KR20150067866A - 선박용 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

선박용 연료전지 시스템이 개시된다. 본 발명의 선박용 연료전지 시스템은, 해수로부터 담수를 생성하는 조수기; 해상의 공기와 상기 조수기에서 생성된 담수를 공급받아 상기 공기 중 포함된 염분을 상기 담수에 용해시켜 제거하는 용해조; 및 상기 담수, 상기 용해조를 거친 공기 및 천연가스를 공급받고 화학에너지를 전기에너지로 전환시키는 연료전지 스택부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

선박용 연료전지 시스템{Fuel Cell System For Ship}

본 발명은 선박용 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수로부터 담수를 생성하는 조수기와, 해상의 공기와 조수기에서 생성된 담수를 공급받아 공기 중 포함된 염분을 담수에 용해시켜 제거하는 용해조와, 용해조를 거친 공기, 담수 및 천연가스를 공급받고 화학에너지를 전기에너지로 전환시키는 연료전지 스택부를 포함하는 선박용 연료전지 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 1에는 연료전지 시스템을 개략적으로 도시하였다. 도 1에 도시된된 바와 같이, 필터(10)와 송풍기(20)를 거친 공기와, 천연가스 및 물을 공급받아 연료전지(30)에서 전력을 생산하게 된다.

이러한 연료전지가 해상의 플랜트나 선박 등에 마련되는 경우, 해상의 공기 중에 포함된 염분 등은 필터에서 제거되지 않고 그대로 연료전지에 공급될 수도 있다. 염분이 연료전지로 유입되면 연료전지의 내부 부식, 수명 저하, 효율 저감 등의 문제가 발생할 수 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 해상의 공기 중에 포함된 염분을 효과적으로 제거하여 연료전지 내부로 공급할 수 있는 연료전지 시스템을 제안하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면,

해수로부터 담수를 생성하는 조수기;

해상의 공기와 상기 조수기에서 생성된 담수를 공급받아 상기 공기 중 포함된 염분을 상기 담수에 용해시켜 제거하는 용해조; 및

상기 담수, 상기 용해조를 거친 공기 및 천연가스를 공급받고 화학에너지를 전기에너지로 전환시키는 연료전지 스택부를 포함하는 선박용 연료전지 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 조수기는 상기 연료전지 스택부에서 발생하는 배기가스의 폐열로 해수를 증발시켜 담수를 생성할 수 있다.

바람직하게는, 상기 용해조에서 해상의 공기는 상기 용해조의 하부로 유입되고, 상기 조수기에서 공급되는 담수는 상부에서 분사시켜 상기 공기 중 포함된 염분을 상기 담수로 용해시키고, 염분이 용해된 담수는 상기 조수기로 공급될 수 있다.

바람직하게는 상기 연료전지 스택부는, 상기 조수기로부터 담수를 공급받아 상기 천연가스를 가습시키는 가습기와, 가습된 상기 천연가스를 수소와 이산화탄소로 개질시키는 개질기와, 애노드로 공급되는 상기 수소 및 상기 이산화탄소와 캐소드로부터 공급되는 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료 전지와, 상기 용해조를 거친 공기를 공급받아 가열하여 상기 연료 전지로 공급하는 공기 히터를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 가습기는 상기 연료 전지에서 발생하는 배기가스의 폐열로 상기 담수를 기화시켜 상기 천연가스를 가습하고, 상기 가습기를 거친 상기 배기가스는 해수를 증발시키기 위한 열원으로 상기 조수기에 공급될 수 있다.

바람직하게는, 상기 용해조를 거친 공기를 공급받아 공기 중의 이물질을 제거하는 필터와, 상기 필터를 거친 공기를 공급받아 상기 공기 히터로 공급하는 송풍기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 1) 해수로부터 담수를 생성하는 단계;

2) 생성된 상기 담수의 일부를 공급받아, 해상의 공기 중 포함된 염분을 상기 담수에 용해시켜 제거하는 단계; 및

3) 상기 담수, 염분이 제거된 상기 공기 및 천연가스를 공급받아 연료전지로 전기에너지를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 연료전지에서 발생하는 배기가스의 폐열로 상기 해수를 증발시켜 담수화하여 상기 단계 2) 및 3)으로는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템이 제공된다.

본 발명의 연료전지 시스템은 연료전지에서 발생하는 배기 폐열을 통해 해수로부터 담수를 생성하고, 해상의 공기에 포함된 염분을 담수에 용해시켜 제거하여 연료전지로 공급하게 된다.

이와 같이 염분을 제거한 후 연료전지로 공기를 공급함으로써, 염분으로 인한 연료전지 스택부의 수명단축, 효율 저하, 부식 등을 방지할 수 있다. 또한, 연료전지에서 발생하는 폐열을 담수 생성의 열원으로 활용함으로써 에너지 효율을 높이고, 선박에서 취수가 용이한 해수로부터 연료전지 시스템에 필요한 담수를 효과적으로 공급할 수 있게 된다.

도 1은 연료전지 시스템의 일 예를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료전지 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 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료전지 시스템을 개략적으로 도시하였다.

본 연료전지 시스템이 마련되는 선박은 일반 선박, 해양 플랜트가 탑재되는 특수 선박이나 해양 구조물 등을 모두 포함하는 의미이다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예의 선박용 연료전지 시스템은, 해수로부터 담수를 생성하는 조수기(100)와, 해상의 공기와 조수기(100)에서 생성된 담수를 공급받아 상기 공기 중 포함된 염분을 상기 담수에 용해시켜 제거하는 용해조(200)를 포함하여, 조수기(100)에서 생성된 담수, 용해조(200)를 거친 공기 및 천연가스를 연료전지 스택부(300)에서 공급받아 화학에너지를 전기에너지로 전환시켜 전력을 생산한다.

특히 조수기(100)는 연료전지 스택부(300)에서 발생하는 배기가스의 폐열로 해수를 증발시켜 담수를 생성하고, 생성된 담수의 일부를 용해조(200)의 상부로 분사시켜, 용해조(200)의 하부로 유입되는 해상의 공기로부터 공기 중 포함된 염분을 담수에 용해시켜 제거한다.

용해조(200)에서 공기 중의 염분을 흡수한 담수는 조수기(100)로 공급되어 해수와 함께 담수화된다.

용해조(200)를 거친 공기는 필터(400)를 거치면서 공기 중에 포함된 이물질이 제거되고, 필터(400)를 거친 공기는 송풍기(500)를 통해 연료전지 스택부(300)로 공급된다.

연료전지 스택부(300)는, 조수기(100)로부터 담수를 공급받아 천연가스를 가습시키는 가습기(310)와, 가습된 천연가스를 수소와 이산화탄소로 개질시키는 개질기(320)와, 애노드로 공급되는 수소 및 이산화탄소와 캐소드로부터 공급되는 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료 전지(300)와, 용해조(200)를 거쳐 송풍기(500)를 통해 공급된 공기를 가열하여 연료 전지로 공급하는 공기 히터(340)를 포함하여 구성된다.

연료전지 스택부(300)의 연료 전지(330)는, 개질된 수소와 이산화탄소를 애노드(anode)측으로 공급받고, 캐소드(cathode)측으로부터 송풍기(500) 및 공기 히터(340)를 통해 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스를 공급받아, 수소를 함유하는 연료 가스와 산소를 함유하는 산화 가스의 산화 환원 반응에 의해 전기를 얻게 된다.

연료 전지에서 생산되는 직류(DC)는 스위칭시켜 교류(AC)로 만들고, AC를 코일, 트랜스, 커패시턴스 등으로 승압 또는 강압한 후 정류하여 다시 DC로 만든 후 인버터에서 DC를 AC로 변환하여 각종 AC 전원용 부하에 공급할 수 있다.

연료 전지(330)는 공지된 연료 전지의 구성일 수 있다.

가습기(310)는 연료 전지에서 발생하는 배기가스의 폐열로 담수를 기화시켜 천연가스를 가습하고, 기화된 물과 혼합된 습분 증발가스는 개질 단계로 나아간다. 개질기(320)에서 습분 연료는 개질되며 메탄을 제외한 고 탄화수소(C2 이상)를 메탄 또는 수소로 개질되어 제거되고, 메탄가스로 개질된 연료가스는 공급되는 열에 의해 이산화탄소와 수소로 개질된다.

한편, 가습기(310)를 거친 배기가스는 해수를 증발시키기 위한 열원으로 조수기(100)에 공급될 수 있다. 가습기(310)에서 배출되는 배기의 온도는 약 400 ℃ 정도로서 조수기(100)에서의 해수 담수화를 위한 충분한 열원이 될 수 있다.

본 실시예의 연료전지(330)는 천연가스를 개질하여 연료로 이용하므로, 본 실시예의 시스템이 마련되는 선박에는 이러한 천연가스를 공급하기 위하여 액화천연가스를 저장하는 LNG 저장탱크가 마련될 수 있다. 연료 전지로 공급되는 천연가스는 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스에서 자연발생하는 증발가스(BOG)와 액화천연가스를 기화시킨 기화가스일 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 실시예의 시스템에서는, 1) 해수로부터 담수를 생성하는 단계; 2) 생성된 담수의 일부를 공급받아, 해상의 공기 중 포함된 염분을 담수에 용해시켜 제거하는 단계; 및 3) 담수, 염분이 제거된 공기 및 천연가스를 공급받아 연료전지(330)로 전기에너지를 생성하는 단계를 거쳐 이루어지고, 연료전지(330)에서 전력 생산시 발생하는 배기가스의 폐열을 해수를 증발시켜 담수화하기 위한 열원으로 이용한다.

이와 같이 선박이나 해상 플랜트 등에서 연료전지 시스템을 마련할 때 연료전지(330)로 공급될 해상의 공기에 포함될 수 있는 염분을 제거하여 공급함으로써, 염분으로 인한 연료전지 스택부(300)의 수명단축, 효율 저하, 부식 등을 방지할 수 있고, 그로 인한 시스템의 유지보수 비용 및 시간을 절감할 수 있다. 또한, 연료전지(330)에서 발생하는 폐열을 담수 생성의 열원으로 활용함으로써 시스템의 에너지 효율을 높일 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: 조수기
200: 용해조
300: 연료전지 스택부
310: 가습기
320: 개질기
330: 연료 전지
340: 공기 히터
400: 필터
500: 송풍기

Claims (8)

1. 해수로부터 담수를 생성하는 조수기;
   해상의 공기와 상기 조수기에서 생성된 담수를 공급받아 상기 공기 중 포함된 염분을 상기 담수에 용해시켜 제거하는 용해조; 및
   상기 담수, 상기 용해조를 거친 공기 및 천연가스를 공급받고 화학에너지를 전기에너지로 전환시키는 연료전지 스택부를 포함하는 선박용 연료전지 시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 조수기는 상기 연료전지 스택부에서 발생하는 배기가스의 폐열로 해수를 증발시켜 담수를 생성하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 용해조에서 해상의 공기는 상기 용해조의 하부로 유입되고, 상기 조수기에서 공급되는 담수는 상부에서 분사시켜 상기 공기 중 포함된 염분을 상기 담수로 용해시키고, 염분이 용해된 담수는 상기 조수기로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템.
4. 제 1항에 있어서, 상기 연료전지 스택부는
   상기 조수기로부터 담수를 공급받아 상기 천연가스를 가습시키는 가습기;
   가습된 상기 천연가스를 수소와 이산화탄소로 개질시키는 개질기;
   애노드로 공급되는 상기 수소 및 상기 이산화탄소와 캐소드로부터 공급되는 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료 전지; 및
   상기 용해조를 거친 공기를 공급받아 가열하여 상기 연료 전지로 공급하는 공기 히터를 포함하는 선박용 연료전지 시스템.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 가습기는 상기 연료 전지에서 발생하는 배기가스의 폐열로 상기 담수를 기화시켜 상기 천연가스를 가습하고,
   상기 가습기를 거친 상기 배기가스는 해수를 증발시키기 위한 열원으로 상기 조수기에 공급되는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템.
6. 제 4항에 있어서,
   상기 용해조를 거친 공기를 공급받아 공기 중의 이물질을 제거하는 필터; 및
   상기 필터를 거친 공기를 공급받아 상기 공기 히터로 공급하는 송풍기를 더 포함하는 선박용 연료전지 시스템.
7. 1) 해수로부터 담수를 생성하는 단계;
   2) 생성된 상기 담수의 일부를 공급받아, 해상의 공기 중 포함된 염분을 상기 담수에 용해시켜 제거하는 단계; 및
   3) 상기 담수, 염분이 제거된 상기 공기 및 천연가스를 공급받아 연료전지로 전기에너지를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 연료전지에서 발생하는 배기가스의 폐열로 상기 해수를 증발시켜 담수화하여 상기 단계 2) 및 3)으로 공급하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템.

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