KR20120082582A - 연료전지시스템 및 이를 구비한 선박 - Google Patents

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Abstract

연료전지시스템 및 이를 구비한 선박이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템은 물과 해수 중 어느 하나를 이용하여 수소 가스를 생성하는 수소생성부, 공기와 LNG를 공급받아 LNG가 기화된 NG로 상변화 할 때 발생되는 냉열을 이용하여 공기로부터 산소가스와 액화산소 중 어느 하나 이상을 생성하는 공기액화분리기, 공기액화분기리로부터 생성된 액화 산소를 산소 가스로 상변화시키도록 액화 산소와 열교환하거나 또는 산소 가스와 열교환하는 제 1 열교환기 및 수소 가스 및 산소 가스를 공급받아 전류를 생산하는 연료전지스택을 포함한다.

Description

연료전지시스템 및 이를 구비한 선박 { Fuel cell system and ship having the same }
본 발명은 연료전지시스템 및 이를 구비한 선박에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지는 연료기체가 소유하고 있는 화학에너지를 전기화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치이다. 고체산화물 연료전지의 전기화학반응을 보면, 연료극에서는 수소가 전자를 내어놓고 전해질을 통해 이동해온 산소이온과 만나 물과 열을 생성시키며, 연료극에서 생성된 전자는 외부회로를 통해 직류전류를 만들면서 공기극으로 이동하고, 공기극에서 산소와 만나 산소이온이 되고 생성된 이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동하게 된다.
연료극/전해질/공기극의 연료전지 기본 단위 셀 하나에서 얻어지는 전위차는 약 1V 정도이기 때문에, 연료전지를 동력원으로 사용하기 위해서는 여러 개의 단위 셀을 직렬 또는 병렬로 연결한 스택(stack)을 중심으로 연료전지시스템이 구성되고 있다.
통상적인 연료전지시스템은 전기를 생산하는 연료전지스택(stack), 연료전지스택에 수소/탄화수소 및 산소를 공급하는 연료처리장치, 연료전지스택에서 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 전환하는 전환시스템, 연료전지스택에서 발생되는 열을 회수하는 배열회수장치 등으로 구성된다.
연료전지는 사용되는 전해질의 물질에 따라, 알칼리형 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC)로 구분된다.
한편, 알칼리형 연료전지는 다른 연료전지보다 충분히 경제성이 있다. 왜냐하면 다른 연료전지는 전해질이나 촉매 등에 약점이 되는 비싼 재료들이 필요하나, 알칼리형 연료전지는 비싼 재료가 필요가 없기 때문이다.
그러나 알칼리형 연료전지는 순수한 수소와 산소가 연료로서 공급되어야 하는 특성 때문에 상용화하는데 어려운 문제점이 있다. 그래서 고분자 전해질형 연료전지나 기타 다른 화석연료를 연료로 사용가능한 타입의 연료전지들이 추가로 개발되었다.
본 발명의 일 실시예는 순수한 산소 및 수소를 생성하여 이를 연료전지시스템에 공급하여 연료전지시스템의 효율을 향상시키고 반응률을 높일 수 있는 연료전지시스템 및 이를 구비한 선박을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 물과 해수 중 어느 하나를 이용하여 수소 가스를 생성하는 수소생성부; 공기와 LNG를 공급받아 상기 LNG가 기화된 NG로 상변화 할 때 발생되는 냉열을 이용하여 상기 공기로부터 산소가스와 액화산소 중 어느 하나 이상을 생성하는 공기액화분리기; 상기 공기액화분기리로부터 생성된 액화 산소를 산소 가스로 상변화시키도록 상기 액화 산소와 열교환하거나 또는 상기 산소 가스와 열교환하는 제 1 열교환기 및 상기 수소 가스 및 상기 산소 가스를 공급받아 전류를 생산하는 연료전지스택을 포함하는 연료전지시스템이 제공될 수 있다.
이 때, 상기 수소생성부는 해수를 전기분해하여 상기 수소가스를 생성하는 알칼리 해수 생성부를 포함할 수 있다.
한편, 상기 수소생성부는 물을 전기분해하여 상기 수소가스를 생성하는 전기분해부를 포함할 수 있다.
한편, 상기 수소생성부는 상기 물과 해수 중 어느 하나를 나트륨과 반응시켜 상기 수소가스를 생성하는 반응기를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 연료전지스택에서 발생된 고온의 배기가스가 상기 제 1 열교환기에 공급되어 상기 산소 가스와 액화 산소 중 어느 하나 이상과 열교환 할 수 있다.
한편, 상기 연료전지스택에서 발생된 고온의 배기가스를 연소시켜 상기 액화산소 또는 산소 가스의 온도를 상승시키는 촉매연소기를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 촉매연소기로부터 발생된 연소 가스가 상기 제 1 열교환기에 공급되어 상기 산소 가스와 액화 산소 중 어느 하나 이상과 열교환 할 수 있다.
이 때, 상기 기화된 NG를 공급받아 수소를 포함하는 연료가스를 생성하는 연료처리부를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 연료처리부는 상기 기화된 NG를 공급받아 황성분을 제거하는 탈황기 및 탈황된 상기 기화된 NG를 공급받아 개질하여 수소를 포함하는 상기 연료가스를 생성하는 개질기를 포함할 수 있다.
한편, 상기 공기액화분리기는 상기 공기를 압축하는 압축기; 상기 압축기에 의하여 압축된 공기를 정제하는 정제기; 상기 LNG의 기화열과, 상기 정제기에서 정제된 공기가 열교환하는 제 2 열교환기; 상기 열교환 된 공기를 단열 팽창시켜 상기 공기에 포함된 산소가 액화 온도에 도달하게 하는 팽창 밸브 및 상기 팽창 밸브를 지난 상기 공기를 산소와 질소로 분리하는 분리기를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 공기액화분리기는 상기 압축기와 상기 정제기 사이에 설치되고 상기 분리기로부터 분리되어 공급된 상기 질소와 상기 압축기로부터 공급된 상기 공기가 열교환하는 제 3 열교환기; 상기 제 2 열교환기와 상기 팽창밸브 사이에 설치되고 상기 분리기로부터 분리되어 공급된 상기 산소와 상기 제 2 열교환기로부터 공급된 상기 공기가 열교환하는 제 4 열교환기 및 상기 정제기와 상기 제 2 열교환기 사이에 설치되고 상기 제 4 열교환기로부터 공급된 상기 산소와 상기 정제기로부터 공급된 상기 공기가 열교환하는 제 5 열교환기 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 공기액화분리기는 상기 분리기로부터 분리된 상기 산소를 상기 제 4 열교환기 및 제 5 열교환기 중 적어도 어느 하나에 공급하는 펌프를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 공기액화분리기는 상기 질소를 저장하는 질소저장부를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 압축기는 상기 연료전지시스템으로부터 발생한 상기 배기가스, 선박에서 발생되는 스팀 및 선박엔진의 배기가스 중 어느 하나 이상에 의해서 구동될 수 있다.
한편, 상기 압축기는 상기 연료전지시스템으로부터 발생된 전력에 의해서 구동될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 물 또는 해수를 저장하는 저장 탱크 및 연료 전지 시스템을 포함하고, 상기 저장 탱크에 저장된 상기 물과 해수 중 어느 하나를 전기분해하여 수소를 생성하거나 또는 상기 물과 해수 중 어느 하나를 나트륨과 반응시켜 수소를 생성하여 상기 연료 전지 시스템에 공급하는 것을 특징으로 하는 선박이 제공될 수 있다.
이 때, LNG를 저장하는 LNG 저장 탱크를 더 포함하고, 상기 연료 전지 시스템은 상기 LNG 저장 탱크로부터 상기 LNG를 공급받아 상기 LNG의 기화 중에 발생하는 냉열을 이용하여 공기로부터 액화산소를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템은 순수한 수소를 생성해서 이를 연료전지시스템에 공급하여 연료전지시스템의 효율을 향상시키고 반응률을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지시스템은 공기 중에 포함되어 있는 산소를 LNG의 기화열을 이용하여 액화시켜 순수한 산소를 생성하고 이를 연료전지시스템에 공급하여 연료전지시스템의 효율을 향상시키고 반응률을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기의 개략적인 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 선박에 대한 개략적인 구성도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다. 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기의 개략적인 구성도이다. 도 1에서, 촉매연소기(600)가 제 1 열교환기(500)에 공급하는 연소가스, 연료전지스택(700)이 촉매연소기(600)로 공급하는 배기가스, 제 1 열교환기(500)가 촉매연소기(600)에 공급하는 산소가스 및 촉매연소기가(600)가 연료전지스택에 공급하는 산소가스와 관련된 유동은 점선으로 도시하고 있다. 이하 도 3 및 4에서도 동일하다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템(10)은 수소생성부(200), 산소생성부, 연료처리부(300), 제 1 열교환기(500), 연료전지스택(700) 및 촉매연소기(600)를 포함할 수 있다.
수소생성부(200)는 수소를 생성하여 연료전지스택(700)에 공급한다. 수소생성부(200)는 알칼리 해수 생성부(210) 및 해수 저장부(270)를 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다. 수소를 생성할 수 있는 장치라면 본 발명의 기술사상에 포함될 수 있다.
알칼리 해수 생성부(210)는 해수를 공급받아 해수를 전기분해하여 수소기체와 염소기체를 생성한다. 하기의 [화학식 1]에 의한 전기분해를 통해서 해수는 수산화나트륨을 포함하고 있는 알칼리해수, 수소기체 및 염소기체를 생성한다.
Figure pat00001
바람직하게는 알칼리 해수 생성부(210)는 알칼리 해수 생성장치(ULFELS, Ultra-low Frequency Electrolysis System)일 수 있다. 플랜트나 선박 내에서 화석에너지를 연료로 디젤발전기를 가동하면 배기 가스가 발생하는데, 알칼리 해수 생성장치는 이러한 배기 가스를 저감하기 위한 장치이다.
알칼리 해수 생성장치는 해수를 알칼리화하고 이 해수를 NOx, SOx, CO2가 포함되어 있는 배기가스에 분사한다. 그리고 NOx, SOx, CO2와 반응하고 배출되는 해수를 처리한다.
알칼리 해수 생성장치는 해수를 알칼리화하는 과정에서 상기의 [화학식 1]에 의해서 수소를 생성한다. 그리고 생성된 수소를 연료전지스택(700)에 공급할 수 있다.
이 때, 알칼리 해수 저장부(270)는 생성된 알칼리 해수를 알칼리 해수 생성부(210)로부터 공급받아 저장한다.
한편, 산소생성부는 산소가스와 액화산소 중 어느 하나 이상을 연료전지스택(700)에 공급한다. 바람직하게는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템(10)은 산소생성부의 실시예로써 공기액화분리기(100)를 사용할 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않는다. 순수한 산소가스를 공급할 수 있는 장치라면 본 발명의 기술사상에 포함될 수 있다.
이 때, 산소가스와 액화산소 중 어느 하나 이상을 연료전지스택(700)에 공급하기 전에 먼저 산소가스의 온도를 상승시키거나 또는 액화산소를 산소가스로 상변화시키기 위해서 제 1 열교환기(500)에 공급할 수 있다.
공기액화분리기(100)는 외부로부터 공기를 공급받아 LNG의 기화 중에 발생하는 냉열을 이용하여 공기를 냉각시켜서 액화 산소를 분리한다.
도 2를 참조하면, 공기액화분리기(100)는 압축기(110), 정제기(120), 제 2 열교환기(140), 팽창밸브(130) 및 분리기(180)로 구성될 수 있다.
압축기(110)는 외부로부터 공급받은 공기를 압축한다. 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템에서 외부동력 소모장치인 압축기(110)의 동력은 다음과 같은 방법으로 공급될 수 있다.
첫째로, 압축기(110)는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템으로부터 발생한 배기가스를 이용하여 공기를 압축할 수 있다. 예를 들면, 고온연료전지(MCFC, SOFC)의 배기가스를 이용하여 터빈을 구동하는 방식으로 압축기가 작동될 수 있다.
둘째로, 압축기(110)는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템으로부터 발생한 전력에 의해서 구동될 수 있다. 이 방식은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 생산 전력의 일부를 소모하게 된다.
셋째로, 선박에서 발생된 스팀을 사용하여 공기를 압축할 수 있다. 예를 들면, LNG의 증발가스 연소를 통해 청수를 가열하여 발생한 스팀(steam)을 공급받아 압축기를 구동할 수 있다. 바람직하게는 압축기는 LNG저장탱크 및 연료전지시스템을 포함하는 LNG선박에서 LNG의 증발가스 연소를 통해 청수를 가열하여 발생된 스팀을 공급받아 터빈을 구동하는 방식으로 압축기가 작동될 수 있다.
넷째로, 선박을 추진하는 엔진의 배기가스를 사용하여 공기를 압축할 수 있다. 예를 들면, 주추진 엔진의 배기가스를 이용하여 공기를 압축할 수 있다. 그리고 선박의 엔진의 배기가스를 이용하여 스팀을 발생시키는 이코노마이저(economizer)에서 스팀을 공급받아 터빈을 구동하는 방식으로 공기를 압축할 수 있다.
한편, 정제기(120)는 압축기(110)로부터 압축된 공기를 공급받아 압축된 공기를 정제한다. 정제기(120)는 압축된 공기에 포함된 이산화탄소(CO2) 및 수분을 제거한다.
제 2 열교환기(140)는 외부로부터 LNG를 공급받아 압축된 공기를 냉각시킨다. 공급된 LNG는 압축된 공기로부터 열을 빼앗아 기화한다. 그리고 기화되는 LNG에 열을 빼앗긴 압축된 공기는 냉각된다.
팽창밸브(130)는 압축된 공기를 단열팽창시킨다. 압축된 공기가 단열팽창됨에 따라서, 압축된 공기는 산소를 액화시킬 수 있는 액화온도에 도달하게 된다. 압축된 공기가 외부에서 공급받는 열원 없이 팽창밸브(130)를 지나면서 부피가 팽창되고 이에 따라서 압축된 공기는 냉각되어 공기 중에 포함된 산소가 액화할 수 있는 온도에 이르게 된다.
분리기(180)는 팽창밸브(130)로부터 공기를 공급받아 액체산소(LO2)와 질소로 분리한다. 이때 생성된 질소가스(GN2)는 비활성 기체이므로 저장탱크에 저장하거나 다른 필요한 용도에 사용할 수도 있다. 그리고 생성된 액체산소는 제 1 열교환기(500)에 공급된다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기(100)는 질소를 저장하는 질소저장부(191)를 더 포함할 수 있다.
한편, 연료처리부(300)는 공기액화분리기에서 기화된 NG를 공급받아 수소가 포함된 연료가스를 생성한다. 이때, 연료처리부(300)는 기화된 NG를 공급받아 황성분을 제거하는 탈황기 및 황성분이 제거된 NG를 공급받아 개질하여 수소를 포함하는 연료가스를 생성하는 개질기를 포함할 수 있다.
한편, 도 1을 참조하면, 제 1 열교환기(500)는 연료전지스택(700)에서 배출되는 고온의 배기가스로 열교환을 하여 공기액화분리기(100)로부터 공급되는 액화 산소의 온도를 일차적으로 상승시킨다. 이를 통해서 액화 산소를 산소 가스로 상변화시킨다.
또한, 제 1 열교환기(500)는 촉매연소기(600)로부터 고온의 연소가스를 공급받아 액화 산소와 열교환 할 수 있다.
이 때, 제 1 열교환기(500)는, 도 1에 도시되지 않았으나, 연료처리부(300)에서 생성된 수소를 포함하는 연료가스를 촉매연소기의 고온의 연소가스 또는 연료전지스택의 배기가스와 열교환하여 연료가스의 온도를 상승시킨 후에 연료전지스택에 공급할 수 있다. 여기에서, 배기가스는 후술되는 연료극의 배출가스 및 공기극의 배출가스를 포함할 수 있다.
한편, 연료전지스택(700)은 제 1 열교환기(500) 또는 촉매연소기(600)로부터 기화된 산소를 공급받고, 수소생성부(200)로부터 순수한 수소를 공급받거나 연료처리부(300)로부터 수소가 포함된 연료가스를 공급받아 전류를 생산한다. 이때 연료전지스택(700)은 연료극 가스 배출구와 연료극 가스 유입구를 포함하는 연료극 및 공기극 가스 배출구와 공기극 가스 유입구를 포함하는 공기극을 포함할 수 있다.
이때, 연료전지스택(700)은 연료극 가스 유입구를 통해 유입된 연료가스 및 순수한 수소를 연료극 가스 배출구로 배출한다. 연료극의 배출가스는 전기화학적 반응이 수행된 연료 가스 및 전기화학적 반응이 수행되지 않은 미반응 연료가스를 포함할 수 있다. 또한, 전기화학적 반응이 수행된 수소가스 및 전기화학적 반응이 수행되지 않은 수소가스를 포함할 수 있다.
또한, 연료전지스택(700)은 공기극 가스 유입구를 통해 유입된 산소가스를 공기극 가스 배출구로 배출한다. 이때, 공기극의 배출가스는 전기화학적 반응이 수행되지 않은 미반응 산소를 포함할 수 있다.
한편, 촉매연소기(600)는 공기극의 배출가스 및 연료극의 배출가스를 공급받아 연소시켜 고온의 연소가스를 생성하고, 고온의 연소가스를 이용하여 제 1 열교환기(500)로부터 공급되는 산소의 온도를 2차로 올려준다. 그리고 촉매연소기(600)는 온도가 상승된 산소를 연료전지스택(700)에 공급한다. 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템에서는 제 1 열교환기(500) 및 촉매연소기(600)에서 산소의 온도를 상승시켰으나, 예를 들면, 각각 하나씩만을 사용하여 산소의 온도를 상승시킬 수도 있다.
다음으로 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템을 사용하여 전류를 생산하는 과정을 설명한다.
먼저, 수소생성부(200)의 알칼리 해수 생성부(210)에서 해수를 전기분해하여 순수한 수소기체를 생성하고 생성된 순수한 수소기체를 연료전지스택(700)에 공급한다. 그리고 해수 저장부(270)가 알칼리 해수 생성부(210)에서 생성된 알칼리해수를 전달받아 저장한다.
다음으로 외부에서 공급된 공기는 압축기(110)에 의하여 압축된다. 이후에 정제기(120)가 압축된 공기에서 CO2와 수분을 제거한다. 이후에 제 2 열교환기(140)에 LNG가 공급되어 LNG가 기화되면서 압축 공기로부터 열을 빼앗아 압축공기를 냉각시킨다.
다음으로, 냉각된 압축 공기는 팽창밸브(130)를 통과하며 단열 팽창하고, 공기 중에 포함된 산소는 액화 온도에 도달한다. 이후에, 분리기에서 공기는 액체산소와 질소로 분리된다.
이후에, 제 1 열교환기(500)가 공기액화분리기(100)로부터 공급받은 액화 산소를 연료전지스택(700)으로부터 고온의 배기가스를 공급받아 가열한다. 가열된 액화 산소는 기체로 상변화되어 산소가스의 형태로 촉매연소기(600)로 공급된다. 촉매연소기(600)는 연료전지스택으로부터 미반응 연료가스가 포함된 고온의 배기가스를 공급받아 연소시키고, 발생된 연소가스를 이용하여 산소 가스의 온도를 2차로 상승시킨다. 온도가 상승된 산소가스는 연료전지스택에 공급된다.
한편, 제 2 열교환기(140)를 통과한 LNG는 기화되어 기체로 된다. 그리고 기화된 NG는 연료처리부(300)로 공급된다. 이후에 연료처리부(300)의 탈황기에서 기화된 NG를 공급받아 탈황을 한다. 다음으로 연료처리부(300)의 개질기에서 탈황된 NG를 개질하여 연료가스를 생성한다. 생성된 연료가스는 연료전지스택(700)에 공급된다.
이후에 연료전지스택(700)에서 연료가스에 포함된 수소나 수소생성부에서 생성된 순수한 수소가 산소와 반응하여 전류, 수증기 및 열이 발생된다.
한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료처리시스템의 공기액화분리기는 LNG를 연료처리부(300)에 공급하기에 앞서 LNG를 기화시킨다. LNG가 기화되면서 열을 빼앗는 원리를 이용하여 공기액화분리기(100)는 액화분리공정을 진행한다. 여기에서 액화분리공정은 LNG가 기화될 때 공기로부터 열을 흡수하여 공기를 냉각시키고, 이를 통해서 공기 중에 포함된 산소를 액화시켜 공기로부터 산소를 분리하는 과정이다.
이때, 액화분리 단계에서 분리된 산소는 연료전지스택에 공급에 앞서 작동 온도에 맞게 온도가 상승 되어야 한다. 이를 위하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료처리시스템은 제 1 열교환기(500)를 사용하여 산소를 작동온도까지 가열하여 연료전지스택(700)에 공급한다.
한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템은 연료가스와 산소를 연료전지스택에 공급하여 전력을 생산하며 출력 측면에서는 산화제로 순수산소를 공급하는 것이 적합하나 경제적인 측면에서 대기 중의 공기를 공급할 수 있다.
그러나 공기의 80% 정도를 차지하는 질소는 비활성 물질이므로 공급된 연료가스의 화학에너지를 열의 형태로 흡수하여 연료전지시스템의 효율을 감소시킬 수 있다. 또한 공기를 공급하는 방식은 순산소 공급에 비하여 산소 농도가 낮게 형성되어 반응률(reaction rate)이 낮아질 수 있다.
따라서 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템은 공기 중에 포함되어 있는 산소를 액화하여 공급한다. 이에 따라서 질소가 분리되어 비활성 물질에 의한 불필요한 에너지 손실을 방지하고 반응률을 증가시켜, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템은 촉매 혹은 반응에 필요한 물질의 양을 감소시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템은 플랜트나 선박 등에서는 화석연료로 전력을 생산하는 발전설비의 배기가스를 처리하는 알칼리 해수 생성장치(ULFELS, Ultra-low Frequency Electrolysis System)로부터 순수한 수소를 공급받아 가동될 수 있어 효율적으로 운영될 수 있다.
다음으로 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템을 설명한다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템의 구성 중 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 구성과 유사하거나 동일한 구성은 자세한 설명을 생략한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템의 수소생성부(200')는 반응기(230) 및 해수 저장부(270)를 포함할 수 있다.
반응기(230)는 나트륨(Na)과 해수를 반응시켜 하기의 [화학식 2]에 의해서 수산화나트륨(NaOH) 및 수소기체를 생성한다. 생성된 알칼리해수는 해수저장부(270)에 저장되고, 수소기체는 연료전지스택(700)에 공급된다.
Figure pat00002
반응기가 해수와 나트륨을 반응시켜 순수한 수소기체를 생성하고 이를 연료전지스택(700)에 공급함으로써, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템은 보다 효율적으로 가동될 수 있다.
이 때, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지시스템은 해수를 나트륨과 반응시켜 수소기체를 생성하였으나, 예를 들면, 물을 나트륨과 반응시켜 수소기체를 생성할 수도 있다.
다음으로 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템을 설명한다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템의 구성 중 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 구성과 유사하거나 동일한 구성은 자세한 설명을 생략한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템은 전기분해부(250)를 포함할 수 있다. 이 때, 전기분해부(250)는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 수소생성부(200)에 대응한다.
전기분해부(250)는 물을 전기분해하여 하기 [화학식 3]에 의하여 수소기체와 산소기체를 생성한다. 이 때, 생성된 순수한 수소기체를 연료전지스택(700)에 공급한다.
Figure pat00003
본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지시스템은 전기분해부에서 물을 전기분해하여 순수한 수소를 생성하고, 순수한 수소를 연료전지스택에 공급함으로써, 연료전지시스템의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
다음으로 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기를 설명한다.
도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기의 개략적인 구성도이다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기(100') 구성 중 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기의 구성과 유사하거나 동일한 구성은 자세한 설명을 생략한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기(100')는 외부로부터 공기를 공급받아 LNG의 기화 중에 발생하는 냉열을 이용하여 공기로부터 산소를 분리한다.
이때, 공기액화분리기(100')는 압축기(110), 정제기(120), 제 2 열교환기(140), 팽창밸브(130), 분리기(180), 제 3 열교환기(170), 제 4 열교환기(150) 및 제 5 열교환기(160)를 포함할 수 있다.
제 3 열교환기(170), 제 4 열교환기(150) 및 제 5 열교환기(160)는 산소 또는 질소를 공급받아 공기를 냉각시킨다.
도 5를 참조하면, 제 3 열교환기(170)는 분리기(180)로부터 질소를 공급받아 압축기(110)로부터 공급받은 공기를 냉각시킨다. 제 3 열교환기(170)는 압축기와 정제기 사이에 설치된다.
제 4 열교환기(150)는 액체산소를 분리기(180)로부터 공급받아 제 2 열교환기(140)로부터 공급된 공기를 냉각시킨다. 제 4 열교환기(150)는 제 2 열교환기(140)와 팽창밸브(130) 사이에 설치된다.
제 5 열교환기(160)는 제 4 열교환기(150)로부터 공급받은 산소를 이용하여 정제기(120)로부터 공급된 압축된 공기를 냉각시킨다. 제 5 열교환기(160)는 정제기(120)와 제 2 열교환기(140) 사이에 설치된다.
다음으로 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기(100')가 공기 중에 포함되어 있는 산소를 액화하여 공기에서 산소를 분리하는 과정을 설명한다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기(100')가 공기 중에 포함되어 있는 산소를 액화하여 공기에서 산소를 분리하는 과정은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기(100)가 공기 중에 포함되어 있는 산소를 액화하여 공기에서 산소를 분리하는 과정에 부가적으로 분리된 산소와 질소의 냉열을 사용하여 유입된 공기를 냉각시키는 과정이 추가된다.
좀 더 상세히, 분리기(180)에서 배출된 저온의 질소 가스는 제 3 열교환기(170)에 공급되어 압축기로부터 공급된 공기를 냉각시킨다. 다음으로 분리기(180)에서 분리된 액체 산소는 펌프(190)에 의해서 제 4 열교환기(150)에 공급되고, 액체산소가 차례로 제 4 열교환기(150) 및 제 5 열교환기(160)를 지나면서 공기를 냉각시킨다.
최종적으로 질소 기체는 배출되거나 질소저장부(191)에 저장되어 비활성 가스가 필요한 영역에 사용될 수 있다. 그리고 산소 가스는 제 1 열교환기(500)에 공급된다.
이때, 제 3 열교환기(170), 제 4 열교환기(150) 및 제 5 열교환기(160)의 위치는 전체 과정의 상황에 따라 변할 수 있다.
한편, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기는 분리된 산소와 질소의 냉열을 이용함에 따라 압축기에 요구되는 부하를 줄이고 최소한의 에너지 입력으로 공기액화분리 과정을 진행할 수 있다.
분리기(180)에서 배출되는 질소와 산소는 저온이며 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지시스템의 목적은 기체의 액화 저장이 아니기 때문에 이를 공기의 냉각에 사용할 수 있다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지시스템의 공기액화분리기는 공기의 액화 분리를 통하여 산소 분압이 높은 공기 혹은 순산소를 연료전지스택에 공급한다. 특히 산소의 경우 가열된 기체상태로 연료전지스택(700)에 공급되어야 하기 때문에 액체 상태에서 다시 기화 프로세스를 진행하여야 한다. 예를 들면, 액체상태의 산소는 열교환기에서 배기가스와 열교환을 진행하여 다시 기화된다.
다음으로 본 발명의 제 5 실시예에 따른 선박에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 선박에 대한 개략적인 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 선박(900)은 앞서 설명한 다양한 실시예에 따른 연료전지시스템을 구비하며, 연료 전지 시스템의 일 구성요소, 예를 들어 수소생성부에 해수 또는 물을 공급하기 위한 저장 탱크(910)를 포함할 수 있다. 또한, 저장된 LNG를 연료 전지 시스템에 공급하는 LNG 저장 탱크(920)를 포함할 수도 있다.
이 때, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 선박은 저장 탱크(910)로부터 물 또는 해수를 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템에 공급한다. 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템은 물 또는 해수를 공급받아 전기분해하여 순수한 수소를 생성하고 이를 이용하여 전기를 생산한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템은 물 또는 해수를 나트륨과 반응하여 수소를 생성하고 이를 이용하여 전기를 생산한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지시스템(10)이 저장 탱크(910)에 저장된 물 또는 해수를 공급받아 순수한 수소를 생성하여 작동함으로써, 연료 전지 시스템의 작동 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
본 명세서에서, “선박”이라는 용어는 수상을 항해하는 구조물을 의미하는 것으로 한정되지 않으며, 수상을 항해하는 구조물뿐만 아니라, 수상에서 부유하며 작업을 수행하는 FLNG와 같은 해상 구조물을 포함하는 것으로 사용된다. 본 실시형태의 선박은 예를 들어, LNGC 또는 FLNG일 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
이상으로 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것이다.
10 : 연료전지시스템 100 : 공기액화분리기
110 : 압축기 120 : 정제기
130 : 팽창밸브 140 : 제 2 열교환기
170 : 제 3 열교환기 150 : 제 4 열교환기
160 : 제 5 열교환기 180 : 분리기
190 : 펌프 191 : 질소저장부
200, 200' : 수소생성부 210 : 알칼리해수생성부
230 : 반응기 250 : 전기분해부
270 : 해수저장부 300 : 연료처리부
500 : 제 1 열교환기 600 : 촉매연소기
700 : 연료전지스택 900 : 선박
910 : 저장탱크 920 : LNG 저장 탱크

Claims (17)

  1. 물과 해수 중 어느 하나를 이용하여 수소 가스를 생성하는 수소생성부;
    공기와 LNG를 공급받아 상기 LNG가 기화된 NG로 상변화 할 때 발생되는 냉열을 이용하여 상기 공기로부터 산소가스와 액화산소 중 어느 하나 이상을 생성하는 공기액화분리기;
    상기 공기액화분기리로부터 생성된 액화 산소를 산소 가스로 상변화시키도록 상기 액화 산소와 열교환하거나 또는 상기 산소 가스와 열교환하는 제 1 열교환기 및
    상기 수소 가스 및 상기 산소 가스를 공급받아 전류를 생산하는 연료전지스택을 포함하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수소생성부는,
    해수를 전기분해하여 상기 수소가스를 생성하는 알칼리 해수 생성부를 포함하는 연료전지시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 수소생성부는,
    물을 전기분해하여 상기 수소가스를 생성하는 전기분해부를 포함하는 연료전지시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 수소생성부는,
    상기 물과 해수 중 어느 하나를 나트륨과 반응시켜 상기 수소가스를 생성하는 반응기를 포함하는 연료전지시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지스택에서 발생된 고온의 배기가스가 상기 제 1 열교환기에 공급되어 상기 산소 가스와 액화 산소 중 어느 하나 이상과 열교환하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지스택에서 발생된 고온의 배기가스를 연소시켜 상기 액화산소 또는 산소 가스의 온도를 상승시키는 촉매연소기를 더 포함하는 연료전지시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 촉매연소기로부터 발생된 연소 가스가 상기 제 1 열교환기에 공급되어 상기 산소 가스와 액화 산소 중 어느 하나 이상과 열교환 하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 기화된 NG를 공급받아 수소를 포함하는 연료가스를 생성하는 연료처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 연료처리부는,
    상기 기화된 NG를 공급받아 황성분을 제거하는 탈황기 및
    탈황된 상기 기화된 NG를 공급받아 개질하여 수소를 포함하는 상기 연료가스를 생성하는 개질기를 포함하는 연료전지시스템.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 공기액화분리기는,
    상기 공기를 압축하는 압축기;
    상기 압축기에 의하여 압축된 공기를 정제하는 정제기;
    상기 LNG의 기화열과, 상기 정제기에서 정제된 공기가 열교환하는 제 2 열교환기;
    상기 열교환 된 공기를 단열 팽창시켜 상기 공기에 포함된 산소가 액화 온도에 도달하게 하는 팽창 밸브 및
    상기 팽창 밸브를 지난 상기 공기를 산소와 질소로 분리하는 분리기를 포함하는 연료전지시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 공기액화분리기는,
    상기 압축기와 상기 정제기 사이에 설치되고 상기 분리기로부터 분리되어 공급된 상기 질소와 상기 압축기로부터 공급된 상기 공기가 열교환하는 제 3 열교환기;
    상기 제 2 열교환기와 상기 팽창밸브 사이에 설치되고 상기 분리기로부터 분리되어 공급된 상기 산소와 상기 제 2 열교환기로부터 공급된 상기 공기가 열교환하는 제 4 열교환기 및
    상기 정제기와 상기 제 2 열교환기 사이에 설치되고 상기 제 4 열교환기로부터 공급된 상기 산소와 상기 정제기로부터 공급된 상기 공기가 열교환하는 제 5 열교환기 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 연료전지시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 공기액화분리기는,
    상기 분리기로부터 분리된 상기 산소를 상기 제 4 열교환기 및 제 5 열교환기 중 적어도 어느 하나에 공급하는 펌프를 더 포함하는 연료전지시스템.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 공기액화분리기는,
    상기 질소를 저장하는 질소저장부를 더 포함하는 연료전지시스템.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 압축기는,
    상기 연료전지시스템으로부터 발생한 상기 배기가스, 선박에서 발생되는 스팀 및 선박엔진의 배기가스 중 어느 하나 이상에 의해서 구동되는 연료전지시스템.
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 압축기는,
    상기 연료전지시스템으로부터 발생된 전력에 의해서 구동되는 연료전지시스템.
  16. 물 또는 해수를 저장하는 저장 탱크를 구비한 선박으로서,
    제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항의 연료 전지 시스템을 포함하고,
    상기 저장 탱크에 저장된 상기 물과 해수 중 어느 하나를 전기분해하여 수소를 생성하거나 또는 상기 물과 해수 중 어느 하나를 나트륨과 반응시켜 수소를 생성하여 상기 연료 전지 시스템에 공급하는 것을 특징으로 하는 선박.
  17. 제 16항에 있어서,
    LNG를 저장하는 LNG 저장 탱크를 더 포함하고,
    상기 연료 전지 시스템은,
    상기 LNG 저장 탱크로부터 상기 LNG를 공급받아 상기 LNG의 기화 중에 발생하는 냉열을 이용하여 공기로부터 액화산소를 생성하는 것을 특징으로 하는 선박.
KR1020110003938A 2011-01-14 2011-01-14 연료전지시스템 및 이를 구비한 선박 KR101259820B1 (ko)

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