KR20130129515A - 연료전지탑재 선박의 열 순환 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지탑재 선박의 열 순환 시스템이 개시된다. 본 발명의 연료전지탑재 선박의 열 순환 시스템은, 액화천연가스 운반선의 전력 운용 시스템으로서, 선체에 마련된 LNG 저장탱크에서 액화천연가스를 공급받아 중압 상태로 저장하며, LNG 저장탱크로부터 연료 전지에 공급되는 연료의 공급 중단시 저장된 액화천연가스를 기화시켜 연료 전지로 공급하는 중압 버퍼 유닛; LNG 저장탱크 또는 중압 버퍼 유닛으로부터 연료를 공급받는 연료 전지 유닛; 및 연료 전지 유닛에서 발생하는 고온의 배기를 열원으로, 중압 버퍼 유닛에 액화천연가스의 기화에 필요한 열을 공급하는 열 순환 유닛을 포함한다.

Description

연료전지탑재 선박의 열 순환 시스템{Heat Circulation System of Ship Loaded Fuel Cell}
본 발명은 연료전지탑재 선박의 열 순환 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LNG 저장탱크로부터 연료 전지에 연료 공급 중단에 대비하여 액화천연가스를 중압 상태로 저장해 두고, 연료전지 시스템의 기화기에서 발생하는 배기에 의해 가열된 물로 중압의 액화천연가스를 기화시켜 연료전지에 공급할 수 있는 연료전지탑재 선박의 열 순환 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 전기화학 반응에 의해 반응물(수소와 산소)의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서 환경 조화성이 우수하고 높은 발전효율이 기대된다.
이러한 연료전지는 저온형과 고온형으로 분류되며, 고온형의 대표적인 예로는 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 고체산화물 연료전지가 있다.
고온형 연료전지의 특징을 간략히 살펴보면, MCFC의 경우 천연가스, 석탄가스 등 다양한 연료의 사용이 가능하며, 연소과정 없이 650℃ 내외의 고온에서 연료를 바로 전기로 바꾸는 전기화학 반응에 의하여 전기를 생산하는 방식이다.
고체산화물 연료전지의 경우는 천연가스, 석탄가스, 메탄올 등 다양한 연료의 사용과 1000℃ 이상의 고온에서 작동하므로, 연료전지의 후단에서 발생하는 고온 고압의 스팀을 이용하여 복합발전이 가능하다.
또한, 연소과정이 없고 연료에서 전기로 직접 발전되는 관계로 소음 및 대기오염 물질 배출이 적어 차세대 발전 방식으로 주목받고 있다.
이러한 MCFC의 단위 셀(unit cell)은, 전기화학 반응이 일어나는 애노드(anode) 및 캐소드(cathode)와, 연료가스와 산화제 가스의 유로를 형성하는 분리판과, 전하를 포집하는 집전판과, 적층의 편의를 위해 시트의 형태로 제작되는 전해질판과, 용융된 탄산염을 수용하는 매트릭스로 구성되며, 애노드로 연료가스를 공급하고 캐소드로 산화제 가스를 공급하면 각각의 전극에서 전기 화학 반응이 발생하여 직류 전력이 얻어지게 된다.
도 1은 이러한 연료전지를 LNG 선박에 적용한, 종래의 연료전지탑재 선박의 연료전지 시스템의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
먼저 연료 전지(13)로 정상적으로 증발가스가 공급되는 상태를 설명한다. 저장탱크에서 생성된 증발가스는 연결유로(L)를 통해 가습기(11)로 공급된다. 이와 동시에 증발가스는 압축기(21)를 통해 압축된 후 냉각기(22)를 거쳐 증발가스 저장탱크(23)에 저장되며, 증발가스 저장탱크(23)에 저장된 증발가스는 밸브의 잠김으로 가습기(11)로 공급되지 않는다.
가습기(11)로 공급된 증발가스는 가습기(11)에서 기화되는 액체와 혼합되어 습분 증발가스가 된다. 습분 증발가스는 개질기(12)로 공급되어 개질기(12)에서 수소와 이산화탄소로 개질되며, 개질된 수소와 이산화탄소는 연료 전지(13)로 공급된다.
연료 전지(13)의 애노드는 수소와 이산화탄소를 공급받아 송풍기(14) 및 공기히터(15)를 통해 캐소드로 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 작용하여 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시킨다.
한편 연결유로(L)를 통해 증발가스의 공급이 중단되는 경우 센서(24)는 이를 인식하여 제어부에 신호를 보낸다. 대표적으로 LNG의 Loading 및 Unloading 작업이 있는 경우 Cargo Operation Manual에 따라 LNG Loading 및 Unloading에 필요한 배관 및 장비를 제외한 LNG 저장탱크와 연결되는 모든 장치 및 배관들은 잠기게 되며 이때 연료전지로 공급되는 LNG 및 BOG 라인이 잠기게 되며, 증발가스 공급이 중단된다. 이러한 때에 제어부에서는 전술한 신호를 기초로 버퍼연결유로에 마련된 밸브를 개방시키고, 증발가스 저장탱크(23)에 저장된 증발가스는 레귤레이터(25)와 히터(26)를 거쳐 온도와 압력이 조절된 후 가습기(11)로 공급된다. 가습기(11)로 공급된 증발가스는 전술한 바와 같이 가습기(11) 및 개질기(12)를 거친 후 연료 전지(13)의 연료로 사용된다.
이러한 종래의 연료전지시스템의 버퍼연료시스템은 LNG 운반선 운항 중 발생하는 증발가스(BOG)를 압축 저장해두고 저장탱크로부터의 연료 공급 중단시 저장된 증발가스를 연료전지에 공급함으로써 연료전지시스템을 정지 없이 계속해서 작동시킬 수 있었으나, 200 bar 이상의 고압으로 증발가스를 저장함으로써 선박의 고압규정에 따라 선내 배치가 매우 제한적이었다. 또한 고압 압축기, 고압 탱크, 안전 설비 등 고압의 증발가스 저장을 위한 부가 장비들이 많이 구비됨으로써 설치 비용이 비싸고, 고압의 가스 저장에 따른 위험도 문제되었다. 반면, 액화천연가스 상태로 이를 저장하는 경우 기화시켜 연료 전지에 공급해야 하기에 보일러와 같은 별도의 기화 장치가 필요하여 시스템 구성이 복잡해지고 비용 부담이 가중되는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 연료 전지에 공급되는 연료의 공급이 중단된 경우에도 연료 전지의 작동 정지 없이 계속해서 작동시킬 수 있는 선박용 연료 전지의 버퍼가스 유닛을 확보하면서, 선내 배치가 어렵고 장비로 인한 설비의 비용이 많이 필요한 종래의 문제점을 해결하고자 한다. 또한 별도의 열원을 추가하지 않고, 기존 시스템에서 발생하는 열에너지를 활용함으로써, 경제적이고 효율이 높은 연료 전지 시스템을 제안하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 액화천연가스 운반선의 전력 운용 시스템에 있어서,
선체에 마련된 LNG 저장탱크에서 액화천연가스를 공급받아 중압 상태로 저장하며, 상기 LNG 저장탱크로부터 연료 전지에 공급되는 연료의 공급 중단시 저장된 상기 액화천연가스를 기화시켜 상기 연료 전지로 공급하는 중압 버퍼 유닛;
상기 LNG 저장탱크 또는 상기 중압 버퍼 유닛으로부터 연료를 공급받는 연료 전지 유닛; 및
상기 연료 전지 유닛에서 발생하는 고온의 배기를 열원으로, 상기 중압 버퍼 유닛에 상기 액화천연가스의 기화에 필요한 열을 공급하는 열 순환 유닛을 포함하는 연료전지탑재 선박의 열 순환 시스템이 제공된다.
상기 열 순환 유닛은 상기 연료 전지 유닛에서 발생하는 고온의 배기를 청수와 열 교환시키고 가열된 상기 청수를 상기 중압 버퍼 유닛에 공급하는 열 교환기와, 상기 연료 전지 유닛에서 생산된 직류 전력을 교류 전류로 변환시키는 인버터를 포함할 수 있다.
상기 중압 버퍼 유닛에서 상기 액화천연가스를 기화시키며 냉각된 상기 청수가 상기 인버터를 순환하며 상기 인버터를 냉각시킨 후 상기 열 교환기로 공급될 수 있다.
상기 중압 버퍼 유닛은 상기 선체에 마련되며 상기 LNG 저장탱크에서 공급되는 상기 액화천연가스를 펌핑하여 중압 상태로 이송시키는 펌프와, 상기 펌프에서 이송된 상기 중압의 액화천연가스가 저장되는 중압탱크와, 상기 중압탱크에 저장된 상기 중압의 액화천연가스를 기화시키는 기화기와, 상기 기화기와 상기 연료 전지 유닛을 연결하는 버퍼 연결 유로에 마련되며 상기 버퍼 연결 유로를 개폐하는 밸브를 포함할 수 있다.
상기 중압 버퍼 유닛은 상기 중압탱크에서 발생하는 버퍼 증발가스를 상기 LNG 저장탱크로부터 공급된 액화천연가스와 열교환으로 액화시키는 중압 열교환기를 더 포함하되, 상기 중압 열교환기를 통과한 액화천연가스는 상기 버퍼 증발가스와의 열교환으로 기화된 경우 상기 연료 전지 유닛으로 도입되고, 액체 상태인 경우 상기 LNG 저장탱크로 회수될 수 있다.
상기 중압 버퍼 유닛은 상기 LNG 저장탱크와 상기 연료 전지 유닛을 연결하는 연결 유로에 마련되어 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스가 상기 연결 유로로 공급되는지 여부를 감지하는 센서와, 상기 센서로부터 감지된 신호에 의해 상기 밸브를 개폐하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 유닛은 상기 LNG 저장탱크 또는 상기 중압 버퍼 유닛에서 공급되는 상기 증발가스를 가습시키는 가습기와, 상기 증발가스를 수소와 이산화탄소로 개질시키는 개질기와, 애노드로 공급되는 상기 수소 및 상기 이산화탄소와 캐소드로부터 공급되는 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료 전지와, 외부의 공기를 상기 연료 전지로 공급시키는 송풍기와, 상기 송풍기를 통해서 상기 연료전지로 공급되는 상기 공기를 가열시키는 공기히터를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 선체의 LNG 저장탱크에서 공급되는 증발가스(Boil-Off Gas)를 이용하는 선박용 연료전지의 연료공급방법에서,
1) 상기 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스의 일부를 중압 액체 상태로 저장해두는 단계; 및
2) 연료 전지에 상기 증발가스의 공급중단시 상기 중압의 액화천연가스를 기화시켜 상기 연료 전지에 공급하는 단계를 포함하되,
천연가스와 수증기를 혼합하여 상기 연료전지에 공급하는 가습기에서 발생하는 배기로 가열시킨 물로, 상기 중압의 액화천연가스를 기화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지탑재 선박의 연료공급 방법이 제공된다.
상기 중압의 액화천연가스를 기화시키며 냉각된 물이, 상기 연료전지에서 생산된 직류 전력을 교류 전력으로 변환시키는 인버터에 냉매로 공급될 수 있다.
본 발명의 연료전지탑재 선박의 열 순환 시스템은, 중압의 액화천연가스를 저장해두고 공급함으로써 작동 정지 없이 계속해서 연료전지를 작동시킬 수 있어 가용성을 향상시킬 수 있으며, 중압 상태로 액화천연가스를 저장해두므로 선박의 고압규정을 따르지 않아 선내 배치가 비교적 자유롭고, 부가적인 장비 설치에 따른 비용도 줄일 수 있게 된다. 또한, 연료전지 시스템의 가습기에서 발생하는 배기를 열원으로 활용함으로써 중압의 액화천연가스를 기화시키기 위한 별도의 에너지공급원을 필요하지 않게 되어 경제적이고 시스템 구성도 간단해지게 된다. 또한 중압의 액화천연가스를 기화시키며 냉각된 물을 연료전지 시스템의 인버터에 냉매로 활용하여 자체적인 열 순환으로 냉원과 열원을 공급함으로써 경제적이며 효율적인 연료전지시스템을 구현할 수 있다.
도 1은 종래의 연료전지 탑재 선박의 연료전지 시스템의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 탑재 선박의 열 순환 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지탑재 선박의 열 순환 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지탑재 선박의 열 순환 시스템은, 액화천연가스 운반선의 전력 운용 시스템으로서, 선체(S)에 마련된 LNG 저장탱크에서 액화천연가스를 공급받아 중압 상태로 저장하며, LNG 저장탱크로부터 연료 전지(230)에 공급되는 연료의 공급 중단시 저장된 액화천연가스를 기화시켜 연료 전지(230)로 공급하는 중압 버퍼 유닛(100)과, LNG 저장탱크 또는 중압 버퍼 유닛(100)으로부터 연료를 공급받는 연료 전지 유닛(200)과, 연료 전지 유닛(200)에서 발생하는 고온의 배기를 열원으로, 중압 버퍼 유닛(100)에 액화천연가스의 기화에 필요한 열을 공급하는 열 순환 유닛(300)을 포함한다.
액화천연가스 운반선이 운송하는 천연가스의 액화 온도는 상압에서 약 -163℃의 극저온이므로, 온도가 높아지면 쉽게 기화된다. 액화천연가스 운반선은 액화천연가스의 액화상태 유지를 위해 화물창 단열 구조를 갖추고 있으나, 액화천연가스는 LNG 저장탱크 내에서도 지속적으로 자연 기화되기 때문에 상당한 양의 증발가스(Boil- Off Gas, BOG)가 발생한다. 이를 수치화하면, 액화천연가스 저장탱크에서 증발가스는 약 0.05 vol%/day가 발생하며, 종래 액화천연가스 운반선의 운항시 시간당 4 내지 6 톤(t), 한번 운항시 약 300톤의 액화천연가스가 증발가스화되어 왔다. 연료전지탑재 선박은 이러한 증발가스를 개질하여 연료전지에 연료로 공급함으로써 선박에 필요한 전기를 공급받을 수 있도록 하는 한편, 고가의 증발가스 재액화 장치 설치 비용 부담을 줄인 선박이다.
본 실시예는 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스 일부를 5 내지 10 bar, 바람직하게는 5 bar 내외의 중압 상태로 저장해두고, 연료 전지(230)에 공급되는 연료의 공급 중단시 저장된 액화천연가스를 기화시켜 연료 전지(230)로 공급하는 것에 바탕한다. 액화된 천연가스는 연료전지유닛에 공급되기에 앞서 기화시켜야하는데, 액화천연가스의 기화에 필요한 열을 연료 전지 유닛(200)에서 발생하는 고온의 배기로부터 공급받게 되는 것이다.
열 순환 유닛(300)은 연료 전지 유닛(200)에서 발생하는 고온의 배기를 청수와 열 교환시키고 가열된 청수를 중압 버퍼 유닛(100)에 공급하는 열 교환기(310)와, 연료 전지 유닛(200)에서 생산된 직류 전력을 교류 전류로 변환시키는 인버터(320)를 포함할 수 있다.
중압 버퍼 유닛(100)에서 액화천연가스를 기화시키며 냉각된 청수가 인버터(320)를 순환하며 인버터(320)를 냉각시킨 후 열 교환기(310)로 공급될 수 있다.
즉, 연료 전지 유닛(200)에서는 기체상태의 천연가스가 기화된 물과 혼합되어 습분 증발가스가 되어 개질 단계로 나아가는데, 물을 기화시켜 천연가스와 혼합시키는 과정에서 고온의 배기가 발생한다. 연료 전지 유닛(200)의 가습기(210)에서 배출되는 배기의 온도는 약 413.6 ℃ 정도로서 충분한 열원이 될 수 있다.
본 실시예는 연료 전지 유닛(200)에 도입되는 청수의 일부를 고온의 배기와 열 교환시킨 후, 중압 버퍼 유닛(100)에 열 교환을 위해 공급한다. 중압 버퍼 유닛(100)에서는 액체 상태인 천연가스가 이렇게 가열된 청수와 열교환으로 기화된 후 연료 전지 유닛(200)에 공급된다. 청수는 -100℃ 이하인 중압의 액화천연가스를 기화시키는 과정에서 냉각된다. 액화천연가스의 끓는점은 1 bar에서 -163℃이고, 10 bar에서 -123℃이므로, 5 내지 10 bar의 중압의 액체상태에서 -123℃이하의 상당한 저온임을 알 수 있다. 청수는 이러한 액화천연가스와의 열교환과정에서 충분히 냉각된다.
냉각된 청수는, 본 실시예의 연료 전지 유닛(200)에서 생산된 직류 전력을 교류 전류로 변환시키는 인버터(320)에 냉매로 도입된다.
연료 전지 유닛(200)에서 생산되는 직류(DC)는 스위칭시켜 교류(AC)로 만들고, AC를 코일, 트랜스, 커패시턴스 등으로 승압 또는 강압한 후 정류하여 다시 DC로 만든 후 인버터(320)에서 DC를 AC로 변환하여 각종 AC 전원용 부하에 공급할 수 있다. 인버터(320)는 이러한 과정에서 열이 발생하므로, 냉각을 위한 냉매가 공급될 수 있는데, 본 실시예는 액화천연가스와 열교환으로 냉각된 청수를 인버터(320)의 냉매로 활용한다.
중압 버퍼 유닛(100)은 선체에 마련되며 LNG 저장탱크에서 공급되는 액화천연가스를 펌핑하여 중압 상태로 이송시키는 펌프(110)와, 펌프(110)에서 이송된 중압의 액화천연가스가 저장되는 중압 탱크(120)와, 중압 탱크(120)에 저장된 중압의 액화천연가스를 기화시키는 기화기(130)와, 기화기(130)와 연료 전지 유닛(200)을 연결하는 버퍼 연결 유로(L1)에 마련되며 버퍼 연결 유로(L1)를 개폐하는 밸브(140)를 포함할 수 있다.
중압 탱크(120)에 저장된 액화천연가스는 5 내지 10 bar, 바람직하게는 5 bar의 중압 액체 상태로 저장되므로, 종래 시스템에서 탱크에 저장된 기체 상태의 증발가스에 비해 부피를 덜 차지하게 된다. 버퍼가스 공급을 위한 탱크의 필요 사이즈를 계산해본 결과 200 bar의 고압가스로 저장하는 경우와 비교해 중압상태의 액체로 저장하는 경우 탱크 사이즈가 약 1/3로 줄어드는 것을 확인하였다. 한정된 선박 공간의 효율적 활용 측면에서 탱크 사이즈의 이러한 감소는 큰 의미가 있다. 또한 중압 상태로 액화천연가스를 저장함으로써 중압 탱크(120) 내의 BOG 발생이 상압인 때에 비해 감소되는 효과도 있다.
중압 버퍼 유닛(100)은 중압 탱크(120)에서 발생하는 버퍼 증발가스를 LNG 저장탱크로부터 공급된 액화천연가스와 열교환으로 액화시키는 중압 열교환기(150)를 더 포함하되, 중압 열교환기(150)를 통과한 액화천연가스는 버퍼 증발가스와의 열교환으로 기화된 경우 연료 전지 유닛(200)으로 도입되고, 액체 상태인 경우 LNG 저장탱크로 회수될 수 있다.
중압 탱크(120)에는 액화천연가스가 저장되므로, LNG 저장탱크에서와 마찬가지로 자연 기화로 인한 증발가스가 발생한다. 중압 탱크(120)에서 발생한 증발가스는 중압 열교환기(150)로 유도되어, 저장탱크에서 공급된 극저온의 액화천연가스와 열교환을 통해 액체로 상변화된 후 중압 탱크(120)에 다시 저장된다. 증발가스와의 열교환으로 극저온의 액화천연가스는 기화될 수 있는데, 이러한 경우 도 2에 도시된 바와 같이 유로를 통해, LNG 저장탱크에서의 연결 유로(L2)에 합류되어 연료 전지 유닛(200)에 연료로 공급된다. 열교환 이후에도 액화천연가스가 기화되지않고 액체 상태를 유지하는 경우 유로를 통해 LNG 저장탱크로 보내 저장해둔다.
중압 버퍼 유닛(100)은 LNG 저장탱크와 연료 전지 유닛(200)을 연결하는 연결 유로(L2)에 마련되어 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스가 연결 유로(L2)로 공급되는지 여부를 감지하는 센서와, 센서로부터 감지된 신호에 의해 밸브(140)를 개폐하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
센서는 연결 유로(L2)의 증발가스 유량을 측정하면서 연료 전지 유닛(200)으로의 연료 공급 여부를 감지하고, 공급 중단이 감지되면 제어부(미도시)를 통해 밸브(140)를 개방하여 중압 탱크(120)로부터 저장된 액화천연가스가 기화기(130)를 거쳐 연료 전지 유닛(200)에 공급된다.
중압 버퍼 유닛(100)의 밸브(140)는, 연결 유로(L2)를 통해 증발가스가 연료 전지로 정상적으로 공급되는 경우 닫혀진 상태에 있어 중압 탱크(120)에 저장된 증발가스는 연료 전지(230)로 공급되지 않는다.
연료 전지 유닛(200)은 LNG 저장탱크 또는 중압 버퍼 유닛(100)에서 공급되는 증발가스를 가습시키는 가습기(210)와, 증발가스를 수소와 이산화탄소로 개질시키는 개질기(220)와, 애노드로 공급되는 수소 및 이산화탄소와 캐소드로부터 공급되는 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료 전지(230)와, 외부의 공기를 연료 전지(230)로 공급시키는 송풍기(240)와, 송풍기(240)를 통해서 연료전지로 공급되는 공기를 가열시키는 공기히터(250)를 포함할 수 있다.
연료 전지 유닛(200)은 일반적으로 알려진 연료 전지의 구성일 수 있다.
가습기(210)는 연료 전지(230)에 연료로 공급되는 가스(수소 또는 산소)를 가습하여 공급함으로써 연료 전지(230)가 최적의 성능을 발휘하도록 하는 역할을 한다.
가스는 가습기(210) 및 개질기(220)를 거친 후 연료 전지(230)의 연료로 사용된다.
개질기(220)는, 증발가스를 수소와 이산화탄소로 개질시키는 역할을 한다. 구체적으로 공급되는 증발가스는 공급되는 물(청수)과 가습기(210)에서 혼합되어 습분 연료로 상변환 된다. 이후 습분 연료는 개질되며 메탄을 제외한 고 탄화수소(hydrocarbon)가 제거된다. 메탄가스로 개질된 연료가스는 공급되는 열에 의해 이산화탄소와 수소로 개질된다.
연료 전지 유닛(200)의 연료 전지(230)는, 개질된 수소와 이산화탄소를 애노드(anode)측으로 공급받아 캐소드(cathode)측으로부터 송풍기(240) 및 공기히터(250)를 통해 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 전기 화학 반응을 일으킴으로써 전기를 얻는 역할을 한다.
즉 연료전지의 애노드측은 적어도 수소를 함유하는 연료 가스를 공급받고, 연료 전지(230)의 캐소드측은 적어도 산소를 함유하는 산화 가스의 공급을 받는다. 수소를 함유하는 연료 가스와 산소를 함유하는 산화 가스의 산화 환원 반응에 의해 전기를 얻게 된다.
이하에서 도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 연료전지탑재 선박의 열 순환 시스템의 작동 상태를 간략히 설명한다.
먼저 연료 전지(230)로 정상적으로 증발가스가 공급되는 상태를 설명한다. LNG 저장탱크에서 생성된 증발가스는 연결 유로(L2)를 통해 가습기(210)로 공급된다. 이와 동시에 액화천연가스 일부는 펌프(110)를 통해 5 bar 내외의 중압 상태로 중압 탱크(120)에 저장되며, 중압 탱크(120)에 저장된 액화천연가스는 닫혀진 밸브(140)에 의해 연료 전지 유닛(200)으로 공급되지 않는다. 중압 탱크(120)에 저장된 액화천연가스에서 발생한 증발가스는 중압 열교환기(150)에서 액화되어 다시 저장되고, LNG 저장탱크로부터 공급받아 열교환에 사용된 액화천연가스는 기화된 경우 연료 전지 유닛(200)에 공급된다.
한편 가습기(210)로 공급된 증발가스는 가습기(210)에서 기화되는 액체와 혼합되어 습분 증발가스가 된다. 습분 증발가스는 개질기(220)로 공급되어 수소와 이산화탄소로 개질된 후, 연료 전지(230)로 공급된다.
연료 전지(230)의 애노드는 수소와 이산화탄소를 공급받아 송풍기(240) 및 공기히터(250)를 통해 캐소드로 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 작용을 일으켜 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시킨다.
한편 연결 유로(L2)를 통해 증발가스의 공급이 중단되는 경우 센서는 이를 인식하여 제어부(미도시)에 신호를 보낸다. 제어부에서는 전술한 신호를 기초로 버퍼 연결 유로(L1)에 밸브(140)를 개방시켜 중압 탱크(120)에 저장된 액화천연가스가 기화기(130)를 거쳐 가습기(210)에 공급되도록 한다. 여기서 가습기(210)에서 배출되는 배기의 온도는 약 413.6 ℃ 정도로서 충분한 열원이 될 수 있는데, 이러한 배기가 열교환기(310)로 도입되어 물(청수)을 가열시키고, 이렇게 가열된 물이 기화기(130)로 도입되어 중압의 액화천연가스를 기화시킨다. 가습기(210)로 공급된 증발가스는 전술한 바와 같이 가습기(210) 및 개질기(220)를 거친 후 연료 전지(230)의 연료로 사용된다. 액화천연가스를 기화시키며 냉각된 물(청수)은 인버터(320)의 냉매로 공급되어 인버터(320)를 냉각시키고 다시 열교환기(310)로 돌아온다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 선체(S)의 LNG 저장탱크에서 공급되는 증발가스(Boil-Off Gas)를 이용하는 선박용 연료전지의 연료공급방법에서,
1) LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스의 일부를 중압 액체 상태로 저장해두는 단계; 및
2) 연료 전지에 증발가스의 공급중단시 중압의 액화천연가스를 기화시켜 연료 전지에 공급하는 단계를 포함하되,
천연가스와 수증기를 혼합하여 연료전지에 공급하는 가습기(210)에서 발생하는 배기로 가열시킨 물로, 중압의 액화천연가스를 기화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지탑재 선박의 연료공급 방법이 제공된다.
중압의 액화천연가스를 기화시키며 냉각된 물이, 연료전지에서 생산된 직류 전력을 교류 전력으로 변환시키는 인버터(320)에 냉매로 공급될 수 있다.
본 발명의 연료전지탑재 선박의 열 순환 시스템은, 중압의 액화천연가스를 저장해두고 연료전지에 공급함으로써 작동 정지 없이 계속해서 연료전지를 작동시킬 수 있어 가용성을 향상시킬 수 있으며, 중압 상태로 액화천연가스를 저장해두기 때문에 선박의 고압규정을 따르지 않아 선내 배치가 비교적 자유롭고, 부가적인 장비 설치에 따른 비용도 줄일 수 있게 된다.
연료전지 시스템의 가습기에서 발생하는 배기를 열원으로 활용하여 중압의 액화천연가스를 기화시킴으로써 보일러와 같은 별도의 열에너지 공급 수단을 필요하지 않게 되어 경제적이고 시스템 구성도 간단해지게 된다. 또한 중압의 액화천연가스를 기화시키며 냉각된 물을 연료전지 시스템의 인버터에 냉매로 활용하여 자체적인 열 순환으로 냉원과 열원을 공급함으로써 경제적이며 효율적인 연료전지시스템을 구현할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
S: 선체
L1: 버퍼 연결 유로
L2: 연결 유로
100: 중압 버퍼 유닛
110: 펌프
120: 중압 탱크
130: 기화기
140: 밸브
150: 중압 열교환기
200: 연료 전지 유닛
210: 가습기
220: 개질기
230: 연료 전지
240: 송풍기
250: 공기히터
300: 열 순환 유닛
310: 열 교환기
320: 인버터

Claims (9)

  1. 액화천연가스 운반선의 전력 운용 시스템에 있어서,
    선체에 마련된 LNG 저장탱크에서 액화천연가스를 공급받아 중압 상태로 저장하며, 상기 LNG 저장탱크로부터 연료 전지에 공급되는 연료의 공급 중단시 저장된 상기 액화천연가스를 기화시켜 상기 연료 전지로 공급하는 중압 버퍼 유닛;
    상기 LNG 저장탱크 또는 상기 중압 버퍼 유닛으로부터 연료를 공급받는 연료 전지 유닛; 및
    상기 연료 전지 유닛에서 발생하는 고온의 배기를 열원으로, 상기 중압 버퍼 유닛에 상기 액화천연가스의 기화에 필요한 열을 공급하는 열 순환 유닛을 포함하는 연료전지탑재 선박의 열 순환 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 열 순환 유닛은
    상기 연료 전지 유닛에서 발생하는 고온의 배기를 청수와 열 교환시키고 가열된 상기 청수를 상기 중압 버퍼 유닛에 공급하는 열 교환기; 및
    상기 연료 전지 유닛에서 생산된 직류 전력을 교류 전류로 변환시키는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지탑재 선박의 열 순환 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 중압 버퍼 유닛에서 상기 액화천연가스를 기화시키며 냉각된 상기 청수가 상기 인버터를 순환하며 상기 인버터를 냉각시킨 후 상기 열 교환기로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지탑재 선박의 열 순환 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 중압 버퍼 유닛은
    상기 선체에 마련되며 상기 LNG 저장탱크에서 공급되는 상기 액화천연가스를 펌핑하여 중압 상태로 이송시키는 펌프;
    상기 펌프에서 이송된 상기 중압의 액화천연가스가 저장되는 중압탱크;
    상기 중압탱크에 저장된 상기 중압의 액화천연가스를 기화시키는 기화기; 및
    상기 기화기와 상기 연료 전지 유닛을 연결하는 버퍼 연결 유로에 마련되며 상기 버퍼 연결 유로를 개폐하는 밸브를 포함하는 연료전지탑재 선박의 열 순환 시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 중압 버퍼 유닛은
    상기 중압탱크에서 발생하는 버퍼 증발가스를 상기 LNG 저장탱크로부터 공급된 액화천연가스와 열교환으로 액화시키는 중압 열교환기를 더 포함하되, 상기 중압 열교환기를 통과한 액화천연가스는 상기 버퍼 증발가스와의 열교환으로 기화된 경우 상기 연료 전지 유닛으로 도입되고, 액체 상태인 경우 상기 LNG 저장탱크로 회수되는 것을 특징으로 하는 연료전지탑재 선박의 열 순환 시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 중압 버퍼 유닛은,
    상기 LNG 저장탱크와 상기 연료 전지 유닛을 연결하는 연결 유로에 마련되어 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스가 상기 연결 유로로 공급되는지 여부를 감지하는 센서; 및
    상기 센서로부터 감지된 신호에 의해 상기 밸브를 개폐하는 제어부를 더 포함하는 연료전지탑재 선박의 열 순환 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 연료 전지 유닛은
    상기 LNG 저장탱크 또는 상기 중압 버퍼 유닛에서 공급되는 상기 증발가스를 가습시키는 가습기;
    상기 증발가스를 수소와 이산화탄소로 개질시키는 개질기;
    애노드로 공급되는 상기 수소 및 상기 이산화탄소와 캐소드로부터 공급되는 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료 전지;
    외부의 공기를 상기 연료 전지로 공급시키는 송풍기; 및
    상기 송풍기를 통해서 상기 연료전지로 공급되는 상기 공기를 가열시키는 공기히터를 포함하는 연료전지탑재 선박의 열 순환 시스템.
  8. 선체의 LNG 저장탱크에서 공급되는 증발가스(Boil-Off Gas)를 이용하는 선박용 연료전지의 연료공급방법에서,
    1) 상기 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스의 일부를 중압 액체 상태로 저장해두는 단계; 및
    2) 연료 전지에 상기 증발가스의 공급중단시 상기 중압의 액화천연가스를 기화시켜 상기 연료 전지에 공급하는 단계를 포함하되,
    천연가스와 수증기를 혼합하여 상기 연료전지에 공급하는 가습기에서 발생하는 배기로 가열시킨 물로, 상기 중압의 액화천연가스를 기화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지탑재 선박의 연료공급 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 중압의 액화천연가스를 기화시키며 냉각된 물이, 상기 연료전지에서 생산된 직류 전력을 교류 전력으로 변환시키는 인버터에 냉매로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지탑재 선박의 연료공급 방법.
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