KR20160128699A - Fuel cell power generating apparatus and method in offshore structure - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a fuel cell power generating apparatus and a method in an offshore structure, wherein a hydrogen generation module generates hydrogen by passing through modified reaction from LNG stored in an LNG storage tank in an offshore structure, and a fuel cell module is supplied with hydrogen to generate power. Therefore, compared to a conventional land fixing type fuel cell power generating plant, construction costs can be reduced, and pollution of a forest and around facilities can be prevented. Moreover, the problem of environmental pollution with respect to exhaust gas emission can be solved.

Description

해양구조물의 연료전지 발전장치 및 방법{FUEL CELL POWER GENERATING APPARATUS AND METHOD IN OFFSHORE STRUCTURE}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a fuel cell power generation apparatus and method for an offshore structure,

본 발명은 해양구조물의 연료전지 발전장치 및 방법에 것으로, 좀더 구체적으로는 해양구조물에서 수소 생산모듈이 LNG 저장탱크에 저장된 LNG로부터 개질 반응을 거쳐 수소를 생산하고, 연료전지모듈이 개질 반응을 거쳐 생산한 수소를 공급받아 전력을 생산할 수 있는 해양구조물의 연료전지 발전장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for generating a fuel cell in an offshore structure, and more particularly, a hydrogen production module in an offshore structure produces hydrogen from LNG stored in an LNG storage tank through a reforming reaction, The present invention relates to a fuel cell power generation apparatus and method for an offshore structure capable of generating electricity by supplying hydrogen produced.

연료전지는 기존의 에너지원들을 대체할 수 있는 가장 유력한 방법으로, 최근에 연료전지에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중 발전용 플랜트 분야에서도 연료전지를 이용하려는 움직임이 보이고 있다. 연료전지를 이용하여 발전하도록 구성된 플랜트가 연료전지 발전용 플랜트이다.Fuel cells are the most promising way to replace existing energy sources, and many studies on fuel cells are under way. In the field of power plants, there is a tendency to use fuel cells. A plant configured to generate electricity using a fuel cell is a plant for fuel cell power generation.

연료전지는 연료전지용 연료(예를 들어, 수소가 포함된 합성가스 또는 수소)를 전기 화학적으로 반응시켜서 전기를 얻는 것이다.A fuel cell is a fuel for fuel cells (for example, a synthesis gas containing hydrogen or hydrogen) electrochemically reacting to obtain electricity.

연료전지의 전기발생 원리를 설명하면 다음과 같다.The electricity generating principle of the fuel cell will be described as follows.

연료 극에서 수소가 수소 이온과 전자로 분해되고, 수소 이온은 전해질을 거쳐 공기 극으로 이동하며, 전자는 외부회로를 거쳐 전류를 발생하고, 공기 극에서 수소 이온과 전자, 산소가 결합하여 물이 생성된다.Hydrogen is decomposed into hydrogen ions and electrons in the fuel electrode. Hydrogen ions move to the air electrode through the electrolyte. The electrons generate electric current through the external circuit, and hydrogen ions, electrons and oxygen combine with each other in the air electrode. .

일반적으로 연료전지 발전용 플랜트는 육상 고정식으로 건설되는데, 이러한 육상 고정식 연료전지 발전용 플랜트는 이동이 불가능하고, 건설용지 구입 비용 및 기초 공사비용이 많이 들어가고, 건설 시간이 오래 걸리며, 한번 건설하면 그 장소에서만 사용이 제한되는 문제점이 있다.Generally, a plant for fuel cell power generation is constructed as a land fixed type. Such a land fixed type fuel cell power generation plant can not be moved, and a construction paper cost, a foundation cost, and a construction time are long. There is a problem that usage is limited only at a place.

또한, 육상 고정식 연료전지 발전용 플랜트를 건설하고자 하는 현지의 기상 여건이나 작업 여건이 열악한 경우, 육상 고정식 연료전지 발전용 플랜트를 건설하는 데에 어려움이 있다.In addition, when the local weather conditions and working conditions for constructing a plant for land fixed fuel cell power generation are inadequate, it is difficult to construct a plant for land fixed fuel cell power generation.

또한, 육상 고정식 연료전지 발전용 플랜트를 건설하고자 하는 현지에서, 건설 엔지니어를 포함한 작업 인력을 구하기가 힘든 문제점이 있다. In addition, there is a problem in that it is difficult to obtain a workforce including a construction engineer in a field where a plant for land-based fixed fuel cell power generation is to be built.

또한, 육상 고정식 연료전지 발전용 플랜트의 건설로 인해 산림이 파괴되고 시설 주변이 오염될 뿐만 아니라 연료전지 발전용 플랜트에서 지구 온난화의 원인인 이산화탄소(CO2)가 대기 중으로 배출되는 등의 환경 오염의 문제점이 있다.In addition, the construction of land-based fixed-fuel cell power plants not only destroys forests, but also pollutes the environment. In addition, the pollution of the environment, such as carbon dioxide (CO 2 ), which is the cause of global warming, There is a problem.

전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 해양구조물에서 수소 생산모듈이 LNG 저장탱크에 저장된 LNG로부터 개질 반응을 거쳐 수소를 생산하고, 연료전지모듈이 수소를 공급받아 전력을 생산하도록 구성함으로써, 기존 육상 고정식 연료전지 발전용 플랜트와는 달리, 기초 건설비용을 절감하고, 산림 및 시설 주변의 오염을 방지할 뿐만 아니라 배기가스 배출에 대한 환경오염의 문제를 해결할 수 있는 해양구조물의 연료전지 발전장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.In order to solve the above-described problems, the present invention provides a hydrogen generating module for generating hydrogen from an LNG stored in an LNG storage tank in an offshore structure through a reforming reaction, Unlike a land stationary fuel cell power generation plant, it can be used as a fuel cell power generation device of an offshore structure capable of reducing the construction cost of foundation, preventing pollution around forests and facilities, The present invention has been made in view of the above problems.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 해양구조물; LNG를 저장하기 위하여 상기 해양구조물에 구비되는 LNG 저장탱크; 상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG로부터 수소를 생산하도록 상기 해양구조물에 구비되는 수소 생산모듈; 상기 수소 생산모듈에 의해 생산된 수소를 저장하기 위하여 상기 해양구조물에 구비되는 수소 저장탱크; 상기 수소 저장탱크에 저장된 수소를 공급받아 전력을 생산하도록 상기 해양구조물에 구비되는 연료전지모듈; 상기 연료전지모듈에서 생산한 직류전기(DC)를 교류전기(AC)로 변환시키는 전력변환기(inverter); 및 생산한 전기를 저장하는 전기 저장부를 포함하는 해양구조물의 연료전지 발전장치를 제공한다.To achieve the above object, the present invention provides a marine structure; An LNG storage tank provided in the offshore structure for storing LNG; A hydrogen production module provided in the offshore structure to produce hydrogen from the LNG stored in the LNG storage tank; A hydrogen storage tank provided in the offshore structure for storing hydrogen produced by the hydrogen production module; A fuel cell module provided in the offshore structure to generate electricity by receiving hydrogen stored in the hydrogen storage tank; A power converter for converting the direct current (DC) produced by the fuel cell module into an alternating current (AC); And an electric storage unit for storing the electricity generated by the fuel cell.

상기 LNG 저장탱크 및 상기 수소 저장탱크는 상기 해양구조물의 내부에 설치되고, 상기 수소 생산모듈 및/또는 연료전지모듈은 상기 해양구조물의 상부에 설치될 수 있다.The LNG storage tank and the hydrogen storage tank may be installed in the offshore structure, and the hydrogen production module and / or the fuel cell module may be installed on the offshore structure.

한편, 본 발명은 LNG 저장탱크에 저장된 LNG로부터 수소 생산모듈에서 수소를 생산하는 단계; 상기 수소 생산모듈에 의해 생산된 수소를 수소 저장탱크에 저장하는 단계; 및 상기 수소 저장탱크에 저장된 수소를 공급받아 연료전지모듈에서 전력을 생산하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a process for producing hydrogen, comprising: producing hydrogen from a hydrogen production module from LNG stored in an LNG storage tank; Storing the hydrogen produced by the hydrogen production module in a hydrogen storage tank; And generating power from the fuel cell module by receiving hydrogen stored in the hydrogen storage tank.

상기 수소 생산모듈의 수소생성 공정은 수증기 개질 반응, 부분 산화 반응, 및 자열 반응 중 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다.The hydrogen production process of the hydrogen production module may use at least one of a steam reforming reaction, a partial oxidation reaction, and an autothermal reaction.

상기 수증기 개질 반응(steam reforming) 식은 CH4 + H2O + Heat = CO + 3H2 이고, 상기 부분 산화 반응(partial oxidation reforming) 식은 CH4 + (1/2)O2 = CO + 2H2 이며, 상기 자열 개질 반응(autothermal reforming) 식은 CH4 + xO2+(2-2x)H2O = CO2 + (4-2x)H2 이다.The steam reforming equation is CH 4 + H 2 O + Heat = CO + 3H 2 , And the partial oxidation reforming equation is CH 4 + (1/2) O 2 = CO + 2H 2 And the autothermal reforming equation is CH 4 + x O 2 + (2-2x) H 2 O = CO 2 + (4-2x) H 2 .

상기 자열 개질 반응식에서, 탄화수소 중 메탄을 반응물로 사용하는 경우, 전체 반응열(ΔH)이 0이 되는 x 값은 0.44이며, 탄화수소 중 메탄을 반응물로 사용했을 경우 전체 반응식은 CH4 + 0.44O2 + 1.12H2O = CO2 + 3.12H2 이다.In the autothermal reforming reaction scheme, when methane is used as a reactant, the x value at which the total reaction heat (ΔH) becomes 0 is 0.44. When methane in the hydrocarbon is used as the reactant, the overall reaction formula is CH 4 + 0.44 O 2 + 1.12H 2 O = CO 2 + 3.12H 2 .

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 해양구조물에서 수소 생산모듈이 LNG 저장탱크에 저장된 LNG로부터 개질 반응을 거쳐 수소를 생산하고, 연료전지모듈이 수소를 공급받아 전력을 생산하도록 구성함으로써, 기존 육상 고정식 연료전지 발전용 플랜트와는 달리, 기초 건설비용을 절감하고, 산림 및 주변시설의 오염을 방지할 뿐만 아니라 배기가스 배출에 대한 환경오염의 문제를 해결할 수 있다.As described above, according to the present invention, in the offshore structure, the hydrogen production module generates hydrogen from the LNG stored in the LNG storage tank through the reforming reaction, and the fuel cell module generates hydrogen by supplying hydrogen, Unlike a plant for fuel cell power generation, it can reduce the construction cost of foundation, prevent pollution of forests and surrounding facilities, and solve environmental pollution problem of exhaust gas emission.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해양구조물의 연료전지 발전장치를 보인 구성도
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해양구조물의 연료전지 발전장치에서 발전과정을 설명하는 도면
도 3은 본 발명의 변형 예에 따른 해양구조물의 연료전지 발전장치를 보인 구성도
도 4는 본 발명에 따른 해양구조물의 연료전지 발전방법을 보인 공정도
1 is a schematic view showing a fuel cell power generation apparatus for an offshore structure according to a preferred embodiment of the present invention;
2 is a view for explaining a power generation process in a fuel cell power generation apparatus for an offshore structure according to a preferred embodiment of the present invention;
3 is a view showing a fuel cell power generation apparatus for an offshore structure according to a modification of the present invention.
4 is a flow chart showing a fuel cell power generation method for an offshore structure according to the present invention.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해양구조물의 연료전지 발전장치 및 방법에 대하여 상세하게 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an apparatus and method for generating a fuel cell in an offshore structure according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해양구조물의 연료전지 발전장치를 보인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해양구조물의 연료전지 발전장치에서 발전과정을 설명하는 도면이다.FIG. 1 is a view illustrating a fuel cell power generation apparatus for an offshore structure according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a view for explaining a power generation process in a fuel cell power generation apparatus for an offshore structure according to a preferred embodiment of the present invention .

본 발명의 해양구조물은 예를 들어, LNGC 또는 FLNG일 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, LNG를 생산, 저장, 이동하는 해양구조물을 모두 포함한다.The offshore structure of the present invention may be, for example, but not limited to, LNGC or FLNG, including all marine structures that produce, store, and transport LNG.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 해양구조물의 연료전지 발전장치(100)는 해양구조물에 설치된 LNG 저장탱크(110)의 LNG로부터 수소를 생산하는 수소 생산모듈(120)을 포함한다.1 and 2, a fuel cell power generation apparatus 100 for an offshore structure of the present invention includes a hydrogen production module 120 for producing hydrogen from LNG of an LNG storage tank 110 installed in an offshore structure.

수소 생산모듈(120)은 해양에 설치되는 개질기로서, 육상에 설치되는 개질기와는 달리, 해양구조물 내에 탑재될 수 있도록 소형화되고 컴팩트 하게 모듈화될 수 있다.The hydrogen production module 120 is a reformer installed in the ocean. Unlike a reformer installed on the land, the hydrogen production module 120 can be miniaturized and compactly modularized so as to be mounted in an offshore structure.

본 발명의 연료전지 발전장치(100)는 수소 생산모듈(120)에 의해 생산된 수소를 액화 상태로 저장하기 위하여 해양구조물 내부에 설치된 수소 저장탱크(130)를 구비한다.The fuel cell power generation apparatus 100 of the present invention includes a hydrogen storage tank 130 installed in an offshore structure to store hydrogen produced by the hydrogen production module 120 in a liquefied state.

본 발명의 연료전지 발전장치(100)는 수소 저장탱크(130)에 저장된 수소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지모듈(140)을 포함한다.The fuel cell power generation apparatus 100 of the present invention includes a fuel cell module 140 that receives hydrogen stored in a hydrogen storage tank 130 to produce electric power.

본 발명의 연료전지 발전장치(100)는 연료전지모듈(140)에서 생산한 직류전기(DC)를 교류전기(AC)로 변환시키는 전력변환기(inverter)(150)와, 생산한 전기를 저장하는 전기 저장부(160)를 포함한다.The fuel cell power generation apparatus 100 of the present invention includes a power converter 150 for converting a direct current (DC) produced by the fuel cell module 140 into an alternating current (AC) And an electric storage unit 160.

도 3에 도시된 바와 같이, LNG 저장탱크(110) 및 수소 저장탱크(130)는 해양구조물의 내부에 설치되고, 상기 수소 생산모듈(120) 및/또는 연료전지모듈(140)은 해양구조물의 상부에 설치될 수 있다.3, the LNG storage tank 110 and the hydrogen storage tank 130 are installed inside an offshore structure, and the hydrogen production module 120 and / or the fuel cell module 140 are installed in the offshore structure, As shown in FIG.

일반적으로 연료전지(fuel cell)의 원료로 사용되는 수소의 공급방법은 크게 2가지로 나눌 수 있다. 즉, 수소 공장에서 반응/정제를 통하여 순수한 수소를 제조하여 공급하는 방법과, 탄화수소를 개질하여 직접 수소를 생산/공급하는 방법이 그것이다.Generally, there are two methods of supplying hydrogen used as a fuel cell fuel source. That is, pure hydrogen is produced and supplied through a reaction / purification process at a hydrogen plant, and a method for producing / supplying hydrogen directly by reforming a hydrocarbon.

순수한 수소를 제조하여 공급하는 방법은 연료전지에 대하여는 가장 좋은 방법이지만, 순수한 수소를 제조하기 위한 장치비용(반응 장치 및 정제/분리 비용)이 많이 들고, 또한 보관 및 이동, 공급에 문제가 많다.The method of producing and supplying pure hydrogen is the best method for the fuel cell, but the cost of the device (reactor and purification / separation cost) for producing pure hydrogen is high, and there are many problems in storage, transportation and supply.

따라서 탄화수소로부터 직접 수소를 제조하여 연료전지의 원료로 사용하는 방법에 대하여 많은 연구가 집중되고 있다. 예를 들면, 다음 문헌 [Applied Catalysis A: General 241 (2003) 261-269, International Journal of Hydrogen Energy26(2001) 291∼301 및 미국 특허 USP 6,713,040호] 등은 연료전지(fuel cell)용 수소를 탄화수소(hydrocarbon)로부터 제조하기 위한 공정을 제시하고 있다.Therefore, much research has been focused on a method for producing hydrogen directly from hydrocarbons and using it as a raw material for a fuel cell. For example, the following references [Applied Catalysis A: General 241 (2003) 261-269, International Journal of Hydrogen Energy 26 (2001) 291-301 and USP 6,713,040) lt; RTI ID = 0.0 > hydrocarbons. < / RTI >

탄화수소의 수소 연료 제조공정(fuel processing)은 개질 반응(reforming), WGS(water gas shift reaction), CO clean-up 공정 등으로 나누어진다.Hydrogen fuel processing of hydrocarbons is divided into reforming, water gas shift reaction (WGS), and CO clean-up process.

수소 생산모듈(120)의 개질 반응공정은, 산소와 수증기의 공급 유무에 따라 수증기 개질(steam reforming), 부분 산화(partial oxidation), 자열 개질(autothermal reforming) 등으로 나누어질 수 있는데, 본 발명에서는 위 개질 반응을 적어도 하나 이상 사용할 수 있다.The reforming reaction process of the hydrogen production module 120 can be divided into steam reforming, partial oxidation and autothermal reforming depending on whether oxygen and water vapor are supplied or not. At least one of the above reforming reactions may be used.

수증기 개질 반응은 고도의 흡열 반응(highly endothermic reaction)이므로 외부로부터 열이 공급되어야 하며, 열이 공급되는 속도에 의해서 반응속도가 제한된다. 개질 공정 운전을 위해서는 외부에서 열을 공급해 줄 수 있는 별도의 연소공정(combustion process)이나 가열장치(heater)가 필요하다.Since the steam reforming reaction is a highly endothermic reaction, heat must be supplied from the outside, and the reaction rate is limited by the rate at which heat is supplied. In order to operate the reforming process, a separate combustion process or heater capable of supplying heat from the outside is required.

부분 산화 반응은 탄화수소를 산소로 부분 연소시켜 열 및 일산화탄소와 수소를 발생시키고, WGS 반응(water gas shift reaction)과 결합되어 반응을 완성한다.The partial oxidation reaction partially burns hydrocarbons with oxygen to generate heat, carbon monoxide and hydrogen, and is combined with a water gas shift reaction to complete the reaction.

부분 산화반응은 자체가 발열반응이므로 개시(startup)가 빠르고 응답시간(response time)이 빠른 장점 때문에 초기에 관심을 받았으나, 개질 연료(reformate) 중에 수소 함량이 낮다는 점(약 50%)과 약 1000℃나 되는 개질 연료(reformate)의 열을 효율적으로 이용할 수 없어 전체적인 열효율이 떨어지는 단점 때문에 현재는 자열 개질 반응이 주요한 관심의 대상이 되고 있다.Partial oxidation reactions were initially of interest because they were exothermic and therefore had a fast startup and fast response time. However, the hydrogen content in the reformate was low (about 50%), At present, the autothermal reforming reaction has become a major concern because of the disadvantage that the heat of the reformate of 1000 ° C can not be efficiently utilized and the overall thermal efficiency is lowered.

자열 개질 반응은 수증기 개질 반응과 부분 산화반응을 결합시킨 반응으로서, 탄화수소와 수증기, 공기를 함께 반응시킨다. 부분 산화반응에 의해 생성된 열은 탄화수소의 수증기 개질 반응에 필요한 열을 공급하게 된다. The autothermal reforming reaction is a combination of steam reforming reaction and partial oxidation reaction, in which hydrocarbons, water vapor and air are reacted together. The heat generated by the partial oxidation reaction provides the heat necessary for the steam reforming reaction of the hydrocarbons.

이때, 공급되는 산소의 함량과 수증기의 함량을 조절하면 전체 반응(overall reaction)의 반응열이 0이 되도록 조절할 수도 있어 에너지 효율 면에서 가장 적합하다. 자열 반응은 흡열 반응인 수증기 개질 반응(steam reforming)과, 발열반응인 부분 산화반응을 함께 진행시켜 열중화(thermal neutralization) 시키는 반응이다. 효율이 높으면서 공해물질의 배출량은 적은 연료전지를 개발하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다.
In this case, by regulating the oxygen content and the water vapor content, it is possible to adjust the reaction heat of the overall reaction to be zero, which is most suitable for energy efficiency. The autothermal reaction is a reaction in which steam reforming, which is an endothermic reaction, and partial oxidation reaction, which is an exothermic reaction, are conducted together to perform thermal neutralization. Much research has been conducted to develop a fuel cell having high efficiency and low emission of pollutants.

한편, 도 4는 본 발명에 따른 해양구조물의 연료전지 발전방법을 보인 공정도이다.4 is a process diagram illustrating a method for generating a fuel cell of an offshore structure according to the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 해양구조물의 연료전지 발전방법은 LNG 저장탱크(110)에 저장된 LNG로부터 수소 생산모듈(120)에서 수소를 생산하는 단계(S 10); 상기 수소 생산모듈(120)에 의해 생산된 수소를 수소 저장탱크(130)에 저장하는 단계(S 20); 및 상기 수소 저장탱크(130)에 저장된 수소를 공급받아 연료전지모듈(140)에서 전력을 생산하는 단계(S 30)를 포함한다.Referring to FIG. 4, a method for generating a fuel cell for an offshore structure according to the present invention includes the steps of: (S10) producing hydrogen from a hydrogen production module 120 from LNG stored in an LNG storage tank 110; Storing (S 20) the hydrogen produced by the hydrogen production module (120) in the hydrogen storage tank (130); And a step (S30) of receiving power from the hydrogen stored in the hydrogen storage tank 130 and producing power from the fuel cell module 140. [

상기 수소 생산모듈(120)의 수소생성 공정은, 전술한 바와 같이 수증기 개질 반응, 부분 산화 반응, 및 자열 반응 중 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다.At least one of steam reforming reaction, partial oxidation reaction, and autothermal reaction may be used for the hydrogen generation process of the hydrogen generation module 120 as described above.

수소 생산 공정 중에서 수증기 개질 반응은 아래 식 (1)과 같이 탄화수소와 수증기가 반응하여 일산화탄소와 수소가 생성되는 반응이며, WGS 반응과 결합되어 전체적으로 아래 식 (1)과 같은 반응이 된다.In the hydrogen production process, the steam reforming reaction is a reaction in which hydrocarbons and water vapor react with each other to generate carbon monoxide and hydrogen as shown in the following equation (1), and is combined with the WGS reaction to produce the reaction shown in the following equation (1) as a whole.

또한, 부분 산화(partial oxidation) 반응은 탄화수소를 산소로 부분 연소시켜 열 및 일산화탄소와 수소를 발생시키고 WGS 반응과 결합되어 아래 식 (2)와 같은 반응이 된다.In addition, the partial oxidation reaction partially burns the hydrocarbon with oxygen to generate heat, carbon monoxide and hydrogen, and is combined with the WGS reaction to produce the following reaction (2).

자열 개질 반응은 수증기 개질 반응과 부분 산화반응을 결합시킨 반응으로서, 아래 식 (3)과 같이 탄화수소와 수증기, 공기를 함께 반응시킨다.The autothermal reforming reaction is a combination of steam reforming reaction and partial oxidation reaction. Hydrocarbon, steam and air are reacted together as shown in the following equation (3).

상기 수증기 개질 반응식: CH4 + H2O + Heat = CO + 3H2 (1) 이고,The above steam reforming reaction formula: CH 4 + H 2 O + Heat = CO + 3H 2 (One) ego,

상기 부분 산화 반응식: CH4 + (1/2)O2 = CO + 2H2 (2)이며,Partial Oxidation Scheme: CH 4 + (1/2) O 2 = CO + 2H 2 (2)

상기 자열 개질 반응식: CH4 + xO2+(2-2x)H2O = CO2 + (4-2x)H2 (3)이다.The autothermal reforming reaction scheme is: CH 4 + x O 2 + (2-2x) H 2 O = CO 2 + (4-2x) H 2 (3).

상기 자열 개질 반응식에서, 탄화수소 중 메탄을 반응물로 사용하는 경우, 전체 반응열(ΔH)이 0이 되는 x 값은 0.44이며, 탄화수소 중 메탄을 반응물로 사용했을 경우 전체 반응식은 CH4 + 0.44O2 + 1.12H2O = CO2 + 3.12H2 (4)이다.
In the autothermal reforming reaction scheme, when methane is used as a reactant, the x value at which the total reaction heat (ΔH) becomes 0 is 0.44. When methane in the hydrocarbon is used as the reactant, the overall reaction formula is CH 4 + 0.44 O 2 + 1.12H 2 O = CO 2 + 3.12H 2 (4).

본 발명은 자열 개질 반응에서 산화제로 사용되는 공기 또는 산소를 과산화수소로 대체함으로써 자열 개질 반응의 장점을 유지하면서 수증기 개질 반응의 장점인 수소의 함량을 높게 유지할 수 있다.The present invention can maintain the advantage of the autothermal reforming reaction by replacing the air or oxygen used as the oxidizing agent with hydrogen peroxide in the autothermal reforming reaction while keeping the hydrogen content, which is an advantage of the steam reforming reaction, high.

과산화수소를 이용한 자열 개질 반응은 다음과 같이 메탄을 반응물로 사용하였을 경우를 예로 들면 다음과 같이 표현될 수 있다.The autothermal reforming reaction using hydrogen peroxide can be expressed as follows, for example, when methane is used as the reactant as follows.

CH4 + xH2O2 + 2(1-x)H2O = CO2 + (4-x)H2 (5)CH 4 + x H 2 O 2 + 2 (1-x) H 2 O = CO 2 + (4-x) H 2 (5)

여기서, 상기 식 (5)은 다음과 같은 단위반응으로 구성되어 있다.Here, the formula (5) is composed of the following unit reactions.

CH4 + 1/2O2 = CO + 2H2 (5-1)CH 4 + 1 / 2O 2 = CO + 2H 2 (5-1)

H2O2 = H2O + 1/2O2 ΔH = -98 kJ/mol (5-2)H 2 O 2 = H 2 O + 1 / 2O 2 ? H = -98 kJ / mol (5-2)

CO + H2O = CO2 + H2 (5-3)CO + H 2 O = CO 2 + H 2 (5-3)

CH4 + H2O = CO + 3H2 (5-4)CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 (5-4)

또한, 과산화수소의 에너지 준위가 식 (5-2)에서 처럼 높아 자열 개질 반응의 반응열을 보급하는 것으로도 작용할 수 있어 에너지 효율을 높일 수 있다는 장점이 있다.In addition, the energy level of hydrogen peroxide is as high as in Equation (5-2), and it can also act as a replenishing heat of the autothermal reforming reaction, thereby enhancing the energy efficiency.

상기 식 (5)에서의 반응열 ΔH=0이 되는 x의 값을 구하면 0.485이다. 따라서 전체 반응식은 아래 식 (6)과 같이 된다.The value x of the reaction sequence ΔH = 0 in the equation (5) is 0.485. Therefore, the total reaction equation is as shown in the following equation (6).

CH4 + 0.485H2O2 + 1.03H2O = CO2 + 3.515H2 (6)CH 4 + 0.485H 2 O 2 + 1.03H 2 O = CO 2 + 3.515H 2 (6)

산화제를 산소에서 과산화수소로 대체하면 산소를 산화제로 사용하는 기존 자열 개질 반응에 비해 높은 수소 생산성을 가질 수 있다.Replacing the oxidizer with hydrogen peroxide from oxygen can have higher hydrogen productivity than conventional autothermal reforming using oxygen as the oxidant.

따라서, 기존 공정이 산소 공급원으로 공기를 산화제로 사용하는 것을 고려하면, 공기를 산화제로 사용하는 자열 개질 반응보다 높은 농도의 수소를 생산할 수 있음을 알 수 있다. Therefore, considering that the conventional process uses air as an oxidizing agent as an oxygen source, it can be understood that hydrogen can be produced at a higher concentration than autothermal reforming reaction using air as an oxidizing agent.

즉, 본 발명은 연료전지의 원료로 사용될 수소를 생산하는 공정에 있어서 산화제로 과산화수소를 사용하여 고농도의 수소를 생산하는 것이다. 과산화수소는 수용액 상태로 존재하고 분해되어 수증기와 산소로 된다.That is, the present invention produces hydrogen at a high concentration by using hydrogen peroxide as an oxidizing agent in a process of producing hydrogen to be used as a raw material for a fuel cell. Hydrogen peroxide is present in aqueous solution and decomposes into water vapor and oxygen.

수증기와 산소는 자열 개질 반응에 필요한 원료물질이다. 순수한 산소는 생산 및 저장이 어렵기 때문에 산소와 수증기를 사용하는 기존의 자열 개질 반응은 산소의 공급원으로서 공기를 사용할 수밖에 없다.Water vapor and oxygen are the raw materials required for autothermal reforming reactions. Because pure oxygen is difficult to produce and store, conventional autothermal reforming reactions using oxygen and water vapor are forced to use air as a source of oxygen.

공기를 기존의 자열 개질 반응에 사용할 경우, 상기 식 (4)는 다음과 같이 변형된다.When air is used for an existing autothermal reforming reaction, the above equation (4) is modified as follows.

CH4 + 0.44(O2+3.76N2) + 1.12H2O = CO2 + 3.12H2 + 1.65N2 인 경우, 생성물 중 수소의 농도는 반응에 참여하지 않는 질소에 의해 더욱 희석되어 54%까지 떨어지게 된다.In the case of CH 4 + 0.44 (O 2 + 3.76 N 2 ) + 1.12H 2 O = CO 2 + 3.12H 2 + 1.65 N 2 , the concentration of hydrogen in the product is further diluted by nitrogen not participating in the reaction, .

따라서, 수소의 농도가 낮은 개질 연료를 연료전지에 공급하게 되면 연료전지의 성능이 떨어지게 되고, 연료전지의 성능을 유지하기 위해서는 수소의 농도를 높여주기 위한 후처리 공정이 추가로 필요하게 된다.Therefore, when the reforming fuel having a low hydrogen concentration is supplied to the fuel cell, the performance of the fuel cell is deteriorated. Further, in order to maintain the performance of the fuel cell, a post-treatment process for increasing the concentration of hydrogen is further required.

과산화수소를 산화제로 사용하는 경우에 질소에 의한 수소의 희석효과를 제거할 수 있어 최대 77.9%의 고농도의 수소를 생산할 수 있다.When hydrogen peroxide is used as an oxidizing agent, the effect of dilution of hydrogen by nitrogen can be eliminated, and hydrogen at a high concentration of 77.9% can be produced.

과산화수소를 산화제로 사용하는 공정은 77.9%의 수소 함유 개질 연료를 생산할 수 있어 순수한 산소를 산화제로 사용하는 공정의 75.7%에 비하여도 높은 함량의 수소를 함유하는 개질 연료를 생산할 수 있다.The process using hydrogen peroxide as an oxidant can produce a reformed fuel containing 77.9% of hydrogen, which can produce a reformed fuel containing a higher content of hydrogen than the 75.7% of the process using pure oxygen as the oxidant.

또한, 과산화수소를 산소 또는 공기와 함께 산화제로 사용할 수도 있으며, 실제 수소 제조공정 시 사용되는 총 탄화수소 내의 탄소대비 0.1∼1.0 당량 비로 과산화수소를 사용하는 하는 것이 바람직하다.Hydrogen peroxide may be used as an oxidizing agent together with oxygen or air, and it is preferable to use hydrogen peroxide at a ratio of 0.1 to 1.0 equivalent to the carbon in the total hydrocarbons used in the actual hydrogen production process.

상기와 같은 수소 생산 공정 반응은 통상 일반적인 촉매 반응기를 사용할 수 있으며, 예를 들어 관형 반응기, 마이크로채널 반응기 등을 사용할 수 있다.In the hydrogen production process, a typical catalytic reactor may be used. For example, a tubular reactor or a microchannel reactor may be used.

본 발명의 연료전지모듈(140)은 용융 탄산 염형 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물형 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane/Proton exchange Membrane Fuel Cell) 등을 포함한다.
The fuel cell module 140 of the present invention can be applied to a fuel cell such as a molten carbonate fuel cell (MCFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) Proton exchange Membrane Fuel Cell).

구분division 알칼리(AFC)Alkali (AFC) 인산형(PFAC)Phosphoric acid type (PFAC) 용융탄산염형(MCFC)Molten carbonate type (MCFC) 고체산화물형(SOFC)Solid oxide type (SOFC) 고분자전해질형(PEMFCPolymer electrolyte type (PEMFC 직접매탄올(DMFC)Direct methanol (DMFC) 전해질Electrolyte 알카리Alkaline 인산염phosphate 탄산염lead carbonate 세라믹ceramic 이온교환막Ion exchange membrane 이온교환막Ion exchange membrane 동작온도(℃)Operating temperature (℃) 120이하120 or less 250이하250 or less 700이하700 or less 1,200이하1,200 or less 100이하Below 100 100이하Below 100 효율(%)efficiency(%) 8585 7070 8080 8585 7575 4040 용도Usage 우주발사체Space launch vehicle 중형 건물Medium building 중대형 발전Medium and large size development 소-대형 발전Small-sized power generation 상업용Commercial 소형small type 특징Characteristic 내구성 큼Durable enough 발전효율 큼Power generation efficiency is high 발전효율 큼Power generation efficiency is high 저온작동 고출력밀도Low temperature operation High power density 저온작동 고출력밀도Low temperature operation High power density

위 표 1 중에서, 연료전지모듈(140)이 용융 탄산 염형 연료전지인 경우, 합성가스에서 일산화탄소를 제거하지 않고 일산화탄소를 수소와 함께 연료전지모듈(140)로 공급한다.In Table 1, when the fuel cell module 140 is a molten carbonate fuel cell, carbon monoxide is supplied to the fuel cell module 140 together with hydrogen without removing carbon monoxide from the synthesis gas.

연료전지모듈(140)에서 합성가스인 수소와 일산화탄소를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산하는 과정을 나타내는 반응식은 다음과 같다.The reaction scheme for producing electricity by electrochemically reacting hydrogen and carbon monoxide in the fuel cell module 140 is as follows.

연료극: H2 + CO3 -2 → H2O + CO2 + 2e-Fuel electrode: H 2 + CO 3 -2 ? H 2 O + CO 2 + 2e-

CO + CO3 -2→ 2CO2 + 2e- CO + H2O → H2 + CO2 CO + CO 3 -2 → 2CO 2 + 2e - CO + H 2 O → H 2 + CO 2

공기극: 0.5O2 + CO2 + 2e- → CO3 -2 Air electrode: 0.50 2 + CO 2 + 2e-? CO 3 -2

연료전지모듈(140)의 전체 반응: H2 + 0.5O2 + CO2 → H2O + CO2 The overall reaction in the fuel cell module (140): H2 + 0.5O 2 + CO 2 → H 2 O + CO 2

여기에서, 수소와 함께 연료전지모듈(140)로 공급되는 일산화탄소는, 연료극에서 물과 반응하여 수소를 생산하는 반응에 사용된다. 이때 발생한 이산화탄소(CO2)는 공기극으로 보내어져서 공기 극에서 삼산화탄소(CO3 -2)를 생성하는 반응에 사용된다.Here, the carbon monoxide supplied to the fuel cell module 140 together with hydrogen is used in a reaction to produce hydrogen by reacting with water at the fuel electrode. At this time, the generated carbon dioxide (CO 2 ) is sent to the air electrode to be used for the reaction to generate carbon monoxide (CO 3 -2 ) in the air electrode.

즉, 연료전지모듈(140)이 용융 탄산 염형 연료전지인 경우에는, 전기를 생산하는 과정에서 발생하는 이산화탄소가 외부로 배출되지 않고 연료전지 내부에서 순환된다.That is, when the fuel cell module 140 is a molten carbonate fuel cell, carbon dioxide generated in the process of generating electricity is circulated in the fuel cell without being discharged to the outside.

또한, 연료전지모듈(140)이 용융 탄산 염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우에, 연료전지모듈(140)로 공급된 합성가스 중의 일부는 연료전지모듈(140)에서 전기화학적으로 반응하지 않고 고온의 상태로 배출되는데, 이렇게 연료전지에서 배출되는 고온의 합성가스를 이용하여 발전 효율을 높일 수도 있다.
When the fuel cell module 140 is a molten carbonate fuel cell or a solid oxide fuel cell, some of the syngas supplied to the fuel cell module 140 is not electrochemically reacted in the fuel cell module 140 The high-temperature synthesis gas discharged from the fuel cell can be used to increase the power generation efficiency.

또한, 연료전지모듈(140)이 고체 산화물형 연료전지인 경우, 합성가스에서 일산화탄소를 제거하지 않고 일산화탄소를 수소와 함께 연료전지모듈(140)로 공급한다. 고체 산화물형 연료전지에서 합성가스인 수소와 일산화탄소를 전기 화학적으로 반응시켜서 전기를 생산하는 과정을 나타내는 반응식은 다음과 같다.When the fuel cell module 140 is a solid oxide fuel cell, carbon monoxide is supplied to the fuel cell module 140 together with hydrogen without removing carbon monoxide from the synthesis gas. The reaction scheme for producing electricity by electrochemically reacting hydrogen and carbon monoxide in a solid oxide fuel cell is as follows.

연료극: H2 + O-2 → H2O + 2e- Anode: H2 + O -2 → H 2 O + 2e-

CO + O-2→ CO2 + 2e- CO + O -2 → CO 2 + 2e-

CO + H2O → H2 + CO2 CO + H 2 O → H 2 + CO 2

공기극: 0.5O2 + 2e- → O-2 Air electrode: 0.5 O 2 + 2e-? O -2

연료전지모듈(140)의 전체 반응: H2 + 0.5O2 → H2OThe overall reaction in the fuel cell module (140): H2 + 0.5O 2 → H 2 O

여기에서, 수소와 함께 연료전지모듈(140)로 공급되는 일산화탄소는, 연료극에서 물과 반응하여 수소를 생산하는 반응에 사용된다. 이때 발생한 이산화탄소(CO2)는 별도의 장치에 의해 처리되어야 한다.Here, the carbon monoxide supplied to the fuel cell module 140 together with hydrogen is used in a reaction to produce hydrogen by reacting with water at the fuel electrode. Carbon dioxide (CO 2 ) generated at this time must be treated by a separate apparatus.

연료전지모듈(140)이 고체 산화물형 연료전지인 경우에, 연료전지모듈(140)에서 합성가스를 전기화학적으로 반응시키는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 처리하기 위해, 연료전지모듈(140)에는 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 포집기(미도시)가 설치될 수 있고, 이산화탄소 포집기에 포집된 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 저장탱크(미도시)가 연결될 수 있다.In the case where the fuel cell module 140 is a solid oxide type fuel cell, in order to treat carbon dioxide generated in the process of electrochemically reacting the synthesis gas in the fuel cell module 140, carbon dioxide And a carbon dioxide storage tank (not shown) for storing the carbon dioxide captured by the carbon dioxide trapper may be connected to the carbon dioxide trapper (not shown).

연료전지모듈(140)이 고분자 전해질형 연료전지인 경우, 수소만을 연료전지모듈로 공급한다. 고분자 전해질형 연료전지에서 수소를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산하는 과정을 나타내는 반응식은 다음과 같다.When the fuel cell module 140 is a polymer electrolyte fuel cell, only hydrogen is supplied to the fuel cell module. The reaction scheme for producing electricity by electrochemically reacting hydrogen in a polymer electrolyte fuel cell is as follows.

연료극: H2 → 2H+ + 2e-Anode: H2 - & gt ; 2H + + 2e -

공기극: 0.5O2 + 2H+ + 2e- → H2OAir electrode: 0.50 2 + 2H + + 2e-? H 2 O

연료전지모듈(140)의 전체 반응: H2 + 0.5O2 → H2OThe overall reaction in the fuel cell module (140): H2 + 0.5O 2 → H 2 O

연료전지모듈(140)에서 합성가스를 전기화학적으로 반응시키는 과정에서 스팀(H2O)이 발생하며, 이 스팀은 선박 내 스팀 사용처에 사용될 수 있다.In the process of electrochemically reacting the syngas in the fuel cell module 140, steam (H 2 O) is generated, and this steam can be used for steam in the ship.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 해양구조물에서 수소 생산모듈이 LNG 저장탱크에 저장된 LNG로부터 개질 반응을 거쳐 수소를 생산하고, 연료전지모듈이 수소를 공급받아 전력을 생산하도록 구성함으로써, 기존 육상 고정식 연료전지 발전용 플랜트와는 달리, 기초 건설비용을 절감하고, 산림 및 주변시설의 오염을 방지할 뿐만 아니라 배출가스에 대한 환경오염의 문제를 해결할 수 있다.As described above, according to the present invention, in the offshore structure, the hydrogen production module generates hydrogen from the LNG stored in the LNG storage tank through the reforming reaction, and the fuel cell module generates hydrogen by supplying hydrogen, Unlike the plant for fuel cell power generation, it can reduce the construction cost of foundation, prevent pollution of forests and surrounding facilities, and solve environmental pollution problem of exhaust gas.

그리고 본 발명은 한정된 실시 예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Various modifications and variations are possible within the scope of the present invention.

100: 해양구조물의 연료전지 발전장치
110: LNG 저장탱크
120: 수소 생산모듈
130: 수소 저장탱크
140: 연료전지모듈
150: 전력변환기
160: 전기 저장부
100: Fuel cell power plant of offshore structure
110: LNG storage tank
120: hydrogen production module
130: hydrogen storage tank
140: Fuel cell module
150: power converter
160: electric storage unit

Claims (9)

해양구조물;
LNG를 저장하기 위하여 상기 해양구조물에 구비되는 LNG 저장탱크;
상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG로부터 수소를 생산하도록 상기 해양구조물에 구비되는 수소 생산모듈;
상기 수소 생산모듈에 의해 생산된 수소를 저장하기 위하여 상기 해양구조물에 구비되는 수소 저장탱크; 및
상기 수소 저장탱크에 저장된 수소를 공급받아 전력을 생산하도록 상기 해양구조물에 구비되는 연료전지모듈;을 포함하는 해양구조물의 연료전지 발전장치.
Offshore structure;
An LNG storage tank provided in the offshore structure for storing LNG;
A hydrogen production module provided in the offshore structure to produce hydrogen from the LNG stored in the LNG storage tank;
A hydrogen storage tank provided in the offshore structure for storing hydrogen produced by the hydrogen production module; And
And a fuel cell module provided in the offshore structure to generate electricity by receiving hydrogen stored in the hydrogen storage tank.
청구항 1에 있어서,
상기 연료전지모듈에서 생산한 직류전기(DC)를 교류전기(AC)로 변환시키는 전력변환기(Inverter)와, 생산한 전기를 저장하는 전기 저장부를 더 포함하는 해양구조물의 연료전지 발전장치.
The method according to claim 1,
Further comprising a power converter for converting direct current (DC) produced by the fuel cell module into alternating current (AC), and an electric storage unit for storing the produced electricity.
청구항 1에 있어서,
상기 LNG 저장탱크 및 상기 수소 저장탱크는 상기 해양구조물의 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 해양구조물의 연료전지 발전장치.
The method according to claim 1,
Wherein the LNG storage tank and the hydrogen storage tank are installed inside the offshore structure.
청구항 1에 있어서,
상기 수소 생산모듈은 상기 해양구조물의 상부에 설치되는 것을 특징으로 하는 해양구조물의 연료전지 발전장치.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrogen production module is installed on an upper part of the offshore structure.
청구항 1에 있어서,
상기 연료전지모듈은 상기 해양구조물의 상부에 설치되는 것을 특징으로 하는 해양구조물의 연료전지 발전장치.
The method according to claim 1,
And the fuel cell module is installed on an upper part of the offshore structure.
LNG 저장탱크에 저장된 LNG로부터 수소 생산모듈에서 수소를 생산하는 단계;
상기 수소 생산모듈에 의해 생산된 수소를 수소 저장탱크에 저장하는 단계; 및
상기 수소 저장탱크에 저장된 수소를 공급받아 연료전지모듈에서 전력을 생산하는 단계;를 포함하는 해양구조물의 연료전지 발전방법.
Producing hydrogen from a hydrogen production module from LNG stored in an LNG storage tank;
Storing the hydrogen produced by the hydrogen production module in a hydrogen storage tank; And
And supplying hydrogen stored in the hydrogen storage tank to produce electricity in the fuel cell module.
청구항 6에 있어서,
상기 수소 생산모듈의 수소생성 공정은 수증기 개질 반응, 부분 산화 반응, 및 자열 반응 중 적어도 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 해양구조물의 연료전지 발전방법.
The method of claim 6,
Wherein the hydrogen production process of the hydrogen production module uses at least one of a steam reforming reaction, a partial oxidation reaction, and an autothermal reaction.
청구항 6에 있어서,
상기 수증기 개질 반응식은 CH4 + H2O = CO + 3H2 이고,
상기 부분 산화 반응식은 CH4 + (1/2)O2 = CO + 2H2 이며,
상기 자열 개질 반응식은 CH4 + xO2+(2-2x)H2O = CO2 + (4-2x)H2 인 것을 특징으로 하는 해양구조물의 연료전지 발전방법.
The method of claim 6,
The steam reforming reaction is carried out in the presence of CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 ego,
The partial oxidation reaction formula is CH 4 + (1/2) O 2 = CO + 2H 2 Lt;
Wherein the autothermal reforming reaction scheme is CH 4 + x O 2 + (2-2x) H 2 O = CO 2 + (4-2x) H 2 .
청구항 8에 있어서,
상기 자열 개질 반응식에서, 탄화수소 중 메탄을 반응물로 사용하는 경우, 전체 반응열(ΔH)이 0이 되는 x 값은 0.44이며,
탄화수소 중 메탄을 반응물로 사용했을 경우 전체 반응식은 CH4 + 0.44O2 + 1.12H2O = CO2 + 3.12H2 인 것을 특징으로 하는 해양구조물의 연료전지 발전방법.
The method of claim 8,
In the above autothermal reforming reaction scheme, when methane in the hydrocarbon is used as a reactant, the x value at which the total reaction heat (? H) becomes 0 is 0.44,
Wherein when the methane in the hydrocarbon is used as the reactant, the overall reaction formula is CH 4 + 0.44 O 2 + 1.12H 2 O = CO 2 + 3.12H 2 .
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