KR20120133634A - 연료전지시스템 및 이를 구비하는 선박 - Google Patents

연료전지시스템 및 이를 구비하는 선박 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지시스템 및 이를 구비하는 선박에 관한 것으로, 수증기를 포함하는 배기가스를 배출하는 연료전지스택과, 연료전지스택에 연료가스를 공급하는 연료공급부와, 연료전지스택에 공기를 공급하는 공기공급부와, 연료전지스택의 배기가스에 포함된 수증기를 응축시켜 상기 배기가스에서 초순수를 분리하는 응축부를 포함하여 구성되는 것이다.

Description

연료전지시스템 및 이를 구비하는 선박{FUEL CELL SYSTEM AND SHIP HAVING THE SAME}
본 발명은 연료전지 시스템 및 이를 구비한 선박에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초순수를 안정적으로 공급할 수 있는 연료전지 시스템 및 이를 구비한 선박에 관한 것이다.
일반적으로 화석 에너지 고갈의 문제를 해결할 수 있는 대체 에너지로서 수소 에너지가 각광 받고 있으며 수소 에너지의 이용 매체인 연료전지에 대한 연구 및 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치이다. 이러한 연료전지는 동작 온도와 주연료의 형태에 따라 알카리형 연료전지(AFC), 인산염형 연료전지(PAGC), 용융 탄산염형 연료전지(MCFC), 고체 전해질형 연료전지(SOFC), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC) 등으로 구분된다.
예컨대, 알카리형 연료전지와 고분자 전해질형 연료전지는 상온 ~ 100도 이하에서 가동되고, 인산염형 연료전지는 약 150도 ~ 200도 부근에서 가동된다. 그리고, 용융 탄산염형 연료전지와 고체 전해질형 연료전지는 고온형 연료전지로서, 일반적으로 약 600도 ~ 1000도의 고온에서 가동된다. 이러한 고온형 연료전지가 선박에서 가동되기 위해서는 고온상태의 온도를 유지해야 한다.
한편, 연료전지가 선박에 탑재될 경우, 선박으로부터 공급될 수 있는 잉여 에너지를 통하여 선박에 탑재된 연료전지 시스템의 효율을 증대시킬 수 있다. 통상적으로 MBOP(Mechanical Balance of Plant), 연료전지 스택 및 EBOP(Electrical Balance of Plant)를 포함하는 연료전지 시스템의 성능은 연료전지 스택(stack) 자체의 성능뿐 아니라, 연료전지의 주변장치 즉 BOP(Balance of Plant)의 효율적인 운전에 의해 향상될 수 있다.
그러나, 종래의 선박에 사용되는 연료전지 시스템은 해수를 이용하여 청수를 생성하고, 생성한 청수를 탈이온화하여 초순수로 생성하고, 생성된 초순수를 다시 연료전지에 공급하는 과정으로 이루어진다.
이와 같이, 초순수를 생성하여 연료전지에 공급하는 과정에서 여러 단계의 설비를 거치게 되어 각 단계별로 설비 가동에 따른 많은 에너지 소모가 발생할 수 있다. 또한, 초순수를 생성하는 초순수 생성 수단을 지속적으로 가동시켜 초순수를 연료전지에 공급해야 하므로, 해당 설비 가동에 따른 에너지 소모 및 오작동 등의 비상 상황이 발생할 경우 안정적으로 초순수를 연료전지에 공급할 수 없는 문제점이 있다.
일 측은, 초순수 공급부를 개선하여 초순수를 안정적으로 공급할 수 있는 연료전지시스템 및 이를 구비하는 선박을 개시한다.
다른 일 측은, 초순수 공급부를 개선하여 연료전지시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지시스템 및 이를 구비하는 선박을 개시한다.
일 기술적 사상에 따른 연료전지시스템은 수증기를 포함하는 배기가스를 배출하는 연료전지스택;과 상기 연료전지스택에 연료가스를 공급하는 연료공급부;와 상기 연료전지스택에 공기를 공급하는 공기공급부;와 상기 연료공급부와 상기 공기공급부 중 적어도 어느 하나로 초순수를 공급하는 초순수공급부;와 상기 연료전지스택의 배기가스에 포함된 수증기를 응축시켜 상기 배기가스에서 초순수를 분리하는 응축부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 초순수공급부는, 상기 응축부에 의해서 분리된 초순수를 저장하는 초순수 저장탱크;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 초순수공급부는, 초순수를 생성하는 초순수 제너레이터;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 초순수 저장탱크는 그 내부에 저장된 초순수를 상기 연료공급부와 상기 공기공급부 중 적어도 어느 하나에 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 연료공급부는 상기 초순수공급부에서 공급되는 초순수를 이용하여 연료를 개질시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 공기공급부는 상기 초순수공급부에서 공급되는 초순수를 이용하여 공기를 가습시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 응축부는, 선박에서 사용되는 해수/조수공급시스템과 LNG공급시스템, 쿨링시스템 중 적어도 어느 하나를 이용하여 배기가스를 응축시키는 응축기;와 상기 응축기에서 응축된 배기가스에서 초순수를 분리하는 응축수분리기;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 LNG공급시스템은 LNG를 저장하는 LNG저장탱크;와, 상기 LNG를 NG로 변화시키는 기화기;를 포함하고, 상기 기화기는 상기 LNG를 NG로 변화시키는 열교환 매개체;를 포함하며, 상기 응축기에서 상기 열교환 매개체가 상기 배기가스를 응축시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 초순수 저장탱크는 상기 연료전지스택에서 배출되는 배출수를 포집하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 초순수 저장탱크는 상기 연료전지스택의 연료극 배출구에서 배출되는 배출가스와 상기 연료전지의 공기극 배출구에서 배출되는 배출가스를 구별하는 격벽;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 응축부는 상기 초순수 저장탱크 내부에 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 응축부는, 상기 초순수 저장탱크의 내부에 저장된 초순수를 이용하여 배기가스를 응축시키는 응축기;와 상기 응축기에서 응축된 배기가스에서 초순수를 분리하는 응축수분리기;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 다른 기술적 사상에 따른 선박은 상술한 연료전지시스템을 구비할 수 있다.
일 실시예에 따른 연료전지 시스템 및 이를 구비한 선박은 선박의 연료전지에 초순수를 안정적으로 공급하고, 고효율의 연료전지 운전을 수행할 수 있다.
또한, 연료전지 스택으로부터 배출된 배기 가스에 포함된 초순수를 분리시켜 저장하고, 저장된 초순수를 연료전지에 공급함으로써, 초순수를 생성하는 설비의 가동을 줄이는 동시에 선박의 연료전지에 초순수를 안정적으로 공급할 수 있다.
또한, 해수/조수 또는 LNG의 기화 중에 발생하는 냉열을 이용하여 배기 가스로부터 초순수를 효과적으로 분리시켜 저장하고, 저장된 초순수를 연료전지에 공급함으로써 초순수를 연료전지에 보다 효과적으로 공급할 수 있다.
또한, 기 저장된 초순수를 이용하여 배기 가스에 포함된 초순수를 응축시켜 해당 배기 가스로부터 초순수를 분리시킴으로써, 별도의 응축 수단이 구비되지 않고도 배기 가스로부터 초순수를 효과적으로 분리시켜 활용할 수 있다.
또한, 초순수가 저장되는 저장 수단에 격벽을 형성하여 연료전지 스택의 연료극과 공기극의 배출구로부터 배출된 배기 가스를 각각 전극별로 구별하여 수용함으로써, 기 저장된 초순수에 접촉된 배기 가스 중 미반응 배기 가스를 연료전지의 종류에 따라 다양하게 활용할 수 있다.
또한, 초순수 제너레이터를 구동하지 않아도 초순수를 얻을 수 있으므로 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 주요 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 연료전지시스템을 구체화하여 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 응축부(60)의 또 다른 양태를 나타낸 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 연료전지시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 연료전지시스템의 응축부를 구체적으로 나타낸 도면이다.
이하에서는 일 실시예에 따른 에 대하여 첨부 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 주요 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 연료전지시스템을 구체화하여 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지시스템(10)은 연료전지스택(20)과 연료공급부(30), 공기공급부(40), 초순수공급부(50), 응축부(60)를 포함하여 구성될 수 있다.
연료전지스택(20)은 연료 가스와 공기를 공급받아 전기를 생산하고, 수증기를 포함한 배기 가스를 배출한다. 연료전지스택(20)은 연료극(anode)의 유입구(21)를 통해 연료 가스를 공급받고, 공기극(cathode)의 유입구(22)를 통해 공기를 공급받는다. 그리고, 연료전지 스택(130)은 각각의 연료극 및 공기극의 배출구(23, 24)를 통해 수증기를 포함한 배기 가스를 배출시킨다. 이때 수증기는 기체 상태의 초순수(de-ionized water)이고, 이 수증기가 배기가스에 포함되어 배출된다.
한편, 연료전지스택(20)은 액체 상태의 초순수를 배출할 수 있다. 이때 연료전지스택(20)에 나오는 배출수는 초순수이기 때문에 배관(25)을 통하여 초순수 저장탱크(52)에 저장된다.
연료공급부(30)는 연료와 스팀을 공급받아 개질된 연료가스(또는 개질가스)를 생성하고, 이를 연료전지스택(20)의 연료극(Anode)에 공급한다.
연료공급부(30)는 개질기(31)를 포함하여 구성될 수 있다. 개질기(31)는 연료와 스팀을 공급받아 개질가스를 생성한다. 연료는 LNG, NG 또는 디젤 등을 포함한다. 초순수공급부(50)에서 공급되는 초순수는 스팀 형태로 개질기(31)에 공급된다. 즉, 초순수공급부(50)에서 공급되는 초순수는 열교환기(미도시)를 통과하면서 스팀으로 상변화를 일으키고, 이처럼 상변화된 스팀이 개질기(31)에 공급된다. 여기서, 열교환기로는 선박의 폐열 또는 연료전지시스템의 버너 등이 사용된다. 이때 개질기(31)는 스팀 개질기(steam reformer) 또는 자연 개질기(Auto-Thermal reformer)일 수 있다. 이렇게 개질기(31)에서 개질된 개질가스는 수소가스 또는 수소가 농후한 가스일 수 있다.
한편, 개질기(31)는 부분 개질기(POX: Partial Oxidation)일 수 있는데, 이 경우 스팀을 공급받지 않는다. 부분 개질기는 메탄과 산소를 공급받아 개질하기 때문이다.
공기공급부(40)는 공기를 가습하여 연료전지스택(20)의 공기극(Cathode)에 공급한다.
공기공급부(40)는 가습기(41)를 포함하여 구성될 수있다. 가습기(41)는 초순수 공급부(50)로부터 초순수를 공급받아 공기를 가습한다. 이때 초순수는 스팀 형태로 공급될 수 있다. 즉, 초순수공급부(50)에서 공급되는 초순수는 열교환기(미도시)를 통과하면서 스팀으로 상변화를 일으키고, 이처럼 상변화된 스팀이 개질기(31)에 공급된다. 여기서, 열교환기로는 선박의 폐열 또는 연료전지시스템의 버너 등이 사용된다.
초순수 공급부(50)는 초순수 제너레이터(51)와 초순수 저장탱크(52), 제어부(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.
초순수 제너레이터(51)는 초순수(De-Ionized Water)를 생성하고, 초순수 저장탱크(52)는 초순수 제너레이터(51)에서 생성된 초순수를 저장한다. 이때 초순수 저장탱크(52)에 저장된 초순수는 연료공급부(30)로 공급되어 연료를 개질하는데 사용되고, 공기공급부(40)로 공급되어 공기를 가습하는데 사용된다.
또한, 제어부는 초순수 저장량에 근거하여 초순수 제너레이터(51)의 동작을 제어할 수 있다. 제어부는 초순수 저장탱크(52)에 저장된 초순수의 저장량을 측정하고, 이 값이 기준값을 초과하는 경우 초순수 제너레이터(51)의 동작을 정지시킨다. 또한, 제어부는 초순수 저장탱크(52)에 저장된 초순수의 저장량이 기준치에 미달된 경우, 초순수 제너레이터(51)를 동작시킨다.
응축부(60)는 응축기(61)와 응축수 분리기(62), 해수공급시스템(70)을 포함하여 구성될 수 있다. 응축부(60)는 연료전지스택(20)에서 배출되는 배기가스에 포함된 수증기를 응축시켜 응축수를 배기가스에서 분리한다. 이때 응축수는 초순수이다. 이렇게 분리된 초순수는 초순수 저장탱크(52)에 저장된다.
응축기(61)는 해수공급시스템(70)의 해수를 이용하여 배기가스를 응축시킨다. 통상 해수공급시스템(70)에 의해서 공급되는 해수는 여러 가지로 사용된다. 예를 들면 해수는 담수화를 거쳐서 담수를 생성한다.
본 실시예에서는 해수공급시스템(70)의 해수가 배기가스를 응축시키기 위한 열교환 매체로 이용될 수 있다. 배기가스에 포함된 수증기는 차가운 해수와 열교환하여 응축되고, 액체 상태의 초순수가 얻어진다. 이후 응축수 분리기(62)를 통과하면서 초순수는 배기가스와 완전히 분리되어 초순수 저장탱크(52)로 이동한다.
한편, 응축부(60)는 응축기(61)와 응축수 분리기(62), 조수공급시스템(미도시)을 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 해수공급시스템(70)이 조수공급시스템으로 대체될 수 있다. 조수공급시스템은 조수를 공급하여, 고온의 엔진 냉각수와의 열 교환을 통해 청수를 공급하고, 냉각수의 온도를 낮추는데 사용된다.
본 실시예에서는 조수공급시스템의 조수가 배기가스를 응축시키기 위한 열교환 매체로 이용될 수 있다. 배기가스에 포함된 수증기는 차가운 조수와 열교환하여 응축되고, 액체 상태의 초순수가 얻어진다. 이후 응축수 분리기(62)를 통과하면서 초순수는 배기가스와 완전히 분리되어 초순수 저장탱크(52)로 이동한다.
또 한편, 응축부(60)는 응축기(61)와 응축수 분리기(62), 쿨링시스템을 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 해수공급시스템(70)이 쿨링시스템으로 대체될 수 있다. 쿨링시스템은 공조기(AHU, Air Handling Unit) 또는 냉각 유닛(Chiller Unit)을 포함할 수 있다. 이때 공조기는 선박 내에 신선한 공기가 순환되도록 공기 조화를 수행하는 장치이고, 냉각 유닛은 열 교환기 등에서 사용되는 냉매를 냉각시키는 데에 사용하는 장치이다.
본 실시예에서는 쿨링시스템(90)의 냉기(또는 냉매)가 배기가스를 응축시키기 위한 열교환 매체로 이용될 수 있다. 배기가스에 포함된 수증기는 차가운 냉기(냉기 또는 냉매)와 열교환하여 응축되고, 액체 상태의 초순수가 얻어진다. 이후 응축수 분리기(62)를 통과하면서 초순수는 배기가스와 완전히 분리되어 초순수 저장탱크(52)로 이동한다.
도 3은 일 실시예에 따른 응축부(60)의 다른 양태를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 응축부(60)는 응축기(61), 응축수 분리기(62), LNG공급시스템(100)을 포함할 수 있다. LNG공급시스템(100)은 LNG 저장탱크(101)와 기화기(102)를 포함하여 구성될 수 있다. 기화기(102)는 LNG를 NG로 바꾸는데 필요한 열을 열교환 매개체로부터 공급받는다. 이때 기화기(102)에서 열교환 매개체는 열을 빼앗겨서 매우 차가워진 상태로 되고, 이렇게 차가워진 열교환 매개체의 냉열은 수증기가 포함된 배기가스를 응축시키는데 사용될 수 있다. 열교환 매개체는 글리콜(Glycol)을 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 LNG공급시스템(100)의 냉열은 배기가스를 응축시키기 위한 열교환 매체로 이용될 수 있다. 배기가스에 포함된 수증기는 열교환 매개체의 냉열과 열교환하여 응축되고, 액체 상태의 초순수가 얻어진다. 이후 응축수 분리기(62)를 통과하면서 초순수는 배기가스와 완전히 분리되어 초순수 저장탱크(52)로 이동한다.
도 4은 다른 실시예에 따른 연료전지시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 연료전지시스템(210)은 연료전지스택(220)과 연료공급부(230), 공기공급부(240), 초순수공급부(250), 응축부(260)를 포함하여 구성될 수 있다
연료전지스택(220)은 연료극 유입구(221)를 통해 연료 가스를 공급받고, 공기극 유입구(222)를 통해 공기를 공급받는다. 그리고, 연료전지스택(220)에 나오는 배출수는 초순수이기 때문에 배관(225)을 통하여 초순수 저장탱크(252)에 저장된다.
이때, 초순수공급부(250)는 초순수 제너레이터(251)와 초순수 저장탱크(252)를 포함하여 구성되는데, 초순수 저장탱크(252)에는 격벽(253)이 마련될 수 있다. 이는 연료전지스택(220)의 연료극 배출구(223)에서 배출되는 배기가스와 연료전지스택(220)의 공기극 배출구(224)에서 배출되는 배기가스를 구별하여 사용하기 위함이다.
응축부(260)는 응축기(261)와 응축수 분리기(262)를 포함하여 구성되는데, 초순수공급부(50) 내부에 마련된다. 보다 구체적으로, 응축부(260)는 초순수 저장탱크(252) 내부에 마련된다. 도 4에 도시된 응축부(260)는 도 2 및 도 3에서 설명한 해수공급시스템(70)과 조수공급시스템, 쿨링시스템, LNG공급시스템(100) 중 적어도 어느 하나로 구성될 수 있다.
도 5은 도 4의 연료전지시스템에서 응축부를 구체적으로 나타낸 도면이다.
응축부(260)는 응축기(261)와 응축수 분리기(262), 초순수 저장탱크(252)에 저장된 초순수를 포함할 수 있다.
응축기(261)는 초순수 저장탱크(252)에 저장된 초순수를 이용하여 수증기를 포함하고 있는 배기가스를 응축시킨다. 배기가스에 포함된 수증기는 차가운 초순수와 열교환하여 응축되고, 액체 상태의 초순수가 얻어진다. 이후 응축수 분리기(262)를 통과하면서 초순수는 배기가스와 완전히 분리되어 초순수 저장탱크(252)에 저장된 초순수로 편입된다.
한편, 선박은 연료전지시스템(10, 210)과 해수공급시스템(70), 조수공급시스템, 쿨링시스템, LNG공급시스템(100)을 포함하여 구성될 수 있다.
연료전지시스템(10, 210)은 연료전지시스템(10)에서 배출되는 배기가스를 응축시켜 초순수를 얻어 재사용할 수 있다. 즉, 연료전지시스템(10, 210)은 해수공급시스템(70), 조수공급시스템, 쿨링시스템, LNG공급시스템(100) 중 적어도 어느 하나를 이용하여 수증기가 포함된 배기가스를 응축시키고, 이 응축수를 배기가스로부터 분리시켜 초순수를 얻을 수 있다. 이렇게 얻어진 초순수는 다시 연료전지시스템에 공급하여 에너지 효율을 높일 수 있다.
10: 연료전지시스템 20: 연료전지스택
30: 연료공급부 40: 공기공급부
50: 초순수공급부 60: 응축부

Claims (13)

  1. 수증기를 포함하는 배기가스를 배출하는 연료전지스택;과
    상기 연료전지스택에 연료가스를 공급하는 연료공급부;와
    상기 연료전지스택에 공기를 공급하는 공기공급부;와
    상기 연료공급부와 상기 공기공급부 중 적어도 어느 하나로 초순수를 공급하는 초순수공급부;와
    상기 연료전지스택의 배기가스에 포함된 수증기를 응축시켜 상기 배기가스에서 초순수를 분리하는 응축부;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초순수공급부는,
    상기 응축부에 의해서 분리된 초순수를 저장하는 초순수 저장탱크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 초순수공급부는,
    초순수를 생성하는 초순수 제너레이터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 초순수 저장탱크는 그 내부에 저장된 초순수를 상기 연료공급부와 상기 공기공급부 중 적어도 어느 하나에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료공급부는 상기 초순수공급부에서 공급되는 초순수를 이용하여 연료를 개질시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 공기공급부는 상기 초순수공급부에서 공급되는 초순수를 이용하여 공기를 가습시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 응축부는,
    선박에서 사용되는 해수/조수공급시스템과 LNG공급시스템, 쿨링시스템 중 적어도 어느 하나를 이용하여 배기가스를 응축시키는 응축기;와
    상기 응축기에서 응축된 배기가스에서 초순수를 분리하는 응축수분리기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 LNG공급시스템은ㅡ,
    LNG를 저장하는 LNG저장탱크;와
    상기 LNG를 NG로 변화시키는 기화기;를 포함하고,
    상기 기화기는 상기 LNG를 NG로 변화시키는 열교환 매개체;를 포함하며
    상기 응축기에서 상기 열교환 매개체가 상기 배기가스를 응축시키는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 초순수 저장탱크는 상기 연료전지스택에서 배출되는 배출수를 포집하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 초순수 저장탱크는 상기 연료전지스택의 연료극 배출구에서 배출되는 배출가스와 상기 연료전지의 공기극 배출구에서 배출되는 배출가스를 구별하는 격벽;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 응축부는 상기 초순수 저장탱크 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 응축부는,
    상기 초순수 저장탱크의 내부에 저장된 초순수를 이용하여 배기가스를 응축시키는 응축기;와
    상기 응축기에서 응축된 배기가스에서 초순수를 분리하는 응축수분리기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  13. 상기 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 연료전지시스템을 구비한 선박.
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