KR20140064378A - 연료전지의 연료 공급 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지의 연료 공급 시스템이 개시된다. 본 발명의 연료전지의 연료 공급 시스템은, 연료전지가 탑재된 컨테이너 선박에서 연료전지의 연료 공급 시스템에 있어서, LNG가 저장되는 LNG 저장탱크; 천연가스를 공급받아 개질하여 발전하는 연료전지 유닛; 및 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 기화시켜 연료전지 유닛으로 공급하는 기화 공급부를 포함하되, 기화 공급부는 연료전지 유닛에서 발생하는 배기가스를 열원으로 LNG를 기화시키는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지의 연료 공급 시스템{Fuel Supply System For Fuel Cell}
본 발명은 연료전지의 연료 공급 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 유닛에서 발생하는 배기가스를 열원으로 LNG를 기화시켜 연료전지 유닛으로 공급하는 기화 공급부를 포함하는 연료전지의 연료 공급 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 단위셀(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.
한편, LNG는 저장시 부피를 감소시킬 수 있도록 -163℃의 극저온상태로 액화되므로, 연료전지에 공급하기에 앞서 기화시킨다.
도 1에 도시된 바와 같이, 저장탱크(10)에 저장된 LNG를 기화기(20)에 공급하여 기화시킨 후 연료전지 부분(30)에 공급하여 가습과 개질 등의 여러 과정을 거쳐서 발전에 이용한다.
극저온인 LNG를 기화시키기 위해서는 상당한 양의 열에너지가 필요하므로, 이러한 열에너지를 경제적으로 확보하여 공급할 수 있는 시스템이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 연료전지 부분에서 발생하는 배기가스를 열원으로 LNG를 기화시켜 연료전지에 천연가스를 공급할 수 있도록 함으로써, LNG의 기화에 필요한 별도 에너지의 소모를 감소시키고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 연료전지가 탑재된 컨테이너 선박에서 연료전지의 연료 공급 시스템에 있어서,
LNG가 저장되는 LNG 저장탱크;
천연가스를 공급받아 개질하여 발전하는 연료전지 유닛; 및
상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 기화시켜 상기 연료전지 유닛으로 공급하는 기화 공급부를 포함하되,
상기 기화 공급부는 상기 연료전지 유닛에서 발생하는 배기가스를 열원으로 LNG를 기화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료 공급 시스템이 제공된다.
상기 기화 공급부는 상기 LNG 저장탱크로부터 LNG를 공급받아 열 매체와 열교환으로 기화시키는 기화기와, 상기 기화기를 통과한 열 매체가 상기 배기가스와 열교환되는 폐열회수 열교환기와, 상기 폐열회수 열교환기를 거친 상기 열 매체를 가열하여 기화기로 공급하는 히터를 포함할 수 있다.
상기 기화 공급부의 전단에 마련되어 상기 LNG 저장탱크에서 LNG를 공급받아 냉각수와 열교환시켜 상기 기화 공급부로 도입시키는 냉각수 열교환기를 더 포함하되, 상기 냉각수 열교환기에서 LNG와 열교환으로 냉각된 냉각수는 상기 컨테이너 선박의 냉각수 공급 시스템으로 순환시킬 수 있다.
상기 냉각수 공급 시스템은 냉동 컨테이너, 청수 냉각기 및 엔진 자켓 워터 냉각기를 포함할 수 있다.
상기 연료전지 유닛에서 배출되는 상기 배기가스는 폐열회수 장치를 거쳐 상기 기화 공급부로 도입될 수 있다.
상기 연료전지 유닛은 상기 기화 공급부에서 공급되는 천연가스를 가습시키는 가습기와, 상기 천연가스를 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 연료 전지로 공급되는 상기 공기를 가열시키는 공기히터를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 연료전지가 탑재된 컨테이너 선박에서 연료전지의 연료 공급 방법에 있어서,
1) 상기 연료전지에서 발생하는 배기가스를 열 매체와 열교환시키는 단계;
2) 상기 열 매체를 히터에서 추가 가열하는 단계; 및
3) 추가 가열된 상기 열 매체를 공급하여 LNG를 기화시켜 상기 연료전지에 공급하는 단계를 포함하는 연료전지의 연료 공급 시스템이 제공된다.
LNG는 상기 열 매체로 기화시키기에 앞서 상기 컨테이너 선박의 냉각수 공급 시스템을 순환하는 냉각수와 열교환될 수 있다.
상기 냉각수 공급 시스템은 냉동 컨테이너, 청수 냉각기 및 엔진 자켓 워터 냉각기를 포함할 수 있다.
본 발명의 연료전지의 연료 공급 시스템은, 연료전지 유닛에서 발생하는 배기가스를 열원으로 LNG를 기화시켜 연료전지 유닛으로 공급하는 기화 공급부를 포함함으로써, LNG를 기화시키기 위해 필요한 별도 에너지 소모를 감소시킬 수 있어, 경제적이고, 배기가스의 폐열을 효과적으로 활용할 수 있게 된다.
도 1은 연료전지의 LNG 연료 공급 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 연료 공급 시스템을 개략적으로 도시한다.
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 연료전지의 연료 공급 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예의 연료전지의 연료 공급 시스템은, 연료전지가 탑재된 컨테이너 선박에서 연료전지의 연료 공급 시스템에 있어서, LNG가 저장되는 LNG 저장탱크(100)와, 천연가스를 공급받아 개질하여 발전하는 연료전지 유닛(200)과, LNG 저장탱크(100)에 저장된 LNG를 기화시켜 연료전지 유닛(200)으로 공급하는 기화 공급부(300)를 포함하되, 기화 공급부(300)는 연료전지 유닛(200)에서 발생하는 배기가스를 열원으로 LNG를 기화시킬 수 있다.
연료전지는 전기화학 반응에 의해 반응물(수소와 산소)의 화학에너지를 전기에너지로 변환시키므로, LNG를 연료전지의 연료로 공급하기 위해서는 우선 상압에서 약 -163℃ 이하의 극저온인 LNG에 열에너지를 공급하여 재기화시켜야 한다. 이러한 LNG의 재기화에 필요한 열원으로 본 실시예는 연료전지 유닛(200)에서 발생하는 고온의 배기가스를 활용한다.
본 실시예에서 기화 공급부(300)는 LNG 저장탱크(100)로부터 LNG를 공급받아 열 매체와 열교환으로 기화시키는 기화기(310)와, 기화기(310)를 통과한 열 매체가 배기가스와 열교환되는 폐열회수 열교환기(320)와, 폐열회수 열교환기(320)를 거친 열 매체를 가열하여 기화기(310)로 공급하는 히터(330)를 포함할 수 있다.
연료전지 유닛(200)에서 배출되는 배기가스는 폐열회수 장치(W)를 거쳐 기화 공급부(300)로 도입될 수 있다.
연료전지 유닛(200)에서 배출되는 배기가스는 적어도 400℃ 내지 500℃에 달하는 고온으로 배출된다. 이러한 배기가스는 폐열회수 장치(W)에서 열회수 과정을 거치더라도 여전히 상당한 열에너지를 보유하므로, 본 실시예에서는 폐열회수 장치(W)를 거친 연료전지 유닛(200)의 배기가스를 폐열회수 열교환기(320)에 공급하여 LNG를 기화시키는 열 매체와 열교환시킨다. 폐열회수 열교환기(320)에서 배기가스로부터 열에너지를 공급받아 가열된 열 매체는 히터(330)에서 추가로 가열되어, LNG를 기화시키기 위해 기화기(310)로 도입된다.
한편, 폐열회수 열교환기(320)에서 열 매체와 열교환 과정을 거친 배기가스를 히터(330)로 도입시켜 배기가스에 남아있는 잔열을 히터(330)에서 활용할 수도 있다.
본 실시예는 기화 공급부(300)의 전단에 마련되어 LNG 저장탱크(100)에서 LNG를 공급받아 냉각수와 열교환시켜 기화 공급부(300)로 도입시키는 냉각수 열교환기(400)를 더 포함하되, 냉각수 열교환기(400)에서 LNG와 열교환으로 냉각된 냉각수는 컨테이너 선박의 냉각수 공급 시스템(C)으로 순환시킬 수 있다.
LNG는 전술한 바와 같이 상압에서 -163℃ 이하의 극저온인 상태로 액화되어 저장되므로, LNG는 컨테이너 선박의 냉각수 공급 시스템(C)을 순환하는 냉각수를 냉각시키기 위한 냉매로써 활용될 수 있다.
본 실시예에서 컨테이너 선박의 냉각수 공급 시스템(C)에는 냉동 컨테이너, 청수(fresh water) 냉각기 및 엔진 자켓 워터(jacket water) 냉각기 등이 포함될 수 있다.
냉동 컨테이너를 예로 들면, 냉동 컨테이너에는 냉각수가 순환하며 내부의 저온 상태를 유지시켜 주는데, 이러한 과정에서 냉각수는 온도가 상승하므로 이를 다시 냉각시켜 순환시켜 주어야 한다. 본 실시예에서는 이러한 냉각수의 냉각을 위한 냉매로써 LNG의 냉열을 이용할 수 있도록 구성하였다.
냉동 컨테이너 외에도 전술한 바와 같이 LNG의 냉열로 냉각된 냉각수는, 선박에서 필요한 청수를 냉각하기 위해 공급되거나, 엔진을 냉각시키는 자켓 워터를 냉각시키기 위한 냉각기로 순환시킬 수 있다.
극저온인 LNG를 기화기(310)에서 고온인 열 매체로 급격히 기화시키는 경우, 급격한 온도변화와 부피팽창으로 기화기(310)에 손상이나 장치이상을 초래할 우려가 있으므로, 기화 공급부(300)에 도입되기에 앞서 냉각수와 열교환을 거치게 함으로써 LNG의 온도를 서서히 상승시켜 이러한 문제를 방지할 수 있다.
연료전지 유닛(200)은 기화 공급부(300)에서 공급되는 천연가스를 가습시키는 가습기와, 천연가스를 수소와 이산화탄소로 개질시키는 개질기와, 애노드로 공급되는 수소 및 이산화탄소와 캐소드로부터 공급되는 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료 전지와, 외부의 공기를 연료 전지로 공급시키는 송풍기와, 송풍기를 통해서 연료 전지로 공급되는 공기를 가열시키는 공기히터를 포함할 수 있다.
연료 전지 유닛에 기화 공급부(300)로부터 기화되어 연료로 공급되는 가스는 가습기 및 개질기를 거친 후 연료 전지의 연료로 사용된다.
가습기는 가스를 가습하여 공급함으로써 연료 전지가 최적의 성능을 발휘하도록 하는 역할을 한다.
개질기는, 증발가스를 수소와 이산화탄소로 개질시키는 역할을 한다. 구체적으로 가스는 공급되는 물(순수)과 가습기에서 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 유닛의 연료 전지는, 개질된 수소와 이산화탄소를 애노드(anode)측으로 공급받아 캐소드(cathode)측으로부터 송풍기 및 공기히터를 통해 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 전기 화학 반응을 일으킴으로써 전기를 얻는 역할을 한다.
즉 연료전지의 애노드측은 적어도 수소를 함유하는 연료 가스를 공급받고, 연료 전지의 캐소드측은 적어도 산소를 함유하는 산화 가스의 공급을 받는다. 수소를 함유하는 연료 가스와 산소를 함유하는 산화 가스의 산화 환원 반응에 의해 전기를 얻게 된다.
이러한 과정에서 연료전지로부터 발생하는 배기가스는 배출되어 폐열회수 장치(W)와 기화 공급부(300)에 열원으로 활용된다.
기화 공급부에서 열 매체와 열교환된 배기가스는 외부로 배출할 수도 있고, 잔열이 남아있다면 다시 폐열회수 장치(W)를 거쳐 외부로 배출할 수도 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 연료전지가 탑재된 컨테이너 선박에서 연료전지의 연료 공급 방법에 있어서,
1) 연료전지에서 발생하는 배기가스를 열 매체와 열교환시키는 단계;
2) 열 매체를 히터에서 추가 가열하는 단계; 및
3) 추가 가열된 열 매체를 공급하여 LNG를 기화시켜 연료전지에 공급하는 단계를 포함하는 연료전지의 연료 공급 시스템이 제공된다.
LNG는 열 매체로 기화시키기에 앞서 컨테이너 선박의 냉각수 공급 시스템(C)을 순환하는 냉각수와 열교환될 수 있다.
냉각수 공급 시스템(C)은 냉동 컨테이너, 청수 냉각기 및 엔진 자켓 워터 냉각기를 포함할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 실시예의 연료전지의 연료 공급 시스템은, 연료전지 유닛(200)에서 발생하는 배기가스를 열원으로 LNG를 기화시켜 연료전지 유닛(200)으로 공급하는 기화 공급부(300)를 포함함으로써, LNG를 기화시키기 위해 필요한 별도 에너지 소모를 감소시킬 수 있다.
그러므로 본 실시예를 통해 배기가스의 폐열을 효과적으로 활용할 수 있어 에너지 효율이 높고, LNG 기화과정에서 필요한 별도의 에너지를 소비하지 않아 경제적인 연료전지 시스템을 구현할 수 있게 된다.
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.
100: LNG 저장탱크
200: 연료전지 유닛
300: 기화 공급부
310: 기화기
320: 폐열회수 열교환기
330: 히터
400: 냉각수 열교환기
W: 폐열회수 장치
C: 냉각수 공급 시스템

Claims (9)

  1. 연료전지가 탑재된 컨테이너 선박에서 연료전지의 연료 공급 시스템에 있어서,
    LNG가 저장되는 LNG 저장탱크;
    천연가스를 공급받아 개질하여 발전하는 연료전지 유닛; 및
    상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 기화시켜 상기 연료전지 유닛으로 공급하는 기화 공급부를 포함하되,
    상기 기화 공급부는 상기 연료전지 유닛에서 발생하는 배기가스를 열원으로 LNG를 기화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료 공급 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 기화 공급부는
    상기 LNG 저장탱크로부터 LNG를 공급받아 열 매체와 열교환으로 기화시키는 기화기;
    상기 기화기를 통과한 열 매체가 상기 배기가스와 열교환되는 폐열회수 열교환기; 및
    상기 폐열회수 열교환기를 거친 상기 열 매체를 가열하여 기화기로 공급하는 히터를 포함하는 연료전지의 연료 공급 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 기화 공급부의 전단에 마련되어 상기 LNG 저장탱크에서 LNG를 공급받아 냉각수와 열교환시켜 상기 기화 공급부로 도입시키는 냉각수 열교환기를 더 포함하되,
    상기 냉각수 열교환기에서 LNG와 열교환으로 냉각된 냉각수는 상기 컨테이너 선박의 냉각수 공급 시스템으로 순환시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료 공급 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 냉각수 공급 시스템은 냉동 컨테이너, 청수 냉각기 및 엔진 자켓 워터 냉각기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료 공급 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지 유닛에서 배출되는 상기 배기가스는 폐열회수 장치를 거쳐 상기 기화 공급부로 도입되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료 공급 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 연료전지 유닛은
    상기 기화 공급부에서 공급되는 천연가스를 가습시키는 가습기;
    상기 천연가스를 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 연료 전지로 공급되는 상기 공기를 가열시키는 공기히터를 포함하는 연료전지의 연료 공급 시스템.
  7. 연료전지가 탑재된 컨테이너 선박에서 연료전지의 연료 공급 방법에 있어서,
    1) 상기 연료전지에서 발생하는 배기가스를 열 매체와 열교환시키는 단계;
    2) 상기 열 매체를 히터에서 추가 가열하는 단계; 및
    3) 추가 가열된 상기 열 매체를 공급하여 LNG를 기화시켜 상기 연료전지에 공급하는 단계를 포함하는 연료전지의 연료 공급 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    LNG는 상기 열 매체로 기화시키기에 앞서 상기 컨테이너 선박의 냉각수 공급 시스템을 순환하는 냉각수와 열교환되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료 공급 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 냉각수 공급 시스템은 냉동 컨테이너, 청수 냉각기 및 엔진 자켓 워터 냉각기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료 공급 방법.
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