소 포집기 및 상기 제2 이산화탄소 포집기에서 포집된 이산화탄소를 저장하는 제2 이산화탄소 저장탱크가 더 설치되는 것이 바람직하다.
상기 연료전지가 고분자 전해질형 연료전지인 경우, 상기 분리기와 상기 제1 이산화탄소 포집기의 사이에는 합성가스 중의 일산화탄소를 물과 반응시켜 이산화탄소로 변환시켜서 일산화탄소를 제거하는 수성 가스변환 반응기가 더 설치되는 것이 바람직하다.
상기 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에는 상기 연료전지에서 발생하는 열을 회수하는 폐열 회수 유닛이 부착 설치되고, 상기 폐열 회수 유닛에는 스팀 터빈과 응축기가 연결되고, 상기 스팀 터빈은 상기 전기 저장부에 연결된 것이 바람직하다.
상기 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에는 상기 연료전지에서 발생하는 열을 회수하는 폐열 회수 유닛이 부착 설치되고, 상기 폐열 회수 유닛에는 선박내 스팀 사용처와 응축기가 연결된 것이 바람직하다.
상기 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에는 상기 연료전지에서 배출되는 고온의 합성가스가 공급되는 연소기가 연결되고, 상기 연소기에는 가스 터빈이 연결되어 있고, 상기 가스 터빈은 전기 저장부에 연결되고, 상기 연소기와 상기 가스 터빈에는 상기 압축기가 연결된 것이 바람직하다.
조선소에서 상기 바지선과 상기 연료전지 발전용 플랜트가 각각 제작된 후 상기 바지선 위에 상기 연료전지 발전용 플랜트가 장착되는 것이 바람직하다.
또한, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일측면에 의하면, 해상 에서 떠다니도록 구성된 바지선 위에, 석탄으로부터 연료전지용 연료를 생성하고 이렇게 생성된 연료전지용 연료를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 얻는 연료전지 발전용 플랜트가 장착되어 이루어진 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트를 실제 사용 장소에 설치하는 방법으로서, 상기 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트를 중량물 운반선에 올려서 예인선에 의해 예인하여 탄광 근처의 해안이나 석탄의 수입에 유리한 항구 또는 전력이 필요한 해안도시의 해안에 설치하는 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트의 설치방법이 제공된다.
상기 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트의 상기 바지선을 탄광 근처의 해안에 인접한 해상이나 석탄의 수입에 유리한 항구에 인접한 해상 또는 전력이 필요한 해안도시의 해안에 인접한 해상에 부유시킨 상태에서 닻을 이용하여 정박시키는 것이 바람직하다.
상기 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트의 상기 바지선을 탄광 근처의 해안에 인접한 해상이나 석탄의 수입에 유리한 항구에 인접한 해상 또는 전력이 필요한 해안도시의 해안에 인접한 해상에 부유시킨 상태에서 고정물을 이용하여 해저면에 고정시키는 것이 바람직하다.
상기 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트의 상기 바지선을 탄광 근처의 해안에 인접한 육지나 석탄의 수입에 유리한 항구의 부두 또는 전력이 필요한 해안도시의 해안에 인접한 육지에 매립하는 것이 바람직하다.
상기 탄광 주변의 해안에 인접한 육지나 상기 석탄의 수입에 유리한 항구의 부두 또는 전력이 필요한 해안도시의 해안에 인접한 육지에는 석탄 저장 탱크가 설 치되고, 상기 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트는 상기 석탄 저장 탱크로부터 석탄을 공급받는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트에 의하면, 바지선 위에 연료전지 발전용 플랜트가 장착되는 구성이어서, 건조된 후에 해상에서 이동할 수 있으므로, 탄광 근처의 해안이나 석탄의 수입에 유리한 항구 또는 전력이 필요한 해안도시의 해안에 배치됨으로써 국내외로부터 석탄 공급원을 원활하게 확보할 수 있을 뿐만 아니라 장소와 상황에 따라 이동하면서 사용할 수 있고, 또한, 기존의 육상 고정식 연료전지 발전용 플랜트에 들어가는 건설용지 구입 비용 및 기초 공사 비용에 비하여 비용이 적은 바지선 건조 비용이 들어가고, 기존의 방법에 비하여 건조 시간이 단축되고, 또한, 조선소에서 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트를 완성하여 배치 장소로 이동하기 때문에, 현지에서 건설 엔지니어를 포함한 작업 인력을 구하는 일에 대한 부담이 감소되고, 현지의 기상 여건이나 작업 여건에 상관없이 건조할 수 있고, 또한, 연료전지 발전용 플랜트를 설치하고자 하는 지역의 산림을 파괴하지 않아도 되고 시설 주변을 오염시킬 우려가 없게 되는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트에 의하면, 연료전지용 연료를 생성하는 원료로서 가격이 싸고 매장량이 많고 세계 전지역에 골고루 분포된 자원인 석탄을 사용할 수 있으므로 경제적인 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트에 의 하면, 연료전지 발전용 플랜트에 이산화탄소 포집기와 이산화탄소 저장탱크가 구비되어, 연료전지 발전용 플랜트에서 석탄으로부터 연료전지용 연료를 생성하는 과정에서 부수적으로 발생하는 이산화탄소를 대기중으로 배출하지 않으므로, 이산화탄소 배출로 인한 환경 오염의 문제를 해결할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트(1)는 바지선(10) 위에 연료전지 발전용 플랜트(20)가 장착되어 이루어진 것이다. 본 실시예에서 바지선(10)을 포함하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트는 부재부호 "1"로 표시하고, 바지선(10) 위에 장착되는 연료전지 발전용 플랜트는 부재부호 "20"으로 표시하기로 한다.
바지선(10)은 해상에서 떠다니도록 구성된 것으로서, 복수의 블록(11)들을 서로 조립하여 이루어진 것이며, 블록(11)의 내부에는 공기 챔버(13)가 형성되어 있다.
이러한 블록(11)은 스틸로 만들어진 것이 바람직하다.
또한, 연료전지 발전용 플랜트(20)는 석탄으로부터 연료전지용 연료를 생성하고 이렇게 생성된 연료전지용 연료를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 얻는 설비로서, 석탄을 가스화시켜 합성가스를 생성하는 공정과 이렇게 생성된 합성가스를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 얻는 공정을 수행한다.
석탄은 전세계에서 가장 풍부한 화석 연료로 전 지역에 골고루 분포되어 있고, 가격도 천연가스에 비해 싸다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 연료전지 발전용 플랜트를 구성하는 요소들을 블록으로 표시한 블록 구성도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 연료전지 발전용 플랜트(20)는 가스화기(21)와 분리기(23)와 이산화탄소 포집기(25)와 연료전지(27)와 전기 저장부(29)를 포함한다.
가스화기(21, gasification device)는 고체 연료에 가스화제(gasification agent)를 배합하여 고온에서 작용시킴으로써 고체 연료를 가스화시켜 합성가스를 생성하는 장치이다.
가스화기(21)에는 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이 석탄 저장 탱크(7)로부터 고체 연료로서 석탄이 공급된다. 또한, 가스화기(21)에는 공기 중에서 산소(O2)를 분리하여 가스화제로서 공급하는 산소 발생기(22)가 연결되어 있다. 산소 발생기(22)에서 공기 중의 산소(O2)를 분리하는 과정에서 질소(N2)는 대기중으로 배출된다.
가스화기(21)에서 석탄을 가스화시켜 합성가스를 생성하는 과정을 나타내는 반응식은 다음과 같다.
석탄(C + H + 기타 물질) + O2 → CO + H2 + CO2 + H2O + 기타 물질
가스화기(21)는 1000℃ 전후의 고온에서 석탄에 산소(O2)를 작용시켜 열분해와 동시에 불완전연소를 일으켜서 합성가스를 생성한다. 가스화기(21)에서는 합성가스인 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 생성되며, 또한, 이렇게 석탄을 가스화시키는 과정에서 이산화탄소(CO2), 물(H2O) 및 기타 물질이 부수적으로 발생된다. 본 명세서에서는 수소와 일산화탄소만을 합성가스라고 하기로 한다. 기타 물질에는 재(ash)와, 석탄을 가스화시키는 과정에서 석탄에 포함된 황(S) 성분이 변환되어 발생하는 황화수소(H2S)가 포함되어 있다.
가스화기(21)에서 석탄이 가스화되어 생성된 합성가스는 연료전지용 연료로서 연료전지(27)에 공급되며, 연료전지(27)는 가스화기(21)로부터 공급된 연료전지용 연료인 합성가스를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산한다.
가스화기(21)의 후단에는 분리기(23)가 설치되어 있다. 분리기(23)는 가스화기(21)에서 석탄을 가스화시키는 과정에서 부수적으로 발생하는 물(H2O)과 기타 물질 중 재(ash)를 분리 제거한다.
또한, 분리기(23)의 후단에는 제1 이산화탄소 포집기(25)가 설치되어 있다. 제1 이산화탄소 포집기(25)는 가스화기(21)에서 석탄을 가스화시키는 과정에서 부수적으로 발생하는 이산화탄소(CO2)를 포집한다.
제1 이산화탄소 포집기(25)에는 제1 이산화탄소 포집기(25)에서 포집된 이산화탄소(CO2)를 저장하는 제1 이산화탄소 저장탱크(26)가 연결되어 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, 연료전지 발전용 플랜트(20)에 제1 이산화탄소 포집기(25)와 제1 이산화탄소 저장탱크(26)가 설치되어 있으므로, 연료전지 발전용 플랜트(20)에서 석탄으로부터 연료전지용 연료를 생성하는 과정에서 부수적으로 발생하는 이산화탄소를 대기중으로 배출하지 않으므로 이산화탄소 배출로 인한 환경 오염의 문제를 해결할 수 있다.
연료전지(27)는 이산화탄소 포집기(25)의 후단에 설치되어 있다. 산소 발생기(22)는 연료전지(27)에도 연결되어 있으며, 산소 발생기(22)에 의해 공기 중에서 분리된 산소(O2)는 연료전지(27)에 공급된다.
전기 저장부(29)는 연료전지(27)에 연결되어 연료전지(27)에서 생산된 전기를 저장한다.
이러한 가스화기, 산소발생기, 분리기, 이산화탄소 포집기, 연료전지 및 전기 저장부는 공지의 기술이므로 본 명세서에서는 그 구성에 대해 상세하게 설명하지 않기로 한다.
한편, 연료전지(27)는 용융 탄산염형 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물형 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane/Proton exchange Membrane Fuel Cell) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
연료전지(27)가 용융 탄산염형 연료전지인 경우, 합성가스에서 일산화탄소를 제거하지 않고 일산화탄소를 수소와 함께 연료전지(27)로 공급한다. 용융 탄산염 형 연료전지에서 합성가스인 수소와 일산화탄소를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산하는 과정을 나타내는 반응식은 다음과 같다.
연료극 : H2 + CO3 -2 → H2O + CO2 + 2e-
CO + CO3 -2 → 2CO2 + 2e-
CO + H2O → H2 + CO2
공기극 : 0.5O2 + CO2 + 2e- → CO3 -2
연료전지의 전체 반응 : H2 + 0.5O2 + CO2 → H2O + CO2
여기에서, 수소와 함께 연료전지(27)로 공급되는 일산화탄소는, 연료극에서 물과 반응하여 수소를 생산하는 반응에 사용된다. 이때 발생된 이산화탄소(CO2)는 공기극으로 보내어져서 공기극에서 삼산화탄소(CO3 -2)를 생성하는 반응에 사용된다. 즉, 연료전지(27)가 용융 탄산염형 연료전지인 경우에는, 전기를 생산하는 과정에서 발생하는 이산화탄소가 외부로 배출되지 않고 연료전지 내부에서 순환된다.
또한, 연료전지(27)가 고체 산화물형 연료전지인 경우, 합성가스에서 일산화탄소를 제거하지 않고 일산화탄소를 수소와 함께 연료전지(27)로 공급한다. 고체 산화물형 연료전지에서 합성가스인 수소와 일산화탄소를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산하는 과정을 나타내는 반응식은 다음과 같다.
연료극 : H2 + O-2 → H2O + 2e-
CO + O-2 → CO2 + 2e-
CO + H2O → H2 + CO2
공기극 : 0.5O2 + 2e- → O-2
연료전지의 전체 반응 : H2 + 0.5O2 → H2O
여기에서, 수소와 함께 연료전지(27)로 공급되는 일산화탄소는, 연료극에서 물과 반응하여 수소를 생산하는 반응에 사용된다. 이때 발생된 이산화탄소(CO2)는 별도의 장치에 의해 처리되어야 한다.
이렇게 연료전지(27)가 고체 산화물형 연료전지인 경우에, 연료전지에서 합성가스를 전기화학적으로 반응시키는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 처리하기 위해, 도 3에 도시된 바와 같이, 연료전지(27)에는 이산화탄소를 포집하는 제2 이산화탄소 포집기(25')가 설치되어 있고, 제2 이산화탄소 포집기(25')에는 제2 이산화탄소 포집기(25')에서 포집된 이산화탄소(CO2)를 저장하는 제2 이산화탄소 저장탱크(26')가 연결되어 있다. 도 3은 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 연료전지 발전용 플랜트를 구성하는 요소들을 블록으로 표시한 블록 구성도이다. 도 3에 도시된 실시예의 연료전지 발전용 플랜트(20')에서 도 2의 실시예의 연료전지 발전용 플랜트(20)와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 부재번호를 사용하기로 한다.
본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 연료전지 발전용 플랜트에 의하면, 연료전지(27)가 고체 산화물형 연료전지인 경우, 연료전지 발전용 플랜트(20')에 제2 이산화탄소 포집기(25')와 제2 이산화탄소 저장탱크(26')가 설치되어 있으므로, 연료전지에서 합성가스를 전기화학적으로 반응시키는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 대기중으로 배출하지 않으므로 이산화탄소 배출로 인한 환경 오염의 문제를 해결할 수 있다.
또한, 연료전지(27)가 고분자 전해질형 연료전지인 경우, 합성가스 중의 일산화탄소를 제거하여 수소만을 연료전지(27)로 공급한다. 고분자 전해질형 연료전지에서 수소를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산하는 과정을 나타내는 반응식은 다음과 같다.
연료극 : H2 → 2H+ + 2e-
공기극 : 0.5O2 + 2H+ + 2e- → H2O
연료전지의 전체 반응 : H2 + 0.5O2 → H2O
여기에서, 합성가스 중의 일산화탄소를 제거하기 위해, 도 4에 도시된 바와 같이, 분리기(23)와 제1 이산화탄소 포집기(25)의 사이에는 합성가스 중의 일산화탄소를 물과 반응시켜 이산화탄소로 변환시켜서 일산화탄소를 제거하는 수성 가스변환 반응기(24)가 더 설치된다. 도 4는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 연료전지 발전용 플랜트를 구성하는 요소들을 블록으로 표시한 블록 구성도이다. 도 4에 도시된 실시예의 연료전지 발전용 플랜트(20")에서 도 2의 실시예의 연료전지 발전용 플랜트(20)와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 부재번호를 사용하기로 한다.
또한, 수성 가스변환 반응기(24)에서는, 석탄을 가스화시키는 과정에서 석탄에 포함된 황(S) 성분이 변환되어 발생하는 황화수소(H2S)를 물과 반응시켜 황산(H2SO4)으로 변환시켜 황화수소(H2S)를 제거한다. 액체 형태의 황산(H2SO4)은 수성 가스변환 반응기(24)에서 배출되어 별도의 저장용기(미도시)에 저장된다.
합성가스 중의 일산화탄소와 황화수소를 수성 가스변환 반응기(24)에서 이산화탄소와 황산으로 변환시키는 과정을 나타내는 반응식은 다음과 같다.
CO + H2O → CO2 + H2
H2S + 4H2O → H2SO4 + 4H2
수성 가스변환 반응기(24)에서 발생된 수소(H2)는 연료전지용 연료로서 연료 전지(27)에 공급된다.
연료전지(27)가 고분자 전해질형 연료전지인 경우, 제1 이산화탄소 포집기(25)는 가스화기(21)에서 석탄을 가스화시켜서 합성가스를 생성하는 과정에서 발생하는 이산화탄소(CO2) 뿐만 아니라 수성 가스변환 반응기(24)에서 합성가스 중의 일산화탄소를 제거하는 과정에서 발생하는 이산화탄소(CO2)도 포집하므로, 연료전지(27)로 공급되는 합성가스 중에 포함된 일산화탄소를 제거하는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 대기중으로 배출하지 않으므로 이산화탄소 배출로 인한 환경 오염의 문제를 해결할 수 있다.
이러한 수성 가스변환 반응기는 공지의 기술이므로 본 명세서에서는 그 구성에 대해 상세하게 설명하지 않기로 한다.
한편, 연료전지(27)에서 합성가스를 전기화학적으로 반응시키는 과정에서 스팀(H2O)이 발생하며, 이 스팀은 선박내 스팀 사용처에 사용될 수 있다.
그리고, 용융 탄산염형 연료전지는 작동 온도가 650℃이고, 고체 산화물형 연료전지는 작동 온도가 650-1,000℃이므로, 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우에, 연료전지에서는 상당한 고온의 열이 발생한다. 그러나, 이러한 연료전지에서 발생하는 고온의 열은 일반적으로 버려진다.
따라서, 본 발명에서는, 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화 물형 연료전지인 경우에, 연료전지에서 버려지는 폐열을 이용하여 발전 효율을 높이는 방법을 제안한다.
도 5는 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우에, 연료전지에서 버려지는 폐열을 이용하여 발전 효율을 높이는 장치를 개략적으로 도시하고 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 연료전지(27)에는 연료전지(27)에서 발생하는 열을 회수하는 폐열 회수 유닛(30)이 부착 설치된다. 폐열 회수 장치(30)는 열교환기인 것이 바람직하다. 폐열 회수 유닛(30)에는 스팀 터빈(31)과 응축기(33)가 연결되어 있고, 스팀 터빈(31)은 전기 저장부(29)에 연결되어 있다.
폐열 회수 유닛(30)은 연료전지(27)에서 발생하는 열을 이용하여 물을 고온, 고압의 스팀으로 변환시킨다.
폐열 회수 유닛(30)에서 생성된 고온, 고압의 스팀은 스팀 터빈(31)으로 보내어져 스팀 터빈(31)을 회전시켜서 전기를 생산한다. 스팀 터빈(31)에서 생산된 전기는 전기 저장부(29)에 저장된다.
스팀 터빈(31)을 회전시킨 후의 스팀은 응축기(33)로 보내어져 응축된 후 폐열 회수 유닛(30)으로 보내어진다.
또한, 폐열 회수 유닛(30)에서 생성된 고온, 고압의 스팀은 선박내 스팀사용처에서 사용될 수도 있다. 도 6에 도시된 장치는, 폐열 회수 유닛(30)에서 발생된 스팀이 선박내 스팀사용처(32)로 보내어지도록 구성된 것이다. 따라서, 폐열 회수 장치(30)에는 선박내 스팀사용처(32)와 응축기(33)가 연결된다. 선박내 스팀사용 처(32)에서 사용된 후의 스팀은 응축기(33)로 보내어져 응축된 후 다시 폐열 회수 유닛(30)으로 보내어진다.
또한, 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우에, 연료전지로 공급된 합성가스 중의 일부는 연료전지에서 전기화학적으로 반응하지 않고 고온의 상태로 배출되는데, 이렇게 연료전지에서 배출되는 고온의 합성가스를 이용하여 발전 효율을 높일 수도 있다.
도 7은 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우에, 연료전지에서 배출되는 고온의 합성가스를 이용하여 발전 효율을 높이는 장치를 개략적으로 도시하고 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 연료전지(27)에는 연료전지(27)에서 배출되는 고온의 합성가스가 공급되는 연소기(40)가 연결된다. 연소기(40)에는 가스 터빈(41)이 연결되어 있고, 가스 터빈(41)은 전기 저장부(29)에 연결되어 있다. 또한, 연소기(40)와 가스 터빈(41)에는 압축기(28)가 연결되어 있으므로, 압축기(28)로부터 연소기(40)와 가스터빈(41)으로 고압의 공기가 공급된다.
연소기(40)는 연료전지(27)에서 배출되는 고온의 합성가스를 고압의 공기와 연소시켜 고온, 고압의 가스로 변환시킨다.
연소기(40)에서 생성된 고온, 고압의 가스는 가스 터빈(41)으로 보내어져 가스 터빈(41)을 회전시켜서 전기를 생산한다. 가스 터빈(31)에서 생산된 전기는 전기 저장부(29)에 저장된다.
가스 터빈(41)을 회전시킨 후의 가스는 외부로 배출된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트를 제작하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트(1)는 조선소(3)에서 제작된다.
조선소(3)에서 바지선(10)과 연료전지 발전용 플랜트(20)가 각각 제작된 후 바지선(10) 위에 연료전지 발전용 플랜트(20)가 장착된다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트를 이동시키는 과정을 나타낸 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 조선소(3)에서 바지선(10) 위에 연료전지 발전용 플랜트(20)가 장착되어 이루어진 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트(1)는 중량물 운반선(2, Heavy lift Vessel)에 올려져서 예인선(2a)에 의해 실제 사용 장소까지 예인된다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트가 실제 사용 장소에 설치된 상태를 도시한 도면이다.
바지선(10) 위에 연료전지 발전용 플랜트(20)가 장착되어 이루어진 본 발명의 실시예에 따른 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트(1)는 예인선(2a)에 의해 예인되어 탄광 근처의 해안이나 석탄의 수입에 유리한 항구 또는 전력이 필요한 해안도시의 해안에 설치되어 가동된다.
도 10은 예인선(2a)에 의해 예인된 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜 트(1)의 바지선(10)이 탄광 근처의 해안에 인접한 해상이나 석탄의 수입에 유리한 항구에 인접한 해상 또는 전력이 필요한 해안도시의 해안에 인접한 해상에 부유된 상태에서 닻(4)을 이용하여 정박된 것을 도시하고 있다. 닻(4)은 바지선(10)에서 내려져서 해저면에 박힘으로써 바지선(10)을 정박시킨다.
탄광 근처의 해안에 인접한 육지나 석탄의 수입에 유리한 항구의 부두 또는 전력이 필요한 해안도시의 해안에 인접한 육지는 도면에서 부재번호 "5"로 표시되어 있다.
도 11은 예인선(2a)에 의해 예인된 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트(1)의 바지선(10)이 탄광 근처의 해안에 인접한 해상이나 석탄의 수입에 유리한 항구에 인접한 해상 또는 전력이 필요한 해안도시의 해안에 인접한 해상에 부유된 상태에서 고정물(6)을 이용하여 해저면에 고정된 것을 도시하고 있다. 고정물(6)은 바지선(10)의 저면과 해저면 사이에 설치되어 바지선(10)의 저면을 해저면에 지지 고정하는 지지대이다.
도 12는 예인선(2a)에 의해 예인된 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트(1)의 바지선(10)이 탄광 근처의 해안에 인접한 육지나 석탄의 수입에 유리한 항구의 부두 또는 전력이 필요한 해안도시의 해안에 인접한 육지에 매립된 것을 도시하고 있다. 도 8에서는 탄광 근처의 해안에 인접한 육지나 석탄의 수입에 유리한 항구의 부두 또는 전력이 필요한 해안도시의 해안에 인접한 육지에 바지선 매립용 구멍(8)을 파서 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트(1)의 바지선(10)을 매립한 것이다.
도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 탄광 근처의 해안의 육지나 석탄의 수입에 유리한 항구의 부두 또는 전력이 필요한 해안도시의 해안의 육지에는 석탄 저장 탱크(7)가 설치되어 있으며, 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트(1)는 석탄 저장 탱크(7)로부터 석탄을 공급받는다. 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트(1)와 석탄 저장 탱크(7) 사이에는 켄베이어 등의 이송장치(9)가 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트에 의하면, 바지선 위에 연료전지 발전용 플랜트가 장착되는 구성이어서, 건조된 후에 해상에서 이동할 수 있으므로, 탄광 근처의 해안이나 석탄의 수입에 유리한 항구 또는 전력이 필요한 해안도시의 해안에 배치됨으로써 국내외로부터 석탄 공급원을 원활하게 확보할 수 있을 뿐만 아니라 장소와 상황에 따라 이동하면서 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트에 의하면, 기존의 육상 고정식 연료전지 발전용 플랜트에 들어가는 건설용지 구입 비용 및 기초 공사 비용에 비하여 비용이 적은 바지선 건조 비용이 들어가고, 기존의 방법에 비하여 건조 시간이 단축된다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트에 의하면, 조선소에서 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트를 완성하여 배치 장소로 이동하기 때문에, 현지에서 건설 엔지니어를 포함한 작업 인력을 구하는 일에 대한 부담이 감소되고, 현지의 기상 여건이나 작업 여건에 상관없이 건조할 수 있다. 마지막으로, 본 발명의 실시예에 따른 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트에 의하면, 연료전지 발전용 플랜트를 설치하고자 하는 지 역의 산림을 파괴하지 않아도 되고 시설 주변을 오염시킬 우려가 없게 되는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트에 의하면, 연료전지용 연료를 생성하는 원료로서 가격이 싸고 매장량이 많고 세계 전지역에 골고루 분포된 자원인 석탄을 사용할 수 있으므로 경제적인 이점이 있다.
이상에서는 본 발명이 특정 실시예를 중심으로 하여 설명되었지만, 본 발명의 취지 및 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 변형, 변경 또는 수정이 당해 기술분야에서 있을 수 있으며, 따라서, 전술한 설명 및 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어져야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 연료전지 발전용 플랜트를 구성하는 요소들을 블록으로 표시한 블럭 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 연료전지 발전용 플랜트를 구성하는 요소들을 블록으로 표시한 블럭 구성도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 연료전지 발전용 플랜트를 구성하는 요소들을 블록으로 표시한 블럭 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트를 제작하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트를 이동시키는 과정을 나타낸 도면이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트가 실제 사용 장소에 설치된 상태를 도시한 도면이다.

Claims (21)

  1. 해상에서 떠다니도록 구성된 바지선 위에, 석탄으로부터 연료전지용 연료를 생성하고 이렇게 생성된 연료전지용 연료를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 얻는 연료전지 발전용 플랜트가 장착되어 이루어진 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 바지선은 내부에 공기 챔버가 형성된 복수의 블록들을 서로 조립하여 이루어진 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 블록은 스틸 재질인 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 발전용 플랜트는,
    석탄을 가스화시켜 합성가스를 생성하는 가스화기와,
    상기 가스화기에서 석탄이 가스화되어 생성된 합성가스를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산하는 연료전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 가스화기와 상기 연료전지에는 공기 중에서 산소를 분리하여 공급하는 산소 발생기가 연결된 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 가스화기의 후단에는 석탄을 가스화시키는 과정에서 부수적으로 발생하는 물과 재(ash)를 분리 제거하는 분리기가 설치된 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 분리기의 후단에는 상기 가스화기에서 석탄을 가스화시키는 과정에서 부수적으로 발생하는 이산화탄소를 포집하는 제1 이산화탄소 포집기가 설치된 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 이산화탄소 포집기에서 포집된 이산화탄소를 저장하는 제1 이산화탄소 저장탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 연료전지에는 상기 연료전지에서 생산된 전기를 저장하는 전기 저장부가 연결된 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 연료전지는 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 연료전지가 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에는 상기 고체 산화물형 연료전지에서 합성가스를 전기화학적으로 반응시키는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집하는 제2 이산화탄소 포집기 및 상기 제2 이산화탄소 포집기에서 포집된 이산화탄소를 저장하는 제2 이산화탄소 저장탱크가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 연료전지가 고분자 전해질형 연료전지인 경우, 상기 분리기와 상기 제1 이산화탄소 포집기의 사이에는 합성가스 중의 일산화탄소를 물과 반응시켜 이산화 탄소로 변환시켜서 일산화탄소를 제거하는 수성 가스변환 반응기가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에는 상기 연료전지에서 발생하는 열을 회수하는 폐열 회수 유닛이 부착 설치되고, 상기 폐열 회수 유닛에는 스팀 터빈과 응축기가 연결되고, 상기 스팀 터빈은 상기 전기 저장부에 연결된 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에는 상기 연료전지에서 발생하는 열을 회수하는 폐열 회수 유닛이 부착 설치되고, 상기 폐열 회수 유닛에는 선박내 스팀 사용처와 응축기가 연결된 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에는 상기 연료전지에서 배출되는 고온의 합성가스가 공급되는 연소기가 연결되고, 상기 연소기에는 가스 터빈이 연결되어 있고, 상기 가스 터빈 은 전기 저장부에 연결되고, 상기 연소기와 상기 가스 터빈에는 상기 압축기가 연결된 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트.
  16. 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
    조선소에서 상기 바지선과 상기 연료전지 발전용 플랜트가 각각 제작된 후 상기 바지선 위에 상기 연료전지 발전용 플랜트가 장착되는 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트.
  17. 해상에서 떠다니도록 구성된 바지선 위에, 석탄으로부터 연료전지용 연료를 생성하고 이렇게 생성된 연료전지용 연료를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 얻는 연료전지 발전용 플랜트가 장착되어 이루어진 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트를 실제 사용 장소에 설치하는 방법으로서,
    상기 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트를 중량물 운반선에 올려서 예인선에 의해 예인하여 탄광 근처의 해안이나 석탄의 수입에 유리한 항구 또는 전력이 필요한 해안도시의 해안에 설치하는 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트의 설치방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트의 상기 바지선을 탄광 근처의 해안에 인접한 해상이나 석탄의 수입에 유리한 항구에 인접한 해상 또는 전력이 필 요한 해안도시의 해안에 인접한 해상에 부유시킨 상태에서 닻을 이용하여 정박시키는 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트의 설치방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트의 상기 바지선을 탄광 근처의 해안에 인접한 해상이나 석탄의 수입에 유리한 항구에 인접한 해상 또는 전력이 필요한 해안도시의 해안에 인접한 해상에 부유시킨 상태에서 고정물을 이용하여 해저면에 고정시키는 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트의 설치방법.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트의 상기 바지선을 탄광 근처의 해안에 인접한 육지나 석탄의 수입에 유리한 항구의 부두 또는 전력이 필요한 해안도시의 해안에 인접한 육지에 매립하는 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트의 설치방법.
  21. 청구항 17 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄광 주변의 해안에 인접한 육지나 상기 석탄의 수입에 유리한 항구의 부두 또는 전력이 필요한 해안도시의 해안에 인접한 육지에는 석탄 저장 탱크가 설치되고,
    상기 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트는 상기 석탄 저장 탱크로부터 석탄을 공급받는 것을 특징으로 하는 바지선 장착식 연료전지 발전용 플랜트의 설치방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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KR20150126086A (ko) 2014-05-01 2015-11-11 대우조선해양 주식회사 잭업식 발전플랜트 시스템
KR20170136143A (ko) * 2016-05-31 2017-12-11 현대중공업 주식회사 복합발전 시스템
KR20190089684A (ko) * 2018-01-22 2019-07-31 네이버 주식회사 항공뷰를 통한 이동 기능을 제공하는 방법 및 시스템

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